=== 第 7 章合金鋼及特殊鋼 ===

=== 第 7章合金鋼及特殊鋼 ===

7-1 構造用合金鋼7-2 合金工具鋼7-3 耐蝕鋼7-4 其他特殊鋼

第 7章合金鋼及特殊鋼

合金鋼（ Alloy steel ）係在碳鋼中加入一種或一種以上的金屬或非金屬元素，藉以改變碳鋼的機械性質與物理性質，添加的元素，例如：鎳、鉻、鉬、鋯、釩、鈷、鋁、錳、鎢、鈦、矽等，加入合金元素之後，期使新的鋼材獲得如下的主要特性：1.強化鋼的機械性質，例如：強度、硬度、衝擊值、韌性、彈性、硬化能等性能。

2.延長鋼的使用壽命。

3.增加鋼的耐蝕及防鏽能力，使鋼的表面保持光亮與美觀。

第 7章合金鋼及特殊鋼依照合金鋼的用途，可將合金鋼分為兩大類： (1) 構造用合金鋼（ Constructional alloy steel ）； (2) 特殊合金鋼（ Special alloy steel ）。合金鋼的詳細分類，如表 7-1 所示。

由表 7-1 可知，構造用合金鋼依照所加入之合金元素種類之不同，可細分為下列幾種：1.高強度低合金鋼。

2.熱處理用中合金鋼。

3.彈簧鋼。

4.滲碳鋼。

5.氮化鋼。




特殊合金鋼可依照其所含的金屬元素種類分為下列鋼種：1.工具鋼，例如：切削用鋼、耐衝擊用鋼、耐磨用鋼、熱加工用鋼等。

2.軸承鋼。

3.耐蝕鋼，例如：不鏽鋼、耐酸鋼等。

4.耐熱鋼。

5.電磁用鋼，例如：非磁性鋼、矽鋼等。

6.磁石鋼，例如：高導磁率鋼、永久磁石鋼等。


特殊合金鋼的介紹將於 7-3 、 7-4 節中詳細說明。在進入構造用合金鋼的說明之前，我們再將鋼中所含元素對其特性之影響作一重點式的說明，以期在往後各節的介紹時，同學能先行掌握成分金屬的特性，有系統的吸收與瞭解其精髓。


碳雖非合金鋼的添加元素，但其對鋼的性質影響最大，主要影響為：(1) 強度增大，抗衝擊力降低。

(2) 提高鋼的硬化深度及耐磨性。

(3) 降低韌性及延展性，機械加工變得較困難。


(1) 增加韌性。

(2) 促進鋼的石墨化，增加強度。

(3) 使鋼耐高溫及耐磨耗。

(4) 增加鋼的抗蝕性，且不易變形與生鏽。


(1) 耐蝕性強。

(2) 增加鋼的硬度及強度。

(3) 提高耐磨性及耐熱性。

(4) 使晶粒細化。


(1) 增加鋼的強度及韌性。

(2) 使晶粒細化。

(3) 增加合金的高溫強度及抵抗潛變能力。

(4) 改善不鏽鋼的耐蝕性及鎳鉻鋼的回火脆性。

(5) 保持鋼於紅熱溫度的強度及硬度，具有良好的切削性。


(1) 增加鋼的耐熱性及耐磨性。

(2) 固溶於肥粒鐵中，可增加鋼的硬度及強度。

(3) 鈷含量超過 20% 時，能抵抗高溫軟化。

(4) 提高合金鋼的淬火溫度。

(5) 可提高鋼的剩磁性，是製造磁石鋼的主要元素。

(6) 結合鎢與碳元素，形成碳化鎢刀具。


(1) 提高鋼對衝擊及反覆震動的抵抗能力。

(2) 具有脫酸除氧之能力，使鋼的斷面堅實。

(3) 使晶粒組織密實。

(4) 提高鋼的高溫強度及切削刀具的切削能力。


(1) 含量超過 12% 時，鋼的耐磨性及強度均增加。

(2) 最能增加鋼的硬化能，並能降低淬火溫度。

(3) 使鋼件之變態溫度下降，且變態速度變得遲緩。

(4) 具有去除氧化硫的功效。


(1) 增加鋼的硬化能，使鋼耐磨堅硬。

(2) 增加鋼的頑磁性，可做為永久磁石。

強力脫氧劑，並可促進石墨化。


(1) 具有脫酸去氧之功能。

(2) 鈦與碳結合成 TiC 具有優良的切削性。

(3) 在 600℃的高溫下，仍能保持強度。


(1) 促進石墨化。

(2) 具有脫酸去氧之功能，防止氣孔的產生，使鋼的組織結實。

(3) 含量高時會增加鋼的脆性，適量則有助鋼的流動性。

(4) 提高鋼的淬火溫度。

(5) 一般電機用的特殊鋼料大都是用矽鋼。


(1) 改善鋼的切削性，增加切削時潤滑效果。

(2) 易使鋼產生高溫脆性。

(1) 改善鋼的切削性。

(2) 增加鋼的耐蝕性。

(3) 易使鋼產生常溫脆性，降低衝擊抵抗力。


合金鋼的優點雖然符合工業界的需求，唯其價格昂貴，不易製造，且需經過特殊的熱處理程序，為其主要之缺點。合金鋼的主要化學成分及分類可參考表 7-2 所示，為美國自動工程學會 SAE有關之分類說明。

