機(jī)械材料選用規(guī)格

1、當(dāng)前位置：首頁 工業(yè)設(shè)計 理論文獻(xiàn) 正文機(jī)械材料的規(guī)格及選用在線投稿素材基地論壇討論 原創(chuàng)作品集機(jī)械材料2 Cr 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容易產(chǎn)生材質(zhì)變脆的現(xiàn)象( 稱為回火脆性) ，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。鉻鋼在鋼的編號上屬于SAE5XXX系，JIS編號為 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。3 Mo鋼Mo的硬化

2、能效果很大，因此淬火硬化的有效距離很大。Mo對于回火時軟化的抵抗性也很好，因此可以經(jīng)過高溫回火，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， 在鋼料編號上屬于SAE4XXX系，主要用途有：手工具、小型機(jī)械零件、螺栓等。4 Ni-Cr 鋼鋼中加鉻可以增加硬化能，但是Cr 含量在超過1%以上時，效果就不會再增加，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，由于鉻及鎳加入鋼中，還有防腐蝕的效果，當(dāng)鉻、鎳含量更高時，最主要的效果就變成以

3、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，我們稱為18-8 鋼，就是一種常用的不銹鋼。Ni-Cr 鋼在鋼料編號上屬于SAE3XXX及 SAE43XX系， JIS 編號為 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。5 Cr-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，某些場合可以替代Ni-Cr鋼，在鋼料的編號上是屬于SAE41XX系， JIS 編號為 SCMXX。Cr-Mo 鋼使用的

4、場合，例如：汽車曲軸、鍛造或機(jī)制的軸、軸環(huán)和葉輪等。6 Ni-Cr-Mo 鋼Ni-Cr-Mo 鋼是綜合Ni 、 Cr 、Mo三種合金元素的優(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，因此又稱為自硬性鋼 (

5、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，其鋼料編號為SAE8XXX，JIS 編號為 SNCMXX，用于大型軸、 曲柄軸、高強(qiáng)度螺栓， 以致于中小型軸或內(nèi)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 /mm2 Brinell硬度C Ni Cr Mo Mn碳鋼 0.400.50 - - - 0.400.85淬火回火 70 8

6、 201 269S30NiCrMo2 鋼 0.250.35 2.503.57 2.503.50 0.500.70 0.350.60淬火回火 110 8302 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，價錢比較便宜，高合金量的工具鋼或高速鋼，價錢則較昂貴。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 ) ，

7、另外必要時在添加耐高溫的 W、 V 及 Co等。工具鋼是屬于高級鋼料， 因此必須是由全靜鋼錠制造，同時要特別要求合金元素在熔煉過程中的均質(zhì)化， 以使后續(xù)鍛造及熱加工能得到良好的品質(zhì)。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)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。高碳工具鋼價格便宜，其機(jī)械性質(zhì)主要是以含碳量多少來決定，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，在高溫時強(qiáng)度較差。由

8、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，使用場合已較少。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

9、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：1切削用合金工具鋼為了切削用途， 因此這類合金鋼通常含碳量較高，并增加 W、Cr、V 以增大硬度及耐磨耗性，適合作為螺絲攻、車刀、銑刀等用途。2耐沖擊用合金工具鋼此類合金鋼為增加沖擊韌性，因此含碳量稍低，所以切削性及耐磨耗性也稍差。3冷間模具用合金工具鋼此類工具鋼由于用于常溫( 又稱為冷間， cold work)，且要求減少尺寸及形狀的變化，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工具鋼由于多使用于熱加工(

10、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 (highspeed steel)是用于切削工具，在高速切削之紅熱狀態(tài)時仍能保持其硬度而稱之。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

11、)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 18-4-1 鋼，另外含 18%W、 4%Cr、 2%V則稱為 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

