机械材料的规格及其选用资料大全

机械材料的规格及选用学习目的1.了解机械材料规格的意义。2.了解常用的机械材料规格。3.了解各种规格编号的意义。4.能选择适当的金属材料。 1-1前言 规格(Specification)是产品需求的叙述，也是资料技术沟通的依据。为了适合某一种特别的用途，生产者当然必须促使产品能够符合需要，这样就有规范的存在必要。而随著工业化程度的提高及国际间贸易往来的趋势，产品的流通愈来愈频繁，为了增进效率及提供产品零件的互换性，工业规格的订定更是必然的结果。在机械材料的范畴方面，同样的必须有一定的规格，以作为生产者及使用者依循的规范。完备的规格应具有以下资料的叙述:1.适用范围(Scope):包括用途(如：板、线、管)，适用尺寸等。2.化学成分(Chemical Composition):包括各项成分元素的含量范围或成分代号。3.定性叙述(Quality Statement):指品质方面，例如炼钢方式或脱氧情况。4.定量需求(Quantitative Requirement):指定化学成分范围、物理及机械性质需求，以适应使用上经济的理由。5.其他需求(Other Requirment):如特殊容许差、材料表面状况等。现今世界各国各依其工业化的发展而有不同的工业规格，例如：美国的ANS(美国国家标准)、日本的JIS(日本工业标准)、德国的DIN(德国工业标准)等。而在针对机械材料规格方面，常用的还包括ASTM(美国材料试验协会)、AISI(美国钢铁协会)、SAE(美国汽车协会)等，而我国主要则依据CNS(中国国家标准)订定。材料的选择及应用是学习材料规格的重要目的，所以本章最後举例说明，如何在产品需求及相关考虑之下，选择适当材料。1-2材料的规格 一种机械材料的规格最主要可以由：材料的种类、成份和机械性质来说明。而为了标准化起见，材料必须经由一套严谨的试验规范，确保其可靠度。世界各国都有其材料试验的标准程序，我国也不例外，例如：CNS有关材料试验部份，其中钢料之检验通则(CNS2608,G2018)规定： 本标准主要内容包括：适用范围、检验及重验三部分适用范围：本标准适用於钢料之一般检验检验部份：说明化学成份试验和机械性质试验的试片取样及检验 标准方法重验部份：说明规格部份不合规定的试片，必须经由复验判定 合格及不合格。又如非铁金属材料之检验通则(CNS4195,H2045)中规定：本标准主要内容包括：适用范围、检验及重验三部分适用范围：本标准规定非铁金属材料检查一般事项检验部份：规定有关外观、尺度、化学成份试验和机械性质试验 的试片取样及试验事项重验部份：说明试验结果如部份规格与规定不合，必须经由重验 判定合格及不合格。1-3常用的材料编号 一般材料的化学成份与机械性质是息息相关的，因此常用的材料编号大多是以化学成份命名为主，再辅以机械性质(如第七章部分材料的规格叙述)。由於材料范围很广，因此本章内容，主要以钢铁材料的编号为主，另外辅以部分非铁金属及非金属材料来做说明。在工业上，钢铁材料(包括碳钢在内)必依其化学成份，使用一定的编号以利於选用，这是基本的认识。目前，在我国较常用的规格有三种：中国国家标准(CNS)、日本工业标准(JIS)、美国钢铁学会美国汽车工程师学会(AISI-SAE)。另外德国工业标准(DIN)和美国统一标准编号(UNS)相关业界有时也会采用。而其它还有常见的各国规格名称。1中国国家标准(CNS)（1）钢铁的规格中国国家标准CNS是Chinese National Standard的简写，CNS对钢铁材料的编号主要依据CNS 109 G1001(公布：民国36年3月，修订：民国85年3月)原则上由下列三部分组成： 第一部分为材质，钢铁材料大部分以S(Steel钢)或F(Ferrum铁) 表示。 第二部分有两种不同的表示法； a表示标准名称或是制品用途。常用的有P：Plate(薄板) 、 T：Tube(管) 、 U：Use(特殊用途) W：Wire(线材) F：Forging(锻造) C：Casting(铸造) 例：S P CC：Plate，钢板(冷轧)。 S UP：Use Spring，弹簧用钢 b用於结构的钢料(包括结构用碳钢及合金钢)，代表主要合金元素或含碳量(结构用碳钢时)，表示含碳量时，通常以含碳量之100倍数值表示， 例：SCM420：铬钼钢，第420种 S25C：碳钢，含碳量0.25。第三部分为该材料之种类号码，或是最低抗拉强度、降伏强度。若是表示最小抗拉强度或最小降伏强度，通常以三位数字表示。 例：SCM 420 表示铬钼钢中编号420的材料 STB 340 表示锅炉及热交换器用钢，抗拉强度不 低於340 N/mm2。 以与合金量之表示法有所区别。