【正文】 的問題，但是如果是屬于大量生產(chǎn)的東西，材料的供應(yīng)就必須穩(wěn)定而且品質(zhì)一定才行，否則因產(chǎn)品不良造成退貨或是賠償，無論是金錢及信譽(yù)的損失可能都將難以彌補(bǔ)，因此在選擇材料供應(yīng)之初，材料品質(zhì)的一致和來源的穩(wěn)定性也是重要的考慮因素。而鋼鐵材料由于在機(jī)械上使用廣泛，因此必須針對(duì)其特性考量。 鍛造與鑄造在制造一直是競(jìng)爭(zhēng)不止，傳統(tǒng)的鑄造品雖可以制造復(fù)雜或有內(nèi)孔的零件，但被認(rèn)為偏析、氣孔、韌性差，鍛造品則較強(qiáng)韌，但鑄造技術(shù)及材料的進(jìn)步，己可以達(dá)到均質(zhì)、強(qiáng)韌，加以鑄造有一次成型的優(yōu)點(diǎn)，因此目前鑄件占較有利的趨勢(shì)。引擎各部份零件承受不同的負(fù)荷、溫度等工作條件，因此有不同的材料選擇考慮。 汽缸體汽缸由于形狀復(fù)雜，又有冷卻管路，因此只能用鑄造方式，汽缸由于要求良好強(qiáng)度大、耐磨、耐蝕、導(dǎo)熱性佳、膨脹系數(shù)低。2. 2.3. 3.以日常應(yīng)用來說，例如：二十年前的眼鏡框，使用白銅或鍍層，其后因?yàn)楦g問題而改用不銹鋼，至今更因?yàn)殁伒妮p量化、高強(qiáng)度比且耐蝕而再度取代。1．規(guī)格(Specification)是產(chǎn)品需求的敘述，也是數(shù)據(jù)技術(shù)溝通的依據(jù)為了增進(jìn)效率及提供產(chǎn)品零件的互換性，必須制定的規(guī)格，以作為生產(chǎn)者及使用者依循的規(guī)范。3．CNS之鋼鐵材料的編號(hào)，主要由下列三部分組成：第一部分為材質(zhì)，鐵以F表示，鋼以S表示。4．AISI和SAE以四個(gè)(或五個(gè))數(shù)目字為記號(hào)來分類。鋼 種編 號(hào)鋼 種編 號(hào)碳鋼1耐熱鋼30普通碳鋼10鉬鋼4易削鋼(加硫)11Cr(﹪)41錳 鋼13NiCr43鎳鋼2Ni(﹪)46﹪Ni20鉻鋼5﹪Ni21Cr(﹪)51﹪Ni23Cr(﹪)52鎳鉻鋼3鉻釩鋼6﹪﹪Cr31鎢鋼7﹪﹪Cr32鎳鉻鉬8﹪﹪Cr33硅錳鋼95．材料選擇的考慮因素主要有：(一)材料的規(guī)格要符合使用的需求(二)材料的價(jià)格要合理(三)材料的品質(zhì)要一致。不過在某些需求特別的場(chǎng)合，使用上碳鋼的性能仍嫌不足，例如：需要耐蝕的埸合、需要在高溫強(qiáng)度、需要更高的硬度以做為切削刀具，或是具有疲勞強(qiáng)度等。通常鋼的合金元素，除碳以外，%以上、%以上，%以上等，就可以認(rèn)定是屬于合金鋼，其它元素刻意加入碳鋼中者亦同。除用途外，合金鋼也可依加入元素種類來區(qū)分。%~%之間的，再細(xì)分為中合金鋼，%以下者為低合金鋼，不過這些都是粗略的分法，并沒有實(shí)質(zhì)的意義。111鋼中主要合金元素的功用 d．增高鋼之淬火溫度。 c．能增加鋼的韌性。 b．加強(qiáng)鋼之?dāng)嗝娼M織細(xì)微化，抵抗回火軟化。4．釩V 釩可以無限量固溶入鐵中，并阻止沃斯田鐵晶粒的成長(zhǎng)，釩在鋼中有脫酸除氧之能力，故含釩之鋼其斷面結(jié)晶密實(shí)，此外釩的作用還有： a．