從表 7-2 可知，合金鋼的常用成分為鎳、鉻、鉬等元素，主要類別有碳鋼、鎳鋼、鎳鉻鋼、鉬鋼、鉻鋼、鉻釩鋼、鎢鋼、鎳鉻鉬鋼、矽錳鋼等。

此等合金鋼類別可以如下的口訣記憶之：「一碳二鎳三鎳鉻，四鉬五鉻六鉻釩，七鎢八鎳鉻鉬九矽錳」。



7-1 構造用合金鋼

構造用合金鋼的主要優點為容易淬火，並能改良回火後的機械性質。

它是用來製造各種機械的重要零件，不但抗拉強度、彈性限界、伸長率、衝擊值、疲勞限界等各種機械性質均屬優良，同時其鑄造性、鍛造性及切削性等各種加工性亦甚良好。

構造用合金鋼依照所加入合金元素的不同，大致可分類如下：


一般大型的構造機架，因體積龐大，無法以淬火或回火的熱處理方式來提升其強度與韌性，只能以滾軋或正常化處理後之鋼材來代替。

另外，若含碳量高的鋼進行銲接時，熔接處於冷卻後，組織變成硬脆的麻田散鐵組織，容易受外力而破壞。

所以，為了改善上述現象，一般可在低碳鋼中加入合金元素，此時合金元素會固溶於肥粒鐵中，使肥粒鐵的硬度及抗拉強度增加。


依照所加入合金元素的種類及含量不同，其增加之硬度與抗拉強度大小也會不同。加入的合金元素主要有矽、錳、鈹、鈦、鉬、鈷、鉻等，其中矽、錳、鈹、鈦、鉬等增加的硬度與抗拉強度效果較為顯著。

利用這些合金元素滲入鋼中並溶入肥粒鐵中，使肥粒鐵強化並進而改變其機械性質的鋼稱為高強度低合金鋼。


如圖 7-1 所示，為鋼中個別加入多種合金元素後的抗拉強度曲線分布情形。


由圖 7-1 可知，鈹、鈦、矽、鉬、錳等的強化效果較為顯著。一般低錳鋼及低矽錳鋼組織內的肥粒鐵含量約佔 75% ，其強化效果更好，並且能改善銲接性。

此外，因為所用的鋼為含碳量較低者，不會有淬火硬脆的現象產生，可避免熔接時的淬裂與熱應力集中現象產生。


高強度低合金鋼的組成成分，具有下列的主要特點：1.含碳量比一般構造用合金鋼低。

2.加入鈹、鈦、矽、鉬、錳等元素可以明顯地強化肥粒鐵組織。

3.添加鉻、鎳等元素可以增加鋼的耐蝕性。

高強度低合金鋼的主要用途為：公路的橋樑、車廂、壓力容器、建築用鋼架、產業機械等，以及無法熱處理的大型構造物。


所謂熱處理用中合金鋼是在構造用合金鋼中添加特殊的合金元素，以改良回火後強度及硬度大幅降低的缺點，其改良的特性說明如下：

淬火冷卻後，鋼材被硬化的深度大小稱為硬化能（ Hardenability ）。


硬化深度大者其硬化能亦大，如圖 7-2 所示，為鋼材淬火後沿著深度方向的硬度曲線，又稱 Jominy 曲線。


由 Jominy曲線可知，鋼材表面因冷卻速度快而得到極高硬度，其組織為麻田散鐵組織，愈往心部的位置則因冷卻速度較慢而得到吐粒散鐵或糙斑鐵等較軟的組織。

圖中 A 與 B 材料所含合金元素的種類與含量不同，其硬化能就有明顯的差異。 A 材料的成分為 0.3% 碳、 0.6% 錳、 0.7% 鉻、 3.5% 鎳、 0.26% 矽、0.35% 鉬； B材料的成分為 0.3% 碳、 0.7% 錳、 0.1% 鉻、 0.14% 鎳、 0.26% 矽。 A 材料的硬化能較 B 材料為高，而且 A材料心部位置硬度較 B材料為高。所以，碳鋼中加入合金元素後，能增加硬化深度達到硬化能增大的效果。


合金元素中，以錳最能增加硬化能，其次依序為：鉬、鉻、矽、鎳等；若同時加入兩種以上之合金元素，則硬化能的增加更為明顯。此外，結晶粒愈大的鋼種其硬化能亦較結晶粒小者為大。


淬火後的鋼材脆性頗大，施予回火後，雖然其韌性增加但強度與硬度亦降低。

為了避免此一缺點產生，適當的加入合金元素即可有效改善。

如圖 7-3 所示，為鉻及鉬元素對鋼回火後的硬度影響。



由圖 7-3 中可看出，鉻及鉬含量愈多，鋼材的 HRC 硬度值愈高，鉬的影響較鉻為顯著。所以，鉻及鉬元素均可使鋼材在高溫回火時提升硬度、強度及韌性等特性。


另外，鉬可讓淬火後的鎳鉻鋼或錳鉻鋼，於 500~650℃高溫回火時所生的韌性大幅降低的現象（稱為高溫回火脆性）獲得充分的改善。至於，一般構造用鋼於 300~350℃回火時，韌性降低的現象（稱為低溫回火脆性），亦可加入鋁、鈦、釩等元素來減少此一現象之發生。


熱處理用中合金鋼依照所加入之合金元素之不同可分為：鎳鋼、鉻鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼、鎳鉻鉬鋼等，茲說明如下：

構造用鎳鋼的韌性、耐磨耗及耐蝕性較強，主要是因為鎳元素不與鐵生成碳化物，而是完全固溶於肥粒鐵內。


鎳鋼的變態點溫度隨含鎳量與含碳量的增加而下降，當含鎳量為 25% 時，則其加熱與冷卻的變態溫度相差 500℃，即使在大氣中冷卻，亦可獲得麻田散鐵組織，此種現象稱為自硬性（ Self-hardening property ）或風硬性（ Air-hardening roperty ）。

所以含鎳量為 5 30% 的鎳鋼，因加熱與冷卻的變態溫度相差太大，故常稱為不可逆鋼（ Irreversible steel ）。如圖 7-4 所示，為鎳鋼的機械性質。



