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机械材料的规格及选用

2005-11-29  简单如我

学习目的

1.了解机械材料规格的意义。

2.了解常用的机械材料规格。

3.了解各种规格编号的意义。

4.能选择适当的金属材料。

 

1-1前言

 

规格(Specification)是产品需求的叙述,也是资料技术沟通的依据。为了适合某一种特别的用途,生产者当然必须促使产品能够符合需要,这样就有规范的存在必要。而随着工业化程度的提高及国际间贸易往来的趋势,产品的流通愈来愈频繁,为了增进效率及提供产品零件的互换性,工业规格的订定更是必然的结果。在机械材料的范畴方面,同样的必须有一定的规格,以作为生产者及使用者依循的规范。

完备的规格应具有以下数据的叙述:

1.适用范围(Scope):包括用途(如:板、线、管),适用尺寸等。

2.化学成分(Chemical Composition):包括各项成分元素的含量范围或成分代号。

3.定性叙述(Quality Statement):指品质方面,例如炼钢方式或脱氧情况。

4.定量需求(Quantitative Requirement):指定化学成分范围、物理及机械性质需求,以适应使用上经济的理由。

5.其它需求(Other Requirment):如特殊容许差、材料表面状况等。

现今世界各国各依其工业化的发展而有不同的工业规格,例如:美国的ANS(美国国家标准)、日本的JIS(日本工业标准)、德国的DIN(德国工业标准)等。而在针对机械材料规格方面,常用的还包括ASTM(美国材料试验协会)AISI(美国钢铁协会)SAE(美国汽车协会)等,而我国主要则依据CNS(中国国家标准)订定。

材料的选择及应用是学习材料规格的重要目的,所以本章最后举例说明,如何在产品需求及相关考虑之下,选择适当材料。

1-2材料的规格

 

一种机械材料的规格最主要可以由:材料的种类、成份和机械性质来说明。而为了标准化起见,材料必须经由一套严谨的试验规范,确保其可靠度。世界各国都有其材料试验的标准程序,我国也不例外,例如:CNS有关材料试验部份,其中「钢料之检验通则」(CNS2608,G2018)规定:

    本标准主要内容包括:适用范围、检验及重验三部分

适用范围:本标准适用于钢料之一般检验

检验部份:说明化学成份试验和机械性质试验的试片取样及检验

         标准方法

重验部份:说明规格部份不合规定的试片,必须经由复验判定

         合格及不合格。

又如「非铁金属材料之检验通则」(CNS4195,H2045)中规定:

本标准主要内容包括:适用范围、检验及重验三部分

适用范围:本标准规定非铁金属材料检查一般事项

检验部份:规定有关外观、尺度、化学成份试验和机械性质试验

         的试片取样及试验事项

重验部份:说明试验结果如部份规格与规定不合,必须经由重验

         判定合格及不合格。

1-3常用的材料编号

 

 一般材料的化学成份与机械性质是息息相关的,因此常用的材料编号大多是以化学成份命名为主,再辅以机械性质(如第七章部分材料的规格叙述)。由于材料范围很广,因此本章内容,主要以钢铁材料的编号为主,另外辅以部分非铁金属及非金属材料来做说明。

在工业上,钢铁材料(包括碳钢在内)必依其化学成份,使用一定的编号以利于选用,这是基本的认识。目前,在我国较常用的规格有三种:中国国家标准(CNS)、日本工业标准(JIS)、美国钢铁学会-美国汽车工程师学会(AISI-SAE)。另外德国工业标准(DIN)和美国统一标准编号(UNS)相关业界有时也会采用。而其它还有常见的各国规格名称。

1.中国国家标准(CNS)

1)钢铁的规格

中国国家标准CNSChinese National Standard的简写,CNS对钢铁材料的编号主要依据CNS 109 G1001(公布:民国363月,修订:民国853)原则上由下列三部分组成:

第一部分为材质,钢铁材料大部分以S(Steel)F(Ferrum)   

    表示。

第二部分有两种不同的表示法;

 a.表示标准名称或是制品用途。常用的有-PPlate(薄板) TTube() UUse(特殊用途)

 WWire(线材)  FForging(锻造)  CCasting(铸造)

         例:S P CCPlate,钢板(冷轧)

             S UPUse Spring,弹簧用钢

 b.用于结构的钢料(包括结构用碳钢及合金钢),代表主要合金元素或含碳量(结构用碳钢时),表示含碳量时,通常以含碳量之100倍数值表示,

  例:SCM420:铬钼钢,第420

             S25C:碳钢,含碳量0.25

第三部分为该材料之种类号码,或是最低抗拉强度、降伏强度。若是表示最小抗拉强度或最小降伏强度,通常以三位数字表示。

         例:SCM 420 表示铬钼钢中编号420的材料

             STB 340 表示锅炉及热交换器用钢,抗拉强度不

             低于340 N/mm2

以与合金量之表示法有所区别。常用于建筑结构用等不须规定含碳量钢料的场合。

 

注:机械结构用钢料的符号

机械结构用钢料使用很广,因此CNS 2608 G2018特别在附录2中说明适用范围及其符号所代表的意义:

适用范围:机械结构用碳钢钢料及结构用合金钢钢料种类符号之组成。

 a.符号顺序为钢之主要合金元素、主要合金元素含量或代表值、附加符号。其中除钢之代表符号S、碳之符号C之外。

附加符号由第一群及第二群组成,

第一群为钢料为改善其性质(例如切削性)所添加的特殊元素

(例)改善切削性之添加元素

 

基本钢

附加符号

铅添加钢

L 

硫添加钢

S

钙添加钢

U

 

第二群为钢料除化学成份之外的保证特性

(例)保证特殊特性之添加符号

 

特性

附加符号

硬化能保证钢

H 

表面硬化用钢

K

 

(例)

      S 30 C:碳钢,含碳量0.30

      S 20 C 4:碳钢,含碳量0.20﹪第四种构造用碳钢

      S(55)C:一般构造用碳钢,最小抗拉强度55kg/mm2

      S85WMo(HS):含碳量0.85﹪的钨钼高速钢

      OS90C(T):以平炉炼钢法提炼,含碳量0.9﹪的工具钢

b.碳含量的代表值。

2)铝及铝合金的规格

铝及铝合金之种类及符号系依CNS 2068 H3021之规定,适用范围为锻铝、锻铝合金(以下简称锻铝合金)及铸铝、铸铝合金(以下简称铸铝合金)之合金种类及炼度符号。

锻铝合金之编号依其合金成分,共分1xxx~8xxx系,另有9xxx系为备用,,铸铝合金之规格亦分1xxx~9xxx九系,其中6xxx系为备用,这些已如第九章所述。

而所谓炼度系指制造过程中,依加工、热处理等条件之差异所获得机械性质之区分。炼度符号又分为基本符号与细分符号。基本符号为一字英文字母(大写),细分符号为一位数字或多位数字组合并附在基本符号之后。

a.基本符号

铝合金的炼度基本符号分为四种。

b.细分符号

铝合金炼度之基本符号HT之细分符号,依下列规定。

锻铝合金的编号及化学成分。

2.日本工业标准(JIS)

JISJapanese Industral Standard 的简称,JIS对于钢铁材料的的编号大致可分两大类:

1)一般机械构造用碳钢:

    其材料编号方法和CNS的第一种表示法相同。

(例)S30C表示含碳量0.30﹪的机械构造用碳钢

2)其它用途的碳钢及合金钢:

    这一类钢的材料编号表示法,大致可分三部分:

第一部分为材质,钢以S、铁以F表示,其它非铁类如表11-

第二部分表示钢制品的规格或用途,例如:K代表工具钢、TB

    表锅炉用钢管、PC2代表冷轧钢板。

第三部分为为钢料的种别,以1,2,3来表示。

此外如果需要,可将材料的加工方法、热处理方式等附注于后,加工方法例如:D(Drawing)抽制、G(Grinding)研磨、T(Turning)车削、Ex(Extruded)挤制。热处理方法大多记于金属符号之后,并在二者之间加入"-"

(例)SK2:第二种碳素工具钢

      SKS11:第十一种切削用工具钢

      SUH301:第301种耐热钢

      SUS301-1/2H:第301种不锈钢,1/2硬质材料

3.常用的美国材料编号及规格

1)美国钢铁学会-美国汽车工程师学会(AISI-SAE)

 AISISAE1941年共同订定钢铁材料的分类,以四个(或五个)数目字为记号来分类。其中

第一位数,表示钢料的种类,如:镍钢为2、钨钢为7

第二位数,为主要合金元素的百分值;0表示无其它合金元素。

第三、四位数(或第三、四、伍位数字)代表含碳量。

(例)

        SAE1045:含碳量0.45的碳钢,与CNSS45C钢料相当。

        SAE4140:含碳量0.40的铬钼钢,与JISSCM4钢料相当。

 

   

   

碳钢

1×××

耐热钢

30×××

普通碳钢

10××

钼钢

4×××

易削钢(加硫)

11××

Cr(0.7)

41××

 

13××

Ni-Cr

43××

镍钢

2×××

Ni(1.75)

46××

0.50Ni

20××

铬钢

5×××

1.50Ni

21××

Cr(1.0)

51××

3.50Ni

23××

Cr(1.5)

52××

镍铬钢

3×××

铬钒钢

6×××

1.25Ni0.6Cr

31××

钨钢

7×××

1.75Ni1.0Cr

32××

镍铬钼

8×××

3.50Ni1.5Cr

33××

硅锰钢

9×××

 

2)美国材料协会及美国机械工程师协会 ASTM(ASME)

ASTM是非常广泛被采用的材料规范,它的特色主要是针对产品的特性及表现而定。ASTM表示法是以以字母+代号表示,再辅以年代之混合标示,ASME则采用了相当多的ASTM规范,并以前置S表示。

  ASTM表示法:

 

首位字母

A

钢铁类

B

非铁金属类

C

一般测试法

 

例如: ASTM A36-77a   其中A     36  -   77        a

               分别表示 (钢铁)(结构用)(1977)(第一次修订)

又如: ASTM E8  代表拉伸试验规范

ASME的表示法:

例如: ASME SA213 = ASTM A213

而同一编号又可依化学成分(Grade)加工方式(Type)成品型态(Class)来区分。Grade主要叙述其化学性质,Type指脱氧的情况,

Class:指一些其它性质。如:强度、表面光度等。

3)美国统一编号系统 UNS

UNSUnified Numbering System 的简称,在1974年为ASTMSAE 联合制定,UNS 本身只是一种编号,而非规格,它将金属分为17个系列编号并与原有的体系配合,例如: UNS G10XX0 = SAE 10XX,而有索引、整合、参考的意义,因此而称统一编号系统。

4.德国工业标准(DIN)

DIN并不是英文,而是德文Deutsch Industriell Norm的缩写,德国工业标准中钢铁材料的规格是在DIN 17006,补充说明在DIN 170071974年改为 ISO制,以 EURONORM 27-74替代。以英文字母和数字来叙述其特征,字母规定钢铁种类、冶炼方法、合金材料、处理情况等、数字则规定钢铁材料的、含碳量、抗拉强度、主合金之成分倍数等。

1)碳钢

一般以碳元素标记及其含碳量表示,如 C60 表示含0.6C的碳钢。另外也有抗拉强度及其它表示法,例如:St50 表示抗拉强度50kg/mm2之构造用碳钢,CK40表示含磷、硫量甚低之碳钢,抗拉强度为40kg/mm2

2)高级钢料及低合金钢

以其主要合金元素和含量为标记,但在其中第三部分含量,为避免小数点出现,表示值都己经乘上固定倍数,而以整数型态呈现,所以由编号求取实际含量时必须再除以倍数。

第一部分:含碳量

第二部分:合金元素种类

第三部分:合金元素含量

合金元素

倍数

CrCoMnNiSiW

4

AlBePbCuMoNbTaTiV

10

PSNCeC

100

B

1000

 

例如:含碳量0.34%含铬量1%的钢材,表示为34Cr4

     依此 13CrV53 即表示含碳量0.13%,含铬量5/4=1.25

     %,含钒量3/10=0.3

3)高合金钢

在标记前加上"x",此外由于合金元素含量己高,因此不乘以倍数而直接表示。(如前述,高合金钢通常是指合金总含量在8%以上的钢料)

例如:含碳量0.12%的不锈钢,含铬量18%含镍量8%,表示为

     X12CrNi18 8

同理 X10CrNi1810 即表示含碳量0.10%的高合金钢,含铬量18

     含镍量10

 

如果要进一步标示其特性,可以在其记号前后加上英文字母表示

例如:     M  A  St42  6  N

         (1)(2)  (3) (4)(5)