常用於建筑结构用等不须规定含碳量钢料的场合。 注：机械结构用钢料的符号机械结构用钢料使用很广，因此CNS 2608 G2018特别在附录2中说明适用范围及其符号所代表的意义：适用范围：机械结构用碳钢钢料及结构用合金钢钢料种类符号之组成。 a符号顺序为钢之主要合金元素、主要合金元素含量或代表值、附加符号。其中除钢之代表符号S、碳之符号C之外。 附加符号由第一群及第二群组成， 第一群-为钢料为改善其性质(例如切削性)所添加的特殊元素 （例）改善切削性之添加元素 基本钢附加符号铅添加钢L 硫添加钢S钙添加钢U 第二群-为钢料除化学成份之外的保证特性 （例）保证特殊特性之添加符号 特性附加符号硬化能保证钢H 表面硬化用钢K （例） S 30 C：碳钢，含碳量0.30 S 20 C 4：碳钢，含碳量0.20第四种构造用碳钢 S(55)C：一般构造用碳钢，最小抗拉强度55kg/mm2 S85WMo(HS)：含碳量0.85的钨钼高速钢 OS90C(T)：以平炉炼钢法提炼，含碳量0.9的工具钢 b碳含量的代表值。（2）铝及铝合金的规格铝及铝合金之种类及符号系依CNS 2068 H3021之规定，适用范围为锻铝、锻铝合金(以下简称锻铝合金)及铸铝、铸铝合金(以下简称铸铝合金)之合金种类及练度符号。 锻铝合金之编号依其合金成分，共分1xxx8xxx系，另有9xxx系为备用，铸铝合金之规格亦分1xxx9xxx九系，其中6xxx系为备用，这些已如第九章所述。而所谓练度系指制造过程中，依加工、热处理等条件之差异所获得机械性质之区分。练度符号又分为基本符号与细分符号。基本符号为一字英文字母(大写)，细分符号为一位数字或多位数字组合并附在基本符号之後。a基本符号铝合金的练度基本符号分为四种。b细分符号 铝合金练度之基本符号H及T之细分符号，依下列规定。锻铝合金的编号及化学成分。2日本工业标准(JIS) JIS是Japanese Industral Standard 的简称，JIS对於钢铁材料的的编号大致可分两大类：（1）一般机械构造用碳钢： 其材料编号方法和CNS的第一种表示法相同。 （例）S30C表示含碳量0.30的机械构造用碳钢（2）其他用途的碳钢及合金钢： 这一类钢的材料编号表示法，大致可分三部分： 第一部分为材质，钢以S、铁以F表示，其他非铁类如表11- 。 第二部分表示钢制品的规格或用途，例如：K代表工具钢、TB代 表锅炉用钢管、PC2代表冷轧钢板。 第三部分为为钢料的种别，以1,2,3来表示。此外如果需要，可将材料的加工方法、热处理方式等附注於後，加工方法例如:D(Drawing)抽制、G(Grinding)研磨、T(Turning)车削、Ex(Extruded)挤制。热处理方法大多记於金属符号之後，并在二者之间加入- （例）SK2：第二种碳素工具钢 SKS11：第十一种切削用工具钢 SUH301：第301种耐热钢 SUS301-1/2H：第301种不锈钢，1/2硬质材料3常用的美国材料编号及规格（1）美国钢铁学会美国汽车工程师学会(AISI-SAE) AISI和SAE在1941年共同订定钢铁材料的分类，以四个(或五个)数目字为记号来分类。其中 第一位数，表示钢料的种类，如：镍钢为2、钨钢为7。 第二位数，为主要合金元素的百分值；0表示无其他合金元素。 第三、四位数(或第三、四、伍位数字)代表含碳量。 （例） SAE1045：含碳量0.45的碳钢，与CNS中S45C钢料相当。 SAE4140：含碳量0.40的铬钼钢，与JIS中SCM4钢料相当。 钢 种编 号钢 种编 号碳钢1耐热钢30普通碳钢10钼钢4易削钢(加硫)11Cr(0.7)41锰 钢13Ni-Cr43镍钢2Ni(1.75)460.50Ni20铬钢51.50Ni21Cr(1.0)513.50Ni23Cr(1.5)52镍铬钢3铬钒钢61.25Ni0.6Cr31钨钢71.75Ni1.0Cr32镍铬钼83.50Ni1.5Cr33矽锰钢9 （2）美国材料协会及美国机械工程师协会 ASTM(ASME)ASTM是非常广泛被采用的材料规范，它的特色主要是针对产品的特性及表现而定。ASTM表示法是以以字母+代号表示，再辅以年代之混合标示，ASME则采用了相当多的ASTM规范，并以前置S表示。 ASTM表示法: 首位字母表 示 意 义A钢铁类B非铁金属类C一般测试法 例如: ASTM A36-77a 其中A 36 - 77 a 分别表示 (钢铁)(结构用)(1977年)(第一次修订)又如: ASTM E8 代表拉伸试验规范 ASME的表示法：例如: ASME SA213 = ASTM A213而同一编号又可依化学成分(Grade)加工方式(Type)成品型态(Class)来区分。