鋼鐵材料規(guī)格和選用標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)范本

1、. .PAGE67 / NUMPAGES67機(jī)械材料的規(guī)格與選用學(xué)習(xí)目的1.了解機(jī)械材料規(guī)格的意義。2.了解常用的機(jī)械材料規(guī)格。3.了解各種規(guī)格編號(hào)的意義。4.能選擇適當(dāng)?shù)慕饘俨牧稀?-1前言規(guī)格(Specification)是產(chǎn)品需求的敘述，也是資料技術(shù)溝通的依據(jù)。為了適合某一種特別的用途，生產(chǎn)者當(dāng)然必須促使產(chǎn)品能夠符合需要，這樣就有規(guī)的存在必要。而隨著工業(yè)化程度的提高與國(guó)際間貿(mào)易往來(lái)的趨勢(shì)，產(chǎn)品的流通愈來(lái)愈頻繁，為了增進(jìn)效率與提供產(chǎn)品零件的互換性，工業(yè)規(guī)格的訂定更是必然的結(jié)果。在機(jī)械材料的疇方面，同樣的必須有一定的規(guī)格，以作為生產(chǎn)者與使用者依循的規(guī)。完備的規(guī)格應(yīng)具有以下數(shù)據(jù)的敘述:1.適用

2、圍(Scope):包括用途(如：板、線(xiàn)、管)，適用尺寸等。2.化學(xué)成分(Chemical Composition):包括各項(xiàng)成分元素的含量圍或成分代號(hào)。3.定性敘述(Quality Statement):指質(zhì)量方面，例如煉鋼方式或脫氧情況。4.定量需求(Quantitative Requirement):指定化學(xué)成分圍、物理與機(jī)械性質(zhì)需求，以適應(yīng)使用上經(jīng)濟(jì)的理由。5.其它需求(Other Requirment):如特殊容許差、材料表面狀況等。現(xiàn)今世界各國(guó)各依其工業(yè)化的發(fā)展而有不同的工業(yè)規(guī)格，例如：美國(guó)的ANS(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))、日本的JIS(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))、德國(guó)的DIN(德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn))等。而在針

3、對(duì)機(jī)械材料規(guī)格方面，常用的還包括ASTM(美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì))、AISI(美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì))、SAE(美國(guó)汽車(chē)協(xié)會(huì))等，而我國(guó)主要?jiǎng)t依據(jù)CNS(中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))訂定。材料的選擇與應(yīng)用是學(xué)習(xí)材料規(guī)格的重要目的，所以本章最后舉例說(shuō)明，如何在產(chǎn)品需求與相關(guān)考慮之下，選擇適當(dāng)材料。1-2材料的規(guī)格一種機(jī)械材料的規(guī)格最主要可以由：材料的種類(lèi)、成份和機(jī)械性質(zhì)來(lái)說(shuō)明。而為了標(biāo)準(zhǔn)化起見(jiàn)，材料必須經(jīng)由一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)規(guī)，確保其可靠度。世界各國(guó)都有其材料試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)程序，我國(guó)也不例外，例如：CNS有關(guān)材料試驗(yàn)部份，其中鋼料之檢驗(yàn)通則(CNS2608,G2018)規(guī)定：本標(biāo)準(zhǔn)主要容包括：適用圍、檢驗(yàn)與重驗(yàn)三部分適用圍：本標(biāo)準(zhǔn)適

4、用于鋼料之一般檢驗(yàn)檢驗(yàn)部份：說(shuō)明化學(xué)成份試驗(yàn)和機(jī)械性質(zhì)試驗(yàn)的試片取樣與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法重驗(yàn)部份：說(shuō)明規(guī)格部份不合規(guī)定的試片，必須經(jīng)由復(fù)驗(yàn)判定合格與不合格。又如非鐵金屬材料之檢驗(yàn)通則(CNS4195,H2045)中規(guī)定：本標(biāo)準(zhǔn)主要容包括：適用圍、檢驗(yàn)與重驗(yàn)三部分適用圍：本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定非鐵金屬材料檢查一般事項(xiàng)檢驗(yàn)部份：規(guī)定有關(guān)外觀、尺度、化學(xué)成份試驗(yàn)和機(jī)械性質(zhì)試驗(yàn)的試片取樣與試驗(yàn)事項(xiàng)重驗(yàn)部份：說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果如部份規(guī)格與規(guī)定不合，必須經(jīng)由重驗(yàn)判定合格與不合格。1-3常用的材料編號(hào)一般材料的化學(xué)成份與機(jī)械性質(zhì)是息息相關(guān)的，因此常用的材料編號(hào)大多是以化學(xué)成份命名為主，再輔以機(jī)械性質(zhì)(如第七章部分材料的規(guī)格敘述)。

5、由于材料圍很廣，因此本章容，主要以鋼鐵材料的編號(hào)為主，另外輔以部分非鐵金屬與非金屬材料來(lái)做說(shuō)明。在工業(yè)上，鋼鐵材料(包括碳鋼在)必依其化學(xué)成份，使用一定的編號(hào)以利于選用，這是基本的認(rèn)識(shí)。目前，在我國(guó)較常用的規(guī)格有三種：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(CNS)、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)、美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)(AISI-SAE)。另外德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DIN)和美國(guó)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)(UNS)相關(guān)業(yè)界有時(shí)也會(huì)采用。而其它還有常見(jiàn)的各國(guó)規(guī)格名稱(chēng)。1中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(CNS)（1）鋼鐵的規(guī)格中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CNS是Chinese National Standard的簡(jiǎn)寫(xiě)，CNS對(duì)鋼鐵材料的編號(hào)主要依據(jù)CNS 109 G1001(

