机械材料选用规格.doc

当前位置： 首页 工业设计 理论文献 正文机械材料的规格及选用在线投稿 素材基地 论坛讨论 原创作品集机械材料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淬火于油中，再回火于550650附近，由于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)，所以在回火之后必须冷却于水中或油中以避免产生回火脆性，这类钢的直径如果大于60mm，就不容易得到充分的淬火效果。铬钢在钢的编号上属于SAE 5XXX系，JIS编号为SCrxx。铬钢经热处理淬火、回火后，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对于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，在钢料编号上属于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，由于铬及镍加入钢中，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钢在钢料编号上属于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，通常用于制造曲柄轴、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于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钢对于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冷却于空气中或淬火于油中，再回火于550650，如果含Mo量高，回火后不须急冷。Ni-Cr-Mo钢也适于大型零件，其钢料编号为SAE 8XXX，JIS编号为SNCMXX，用于大型轴、曲柄轴、高强度螺栓，以致于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 /mm2 Brinell硬度C Ni Cr Mo Mn 碳钢 0.400.50 - - - 0.400.85 淬火回火 70 8 201 269S30NiCrMo2钢 0.250.35 2.503.57 2.503.50 0.500.70 0.350.60 淬火回火 110 8 302 3521-3合金工具钢能够使用于制造工具、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，其它都是属于钢料，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。工具钢是属于高级钢料，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炼过程中的均质化，以使后续锻造及热加工能得到良好的品质。由于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，由于一般淬火于水中，因此属于水硬性钢，其缺点则是硬化深度较浅，在高温时强度较差。由于仅经淬火的麻田散铁组织太脆，耐磨性不佳，为了增加耐磨性，高碳工具钢在淬火前必须实施球化处理，淬火至室温之后，再加以150200的低温回火，其结果可以得到球状雪明碳铁散布于低温回火麻田散铁，硬度够而且耐磨耗的组织。高碳工具钢使用于刀具、工具或冲模，但因合金工具钢的发展，使用场合已较少。1-3-2合金工具钢高碳工具钢由于硬化能较差，因此必须以水淬急冷的方式得到较高的硬度，但因水淬容易变形和产生裂痕，因此高碳工具钢就有其使用上的限制，为了改善其硬化能并增进其硬度，因此加入如W、Cr、V、Mn、Ni等合金元素，而形成合金工具钢。合金工具钢主要藉热处理所得到的麻田散铁组织保持工具钢必要的硬度，另外以合金元素与碳结合所形成的碳化物增加耐磨耗性。合金工具钢依其用途可分为下列四类：1切削用合金工具钢为了切削用途，因此这类合金钢通常含碳量较高，并增加W、Cr、V以增大硬度及耐磨耗性，适合作为螺丝攻、车刀、铣刀等用途。2耐冲击用合金工具钢此类合金钢为增加冲击韧性，因此含碳量稍低，所以切削性及耐磨耗性也稍差。3冷间模具用合金工具钢此类工具钢由于用于常温(又称为冷间，cold work)，且要求减少尺寸及形状的变化，因此在高碳钢中添加Mn、Cr、Mo、W、V等元素，以改善淬火性，并藉生成之硬质碳化物以增加其耐磨性。4热间模具用合金工具钢此类工具钢由于多使用于热加工(热作)模具，因此必须具有高温硬度(红热硬度)，不至因温度升高而变形或软化。此类工具钢含多量Cr、W、Mo、V等元素，可以耐压铸、模锻等压力。1-3-3高速钢高速钢(high speed steel)是用于切削工具，在高速切削之红热状态时仍能保持其硬度而称之。