12、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，在回火的過程中，由于合金成份會產(chǎn)生碳化物析出的現(xiàn)象， 會使得硬度再次提升，此種特殊的現(xiàn)象稱為二次硬化，有時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，有別于一般工具用鋼料。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。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制成。硬質(zhì)合金又分為：(

13、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，有時又稱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 40 55、 Cr 15 33、 W 10 18、 C 2 4、 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，無法鍛造。主要用于鑿巖用鉆頭、切削刀具、熱加工用模具等。(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

14、具，可以較一般工具鋼的切削速度更高，并具有更長的刀具壽命，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)用于拉線模具或其它耐磨耗場合。1-4 耐蝕鋼耐蝕性是指材料對于空氣、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)，尤其臺灣氣候溫濕，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)。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，含Cr 量在

15、12%以上之 Fe-Cr 合金，幾乎不會被侵蝕稱為不銹鋼，含Cr 量在 12%以下之 Fe-Cr 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。在大氣及海水環(huán)境中，鋼之耐蝕性隨Cr 量的增加而增加，含Cr 量在 12%以上，就幾乎不會發(fā)生腐蝕的現(xiàn)象。 不銹鋼能耐蝕的原因，是因?yàn)?Cr 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。但是鉻鋼在強(qiáng)酸例如：硫酸、鹽酸的環(huán)境，這層氧化膜就會被破壞而喪失了耐蝕性。鋼中含 Ni 時在酸性環(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

16、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。一般除了鑄造用途的不銹鋼之外，不銹鋼因其合金成份可以大致可以區(qū)分為：Cr 系不銹鋼、Cr-Ni 系不銹鋼。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。前者分類較為簡單，但是就應(yīng)用上來說，后者更有意義，因此目前材料學(xué)上對于不銹鋼的的分類，大多以后者為主。簡單來說， 添加合金元素會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)施又決定于相圖的變化，因此形成了各類不銹鋼不同的特性。例如：添加Cr、V、Ti 量的增

17、加會使沃斯田鐵相區(qū)減小甚至消失，因此變成相圖除液態(tài)外均以肥粒鐵相為主；如果添加Ni 、 Mn、Co 等， 會 大沃斯田 相區(qū)， 果即使在室溫下， 定相仍可能 沃斯田 相， 兩種情況，都幾乎沒有淬火效果，通常不 施 理。此外，如果加上碳的影響因素， 可能 生以 理增加 化效果的麻田散體系及析出硬化系不 。1-4-1肥粒體系不 由于 中添加Cr 會使沃斯田相區(qū) 小，并且當(dāng)Cr 含量超 13% ，各種溫度下將只有肥粒 相存在。但是因 中 有碳的存在，碳會與Cr 形成碳化 ，而消耗一部分 ，大致上1%C必 要 1%Cr 合，所以如果 肥粒 構(gòu)， 含 量必 增加。大體而言，當(dāng)含Cr 在 16%以上且 C

18、 含量在 0.12%以下 ，此 低碳高 不 ，又稱 肥粒體系不 。肥粒 系不 的含碳量極低， 在 0.12%以下，含 Cr 約 16% 18，耐 性 良而且 易于加工，但機(jī)械性 弱，可以作 汽 內(nèi)裝、廚房 、建筑等，是一 具有磁性的不 。此 不 屬于400 系列，以430 不 代表，其它如：405 不 、 446 不 等都是，在JIS 號 SUS 430、 SUS 405 等。1-4-2麻田散體系不 上述低碳高 的不 ，當(dāng)含碳量增加或是含 量 低 ， 其高溫固相 沃斯田 區(qū)就會存在，此 將此 高碳高 加 到沃斯田 區(qū)( 區(qū) ) ，再淬火下來，就可以得到麻田散 的 ， 的不 因Cr 量減少而耐

