【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 力，以符合應(yīng)用上的需要。實(shí)用上，構(gòu)造用合金鋼由于使用的場(chǎng)合不同，一般區(qū)分為非熱處理型和熱處理型兩類(lèi)，前者大多是屬于低含碳量和低合金量，構(gòu)成之后也無(wú)法再實(shí)施熱處理，大多用于車(chē)架或車(chē)箱、火車(chē)及船體，它包括高強(qiáng)度低合金鋼、易切鋼等。后者多屬于熱處理用中合金鋼，大多用于機(jī)械組件例如：曲柄軸、高強(qiáng)度螺栓等，其中加入合金元素，主要是可以增進(jìn)鋼的硬化能及降低質(zhì)量效果，而經(jīng)由熱處理則可以得到更強(qiáng)韌的機(jī)械性質(zhì)，這類(lèi)鋼料包括鎳鋼、鉻鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼、鎳鉻鉬鋼等。121高強(qiáng)度合金鋼(HSLA Steel)高強(qiáng)度低合金鋼主要是替代在構(gòu)造上使用的低碳鋼，由于工程結(jié)構(gòu)上使用的鋼料大多需要焊接，如果使用高碳鋼，容易使焊道在焊接冷卻時(shí)產(chǎn)生淬火脆化的麻田散鐵組織，因此為避免材料因熱影響而轉(zhuǎn)劣，必須使用較低含碳量但強(qiáng)度較高的材料，高強(qiáng)度低合金鋼就是一此要求而發(fā)展出來(lái)。這種鋼料是將少量特殊元素固溶在鋼中，尤其是在低碳鋼中占絕大部分的肥粒鐵基地，使之強(qiáng)化而改變鋼的機(jī)械性質(zhì)，增進(jìn)其機(jī)械強(qiáng)度。由于大型結(jié)構(gòu)物焊接完成之后都難以熱處理，所以在正常化或是軋延狀態(tài)就要有高強(qiáng)度，也就是以固溶的方式在制造材料時(shí)就已完成強(qiáng)化。高強(qiáng)度低合金鋼的種類(lèi)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(lèi)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(lái)區(qū)分。添加的元素為以Mn、Si、Nb、V、N影響較大，Co、Cr的影響較小。高強(qiáng)度低合金鋼由于強(qiáng)度高出普通碳鋼甚多，因此對(duì)于同樣的負(fù)荷而言，可以使用較小的斷面，因而整體重量也可以減輕。 使HSLA鋼之強(qiáng)度增強(qiáng)的方法，除了加入少量的合金元素，在軋鋼廠中經(jīng)由特殊的軋延及冷卻過(guò)程中也可以加入。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。制程方面，也可由降低加工硬化的速度或降低對(duì)應(yīng)變速度、微化晶粒等來(lái)改進(jìn)加工成形性。加工成形性的需求，主要是為了適應(yīng)諸如：汽車(chē)、船舶等結(jié)構(gòu)成形的需要。早期HSLA鋼在耐蝕性表現(xiàn)甚佳，但是為了改善加工成形性，因而必須犧牲一些防蝕能力，以換取較佳的成形性，又由于HSLA 鋼所做成的機(jī)件比由普通碳鋼所做成的機(jī)件更薄，因此一旦生銹，氧化的銹層會(huì)使HSLA鋼能承受荷重的斷面大受影響。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(lái)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。HSLA鋼在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用上，它不但可以取代傳統(tǒng)的普通低碳鋼，也更可以使用較薄的斷面而不致于降低強(qiáng)度、耐蝕性及抗拉強(qiáng)度，目前小汽車(chē)所使用的高張力鋼板就屬于HSLA鋼。其它如：貨車(chē)、營(yíng)建機(jī)械和其它重噸位車(chē)輛皆可使用HSLA鋼的薄板或厚板來(lái)做車(chē)架或車(chē)體構(gòu)件。