201301220913金屬材料

金屬材料

金屬材料介紹

工業常用金屬有20多種,例如鐵、銅、鋁、鎂、錫、鎳、金、銀、鉛、鋅。

輕金屬:為比重在1-4之間,有鋰(0.53)、鈹(1.85)、鈉(0.97)、鎂(1.74)、鋁(2.7)。

結構用輕金屬,密度(g·cm-3)(20°C)比:Mg(1.74) AL(2.70) Ti(4.51) Fe(7.87) Cu(8.96)

基本金屬(Base metal):鐵(不鏽鋼)、銅、鉛、鎳、鋅、鋁、錫、鎢、鉬、 鉭、 鈷、 鉍、 鎘、 鈦、 鋯、 銻、 錳、 鈹、 鉻、 鍺、 釩、 鎵、 鉿、 銦、 鈮、 錸、鉈。

貴金屬(Precious[ˋprɛʃəs] metal):釕、銠、鈀、銀/鋨、銥、鉑(白金)、金。具柔軟性、延展性和耐熱特性

耐高溫金屬:有極高熔點的金屬歸類為耐高溫金屬。屬於這一類金屬包括鈮(Nb)、鉬(Mo)、鎢(W)和鉭(Ta)。熔融溫度範圍介於鈮的2468℃和金屬最高熔合的鎢3410℃。鉭和鉬加入不銹鋼中成為合金元素可改善其耐蝕性。鉬合金被用為擠製模和航空器的結構零件;自熱燈絲、x光管和焊極使用鎢合金。鉭對於溫度低於150℃的所有環境幾乎不產生化學浸蝕,因而鉭常用於需要耐蝕材料的應用上。

超合金:具有最佳的性質組合。大部份用在航空器渦輪機零件,這些材料之分類係根據合金中主要金屬,金屬可能是鈷、鎳或鐵。其它合金元素包括耐高溫金屬(Nb, Mo, W, Ta)、鉻和鈦。除了渦輪機應用外,這些合金也用在核能反應器及石化工業設備上。

二、金屬材料介紹

  金屬材料的優點是質地堅硬、有光澤、具塑性、重量較大、是熱及電的的良好導體,防火及防腐性能佳,但是易氧化而生鏽或是變色,可借助各種表面處理,使表面耐久。

1.鋼鐵材

鋼的普及化要等到十七世紀,也就是有了更高效的生產法之後。自從在十九世紀發明了貝塞麥煉鋼法之後,鋼就成了一種可大量生產的廉價材料。後來煉鋼法經過更多的改進,例如基本氧氣煉鋼,使得鋼的生產價格更低,但同時品質更好。時至今日,鋼已經成為世界上普遍的材質,年生產量達十三億噸。在各種建築、基礎設施、工具、船隻、汽車、機械、電器及武器中,鋼都是一種主要的成份。

是一種由鐵與其他元素結合而成的合金,當中最普遍的是碳。

鋼可分為:,低合金鋼、高合金鋼:

1)低合金鋼:低碳鋼(平碳鋼、高強度低合金鋼)、中碳鋼(平碳鋼、可熱理鋼)、高碳鋼(平碳鋼、工具鋼)。

2)高合金鋼::不鏽鋼、工具鋼。

(工具鋼可為低合金高碳鋼,也可為高合金鋼。)

(1)鐵礦指含鐵礦物,可用於提煉單質生鐵、煉鋼等諸多用途。常見鐵礦都為鐵氧化物,大多呈暗灰色、亮黃色、深紫色或鐵鏽色。


赤鐵礦是巴西主要鐵礦石。


赤鐵礦是巴西主要鐵礦石。

(2)生鐵(pig iron)是碳的比例相當的高的鐵合金,碳約占整個合金的2.5至4.5%左右,而碳鋼的含碳量為0.02~2.14%。將鐵礦石、焦炭、石灰石等原料投進高爐熔煉,由高爐直接煉得並在模中鑄造出來的。生鐵的質地相當的脆,必須將其再精煉。

(3)熟鐵(wrought iron)是含碳量0.02%以下的鐵合金碳鋼,又稱純鐵(pure iron)(含碳量在0.02-1.7%稱為鋼,含碳量在1.7-4.3%則稱生鐵)。人稱軟鐵(soft iron) 或電磁軟鐵。富延展性,適合高溫鍛接,又叫鍛鐵。

  純鐵的特點是在被通磁的時候,純鐵會產生磁性,而將磁源移去時,純鐵本身的磁性也跟著消失。

  矽鐵是鐵中加入少許的矽,其性質略同於純鐵。

  磁性不銹鋼是鉻鐵合金,因為它具有純鐵一樣的特性而又具有不易生鏽的特點,所以被稱作磁性不銹鋼。

種類

耐蝕性

切削性

折曲性

用途例

純鐵

 

 

RELAY鐵心、 POLE PEACE、隔磁板

快削純鐵

 

RELAY鐵心、 POLE PEACE、電磁離合器

1%矽鐵

 

 

RELAY 鐵心、 POLE PEACE

快削1%矽鐵

 

交直流RELAY鐵心、 POLE PEACE

2%矽鐵

 

 

交流用RELAY鐵心

快削2%矽鐵

 

 

交流用RELAY鐵心

3%矽鐵

 

 

 

交流用機器CORE

快削3%矽鐵

 

 