一般構造用鋼含鎳量都在 5% 以下，其主要優點為：1. 鎳可增加肥粒鐵的強度及韌性，為一種強韌鋼。

2. 在低溫時具有良好的衝擊抵抗能力。

3. 鎳可使鋼的晶粒微細化。

4. 鎳可充分的改進鋼的抗鏽能力、彈性限界、增加淬火硬化深度及疲勞強度等。

鎳鋼的主要用途為：製造飛機及汽車上的齒輪、鏈輪、傳動軸、曲柄軸等機件，其特性為表面硬且耐磨，心部柔韌耐衝擊。


鉻鋼是在碳鋼中添加鉻元素約 1% 以得到較高的硬化能、高回火抵抗性及強韌的組織。鉻鋼一般均在 800~ 880℃溫度間淬火於油中，然後再回火於 550~ 600℃，因其容易產生高溫回火脆性，故回火後均直接冷卻於水中或油中，以免發生回火脆性。

由圖 7-5 可知，鋼材的直徑愈接近心部時，鉻鋼的硬度將遠大於碳鋼且水冷卻又比油冷卻來得硬。而由圖 7-6 可知，鉻鋼回火溫度愈高時，其衝擊值愈高，而抗拉強度、降伏點及硬度值則愈低。




鉻鋼自淬火後回火時，從麻田散鐵中析出碳化物，因此其硬度不受影響，產生了二次硬化現象。

如表 7-3 所示，為多種構造用鉻鋼的機械性質。



構造用鉻鋼的優點如下：1. 具有優良的抗氧化性、耐蝕性及耐磨性等；汽車汽缸內壁均以鍍上鉻元素做為抗磨表面。

2. 含碳與鉻量較低之合金，其硬化能較小，韌性較強且熱處理不生硬化現象。

3. 含鉻量高的低碳鋼延展性佳。


鎳鉻鋼是鎳鋼中加入鉻元素，其作用為鎳熔入肥粒鐵中，使鋼變得強韌，並且加入鉻使其產生碳化鉻，以提高硬度，增加其淬火性。鎳鉻鋼為最早使用的構造用合金鋼，被用作為砲身的合金鋼。


鎳鉻鋼一般於 820~880℃間淬火於油中，再回火至 550~600℃間，得到強韌的性質。若冷卻溫度低於 550℃時，則鎳鉻鋼將發生回火脆性而失去韌性。相關鎳鉻鋼的機械性質曲線圖，如圖 7-7 所示，可知回火溫度愈高，則衝擊值愈大，但抗拉強度、降伏點及硬度則大幅降低。


7-1 構造用合金鋼構造用鎳鉻鋼的機械性質如表 7-4 所示。

構造用鎳鉻鋼常用於製造軸、齒輪、連桿、高強度螺栓及螺帽等。


鉻鉬鋼是鉻鋼中添加少量的鉬元素所成的合金鋼，其機械性質大致與鎳鉻鋼相近，不會發生硬化脆性，熔接處的晶粒較鎳鉻鋼為細，故熔接性較佳，亦不必經過熱處理。唯此種鋼材當溫度升至 400~500 ℃附近時，潛變強度很大，故較適合高溫高壓的機械零件。


鉻鉬鋼的主要優點為硬化能優良，回火的軟化抵抗性強，回火脆性較小，因此，用途很廣並可取代鎳鉻鋼，成為受歡迎的鋼種之一。鉻鉬鋼的主要用途為製造汽車的曲柄軸、螺栓、薄板及管類製品等。


此外，鉻鉬鋼中的鉬元素具有使回火溫度提高之現象，可得較高的強韌性。如表 7-5 所示，為鉻鉬鋼的機械性質，由表中可知鉻鉬鋼的降伏點、抗拉強度及硬度均較鎳鉻鋼為高，而伸長率與斷面縮率則與鎳鉻鋼相近。



鎳鉻鉬鋼是在鎳鉻鋼中加入 1.0% 以下的鉬元素，可得到強韌的鋼材，是構造用鋼材中最優良的鋼種。因鉬元素的淬火硬化能力大，淬火的有效直徑高達200mm 以上，回火軟化的抵抗能力又大，故能回火至相當高的溫度且得到極高的強韌性。

所以，鉬元素可改善鎳鉻鋼回火脆性的缺點。鎳鉻鉬鋼主要用於汽車的曲柄軸、連桿、大型軸與齒輪、高強度螺栓及螺帽等，其相關的機械性質，如表7-6 所示。



在鋼中添加合金元素如：鉛、硫、磷等元素，可使切削加工時的切屑變成細片狀或短的間斷屑，同時此等元素亦具有潤滑效果，增加切削性及加工面的表面光度。此種加入鉛、硫、磷等元素而容易加工的鋼種稱為易削鋼。

一般依所加的元素可將易削鋼分為兩種： (1)硫系易削鋼； (2)鉛系易削鋼。


在鋼中添加錳及硫時，易形成硫化錳，使切屑變細，而且硫化錳在高溫時具有黏性，加工時會延著加工方向伸長，若再加入少量的磷，可使鋼質變脆，形成帶狀的組織，可增加切削性及加工面的光度及精度。

唯這些鋼材的機械性質不佳，並不適合鍛造、冷作加工成型及熔接等。


在碳鋼或合金鋼中添加 0.1~0.3% 的鉛，可改善鋼的切削性。因鉛在任何狀態皆不溶解於鐵中，而是以單體粒狀的方式均勻的分布於鋼中。

切削時，鉛會形成固體的潤滑劑，使切屑易斷且不影響其機械性質。


彈簧鋼（ Spring steel ）是製造彈簧的重要材料，必須具備有高彈性限界、高疲勞限界、不易變形及耐衝擊等特性。

所以，一般均在鋼內加入矽、錳、鉻、鉬等合金元素，以得到所求之性質。具有此種性質的鋼種計有碳鋼、矽錳鋼、矽鉻鋼、鉻鉬鋼及鉻釩鋼等。如矽錳彈簧鋼可用於汽車與火車之葉片彈簧之製造等。