除此之外，高速钢机械性质优良，因此也用于模具等耐磨耗机件，如果用于切削刀具，其切削速率可达高碳工具钢的三倍。高速钢除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可与各元素形成碳化物，增加刀具的切削能力。(2)W可以形成碳化钨，除增加硬度外，也可以增加回火软化的抵抗性。(3)Mo的性质与W相似，因此可以替代。(4)Cr可以改善硬化能，并防止W的碳化物被分解。(5)V可以使晶粒微细化，增加强度。(6)Co可以增加C的溶解度，并增加高温硬度。高速钢通常以主要元素W及Mo区分，含W钨量较多的高速钢称为钨系高速钢(T系高速钢)，含Mo钼量较多的高速钢称为钼系高速钢(M系高速钢)，其中含18%W、4%Cr、1%V为最典型的高速钢，称为18-4-1钢，另外含18%W、4%Cr、2%V则称为18-4-2钢。高速钢因为所含的合金元素量较多，所以导热度较不良，因此淬火温度需较高，一般约在12001350之间，使合金元素充分固溶于沃斯田铁，淬火之后可以得到洛氏硬度约Rc64以上。 淬火后的高速钢约在400550间实施回火，在回火的过程中，由于合金成份会产生碳化物析出的现象，会使得硬度再次提升，此种特殊的现象称为二次硬化，有时为使钢中残留的沃斯田铁变态完成麻田散铁以增加其硬度，还会实施二次回火或三次回火等。1-3-4硬质合金或超硬合金硬质或超硬合金属于非铁合金工具材料，通常不含铁成分或是铁仅占很少比例，有别于一般工具用钢料。这类材料有极高硬度及高温强度，可以切削各种钢料甚至玻璃、陶瓷等。硬质合金是通常是以铸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来制成。硬质合金又分为：(1)工具用铸造合金这类硬质合金是以铸造方式成形，不经过热处理，就具有常温及高温的极高硬度，并且耐磨耗，有时又称非铁铸造合金刀具或超硬铸合金刀具。史斗铬钴(stellite)就是其中的代表，它含Co 4055、Cr 1533、W 1018、C 24、Fe 5以下、Mn 1，其组织与白铸铁相似，为碳化物分布致密的型态，因此硬度很高，但是此种合金质脆，无法锻造。主要用于凿岩用钻头、切削刀具、热加工用模具等。(2)烧结硬质合金碳化钨WC或碳化钛TiC等的粉状碳化物，加入黏结用金属钴Co(或Ni、Mo)，加压并烧结，就可以得到红热硬度很高的合金材料，如果制成切削刀具，可以较一般工具钢的切削速度更高，并具有更长的刀具寿命，烧结后的碳化钨块可以铜焊接着于钢制刀柄，用以切削钢铁、铸件、非铁金属或非金属等材料。常用的烧结硬质合金有WC-Co系和WC-TiC-Co系，除切削工具外，也可以应用于拉线模具或其它耐磨耗场合。1-4耐蚀钢耐蚀性是指材料对于空气、水、酸、盐或其它化学环境下所产生破坏的抵抗程度。钢铁材料应用极广，但是耐蚀性不佳是其缺点，尤其台湾气候温湿，因此耐蚀性特别重要，除了使用各种覆面或涂装技术，最基本的方式还是必须改善钢的性质。在钢中添加Cr和Ni可以增加钢的耐蚀性。钢的耐蚀性主要随Cr的含量而增加，一般耐蚀钢的分类，含Cr量在12%以上之Fe-Cr合金，几乎不会被侵蚀称为不锈钢，含Cr量在12%以下之Fe-Cr合金，则称为耐蚀钢，但实用上提到耐蚀钢仍是以不锈钢为主。在大气及海水环境中，钢之耐蚀性随Cr量的增加而增加，含Cr量在12%以上，就几乎不会发生腐蚀的现象。不锈钢能耐蚀的原因，是因为Cr能在钢的表层形成一种致密的氧化铬膜，可以阻隔钢料内部的氧化作用，因而可以防止一般大气环境下的腐蚀。但是铬钢在强酸例如：硫酸、盐酸的环境，这层氧化膜就会被破坏而丧失了耐蚀性。钢中含Ni时在酸性环境中的耐蚀性，在含有硫酸及盐酸的环境中，可以发现，钢之耐蚀性随Ni量的增加而增大，由此可知，一般环境下使用，不锈钢只需添加Cr，就可以防止发生腐蚀的现象，然而在特定环境下(例如：硫酸、盐酸中)使用，就必须再添加Ni，才能达到防蚀的目的。一般除了铸造用途的不锈钢之外，不锈钢因其合金成份可以大致可以区分为：Cr系不锈钢、Cr-Ni系不锈钢。如果以晶体结构组织上来区分则可以分为：肥粒体系、麻田散体系、沃斯田体系、析出硬化系等。前者分类较为简单，但是就应用上来说，后者更有意义，因此目前材料学上对于不锈钢的的分类，大多以后者为主。简单来说，添加合金元素会改变材料的平衡相图，并进而影响其机械性质，加上热处理的实施又决定于相图的变化，因此形成了各类不锈钢不同的特性。例如：添加Cr、V、Ti量的增加会使沃斯田铁相区减小甚至消失，因此变成相图除液态外均以肥粒铁相为主；如果添加Ni、Mn、Co等，则会扩大沃斯田铁相区，结果即使在室温下，稳定相仍可能为沃斯田铁相，这两种情况，都几乎没有淬火效果，通常不实施热处理。此外，如果加上碳的影响因素，则可能产生以热处理增加强化效果的麻田散体系及析出硬化系不锈钢。1-4-1 肥粒体系不锈钢由于铁中添加Cr会使沃斯田相区缩小，并且当Cr含量超过13%时，各种温度下将只有肥粒铁相存在。