鋁擠型簡介

之前提過設備常用的金屬材料之一就是鋁合金，

鋁合金因為有質輕、不易鏽蝕、易回收利用等特性，在各行各業都用很多，

例如一般消費者經常接觸的飲料罐、電子鍋內鍋、炒菜鍋、雪平鍋、杯子等等。

交通工具上汽車輪圈、自行車車架的鋁管、零件、輪圈、水壺架等等，

醫材、運動器材的高壓氣筒、鋁管、零件等等，

建材門窗骨架、電子業散熱片、外殼等等，

至於鋁合金材料在設備上的使用主要有四種形式：

塊材加工，銑削、鑽孔、研磨等；

板材加工，雷切、鑽孔、折彎、焊接等；

擠型應用，切斷、鑽孔、組裝等

鑄造件，銑削、鑽孔等；

至於鋁合金棒材幾乎沒看過用在設備結構上，

設備上用到圓棒狀、圓柱狀、管狀的材料幾乎都是用SUS303、SUS304、SUJ等，強度、精度跟耐磨性比鋁合金棒、管好很多。

鋁擠型算是在各行業應用機會都很多的材料，

在設備常用在精密度要求不高的設備機架結構上，如下圖示：

圖片來源：東野精機網站，連結

鋁擠型材斷面例，

圖片來源：東野精機網站，連結

鋁擠型被廣泛應用的原因有：

1. 模具簡單、便宜

2. 加工長度幾乎只受場地限制，結構用的鋁擠型通常是4米或6米

3. 斷面形狀設計變化多，可兼顧強度、外型、後續組裝等需求

4. 擠型後加工可進行陽極處理、烤漆等表面處理表現不同顏色且在一般應用情況下不易腐蝕

5. 其它…

早期設備的鋁擠型多從日本進口，例如日本的SUS，有非常多種鋁擠型材相關產品，網站連結，時至今日其產品種類還是遠超過台灣廠商。

圖片來源：SUS網站

另外像設備五金常用的日本三住MISUMI也有各式各樣的鋁擠型材可以選用，網站連結。

圖片來源：MISUMI網站

後來陸續有不少台灣廠商投入生產、設計，如連結：工商快訊，鋁擠型廠商。

在第一家公司上班時，因為輸送機設備用到的鋁擠型量很多，仿日廠設計找了台灣廠商(鋰隆)給修改過的斷面圖製作需要的鋁擠型。

這種模式其實很多，

給斷面，報模具價，談年用量跟計價方式，只要有一定的量其實算經濟實惠。

除了設備用的機架等，

其它包括建材的鋁窗、踢腳板、溫室玻璃房骨架、運動器材、散熱鰭片都可以作，

隨著投入廠商越來越多，產業的發展也逐漸變大，也逐漸轉移到中國大陸去生產、製造，甚至研發應用到很多家居用品，

模具費用也越來越有競爭力，

現在已經很少聽說用日製品，品質好，但是貴…。

甚至一般消費者上拍賣網站就可以買到鋁擠型跟相關配件，

收到零件再自己組就可以。

鋁擠型風行的原因跟良好的相對低溫成型流動性有很大的關係，

可以設計出支撐性強、質輕的斷面形狀應用在結構支撐用途上，

以下是設備上常拿來用的6、8系列鋁擠型斷面：

以上圖片來源鋰隆公司網頁：連結

這些斷面幾乎已經是工業標準，很多情況下多家廠商的鋁擠型混著用可能都分不出來^_^。

後來比較常參考設計使用的是東野，東野是易發精機的子公司，

易發作設備用到很多鋁擠型，就乾脆設一家公司作鋁擠型，

還可賣其它廠商，分攤模具、設備費用，

材料量大也更好談進料成本，

東野的鋁擠型相關產品選擇比鋰隆多，提供有斷面尺寸、2D圖面跟3D模型可以下載使用，

註：

1. 易發跟東野都是用Inventor作設計。

2. 東野鋁擠型網站：https://www.efc-tono.com

東野另外有提供機架組裝，也有延伸至鋼管焊接機架的製作、設計服務。

其它鋁擠型廠商有的是從材料業進來作，

也有從代理銷售轉過來作鋁擠型，

或是代工製作機架、輸送機跨過來作鋁擠型，

或掛牌賣跟提供設計、組裝服務，

畢竟對岸現在有很多製作廠商有設備可以接斷面設計圖製作。

鋁擠型的製作可以參考如下影片：

How are Aluminum Extrusion Made?，連結

實際上不同廠商規模不同，能夠處理的最大斷面、長度不同，擠出後的拉直尺寸精度控制、材料時效處理、陽極處理、表面烤漆等會有不同。

也有專門模擬分析軟體可以跑模具的“擠出”過程模擬，如下影片：

鋁擠流動模擬，連結

鋁擠型當結構件算是經濟實惠的選擇，

不過相對價格並不會比鋼管焊接結構便宜、穩定、耐振動，

在使用上還是有點其適合的應用領域，

精密設備上很少會用鋁擠型當底座，精度跟穩定性還是遠比不上鋼管焊接加上花崗岩平台的結構，

更多是用在外框、輸送機、精密度要求不高等的結構應用上。

Autodesk Helius Composite 的使用 _ 資料庫

 在剛完成 Autodesk Helius Composite 安裝後，

首先會建議切換使用單位到孰悉的單位，例如公制單位。

從功能表 File 下的 Preferences：

但是...