其中除(3)为主标记外,(1)(2)(4)(5)分别表示:熔炼方式、产品特性、保证性能类别、热处理情况等。

4)铸铁、铸钢

以前置标记G代表一般铸件,另外加上其它字母来表示种类,随后之标示与钢的编号相同,如表1所示。

例如:GS-C30为铸钢,含碳量0.30

     G-X120Mn12表示含碳量1.20%的铸铁,含锰量12%。

 

 

 

1  德国工业标准DIN 之铸铁分类

 

GS   =   铸钢

 

GG   =   一般灰铸铁

 

GGL  =   片状石墨铸铁

 

GGG  =   球状石墨铸铁

 

GT   =   一般展性铸铁

 

GTS  =   展性灰铸铁

 

GTW  =   展性白铸铁

1-4材料的选用

 

1-4-1 材料选择的根据

 

材料的种类繁多,而且性质互异,因此无论铁金属和非铁金属材料,或者随后即将讨论的非金属材料自然都有不同的应用场合。一项产品在选用材料时,会因使用场合(例如:强度的要求、环境的因素、成本的考虑等)而不同,而各种材料由于结构的不同,也有其适当的用途,因此如何使材料的应用能适材适所,就是材料选用的最大准则。本章将提出材料选择的几个重要考虑因素,并举实例具体说明。

()材料的规格要符合使用的需求

选择材料最基本的考虑,就在满足产品的特性及要求,例如﹕抗拉强度、切削性、耐蚀性等。许多材料似乎都可以满足使用的需求,但是如果选择具有正字标记或符合国家标准的材料,例如:我国的CNS 日本的JIS 美国的ASTM SAE AISI UNS 德国的DIN等,由于其化学成分及机械性质都经过试验,有一定的保证,因此品质将更有保障。

()材料的价格要合理

价格是选择材料的另一个重要因素。因为优秀的材料如果价格高昂,产品的成本势必提高,竞争力就会降低。因此如果材料不是唯一的选择,那么价格合理的同级材料或以开发新产品替代都是不错的解决方案。

()材料的品质要一致

产品如果是单一的就不必考虑一致性的问题,但是如果是属于大量生产的东西,材料的供应就必须稳定而且品质一定才行,否则因产品不良造成退货或是赔偿,无论是金钱及信誉的损失可能都将难以弥补,因此在选择材料供应之初,材料品质的一致和来源的稳定性也是重要的考虑因素。

 

1-4-2 钢铁材料的选用

 

以上提到的是材料选用的原则。而钢铁材料由于在机械上使用广泛,因此必须针对其特性考量。钢铁材料的选用,常遭遇的还有三个问题:()使用碳钢或合金钢()局部或全部淬火()用铸造品或锻造品。

      碳钢的价钱便宜,但合金钢易于淬火、硬化深度大、抗回火软化佳。承受的负荷则关系局部或全部淬火,负荷大的零件以全部淬火为宜,表面淬火则可承受耐疲劳及磨耗的场合。

      锻造与铸造在制造一直是竞争不止,传统的铸造品虽可以制造复杂或有内孔的零件,但被认为偏析、气孔、韧性差,锻造品则较强韧,但铸造技术及材料的进步,己可以达到均质、强韧,加以铸造有一次成型的优点,因此目前铸件占较有利的趋势。

 

1-4-3 应用实例

 

()引擎材料的选用

机械产生动力来自于引擎,常见的引擎如:空压机、汽机车、电机原动力厂等。引擎各部份零件承受不同的负荷、温度等工作条件,因此有不同的材料选择考虑。以下仅以其中较重要的汽缸体、曲柄轴及进排气阀加以说明。

1.   1.   汽缸体

汽缸由于形状复杂,又有冷却管路,因此只能用铸造方式,汽缸由于要求良好强度大、耐磨、耐蚀、导热性佳、膨胀系数低。因此灰铸铁就是很好的选择,唯一问题是比重稍大。如果需要轻量化,使动力提高,就可以考虑铝合金。唯铝合金的磨耗性较差,这一点也要考虑。

2.   2.   曲柄轴

虽然曲柄轴的形状也很复杂,不过也并不是非用铸造不可,曲柄轴的受力很大,因此锻造钢品是传统上的选择,不过延性铸钢(球墨铸铁)的发展,使得铸造品在中小型汽车上也占一席之地。

如果使用锻钢,必须考虑硬化能的问题,因此常用的有铬钼钢(SAE 4140)或中碳钢SAE 1035SAE 1050

3.   3.   进排气阀

进排气门最重要的是耐高温和耐腐蚀,尤其是排气阀的工作温度,往往700℃以上,而且必须 承受燃料燃烧后产生的水气和腐蚀性铅化合物,因此采用耐热钢是最初的考虑,其后陆续有使用沃斯田铁系不锈钢或英高镍(Inconel)者。

()材料的取代和新材料的选用

由于材料的改良和新材料的不断发展,许多制品原来使用的材料,可以替代而性能更佳,价格更便宜。以日常应用来说,例如:二十年前的眼镜框,使用白铜或镀层,其后因为腐蚀问题而改用不锈钢,至今更因为钛的轻量化、高强度比且耐蚀而再度取代。

近年来由于航天工业,轻量及高强度的要求,因此在机件上钛的使用也很广,而外装上,复合材料(尤其是碳纤维和玻璃纤维强化塑料)则大量的应用。另外,为了极高速航具和航天飞机的需要,工程陶瓷应用在承受高温的部分的包覆(Ceramic Tiles)更是不可或缺。

  

 

1.规格(Specification)是产品需求的叙述,也是数据技术沟通的依据为了增进效率及提供产品零件的互换性,必须制定的规格,以作为生产者及使用者依循的规范。

2.在工业上,钢铁材料必依其化学成份,使用一定的编号以利于选用。目前,在我国较常用的规格有三种:中国国家标准(CNS)、日本工业标准(JIS)、美国钢铁学会-美国汽车工程师学会(AISI-SAE)。另外德国工业标准(DIN)和美国统一标准编号(UNS)相关业界有时也会采用。

3CNS之钢铁材料的编号,主要由下列三部分组成:

第一部分为材质,铁以F表示,钢以S表示。

第二部分表示标准名称或是制品用途或主要合金元素或含碳量(结构用碳钢时)

第三部分为该材料之种类号码,或是最低抗拉强度、降伏强度。若是表示最小抗拉强度或最小降伏强度,通常以三位数字表示,常用于建筑结构用等不须规定含碳量钢料的场合。

4AISISAE以四个(或五个)数目字为记号来分类。其中

第一位数,表示钢料的种类。

第二位数,为主要合金元素的百分值;0表示无其它合金元素。

第三、四位数(或第三、四、伍位数字)代表含碳量。

   

   

碳钢

1×××

耐热钢

30×××

普通碳钢

10××

钼钢

4×××

易削钢(加硫)

11××

Cr(0.7)

41××

 

13××

Ni-Cr

43××

镍钢

2×××

Ni(1.75)

46××

0.50Ni

20××

铬钢

5×××

1.50Ni

21××

Cr(1.0)

51××

3.50Ni

23××

Cr(1.5)

52××

镍铬钢

3×××

铬钒钢

6×××

1.25Ni0.6Cr

31××

钨钢

7×××

1.75Ni1.0Cr

32××

镍铬钼

8×××

3.50Ni1.5Cr

33××

硅锰钢

9×××

5.材料选择的考虑因素主要有:()材料的规格要符合使用的需求()材料的价格要合理()材料的品质要一致

 

 

合金钢及特殊钢

学习目的

1.了解合金钢与特殊钢的意义。

2.认识合金钢与特殊钢的种类。

3.认识工具钢的种类和用途。

4.认识耐蚀钢的种类和用途。

5.了解其它特殊钢的种类和用途。

1-1前言

 

碳钢具有不错的机械性质,能实施热处理,而且在一般用途上都能胜任。不过在某些需求特别的场合,使用上碳钢的性能仍嫌不足,例如:需要耐蚀的埸合、需要在高温强度、需要更高的硬度以做为切削刀具,或是具有疲劳强度等。这些时候就必须有各种不同性质的合金钢,例如:不锈钢、耐热钢、工具钢、弹簧钢等,来满足实际上的需求。由于这些合金钢材的性质和一般钢材并不相同,因此在市面上,许多贩售合金钢材料的地方,也称为特殊钢材料行。

合金钢是指碳钢添加一种或一种以上合金元素所形成的钢料。通常钢的合金元素,除碳以外,若含锰量在1.65%以上、含硅量在0.60%以上,或含铜量在0.06%以上等,就可以认定是属于合金钢,其它元素刻意加入碳钢中者亦同。碳钢如果依不同用途再加入镍、铬、钒、钨、.....等元素,以达到需要的效果,就成为合金钢。例如:微量的铬可以使钢具有极佳的硬化能,而12%以上时,钢就不易腐蚀,成为耐蚀钢。加入18%钨、4%铬、1%钒时即为高速钢。

除用途外,合金钢也可依加入元素种类来区分。由于任何钢中均含铁、碳两种元素,因此,如再加入一种元素即称为三元钢,例如:镍钢、钼钢等。加入二种元素称为四元钢,例如:镍钼钢,其余依此类推。

如果以合金含量来区分,合金钢中合金元素的总含量在6%以上称为高合金钢,合金元素总含量在6%以下称为低合金钢。有些埸合会将合金量在1.5%~5.5%之间的,再细分为中合金钢,而以1.5%以下者为低合金钢,不过这些都是粗略的分法,并没有实质的意义。

合金钢的种类很多,而其性质主要又由合金元素来决定,因此研究合金钢最有效的方法,就必须由了解合金元素对于钢性质的影响开始。在合金钢中所添加的合金元素,主要有镍Ni、铬 Cr、钨W、钒V、锰Mn、钼Mo、钴Co、硅Si、钛Ti、硼B等。

 

1-1-1钢中主要合金元素的功用

 

1.铬 Cr

    铬在钢中的角色多元且重要,它会形成安定而硬的碳化物,而且具抗蚀性,其主要作用有:

  a.增进钢的硬化能和渗碳作用。

  b.使钢在高温畤仍具高强度。

  c.能增加耐磨耗性。

  d.增高钢之淬火温度。

  f.能增进钢的抗腐蚀性。

2.镍Ni

    镍在钢中的影响有:

  a.增进钢的硬化能。

  b.能降低热处理时的淬火温度,因之在处理时变形小。

  c.能增加钢的韧性。

  d.高镍合金钢能耐腐蚀,例如:不锈钢就含有8%左右的镍。

3.钨W

    钨能耐高温,而且溶于钢中会与碳形成碳化物称为碳化钨,能提高钢的强度。此外,

  a.钨可以提高钢之淬火温度。

  b.加强钢之断面组织细微化,抵抗回火软化。

  c.可以降低淬火时钢之晶粒生长之趋势。

  d.钨钢刀具有红热硬度。

  e.可增加钢之保磁性,故可配入钢中而制造永久磁钢。

4.钒V

    钒可以无限量固溶入铁中,并阻止沃斯田铁晶粒的成长,钒在钢中有脱酸除氧之能力,故含钒之钢其断面结晶密实,此外钒的作用还有:

  a.能提高淬火温度。

  b.改善硬化能,高温淬火加热时,能防止其晶粒生长。

  c.有助于钢之结晶组织细微化。

5.锰Mn

    锰亦为钢中重要元素,其作用及影响如下:

  a.在适量下,锰量增加可增加钢之最大强度及硬度。

  b.锰有脱氧及脱疏功效,故锰能发掸钢之锻造性与可塑性。

  c.锰在钢中含量多,可降低钢之淬火温度。

  d.可增进钢之硬化深度,尤其在含碳量高之油硬性锰钢为最显著。

6.钼Mo

    钼可增加钢之最大强度及硬度,因此在合金钢中也颇为重要。

  a.能改善钢在高温之抗拉及潜变强度。

  b.在工作红热情况下,能使钢之硬度保持不变。

  c.高速工具钢含钼,可予以较佳之切割性能。

  d合金钢中加入钼可去除回火脆性。

7.钴Co

    钴为制造合金钢之重要元素,在钢中可以生成碳化物,但也可能有不良影响,它具有以下特性:

  a.钴可代替镍,如增加强度及耐热等性能。

  b.会降低钢的硬化能。

  c.能提高钢之淬火温度。

  d.增加钢之保磁能力,故为制造磁石钢之主要元素。

8.钛Ti

    钛在钢中易与碳形成碳化物TiC,其它特性:

  a.钛在不锈钢中,可以防止高温时铬量的局部减少,维持其

     防蚀的能力

  b.可以防止合金钢由高温徐冷时的脆化现象。

9.铜Cu

  合金钢中铜之含量不可以超过1.5%,否则会使钢变脆,此外

  a.铜在钢中有抵抗大气腐蚀之性能。低碳钢内含铜1%,其抵抗大

     气腐蚀性约较不含铜者高出四倍。在不锈钢中加铜 3-4%,亦有助不锈钢之防蚀作用。

  b.可以增加钢的强度,但不宜超过0.2%

10.铝Al

  a.极易与氧结合形成氧化铝,是一种强脱氧剂。

  b.能抑制晶粒成长。

  c.是氮化用钢的重要元素。

11.硫S

    硫在钢中为有害之杂质,硫与铁化合成为FeS,与锰化合成MnS,其结果:

  a.会增加钢的热脆性

  b.硫含量0.2%以上,就会严重影响钢的强度和韧性

  c.硫可使钢强度降低,因此有利于钢的切削,但除了易切钢之外,极少利用。

12.硅Si

   硅在钢中其作用如下 :

  a.硅能增加钢之电磁传导率,故适于制造电气材料。

  b.硅会加速钢之结晶生长变粗,因此含量约在0.05~0.30%

  c.硅能增高淬火温度。

  d.会阻碍碳元素溶于钢中。

  e.对于炭量较高之钢,硅多则增加脆性,

  f.增加耐热钢的氧化性,可用为脱酸性。

    综合各种合金元素对于碳钢的影响,而选择添加合金元素时必须考虑元素特性及应用场合的需要,适材适所才是最重要的,如果不暸解特性贸然选择,不但可能增加成本,效果也可能适得其反。

