1、= 第9章 常用之非鐵金屬材料 =,9-1 銅及銅合金9-2 鋁及鋁合金9-3 鉛、錫、鋅及其合金9-4 其他,9-1 銅及銅合金,銅（Copper，Cu）是人類所熟悉的金屬之一，其最重要的性質為導電性高，質地柔軟，延展性大等，所以常被用來當做電線及管件的主要材料，如圖9-1 所示。大部分的銅是由銅礦經過冶煉而得，銅礦中若含銅量在23%時，就有開採的價值，比鐵礦類來得經濟。一般依所含成分不同，可將銅礦分為兩種：1.含硫化物的銅礦，例如：黃銅礦（Chalcopyrites，CuFeS2）、輝銅礦（Chalcocite，Cu2S）及硫砷銅礦（Enargite Cu3(As Sb)S4）等。2.含氧
2、化物的銅礦，例如：赤銅礦（Cuprite，Cu2O）、孔雀石（Malachite (CuCO3)2Cu(OH)2）及黑銅礦（Tenorite，CuO）等。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,1.冶煉含硫化物的銅礦時，先將銅礦打碎後與熔劑依比例放入鼓風爐中熔煉，在1250左右的爐溫下，銅礦石熔融後形成含銅與鐵的硫化物（Cu2SFeS），即得所謂的鑌銅（Matte），如反應式(9-1)。由於鑌銅的比重大而沉入爐底與爐渣分離，鑌銅的含銅量約為3050%。,9-1 銅及銅合金,其次，再將此熔融的鑌銅（硫化亞銅）送入轉爐中，以強風吹入，使空氣中的氧與硫、鐵等結合並除去氧化物；鑌銅中的FeS 會先被
3、氧化，其鐵成分形成熔渣，如反應式(9-2)，之後Cu2S中的S被氧化，而留下熔融狀態的銅，如反應式(9-3)、(9-4)，此時的銅稱為粗銅或泡銅（Blister copper）。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,2.冶煉含氧化物的銅礦時，以銅礦和焦炭共同置入鼓風爐中加熱，粗銅即被還原而析出，可得純度達9799%銅。其化學反應式為：,9-1 銅及銅合金,礦石經焙燒而成氧化銅，同時產生之SO2可製造硫酸。稀硫酸可溶解氧化銅並成為硫酸銅，再加入廢鐵即可得到沉澱銅（Cement copper）。其化學反應式為,9-1 銅及銅合金,無論是粗銅或沉澱銅都必須再經過電解精煉的過程，方可得到高純度的銅
4、。粗銅的電解，如圖9-2 所示，粗銅作為陽極板，純銅片作為陰極板，陰極板與陽極板以交錯且間隔之方式排列，飽和的硫酸銅溶液作為電解質。當電流通過時，粗銅從陽極溶解而聚積於陰極板上，陰極板上塗有一層石墨，以使得聚積於純銅片上的銅易於剝離，經過電解精煉後的銅，稱為電解銅（Electrolytic copper），其純度約在99.9599.96%之間。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,反射爐煉銅法之流程，如圖9-3 所示。黃銅礦經鍛燒後送入反射爐中產生鑌銅，再將熔融的鑌銅熔液置於轉爐中，將其中的雜質、SO2及O2等氧化物除去，使得Cu2O還原成粗銅，此種銅稱為韌煉銅（Tough pitch c
5、oper）。韌煉銅熔解時若加入磷予以脫氧可得到脫氧銅（Deoxidized copper）。最後，視需要將粗銅送入精煉爐產生純銅。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,銅之主要物理性質，如表9-1 所示，可知銅的比重較鋼為大，且其結晶格子型式為FCC；導電度為58-mm2/m，而電阻係數為0.01724-mm2/m。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,銅為紫紅色有光澤的金屬且為熱與電的良導體，質地軟而堅韌，但強度小，熔點很高。氧的含量在0.030.05%時，銅的導電度最大。磷、砷等雜質，固溶於銅中，將降低銅的導電度，鉛及硫等並不固溶於銅中，對銅的導電度影響較小。,9-1 銅及銅合金,
6、純銅的延展性僅次於金與銀，可以製成管、薄板及細線。銅在常溫加工時，容易硬化而變脆，如加熱於600700，約30分鐘即可退火而軟化。若將銅加熱至750850可避免高溫硬化，如圖9-4 所示，銅在常溫加工時，其硬度、抗拉強度與伸長率隨加工度變化之情形。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,純銅為紫紅色的金屬，在乾燥空氣中，不易起變化。但在潮濕空氣中與二氧化碳作用時，銅的表面容易生成一層綠色的鹼性碳酸銅，俗稱銅綠，銅綠可保護銅不再繼續被氧化，置於清水中不易起作用。銅中的氧及不純物含量越少，則銅的耐蝕性愈大，而銅中氧的含量若少於0.003%（又稱為無氧銅）時，對酸類具有耐蝕性，