能提高淬火溫度。 b．錳有脫氧及脫疏功效，故錳能發(fā)撣鋼之鍛造性與可塑性。 a．能改善鋼在高溫之抗拉及潛變強(qiáng)度。7．鈷Co 鈷為制造合金鋼之重要元素，在鋼中可以生成碳化物，但也可能有不良影響，它具有以下特性： a．鈷可代替鎳，如增加強(qiáng)度及耐熱等性能。8．鈦Ti 鈦在鋼中易與碳形成碳化物TiC，其它特性： a．鈦在不銹鋼中，可以防止高溫時(shí)鉻量的局部減少，維持其 防蝕的能力 b．可以防止合金鋼由高溫徐冷時(shí)的脆化現(xiàn)象。 b．可以增加鋼的強(qiáng)度，%。11．硫S 硫在鋼中為有害之雜質(zhì)，硫與鐵化合成為FeS，與錳化合成MnS，其結(jié)果： a．會(huì)增加鋼的熱脆性 b．%以上，就會(huì)嚴(yán)重影響鋼的強(qiáng)度和韌性 c．硫可使鋼強(qiáng)度降低，因此有利于鋼的切削，但除了易切鋼之外，極少利用。 d．會(huì)阻礙碳元素溶于鋼中。112 合金鋼的分類 (b)熱處理型：大致是中合金量，含合金總量稍高，%~%之間，經(jīng)熱處理后可以大幅提高強(qiáng)度，通常用于不需焊接場(chǎng)合的強(qiáng)韌機(jī)件，稱為熱處理用中合金鋼(或強(qiáng)韌鋼) 。殊這些場(chǎng)合所需要的材料特性為：較高的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊值、疲勞限度等，同時(shí)也需要具備良好的鑄造、鍛制、切削或焊接的能力，以符合應(yīng)用上的需要。121高強(qiáng)度合金鋼(HSLA Steel)高強(qiáng)度低合金鋼的種類很多，一般抗拉強(qiáng)度必須在50kg/mm2以上，高強(qiáng)度低合金鋼的分類通常是以機(jī)械性質(zhì)如：抗拉強(qiáng)度、降伏強(qiáng)度、延伸率等區(qū)分，而不是以成份來區(qū)分。具備良好加工成形性的HSLA鋼除了特有的合金元素外，另外還加入有稀土金屬元素，例如：Ce、Nb、La等，此外，如: Co、V、 Ti也有效果。因此需加入像Cu 等能改進(jìn)大氣耐蝕性的元素進(jìn)行，但由于會(huì)增加成本，因此后來的作法，是在HSLA鋼之表面鍍鋅或其它防銹的表面處理，以增加其耐蝕性。改善鋼切削性的方法有：在鋼中加入合金元素，以弛力退火減少殘留應(yīng)力或調(diào)整顯微組織的性質(zhì)等，而易切鋼主要就是在鋼中添加磷、硫、鉛等合金元素的方法。熱處理用合金鋼就是在碳鋼中加入合金元素，并且經(jīng)由熱處理而可以得到強(qiáng)韌性質(zhì)的鋼料，因此也稱為強(qiáng)韌鋼。質(zhì)量效果大的材料，淬火時(shí)中心的硬度降低甚快，這樣的現(xiàn)象在碳鋼比較顯著。現(xiàn)在我們已經(jīng)暸解，在構(gòu)造用合金鋼中加入合金元素的目的，主要是增進(jìn)硬化能及抵抗回火軟化。在鋼中添加Si也可以減緩回火軟化的現(xiàn)象，但是與Cr或Mo比較就可以發(fā)現(xiàn)，添加Cr或Mo除了使回火軟化減緩之外，在較高溫回火的情況下，還會(huì)產(chǎn)生二次硬化的現(xiàn)象，而使硬度能夠再度上升。1．