 

1-1-2 合金钢的分类

 

合金钢因其添加元素和量的不同而特性迥异,就用途来区分,合金钢大致可以分为一般构造用合金钢特殊钢。构造用合金钢是使用于普通机械的构成组件或土木建筑等构造,普遍来说其合金量较低,而特殊钢大多是使用在需要高温硬度、耐蚀、耐热、磁性等特别的场合,大多是属于高合金量,如表1所示。

()构造用合金钢:

 (a)非热处理型:大致是低合金量,包括高强度低合金钢易切钢

 (b)热处理型:大致是中合金量,含合金总量稍高,约在1.5%~5.5%

之间,经热处理后可以大幅提高强度,通常用于不需焊接场合的

强韧机件,称为热处理用中合金钢(强韧钢)

 (c)表面硬化钢

()特殊钢:

 (a)合金工具钢:

 (b)耐蚀钢:

 (c)其它用途特殊钢:包括耐热钢、轴承钢、弹簧钢、电气用钢、磁

石钢、超高强度钢等。

1  合金钢的用途

 

 

 

主要合金

  

高强度低合金钢

Mn、低Si-Mn

汽车车身、构造用机件、船体

热处理用中合金钢(强韧钢)

NiCrNi-CrCr-MoNi-Cr-Mo

曲柄轴、螺栓、齿轮、大型轴

表面

硬化

NiNi-CrCr-MoNi-Cr-Mo

齿轮、汽车工业变速箱、差速器

Al-CrAl-Cr-MoAl-Cr-Mo-Ni

汽缸套、车床主轴、铣床零件

 

 

切削用钢

WCr-WCr-Mn

牙攻、车刀、铣刀

耐冲击用钢

Cr-WCr-W-V

冲头、铆钉具

耐磨用钢

C-CrCr-WCr-Mo-V

号规、拉线模、整缘模具

热加工用钢

MnCr-W-VNi-Cr-MoMn-Cr

热辊轧模、压铸模

耐蚀钢

CrCr-Ni

餐具、外科刀具

NiCr-Ni、高Si

化学工业

耐热钢

CrCr-NiSi-CrCr-Al

进气阀、排气阀、轮机叶片

弹簧钢

Si-MnSi-CrCr-V

车辆、钟表及各式弹簧

轴承钢

CCr、高C-Cr-Mn

球轴承、滚轴承等非摩擦式轴承

电气用钢

非磁性钢

(避磁钢)

NiCr-NiCr-Mn

输配线支撑、罗盘外壳

磁性钢

Si(硅钢)

变压器铁心

磁石钢

CrWCr-W-Co

永久磁铁

超高强度钢

NiCr-Ni-MoNi-Co

钢梁、飞机骨架

 

1-2构造用合金钢

 

构造用合金钢是指使用在构成机械的零件或建筑土木等各项工程结构上的钢料,例如:大型机械轴、压力容器、高层建筑、桥梁钢架或高强度螺栓、齿轮等。这些场合所需要的材料特性为:较高的抗拉强度、伸长率、冲击值、疲劳限度等,同时也需要具备良好的铸造、锻制、切削或焊接的能力,以符合应用上的需要。

实用上,构造用合金钢由于使用的场合不同,一般区分为非热处理型热处理型两类,前者大多是属于低含碳量和低合金量,构成之后也无法再实施热处理,大多用于车架或车箱、火车及船体,它包括高强度低合金钢、易切钢等。后者多属于热处理用中合金钢,大多用于机械组件例如:曲柄轴、高强度螺栓等,其中加入合金元素,主要是可以增进钢的硬化能及降低质量效果,而经由热处理则可以得到更强韧的机械性质,这类钢料包括镍钢、铬钢、镍铬钢、铬钼钢、镍铬钼钢等。

 

1-2-1高强度合金钢(HSLA Steel)

 

高强度低合金钢主要是替代在构造上使用的低碳钢,由于工程结构上使用的钢料大多需要焊接,如果使用高碳钢,容易使焊道在焊接冷却时产生淬火脆化的麻田散铁组织,因此为避免材料因热影响而转劣,必须使用较低含碳量但强度较高的材料,高强度低合金钢就是一此要求而发展出来。

这种钢料是将少量特殊元素固溶在钢中,尤其是在低碳钢中占绝大部分的肥粒铁基地,使之强化而改变钢的机械性质,增进其机械强度。由于大型结构物焊接完成之后都难以热处理,所以在正常化或是轧延状态就要有高强度,也就是以固溶的方式在制造材料时就已完成强化。

高强度低合金钢的种类很多,一般抗拉强度必须在50kg/mm2以上,高强度低合金钢的分类通常是以机械性质如:抗拉强度、降伏强度、延伸率等区分,而不是以成份来区分。添加的元素为以MnSiNbVN影响较大,CoCr的影响较小。高强度低合金钢由于强度高出普通碳钢甚多,因此对于同样的负荷而言,可以使用较小的断面,因而整体重量也可以减轻。

    使HSLA钢之强度增强的方法,除了加入少量的合金元素,在轧钢厂中经由特殊的轧延及冷却过程中也可以加入。具备良好加工成形性HSLA钢除了特有的合金元素外,另外还加入有稀土金属元素,例如:CeNbLa等,此外,如: CoV Ti也有效果。制程方面,也可由降低加工硬化的速度或降低对应变速度、微化晶粒等来改进加工成形性。

加工成形性的需求,主要是为了适应诸如:汽车、船舶等结构成形的需要。早期HSLA钢在耐蚀性表现甚佳,但是为了改善加工成形性,因而必须牺牲一些防蚀能力,以换取较佳的成形性,又由于HSLA 钢所做成的机件比由普通碳钢所做成的机件更薄,因此一旦生锈,氧化的锈层会使HSLA钢能承受荷重的断面大受影响。因此需加入像Cu 等能改进大气耐蚀性的元素进行,但由于会增加成本,因此后来的作法,是在HSLA钢之表面镀锌或其它防锈的表面处理,以增加其耐蚀性。

HSLA钢在汽车工业的应用上,它不但可以取代传统的普通低碳钢,也更可以使用较薄的断面而不致于降低强度、耐蚀性及抗拉强度,目前小汽车所使用的高张力钢板就属于HSLA钢,其厚度约在0.6mm或更厚。其它如:货车、营建机械和其它重吨位车辆皆可使用HSLA钢的薄板或厚板来做车架或车体构件。用于这些用途的HSLA之钢板原大致为1.5mm或更厚。构造用HSLA钢,且可用于沿海之钻油机、电力输送机、火车及船体。

 

1-2-2易切钢(Free-machining steel)

 

易切钢是为了改善切削性和切削加工表面而发展的一种钢料,主要使用于在强度较低的小型零件。由于经济及迅速切削的需求,加上自动切削机械的发展,因此在不特别要求强度的小型零件,就可以采用此种钢来制造。

改善钢切削性的方法有:在钢中加入合金元素,以弛力退火减少残留应力或调整显微组织的性质等,而易切钢主要就是在钢中添加磷、硫、铅等合金元素的方法。加硫0.1~0.25%的易切钢称为硫易切钢,加铅0.1~0.3%的易切钢称为铅易切钢

由于加硫可以与钢中的锰形成MnS,使得切屑变小且没有黏滞性,因此可以改良切削性,添加磷可以使钢质变脆,可以增加切削加工面的光滑度,加铅也可以使切屑变小,并有润滑作用,但由于硫及磷对机械性质有害,因此这种钢料多用在不重视强度的螺丝及螺帽等。

此外,如钙Ca、碲Te、硒Se、铋Bi也都有改善切削性的功能,Ca易切钢是炼钢时用Ca脱氧,其能形成易切的原理与SPPb不同,Ca易切钢是脱氧时的生成物,在切削时熔着于切刃边,能产生减少磨擦的作用,而且具有保护刀具,增加刀具寿命的功能。

 

1-2-3热处理用合金钢

 

上一节曾经提到,在肥粒铁基地中加入合金元素,可以改良在正常化状态使用的钢之性质,但是如果要更充分的发挥这一类合金钢的机械性质,以得到更高的硬度、强度和韧性,就应该实施淬火及回火处理,只是由于大型结构物可焊性的要求和不易实施热处理的特性,因此合金元素的作用主要是在固溶于肥粒铁,而达到强化的目的(这样的方式称为固溶强化)

热处理用合金钢大多是应用于机械构成的零件,例如:曲柄轴、齿轮、强力螺栓、键、销等,这些组件注重强度,而且接合的方式也大多不使用焊接,因此假如能利用热处理,使这一类合金钢形成回火麻田散铁的组织而加以应用,就可以得到兼具强、韧的效果。热处理用合金钢就是在碳钢中加入合金元素,并且经由热处理而可以得到强韧性质的钢料,因此也称为强韧钢。

碳钢如果用于构造上有两个主要的缺点:一是硬化能较差、质量效果大,另一是回火时机械强度降低甚大。

前面提过,硬化能是指淬火后,距离淬火端硬度降低的程度。质量效果是指当尺寸较大的零件,在淬火时其中心部份得到硬化效果的难易程度。质量效果大的材料,淬火时中心的硬度降低甚快,这样的现象在碳钢比较显著。而如果碳钢中加入了特殊元素,恒温变态曲线(S曲线)就会右移,如此在相同的冷速下,中心也可以得到相当的硬度。因此加入适当的合金元素就可以使钢料容易得到淬火的效果,增高硬化能而减少质量效果。

其次,某些特殊元素不但可以改善硬化能,发挥淬火的效果,在回火处理时也可以减少硬度、强度受到的影响,即使回火到较高的温度,也可以得到强度及韧性高的组织。

现在我们已经暸解,在构造用合金钢中加入合金元素的目的,主要是增进硬化能及抵抗回火软化。在合金钢所加入的元素中,Cr MnMo的效果较大,其次是Ni,由于Ni的价格较高,因此如果只为减小质量效果或增加硬化能,就不需要添加Ni,而添加价格较低且效果好的MnCrMo

合金元素对硬化能的影响,大致可以由硬化能倍数(multiplying factor)看出,硬化能倍数大的元素,增加钢的硬化能也愈大。许多合金元素如PSi对于钢硬化能也有助益,但是有其添加的限制,所以并不适合。

在钢中添加Si也可以减缓回火软化的现象,但是与CrMo比较就可以发现,添加CrMo除了使回火软化减缓之外,在较高温回火的情况下,还会产生二次硬化的现象,而使硬度能够再度上升。这种二次硬化的现象,在钨W、钒V等元素也有类似的现象,WV是合金工具钢的重要元素,二次硬化的现象对于工具钢会产生特殊的切削效果,这一部份将在下一节详细说明。

热处理用合金钢,因其使用目的的不同,所添加的合金元素和合金含量也不同,常用的热处理用合金钢有:镍钢、铬钢、钼钢、镍铬钢、铬钼钢、镍铬钼钢等。要特别注意的是,即使在这里合金元素的种类与随后要说明的某些特殊钢(例如:不锈钢)类似,但含量较少,所以效果也不一样。

