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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2．Cr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830℃~880℃淬火于油中，再回火于550℃~650℃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SAE5XXX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。3．Mo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。4．Ni-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。5．Cr-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。6．Ni-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(selfhardeningsteel)或风硬性钢(airhardeningsteel)，一般由850℃~950℃冷却于空气中或淬火于油中，再回火于550℃~650℃，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SAE8XXX，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/mm2Brinell硬度CNiCrMoMn碳钢0.40~0.50------0.40~0.85淬火回火708201~269S30NiCrMo2钢0.25~0.352.50~3.572.50~3.500.50~0.700.35~0.60淬火回火1108302~3521-3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150℃~200℃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，coldwork)，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(highspeedsteel)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1200℃~1350℃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400~550℃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Co40％~55﹪、Cr15﹪~33﹪、W10﹪~18﹪、C2﹪~4﹪、Fe5％以下、Mn1％，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