【正文】 　　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。這種電池效應(yīng)使得陽極金屬造成消溶腐蝕，稱之為電化學(xué)腐蝕（Electrochemical corrosion）。122電化學(xué)腐蝕 　　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)。例如：為了抑制黃銅脫鋅的現(xiàn)象，我們可以在含鋅量15%以上的黃銅中，添加1%左右的錫Sb，以抵抗這種腐蝕并增加強(qiáng)度。 化學(xué)腐蝕的防治極為困難，將材料覆層是一種方法，避免材料與溶液（尤其是易起作用的酸鹼溶液）接觸，也是另一種解決的方式。這樣的現(xiàn)象，與金屬的本質(zhì)有關(guān)，如黃銅中所含的鋅在高溫下會(huì)被鹽類的水溶液所溶解，產(chǎn)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(jié)構(gòu)而變成很脆弱。 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，然後持續(xù)成長，化學(xué)腐蝕有時(shí)也隨環(huán)境或是化合物的形成而變化，也可能伴隨電化學(xué)腐蝕而來，當(dāng)然如果是這樣的情形，整個(gè)腐蝕現(xiàn)象就會(huì)變得較復(fù)雜。有時(shí)我們也利用這些特性於制造方法，例如：利用氯化鐵來蝕刻銅藝術(shù)品或電路板。在這兩類的腐蝕中，又以電化學(xué)腐蝕較為重要，也較容易被忽視。其他諸如高溫、濕度等情況，使材料因加速產(chǎn)生氧化作用進(jìn)而腐蝕也屬之。
圖1礦石 鋼料 腐蝕 說明了腐蝕發(fā)生的基本原因 　　分析材料發(fā)生腐蝕的基本原因，主要可以區(qū)分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩大類。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?！　∈聦?shí)上，除了金屬材料會(huì)受到腐蝕之外，其他材料也會(huì)發(fā)生腐蝕，例如：塑膠、陶瓷材料的化學(xué)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。在國內(nèi)，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他方面，因腐蝕產(chǎn)生安全的危害、資源、環(huán)境的損失，也無法估計(jì)，絲毫不遜於其他破壞所造成的損失。　　腐蝕通常是經(jīng)由一段時(shí)間醞釀，當(dāng)損害的現(xiàn)象較為顯著時(shí)，才會(huì)引起人們的注意，而到破壞造成時(shí)，結(jié)果卻往往非常嚴(yán)重?！　≡跈C(jī)械結(jié)構(gòu)使用上，材料的選擇不當(dāng)，對(duì)腐蝕因素的認(rèn)識(shí)不夠，也是助長結(jié)構(gòu)腐蝕的基本因素?！　≡谌粘Ｉ钪?，就有許多足以產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)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(huì)提供構(gòu)成回路的條件，而發(fā)生電化學(xué)腐蝕。腐蝕是金屬的剝離，電鍍則是金屬的覆層。　　所謂電化學(xué)反應(yīng)，簡(jiǎn)單的說是金屬間形成陽極和陰極的電池效應(yīng)?！　∩P(rusting)就是一種人人熟知的腐蝕現(xiàn)象，它是專指鐵或鐵合金的腐蝕現(xiàn)象，其他的材料雖然也會(huì)腐蝕，但不稱為生銹。 11 前言 材料會(huì)因?yàn)闀r(shí)間、環(huán)境等種種因素，而產(chǎn)生不堪使用或稱為失敗(failure)的狀況，這樣的結(jié)果不但增加成本，而且耗費(fèi)時(shí)間。 彈簧的制造必須先韌化、成形，然後在實(shí)施熱處理之後使用。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。5. 5. 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。4. 4. 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。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，就屬於合金鋼，2. 2. 合金鋼依其用途來區(qū)分，可分為構(gòu)造用合金鋼和特殊鋼，構(gòu)造用合金鋼是使用在一般機(jī)械的構(gòu)成元件或建筑土木構(gòu)造上，特殊鋼是使用在需要高溫硬度、耐蝕、耐熱、磁性等特別的場(chǎng)合。AISI的材料編號(hào)例如：HP94HP94HP9445等鋼種都是。例如：Astralloy、AFC77等鋼種。CrNiMo合金并適合用於承受大荷重的機(jī)件，例如：磨擦盤、大型軸、齒輪、滑槽等。