Grade主要叙述其化学性质，Type指脱氧的情况，Class:指一些其他性质。如：强度、表面光度等。（3）美国统一编号系统 UNSUNS是Unified Numbering System 的简称，在1974年为ASTM及SAE 联合制定，UNS 本身只是一种编号，而非规格，它将金属分为17个系列编号并与原有的体系配合，例如： UNS G10XX0 = SAE 10XX，而有索引、整合、参考的意义，因此而称统一编号系统。4德国工业标准(DIN)DIN并不是英文，而是德文Deutsch Industriell Norm的缩写，德国工业标准中钢铁材料的规格是在DIN 17006，补充说明在DIN 17007，1974年改为 ISO制，以 EURONORM 27-74替代。以英文字母和数字来叙述其特徵，字母规定钢铁种类、冶炼方法、合金材料、处理情况等、数字则规定钢铁材料的、含碳量、抗拉强度、主合金之成分倍数等。（1）碳钢一般以碳元素标记及其含碳量表示，如 C60 表示含0.6C的碳钢。另外也有抗拉强度及其他表示法，例如:St50 表示抗拉强度50kg/mm2之构造用碳钢，CK40表示含磷、硫量甚低之碳钢，抗拉强度为40kg/mm2。（2）高级钢料及低合金钢以其主要合金元素和含量为标记，但在其中第三部分含量，为避免小数点出现，表示值都己经乘上固定倍数，而以整数型态呈现，所以由编号求取实际含量时必须再除以倍数。第一部分:含碳量第二部分:合金元素种类第三部分:合金元素含量合金元素倍数Cr、Co、Mn、Ni、Si、W4Al、Be、Pb、Cu、Mo、Nb、Ta、Ti、V10P、S、N、Ce、C100B1000 例如:含碳量0.34含铬量1的钢材，表示为34Cr4 依此 13CrV53 即表示含碳量0.13，含铬量5/4=1.25 ，含钒量3/10=0.3（3）高合金钢在标记前加上x，此外由於合金元素含量己高，因此不乘以倍数而直接表示。(如前述，高合金钢通常是指合金总含量在8以上的钢料)例如:含碳量0.12的不锈钢，含铬量18含镍量8，表示为 X12CrNi18 8同理 X10CrNi1810 即表示含碳量0.10的高合金钢，含铬量18 含镍量10。 如果要进一步标示其特性，可以在其记号前後加上英文字母表示例如: M A St42 6 N (1)(2) (3) (4)(5)其中除(3)为主标记外，(1)(2)(4)(5)分别表示:熔炼方式、产品特性、保证性能类别、热处理情况等。 （4）铸铁、铸钢以前置标记G代表一般铸件，另外加上其它字母来表示种类，随後之标示与钢的编号相同，如表1所示。例如:GS-C30为铸钢，含碳量0.30 G-X120Mn12表示含碳量1.20的铸铁，含锰量12。 表1 德国工业标准DIN 之铸铁分类 GS = 铸钢 GG = 一般灰铸铁 GGL = 片状石墨铸铁 GGG = 球状石墨铸铁 GT = 一般展性铸铁 GTS = 展性灰铸铁 GTW = 展性白铸铁1-4材料的选用 1-4-1 材料选择的根据 材料的种类繁多，而且性质互异，因此无论铁金属和非铁金属材料，或者随後即将讨论的非金属材料自然都有不同的应用场合。一项产品在选用材料时，会因使用场合(例如：强度的要求、环境的因素、成本的考虑等)而不同，而各种材料由於结构的不同，也有其适当的用途，因此如何使材料的应用能适材适所，就是材料选用的最大准则。本章将提出材料选择的几个重要考虑因素，并举实例具体说明。 (一)材料的规格要符合使用的需求选择材料最基本的考虑，就在满足产品的特性及要求，例如：抗拉强度、切削性、耐蚀性等。许多材料似乎都可以满足使用的需求，但是如果选择具有正字标记或符合国家标准的材料，例如：我国的CNS 日本的JIS 美国的ASTM、 SAE、 AISI、 UNS 德国的DIN等，由於其化学成分及机械性质都经过试验，有一定的保证，因此品质将更有保障。(二)材料的价格要合理价格是选择材料的另一个重要因素。因为优秀的材料如果价格高昂，产品的成本势必提高，竞争力就会降低。因此如果材料不是唯一的选择，那么价格合理的同级材料或以开发新产品替代都是不错的解决方案。 (三)材料的品质要一致产品如果是单一的就不必考虑一致性的问题，但是如果是属於大量生产的东西，材料的供应就必须稳定而且品质一定才行，否则因产品不良造成退货或是赔偿，无论是金钱及信誉的损失可能都将难以弥补，因此在选择材料供应之初，材料品质的一致和来源的稳定性也是重要的考虑因素。 1-4-2 钢铁材料的选用 以上提到的是材料选用的原则。而钢铁材料由於在机械上使用广泛，因此必须针对其特性考量。钢铁材料的选用，常遭遇的还有三个问题：(一)使用碳钢或合金钢(二)局部或全部淬火(三)用铸造品或锻造品。碳钢的价钱便宜，但合金钢易於淬火、硬化深度大、抗回火软化佳。