Ni鋼鋼中添加鎳可以增加鋼的強(qiáng)度，但是在淬火硬度上并沒有很大的改善，同時(shí)在回火軟化的抵抗性質(zhì)上也并沒有明顯增加，加上鎳的價(jià)格較高，因此單純加鎳的鎳鋼最近已不常用，Ni鋼在鋼料編號(hào)上是屬于SAE 2XXX系，JIS對(duì)鎳鋼則不作規(guī)定。鉻鋼經(jīng)熱處理淬火、回火后，硬度高、耐磨而且耐沖擊，主要的用途有：挖土機(jī)重機(jī)械的鋼齒、機(jī)斗、碎石機(jī)械等。4．NiCr鋼鋼中加鉻可以增加硬化能，但是Cr含量在超過1%以上時(shí)，效果就不會(huì)再增加，因此如果需要更好的硬化能，添加Ni是一種方法，因?yàn)镹i能有效的增加肥粒鐵的強(qiáng)度和韌性。NiCr鋼在鋼料編號(hào)上屬于SAE3XXX及SAE43XX系，JIS編號(hào)為SNCXX，在構(gòu)造用合金鋼中，NiCr鋼是其中較為常用的，通常用于制造曲柄軸、連桿、齒輪等。6．NiCrMo鋼NiCrMo鋼是綜合Ni、Cr、Mo三種合金元素的優(yōu)點(diǎn)，%~%Ni、%~%Cr、%~%Mo。除硬質(zhì)合金之外，其它都是屬于鋼料，而在一般工具用鋼中，以高碳工具鋼的合金量少，價(jià)錢比較便宜，高合金量的工具鋼或高速鋼，價(jià)錢則較昂貴。由于僅經(jīng)淬火的麻田散鐵組織太脆，耐磨性不佳，為了增加耐磨性，高碳工具鋼在淬火前必須實(shí)施球化處理，淬火至室溫之后，再加以150℃~200℃的低溫回火，其結(jié)果可以得到球狀雪明碳鐵散布于低溫回火麻田散鐵，硬度夠而且耐磨耗的組織。高碳工具鋼由于硬化能較差，因此必須以水淬急冷的方式得到較高的硬度，但因水淬容易變形和產(chǎn)生裂痕，因此高碳工具鋼就有其使用上的限制，為了改善其硬化能并增進(jìn)其硬度，因此加入如W、Cr、V、Mn、Ni等合金元素，而形成合金工具鋼。3．冷間模具用合金工具鋼此類工具鋼由于用于常溫(又稱為冷間，cold work)，且要求減少尺寸及形狀的變化，因此在高碳鋼中添加Mn、Cr、Mo、W、V等元素，以改善淬火性，并藉生成之硬質(zhì)碳化物以增加其耐磨性。133高速鋼(2)W可以形成碳化鎢，除增加硬度外，也可以增加回火軟化的抵抗性。(6)Co可以增加C的溶解度，并增加高溫硬度。134硬質(zhì)合金或超硬合金硬質(zhì)合金又分為：(1)工具用鑄造合金這類硬質(zhì)合金是以鑄造方式成形，不經(jīng)過熱處理，就具有常溫及高溫的極高硬度，并且耐磨耗，有時(shí)又稱非鐵鑄造合金刀具或超硬鑄合金刀具。常用的燒結(jié)硬質(zhì)合金有WCCo系和WCTiCCo系，除切削工具外，也可以應(yīng)用于拉線模具或其它耐磨耗場(chǎng)合。在鋼中添加Cr和Ni可以增加鋼的耐蝕性。但是鉻鋼在強(qiáng)酸例如：硫酸、鹽酸的環(huán)境，這層氧化膜就會(huì)被破壞而喪失了耐蝕性。前者分類較為簡(jiǎn)單，但是就應(yīng)用上來說，后者更有意義，因此目前材料學(xué)上對(duì)于不銹鋼的的分類，大多以后者為主。大體而言，當(dāng)含Cr在16%%以下時(shí)，此類低碳高鉻不銹鋼，又稱為肥粒體系不銹鋼。142 麻田散體系不銹鋼此類不銹鋼也屬于400系列，以40410不銹鋼為代表，其它如：431不銹鋼、440A不銹鋼、440B不銹鋼、440C不銹鋼等都是，在JIS編號(hào)為SUS 43SUS 440C等。