這類鋼種的時(shí)效元素為Co、Mo或Ti，在480℃附近時(shí)效可以使其強(qiáng)度增為最大，由於時(shí)效溫度不高，因此對(duì)於精密機(jī)件不會(huì)造成扭曲或尺寸改變，而且低溫韌性很好，所以可以使用在鍛造、加工的精密機(jī)件或需要焊接的地方，麻時(shí)效鋼的抗拉強(qiáng)度可達(dá)150~210 kg/mm2，其鋼種如：18Ni鋼、20Ni、25Ni等均是。例如：AISI H1H13等鋼種。例如：AISI 4141M、4130M、433V、D6AC等鋼種。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，并且也需要易於加工及成形。 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?！　〈慊鹩不痛攀撝饕擎u鋼(~%C、5~7%W)，另外還包括：碳鋼(~%C)、鈷鋼(~%C、5~17%Co)、KS鋼(~%C、30~40%Co)等。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，來阻礙磁區(qū)的移動(dòng)。 155 磁石鋼 　　磁石鋼是制造磁石的一種材料，主要是用於制造永久磁鐵，永久磁鐵使用於無線電擴(kuò)音機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)永久磁極等，屬於硬磁(hard magnetic)材料。　　常用的鐵心材料有純鐵、矽鋼、鐵鎳合金、鐵鈷合金、鐵氧磁體等，其中以純鐵及矽鋼較為常用。154 電氣用鋼　　 　　電氣用鋼屬於軟磁(soft magnetic)材料，主要是用於制造電機(jī)機(jī)械例如：變壓器、電動(dòng)機(jī)(馬達(dá))等的鐵心材料。小型彈簧，例如：螺旋彈簧等，必須將韌化處理後冷抽的鋼線(通常稱為琴鋼線，piano wire)，冷加工成形，再加熱於300~350℃藍(lán)化處理(blueing)後，以提高疲勞限然後使用。彈簧用的鋼料必須具備耐沖擊、疲勞限高而且不產(chǎn)生永久變形的特性，適用的鋼料大致可以分為：碳鋼、矽錳鋼、矽錳鉻鋼三類，有些特殊場(chǎng)合也用到耐蝕鋼。 153 彈簧鋼　　 　　彈簧廣泛應(yīng)用於車輛、加工機(jī)械、模具、鐘表等，彈簧的種類很多，較大的如車輛板片彈簧、較小的如螺旋彈簧、或鐘表的動(dòng)力彈簧(發(fā)條)等。一般加熱至780~850℃，然後淬火於油中，在回火於140~160℃，熱處理後其硬度值約HRc 62以上。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，此外由於軸承鋼屬於高級(jí)合金鋼，所以磷、%以下，以確保其機(jī)械性質(zhì)。此類耐熱鋼高溫強(qiáng)度大、加工性、焊接性良好，在JIS材料的編號(hào)為SUH 309~SUH 330，主要用於熱處理爐零件、高級(jí)排氣閥、引擎燃燒室、熱交換器等，另外還有SUH 660、SUH 661為時(shí)效處理系耐熱鋼，應(yīng)用於輪機(jī)的靜翼和燃燒器。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?！　?(2)CrNi系耐熱鋼　　Cr系耐熱鋼對(duì)於一般高溫環(huán)境的耐氧化性良好，但在高溫的機(jī)械性質(zhì)方面則不理想，所以在需要高溫強(qiáng)度或潛變強(qiáng)度的場(chǎng)合，就需要采用CrNi系的耐熱鋼。 Cr系耐熱鋼因於其組織為肥粒鐵，所以又稱為肥粒鐵系耐熱鋼，Cr含量大於10%以上時(shí)可以增加耐熱鋼的潛變強(qiáng)度，JIS材料的編號(hào)中SUH 40SUH 446均屬之。 圖1 %C鋼料氧化的影響，220小時(shí) 　　 　　Cr系耐熱鋼除了Cr之外，還添加Mo來增加高溫強(qiáng)度，在一般溫度下其耐氧化性良好。　　耐熱鋼一般依其主要成份分為兩類：　　(1)Cr系耐熱鋼　　增進(jìn)鐵的氧化抵抗性最有效的成份是鉻，鐵中添加鉻除了可以產(chǎn)生致密的皮膜以增加耐蝕性，同時(shí)也可以增進(jìn)耐熱性質(zhì)。 15其他特殊鋼 151耐熱鋼 　　耐熱鋼基本上極為類似不銹鋼，因?yàn)樗坏枰挚垢邷?，同時(shí)也必須抵抗高溫的氣體腐蝕環(huán)境，所以AISI將之歸類於不銹鋼，例如：AISI 309不銹鋼、310不銹鋼、409不銹鋼等，JIS規(guī)格屬於SUH系列，而在CNS規(guī)格則屬於HR系列。此類不銹鋼屬於600系列，以631不銹鋼為代表，630不銹鋼也屬之，在SAE 編號(hào)中還有633不銹鋼(AM 350)、634不銹鋼(AM 362)等。綜合此類不銹鋼的強(qiáng)化的方式，可以知道其為固溶強(qiáng)化、加工強(qiáng)化、麻田散強(qiáng)化及析出硬化的組合?！　∫话阄龀鲇不挡讳P鋼在固溶後淬火於常溫時(shí)，仍是全為沃斯田鐵組織，因此柔軟易於加工，在加工完成後，必須再實(shí)施一次中間熱處理(intermediate heat treatment)，此時(shí)Ms點(diǎn)約在0℃~15℃之間，藉深冷處理(subzero treatment)以得到麻田散鐵，回火後經(jīng)兩次時(shí)效處理，就可以得到高強(qiáng)度?！　