1Ni

钢中添加镍可以增加钢的强度,但是在淬火硬度上并没有很大的改善,同时在回火软化的抵抗性质上也并没有明显增加,加上镍的价格较高,因此单纯加镍的镍钢最近已不常用,Ni钢在钢料编号上是属于SAE 2XXX系,JIS对镍钢则不作规定。

Ni钢中镍的添加量约为3~5%,主要优点是可以增加钢的低温强度降低钢的转脆温度(Transition temp.),同时也可以作为渗碳用钢。

2Cr

碳钢中加入1%铬左右,可以增加钢的硬化能和回火软化抵抗性,铬钢一般是由830~880℃淬火于油中,再回火于550~650℃附近,由于这种钢料在回火时容易产生材质变脆的现象(称为回火脆性),所以在回火之后必须冷却于水中或油中以避免产生回火脆性,这类钢的直径如果大于60mm,就不容易得到充分的淬火效果。铬钢在钢的编号上属于SAE 5XXX系,JIS编号为SCrxx

铬钢经热处理淬火、回火后,硬度高、耐磨而且耐冲击,主要的用途有:挖土机重机械的钢齿、机斗、碎石机械等。

3Mo

Mo的硬化能效果很大,因此淬火硬化的有效距离很大。Mo对于回火时软化的抵抗性也很好,因此可以经过高温回火,而得到极佳的强度和韧性。

钼钢含Mo量约0.2%~0.3%,另外含有少量Mn等元素,焊接性好,在钢料编号上属于SAE4XXX系,主要用途有:手工具、小型机械零件、螺栓等。

4Ni-Cr

钢中加铬可以增加硬化能,但是Cr含量在超过1%以上时,效果就不会再增加,因此如果需要更好的硬化能,添加Ni是一种方法,因为Ni能有效的增加肥粒铁的强度和韧性。

Ni-Cr钢的镍含量约1%~3. 5%,铬含量约0.5%~1.0%。另外,由于铬及镍加入钢中,还有防腐蚀的效果,当铬、镍含量更高时,最主要的效果就变成以防蚀为主,而不是硬化能。在耐蚀钢中,含铬18%、镍8%的高合金钢,我们称为18-8钢,就是一种常用的不锈钢。

Ni-Cr钢在钢料编号上属于SAE3XXXSAE43XX系,JIS编号为SNCXX,在构造用合金钢中,Ni-Cr钢是其中较为常用的,通常用于制造曲柄轴、连杆、齿轮等。

5Cr-Mo

含有铬和钼的合金钢硬化能大、回火抵抗性高,而且较不会产生回火脆性,所以是一种用途很广的材料。

Cr-Mo钢是在含Cr1%的钢料中,再添加0.15%~0.30%Mo,某些场合可以替代Ni-Cr钢,在钢料的编号上是属于SAE41XX系,JIS编号为SCMXX

Cr-Mo钢使用的场合,例如:汽车曲轴、锻造或机制的轴、轴环和叶轮等。

6Ni-Cr-Mo

Ni-Cr-Mo钢是综合NiCrMo三种合金元素的优点,其中添加元素分别为0.4%~3.5%Ni0.4%~3.5%Cr0.15%~0.70%MoNi-Cr-Mo钢具有极佳的硬化能,淬火有效直径可以达200mm,淬火效果很好,此外Ni-Cr-Mo钢对于回火软化的抵抗性大,又因Mo可以显著改善Ni-Cr钢高温回火脆性的缺点,因此能回火至相当的高温,而得到优良的强韧性,所以Ni-Cr-Mo钢可以说是构造用合金钢中最优秀的。

Ni-Cr-Mo钢质量效果小,从淬火温度以空气冷却也可以淬硬,

因此又称为 自硬性钢 (self hardening steel) 风硬性钢 (air hardening steel),一般由850~950℃冷却于空气中或淬火于油中,再回火于550~650℃,如果含Mo量高,回火后不须急冷。Ni-Cr-Mo钢也适于大型零件,其钢料编号为SAE 8XXXJIS编号为SNCMXX,用于大型轴、曲柄轴、高强度螺栓,以致于中小型轴或内燃机连杆等。

 

2 碳钢与典型镍铬钼钢机械性质的比较

钢种

(%)

热处理

抗拉强度kg/mm2

冲击值kg-m /mm2

Brinell硬度

C

Ni

Cr

Mo

Mn

碳钢

0.40~

0.50

--

--

--

0.40~

0.85

淬火

回火

>70

>8

201~ 269

S30NiCrMo2

0.25~

0.35

2.50~

3.57

2.50~

3.50

0.50~

0.70

0.35~

0.60

淬火

回火

>110

>8

302~ 352

 

1-3合金工具钢

 

能够使用于制造工具、切削刀具或模具的材料大致包括:高碳工具钢、合金工具钢、高速钢、工具用非铁硬质合金等。除硬质合金之外,其它都是属于钢料,而在一般工具用钢中,以高碳工具钢的合金量少,价钱比较便宜,高合金量的工具钢或高速钢,价钱则较昂贵。

工具钢必须强韧、耐磨耗、且具有常温及高温硬度等特性,以其合金成份和构造用合金钢相较,则除了含碳量增加之外,CrMoNi等仍然为基本元素(或是增加其含量),另外必要时在添加耐高温的WVCo等。

工具钢是属于高级钢料,因此必须是由全静钢锭制造,同时要特别要求合金元素在熔炼过程中的均质化,以使后续锻造及热加工能得到良好的品质。由于工具钢多需利用热处理以达到材料的最佳性质,因此尺寸要求精密的机件,必须先实施半加工成形(semifinished),经热处理,再完成加工(finished)

 

1-3-1高碳工具钢

 

高碳工具钢的成份为含碳量0.6%~1.5%,另外含有0.5%以下的Mn以提高其硬化能力。高碳工具钢价格便宜,其机械性质主要是以含碳量多少来决定,由于一般淬火于水中,因此属于水硬性钢,其缺点则是硬化深度较浅,在高温时强度较差。

由于仅经淬火的麻田散铁组织太脆,耐磨性不佳,为了增加耐磨性,高碳工具钢在淬火前必须实施球化处理,淬火至室温之后,再加以150~200℃的低温回火,其结果可以得到球状雪明碳铁散布于低

温回火麻田散铁,硬度够而且耐磨耗的组织。

高碳工具钢使用于刀具、工具或冲模,但因合金工具钢的发展,使用场合已较少。

 

1-3-2合金工具钢

 

高碳工具钢由于硬化能较差,因此必须以水淬急冷的方式得到较高的硬度,但因水淬容易变形和产生裂痕,因此高碳工具钢就有其使用上的限制,为了改善其硬化能并增进其硬度,因此加入如WCrVMnNi等合金元素,而形成合金工具钢。

合金工具钢主要藉热处理所得到的麻田散铁组织保持工具钢必要的硬度,另外以合金元素与碳结合所形成的碳化物增加耐磨耗性。合金工具钢依其用途可分为下列四类:

1.切削用合金工具钢

为了切削用途,因此这类合金钢通常含碳量较高,并增加WCrV以增大硬度及耐磨耗性,适合作为螺丝攻、车刀、铣刀等用途。

2.耐冲击用合金工具钢

此类合金钢为增加冲击韧性,因此含碳量稍低,所以切削性及耐磨耗性也稍差。

3.冷间模具用合金工具钢

此类工具钢由于用于常温(又称为冷间,cold work),且要求减少尺寸及形状的变化,因此在高碳钢中添加MnCrMoWV等元素,以改善淬火性,并藉生成之硬质碳化物以增加其耐磨性。

4.热间模具用合金工具钢

此类工具钢由于多使用于热加工(热作)模具,因此必须具有高温硬度(红热硬度),不至因温度升高而变形或软化。此类工具钢含多量CrWMoV等元素,可以耐压铸、模锻等压力。

 

1-3-3高速钢

 

高速钢(high speed steel)是用于切削工具,在高速切削之红热状态时仍能保持其硬度而称之。除此之外,高速钢机械性质优良,因此也用于模具等耐磨耗机件,如果用于切削刀具,其切削速率可达高碳工具钢的三倍。

高速钢除C外含有大量的合金元素,例如:WMoCrVCo等,其主要功能整理如下:

(1)C可与各元素形成碳化物,增加刀具的切削能力。

(2)W可以形成碳化钨,除增加硬度外,也可以增加回火软化的抵抗性。

(3)Mo的性质与W相似,因此可以替代。

(4)Cr可以改善硬化能,并防止W的碳化物被分解。

(5)V可以使晶粒微细化,增加强度。

(6)Co可以增加C的溶解度,并增加高温硬度。

高速钢通常以主要元素WMo区分,含W钨量较多的高速钢称为钨系高速钢(T系高速钢),含Mo钼量较多的高速钢称为钼系高速钢(M系高速钢),其中含18%W4%Cr1%V为最典型的高速钢,称为18-4-1,另外含18%W4%Cr2%V则称为18-4-2

高速钢因为所含的合金元素量较多,所以导热度较不良,因此淬火温度需较高,一般约在1200~1350℃之间,使合金元素充分固溶于沃斯田铁,淬火之后可以得到洛氏硬度约Rc64以上。

淬火后的高速钢约在400~550℃间实施回火,在回火的过程中,由于合金成份会产生碳化物析出的现象,会使得硬度再次提升,此种特殊的现象称为二次硬化,有时为使钢中残留的沃斯田铁变态完成麻田散铁以增加其硬度,还会实施二次回火或三次回火等。

1-3-4硬质合金或超硬合金

 

    硬质或超硬合金属于非铁合金工具材料,通常不含铁成分或是铁仅占很少比例,有别于一般工具用钢料。这类材料有极高硬度及高温强度,可以切削各种钢料甚至玻璃、陶瓷等。

硬质合金是通常是以铸造或是粉末冶金的方式制造,它具高硬度的原因,是由于大量增加合金中碳化物的量亦或是直接使用碳化物来制成。硬质合金又分为:

(1)工具用铸造合金

这类硬质合金是以铸造方式成形,不经过热处理,就具有常温及高温的极高硬度,并且耐磨耗,有时又称非铁铸造合金刀具或超硬铸合金刀具。史斗铬钴(stellite)就是其中的代表,它含Co 40~55﹪、Cr 15~33﹪、W 10~18﹪、C 2~4﹪、Fe 5%以下、Mn 1%,其组织与白铸铁相似,为碳化物分布致密的型态,因此硬度很高,但是此种合金质脆,无法锻造。主要用于凿岩用钻头、切削刀具、热加工用模具等。

(2)烧结硬质合金

碳化钨WC或碳化钛TiC等的粉状碳化物,加入黏结用金属钴Co(NiMo),加压并烧结,就可以得到红热硬度很高的合金材料,如果制成切削刀具,可以较一般工具钢的切削速度更高,并具有更长的刀具寿命,烧结后的碳化钨块可以铜焊接着于钢制刀柄,用以切削钢铁、铸件、非铁金属或非金属等材料。常用的烧结硬质合金有WC-Co系和WC-TiC-Co系,除切削工具外,也可以应用于拉线模具或其它耐磨耗场合。

1-4耐蚀钢

 

耐蚀性是指材料对于空气、水、酸、盐或其它化学环境下所产生破坏的抵抗程度。钢铁材料应用极广,但是耐蚀性不佳是其缺点,尤其台湾气候温湿,因此耐蚀性特别重要,除了使用各种覆面或涂装技术,最基本的方式还是必须改善钢的性质。

在钢中添加CrNi可以增加钢的耐蚀性。钢的耐蚀性主要随Cr的含量而增加,一般耐蚀钢的分类,含Cr量在12%以上之Fe-Cr合金,几乎不会被侵蚀称为不锈钢,含Cr量在12%以下之Fe-Cr合金,则称为耐蚀钢,但实用上提到耐蚀钢仍是以不锈钢为主。

在大气及海水环境中,钢之耐蚀性随Cr量的增加而增加,含Cr量在12%以上,就几乎不会发生腐蚀的现象。不锈钢能耐蚀的原因,是因为Cr能在钢的表层形成一种致密的氧化铬膜,可以阻隔钢料内部的氧化作用,因而可以防止一般大气环境下的腐蚀。但是铬钢在强酸例如:硫酸、盐酸的环境,这层氧化膜就会被破坏而丧失了耐蚀性。

钢中含Ni时在酸性环境中的耐蚀性,在含有硫酸及盐酸的环境中,可以发现,钢之耐蚀性随Ni量的增加而增大,由此可知,一般环境下使用,不锈钢只需添加Cr,就可以防止发生腐蚀的现象,然而在特定环境下(例如:硫酸、盐酸中)使用,就必须再添加Ni,才能达到防蚀的目的。