承受的负荷则关系局部或全部淬火，负荷大的零件以全部淬火为宜，表面淬火则可承受耐疲劳及磨耗的场合。锻造与铸造在制造一直是竞争不止，传统的铸造品虽可以制造复杂或有内孔的零件，但被认为偏析、气孔、韧性差，锻造品则较强韧，但铸造技术及材料的进步，己可以达到均质、强韧，加以铸造有一次成型的优点，因此目前铸件占较有利的趋势。 1-4-3 应用实例 (一)引擎材料的选用机械产生动力来自於引擎，常见的引擎如：空压机、汽机车、电机原动力厂等。引擎各部份零件承受不同的负荷、温度等工作条件，因此有不同的材料选择考虑。以下仅以其中较重要的汽缸体、曲柄轴及进排气阀加以说明。1. 1. 汽缸体汽缸由於形状复杂，又有冷却管路，因此只能用铸造方式，汽缸由於要求良好强度大、耐磨、耐蚀、导热性佳、膨胀系数低。因此灰铸铁就是很好的选择，唯一问题是比重稍大。如果需要轻量化，使动力提高，就可以考虑铝合金。唯铝合金的磨耗性较差，这一点也要考虑。2. 2. 曲柄轴 虽然曲柄轴的形状也很复杂，不过也并不是非用铸造不可，曲柄轴的受力很大，因此锻造钢品是传统上的选择，不过延性铸钢(球墨铸铁)的发展，使得铸造品在中小型汽车上也占一席之地。如果使用锻钢，必须考虑硬化能的问题，因此常用的有铬钼钢(SAE 4140)或中碳钢SAE 1035及SAE 1050。3. 3. 进排气阀进排气门最重要的是耐高温和耐腐蚀，尤其是排气阀的工作温度，往往700以上，而且必须 承受燃料燃烧後产生的水气和腐蚀性铅化合物，因此采用耐热钢是最初的考虑，其後陆续有使用沃斯田铁系不锈钢或英高镍(Inconel)者。(二)材料的取代和新材料的选用由於材料的改良和新材料的不断发展，许多制品原来使用的材料，可以替代而性能更佳，价格更便宜。以日常应用来说，例如：二十年前的眼镜框，使用白铜或镀层，其後因为腐蚀问题而改用不锈钢，至今更因为钛的轻量化、高强度比且耐蚀而再度取代。近年来由於航太工业，轻量及高强度的要求，因此在机件上钛的使用也很广，而外装上，复合材料(尤其是碳纤维和玻璃纤维强化塑胶)则大量的应用。另外，为了极高速航具和太空梭的需要，工程陶瓷应用在承受高温的部分的包覆(Ceramic Tiles)更是不可或缺。摘 要 1规格(Specification)是产品需求的叙述，也是资料技术沟通的依据为了增进效率及提供产品零件的互换性，必须制定的规格，以作为生产者及使用者依循的规范。2在工业上，钢铁材料必依其化学成份，使用一定的编号以利於选用。目前，在我国较常用的规格有三种：中国国家标准(CNS)、日本工业标准(JIS)、美国钢铁学会美国汽车工程师学会(AISI-SAE)。另外德国工业标准(DIN)和美国统一标准编号(UNS)相关业界有时也会采用。3CNS之钢铁材料的编号，主要由下列三部分组成：第一部分为材质，铁以F表示，钢以S表示。第二部分表示标准名称或是制品用途或主要合金元素或含碳量(结构用碳钢时)。第三部分为该材料之种类号码，或是最低抗拉强度、降伏强度。若是表示最小抗拉强度或最小降伏强度，通常以三位数字表示，常用於建筑结构用等不须规定含碳量钢料的场合。4AISI和SAE以四个(或五个)数目字为记号来分类。其中 第一位数，表示钢料的种类。 第二位数，为主要合金元素的百分值；0表示无其他合金元素。 第三、四位数(或第三、四、伍位数字)代表含碳量。钢 种编 号钢 种编 号碳钢1耐热钢30普通碳钢10钼钢4易削钢(加硫)11Cr(0.7)41锰 钢13Ni-Cr43镍钢2Ni(1.75)460.50Ni20铬钢51.50Ni21Cr(1.0)513.50Ni23Cr(1.5)52镍铬钢3铬钒钢61.25Ni0.6Cr31钨钢71.75Ni1.0Cr32镍铬钼83.50Ni1.5Cr33矽锰钢95材料选择的考虑因素主要有：(一)材料的规格要符合使用的需求(二)材料的价格要合理(三)材料的品质要一致 合金钢及特殊钢学习目的1.了解合金钢与特殊钢的意义。2.认识合金钢与特殊钢的种类。3.认识工具钢的种类和用途。4.认识耐蚀钢的种类和用途。5.了解其它特殊钢的种类和用途。1-1前言 碳钢具有不错的机械性质，能实施热处理，而且在一般用途上都能胜任。不过在某些需求特别的场合，使用上碳钢的性能仍嫌不足，例如：需要耐蚀的埸合、需要在高温强度、需要更高的硬度以做为切削刀具，或是具有疲劳强度等。这些时候就必须有各种不同性质的合金钢，例如：不锈钢、耐热钢、工具钢、弹簧钢等，来满足实际上的需求。由於这些合金钢材的性质和一般钢材并不相同，因此在市面上，许多贩售合金钢材料的地方，也称为特殊钢材料行。合金钢是指碳钢添加一种或一种以上合金元素所形成的钢料。通常钢的合金元素，除碳以外，若含锰量在1.65%以上、含矽量在0.60%以上，或含铜量在0.06%以上等，就可以认定是属於合金钢，其它元素刻意加入碳钢中者亦同。