Sunday, July 22, 2007

合金 www.tool-tool.com

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一、鐵合金

鐵合金(Ferrous alloys)係以鐵為主要成分的合金材料,其產量比任何其它金屬多,且常作為工程結構用材料。它們能廣泛的被使用,可由三個因素來解釋:(1)含鐵之化合物在地殼內蘊藏豐富;(2)鐵和鋼合金的提煉、精煉、以及製造技術十分成熟;(3)鐵合金之機械性質優異。

(一)鋼(Steels

鋼即是鐵-碳合金,除了含有碳元素外,亦可進一步包含微量其它合金元素。較常見鋼鐵分類係根據碳濃度的高低分別區分為低碳、中碳和高碳型式。平碳鋼(plain carbon steel)除了碳和少量錳外只含殘留濃度的不純物。對合金鋼(alloy steel)而言,不同功效的合金元素將以不同濃度加入鋼中,以改善剛的各項性能。

、低碳鋼

所有鋼種中,最大產量係落在低碳這一類的範圍內。其含碳量通常少於0.25wt%,因此對於形成麻田散鐵的熱處理是無反應的,其鋼才的強化主要是靠冷加工來完成。其顯微結構包括肥粒鐵和波來鐵。

低碳鋼的另一群是高強度低合金鋼(HSLA)。它們包含其它合金元素諸如銅、釩、鈦、鈮、鈷和硼等元素,添加濃度有通常小於5wt,甚至更低。強化機構是藉高溫熱加工時產生析出物,因此具有析出硬化及晶粒細化等功效,故其強化比低碳平碳鋼強度高。在一般大氣中,HSLA鋼比平碳鋼具有更佳耐蝕性,在結構強度重要的很多應用中,它們已經代替了平碳鋼。

、中碳鋼

中碳鋼其碳濃度約介於0.25wt﹪至0.60wt%之 間,。這些鋼材可藉著沃斯田鐵化,淬火然後回火等熱處理改善機械其性質。它們最常以回火狀態使用,其顯微結構是回火麻田散鐵。代表性的鋼材為添加鉻、鎳、 鉬等元素的合金鋼,鉻、鎳和鉬的添加可改善這些合金熱處理的能力,使其可獲得強度及延展性極佳的組合。這些熱處理合金鋼比低碳鋼強度高,但會犧牲延展性和 韌性。此類鋼材應用包括鐵路車輪、軌道、齒輪、曲柄軸和其它切削零件以及要求高強度、耐磨耗和高韌性的結構零件上。

、高碳鐵

高碳鋼通常具有碳含量介於0.6wt﹪至1.4wt%之間的鋼材,是碳鋼中最硬最強,而延展性最低者,其中工具模具鋼為代表。它們幾乎總是以硬化和回火狀況使用,如此特別是在耐磨耗的工件上使用,通常含有鉻、釩、鎢和鉬合金。這些合金元素易與碳結合形成很硬和耐磨耗碳化物之化合物(如Cr23C6V4C3 , Mo2CWC等)。

、不銹鋼

不銹鋼(stainless steels)具有良好的抗蝕性(生銹),尤其是在大氣中。主要添加的合金元素是鉻,其濃度至少需11wt%鉻 以上,此外藉著添加鎳、鉬或銅可強化抗蝕性。不銹鋼依據顯微結構主要可分成三類,包括麻田散鐵型、肥粒鐵和沃斯田鐵型。麻田散鐵型不銹鋼能藉熱處理使其內 部產生麻田散鐵,因此具較高的機械強度。沃斯田鐵型和肥粒鐵型不銹鋼只能藉著冷加工來硬化和強化材質,因為它們是無法熱處理的。沃斯田鐵型不銹鐵因為高鉻 含量和鎳的添加,其耐蝕性最好;而其產量也是最大的。

(二)鑄鐵

通常鑄鐵(cast iron)是鐵合金的加上高達3.0 wt﹪至4.5wt%之碳,而稱之,其與碳鋼一般,均可再添加其他合金元素,已進一步強化鑄鐵的各項機械性能。對大部份鑄鐵而言,碳係以石墨形式存在。最常見鑄鐵包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵、白鑄鐵和展性鑄鐵等。

、灰鑄鐵(Gray Iron

灰鑄鐵(gray cast iron)中碳與矽含量分別介於2.5wt﹪和4.0wt%之間以及1.0wt﹪和3.0wt%之間。對大部份灰鑄鐵而言,石墨是以片狀形式存在於基地內,典型灰鑄鐵顯微組織片狀石墨,其破裂表面出現灰色狀,因而稱之為灰鑄鐵,其在工業上的用量極大。

、延性(或球墨)鑄鐵

在鑄造之前加入少量鎂和鑲,或鎂或鑲到灰鑄鐵中會產生不一樣顯微結構及機械性質。石墨仍然形成,但是以球狀顆粒代替原先的片狀。此結果的合金稱球墨或延性鑄鐵。此種鑄件比灰鑄鐵更強並且更有延性,其機械性質的比較如表12.5所示。此類材料典型應用包括閥、泵體、曲柄虹、齒輪,以及其它自動如切削零件。

、白鑄鐵和展性鑄鐵

對低矽(含量少於1.0wt%矽)和快冷卻速率的鑄鐵而言,大部份碳是以雪明碳鐵代替石墨方式存在,此類合金的破壞表面呈白色外觀,因此被稱為白鑄鐵(White cast iron)。

將白鑄鐵於800900℃14701650℉)之間在中性氣體(避免氧化)長時間加熱將造成雪明碳鐵分解,形成石墨,石墨係以聚集或薔薇形式存在而被肥粒鐵或波來鐵基地包圍,形成肥粒鐵展性鑄鐵。代表性應用包括聯結桿、傳動齒輪、閥零件、輪船及其它重機使用上。