7、韌煉銅（含0.04%之氧）可溶於高溫濃硫酸及濃硝酸中。,9-1 銅及銅合金,銅的最大用途為製造電線及電纜。硬拉銅線一般用於輸電線、電車線及天線；退火軟銅線用於電纜、電機用線、屋內電線等，純銅的機械性質，如表9-2 所示。,9-1 銅及銅合金,黃銅是銅和鋅的合金，黃銅的表面一般均為光亮的黃色或金黃色，容易加工，常用的黃銅，含鋅量大都在3040%之間。黃銅的顏色可隨含鋅量的改變而不同。而鋅含量對黃銅之機械性質影響很大，如圖9-5所示，並說明如下：,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,1.抗拉強度鋅含量約35%以前，抗拉強度一直小幅穩定的增加，3543%之間，抗拉強度急速增大到最高點，以後又急速
8、減小。2.伸長率鋅含量約在10%時，伸長率略小，然後隨著含鋅量的增加而增大，含鋅量達30%時具有最大的伸長率，超過30%以後，伸長率又急速地減小。,9-1 銅及銅合金,3.硬度硬度在含40%鋅量以後，開始急遽的增大。一般金屬的機械性質是當抗拉強度增大時，伸長率會減小，而黃銅在含鋅量約10 30%時，伸長率與抗拉強度卻同時增大，這是黃銅的特性之一。,9-1 銅及銅合金,常溫加工後的黃銅材料，如：銅管、桿或條等，在使用或貯存的過程中，容易發生應力腐蝕破裂，這種現象稱為季裂（Season crack）。其原因為材料加工應力，以及材料長期受到潮濕和高溫所造成，為了防止季裂發生，通常是將黃銅加熱至250
9、300 退火約30 分鐘，以除去內部應力，或表面施以防蝕處理。黃銅在大氣中不易被腐蝕，因此可保持光澤美麗的外表。,9-1 銅及銅合金,但黃銅對酸鹼抵抗力弱，對海水的耐蝕較強，當黃銅被腐蝕時，多是因為鋅被溶解而消失，此種現象稱之為脫鋅（Dezincification）。黃銅依照用途通常可分成三類：(1)鑄造黃銅；(2)鍛造黃銅；(3)特殊黃銅，茲分述如下：,9-1 銅及銅合金,(1)鑄造黃銅（Cast brass）黃銅鑄件，以含鋅量3040%使用最普遍，除含銅、鋅外，還加入少量其他元素，如鉛、錫等。鑄造黃銅主要用在煤氣管、自來水管接頭與閥體（如圖9-6 所示）、機械鑄件、建築裝飾等方面,9-1
10、銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,(2)鍛造黃銅（Wrought brass）黃銅由預鑄銅塊經冷熱輾壓或抽拉、擠製等方法，可製成銅板、銅帶、銅管或銅絲等。鍛造黃銅種類很多，最常見有三種： 七三黃銅； 二一黃銅； 六四黃銅。說明如下：.七三黃銅：含銅量約為70%，其餘為鋅，延展性大，適合於常溫加工。槍砲的彈殼（如圖9-7 所示），多以此種黃銅製造，故又名彈殼黃銅。,9-1 銅及銅合金,.二一黃銅：含銅量約為65%。抗拉強度較七三黃銅小，而伸長率較大。它具有優良的常溫加工性能，可抽拉或冷壓製造銅桿、銅線、銅片、銅管、木螺釘及彈簧等，因其顏色為黃色，故又稱之為黃黃銅。六四黃銅：含銅量約為60%，其餘為
11、鋅，適用於高溫加工。主要用途為製成冷暖氣管、銅片、線、桿等，含60% 銅及40%鋅之黃銅又稱為孟慈合金（Muntzmetal），發現者為英國人孟慈，因而得名。它能耐海水侵蝕，可作為船舶的外皮。,9-1 銅及銅合金,(3)特殊黃銅（Special brass）特殊黃銅是銅中除含鋅元素外，還加入其他元素如鉛、錫、鋁、錳、矽、鎳及鐵等。其目的在改良黃銅的切削性、耐蝕性及機械性質等，分述如下：.加鉛特殊黃銅（Lead brass）：黃銅中含鉛量約在0.5 3%。黃銅中含鉛可降低抗拉強度、伸長率及增加切削性。木螺釘、鐘錶之齒輪、螺桿等通常含2 3%之鉛。,9-1 銅及銅合金,.加錫特殊黃銅（Tin br
12、ass）：黃銅中含錫量約0.75 1%，可增強黃銅的耐蝕性，尤其是它可抵抗海水的侵蝕。七三黃銅中加入1%錫稱為海軍合金（Admiralty metal），六四黃銅中加入0.75%的錫稱為海軍黃銅（Naval brass），海軍合金主要用來製造船舶中的管子，例如：冷卻管、加熱管等。海軍黃銅常用於船舶零件的製造，如螺旋槳軸等。,9-1 銅及銅合金,.加鋁特殊黃銅（Aluminium brass）：黃銅中加入鋁，可增加耐蝕性。含76%銅、22%錫、2%鋁之鋁黃銅，其耐蝕性較海軍黃銅為優，適合於常溫及高溫加工。,9-1 銅及銅合金,.高強度黃銅（High tension brass）：黃銅中加入錳、鋁