碳钢如果依不同用途再加入镍、铬、钒、钨、.等元素，以达到需要的效果，就成为合金钢。例如：微量的铬可以使钢具有极佳的硬化能，而12%以上时，钢就不易腐蚀，成为耐蚀钢。加入18%钨、4%铬、1%钒时即为高速钢。除用途外，合金钢也可依加入元素种类来区分。由於任何钢中均含铁、碳两种元素，因此，如再加入一种元素即称为三元钢，例如：镍钢、钼钢等。加入二种元素称为四元钢，例如：镍钼钢，其余依此类推。 如果以合金含量来区分，合金钢中合金元素的总含量在6%以上称为高合金钢，合金元素总含量在6%以下称为低合金钢。有些埸合会将合金量在1.5%5.5%之间的，再细分为中合金钢，而以1.5%以下者为低合金钢，不过这些都是粗略的分法，并没有实质的意义。合金钢的种类很多，而其性质主要又由合金元素来决定，因此研究合金钢最有效的方法，就必须由了解合金元素对於钢性质的影响开始。在合金钢中所添加的合金元素，主要有镍Ni、铬 Cr、钨W、钒V、锰Mn、钼Mo、钴Co、矽Si、钛Ti、硼B等。 1-1-1钢中主要合金元素的功用 1铬 Cr 铬在钢中的角色多元且重要，它会形成安定而硬的碳化物，而且具抗蚀性，其主要作用有： a增进钢的硬化能和渗碳作用。 b使钢在高温畤仍具高强度。 c能增加耐磨耗性。 d增高钢之淬火温度。 f能增进钢的抗腐蚀性。2镍Ni 镍在钢中的影响有: a增进钢的硬化能。 b能降低热处理时的淬火温度，因之在处理时变形小。 c能增加钢的韧性。 d高镍合金钢能耐腐蚀，例如：不锈钢就含有8%左右的镍。3钨W 钨能耐高温，而且溶於钢中会与碳形成碳化物称为碳化钨，能提高钢的强度。此外， a钨可以提高钢之淬火温度。 b加强钢之断面组织细微化，抵抗回火软化。 c可以降低淬火时钢之晶粒生长之趋势。 d钨钢刀具有红热硬度。 e可增加钢之保磁性，故可配入钢中而制造永久磁钢。4钒V 钒可以无限量固溶入铁中，并阻止沃斯田铁晶粒的成长，钒在钢中有脱酸除氧之能力，故含钒之钢其断面结晶密实，此外钒的作用还有： a能提高淬火温度。 b改善硬化能，高温淬火加热时，能防止其晶粒生长。 c有助於钢之结晶组织细微化。5锰Mn 锰亦为钢中重要元素，其作用及影响如下: a在适量下，锰量增加可增加钢之最大强度及硬度。 b锰有脱氧及脱疏功效，故锰能发掸钢之锻造性与可塑性。 c锰在钢中含量多，可降低钢之淬火温度。 d可增进钢之硬化深度，尤其在含碳量高之油硬性锰钢为最显著。6钼Mo 钼可增加钢之最大强度及硬度，因此在合金钢中也颇为重要。 a能改善钢在高温之抗拉及潜变强度。 b在工作红热情况下，能使钢之硬度保持不变。 c高速工具钢含钼，可予以较佳之切割性能。 d合金钢中加入钼可去除回火脆性。7钴Co 钴为制造合金钢之重要元素，在钢中可以生成碳化物，但也可能有不良影响，它具有以下特性： a钴可代替镍，如增加强度及耐热等性能。 b会降低钢的硬化能。 c能提高钢之淬火温度。 d增加钢之保磁能力，故为制造磁石钢之主要元素。8钛Ti 钛在钢中易与碳形成碳化物TiC，其他特性： a钛在不锈钢中，可以防止高温时铬量的局部减少，维持其 防蚀的能力 b可以防止合金钢由高温徐冷时的脆化现象。9铜Cu 合金钢中铜之含量不可以超过1.5%，否则会使钢变脆，此外 a铜在钢中有抵抗大气腐蚀之性能。低碳钢内含铜1%，其抵抗大 气腐蚀性约较不含铜者高出四倍。在不锈钢中加铜 3-4%，亦有助不锈钢之防蚀作用。 b可以增加钢的强度，但不宜超过0.2%。10铝Al a极易与氧结合形成氧化铝，是一种强脱氧剂。 b能抑制晶粒成长。 c是氮化用钢的重要元素。11硫S 硫在钢中为有害之杂质，硫与铁化合成为FeS，与锰化合成MnS，其结果： a会增加钢的热脆性 b硫含量0.2%以上，就会严重影响钢的强度和韧性 c硫可使钢强度降低，因此有利於钢的切削，但除了易切钢之外，极少利用。12矽Si 矽在钢中其作用如下 : a矽能增加钢之电磁传导率，故适於制造电气材料。 b矽会加速钢之结晶生长变粗，因此含量约在0.050.30%。 c矽能增高淬火温度。 d会阻碍碳元素溶於钢中。 e对於炭量较高之钢，矽多则增加脆性， f增加耐热钢的氧化性，可用为脱酸性。 综合各种合金元素对於碳钢的影响，而选择添加合金元素时必须考虑元素特性及应用场合的需要，适材适所才是最重要的，如果不燎解特性贸然选择，不但可能增加成本，效果也可能适得其反。 1-1-2 合金钢的分类 合金钢因其添加元素和量的不同而特性迥异，就用途来区分，合金钢大致可以分为一般构造用合金钢和特殊钢。构造用合金钢是使用於普通机械的构成元件或土木建筑等构造，普遍来说其合金量较低，而特殊钢大多是使用在需要高温硬度、耐蚀、耐热、磁性等特别的场合，大多是属於高合金量，如表1所示。