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INTERNATIONAL COMPANY, LTD. QA QUALITY TIMES 品質立即報 2001-05-01 發行本期重點機械概論一、 工程材料：基本上分為兩大類，即金屬（Metallic）及非金屬（Non-Metallic）；後者又可分為有機物（如塑膠、皮革等）及無機物（如礦物、玻璃、石墨等）兩種。二、 機械之選擇：A. 加工法之分類：1. 改變材料形狀之加工法a. 由礦中煉製b. 鑄造c. 熱加工及冷加工d. 粉末冶金e. 塑膠模製2. 機械加工切削至規定尺寸a. 傳統式加工法，切削的切除b. 非傳統式加工法3. 表面的完成加工a. 金屬切除b. 拋光c. 覆層4. 機件或材料的連接法5. 機械性質之改變B. 改變形狀的基本加工法：鑄造、鍛造、擠製、滾軋、抽拉、擠壓、軋碎、穿孔、型鍛、彎曲、剪切、鏇壓、伸拉造形、滾軋造形、火焰切割、爆炸造形、電器液壓造形、磁力造形、電積造形、粉末冶金造形、塑膠模製造形。C. 切削加工（Machining）：1. 傳統式：鏇（車）切、龍門刨床刨切、牛頭刨床刨切、鑽孔、搪孔、鉸孔、鋸切、拉切、銑切、磨削、滾齒切削、起槽切。2. 非傳統式：超音波法、放電加工法、化學銑削、磨粒噴射法、電弧法、雷射光法、電化法、電子束法、電漿法。D. 表面精製（Surface Finishing）：拋光、砂布帶磨光、滾筒研磨、電鍍、搪磨、研磨、超級精磨、金屬噴敷、無機物噴敷、磷酸防蝕、陽極處理、滲鋅處理。E. 連接（Joining）：熔接、軟焊、硬焊、燒結、壓合、鉚接、螺絲扣接、粘結。F. 機械性能之改變金屬材料之機械性質（硬度、強度）不似物理性質（比重、比熱、熔點、膨脹係數）一成不變；常用溫度變更或施以應力處理加以改變，如熱處理、熱加工、冷加工、珠擊法。熱處理利用各種溫度的變更，改變金屬結晶的組織形態，而產生不同的強度及硬度等之機械性質。冷加工或熱加工原始目的雖為改變金屬材料之形狀，但同時也改變結晶組織形態。珠擊是利用大量鋼珠噴射撞擊於金屬表面，以增加抵抗疲勞作用，多用於小件加工，屬冷加工之一種。一般金屬類產品其加工製程可能為原材料（Raw Material）（或）加熱（煤炭、燃油、電能）鍛造、壓製、擠形噴砂調質粗磨去毛邊車削、銑削、刨削鑽孔攻牙鉸孔熱處理細成型（研磨、放電、線切割）表面披覆（電鍍、噴漆、染黑）三、 金屬材料A. 碳鋼含碳量1. 熟鐵（Wrought Iron）C0.08%2. 鋼（Steel）0.08%C2.0%4. 低碳鋼 0.03%C0.25%（或C0.30%）5. 中碳鋼 0.26%C0.55%（或0.30%C0.70%）6. 高碳鋼 0.56%C2.00%（或0.70%C1.4%）B. 合金鋼1. 低合金鋼（特殊合金元素少於8.0%）2. 高合金鋼（特殊合金元素大於8.0%）C. 機械性質（Mechanical Properties）：包含拉力強度（Tensile Strength）、壓力強度（Compressive Strength）、扭力強度（Torsional Strength）、彈性模數（Modulus of Elasticity）及硬度（hardness）等，最重要的是拉力強度與硬度二者。1. 一般材料之剪刀強度約為拉力強度之50%；扭力強度約為拉力強度之75%；鑄鐵之壓力強度約為拉力強度之三至四倍。2. 硬度（Hardness）：非破壞性試驗（Nondestructive inspection）一般鐵金屬材料或鋼料中，其強度大都與其硬度成正比，而磨耗又大約與硬度成反比，即硬度愈高，愈耐磨。