鋼鐵中的合金元素對品質的影響

鋼 鐵 中 的 合 金 元 素 對 品 質 的 影 響 硼 / Boron / 原 子 序 ： 5 / 元 素 符 號 ： B 通 常 加 0.0005 ~ 0.003 % ， 能 明 顯 增 加 鋼 之 硬 化 能 力 ， 在 低 碳 鋼 特 別 有 效 。 由 於 硼 並 不 影 響 鐵 素 體 的 強 度 ， 所 以 它 可 以 用 來 增 加 硬 化 能 而 毋 須 犧 牴 延 長 性 、 成 型 性 及 切 削 性 。 鋁 / Aluminium / 原 子 序 ： 13 / 元 素 符 號 ： Al 是 一 種 除 氧 劑 ， 鋁 除 氧 鋼 ( Aluminum - killed steels ) 有 優 良 的 韌 性 ， 因 為 晶 粒 很 小 。 熱 加 工 或 熱 處 理 時 可 抑 制 晶 粒 成 長 。 在 氮 化 用 鋼 ( Nitriding steels ) ， 鋁 與 鉻 一 齊 使 用 可 以 幫 助 形 成 複 雜 碳 化 物 。矽 / Silicon / 原 子 序 ： 14 / 元 素 符 號 ： Si 是 煉 鋼 的 一 種 主 要 除 氧 劑 ， 通 常 在 鋼 的 規 格 內 不 太 注 意 到 矽 的 含 量 ， 主 要 是 看 產 品 的 除 氧 過 程 。 淨 面 鋼 及 半 靜 鋼 的 矽 含 量 很 少 ， 通 常 少 於 0.05 % 矽 ； 而 全 靜 鋼 常 含 0.0.5 ~ 0.30 % 的 矽 來 除 氧 ， 若 用 其 他 除 氧 劑 ， 則 矽 可 以 更 少 。 矽 可 以 稍 微 提 高 鐵 素 體 的 強 度 ， 而 不 會 損 失 大 量 的 延 展 性 。 在 0.25 % 矽 以 下 ， 對 鋼 料 的 影 響 不 明 顯 ； 但 若 超 過 2 % 矽 ， 則 可 強 化 鉬 、 錳 、 鉻 的 作 用 。 假 使 鋼 料 含 碳 少 於 0.01 % 而 含 3 % 矽 左 右 ， 則 可 減 少 磁 滯 損 失 ， 而 用 於 變 壓 器 上 ， 此 即 矽 鐵 片 。 鈣 / Calcium / 原 子 序 ： 20 / 元 素 符 號 ： Ca 有 時 用 為 除 氧 劑 ， 以 鈣 除 氧 的 鋼 材 通 常 會 以 矽 或 鋁 除 氧 鋼 具 有 更 好 的 切 削 性 。 鈦 / Titanium / 原 子 序 ： 22 / 元 素 符 號 ： Ti 可 加 到 硼 鋼 中 ， 迅 速 與 鋼 的 任 何 氧 、 氮 結 合 ， 來 增 進 硼 提 高 硬 化 能 的 效 果 ， 鈦 本 身 可 增 進 奧 氏 體 的 硬 化 能， 但 鈦 在 中 鉻 鋼 中 會 降 低 馬 氏 體 的 硬 度 。 鉻 / Chromium / 原 子 序 ： 24 / 元 素 符 號 ： Cr 用 於 低 合 金 鋼 可 以 增 進 在 煉 鋼 過 程 中 ， 錳 是 一 種 除 氧 劑 ， 而 且 錳 也 有 利 於 鋼 之 熱 加 工 ， 能 避 免 熱 裂 ( Hot Shortness ) 。 錳 可 與 硫 化 錳 同 列 ， 有 利 於 鋼 料 之 切 削 性 ， 也 降 低 硫 脆 化 的 危 害 。 錳 與 碳 結 合 成 碳 化 物 的 傾 向 ， 比 鐵 大 ， 但 低 於 鉻 。 錳 可 略 微 提 高 鐵 素 體 相 ( Ferrite ) 的 強 度 ， 且 能 大 量 增 進 鋼 料 的 硬 化 能 ( 這 亦 是 為 何 普 通 碳 鋼 通 常 含 有 0.2 ~ 0.8 % 錳 的 原 因 ) ， 這 兩 種 效 應 會 使 正 常 化 熱 處 理 時 得 到 細 珠 光 體 ( Pearlite ) 的 強 化 鋼 料 。 當 鋼 含 錳 1﹒5 % 而 碳 約 1 % 時 ， 此 鋼 料 可 用 油 淬 硬 化 。 錳 會 降 低 馬 氏 體 ( Martensite ) 形 成 的 溫 度 ， 當 錳 含 量 超 過 8 % 時，則 奧 氏 體 ( Austenite ) 可 殘 留 至 室 溫 ； 若 碳 含 量 高 ， 則 大 量 碳 化 物 析 出 ， 此 再 加 上 大 量 錳 的 強 化 ， 使 引 發 馬 氏 相 形 成 ， 所 以 極 耐 磨 損 。 釩 / Vanadium / 原 子 序 ： 23 / 元 素 符 號 ： V 是 強 碳 化 物 形 成 元 素 ， 可 藉 二 次 硬 化 來 抵 抗 回 火 軟 化 。 一 般 用 來 抑 制 鋼 熱 處 理 的 晶 粒 成 長 ， 而 能 同 時 增 加 強 度 及 韌 性 。 