=== 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。

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。第7章合金鋼及特殊鋼

第7章合金鋼及特殊鋼

第7章合金鋼及特殊鋼 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。

第7章合金鋼及特殊鋼 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。

第7章合金鋼及特殊鋼 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。

第7章合金鋼及特殊鋼 (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。

第7章合金鋼及特殊鋼 (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。

第7章合金鋼及特殊鋼 (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。

第7章合金鋼及特殊鋼 (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。

第7章合金鋼及特殊鋼 (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。

第7章合金鋼及特殊鋼 (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。

第7章合金鋼及特殊鋼 (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。

第7章合金鋼及特殊鋼 (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。

第7章合金鋼及特殊鋼 (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。

第7章合金鋼及特殊鋼 (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。

第7章合金鋼及特殊鋼 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」。

第7章合金鋼及特殊鋼

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：

7-1 構造用合金鋼 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。

7-1 構造用合金鋼 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。

7-1 構造用合金鋼 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。

7-1 構造用合金鋼 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。

7-1 構造用合金鋼 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。

7-1 構造用合金鋼 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）。

7-1 構造用合金鋼 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。

7-1 構造用合金鋼 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。

7-1 構造用合金鋼 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。

7-1 構造用合金鋼 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。

7-1 構造用合金鋼

7-1 構造用合金鋼 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。

7-1 構造用合金鋼 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。

7-1 構造用合金鋼 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。

7-1 構造用合金鋼 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。

7-1 構造用合金鋼 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。

7-1 構造用合金鋼 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。

7-1 構造用合金鋼 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。

7-1 構造用合金鋼 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。

7-1 構造用合金鋼 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。

7-1 構造用合金鋼 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。

構造用鎳鉻鋼的機械性質如表7-4 所示。 7-1 構造用合金鋼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。

7-1 構造用合金鋼 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。

=== 第 7 章合金鋼及特殊鋼 ===