機械材料的規格及選用

機械材料的規格及選用 學習目的 1.瞭解機械材料規格的意義。 2.瞭解常用的機械材料規格。 3.瞭解各種規格編號的意義。 4.能選擇適當的金屬材料。 1-1前言 規格(Specification)是產品需求的敘述，也是資料技術溝通的依據。為了適合某一種特別的用途，生產者當然必須促使產品能夠符合需要，這樣就有規範的存在必要。而隨著工業化程度的提高及國際間貿易往來的趨勢，產品的流通愈來愈頻繁，為了增進效率及提供產品零件的互換性，工業規格的訂定更是必然的結果。在機械材料的範疇方面，同樣的必須有一定的規格，以作為生產者及使用者依循的規範。 完備的規格應具有以下資料的敘述: 1.適用範圍(Scope):包括用途(如：板、線、管)，適用尺寸等。 2.化學成分(Chemical Composition):包括各項成分元素的含量範圍或成分代號。 3.定性敘述(Quality Statement):指品質方面，例如煉鋼方式或脫氧情況。 4.定量需求(Quantitative Requirement):指定化學成分範圍、物理及機械性質需求，以適應使用上經濟的理由。 5.其他需求(Other Requirment):如特殊容許差、材料表面狀況等。 現今世界各國各依其工業化的發展而有不同的工業規格，例如：美國的ANS(美國國家標準)、日本的JIS(日本工業標準)、德國的DIN(德國工業標準)等。而在針對機械材料規格方面，常用的還包括ASTM(美國材料試驗協會)、AISI(美國鋼鐵協會)、SAE(美國汽車協會)等，而我國主要則依據CNS(中國國家標準)訂定。 材料的選擇及應用是學習材料規格的重要目的，所以本章最後舉例說明，如何在產品需求及相關考慮之下，選擇適當材料。 1-2材料的規格 一種機械材料的規格最主要可以由：材料的種類、成份和機械性質來說明。而為了標準化起見，材料必須經由一套嚴謹的試驗規範，確保其可靠度。世界各國都有其材料試驗的標準程序，我國也不例外，例如：CNS有關材料試驗部份，其中「鋼料之檢驗通則」(CNS2608,G2018)規定： 本標準主要內容包括：適用範圍、檢驗及重驗三部分 適用範圍：本標準適用於鋼料之一般檢驗 檢驗部份：說明化學成份試驗和機械性質試驗的試片取樣及檢驗 標準方法 重驗部份：說明規格部份不合規定的試片，必須經由複驗判定 合格及不合格。 又如「非鐵金屬材料之檢驗通則」(CNS4195,H2045)中規定： 本標準主要內容包括：適用範圍、檢驗及重驗三部分 適用範圍：本標準規定非鐵金屬材料檢查一般事項 檢驗部份：規定有關外觀、尺度、化學成份試驗和機械性質試驗 的試片取樣及試驗事項 重驗部份：說明試驗結果如部份規格與規定不合，必須經由重驗 判定合格及不合格。 1-3常用的材料編號 一般材料的化學成份與機械性質是息息相關的，因此常用的材料編號大多是以化學成份命名為主，再輔以機械性質(如第七章部分材料的規格敘述)。由於材料範圍很廣，因此本章內容，主要以鋼鐵材料的編號為主，另外輔以部分非鐵金屬及非金屬材料來做說明。 在工業上，鋼鐵材料(包括碳鋼在內)必依其化學成份，使用一定的編號以利於選用，這是基本的認識。目前，在我國較常用的規格有三種：中國國家標準(CNS)、日本工業標準(JIS)、美國鋼鐵學會－美國汽車工程師學會(AISI-SAE)。另外德國工業標準(DIN)和美國統一標準編號(UNS)相關業界有時也會採用。而其它還有常見的各國規格名稱。 1．中國國家標準(CNS) （1）鋼鐵的規格 中國國家標準CNS是Chinese National Standard的簡寫，CNS對鋼鐵材料的編號主要依據CNS 109 G1001(公佈：民國36年3月，修訂：民國85年3月)原則上由下列三部分組成： 第一部分為材質，鋼鐵材料大部分以S(Steel鋼)或F(Ferrum鐵) 表示。 