6、公布：民國(guó)36年3月，修訂：民國(guó)85年3月)原則上由下列三部分組成：第一部分為材質(zhì)，鋼鐵材料大部分以S(Steel鋼)或F(Ferrum鐵)表示。第二部分有兩種不同的表示法； a表示標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)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(線(xiàn)材) F：Forging(鍛造) C：Casting(鑄造)例：S P CC：Plate，鋼板(冷軋)。 S UP：Use Spring，彈簧用鋼 b用于結(jié)構(gòu)的鋼料(包括結(jié)構(gòu)用碳鋼與合金鋼)，代表主要合金元素或含碳量(結(jié)構(gòu)用碳鋼時(shí))，表示含碳量時(shí)，通常以含碳量之100倍數(shù)值表示，例：SCM420

7、：鉻鉬鋼，第420種 S25C：碳鋼，含碳量0.25。第三部分為該材料之種類(lèi)，或是最低抗拉強(qiáng)度、降伏強(qiáng)度。若是表示最小抗拉強(qiáng)度或最小降伏強(qiáng)度，通常以三位數(shù)字表示。例：SCM 420表示鉻鉬鋼中編號(hào)420的材料 STB 340 表示鍋爐與熱交換器用鋼，抗拉強(qiáng)度不低于340 N/mm2。以與合金量之表示法有所區(qū)別。常用于建筑結(jié)構(gòu)用等不須規(guī)定含碳量鋼料的場(chǎng)合。注：機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼料的符號(hào)機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼料使用很廣，因此CNS 2608 G2018特別在附錄2中說(shuō)明適用圍與其符號(hào)所代表的意義：適用圍：機(jī)械結(jié)構(gòu)用碳鋼鋼料與結(jié)構(gòu)用合金鋼鋼料種類(lèi)符號(hào)之組成。 a符號(hào)順序?yàn)殇撝饕辖鹪?、主要合金元素含量或代表值?/p>

8、附加符號(hào)。其中除鋼之代表符號(hào)S、碳之符號(hào)C之外。附加符號(hào)由第一群與第二群組成，第一群為鋼料為改善其性質(zhì)(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鋼附加符號(hào)鉛添加鋼L 硫添加鋼S鈣添加鋼U第二群為鋼料除化學(xué)成份之外的保證特性（例）保證特殊特性之添加符號(hào)特性附加符號(hào)硬化能保證鋼H 表面硬化用鋼K（例）S30C：碳鋼，含碳量0.30S20C4：碳鋼，含碳量0.20第四種構(gòu)造用碳鋼 S(55)C：一般構(gòu)造用碳鋼，最小抗拉強(qiáng)度55kg/mm2 S85WMo(HS)：含碳量0.85的鎢鉬高速鋼 OS90C(T)：以平爐煉鋼法提煉，含碳量0.9的工具鋼b碳含量的代表值。（2）鋁與鋁合金的規(guī)

9、格鋁與鋁合金之種類(lèi)與符號(hào)系依CNS 2068 H3021之規(guī)定，適用圍為鍛鋁、鍛鋁合金(以下簡(jiǎn)稱(chēng)鍛鋁合金)與鑄鋁、鑄鋁合金(以下簡(jiǎn)稱(chēng)鑄鋁合金)之合金種類(lèi)與煉度符號(hào)。鍛鋁合金之編號(hào)依其合金成分，共分1xxx8xxx系，另有9xxx系為備用，鑄鋁合金之規(guī)格亦分1xxx9xxx九系，其中6xxx系為備用，這些已如第九章所述。而所謂”煉度”系指”制造過(guò)程中，依加工、熱處理等條件之差異所獲得機(jī)械性質(zhì)之區(qū)分”。煉度符號(hào)又分為基本符號(hào)與細(xì)分符號(hào)?；痉?hào)為一字英文字母(大寫(xiě))，細(xì)分符號(hào)為一位數(shù)字或多位數(shù)字組合并附在基本符號(hào)之后。a基本符號(hào)鋁合金的煉度基本符號(hào)分為四種。b細(xì)分符號(hào)鋁合金煉度之基本符號(hào)H與T之細(xì)

10、分符號(hào)，依下列規(guī)定。鍛鋁合金的編號(hào)與化學(xué)成分。2日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)JIS是Japanese Industral Standard 的簡(jiǎn)稱(chēng)，JIS對(duì)于鋼鐵材料的的編號(hào)大致可分兩大類(lèi)：（1）一般機(jī)械構(gòu)造用碳鋼：其材料編號(hào)方法和CNS的第一種表示法一樣。（例）S30C表示含碳量0.30的機(jī)械構(gòu)造用碳鋼（2）其它用途的碳鋼與合金鋼：這一類(lèi)鋼的材料編號(hào)表示法，大致可分三部分：第一部分為材質(zhì)，鋼以S、鐵以F表示，其它非鐵類(lèi)如表11- 。第二部分表示鋼制品的規(guī)格或用途，例如：K代表工具鋼、TB代表鍋爐用鋼管、PC2代表冷軋鋼板。第三部分為為鋼料的種別，以1,2,3來(lái)表示。此外如果需要，可將材料的加工方法

11、、熱處理方式等附注于后，加工方法例如:D(Drawing)抽制、G(Grinding)研磨、T(Turning)車(chē)削、Ex(Extruded)擠制。熱處理方法大多記于金屬符號(hào)之后，并在二者之間加入-（例）SK2：第二種碳素工具鋼 SKS11：第十一種切削用工具鋼 SUH301：第301種耐熱鋼 SUS301-1/2H：第301種不銹鋼，1/2硬質(zhì)材料3常用的美國(guó)材料編號(hào)與規(guī)格（1）美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)(AISI-SAE) AISI和SAE在1941年共同訂定鋼鐵材料的分類(lèi)，以四個(gè)(或五個(gè))數(shù)目字為記號(hào)來(lái)分類(lèi)。其中第一位數(shù)，表示鋼料的種類(lèi)，如：鎳鋼為2、鎢鋼為7。第二位數(shù)，為主要合金元

