第八章~碳鋼

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

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

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

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

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

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

8-2 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

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

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 )

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

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

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 1 2 3 4 5 S: 鏡鐵 例如 :FMnH1 第 1 種高含碳量之錳鋼 FMnS 錳鏡鐵

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 ) 1 2 3 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

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

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

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 0.030 % 以下, 含硫量須在 0.035 % 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

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 %)

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

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

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?