一般除了铸造用途的不锈钢之外,不锈钢因其合金成份可以大致可以区分为:Cr系不锈钢、Cr-Ni系不锈钢。如果以晶体结构组织上来区分则可以分为:肥粒体系、麻田散体系、沃斯田体系、析出硬化系等。前者分类较为简单,但是就应用上来说,后者更有意义,因此目前材料学上对于不锈钢的的分类,大多以后者为主。

简单来说,添加合金元素会改变材料的平衡相图,并进而影响其机械性质,加上热处理的实施又决定于相图的变化,因此形成了各类不锈钢不同的特性。例如:添加CrVTi量的增加会使沃斯田铁相区减小甚至消失,因此变成相图除液态外均以肥粒铁相为主;如果添加NiMnCo等,则会扩大沃斯田铁相区,结果即使在室温下,稳定相仍可能为沃斯田铁相,这两种情况,都几乎没有淬火效果,通常不实施热处理。此外,如果加上碳的影响因素,则可能产生以热处理增加强化效果的麻田散体系及析出硬化系不锈钢。

 

1-4-1 肥粒体系不锈钢

 

由于铁中添加Cr会使沃斯田相区缩小,并且当Cr含量超过13%时,各种温度下将只有肥粒铁相存在。但是因为钢中还有碳的存在,碳会与Cr形成碳化铬,而消耗一部分铬,大致上1%C必须要1%Cr结合,所以如果纯为肥粒铁结构,实际含铬量必须增加。大体而言,当含Cr16%以上且C含量在0.12%以下时,此类低碳高铬不锈钢,又称为肥粒体系不锈钢。

肥粒铁系不锈钢的含碳量极低,约在0.12%以下,含Cr16%18%,耐蚀性优良而且质软易于加工,但机械性质较弱,可以作为汽车内装、厨房设备、建筑等,是一类具有磁性的不锈钢。此类不锈钢属于400系列,以430不锈钢为代表,其它如:405不锈钢、446不锈钢等都是,在JIS编号为SUS 430SUS 405等。

 

1-4-2 麻田散体系不锈钢

 

上述低碳高铬的不锈钢,当含碳量增加或是含铬量较低时,则其高温固相时沃斯田铁区就会存在,此时将此类高碳高铬钢加热到沃斯田铁区(γ区),再淬火下来,就可以得到麻田散铁的组织,这样的不锈钢虽因Cr量减少而耐蚀性稍差,但是具有优秀的机械性质,称为麻田散体系不锈钢。

麻田散铁系不锈钢的含碳量约为0.1%0.4%,含Cr12%14%,如果要与肥粒体系不锈钢细分,也可以用另一种方式来判断:

      [%Cr-17%C]>13 .…..肥粒体系

      [%Cr-17%C]<13 …...麻田散体系

麻田散体系不锈钢的淬火温度为950~1000℃,在合金含量较多的情况下,甚至以气冷就可以达到淬火的目的,淬火之后再行回火,回火的实施通常采用100~180℃的低温回火。

麻田散体系不锈钢价格便宜,硬度、强度佳,但耐蚀性略差,可以作为刀具、轴承、阀门零件、外科手术刀等,是一类具有磁性的不锈钢。此类不锈钢也属于400系列,以403410不锈钢为代表,其它如:431不锈钢、440A不锈钢、440B不锈钢、440C不锈钢等都是,在JIS编号为SUS 431SUS 440C等。

 

1-4-3 沃斯田体系不锈钢

 

前两类的不锈钢虽各有其优点及应用范围,但是都是属于铬系不锈钢,铬系不锈钢的缺点就是在酸性环境下(尤其是硫酸、盐酸等),耐蚀性不良,因此必须添加Ni,以抵抗酸性环境的侵蚀。当添加Ni量约8%以上时,常温下也是沃斯田铁组织,这样的不锈钢称为沃斯田体系不锈钢,是不具磁性的系列。

沃斯田体系不锈钢防蚀能力甚佳、质软加工性良好,但无法以淬火及回火来增加硬度及强度,通常施以冷加工来增加硬度及强度。含Cr 18~20%Ni 8~10%而含C量少于0.2%Cr-Ni系不锈钢是沃斯田体系不锈钢中最具代表性的钢料,通常称为18-8钢。

18-8不锈钢的缺点是在500~900℃高温时,晶界附近的铬会与碳形成碳化铬析出,使得晶界附近产生缺铬的现象(称为贫铬区),因此易发生粒间腐蚀(intergranular corrosion)的现象,这样的现象在焊接工作或热处理等场合时常发生,因此必须注意。

有效改良的方法是:

(1)处理时尽快通过此温度。

(2)添加其它合金元素以抑制Cr的消耗。例如:TiNbTa等,均可以和碳结合成安定的碳化物,而不会再影响铬。

(3)降低含碳量。含碳量小于0.03%时,碳就只固溶于沃斯田铁而不会与铬形成碳化物,例如焊接时,使用低含碳量的304L不锈钢焊条,就可以避免粒间腐蚀的现象发生。

沃斯田铁系不锈钢的用途很广,不但对各种环境的耐蚀性优良,而且具有极高的低温韧性,可以作为化工仪器零件、热交换器、核子处理设备、液态氦的容器等,有时也应用于较优良的不锈钢餐具,是一类不具磁性的不锈钢。此类不锈钢属于300系及200系,以304不锈钢为代表,其它如:301不锈钢、310不锈钢、316不锈钢、347不锈钢、202不锈钢等都是,在JIS编号为SUS 301等。

 

1-4-4 析出硬化系不锈钢

 

这类型的不锈钢是由沃斯田体系不锈钢改良而来,它的成份与18-8钢相似,只是CrNi量稍减,另外添加了AlCuMoNbTi等。

析出硬化是一种热处理上强化材料的方法,它的方法通常是,添加有助于生成析出物的元素,经过淬火热处理后,得到麻田散铁组织,然后再利用一种称为时效(aging)处理的方式,使硬的金属间化合物析出于材料基地,以得到极高的机械性质。

一般析出硬化系不锈钢在固溶后淬火于常温时,仍是全为沃斯田铁组织,因此柔软易于加工,在加工完成后,必须再实施一次中间热处理(intermediate heat treatment),此时Ms点约在0~15℃之间,藉深冷处理(subzero treatment)以得到麻田散铁,回火后经两次时效处理,就可以得到高强度。因此添加AlNb等元素的目的,即是在于促使生成析出物。综合此类不锈钢的强化的方式,可以知道其为固溶强化、加工强化、麻田散强化及析出硬化的组合。

析出硬化系不锈钢具耐蚀性,即使含碳量很少也可以有很强的机械性质,一般用于飞机零件、高级弹簧、模具等。此类不锈钢属于600系列,以631不锈钢为代表,630不锈钢也属之,在SAE 编号中还有633不锈钢(AM 350)634不锈钢(AM 362)等。此系列不锈钢如果再添加Co元素,则可以提高Ms温度至常温以上并提高析出量。

 

1-5其它特殊钢

 

1-5-1耐热钢

 

耐热钢基本上极为类似不锈钢,因为它不但需要抵抗高温,同时也必须抵抗高温的气体腐蚀环境,所以AISI将之归类于不锈钢,例如:AISI 309不锈钢、310不锈钢、409不锈钢等,JIS规格属于SUH系列,而在CNS规格则属于HR系列。

高温的环境下,除了防蚀的考虑外,最重要的就是要具有优良的潜变强度,因此除了CrNi之外,必须添加MoWAlTiSiMnNb等以增加其耐热性,但是Al-Fe合金机械性质不佳。

耐热钢一般依其主要成份分为两类:

(1)Cr系耐热钢

增进铁的氧化抵抗性最有效的成份是铬,铁中添加铬除了可以产生致密的皮膜以增加耐蚀性,同时也可以增进耐热性质。铬铁合金的典型的高温氧化行为,如图1所示在高温长时间的环境中仅有氧化。

0            10           20           30

              铬的重量百分比

        

 


 

 

 

900

 

1000

 

1100

 

1200

 


1 添加Cr对含碳量0.5%C钢料氧化的影响,220小时

 

Cr系耐热钢除了Cr之外,还添加Mo来增加高温强度,在一般温度下其耐氧化性良好。但是500℃以上时,强度就会急遽下降,因此大多使用于高温下但不须考虑潜变强度的场合,例如:石化工业、内燃机阀门、热处理炉零件等。

    Cr系耐热钢因于其组织为肥粒铁,所以又称为肥粒铁系耐热钢,Cr含量大于10%以上时可以增加耐热钢的潜变强度,JIS材料的编号中SUH 409SUH 446均属之。如果Cr含量大于10%以上时则以抗氧化性为主。

 (2)Cr-Ni系耐热钢

Cr系耐热钢对于一般高温环境的耐氧化性良好,但在高温的机械性质方面则不理想,所以在需要高温强度或潜变强度的场合,就需要采用Cr-Ni系的耐热钢。

Cr-Ni系耐热钢基本上是将18-8钢,增加CrNi的含量,并添加TiMoW等元素以改良其高温机械性质者。这种钢料具有沃斯田铁组织,因此也称为沃斯田铁系耐热钢。主要合金元素的含量为:14~26%Cr12~37%Ni0.1~0.4%C0~3%W等。此类耐热钢高温强度大、加工性、焊接性良好,在JIS材料的编号为SUH 309~SUH 330,主要用于热处理炉零件、高级排气阀、引擎燃烧室、热交换器等,另外还有SUH 660SUH 661为时效处理系耐热钢,应用于轮机的静翼和燃烧器。

 

1-5-2 轴承钢

 

轴承为支承轴于一定位置的机件,因此必须有足够的强度、耐磨耗及很高的疲劳限。轴承又分为滚珠轴承及滚子轴承两种,最常使用的材料为高碳低铬钢,其成份为0.95~1.10%C0.9~1.6%Cr0.5~0.9%Mn0~0.25%Mo,此外由于轴承钢属于高级合金钢,所以磷、硫含量必须在0.025%以下,以确保其机械性质。

轴承钢除了材料纯度要求较高之外,需要经过热处理使其中碳化物细化并分布于基地内,以增加其耐磨性。一般加热至780~850℃,然后淬火于油中,在回火于140~160℃,热处理后其硬度值约HRc 62以上。轴承钢在JIS中之的材料编号为SUJ,例如:SUJ1SUJ2等。

 

1-5-3 弹簧钢

 

弹簧广泛应用于车辆、加工机械、模具、钟表等,弹簧的种类很多,较大的如车辆板片弹簧、较小的如螺旋弹簧、或钟表的动力弹簧(发条)等。

制造弹簧的材料有钢料、铜合金、橡胶等。弹簧用的钢料必须具备耐冲击、疲劳限高而且不产生永久变形的特性,适用的钢料大致可以分为:碳钢、硅锰钢、硅锰铬钢三类,有些特殊场合也用到耐蚀钢。

    弹簧的制造必须先韧化、成形,然后在实施热处理之后使用,大型的弹簧,例如:板片弹簧等,系将热轧的板或棒,在高温加工成形,由780~850℃淬火于油中或水中,再经400~500℃回火后使用。小型弹簧,例如:螺旋弹簧等,必须将韧化处理后冷抽的钢线(通常称为琴钢线,piano wire),冷加工成形,再加热于300~350℃蓝化处理(blueing)后,以提高疲劳限然后使用。弹簧钢在JIS材料中的编号属于SUP

1-5-4 电气用钢

 

电气用钢属于软磁(soft magnetic)材料,主要是用于制造电机机械例如:变压器、电动机(马达)等的铁心材料。良好的铁心材料必须利于导通磁力线以提高效率,所以磁阻要低、导磁性要好,并且要容易磁化及退磁,残留磁力小以减少磁滞损失(hysteresis loss),因此材料微结构必须晶粒粗、纯度高并避免产生缺陷,而且要除去内应力,以使扇区容易移动。

常用的铁心材料有纯铁、硅钢、铁镍合金、铁钴合金、铁氧磁体等,其中以纯铁及硅钢较为常用。纯铁的导磁性好,但是因为比电阻小,涡流损失(eddy current loss)大,因此添加硅,唯硅含量过高时材质便脆化,因此一般在5.5%以下,此外硅钢片制成片状相迭也可以降低涡流损失。

 

1-5-5 磁石钢

 

磁石钢是制造磁石的一种材料,主要是用于制造永久磁铁,永久磁铁使用于无线电扩音机、电动机、发电机永久磁极等,属于硬磁(hard magnetic)材料。硬磁材料与软磁材料相反,必须是要能保持磁力,即所谓剩磁(residual magnetim)较大者。因此材料微结构必须晶粒细、内应力大,并且最好有第二相的粒子,来阻碍扇区的移动。

磁石钢常用的材料有两种类型:

