第八章~碳鋼

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州钭
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1 機械材料第八章碳鋼 8-1 鋼中所含元素對其特性之影響 8-2 碳鋼之編號及用途概述 8-3 普通構造用碳鋼 8-4 機械構造用碳鋼 8-5 鑄鋼

2 8-1 鋼中所含元素對其特性之影響碳鋼主要含鐵與碳, 另有少許雜質如 Mn Si P S 等, 這些元素對碳鋼性質之影響很大 C < 0.8 % 時, 隨 C 量之增加肥粒鐵減少而波來鐵增加, 故硬度抗拉強度降伏點等乃隨含碳量增高而增大 C > 0.8 % 後, 隨 C 量之增加雪明碳鐵開始游離出現, 故強度無甚增大, 抗拉強度與降伏點曲線最後變成水平, 硬度則呈直線繼續增大斷面縮率伸長率 ( 延性 ) 及衝擊值 ( 韌性 ) 則恆隨含碳量增高而減小共析鋼之硬化能最大, 亞共析鋼及過共析鋼皆次之含碳量在 0.3 % 以下之低碳鋼甚難熱處理硬化, 但較軟而易加工, 故一般均在軋延後用之

4 含碳量在 0.3 % 以上之鋼易於熱處理而不易加工, 成型之前尚須先行製程退火, 加工完畢再行必要之他種熱處理, 用於機械零件兵器零件等錳常與鐵共存, 故碳鋼內多少含錳鋼內之錳易與硫結合, 以消除硫之有害影響, 此外並能除去鋼中氧化物

5 低碳鋼中之錳固溶於肥粒鐵內, 有使之增強的效果 ( 此稱固溶強化 ; 錳在肥粒鐵內的溶解度為 3 %), 唯 Mn 量在 0.3 % 以下者, 其增強效果不大高碳鋼中, 錳與碳結合成 Mn 3 C, 且與 Fe 3 C 相溶合成 (Fe,Mn) 3 C, 更增強其強度及硬度, 唯延性降低含碳及錳量低時, 錳雖不影響高溫鍛造性, 卻有害其常溫之可鍛性矽在鋼內有防止氣孔形成增進收縮作用且有助於鋼液流動性等益處缺點為有減低碳在鋼中溶解之趨勢矽可促進 Fe 3 C 之分解 ( 石墨化 ), 若含矽量夠高, 且經適當處理, 鋼內的雪明碳鐵會分解, 釋出石墨, 成為石墨鋼, 兼具鋼及鑄鐵之優良特性

6 普通鋼料含矽量在 0.3 % 以下者居多 ; 變壓器所用之矽鋼片含矽量高達 4.0 ~ 4.25 %; 彈簧鋼含矽 1.8 ~ 2.2 % 間 ; 後兩者已屬合金鋼的範圍含矽量在 1.85 % 以下時, 可完全固溶於肥粒鐵內磷在鋼中含量很少, 普通鋼品之含磷量限於 0.05 % 以下, 故磷大多固溶於肥粒鐵, 使其晶粒粗大化, 降低延韌性, 而增高強度硬度磷使鋼在低溫時變脆而具有冷脆性 (cold shortness), 故寒帶地方使用之鋼品, 含磷量限在 0.04 % 以下磷有助於鋼之耐大氣腐蝕性, 但在鋼中易起偏析 (segregation) 即使高溫加熱亦不擴散而原封留下, 於軋延或鍛造後成為細長帶狀, 在顯微鏡下視之如線, 稱為魔線 (Ghost line), 為鋼材破壞之禍根之一

7 硫有助於鋼之易切性, 但含硫量高者含錳須多 ( 錳量宜為硫量之 3.8 倍 ), 否則鋼料即有熱脆性 (hot shortness), 易在熱軋時斷裂鋼內含硫量之多寡及偏析狀況, 可用硫印法 (sulfur print) 觀察

8 8-2 碳鋼之編號及用途概述我國鋼鐵材料之編號系統由中央標準局制定, 係仿自日本 JIS 規範根據 CNS 2473 G3039 (72 年修訂 ) 規定, 一般結構用軋鋼料編號為 SSXX,XX 為數字, 代表最低抗拉強度 kgf/mm 2 例如 :SS41 為抗拉強度 41 kgf/mm 2 以上之結構用軋鋼料根據 CNS 2906 G3052 為碳鋼鑄件之規範 (73 年修訂 ), 編號為 SCXX,XX 之意義同前例如 :SC37 代表抗拉強度大於 37 kgf/mm 2 以上之碳鋼鑄件 CNS 2673 G3048 為一般用途之碳鋼鍛件規範 (75 年修訂 ), 編號為 SFXXA 或 SFXXB,XX 之意義同前,A 代表鍛後經退火正常化或正常化後回火處理,B 代表鍛後經淬火回火處理