(一)构造用合金钢： (a)非热处理型：大致是低合金量，包括高强度低合金钢及易切钢。 (b)热处理型：大致是中合金量，含合金总量稍高，约在1.5%5.5% 之间，经热处理後可以大幅提高强度，通常用於不需焊接场合的 强韧机件，称为热处理用中合金钢(或强韧钢) 。 (c)表面硬化钢(二)特殊钢： (a)合金工具钢： (b)耐蚀钢： (c)其他用途特殊钢：包括耐热钢、轴承钢、弹簧钢、电气用钢、磁 石钢、超高强度钢等。表1 合金钢的用途 分 类钢 种主要合金用 途构造用合金钢高强度低合金钢低Mn、低Si-Mn汽车车身、构造用机件、船体热处理用中合金钢(强韧钢)Ni、Cr、Ni-Cr、Cr-Mo、Ni-Cr-Mo曲柄轴、螺栓、齿轮、大型轴表面硬化钢渗 碳 钢Ni、Ni-Cr、Cr-Mo、Ni-Cr-Mo齿轮、汽车工业变速箱、差速器氮 化 钢Al-Cr、Al-Cr-Mo、Al-Cr-Mo-Ni、汽缸套、车床主轴、铣床零件特 殊 钢工具钢切削用钢W、Cr-W、Cr-Mn牙攻、车刀、铣刀耐冲击用钢Cr-W、Cr-W-V冲头、铆钉具耐磨用钢高C-高Cr、Cr-W、Cr-Mo-V号规、拉线模、整缘模具热加工用钢Mn、Cr-W-V、Ni-Cr-Mo、Mn-Cr热辊轧模、压铸模耐蚀钢不 锈 钢Cr、Cr-Ni餐具、外科刀具耐 酸 钢Ni、Cr-Ni、高Si化学工业耐热钢Cr、Cr-Ni、Si-Cr、Cr-Al进气阀、排气阀、轮机叶片弹簧钢Si-Mn、Si-Cr、Cr-V车辆、钟表及各式弹簧轴承钢高C高Cr、高C-Cr-Mn球轴承、滚轴承等非摩擦式轴承电气用钢非磁性钢(避磁钢)Ni、Cr-Ni、Cr-Mn输配线支撑、罗盘外壳磁性钢Si(矽钢)变压器铁心磁石钢Cr、W、Cr-W-Co永久磁铁超高强度钢高Ni、Cr-Ni-Mo、Ni-Co钢梁、飞机骨架 1-2构造用合金钢 构造用合金钢是指使用在构成机械的零件或建筑土木等各项工程结构上的钢料，例如：大型机械轴、压力容器、高层建筑、桥梁钢架或高强度螺栓、齿轮等。这些场合所需要的材料特性为：较高的抗拉强度、伸长率、冲击值、疲劳限度等，同时也需要具备良好的铸造、锻制、切削或焊接的能力，以符合应用上的需要。实用上，构造用合金钢由於使用的场合不同，一般区分为非热处理型和热处理型两类，前者大多是属於低含碳量和低合金量，构成之後也无法再实施热处理，大多用於车架或车箱、火车及船体，它包括高强度低合金钢、易切钢等。後者多属於热处理用中合金钢，大多用於机械元件例如：曲柄轴、高强度螺栓等，其中加入合金元素，主要是可以增进钢的硬化能及降低质量效果，而经由热处理则可以得到更强韧的机械性质，这类钢料包括镍钢、铬钢、镍铬钢、铬钼钢、镍铬钼钢等。 1-2-1高强度合金钢(HSLA Steel) 高强度低合金钢主要是替代在构造上使用的低碳钢，由於工程结构上使用的钢料大多需要焊接，如果使用高碳钢，容易使焊道在焊接冷却时产生淬火脆化的麻田散铁组织，因此为避免材料因热影响而转劣，必须使用较低含碳量但强度较高的材料，高强度低合金钢就是一此要求而发展出来。这种钢料是将少量特殊元素固溶在钢中，尤其是在低碳钢中占绝大部分的肥粒铁基地，使之强化而改变钢的机械性质，增进其机械强度。由於大型结构物焊接完成之後都难以热处理，所以在正常化或是轧延状态就要有高强度，也就是以固溶的方式在制造材料时就已完成强化。高强度低合金钢的种类很多，一般抗拉强度必须在50kg/mm2以上，高强度低合金钢的分类通常是以机械性质如：抗拉强度、降伏强度、延伸率等区分，而不是以成份来区分。添加的元素为以Mn、Si、Nb、V、N影响较大，Co、Cr的影响较小。高强度低合金钢由於强度高出普通碳钢甚多，因此对於同样的负荷而言，可以使用较小的断面，因而整体重量也可以减轻。 使HSLA钢之强度增强的方法，除了加入少量的合金元素，在轧钢厂中经由特殊的轧延及冷却过程中也可以加入。具备良好加工成形性的HSLA钢除了特有的合金元素外，另外还加入有稀土金属元素，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对应变速度、微化晶粒等来改进加工成形性。加工成形性的需求，主要是为了适应诸如：汽车、船舶等结构成形的需要。早期HSLA钢在耐蚀性表现甚佳，但是为了改善加工成形性，因而必须牺牲一些防蚀能力，以换取较佳的成形性，又由於HSLA 钢所做成的机件比由普通碳钢所做成的机件更薄，因此一旦生锈，氧化的锈层会使HSLA钢能承受荷重的断面大受影响。因此需加入像Cu 等能改进大气耐蚀性的元素进行，但由於会增加成本，因此後来的作法，是在HSLA钢之表面镀锌或其他防锈的表面处理，以增加其耐蚀性。