(1)淬火硬化型磁石钢

将钢料由高温淬火,使其组织微细化,并因淬火所产生的内应力,使得材料不易失去磁性,这种材料称为淬火硬化型磁石钢。

淬火硬化型磁石钢主要是钨钢(0.5~1.0%C5~7%W),另外还包括:碳钢(0.8~1.2%C)、、钴钢(0.9~1.2%C5~17%Co)KS(0.7~1.0%C30~40%Co)等。

(2)析出硬化型磁石钢

将钢料由高温急冷得到高饱和固溶体,然后在适当温度回火,使其析出第二相物质,由于格子畸变,而使得材料不易失去磁性,这种材料称为析出硬化型磁石钢。

      析出硬化型磁石钢大致包括:MK(15~40%Ni7~15%Al0~20%Co)Alnico(7.5~17%Al14~22%Ni5~38%Co、其余为铁)等。

 

1-5-6超高强度钢

 

发展高强度钢的目的是为了减少材料本身的重量,以承受相同的荷重而言,高强度钢料相较于普通碳钢可以用较小的断面,因此在许多需要高强度而轻量的结构中,更高强度的的钢料一直是材料界追求的目标。超高强度钢(The Ultrahigh-strength Steel)是指降伏强度超过180,000psi(或是130kg/mm2)的钢种,其发展主要是为了航空及太空科技高强度合金的要求,并且也需要易于加工及成形。

超高强度钢大致分为以下几类:

(1)将中含碳量的强韧钢或低合金钢加入更多的SiV,以避免低温回火脆性并增加韧性,可以得到超高强度钢,其抗拉强度可达200 kg/mm2以上。例如:AISI 4141M4130M433VD6AC等钢种。

(2)改良工具钢(Modified Tool Steel),系将原来高温加工用的5Cr-Mo-V模具钢改良而成,可以作为飞机骨架、钢架、桥梁等,其抗拉强度可达200 kg/mm2以上。例如:AISI H-11H-13等钢种。

(3)麻时效钢(Maraging Steel),含Ni 20﹪是低碳高镍含量的合金钢,易于成形、加工、焊接,但必须在退火状态才容易加工或成形。这类钢种的时效元素为CoMoTi,在480℃附近时效可以使其强度增为最大,由于时效温度不高,因此对于精密机件不会造成扭曲或尺寸改变,而且低温韧性很好,所以可以使用在锻造、加工的精密机件或需要焊接的地方,麻时效钢的抗拉强度可达150~210 kg/mm2,其钢种如:18Ni钢、20Ni25Ni等均是。

(4)Cr-Ni-MoFe-Cr-Mo-Cu等,是属于低碳、可硬化、易加工和焊接的合金钢,这些合金钢能在低温下析出硬化,而且在耐高温氧化及耐疲劳性均佳。Cr-Ni-Mo合金并适合用于承受大荷重的机件,例如:磨擦盘、大型轴、齿轮、滑槽等。,其抗拉强度在150 kg/mm2以上。例如:AstralloyAFC-77等钢种。

(5)9Ni-4Co钢,是一种将碳化物生成元素含量减少,而以Ni来提高韧性的钢料,另外添加Co以提高Ms点并减少残留沃斯田铁,这种钢韧性优良,并可以变韧铁组织状态使用,其抗拉强度可达200 kg/mm2以上。AISI的材料编号例如:HP-9-4-20HP-9-4-30HP-9-4-45等钢种都是。

 

 

 

    

 

1.       1.       合金钢是指碳钢添加一种或一种以上合金元素所形成的钢料。碳钢除了碳以外,若是含超过微量的其它元素,例如:含锰量在1.65%以上、含硅量在0.60%以上或含铜量在0.06%以上等等,就属于合金钢,

2.       2.       合金钢依其用途来区分,可分为构造用合金钢和特殊钢,构造用合金钢是使用在一般机械的构成组件或建筑土木构造上,特殊钢是使用在需要高温硬度、耐蚀、耐热、磁性等特别的场合。

3.       3.       一般构造用合金钢由于使用的场合不同,可以分为非热处理型热处理型两类,前者大多是属于低含碳量和低合金量,构成之后也无法再实施热处理,包括高强度低合金钢、易切钢等,后者多属于热处理用中合金钢,包括镍钢、铬钢、镍铬钢、铬钼钢、镍铬钼钢等。

4.       4.       工具钢的材料大致包括:高碳工具钢、合金工具钢、高速钢、工具用硬质合金等。除硬质合金之外,工具用钢料之中以高碳工具钢的合金量少,价钱比较便宜,而高合金量的工具钢或高速钢,价钱较昂贵。

5.       5.       工具钢必须强韧、耐磨耗、且具有常温及高温硬度等特性,以其合金成份和构造用合金钢相较,则除了含碳量增加之外,CrMoNi等仍然为基本元素(或是增加其含量),另外必要时在添加耐高温的WVCo等。

6.       6.       在钢中添加CrNi可以增加钢的耐蚀性。钢的耐蚀性主要随Cr的含量而增加,一般耐蚀钢的分类,含Cr量在12﹪以上之Fe-Cr合金,几乎不会被侵蚀称为不锈钢,含Cr量在12﹪以下之Fe-Cr合金,则称为耐蚀钢,实用上是以不锈钢为主。

7.       7.       弹簧用的钢料必须具备耐冲击、疲劳限高而且不产生永久变形的特性,适用的钢料大致可以分为:碳钢、硅锰钢、硅锰铬钢三类。    弹簧的制造必须先韧化、成形,然后在实施热处理之后使用。

 

金属的腐蚀

学习目的

1.了解腐蚀的意义。

2.了解金属材料腐蚀的原理。

3.了解影响金属腐蚀的因素。

4.了解钢铁材料腐蚀的形式。

5.认识防治腐蚀的方法。

 

1-1 前言

 

    材料会因为时间、环境等种种因素,而产生不堪使用或称为失败(failure)的状况,这样的结果不但增加成本,而且耗费时间。一种材料所以无法再使用,除了肇因于强度无法承受负荷所产生的破坏(fracture),还有磨耗(wear)、腐蚀(corrosion)、辐射损伤(radiation damage)等其它因素,而这其中又以腐蚀的伤害最大,影响也最严重,因此认识并防治腐蚀,是学习材料必备的课题。

生锈(rusting)就是一种人人熟知的腐蚀现象,它是专指铁或铁合金的腐蚀现象,其它的材料虽然也会腐蚀,但不称为生锈。腐蚀的过程可以是一种化学反应(Chemical Reaction),而更多时候则是一种电化学反应(Electrochemical Reaction)

所谓电化学反应,简单的说是金属间形成阳极和阴极的电池效应。简单的说,电化学腐蚀与电镀的原理相似,都是由于材料本身足以产生电化学反应所导致,它们的差异,只在于结果的不同。腐蚀是金属的剥离,电镀则是金属的覆层

而就工程材料的来源而言,材料原为矿石或是氧化物中冶炼,再度变为化合物而回归稳定也是自然的趋势,因此材料在某种适当的环境下,不论经由化学或是电化学的反应方式而发生腐蚀,也是自然的现象,而防治腐蚀的积极意义则是在提供材料更长的使用寿命。

在日常生活中,就有许多足以产生电化学反应的环境,例如:不同金属本来就具有不同的电位,如果环境中存在某些溶液,可能就会提供构成回路的条件,而发生电化学腐蚀。此外例如:高温、酸碱等环境因素,也会加速电化学反应的进行,因而增加腐蚀破坏的程度。

在机械结构使用上,材料的选择不当,对腐蚀因素的认识不够,也是助长结构腐蚀的基本因素。因此探讨防蚀工程,必须要了解化学和冶金学的基本常识,并且注意防治。

腐蚀通常是经由一段时间酝酿,当损害的现象较为显著时,才会引起人们的注意,而到破坏造成时,结果却往往非常严重。据估计,在美国每一年因为腐蚀所造成的直接损失,就约占国民生产总值的4 %,达数百亿美元之谱。在国内,除了桥梁、建筑等公共工程因腐蚀致使用寿命降低,近年来在航空器及其它方面,因腐蚀产生安全的危害、资源、环境的损失,也无法估计,丝毫不逊于其它破坏所造成的损失。因此,对于材料的腐蚀机构及防制腐蚀的方法的研究,尤其必须特别重视。

事实上,除了金属材料会受到腐蚀之外,其它材料也会发生腐蚀,例如:塑料、陶瓷材料的化学溶解(chemical dissolution)等,但本章中所讨论的腐蚀,主要仍以金属为范围,就各种腐蚀发生的成因、腐蚀形式、金属钝化等说明,并提出腐蚀的防治之道。

1-2腐蚀的意义

 

自然界中绝大多数的物质,都有变成氧化物或是形成稳定化合物的倾向,除了金、铂等贵金属外,自然界中甚少有单纯金属存在。因此当我们由矿石或是氧化物中提炼完成所需的工程材料,例如:铁、铜、铝时,它们就开始有了回归稳定的趋势,在环境许可下,它们会再度变为金属化合物,这种现象可说是发生腐蚀的基本原因。这些环境的因素,例如:水份、高温,或是酸、碱等化学物质的诱导等,都可能引起金属的腐蚀,如图1所示。

铁矿石

Fe2O3

Fe3O4

FeCO3

 

 

 

 

 

 

Fe

 

治炼

腐蚀

 

 

 


 

1矿石 钢料 腐蚀 说明了腐蚀发生的基本原因

 

分析材料发生腐蚀的基本原因,主要可以区分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。化学腐蚀(chemical corrosion又称为直接溶解(dissolution),通常是指材料置于一种可以溶解的溶液环境中,直到材料全部耗尽(腐蚀)或是溶液达到饱和点。其它诸如高温、湿度等情况,使材料因加速产生氧化作用进而腐蚀也属之。电化学腐蚀通常是指两种异质金属或金属中足以构成电位差的两极,在一种电解质(electropte)相连的环境中,形成阳极金属持续失去金属离子而被腐蚀的现象称之。在这两类的腐蚀中,又以电化学腐蚀较为重要,也较容易被忽视。

 

1-2-1化学腐蚀

 

在自然界中,物质会溶解于特定的溶液中是熟知的现象,例如:糖、盐会溶解于水中,或是许多金属或非金属会溶解于盐酸。有时我们也利用这些特性于制造方法,例如:利用氯化铁来蚀刻铜艺术品或电路板。但在工程材料的使用上,绝大多数的考虑仍是在防治腐蚀方面。

在一般金属中,溶液最易侵蚀的位置是晶粒与晶粒接合之处,也就是晶界,然后持续成长,化学腐蚀有时也随环境或是化合物的形成而变化,也可能伴随电化学腐蚀而来,当然如果是这样的情形,整个腐蚀现象就会变得较复杂。

1.选择性滤除

有些金属合金材料在特殊环境下,其中的一种或多种元素容易被选择性的滤除(leach)或称腐蚀,而变成多孔性的残留物,因而降低了材料的机械性质,这种现象称为选择性滤除。这样的现象,与金属的本质有关,如黄铜中所含的锌在高温下会被盐类的水溶液所溶解,产生脱锌(dezincification)的局部腐蚀现象,而缺少锌的位置,将使得黄铜变成多孔性结构而变成很脆弱。

2.石墨化腐蚀

石墨化腐蚀是另一种类似选择性腐蚀的例子,灰铸铁的是片状石墨交错在铁基地的组织,如果置于水中或是土壤中,铁将较具阳极性而石墨将较具阴极性,因此铁的部份将被腐蚀,而形成多孔性的外观,因此灰铸铁制成的管线,必须有积极的防蚀措施,如果埋设不当,容易发生泄漏甚至爆炸的事件。

    化学腐蚀的防治极为困难,将材料覆层是一种方法,避免材料与溶液(尤其是易起作用的酸碱溶液)接触,也是另一种解决的方式。如果一定必须在溶液的环境中使用,必须考虑选择能抵抗化学腐蚀的材料。例如:为了抑制黄铜脱锌的现象,我们可以在含锌量15%以上的黄铜中,添加1%左右的锡Sb,以抵抗这种腐蚀并增加强度。这类的含锡黄铜包括:海军黄铜(naval brass)、海将黄铜(admiralty metal)等都属之。

1-2-2电化学腐蚀

 

电化学腐蚀是最重要的腐蚀因素,因为大多数的金属腐蚀的起因,都可说是一种电化学反应。这里所说的电化学反应是指在相同或不同金属物体中,由于各种因素使得某些部位产生了局部的阳极反应 (Anoic Reaction) 让金属失去一个或多个电子,变成金属阳离子,亦即发生阳极氧化作用;而在同时,另一地点也会产生阴极反应 (Cathodic Reaction),获得多出的电子,使得阴极形成还原作用,而构成一个电池效应的现象这种电池效应使得阳极金属造成消溶腐蚀,称之为电化学腐蚀(Electro-chemical corrosion)。