彈簧鋼破壞的現象起於局部凹陷變形所引起的，而鋼中的硫化物、矽酸物、氧化物等都是造成局部凹陷變形的原因。此外，鋼表面的脫碳情形，亦會降低彈簧鋼的疲勞強度。


彈簧依照加工方式可分兩種： (1) 高溫加工；(2)常溫加工，茲說明如下：1.高溫加工：大型彈簧大都以高溫加工製造，其製造方法為將高溫的軋延鋼板或棒材，於高溫加工成型後，在 820~880 ℃間淬火於油中或水中，再回火於 450~550 ℃溫度後得到。


2.常溫加工：一般小型彈簧均以此法製造，其加工均以鋼絲、鋼琴線、鋼帶等鋼料加工而成。而鋼琴線（ Piano wire ）是含碳量在 0.65~0.95% 的高碳鋼且雜質甚少的鋼種，經過韌化（ Patenting）處理後成為糙斑鐵組織，再常溫抽拉成線，其機械性質優良、抗拉強度及韌性特佳，非常適合作為彈簧材料。


2.常溫加工：一般鋼琴線在韌化處理抽線後，都會再放入 400~500℃的熔融熱鹽浴槽內施以發藍（ Bluing）處理，以去除常溫加工時所生的殘留應力，同時提高鋼琴線的彈性限界。發藍處理後，彈簧鋼的表面生成藍色的氧化膜，可防止氧化並具有防鏽等特點。


彈簧鋼的機械性質，如表 7-7 所示。


以含碳量＜ 0.2% 的鎳鋼或鉻鋼經過滲碳處理後，可以得到表面耐磨且硬度高而心部韌性大的鋼種。此外，鎳能降低滲碳的速度，降低表面的硬度，但可增加表面的耐磨性；而鉻可增加鋼件表面的硬化能。

滲碳鋼的種類主要有：鎳鋼、鎳鉻鋼、鉻鉬鋼及鎳鉻鉬鋼等，其主要用途為製造汽車零件、齒輪、軸及活塞等需耐磨的鋼件。


將表面潔淨的鋼料置於氨氣爐內，在氨氣中維持一段時間，則鋼件表面將生成一層極薄的硬化層，若添加鉻元素，更可提高硬度、耐磨性與耐蝕性等。

若添加鉬元素，則可防止回火脆性及促使心部組織微細化，緩和氮化表面的脆性。


氮化鋼主要種類有：鋁鉻鋼、鋁鉻鉬鋼、鋁鉻鉬鎳鋼等。

氮化鋼的最大優點為硬化後不必施以熱處理，可避免淬火時的彎曲變形與龜裂，表面硬化層之深度可加以控制。

氮化鋼的主要用途為模具公母模、量具、內燃機汽缸、曲軸、活塞銷、閥門及規具等之製造。

7-2 合金工具鋼

工具鋼（ Tool steel ）為製造各種工具與刀具所用的合金鋼，所以，其硬度、韌性及耐磨性要求均高。為了達到此一目的，一般均以含碳量 0.6~1.5% 的高碳鋼為主要的鋼材，再添加合金元素如：鎢、鉻、鎳、釩、鉬、錳等，得到所需的性質。

工具鋼分四大類： (1) 碳工具鋼； (2) 合金工具鋼；(3) 高速鋼； (4) 工具用硬質合金。

7-2 合金工具鋼

為避免含碳量太高導致韌性降低與脆性增加之缺點，碳工具鋼（ Carbon tool steel ）一般的含碳量約在 0.6~1.5% 之間，含矽量約為 0.35% 以下，錳的含量在 0.5% 以下。

其缺點為硬化深度較淺，且對回火軟化的抵抗能力亦小，高溫時硬度低及切削耐久性差等現象。唯其價格低廉且獲得容易，熱處理方法簡單，鍛造及機械加工容易，又能依照含碳量的增加而提高其硬度與耐磨性，所以用途最廣。

7-2 合金工具鋼如表 7-8 所示，為碳工具鋼的熱處理條件與硬度比較。

7-2 合金工具鋼

一般含碳量在 0.6% 以上的碳鋼，其淬火後硬度增加不多，所以，如需要承受衝擊的場合如鏨子、鋸條、鍛造工具等硬度不需太高而韌性需高者，宜用此種低碳工具鋼。

若需要高硬度及耐磨性佳者，宜用高碳鋼，因為含碳量高時，能在麻田散鐵基地中均勻分布球狀的雪明碳鐵的組織，如此可得到較高的韌性。如車刀、銼刀等刀具宜用高碳工具鋼，其淬火溫度為 760~820 ℃、低溫回火溫度為 150~200 ℃、退火溫度為 750~780 ℃。

7-2 合金工具鋼

合金工具鋼（ Alloy tool steel ）是於碳工具鋼中加入合金元素如：鉻、鎢、鉬、釩、錳、鎳及矽等，以提高碳工具鋼的硬化能、磨耗性、回火軟化的抵抗能力等。

合金工具鋼依所添加的合金元素不同可分為四類： (1) 切削用合金工具鋼； (2) 耐衝擊用合金工具鋼； (3) 耐磨用合金工具鋼； (4) 熱加工用合金工具鋼，茲分述如下：

