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材料的規格及選用
規格(Specification)不僅是產品需求的敘述，也是資料技術溝通的依據。配合特別的用途，生產者選用符合需要的材質，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。
材料的規格
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。
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 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)。
SUP：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 G 2018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
OS 90C (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。
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）S 30C 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:D(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、五位數字) 代表含碳量。
（例）
SAE1045：含碳量0.45的碳鋼，與CNS中S 45C 鋼料相當。
SAE4140：含碳量0.40的鉻鉬鋼，與JIS中SCM440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 34C r4
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 X 10C rNi1810 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
材料的選用
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)價格合理
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)品質一致
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。
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。
中國鋼號表示方法
鋼的牌號簡稱鋼號，是對每一種具體鋼產品所取的名稱，是人們了解鋼的一種共同語言。我國的鋼號表示方法，根據國家標準《鋼鐵產品牌號表示方 法》（GB221-79）中規定，採用漢語拼音字母、化學元素符號和阿拉伯數字相結合的方法表示。即︰鋼號中化學元素採用國際化學符號表示，例如 Si,Mn,Cr……等。混合稀土元素用“RE”（或“Xt”）表示。產品名稱、用途、冶煉和澆注方法等，一般採用漢語拼音的縮寫字母表示，見表。鋼中主 要化學元素含量（%）採用阿拉伯數字表示。
1．碳素結構鋼
由Q+數字+質量等級符號+脫氧方法符號組成。它的鋼號冠以“Q”，代表鋼材的屈服點，后面的數字表示屈服點數值，單位是MPa例如Q235表示屈服點 （σs）為 235 M Pa的碳素架構鋼。必要時鋼號后面可標出表示質量等級和脫氧方法的符號。質量等級符號分別為A、B、C、D。脫氧方法符號︰F表示沸騰鋼；b表示半鎮靜鋼 ︰Z表示鎮靜鋼；TZ表示特殊鎮靜鋼，鎮靜鋼可不標符號，即Z和TZ都可不標。例如Q235-AF表示A級沸騰鋼。專門用途的碳素鋼，例如橋樑鋼、船用鋼 等，基本上採用碳素架構鋼的表示方法，但在鋼號最後附加表示用途的字母。
2．優質碳素結構鋼
鋼號開頭的兩位數字表示鋼的碳含量，以平均碳含量的萬分之幾表示，例如平均碳含量為 0.45%的鋼，鋼號為“ 45” ，它不是順序號，所以不能讀成45號鋼。錳含量較高的優質碳素架構鋼，應將錳元素標出，例如50Mn。沸騰鋼、半鎮靜鋼及專門用途的優質碳素架構鋼應在鋼 號最後特別標出，例如平均碳含量為0.1%的半鎮靜鋼，其鋼號為10b。
3．碳素工具鋼
鋼號冠以“T”，以免與其他鋼類相混。鋼號中的數字表示碳含量，以平均碳含量的千分之幾表示。例如“T 8” 表示平均碳含量為0.8%。錳含量較高者，在鋼號最後標出“Mn”，例如“T8Mn”。高級優質碳素工具鋼的磷、硫含量，比一般優質碳素工具鋼低，在鋼號 最後加注字母“A”，以示區別，例如“T8MnA”。
4．易切削鋼
鋼號冠以“Y”，以區別于優質碳素架構鋼。字母“Y”后的數字表示碳含量，以平均碳含量的萬分之幾表示，例如平均碳含量為0.3%的易切削鋼，其鋼號為 “Y 30” 。錳含量較高者，亦在鋼號后標出“Mn”，例如“Y40Mn”。
5．合金結構鋼
鋼號開頭的兩位數字表示鋼的碳含量，以平均碳含量的萬分之幾表示，如40Cr。鋼中主要合金元素，除個別微合金元素外，一般以百分之幾表示。當平均合金含 量〈1.5%時，鋼號中一般只標出元素符號，而不標明含量，但在特殊情況下易致混淆者，在元素符號后亦可標以數字“ 1” ，例如鋼號“ 12C rMoV”和“ 12C r 1M oV”，前者鉻含量為0.4-0.6%，后者為0.9-1.2%，其餘成分全部相同。當合金元素平均含量≧1.5%、≧2.5%、≧3.5%……時，在元 素符號后面應標明含量，可相應表示為2、3、4……等。例如 18C r2Ni4WA。鋼中的釩V、鈦Ti、鋁AL、硼B、稀土RE等合金元素，均屬微合金元素，雖然含量很低，仍應在鋼號中標出。例如20MnVB鋼中。釩為 0.07-0.12%，硼為0.001-0.005%。高級優質鋼應在鋼號最後加“A”，以區別于一般優質鋼。專門用途的合金架構鋼，鋼號冠以（或后綴） 代表該鋼種用途的符號。例如鉚螺專用的30CrMnSi鋼，鋼號表示為ML30CrMnSi。
6．低合金高強度鋼
鋼號的表示方法，基本上和合金架構鋼相同。對專業用低合金高強度鋼，應在鋼號最後標明。例如16Mn鋼，用于橋樑的專用鋼種為“16Mnq”，汽車大梁的 專用鋼種為“16MnL”，壓力容器的專用鋼種為“16MnR”。
7．彈簧鋼
彈簧鋼按化學成分可分為碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼兩類，其鋼號表示方法，前者基本上與優質碳素架構鋼相同，后者基本上與合金結鋼相同。
8． 滾動軸承鋼
鋼號冠以字母“G”，表示滾動軸承鋼類。高碳鉻軸承鋼鋼號的碳含量不標出，鉻含量以千分之幾表示例如GCr15。滲碳軸承鋼的鋼號表示方法，基本上和合金 架構鋼相同。
9．合金工具鋼和高速工具鋼
合金工具鋼鋼號的平均碳含量≧1.0%時，不標出碳含量；當平均碳含量〈1.0% 時，以千分之幾表示。例如Cr12、CrWMn、9SiCr、3Cr2W8V。鋼中合金元素含量的表示方法，基本上與合金架構鋼相同。但對鉻含量較低的合 金工具鋼鋼號，其鉻含量以千分之幾表示，並在表示含量的數字前加“ 0” ，以便把它和一般元素含量按百分之幾表示的方法區別開來。例如Cr06。
高速工具鋼的鋼號一般不標出碳含量，只標出各種合金元素平均含量的百分之幾。例如鎢系高速鋼的鋼號表示為“W18Cr4V”。鋼號冠以字母“C”者，表示 其碳含量高于未冠“C”的通用鋼號。
10．不鏽鋼和耐熱鋼
鋼號中碳含量以千分之幾表示。例如“2Cr 13” 鋼的平均碳含量為0.2%；若鋼中含碳量≦0.03%或≦0.08%者,鋼號前分別冠以“ 00” 及“ 0” 表示之，例如00Cr17Ni14Mo2、0Cr18 Ni9等。對鋼中主要合金元素以百分之幾表示，而鈦、鈮、鋯、氮……等則按上述合金架構鋼對微合金元素的表示方法標出。
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BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web www.tool-tool.com for more info.
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