但是因为钢中还有碳的存在，碳会与Cr形成碳化铬，而消耗一部分铬，大致上1%C必须要1%Cr结合，所以如果纯为肥粒铁结构，实际含铬量必须增加。大体而言，当含Cr在16%以上且C含量在0.12%以下时，此类低碳高铬不锈钢，又称为肥粒体系不锈钢。肥粒铁系不锈钢的含碳量极低，约在0.12%以下，含Cr约16%18，耐蚀性优良而且质软易于加工，但机械性质较弱，可以作为汽车内装、厨房设备、建筑等，是一类具有磁性的不锈钢。此类不锈钢属于400系列，以430不锈钢为代表，其它如：405不锈钢、446不锈钢等都是，在JIS编号为SUS 430、SUS 405等。1-4-2 麻田散体系不锈钢上述低碳高铬的不锈钢，当含碳量增加或是含铬量较低时，则其高温固相时沃斯田铁区就会存在，此时将此类高碳高铬钢加热到沃斯田铁区(区)，再淬火下来，就可以得到麻田散铁的组织，这样的不锈钢虽因Cr量减少而耐蚀性稍差，但是具有优秀的机械性质，称为麻田散体系不锈钢。麻田散铁系不锈钢的含碳量约为0.1%0.4%，含Cr约12%14%，如果要与肥粒体系不锈钢细分，也可以用另一种方式来判断：%Cr-17%C13 .肥粒体系 %Cr-17%C13 .麻田散体系麻田散体系不锈钢的淬火温度为9501000，在合金含量较多的情况下，甚至以气冷就可以达到淬火的目的，淬火之后再行回火，回火的实施通常采用100180的低温回火。麻田散体系不锈钢价格便宜，硬度、强度佳，但耐蚀性略差，可以作为刀具、轴承、阀门零件、外科手术刀等，是一类具有磁性的不锈钢。此类不锈钢也属于400系列，以403、410不锈钢为代表，其它如：431不锈钢、440A不锈钢、440B不锈钢、440C不锈钢等都是，在JIS编号为SUS 431、SUS 440C等。1-4-3 沃斯田体系不锈钢前两类的不锈钢虽各有其优点及应用范围，但是都是属于铬系不锈钢，铬系不锈钢的缺点就是在酸性环境下(尤其是硫酸、盐酸等)，耐蚀性不良，因此必须添加Ni，以抵抗酸性环境的侵蚀。当添加Ni量约8%以上时，常温下也是沃斯田铁组织，这样的不锈钢称为沃斯田体系不锈钢，是不具磁性的系列。沃斯田体系不锈钢防蚀能力甚佳、质软加工性良好，但无法以淬火及回火来增加硬度及强度，通常施以冷加工来增加硬度及强度。含Cr 1820%、Ni 810%而含C量少于0.2%的Cr-Ni系不锈钢是沃斯田体系不锈钢中最具代表性的钢料，通常称为18-8钢。18-8不锈钢的缺点是在500900高温时，晶界附近的铬会与碳形成碳化铬析出，使得晶界附近产生缺铬的现象(称为贫铬区)，因此易发生粒间腐蚀(intergranular corrosion)的现象，这样的现象在焊接工作或热处理等场合时常发生，因此必须注意。有效改良的方法是：(1)处理时尽快通过此温度。(2)添加其它合金元素以抑制Cr的消耗。例如：Ti、Nb、Ta等，均可以和碳结合成安定的碳化物，而不会再影响铬。(3)降低含碳量。含碳量小于0.03%时，碳就只固溶于沃斯田铁而不会与铬形成碳化物，例如焊接时，使用低含碳量的304L不锈钢焊条，就可以避免粒间腐蚀的现象发生。沃斯田铁系不锈钢的用途很广，不但对各种环境的耐蚀性优良，而且具有极高的低温韧性，可以作为化工仪器零件、热交换器、核子处理设备、液态氦的容器等，有时也应用于较优良的不锈钢餐具，是一类不具磁性的不锈钢。此类不锈钢属于300系及200系，以304不锈钢为代表，其它如：301不锈钢、310不锈钢、316不锈钢、347不锈钢、202不锈钢等都是，在JIS编号为SUS 301等。1-4-4 析出硬化系不锈钢这类型的不锈钢是由沃斯田体系不锈钢改良而来，它的成份与18-8钢相似，只是Cr及Ni量稍减，另外添加了Al、Cu、Mo、Nb、Ti等。析出硬化是一种热处理上强化材料的方法，它的方法通常是，添加有助于生成析出物的元素，经过淬火热处理后，得到麻田散铁组织，然后再利用一种称为时效(aging)处理的方式，使硬的金属间化合物析出于材料基地，以得到极高的机械性质。一般析出硬化系不锈钢在固溶后淬火于常温时，仍是全为沃斯田铁组织，因此柔软易于加工，在加工完成后，必须再实施一次中间热处理(intermediate heat treatment)，此时Ms点约在015之间，藉深冷处理(subzero treatment)以得到麻田散铁，回火后经两次时效处理，就可以得到高强度。因此添加Al、Nb等元素的目的，即是在于促使生成析出物。综合此类不锈钢的强化的方式，可以知道其为固溶强化、加工强化、麻田散强化及析出硬化的组合。析出硬化系不锈钢具耐蚀性，即使含碳量很少也可以有很强的机械性质，一般用于飞机零件、高级弹簧、模具等。此类不锈钢属于600系列，以631不锈钢为代表，630不锈钢也属之，在SAE 编号中还有633不锈钢(AM 350)、634不锈钢(AM 362)等。此系列不锈钢如果再添加Co元素，则可以提高Ms温度至常温以上并提高析出量。