12、素的百分值；0表示無(wú)其它合金元素。第三、四位數(shù)(或第三、四、伍位數(shù)字)代表含碳量。（例） SAE1045：含碳量0.45的碳鋼，與CNS中S45C鋼料相當(dāng)。 SAE4140：含碳量0.40的鉻鉬鋼，與JIS中SCM4鋼料相當(dāng)。鋼種編號(hào)鋼種編號(hào)碳鋼1耐熱鋼30普通碳鋼10鉬鋼4易削鋼(加硫)11Cr(0.7)41錳鋼13Ni-Cr43鎳鋼2Ni(1.75)460.50Ni20鉻鋼51.50Ni21Cr(1.0)513.50Ni23Cr(1.5)52鎳鉻鋼3鉻釩鋼61.25Ni0.6Cr31鎢鋼71.75Ni1.0Cr32鎳鉻鉬83.50Ni1.5Cr33硅錳鋼9（2）美國(guó)材料協(xié)會(huì)與美國(guó)機(jī)械工程師

13、協(xié)會(huì) ASTM(ASME)ASTM是非常廣泛被采用的材料規(guī)，它的特色主要是針對(duì)產(chǎn)品的特性與表現(xiàn)而定。ASTM表示法是以以字母+代號(hào)表示，再輔以年代之混合標(biāo)示，ASME則采用了相當(dāng)多的ASTM規(guī)，并以前置S表示。 ASTM表示法:首位字母表示意義A鋼鐵類(lèi)B非鐵金屬類(lèi)C一般測(cè)試法例如: ASTM A36-77a 其中A 36 - 77a分別表示 (鋼鐵)(結(jié)構(gòu)用)(1977年)(第一次修訂)又如: ASTM E8 代表拉伸試驗(yàn)規(guī)ASME的表示法：例如: ASME SA213 = ASTM A213而同一編號(hào)又可依化學(xué)成分(Grade)加工方式(Type)成品型態(tài)(Class)來(lái)區(qū)分。Grade主要

14、敘述其化學(xué)性質(zhì)，Type指脫氧的情況，Class:指一些其它性質(zhì)。如：強(qiáng)度、表面光度等。（3）美國(guó)統(tǒng)一編號(hào)系統(tǒng) UNSUNS是Unified Numbering System 的簡(jiǎn)稱(chēng)，在1974年為ASTM與SAE 聯(lián)合制定，UNS 本身只是一種編號(hào)，而非規(guī)格，它將金屬分為17個(gè)系列編號(hào)并與原有的體系配合，例如： UNS G10XX0 = SAE 10XX，而有索引、整合、參考的意義，因此而稱(chēng)統(tǒng)一編號(hào)系統(tǒng)。4德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DIN)DIN并不是英文，而是德文Deutsch Industriell Norm的縮寫(xiě)，德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中鋼鐵材料的規(guī)格是在DIN 17006，補(bǔ)充說(shuō)明在DIN 17007，1

15、974年改為 ISO制，以 EURONORM 27-74替代。以英文字母和數(shù)字來(lái)敘述其特征，字母規(guī)定鋼鐵種類(lèi)、冶煉方法、合金材料、處理情況等、數(shù)字則規(guī)定鋼鐵材料的、含碳量、抗拉強(qiáng)度、主合金之成分倍數(shù)等。（1）碳鋼一般以碳元素標(biāo)記與其含碳量表示，如 C60 表示含0.6C的碳鋼。另外也有抗拉強(qiáng)度與其它表示法，例如:St50 表示抗拉強(qiáng)度50kg/mm2之構(gòu)造用碳鋼，CK40表示含磷、硫量甚低之碳鋼，抗拉強(qiáng)度為40kg/mm2。（2）高級(jí)鋼料與低合金鋼以其主要合金元素和含量為標(biāo)記，但在其中第三部分含量，為避免小數(shù)點(diǎn)出現(xiàn)，表示值都己經(jīng)乘上固定倍數(shù)，而以整數(shù)型態(tài)呈現(xiàn)，所以由編號(hào)求取實(shí)際含量時(shí)必須再除以

16、倍數(shù)。第一部分:含碳量第二部分:合金元素種類(lèi)第三部分:合金元素含量合金元素倍數(shù)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含鉻量1的鋼材，表示為34Cr4依此 13CrV53 即表示含碳量0.13，含鉻量5/4=1.25，含釩量3/10=0.3（3）高合金鋼在標(biāo)記前加上x(chóng)，此外由于合金元素含量己高，因此不乘以倍數(shù)而直接表示。(如前述，高合金鋼通常是指合金總含量在8以上的鋼料)例如:含碳量0.12的不銹鋼，含鉻量18含鎳量8，表示為 X12CrNi18 8同理 X10CrNi1810 即表示含碳量

17、0.10的高合金鋼，含鉻量18含鎳量10。如果要進(jìn)一步標(biāo)示其特性，可以在其記號(hào)前后加上英文字母表示例如: MASt42 6N (1)(2) (3) (4)(5)其中除(3)為主標(biāo)記外，(1)(2)(4)(5)分別表示:熔煉方式、產(chǎn)品特性、保證性能類(lèi)別、熱處理情況等。（4）鑄鐵、鑄鋼以前置標(biāo)記G代表一般鑄件，另外加上其它字母來(lái)表示種類(lèi)，隨后之標(biāo)示與鋼的編號(hào)一樣，如表1所示。例如:GS-C30為鑄鋼，含碳量0.30 G-X120Mn12表示含碳量1.20的鑄鐵，含錳量12。表1 德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN 之鑄鐵分類(lèi)GS = 鑄鋼GG = 一般灰鑄鐵GGL = 片狀石墨鑄鐵GGG = 球狀石墨鑄鐵GT =