19、性稍差，但是具有 秀的機(jī)械性 ，稱 麻田散體系不 。麻田散 系不 的含碳量 0.1% 0.4%，含 Cr 約 12% 14%，如果要與肥粒體系不 分，也可以用另一種方式來判斷：%Cr-17%C13 . . 肥粒體系%Cr- 17%C13 .麻田散體系麻田散體系不 的淬火溫度 9501000，在合金含量 多的情況下，甚至以氣冷就可以達(dá)到淬火的目的，淬火之后再行回火，回火的 施通常采用100180的低溫回火。麻田散體系不 價格便宜，硬度、 度佳，但耐 性略差，可以作 刀具、 承、 零件、外科手術(shù)刀等，是一類具有磁性的不銹鋼。此類不銹鋼也屬于400 系列，以403、 410不銹鋼為代表，其它如：43

20、1 不銹鋼、 440A 不銹鋼、 440B 不銹鋼、 440C 不銹鋼等都是，在JIS 編號為 SUS 431、 SUS 440C等。1-4-3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，但是都是屬于鉻系不銹鋼，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。當(dāng)添加Ni 量約 8%以上時，常溫下也是沃斯田鐵組織，這樣的不銹鋼稱為沃斯田體系不銹鋼，是不具磁性的系列。沃斯田體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。含Cr 1820%、 Ni 810% 而含

21、 C量少于 0.2%的 Cr-Ni系不銹鋼是沃斯田體系不銹鋼中最具代表性的鋼料，通常稱為18-8 鋼。18-8 不銹鋼的缺點(diǎn)是在500900高溫時， 晶界附近的鉻會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合時常發(fā)生，因此必須注意。有效改良的方法是：(1) 處理時盡快通過此溫度。(2) 添加其它合金元素以抑制 Cr 的消耗。例如： Ti 、 Nb、Ta 等，均可以和碳結(jié)合成安定的碳化物，而不會再影響鉻。(3) 降低含碳量。含碳量小于 0.03%時，碳就只固溶于沃

22、斯田鐵而不會與鉻形成碳化物，例如焊接時，使用低含碳量的 304L 不銹鋼焊條，就可以避免粒間腐蝕的現(xiàn)象發(fā)生。沃斯田鐵系不銹鋼的用途很廣，不但對各種環(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， 有時也應(yīng)用于較優(yōu)良的不銹鋼餐具， 是一類不具磁性的不銹鋼。此類不銹鋼屬于300 系及 200 系，以 304 不銹鋼為代表，其它如：301 不銹鋼、 310 不銹鋼、 316 不銹鋼、 347 不銹鋼、 202 不銹鋼等都是，在 JIS 編號為 SUS 301 等。1-4-4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

23、與18-8 鋼相似，只是Cr 及 Ni量稍減，另外添加了Al 、 Cu、Mo、 Nb、Ti 等。析出硬化是一種熱處理上強(qiáng)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，經(jīng)過淬火熱處理后，得到麻田散鐵組織，然后再利用一種稱為時效(aging)處理的方式，使硬的金屬間化合物析出于材料基地，以得到極高的機(jī)械性質(zhì)。一般析出硬化系不銹鋼在固溶后淬火于常溫時，仍是全為沃斯田鐵組織，因此柔軟易于加工，在加工完成后，必須再實(shí)施一次中間熱處理(intermediateheat treatment)，此時 Ms點(diǎn)約在 015之間，藉深冷處理 (subzero treatment) 以得到麻田散鐵，回火

24、后經(jīng)兩次時效處理，就可以得到高強(qiáng)度。因此添加 Al 、 Nb 等元素的目的，即是在于促使生成析出物。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。析出硬化系不銹鋼具耐蝕性， 即使含碳量很少也可以有很強(qiáng)的機(jī)械性質(zhì)，一般用于飛機(jī)零件、高級彈簧、模具等。此類不銹鋼屬于600 系列，以 631 不銹鋼為代表， 630 不銹鋼也屬之，在 SAE 編號中還有 633 不銹鋼 (AM 350) 、 634 不銹鋼 (AM 362) 等。此系列不銹鋼如果再添加Co 元素，則可以提高M(jìn)s 溫度至常溫以上并提高析出量。1-5 其它特殊鋼1-5-1 耐熱鋼耐熱鋼基本上

