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