Transcript 常用之非鐵金屬材料
=== 第9章 常用之非鐵金屬材料 9-1 9-2 9-3 9-4 銅及銅合金 鋁及鋁合金 鉛、錫、鋅及其合金 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 2~3%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.含氧化物的銅礦，例如：赤銅礦（Cuprite，Cu2O）、 孔雀石（Malachite (CuCO3)2．Cu(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（Cu2S．FeS），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30~50%。 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 被氧化，其鐵成分形成熔渣，如反應式(92)，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97~99%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。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99.95~99.96%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 coper）。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58Ω-mm2/m，而電 阻係數為0.01724Ω-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0.03~0.05%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 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600~700℃， 約30分鐘即可退火而軟化。 若將銅加熱至750~850℃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，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30~40%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，35~43%之間，抗拉強度急速增 大到最高點，以後又急速減小。 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250~300 ℃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30~40%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 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： Ⅰ.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 Ⅱ.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。 Ⅲ六四黃銅：含銅量約為60%，其餘為鋅， 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： Ⅰ.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 Ⅱ.加錫特殊黃銅（Tin brass）：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 Ⅲ.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 Ⅳ.高強度黃銅（High tension brass）：黃銅中加入錳、鋁、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17~20%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3~4% 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%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12~15%，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5~30%鉛。 3.