HSLA钢在汽车工业的应用上，它不但可以取代传统的普通低碳钢，也更可以使用较薄的断面而不致於降低强度、耐蚀性及抗拉强度，目前小汽车所使用的高张力钢板就属於HSLA钢，其厚度约在0.6mm或更厚。其他如：货车、营建机械和其他重吨位车辆皆可使用HSLA钢的薄板或厚板来做车架或车体构件。用於这些用途的HSLA之钢板原大致为1.5mm或更厚。构造用HSLA钢，且可用於沿海之钻油机、电力输送机、火车及船体。 1-2-2易切钢(Free-machining steel) 易切钢是为了改善切削性和切削加工表面而发展的一种钢料，主要使用於在强度较低的小型零件。由於经济及迅速切削的需求，加上自动切削机械的发展，因此在不特别要求强度的小型零件，就可以采用此种钢来制造。改善钢切削性的方法有：在钢中加入合金元素，以弛力退火减少残留应力或调整显微组织的性质等，而易切钢主要就是在钢中添加磷、硫、铅等合金元素的方法。加硫0.10.25%的易切钢称为硫易切钢，加铅0.10.3%的易切钢称为铅易切钢。由於加硫可以与钢中的锰形成MnS，使得切屑变小且没有黏滞性，因此可以改良切削性，添加磷可以使钢质变脆，可以增加切削加工面的光滑度，加铅也可以使切屑变小，并有润滑作用，但由於硫及磷对机械性质有害，因此这种钢料多用在不重视强度的螺丝及螺帽等。此外，如钙Ca、碲Te、硒Se、铋Bi也都有改善切削性的功能，Ca易切钢是炼钢时用Ca脱氧，其能形成易切的原理与S、P和Pb不同，Ca易切钢是脱氧时的生成物，在切削时熔著於切刃边，能产生减少磨擦的作用，而且具有保护刀具，增加刀具寿命的功能。 1-2-3热处理用合金钢 上一节曾经提到，在肥粒铁基地中加入合金元素，可以改良在正常化状态使用的钢之性质，但是如果要更充分的发挥这一类合金钢的机械性质，以得到更高的硬度、强度和韧性，就应该实施淬火及回火处理，只是由於大型结构物可焊性的要求和不易实施热处理的特性，因此合金元素的作用主要是在固溶於肥粒铁，而达到强化的目的(这样的方式称为固溶强化)。热处理用合金钢大多是应用於机械构成的零件，例如：曲柄轴、齿轮、强力螺栓、键、销等，这些元件注重强度，而且接合的方式也大多不使用焊接，因此假如能利用热处理，使这一类合金钢形成回火麻田散铁的组织而加以应用，就可以得到兼具强、韧的效果。热处理用合金钢就是在碳钢中加入合金元素，并且经由热处理而可以得到强韧性质的钢料，因此也称为强韧钢。碳钢如果用於构造上有两个主要的缺点：一是硬化能较差、质量效果大，另一是回火时机械强度降低甚大。前面提过，硬化能是指淬火後，距离淬火端硬度降低的程度。质量效果是指当尺寸较大的零件，在淬火时其中心部份得到硬化效果的难易程度。质量效果大的材料，淬火时中心的硬度降低甚快，这样的现象在碳钢比较显著。而如果碳钢中加入了特殊元素，恒温变态曲线(S曲线)就会右移，如此在相同的冷速下，中心也可以得到相当的硬度。因此加入适当的合金元素就可以使钢料容易得到淬火的效果，增高硬化能而减少质量效果。其次，某些特殊元素不但可以改善硬化能，发挥淬火的效果，在回火处理时也可以减少硬度、强度受到的影响，即使回火到较高的温度，也可以得到强度及韧性高的组织。现在我们已经燎解，在构造用合金钢中加入合金元素的目的，主要是增进硬化能及抵抗回火软化。在合金钢所加入的元素中，Cr、 Mn、Mo的效果较大，其次是Ni，由於Ni的价格较高，因此如果只为减小质量效果或增加硬化能，就不需要添加Ni，而添加价格较低且效果好的Mn、Cr、Mo。合金元素对硬化能的影响，大致可以由硬化能倍数(multiplying factor)看出，硬化能倍数大的元素，增加钢的硬化能也愈大。许多合金元素如P、Si对於钢硬化能也有助益，但是有其添加的限制，所以并不适合。在钢中添加Si也可以减缓回火软化的现象，但是与Cr或Mo比较就可以发现，添加Cr或Mo除了使回火软化减缓之外，在较高温回火的情况下，还会产生二次硬化的现象，而使硬度能够再度上升。这种二次硬化的现象，在钨W、钒V等元素也有类似的现象，W、V是合金工具钢的重要元素，二次硬化的现象对於工具钢会产生特殊的切削效果，这一部份将在下一节详细说明。热处理用合金钢，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，常用的热处理用合金钢有：镍钢、铬钢、钼钢、镍铬钢、铬钼钢、镍铬钼钢等。要特别注意的是，即使在这里合金元素的种类与随後要说明的某些特殊钢(例如：不锈钢)类似，但含量较少，所以效果也不一样。1Ni钢钢中添加镍可以增加钢的强度，但是在淬火硬度上并没有很大的改善，同时在回火软化的抵抗性质上也并没有明显增加，加上镍的价格较高，因此单纯加镍的镍钢最近已不常用，Ni钢在钢料编号上是属於SAE 2XXX系，JIS对镍钢则不作规定。