13、、錫等，可增加耐蝕性和強度，加入鐵可使晶粒變細，增加硬度以改善機械性質。因其具有最高強度（抗拉強度450N/mm2 以上）而得名。適合於高溫加工及鑄造，可製造高強度及耐蝕性之機件。,9-1 銅及銅合金,銲接用合金主要用作結合的材料，將熔點較低之銲接用合金加熱並融入欲接合的母材之間。若母材不熔化，僅銲接用合金熔化者，稱為軟銲（Soldering），其銲接溫度在427以下，一般以錫充當銲料故亦稱錫銲。若母材之局部與銲接用合金互熔者，稱為硬銲，銲接溫度在427以上，一般以銅充當銲料故亦稱銅銲。,9-1 銅及銅合金,硬銲合金通常係指銅鋅合金而言，如表9-3 所示。,9-1 銅及銅合金,硬銲於銲接時常以
14、硼砂作為清潔劑，以除去表面之氧化物並增加熔液流動性。常用於碳化鎢刀片、管接頭、電氣零件（如圖9-8 所示）等之接合。,9-1 銅及銅合金,青銅是銅和錫的合金，它具有鑄造容易、強度大、流動性良好、導電性佳以及耐腐蝕、耐磨耗等特點。它可以作為優良的鑄造用銅合金，也可以加以鍛造，其色澤也隨著含錫量的不同而改變。完全退火狀態的青銅其機械性質，如圖9-9 所示，說明如下：,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,1.抗拉強度：抗拉強度隨含錫量的增加而增大，於1720%間達到最大值後，當含量超過20%後，其抗拉強度大幅降低。2.伸長率：含34% 錫時伸長率最大，以後隨含錫量的增加，其伸長率顯著減小；含25
15、%錫幾乎無伸長率。3.硬度：含錫量低於5%時，青銅的硬度呈緩慢增加趨勢，至15%以後則急速增大。,9-1 銅及銅合金,一般而言青銅加工性較黃銅差，但鑄造性佳，熔液流動性良好，鑄件收縮率很小，故多用為鑄物。青銅依照其用途一般可分成下列數種：1.機械用青銅機械用青銅俗稱砲銅（Gunmetal）。昔日曾以含錫量10%左右的青銅鑄造砲身，因而得名。現在的機械用青銅除含10%錫外，另加入2%的鋅，可增大機械強度及延展性，耐蝕耐磨性亦甚為良好。它的主要用途是製造齒輪、閥、螺旋槳及其他抗蝕耐磨機件等，用途很廣。,9-1 銅及銅合金,2.軸承用青銅軸承用青銅（Bearing bronze）含錫量約在1215%
16、，此種含錫量的青銅組織，適用於鐵路車箱車軸等低速度重負荷的軸承。作為高速回轉的軸承則另含530%鉛。3.硬幣用青銅作為硬幣用的青銅（Coinage bronze），含錫量約在410%，延展性良好，鑄造性亦甚優異。,9-1 銅及銅合金,4.鐘用青銅鐘用青銅（Bell bronze）主要為鑄鐘用，常用於寺廟及教堂之鐘銅，如圖9-10 所示。,9-1 銅及銅合金,5.鑄像用青銅鑄像用青銅（Statuary bronze）含8090%銅、28%錫、112%鋅、13% 鉛，主要用於製造青銅器（如圖9-11 所示）、銅像及傢飾用青銅。有時含鋅量可提高，使熔液流動性良好，因此鑄件表面紋路清晰，含鉛量增加可使
17、青銅之雕刻、加工更容易。,9-1 銅及銅合金,6.鏡銅鏡銅（Speculum metal）成分銅佔2/3、錫佔1/3，古代用以製鏡，若加入少量的鎳及砷可以製造科學儀器。7.特殊青銅特殊青銅是於銅中加入鋁、磷、矽、錳、鎳及其他元素以改良材料性質，使用途更為廣泛。各種特殊青銅分別說明如下：,9-1 銅及銅合金,(1)鋁青銅銅與鋁的合金稱為鋁青銅（Aluminium bronze），鋁的含量約812%，其餘為銅。鋁青銅在耐蝕、耐磨、耐熱及耐疲勞性方面，要較黃銅及青銅為優。但在可鑄性、加工性及熔接性方面卻較黃銅為差，可加入鐵、鎳、錳等元素加以改良。鋁青銅極適合製造耐海水與耐酸性的機械零件，如船舶、抽水
18、機零件等。內燃機內之耐熱性機件也常以鋁青銅製成，912.5%鋁之鋁青銅加入鐵、鎳、錳及鋅等之合金，稱為H.B.合金，它是高強度的耐蝕合金，常作為飛機零件。,9-1 銅及銅合金,(2)磷青銅（Phosphorus bronze）青銅中加磷可除去合金中之氧元素，以改善品質。磷量增加時，可與銅化合形成Cu3P 的極硬化合物，此種磷青銅耐磨性頗佳，它可用來作為軸承以及機械零件的材料。,9-1 銅及銅合金,(3)矽青銅矽青銅（Silicon bronze）係銅-矽合金，銅中含矽可除去銅中之氧元素，並可增加銅的強度及導電率。它的機械性質與磷青銅相似，耐酸、耐蝕、熔接性均佳，含3% 矽、1% 錫、0.1%鎘
19、的矽青銅稱為砷合金，它被用來製造軋延板，耐蝕性強，為化工最常用之材料。,9-1 銅及銅合金,(4)錳青銅前述之高強度黃銅屬於第一類錳青銅（Manganese bronze），含錳量較低，約在1.53%，此處之錳青銅屬第二類，錳含量可達20%，此類合金之特性為加工容易，強度大，尤其在高溫時仍能保持其強度，故可作為高溫機械的零件。錳青銅的電阻溫度係數近於零，是標準電阻及精密儀器的材料。含71%銅、20%錳及9% 鋁之合金稱為哈斯勒合金（Heusler alloy）是一種強磁性合金。,9-1 銅及銅合金,(5)鎳青銅（Nickel bronze）銅鎳合金中加入適量之鋁、矽、鋅及錳等成為回火硬化性銅合