7-2 合金工具鋼

如表 7-9 所示，為切削用合金工具鋼的化學成分與用途。由表 7-9 中可知其含碳量甚高，並含鉻、鎢、鎳及少量的釩等合金元素。

依所加入之合金元素又可分為：鎢鋼、鉻鋼、鉻錳鋼、鎢鉻鋼、鎳鉻鋼及鎢鉻釩鋼（又稱為高速鋼）等。

7-2 合金工具鋼

7-2 合金工具鋼

(1) 鉻鋼：鉻主要是用來提升鋼材的硬化能，鉻易生成碳化物，以抵抗回火軟化的能力，並能在高溫下保持高硬度及耐磨性。

(2) 鎢鉻鋼及鎢鉻釩鋼（高速鋼）：鎢是形成碳化物最強的元素。鎢所生成的特殊碳化物能增強硬度並具有耐磨性，但硬化能則無顯著提升，故再加入鉻元素，即可提高其硬化能效果。而釩與鎢特性頗為相似。一般如：螺絲攻、鑽頭、手弓鋸鋸條等皆為其製品。

7-2 合金工具鋼

(3) 鎳鉻鋼：鎳可增強鋼的強度與韌性。所以，鎳鉻鋼可以製造強韌的帶鋸條和圓鋸片，具有良好的切削與耐磨效果。

7-2 合金工具鋼

如表 7-10 所示，為耐衝擊合金工具鋼的化學成分與用途。此類鋼材專門用於製造鏨子、衝頭、鉚釘及耐衝擊工具等。

一般常用的有鎢鉻鋼、鎢鉻釩鋼等，因需有強韌性，故含碳量較低。其所包含的鋼種與切削用合金鋼相近，唯所含之合金元素的成分略有不同。

7-2 合金工具鋼

7-2 合金工具鋼

如表 7-11 所示，為耐磨合金鋼的化學成分與用途。表 7-11 中的合金鋼計有高碳鋼、高鉻鋼、鉻鎢鋼、鉻鉬釩鋼等。

7-2 合金工具鋼

7-2 合金工具鋼

此類材料具有硬度高且耐磨性與耐蝕性良好的特性，淬火時不生淬裂，膨脹係數小，尺寸幾乎沒有變化，例如：鎢鉻鋼、高碳鋼及高鉻鋼均屬之，此類鋼材又稱為不收縮鋼（ Non-shrinkage steel ）。

7-2 合金工具鋼

如表 7-12 所示，為熱加工合金工具鋼的化學成分與用途。此類工具鋼在高溫時仍具有高強度與耐磨性。

7-2 合金工具鋼

7-2 合金工具鋼

7-2 合金工具鋼

例如：沖壓模、壓鑄模及模塊等，常採用含碳量少的鎢鉻鋼或鉻鉬釩鋼來製造，而這些鋼在 500~600℃之高溫使用時仍不易軟化，且具有極佳的耐熱性與抗氧化性。

7-2 合金工具鋼

高速鋼（ High speed steel ）常用來製造切削的刀具與工具，其典型的成分為含有 18% 鎢、4% 鉻、 1%釩的 18-4-1 鋼種，也是最基本的高速鋼。高速鋼是從風鋼改良而成，因為適合高速切削而得名。

在加工的過程中，由於高速運轉摩擦產生的高熱並不會影響其切削能力，且其切削能力及硬度反而提高，此種性質稱為高速鋼的紅熱硬度（ Red hardness ）或稱為二次硬化 Secondaryhardening）。

7-2 合金工具鋼

高速鋼在被加工前宜先行退火軟化，以便加工成型；之後，再進行淬火及回火的處理。若把高速鋼從沃斯田鐵狀態約 1200℃左右冷卻於油中或空氣中，可得到 HRC64~65 之硬度，再把它回火至 550~600℃且於空氣中冷卻，硬度會增加至 HRC66~67 。

7-2 合金工具鋼

高速鋼的淬火組織乃由碳化物、麻田散鐵及殘留沃斯田鐵組成，硬度相當高。回火時殘留的沃斯田鐵又變成麻田散鐵。同時，鎢、釩等元素與碳元素化合成 W2C 、 V4C3 的微細碳化物均勻的分布在麻田散鐵的基地內，所以，產生了二次硬化的現象。

如圖 7-8 所示，為高速鋼在淬火後，回火時的硬度與溫度變化情形。

7-2 合金工具鋼

如圖 7-8 所示，可知當回火溫度升至 600℃附近時，高速鋼的硬度將再一次的升高，產生所謂的紅熱硬度。

7-2 合金工具鋼

高速鋼淬火後的組織為麻田散鐵、未固溶碳化物與殘留沃斯田鐵的組成物；而回火的組織為回火麻田散鐵＋碳化物，質地硬韌。

一般高速鋼分為兩大類： (1) 鎢系高速鋼；(2) 鉬系高速鋼。高速鋼經常加入 4.5 11% 鈷以強化其切削能力。此外，鉬與鎢的功能相近均有增加高速鋼硬韌性的作用。高速鋼的用途一般均以工具或刀具為主，此種刀具適合於重切削加工。

7-2 合金工具鋼

工具用鑄造合金（ Casting alloy ）是以鑄造成形的鑄件經適當的研磨精削後，得到所需的刀具或工具。此種工具可適用於常溫或高溫的加工而硬度不會降低，唯其質脆不適宜鍛造。

7-2 合金工具鋼

此種合金最典型的代表為超硬鑄合金鋼或稱為史泰勒合金（ Stellite ），史泰勒合金主要是由鎢、鉻、鈷、碳等元素組成之合金，其化學成分為 40~45 % 鈷、 15~33 % 鉻、 10~18% 鎢、2~3 % 碳、 5 % 鐵、 1% 錳及 <1 % 矽所組成；組織與白鑄鐵相似，是由少量的碳化物與共晶混合物所構成。耐熱溫度可達 1000℃高溫且仍具有紅熱硬度。主要用於各式的切削刀具、車刀、鑽頭、工模夾具、測量量具與工具等。

7-2 合金工具鋼

將極硬的金屬粉末與少量的金屬結合劑混合壓製並加熱至一定溫度熔化及冷卻固化後，可得到硬度極高的燒結硬質合金（ Sintered hard alloy ）。金屬碳化物，例如：碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭等，即為燒結硬質合金，一般均以鈷為燒結時的結合劑，此種製作過程稱為粉末冶金。