1-5其它特殊钢1-5-1耐热钢耐热钢基本上极为类似不锈钢，因为它不但需要抵抗高温，同时也必须抵抗高温的气体腐蚀环境，所以AISI将之归类于不锈钢，例如：AISI 309不锈钢、310不锈钢、409不锈钢等，JIS规格属于SUH系列，而在CNS规格则属于HR系列。高温的环境下，除了防蚀的考虑外，最重要的就是要具有优良的潜变强度，因此除了Cr和Ni之外，必须添加Mo、W、Al、Ti、Si、Mn、Nb等以增加其耐热性，但是Al-Fe合金机械性质不佳。耐热钢一般依其主要成份分为两类：(1)Cr系耐热钢增进铁的氧化抵抗性最有效的成份是铬，铁中添加铬除了可以产生致密的皮膜以增加耐蚀性，同时也可以增进耐热性质。铬铁合金的典型的高温氧化行为，如图1所示在高温长时间的环境中仅有氧化。图1 添加Cr对含碳量0.5%C钢料氧化的影响，220小时 Cr系耐热钢除了Cr之外，还添加Mo来增加高温强度，在一般温度下其耐氧化性良好。但是500以上时，强度就会急遽下降，因此大多使用于高温下但不须考虑潜变强度的场合，例如：石化工业、内燃机阀门、热处理炉零件等。Cr系耐热钢因于其组织为肥粒铁，所以又称为肥粒铁系耐热钢，Cr含量大于10%以上时可以增加耐热钢的潜变强度，JIS材料的编号中SUH 409、SUH 446均属之。如果Cr含量大于10%以上时则以抗氧化性为主。(2)Cr-Ni系耐热钢Cr系耐热钢对于一般高温环境的耐氧化性良好，但在高温的机械性质方面则不理想，所以在需要高温强度或潜变强度的场合，就需要采用Cr-Ni系的耐热钢。Cr-Ni系耐热钢基本上是将18-8钢，增加Cr、Ni的含量，并添加Ti、Mo、W等元素以改良其高温机械性质者。这种钢料具有沃斯田铁组织，因此也称为沃斯田铁系耐热钢。主要合金元素的含量为：1426%Cr、1237%Ni、0.10.4%C、03%W等。此类耐热钢高温强度大、加工性、焊接性良好，在JIS材料的编号为SUH 309SUH 330，主要用于热处理炉零件、高级排气阀、引擎燃烧室、热交换器等，另外还有SUH 660、SUH 661为时效处理系耐热钢，应用于轮机的静翼和燃烧器。1-5-2 轴承钢轴承为支承轴于一定位置的机件，因此必须有足够的强度、耐磨耗及很高的疲劳限。轴承又分为滚珠轴承及滚子轴承两种，最常使用的材料为高碳低铬钢，其成份为0.951.10%C、0.91.6%Cr、0.50.9%Mn、00.25%Mo，此外由于轴承钢属于高级合金钢，所以磷、硫含量必须在0.025%以下，以确保其机械性质。轴承钢除了材料纯度要求较高之外，需要经过热处理使其中碳化物细化并分布于基地内，以增加其耐磨性。一般加热至780850，然后淬火于油中，在回火于140160，热处理后其硬度值约HRc 62以上。轴承钢在JIS中之的材料编号为SUJ，例如：SUJ1、SUJ2等。1-5-3 弹簧钢弹簧广泛应用于车辆、加工机械、模具、钟表等，弹簧的种类很多，较大的如车辆板片弹簧、较小的如螺旋弹簧、或钟表的动力弹簧(发条)等。制造弹簧的材料有钢料、铜合金、橡胶等。弹簧用的钢料必须具备耐冲击、疲劳限高而且不产生永久变形的特性，适用的钢料大致可以分为：碳钢、硅锰钢、硅锰铬钢三类，有些特殊场合也用到耐蚀钢。弹簧的制造必须先韧化、成形，然后在实施热处理之后使用，大型的弹簧，例如：板片弹簧等，系将热轧的板或棒，在高温加工成形，由780850淬火于油中或水中，再经400500回火后使用。小型弹簧，例如：螺旋弹簧等，必须将韧化处理后冷抽的钢线(通常称为琴钢线，piano wire)，冷加工成形，再加热于300350蓝化处理(blueing)后，以提高疲劳限然后使用。弹簧钢在JIS材料中的编号属于SUP。1-5-4 电气用钢电气用钢属于软磁(soft magnetic)材料，主要是用于制造电机机械例如：变压器、电动机(马达)等的铁心材料。良好的铁心材料必须利于导通磁力线以提高效率，所以磁阻要低、导磁性要好，并且要容易磁化及退磁，残留磁力小以减少磁滞损失(hysteresis loss)，因此材料微结构必须晶粒粗、纯度高并避免产生缺陷，而且要除去内应力，以使扇区容易移动。常用的铁心材料有纯铁、硅钢、铁镍合金、铁钴合金、铁氧磁体等，其中以纯铁及硅钢较为常用。纯铁的导磁性好，但是因为比电阻小，涡流损失(eddy current loss)大，因此添加硅，唯硅含量过高时材质便脆化，因此一般在5.5%以下，此外硅钢片制成片状相迭也可以降低涡流损失。1-5-5 磁石钢磁石钢是制造磁石的一种材料，主要是用于制造永久磁铁，永久磁铁使用于无线电扩音机、电动机、发电机永久磁极等，属于硬磁(hard magnetic)材料。硬磁材料与软磁材料相反，必须是要能保持磁力，即所谓剩磁(residual magnetim)较大者。因此材料微结构必须晶粒细、内应力大，并且最好有第二相的粒子，来阻碍扇区的移动。磁石钢常用的材料有两种类型：(1)淬火硬化型磁石钢将钢料由高温淬火，使其组织微细化，并因淬火所产生的内应力，使得材料不易失去磁性，这种材料称为淬火硬化型磁石钢。