當(dāng)添加Ni量約8%以上時(shí)，常溫下也是沃斯田鐵組織，這樣的不銹鋼稱為沃斯田體系不銹鋼，是不具磁性的系列。有效改良的方法是：(1)處理時(shí)盡快通過此溫度。%時(shí)，碳就只固溶于沃斯田鐵而不會(huì)與鉻形成碳化物，例如焊接時(shí)，使用低含碳量的304L不銹鋼焊條，就可以避免粒間腐蝕的現(xiàn)象發(fā)生。144 析出硬化系不銹鋼因此添加Al、Nb等元素的目的，即是在于促使生成析出物。此系列不銹鋼如果再添加Co元素，則可以提高M(jìn)s溫度至常溫以上并提高析出量。耐熱鋼基本上極為類似不銹鋼，因?yàn)樗坏枰挚垢邷兀瑫r(shí)也必須抵抗高溫的氣體腐蝕環(huán)境，所以AISI將之歸類于不銹鋼，例如：AISI 309不銹鋼、310不銹鋼、409不銹鋼等，JIS規(guī)格屬于SUH系列，而在CNS規(guī)格則屬于HR系列。0 10 20 30 鉻的重量百分比 但是500℃以上時(shí)，強(qiáng)度就會(huì)急遽下降，因此大多使用于高溫下但不須考慮潛變強(qiáng)度的場(chǎng)合，例如：石化工業(yè)、內(nèi)燃機(jī)閥門、熱處理爐零件等。CrNi系耐熱鋼基本上是將188鋼，增加Cr、Ni的含量，并添加Ti、Mo、W等元素以改良其高溫機(jī)械性質(zhì)者。軸承鋼除了材料純度要求較高之外，需要經(jīng)過熱處理使其中碳化物細(xì)化并分布于基地內(nèi)，以增加其耐磨性。153 彈簧鋼 彈簧的制造必須先韌化、成形，然后在實(shí)施熱處理之后使用，大型的彈簧，例如：板片彈簧等，系將熱軋的板或棒，在高溫加工成形，由780~850℃淬火于油中或水中，再經(jīng)400~500℃回火后使用。電氣用鋼屬于軟磁(soft magnetic)材料，主要是用于制造電機(jī)機(jī)械例如：變壓器、電動(dòng)機(jī)(馬達(dá))等的鐵心材料。因此材料微結(jié)構(gòu)必須晶粒細(xì)、內(nèi)應(yīng)力大，并且最好有第二相的粒子，來阻礙扇區(qū)的移動(dòng)。 析出硬化型磁石鋼大致包括：MK鋼(15~40%Ni、7~15%Al、0~20%Co)、Alnico鋼(~17%Al、14~22%Ni、5~38%Co、其余為鐵)等。超高強(qiáng)度鋼(The Ultrahighstrength Steel)是指降伏強(qiáng)度超過180,000psi(或是130kg/mm2)的鋼種，其發(fā)展主要是為了航空及太空科技高強(qiáng)度合金的要求，并且也需要易于加工及成形。例如：AISI H1H13等鋼種。CrNiMo合金并適合用于承受大荷重的機(jī)件，例如：磨擦盤、大型軸、齒輪、滑槽等。AISI的材料編號(hào)例如：HP94HP94HP9445等鋼種都是。摘 要碳鋼除了碳以外，若是含超過微量的其它元素，例如：％以上、％％以上等等，就屬于合金鋼，2. 2. 工具鋼的材料大致包括：高碳工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、工具用硬質(zhì)合金等。 工具鋼必須強(qiáng)韌、耐磨耗、且具有常溫及高溫硬度等特性，以其合金成份和構(gòu)造用合金鋼相較，則除了含碳量增加之外，Cr、Mo、Ni等仍然為基本元素(或是增加其含量)，另外必要時(shí)在添加耐高溫的W、V及Co等。