在瀏覽器列 My Data 下是一片令人沮喪的空白，

尤其是對初學者來說，要自己建立複合材料性質簡直是噩夢一場。

其實 Helius Composite 有一筆範例資料庫可以參考使用，

載入該資料庫或其他以往建立的Helius Composite 資料庫的步驟如下：

1. 從功能表 File 下找到 Import Directory：

2. 點選對話視窗的資料夾按鈕：

3. 找到 C:\\Program Files\Autodesk\Helius Composite 2017\Data 這一個資料夾

4. 有了資料夾路徑後，點選 Import ：

5. 就可以載入系統中預設的資料：

這裡面的資料區分成幾大類，對於有複合材料背景，應該一看就知道這些類別的意義：

Thickness / Angle Templates：

可以儲存經常使用的層(Ply，可以想像就是一張"布")材料厚度與層數量及各層方向性範本，

一層(一張布)跟多張布以不同纖維走向排列如下圖示：

圖片來源：BICERANO & ASSOCIATES

這對走量產型的公司很有幫助，因為常用的材料與疊層就是那些組合，例如第一筆點選 "Edit" ：

會看到總共有 24 層 Plies，第1到8層厚度都是 0.127mm，纖維方向分別是

 45 _ 0 _ -45 _ 90 _ 45 _ 0 _ -45 _ 90的排列，

然後重複總共3次，形成 24 層"布"跌在一起，

像飛機的疊層數有的結構會高達 128 層，若是以上述的0.127mm厚度去疊也不過16.256mm厚。

總之瀏覽器中的 Thickness /Angle Templates 目的就是儲存常用的疊層厚度、層數與角度排列範本。

Fibers (纖維) ：

複合材料主要有兩大組成，膠水 ( Matrice) 跟骨材 (Fiber)，

其中骨材就是主要用來承受力量的材料，例如碳纖維、玻璃纖維、Kevlar纖維，或者是金屬線、陶瓷線等等，在 Helius Composite 中主要考慮的是長纖。

例如其中的碳纖維 T300 & T800：

兩者的主要差異就在於強度 +S1(軸向拉應力) & -S1(軸向壓應力)，

所以 T800 只需要一半的斷面積，0.283709 mm2(T800) vs0.470967mm2(T300)就可以達到相同的強度，

但是其楊氏係數是差不多的。

Matrices(基質)：

纖維要能夠使用必須靠可固化的膠水將其固定，也就是 "Matrice"。

常用的材料主要就是環氧樹脂，或者是其他熱塑性塑膠。

Laminas(單層)：

將包含 Fiber (纖維) 的 Ply (層) 跟 基質 (Matrice) 混合在一起固化後後就是 Lamina (單層複合材料)，不過實務上不會只使用單層複合材料，材料方向性差異太大了，如下圖 T700碳纖維加上環氧樹脂厚的材料性質 。

Metals (金屬)：

單純就是紀錄一般材料，除了金屬其實也可以放其他材質。

裡面只有一個 Ti-64Al-4v。

Cores (芯材)：

有些受力行為主要在表面會有很大的應力，因此會使用較便宜、質輕的中空材料當作芯材，

例如蜂巢板等。

Laminates(積層板)：

將多片 Lamina 依據不同纖維走向排列疊起來就是 Laminate。

產生新的 Lamina：

應用上，可以建立 Fiber 、 Matrice的材料性質，然後利用 Fiber 跟 Matrice 產生新的 Lamina，

例如：

就可以產生一筆新的 Lamina 材料性質：

這個功能對在 CAE 軟體來說很好用，知道纖維跟膠水的性質，跟組成比例就可以幫忙算出材料性質在做模擬時輸入使用。

而且資料可以輸出給 CAE 軟體使用：

產生新的 Laminates：

有了 Lamina 跟 Thickness / Angle Templates 就可以很快速的產生新的 Laminate：

完成設定後，可以輸出成 Lamina 的材料性質，

也可以產生材料性質給 CAE 軟體使用：

包括產生漂亮的圖表：

這些雖然都是小工具，對專業的碳纖維技術人員來說絕對有其他方法或工具可以幫忙計算出材料性質資料，但是不可否認還蠻方便的。

後面另外在這紹產生資料後，Helius Composite 還可以拿這些資料做甚麼應用。

熱膨脹的簡單計算

機械與電子等元件設計使用上會考慮到熱膨脹主要有以下幾種狀況：

1. 有顯著的溫升。
2. 精密尺寸要求。
3. 利用熱膨脹的元件設計，例如雙金屬材質溫度感測彈片
4. 其他。

要估算熱膨脹的影響需要考慮兩大因素：

熱膨脹係數與尺寸。

機械上常見的材料包括有碳合金鋼、鋁合金、不鏽鋼、工程塑膠等等，
不同材料與微結構(非晶、結晶、晶格型式)都會有不同的熱膨脹係數，
有些材料甚至會有熱"收縮"的狀況，
合金鋼中甚至有一種“不變鋼”，或稱INVAR、因瓦合金、恒範鋼、殷瓦鋼…，
透過適當的鎳比例(36%左右)與晶相控制，可以讓材料在一定溫度範圍內擁有很少的膨脹、收縮變型。

要評估熱膨脹的影響一定要先取得材料的熱膨脹係數，以下為常見材質的熱膨脹係數：

名稱	線膨脹係數
	um/m-℃
鋁	21~24
杜拉鋁,Duraluminum,A7075	23
純鐵, Iron	12
碳鋼,Steel	10.8~12.5
灰口鑄鐵, Cast Iron Gray	10.8
SUS304	17.3
SUS310	14.4
SUS316	16
恒範鋼,Invar	1.5
英高鎳合金,Inconel	11.5~12.6
銅	16～16.7
銅鈹合金	17.8
康銅,Constantan	15.2~18.8
蒙納合金, Monel	13.5
壓克力	68～75
尼龍, Nylon	50~90
尼龍66，Nylon 66	80
PI, Kapton	20
Epoxy	45~65
GFRP	36
天然橡膠,Caoutchouc	66~69
橡木,Oak	54
花崗岩, Granite	7.9~8.4
水泥, Concrete	13~14
混凝土	9.8
磚, Brick	5
石灰岩,Limestone	8
鑽石	1.1～1.3
Glass	9
Glass, Pyrex	4
Macor	9.3
石墨, Graphite	4~8
雲母, Mica	3

由表中可以觀察到塑、橡膠類的膨脹係數大於金屬、陶瓷類材料。

通常知道尺寸跟熱膨脹係數後，就可以做簡單的熱膨脹量估算，如下範例：

條件描述：
室溫 25℃製造，長度750 mm長的鋁材，從室溫移到大太陽下升溫到 60℃。

尺寸：750 mm = 0.75 m
溫度差： 35 ℃，
熱膨脹係數： 21 um/m-℃，

熱膨脹量是 0.75*35*21 = 551.25 um = 0.55125 mm，

對一些精密的元件來說，0.55mm = 55 條的變形量已經不是可以輕易忽略的數值。

用 Inventor Nastran 模擬的結果如下圖示：

末端熱變形位移0.5525mm

實務上元件上的溫度分布會有各種因素影響而不是那麼均勻，

因此透過 CAE 軟體算出溫度分布，

再把溫度分布結果拿來算變形量所得到的結果自然會跟簡單使用均溫來計算更貼近真實狀況；

CAE軟體導入應用，可模擬上述的溫度分布，再將溫度分佈拿來模擬結構變形量、應力計算，
這幾年 CAE 軟體所謂的多物理場應用確實幫助很多產品設計上越來越精巧，
成本、良率獲得更佳的改善與控制。