加 釩 在 0.05 % 以 下 能 提 高 硬 化 能 ； 但 太 多 反 而 會 減 低 硬 化 能 ， 可 能 是 形 成 碳 化 物 無 法 在 奧 氏 化 時 溶 解 之 故 。 鈷 / Cobalt / 原 子 序 ： 27 / 元 素 符 號 ： Co 是 少 數 會 減 少 硬 化 能 的 元 素 。 然 而 與 釩 、 鉻 、 鎢 一 齊 使 用 卻 能 大 量 增 加 鋼 的 紅 熱 硬 度 。 與 碳 形 成 碳 化 物 的 傾 向 ， 大 約 與 鐵 素 體 相 同 。 鎳 / Nickel / 原 子 序 ： 28 / 元 素 符 號 ： Ni 鎳 算 是 鋼 鐵 中 最 重 要 的 合 金 元 素 之 一 ， 它 不 易 與 碳 形 成 碳 化 物 ， 用 於 低 合 金 鋼 時 能 增 進 低 溫 韌 性及 硬 化 能 ， 也 可 減 少 熱 處 理 變 化 的 敏 感 性 及 減 少 淬 火 的 扭 曲 及 龜 裂 。 可 以 強 化 鐵 素 體 ， 當 與 鉻 、 鉬 合 時 ， 能 得 到 高 強 度 、 高 韌 性 及 高 硬 化 能 的 合 金 鋼 鋼 鋼 。 含 5 % 鎳 且 1 % 碳 ， 則 緩 慢 冷 卻 可 得 到 馬 氏 體 。 加 入 5 % 鎳 於 合 金 鋼 中 能 增 加 抗 拉 強 度 而 不 會 減 少 延 展 性 。 若 加 入 8 ~ 12 % 鎳 於 鋼 鐵 中 ， 則 可 使 鋼 鐵 耐 低 溫 衝 擊 而 使 用 於 低 溫 容 器 。 若 加 入 12 ~ 15 % 鎳 且 含 1 意 碳 ， 可 得 到 奧 氏 體 相 。 若 鐵 中 含 15 ~ 25 % 鎳 、 8 ~ 12 % 鋁 、 0 ~ 24 % 鈷 、 0 ~ 6 % 銅 則 變 成 極 高 的 硬 磁 材 料 ， 稱 為 鋁 鎳 鈷 ( Alnico ) 。 銅 / Copper / 原 子 序 ： 29 / 元 素 符 號 ： Cu 加 入 鋼 中 ， 主 要 是 為 了 增 進 大 氣 腐 蝕 的 抵 抗 能 力 ， 此 目 的 下 通 常 加 入 量 為 0.2 ~ 0.5 % 。 但 銅 會 破 壞 表 面 品 質 及 熱 加 工 性 ， 後 在 煉 鋼 過 程 中 ， 錳 是 一 種 除 氧 劑 ， 而 且 錳 也 有 利 於 鋼 之 熱 加 工 ， 能 避 免 熱 裂 ( Hot Shortness ) 。 錳 可 與 硫 化 錳 同 列 ， 有 利 於 鋼 料 之 切 削 性 ， 也 降 低 硫 脆 化 的 危 害 。 錳 與 碳 結 合 成 碳 化 物 的 傾 向 ， 比 鐵 大 ， 但 低 於 鉻 。 錳 可 略 微 提 高 鐵 素 體 相 ( Ferrite ) 的 強 度 ， 且 能 大 量 增 進 鋼 料 的 硬 化 能 ( 這 亦 是 為 何 普 通 碳 鋼 通 常 含 有 0.2 ~ 0.8 % 錳 的 原 因 ) ， 這 兩 種 效 應 會 使 正 常 化 熱 處 理 時 得 到 細 珠 光 體 ( Pearlite ) 的 強 化 鋼 料 。 當 鋼 含 錳 1﹒5 % 而 碳 約 1 % 時 ， 此 鋼 料 可 用 油 淬 硬 化 。 錳 會 降 低 馬 氏 體 ( Martensite ) 形 成 的 溫 度 ， 當 錳 含 量 超 過 8 % 時，則 奧 氏 體 ( Austenite ) 可 殘 留 至 室 溫 ； 若 碳 含 量 高 ， 則 大 量 碳 化 物 析 出 ， 此 再 加 上 大 量 錳 的 強 化 ， 使 引 發 馬 氏 相 形 成 ， 所 以 極 耐 磨 損 。 鎢 / Tungsten / 原 子 序 ： 74 / 元 素 符 號 ： W 它 是 極 強 碳 化 物 形 成 元 素 ， 可 藉 二 次 硬 化 來 抵 抗 回 火 軟 化 。 少 量 添 加 於 低 、 中 碳 鋼 材 內 ， 可 略 為 提 高 硬 化 能 。 若 加 4 % 於 高 碳 鋼 中 ， 提 高 硬 度 及 耐 磨 性 。 若 加 到 18 % 鎢 ， 可 得 紅 熱 硬 度 及 高 溫 強 度 。 鎢 也 可 在 工 具 鋼 中 形 成 耐 磨 粒 子 。 鉛 / Lead / 原 子 序 ： 82 / 元 素 符 號 ： Pb 加 到 鋼 中 是 為 增 進 切 削 性 ， 它 並 不 溶 入 鋼 中 而 是 以 微 細 顆 粒 形 式 存 在 。 但 在 接 近 鉛 的 熔 點 ， 會 變 成 液 體 造 成 脆 化 。