25、極為類似不銹鋼，因?yàn)樗坏枰挚垢邷?，同時也必須抵抗高溫的氣體腐蝕環(huán)境，所以AISI 將之歸類于不銹鋼，例如：AISI 309 不銹鋼、 310 不銹鋼、 409 不銹鋼等，JIS 規(guī)格屬于SUH系列，而在CNS規(guī)格則屬于HR系列。高溫的環(huán)境下，除了防蝕的考慮外，最重要的就是要具有優(yōu)良的潛變強(qiáng)度，因此除了Cr 和Ni 之外，必須添加Mo、 W、 Al 、Ti 、 Si 、Mn、 Nb 等以增加其耐熱性，但是Al-Fe 合金機(jī)械性質(zhì)不佳。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，同時也可以增進(jìn)耐熱性質(zhì)。鉻

26、鐵合金的典型的高溫氧化行為，如圖 1 所示在高溫長時間的環(huán)境中僅有氧化。圖 1 添加 Cr 對含碳量0.5%C鋼料氧化的影響，220 小時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。但是 500以上時，強(qiáng)度就會急遽下降，因此大多使用于高溫下但不須考慮潛變強(qiáng)度的場合，例如：石化工業(yè)、內(nèi)燃機(jī)閥門、熱處理爐零件等。Cr 系耐熱鋼因于其組織為肥粒鐵，所以又稱為肥粒鐵系耐熱鋼， Cr 含量大于以增加耐熱鋼的潛變強(qiáng)度， JIS 材料的編號中 SUH 409、 SUH 446 均屬之。如果10%以上時可Cr 含量大于10%以上時則以抗氧化性為主。(2)Cr-Ni系耐熱

27、鋼Cr 系耐熱鋼對于一般高溫環(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)度的場合，就需要采用Cr-Ni 系的耐熱鋼。Cr-Ni 系耐熱鋼基本上是將18-8 鋼，增加 Cr 、Ni 的含量，并添加Ti 、 Mo、W等元素以改良其高溫機(jī)械性質(zhì)者。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。主要合金元素的含量為： 1426%Cr、 1237%Ni、 0.10.4%C、 03%W等。此類耐熱鋼高溫強(qiáng)度大、加工性、焊接性良好，在 JIS 材料的編號為 SUH 309SUH 330，主要用于熱處理爐零件、高級排氣閥、引擎燃燒室、熱交換器等，另外還有 SUH 66

28、0、 SUH 661 為時效處理系耐熱鋼，應(yīng)用于輪機(jī)的靜翼和燃燒器。1-5-2軸承鋼軸承為支承軸于一定位置的機(jī)件，因此必須有足夠的強(qiáng)度、耐磨耗及很高的疲勞限。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，其成份為0.951.10%C 、0.91.6%Cr 、 0.50.9%Mn、 00.25%Mo，此外由于軸承鋼屬于高級合金鋼，所以磷、硫含量必須在 0.025%以下，以確保其機(jī)械性質(zhì)。軸承鋼除了材料純度要求較高之外，需要經(jīng)過熱處理使其中碳化物細(xì)化并分布于基地內(nèi)，以增加其耐磨性。一般加熱至780850，然后淬火于油中，在回火于140160，熱處理后其硬度值約HRc 62 以上。軸

29、承鋼在JIS 中之的材料編號為SUJ，例如： SUJ1、 SUJ2等。1-5-3彈簧鋼彈簧廣泛應(yīng)用于車輛、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、或鐘表的動力彈簧( 發(fā)條 ) 等。制造彈簧的材料有鋼料、銅合金、橡膠等。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、硅錳鋼、硅錳鉻鋼三類，有些特殊場合也用到耐蝕鋼。彈簧的制造必須先韌化、成形，然后在實(shí)施熱處理之后使用，大型的彈簧，例如：板片彈簧等，系將熱軋的板或棒，在高溫加工成形， 由 780850淬火于油中或水中，再經(jīng) 400500回火后使用。小型彈簧，例如