另外有一篇介紹計算加熱功率的簡單說明可以參考：加熱功率需求簡單計算

參考：
1. 熱膨脹係數，Wiki
Linear Thermal Expansion Coefficient of Materials ，Engineering Tool Box
熱膨脹計算，湯本電氣
2. 不變鋼，Wiki

如果文章對您有幫助，歡迎以小小代價請作者喝茶：

氣浮材料說明：CMT Materials METAPORE BF100AL

第一次找到 CMT Materials METAPORE BF100AL 這個材料是源自於真空吸盤的應用需求。

需求如下：
1. 可以產生均勻吸力
2. 可以加工
3. 加工精度希望可以到 100mm 內平面度 +-0.005mm

因為有平面精度上的要求，一般真空吸盤常用的膠質材料就不列入考慮。

剩下的就是陶瓷、金屬兩種。

選擇金屬(鋁)的原因是相對陶瓷材料好處在於：
1. 可以買素材進行加工，不需要開模，設計上形狀、溝槽等比較有彈性可以作測試
2. 小量制作比較容易
3. 比較不容易受到撞擊碎裂

缺點是耐溫、耐磨性都比陶瓷差。

但是因為種種因素考量，後來無疾而終，沒有真的去設計製作進行測試。

後來是因為在氣浮用途上再次考慮使用，
同時另外找到還有石墨材質也可以用在氣浮上，
但是石墨材質只找得到 Newway Bearing 直接以成品形式提供，
價格不斐！

選擇 CMT Materials 的 BF100AL 材料，
是因為台灣有兩家材料廠商很早就有引進在用*1 ，
也找得到加工廠商有加工處理經驗，
因此就以 BF100AL 為主要氣浮載台設計上的材料選擇。

氣浮材料通常多以顆粒(粉末)狀原材加壓(pressed)、燒結(sintered)或黏著而成，
利用顆粒之間的間隙讓氣體通過，達到透氣的效果。

像BF100AL，以原廠網站說明是以鋁材顆粒加環氧樹脂黏著而成，
性質上就像是鋁金屬顆粒+塑膠的複合材料，
適當使用加工刀具可以進行材料的切割與移除，
也可以避免加工過程中的力量與溫升造成切削粉末、黏著劑堵塞、黏著在顆粒之間的空隙。

素材有15、20、30、60等厚度，長寬500x500，其他尺寸要訂製。

素材使用鋸切割時，因為部分孔隙會堵塞，建議要銑削移除掉六面表面0.5mm，以恢復透氣性。

加工以銑削為主，
表面可以再加以研磨，以取得平整細緻的表面，
建議使用手工或震動進行乾式研磨，砂紙使用400/600/1200號依粗到細逐漸研磨平整。

加工後可以以中性清潔劑清潔，再以清水沖洗到無泡沫，清潔後以 80~100度 C 烘乾 3小時。

洗淨時也可使用 33KHz 超音波 15分鐘加強效果。

有關材料的性質主要考慮兩大因素：
1. 機械性質
2. 透氣性

機械性質包括密度、彈性係數、破壞強度等，如下圖表：

圖表來源：Metapor

透氣性可以參考以下圖表：

圖表來源：Metapor

空氣流量 vs 壓力與材料厚度

基本上的原則就是：
1. 厚度越厚透氣性越差
2. 壓力越大透氣量越大
要注意的是相關性質是非線性的，
在 CFD 軟體中可以輸入相關資料進行氣流量與壓力分佈的模擬。

Ref
1. 代理商新懋資料：網頁
2. 原廠CMT透氣性材質資料：網頁
1. METAPORE BF100AL 加工要求：CMT網頁
2. 基本性質參考：ABIC網頁

靜電產生與材料性質的關係分享

前面有一篇提到除靜電裝置的簡介，靜電與除靜電裝置摘要分享
裡面有提到靜電產生主要來自於“磨擦”，
對"摩擦'產生靜電的印象來自於：
元件 A 跟 B 在相接觸表面上產生相對運動，
在相對運動發生時，元件 A & B 之間發生材料移轉的現象，
被移除或附著上的材料上可能會帶有些許的電荷，
如材料是絕緣性材質，電荷無法移動，因此就會在元件表面累積電荷而產生靜電。

但是其實若從更小的尺度來說，
當絕緣材料 A & B 從原本的接觸到分離時，
微觀上分子、離子、電子可能從材料 A 移到另外一邊的材料 B 上，此時也會發生電荷累積*1。

所以從國中自然科課程中應該都有學過的化學元素週期表來看：

圖片來源：元素週期表網站

在這個元素週期表中，我印象最深刻的就是：
除了惰性氣體以外，右上角的元素搶電子的能力比左下角強。

雖然在材料中這些元素都已經變成是化合物，
但是還是會影響電子的分布狀態，所以在化學/生物上會有一些氫鍵、凡得瓦力等存在分子之間的偶極力。

圖片來源：台大化學系，分子間作用力

這些力量有可能在當兩個元件互相接觸、分離過程中，造成微量的電子產生轉移，

圖片來源：Wiki，Triboelectric effect

比如一邊是有帶氟化物的聚合物，例如鐵氟龍 ( Teflon )，一邊是聚乙烯 (Polyethylene)，
兩個聚合物在接觸、分離之間就會產生微量的材料轉移，造成靜電的產生*2。

最近就碰到一個要解靜電的例子就跟以上的觀念有很大的關係，
機構上原本使用抗靜電氟化橡膠 VITON 跟材料接觸，但是靜電值居高不下，
不管機構接地與否、加大除靜電氣量、調整方向改善效果有限，
拿著靜電量測裝置順著機構走一次，發現靜電就是在材料 A & B分離那一瞬間飆高，
靈機一動，拿一般的 NBR 橡膠(絕緣)材質作測試，分離瞬間產生的靜電值反而很低！！！

抗靜電材料在分離時產生的靜電竟然比絕緣性材料還高，而且還高出很多？？？

重新檢視材質，猜想應該就是氟化橡膠中"氟"的影響，
搶電子的能力太強了，所以在材料 A&B 分離的瞬間，搶走更多的電子，才會造成靜電值大幅飆高。

這也是一種難得的經驗，原來從接觸、分離的行為就可以產生靜電，根本不需要摩擦，
此時的材料的基本組成成分的分子間作用力會有很大的影響。

真的是活到老學到老...