9 CNS 規格 : 鋼鐵材料編號說明一般結構用軋鋼料 SSXX XX: 最低抗拉強度 kgf/mm 2 碳鋼鑄件 SCXX XX: 最低抗拉強度 kgf/mm 2 碳鋼鍛件 SFXXA SFXXB XX: 最低抗拉強度 kgf/mm 2 A: 鍛後經退火正常化或正常化後回火處理 B: 鍛後經淬火回火處理 JIS: 日本工業規格 AISI-SAE 編號系統 : 美國鋼鐵學會 (AISI) 與美國汽車工程師學會 (SAE) 合訂規格

10 JIS 的各種碳鋼編號方式與 CNS 表示法相同對機械構造用碳鋼材另有一種 SXXC 之編號, 此 XX 為數字, 代表平均含碳量之點數 (1 點 =0.01% C) 例如 :S25C 代表含碳量約為 0.25 % ( 可為 0.22 ~ 0.28 %) 之碳鋼 S100C 代表含碳量約為 1.0 % 之碳鋼 AISI-SAE 編號系統 : 碳鋼編號恆為 10XX, 此 XX 亦為含碳量之點數 JIS 規格 :( 三部份 ) 1. 起頭的部份 : 材質 ( 鋼 :S, 鐵 :F (Ferrum)) 2. 其次的部份 : 規格或製品名稱 (D: 冷抽拉 Ez: 熱擠型 ) 3. 最後的部份 : 種類 (1:1 種 A:A 種或 A 號 2A:2 種 A 級 2S:2 種特級 41: 抗拉強度 41 kgf/mm 2 )

11 碳鋼之一般用途可概述如下 : 碳鋼材料用途例極軟鋼軟鋼半軟鋼半硬鋼硬鋼最硬鋼高碳工具鋼鉚釘材鋼線材鉚釘材橋樑材造船材建築材橋樑材汽缸材建築材軸材機械構造材軸材軸材普通工具用材含碳量高於 0.6 % 各種工具銲條心鍍鋅自來水鋼管鋼軌鋼製傢具鉚釘釘鋼線馬口鐵皮鍍鋅鋼線自來水管等鉚釘橋樑竹節鋼筋鐵條構造用鋼帶自來水管加油管火焰管鍋爐鐵桶鐵路飛機吸氣管等鐵船殼航空機管帶連槓汽缸汽缸外板橋樑螺絲釘竹節鋼筋車架起重機等各種建築用鋼材與螺絲螺絲母齒輪連槓活塞桿凸輪軸鍵活塞閥鐵路車軸等軸類壓縮氣體容器飛機氣筒鍵曲柄滾筒等鐵軌鑽床主軸洋傘骨車輪圈車軸木工工具石工鎚剪刀小刀等鑽鑿緞壓工具剪斷工具鎚醫療用具理髮用剪刀剃刀鋸眼模

12 高碳工具鋼含碳量可高至 1.6 %; 唯含碳量過高則太硬而脆無韌性易折斷不實用高碳工具鋼皆含錳以提高其硬化能力

14 CNS 規格 :( 鑄造用生鐵合金生鐵 ) 一二 ( 若不需要可省略 ) 三 ( 若不需要可省略 ) 四 F ( 生鐵 ) 鐵內所含特種元素之符號含碳量高低 L: 低 M: 中碳量 H: 高鐵內所含主要特種元素或其他化學成分之多寡 S: 鏡鐵例如 :FMnH1 第 1 種高含碳量之錳鋼 FMnS 錳鏡鐵

15 CNS 規格 :( 碳鋼合金鋼 ) 一二 ( 若不需要可省略 ) 三 S ( 鋼 ) 平均含碳量百分率之百分之一 6:0.06 % C 100:1.00 % C 附加括號 : 最小抗拉強度或降伏強度 S(50)C:50 kgf/mm 2 之抗拉強度除鐵外之主要元素 C: 碳鋼 CrMo : 鉻鉬鋼 NiCrMo : 鎳鉻鉬鋼四 ( 若不需要可省略 ) 鋼中所含主要合金元素之種類五 ( 若不需要可省略 ) 鋼料之種別或用途 : 英文字母例如 :S10(FC) 平均碳含量 0.10 % 之易切鋼 SAlCr(N) 含鋁鉻之氮化鋼 S125CrWV(TC) 1.25 % C 之鉻鎢釩切削用合金工具鋼註 : 若要表示鋼料煉製之方法時, 可用一英文字母添加於編號之前例如 :ES17Ni2 電爐煉製 0.17 % C 之第二種鎳鋼煉製法 :E 電爐法 B 轉爐 LD 法 O 平爐法