交流用機器CORE

快削磁性不銹鋼MER 1F

電磁閥心、RELAY鐵心

快削磁性不銹鋼MER 2F

電磁閥心、RELAY鐵心

(http://www.up7trading.com.tw/prod03.htm)

(4)鑄鐵(cast iron)是指含碳量在2%以上的鑄造鐵碳合金的總稱,一般是在2.5%~3.8%。通常由生鐵、廢鋼、鐵合金等以不同比例配合通過熔煉而成。這種合金的熔點較低,可鑄性強。

(5)碳鋼(carbon steel),是一種由鐵與碳合而成的合金。碳約佔鋼材重量的0.2%至2.1%。

=> http://elearning.stut.edu.tw/caster/3.7.1.htm

(6)平碳鋼(plain carbon steel),是單指除了碳和少量錳外只含殘留成分的不純物。

(7)合金鋼(alloy steel),是在碳鋼中再加入一種或多種其它金屬,包括錳、鉻、釩和鎢。合金鋼最常用的就是不鏽鋼。

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%92%A2%E9%93%81

原構材料:(1)條鋼;(2)角型鋼;(3)鋼板;(4)鋼管;(5)輕型鋼。

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鐵,Fe

鐵為地殼中含量僅次於鋁的金屬,為銀白色金屬。鐵易生銹且會與酸作用,在鐵表面電鍍、上油漆、塗油、上釉藥等均可減緩鐵生銹。馬口鐵為鍍錫鐵。

 

不鏽鋼(Stainless Steel)是鋼、鎳、鉻的合金,可作餐廚具及醫療器材。在各種環境中具有抗蝕性(防鏽),尤其是在大氣中。它們主要的合金元素是鉻,其成分至少需11wt%。藉著加入鎳和鉬可強化抗蝕性。

不鏽鋼依刻顯微結構的主要相組成物可分成三種:麻田散鐵型、肥粒鐵型、沃斯田鐵型。

肥粒鐵型和沃斯田鐵型不鏽鋼,係藉著冷加工來硬化和強化,因為它們是無法熱處理的。

沃斯田鐵型不鏽鋼,因為高鉻含量和鎳的添加,耐蝕性最好,產量也是最大。

麻田散鐵型和肥粒鐵型不鏽鋼,是有磁性的;沃斯田鐵型不鏽鋼,則無磁性。

1)肥粒鐵型不鏽鋼:S409、S446。

2)沃斯田鐵型不鏽鋼:

--型號 304—通用型號;即18/8不鏽鋼。中國現國標牌號為06Cr19Ni10 (GB/T3280-2007), 替代了以前的0Cr18Ni9,產品如:耐蝕容器、餐具、傢俱、欄桿、醫療器材。標準成分是18%鉻加8%鎳。為無磁性、無法藉由熱處理方法來改變其金相組織結構的不鏽鋼。

--型號 316—繼304之後,第二個得到最廣泛應用的鋼種,主要用於食品工業和外科手術器材,添加鉬元素使其獲得一種抗腐蝕的特殊結構。由於較之304其具有更好的抗氯化物腐蝕能力因而也作「船用鋼」來使用。SS316則通常用於核燃料回收裝置。18/10級不鏽鋼通常也符合這個應用級別。特用於化學、海邊等易腐蝕環境、船舶裝配、建材。

3)麻田散鐵型不鏽鋼:S410、S440

--型號 430—鐵素體不鏽鋼,裝飾用,具磁性,例如用於汽車飾品。良好的成型性,但耐溫性和抗腐蝕性要差,適於扣接件、餐具、傢具用品。其標準化學成份為16~18%鉻,含碳量低。此類不銹鋼具有磁性。

4)超高強度不鏽鋼(17-7PH),其強化係藉由析出硬化熱處理。抗拉強度1450MPa、降伏強度1310MPa,用於彈簧、刀子、壓力容器。

高速鋼:鋼、鎢、鉻、釩合金。用來製造複雜的薄刃和耐衝擊的金屬切削刀具,也可製造高溫軸承和冷擠壓模具等。(參閱http://www.hudong.com/wiki/%E9%AB%98%E9%80%9F%E9%92%A2)

鉻鋼是鋼和鉻的合金,可作鐵軌、建築、造船等結構。

鎢鋼是鋼與鎢的合金,可作剃刀、鑽頭、鉗子等工具。

氧化鐵粉是鐵的化合物,大量使用於公共電話卡、電腦磁片、錄音帶、錄影帶的磁性物質。

含碳量:生鐵>鋼>熟鐵=>硬度;生鐵>鋼>熟鐵。

 

=> 認識碳鋼材料 - 職業訓練網

  鐵是重要的強磁性元素之一。

  (1)鐵按純度可分為工業純鐵(純度99.6%~99.8%),純鐵(純度99.90%~99.95%)和高純鐵(純度99.990%~99.997%)三類。從軟磁性能看,純度越高,磁性越好。工業純鐵按碳含量,製備方法和用途又可分為電磁純鐵,電解純鐵和羰基鐵三類。

  (2)鐵的物理性能:純鐵的機械性能因其純度和晶粒的大小的不同而有很大差別。其大致如下: 抗拉強度 σb 176-274MPa、斷面收縮率 ψ 70%-80%、屈服強度 σ0.2 98-166MPa、衝擊韌性 αk 160-200J/cm2、延伸率 δ 30%-50%、硬度 HBS 50-80。

