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介紹碳鋼的用途、種類、特點 SS400,S45C,S50C

發布日期: 2023-09-12

碳鋼究竟是怎樣的材料?本文將介紹一下碳鋼的特點、代表性的碳鋼SS400、S45C以及S50C。
在機械加工中,碳鋼是常見的一種材料

 

 

 

加工簡單,容易獲得。常用的碳鋼是什么?

說到金屬材料,首先要了解鋼。在此將介紹一下碳鋼的定義、種類、碳鋼的特點。

碳鋼的特點

碳鋼是鋼(鋼鐵)的一種,不是合金鋼(特種鋼)。

在介紹碳鋼的特點之前,首先讓我們整理一下鋼的定義。
鋼是以鐵為基礎的一種合金。鐵在純鐵狀態下脆且易生銹,無法作為工業產品使用。因此,通常在鐵中添加碳“C”以及錳、磷等,以合金的狀態加以使用?!颁摗笔侵钙渲泻剂考s為0.02%~2.14%的物質。
碳量多于2.1%的稱為“鑄鐵”,碳含量在約2.1%~6.67%的作為鑄鐵處理。碳量增加至該程度以上時,會再次變脆,工業用途上不會使用。
JIS中將碳量小于0.02%的鐵記為“純鐵”,將碳量為0.02%~2.14%的記為“鋼鐵”,將碳量在此以上的鑄鐵記為“鐵”。要注意“鐵”與“鑄鐵”的定義。
鐵中含有的碳量與通用名、JIS的名稱如下所示。

名稱

鋼鐵

鑄鐵

碳含量

小于0.02%

0.02%~2.14%

2.1%~6.67%

JIS名稱

純鐵

鋼鐵

鐵中含有的碳的量較多時,鐵會變硬,并且會變得更脆。即使受到力也不易變形,而在受到沖擊力或者受到超過允許范圍的力時,容易破壞粉碎。因此,機械和結構物的材料,要求兼具硬度和強度兩者。
鋼含有令鐵兼具硬度和強度兩者的恰到好處量的碳。

而且在鋼中添加錳、鉻、鈦等使之具有各種特點的材料叫做合金鋼、特種鋼。
現在已經開發出不易生銹性質的鋼、耐熱性強的鋼等根據目的而具有各種特點的特種鋼。

鋼鐵中不屬于合金鋼、特種鋼的材料叫做碳鋼。即碳鋼是沒有特殊添加物、未實施加工的原始狀態的鋼鐵。碳鋼中的鐵“Fe”和碳“C”以外的元素的量被規定為既定值以下,例如鉻為0.3%以下,鈦為0.05%以下。

碳鋼有各種種類,按照所含的碳的量、使用目的、強度等分為以下幾類。

碳含量

0.1%

0.1%0.25%

0.25%0.3%

0.3%0.6%

0.6%2.14%

分類

低碳鋼

中碳鋼

高碳鋼

JIS名稱

SPC材料
冷軋鋼板

SS材料
一般結構用軋制鋼材

?

SK材料
碳素工具鋼鋼材

SC材料
機械結構用碳鋼鋼材

碳鋼按照含碳量分為低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼。
碳含量為0.02%~0.25%的叫做低碳鋼,0.25%~0.6%的叫做中碳鋼,0.6%~2.14%的叫做高碳鋼。
鋼含碳越多越硬,因此低碳鋼用作通過在低溫下使材料變形的冷軋制作的鋼板,高碳鋼用于要求硬度的工具等。

 

使用最廣泛的鋼。何謂SS400?

SS400是具有怎樣性質的材料呢?在此將介紹一下SS400的特點和用途。

特點

SS400是被稱為一般結構用軋制鋼材的SS材料(Structural Steel)的一種。
SS材料顧名思義,是作為一般的結構物的材料通過軋制制造的鋼,SS材料的名稱用符號“SS”后續加3位數字表示。以前曾標記為SS41。3位數字表示材料的拉伸強度,如果是SS400,則表示拉伸強度為400N/mm2以上的結構用鋼。SS材料除了SS400以外,還有SS300、SS490以及SS540等種類,但其中使用最廣泛的是SS400。
SS400的特點是與其他金屬材料相比價格低廉且容易得到。
還具有容易進行焊接、切削等加工的特點。以板材狀態流通的情況也較多,還能進行鈑金加工、激光切割等。但是不能進行淬火。此外,因為容易生銹,所以需要實施電鍍、染黑等防銹處理。

在機械加工中,碳鋼的用途、種類、特點 SS400,S45C,S50C分別是什么?

 

用途

SS400除了用作橋梁、船舶等的結構材料外,還被廣泛地用于大型機械、車輛等機械領域到建筑領域。在思考想用鐵、鋼制作什么時,可以說SS400是設計人員最先浮現在腦海中的材料。SS400就是如此廣泛和普遍使用的材料。

 

 

SS400的優缺點

使用最廣泛的鋼材SS400具有怎樣的優點和缺點呢?