Ref.
1. Mechanism of Triboelectricfication, Triboelectric effect, Wiki
2. MEURIG W. WILLIAMS, What Creates Static Electricity?, American Scientist.
3. Meurig W. Williams , Triboelectric charging of insulating polymers–some new perspectives,

非設備常用其他材料分享：工具鋼

自動化設備上設計很少會去用工具鋼，
主要原因是工具鋼比一般碳鋼貴，沒有需要多花這個錢！

工具鋼相對一般鋼材的特色在於經過適當熱處理後的"硬度高"！

一般的應用上，設備機構設計上用到的元件主要功能是支撐與固定作用，硬度其實並非主要的考慮因素；
比較會考慮到硬度是像滑動、滾動這類的應用，這類應用會使用軸承鋼，例如 SUJ2 或 SUS420 作熱處理；
或者是鎖線性滑軌的軌道座，通常也是使用中高碳鋼鍍硬鉻處理，有量就用鑄鐵。

所以會使用到工具鋼，一般都是模具(沖、切、刀等)居多，
或表面會有經常性接觸、滑動的夾治具、探針等；
模具、夾治具刮表面平滑無刮擦傷就可以防止產品被模、夾治具的刮痕刮擦傷，
利用高硬度的工具鋼可以降低模、夾治具表面被產品、異物刮擦傷的機會，
提高與產品接觸的使用次數(壽命)。

工具鋼常見的有 SK、SKS、SKD等 。

如果是要用在工具機上的高速鋼又是另外一種考量(高溫下的硬度維持能力)，通常是 SKH、HSS等鋼材。

不同鋼材在不同處理溫度下可以獲得的硬度可以參考以下：

圖片來源：雙合鑫股份有限公司網頁

一般人平常容易接觸到的美工刀片，
通常使用比較便宜的高碳鋼(會生銹)，依上表硬度可以作到 HRC 58 ，
若使用不銹鋼 SUS420J(比較不會生銹)，硬度就只剩 HRC 56，
若使用高速工具鋼(SKH)，硬度就可以到 HRC65，硬度已經到莫氏硬度 6 *1，
但是刀尖尾端部份因為需要磨尖銳，磨的過程會升溫，如果沒控制好溫度，沒有再經過熱處理，硬度有時會降到剩 HRC 4x，
所以不要小看美工刀，一份錢一份貨，好材質、好的製造品質控管的美工刀片硬度相對控制得比較好，使用壽命自然會比較長。

參考資料：
*1. 硬度對照表，工業設計

機械設備零件用材料：軸承鋼

鐵金屬應該是人類歷史上到目前為止研究與使用最多的材料，
近幾十年製造技術突飛猛進，
包括熱處理、表面處理、材料科學跟微結構的研究技術都有很大的進步，
除了傳統的熱處理與表面處理技術的精進以外，
表面鍍膜技術可以為鐵金屬基材表面加上不同材料塗層，也可以發揮不同性質功能，
因此即使在塑膠、鋁合金與複合材料等新材料快速發展下，
各式各樣的合金鋼、鑄鐵以及不銹鋼依然被廣泛應用在各種產品與工程領域上。

鋼材中有一種特別開發應用在滾動、滑動應用上的特殊鋼材就是軸承鋼。

不論是滾動還是滑動，或者是兩者混合、間歇性的元件相對運動，
在兩個元件接觸表面上的硬度越高、硬度越接近，光滑表面的摩擦阻力通常愈小，元件的使用壽命也越長，
這對產品使用期限內的保養、維修等成本影響很大，
壽命長就不需要經常維修更換軸承、滑軌等；
像在自行車高級輪組花鼓就會強調使用陶瓷軸承，
轉動更順暢跟持久，很多支持的使用者親自體驗也的確有其效用。

軸承元件接近或超過使用壽命會使設備運轉的精度很降低，
生產品質與能力會因此大幅下降，再用下去甚至會發生故障，
轉動、滑動阻力變大，甚至卡死不動；
設計上查看軸承、直線軌道型錄資料，
可以發現除了要計算靜態、動態可承受的力或力矩極限之外，
主要的計算項目就是在使用壽命上，
預估軸承可以使用的壽命。

使用壽命上主要受兩種破壞現像的影響，
磨損跟疲勞！
另外一種是腐蝕，受環境變數影響更複雜，在這裡不討論。

磨損主要就是元件在相對運動過程當中，
逐漸且緩慢的由硬材料將軟材料表面一點一點移除的現象，
通常會產生刮痕跟造成間隙等。

疲勞是力量反覆的施加、移除，
次數多了以後，在材料表面與內部微結構中的裂痕或瑕疵擴大到產生破壞，
設備上的很多破壞都是因為振動的往復作用造成疲勞破壞，
另外一種就是滾動鋼珠的重複受力 - 釋放所造成。

有趣的是，結構承受各式負載時，
常常會因為有彎矩、扭矩作用，
在結構表面相對中心會有較大的應力，
因此透過提高表面硬度來提升材料強度，
可以改善磨損與疲勞這兩種破壞現像。

所以針對鋼材表面進行不同的熱處理改變材料表面的性質，
以獲得較高的硬度來加強抗磨損與提高疲勞強度，
在結構材料上很常見的強化方式。

其他的方法如鍍硬化層或表面研磨也都會有不同程度的改善效果，
但是在使用量很大的鋼材上，
熱處理與表面處理改善表面性質一直是最主要且成本相對低廉的方案。

註 1.
使用S45C、S55C、SUJ2進行高週波處理，高週波處理(高溫析出)的深度可以達到 1~3 mm，鍍硬鉻厚度 15 um以上，材料等於有三層，中心的母材、邊緣 1~3 mm的改質厚度，表面數十微米的硬鉻材質 (HV 850)。

這些熱處理靠得是對鋼材加熱後，使鋼材中的合金成分，例如碳析出，
使得材料在微細結構上產生更多的扭曲變化、差排，產生預應力等，
使得微觀上材料的移動需要更大的力量，
使表面材料的硬度大幅提高。

