材料与热处理(培训资料)

材料與熱處理金屬材料製造一部牛中麟2004/2/911材料種類金屬陶瓷塑膠複合材料半導體鍵結金屬鍵離子鍵共價鍵共價鍵+凡得瓦爾鍵-共價鍵強度3142-耐溫性3142-導電性143-2量產性12134加工性13123化學安定性32132金屬材料種類„鋼鐵„非鐵金屬與合金鋼鐵„命名規範„美國SAE/AISI：前2位數字表示鋼種，後2位數字表示碳含量4140：41表示鉻鉬鋼，40表示0.40%C„日本JIS：以英文表示鋼種，後接編號或強度或元素含量S45C:0.45%C之碳鋼鋼鐵的種類„碳鋼„低合金鋼„高強度低合金鋼„工具鋼„不鏽鋼„其他特殊鋼„鑄鐵碳鋼„0.30%C為低碳鋼，0.30~0.55%C為中碳，0.55%C以上為高碳„抗拉強度、降伏強度、硬度都隨碳含量增多而增加，但伸長率、斷面縮率及衝擊值則相反，即碳愈多韌性愈低鋼鐵之碳含量愈多則愈硬脆碳鋼„一般構造用：碳含量0.12~0.30%，直接使用，不需熱處理„機械構造用：碳含量低於0.25%者需850~950℃正常化處理碳含量高於0.25%者則作正常化或者淬火(800~900℃)+回火(550~650℃)鑄鋼„碳0.6%（鑄鐵之碳2~4.5%）„正常化熱處理„機械性質類似於相同碳含量的碳鋼，但強度稍高而韌性較低快削鋼„加硫使切屑變細小加磷使鋼質變脆加鉛使切屑細小和提高潤滑性„提高切削性但犧牲一些機械性質„適用於：重視加工面美觀而非強度的零件低合金鋼„合金元素總量在5%以內„添加目的：增加硬化能（大尺寸而能淬硬透）及抵抗回火軟化（回火強度、硬度）„低合金鋼比相同碳含量之碳鋼可以熱處理到更高的強度，較大尺寸能夠淬硬，而且較能抵抗高溫環境之軟化„紅十字/AISI4140/JISSCM440„藍十字/AISI4340/JISSNCM439高強度低合金鋼(HSLA)„用於大型構造物（車輛、高樓、橋樑、船舶等）„焊接後無法再熱處理者，正常化或軋延後就具有高強度（50kg/mm2以上）„具有低碳鋼板的焊接性及成型性。焊接免預熱以及焊後熱處理也不會硬脆工具鋼„碳工具鋼„合金工具鋼„高速(工具)鋼碳工具鋼„碳含量0.6~1.5%„優點—價格便宜、硬度高„缺點—硬化能差、不耐高溫„應用—帶鋸、衝模、車刀、銼刀等合金工具鋼„鉻、鎢、鉬、釩、錳、矽含量總和大於5%„優點—硬化能高、耐磨性、抵抗回火軟化性高„分類—切削、耐衝擊、耐磨(SKD11切模)、熱加工(SKD61壓鑄模)高速鋼„比合金工具鋼更高的合金含量„優點—優秀的紅熱性及耐磨性„分類—鎢系、鉬系等不銹鋼(Cr5%)肥粒鐵型沃斯田鐵型麻田散鐵型析出硬化型代表鋼種430442304316410440C630麻時效鋼成份特徵%Cr-17%C13Ni6%%Cr-17%C13Al,Nb,Mo,Ti,Ta之添加耐蝕性2132機械性質4421熱處理退火退火,安定化淬火+回火固溶化+時效用途便宜,廣泛低溫,化學容器刀具,機械零件軍事,高級零件沃斯田鐵系不銹鋼無磁性，其他則有不銹鋼之耐蝕性以沃斯田鐵系的304、316最佳，且無磁性其他特殊鋼„耐熱鋼„耐高溫氧化及具高溫強度„309、310（最高使用溫度500~700℃）„軸承鋼„彈簧鋼„磁氣用鋼„其他特殊合金鋼（例：鎂熱室壓鑄用鵝頸／活塞／活塞環材質1.2888）„鎢鋼：唐卡龍（碳化鎢）刀具材質等級：高碳鋼Æ高速鋼Æ唐卡龍Æ唐卡龍+鍍膜鑄鐵白鑄鐵灰鑄鐵展性鑄鐵延性(球墨)鑄鐵特殊合金鑄鐵碳之型式雪明碳鐵片狀石墨不規則石墨球狀石墨-特性硬脆、耐磨脆、易加工、吸震、滑動磨耗性佳遠優於白／灰鑄鐵之機械性質鑄鐵中最佳之強度韌性組合耐蝕、耐磨、耐高溫(視成份而定)應用水泥、採礦業之滾筒、磨球引擎本體、工具機本體高強度機械零件略同於展性鑄鐵，逐漸取代之特殊零件非鐵合金„鋁及鋁合金„鎂合金„鋅合金„鈦及鈦合金„銅及銅合金„鎳及鎳合金„錫、鉛及其合金„貴金屬—金、銀、鉑…鋁合金命名規範„美國鋁業協會„日本JIS美國鋁業協會„鍛造用鋁合金為4位數（7075