20、金，其耐蝕性佳，高溫時強度不變，適合製造熱機零件。,9-1 銅及銅合金,(6)鈹青銅鈹青銅（Beryllium bronze）中鈹含量約在13%，此種合金具回火硬化性，將鈹青銅先於800 淬火，再於350 回火3 小時，其抗拉強度可達1000N/mm2 以上，硬度亦大為提高。鈹青銅耐熱、耐蝕及耐疲勞性都很好，它適合製造彈簧及作為電工用材料。它也可以加入鎳、錫、鈷、鉻等元素，使材料的機械性質更為良好。,9-1 銅及銅合金,(7)銅鉛軸承合金軸承用合金必須具備耐高速回轉及耐大壓力的特性，普通的青銅可耐大壓力，但不適於高速回轉，銅中加鉛可增加韌性及潤滑性，是一種優良的軸承合金。含2040% 鉛的銅鉛
21、合金，稱為Kelmet 合金，它要比巴氏合金（Babbitt metal）更能耐高速、高壓及高溫。它用來製造軸承，在轉動時，不會發生與軸膠執（Seizure）或黏著的缺點。,9-1 銅及銅合金,銅鎳又稱白銅，含鎳量530%且加工容易。但是退火時若加熱太快則易生龜裂，此謂之火裂（Fire cracking）現象。銅鎳能抵抗大氣、海水、有機酸及鹼類之侵蝕，耐熱及耐疲勞性亦佳，可製錢幣、彈簧、耐蝕及電熱材料（如圖9-12 所示）。,9-1 銅及銅合金,9-1 銅及銅合金,康史登銅含4446%鎳、5456%銅，其電阻之溫度係數接近於零，常用於電氣儀表之零件，同時可和銅或鐵配合構成熱電偶，以測定金屬受熱
22、之溫度。,9-2 鋁及鋁合金,地表上的金屬元素，以鋁Aluminium）的存量最多。鋁的特點是重量輕（比重2.7），純鋁的強度低（抗拉強度約為90N/mm2），不適宜以純金屬的方式製造構造材料。通常加入其他元素構成輕合金（Light alloy）以改良其機械性質。鋁的熔點為660，因此熔鋁操作較簡單，且密度為2.7g/cm3僅約為鐵的三分之一，已成為輕金屬材料中最重要的材料。,9-2 鋁及鋁合金,鋁礦石主要來源有水礬土（Bauxite，Al2O32H2O）、冰晶石（Cryolite AlF33NaF）等。工業上主要是以水礬土為煉鋁原料，用水礬土煉鋁的過程相當複雜，其主要步驟簡要說明如下：1.首
23、先是將水礬土壓碎成粉末，加入氫氧化鈉（NaOH）熱熔液而生成鋁酸鈉( NaAlO2)。然後將鋁酸鈉以水沖淡而析出氫氧化鋁Al（OH）3，再將Al（OH）3放入旋轉窯中焙燒而得粉狀的氧化鋁（Al2O3）。,9-2 鋁及鋁合金,2.將Al2O3放入冰晶石溶液中熔化後，在980高溫中進行電解，如圖9-13 所示。鋁被析出而沉於電解槽底部（陰極）。熔融的鋁熔液最後被引導出電解槽鑄成鋁錠。電解所得鋁純度約在99.599.8%之間，內含鐵、矽、銅等雜質。如再經精製後，可得純度99.999.99%之純鋁，其化學反應如下：,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,鋁為銀白色的金屬，質輕且富
24、延展性，是熱與電的優良導體。如表9-4 所示，為鋁的物理性質。,9-2 鋁及鋁合金,鋁的純度愈高，則抗拉強度愈小而伸長率愈大。常溫加工的鋁易生加工硬化，其強度與硬度增加而伸長率顯著降低。將常溫加工而硬化的鋁加熱至250300後，退火約30分鐘，可因退火而軟化，其機械性質，如表9-5 所示。,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,鋁在空氣中或清水中不易被腐蝕，這是因為鋁表面容易與氧作用生成耐蝕性高的Al2O3薄膜，以保護內部不再繼續被氧化的緣故。鋁不易被有機酸類如醋酸或乳酸等侵蝕，但容易被稀薄無機酸類腐蝕，尤以氯化氫對鋁的作用最強，硫酸及硝酸次之，在鹼性環境中也非常容易受到侵蝕。,9-2 鋁及
25、鋁合金,鋁的純度愈高其耐蝕性愈好，當含鐵與矽等不純物時會產生游離的FeAl3及矽，這些游離物與鋁起電化作用而產生腐蝕。鋁若施以表面硬化處理，如陽極氧化法（Anodic Oxidation）時，可防止受大氣鏽蝕且強度與耐蝕性增高很多，在家電及建築裝潢方面用途很廣。,9-2 鋁及鋁合金,純鋁由於強度低，不適合鑄造或作為結構材料。大部分的純鋁用來製成鋁合金，純鋁的用途說明如下：1.電力輸送線現今的電力輸送線，大部分使用銅線，少部分使用鋁線。鋁的導電度約為銅的65%，若鋁的截面積增大1.6 倍，其導電度就等於銅，而重量及價格都低於銅，頗為經濟，但鋁線易因伸長而斷裂，並不適於電桿間距過大的架空輸電線。若