首先成份中，碳成分比例夠高才足以發揮析出硬化的效果，
所以軸承鋼基本上會以中高碳鋼為基本母材，
像低碳鋼跟熟悉的 SUS304 作熱處理都很難有表面硬化的效果，
不鏽鋼系要使用像 SUS420 等非奧斯田鐵系的才能作熱處理當作軸承鋼；
軸承鋼並不是素材加工完表面就會有高硬度，
加工後還需要熱處理使材料成分析出或加入其他材料成份來改變材料表面的硬度。

從日本山陽特殊鋼跟NSK等查到使用的軸承鋼資料有：
SUJ1 (ASTM 51100)、
SUJ2 (ASTM 52100)、
SUJ3 (A 485-03，Grade 1 & 2)、
SUJ4、SUJ5 (A 485-03，Grade 3)
這些軸承鋼都屬於高含碳量 (0.9~1.1%) 的鋼材，
可以直接用在滑動或滾動軸上。

中碳鋼(co0.17~0.56%如 S53C、SCM420、Scr420、SNCM220、SNCM420、SNCM815等，
可以用在滾動軸承座、線性運動軸承上，
在表面進行硬化的同時又可以保有核心材料的結構強度，適合應用在一些大型線性軸承、壓延機上。

不銹鋼系軸承鋼如 SUS420J2、SUS440C等，
可以提供比一般軸承對腐蝕性的抵抗能力，但是要注意的是比 SUS3XX 系列差很多，
應用在一些有限抗腐蝕需求環境如食品、藥製造設備跟醫療器材中。

各家鋼廠會針對其鎖定的產業應用開發適合的軸承鋼材，
在設備開發設計應用選擇各式軸承時要注意負載、材質是否洽當。


參考資料：
1. Sanyo Special Steel 型錄
2. Bearing Materials, NSK。
3. Steel for Bearings, University of Cambridge.
4. 福隆鍍硬鉻工業股份有限公司網站：高週波鍍硬鉻鋼棒。

其他設備常用材料介紹：
機械設備上的常用材料
工程塑膠
鋁合金
不銹鋼
鑄鐵

機械常用材料分享：鑄鐵

鑄鐵跟鐵、鋼的差別主要在於碳含量，
鑄鐵 > 2%，
鋼  < 2%，> 0.2%，
鐵 < 0.2%。

鑄鐵在鐵金屬應用上算是相當久遠的，

在西元紀年以前就出現過許多鐵製品，

除了少數以隕鐵為材料以外，
很多鐵製品都是以鑄鐵為基礎所製造的，
而且廣泛出現在舊大陸的非、歐、亞洲幾個文明中；
為什麼鑄鐵比鐵、鋼更早開始應用？
我猜原因應該是早期缺乏降低鐵水中碳含量的技術。

到了工業時代，冶金技術越來越好，
除了鑄鐵、鋼以外，
也加入更多其他非鐵金屬被應用在機械設備上，
有趣的是不同產業使用的金屬類型差異還蠻大的，

像客製化電子設備鋁合金用很多，

食藥工業用設備以不鏽鋼跟耐酸鹼工程塑膠為主，
傳統產業設備經常看到以“黑鐵”、鋼管、鋼板為主，
以上這些產業設備鑄鐵零件並不常見；
在工具機產業，不論車、銑、磨、刨、鑽，
基本構件都是以鑄鐵為主；
所以不同產業的工程師對不同材料的孰悉程度也差很多，其實是很正常的，
每每看到老師傅怪新進工程師或其他產業轉職的工程師不懂材料其實是很大的誤會。

在不同產業設備慣用不同的材料幾乎是一種常態，
不論是從成本或功能性考量皆然。

鑄鐵相對型材、板材、塊材有兩大優點：

1. 複雜形狀元件的加工製造程序比較簡單跟快。
2. 鑄鐵的材料阻尼較高，吸振能力較強。

這兩個特性對製造標準機台的工具機廠商非常重要，
工具機一個機型要開發好幾年，
壽命週期更長達 20、30年以上，
賣得好一年就是上百、上千台，
如果主要零件都要從塊材、型鋼銲接、組裝開始，製造的效率太低了，
以模具跟相對便宜的原材料來說，
鑄鐵在形狀複雜的大量製造金屬元件相對很有優勢。

第二個問題是材料性質，
除了前面提到的阻尼吸振特性以外，
對高精密加工能力工具機來說，
另外一個問題是材料的時效性。

銲接加工的銲材與材料局部溫度變動，
設備製作環境跟使用環境的溫度差異；
這些材料性質在溫度、時效上的變化都會影響到高精密設備的精密度。

這種情況下鑄鐵、花崗岩就有優勢。

其他優點包括：
密度稍微低一點 7.4(比鋼7.8略低)，
相同體積下的自重輕一點點。
熱膨脹係數比較小 9，鋼13、鐵12、不鏽鋼14～16、鋁23左右，單位是ppm-℃。

工業上常用的鑄鐵主要有兩種：
灰口鑄鐵 (Gray Cast Iron) 跟球墨鑄鐵 (Ductile Cast Iron)。

灰口鑄鐵的鐵型態主要是以波來鐵 (Pearlite) 為主，
碳以薄片狀的石墨存在，
大量的石墨薄片破壞了波萊鐵連續性，
造成灰口鑄鐵的強度不佳；
但是因為在薄片介面上的滑動磨擦現象，
使灰口鑄鐵有很好的材料阻尼特性，
在結構吸振上比一般的鋼跟球墨鑄鐵來得好。

球墨鑄鐵中鐵的型態以波萊鐵加肥粒鐵 (Ferrite) 為主，碳以小顆粒存在，對鐵組織的連續性影響較小，強度表現上相對灰口鑄鐵就好很多。

在車、銑、磨、鑽等設備上，
如果講究的是精密度，
灰口鑄鐵的吸振效果就很有優勢，
有機會可以吸收掉多刃切削造成的振動，
至於強度上的不足以功能設計的角度來看其實不是問題，
因為在強度表現上，相關設備通常更重視的是剛性強度而不是破壞強度，
在要求小變形的情況下，通常材料的應力離破壞強度通常還很遙遠，
所以灰口鑄鐵的抗拉強度其實不會成為問題。