淬火硬化型磁石钢主要是钨钢(0.51.0%C、57%W)，另外还包括：碳钢(0.81.2%C)、钴钢(0.91.2%C、517%Co)、KS钢(0.71.0%C、3040%Co)等。(2)析出硬化型磁石钢将钢料由高温急冷得到高饱和固溶体，然后在适当温度回火，使其析出第二相物质，由于格子畸变，而使得材料不易失去磁性，这种材料称为析出硬化型磁石钢。析出硬化型磁石钢大致包括：MK钢(1540%Ni、715%Al、020%Co)、Alnico钢(7.517%Al、1422%Ni、538%Co、其余为铁)等。1-5-6超高强度钢发展高强度钢的目的是为了减少材料本身的重量，以承受相同的荷重而言，高强度钢料相较于普通碳钢可以用较小的断面，因此在许多需要高强度而轻量的结构中，更高强度的的钢料一直是材料界追求的目标。超高强度钢(The Ultrahigh-strength Steel)是指降伏强度超过180,000psi(或是130kg/mm2)的钢种，其发展主要是为了航空及太空科技高强度合金的要求，并且也需要易于加工及成形。超高强度钢大致分为以下几类：(1)将中含碳量的强韧钢或低合金钢加入更多的Si及V，以避免低温回火脆性并增加韧性，可以得到超高强度钢，其抗拉强度可达200 kg/mm2以上。例如：AISI 4141M、4130M、433V、D6AC等钢种。(2)改良工具钢(Modified Tool Steel)，系将原来高温加工用的5Cr-Mo-V模具钢改良而成，可以作为飞机骨架、钢架、桥梁等，其抗拉强度可达200 kg/mm2以上。例如：AISI H-11、H-13等钢种。(3)麻时效钢(Maraging Steel)，含Ni 20是低碳高镍含量的合金钢，易于成形、加工、焊接，但必须在退火状态才容易加工或成形。这类钢种的时效元素为Co、Mo或Ti，在480附近时效可以使其强度增为最大，由于时效温度不高，因此对于精密机件不会造成扭曲或尺寸改变，而且低温韧性很好，所以可以使用在锻造、加工的精密机件或需要焊接的地方，麻时效钢的抗拉强度可达150210 kg/mm2，其钢种如：18Ni钢、20Ni、25Ni等均是。(4)Cr-Ni-Mo或Fe-Cr-Mo-Cu等，是属于低碳、可硬化、易加工和焊接的合金钢，这些合金钢能在低温下析出硬化，而且在耐高温氧化及耐疲劳性均佳。Cr-Ni-Mo合金并适合用于承受大荷重的机件，例如：磨擦盘、大型轴、齿轮、滑槽等。，其抗拉强度在150 kg/mm2以上。例如：Astralloy、AFC-77等钢种。(5)9Ni-4Co钢，是一种将碳化物生成元素含量减少，而以Ni来提高韧性的钢料，另外添加Co以提高Ms点并减少残留沃斯田铁，这种钢韧性优良，并可以变韧铁组织状态使用，其抗拉强度可达200 kg/mm2以上。AISI的材料编号例如：HP-9-4-20、HP-9-4-30、HP-9-4-45等钢种都是。摘 要1. 1. 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。碳钢除了碳以外，若是含超过微量的其它元素，例如：含锰量在1.65以上、含硅量在0.60以上或含铜量在0.06以上等等，就属于合金钢，2. 2. 合金钢依其用途来区分，可分为构造用合金钢和特殊钢，构造用合金钢是使用在一般机械的构成组件或建筑土木构造上，特殊钢是使用在需要高温硬度、耐蚀、耐热、磁性等特别的场合。3. 3. 一般构造用合金钢由于使用的场合不同，可以分为非热处理型和热处理型两类，前者大多是属于低含碳量和低合金量，构成之后也无法再实施热处理，包括高强度低合金钢、易切钢等，后者多属于热处理用中合金钢，包括镍钢、铬钢、镍铬钢、铬钼钢、镍铬钼钢等。4. 4. 工具钢的材料大致包括：高碳工具钢、合金工具钢、高速钢、工具用硬质合金等。除硬质合金之外，工具用钢料之中以高碳工具钢的合金量少，价钱比较便宜，而高合金量的工具钢或高速钢，价钱较昂贵。5. 5. 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。6. 6. 在钢中添加Cr和Ni可以增加钢的耐蚀性。钢的耐蚀性主要随Cr的含量而增加，一般耐蚀钢的分类，含Cr量在12以上之Fe-Cr合金，几乎不会被侵蚀称为不锈钢，含Cr量在12以下之Fe-Cr合金，则称为耐蚀钢，实用上是以不锈钢为主。7. 7. 弹簧用的钢料必须具备耐冲击、疲劳限高而且不产生永久变形的特性，适用的钢料大致可以分为：碳钢、硅锰钢、硅锰铬钢三类。 弹簧的制造必须先韧化、成形，然后在实施热处理之后使用。金属的腐蚀学习目的 1.了解腐蚀的意义。2.了解金属材料腐蚀的原理。3.了解影响金属腐蚀的因素。4.了解钢铁材料腐蚀的形式。5.认识防治腐蚀的方法。1-1 前言材料会因为时间、环境等种种因素，而产生不堪使用或称为失败(failure)的状况，这样的结果不但增加成本，而且耗费时间。