最常用的燒結硬質合金為碳化鎢，所以，我們以碳化鎢的特性加以解說，即可了解其他種類的硬質合金之特性。

7-2 合金工具鋼

茲將碳化鎢的製程說明如下：1.將鎢粉與純碳粉混合均勻。

2.以適當壓力加壓使粉末綢密。

3.加熱至適當溫度，使粉末反應成碳化鎢之化合物。

7-2 合金工具鋼

4. 添加 3~10% 的鈷粉，放入球磨機內充分的與高溫的碳化鎢化合物混合，使鈷包覆於碳化鎢的表面。

5.預熱並烘乾後，放入模型內加壓成型，並加熱至 800~1000℃，維持一段時間後，再繼續加熱至 1400~1500℃實施燒結而成。

7-2 合金工具鋼

碳化鎢的製作過程中，鈷附著於碳化鎢的表層，除具有結合鎢粉與碳粉外，亦具有提高硬度與耐磨之特性。碳化鎢與高速鋼相較，除硬度較高外，其耐磨性與耐高溫的能力亦強，故切削效率會比高速鋼為高。

然其脆性較大，甚難被其他加工方法製造，所以，以粉末冶金製造最為恰當。如圖 7-9 所示，為高溫加工時主要工具鋼的硬度比較。

7-2 合金工具鋼

由圖 7-9 可知，碳化鎢的高溫軟化的抵抗能力最強，其次為史泰勒合金，而碳工具鋼的高溫抵抗能力最差（硬度降得最快）。

7-2 合金工具鋼

碳化鎢的常溫硬度高達勃氏硬度值 1600 左右，是其他三種工具鋼的兩倍以上，也是目前切削加工中，最常使用的工具合金鋼。同時，碳化鎢非常適用於鑄鐵及非鐵金屬的切削加工。

7-2 合金工具鋼

析出硬化合金的成分主要含 15~35% 的鎢及鉬、 25~30% 的鈷、 50~55% 的鐵等合金元素。析出硬化的原理為先將材料加熱至 1200~1350℃，淬火後，急冷至常溫，使其成為過飽和固溶體；再回火於 600~700℃，使其析出微細的硬質化合物。

7-3 耐蝕鋼鋼鐵材料的價格便宜，機械性質優良，產量多且實用性佳，然其缺點為容易生鏽，而且抵抗化學藥品侵蝕的能力亦差。所以可在鋼中添加鉻及鎳來防鏽及防蝕，此種鋼種稱為耐蝕鋼（ Corrosion resisting steel ）。耐蝕鋼中最具代表性者為不鏽鋼（ Stainless steel ）。

依照不鏽鋼的成分可分為， (1) 鉻系不鏽鋼；(2) 鎳鉻系不鏽鋼。若依不鏽鋼之組織可分為，(1) 肥粒鐵型不鏽鋼； (2)麻田散鐵型不鏽鋼；(3)沃斯田鐵型不鏽鋼； (4)析出硬化型不鏽鋼。茲分述如下：

7-3 耐蝕鋼

鋼中添加鉻元素後，耐蝕性會有明顯的改善。這是因為鉻能在鋼的表面產生一層氧化鉻（ Cr2O3 ）薄膜，產生保護作用，使內部不受侵蝕。

但鉻系不鏽鋼對於硫酸、鹽酸等具有侵蝕性的非氧化性酸類則會失去耐蝕作用。

如圖 7-10 所示，為含鉻的合金在大氣及海水中的侵蝕情形。

7-3 耐蝕鋼

7-3 耐蝕鋼

由圖 7-10 所示，鋼中含鉻的量愈高，其耐蝕性愈好。若含鉻量超過 12% 時，則幾乎不受侵蝕。因此，含鉻量超過 12% 以上者稱為不鏽鋼；含鉻量 12% 以下者稱為耐蝕鋼。其次，在海水中的侵蝕性比在大氣中來得嚴重，所以，承受海水侵蝕的鋼材，其含鉻量必須增高。

7-3 耐蝕鋼

如圖 7-11 所示，係以 10% 的硝酸、 10%硫酸及 10% 的鹽酸個別加於不鏽鋼表面，並比較三者所產生的影響。

當含鉻量高於 12% 時，鋼件不受硝酸的影響，但對於硫酸及鹽酸而言，含鉻量愈高則耐蝕性愈差。

這是由於硫酸與鹽酸會侵蝕鉻的氧化膜所致。一般可再加入鎳元素改善此一缺點。

7-3 耐蝕鋼

7-3 耐蝕鋼

為使鉻系不鏽鋼在加工時不會困難起見，含鉻量與含碳量必須有一定的比例；例如，當含鉻量為 16% 以下時，則含碳量為 0.15% 以下；含鉻量 16% 以上時，含碳量則在 0.3% 以下。

鉻系不鏽鋼依其組織不同可分二類， (1)肥粒鐵型不鏽鋼； (2)麻田散鐵型不鏽鋼。

7-3 耐蝕鋼

肥粒鐵型不鏽鋼（ Ferritic stainless steel ）為含鉻量在 16 18% 的不鏽鋼，加熱至高溫時，因鉻含量高易與鋼中的碳起化學反應並化合成碳化物，以致高溫的組織仍為肥粒鐵基地，無法實施熱處理。

其機械性質較差，質軟易於加工，耐蝕性佳，可作成線、管、板之製品。

7-3 耐蝕鋼

麻田散鐵型不鏽鋼（ Martensitic stainless steel ）為含鉻量在 12~14%的鋼，自 950℃高溫淬火於油中後，在 500℃以下溫度施予回火，可得到麻田散鐵組織，強度與耐蝕性均高，所以稱為麻田散鐵型不鏽鋼。