鐵合金(Ferrous alloys)係以鐵為主要成分的合金材料,其產量比任何其它金屬多,且常作為工程結構用材料。它們能廣泛的被使用,可由三個因素來解釋:(1)含鐵之化合物在地殼內蘊藏豐富;(2)鐵和鋼合金的提煉、精煉、以及製造技術十分成熟;(3)鐵合金之機械性質優異。

(一)鋼(Steels

鋼即是鐵-碳合金,除了含有碳元素外,亦可進一步包含微量其它合金元素。較常見鋼鐵分類係根據碳濃度的高低分別區分為低碳、中碳和高碳型式。平碳鋼(plain carbon steel)除了碳和少量錳外只含殘留濃度的不純物。對合金鋼(alloy steel)而言,不同功效的合金元素將以不同濃度加入鋼中,以改善剛的各項性能。

、低碳鋼

所有鋼種中,最大產量係落在低碳這一類的範圍內。其含碳量通常少於0.25wt%,因此對於形成麻田散鐵的熱處理是無反應的,其鋼才的強化主要是靠冷加工來完成。其顯微結構包括肥粒鐵和波來鐵。

低碳鋼的另一群是高強度低合金鋼(HSLA)。它們包含其它合金元素諸如銅、釩、鈦、鈮、鈷和硼等元素,添加濃度有通常小於5wt,甚至更低。強化機構是藉高溫熱加工時產生析出物,因此具有析出硬化及晶粒細化等功效,故其強化比低碳平碳鋼強度高。在一般大氣中,HSLA鋼比平碳鋼具有更佳耐蝕性,在結構強度重要的很多應用中,它們已經代替了平碳鋼。

、中碳鋼

中碳鋼其碳濃度約介於0.25wt﹪至0.60wt%之 間,。這些鋼材可藉著沃斯田鐵化,淬火然後回火等熱處理改善機械其性質。它們最常以回火狀態使用,其顯微結構是回火麻田散鐵。代表性的鋼材為添加鉻、鎳、 鉬等元素的合金鋼,鉻、鎳和鉬的添加可改善這些合金熱處理的能力,使其可獲得強度及延展性極佳的組合。這些熱處理合金鋼比低碳鋼強度高,但會犧牲延展性和 韌性。此類鋼材應用包括鐵路車輪、軌道、齒輪、曲柄軸和其它切削零件以及要求高強度、耐磨耗和高韌性的結構零件上。

、高碳鐵

高碳鋼通常具有碳含量介於0.6wt﹪至1.4wt%之間的鋼材,是碳鋼中最硬最強,而延展性最低者,其中工具模具鋼為代表。它們幾乎總是以硬化和回火狀況使用,如此特別是在耐磨耗的工件上使用,通常含有鉻、釩、鎢和鉬合金。這些合金元素易與碳結合形成很硬和耐磨耗碳化物之化合物(如Cr23C6V4C3 , Mo2CWC等)。

、不銹鋼

不銹鋼(stainless steels)具有良好的抗蝕性(生銹),尤其是在大氣中。主要添加的合金元素是鉻,其濃度至少需11wt%鉻 以上,此外藉著添加鎳、鉬或銅可強化抗蝕性。不銹鋼依據顯微結構主要可分成三類,包括麻田散鐵型、肥粒鐵和沃斯田鐵型。麻田散鐵型不銹鋼能藉熱處理使其內 部產生麻田散鐵,因此具較高的機械強度。沃斯田鐵型和肥粒鐵型不銹鋼只能藉著冷加工來硬化和強化材質,因為它們是無法熱處理的。沃斯田鐵型不銹鐵因為高鉻 含量和鎳的添加,其耐蝕性最好;而其產量也是最大的。

(二)鑄鐵

通常鑄鐵(cast iron)是鐵合金的加上高達3.0 wt﹪至4.5wt%之碳,而稱之,其與碳鋼一般,均可再添加其他合金元素,已進一步強化鑄鐵的各項機械性能。對大部份鑄鐵而言,碳係以石墨形式存在。最常見鑄鐵包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵、白鑄鐵和展性鑄鐵等。

、灰鑄鐵(Gray Iron

灰鑄鐵(gray cast iron)中碳與矽含量分別介於2.5wt﹪和4.0wt%之間以及1.0wt﹪和3.0wt%之間。對大部份灰鑄鐵而言,石墨是以片狀形式存在於基地內,典型灰鑄鐵顯微組織片狀石墨,其破裂表面出現灰色狀,因而稱之為灰鑄鐵,其在工業上的用量極大。

、延性(或球墨)鑄鐵

在鑄造之前加入少量鎂和鑲,或鎂或鑲到灰鑄鐵中會產生不一樣顯微結構及機械性質。石墨仍然形成,但是以球狀顆粒代替原先的片狀。此結果的合金稱球墨或延性鑄鐵。此種鑄件比灰鑄鐵更強並且更有延性,其機械性質的比較如表12.5所示。此類材料典型應用包括閥、泵體、曲柄虹、齒輪,以及其它自動如切削零件。

、白鑄鐵和展性鑄鐵

對低矽(含量少於1.0wt%矽)和快冷卻速率的鑄鐵而言,大部份碳是以雪明碳鐵代替石墨方式存在,此類合金的破壞表面呈白色外觀,因此被稱為白鑄鐵(White cast iron)。

將白鑄鐵於800900℃14701650℉)之間在中性氣體(避免氧化)長時間加熱將造成雪明碳鐵分解,形成石墨,石墨係以聚集或薔薇形式存在而被肥粒鐵或波來鐵基地包圍,形成肥粒鐵展性鑄鐵。代表性應用包括聯結桿、傳動齒輪、閥零件、輪船及其它重機使用上。


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