至於像剪、沖、鍛、壓、刨等設備因為結構會承受很大的負載，
在結構應力上相對來得大，
因此在結構元件材料的選擇上就會以球墨鑄鐵為優先考量。

交通工具的鐵件除了鈑金、型鋼以外，
用最多的應該是鑄鐵件，
面對長期使用與負載要求，
用球墨鑄鐵應該會比灰口鑄鐵合適。

台灣常用的灰口鑄鐵有FC150、FC200、FC250、FC300、FC350，
球墨鑄鐵有FCD400、FCD450、FCD500、FCD600、FCD700，
後面的數字代表保證最小抗拉強度，
兩者的很明顯的在強度表現上，
球墨鑄鐵比灰口鑄鐵好很多。

其他相關介紹：
機械設備上的常用材料
工程塑膠
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不銹鋼
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軸承鋼

機械設備常用材料介紹：不鏽鋼(不銹鋼，Stainless Steel)

不鏽鋼這個材料在生活中就經常會碰到，

尤其是在杯子、廚具、鐵窗門、衛浴用品中都經常會碰到使用不鏽鋼的材料，

在台灣這些產品最常用到的不鏽鋼就是 SUS304，
因為顏色比一般鋼材的顏色白、亮，常常又簡稱為白鐵；

SUS 304的主要成份是鐵(72%~)、鉻(18%)、鎳(8%)，
因此又常常被稱為 18-8 系列的不鏽鋼，

其中的18-8 指得就是鉻跟鎳佔的合金成份比例。

台灣因為鐵窗、小吃攤販料理台、餐車跟鍋碗瓢盆、保溫杯都很喜歡用 SUS304，
人均使用量據說全球稱冠，
我覺得這是好事，
因為不鏽鋼表面不需要上漆，
材料又可以 100% 回收再利用，
可以說是非常環保的材料。

要注意的是 SUS 304 其實在抵抗含氯離子的侵蝕作用上並不好，
在國外有許多技術資料有特別提到這一點，
所以一些在靠近海邊的工廠、建築物在使用上要非常小心注意，
幾年前台塑集團在麥寮廠區發生許多泄漏事故，起因都是管路腐蝕所造成，
我猜可能是跟選錯 SUS304 使用有關？
當時在廠區管件使用材料規格如果沒注意到，
又想要省錢使用SUS 304可能就會因此鑄下大錯。

有一次拜訪一家桃園作船用五金、Pump的廠商，
他們就很厲害，知道在海上用的要用SUS316，
SUS316 抵抗氯離子、酸的腐蝕能力比 SUS304高很多，

但是SUS 316在國外海洋應用領域中據說僅算是入門級的不銹鋼。

在鋼鐵業，所謂的不鏽鋼其實有很多種，

根據鐵的組織*1可以分成奧氏田鐵系(Austentic)、肥粒鐵系(Ferritic)、麻田散鐵系(Martensintic)，

前面提到最常用的SUS 304，屬於 SUS 3 系列，

是 Austenitic Stainless Steels (奧氏田鐵系)的不鏽鋼，
特性是耐腐蝕、低磁性、高韌性，

近幾年有些保溫瓶、鍋具廠商開始使用耐蝕性更加的 SUS316來製作食用容器，
坦白說其實有點多此一舉，
如果要拿來煮的食物、喝的飲料連 SUS 304都頂不住會腐蝕的話，能吃嗎？

其他常用的還有 SUS303(圓棒)、SUS310(耐高溫腐蝕)等等。

因為SUS 304用量最多、最大，也最容易取得，所以先看 SUS 304，
SUS 304 料的型式很多，塊材、棒材、管材、板材都有，
由於消費性產品用很多，所以 SUS 304材料以板材型式用量最多，
如下表，冷軋鋼板有 60%，加上熱軋板就佔了 70%：

圖片來源：outokumpu, Handbook of Stainless Steel

根據最終加工的型式，SUS 304 板材常用的以下四種：
SUS 304 No.1：熱軋後酸洗，表面粗躁
SUS 304 2B：No.1 再調質軋延，表面光滑霧面
SUS 304 HL：2B 再以 #150~#200 砂布單向拋光，留下髮絲紋，零件設計上要註記髮絲紋直向的方向。
SUS 304 BA：拋光滾輪冷軋，表面光滑反光，有分單面跟雙面，單面比較便宜，零件設計上要註記亮面方向。

SUS 304相對一般鐵、鋼、鋁材料來說有很強的應變硬化特性，
再加上低磁性，一般加工機常用的磁性座吸不住，必需用夾具或改真空吸著方式固定，
在加工上比較困難，
加工精度也會比較差，
又不能作熱處理，
降伏、抗拉強度也比一般鋼材差，
所幸台灣這幾年因為用量大，
一般加工廠對不鏽鋼加工也逐漸熟悉，
加工的問題其實並不大。
至於SUS 316，除非是要求更高的抗腐蝕(酸、海水)、低磁性需求，
而且以熱軋板的價格來說，SUS 316比SUS 304貴五成左右，參考：連結
一般沒有特別需要是不會特別去用SUS 316，
SUS 316用最多的應該是在半導體、藥、食品廠的管路、閥件。

如果要銲接，最好使用SUS 304L或SUS 316L，
含碳量比較低，比較不會在銲接過程中因為碳析出造成銲道龜裂。


另外在設備上常用的是SUS 400系列，屬於麻田散鐵系，
有磁性、抗腐蝕特性比SUS304差，
但是可以作熱處理、硬度高、加工精度較SUS304高，
例如 SUS 431用在滑軌上、SUS 440用滾珠軸承上等等，
所以有很多號稱不鏽鋼材質的直線滑軌、軸承其實是使用SUS 4系列材質不鏽鋼，不是SUS 304。
但是也有少數要求耐腐蝕環境下的軌道或軸承會使用 3 系列的不鏽鋼製作，
例如 THK的 LM-HR系列：

其他還有很多因應不同用途開發的不鏽鋼鋼材，
多到我不知道要如何寫下去，
主要還是介紹設備上比較常用到的SUS 304為主；
對更多有關不鏽鋼資料有興趣的朋友可以參考參考資料連結的介紹。

其他相關介紹：
機械設備上的常用材料
工程塑膠
鋁合金
鑄鐵
軸承鋼

 參考資料：
1. Atlas Steels,  Stainless Steel Grade Datasheet
2. 中興大學，不鏽鋼材料
3. outokumpu，Handbook of Stainless Steel
4. NiDl，Design Guidelines for the Selection and Use of Stainless Steel
5. Research Gate，Handbook of Stainless Steel