一种材料所以无法再使用，除了肇因于强度无法承受负荷所产生的破坏(fracture)，还有磨耗(wear)、腐蚀(corrosion)、辐射损伤(radiation damage)等其它因素，而这其中又以腐蚀的伤害最大，影响也最严重，因此认识并防治腐蚀，是学习材料必备的课题。生锈(rusting)就是一种人人熟知的腐蚀现象，它是专指铁或铁合金的腐蚀现象，其它的材料虽然也会腐蚀，但不称为生锈。腐蚀的过程可以是一种化学反应(Chemical Reaction)，而更多时候则是一种电化学反应(Electrochemical Reaction)。所谓电化学反应，简单的说是金属间形成阳极和阴极的电池效应。简单的说，电化学腐蚀与电镀的原理相似，都是由于材料本身足以产生电化学反应所导致，它们的差异，只在于结果的不同。腐蚀是金属的剥离，电镀则是金属的覆层。而就工程材料的来源而言，材料原为矿石或是氧化物中冶炼，再度变为化合物而回归稳定也是自然的趋势，因此材料在某种适当的环境下，不论经由化学或是电化学的反应方式而发生腐蚀，也是自然的现象，而防治腐蚀的积极意义则是在提供材料更长的使用寿命。在日常生活中，就有许多足以产生电化学反应的环境，例如：不同金属本来就具有不同的电位，如果环境中存在某些溶液，可能就会提供构成回路的条件，而发生电化学腐蚀。此外例如：高温、酸碱等环境因素，也会加速电化学反应的进行，因而增加腐蚀破坏的程度。在机械结构使用上，材料的选择不当，对腐蚀因素的认识不够，也是助长结构腐蚀的基本因素。因此探讨防蚀工程，必须要了解化学和冶金学的基本常识，并且注意防治。腐蚀通常是经由一段时间酝酿，当损害的现象较为显著时，才会引起人们的注意，而到破坏造成时，结果却往往非常严重。据估计，在美国每一年因为腐蚀所造成的直接损失，就约占国民生产总值的4 %，达数百亿美元之谱。在国内，除了桥梁、建筑等公共工程因腐蚀致使用寿命降低，近年来在航空器及其它方面，因腐蚀产生安全的危害、资源、环境的损失，也无法估计，丝毫不逊于其它破坏所造成的损失。因此，对于材料的腐蚀机构及防制腐蚀的方法的研究，尤其必须特别重视。事实上，除了金属材料会受到腐蚀之外，其它材料也会发生腐蚀，例如：塑料、陶瓷材料的化学溶解(chemical dissolution)等，但本章中所讨论的腐蚀，主要仍以金属为范围，就各种腐蚀发生的成因、腐蚀形式、金属钝化等说明，并提出腐蚀的防治之道。1-2腐蚀的意义自然界中绝大多数的物质，都有变成氧化物或是形成稳定化合物的倾向，除了金、铂等贵金属外，自然界中甚少有单纯金属存在。因此当我们由矿石或是氧化物中提炼完成所需的工程材料，例如：铁、铜、铝时，它们就开始有了回归稳定的趋势，在环境许可下，它们会再度变为金属化合物，这种现象可说是发生腐蚀的基本原因。这些环境的因素，例如：水份、高温，或是酸、碱等化学物质的诱导等，都可能引起金属的腐蚀，如图1所示。图1矿石 钢料 腐蚀 说明了腐蚀发生的基本原因分析材料发生腐蚀的基本原因，主要可以区分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。化学腐蚀（chemical corrosion）又称为直接溶解(dissolution)，通常是指材料置于一种可以溶解的溶液环境中，直到材料全部耗尽(腐蚀)或是溶液达到饱和点。其它诸如高温、湿度等情况，使材料因加速产生氧化作用进而腐蚀也属之。电化学腐蚀通常是指两种异质金属或金属中足以构成电位差的两极，在一种电解质(electropte)相连的环境中，形成阳极金属持续失去金属离子而被腐蚀的现象称之。在这两类的腐蚀中，又以电化学腐蚀较为重要，也较容易被忽视。1-2-1化学腐蚀在自然界中，物质会溶解于特定的溶液中是熟知的现象，例如：糖、盐会溶解于水中，或是许多金属或非金属会溶解于盐酸。有时我们也利用这些特性于制造方法，例如：利用氯化铁来蚀刻铜艺术品或电路板。但在工程材料的使用上，绝大多数的考虑仍是在防治腐蚀方面。在一般金属中，溶液最易侵蚀的位置是晶粒与晶粒接合之处，也就是晶界，然后持续成长，化学腐蚀有时也随环境或是化合物的形成而变化，也可能伴随电化学腐蚀而来，当然如果是这样的情形，整个腐蚀现象就会变得较复杂。1选择性滤除 有些金属合金材料在特殊环境下，其中的一种或多种元素容易被选择性的滤除（leach）或称腐蚀，而变成多孔性的残留物，因而降低了材料的机械性质，这种现象称为选择性滤除。这样的现象，与金属的本质有关，如黄铜中所含的锌在高温下会被盐类的水溶液所溶解，产生脱锌(dezincification)的局部腐蚀现象，而缺少锌的位置，将使得黄铜变成多孔性结构而变成很脆弱。2石墨化腐蚀 石墨化腐蚀是另一种类似选择性腐蚀的例子，灰铸铁的是片状石墨交错在铁基地的组织，如果置于水中或是土壤中，铁将较具阳极性而石墨将较具阴极性，因此铁的部份将被腐蚀，而形成多孔性的外观，因此灰铸铁制成的管线，必须有积极的防蚀措施，如果埋设不当，容易发生泄漏甚至爆炸的事件。