【正文】 (%)熱處理抗拉強度kg/mm2沖擊值kgm /mm2Brinell硬度CNiCrMoMn碳鋼~~淬火回火708201~ 269S30NiCrMo2鋼~~~~~淬火回火1108302~ 352131高碳工具鋼合金工具鋼主要藉熱處理所得到的麻田散鐵組織保持工具鋼必要的硬度，另外以合金元素與碳結合所形成的碳化物增加耐磨耗性。高速鋼(high speed steel)是用于切削工具，在高速切削之紅熱狀態(tài)時仍能保持其硬度而稱之。高速鋼通常以主要元素W及Mo區(qū)分，含W鎢量較多的高速鋼稱為鎢系高速鋼(T系高速鋼)，含Mo鉬量較多的高速鋼稱為鉬系高速鋼(M系高速鋼)，其中含18%W、4%Cr、1%V為最典型的高速鋼，稱為1841鋼，另外含18%W、4%Cr、2%V則稱為1842鋼。史斗鉻鈷(stellite)就是其中的代表，它含Co 40％~55﹪、Cr 15﹪~33﹪、W 10﹪~18﹪、C 2﹪~4﹪、Fe 5％以下、Mn 1％，其組織與白鑄鐵相似，為碳化物分布致密的型態(tài)，因此硬度很高，但是此種合金質脆，無法鍛造。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，但實用上提到耐蝕鋼仍是以不銹鋼為主。簡單來說，添加合金元素會改變材料的平衡相圖，并進而影響其機械性質，加上熱處理的實施又決定于相圖的變化，因此形成了各類不銹鋼不同的特性。肥粒鐵系不銹鋼的含碳量極低，%以下，含Cr約16%～18％，耐蝕性優(yōu)良而且質軟易于加工，但機械性質較弱，可以作為汽車內裝、廚房設備、建筑等，是一類具有磁性的不銹鋼。(2)添加其它合金元素以抑制Cr的消耗。這類型的不銹鋼是由沃斯田體系不銹鋼改良而來，它的成份與188鋼相似，只是Cr及Ni量稍減，另外添加了Al、Cu、Mo、Nb、Ti等。 這種鋼料具有沃斯田鐵組織，因此也稱為沃斯田鐵系耐熱鋼。一般加熱至780~850℃，然后淬火于油中，在回火于140~160℃，熱處理后其硬度值約HRc 62以上。小型彈簧，例如：螺旋彈簧等，必須將韌化處理后冷抽的鋼線(通常稱為琴鋼線，piano wire)，冷加工成形，再加熱于300~350℃藍化處理(blueing)后，以提高疲勞限然后使用。155 磁石鋼(3)麻時效鋼(Maraging Steel)，含Ni 20﹪是低碳高鎳含量的合金鋼，易于成形、加工、焊接，但必須在退火狀態(tài)才容易加工或成形。 一般構造用合金鋼由于使用的場合不同，可以分為非熱處理型和熱處理型兩類，前者大多是屬于低含碳量和低合金量，構成之后也無法再實施熱處理，包括高強度低合金鋼、易切鋼等，后者多屬于熱處理用中合金鋼，包括鎳鋼、鉻鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼、鎳鉻鉬鋼等。除硬質合金之外，工具用鋼料之中以高碳工具鋼的合金量少，價錢比較便宜，而高合金量的工具鋼或高速鋼，價錢較昂貴。6. 6.7. 7. 材料會因為時間、環(huán)境等種種因素，而產生不堪使用或稱為失敗(failure)的狀況，這樣的結果不但增加成本，而且耗費時間。在日常生活中，就有許多足以產生電化學反應的環(huán)境，例如：不同金屬本來就具有不同的電位，如果環(huán)境中存在某些溶液，可能就會提供構成回路的條件，而發(fā)生電化學腐蝕。