?144 析出硬化系不銹鋼 　　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?！　∥炙固镨F系不銹鋼的用途很廣，不但對(duì)各種環(huán)境的耐蝕性優(yōu)良，而且具有極高的低溫韌性，可以作為化工儀器零件、熱交換器、核子處理設(shè)備、液態(tài)氦的容器等，有時(shí)也應(yīng)用於較優(yōu)良的不銹鋼餐具，是一類不具磁性的不銹鋼。　　(3)降低含碳量?！　?2)添加其他合金元素以抑制Cr的消耗?！　?88不銹鋼的缺點(diǎn)是在500~900℃高溫時(shí)，晶界附近的鉻會(huì)與碳形成碳化鉻析出，使得晶界附近產(chǎn)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(chǎng)合時(shí)常發(fā)生，因此必須注意?！　∥炙固矬w系不銹鋼防蝕能力甚佳、質(zhì)軟加工性良好，但無法以淬火及回火來增加硬度及強(qiáng)度，通常施以冷加工來增加硬度及強(qiáng)度?！　?143 沃斯田體系不銹鋼 　　前兩類的不銹鋼雖各有其優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用范圍，但是都是屬於鉻系不銹鋼，鉻系不銹鋼的缺點(diǎn)就是在酸性環(huán)境下(尤其是硫酸、鹽酸等)，耐蝕性不良，因此必須添加Ni，以抵抗酸性環(huán)境的侵蝕?！　÷樘锷Ⅲw系不銹鋼價(jià)格便宜，硬度、強(qiáng)度佳，但耐蝕性略差，可以作為刀具、軸承、閥門零件、外科手術(shù)刀等，是一類具有磁性的不銹鋼?！　?142 麻田散體系不銹鋼　　 　　上述低碳高鉻的不銹鋼，當(dāng)含碳量增加或是含鉻量較低時(shí)，則其高溫固相時(shí)沃斯田鐵區(qū)就會(huì)存在，此時(shí)將此類高碳高鉻鋼加熱到沃斯田鐵區(qū)(γ區(qū))，再淬火下來，就可以得到麻田散鐵的組織，這樣的不銹鋼雖因Cr量減少而耐蝕性稍差，但是具有優(yōu)秀的機(jī)械性質(zhì)，稱為麻田散體系不銹鋼。　　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(zhì)軟易於加工，但機(jī)械性質(zhì)較弱，可以作為汽車內(nèi)裝、廚房設(shè)備、建筑等，是一類具有磁性的不銹鋼。但是因?yàn)殇撝羞€有碳的存在，碳會(huì)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(jié)合，所以如果純?yōu)榉柿ｈF結(jié)構(gòu)，實(shí)際含鉻量必須增加。此外，如果加上碳的影響因素，則可能產(chǎn)生以熱處理增加強(qiáng)化效果的麻田散體系及析出硬化系不銹鋼。　　簡(jiǎn)單來說，添加合金元素會(huì)改變材料的平衡相圖，并進(jìn)而影響其機(jī)械性質(zhì)，加上熱處理的實(shí)施又決定於相圖的變化，因此形成了各類不銹鋼不同的特性。如果以晶體結(jié)構(gòu)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?！　′撝泻琋i時(shí)在酸性環(huán)境中的耐蝕性，在含有硫酸及鹽酸的環(huán)境中，可以發(fā)現(xiàn)，鋼之耐蝕性隨Ni量的增加而增大，由此可知，一般環(huán)境下使用，不銹鋼只需添加Cr，就可以防止發(fā)生腐蝕的現(xiàn)象，然而在特定環(huán)境下(例如：硫酸、鹽酸中)使用，就必須再添加Ni，才能達(dá)到防蝕的目的。不銹鋼能耐蝕的原因，是因?yàn)镃r能在鋼的表層形成一種致密的氧化鉻膜，可以阻隔鋼料內(nèi)部的氧化作用，因而可以防止一般大氣環(huán)境下的腐蝕。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，但實(shí)用上提到耐蝕鋼仍是以不銹鋼為主。鋼鐵材料應(yīng)用極廣，但是耐蝕性不佳是其缺點(diǎn)，尤其臺(tái)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(shù)，最基本的方式還是必須改善鋼的性質(zhì)。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)用於拉線模具或其他耐磨耗場(chǎng)合。主要用於鑿巖用鉆頭、切削刀具、熱加工用模具等。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。這類材料有極高硬度及高溫強(qiáng)度，可以切削各種鋼料甚至玻璃、陶瓷等。 　　淬火後的高速鋼約在400~550℃間實(shí)施回火，在回火的過程中，由於合金成份會(huì)產(chǎn)生碳化物析出的現(xiàn)象，會(huì)使得硬度再次提升，此種特殊的現(xiàn)象稱為二次硬化，有時(shí)為使鋼中殘留的沃斯田鐵變態(tài)完成麻田散鐵以增加其硬度，還會(huì)實(shí)施二次回火或三次回火等?！　「咚黉撏ǔＲ灾饕豔及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。(5)V可以使晶粒微細(xì)化，增加強(qiáng)度。(3)Mo的性質(zhì)與W相似，因此可以替代。　　高速鋼除C外含有大量的