第二部分有兩種不同的表示法； a．表示標準名稱或是製品用途。常用的有－P：Plate(薄板) 、 T：Tube(管) 、 U：Use(特殊用途) W：Wire(線材) F：Forging(鍛造) C：Casting(鑄造) 例：S P CC：Plate，鋼板(冷軋)。 S UP：Use Spring，彈簧用鋼 b．用於結構的鋼料(包括結構用碳鋼及合金鋼)，代表主要合金元素或含碳量(結構用碳鋼時)，表示含碳量時，通常以含碳量之100倍數值表示， 例：SCM420：鉻鉬鋼，第420種 S25C：碳鋼，含碳量0.25％。 第三部分為該材料之種類號碼，或是最低抗拉強度、降伏強度。若是表示最小抗拉強度或最小降伏強度，通常以三位數字表示。 例：SCM 420 表示鉻鉬鋼中編號420的材料 STB 340 表示鍋爐及熱交換器用鋼，抗拉強度不 低於340 N/mm2。 以與合金量之表示法有所區別。常用於建築結構用等不須規定含碳量鋼料的場合。 註：機械結構用鋼料的符號 機械結構用鋼料使用很廣，因此CNS 2608 G2018特別在附錄2中說明適用範圍及其符號所代表的意義： 適用範圍：機械結構用碳鋼鋼料及結構用合金鋼鋼料種類符號之組成。 a．符號順序為鋼之主要合金元素、主要合金元素含量或代表值、附加符號。其中除鋼之代表符號S、碳之符號C之外。 附加符號由第一群及第二群組成， 第一群—為鋼料為改善其性質(例如切削性)所添加的特殊元素 （例）改善切削性之添加元素 基本鋼 附加符號 鉛添加鋼 L 硫添加鋼 S 鈣添加鋼 U 第二群—為鋼料除化學成份之外的保證特性 （例）保證特殊特性之添加符號 特性 附加符號 硬化能保證鋼 H 表面硬化用鋼 K （例） S 30 C：碳鋼，含碳量0.30﹪ S 20 C 4：碳鋼，含碳量0.20﹪第四種構造用碳鋼 S(55)C：一般構造用碳鋼，最小抗拉強度55kg/mm2 S85WMo(HS)：含碳量0.85﹪的鎢鉬高速鋼 OS90C(T)：以平爐煉鋼法提煉，含碳量0.9﹪的工具鋼 b．碳含量的代表值。 （2）鋁及鋁合金的規格 鋁及鋁合金之種類及符號係依CNS 2068 H3021之規定，適用範圍為鍛鋁、鍛鋁合金(以下簡稱鍛鋁合金)及鑄鋁、鑄鋁合金(以下簡稱鑄鋁合金)之合金種類及鍊度符號。 鍛鋁合金之編號依其合金成分，共分1xxx~8xxx系，另有9xxx系為備用，，鑄鋁合金之規格亦分1xxx~9xxx九系，其中6xxx系為備用，這些已如第九章所述。 而所謂”鍊度”係指”製造過程中，依加工、熱處理等條件之差異所獲得機械性質之區分”。鍊度符號又分為基本符號與細分符號。基本符號為一字英文字母(大寫)，細分符號為一位數字或多位數字組合並附在基本符號之後。 a．基本符號 鋁合金的鍊度基本符號分為四種。 b．細分符號 鋁合金鍊度之基本符號H及T之細分符號，依下列規定。 鍛鋁合金的編號及化學成分。 2．日本工業標準(JIS) JIS是Japanese Industral Standard 的簡稱，JIS對於鋼鐵材料的的編號大致可分兩大類： （1）一般機械構造用碳鋼： 其材料編號方法和CNS的第一種表示法相同。 （例）S30C表示含碳量0.30﹪的機械構造用碳鋼 （2）其他用途的碳鋼及合金鋼： 這一類鋼的材料編號表示法，大致可分三部分： 第一部分為材質，鋼以S、鐵以F表示，其他非鐵類如表11- 。 第二部分表示鋼製品的規格或用途，例如：K代表工具鋼、TB代 表鍋爐用鋼管、PC2代表冷軋鋼板。 第三部分為為鋼料的種別，以1,2,3來表示。 此外如果需要，可將材料的加工方法、熱處理方式等附註於後，加工方法例如 (Drawing)抽製、G(Grinding)研磨、T(Turning)車削、Ex(Extruded)擠製。