26、使用鋼心鋁纜則可改善此缺點，以高強度鍍鋅鋼線為軸心，周圍用鋁線緊密絞合而成。,9-2 鋁及鋁合金,2.鋁箔利用鋁優良的延展性可製成厚0.15mm 以下的鋁箔，製箔用鋁純度需高，並經退火以得良好折疊性，它不具毒性，可代替錫箔用於食品及香煙的包裝材料，如圖9-14 所示。,9-2 鋁及鋁合金,3.鋁粉及鋁熱劑（Thermit）鋁粉易於燃燒而生高熱，它與氧化鐵或其他金屬氧化物以氧化作用的方式，產生的混合物，稱為鋁熱劑，例如：鋁粉1 份配合氧化鐵3 份混合後，為最常用的鋁熱劑，鋁粉可製炸藥，加入油漆內可防鏽，而銀色塗料係塗料中加入鋁粉。,9-2 鋁及鋁合金,鑄造用鋁合金主要的添加元素為銅、鎂、矽、鎳。
27、鋁合金因熔點低，常用以鑄造零件，其鑄造係採砂模或金屬模，近來亦多採用壓鑄法鑄造。依據主要的構成元素，可將鑄造用鋁合金分成：(1)鋁銅系合金；(2)鋁鎂系合金；(3)鋁矽系合金；(4)鋁銅鎂鎳系合金。分別說明如下：,9-2 鋁及鋁合金,1.鋁銅系合金如圖9-15 所示，為鋁銅合金平衡圖，鋁銅系合金其可鑄性、切削性及機械性質均佳。此系合金含銅量通常不超出10%，鋁銅合金因具高溫脆性，故常於合金中加入少量的鐵及鈦以改善此一缺點。美國之Alcoa（美國鋁業公司Aluminium Company of America之簡稱）195 含4.5%銅為鋁銅合金之代表，係砂模鑄造用合金，Alcoa112 含7.
28、0% 銅、1.7% 鋅係砂模及金屬模鑄造用合金，汽車輪圈、飛機輪圈、傳動部分之箱殼及機器零件等常以鋁銅合金鑄造。,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,2.鋁鎂系合金鋁中加鎂後耐蝕性甚佳，機械性質亦良好，此系合金含鎂量在10%以下，含3.8% 鎂在Alcoa 編號為214 合金用於製造食品貯運裝置、烹調用具、化工材料等，含10% 鎂在Alcoa 為220 合金，強度甚佳，常用於飛機零件、汽車車體等方面。,9-2 鋁及鋁合金,3.鋁矽系合金如圖9-16 所示，為鋁矽合金的平衡圖，此系合金適於砂模及金屬模之鑄造又稱為鑄鋁。鋁中之矽的固溶度，在577共晶溫度時約為1.65%；在300時約為0.1%
29、；常溫則降至0.05%以下，共晶組成為11.6%矽。如於合金熔液中加入0.051% 鈉，共晶點將如圖9-16 的虛線所示，向右移動至13.5%矽，同時，共晶溫度因過冷而降低1015，此現象可使共晶矽的形狀由針狀或平板狀，變為纖維狀，進而改善機械性質，經過改良處理後的合金稱為改良合金（Modified alloy）。,9-2 鋁及鋁合金,含矽量12%係壓鑄用合金，強度高，用於薄截面形狀複雜的錢品、牙醫用具及儀器外殼等。如圖9-17 所示，為鋁矽合金於不同含矽量時的鑄造結晶組織圖。由圖9-17 中可知，含矽量愈多，矽的顆粒尺寸有愈大的現象。,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合
30、金,4.鋁銅鎂鎳系合金此系合金因含鎳而具有高溫強度，故又稱為耐熱鋁合金，常用以鑄造飛機及汽車之活塞或汽缸蓋。此系重要的合金為英國之Y 合金及RR 合金，說明如下：,9-2 鋁及鋁合金,(1)Y合金為英國NPL（National Physical Laboratory）之Rosenhair 氏在第一次世界大戰時研究成功者，其成分為4%銅、2%鎳、1.5%鎂，美國稱為Alcoa442 合金。Y 合金所製造的活塞在高溫時仍具相當強度且重量又輕，故Y 合金可製作耐高溫的零件。,9-2 鋁及鋁合金,(2)RR合金為英國Rolls-Royce 汽車工廠所研究成功者。含0.55%銅、0.15.0%鎂、0.2
31、1.5%鎳、0.25.0% 矽、0.61.5%鐵、 0.5%鈦。鎳與鈦均可增加合金之高溫強度，是常用的活塞合金之一。,9-2 鋁及鋁合金,鍛造用鋁合金是先將合金鑄成鋁錠，然後施以輾壓、拉伸、擠延、鍛製等機械加工過程而製成各種線材、板、管、桿及特殊型材之鋁合金。鍛造用鋁合金一般分成二大類：(1)耐蝕性鋁合金；(2)高強度鋁合金。其合金編號（CNS2068-H3021）如表9-6 所示。,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,1.耐蝕性鋁合金耐蝕性鋁合金主要的添加元素是錳、鎂、矽。包括：(1)鋁錳系合金；(2)鋁錳鎂系合金；(3)鋁鎂系合金；(4)鋁鎂矽系合金。(1)鋁錳系合金鋁錳系合金含1.0
32、1.5% 錳，耐蝕性接近純鋁，其退火強度亦與純鋁相當。但經加工硬化後，其強度增大很多，銲接性與加工成形均為優良。常用於造船、汽車車體、化學及食品業等。,9-2 鋁及鋁合金,(2)鋁錳鎂系合金鋁錳系合金中加入少量的鎂（通常約含1%鎂），而構成鋁錳鎂合金，耐蝕性、熔接性及加工成形均為優良。(3)鋁鎂系合金鋁鎂系合金含鎂約在37%，鋁中含鎂可增加強度與耐蝕性。其強度較鋁錳鎂系合金稍大，而耐蝕性接近純鋁，此系合金通常加入微量的鉻使耐蝕性更好，主要用途為，船舶、建築、裝潢、化學及食品容器等。,9-2 鋁及鋁合金,(4)鋁鎂矽系合金鋁中含矽可增加時效硬化性，鋁鎂矽系合金具優秀的熔接與加工成形性，其耐蝕性亦