如圖 7-12 所示，為其淬火與回火後的機械性質變化情形。

7-3 耐蝕鋼

7-3 耐蝕鋼

由圖 7-12 所示，回火溫度在 500℃以下時，其抗拉強度與硬度並沒有明顯的變化，而伸長率與衝擊值亦變化不大，適合製作刀具與工具成品。

當回火溫度超過 500℃以上時，抗拉強度與硬度急速下降，而伸長率與衝擊值則開始上升，適用於一般的構造用材料。

7-3 耐蝕鋼

為了改善鉻系不鏽鋼對硫酸與鹽酸等非氧化性酸類的耐蝕性，故在鉻系不鏽鋼中提高含鉻量至 18% ，並在鉻系不鏽鋼中添加鎳、鉬、銅等合金元素，以改善其耐酸耐蝕性。

此種不鏽鋼稱為鎳鉻系不鏽鋼。鎳鉻系不鏽鋼的標準成分為含 0.2% 的碳、18% 鉻、 8% 鎳等，一般又稱為 18-8 型不鏽鋼。

7-3 耐蝕鋼

其組織在常溫時為沃斯田鐵，質軟韌性好，容易加工且不具磁性，又稱為沃斯田鐵型不鏽鋼。

此種不鏽鋼雖無法藉由熱處理來增加其硬度與強度，然在常溫加工中，藉加工硬化效果可直接提高其硬度與強度。

如圖 7-13 所示，為鎳鉻系不鏽鋼在常溫加工時機械性質變化情形。

7-3 耐蝕鋼

7-3 耐蝕鋼

鎳鉻系不鏽鋼的主要缺點為當被加熱至 50~900℃間溫度時，鉻的碳化物極容易自晶界處析出，導致晶粒內的鉻及碳含量減少，容易產生被侵蝕現象，這種現象稱為粒間腐蝕（ Intergranular corrosion ）。

若程度嚴重者，將發生所謂的粒間破裂（ Intergranular crack），其粒間腐蝕與破裂情形，如圖 7-14(a) 與 (b) 所示。

7-3 耐蝕鋼

7-3 耐蝕鋼

要防止粒間腐蝕及粒間破裂的現象，可從下列方法解決：1.避免碳化物的析出，可添加鈦、鈮、鉭等元素，使鋼中的碳生成 TiC 、 NbC 、 TaC 等化合物，就能避免與鉻生成碳化物的機會，則鉻就不會從晶界析出，自然就不會有粒間腐蝕或破裂產生了。

2.將銲接件再加熱至 1100℃左右急冷，使成為完全的沃斯田鐵組織。

3.減低含碳量，以減少碳化物的生成量，並進而減少晶界析出的量及粒間腐蝕的機會。

7-3 耐蝕鋼

析出硬化型不鏽鋼（ Precipitation hardening stainless ）是在鐵鉻鎳系合金鋼中再添加其他合金元素，經由沃斯田鐵固溶處理後，經過成形加工並於低溫熱處理後，使其析出分散且不損耐蝕性的金屬間化合物，以提高強度與硬度。

析出硬化型不鏽鋼的代表性鋼種有 17-4PH 鋼及 17-7PH 鋼，前者的析出硬化元素為 Cu，後者為 Al，如表 7-14 所示。

7-3 耐蝕鋼

17-4PH鋼經固溶化處理後急冷，則組織大部分成為麻田散鐵，但有少部分肥粒鐵混在其中，所以，易於成形銲接。

其後再經析出硬化，則可析出微細的銅金屬間化合物，抗拉強度可達 1400N/mm2 。

而 17-7PH 鋼經固溶化處理、麻田散鐵化處理及析出硬化等三階段處理後，使 NiAl3 析出於基地，抗拉強度可達 1250N/mm2 。

7-3 耐蝕鋼

7-4 其他特殊鋼

耐熱鋼（ Heat resisting steel ）是指在高溫高壓下，仍具有高強度、耐氧化性、耐腐蝕性或潛變強度大的合金鋼材。

一般添加的元素計有鎳、鉻、鋁、矽、鎢、鉬、釩、鈷等，其中以 Cr 為主要的添加元素，在鋼材的表面形成一層堅固的氧化膜，以抵抗高溫時的氣體侵蝕。

7-4 其他特殊鋼

耐熱鋼合金經常被用於石化工業、熱處理爐機件或飛機與汽車的零件等。

依照所加入的合金種類不同，可分為兩類：(1) 鉻系耐熱鋼； (2) 鎳鉻系耐熱鋼。

若依組織不同，可分為兩種： (1) 肥粒鐵型耐熱鋼； (2)沃斯田鐵型耐熱鋼。

表 7-15 所示，為耐熱鋼的化學性質及用途。

7-4 其他特殊鋼

7-4 其他特殊鋼

7-4 其他特殊鋼

7-4 其他特殊鋼

7-4 其他特殊鋼

鉻系耐熱鋼的抗氧化性相當好，而鎳鉻系的耐熱鋼有較大的高溫強度與潛變強度。

至於組織部分，肥粒鐵型的耐熱鋼常用於600℃以下的溫度場合，而沃斯田鐵型的耐熱鋼則用 600℃以上的場合。

如表 7-16 所示，為耐熱鋼的熱處理條件與機械性質比較表。

7-4 其他特殊鋼

7-4 其他特殊鋼

7-4 其他特殊鋼

為了使耐熱鋼能承受更高的溫度環境，可在以鐵為基地的沃斯田鐵型耐熱鋼組織中加入大量的合金元素，或者將鐵的含量減少並以鎳、鈷等元素為基地之合金，此種合金一般又稱為超耐熱合金或超合金（ Super alloy ）。超合金可分為 A、 B、 C 三等級。