,6061）„鑄造用鋁合金為3位數（A380.1）鍛造用鋁合金代號„第1位數與主要合金成份關係，共有八個系統„1xxx系為純鋁，而2xxx至8xxx系為合金„第2位數字用來區分舊型合金與改良合金，通常以0代表最早開發者，而1、2、3、4、、、、則是代表改良合金，通常指雜質含量較少的合金„第3、4位數字主要用來區別同一系統合金成份上的差別，但對純鋁而言，後兩位數字代表純度百分比小數點後兩位7075鍛造鋁合金代號合金系主要合金元素合金系主要合金元素1xxx……………無2xxx……………Cu3xxx……………Mn4xxx……………Si5xxx……………Mg6xxx……………Mg,Si7xxx……………Zn8xxx……………其他鑄造鋁合金代號„第1位數與主要合金成份關係„第2、3位數係區別同一系合金中成分上的差別„xxx.0係表示鑄件，其成分合乎鑄件的規定，xxx.1與xxx.2則表示鑄錠，其成分合乎鑄錠的規定„在xxx之前加字母則用來區分雜質或微量元素的差別，如A356與356或A380、B380與380。380.1A鑄造鋁合金代號合金系主要合金元素合金系主要合金元素1xx……………..99%Al2xx……………..Al-Cu3xx…………..Al-Si-MgAl-Si-CuAl-Si-Cu-Mg4xx……………Al-Si5xx……………Al-Mg7xx……………Al-Zn8xx……………Al-Sn日本JIS„壓鑄鋁合金7075為鍛造鋁合金A380和ADC12為Al-Si-Cu合金純鋁„99%以上„耐蝕性、光輝、導電性、延性。„導電材料及鋁箔要求之純度為99.45%以上Al-Cu合金„2xxx系列及2xx系列„銅是析出硬化元素，又可減少凝固收縮孔洞以提高韌性„若添加Mg可進一步促進析出硬化的幅度（2xxx系列合金強度僅次於7xxx系列合金）Al-Mn(3xxx)„添加1.2%Mn可產生MnAl6而散佈強化（3003合金），再添加1%Mg（3004合金）可在不犧牲耐蝕性之下提高強度，廣泛使用於烹調用具、生活器具等。易開罐即為3004鋁合金。Al-Si合金(4xxx,3xx,4xx)„矽是最能促進鑄造性的合金元素，可使流動性好、縮孔小。此外還可提高鋁合金之剛性（複合強化）以及耐磨性„380、356等合金即為應用廣泛的高強度鑄造合金„高矽含量的390合金具有高耐磨、低熱膨脹率，因此用於滑輪、引擎汽缸、空氣壓縮機等Al-Mg合金(5xxx,5xx)„鎂在鋁合金中是固溶強化元素，並能保持良好的延展性及耐蝕性，並且是最適合焊接的鋁合金，適合作為車、船、建築物之結構材料（如5083、5086、5056、5456等）„含鐵量少者還可得到極光亮的陽極處理皮膜，適合作外觀件（如5005、5050、5457、5657等）Al-Mg-Si合金(6xxx)„所含的鎂及矽並不多，透過Mg2Si的析出，T4處理後的強度介於15~30ksi，T6處理後則可30~40ksi，在鋁合金中屬於中強度等級，僅次於7000及2000系合金„擠型性、耐蝕性、焊接性和陽極處理效果都不錯，因此廣泛用於建築結構材料，如門窗、欄杆等（如6061、6063等）。Al-Zn(-Mg-Cu)合金„透過MgZn2和Al2Cu的析出而成為強度最高的鋁合金，為飛機的主要結構材料（如7075、7050、7178、7079等）鋁合金熱處理代號„可熱處理合金為2xxx、6xxx、7xxx、2xx、3xx和7xx系列；其他系列則靠固溶強化和應變硬化來達到硬化的效果„在合金代號之後，可進一步連接適當的代號來表示該合金所經的加工處理或熱處理鋁合金熱處理代號„F:經加工成型者„O:經退火者„H:經應變硬化者„H1n:僅應變硬化者„H2n:應變硬化後經部分退火者„H3n:應變硬化後作安定化處理者•n=2為20%常溫加工（1/4硬質）•n=4為40%常溫加工（1/2硬質）•n=6為60%常溫加工（3/4硬質）•n=8為80%常溫加工（硬質）•n=9為90%常溫加