18、 一般展性鑄鐵GTS = 展性灰鑄鐵GTW = 展性白鑄鐵1-4材料的選用1-4-1 材料選擇的根據(jù)材料的種類(lèi)繁多，而且性質(zhì)互異，因此無(wú)論鐵金屬和非鐵金屬材料，或者隨后即將討論的非金屬材料自然都有不同的應(yīng)用場(chǎng)合。一項(xiàng)產(chǎn)品在選用材料時(shí)，會(huì)因使用場(chǎng)合(例如：強(qiáng)度的要求、環(huán)境的因素、成本的考慮等)而不同，而各種材料由于結(jié)構(gòu)的不同，也有其適當(dāng)?shù)挠猛?，因此如何使材料的?yīng)用能適材適所，就是材料選用的最大準(zhǔn)則。本章將提出材料選擇的幾個(gè)重要考慮因素，并舉實(shí)例具體說(shuō)明。(一)材料的規(guī)格要符合使用的需求選擇材料最基本的考慮，就在滿(mǎn)足產(chǎn)品的特性與要求，例如抗拉強(qiáng)度、切削性、耐蝕性等。許多材料似乎都可以滿(mǎn)足使用的需求

19、，但是如果選擇具有正字標(biāo)記或符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的材料，例如：我國(guó)的CNS 日本的JIS 美國(guó)的ASTM、 SAE、 AISI、 UNS 德國(guó)的DIN等，由于其化學(xué)成分與機(jī)械性質(zhì)都經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，有一定的保證，因此質(zhì)量將更有保障。(二)材料的價(jià)格要合理價(jià)格是選擇材料的另一個(gè)重要因素。因?yàn)閮?yōu)秀的材料如果價(jià)格高昂，產(chǎn)品的成本勢(shì)必提高，競(jìng)爭(zhēng)力就會(huì)降低。因此如果材料不是唯一的選擇，那么價(jià)格合理的同級(jí)材料或以開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品替代都是不錯(cuò)的解決方案。(三)材料的質(zhì)量要一致產(chǎn)品如果是單一的就不必考慮一致性的問(wèn)題，但是如果是屬于大量生產(chǎn)的東西，材料的供應(yīng)就必須穩(wěn)定而且質(zhì)量一定才行，否則因產(chǎn)品不良造成退貨或是賠償，無(wú)論是金錢(qián)與信譽(yù)

20、的損失可能都將難以彌補(bǔ)，因此在選擇材料供應(yīng)之初，材料質(zhì)量的一致和來(lái)源的穩(wěn)定性也是重要的考慮因素。1-4-2 鋼鐵材料的選用以上提到的是材料選用的原則。而鋼鐵材料由于在機(jī)械上使用廣泛，因此必須針對(duì)其特性考慮。鋼鐵材料的選用，常遭遇的還有三個(gè)問(wèn)題：(一)使用碳鋼或合金鋼(二)局部或全部淬火(三)用鑄造品或鍛造品。碳鋼的價(jià)錢(qián)便宜，但合金鋼易于淬火、硬化深度大、抗回火軟化佳。承受的負(fù)荷則關(guān)系局部或全部淬火，負(fù)荷大的零件以全部淬火為宜，表面淬火則可承受耐疲勞與磨耗的場(chǎng)合。鍛造與鑄造在制造一直是競(jìng)爭(zhēng)不止，傳統(tǒng)的鑄造品雖可以制造復(fù)雜或有孔的零件，但被認(rèn)為偏析、氣孔、韌性差，鍛造品則較強(qiáng)韌，但鑄造技術(shù)與材料的

21、進(jìn)步，己可以達(dá)到均質(zhì)、強(qiáng)韌，加以鑄造有一次成型的優(yōu)點(diǎn)，因此目前鑄件占較有利的趨勢(shì)。1-4-3 應(yīng)用實(shí)例(一)引擎材料的選用機(jī)械產(chǎn)生動(dòng)力來(lái)自于引擎，常見(jiàn)的引擎如：空壓機(jī)、汽機(jī)車(chē)、電機(jī)原動(dòng)力廠等。引擎各部份零件承受不同的負(fù)荷、溫度等工作條件，因此有不同的材料選擇考慮。以下僅以其中較重要的汽缸體、曲柄軸與進(jìn)排氣閥加以說(shuō)明。1. 汽缸體汽缸由于形狀復(fù)雜，又有冷卻管路，因此只能用鑄造方式，汽缸由于要求良好強(qiáng)度大、耐磨、耐蝕、導(dǎo)熱性佳、膨脹系數(shù)低。因此灰鑄鐵就是很好的選擇，唯一問(wèn)題是比重稍大。如果需要輕量化，使動(dòng)力提高，就可以考慮鋁合金。唯鋁合金的磨耗性較差，這一點(diǎn)也要考慮。2. 曲柄軸雖然曲柄軸的形狀也

22、很復(fù)雜，不過(guò)也并不是非用鑄造不可，曲柄軸的受力很大，因此鍛造鋼品是傳統(tǒng)上的選擇，不過(guò)延性鑄鋼(球墨鑄鐵)的發(fā)展，使得鑄造品在中小型汽車(chē)上也占一席之地。如果使用鍛鋼，必須考慮硬化能的問(wèn)題，因此常用的有鉻鉬鋼(SAE 4140)或中碳鋼SAE 1035與SAE 1050。3. 進(jìn)排氣閥進(jìn)排氣門(mén)最重要的是耐高溫和耐腐蝕，尤其是排氣閥的工作溫度，往往700以上，而且必須承受燃料燃燒后產(chǎn)生的水氣和腐蝕性鉛化合物，因此采用耐熱鋼是最初的考慮，其后陸續(xù)有使用沃斯田鐵系不銹鋼或英高鎳(Inconel)者。(二)材料的取代和新材料的選用由于材料的改良和新材料的不斷發(fā)展，許多制品原來(lái)使用的材料，可以替代而性能更佳