  (3) 純鐵的用途:廣泛用於電子電工、電器元件、磁性材料、非晶體製品、繼電器、傳感器、汽車制動器、紡機、電表電磁閥等等產品。

  (4)工業純鐵:含碳量不超過0.04%的純鐵,亦稱錠鐵。純度可達99.8%~99.9%,低於電解鐵,故其強度、硬度、彈性係數均比電解鐵高,但塑性則較低。工業純鐵用平爐生產,氧化期特長,以除去碳等雜質,故成本很高。在860~1050℃有熱脆性,熱加工時應特別注意,最好避開這一脆性溫度範圍。力學性能不受熱處理的影響。可用於建築工程,製造防鏽材料,鍍鋅板、鍍錫板、電磁鐵芯等。有的工業純鐵還含銅(0.25%~0.30%),以增加耐蝕性。

  工業純鐵是鋼的一種,其化學成分主要是鐵,含量在99.50%-99.90%,含碳量在0.04%以下,其他元素愈少愈好。因為它實際上還不是真正的純鐵,所以稱這一種接近於純鐵的鋼為工業純鐵。一般工業純鐵質地特別軟,韌性特別大,電磁性能很好。常見的有兩種規格,一種是是作為深衝材料,可以衝壓成極複雜的形狀;另一種是作為電磁材料的,有高的感磁性、低的抗磁性。

(http://ft.zhengqeuping.bmlink.com/supply-3839478.html)

電解鐵(Electrolytic Iron)

  定義:在電解槽中,直流電通過電極和電解質,在兩者接觸的界面上發生電化學反應,製備高純鐵的過程。
  生産工藝將粗鐵預先製成厚板作爲陽極,純鐵製成薄片作為陰極,以硫酸和硫酸鐵的混和液作爲電解液。通電後,鐵從陽極溶解成銅離子(Cu)向陰極移動,到達陰極後獲得電子而在陰極析出純鐵(亦稱電解鐵)。粗鐵中雜質如比鐵活潑的鐵和鋅等會隨銅鐵一起溶解爲離子(Zn和Fe)。由於這些離子與銅離子相比不易析出,所以電解時只要適當調節電位差即可避免這些離子在陽極上析出。比鐵不活潑的雜質如金和銀等沈積在電解槽的底部。這樣生産出來的鐵板,稱爲「電解鐵」,質量極高,可以用來製作電氣産品。沈澱在電解槽底部的稱爲「陽極泥」,裡面富含金銀,是十分貴重的,取出再加工有極高的經濟價值。

  應用領域

  1.應用於超耐熱鋼、飛機零件或核能相關機械對高抗張力鋼等;
  2.稀土磁致伸縮合金(magnetostrictive alloy、magnetostriction alloy、magnetostrictance alloy);
  3.航空、宇宙和原子能工業用的超耐熱合金,新開發合金的熔料,電子零件和元件,含稀土元素的磁體,分析用的標准物質等;
  4.電解鐵粉應用於觸媒、鐵粉樹脂、還原劑、高純度試劑等。軟磁零件、電子元件、高性能及高密度的零件。(http://tc.wangchao.net.cn/baike/detail_2048517.html)

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2.銅(音同:同),Copper[ˋkɑpɚ] ,Cu (http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%8A%85)

  或稱紫銅,紫紅色或紅棕色有光澤的金屬,導電性和導熱性僅次於銀。純銅質軟、易彎曲、韌性大、延展性優,難切削。熱傳導度391~400 W/m.k。銅可在204℃高溫時,仍保持強韌性。

  無氧銅,銅含量 99.96%以上,含氧量在 0.003%(30ppm)以內的純銅。O.F.H.C (Oxygen free high conductivity copper) ,O.F.E.C. (Oxygen Free Electronic Copper)。一般用於音響器材、真空電子器件、電纜等電工電子應用中。

  高傳真音頻專用電纜(http://www.canare.com.tw/site_products/5/imagepages/image15.html)

  無氧銅 C1020-日規JIS C1020 美規ASTM C10200,用在電子、電氣、半導體、光電、交換器、微波管、導線等等。

  高導電紅銅C1100 -日規JIS C1100  美規ASTM C11000,適用於電氣工業、模具業、電子業、建築及汽車業等。

(http://www.landon.com.tw/blog/rewrite.php/read-1.html)

  紫銅,特指工業純銅,玫瑰红色,表面形成氧化膜後呈紫色。它是含有一定氧的铜,因而又稱含氧铜。中國紫銅加工材按成分可分為:普通紫銅(T1、T2、T3、T4)、無氧銅(TU1、TU2和高純、真空無氧銅)、脱氧銅(TUP、TUMn)、添加少量合金元素的特種銅(砷銅、碲銅、銀銅)四類。用為發電機母線、電纜、開關裝置、變壓器等電工器材和熱交換器、管道、太陽能加熱裝置的平板集熱器等導熱器材。

  會起氧化作用,成黑色;與二氧化碳作用生成鹼式碳酸銅(CuCO3,Cu(OH)2),成銅綠色,俗稱銅綠(可以食醋清除)。但不產生嚴重的腐蝕現象。

  擦銅油BRASSO® Metal Polish的成份(Ethanol、Oxalic acid、Isopropanol、Ammonium hydroxide、Limestone、Pumice)可去黃銅、銅、鉻、不鏽鋼。(http://en.wikipedia.org/wiki/Brasso)

  銅材料可以抑制微生物的生長,即便自然生鏽,也不影響其抑菌效能。

 

