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Mn3C，且與Fe3C相溶合成(Fe,Mn)3C，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Fe3C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/mm2。

例如：SS41為抗拉強度41 kgf/mm2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/mm2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/mm2

碳鋼鑄件 SCXX XX：最低抗拉強度kgf/mm2

碳鋼鍛件SFXXASFXXB

XX：最低抗拉強度kgf/mm2

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/mm2)

※碳鋼之一般用途可概述如下：

碳 鋼 材 料 用 途 例

極軟鋼 鉚釘材、鋼線材銲條心、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

軟鋼 鉚釘材、橋樑材鉚釘、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

半軟鋼造船材、建築材、橋樑材、汽缸材

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

半硬鋼建築材、軸材、

機械構造材

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

硬鋼 軸材軸類、壓縮氣體容器、飛機氣筒、鍵、曲柄、滾筒等

最硬鋼軸材、

普通工具用材

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

高碳工具鋼

含 碳 量 高 於 0.6 %、各種工具

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、5S：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 四 (若不需要可

省略)五 (若不需要可

省略)S (鋼) 平均含碳量百分率之

百分之一

6：0.06 % C100：1.00 % C附加括號：最小抗拉強度或降伏強度

S(50)C：50 kgf/mm2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

1、2、3、……鋼中所含主要合金元素之種類

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？

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§§ 作業：