23、，價(jià)格更便宜。以日常應(yīng)用來(lái)說(shuō)，例如：二十年前的眼鏡框，使用白銅或鍍層，其后因?yàn)楦g問(wèn)題而改用不銹鋼，至今更因?yàn)殁伒妮p量化、高強(qiáng)度比且耐蝕而再度取代。近年來(lái)由于航天工業(yè)，輕量與高強(qiáng)度的要求，因此在機(jī)件上鈦的使用也很廣，而外裝上，復(fù)合材料(尤其是碳纖維和玻璃纖維強(qiáng)化塑料)則大量的應(yīng)用。另外，為了極高速航具和航天飛機(jī)的需要，工程瓷應(yīng)用在承受高溫的部分的包覆(Ceramic Tiles)更是不可或缺。摘要1規(guī)格(Specification)是產(chǎn)品需求的敘述，也是數(shù)據(jù)技術(shù)溝通的依據(jù)為了增進(jìn)效率與提供產(chǎn)品零件的互換性，必須制定的規(guī)格，以作為生產(chǎn)者與使用者依循的規(guī)。2在工業(yè)上，鋼鐵材料必依其化學(xué)成份，使用一

24、定的編號(hào)以利于選用。目前，在我國(guó)較常用的規(guī)格有三種：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(CNS)、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)、美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)(AISI-SAE)。另外德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DIN)和美國(guó)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)(UNS)相關(guān)業(yè)界有時(shí)也會(huì)采用。3CNS之鋼鐵材料的編號(hào)，主要由下列三部分組成：第一部分為材質(zhì)，鐵以F表示，鋼以S表示。第二部分表示標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)或是制品用途或主要合金元素或含碳量(結(jié)構(gòu)用碳鋼時(shí))。第三部分為該材料之種類(lèi)，或是最低抗拉強(qiáng)度、降伏強(qiáng)度。若是表示最小抗拉強(qiáng)度或最小降伏強(qiáng)度，通常以三位數(shù)字表示，常用于建筑結(jié)構(gòu)用等不須規(guī)定含碳量鋼料的場(chǎng)合。4AISI和SAE以四個(gè)(或五個(gè))數(shù)目字為記號(hào)來(lái)分類(lèi)。其中第

25、一位數(shù)，表示鋼料的種類(lèi)。第二位數(shù)，為主要合金元素的百分值；0表示無(wú)其它合金元素。第三、四位數(shù)(或第三、四、伍位數(shù)字)代表含碳量。鋼種編號(hào)鋼種編號(hào)碳鋼1耐熱鋼30普通碳鋼10鉬鋼4易削鋼(加硫)11Cr(0.7)41錳鋼13Ni-Cr43鎳鋼2Ni(1.75)460.50Ni20鉻鋼51.50Ni21Cr(1.0)513.50Ni23Cr(1.5)52鎳鉻鋼3鉻釩鋼61.25Ni0.6Cr31鎢鋼71.75Ni1.0Cr32鎳鉻鉬83.50Ni1.5Cr33硅錳鋼95材料選擇的考慮因素主要有：(一)材料的規(guī)格要符合使用的需求(二)材料的價(jià)格要合理(三)材料的質(zhì)量要一致合金鋼與特殊鋼學(xué)習(xí)目的1.了

26、解合金鋼與特殊鋼的意義。2.認(rèn)識(shí)合金鋼與特殊鋼的種類(lèi)。3.認(rèn)識(shí)工具鋼的種類(lèi)和用途。4.認(rèn)識(shí)耐蝕鋼的種類(lèi)和用途。5.了解其它特殊鋼的種類(lèi)和用途。1-1前言碳鋼具有不錯(cuò)的機(jī)械性質(zhì)，能實(shí)施熱處理，而且在一般用途上都能勝任。不過(guò)在某些需求特別的場(chǎng)合，使用上碳鋼的性能仍嫌不足，例如：需要耐蝕的埸合、需要在高溫強(qiáng)度、需要更高的硬度以做為切削刀具，或是具有疲勞強(qiáng)度等。這些時(shí)候就必須有各種不同性質(zhì)的合金鋼，例如：不銹鋼、耐熱鋼、工具鋼、彈簧鋼等，來(lái)滿(mǎn)足實(shí)際上的需求。由于這些合金鋼材的性質(zhì)和一般鋼材并不一樣，因此在市面上，許多販賣(mài)合金鋼材料的地方，也稱(chēng)為特殊鋼材料行。合金鋼是指碳鋼添加一種或一種以上合金元素所形

27、成的鋼料。通常鋼的合金元素，除碳以外，若含錳量在1.65%以上、含硅量在0.60%以上，或含銅量在0.06%以上等，就可以認(rèn)定是屬于合金鋼，其它元素刻意加入碳鋼中者亦同。碳鋼如果依不同用途再加入鎳、鉻、釩、鎢、等元素，以達(dá)到需要的效果，就成為合金鋼。例如：微量的鉻可以使鋼具有極佳的硬化能，而12%以上時(shí)，鋼就不易腐蝕，成為耐蝕鋼。加入18%鎢、4%鉻、1%釩時(shí)即為高速鋼。除用途外，合金鋼也可依加入元素種類(lèi)來(lái)區(qū)分。由于任何鋼中均含鐵、碳兩種元素，因此，如再加入一種元素即稱(chēng)為三元鋼，例如：鎳鋼、鉬鋼等。加入二種元素稱(chēng)為四元鋼，例如：鎳鉬鋼，其余依此類(lèi)推。如果以合金含量來(lái)區(qū)分，合金鋼中合金元素的總含

28、量在6%以上稱(chēng)為高合金鋼，合金元素總含量在6%以下稱(chēng)為低合金鋼。有些埸合會(huì)將合金量在1.5%5.5%之間的，再細(xì)分為中合金鋼，而以1.5%以下者為低合金鋼，不過(guò)這些都是粗略的分法，并沒(méi)有實(shí)質(zhì)的意義。合金鋼的種類(lèi)很多，而其性質(zhì)主要又由合金元素來(lái)決定，因此研究合金鋼最有效的方法，就必須由了解合金元素對(duì)于鋼性質(zhì)的影響開(kāi)始。在合金鋼中所添加的合金元素，主要有鎳Ni、鉻 Cr、鎢W、釩V、錳Mn、鉬Mo、鈷Co、硅Si、鈦Ti、硼B(yǎng)等。1-1-1鋼中主要合金元素的功用1鉻 Cr鉻在鋼中的角色多元且重要，它會(huì)形成安定而硬的碳化物，而且具抗蝕性，其主要作用有： a增進(jìn)鋼的硬化能和滲碳作用。 b使鋼在高溫畤仍