33、佳，此系合金常軋延成棒、板或鍛造成形，適於船舶及車輛零件。,9-2 鋁及鋁合金,2.高強度鋁合金高強度鋁合金主要的添加元素是銅，此合金大多含有銅的成分，銅可增加鋁合金強度，但耐蝕性較差。鋁夾板（Alclad sheet）是以高強度鋁合金為心部材料，外皮包覆一層耐蝕鋁合金所構成，如此既耐蝕，強度也夠。高強度鋁合金，依據主要組成化學成分之不同可分為：(1)鋁銅系合金；(2)鋁銅鎂錳系合金；(3)鋁銅矽錳系合金；(4)鋁矽系合金；(5)鋁鋅鎂系合金。分別說明如下：,9-2 鋁及鋁合金,(1)鋁銅系合金鋁銅合金含銅量約在46%之間，含56% 銅的鋁銅合金強度最大，經施行人工時效後，抗拉強度可達360
34、N/mm2，加入鉛及鉍可改善切削性，飛機構件常用鋁銅系合金製造。,9-2 鋁及鋁合金,(2)鋁銅鎂錳系合金杜拉鋁（Duralumin）是高強度鋁合金中最具代表性者。在美國將杜拉鋁通稱Dural，屬於2017 合金，標準成分為4.0%銅、0.5% 鎂、0.5% 錳及少量的鐵、矽、鉻、鋅等。杜拉鋁是一種時效硬化性合金，熔點650。杜拉鋁的鑄錠可在450左右施行軋延、鍛造或擠壓加工，至於它的熱處理一般是加熱至505左右，約1 小時後於水中冷卻，再於常溫下放置45 日就起時效硬化，抗拉強度可達400N/mm2，接近軟鋼的強度。,9-2 鋁及鋁合金,杜拉鋁的比重2.77，標準組成為4%銅、0.5%鎂、0
35、.5%錳、其餘為鋁，是既輕且強度高的合金，是輸電線與天線及航空工業零件的重要材料。杜拉鋁的缺點是對海水的耐蝕性低，當它接觸海水或曝露於含鹽分的空氣中時，常易引起粒間腐蝕而降低其機械性質。預防腐蝕的方法，其一是可製成鋁夾板，即以杜拉鋁為心部，外表包覆1230 純鋁，其二是於表面施以陽極氧化處理。杜拉鋁銲接性不良，當它作為飛機構件時，以鉚釘接合較為理想。,9-2 鋁及鋁合金,超杜拉鋁（Super duralumin）是一種增加杜拉鋁中的鎂含量而得更優良機械性質的鋁合金。超杜拉鋁在英國為RR 合金，日本編為SD 合金，美國為2024 合金；2024 合金的標準成分為4% 銅、1.5% 鎂、0.7%
36、錳及微量的鐵、矽。一般於490 500進行固溶處理約1 小時，然後淬火於冷水中，再經57 日常溫時效後，抗拉強度可達450500N/mm2。,9-2 鋁及鋁合金,杜拉鋁常用於航空工業作為飛機等航空器的構造材料，鉚釘、鑄造活塞、腳踏車零件（如圖9-18 所示）及一般構造用材也使用之，如表9-7 及表9-8 所示，說明超杜拉鋁的化學成分、熱處理及機械性質。,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,(3)鋁銅矽錳系合金Lautal合金即為美國的2025 合金，其標準成分為4.5% 銅、0.8%矽、0.8% 錳、其餘為鋁。固溶處理後經人工時效，可得350380N/mm2的抗拉強度，
37、它適合鍛造而不適於熔接，可作為杜拉鋁的代替品。,9-2 鋁及鋁合金,(4)鋁矽系合金鋁矽合金屬於耐熱高強度鋁合金，鍛造與耐熱性均甚優良，施以熱處理後具高溫強度，是專門製造活塞與氣缸蓋的材料，故此系合金又稱活塞合金。,9-2 鋁及鋁合金,(5)鋁鋅鎂系合金美國的7075 合金含5.6% 鋅、2.5% 鎂、1.6% 銅、0.3% 鉻，於時效硬化過程中因析出MgZn2化合物而使抗拉強度高達550600N/mm2，故又名為超強度杜拉鋁。此合金常因內部殘留應力而生季裂現象。若於合金中加入少量鉻或錳就可改善此缺點。,9-2 鋁及鋁合金,如圖9-19 所示，為一鋁銅系平衡狀態圖，在548時，銅在鋁中的溶解度
38、最大約為5.7%。當溫度逐漸降低時，銅的溶解度變小，在300時約僅0.45%而已，這個隨溫度下降而溶解度減低的現象為析出硬化之基本條件。,9-2 鋁及鋁合金,9-2 鋁及鋁合金,一般而言，固溶體的強度要比純金屬大，因此鋁固溶其他元素時，強度會增加。當含5%銅的鋁銅合金，在548時之組織為均質的 固溶體，隨著溫度的緩緩下降， 固溶體沿著ab 線析出（CuAl2）相而生成 的二相組織。,9-2 鋁及鋁合金,但是合金如從高溫急冷（淬火）時，由於冷卻速度太快，以致無法立刻析出，成為過飽和的固溶體組織。此種由高溫急冷而形成過飽和固溶體的熱處理，稱為固溶處理（Solution treatment）。,9-