电化学腐蚀反应,其实与电镀(electroplating)的作用原理相似,也就是阳极失去金属(可以视为如腐蚀的现象)而阴极则覆层金属(可以视为如电镀的现象),只是腐蚀现象发生时,阴极反应通常不会发生电镀效应,其还原反应多生成气体、液体或固体

电化学反应的观点,可以说是腐蚀现象里最重要的部分,而且大部分的腐蚀现象都可以发现这样的反应;在电化学反应里,它将失去电子的一方称为阳极(anode),而获得电子的一方称为阴极(cathode),当两极之间具有一低电阻的导电通路时,阳极金属就会发生腐蚀。

两种不同金属就容易发生这种现象,这其中一种金属会较容易失去电子(阳极),而另一种金属则较容易获得电子(阴极),透过适当的通路,其结果是使得阳极金属陆续解离形成金属离子。这些金属离子,若不是被周围的电解质吸收,就是与非金属离子结合而形成一层表面的沈积层,因此阳极金属逐渐失去(被腐蚀),反之,阴极金属则因此受到保护。

由此可知,电池效应发生的情况必须是,材料发生氧化电位(或还原电位)不同的两极,并且有适当介质的条件下,由于环境产生了足以形成电解池的条件下才足以发生。例如 : 两种不相似金属搭接在一起或金属两表面间有潮湿空气等。

电化学腐蚀发生的原因,既然是因为电位的不同而且可以产生电池效应所致,当然相同的金属也可能会发生电池效应,例如:同一金属构件表面有局部变异而形成两极,或是搭接物体的夹缝内藏有盐类或尘垢等。此外,温湿环境可以增加电解液的活动程度增大腐蚀 ; 而当金属表面生成海棉状的化合物,就足以容纳更多水份继续其电池作用,并且向内腐蚀金属。

至于何种金属较易形成阳极,而何种金属较易形成阴极?其实如同前面有关化学腐蚀叙述:物质或金属在溶液中,多有化为离子而被溶解的的倾向。同样的,大多数金属如果置于溶液中,其内部都具有化学电压将其离子送入溶液中的趋势,只是大小的程度不同而已

这种金属受环境溶液诱惑的趋势称为"电溶压" ( Electrolytic  Solutiona1tension )。电溶压大的金属,因为容易化为金属离子,所以比较易受腐蚀,反之电溶压小的金属,比较到腐蚀。

电溶压用在电化学上又称为"伽凡尼电位"(Galvanic  Potential)或是"电解电位" 简称电位。不同的金属具有不同的电位,所以当两种不同金属搭接在一起时,由于两者的电位差,就会产生电流,其原理正如同水往低处流的情况一样。这种电池效应的结果,因电流的通过(从阳极流向阴极),使较高电位金属发生阳极消溶腐蚀。当电位差愈大,产生的电流愈强,腐蚀损耗率就愈大。

在电化学序位中,伽凡尼电位序 (GalVanic Potential Series )可以说明在不同环境下,各种金属阳极性或阴极性的趋势。在海水、淡水溶液或其它工业气氛中,伽凡尼电位序也可能会有差异,以海水中的伽凡尼电位序而言,依金属电位由大到小将金属顺序排列,依序为:钾(K)、钠( Na)、镁(Mg)、铝(A1)、锌(Zn)、镉(Cd)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钖(Sn)、铝(Pb)、铜(Cu)、银(Ag)、铂(Pt )、金(Au)

上述电位序中,电位序在前面的金属对于电位序在其后的金属将形成阳极; 相反的,电位序在后的金属对于电位序在前的金属成为阴极。这些金属例如:金、铂、银等称为贵金属(noble)或具化学惰性(chemically inert)。而从另一方面来看,由于电位序在前面的金属相对于电位序在其后的金属将形成阳极,由于腐蚀发生于阳极,因此就可以保护其后位金属避免腐蚀,这种牺牲阳极的方法就是腐蚀防治的一种重要方式。这部分的叙述会在稍后讨论钢铁腐蚀时再说明。

综合以上所述可以知道,电化学腐蚀主要由于材料本身产生了电池效应,电池效应是基于电池中有两种不同电极悬挂在一电解质内,阳极部份发生氧化作用而蚀去,阴极则大多产生氢离子的还原作用,而放出氢气,结果使材料形成腐蚀的现象。

由于金属腐蚀的过程,事实上就是一种化学或电化学反应,因此我们可以说,金属在某种环境下,借着化学或是电化学反应所造成材料破坏性的伤害就称为腐蚀,而腐蚀的防治,最基本的原理就是抑制或是避免这些反应的发生。

 

1-3影响金属腐蚀的因素

 

如前所述,腐蚀发生的过程主要依化学反应和电化学反应两种方式来进行。例如:铁的腐蚀就化学反应的观点而言,其在大气中的氧化过程为:  

      室温时    Fe1/2 O2 H2 Oà 2FeOH2 氢氧化亚铁

             2FeOH21/2 O2 H2 Oà 2FeOH3

                                       氢氧化铁(铁锈)

 

而以电化学反应式表示则为:

        Fe1/2 O2 H2 O àFe+22 OH- à 2FeOH3

                                       氢氧化铁(铁锈)

 

但这只是反应过程描述的不同,实际上,随环境的改变,各种影响腐蚀因素愈形复杂,它们会使得腐蚀的程度或是型态都跟着改变,并且增加腐蚀的严重性。例如:大气中原有水份和尘埃,足以影响腐蚀的程度,然而随着工业化程度的增加之外,还加入了各种气体和化合物,像是二氧化硫SiO2、硫化氢H2S等,加上本省海岛地形含有充足的盐份,经由电化学反应,这些物质更助长了材料的腐蚀。再如:铁置于高温环境中,其腐蚀型态不同于常温下的反应,而是直接与氧结合, 形成Fe2O3 (氧化铁)FeO(氧化亚铁)、Fe3O4(四氧化三铁)等氧化物。除了大气之外,土壤、溶液、酸碱度、散乱电流等,也都是影响腐蚀的环境因素。在其它因素方面,如:制品的材料成份、热处理效应、加工效应也在在影响腐蚀的结果。

 

1-3-1大气

 

在没有湿度存在的大气中,由于没有电解液,腐蚀无法进行反应,因此一般材料的腐蚀速率小到足以忽略,但当大气中的尘埃或不纯物存在时,由于他们会使湿气凝结在金属表面,因此即使些微的湿气,腐蚀性就会有很大的差异。


大气因腐蚀性的不同主要分为海岸地带、工业地带、热带、寒带、都市或乡村等类型。海岸地带大气中所含的盐份与湿气结合,可以形成伽凡尼电池或是氧气浓差电池;工业地带的大气含有碳、碳化合物、硫化物和金属氧化物,其中最主要的腐蚀性成份是二氧化硫,它的主要来源是煤、重油、汽油的燃烧所产生,而含硫化物的酸雨更足以加速腐蚀的进行,对铁而言,由于二氧化硫经反应可以产生H2SO4H2SO4与铁作用,经由上列反应式之催化,就会使铁产生更大的腐蚀。

温度是促使大气腐蚀的另一个重要因素,高温会加速氧化腐蚀的现象,这类损害称为高温加速氧化腐蚀或加速氧化,在一定的氧气浓度下(例如:密闭容器中),温度每增加30℃,腐蚀速率会增加一倍。

 

1-3-2土壤

 

许多结构材料必须长年与土壤接触,例如:地下水管、油管、煤气管路等,因此土壤的成份对金属腐蚀的影响很大。一种金属可以在某处使用得很理想,却可能在另一处因土壤环境的差异,产生严重的腐蚀或破坏。(土壤对于腐蚀之影响主要是由于其多孔性、盐类(去极剂或抑制剂)、水份、电导度、酸碱度等因素,其间各种条件的差异会使得化学及电化学腐蚀反应的进行产生不同的结果。此外空气流通性差而含有硫酸盐的土壤,还可能会有还原硫酸菌等微生物存在,造成极大的腐蚀速率。

有机无机涂层、金属涂层、土壤改良或阴极防蚀都是有效的方法。

 

1-3-3 散乱电流

 

散乱电流是指非经正常电路而来的电流,当这类电流进入金属装置而后又离开时,其流经的面积就会产生腐蚀。相较于大地中的自然电流,它们显得不稳定而且影响较大,因此于散乱电流会影响结构的场合,就必须特别防范。

散乱电流又分为直流及交流两类,而直流的影响又较大。直流散乱电流的来源是电气化火车、接地的直流电机、电焊机、电镀工厂等,而交流散乱电流的来源是接地的交流发电系统等。

防范散乱电流的方法有:以低电阻金属导体结合受保护体 (例如:地下水管)和散乱电流源(例如:电车轨道),以避免电位产生大变化;阳极或阴极防蚀、装设绝缘耦合器(coupling)等。

 

1-3-4溶液

 

材料在中性、酸性、碱性各种溶液中,都会有不同的腐蚀速率,而溶液中的各种条件也会影响腐蚀的进行。例如:水溶液中氧的浓度、电解质、流速等。溶液是形成电化学腐蚀的重要介质,许多腐蚀现象因此而生。

 

1-3-5 材料成份

 

一般材料成份如果稍有不同,在水中和土壤中之腐蚀效率并没有显著的影响,但是如果在海水或酸性等其它的环境中,腐蚀速率就会受到影响。

例如钢铁材料中含有磷及硫,在酸中就会显著增加腐蚀速率。锰则会使含硫的钢减低酸中的腐蚀性,镍在碱性溶液中也有类似的效果。

 

1-3-6 热处理效应

 

材料经过热处理之后,容易产生局部的电池效应,有些地方形成阳极而有些地方形成阴极,这样形成的伽凡尼电池也会影响腐蚀速率。例如:碳钢在高温时急冷会形成麻田散铁,如果再经回火形成第二相组织e碳化铁,两相之间就会形成伽凡尼电池而加速腐蚀反应。

但在实际上相对于其它因素,热处理对腐蚀的影响并非很大,只要注意加热或冷却的程序,或添加适当的抑制剂都能将腐蚀速率减低至最轻程度。

 

1-3-7加工效应

 

材料在经过敲击或冷作之后都会产生残留应力,这样的结果实际上是产生了晶格缺陷或是碳化物、氮化物等的偏析现象,因而形成局部电池效应,应力腐蚀就是这一类腐蚀的代表。

如果使应力作用加上特定的环境,应力腐蚀的速率就会十分显著,加工所产生的应力腐蚀破坏有时也沿晶粒间隙进行,因而产生多种因素混和的腐蚀现象。应力腐蚀可以用后加工(例如:珠击法)、材料改良(添加合金元素)或阴极保护法来抑制。

 

1-4钢铁的腐蚀

 

在金属材料中,钢铁的腐蚀无疑是其中最重要的,因为它使用的范围很广,影响也很大;举凡桥梁、机械、结构物或关系公共工程的建设,无不与钢铁材料有关。

基本上,钢铁材料的腐蚀现象,主要也是由于化学及电化学因素所引起,而其常见的形式有:直接氧化腐蚀、均匀腐蚀、伽凡尼腐蚀、穿孔腐蚀、间隙腐蚀、应力腐蚀、延晶腐蚀、浸蚀腐蚀、空洞腐蚀和磨擦腐蚀等,由于形式很多包含范围很多,包含均匀腐蚀、伽凡尼腐蚀、穿孔腐蚀、间隙腐蚀、应力腐蚀、和延晶腐蚀等。

1-4-1直接氧化腐蚀

 

高温或缺乏水份的情况下,铁的腐蚀型态将不同于常温下的反应,而直接与氧结合,其反应式:

               4Fe3O2  à 2Fe2O3  氧化铁 

由于氧化铁并不够细致,因此氧气仍可渗入,并形成FeO(氧化亚铁)和Fe3O4(四氧化三铁)等氧化物,这样的情况在钢的热轧或是热处理时常会发生,称为鳞皮。

 

1-4-2均匀腐蚀(Uniform attack corrosion)

 

当一种金属置于电介质(或电解质)中,金属的某部分区域会比其它区域更为"阳极",而且这些区域的位置会不时移动,有时也会周而复始,这样的现象使得腐蚀现象在各处均匀发生,称为均匀腐蚀。这种型态如平常我们所见的铁生锈即属之,金属的高温氧化或是镍的成雾状(fogging)也都是均匀腐蚀的例子。

 

1-4-3-1 均匀腐蚀的量测

 