18 8-3 普通構造用碳鋼普通用碳鋼係指一般結構用軋鋼料, 其含碳量不加限定, 但通常在 0.2 % 左右切削加工塑性加工及焊接性均佳, 加工後表面光滑普通用碳鋼可軋成各種基本形狀, 如鋼板棒鋼型鋼 (L 型 U 型 T 型 I 型 H 型 ) 等, 廣用於建築橋樑船舶鐵道車輛及其他構造物另外, 焊條之心材及螺栓螺母銷等, 亦多以此類鋼料製成

20 8-4 機械構造用碳鋼機械用碳鋼係採用較一般結構用者為高級, 而質地優良之碳鋼機械用碳鋼料須為由電爐平爐或鹼氧轉爐製鋼法製造的全靜鋼, 且須具有加工性良好品質均一無缺陷等特點機械用碳鋼, 其含碳量較少者, 無論鍛造鑄造切削焊接之加工均非常容易, 因此一般機械零件之鍛鋼品, 大部份使用此類之軋延鋼料含碳量在 0.4 % 附近之鋼料, 表面淬火硬化性優, 因此在必須具備耐磨表面之部位, 如曲柄軸連桿齒輪等皆使用此類鋼料

22 我國 CNS 規格區分碳鋼鍛件為九種, 即 SF35A SF40A SF45A SF50A SF55A SF60A SF55B SF60B 及 SF65B ( 見 CNS 2673 G3048, 1986, 此規格即為 JIS G30212), 其含磷量須在 % 以下, 含硫量須在 % 以下, 且碳鋼鍛件需經退火正常化正常化及回火或淬火及回火等熱處理過程含碳量在 0.4 % 以上之機械用鋼耐磨性優, 唯延展性減少, 淬火易裂, 故熱處理必須慎重, 且回火後必須急冷, 以避免回火脆性之發生這類碳鋼切削困難, 若施以球化處理, 即可改善之多用為曲柄軸銷工具彈簧鋼軌等

23 8-5 鑄鋼形狀複雜的物件 ( 如閥等 ) 不易鍛造, 但若改用鑄造則十分方便鑄造法雖然可以使用鑄鐵, 但因鋼的機械性質甚優於鑄鐵, 故需高強度或耐高溫的鑄件, 仍不得不以鑄鋼鑄造鋼之鑄造性甚佳, 幾乎任何含碳量的鋼都可鑄造, 唯以熔融溫度較高鑄縮率較大, 其作業比鑄鐵者困難碳鋼鑄鋼可以分為 : 1. 低碳鑄鋼 (C < 0.20 %) 2. 中碳鑄鋼 (0.20 ~ 0.50 % C) 3. 高碳鑄鋼 (C > 0.50 %)

24 鑄鋼時所用熔爐可採用任意一種煉鋼爐, 過去喜用酸性平爐, 今則較少, 本省以採用電弧爐及感應電爐者居多

25 鋼溶液內常須加入矽鐵錳鐵或鋁等以行還原且除去氣體鑄砂多採合成砂, 粗細適當配合之砂內加入耐火黏土約 2 ~ 6 %, 再加入約 1 % 之有機膠合物與 2 ~ 6 % 水相拌合模心則用心油 (core oil) 或鋯粉以代黏土澆鑄前須充分烘乾之鋼鑄件要求無氣孔無夾雜物無縮孔無裂紋及無其他使用上有害之疵病我國 CNS 規格 2906 G3052 區分碳鋼鑄件為四種 ( 相當於 JIS G5101) 鑄件應做退火正常化正常化及回火或淬火及回火等熱處理, 以改善組織除去殘留應力或使強度增大

27 作業 : 1. (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j) (k) 4. 何謂普通用碳鋼? 5. 何謂機械用碳鋼? 6. 機械用碳鋼在熱處理上, 有那些事項須注意? 7. 鑄鋼一般可分為幾類? 7. 我國 CNS 規格區分碳鋼鍛件為那九種?

連鑄棒

連鑄棒 JIS 不銹鋼棒 SUS 不銹鋼鋼種類別 : 沃斯田鐵系不銹鋼 :SUS201,202,301,302,303,303Se,304,304L,304N1, 304N2,304LN,305,309S,310S,316,316L,316N,316LN,316J1,316J1L,317,317J1,321,347,XM7,XM15J1 沃斯田鐵肥粒鐵系不銹鋼 :SUS3291 肥粒鐵系不銹鋼 :SUS405,410L,430,430F,434,447J1,XM27