熱處理方法大多記於金屬符號之後，並在二者之間加入"-" （例）SK2：第二種碳素工具鋼 SKS11：第十一種切削用工具鋼 SUH301：第301種耐熱鋼 SUS301-1/2H：第301種不銹鋼，1/2硬質材料 3．常用的美國材料編號及規格 （1）美國鋼鐵學會－美國汽車工程師學會(AISI-SAE) AISI和SAE在1941年共同訂定鋼鐵材料的分類，以四個(或五個)數目字為記號來分類。其中 第一位數，表示鋼料的種類，如：鎳鋼為2、鎢鋼為7。 第二位數，為主要合金元素的百分值；0表示無其他合金元素。 第三、四位數(或第三、四、伍位數字)代表含碳量。 （例） SAE1045：含碳量0.45的碳鋼，與CNS中S45C鋼料相當。 SAE4140：含碳量0.40的鉻鉬鋼，與JIS中SCM4鋼料相當。 鋼 種 編 號 鋼 種 編 號 碳鋼 1××× 耐熱鋼 30××× 普通碳鋼 10×× 鉬鋼 4××× 易削鋼(加硫) 11×× Cr(0.7﹪) 41×× 錳 鋼 13×× Ni-Cr 43×× 鎳鋼 2××× Ni(1.75﹪) 46×× 0.50﹪Ni 20×× 鉻鋼 5××× 1.50﹪Ni 21×× Cr(1.0﹪) 51×× 3.50﹪Ni 23×× Cr(1.5﹪) 52×× 鎳鉻鋼 3××× 鉻釩鋼 6××× 1.25﹪Ni0.6﹪Cr 31×× 鎢鋼 7××× 1.75﹪Ni1.0﹪Cr 32×× 鎳鉻鉬 8××× 3.50﹪Ni1.5﹪Cr 33×× 矽錳鋼 9××× （2）美國材料協會及美國機械工程師協會 ASTM(ASME) ASTM是非常廣泛被採用的材料規範，它的特色主要是針對產品的特性及表現而定。ASTM表示法是以以字母+代號表示，再輔以年代之混合標示，ASME則採用了相當多的ASTM規範，並以前置S表示。 ASTM表示法: 首位字母 表 示 意 義 A 鋼鐵類 B 非鐵金屬類 C 一般測試法 例如: ASTM A36-77a 其中A 36 - 77 a 分別表示 (鋼鐵)(結構用)(1977年)(第一次修訂) 又如: ASTM E8 代表拉伸試驗規範 ASME的表示法： 例如: ASME SA213 = ASTM A213 而同一編號又可依化學成分(Grade)加工方式(Type)成品型態(Class)來區分。Grade主要敘述其化學性質，Type指脫氧的情況， Class:指一些其他性質。如：強度、表面光度等。 （3）美國統一編號系統 UNS UNS是Unified Numbering System 的簡稱，在1974年為ASTM及SAE 聯合制定，UNS 本身只是一種編號，而非規格，它將金屬分為17個系列編號並與原有的體系配合，例如： UNS G10XX0 = SAE 10XX，而有索引、整合、參考的意義，因此而稱統一編號系統。 4．德國工業標準(DIN) DIN並不是英文，而是德文Deutsch Industriell Norm的縮寫，德國工業標準中鋼鐵材料的規格是在DIN 17006，補充說明在DIN 17007，1974年改為 ISO制，以 EURONORM 27-74替代。以英文字母和數字來敘述其特徵，字母規定鋼鐵種類、冶煉方法、合金材料、處理情況等、數字則規定鋼鐵材料的、含碳量、抗拉強度、主合金之成分倍數等。 （1）碳鋼 一般以碳元素標記及其含碳量表示，如 C60 表示含0.6％C的碳鋼。另外也有抗拉強度及其他表示法，例如:St50 表示抗拉強度50kg/mm2之構造用碳鋼，CK40表示含磷、硫量甚低之碳鋼，抗拉強度為40kg/mm2。 （2）高級鋼料及低合金鋼 以其主要合金元素和含量為標記，但在其中第三部分含量，為避免小數點出現，表示值都己經乘上固定倍數，而以整數型態呈現，所以由編號求取實際含量時必須再除以倍數。 