構(gòu)造用HSLA鋼，且可用于沿海之鉆油機(jī)、電力輸送機(jī)、火車(chē)及船體。122易切鋼(Freemachining steel)易切鋼是為了改善切削性和切削加工表面而發(fā)展的一種鋼料，主要使用于在強(qiáng)度較低的小型零件。由于經(jīng)濟(jì)及迅速切削的需求，加上自動(dòng)切削機(jī)械的發(fā)展，因此在不特別要求強(qiáng)度的小型零件，就可以采用此種鋼來(lái)制造。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。~%的易切鋼稱(chēng)為硫易切鋼，~%的易切鋼稱(chēng)為鉛易切鋼。由于加硫可以與鋼中的錳形成MnS，使得切屑變小且沒(méi)有黏滯性，因此可以改良切削性，添加磷可以使鋼質(zhì)變脆，可以增加切削加工面的光滑度，加鉛也可以使切屑變小，并有潤(rùn)滑作用，但由于硫及磷對(duì)機(jī)械性質(zhì)有害，因此這種鋼料多用在不重視強(qiáng)度的螺絲及螺帽等。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(shí)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(shí)的生成物，在切削時(shí)熔著于切刃邊，能產(chǎn)生減少磨擦的作用，而且具有保護(hù)刀具，增加刀具壽命的功能。123熱處理用合金鋼上一節(jié)曾經(jīng)提到，在肥粒鐵基地中加入合金元素，可以改良在正?；癄顟B(tài)使用的鋼之性質(zhì)，但是如果要更充分的發(fā)揮這一類(lèi)合金鋼的機(jī)械性質(zhì)，以得到更高的硬度、強(qiáng)度和韌性，就應(yīng)該實(shí)施淬火及回火處理，只是由于大型結(jié)構(gòu)物可焊性的要求和不易實(shí)施熱處理的特性，因此合金元素的作用主要是在固溶于肥粒鐵，而達(dá)到強(qiáng)化的目的(這樣的方式稱(chēng)為固溶強(qiáng)化)。熱處理用合金鋼大多是應(yīng)用于機(jī)械構(gòu)成的零件，例如：曲柄軸、齒輪、強(qiáng)力螺栓、鍵、銷(xiāo)等，這些組件注重強(qiáng)度，而且接合的方式也大多不使用焊接，因此假如能利用熱處理，使這一類(lèi)合金鋼形成回火麻田散鐵的組織而加以應(yīng)用，就可以得到兼具強(qiáng)、韌的效果。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(chēng)為強(qiáng)韌鋼。碳鋼如果用于構(gòu)造上有兩個(gè)主要的缺點(diǎn)：一是硬化能較差、質(zhì)量效果大，另一是回火時(shí)機(jī)械強(qiáng)度降低甚大。前面提過(guò)，硬化能是指淬火后，距離淬火端硬度降低的程度。質(zhì)量效果是指當(dāng)尺寸較大的零件，在淬火時(shí)其中心部份得到硬化效果的難易程度。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。而如果碳鋼中加入了特殊元素，恒溫變態(tài)曲線(S曲線)就會(huì)右移，如此在相同的冷速下，中心也可以得到相當(dāng)?shù)挠捕?。因此加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪鼐涂梢允逛摿先菀椎玫酱慊鸬男Ч龈哂不芏鴾p少質(zhì)量效果。其次，某些特殊元素不但可以改善硬化能，發(fā)揮淬火的效果，在回火處理時(shí)也可以減少硬度、強(qiáng)度受到的影響，即使回火到較高的溫度，也可以得到強(qiáng)度及韌性高的組織?，F(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。在合金鋼所加入的元素中，Cr、 Mn、Mo的效果較大，其次是Ni，由于Ni的價(jià)格較高，因此如果只為減小質(zhì)量效果或增加硬化能，就不需要添加Ni，而添加價(jià)格較低且效果好的Mn、Cr、Mo。合金元素對(duì)硬化能的影響，大致可以由硬化能倍數(shù)(multiplying factor)看出，硬化能倍數(shù)大的元素，增加鋼的硬化能也愈大。