硬幣用青銅 作為硬幣用的青銅（Coinage bronze）， 含錫量約在4~10%，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80~90%銅、 2~8%錫、1~12%鋅、1~3% 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8~12%，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、抽水機零件等。內燃機內之耐 熱性機件也常以鋁青銅製成，9~12.5%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1.5~3%，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1~3%，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20~40% 鉛的銅鉛合金，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5~30%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44~46%鎳、54~56%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，Al2O3． 2H2O）、冰晶石（Cryolite AlF3．3NaF）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 99.5~99.8%之間，內含鐵、矽、銅等雜質。如 再經精製後，可得純度99.9~99.99%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250~300℃ 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。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7.0% 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%；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0.05~1% 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10~15℃，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0.5~5%銅、0.1~5.0%鎂、 0.2~1.5%鎳、0.2~5.0% 矽、0.6~1.5% 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1.0~1.5% 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3~7%，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4~6%之間，含5~6% 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 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4~5 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、0.5%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% 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5~7 日常溫時效 後，抗拉強度可達450~500N/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350~380N/mm2的抗 拉強度，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550~600N/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α 固溶體，隨著溫度的緩緩下降， α 固溶體沿著ab 線析出（CuAl2）相而生 成α＋θ 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）。 9-2 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，θ 會慢慢析出而變成強硬安定的α＋θ 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500~550℃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100~200℃處即起 軟化。 