化学腐蚀的防治极为困难，将材料覆层是一种方法，避免材料与溶液（尤其是易起作用的酸碱溶液）接触，也是另一种解决的方式。如果一定必须在溶液的环境中使用，必须考虑选择能抵抗化学腐蚀的材料。例如：为了抑制黄铜脱锌的现象，我们可以在含锌量15%以上的黄铜中，添加1%左右的锡Sb，以抵抗这种腐蚀并增加强度。这类的含锡黄铜包括：海军黄铜(naval brass)、海将黄铜(admiralty metal)等都属之。1-2-2电化学腐蚀电化学腐蚀是最重要的腐蚀因素，因为大多数的金属腐蚀的起因，都可说是一种电化学反应。这里所说的电化学反应是指在相同或不同金属物体中，由于各种因素使得某些部位产生了局部的阳极反应 (Anoic Reaction) ， 让金属失去一个或多个电子，变成金属阳离子，亦即发生阳极氧化作用；而在同时，另一地点也会产生阴极反应 (Cathodic Reaction)，获得多出的电子，使得阴极形成还原作用，而构成一个电池效应的现象。这种电池效应使得阳极金属造成消溶腐蚀，称之为电化学腐蚀（Electro-chemical corrosion）。电化学腐蚀反应，其实与电镀（electroplating）的作用原理相似，也就是阳极失去金属（可以视为如腐蚀的现象）而阴极则覆层金属（可以视为如电镀的现象），只是腐蚀现象发生时，阴极反应通常不会发生电镀效应，其还原反应多生成气体、液体或固体。电化学反应的观点，可以说是腐蚀现象里最重要的部分，而且大部分的腐蚀现象都可以发现这样的反应；在电化学反应里，它将失去电子的一方称为阳极（anode），而获得电子的一方称为阴极（cathode），当两极之间具有一低电阻的导电通路时，阳极金属就会发生腐蚀。两种不同金属就容易发生这种现象，这其中一种金属会较容易失去电子（阳极），而另一种金属则较容易获得电子（阴极），透过适当的通路，其结果是使得阳极金属陆续解离形成金属离子。这些金属离子，若不是被周围的电解质吸收，就是与非金属离子结合而形成一层表面的沈积层，因此阳极金属逐渐失去（被腐蚀），反之，阴极金属则因此受到保护。由此可知，电池效应发生的情况必须是，材料发生氧化电位（或还原电位）不同的两极，并且有适当介质的条件下，由于环境产生了足以形成电解池的条件下才足以发生。例如 : 两种不相似金属搭接在一起或金属两表面间有潮湿空气等。电化学腐蚀发生的原因，既然是因为电位的不同而且可以产生电池效应所致，当然相同的金属也可能会发生电池效应，例如：同一金属构件表面有局部变异而形成两极，或是搭接物体的夹缝内藏有盐类或尘垢等。此外，温湿环境可以增加电解液的活动程度增大腐蚀 ; 而当金属表面生成海棉状的化合物，就足以容纳更多水份继续其电池作用，并且向内腐蚀金属。至于何种金属较易形成阳极，而何种金属较易形成阴极？其实如同前面有关化学腐蚀叙述：物质或金属在溶液中，多有化为离子而被溶解的的倾向。同样的，大多数金属如果置于溶液中，其内部都具有化学电压将其离子送入溶液中的趋势，只是大小的程度不同而已。这种金属受环境溶液诱惑的趋势称为电溶压 ( Electrolytic Solutiona1tension )。电溶压大的金属，因为容易化为金属离子，所以比较易受腐蚀，反之电溶压小的金属，比较到腐蚀。电溶压用在电化学上又称为伽凡尼电位(Galvanic Potential)或是电解电位， 简称电位。不同的金属具有不同的电位，所以当两种不同金属搭接在一起时，由于两者的电位差，就会产生电流，其原理正如同水往低处流的情况一样。这种电池效应的结果，因电流的通过(从阳极流向阴极)，使较高电位金属发生阳极消溶腐蚀。当电位差愈大，产生的电流愈强，腐蚀损耗率就愈大。在电化学序位中，伽凡尼电位序 (GalVanic Potential Series )可以说明在不同环境下，各种金属阳极性或阴极性的趋势。在海水、淡水溶液或其它工业气氛中，伽凡尼电位序也可能会有差异，以海水中的伽凡尼电位序而言，依金属电位由大到小将金属顺序排列，依序为：钾(K)、钠( Na)、镁(Mg)、铝(A1)、锌(Zn)、镉(Cd)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钖(Sn)、铝(Pb)、铜(Cu)、银(Ag)、铂(Pt )、金(Au)。上述电位序中，电位序在前面的金属对于电位序在其后的金属将形成阳极; 相反的，电位序在后的金属对于电位序在前的金属成为阴极。这些金属例如：金、铂、银等称为贵金属(noble)或具化学惰性(chemically inert)。而从另一方面来看，由于电位序在前面的金属相对于电位序在其后的金属将形成阳极，由于腐蚀发生于阳极，因此就可以保护其后位金属避免腐蚀，这种牺牲阳极的方法就是腐蚀防治的一种重要方式。这部分的叙述会在稍后讨论钢铁腐蚀时再说明。综合以上所述可以知道，电化学腐蚀主要由于材料本身产生了电池效应，电池效应是基于电池中有两种不同电极悬挂在一电解质内，阳极部份发生氧化作用而蚀去，阴极则大多产生氢离子的还原作用，而放出氢气，结果使材料形成腐蚀的现象。