29、具高強(qiáng)度。 c能增加耐磨耗性。 d增高鋼之淬火溫度。 f能增進(jìn)鋼的抗腐蝕性。2鎳Ni鎳在鋼中的影響有: a增進(jìn)鋼的硬化能。 b能降低熱處理時(shí)的淬火溫度，因之在處理時(shí)變形小。 c能增加鋼的韌性。 d高鎳合金鋼能耐腐蝕，例如：不銹鋼就含有8%左右的鎳。3鎢W鎢能耐高溫，而且溶于鋼中會(huì)與碳形成碳化物稱(chēng)為碳化鎢，能提高鋼的強(qiáng)度。此外， a鎢可以提高鋼之淬火溫度。 b加強(qiáng)鋼之?dāng)嗝娼M織細(xì)微化，抵抗回火軟化。 c可以降低淬火時(shí)鋼之晶粒生長(zhǎng)之趨勢(shì)。 d鎢鋼刀具有紅熱硬度。 e可增加鋼之保磁性，故可配入鋼中而制造永久磁鋼。4釩V釩可以無(wú)限量固溶入鐵中，并阻止沃斯田鐵晶粒的成長(zhǎng)，釩在鋼中有脫酸除氧之能力，故含釩之

30、鋼其斷面結(jié)晶密實(shí)，此外釩的作用還有： a能提高淬火溫度。 b改善硬化能，高溫淬火加熱時(shí)，能防止其晶粒生長(zhǎng)。 c有助于鋼之結(jié)晶組織細(xì)微化。5錳Mn錳亦為鋼中重要元素，其作用與影響如下: a在適量下，錳量增加可增加鋼之最大強(qiáng)度與硬度。 b錳有脫氧與脫疏功效，故錳能發(fā)撣鋼之鍛造性與可塑性。 c錳在鋼中含量多，可降低鋼之淬火溫度。 d可增進(jìn)鋼之硬化深度，尤其在含碳量高之油硬性錳鋼為最顯著。6鉬Mo鉬可增加鋼之最大強(qiáng)度與硬度，因此在合金鋼中也頗為重要。 a能改善鋼在高溫之抗拉與潛變強(qiáng)度。 b在工作紅熱情況下，能使鋼之硬度保持不變。 c高速工具鋼含鉬，可予以較佳之切割性能。 d合金鋼中加入鉬可去除回火脆性

31、。7鈷Co鈷為制造合金鋼之重要元素，在鋼中可以生成碳化物，但也可能有不良影響，它具有以下特性： a鈷可代替鎳，如增加強(qiáng)度與耐熱等性能。 b會(huì)降低鋼的硬化能。 c能提高鋼之淬火溫度。 d增加鋼之保磁能力，故為制造磁石鋼之主要元素。8鈦Ti鈦在鋼中易與碳形成碳化物TiC，其它特性： a鈦在不銹鋼中，可以防止高溫時(shí)鉻量的局部減少，維持其防蝕的能力 b可以防止合金鋼由高溫徐冷時(shí)的脆化現(xiàn)象。9銅Cu合金鋼中銅之含量不可以超過(guò)1.5%，否則會(huì)使鋼變脆，此外 a銅在鋼中有抵抗大氣腐蝕之性能。低碳鋼含銅1%，其抵抗大氣腐蝕性約較不含銅者高出四倍。在不銹鋼中加銅 3-4%，亦有助不銹鋼之防蝕作用。 b可以增加鋼

32、的強(qiáng)度，但不宜超過(guò)0.2%。10鋁Al a極易與氧結(jié)合形成氧化鋁，是一種強(qiáng)脫氧劑。 b能抑制晶粒成長(zhǎng)。 c是氮化用鋼的重要元素。11硫S硫在鋼中為有害之雜質(zhì)，硫與鐵化合成為FeS，與錳化合成MnS，其結(jié)果： a會(huì)增加鋼的熱脆性 b硫含量0.2%以上，就會(huì)嚴(yán)重影響鋼的強(qiáng)度和韌性 c硫可使鋼強(qiáng)度降低，因此有利于鋼的切削，但除了易切鋼之外，極少利用。12硅Si硅在鋼中其作用如下 : a硅能增加鋼之電磁傳導(dǎo)率，故適于制造電氣材料。 b硅會(huì)加速鋼之結(jié)晶生長(zhǎng)變粗，因此含量約在0.050.30%。 c硅能增高淬火溫度。 d會(huì)阻礙碳元素溶于鋼中。 e對(duì)于炭量較高之鋼，硅多則增加脆性， f增加耐熱鋼的氧化性，可

33、用為脫酸性。綜合各種合金元素對(duì)于碳鋼的影響，而選擇添加合金元素時(shí)必須考慮元素特性與應(yīng)用場(chǎng)合的需要，適材適所才是最重要的，如果不暸解特性貿(mào)然選擇，不但可能增加成本，效果也可能適得其反。1-1-2 合金鋼的分類(lèi)合金鋼因其添加元素和量的不同而特性迥異，就用途來(lái)區(qū)分，合金鋼大致可以分為一般構(gòu)造用合金鋼和特殊鋼。構(gòu)造用合金鋼是使用于普通機(jī)械的構(gòu)成組件或土木建筑等構(gòu)造，普遍來(lái)說(shuō)其合金量較低，而特殊鋼大多是使用在需要高溫硬度、耐蝕、耐熱、磁性等特別的場(chǎng)合，大多是屬于高合金量，如表1所示。(一)構(gòu)造用合金鋼： (a)非熱處理型：大致是低合金量，包括高強(qiáng)度低合金鋼與易切鋼。 (b)熱處理型：大致是中合金量，含合