均匀腐蚀的速率,通常可以用几种单位表示。国内外常用的有:每年侵蚀的公厘mm数、密尔mil(mpymils penetration per year1mil=1/1000=0.025mm)、和英寸数(ipyinches penetration per year),但有时由于不易量度,也以损失的重量mdd (milligrams per square decimeter per day)或每年损失的重量再来推估mpy等其它各种数值。以钢为例,在海水中的腐蚀速率约为25mdd,相当于5mpy

一般来说,腐蚀的初始速率常较最终速率为大,因此测定腐蚀速率时,要记录整个过程,以外插法可能会产生很大的错误。而材料如果腐蚀速率在1mpy以下为抗蚀性强(outstanding)50mpy以上防蚀性转劣(poor),在200mpy以上则是无法接受(unacceptable)

 

1-4-4 伽凡尼腐蚀(Galvanic corrosion)

 

这种腐蚀发生于两种不同金属或是合金接触,而能产生伽凡尼电池(Galvanic cell)的情况,常用金属材料在海水中的伽凡尼电位序。

较具阳极的金属易受到腐蚀。例如:在海洋工程中,以焊锡(铅-锡合金)焊接黄铜配件,因为黄铜的电位序较具阴极性,所以焊锡较易受腐蚀。再从合金的观点来比较,如果电池效应发生在两相合金上,例如:钢中具有肥粒铁相和雪明碳铁相,则因为肥粒铁相较阳极性,雪明碳铁相较阴极性,就会产生电化学腐蚀,因此可以说,几乎所有的两相合金其腐蚀抵抗力都较单相金属为差。

 

1-4-5 穿孔腐蚀(Pitting corrosion)

 

金属组件处于腐蚀环境中,由于位置的不同而使含氧量有浓淡之分,此时含氧浓度高之处为阴极,而含氧浓度低的地方为阳极,因而发生了腐蚀现象,这种电池效应又称为氧浓差电池(oxygen concentration cell)。而穿孔腐蚀是属于一种局部腐蚀,它发生的起始位置就都是在含氧浓度不均或是材质不均的位置。金属置于充气水中的孔蚀成长情形,它的发生首先是由于孔洞的底部氧不容易补充,缺氧的结果使得金属发生分解反应 MàM++e-,而在孔洞上方的周围有较高浓度的氧,而发生还原反应O2+2H2O+4e-à4OH-,因此孔洞四周受到保护,而不会腐蚀。这样的现象如果发生在酸性的溶液中(例如:HCl),溶液中所含的Cl-离子便会向孔洞的位置集中,使得孔洞中的H+浓度增加,而增加阳极的反应速率:

M+Cl-+ H2OàMOH + H+Cl-

结果整个穿孔腐蚀的过程变成为自动催化的现象,而加速了整个腐蚀。

 

1-4-6间隙腐蚀(Crevice corrosion)

 

间隙腐蚀特别容易发生在机械组件接合的地方,例如金属垫圈或是铆接处。它也是属于一种电池效应,但是隙缝一般需在特定程度大小的范围内才会发生,例如:有足够的宽度可使容易进入,足够窄使容易可以停滞等,所以在应用上或工程上必须要小心,避免发生足以产生间隙腐蚀的环境。

间隙腐蚀的机构很类似穿孔腐蚀的情况,首先是均匀腐蚀,然后因氧浓淡电池会引起阳极反应(缺氧区)和阴极反应(富氧区),由于间隙内氧的并无法补充,因此阳极反应会继续在同一个位置进行,因此产生了严重的腐蚀结果。

在不锈钢发生间隙腐蚀的现象中,有氯离子Cl-存在是一个非常重要的因素,例如:在NaCl溶液中,不锈钢的间隙腐蚀,是先由于氧浓淡电池所产生,阳极反应在此时生成正离子M+

Mà M++e-

接着因为缺氧,所以阳极反应持续进行,形成高浓度的M+,并与NaCl溶液中的Cl-,形成M+Cl-

 

1-4-7 应力腐蚀(stress corrosion)

 

应力腐蚀是一种应力与腐蚀相互作用的结果,因为再材料受到局部应力或应力作用不平均时,受到高应力作用的区域会形成阳极,而受较低应力作用的区域则形成阴极,因此作用应力会使得腐蚀作用更为加速称谓应力电池(stress cells)

应力腐蚀发生在冷加工的材料时,高度冷加工的区域会较低度冷加工的区域更具阳极性,另外在材料存在裂缝的情况下,也会造成应力腐蚀。所以材料在制造加工的过程,必须藉由热处理来降低其应力避免腐蚀,或是选用抗应力腐蚀的材料,例如:在海水环境中可以钛合金以取代不锈钢。在日常生活中,汽车板金经过敲击修整后会发生应力不均的现象,因而冷加工的部份较容易腐蚀,此部份必须由降低加工量或确实退火来防范。

 

1-4-8 延晶腐蚀(Intergranular corrosion)

 

又称为粒间腐蚀,是在金属晶界处发生局部腐蚀的现象。就电化学的观点来看,由于材料的晶粒为阴极,而晶界一般为阳极,因此在均匀腐蚀的情况下,晶界处的腐蚀性仍稍大于晶粒处,如果在特殊情况下,材料的晶界抗蚀元素又相对减少,延晶腐蚀的现象就会发生。

最显著的例子莫过于304不锈钢在焊接过程常发生的情况,这种不锈钢如果如果加热或冷却于450~900℃之间(又称为敏感化温度),在晶界就容易析出碳化铬(Cr23C6),而使得附近的铬量不足,发生"贫铬区"的现象,由于铬是不锈钢防蚀的主要元素,加上晶粒与晶界的电池效应,因此可以在短时间内就发生延晶腐蚀的现象。

 

1-5防蚀的方法

    

防止腐蚀最有效的方式是藉由暸解腐蚀机构与腐蚀的成因,再找出适当的防蚀方法。如前所述,发生腐蚀的主要原因包括电化学及化学作用,因此如果能阻止或抑制腐蚀的发生,诸如:选用耐蚀或适当处理的材料,使用涂料、腐蚀抑制剂将金属表面和其环境隔开,大量使用阴极防蚀以防止化学电池的发生,或是使阳极形成钝化层以保护内部金属,均是有效的方法。

 

1-5-1 材料的选择和处理

 

选择适当的材料是防蚀的基本方法,例如:在适当成本考虑下使用不锈钢或是其它耐蚀材料。

但是这样的材料也并不一定能防止腐蚀的发生,例如:沃斯田铁系的不锈钢料如果经由焊接或高温缓冷的过程,到达425℃附近,会在其晶界析出碳化铬,此后此区域将因缺乏铬而迅速发生腐蚀的现象(此种现象又称为不锈钢敏化现象),因此如果使用在这样的场合,配合适当的处理是必要的。此外,铸件在冷却过程发生的偏析现象会形成局部伽凡尼电池作用、材料经过冷加工所亦产生的应力腐蚀现象,都必须经由均质化退火、弛力退火等处理来防治腐蚀的发生。

 

1-5-2覆层和抑制剂

 

用来防蚀的覆层大致分为有机质覆层、无机涂层和金属覆层两大类,有机质涂层如:油漆或喷漆,无机涂层如:珐琅质涂层、水泥涂层等都是,金属涂层则如:电镀、热浸法,电镀以镀铬为主,而热浸法中热浸镀锌则日益受到重视,更是近年来在钢铁防蚀应用上常用的方法。

有机质覆层的目的是隔离阳极和阴极,而油漆(paints)就是一般最常用的有机质覆层,它是由有机媒质(vehicle)、不溶性颜料(pigment) 与其它物质等混和而成,媒质的成份可以是植物油、亚麻仁油或桐油,也可以是合成树脂和挥发性稀释剂(thinner)的混合物。无机涂层如果使用玻璃质珐琅必须保持没有裂隙,以往常用的"彩色锅"就是这一类涂层的例子,但是热震(thermal shock)破裂是其主要弱点;水泥涂层可以使用涂布或喷敷的方式,一般厚度约为10~30mm,较厚的涂层可以用金属网来补强;化学转化涂层是目前常用的涂层方式,磷酸盐、铁氟龙都是这一类涂层的代表,阳极处理涂层更是铝及铝合金有效的防蚀方式。

金属覆层是近年来公共工程极为重视的防蚀方法,一般使用于土木营造、电力、通讯、铁道,造船等方面,良好的金属涂层,不但可以延长结构寿命,相较于有机涂层必须定期维修的缺点,金属涂层更具有成本经济、经年不必维修等特点,例如采用热浸镀锌构材或钢索的桥梁,就可以耐用数十年以上,而据文献指出:美国Brooklyn桥上的镀锌钢索使用就超过百年。

 

1-5-3 阴极防蚀

阴极防蚀的方法最主要的目的是使得被保护的金属成为阴极,这样就可以确保该金属不被腐蚀。阴极防蚀的主要方式有两种:一种是施以外部电压(impressed voltage),使得腐蚀反应停止或是反向进行,另一种是以他种金属作为阳极称为牺牲阳极(sacrificial anode),在阳极耗尽后只需更换新的阳极即可。

 

1-5-4金属钝化(阳极保护)

 

钝化或称为过动态(Passivity)是一种金属特殊的现象,它产生的现象是使得原先易受腐蚀的阳极金属反而受到保护。有些金属在特定的环境下,会有活性的转变,也就是原先"活性"很强的金属,腐蚀速率应随电极电位而增加,但是当阳极极化电位到达某一定电位时,腐蚀速率反而急遽下降,形成钝化的现象,这种钝化的现象可以使得原先容易受腐蚀的金属(例如:铁),甚至在强酸中(例如:硝酸)也不会受到腐蚀

在活化-钝化转移的过程中,产生变化的临界的电位称为钝化电位,此时金属会产生一层30A°(1A°=10-10m)的钝化膜,保护内部金属不致招受腐蚀。在工程应用上,钝化可以在一定的控制下达到防止腐蚀的效果。

容易产生钝化现象的金属有:铁、镍、铬、钛。在金属"活化区"中,它的极化现象与一般非钝化金属相似,当电极间电位增加时,电流密度及腐蚀速率会随着增加,可是当电位达到临界电位,此时即进入钝化区,其间电流密度骤减,腐蚀速率急遽降低,电位如果再持续增加,金属就会形成过钝化现象,此时腐蚀速率又会再度增加。利用金属钝化的特性,我们可以使其电位维持在钝化区内,达到特定金属的防蚀效果。

如前所述,有些金属在伽凡尼电位的顺序是属于阳极性较强的一端,但如果在受到较高电位(阳极极化)或是特定环境下将形成一层钝化层,而可以抑制腐蚀。

此外,应用上可以使用钝态剂使金属材料之腐蚀电位往较不易腐蚀(noble)的方向移动,常用的钝态剂有:铬酸盐、亚硝酸盐、钼酸盐等无机氧化性物质,通常移动的电位不会超过数豪伏特或是数十豪伏特,应用的范围则是内燃机、整流器、冷却水塔等。

 

 

1.    1.    材料会因为时间、环境等种种因素,而不堪使用或失败(failure),其原因除了肇因于强度无法承受负荷所产生的破坏,还有磨耗、腐蚀、辐射损伤等其它因素,而这其中又以腐蚀的影响最重要。

2.    2.    分析材料发生腐蚀的基本原因,主要可以区分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。化学腐蚀(chemical corrosion)又称为直接溶解(dissolution),电化学腐蚀通常是指两种异质金属或金属中足以构成电位差的两极,在一种电解质(electropte)相连的环境中,形成阳极金属持续失去金属离子而被腐蚀的现象。

3.    3.    电溶压大的金属,因为容易化为金属离子,所以比较易受腐蚀,反之电溶压小的金属,比较不容易受到腐蚀。电溶压用在电化学上又称为"伽凡尼电位"(Calvanic  Potential)或是"电解电位",简称电位。

4.    4.    影响腐蚀的环境因素,主要有大气、土壤、溶液、酸碱度、散乱电流等。在其它因素方面,如:制品的材料成份、热处理效应、加工效应也在在影响腐蚀的结果。

5.    5.    钢铁材料的腐蚀现象,主要也由于化学及电化学因素所引起,常见的形式有:直接氧化腐蚀、均匀腐蚀、伽凡尼腐蚀、穿孔腐蚀、间隙腐蚀、应力腐蚀、延晶腐蚀、浸蚀腐蚀、空洞腐蚀和磨擦腐蚀等。

6.    6.    由于发生腐蚀的主要原因为电化学及化学作用,因此诸如:选用耐蚀或适当处理的材料,使用涂料、腐蚀抑制剂将金属表面和其环境隔开,大量使用阴极防蚀以防止化学电池的发生,或是使阳极形成钝化层以保护内部金属,均是阻止或抑制腐蚀的发生的有效方法。

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