  銅合金:銅與鋅的合金,為黃銅;銅與鎳的合金,為白銅或康銅;銅與鍚的合金,為青銅,可作雕像、藝術品,古代用於餐具、炊具、武器等。

  紅銅(Red Brass)則是用85%的銅和15%的鋅混合成的合金。紅銅有很好的抗腐蝕性,不生銹;也很容易延展成形,即使錘打、壓扁或旋轉成不平常的形狀,也不會龜裂。紅銅可熱鑄或冷鑄,也可以滾壓成小於0.05公分的厚度,是非常普遍的首飾製作材料。

  黃銅(Brass)為主要的機械加工材料,機械性質優、耐蝕、顏色優美。銅含量62%~68%,因色黃而得名。化學活性不大,但可溶於硝酸及濃硫酸。黃銅合金的某些常見應用包括樂器、水龍頭、機械、裝飾品、服裝飾物、彈砲外殼、自動散熱片、音樂裝備、電子封裝和錢幣等。黄銅也可進行鑄造,稱為鑄造黄銅。

  七三黃銅,鋅占30%,延性大、易於常溫加工,是為鍛製黃銅。可製造砲彈彈殼。

  六四黃銅,鋅占40%,抗拉強度大,延性小,易於高溫加工,是為鍛製黃銅。常用為管,凝結水管、冷氣管、暖氣管。

  硬黃銅(鉛黃銅)用58%的銅和40%的鋅,為了更好加工,黃銅裡面加有2%以下的鉛,不可用於水管線。現因ROHS規範,工程師盡可能避用。切削性能優良,耐磨性好,用於螺釘、鐘錶機件、口琴、小刀、鑰匙;經鑄造可製作軸瓦和襯套。

  加鍚特殊黃銅(鍚黃銅)(Tin Brass)對海水的耐蝕性增大。六四黃銅加鍚1%為海軍黃銅(naval brass),七三黃銅加鍚1%為鐘銅(admiralty brass),兩者為船舶主用料。

  加鋁特殊黃銅(鋁黃銅)(Aluminium Brass)耐海水性優良,比七三黃銅和鐘銅更重要的凝汽器用料。

  矽黃銅(矽鋅青銅)(Silzin Bronze)是銅鋅矽三元合金,實屬黃銅,強度大、耐蝕性、耐磨性、鑄造性良好,可代替青銅鑄件,為船舶耐蝕用材。

 

  白銅(Cupronickel)為鎳銅合金,鎳含量大約在10%至30%之間。色澤和銀一樣,銀光閃閃,不易生銹。常用於製造硬幣、電器、儀錶和裝飾品。鎳含量占45%的稱為「康銅」。

 

  青銅(bronze)是銅和數種其它元素包括錫、鋁、矽和鎳的合金。這些合金比黃銅強硬,它們也具高抗蝕性。最常見可析出硬化的銅合金是鈹銅。它們擁有極優性質的組合:抗拉強度有140Mpa那樣高,有極佳電和耐蝕性質,當適當潤滑有極佳耐磨耗性;它們可以用鑄造、熱加工或冷加工。藉著析出硬化熱處理可獲得高強度。

含錫量%

3.7

10

20

25

30

40

顏色

赤黃

灰黃

帶黃

帶蒼

蒼白

淡灰


青銅之色澤與錫含量多寡之變化

  青銅與鋁的合金,為鋁青銅;青銅與磷的合金,為磷青銅;矽青銅、鎳青銅、鍚青銅、鈹青銅。

  錫青銅亦稱砲銅(Gun metal),含銅比例為87〜88%,錫Sn為8〜11%。尚有鋅Zn、鐵Fe、鉛Pb等元素。此合金在古代用於鑄造砲身,其強度、延性、韌性,及對突然負荷之抵抗性甚佳,另外用來製造蒸汽閥門、蒸餾器、抽水機、齒輪等高壓及耐磨之機件故又名機械青銅。銅合金鑄件需要表面特別光潔,如水管接頭、機器活塞必須有拋光面,有的甚至要求為鏡面。

  工業中使用的鍚青銅,鍚含量大多在3%~14%之間。鍚含量小於5%適於冷加工使用;鍚含量为5%~7%適於熱加工;鍚含量大於10%的適於鑄造。鍚青銅在造船、化工、機械、儀表等工業中廣泛應用,主要用以製造軸承、軸套等耐磨零件和彈簧等彈性元件以及抗蝕、抗磁零件等。

  鋁青銅:此為銅鋁合金,其中鋁含量為5〜12%。鋁青銅的力學性能比黄銅和鍚青銅高。鋁在青銅中含量與硬度成正比,與展性及比重成反比,含鋁在10%的青銅,可為此類合金之代表,呈白黃色,比重小,韌性強,鑄件強度大約為40kg/mm2,耐磨、耐蝕,在大氣中永不變色,所以適用於船舶推進器及高壓汽缸,但材料成本過高。另外鐵可增加其硬度及強度,在5%以下時對延性影響很小。
  當銅79%、鋁11%、鐵5%、鎳5%之合金,可用作需要硬度及抗磨性極高的飛機引擎之汽門座;加鈦,則其性質更佳,但鋁不得超過11%,否則將產生脆性而不能應用。

  含鋁为5%~7%塑性最好,適於冷加工使用。鋁含量大於7%~8%後,强度增加,但塑性急刻下降,因此多在鑄態或經熱加工後使用。鋁青銅的耐磨性以及在大氣、海水、碳酸和大多數有機酸中的耐蝕性,均比黄銅和鍚青銅高。鋁青銅可製造齒輪、軸套、渦輪等高强度抗磨零件以及高耐蝕性彈性元件。