工（特別硬質）鋁合金熱處理代號„W:經固溶處理者„T:熱處理者„T1:經高溫加工成型後自然（室溫）時效至相當安定之狀態„T2:經退火處理者（僅適用於鑄件）„T3:經固溶處理後冷加工者„T4:經固溶處理後自然時效至相當安定狀態„T5:經高溫加工成形後人工時效者„T6:固溶處理後人工時效者„T7:固溶處理後過時效處理者„T8:固溶處理後冷加工及人工時效者„T9:固溶處理及人工時效後再冷加工者„T10:高溫加工成形及人工時效後再冷加工者常用鋁合金之熱處理條件固溶化(T4)時效處理(T6)溫度C溫度C時間hr6061530175860635201758擠型淬水(T1)205(T5)1707546512024壓鑄合金？壓鑄件氣孔多，高溫熱處理會起泡變形鎂及鎂合金„鎂合金是最輕的實用合金，具有良好的車削性以及甚高的強度-密度比（比強度）和剛性-密度比：在相同重量下，鎂合金之撓曲度小於鋁合金、鈦合金及鋼鐵；同理，在相同剛性下，鎂合金的重量較後三者輕。„鎂合金在金屬中有最佳的吸震性。加工性極佳。„純鎂不存在於自然界中，必須以下列2種方法還原取得：(1)海水電解，(2)礦石熔煉。鎂合金代號„鎂合金的代號是採用2個字母及2個數字的表示法„每個字母係代表一個主要元素，並依含量高低順序排列先後„數字則對應表示該元素的百分比„數字後再加上A/B/C/D/E表示純度AZ91D鋁Al-9%鋅Zn-1%高純度鎂合金之元素代號AAl鋁MMn錳BBi鉍NNi鎳CCu銅PPb鉛DCd鎘QAg銀E稀土元素RCr鉻FFe鐵SSi矽HTh釷TSn錫KZr鋯WY釔LLi鋰ZZn鋅廠內壓鑄鎂合金為AZ91D主要合金元素為鋁和鋅合金元素對鎂合金之影響„鋁：增加強度硬度(Mg17Al12析出)、增加流動性„鋅：增加(室溫)強度硬度(MgZn析出)、若超過1%則會導致熱裂„錳：藉熔煉時和鐵鎳鈷銅等重金屬元素析出沈澱而提高耐蝕性、降低流動性„稀土元素：增加高溫強度、降低焊裂和氣孔„鈣：增加高溫強度、減輕鎂湯燃燒„鋰：降低強度、增加延性„矽：增加流動性、降低耐蝕性„鋯：晶粒細化„釔：增加高溫強度„鐵、鎳：降低耐蝕性„銅：降低耐蝕性、增加高溫強度„鈹：減輕鎂湯燃燒、晶粒粗大化鋅合金„特性„在壓鑄合金中鋅的強度僅次為銅合金(高於鋁、鎂合金)„熔點最低因此是最容易壓鑄的材料，再加上流動性高，適合大量生產且形狀複雜的鑄件„廠內使用之鋅合金有3種„3號(Zn3)—最廣泛使用的熱室壓鑄鋅合金„ZA8—比#3更佳的強度，但熔融溫度更高，尚可勉強適用於熱室壓鑄法„ZA27—強度最高、最耐磨以及最輕的鋅合金，必須使用冷室壓鑄法。最廣泛使用的鋅合金為3號料強度最高最耐磨的是ZA273號鋅合金不可稱為ZA3！鈦及鈦合金„高熔點、高強度（接近鋼鐵材料）、低密度（4.5g/cm3）和極優越的耐蝕性和生物親和性的諸多特性，在化工、航太、生醫方面有無可取代的用途銅及銅合金„紅銅(純銅)—導電、導熱性在金屬中排名第二，僅次於銀，使用量超越銅合金。„黃銅(銅鋅合金brass)—鋅為強化元素。銅-5~10%鋅用為錢幣、紀念章等。銅-30%鋅（俗稱之七三黃銅或彈殼黃銅）具有最佳的強度、延性以及加工性之組合。銅-40%鋅具有最高強度。添加錫、鉛、鋁、矽、鐵、鎳等則稱為特殊黃銅（壓鑄銅合金屬於此類）銅及銅合金„青銅(銅錫合金bronze)—錫含量從3.5%~25%，另有添加磷、鉛和鋅者„此外，還有銅鋁、銅鎳、銅矽、銅鎳矽、銅錳、銅鈹（鈹銅）等合金鎳及鎳合金„鎳鐵合金有高導磁、超低熱膨脹係數、不受溫度影響的彈性係數之特性„鎳鉻合金耐高溫氧化，可用於1100℃以內的高溫爐發熱體（鎳-20%鉻）„超合金：高溫環境中，耐熱鋼可使用至600℃以下，600~1000℃則可使用鈷基及鎳基超合金„添加鉬、鉻、銅、鐵、矽等還可用於高腐蝕性環境廠內壓鑄合金成份(鑄錠)AZ91DA380ADC12359.2Zn3ZA8ZA27Cu≦0.0153.0~4.01.5~3.5≦0.1≦0.10.8~1.3