34、金總量稍高，約在1.5%5.5%之間，經(jīng)熱處理后可以大幅提高強(qiáng)度，通常用于不需焊接場(chǎng)合的強(qiáng)韌機(jī)件，稱(chēng)為熱處理用中合金鋼(或強(qiáng)韌鋼) 。 (c)表面硬化鋼(二)特殊鋼： (a)合金工具鋼： (b)耐蝕鋼： (c)其它用途特殊鋼：包括耐熱鋼、軸承鋼、彈簧鋼、電氣用鋼、磁石鋼、超高強(qiáng)度鋼等。表1 合金鋼的用途分類(lèi)鋼種主要合金用途構(gòu)造用合金鋼高強(qiáng)度低合金鋼低Mn、低Si-Mn汽車(chē)車(chē)身、構(gòu)造用機(jī)件、船體熱處理用中合金鋼(強(qiáng)韌鋼)Ni、Cr、Ni-Cr、Cr-Mo、Ni-Cr-Mo曲柄軸、螺栓、齒輪、大型軸表面硬化鋼滲碳鋼Ni、Ni-Cr、Cr-Mo、Ni-Cr-Mo齒輪、汽車(chē)工業(yè)變速箱、差速器氮化鋼Al

35、-Cr、Al-Cr-Mo、Al-Cr-Mo-Ni、汽缸套、車(chē)床主軸、銑床零件特殊鋼工具鋼切削用鋼W、Cr-W、Cr-Mn牙攻、車(chē)刀、銑刀耐沖擊用鋼Cr-W、Cr-W-V沖頭、鉚釘具耐磨用鋼高C-高Cr、Cr-W、Cr-Mo-V號(hào)規(guī)、拉線(xiàn)模、整緣模具熱加工用鋼Mn、Cr-W-V、Ni-Cr-Mo、Mn-Cr熱輥軋模、壓鑄模耐蝕鋼不銹鋼Cr、Cr-Ni餐具、外科刀具耐酸鋼Ni、Cr-Ni、高Si化學(xué)工業(yè)耐熱鋼Cr、Cr-Ni、Si-Cr、Cr-Al進(jìn)氣閥、排氣閥、輪機(jī)葉片彈簧鋼Si-Mn、Si-Cr、Cr-V車(chē)輛、鐘表與各式彈簧軸承鋼高C高Cr、高C-Cr-Mn球軸承、滾軸承等非摩擦式軸承電氣用鋼

36、非磁性鋼(避磁鋼)Ni、Cr-Ni、Cr-Mn輸配線(xiàn)支撐、羅盤(pán)外殼磁性鋼Si(硅鋼)變壓器鐵心磁石鋼Cr、W、Cr-W-Co永久磁鐵超高強(qiáng)度鋼高Ni、Cr-Ni-Mo、Ni-Co鋼梁、飛機(jī)骨架1-2構(gòu)造用合金鋼構(gòu)造用合金鋼是指使用在構(gòu)成機(jī)械的零件或建筑土木等各項(xiàng)工程結(jié)構(gòu)上的鋼料，例如：大型機(jī)械軸、壓力容器、高層建筑、橋梁鋼架或高強(qiáng)度螺栓、齒輪等。這些場(chǎng)合所需要的材料特性為：較高的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊值、疲勞限度等，同時(shí)也需要具備良好的鑄造、鍛制、切削或焊接的能力，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，

37、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)與船體，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)鋼的硬化能與降低質(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。1-2-1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

38、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?；蚴擒堁訝顟B(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HS

39、LA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)由特殊的軋延與冷卻過(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

40、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、耐蝕性與抗拉強(qiáng)度，目前小汽車(chē)所使用的高力鋼板就屬于HSLA鋼，其厚度約在0.6mm或更厚。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。用于這些用途的HSLA之鋼板原大致為1.5mm或更厚。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)與船體。1-2-2易切鋼(Free-machining

41、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)與迅速切削的需求，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。加硫0.10.25%的易切鋼稱(chēng)為硫易切鋼，加鉛0.10.3%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

42、硫與磷對(duì)機(jī)械性質(zhì)有害，因此這種鋼料多用在不重視強(qiáng)度的螺絲與螺帽等。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。1-2-3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)施淬火與回火處理，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

43、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)

44、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(xiàn)(S曲線(xiàn))就會(huì)右移，如此在一樣的冷速下，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)度與韌性高的組織。現(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)硬化能與抵抗回火軟化。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

45、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)于鋼硬化能也有幫助，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

46、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。1Ni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35%，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(Transit

47、ion temp.)，同時(shí)也可以作為滲碳用鋼。2Cr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830880淬火于油中，再回火于550650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。3Mo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

48、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。鉬鋼含Mo量約0.2%0.3%，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。4Ni-Cr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。Ni-Cr鋼的鎳含量約1%3. 5%，鉻含量約0.5%1.0%。另外，由于鉻與鎳加入鋼中，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18-8鋼，就

49、是一種常用的不銹鋼。Ni-Cr鋼在鋼料編號(hào)上屬于SAE3XXX與SAE43XX系，JIS編號(hào)為SNCXX，在構(gòu)造用合金鋼中，Ni-Cr鋼是其中較為常用的，通常用于制造曲柄軸、連桿、齒輪等。5Cr-Mo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。Cr-Mo鋼是在含Cr量1的鋼料中，再添加0.15%0.30%的Mo，某些場(chǎng)合可以替代Ni-Cr鋼，在鋼料的編號(hào)上是屬于SAE41XX系，JIS編號(hào)為SCMXX。Cr-Mo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。6Ni-Cr-Mo鋼Ni-Cr-Mo鋼是綜合Ni、Cr、Mo三種合金元素的