優點

  • 價格低廉且容易入手
  • 容易焊接
  • 還適合鈑金、切削等加工
  • 通用性極高

因為是廣泛流通的通用材料,因此與其他金屬材料相比,價格低廉,容易入手。與不銹鋼等相比,材質柔軟,因此也容易進行切削、鈑金加工等加工,能夠用于各種用途。由于碳量較低且不易受到熱的影響,因此也適合于焊接。但是在想焊接板厚為25mm以上等較厚的材料時,最好使用SM材料等焊接用材料而非SS400。

 

缺點

  • 不能淬火
  • 在鐵鋼材料中質地也是較軟的
  • 因為容易生銹,所以需要采取電鍍、涂裝等防腐措施

SS400是非常普通的材料,因此作為鐵鋼材料不是特別堅固的材料。需要更加堅固的材料等時,還需要研究選擇其他材料。而且由于其碳量低且不能淬火,因此無法進行僅表面獲得硬度的加工。而且容易生銹,需要電鍍、涂裝、氧化膜(黑皮)的保護。

 

 

SS400常用的表面處理

SS400容易生銹,因此多會實施鍍鎳、鍍鉻等表面處理。橋梁等我們生活中看到的SS材料絕大多數都是對電鍍處理后的材料進一步實施了涂裝。在不接觸水的地方等不要求太高耐腐蝕性的情況下,也有時會使用實施了黑皮(氧化膜)處理的材料。在建筑工程出入口、地面上鋪設的發黑的鋼板就是經過黑皮處理的SS400。

SS400常用的表面處理的一覽表

  • 四氧化三鐵膜(染黑):使用藥劑使鐵的表面氧化,從而被四氧化三鐵(Fe3O4)的膜覆蓋。防止腐蝕。
  • 無電解鍍鎳:利用化學的還原作用實施鎳磷鍍。與熱處理一起實施,由此提高表面的硬度,提高耐磨性。
  • 硬質鍍鉻:是比裝飾鍍鉻厚的鍍鉻。耐磨性、滑動性提高。
  • 三價鉻酸鹽:是為了提高電鍍的質量而作為電鍍后處理實施的處理。主要用于電鍍。

 

S45C是與SS400并列常用的材料

S45C也是作為機械材料被大量使用的材料。在此介紹一下S45C的性質。

 

特點

S45C是被稱為機械結構用碳鋼鋼材的SC材料(Steel Carbon)的一種。
SC材料用符號“SC”加后續的2位數字標記種類。數字部分表示材料的碳含量,如果是S45C,則表示含有0.45%的碳。以前曾標記為S450C,因此在舊圖紙等中,可能會看到S450C的寫法。
S45C與SS400并列都是非常常用的材料。而且是已知的SC材料中最流行的材料。因此價格比較低廉,容易得到,被用于各種場所。
能夠通過淬火等熱處理控制耐磨性、硬度等,因此尤其多用于齒輪那樣的要求耐久性的機械部件。另一方面,容易生銹,因此需要實施涂敷油、涂裝等防銹處理。

用途

S45C多用于機械部件,尤其是機械內側的部件。
例如汽車的發動機周邊部件、齒輪,此外還用于帶輪、托架那樣的標準機械部件。在想用鐵系材料制作什么時和不要求太高強度時,選擇SS400,在需要強度、耐久性時,S45C可以說是最先推薦的備選材料。S45C就是如此普通的機械部件材料。

 

 

S45C的優缺點

S45C具有怎樣的優點和缺點呢?下面依次介紹一下。

優點

  • 通過熱處理賦予強度
  • 切削加工在熱處理之前容易完成
  • 通用性高

是廣泛流通的通用材料,因此與其他金屬材料相比,價格便宜,容易入手。如果是淬火前,容易進行切削加工,因此在制作齒輪等時,一般會在切削加工后實施熱處理。另一方面,關于磨削加工,通常是在切削加工后實施熱處理,之后為了調整尺寸等而進行磨削。

 

缺點

  • 不適合焊接
  • 不大被用作鈑金
  • 因為容易生銹而需要實施表面處理等

S45C是適合熱處理的材料。也就是說會因熱而改變性質,因此反而不適合于使用熱的焊接。

 

 

S45C常用的表面處理

表面處理的選擇方法與SS400相同。
S45C是碳鋼,因此除了淬火、回火外,還多使用正火、退火等一般的熱處理。另一方面,其淬火性不像合金鋼那么高,因此無法淬火得太深。在像齒輪等那樣要求較強的表面耐久性的情況下,多會實施高頻淬火。

 

 

S50C是比S45C更硬的材料

容易與S45C并列比較的材料有S50C。S50C是怎樣的材料呢?