各種材料之基本硬度值為莫氏（Mohs）硬度規格，其數值由1至10；鑽石為10。對材料的表面施以外壓使它變形時，會產生抵抗，根據這種抵抗的大小可以表示材料的硬度，因為外壓的作用條件不同，所發生的抵抗也不同。是將預定的力量利用球或點壓於試件的表面上。常用於控制熱處理、熱、冷加工等加工程序，所得到的數值是對熱處理效果很好的指標。ASTM E18:如有必要表面可磨 0.007” (0.18MM) 再測硬度。A. 洛氏硬度試驗機（Rockwell Hardness Tester）一般對淬火鋼等的硬質材料所用的壓痕器（Penetrator）是鑽石頂角120；半徑0.2MM金鋼石圓錐體，（壓力150KGS/330LBS），標度（Scale）為C（HRC）。對退火鋼和其他軟質材料或非鐵金屬，所用的壓痕器是直徑1/16”的硬鋼球，所加荷重為100KGS（220LBS），標度為B（HRB） 。B. 維克思硬度試驗機（Vickers）把對面角136的鑽石錐尖，在1KG至120KG壓力（所用壓力視試品之硬度及厚度而定）下壓入試驗片的表面，使試驗片發生方錐形壓痕，這時所加的荷重以壓痕的方錐形表面積除之，所得的商叫做維克思（Vickers）硬度。Vickers硬度適於測定很薄的金屬材料，表面硬化的材料，鍍金層，及熔接部分等的硬度。C. 勃氏硬度試驗機（Brinell Hardness Tester）用10.000mm的鋼球為壓痕器，壓力3,000KGS；用一種特備之顯微鏡量測壓痕直徑，準確度在0.05mm以內，由壓痕直徑與硬度對照表查出勃氏硬度值。D. 蕭氏硬度試驗機（Shore Sclero-scope）用一個重約2.3公克，尖端為鑽石錐之錘，自一定高度自由落下，衝擊於試品上，由其反跳之高度求試品之硬度；反跳愈高，硬度愈高，由刻度盤與指針讀出盤上所示之硬度。3. 滲碳（Carburizing process）使鋼表面產生硬化層的方法,又稱表面硬化（Case Hardening），一般低碳鋼表面常做此處理，深入的程度及碳的含量，視時間及溫度而定。處理後的鋼材具有高硬度,耐磨耗的表層，而其心部相對的保持著軟而韌的原有性質。可使整個鋼材有高的衝擊值，以及疲勞強度提高。處理的溫度通常在825到925之間，滲碳劑則有固滲碳劑(滲碳化合物)，鹽浴滲碳劑，以及氣態滲碳劑等三種，碳元素從滲碳劑中滲入鋼材，則是藉著氣相的形式進行，通常為一氧化碳。滲碳劑的碳位愈高,鋼件表面的碳濃度也愈高,在達到平衡狀態時,滲碳層的深度也就愈深。一般外加工旋轉爐式使用碳粉，溫度約400，生產速度較快；鹽浴沉爐式，溫度約250，生產速度較慢。4. 應力集中只有少數的機器零件的破壞是因為突然加上單一重負荷所引起的，絕大部份的情況，破裂是由反覆或疲勞負荷所引起，而在零件的形狀突然改變導致應力集中之點處發生，此種破壞的發生可能是沒有預警或產生塑性變形。由形狀之突然改變所引起的這種應力分佈的不規則性，稱為應力集中(內圓角、孔；缺口；鍵槽；工具記號；意外刮痕；或裂隙，都易應力激生處。四、鐵金屬的分類及規格1. 金屬分類：鐵系和非鐵系（或稱有色金屬）。2. 鋼鐵的定義與分類：工業上不能得到完全純粹的鐵，所謂的純鐵其實含有各種不純物（像C，Mn，S，P，O.等），它很軟而柔，即冶金學上稱為肥粒鐵（Ferrite），晶面為白色（深色者為波來鐵Pearlite），不能用作需要強度的構造材料，所以用處不大。因此為了增加它的強度，或者賦予特殊的性能，通常在鐵中加碳作成合金，以便改良它的性質，這種合金就是所謂的鋼和鑄鐵。一般我們通稱的鐵，其實正確的名稱應為低碳鋼。3. 煉鋼(鼓風爐)鐵礦石（Fe2O3、FeS）讓鐵的氧化物還原生鐵（Pig Iron）(煉鋼爐精煉)熔融鋼鑄成鋼錠成形加工鋼板，鋼條，鋼管等鋼料。