由于金属腐蚀的过程，事实上就是一种化学或电化学反应，因此我们可以说，金属在某种环境下，借着化学或是电化学反应所造成材料破坏性的伤害就称为腐蚀，而腐蚀的防治，最基本的原理就是抑制或是避免这些反应的发生。1-3影响金属腐蚀的因素如前所述，腐蚀发生的过程主要依化学反应和电化学反应两种方式来进行。例如：铁的腐蚀就化学反应的观点而言，其在大气中的氧化过程为： 室温时 Fe1/2 O2 H2 O 2Fe（OH）2 氢氧化亚铁2Fe（OH）21/2 O2 H2 O 2Fe（OH）3氢氧化铁（铁锈）而以电化学反应式表示则为：Fe1/2 O2 H2 O Fe+22 OH- 2Fe（OH）3氢氧化铁（铁锈）但这只是反应过程描述的不同，实际上，随环境的改变，各种影响腐蚀因素愈形复杂，它们会使得腐蚀的程度或是型态都跟着改变，并且增加腐蚀的严重性。例如：大气中原有水份和尘埃，足以影响腐蚀的程度，然而随着工业化程度的增加之外，还加入了各种气体和化合物，像是二氧化硫SiO2、硫化氢H2S等，加上本省海岛地形含有充足的盐份，经由电化学反应，这些物质更助长了材料的腐蚀。再如：铁置于高温环境中，其腐蚀型态不同于常温下的反应，而是直接与氧结合， 形成Fe2O3 (氧化铁)、FeO（氧化亚铁）、Fe3O4（四氧化三铁）等氧化物。除了大气之外，土壤、溶液、酸碱度、散乱电流等，也都是影响腐蚀的环境因素。在其它因素方面，如：制品的材料成份、热处理效应、加工效应也在在影响腐蚀的结果。1-3-1大气在没有湿度存在的大气中，由于没有电解液，腐蚀无法进行反应，因此一般材料的腐蚀速率小到足以忽略，但当大气中的尘埃或不纯物存在时，由于他们会使湿气凝结在金属表面，因此即使些微的湿气，腐蚀性就会有很大的差异。大气因腐蚀性的不同主要分为海岸地带、工业地带、热带、寒带、都市或乡村等类型。海岸地带大气中所含的盐份与湿气结合，可以形成伽凡尼电池或是氧气浓差电池；工业地带的大气含有碳、碳化合物、硫化物和金属氧化物，其中最主要的腐蚀性成份是二氧化硫，它的主要来源是煤、重油、汽油的燃烧所产生，而含硫化物的酸雨更足以加速腐蚀的进行，对铁而言，由于二氧化硫经反应可以产生H2SO4，H2SO4与铁作用，经由上列反应式之催化，就会使铁产生更大的腐蚀。 温度是促使大气腐蚀的另一个重要因素，高温会加速氧化腐蚀的现象，这类损害称为高温加速氧化腐蚀或加速氧化，在一定的氧气浓度下(例如：密闭容器中)，温度每增加30，腐蚀速率会增加一倍。1-3-2土壤许多结构材料必须长年与土壤接触，例如：地下水管、油管、煤气管路等，因此土壤的成份对金属腐蚀的影响很大。一种金属可以在某处使用得很理想，却可能在另一处因土壤环境的差异，产生严重的腐蚀或破坏。(土壤对于腐蚀之影响主要是由于其多孔性、盐类(去极剂或抑制剂)、水份、电导度、酸碱度等因素，其间各种条件的差异会使得化学及电化学腐蚀反应的进行产生不同的结果。此外空气流通性差而含有硫酸盐的土壤，还可能会有还原硫酸菌等微生物存在，造成极大的腐蚀速率。有机无机涂层、金属涂层、土壤改良或阴极防蚀都是有效的方法。1-3-3 散乱电流散乱电流是指非经正常电路而来的电流，当这类电流进入金属装置而后又离开时，其流经的面积就会产生腐蚀。相较于大地中的自然电流，它们显得不稳定而且影响较大，因此于散乱电流会影响结构的场合，就必须特别防范。散乱电流又分为直流及交流两类，而直流的影响又较大。直流散乱电流的来源是电气化火车、接地的直流电机、电焊机、电镀工厂等，而交流散乱电流的来源是接地的交流发电系统等。防范散乱电流的方法有：以低电阻金属导体结合受保护体 (例如：地下水管)和散乱电流源(例如：电车轨道)，以避免电位产生大变化；阳极或阴极防蚀、装设绝缘耦合器(coupling)等。1-3-4溶液材料在中性、酸性、碱性各种溶液中，都会有不同的腐蚀速率，而溶液中的各种条件也会影响腐蚀的进行。例如：水溶液中氧的浓度、电解质、流速等。溶液是形成电化学腐蚀的重要介质，许多腐蚀现象因此而生。 1-3-5 材料成份一般材料成份如果稍有不同，在水中和土壤中之腐蚀效率并没有显著的影响，但是如果在海水或酸性等其它的环境中，腐蚀速率就会受到影响。例如钢铁材料中含有磷及硫，在酸中就会显著增加腐蚀速率。锰则会使含硫的钢减低酸中的腐蚀性，镍在碱性溶液中也有类似的效果。1-3-6 热处理效应材料经过热处理之后，容易产生局部的电池效应，有些地方形成阳极而有些地方形成阴极，这样形成的伽凡尼电池也会影响腐蚀速率。例如：碳钢在高温时急冷会形成麻田散铁，如果再经回火形成第二相组织e碳化铁，两相之间就会形成伽凡尼电池而加速腐蚀反应。但在实际上相对于其它因素，热处理对腐蚀的影响并非很大，只要注意加热或冷却的程序，或添加适当的抑制剂都能将腐蚀速率减低至最轻程度。1-3-7加工效应材料在经过敲击或冷作之后都会产生残留应力，这样的结果实际上是产生了晶格缺陷或是碳化物、氮化物等的偏析现象，因而形成局部电池效应，应力腐蚀就是这一类腐蚀的代表。如果使应力作用加上特定