事實上，除了金屬材料會受到腐蝕之外，其它材料也會發(fā)生腐蝕，例如：塑料、陶瓷材料的化學溶解(chemical dissolution)等，但本章中所討論的腐蝕，主要仍以金屬為范圍，就各種腐蝕發(fā)生的成因、腐蝕形式、金屬鈍化等說明，并提出腐蝕的防治之道。在這兩類的腐蝕中，又以電化學腐蝕較為重要，也較容易被忽視。這樣的現(xiàn)象，與金屬的本質有關，如黃銅中所含的鋅在高溫下會被鹽類的水溶液所溶解，產生脫鋅(dezincification)的局部腐蝕現(xiàn)象，而缺少鋅的位置，將使得黃銅變成多孔性結構而變成很脆弱。這里所說的電化學反應是指在相同或不同金屬物體中，由于各種因素使得某些部位產生了局部的陽極反應 (Anoic Reaction) ， 讓金屬失去一個或多個電子，變成金屬陽離子，亦即發(fā)生陽極氧化作用；而在同時，另一地點也會產生陰極反應 (Cathodic Reaction)，獲得多出的電子，使得陰極形成還原作用，而構成一個電池效應的現(xiàn)象。由此可知，電池效應發(fā)生的情況必須是，材料發(fā)生氧化電位（或還原電位）不同的兩極，并且有適當介質的條件下，由于環(huán)境產生了足以形成電解池的條件下才足以發(fā)生。122電化學腐蝕在一般金屬中，溶液最易侵蝕的位置是晶粒與晶粒接合之處，也就是晶界，然后持續(xù)成長，化學腐蝕有時也隨環(huán)境或是化合物的形成而變化，也可能伴隨電化學腐蝕而來，當然如果是這樣的情形，整個腐蝕現(xiàn)象就會變得較復雜。其它諸如高溫、濕度等情況，使材料因加速產生氧化作用進而腐蝕也屬之。在國內，除了橋梁、建筑等公共工程因腐蝕致使用壽命降低，近年來在航空器及其它方面，因腐蝕產生安全的危害、資源、環(huán)境的損失，也無法估計，絲毫不遜于其它破壞所造成的損失。腐蝕是金屬的剝離，電鍍則是金屬的覆層。 彈簧用的鋼料必須具備耐沖擊、疲勞限高而且不產生永久變形的特性，適用的鋼料大致可以分為：碳鋼、硅錳鋼、硅錳鉻鋼三類。 在鋼中添加Cr和Ni可以增加鋼的耐蝕性。(5)9Ni4Co鋼，是一種將碳化物生成元素含量減少，而以Ni來提高韌性的鋼料，另外添加Co以提高Ms點并減少殘留沃斯田鐵，這種鋼韌性優(yōu)良，并可以變韌鐵組織狀態(tài)使用，其抗拉強度可達200 kg/mm2以上。(2)改良工具鋼(Modified Tool Steel)，系將原來高溫加工用的5CrMoV模具鋼改良而成，可以作為飛機骨架、鋼架、橋梁等，其抗拉強度可達200 kg/mm2以上。(2)析出硬化型磁石鋼將鋼料由高溫急冷得到高飽和固溶體，然后在適當溫度回火，使其析出第二相物質，由于格子畸變，而使得材料不易失去磁性，這種材料稱為析出硬化型磁石鋼。純鐵的導磁性好，但是因為比電阻小，渦流損失(eddy current loss)大，因此添加硅，唯硅含量過高時材質便脆化，%以下，此外硅鋼片制成片狀相迭也可以降低渦流損失。彈簧用的鋼料必須具備耐沖擊、疲勞限高而且不產生永久變形的特性，適用的鋼料大致可以分為：碳鋼、硅錳鋼、硅錳鉻鋼三類，有些特殊場合也用到耐蝕鋼。軸承又分為滾珠軸承及滾子軸承兩種，最常使用的材料為高碳低鉻鋼，~%C、~%Cr、~%Mn、0~%Mo，此外由于軸承鋼屬于高級合金鋼，所以磷、%以下，以確保其機械性質。 (2)CrNi系耐熱鋼Cr系耐熱鋼對于一般高溫環(huán)境的耐氧化性良好，但在高溫的機械性質方面則不理想，所以在需要高溫強度或潛變強度的場合，就需要采用CrNi系的耐熱鋼。