50、優(yōu)點(diǎn)，其中添加元素分別為0.4%3.5%Ni、0.4%3.5%Cr、0.15%0.70%Mo。Ni-Cr-Mo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Ni-Cr-Mo鋼對(duì)于回火軟化的抵抗性大，又因Mo可以顯著改善Ni-Cr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Ni-Cr-Mo鋼可以說(shuō)是構(gòu)造用合金鋼中最優(yōu)秀的。Ni-Cr-Mo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850950冷卻于空氣中或淬火于油中，再回

51、火于550650，如果含Mo量高，回火后不須急冷。Ni-Cr-Mo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kg-m /mm2Brinell硬度CNiCrMoMn碳鋼0.400.50-0.400.85淬火回火708201 269S30NiCrMo2鋼0.250.352.503.572.503.500.500.700.350.60淬火回火1108302 3521-3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

52、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、且具有常溫與高溫硬度等特性，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與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)鍛造與熱加工能得到良好的質(zhì)量。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)

53、施半加工成形(semifinished)，經(jīng)熱處理，再完成加工(finished)。1-3-1高碳工具鋼高碳工具鋼的成份為含碳量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150200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

54、用場(chǎng)合已較少。1-3-2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以增大硬度與耐磨耗性，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

55、，所以切削性與耐磨耗性也稍差。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)，且要求減少尺寸與形狀的變化，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。1-3-3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

56、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抵抗性。(3)Mo的性質(zhì)與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可以使晶粒微細(xì)化，增加強(qiáng)度。(6)Co可以增加C的溶解度，并增加高溫硬度。高速鋼通常以主要元素W與Mo區(qū)分，含W鎢量較多的高速鋼稱(chēng)為鎢系高速鋼(T系高速鋼)，含Mo鉬量較多的高速鋼稱(chēng)為鉬系高速鋼(M系高速鋼)，其中含18%W、4%Cr、1%V為

57、最典型的高速鋼，稱(chēng)為18-4-1鋼，另外含18%W、4%Cr、2%V則稱(chēng)為18-4-2鋼。高速鋼因?yàn)樗暮辖鹪亓枯^多，所以導(dǎo)熱度較不良，因此淬火溫度需較高，一般約在12001350之間，使合金元素充分固溶于沃斯田鐵，淬火之后可以得到洛氏硬度約Rc64以上。淬火后的高速鋼約在400550間實(shí)施回火，在回火的過(guò)程中，由于合金成份會(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(chēng)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。1-3-4硬質(zhì)合金或超硬合金硬質(zhì)或超硬合金屬于非鐵合金工具材料，通常不含鐵成分或是鐵僅占很少比例，有別于一般工具

58、用鋼料。這類(lèi)材料有極高硬度與高溫強(qiáng)度，可以切削各種鋼料甚至玻璃、瓷等。硬質(zhì)合金是通常是以鑄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來(lái)制成。硬質(zhì)合金又分為：(1)工具用鑄造合金這類(lèi)硬質(zhì)合金是以鑄造方式成形，不經(jīng)過(guò)熱處理，就具有常溫與高溫的極高硬度，并且耐磨耗，有時(shí)又稱(chēng)非鐵鑄造合金刀具或超硬鑄合金刀具。史斗鉻鈷(stellite)就是其中的代表，它含Co 4055、Cr 1533、W 1018、C 24、Fe 5以下、Mn 1，其組織與白鑄鐵相似，為碳化物分布致密的型態(tài)，因此硬度很高，但是此種合金質(zhì)脆，無(wú)法鍛造。主要用于鑿巖用鉆頭、切削刀具、熱

59、加工用模具等。(2)燒結(jié)硬質(zhì)合金碳化鎢WC或碳化鈦TiC等的粉狀碳化物，加入黏結(jié)用金屬鈷Co(或Ni、Mo)，加壓并燒結(jié)，就可以得到紅熱硬度很高的合金材料，如果制成切削刀具，可以較一般工具鋼的切削速度更高，并具有更長(zhǎng)的刀具壽命，燒結(jié)后的碳化鎢塊可以銅焊接著于鋼制刀柄，用以切削鋼鐵、鑄件、非鐵金屬或非金屬等材料。常用的燒結(jié)硬質(zhì)合金有WC-Co系和WC-TiC-Co系，除切削工具外，也可以應(yīng)用于拉線(xiàn)模具或其它耐磨耗場(chǎng)合。1-4耐蝕鋼耐蝕性是指材料對(duì)于空氣、水、酸、鹽或其它化學(xué)環(huán)境下所產(chǎn)生破壞的抵抗程度。鋼鐵材料應(yīng)用極廣，但是耐蝕性不佳是其缺點(diǎn)，尤其氣候溫濕，因此耐蝕性特別重要，除了使用各種覆面或涂

60、裝技術(shù)，最基本的方式還是必須改善鋼的性質(zhì)。在鋼中添加Cr和Ni可以增加鋼的耐蝕性。鋼的耐蝕性主要隨Cr的含量而增加，一般耐蝕鋼的分類(lèi)，含Cr量在12%以上之Fe-Cr合金，幾乎不會(huì)被侵蝕稱(chēng)為不銹鋼，含Cr量在12%以下之Fe-Cr合金，則稱(chēng)為耐蝕鋼，但實(shí)用上提到耐蝕鋼仍是以不銹鋼為主。在大氣與海水環(huán)境中，鋼之耐蝕性隨Cr量的增加而增加，含Cr量在12%以上，就幾乎不會(huì)發(fā)生腐蝕的現(xiàn)象。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，可以阻隔鋼料部的氧化作用，因而可以防止一般大氣環(huán)境下的腐蝕。但是鉻鋼在強(qiáng)酸例如：硫酸、鹽酸的環(huán)境，這層氧化膜就會(huì)被破壞而喪失了耐蝕性。鋼中含Ni時(shí)在