Ni钢中镍的添加量约为35%，主要优点是可以增加钢的低温强度降低钢的转脆温度(Transition temp.)，同时也可以作为渗碳用钢。2Cr钢碳钢中加入1%铬左右，可以增加钢的硬化能和回火软化抵抗性，铬钢一般是由830880淬火於油中，再回火於550650附近，由於这种钢料在回火时容易产生材质变脆的现象(称为回火脆性)，所以在回火之後必须冷却於水中或油中以避免产生回火脆性，这类钢的直径如果大於60mm，就不容易得到充分的淬火效果。铬钢在钢的编号上属於SAE 5XXX系，JIS编号为SCrxx。铬钢经热处理淬火、回火後，硬度高、耐磨而且耐冲击，主要的用途有：挖土机重机械的钢齿、机斗、碎石机械等。3Mo钢Mo的硬化能效果很大，因此淬火硬化的有效距离很大。Mo对於回火时软化的抵抗性也很好，因此可以经过高温回火，而得到极佳的强度和韧性。钼钢含Mo量约0.2%0.3%，另外含有少量Mn等元素，焊接性好，在钢料编号上属於SAE4XXX系，主要用途有：手工具、小型机械零件、螺栓等。4Ni-Cr钢钢中加铬可以增加硬化能，但是Cr含量在超过1%以上时，效果就不会再增加，因此如果需要更好的硬化能，添加Ni是一种方法，因为Ni能有效的增加肥粒铁的强度和韧性。Ni-Cr钢的镍含量约1%3. 5%，铬含量约0.5%1.0%。另外，由於铬及镍加入钢中，还有防腐蚀的效果，当铬、镍含量更高时，最主要的效果就变成以防蚀为主，而不是硬化能。在耐蚀钢中，含铬18%、镍8%的高合金钢，我们称为18-8钢，就是一种常用的不锈钢。Ni-Cr钢在钢料编号上属於SAE3XXX及SAE43XX系，JIS编号为SNCXX，在构造用合金钢中，Ni-Cr钢是其中较为常用的，通常用於制造曲柄轴、连杆、齿轮等。5Cr-Mo钢含有铬和钼的合金钢硬化能大、回火抵抗性高，而且较不会产生回火脆性，所以是一种用途很广的材料。Cr-Mo钢是在含Cr量1的钢料中，再添加0.15%0.30%的Mo，某些场合可以替代Ni-Cr钢，在钢料的编号上是属於SAE41XX系，JIS编号为SCMXX。Cr-Mo钢使用的场合，例如：汽车曲轴、锻造或机制的轴、轴环和叶轮等。6Ni-Cr-Mo钢Ni-Cr-Mo钢是综合Ni、Cr、Mo三种合金元素的优点，其中添加元素分别为0.4%3.5%Ni、0.4%3.5%Cr、0.15%0.70%Mo。Ni-Cr-Mo钢具有极佳的硬化能，淬火有效直径可以达200mm，淬火效果很好，此外Ni-Cr-Mo钢对於回火软化的抵抗性大，又因Mo可以显著改善Ni-Cr钢高温回火脆性的缺点，因此能回火至相当的高温，而得到优良的强韧性，所以Ni-Cr-Mo钢可以说是构造用合金钢中最优秀的。Ni-Cr-Mo钢质量效果小，从淬火温度以空气冷却也可以淬硬，因此又称为 自硬性钢 (self hardening steel)或 风硬性钢 (air hardening steel)，一般由850950冷却於空气中或淬火於油中，再回火於550650，如果含Mo量高，回火後不须急冷。Ni-Cr-Mo钢也适於大型零件，其钢料编号为SAE 8XXX，JIS编号为SNCMXX，用於大型轴、曲柄轴、高强度螺栓，以致於中小型轴或内燃机连杆等。 表2 碳钢与典型镍铬钼钢机械性质的比较钢种主 要 成 分 (%)热处理抗拉强度kg/mm2冲击值kg-m /mm2Brinell硬度CNiCrMoMn碳钢0.400.50-0.400.85淬火回火708201 269S30NiCrMo2钢0.250.352.503.572.503.500.500.700.350.60淬火回火1108302 352 1-3合金工具钢 能够使用於制造工具、切削刀具或模具的材料大致包括：高碳工具钢、合金工具钢、高速钢、工具用非铁硬质合金等。除硬质合金之外，其它都是属於钢料，而在一般工具用钢中，以高碳工具钢的合金量少，价钱比较便宜，高合金量的工具钢或高速钢，价钱则较昂贵。工具钢必须强韧、耐磨耗、且具有常温及高温硬度等特性，以其合金成份和构造用合金钢相较，则除了含碳量增加之外，Cr、Mo、Ni等仍然为基本元素(或是增加其含量)，另外必要时在添加耐高温的W、V及Co等。工具钢是属於高级钢料，因此必须是由全静钢锭制造，同时要特别要求合金元素在熔练过程中的均质化，以使後续锻造及热加工能得到良好的品质。由於工具钢多需利用热处理以达到材料的最佳性质，因此尺寸要求精密的机件，必须先实施半加工成形(semifinished)，经热处理，再完成加工(finished)。 1-3-1高碳工具钢 高碳工具钢的成份为含碳量0.6%1.5%，另外含有0.5%以下的Mn以提高其硬化能力。高碳工具钢价格便宜，其机械性质主要是以含碳量多少来决定，由於一般淬火於水中，因此属於水硬性钢，其缺