Secant Modulus 正割模數

真的是學無止盡！

最近在查資料才發現有一個材料性質的專有名詞：Secant Modulus，正割模數。

正割模數跟彈性係數、楊氏模數的概念很像，
比較特別的是更適合用在塑膠材料上，
也就是塑膠材料在達到降伏強度時，
應力與應變的從零點到降伏點的直線的斜率，如下圖示：

圖片來源：Quora，連結

機械設備上常用的材料：工程塑膠

工程塑膠在除了五大泛用塑膠(PVC、ABS、PE、PP、PS)以外，
其他的工程塑膠相對鋼材來說，其實以單位重量價格來看算是貴的材料，
動輒每公斤都要幾百塊，甚至上千。

五大泛用塑膠一般會用在容器、纖維、管路建材、消費性產品上，
在特殊用途上若要使用，通常還需要不同的添加物跟製程，
所以就算一樣是PVC，價格也會不同，
例如抗靜電PVC板，一片1200x2400xt5 mm要價在NTD 6000以上，
重量約19公斤，換算重量計算單價要NTD 300/Kg，
比不銹鋼、鋁都貴得多；
早期 Takiron 抗靜電 PVC 板剛進台灣的時候甚至一片要NTD12000，
後來有出現很多廠商製作類似產品，價格才降下來。

在電子業中用到的塑膠會有電性、耐熱、結構強度等等各種要求，
尤其是在連接器上，經常會有許許多多"很奇怪"的工程塑膠，
例如 LCP，液晶高分子，一聽就是很高科技的東西。

還好在機械設備上相對會比較單純一點。

機械設備上零件的主要用途就是用來作為支撐，
所以如果會有特別需求，都是因為接觸產品、環境的特殊要求。

例如：

需要透明以便於觀察，所以就會用到 PVC、PC，甚至 PMMA等透光率較好的非結晶性塑膠材料。

需要用在高真空中的塑膠零件，就必須用到低吸水率的材料，
例如PE、PP、PFA等吸水率在0.01%，甚至以下的塑膠，
如果用上像尼龍吸水率高達2.5%，那就悲劇了，抽真空抽不完，
因為尼龍會把它吸收的水分慢慢放出來。

但是若需要抗靜電塑膠材料，尼龍就是很好的材料，因為會吸收空氣中的水份，
靜電荷在尼龍零件的表面時會比較容易透過水的微導電性慢慢的消散掉。

需要磨擦係數低會使用鐵氟龍 PTFE 或高密度聚乙烯 HDPE。

需要抵抗酸鹼溶劑等會用 PVDF、PTFE。

支撐上例如先前曾經提到過的要接觸晶圓、玻璃等材質，
需要有點耐磨耗的特性(硬度較高)，所以經常會使用到PEEK。


不過設備上一開始最常使用的塑膠應該是PVC，PE，在各種空壓管路、配件中都會出現。

在機械設備上比較常看到作為結構件的應該是 POM、PA6 (MC)、PTFE、PVDF、PEEK等等。

但是工程塑膠有一點很麻煩的是即使名稱相同，
不同廠商所製造出來的材料性質跟品質都會有所不同，
所以如果是大量使用或者是特殊要求，
建議要跟加工廠商及材料供應商確認材料的性質是否可以使用?
免得一旦出問題就要花更多時間成本去處理。

工程塑膠材料例如塊材(厚板材)或棒材或型材都是透過擠出製程生產出來的，只是模具不同，相對的越厚越大的其實越容易出問題，
中心跟邊緣以及頭尾 、中心段性質會不同，
台灣 、中國廠商有可能會將不合格料當次級品賣，
雖然不常見，但是只要碰上一次就很嘔了。

工程塑膠另外一個特色是可以混料 !
混料的情況就變得更複雜，
尤其是混纖維，有纖維材質 、使用比例 、纖維長度 、製造時流動造成的方向性問題等等，
講難聽一點，為什麼會有材料批號的管理 ?
因為每批都會有小差異 !!!

所以使用工程塑膠在設計上建立稍微多留點性質規格上的裕度會比較保險。

其他相關介紹：
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鋁合金
不銹鋼
鑄鐵
軸承鋼

工程塑膠_PEEK分享

參考網站：

Omnexus Properties
大同天文特殊鋼塑膠中英文名稱對照表
塑膠工業中心(PIDC)，以前有很多技術資訊可以檢索查詢，後來已經轉型成資訊是有價值的網站，可惜...
高成好料網：將塑膠分為：一般工程塑膠、高階工程塑膠、絕緣斷熱材料、ESD抗靜電基材四大類，有提供材料單價、加工參考費用等。

機械設備常用材料：鋁合金介紹

鋁合金有不易生鏽、強度重量比好等特性，
加上回收再製的經濟效率高，
近數十年來，在使用上取代傳統鋼、鐵材料的比例越來越高。

鋁合金在機械設備上的應用依據製造方式可以分為三種 :
板材或圓棒、擠型材跟鑄造材三種。

鑄造材在機械設備上幾乎都是用在作為現成標準品的材料，

鋁擠型連接件，使用ADC12
圖片來源：東野精機網站

少數有量或特殊需求才會用在自製零件上；

鋁鑄造機架
圖片來源：Google搜尋鋁鑄件圖片

擠型材多用在取代鋼管的型材構件，

替代鋼管型材用鋁擠型
圖片來源：東野精機網站

或者是氣缸管 、線性滑台基座等的零件；

氣缸本體為鋁擠型加工
圖片來源：氣立可型錄

鋁擠型除了在工業上的應用以外，在建材上也用很多，尤其是作為鋁窗的結構件；
另外一個用很多的是電子工業上的散熱器、固定用線槽、盒體等。
鋁擠型的表面除了可以作各種顏色的陽極處理以外，經常也會再上一層保護漆，
所以雖然是金屬材質，其表面經過陽極處理跟上漆以後幾乎可以說是絕緣的。