鉻鐵合金的典型的高溫氧化行為，如圖1所示在高溫長時間的環(huán)境中僅有氧化。此類不銹鋼屬于600系列，以631不銹鋼為代表，630不銹鋼也屬之，在SAE 編號中還有633不銹鋼(AM 350)、634不銹鋼(AM 362)等。188不銹鋼的缺點是在500~900℃高溫時，晶界附近的鉻會與碳形成碳化鉻析出，使得晶界附近產生缺鉻的現(xiàn)象(稱為貧鉻區(qū))，因此易發(fā)生粒間腐蝕(intergranular corrosion)的現(xiàn)象，這樣的現(xiàn)象在焊接工作或熱處理等場合時常發(fā)生，因此必須注意。麻田散體系不銹鋼價格便宜，硬度、強度佳，但耐蝕性略差，可以作為刀具、軸承、閥門零件、外科手術刀等，是一類具有磁性的不銹鋼。但是因為鋼中還有碳的存在，碳會與Cr形成碳化鉻，而消耗一部分鉻，大致上1%C必須要1%Cr結合，所以如果純?yōu)榉柿ｈF結構，實際含鉻量必須增加。如果以晶體結構組織上來區(qū)分則可以分為：肥粒體系、麻田散體系、沃斯田體系、析出硬化系等。鋼鐵材料應用極廣，但是耐蝕性不佳是其缺點，尤其臺灣氣候溫濕，因此耐蝕性特別重要，除了使用各種覆面或涂裝技術，最基本的方式還是必須改善鋼的性質。硬質合金是通常是以鑄造或是粉末冶金的方式制造，它具高硬度的原因，是由于大量增加合金中碳化物的量亦或是直接使用碳化物來制成。(5)V可以使晶粒微細化，增加強度。132合金工具鋼由于工具鋼多需利用熱處理以達到材料的最佳性質，因此尺寸要求精密的機件，必須先實施半加工成形(semifinished)，經熱處理，再完成加工(finished)。NiCrMo鋼也適于大型零件，其鋼料編號為SAE 8XXX，JIS編號為SNCMXX，用于大型軸、曲柄軸、高強度螺栓，以致于中小型軸或內燃機連桿等。在耐蝕鋼中，含鉻18%、鎳8%的高合金鋼，我們稱為188鋼，就是一種常用的不銹鋼。鉻鋼在鋼的編號上屬于SAE 5XXX系，JIS編號為SCrxx。許多合金元素如P、Si對于鋼硬化能也有助益，但是有其添加的限制，所以并不適合。質量效果是指當尺寸較大的零件，在淬火時其中心部份得到硬化效果的難易程度。此外，如鈣Ca、碲Te、硒Se、鉍Bi也都有改善切削性的功能，Ca易切鋼是煉鋼時用Ca脫氧，其能形成易切的原理與S、P和Pb不同，Ca易切鋼是脫氧時的生成物，在切削時熔著于切刃邊，能產生減少磨擦的作用，而且具有保護刀具，增加刀具壽命的功能。構造用HSLA鋼，且可用于沿海之鉆油機、電力輸送機、火車及船體。 使HSLA鋼之強度增強的方法，除了加入少量的合金元素，在軋鋼廠中經由特殊的軋延及冷卻過程中也可以加入。分 類鋼 種主要合金用 途構造用合金鋼高強度低合金鋼低Mn、低SiMn汽車車身、構造用機件、船體熱處理用中合金鋼(強韌鋼)Ni、Cr、NiCr、CrMo、NiCrMo曲柄軸、螺栓、齒輪、大型軸表面硬化鋼滲 碳 鋼Ni、NiCr、CrMo、NiCrMo齒輪、汽車工業(yè)變速箱、差速器氮 化 鋼AlCr、AlCrMo、AlCrMoNi、汽缸套、車床主軸、銑床零件特 c．是氮化用鋼的重要元素。 d．增加鋼之保磁能力，故為制造磁石鋼之主要元素。6．鉬Mo 鉬可增加鋼之最大強度及硬度，因此在合金鋼中也頗為重要。 e．可增加鋼之保磁性，故可配入鋼中而制造永久磁鋼。 