特點

S50C是與S45C相同的機械結構用碳鋼鋼材,是SC材料的一種。
S50C含有0.50%的碳。如前所述,鐵具有所含碳量越多硬度越高的性質。因此,S50C比S45C硬,但相應地也較脆。而且材料的成本比SS400、S45C高。
S50C也與S45C相同,是多用于機械部件等的材料。但是S50C在SC材料中也被劃分為碳量較多的材料。不僅是硬度、拉伸強度,耐磨性等也比S45C高,因此被用于要求更高強度的部件等。
S50C也能夠進行熱處理。耐腐蝕性差,需要防銹處理。
碳量比S50C多的SC材料例如有S55C。S55C比S50C更硬,是耐磨性等優異的材料。與S50C的區分使用除了依據材料的強度外,還要考慮流通的材料形狀等。
S50C的優點和缺點、常用的表面處理都與S45C、S55C相同。

 

用途

S50C多用于機械部件中需要較大強度的部件。
例如用于軸、螺栓螺母那樣的容易受到較大的力的部件、模具那樣要求耐久性的裝置。

 

SS400、S45C以及S50C的機械、物理性質

下面對前面介紹的SS400、S45C以及S50C的規格做以總結。在進行設計等時,建議關注這些數值進行計算。

 

機械性質

SS400、S45C以及S50C的機械性質由JIS如下表所示做出了規定。

※記載的數值為代表值,而非保證值。

種類

材質符號

熱處理(

機械性質的代表值

拉伸強度
(N/mm2)

耐力
N/mm2

伸長率

硬度

構造用鋼

SS400

?

400~510

215以上

21%以上

?

碳鋼

S45C

正火

810~860
空冷

570以上

345以上

20以上

167~229HBW

退火

約800
爐冷

?

?

?

137~170HBW

淬火

810~860
水冷

690以上

490以上

17以上

201~269HBW

回火

550~650
快速冷卻

S50C

正火

810~860
空冷

610以上

365以上

18%以上

179~235HBW

退火

約800
爐冷

?

?

?

143~187HBW

淬火

810~860
水冷

740以上

540以上

15%以上

212~277HBW

回火

550~650
快速冷卻

 

 

物理性質

SS400、S45C以及S50C的物理性質由JIS如下表所示做出了規定。S45C和S50C的物理性質差別不大。

※記載的數值為代表值,而非保證值。

SS400的物理性質

物理的性質

縱彈性系數(楊氏模量)[GPa]

橫彈性系數[GPa]

泊松比(常溫)

密度[g/cm3]

比重

熔點[℃]

導熱系數[W/(m?K)]

熱膨脹系數[10-6/K]

固有電阻[10-8Ω?m]

比熱[J/kg?K]

物性值

205~206

79~82

0.27~0.29

7.84~7.86

7.84~7.86

1660~1770

44~60

10.7~11.6

13.3~19.7

0.474~0.494

S50C的物理性質

熔點

密度
g/cm3

楊氏模量
(縱彈性系數)

剛性模量
(橫彈性系數)

泊松比

線膨脹系數
ppm/K

定壓比熱
J/kg?K

導熱系數
W/m?K

GPa

GPa

約1,660?1,680℃

7.84

205

82

0.25

11.7

489?494

44

 

 

SS400、S45C以及S50C的標準尺寸

種類

材料符號

形狀

單位

標準尺寸

一般結構用
軋制鋼材

SS400

扁鋼

t

6,9,12,13,14,16,19,22,25,28,30,32,35,38,40,
45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,95,100,105

方鋼

9,13,16,19,22,25,32,38,44,50,65,75,90,100

冷軋條鋼
(冷拔)

SS400D

扁鋼

t

2, 3, 4, 4.5, 5, 5.5, 6,7,8,9,10,11,12,13,14,
15,16,17,18,19,20,21,22,24,25,28,30,32,34,
35,36,38,40,42,44,45,50,55,60,65,70,75,80,
85,90,100,110,120,130

六角鋼

對邊H

3,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,17,19,21,22,23,
24,26,27,29,30,32,35,36,38,41,46,50,54,
55,58,60,63,65,67,70,71,75,77,80,85,90,95,
100,115

圓棒

D

2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,
19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,
33,34,35,36,37,38,40,42,43,44,45,46,48,50,
55,60,65,70,75,80,85,90,95,100,105,110,
115,120,130,140,150,160,170,180,190,200

機械結構用
碳鋼鋼材

S45C-D
(冷軋鋼)

圓棒

D

2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 6,7,8,9, 9.5, 10,11,
12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,
25,26,27,28,29,30,32,33,34,35,36,38,40,
42,44,45,46,48,50,55,60,65,70,75,80,85,
90,95,100,105,110,115,120,125,130

S45C

扁鋼

t

3, 4.5, 5,6,8,9,10,12,16,19,22,25,30,32,38,50

S50C

扁鋼

t

6, 9.5, 12.7, 13,16,19,22,25,27,32,38,
45,50,55,65,75,85,95,105,115,125,135,
145,155,(165),(175),(185),(205)

方鋼

12.7, 13,16,19,25,28,32,38,44,50,55,
65,75,90,100,110,120,130,155

但是該標準尺寸由JIS規定,并不代表實際流通狀況。而且流通狀況也會因時事情況而改變。因此請使用材料制造商的手冊等確認材料的形狀和尺寸。

 

 

總結

SS400、S45C是作為機械、結構用材料使用最多的材料,S50C是繼它們之后使用較多的材料。甚至可以說“在想用金屬制作部件、機械時,首先作為備選的就是SS400和S45C”。請學習材料的基本性質,靈活用于設計吧。

 

 

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