鋼的耐蝕性主要隨Cr的含量而增加，一般耐蝕鋼的分類，含Cr量在12﹪以上之FeCr合金，幾乎不會(huì)被侵蝕稱為不銹鋼，含Cr量在12﹪以下之FeCr合金，則稱為耐蝕鋼，實(shí)用上是以不銹鋼為主。 彈簧的制造必須先韌化、成形，然后在實(shí)施熱處理之后使用。11 前言腐蝕的過程可以是一種化學(xué)反應(yīng)(Chemical Reaction)，而更多時(shí)候則是一種電化學(xué)反應(yīng)(Electrochemical Reaction)。而就工程材料的來源而言，材料原為礦石或是氧化物中冶煉，再度變?yōu)榛衔锒貧w穩(wěn)定也是自然的趨勢(shì)，因此材料在某種適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下，不論經(jīng)由化學(xué)或是電化學(xué)的反應(yīng)方式而發(fā)生腐蝕，也是自然的現(xiàn)象，而防治腐蝕的積極意義則是在提供材料更長(zhǎng)的使用壽命。因此探討防蝕工程，必須要了解化學(xué)和冶金學(xué)的基本常識(shí)，并且注意防治。因此，對(duì)于材料的腐蝕機(jī)構(gòu)及防制腐蝕的方法的研究，尤其必須特別重視。因此當(dāng)我們由礦石或是氧化物中提煉完成所需的工程材料，例如：鐵、銅、鋁時(shí)，它們就開始有了回歸穩(wěn)定的趨勢(shì)，在環(huán)境許可下，它們會(huì)再度變?yōu)榻饘倩衔?，這種現(xiàn)象可說是發(fā)生腐蝕的基本原因。 圖1礦石 鋼料 腐蝕 說明了腐蝕發(fā)生的基本原因電化學(xué)腐蝕通常是指兩種異質(zhì)金屬或金屬中足以構(gòu)成電位差的兩極，在一種電解質(zhì)(electropte)相連的環(huán)境中，形成陽極金屬持續(xù)失去金屬離子而被腐蝕的現(xiàn)象稱之。在自然界中，物質(zhì)會(huì)溶解于特定的溶液中是熟知的現(xiàn)象，例如：糖、鹽會(huì)溶解于水中，或是許多金屬或非金屬會(huì)溶解于鹽酸。1．選擇性濾除 有些金屬合金材料在特殊環(huán)境下，其中的一種或多種元素容易被選擇性的濾除（leach）或稱腐蝕，而變成多孔性的殘留物，因而降低了材料的機(jī)械性質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為選擇性濾除。如果一定必須在溶液的環(huán)境中使用，必須考慮選擇能抵抗化學(xué)腐蝕的材料。電化學(xué)腐蝕是最重要的腐蝕因素，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的金屬腐蝕的起因，都可說是一種電化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué)反應(yīng)的觀點(diǎn)，可以說是腐蝕現(xiàn)象里最重要的部分，而且大部分的腐蝕現(xiàn)象都可以發(fā)現(xiàn)這樣的反應(yīng)；在電化學(xué)反應(yīng)里，它將失去電子的一方稱為陽極（anode），而獲得電子的一方稱為陰極（cathode），當(dāng)兩極之間具有一低電阻的導(dǎo)電通路時(shí)，陽極金屬就會(huì)發(fā)生腐蝕。例如 : 兩種不相