b．能降低熱處理時的淬火溫度，因之在處理時變形小。加入18%鎢、4%鉻、1%釩時即為高速鋼。碳鋼具有不錯的機械性質，能實施熱處理，而且在一般用途上都能勝任。第三、四位數(shù)(或第三、四、伍位數(shù)字)代表含碳量。另外德國工業(yè)標準(DIN)和美國統(tǒng)一標準編號(UNS)相關業(yè)界有時也會采用。(二)材料的取代和新材料的選用由于材料的改良和新材料的不斷發(fā)展，許多制品原來使用的材料，可以替代而性能更佳，價格更便宜。唯鋁合金的磨耗性較差，這一點也要考慮。(一)引擎材料的選用機械產生動力來自于引擎，常見的引擎如：空壓機、汽機車、電機原動力廠等。以上提到的是材料選用的原則。 (一)材料的規(guī)格要符合使用的需求選擇材料最基本的考慮，就在滿足產品的特性及要求，例如﹕抗拉強度、切削性、耐蝕性等。GGG = 球狀石墨鑄鐵例如:GSC30為鑄鋼，％ ％的鑄鐵，含錳量12％。另外也有抗拉強度及其它表示法，例如:St50 表示抗拉強度50kg/mm2之構造用碳鋼，CK40表示含磷、硫量甚低之碳鋼，抗拉強度為40kg/mm2。首位字母表 示 意 義A鋼鐵類B非鐵金屬類C一般測試法第三、四位數(shù)(或第三、四、伍位數(shù)字)代表含碳量。2．日本工業(yè)標準(JIS)JIS是Japanese Industral Standard 的簡稱，JIS對于鋼鐵材料的的編號大致可分兩大類：（1）一般機械構造用碳鋼： 其材料編號方法和CNS的第一種表示法相同。（2）鋁及鋁合金的規(guī)格鋁及鋁合金之種類及符號系依CNS 2068 H3021之規(guī)定，適用范圍為鍛鋁、鍛鋁合金(以下簡稱鍛鋁合金)及鑄鋁、鑄鋁合金(以下簡稱鑄鋁合金)之合金種類及煉度符號。注：機械結構用鋼料的符號機械結構用鋼料使用很廣，因此CNS 2608 G2018特別在附錄2中說明適用范圍及其符號所代表的意義：適用范圍：機械結構用碳鋼鋼料及結構用合金鋼鋼料種類符號之組成。常用的有－P：Plate(薄板) 、 T：Tube(管) 、 U：Use(特殊用途) W：Wire(線材) F：Forging(鍛造) C：Casting(鑄造) 例：S P CC：Plate，鋼板(冷軋)。 一般材料的化學成份與機械性質是息息相關的，因此常用的材料編號大多是以化學成份命名為主，再輔以機械性質(如第七章部分材料的規(guī)格敘述)。而在針對機械材料規(guī)格方面，常用的還包括ASTM(美國材料試驗協(xié)會)、AISI(美國鋼鐵協(xié)會)、SAE(美國汽車協(xié)會)等，而我國主要則依據CNS(中國國家標準)訂定。而隨著工業(yè)化程度的提高及國際間貿易往來的趨勢，產品的流通愈來愈頻繁，為了增進效率及提供產品零件的互換性，工業(yè)規(guī)格的訂定更是必然的結果。機械材料的規(guī)格及其選用作者：日期：機械材料的規(guī)格及選用學習目的。為了適合某一種特別的用途，生產者當然必須促使產品能夠符合需要，這樣就有規(guī)范的存在必要。現(xiàn)今世界各國各依其工業(yè)化的發(fā)展而有不同的工業(yè)規(guī)格，例如：美國的ANS(美國國家標準)、日本的JIS(日本工業(yè)標準)、德國的DIN(德國工業(yè)標準)等。13常用的材料編號第二部分有兩種不同的表示法； a．表示標準名稱或是制品用途。（例