  鈹青銅:鈹銅合金。含鈹量為1.7%~2.5%。鈹青銅的彈性極限、疲勞極限都很高,耐磨性和抗蝕性優異,具有良好的導電性和導熱性(105~130 W/m-K),還具有無磁性、受衝擊時不產生火花等優點。鈹青銅主要用於製作精密儀器的重要彈簧、鐘錶齒輪、高速高壓下工作的軸承、襯套以及電焊機電極、防爆工具、航海羅盤等重要機件。

  磷青銅:由於加磷於青銅中,可構成Cu3P之極硬化合物,並可除去其氧化物,增加熔液流動性,所以鑄造性佳,有抗化學溶液腐蝕的特性。另外含銅91〜97%,含錫3〜9%,含磷0.2%之青銅,質堅硬且有極佳的彈性,可製造彈簧之用。
  含銅86〜90%、錫8〜16%、磷0.2〜1.5%之合金,此材料較普通青銅堅韌、耐磨、耐蝕,故可供製造高壓軸承,活塞環,齒輪及螺旋漿之用。

  錳青銅:若由其成份上而言,應為錳黃銅;但其性質與青銅無異,所以歸類為錳青銅。含銅量55〜60%,鋅37〜40%,錫1.5%以下,鐵2%以下,鋁0.5%以下,錳0.5%以下之複雜合金,性強韌、耐海水浸蝕,強度49〜68kg/mm2,延伸率20〜40%供製造船舶機械、汽旋輪機之輪葉。
  含銅64%、鋅29%、錫0.2%、鋁3.1%、鈦1.2%、錳2.5%之合金具有耐強酸性,用來製造化學機械。

  鎳青銅:銅與鎳可相互固溶,成為極優良之合金,且有高韌性、耐蝕性、延展性,用途廣泛。因含鎳量不同而有㆘列不同之用途。含鎳2〜5%呈赤色,用於砲彈彈夾。含鎳15%易於加工,製成管及厚板,槍彈之外殼,冷凝器及給水預熱器管子等。含鎳15〜20%,為非鐵合金中最易軋延之材料,強度及耐磨蝕性均佳,供製凝汽器之管。

  含鎳40%者為康史登銅(Constantan),強度大、電阻大、耐蝕性佳,且電阻溫度係數幾近於零,故可製電阻絲及熱電阻線。含鎳50%者,耐蝕性最好;若加錫5%,對於50%之硫酸及鹽酸,雖煮數日亦不被溶解。

  矽青銅:純銅內加入少量之矽為脫氧劑,其含矽量0.1%以下,強度極高,其傳電率較磷青銅高,故電話、電報、電車等之電線均採用。

  釩青銅:於銅鋅合金中加入釩,不但可做脫氧劑,且能使組織細密均一,又可增加其強度及延性。另外在六四黃銅加微量的釩,可使其強度增加25%,延伸率增加60%,可製造船舶機械用材料。

十八開金(18K金或稱玫瑰金), 6/24的銅與18/24的金的合金。紅黃色,硬度大,可用來製作首飾、裝飾品。

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3.鋁,Aluminum [əˋlumɪnəm],Al, (http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%8B%81)

  銀白色的輕金屬,地殼中含量最豐富的金屬元素。導熱性良好,熱導率237 W/m·K。鋁鎂的合金,質輕強度佳,導熱性良好,可做為電腦的機身、攝影器材等材料。在日常生活中時常可以見到,小從鋁罐、鋁箔、鋁鍋、鋁門窗,大到各種機械、器具,都可以見到其蹤跡。

  鋁的合金質量較輕而強度較高,通常的工業用鋁合金,如T6063。鋁成品經陽極處理(氧化成皮膜(Conversion Coating)技術)後,表面即形成保護膜,耐腐蝕,更具電絕緣性。若採硬陽處理(Hard Anodic Coating),可得耐磨鍍層。(參看:陽極處理)

  鋁的質感,光潔、堅、色澤高雅。

  鋁的機械強度可藉著加工和合金化來強化;然而,兩種製程都有減少耐蝕性的傾向。主要合金元素包括銅、鎂、矽、錳和鋅。非熱處理型的合金只含單相,其強度的增加是靠固溶強化來達成。其它可熱處理(能夠析出硬化(precipitation hardening))者是添加合金元素的結果。

  鋁合金和低密度金屬(如鎂和鈦)做為運輸工具的工程材料,以有效減少燃料消耗。這些材料的重要特性是比強度(specific strength),它是以抗拉強度與比重的比值來定量。甚至這些金屬中合金其抗拉強度比高密度材料(像鋼)差,在重量基礎上來說它將能承受大的負載。

  鋁的特性的優勢:

  1. 質量輕:這應該是大家最耳熟能詳的一個優點,比重為2.7,即在相同的體積下,鋁的重量是鋼的1/3,而強度卻不會差太多,所以除非十分要求強度的地方,否則利用鋁來代替鋼,是非常划算的選擇。例如航太產業,鋁材使用的比例就非常高,主要就是可以大量減低重量,讓飛機載的更多、飛的更遠。

  2. 強度高:利用各種金屬的添加,使其成為各種鋁合金,提高其強度。例如相同重量的鋁合金與鐵,鋁合金的強度便高上許多,目前市面上的汽車有許多零件如底盤、輪圈等,均開始採用鋁合金,主要就是可以減輕重量、增加強度。