鋁擠型使用到的鋁材早期以A6063-T6為主，
後來 Misumi 在台灣導入鋁擠型產品時，以其使用更高級的材料A6N01S-T5為訴求，
強調A6N01S-T5的強度表現跟A6061-T6相近，
但是要注意所謂的強度是把材料用到瀕臨破壞時所能承受的極限負載能力，
但是一般在機械設計上更在意的是變型，而不是破壞強度，
從這個角度來看，用 A6063T6 跟 A6N01S-T5 根本沒有差別，
兩者的 E 值幾乎是完全一樣，在破壞前，兩者承受同樣大小的負載所產生的變型量可以說是相同的，
但是當初有很多使用者分不清楚破壞強度跟剛性強度的差異，
誤以為 A6N01S-T5 的剛性強度也會比較好，其實是被誤導了。

一般的零件設計主要用到的是塊(板)材，可以在其上進行各種切削、鑽孔、研磨等加工，
通常為了防止腐蝕、氧化跟美觀，會在表面進行陽極處理同時提高耐蝕性。
圓棒個人經驗很少用，以軸 、棒用途來說，用鋼材空心管在價格強度比上更划算跟習慣。


每一種材料的起始使用往往是基於某些特殊目的，鋁材也不例外。

鋁合金的開始應該是基於航空器的需求，
不論是太空船 、民航機或軍用機，機體重量決定了飛機很多重要的性能因素，
例如最大可飛行距離、最短可以降距離、燃油效率 、重量推力比...
所以鋁合金相對鋼鐵材料在航空器上具有在強度重量上的無比優勢，
一直到最近十幾年才被強度重量比表現更好的複合材料所取代。

鋁合金的使用從航空器開始後，
因為優異的強度重量比特性延伸應用到運動器材，
再普及到建材、電子消費性產品，
各行各業的使用越來越普遍，
有趣的是汽車 、機車這兩個產業，
鋁合金的使用主要在引擎跟部份非主要結構件上，
只在少數高性能訴求的車輛上才有看到用在主要的車體結構上，
例如 Audi 的等等；

Audi R8 Coupe車體結構使用材料
圖片來源：Google圖片搜尋R8 Coupe

至於機械設備領域上也經常會拿來用在各種零組件的製造上。

從前面一篇機械設備常用材料的簡介中有提到，
鋁合金材料在機械設備上使用最多的是 A6061-T6/T651，
主要機械性質如下：
比重：2.7 g/cc
楊氏係數：68.9GPa
蒲松氏比：0.33
降伏強度@0.2%：276 MPa
抗拉強度：310 MPa
疲勞強度：96.5 MPa
熱膨脹係數：23.6 µm/m-°C
比熱：0.896 J/g-°C
熱傳導率：167 W/m-K
熔點：582 °C
 潛變安全溫度上限： 150  °C
(582+273)/2=427.5，427.5-273=154.5 °C

A6061-T6 素材主要以板、塊材、棒材的型式為主，
A6061-T6 對機械設備的應用上可以說兼顧了價格 、強度 、表面處理、耐腐蝕 、容易取得等優點而被大量拿來使用，
在零件設計選用上要注意留預料給加工移除有瑕疵的表面，
例如最後的零件厚度要求是 12mm，素材就要使用 13 或 15mm 厚去銑除上下表面，移除瑕疵、作出基準平面；圓柱狀零件也要有同樣的考慮。

就像前面提到的，鋁合金的使用是從航空器開始，
在航空器上追求的是強度重量比，
因此除了A6061-T6 以外，航空產業經常使用的 A2024 跟 A7075 也會被設備業拿來用在一些強度要求比較高的情況下，
但是 A2024 跟 A7075 雖然強度好但是耐蝕性較差，價格也比較貴，
相對 A6061-T6 使用量少很多。

不過坦白說，如果是看變形量，其實這些鋁合金的差異都不大，

鋁材型號	A6061-T6	A5052-H321	A69	A5083-H321	A83	A2024-T351	A7075-T6
比重 g/cm^3	2.76	2.75	2.75	2.75	2.75	2.81	2.85
彈性係數 GPa	70	72	72	72	72	75	73
降伏強度 MPa	280	195	218	225	150	330	515
抗拉強度 MPa	315	230	267	325	29.5	480	585
破裂伸長率 %	12	12		16	22	19	11
硬度 HB	95	60	68	77	71	120	150
疲勞強度 MPa	100	120	127	160		140	160
熱膨脹率 ppm/℃	23.6	23.4	23.4	23.4	23.4	23.2	23.6

圖表資料：參考新懋網頁資料整理

鋁材型號與主要材料成份：
A1XXX：純鋁；軟，成型加工性、陽極處理效果最佳
A2XXX：鋁銅合金，耐蝕性不佳，強度高，常用在電線、航空器
A3XXX：鋁錳合金，成型性好、耐腐蝕，常用在鋁罐、影印機滾筒
A4XXX：鋁矽合金；熱膨脹係數最小、耐磨、耐熱，常用在汽缸頭、活塞
A5XXX：鋁鎂合金；耐疲勞、耐蝕，常用在消費性產品、船舶、車輛
A6XXX：鋁鎂矽合金；T6熱處理後強度很好，設備零件上應用很多
A7XXX：鋁鋅鎂合金；強度最佳，但陽極處理效果不佳，常用在航空器、軍事用途

所以除非在使用上有特別高應力的狀況發生會造成破壞，
或者是對硬度有額外的要求，
對一般結構件來說，便宜好加工的材料就是首選，
所以市場上相對便宜、容易取得的A6061-T6還是主流。

為了要節省上下兩面的加工時間與成本，
有廠商以船舶、車輛用的 5 系列合金像5052跟5083等雙面研磨後貼膜的板材給設備加工應用，

這種貼膜板，上下兩面已經經過研磨，平坦度可達0.2mm/m以下，
可以節省上下兩面的銑平、除瑕疵料加工作業，雖然貼膜板比較貴一點，
但是可以省掉這兩道的加工跟刀具耗損成本其實是划算的。
例如：
美鋁的MIC-6，群智鋁業
日本神戶鋼鐵、日本輕金屬的A69\A83，新懋

以一般的機械設計會使用到的材料來說，A6061-T6應該還是最主要的鋁合金，
如果加工協力廠商願意配合，貼膜板也是很好的選擇。

參考資料來源：
新懋鋁業、群智鋁業、大正鋁業

鋁材價格參考網站 :
BuyMetal.com
Midwest
OnlineMetals.com
Metricmetal.com
MetalsDepot
Alexandia Precision

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