30、：螺旋彈簧等，必須將韌化處理后冷抽的鋼線( 通常稱為琴鋼線， piano wire) ，冷加工成形，再加熱于300350藍(lán)化處理(blueing)后，以提高疲勞限然后使用。彈簧鋼在JIS 材料中的編號屬于SUP。1-5-4電氣用鋼電氣用鋼屬于軟磁(softmagnetic) 材料，主要是用于制造電機(jī)機(jī)械例如：變壓器、電動機(jī) ( 馬達(dá)) 等的鐵心材料。良好的鐵心材料必須利于導(dǎo)通磁力線以提高效率，所以磁阻要低、導(dǎo)磁性要好，并且要容易磁化及退磁，殘留磁力小以減少磁滯損失(hysteresis loss)，因此材料微結(jié)構(gòu)必須晶粒粗、純度高并避免產(chǎn)生缺陷，而且要除去內(nèi)應(yīng)力，以使扇區(qū)容易移動。常用的鐵心材

31、料有純鐵、硅鋼、鐵鎳合金、鐵鈷合金、鐵氧磁體等，其中以純鐵及硅鋼較為常用。純鐵的導(dǎo)磁性好，但是因?yàn)楸入娮栊?，渦流損失(eddy current loss)大，因此添加硅，唯硅含量過高時材質(zhì)便脆化，因此一般在5.5%以下，此外硅鋼片制成片狀相迭也可以降低渦流損失。1-5-5磁石鋼磁石鋼是制造磁石的一種材料，主要是用于制造永久磁鐵，永久磁鐵使用于無線電擴(kuò)音機(jī)、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)永久磁極等，屬于硬磁(hard magnetic)材料。硬磁材料與軟磁材料相反，必須是要能保持磁力，即所謂剩磁(residual magnetim)較大者。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，來阻礙扇區(qū)的

32、移動。磁石鋼常用的材料有兩種類型：(1) 淬火硬化型磁石鋼將鋼料由高溫淬火，使其組織微細(xì)化，并因淬火所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使得材料不易失去磁性，這種材料稱為淬火硬化型磁石鋼。淬火硬化型磁石鋼主要是鎢鋼 (0.51.0%C 、 57%W)，另外還包括：碳鋼 (0.81.2%C) 、鈷鋼(0.91.2%C 、 517%Co)、 KS鋼 (0.71.0%C 、 3040%Co)等。(2) 析出硬化型磁石鋼將鋼料由高溫急冷得到高飽和固溶體，然后在適當(dāng)溫度回火，使其析出第二相物質(zhì)，由于格子畸變，而使得材料不易失去磁性，這種材料稱為析出硬化型磁石鋼。析出硬化型磁石鋼大致包括：MK鋼 (1540%Ni、715%A

33、l、020%Co)、Alnico鋼(7.517%Al 、1422%Ni、538%Co、其余為鐵 ) 等。1-5-6 超高強(qiáng)度鋼發(fā)展高強(qiáng)度鋼的目的是為了減少材料本身的重量，以承受相同的荷重而言，高強(qiáng)度鋼料相較于普通碳鋼可以用較小的斷面，因此在許多需要高強(qiáng)度而輕量的結(jié)構(gòu)中，更高強(qiáng)度的的鋼料一直是材料界追求的目標(biāo)。超高強(qiáng)度鋼(The Ultrahigh-strengthSteel)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，并且也需要易于加工及成形。超高強(qiáng)度鋼大致分為以下幾類：(1) 將中含碳量的強(qiáng)韌鋼或低合金鋼加入更多的S