  3. 加工成型性佳:鋁是十分容易再加工的材質,無論車、銑、沖壓,都十分容易,因此產品外形限制較少。

  4. 會氧化不變質:不同於鐵的氧化會生鏽變質,鋁活性大,容易和氧氣反應。其氧化層能保護內部不再氧化,因此不容易變質,最多就是表面變灰暗無光澤罷了。

  5. 導電、導熱性佳:鋁之導電性雖然較銅低,但由於重量輕,在相同重量下,鋁的導電性是銅的2倍左右;而鋁之熱傳導性也十分優秀,散熱能力佳。

  6. 無毒、環保:鋁無毒性,可以製成食品容器,且容易重製,回收率高。

  7. 表面處理容易:鋁本身就是亮白色澤,十分美觀,也容易利用陽極處理、電鍍等方法,使其表面表現出各種亮麗顏色,故許多產品亦是針對此優點而應用鋁材質製造。

  以上均為鋁材料的各種優點,但是鋁並非完美,製造鋁材是全世界最耗電力的產業,其一年的耗電量,可高達全球的2%,十分驚人,鋁材料的成本也因此而居高不下。 嚴格說起來,我們日常生活中所見到的鋁,並不是百分之百的純鋁,因純鋁的質地很軟,大部份的產品,都是使用添加各種不同金屬冶煉的「鋁合金」製造,而各種的鋁合金,也有著不同的特性及用途。其編號方式多為四為數字,如7075、2024等,第一個數字即為其添加金屬編號,以下為簡單列表: 1XXX:純鋁(非合金);5XXX:鋁鎂合金;2XXX:鋁銅合金;6XXX:鋁鎂矽合金;3XXX:鋁錳合金;7XXX:鋁鋅合金;4XXX:鋁矽合金;8XXX:特殊鋁合金。

  鋁銅合金:在工業上鋁銅合金,其銅含量分4%、8%、12%三種含銅4%的鋁銅合金,可用於砂模或金屬模鑄造。使用於航空發動機之曲柄軸箱、空氣調節器。
含銅8%的鋁銅合金其用途為曲柄軸箱、油池、及傳動軸、排氣管。
含銅12%的鋁銅合金,其延性較差,用於幫浦鑄件,氧化器。

鋁鋅合金:此合金的特性視鋅含量增加強度提高,但當鋅含量達15%時,其合金之伸長率已很小而且脆硬。合金含量在10〜14%以內,具有高度熱脆性和冷縮性,加入少量的銅可改善熱脆性。此合金廣泛用於壓鑄品、如腳踏車踏踏板,家庭五金,汽機車零件,滑板車零件。

  鋁矽合金:此合金僅是鋁與矽之混合,通常矽之成份在10%左右,用於溫度與負荷變化大之機件中。其比重2.60〜2.65,熱膨脹係數為0.000022(20℃〜200℃)抗拉強度17〜22kg/mm2。因其本身有游離矽,故切削性不佳。其用途為汽車冷卻水套、建築及裝飾用品等。
鋁矽合金中,如加入合宜之金屬元素後,即為改良合金(Modified Alloy)例如矽含量在2〜15%時加入鈉可增加抗拉強度具有明顯效果。當含矽量15〜20%時對合金之拉力能有很大改進,但伸長率不變。當矽含量13%之合金中,應加鈉0.07%,含有矽10%的合金中,應加鈉0.05%;惟加鈉保溫時會損失一部份,視
時間長短溫度高低而定。當含鎂量在0.15〜3%時而矽含量在2〜12%,加鈉後所得效果最好;含矽量4.5〜20%加銅1〜2%時,加鈉效果只對抗拉強度和伸長率稍加改進。

  鋁錳合金:含錳2%以下可增加強度,使其耐蝕性增高,且易於加工及熔接。可用於耐腐蝕的場合,其抗拉強度最高可達25kg/mm2,可用在化學用品及油具。

  鋁銅鋅合金:含鋅量12.5〜14.5%,銅2.5〜3.0%,其餘含量為鋁。以金屬模鑄造其強度為22~25kg/mm2,彈性限度為2.4~2.7kg/mm2,比重為2.98〜3.1,膨脹係數為0.0000255、熔點
610℃。其用途為汽機車零件。如再施適當之熱處理可增加其強度和硬度。

  杜拉鋁合金(Duralumin):含銅3.5〜5.5%,錳0.5〜0.8%,鎂0.5%,餘為鋁。比重為2.75〜2.84,膨脹係數0.000026,熔點650℃,抗拉強度42.2kg/mm2於淬火後放置常溫四天。其主要用途為飛機、航太機械之材料。

  鋁矽鎂合金用於生產產品,汽機車零件機械、油壓零件、油壓泵、打釘機、航空器材、軍用武器、船等零組件。對於Al-Si-Mg 系合金的金屬模鑄造成鑄件在國內最普遍的是AC4C 即A356合金以低壓鑄造及重力鑄造產量最大即汽車用鋁合金輪圈。其次應用航太零包括飛機零件能飛彈油箱及外殼,我國的天弓飛彈有多樣配件均採用此合金材料。唯此類型之鑄件成型後必須再施以長時間的固溶化處理再作人工時效硬化可大大提高韌性並增加延伸率。

鋁合金之熱處理
鋁鑄件不論是砂模或金屬模為了要達到高延展性高抗拉強度均需施以相關的熱處理,而鋁合金之熱處理所用的溫度,通常較低,一般可區分為下列三種:

(一)退火處理(Annealing)
  退火溫度340℃,可以消除鑄造所形成之內應力,經退火處理後,含相組織改變,抗拉強度會降低但延性會增加。所以在高溫退火時,其時間須短促,而且需採爐內徐冷。如鋁合金塊於壓鍛造,輾壓後,其展性減少很多,故宜退火以恢復其延性。通常鋁合金之退火溫度為350〜380℃並於大氣中冷卻。加熱時應對溫度嚴格管制,溫度計需定時校正,並選用高精度之測溫計。而杜拉鋁合金之退火溫度需熱到430℃,然後在爐內緩慢冷卻至230℃後才移出爐外冷卻。

(二)固溶化熱處理(Solution Treatment)
  將鋁合金加熱至熔解度曲線以上的溫度,保溫相當時間,迅速急冷(淬火在常溫水中,水流需保持循環才能淬火完全),則因熔體保持過飽和狀態而存在於常溫,此即為固溶化處理。此處理後之鋁合金即可改變其金相組織,又可使其增加強度。其處理之溫度,將視其成份不同而異,通常在500〜540℃之間。
冷卻硬化時間愈短愈好在離開爐門後需在15 秒內完成,而熱處理爐內保溫時間依鑄件厚度而定。

(三)析出處理(Precipitation Treatment)
  鋁合金經過固溶化處理後,在常溫時,有化合物由固溶體析出之傾向。若加熱至150〜250℃時,則析出數目更多,強度與硬度增加,此即為析出處理。
  含有矽化鎂(Mg2Si)較多之鋁合金,應於冷水中淬火,再予回火,熱至淬火溫度,於冷水中淬煉,再置於蒸氣箱中回火,在蒸氣箱中有許多螺旋蒸氣管分佈於箱中,並有換氣扇,使熱空氣於箱中對流,箱中溫度由氣壓力控制。一般回火溫度均低於鋁化銅CuAl2 最大飽和量溫度下,約150〜180℃之間,持續12〜
18Hr,可使鋁化銅化合物之分子能均勻且充分受熱析出,以發揮其特效,如回火溫度過高,時間過久會減低延伸率及抗拉強度;如回火溫度過低則需要較長時間之時效處理。

註記符號

應變硬化品(Stain Hardened):以(H)表明鍛件曾經應變硬化。

固溶化處理品(Solution Heat-treated)以W表示曾經過固溶化處理。

穩定性熱處理品(Treated to Produc Stable Tampers)除以T標示此類產品外,更有表明實況的標誌方法。
  1-T2 經退火之鑄件。
  2-T3 固溶化處理後冷加工者。
  3-T4 固溶化處理後經歷自然時效以至接近完全穩定者。
  4-T5 僅施以人工時效者。
  5-T6 經過固溶化處理該再作人工時效。
  6-T7 經過固溶化處理該再作穩定處理者。
  7-T8 經過固溶化處理該經冷加工而再接受人工時效工作者。
  8-T9 經過固溶化處理該人工時效再冷加工者。
  9-T10 經人工時效後冷加工者。

  在鋁合金中,取A356為例其固溶化處理之保持時間砂模鑄件約6-24Hr金屬模鑄件保持時間約4-12Hr,另外在時效處理之溫度為150℃〜160℃處理時間在1-6小時。

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4.鎂(Mg):(http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%95%81)

  鎂是用途第三廣泛的結構材料,僅次於鐵和鋁。

  鎂的主要用途是:製造鋁合金,壓模鑄造(與鋅形成合金)。由於鎂比鋁輕,含5%-30%鎂的鋁鎂合金質輕,有良好的機械性能,廣泛在航空、太空上使用。鎂最重要的聚合物為葉綠素,普遍存在綠葉蔬果中,因此綠葉蔬菜為鎂的重要食物來源。

  或許鎂最傲人的特性是它的密度1.7g/cm3,是所有結構材料中最低者;因此,其合金用在輕重量上是一重要考量(例如,航空器零件)。鎂具HPC結晶構造,是相對柔軟材料,並具有低彈性模數:在室溫、鎂及其合金難於變形;結果,大部份製造是靠鑄造或在200到350℃之間行熱加工。鎂合金也分為鑄造或鍛造類,其中有些是可熱處理的,鋁、鋅、錳和有些稀有元素是主要合金元素。這些合金常用在航空器和飛彈應用,以及使用在行李架和各式自動零件的應用上(例如:飛輪、舵外殼體和離合器及傳送器外殼)。

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鎂鋁合金:標準的鎂鋁合金中鎂、鋁的含量各約為50%。

鋁鎂合金(鎂含量最高为10.5%)

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5.鈦(Ti):

  密度介於鋁與鐵之間。和氧氣反應在表面形成保護膜,具有優良的耐蝕性。質輕、密度低、熔點高、強度大且抗化學腐蝕,二氧化鈦是無毒的白色粉末,俗稱鈦白粉,可做為油漆、瓷釉的顏料。鈦合金具有質輕堅固的特性,應用於植牙材料、人工骨骼、高爾夫球頭、資訊產品機殼、自行車零件和骨架、飛機及太空梭機身、化工廠配管材料等。

鈦有那些優點:

  1. 延展性佳;

  2. 質量輕:與同體積的鐵相較,重量為1/2;

  3. 強度高:其強度為鐵的2倍、鋁的6倍;

  4. 耐高溫:熔點1688℃,為目前金屬材質中最高;