9-3 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435~485℃。以 電解法精製而成之電解鋅純度可達 99.92~99.99%。 一般純度在99.8~99.5%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 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3~4 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98.5~99.99%之間。 結晶型式為FCC，比重為11.34，斷面為青白色 並有光澤，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2~3%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）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99.75~99.9%，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 9-3 鉛、錫、鋅及其合金 由表中α 錫之同素變態點為18℃，但是 實際上β → α變態之發生較18℃要低很 多。由於α 錫比β 錫比重小，故當發生 β → α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β 錫，存在於 18~180℃，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60~113℃。 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80~90% 錫、 10% 銻、3~6% 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。 9-3 鉛、錫、鋅及其合金 (2)鉛基軸承合金 鉛基軸承合金含60~85% 鉛、18% 銻、 0~15% 錫。硬度、強度較錫基為低，耐 磨性較差，唯其價格低廉最為常用。通 常使用於中速度、中荷重或中速、小荷 重之軸承如內燃機、發電廠及機車等之 軸承。 9-3 鉛、錫、鋅及其合金 軟銲合金最常用者為錫鉛合金，其成分、 熔點及用途，如表9-12 所示。軟銲所用之 銲劑以氯化鋅（或鋅片溶於鹽酸之銲液） 為主，配以其他成分調成糊狀。 然而，於銲接過程中，鉛的含量過高，易 傷害人體，所以，目前的趨勢已朝向無鉛 銲料發展。 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 軟銲其鉛錫的比值約為1：1~1：2，如圖9-24 所 示，為鉛錫的平衡圖，含錫量於62%處為其共晶 點，溫度約為183.3℃以下。 9-4 其他 由於鎂可以由海水直接電解還原而得，具有極低的密 度（1.74 g/cm3）及高的比強度，所以鎂及鎂合金的 應用愈來愈普遍。 鎂主要存在於菱鎂礦（Magnesite，MgCO3）、白雲 石（Dolomite，MgCO3．CaCO3）、光鹵石（MgCl2． KCl．6H2O）、石棉[ CaMg2 (SiO3) 4 ]、滑石 [ H2Mg3(SiO3) 4 ] 等礦石中，而海水中亦含 0.133%的Mg。先從上述原料中提取氯化鎂（MgCl2） 或氧化鎂（MgO），然後再經電解精煉而得鎂金屬。 9-4 其他 鎂為銀白色之金屬，比重1.74，較鋁為輕， 熔點650℃，沸點1107℃，結晶格子為HCP。 鎂於常溫加工困難，高溫（350~450℃）加 工容易，適於鍛造及擠製，機械性質差， 故不適合作為構造材料，加入其他元素成 為合金後，其機械性質可獲得改善。 9-4 其他 鎂帶於點火時能發白光並產生MgO 白煙，鎂易與 氧化合，故可作為還原劑，與鋁構成的合金（鎂 約5%）稱為鋁鎂劑（Magnalium），質韌而輕， 可製飛機機翼。鎂粉與KC1 之混合物（10：17） 稱閃光粉，如圖9-25 所示，用於夜間照相、煙 火及軍事上的照明彈。鎂可使鑄鐵中的石墨成球 狀，亦可稱為球化劑。 9-4 其他 在鎂元素中添加合金元素，如：鋁、鋅、 錳等即成為鎂合金，可改良鎂金屬的機械 性質，鎂合金按其用途可分為二類： 1. 鑄造用鎂合金；2.鍛造用鎂合金。 1.鑄造用鎂合金 鎂合金較鋁合金為輕，抗拉強度可達 150~350N/mm2，與鋁合金相近，同時切削 性良好，但在熔解鑄造時容易氧化並燃燒， 故需講求操作技術。 9-4 其他 (1)鎂鋁系合金 鎂合金中以鎂鋁系之比重最小，鑄造最 容易，其抗拉強度在含鋁量6 %時最大， 而伸長率及衝擊值在含鋁量4 %時最大， 經固溶處理與時效處理後強度更為增加。 鎂鋁系合金由於熔液流動性優良，故常 用於壓鑄。飛機及汽車之零件、筆記型 電腦外殼及重量輕的小型鑄件，如相機 零件等，常以此系合金製成，如圖9-26 所示。 