生鐵因為含有較多的C，Si，Mn，P，S等，所以質脆，不能軋延或鍛造而作成各種形狀的鋼料，假如能去除或者減少這些對加工有害的元素，就可以變成能軋延或鍛造的鐵（碳素鋼），若在精煉的過程中再加入Mn，Cr，V，Ni等元素，使碳素鋼成為合金鋼。鋼是鐵和碳的合金，而裡面的碳在常溫時並不是以純粹的元素狀態混合在鐵中，而是和鐵的一部份化合變為碳化鐵（Cementite）（雪明碳鐵Fe3C，為鑄鐵組成中最硬者）混合在鐵中，也就是說鋼是鐵和雪明碳鐵的混合物（Fe3C的量影響到鋼的硬度,1%的C,可以得到約15%的雪明碳鐵），鐵和雪明碳鐵的組織,冶金學上叫做波來鐵（Pearlite），波來鐵以外的部分就是鐵叫做肥粒鐵（Ferrite），當雪明碳鐵全部溶在鐵中，變成固溶體，冶金學上叫做沃斯田鐵（Austenite）。鑄鐵（Cast Iron）或灰鐵（Gray Iron），以高百分率的碳及矽為特性，它便宜，容易鑄造，且可即於加工，為使用最廣的鑄造構成材料，不易熔接，但有極佳的阻尼振動特性及良好的抗磨性。當鑄件必須支持高的拉伸負荷時，應選擇合金鑄鐵，展性鐵（可鍛鑄鐵）（Malleable Cast Iron）或鑄鋼（多數為中碳鋼）。所謂史帝田鐵（Steadite）是鑄鐵中阿爾發鐵（Alpha）及磷化鐵之一種共晶組織，是白色枝狀的組成物。鋼之球化處理（Spheroidizing）即是使鋼料中雪明碳鐵由葉片狀改為圓球形之熱處理方法。純鐵的溫度和磁化強度的關係：隨溫度昇高，鐵的磁化強度首先是慢慢減弱，到了某一溫度，減弱的速度很慢，到約790時幾乎變為零，通常鐵在800以下是強磁性體，但在這溫度以上就會失去磁性。五、碳鋼與合金鋼的數字命名系統:一般SAE（Society of Automotive Engineers）與AISI（American Iron and Steel Institute）的編錄系統是由四位數字組成，最初兩位數指出類型或合金分類，最後兩位數則給予碳含量。但AISI系統除了前述四位數字之外，另包含大寫字母的字首，指出製造過程：A鹼性平爐合金鋼（Open-Hearth Furnace）B酸性伯斯麥碳鋼（Bessemer）C鹼性平爐碳鋼D酸性平爐碳鋼E電爐合金鋼（Electric Arc Furnace）EX：1045，C1045，3340，4337，4125，8660，6150，5045，SAE12L14，6168不銹鋼（Stainless Steel）：廣用於抵抗腐蝕，Cr為其中最主要的合金元素。有三大類。代號為三位數碼。1. 沃斯田鐵系（鉻18%、鎳8%）冷作可硬化，完全退火後無磁性。型式編號：302；304；316；347。2. 麻田散鐵系（鉻12%）：熱處理可硬化。型式編號：410；440A。（硬度數#410：HRB70HRC45；#440A：HRB95HRC55）3. 肥粒鐵系（鉻17%）：不可硬化，可熱作，有磁性。型式編號：430，446。工具鋼：必須為極硬，且抗變形及磨耗，HSS（高速鋼）使用於一般鑽頭。18-4-1High-Speed Steel 18%鎢/4%鉻/1%釩；鉬高速鋼6-6-4-2含鉬/鎢各6%/鉻4%/釩2%；超高速鋼：高速鋼中加入2%-15%之鈷，高溫時可提高切削效率。刀具用鋼，SK5。耐衝擊用模具用鋼SKS， SKD。彈簧鋼：熱處理彈簧鋼-成型之後再做熱處理一般常見代號SUP4，SUP6，SUP7，SUP9。加工彈簧鋼：硬線鋼（SWB，SWC，PBW2，PBW）；琴線(SWPA,SWPB,SWPV.)材料鑑別：氧化層的狀況-低碳鋼（粗糙）；高碳鋼（細緻）生銹-鋼及鐵生銹為紅色，有Ni，W，Cr或不銹鋼等不生紅銹。