39、2 鋁及鋁合金,這種過飽和固溶體組織並不安定，若將它長時間置於常溫環境中時， 會慢慢析出而變成強硬安定的 組織。此種由過飽和固溶析出一種組織而達強化的現象稱為析出硬化（Precipitation hardening），在常溫時的析出硬化過程較為緩慢，稱為自然時效（Natural aging）。,9-2 鋁及鋁合金,假若把溫度提高到160左右回火，則可以促進硬化作用的加速進行，這叫做人工時效（Artificial aging），上面所述各種藉時效而強化之現象，通稱為時效硬化（Age hardening）。,9-2 鋁及鋁合金,鋁合金淬火時會產生過飽和的固溶體，最常用的淬火液是冷水，有時也使用較溫
40、和的淬火液，如熱水、沸水等以消除殘留應力。鋁合金的淬火溫度通常在500550之間視其成分而異，重要的是從爐內取出到放入淬火液之時間愈短愈好（勿超過60 秒），否則溫度太低時析出現象會急速地發生。淬火後的鋁合金質地柔軟，可立即加工。,9-2 鋁及鋁合金,退火的目的在於消除內部殘留應力及降低強度，以便進行下一步的加工，鋁合金的退火溫度以340為宜，加熱時間約1 小時，在爐中緩緩冷卻。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,鋅（Zinc，Zn）為六方晶系之結晶（HCP），故較立方晶系之金屬難以常溫加工。鑄造後，加熱並經高溫加工將其鑄造之組織破壞後則易於加工，再結晶溫度較低，約在100200處即起軟化。,9-3
41、 鉛、錫、鋅及其合金,鋅色青白，25時之比重為7.13，熔點為419.47，導電度為標準銅之28.27%。高純度之鋅有優良的耐蝕性，在常溫大氣中可保持光澤，鑄造溫度為435485。以電解法精製而成之電解鋅純度可達99.9299.99%。一般純度在99.899.5%者，其主要雜質為鉛、鐵、鎘，亦可能有微量錫、銅、砷、銻、矽、硫及碳等存在。作為壓鑄用之鋅，其純度需在99.99%以上，否則將減低其耐蝕性。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,鋅之主要用途為鍍鋅原料，即鍍鋅鐵皮（或稱白鐵皮），其他尚可作為壓鑄用鋅合金及合金材料、乾電池的電極材料、印刷用鋅版，而氯化鋅可作為木材防腐蝕劑及軟銲的銲劑等。,9-3
42、鉛、錫、鋅及其合金,鋅合金主要用於軸承製品及壓鑄用材料。,鋅基軸承合金以鋅為主要成分元素，其他尚含有適量的錫、銅、鋁及鉛等。此類合金的抗拉強度很大，且為巴氏合金34 倍。主要缺點為衝壓抵抗性差，故不適合震動的場合。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,一般而言，此類軸承合金僅適用於高速、無震動且負荷固定的場合，如高速工具機及電動機的軸承，如圖9-20 所示。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,在壓鑄品中，以鋅基合金製品為最多。鋅基合金熔點低，適合壓鑄，它的壓鑄品強度僅次於銅合金，熔液流動性良好，極薄之截面亦可壓鑄，尺寸精確且價格低廉。由於具備以上特點，故為主要的壓鑄用合金，鋅基合金壓鑄品若與濕氣或水蒸汽長期
43、接觸時表面容易被腐蝕，可先施予表面防蝕處理以預防之。合金內雜質有錫、鉛、鎘等，如含量超過時，容易引起晶粒間腐蝕，故常於合金中加入適量的鎂以阻止粒間腐蝕發生，如表9-9 所示，為壓鑄用鋅基合金的成分與機械性質。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,壓鑄用鋅基合金的主要用途諸如：汽機車上的化油器（如圖9-21 所示）、喇叭、速率表外框、玩具、家庭用具等，用途甚廣。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,鉛（Lead，Pb）為人類最早使用的金屬之一。主要是由方鉛礦（Galena，PbS）提煉而得，鉛的純度約在98.599.99%之間。結晶型式為FCC，比重為11.34，斷面為青白色並有光澤
44、，熔點為327.4，沸點為740，硬度小，抗拉強度低但延展性大。在常溫下容易彎曲與捶打，同時對X光線及原子輻射線具有特殊的遮斷能力。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,純鉛的耐蝕性甚大，在含CO2的潮濕空氣中表面容易形成一層暗灰色的碳酸鉛以保護內部不再被腐蝕。鉛對人體容易造成中毒，所以，食品容器、餐具或玩具內含鉛量不可超過10%，與食物直接接觸部分的含鉛量應在5%以下。鉛中若含有23%之銻者稱為硬鉛（Hard lead），它可作為電纜之包覆層，以防電纜潮濕。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,鉛的用途還包括：(1)製造各種合金，如軸承合金、易熔合金等。(2)黃色、白色、藍色油漆的原料，如：氧化鉛（PbO）