第一部分:含碳量 第二部分:合金元素種類 第三部分:合金元素含量 合金元素 倍數 Cr、Co、Mn、Ni、Si、W 4 Al、Be、Pb、Cu、Mo、Nb、Ta、Ti、V 10 P、S、N、Ce、C 100 B 1000 例如:含碳量0.34％含鉻量1％的鋼材，表示為34Cr4 依此 13CrV53 即表示含碳量0.13％，含鉻量5/4=1.25 ％，含釩量3/10=0.3％ （3）高合金鋼 在標記前加上"x"，此外由於合金元素含量己高，因此不乘以倍數而直接表示。(如前述，高合金鋼通常是指合金總含量在8％以上的鋼料) 例如:含碳量0.12％的不銹鋼，含鉻量18％含鎳量8％，表示為 X12CrNi18 8 同理 X10CrNi1810 即表示含碳量0.10％的高合金鋼，含鉻量18 ％ 含鎳量10。 如果要進一步標示其特性，可以在其記號前後加上英文字母表示 例如: M A St42 6 N (1)(2) (3) (4)(5) 其中除(3)為主標記外，(1)(2)(4)(5)分別表示:熔煉方式、產品特性、保證性能類別、熱處理情況等。 （4）鑄鐵、鑄鋼 以前置標記G代表一般鑄件，另外加上其它字母來表示種類，隨後之標示與鋼的編號相同，如表1所示。 例如:GS-C30為鑄鋼，含碳量0.30％ G-X120Mn12表示含碳量1.20％的鑄鐵，含錳量12％。 表1 德國工業標準DIN 之鑄鐵分類 GS = 鑄鋼 GG = 一般灰鑄鐵 GGL = 片狀石墨鑄鐵 GGG = 球狀石墨鑄鐵 GT = 一般展性鑄鐵 GTS = 展性灰鑄鐵 GTW = 展性白鑄鐵 1-4材料的選用 1-4-1 材料選擇的根據 材料的種類繁多，而且性質互異，因此無論鐵金屬和非鐵金屬材料，或者隨後即將討論的非金屬材料自然都有不同的應用場合。一項產品在選用材料時，會因使用場合(例如：強度的要求、環境的因素、成本的考慮等)而不同，而各種材料由於結構的不同，也有其適當的用途，因此如何使材料的應用能適材適所，就是材料選用的最大準則。本章將提出材料選擇的幾個重要考慮因素，並舉實例具體說明。 (一)材料的規格要符合使用的需求 選擇材料最基本的考慮，就在滿足產品的特性及要求，例如﹕抗拉強度、切削性、耐蝕性等。許多材料似乎都可以滿足使用的需求，但是如果選擇具有正字標記或符合國家標準的材料，例如：我國的CNS 日本的JIS 美國的ASTM、 SAE、 AISI、 UNS 德國的DIN等，由於其化學成分及機械性質都經過試驗，有一定的保證，因此品質將更有保障。 (二)材料的價格要合理 價格是選擇材料的另一個重要因素。因為優秀的材料如果價格高昂，產品的成本勢必提高，競爭力就會降低。因此如果材料不是唯一的選擇，那麼價格合理的同級材料或以開發新產品替代都是不錯的解決方案。 (三)材料的品質要一致 產品如果是單一的就不必考慮一致性的問題，但是如果是屬於大量生產的東西，材料的供應就必須穩定而且品質一定才行，否則因產品不良造成退貨或是賠償，無論是金錢及信譽的損失可能都將難以彌補，因此在選擇材料供應之初，材料品質的一致和來源的穩定性也是重要的考慮因素。 1-4-2 鋼鐵材料的選用 以上提到的是材料選用的原則。而鋼鐵材料由於在機械上使用廣泛，因此必須針對其特性考量。鋼鐵材料的選用，常遭遇的還有三個問題：(一)使用碳鋼或合金鋼(二)局部或全部淬火(三)用鑄造品或鍛造品。 碳鋼的價錢便宜，但合金鋼易於淬火、硬化深度大、抗回火軟化佳。承受的負荷則關係局部或全部淬火，負荷大的零件以全部淬火為宜，表面淬火則可承受耐疲勞及磨耗的場合。 鍛造與鑄造在製造一直是競爭不止，傳統的鑄造品雖可以製造複雜或有內孔的零件，但被認為偏析、氣孔、韌性差，鍛造品則較強韌，但鑄造技術及材料的進步，己可以達到均質、強韌，加以鑄造有一次成型的優點，因此目前鑄件佔較有利的趨勢。 