硬度-使用銼刀來檢驗。磁性-碳鋼均會被磁鐵吸著。高Mn鋼(奧斯田鐵)不被磁鐵吸著。砂輪機的火花試驗：聲音-清脆為高碳。破斷面-白色為高碳。車削料色澤-藍色為高碳。六、鐵系金屬的熱處理對鋼施以適當的加熱或冷卻處理，以得到所需要的機械性質(或物理性質)為目的的處理，較常實施的有退火（可以得到軟的組織），淬火（可以得到硬脆的組織），回火可以改良淬火的脆性組織，而得到強韌的組織。A. 正常化：（Normallizing）把鋼加熱到約910，然後使它慢慢冷卻（空冷）到常溫時所得到的組織，稱為正常化組織。它的目的是要獲得加工前均勻的晶粒結構，正常化經常應用於鍛件與鑄件。B. 退火：（Annealing）把鋼料加熱到適當的溫度（約730）保持適當時間後，使它慢慢冷卻的操作，主要目的為消除內應力降低硬度調整結晶組織得到所需要的機械性質。C. 淬火：（Quenching）把鋼加熱到適當溫度，而且保持適當時間後，令它急冷而得到高硬度的麻田散鐵組織若鋼含碳量高，則淬火後之麻田散鐵（Martensite）硬度亦高，但是含碳量0.6%以上時，硬度大致相同。淬火溫度過高的缺點：晶粒變粗機械性質不良易變形，氧化和脫碳作用大產生不均勻應力而發生裂痕。D. 回火：（Tempering or Drawing）淬火後的鋼雖然強度大，硬度高，但是很脆不實用，若將淬火鋼加熱至適當溫度，不但可除去淬火應力，又能調節硬度得到適當的強韌性；低溫回火（約150200），主要用於刀具，工具，可去除殘留應力，保持高硬度，防止尺寸變化；高溫回火（500以上），主要用於構造用的鋼，可獲得較佳的韌性及硬度。淬火後的麻田散鐵，可由回火處理得到優良機械性質之回火麻田散鐵組織。（Martempering）E. 鋼的冷卻速度和組織的關係：加熱 冷卻 組織 機械性質910 爐冷 波來鐵 硬度,韌性較低奧斯田鐵 空冷 糙斑鐵 狀態 910 油冷 吐粒散鐵 奧斯田鐵 水冷 麻田散鐵 硬度最高最脆機器零件由熱處理所增加的強度及硬度，通常伴有殘留應力，此種應力係因材料在高溫時所發生的彈性變形而引起的，具有殘留拉伸的表面，易造成疲勞破裂現象，因此常見的在高壓滾子間的滾軋，珠擊，打磨或鎚擊，其作用就是在移除殘留拉伸的不利效應。附表一：鋼之分類類別及大約成分標誌數字範圍碳鋼SAE-AISI（Carbon Steel）1XXX普通碳鋼10XX1006-1095易切鋼（再硫化）11XX1108-1151再硫化，再磷化鋼12XX1211-1214錳鋼（Mn）13XX1320-1340鎳鋼（Mo）2XXX3.5%鎳（Ni）23XX2317-23455.0%鎳25XX2512-2517鎳-鉻鋼（Ni-Cr）3XXX1.25%鎳0.65%鉻31XX3115-31501.75%鎳1.00%鉻32XX3.5%鎳1.55%鉻33XX3310-3316抗腐蝕，不銹鋼30XX沃斯田鐵不銹鋼303XX（AISI 300序號）鉬鋼4XXX碳-鉬（0.25%鉬）40XX4024-4068鉻-鉬鋼（0.70%鉻0.15%鉬）41XX4130-4150鎳-鉻-鉬（0.65%鉻1.8%鉬）43XX4317-4340鎳-鉬（1.75%鎳）46XX4608-4640鎳-鉻（0.45%）-鉬（0.20%）47XX鎳-鉬（3.5%鎳0.25%鉬）48XX4812-4820鉻鋼5XXX0.5%鉻50XX1.0%鉻51XX5120-51521.5%鉻52XX52095-52101抗腐蝕耐熱514XX（AISI 