7-4 其他特殊鋼

軸承鋼（ Bearing steel ）為製造滾珠軸承、滾子軸承與滾針軸承等機件的主要鋼材。

軸承鋼具有韌性大、耐磨性高、硬度高、彈性限度與疲勞限度均高等特性。

7-4 其他特殊鋼

標準的化學成分為 0.9~1.2% 碳、 0.2~0.6% 矽、0.5% 以下或 0.9~1.2% 錳、 1.0~1.5% 鉻及少量的磷與硫（ 0.03% ）等。

雖然，軸承鋼的成分與合金工具鋼相近，但因其純度、煉鋼法、高溫加工與熱處理等皆需特別處理，所以稱為特殊鋼。

7-4 其他特殊鋼

如表 7-17 所示，為軸承鋼的化學成分與熱處理條件。

7-4 其他特殊鋼

7-4 其他特殊鋼

由於滾珠軸承必須經過精密研磨，因此，必須選擇適當的煉鋼法煉製，以減少不純物的含量。

同時熱處理後必須使得碳化物變細，且能均勻的分布於基地內，再經由淬火、回火後，能夠精密耐久，延長使用壽命。

一般軸承鋼的熱處理方式為將鋼件置於 750~ 850℃進行淬火，再於 150~180℃施以回火後使用，其硬度可達 HRC62~65 之間。

7-4 其他特殊鋼

將鐵片接近磁石時，因為磁石所產生的磁場會使鐵片磁化而互相吸引，這種在磁場內容易被磁化的物質稱為強磁性體（ Ferro-magnetic material ）。

某些物質在靠近磁石時並不會發生吸引作用，但若置於強磁場內以精密儀器測量時，仍可發現這些物質也會磁化，唯磁性較小，並不會被吸引，此種材料稱為順磁性或常磁性材料（ Para-magnetic material ）。若物質置於強磁場內由於磁性相反而產生互相排斥，此種物質稱為反磁性或逆磁性體（ Dia-magnetic material ）。

7-4 其他特殊鋼

各種磁性物質分類如下：1.強磁性體：鐵、鈷、鎳及其合金等。

2.常磁性體：鋁、錳、鉻、氧、氫、錫等。

3.反磁性體：金、銀、銅、汞、鉛、鈹、水、氮等。

7-4 其他特殊鋼

電磁用鋼依照磁性強弱可分為下列常用的鋼種：

這種鋼材無磁性，常用於發電機的鐵芯壓板或輸配電線的主線金屬等。

為了使鋼材不具磁性，可加入多量的鎳、鉻、錳、銅等合金元素，使其由 A3 變態點冷卻到常溫時，得到沃斯田鐵非磁性組織。

7-4 其他特殊鋼

依非磁性鋼所含的成分，可得到含鎳量 25%的鎳鋼，含錳量 12~14% 的高錳鋼及 18-8 的鎳鉻鋼及鎳鉻錳鋼等。

此外，非磁性鋼（ Non-magnetic steel ）不具磁性的特點可用來製造羅盤的外殼，且其耐蝕性頗強，可製造內燃機的閥門；又因其電阻係數為純鐵的六倍，亦可做為電阻線。

7-4 其他特殊鋼

發電機及電動機的鐵芯材料需要有強的高導磁率，飽和磁通密度要大，磁通損失與渦電流損失要小。

一般為了要增大電阻，可將鐵芯以薄矽鋼片堆疊合成板狀，因薄矽鋼片間沒有渦電流的流動，則電阻自然增加。

7-4 其他特殊鋼

一般若用低碳鋼當鐵芯材料，因其碳會增加磁滯損失而降低導磁率，造成電阻減小並會有時效感應作用。

只有矽可以阻止低碳鋼的時效作用，增大電阻，減少渦電流損失，故電機鐵芯必須用低碳的矽鋼板。

7-4 其他特殊鋼

矽鋼片的厚度約在 0.30~0.8mm 左右，電阻的大小隨含矽的增加而增加。

含矽量在 1~4% 時，磁滯損失與渦電流損失會隨含矽量的增加而減少，此時，矽固溶於肥粒鐵內並使晶粒變細而脆性增大。

所以，一般工業用的矽鋼片的化學成分為0.03~0.04% 碳、 0.1~0.15% 錳，如表 7-18所示，為純鐵及矽鋼板的化學成分、熱處理與磁性比較。

7-4 其他特殊鋼

7-4 其他特殊鋼

常用為鐵芯材料的矽鋼板，含矽 2~3%稱為低矽鋼片，一般用在發電機或電動機的鐵芯材料；含矽在 3.5~5.5%稱為高矽鋼片，一般用在變壓器的鐵芯材料。

7-4 其他特殊鋼

磁石鋼（ Magnetic steel ）可分為高導磁率鋼及永久磁石鋼，分述如下：1.高導磁率鋼高導磁率鋼是含鎳量高達 78.5% 之鐵鎳合金，初導磁率非常大，約為磁鐵的 8倍以上，與含矽 4%的矽鋼差約 60倍，若改善感應係數則可作為海底電纜的材料。

7-4 其他特殊鋼

2. 永久磁石鋼永久磁石鋼是用來製造耐久磁石，在製造成型後，置於適當的磁場內加以磁化後即可使用。

永久磁石的保磁力（ Remnant magnetism）與矯頑磁力（ Coercive force ）愈大愈好，保磁力愈大時，在使用上愈不容易失去磁性；矯頑磁力愈大時，可以產生愈強的磁場。

7-4 其他特殊鋼

一般而言，材料的晶粒愈細，則其保磁力愈強，愈不容易失去磁性。

傳統製造永久磁鐵的方法乃是以中高碳鋼經淬火後製成永久磁石，雖然價格便宜，但是效果稍差。

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=== 第 7 章 合金鋼及特殊鋼 ===

=== 第 7 章合金鋼及特殊鋼 ===