9-4 其他 9-4 其他 (2)鎂鋅鋁系合金 鎂鋅鋁系合金以德國的Elektron 合 金為代表，除含鋅、鋁外還含少許 的錳、矽。其機械性質好，熱處理 效果亦佳，但易腐蝕為其缺點，施 以防蝕處理可改善之。 9-4 其他 (3)鎂鋅鋯系合金 鎂中加入鋯可使晶粒微細，鑄造性優 良，鑄件之氣孔少，組織緻密。其缺 點是易起熱脆性而導致銲接困難，鋯 對鎂金屬及其合金機械性質之影響， 如表9-13 所示。 9-4 其他 9-4 其他 2.鍛造用鎂合金 鎂合金於常溫加工時易生裂隙，成形 性差。高溫（350~450℃）容易鍛造、 軋延及擠製成型，適用於飛機構造材 料，如表9-14 所示，為鍛造用鎂合金 的成分及機械性質。 9-4 其他 (1)鎂錳系合金 鎂加入錳可提高耐蝕性。此系合金銲接性良 好。擠製品抗拉強度約250N/mm2，伸長率8% 左右，同時亦可用於鑄造。其鍛製品、擠製 品如板、棒、管及各種型材等應用頗廣。 (2)鎂鋅鋁系合金 ASTM 編號AZ-31C 的鎂合金含0.5~1.5 %鋅、 2.4~3.6 % 鋁、0.15% 錳、其餘為鎂，適於 鍛造、擠製及軋延加工，耐蝕與銲接性均佳， 與ASTM 中的AZ-61A 等合金適合用為構造材 料。 9-4 其他 9-4 其他 9-4 其他 鈦（Titanium，Ti）在地殼中的存量頗豐， 在金屬材料中僅次於鋁、鐵、鎂而居第四位。 鈦的主要礦石為鈦鐵礦（Ilmenite，FeO． TiO2）及金紅石（rutile，TiO2），早期因 冶煉困難，並無重要性，直到1940 年，才 有金屬鈦的製成，由Kroll 法煉製而得高純 度延性佳的鈦。 9-4 其他 Kroll 法之煉製過程是先將鈦之原料TiO2置 於爐內通以氯氣，在800℃狀態下產生TiCl4 再以鎂還原而得海綿狀之鈦。然後將此海綿 鈦以電爐熔解（爐內保持真空或通入保護性 氣體）鑄成鈦錠。近年來的製法是將TiCl4 與鎂加熱變成氣體，並維持在900~1000℃溫 度間進行氣相反應，高純度的結晶鈦因此被 析出。此法較為省時，成本較低。 9-4 其他 鈦為黑灰色之金屬，比重4.5，結晶構造在 882℃以下為HCP 之α相，在882℃以上為 BCC 之β 相。熔點1725℃，熱脹係數較鐵、 銅、鋁、鎂為低，電阻則甚大，鈦中不純物 有N2、O2、C 及Fe 等，其中以N2及O2對機械 性質妨害最大。因此在冶煉過程中需保持真 空或於爐內通入保護性氣體以避免硬化或脆 化之發生。於高溫下，鈦及其合金會吸收大 量的氫氣而造成氫脆，所以鈦及其合金通常 不宜在500℃以上場合使用。 9-4 其他 鈦除質輕強度佳外，其耐蝕性優於不 鏽鋼，但價格昂貴。如果加入其他元 素製成合金，則更能增加其韌性而成 為強韌的鈦合金。純鈦主要用途是製 成合金、飛機機艙頭、船舶儀器、化 學工業用之容器、管、閥等。 9-4 其他 鈦金屬添加合金元素後，抗拉強度與 疲勞強度增高，耐熱、耐氧化性及耐 蝕性均增大。部分鈦合金具有特殊性 質，如鈦鈮合金具超導電性（Super conductivity）（所謂超導電性是指 材料在極低溫下，材料電阻會降為零 之性質）等，是一種性能相當優良的 合金。 9-4 其他 鈦合金主要添加元素為鋁、錳、錫及 釩等。常用的鈦合金有：鈦錳、鈦鋁 釩、鈦鋁錳及鈦鋁錫等系，其在美國 航太工業材料規範（AMS）相關的合金 成分與機械性質，如表9-15 所示。 9-4 其他 9-4 其他 鈦及鈦合金在我國主要用於民生日 用品、運動休閒器材、耐蝕性高的 化學工業產品及熱交換器等。在美 國等先進國家，鈦合金大部分用於 噴射引擎、飛彈及太空飛行器方面， 是國防工業上的重要材料，如圖927 所示。 9-4 其他 9-4 其他 貴金屬通常包含金、銀、白金及其合金等，雖然地 球上的藏量極少，唯因其具有獨特的性質，在工程 上，仍具有一定的用途。 金（Gold，Au）的結晶構造為FCC，比重19.3， 熔點1064.5℃，極富延性與展性，1克金可拉成 2x103m長之細絲，也可打成厚僅10-6cm之金箔。 9-4 其他 純金之耐蝕性甚優，除王水外不被任何其他 酸類所侵蝕。純金質軟，硬度18HB，抗拉強 度120 N/mm2，常被製成飾品，如圖9-28 所 示為市售項鍊。 9-4 其他 其與銅、銀等構成合金後，可以增加硬度及 強度。Au 之純度係以K（carat）為單位， 24K 代表100%之純金。 因此，18K 金指含金量為75%。金的合金， 包括： 1.金銅合金； 2.金銀銅合金； 3. 金鎳銅鋅合金； 4.金鉑合金。 9-4 其他 1.金銅合金 可以按任何比例互相固溶，金幣常含 10%之銅（又稱為赤金）以提高硬度， 如：戒指、耳環等含量自9~22K 不等。 2.金銀銅合金 可以任何比例固溶。合金中添加5% 銀 略呈綠色，銀再增加則逐漸變為白色， 牙科用材料為5% 銀、3% 銅，其餘為金 之合金。 9-4 其他 3.金鎳銅鋅合金 為含13~27% 鎳、1.6~4.5% 銅、1.3~17.4% 鋅， 顏色為白色，故通稱為白合金（White gold）， 可製造飾品。 4.