34、i 及 V，以避免低溫回火脆性并增加韌性，可以得到超高強(qiáng)度鋼，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)200 kg/mm2 以上。例如： AISI 4141M、4130M、433V、D6AC等鋼種。(2) 改良工具鋼 (ModifiedTool Steel) ，系將原來高溫加工用的5Cr-Mo-V 模具鋼改良而成，可以作為飛機(jī)骨架、鋼架、橋梁等，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)200 kg/mm2 以上。例如： AISI H-11 、H-13 等鋼種。(3) 麻時效鋼 (Maraging Steel) ，含 Ni 20 是低碳高鎳含量的合金鋼，易于成形、加工、焊接，但必須在退火狀態(tài)才容易加工或成形。這類鋼種的時效元素為Co、Mo或 Ti

35、 ，在 480附近時效可以使其強(qiáng)度增為最大，由于時效溫度不高，因此對于精密機(jī)件不會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，麻時效鋼的抗拉強(qiáng)度可達(dá)150210 kg/mm2 ，其鋼種如：18Ni 鋼、 20Ni 、 25Ni 等均是。(4)Cr-Ni-Mo或 Fe-Cr-Mo-Cu 等，是屬于低碳、可硬化、易加工和焊接的合金鋼，這些合金鋼能在低溫下析出硬化，而且在耐高溫氧化及耐疲勞性均佳。Cr-Ni-Mo 合金并適合用于承受大荷重的機(jī)件，例如：磨擦盤、大型軸、齒輪、滑槽等。，其抗拉強(qiáng)度在150 kg/mm2 以上。例如： Astralloy、 A

36、FC-77 等鋼種。(5)9Ni-4Co鋼，是一種將碳化物生成元素含量減少，而以Ni 來提高韌性的鋼料，另外添加Co 以提高 Ms點(diǎn)并減少殘留沃斯田鐵，這種鋼韌性優(yōu)良，并可以變韌鐵組織狀態(tài)使用，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)200 kg/mm2 以上。 AISI 的材料編號例如：HP-9-4-20 、HP-9-4-30 、 HP-9-4-45等鋼種都是。摘 要1. 1. 合金鋼是指碳鋼添加一種或一種以上合金元素所形成的鋼料。碳鋼除了碳以外，若是含超過微量的其它元素，例如：含錳量在1.65 以上、含硅量在0.60 以上或含銅量在0.06 以上等等，就屬于合金鋼，2. 2. 合金鋼依其用途來區(qū)分，可分為構(gòu)造用合金

37、鋼和特殊鋼，構(gòu)造用合金鋼是使用在一般機(jī)械的構(gòu)成組件或建筑土木構(gòu)造上，特殊鋼是使用在需要高溫硬度、耐蝕、耐熱、 磁性等特別的場合。3. 3. 一般構(gòu)造用合金鋼由于使用的場合不同，可以分為非熱處理型和熱處理型兩類，前者大多是屬于低含碳量和低合金量， 構(gòu)成之后也無法再實(shí)施熱處理， 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，包括鎳鋼、鉻鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼、鎳鉻鉬鋼等。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。除硬質(zhì)合金之外， 工具用鋼料之中以高碳工具鋼的合金量少，價錢比較便宜， 而高合金量的工具鋼或高速鋼，價錢較昂貴。5. 5. 工具鋼必須強(qiáng)

38、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 ) ，另外必要時在添加耐高溫的 W、V 及 Co 等。6. 6.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，含Cr量在12以上之Fe-Cr合金，幾乎不會被侵蝕稱為不銹鋼，含Cr量在 12以下之Fe-Cr 合金，則稱為耐蝕鋼，實(shí)用上是以不銹鋼為主。7. 7. 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、硅錳鋼、硅錳鉻鋼三類。熱處理之后使用。彈簧的制