1-4-3 應用實例 (一)引擎材料的選用 機械產生動力來自於引擎，常見的引擎如：空壓機、汽機車、電機原動力廠等。引擎各部份零件承受不同的負荷、溫度等工作條件，因此有不同的材料選擇考慮。以下僅以其中較重要的汽缸體、曲柄軸及進排氣閥加以說明。 1. 1. 汽缸體 汽缸由於形狀複雜，又有冷卻管路，因此只能用鑄造方式，汽缸由於要求良好強度大、耐磨、耐蝕、導熱性佳、膨脹係數低。因此灰鑄鐵就是很好的選擇，唯一問題是比重稍大。如果需要輕量化，使動力提高，就可以考慮鋁合金。唯鋁合金的磨耗性較差，這一點也要考慮。 2. 2. 曲柄軸 雖然曲柄軸的形狀也很複雜，不過也並不是非用鑄造不可，曲柄軸的受力很大，因此鍛造鋼品是傳統上的選擇，不過延性鑄鋼(球墨鑄鐵)的發展，使得鑄造品在中小型汽車上也佔一席之地。 如果使用鍛鋼，必須考慮硬化能的問題，因此常用的有鉻鉬鋼(SAE 4140)或中碳鋼SAE 1035及SAE 1050。 3. 3. 進排氣閥 進排氣門最重要的是耐高溫和耐腐蝕，尤其是排氣閥的工作溫度，往往700℃以上，而且必須 承受燃料燃燒後產生的水氣和腐蝕性鉛化合物，因此採用耐熱鋼是最初的考慮，其後陸續有使用沃斯田鐵系不銹鋼或英高鎳(Inconel)者。 (二)材料的取代和新材料的選用 由於材料的改良和新材料的不斷發展，許多製品原來使用的材料，可以替代而性能更佳，價格更便宜。以日常應用來說，例如：二十年前的眼鏡框，使用白銅或鍍層，其後因為腐蝕問題而改用不銹鋼，至今更因為鈦的輕量化、高強度比且耐蝕而再度取代。 近年來由於航太工業，輕量及高強度的要求，因此在機件上鈦的使用也很廣，而外裝上，複合材料(尤其是碳纖維和玻璃纖維強化塑膠)則大量的應用。另外，為了極高速航具和太空梭的需要，工程陶瓷應用在承受高溫的部分的包覆(Ceramic Tiles)更是不可或缺。 摘 要 1．規格(Specification)是產品需求的敘述，也是資料技術溝通的依據為了增進效率及提供產品零件的互換性，必須制定的規格，以作為生產者及使用者依循的規範。 2．在工業上，鋼鐵材料必依其化學成份，使用一定的編號以利於選用。目前，在我國較常用的規格有三種：中國國家標準(CNS)、日本工業標準(JIS)、美國鋼鐵學會－美國汽車工程師學會(AISI-SAE)。另外德國工業標準(DIN)和美國統一標準編號(UNS)相關業界有時也會採用。 3．CNS之鋼鐵材料的編號，主要由下列三部分組成： 第一部分為材質，鐵以F表示，鋼以S表示。 第二部分表示標準名稱或是製品用途或主要合金元素或含碳量(結構用碳鋼時)。 第三部分為該材料之種類號碼，或是最低抗拉強度、降伏強度。若是表示最小抗拉強度或最小降伏強度，通常以三位數字表示，常用於建築結構用等不須規定含碳量鋼料的場合。 4．AISI和SAE以四個(或五個)數目字為記號來分類。其中 第一位數，表示鋼料的種類。 第二位數，為主要合金元素的百分值；0表示無其他合金元素。 第三、四位數(或第三、四、伍位數字)代表含碳量。 鋼 種 編 號 鋼 種 編 號 碳鋼 1××× 耐熱鋼 30××× 普通碳鋼 10×× 鉬鋼 4××× 易削鋼(加硫) 11×× Cr(0.7﹪) 41×× 錳 鋼 13×× Ni-Cr 43×× 鎳鋼 2××× Ni(1.75﹪) 46×× 0.50﹪Ni 20×× 鉻鋼 5××× 1.50﹪Ni 21×× Cr(1.0﹪) 51×× 3.50﹪Ni 23×× Cr(1.5﹪) 52×× 鎳鉻鋼 3××× 鉻釩鋼 6××× 1.25﹪Ni0.6﹪Cr 31×× 鎢鋼 7××× 1.75﹪Ni1.0﹪Cr 32×× 鎳鉻鉬 8××× 3.50﹪Ni1.5﹪Cr 33×× 矽錳鋼 9××× 5．材料選擇的考慮因素主要有：(一)材料的規格要符合使用的需求(二)材料的價格要合理(三)材料的品質要一致