金鉑合金 含20% 鉑左右之金鉑合金常用為製造人造纖維 之噴絲筒。由於金的導電率高且不發生氧化或 鏽皮，故在電子工業上，常以金線作電路接點， 以提高電路功能的可靠度及完整度。 9-4 其他 銀（Silver，Ag）結晶構造為FCC，在 20℃時之比重為10.49，熔點961.9℃。 銀之延展性僅次於金，1 克銀可拉成 1.8x103 m 之細絲，也可輾成厚僅 2.5x10-5cm 之銀箔。純銀（含銀9.99%） 之導電度與導熱度為所有金屬之冠。 9-4 其他 在常溫或高溫下均不被氧化，但易與硫化氫（H2S） 作用而表面生成黑色的硫化銀。硫酸、硝酸、鹽酸 亦對銀造成侵蝕，銀之主要用途為裝飾品、工藝品、 錢幣（如圖9-29 所示為銀幣）、軸承合金、導線 之接點及照明工業之消耗品等。銀合金包括：(1) 銀銅合金；(2)銀鈀合金；(3)銀汞鋅合金。工業用 銀合金以銀銅合金為主。 9-4 其他 1.銀銅合金 銀銅合金可以鑄造銀幣及製造裝飾品，銀銅合 金加入鋅可使熔點降低而作為銀硬銲之銲料。 2.銀鈀合金 含20~25%鈀銅或0~10%金，其餘為銀，可作為 金之代替品而用於牙科材料。 3.銀汞鋅合金 可作為牙科材料，其成分為52%汞、12.5%錫、 0.5%鋅、2%銅，其餘為銀。 9-4 其他 鉑（Platinum，Pt）又名白金，為FCC 結晶 構造，在20℃時之比重為21.45，熔點 1773.5℃。鉑具美麗光澤，富延展性，易被 加工成箔與拉成細絲。在大氣中或高溫下均 不氧化，耐酸性極強，除王水外不被其他強 酸侵蝕，但易與鹼土金屬之鹽類起作用。 9-4 其他 退火狀態的鉑，硬度達35HB，抗拉強度 190~240 N/mm2，由於白金熔點高，它和Pt-Rh （銠）合金（含10~13% Rh）配合可作為高溫 計上的熱電偶（Thermo couple），可偵測之 溫度範圍為常溫至1200℃，如圖9-30 所示， 而且是製作度量衡儀器的適當材料。 9-4 其他 鎳（Nickel，Ni）為FCC結晶構造。白色， 比重8.906，熔點1452℃，富延展性，無 論是在常溫或高溫都能加工，耐熱性及耐 氧化性俱強。在大氣中加熱至500℃幾乎 不氧化，在1000℃高溫下，氧化之進行亦 甚為緩慢，但鎳及鎳合金在高溫時易被含 硫氣體侵蝕而變脆，純鎳的物理性質及機 械性質，如表9-16 所示。 9-4 其他 9-4 其他 鎳在常溫時是強磁性體，在360℃以 上則失去磁性。退火狀態的鎳，其 抗拉強度400~500 N/mm2，硬度80~90 HB。鎳主要可作為耐熱鋼、耐蝕鋼 等合金鋼之添加元素，以及與銅、鐵、 碳、鉬等元素構成鎳合金，此外尚應 用於電鍍材料、電池、觸媒等方面。 9-4 其他 鎳本身具有甚多優良性質，如在鎳中加 入銅、鐵、鉻、鉬等金屬元素製成合金 時，則更能發揮其優良之性能。 以鎳為主要成分之合金有： (1)鎳銅合 金；(2)鎳鐵合金；(3)鎳鉻合 金；(4)耐蝕鎳合金。 9-4 其他 茲分別說明如下： 1.鎳銅合金 鎳銅合金可以按任何比例互相固溶。此 系合金之耐蝕性特佳，機械性質、鑄造 性優良，延展性佳且易於加工。常用的 鎳銅合金有下列數種： 9-4 其他 (1)蒙納合金 蒙納合金（Monelmetal）是重要的鎳銅 合金，含65~70% 鎳、25~30% 銅，以及 ＜ 5%的鐵、錳、矽等金屬元素。耐蝕 性、耐磨耗性優良，並且具高溫強度， 常用於需具高溫強度與耐磨耗的蒸汽 閥、汽輪機葉片、高溫蒸氣元件等，如 圖9-31 所示。 9-4 其他 9-4 其他 2.鎳鐵合金 鎳鐵合金主要有Invar、Elinvar 及 Platinite 等。 Invar即恆範鋼，含36% 鎳、64%鐵。其 熱膨脹係數在常溫附近時幾乎近於零， 可用於製造標準尺、鐘擺及精密儀器之 零件等。 Elinvar 即彈性恆範鋼，含33~35% 鎳、 4~5%鉻、53~61%鐵，在常溫附近之彈性 係數幾乎不變，可製造時鐘發條及彈簧 秤等之彈簧。 9-4 其他 Platinite即代鉑鋼，含44~46%鎳，其 餘為鐵，其熱脹係數與白金或玻璃相同， 故可代替白金作為電燈泡之封入導線， 如圖9-32 所示。 9-4 其他 3.鎳鉻合金 鎳鉻合金具有電阻大、高溫強度大與高溫 不易氧化之特性。 4.耐蝕鎳合金 蒙納合金與Inconel、Hastelloy、Illium 等合金都屬於耐蝕鎳合金，其成分與機械 性質見表9-17。Inconel（英高鎳）能耐 1200℃以下之高溫氧化，對於氧化性氣體 與大多數腐蝕性物質都具抗蝕能力，用於 熱處理爐之零件與照相軟片之處理設備。 而Hastelloy 強度高並能耐鹽酸，Illium 能耐硫酸、硝酸、磷酸與海水之侵蝕。 9-4 其他 9-4 其他 鎘（Cadmium，Cd）的結晶構造為HCP， 比重8.65，熔點321℃，顏色青白。 常與鋅礦一同產出，較鋅易揮發，故由 鋅礦製鋅時，鎘先鋅而蒸發出來。鎘在 常溫下具延展性，高溫時變脆。易溶於 酸性液中，但不易溶於鹼性溶液。 主要用途為鍍鎘，易熔合金及銀硬銲合 金等。鎘之化合物均具毒性，故操作宜 特別謹慎。