45、為黃色原料；鹼式碳酸鉛為白色原料；鹼式硫酸鉛為藍色原料。(3)製造顏料鉛丹（Pb3O4）。(4)四乙基鉛為汽油抗爆劑（Anti-knock compounds）。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,(5)衛生水管與化工管路。(6)鉛蓄電池之鉛板。(7)鉛可增進切削性。(8)X 射線護具及隔音設備。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,錫（Tin，Sn）為應用甚早的金屬，主要是由錫石（Cassiterite，SnO2）提煉而得。錫的純度一般在99.7599.9%，雜質包含鐵、砷、銻等。錫為銀白色具光澤的金屬，由於錫有三種不同的結晶格子，因此具有三種同素異形體，如表9-10 所示。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,
46、9-3 鉛、錫、鋅及其合金,由表中 錫之同素變態點為18，但是實際上 變態之發生較18要低很多。由於 錫比 錫比重小，故當發生 變態時體積會膨脹，使整體粉碎或局部突出。故於-40之冬天，錫器可能會突然崩壞而變成粉末，原因即在於此，此種變態通稱為錫瘟（Tin-pest）。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,工業用錫稱白錫或 錫，存在於18180，質軟富延展性。比重7.3、熔點232。在100左右，錫之延展性最大，可輾成錫箔，但加熱至200時卻容易變脆。錫被彎曲時，由於雙晶之形成而發出聲音，稱為錫鳴（Tin cry）。錫在大氣中不受氧化，表面仍保有光澤，對一般化學品具抗蝕性。錫能抵抗有機酸的侵蝕，故罐頭
47、容器常以鍍錫鐵皮製造。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,錫的主要用途有下列數項：(1)製造合金。如：青銅、易熔合金、巴氏合金等。(2)製錫箔。錫在100時延展性最大，故可輾成錫箔，它用來包裹糖果、香煙與揮發性香料等。(3)製造馬口鐵。馬口鐵又稱鍍錫鐵片。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,低熔點合金又稱易熔合金（Fusible alloy），主要由鉛、錫、鉍、鎘等四種低熔點金屬構成，其中鉍的含量較多。低熔點合金的熔點隨各構成元素含量之不同而異，約在60113。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,低熔點合金其用途頗為廣泛，說明如下：1.利用低溫熔解之特性，可製造保險絲、鍋爐安全易熔塞、自動火災警報器等。2.欲檢
48、驗鍛模或塑膠模之形狀及精密度時，以低熔點合金鍛造或鑄造後再加以檢驗之。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,3.薄管彎曲時，管內裝入低熔點合金，以避免彎管時之變形，事後將管子低溫加熱即可將填料熔化取出。4.作為銲接電子線路之低溫銲料頗為適合。5.作為子彈彈頭內的填充料等。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,軸承合金（Bearingmetal）常黏貼於與轉軸接觸之襯套上，如圖9-22所示，優良的軸承合金須具備下列條件：1.適當的硬度及拉抗強度。2.具有韌性以耐震動與衝擊力量。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,3.傳熱或散熱須快速。4.鑄造及加工容易。5.耐蝕性佳以抵抗潤滑劑中酸類之侵蝕。,9-3 鉛、錫、鋅及其合
49、金,軸承合金之組織，一般是在柔軟的基地內有硬質的結晶粒均勻分布內部。使用時軟質部分因受摩擦而凹陷，以儲存潤滑劑，硬質部分因此變得突出以承受重荷，其化學成分與用途，如表9-11 所示。,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,9-3 鉛、錫、鋅及其合金,軸承用合金中，最普遍而常用者有二種：(1)錫基軸承合金；(2)鉛基軸承合金。(1)錫基軸承合金錫基軸承合金中最具代表性者為巴氏合金（Babbitt metal），其成分8090% 錫、10% 銻、36% 銅。此種軸承材料流動性與鑄造性佳，硬度、強度均比鉛基合金大，導熱度亦大，是高速度高荷重軸承的理想材料，產品有飛機及汽車引擎之軸承等。,
