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；
D 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。
D 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。
D 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 SFXXA SFXXB
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。
D 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)。
D 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、5 S：鏡鐵
D 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 % C 100：1.00 % 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
D 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。
D 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 D 例如：ES17Ni2 → 電爐煉製0.17 % C之第二種鎳鋼。之前。
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。
D 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。
D 這類碳鋼切削困難，若施以球化處理，即可改善 之。
D 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。
D 模心則用心油(core oil)或鋯粉以代黏土。
D 澆鑄前須充分烘乾之。
D 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？