39、造必須先韌化、成形，然后在實(shí)施金屬的腐蝕學(xué)習(xí)目的1. 了解腐蝕的意義。2. 了解金屬材料腐蝕的原理。3. 了解影響金屬腐蝕的因素。4. 了解鋼鐵材料腐蝕的形式。5. 認(rèn)識防治腐蝕的方法。1-1前言材料會因?yàn)闀r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)時間。 一種材料所以無法再使用，除了肇因于強(qiáng)度無法承受負(fù)荷所產(chǎn)生的破壞(fracture)，還有磨耗 (wear) 、腐蝕 (corrosion)、輻射損傷 (radiationdamage)等其它因素， 而這其中又以腐蝕的傷害最大，影響也最嚴(yán)重， 因此認(rèn)識并防治腐蝕，是學(xué)習(xí)材料必備的課題

40、。生銹 (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，其它的材料雖然也會腐蝕，但不稱為生銹。腐蝕的過程可以是一種化學(xué)反應(yīng)(Chemical Reaction) ，而更多時候則是一種電化學(xué)反應(yīng)(Electrochemical Reaction)。所謂電化學(xué)反應(yīng)， 簡單的說是金屬間形成陽極和陰極的電池效應(yīng)。簡單的說， 電化學(xué)腐蝕與電鍍的原理相似， 都是由于材料本身足以產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)所導(dǎo)致，它們的差異， 只在于結(jié)果的不同。腐蝕是金屬的剝離，電鍍則是金屬的覆層。而就工程材料的來源而言， 材料原為礦石或是氧化物中冶煉，再度變?yōu)榛衔锒貧w穩(wěn)定也是自然的趨勢， 因此材料在某種

41、適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下，不論經(jīng)由化學(xué)或是電化學(xué)的反應(yīng)方式而發(fā)生腐蝕，也是自然的現(xiàn)象，而防治腐蝕的積極意義則是在提供材料更長的使用壽命。在日常生活中， 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，可能就會提供構(gòu)成回路的條件，而發(fā)生電化學(xué)腐蝕。此外例如：高溫、酸堿等環(huán)境因素，也會加速電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，因而增加腐蝕破壞的程度。在機(jī)械結(jié)構(gòu)使用上， 材料的選擇不當(dāng)， 對腐蝕因素的認(rèn)識不夠，也是助長結(jié)構(gòu)腐蝕的基本因素。因此探討防蝕工程，必須要了解化學(xué)和冶金學(xué)的基本常識，并且注意防治。腐蝕通常是經(jīng)由一段時間醞釀，當(dāng)損害的現(xiàn)象較為顯著時， 才會引起人們的注意， 而到破

42、壞造成時，結(jié)果卻往往非常嚴(yán)重。據(jù)估計， 在美國每一年因?yàn)楦g所造成的直接損失，就約占國民生產(chǎn)總值的4 %，達(dá)數(shù)百億美元之譜。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它方面，因腐蝕產(chǎn)生安全的危害、資源、環(huán)境的損失，也無法估計， 絲毫不遜于其它破壞所造成的損失。因此，對于材料的腐蝕機(jī)構(gòu)及防制腐蝕的方法的研究，尤其必須特別重視。事實(shí)上，除了金屬材料會受到腐蝕之外，其它材料也會發(fā)生腐蝕，例如：塑料、陶瓷材料的化學(xué)溶解 (chemicaldissolution)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

43、道。1-2 腐蝕的意義自然界中絕大多數(shù)的物質(zhì)，都有變成氧化物或是形成穩(wěn)定化合物的傾向，除了金、 鉑等貴金屬外，自然界中甚少有單純金屬存在。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，它們就開始有了回歸穩(wěn)定的趨勢，在環(huán)境許可下，它們會再度變?yōu)榻饘倩衔?，這種現(xiàn)象可說是發(fā)生腐蝕的基本原因。這些環(huán)境的因素，例如：水份、高溫，或是酸、 堿等化學(xué)物質(zhì)的誘導(dǎo)等，都可能引起金屬的腐蝕，如圖 1 所示。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?；瘜W(xué)腐蝕（chemical corrosion）又稱為直接溶解(d

