2024/01/20
手工具設計指引

不都是鐵? 為何鋼鐵材料來源很重要?

工程師在選擇材料來製作手工具時,會考慮工具本身設計的目的。
換句話說,就是使用者在執行任務時,使用此工具所需用到的扭力?對應的對手件硬度多少?
扭力和硬度好像是工具離不開的宿命要求,但這跟選什麼材料有什麼具體差別呢?更精細來說,鋼種選用主要考量以下項目:
 
硬化能 (Hardenability):我們要如何知道此材料可做到多硬? 
小小離題一下,其實依據材料系教科書所說,重點不是硬度而是淬火後麻田散鐵的量的多寡,而產生麻田散鐵多寡的能力也可說是材料可否容易變硬的能力。硬化能愈大代表鋼在淬火時,硬化深度愈深。但影響鋼的硬化能的因素有很多,例如 晶粒大小、碳化物分布、組成均勻性、鋼材化學組成。
工程師會依據工件尺寸及調質後硬度要求,對比鋼種的 "硬化能曲線",評估鋼種硬化效果的合理性。
Jominy Curve
(Jominy Curve, Source: https://www.sciencedirect.com/)

工件特性:考慮合金元素對於工件可附加的額外特性。什麼是額外特性? 
有玩過RPG都知道,主角拿的劍名字都很帥氣且有很多附帶效果,例如以下的 三百壯士專用之茅。諸君,看那一整排額外特性阿!! 
我們這邊說的特性其實是差不多很多的東西。

(source: Diablo )

所以什麼是工件特性呢?
就是目前鋼鐵合金材料的萬用招(只用一招):加入合金元素。
比如有耐磨耗性能可考慮添加鉬;有韌性需求則添加鎳;有扭力需求考慮添加矽、釩。
以下快速照抄課本範例:
矽(Si):具強烈的固溶強化效果,可增加工件扭力特性。
錳(Mn):可提供調質後的基礎強度
鎳(Ni):除了提高硬化能外,藉細晶效用可提升工件韌性。
鉻(Cr):可提供調質後的基礎強度。
鉬(Mo):藉析出強化來提高硬化能及改善疲勞壽命及耐磨耗性。
釩(V):藉析出強化提高硬化能及抗扭轉變形能力。
 
事實上在製作手工具時,挑選材料還有商業上的考量,例如成本要低,因為太貴沒人買得起…
材質要穩定,不能每批來料都不同。這樣熱處理廠長會做的很厭世。
還有大量需求時,交貨期要短。小量需求時,各種尺寸要能提供。(中鋼表示,你當我是7-eleven還是Costco)
 
這也是為何天藝工程師在選擇材料時,還是持續選擇台灣製的材料,並以中鋼集團為主要選擇。
雖然台灣鋼鐵不是最便宜的,但我們不希望提供給客戶是每批產品的硬度差異非常大,或扭力表現很不穩定。很多國外便宜的鋼鐵其實都是一分錢一分貨,少加高貴合金元素你是很難看出來。(你說原廠有材料證明? 這又是另外一個故事了)
考慮到產品的穩定壽命,高扭力,高硬度和高韌度。我們還是繼續堅持提供最穩定和最高CP得台灣鋼製造的台灣手工具。

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