400序號）鉻-釩鋼（Cr-V）6XXX1.0%鉻-0.12%釩61XX6120-6152矽-錳鋼（0.85%錳-2.0%矽）92XX9255-9262三元合金鋼86XX0.55%鎳0.50%鉻0.20%鉬87XX8615-86600.55%鎳0.50%鉻0.25%鉬93XX8720-87503.25%鎳1.20%鉻0.12%鉬94XX9310-93170.45%鎳0.40%鉻0.12%鉬97XX9437-94450.45%鎳0.15%鉻0.20%鉬97XX9747-97631.00%鎳0.80%鉻0.25%鉬98XX9840-9850硼鋼（約含0.005%錳）硼鋼在標誌數字中加入一B字，棚-釩鋼加入BV字樣，例如：14Bxx；50Bxx；80Bxx；43BV14等不銹鋼和耐熱鋼：XXX鉻-鎳-錳型；3XXX鉻-鎳型；4XX高鉻型；5XX低鉻型所有的不銹鋼均以電爐煉製附表二：簡易機械加工法與可能問題表工作方式特性分類問題與方法鉗工Tooling WorkHammerScrewdriverWrenchSpannerBench ViseHack SawChiselFileScraperTaperReamerBoring劃線工作LiningSurface Plate(Granite)Surface GageOptical FlatsMarking NeedleCenter PunchOpen GageHigh-Low GageAngle GageAngle PlateSquare GageMulti-Purpose Angle GageParallel Block量具MeasurementsRulerOut-Side/Inside CaliperMicrometerVernier CaliperAngle CaliperPrecision Gage BlocksSine BarDial IndicatorSnap GagePlug GageSurface RoughnessProjecting Comparators鑽床Drill PressDrillingReamingTappingBoringCounter BoringSpot FacingCounter SinkingSaw Type CutterFly-CutterSpade DrillsJigsUp-Right；Gang；Radial；Turret；Multi-spindles；Transfer-Type車床LatheSpeed LatheEngine LatheBench LatheTurret LatheAutomatic LatheDuplicating or Tracer LatheBoring Mill錐度與角度Taper & Angle WorkingMorse TaperBrown and Sharpe TaperJarno and Reed TaperTaper Pins螺紋Threading牙規Threading Pitch Gage (National Form/Sharp V)夾頭與附件Chuck Jaw & AccessoriesChuckJawFace PlateArborSteady RestCenter Rest牛頭刨床ShaperUniversal ShaperSlotting Machine(Key-Seater)Draw Type ShaperPlaner(Double-Housing/Open-Side, Pit-Type, Edge or Plate Type)銑床Milling MachineUniversalVerticalPlanerMachining CentersPlanetaryTracing(Duplicators, Die Sinkers, Pantograph) ArborShankFaceP