許多合金元素如P、Si對(duì)于鋼硬化能也有助益，但是有其添加的限制，所以并不適合。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。這種二次硬化的現(xiàn)象，在鎢W、釩V等元素也有類(lèi)似的現(xiàn)象，W、V是合金工具鋼的重要元素，二次硬化的現(xiàn)象對(duì)于工具鋼會(huì)產(chǎn)生特殊的切削效果，這一部份將在下一節(jié)詳細(xì)說(shuō)明。熱處理用合金鋼，因其使用目的的不同，所添加的合金元素和合金含量也不同，常用的熱處理用合金鋼有：鎳鋼、鉻鋼、鉬鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼、鎳鉻鉬鋼等。要特別注意的是，即使在這里合金元素的種類(lèi)與隨后要說(shuō)明的某些特殊鋼(例如：不銹鋼)類(lèi)似，但含量較少，所以效果也不一樣。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(méi)有很大的改善，同時(shí)在回火軟化的抵抗性質(zhì)上也并沒(méi)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。Ni鋼中鎳的添加量約為3~5%，主要優(yōu)點(diǎn)是可以增加鋼的低溫強(qiáng)度降低鋼的轉(zhuǎn)脆溫度(Transition temp.)，同時(shí)也可以作為滲碳用鋼。2．Cr鋼碳鋼中加入1%鉻左右，可以增加鋼的硬化能和回火軟化抵抗性，鉻鋼一般是由830℃~880℃淬火于油中，再回火于550℃~650℃附近，由于這種鋼料在回火時(shí)容易產(chǎn)生材質(zhì)變脆的現(xiàn)象(稱(chēng)為回火脆性)，所以在回火之后必須冷卻于水中或油中以避免產(chǎn)生回火脆性，這類(lèi)鋼的直徑如果大于60mm，就不容易得到充分的淬火效果。鉻鋼在鋼的編號(hào)上屬于SAE 5XXX系，JIS編號(hào)為SCrxx。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。3．Mo鋼Mo的硬化能效果很大，因此淬火硬化的有效距離很大。Mo對(duì)于回火時(shí)軟化的抵抗性也很好，因此可以經(jīng)過(guò)高溫回火，而得到極佳的強(qiáng)度和韌性。%~%，另外含有少量Mn等元素，焊接性好，在鋼料編號(hào)上屬于SAE4XXX系，主要用途有：手工具、小型機(jī)械零件、螺栓等。4．NiCr鋼鋼中加鉻可以增加硬化能，但是Cr含量在超過(guò)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鋼的鎳含量約1%~3. 5%，%~%。另外，由于鉻及鎳加入鋼中，還有防腐蝕的效果，當(dāng)鉻、鎳含量更高時(shí)，最主要的效果就變成以防蝕為主，而不是硬化能。在耐蝕鋼中，含鉻18%、鎳8%的高合金鋼，我們稱(chēng)為188鋼，就是一種常用的不銹鋼。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。5．CrMo鋼含有鉻和鉬的合金鋼硬化能大、回火抵抗性高，而且較不會(huì)產(chǎn)生回火脆性，所以是一種用途很廣的材料。CrMo鋼是在含Cr量1％的鋼料中，%~%的Mo，某些場(chǎng)合可以替代NiCr鋼，在鋼料的編號(hào)上是屬于SAE41XX系，JIS編號(hào)為SCMXX。CrMo鋼使用的場(chǎng)合，例如：汽車(chē)曲軸、鍛造或機(jī)制的軸、軸環(huán)和葉輪等。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。NiCrMo鋼具有極佳的硬化能，淬火有效直徑可以達(dá)200mm，淬火效果很好，此外NiCrMo鋼對(duì)于回火軟化的抵抗性大，又因Mo可以顯著改善NiCr鋼高溫回火脆性的缺點(diǎn)，因此能回火至相當(dāng)?shù)母邷?，而得到?yōu)良的強(qiáng)韌性，所以NiCrMo鋼可以說(shuō)是構(gòu)造用合金鋼中最優(yōu)秀的。