  5. 耐蝕性佳:其耐酸侵蝕能力優良,對於海水的抗鹽侵蝕性也僅次於白金,且其表面氧化層性質與鋁相同,可以保護內部金屬不受侵蝕;

  6. 美觀:鈦原色為亮鐵灰色,其中又帶些許焦黃,為其特有之色澤。

  鈦原本的狀態為礦石,蘊含量其實不低,僅次於鋁、鐵、鎂,但由於鈦之提煉十分困難,因此鈦的價格也居高不下,也限制了其應用的範圍,不過,因為鈦有著各種優異的性質,所以鈦金屬的應用也越來越廣泛。

  廣泛應用在各種重工業、科技產業與民生產業中,例如在航太工業中,由於鈦的質輕、高強度,已經開始漸漸取代鋼的角色,且耐高溫的特性,更成為渦輪發動機高溫段的主要材料;其耐鹽蝕的能力,也成為核能發電、火力發電的冷卻器的主要材質(冷卻水多為海水);而質輕的特色,更開始被民生用品採用,例如汽機車零件、眼鏡架、腳踏車架、高爾夫球具、人工關結等,都有鈦金屬的產品,其他如著名的古根漢搏物館,外牆更是完全由鈦合金板包覆,其獨特的美麗色澤,令人讚賞。 鈦之其他化合物,也常出現在生活中的小角落,如修正液中的鈦白粉、化妝品中的UV吸收劑、殺菌的光觸媒,都是二氧化鈦(TiO2)的產物;此外,我們常聽到的記憶合金,其實就是鈦合金的一種,它是由鈦與鎳所合成的金屬,而之所以稱為記憶合金,就是擁有保持原有外型的能力,在常溫下,其有一定的彈性使材料可在受力後恢復原有外型;當超過其彈性限度而變形時,只須加熱即可恢復其原本的形狀,目前在醫學產業方面的應用十分廣泛,而也有廠商推出記憶合金製成的眼鏡架,讓眼鏡的壽命可以更為延長。

鈦及其合金係相對新的工程材料它擁有非凡的性質組合。純金屬具有相對低密度,高熔點,以及107Gpa的彈性模數,鈦合金相當強:並有突出的比強度。除此之外,此合金有高延展性和易於鍛造和機械加工。

鈦主要限制是在高溫與其它材料的化學反應性。此性質迫使鈦合金需發展非傳統的精煉、熔融和鑄造技術;結果,鈦合金是十分昂貴的。它們通常用在飛機結構、航空器,以及用在石油和化學工業。

非金屬元素

具有下列共同的特性:(1)常溫時,除了溴是液體外,有些是氣體,有些是固體;(2)沒有金屬光澤;(3)大多是電與熱的不良導體;(4)大多不具延展性。

碳C

硫S

矽Si        

 

三、金屬材料的認識與應用

(1)鍍鋅鋼板(SECC)

  俗稱白鐵。一般在資訊、電腦、家電業外殼中最常用的鐵材種類有SPCC(一般用鋼板,表面需再電鍍或塗裝處理)、SECC(鍍鋅鋼板,表面已做鉻酸鹽處理及防指紋處理,常用於上下蓋)、SUS301(彈性不鏽鋼)、SUS304(不鏽鋼)。由於環保的要求及成本的壓力,資訊電腦產品外殼漸漸揚棄使用SPCC而改用SECC。

  鍍鋅鋼板(SECC)是一種表面鍍有一層特別的化學層的鋼板,以使表面能抗指紋和白鏽,它能使用在各方面:

  1.使用在不可留有指紋及其它痕跡產生的產品或零件,如音響器材、消費性電子產品等。

  2.使用在非烤漆面,但需避免生鏽的產品或零件面。

  3.使用在外觀需保持色調穩定的產品或零件。

  4.使用在製程中,不可使用潤滑劑,但不可產生鋅粉的場合。

  鍍鋅鋼板在其基材上面有著多層的化學組成--基材(鋼鐵)、鍍鋅層或鍍鎳鋅合金層、鉻酸鹽層、有機化學薄膜層。

  SECC(Steel Electro Cold rolled)冷軋電鍍鋼板,膜厚(含鍍鋅層、鉻酸鹽層、有機化學薄膜層)的平均厚度最少需0.00356mm以上,而且不可有超過0.00318mm的點狀物出現在表面。

  白鏽:鍍鋅鋼板中的鋅與空氣中的水和二氧化碳反應,產生氫氧化鋅為主成份的白色粉末狀的鏽。

  紅鏽:鍍鋅鐵板中的鐵與水反應,產生氫氧化鐵為主成份的紅茶色粉末狀的鏽。

  鍍鋅鋼板的烤漆處理:(1)前處理(鋅板磷酸鹽處理)轉化鋅膜;(2)脫脂(弱鹼);(3)烤漆。

(2)不鏽鋼板

(3)輕鋼架天花

(4)鉸鏈:一種可活動的扣件,可以轉動或轉變方向。

(5)接合五金:連接或是固定兩單獨物件的連接五金,有釘類及螺絲類。拉釘。

(6)鎖

 

 

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關鍵字
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亞洲大學視覺傳達設計學系兼任講師 20120910-20170120
嶺東科技大學科技商品設計系兼任講師 20130220-20140110
國立交通大學應用藝術研究所碩士 論文:「以聯想與類比推理來激發創意之研究」,1998
國立成功大學工業設計學系學士






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