44、issolution)，通常是指材料置于一種可以溶解的溶液環(huán)境中， 直到材料全部耗盡( 腐蝕 ) 或是溶液達(dá)到飽和點(diǎn)。其它諸如高溫、 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。電化學(xué)腐蝕通常是指兩種異質(zhì)金屬或金屬中足以構(gòu)成電位差的兩極，在一種電解質(zhì) (electropte)相連的環(huán)境中， 形成陽極金屬持續(xù)失去金屬離子而被腐蝕的現(xiàn)象稱之。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。1-2-1 化學(xué)腐蝕在自然界中，物質(zhì)會溶解于特定的溶液中是熟知的現(xiàn)象，例如：糖、鹽會溶解于水中，或是許多金屬或非金屬會溶解于鹽酸。有時我們也利用這些特性于制造方法，例如：利用氯化鐵來蝕刻銅藝術(shù)品

45、或電路板。但在工程材料的使用上，絕大多數(shù)的考慮仍是在防治腐蝕方面。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，然后持續(xù)成長，化學(xué)腐蝕有時也隨環(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，整個腐蝕現(xiàn)象就會變得較復(fù)雜。1選擇性濾除有些金屬合金材料在特殊環(huán)境下，其中的一種或多種元素容易被選擇性的濾除（leach ）或稱腐蝕，而變成多孔性的殘留物，因而降低了材料的機(jī)械性質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為選擇性濾除。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

46、，將使得黃銅變成多孔性結(jié)構(gòu)而變成很脆弱。2石墨化腐蝕石墨化腐蝕是另一種類似選擇性腐蝕的例子，灰鑄鐵的是片狀石墨交錯在鐵基地的組織，如果置于水中或是土壤中，鐵將較具陽極性而石墨將較具陰極性，因此鐵的部份將被腐蝕，而形成多孔性的外觀， 因此灰鑄鐵制成的管線，必須有積極的防蝕措施， 如果埋設(shè)不當(dāng)， 容易發(fā)生泄漏甚至爆炸的事件?；瘜W(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堿溶液）接觸， 也是另一種解決的方式。 如果一定必須在溶液的環(huán)境中使用，必須考慮選擇能抵抗化學(xué)腐蝕的材料。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

47、，以抵抗這種腐蝕并增加強(qiáng)度。這類的含錫黃銅包括：海軍黃銅(naval brass)、海將黃銅 (admiralty metal)等都屬之。1-2-2 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)。這里所說的電化學(xué)反應(yīng)是指在相同或不同金屬物體中，由于各種因素使得某些部位產(chǎn)生了局部的陽極反應(yīng)(Anoic Reaction)， 讓金屬失去一個或多個電子，變成金屬陽離子，亦即發(fā)生陽極氧化作用；而在同時，另一地點(diǎn)也會產(chǎn)生陰極反應(yīng)(CathodicReaction) ，獲得多出的電子， 使得陰極形成還原作用，而構(gòu)成一個電池效應(yīng)的現(xiàn)象。這種電池效應(yīng)使得陽極金屬造

48、成消溶腐蝕，稱之為電化學(xué)腐蝕（Electro-chemical corrosion）。電化學(xué)腐蝕反應(yīng)， 其實(shí)與電鍍 （ electroplating）的作用原理相似，也就是陽極失去金屬 （可以視為如腐蝕的現(xiàn)象） 而陰極則覆層金屬 （可以視為如電鍍的現(xiàn)象），只是腐蝕現(xiàn)象發(fā)生時，陰極反應(yīng)通常不會發(fā)生電鍍效應(yīng)，其還原反應(yīng)多生成氣體、液體或固體。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，陽極金屬就會發(fā)生腐蝕。兩種不同金屬就容易發(fā)生這種現(xiàn)象，這其中一種金屬會較容易失