NiCrMo鋼質(zhì)量效果小，從淬火溫度以空氣冷卻也可以淬硬，因此又稱(chēng)為 自硬性鋼 (self hardening steel)或 風(fēng)硬性鋼 (air hardening steel)，一般由850℃~950℃冷卻于空氣中或淬火于油中，再回火于550℃~650℃，如果含Mo量高，回火后不須急冷。NiCrMo鋼也適于大型零件，其鋼料編號(hào)為SAE 8XXX，JIS編號(hào)為SNCMXX，用于大型軸、曲柄軸、高強(qiáng)度螺栓，以致于中小型軸或內(nèi)燃機(jī)連桿等。表2 碳鋼與典型鎳鉻鉬鋼機(jī)械性質(zhì)的比較鋼種主 要 成 分 (%)熱處理抗拉強(qiáng)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~ 35213合金工具鋼能夠使用于制造工具、切削刀具或模具的材料大致包括：高碳工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、工具用非鐵硬質(zhì)合金等。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(qián)比較便宜，高合金量的工具鋼或高速鋼，價(jià)錢(qián)則較昂貴。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。工具鋼是屬于高級(jí)鋼料，因此必須是由全靜鋼錠制造，同時(shí)要特別要求合金元素在熔煉過(guò)程中的均質(zhì)化，以使后續(xù)鍛造及熱加工能得到良好的品質(zhì)。由于工具鋼多需利用熱處理以達(dá)到材料的最佳性質(zhì)，因此尺寸要求精密的機(jī)件，必須先實(shí)施半加工成形(semifinished)，經(jīng)熱處理，再完成加工(finished)。131高碳工具鋼%~%，%以下的Mn以提高其硬化能力。高碳工具鋼價(jià)格便宜，其機(jī)械性質(zhì)主要是以含碳量多少來(lái)決定，由于一般淬火于水中，因此屬于水硬性鋼，其缺點(diǎn)則是硬化深度較淺，在高溫時(shí)強(qiáng)度較差。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。高碳工具鋼使用于刀具、工具或沖模，但因合金工具鋼的發(fā)展，使用場(chǎng)合已較少。132合金工具鋼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。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(jié)合所形成的碳化物增加耐磨耗性。合金工具鋼依其用途可分為下列四類(lèi)：1．切削用合金工具鋼為了切削用途，因此這類(lèi)合金鋼通常含碳量較高，并增加W、Cr、V以增大硬度及耐磨耗性，適合作為螺絲攻、車(chē)刀、銑刀等用途。2．耐沖擊用合金工具鋼此類(lèi)合金鋼為增加沖擊韌性，因此含碳量稍低，所以切削性及耐磨耗性也稍差。3．冷間模具用合金工具鋼此類(lèi)工具鋼由于用于常溫(又稱(chēng)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。4．熱間模具用合金工具鋼此類(lèi)工具鋼由于多使用于熱加工(熱作)模具，因此必須具有高溫硬度(紅熱硬度)，不至因溫度升高而變形或軟化。此類(lèi)工具鋼含多量Cr、W、Mo、V等元素，可以耐壓鑄、模鍛等壓力。133高速鋼高速鋼(high speed steel)是用于切削工具，在高速切削之紅熱狀態(tài)時(shí)仍能保持其硬度而稱(chēng)之。除此之外，高速鋼機(jī)械性質(zhì)優(yōu)良，因此也用于模具等耐磨耗機(jī)件，如果用于切削刀具，其切削速率可達(dá)高碳工具鋼的三倍。高速鋼除C外含有大量的合金元素，例如：W、Mo、Cr、V、Co等，其主要功能整理如下：(1)C可與各元素形成碳化物，增加刀具的切削能力。(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