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| 不銹鋼的種類與用途及耐蝕性 |
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| 金屬工業研究發展中心 劉曉嶺 正工程師 |
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不銹鋼的種類繁多，除了規格品外尚有許多鍊鋼廠的獨特產品，這些產品都是針對產業的特殊需求而設計應用於各類產業。在眾多規格中，我們可以從功能、成本、環境及資源的觀點來選擇材料。
1. 不銹鋼分類系統圖 不銹鋼的基本功能是具有耐蝕性。鐵中鉻含量在 11% 以上稱為不銹鋼。根據 JIS ，不銹鋼依其組織可分為 5 大類，即麻田散鐵系，肥粒鐵系，雙相不銹鋼沃斯田鐵系及析出硬化型不銹鋼。其中以沃斯田鐵系的種類最多用途最廣。 (1) 麻田散鐵系不銹鋼。 此類不銹鋼含碳量高，具耐磨性，通常用於切刀等。 (2) 肥粒鐵系不銹鋼。 含碳量低於麻田散鐵系，耐蝕性被加工性優於麻田散鐵系，耐蝕性與沃斯田鐵系相當，但被加工性、銲接性差。厚板之低溫韌性差，很少用於化學工業。 430 、 436 系用於家電及汽車排氣管， SUS444 用於電熱水器之槽。高 Cr 、高 Mo 之 445J2 、 447Jl 用於沿海之耐候建築用材料。 (3) 沃斯田鐵系不銹鋼。 沃斯田鐵系不銹鋼根據其功能可分為 7 類。耐孔蝕間隙腐蝕的不銹鋼，含 Cr 、 Mo 量高，並添加 0.2 ∼ 0.3% 之 N 。耐孔蝕指數 PRE(Pitting Corrosion Resistant Equivalent)=Cr ＋ 3.3M 0 ＋ 20N ， SUS 836L 為此類之代表。高 Mn 高 N 非磁性高強度鋼用於電子產業用的彈簧。遮蔽中子的不銹鋼則以 304L 為基材，加入 1% 之 B ，作為核廢料儲存容器。 (4) 雙相不銹鋼。 約 50% 肥粒鐵及 50% 沃斯田鐵的雙相不銹鋼組織，含鉻量高，另含 Mo 及 N 。其特徵是其高耐蝕及高強度，高強度是由於結晶微細。 (5) 析出硬化型大銹鋼。 630 系添加銅，固溶化處理形成麻田散鐵，時效熱處理 (470 ∼ 625 ℃ ) 後析出微細 Cu 化合物。 631 系是在 SUS301 中添加 Al 及 Cu 固溶化處理的組織為沃斯田鐵，熱處理或冷間加工後形成麻田散鐵組織，在 450 ∼ 550 ℃ 時效硬化。 660 系， 716 ℃ 時效時在沃斯田鐵基地析出γ ′ ，適用於 700 ℃ 以下之高溫材料。 2. 高耐蝕不銹鋼 一般環境中，不銹鋼表面形成鈍態膜的保護而具有優異的耐蝕性，可長期維持金屬光澤，在廚房機具、建築及鐵道車輛等廣泛應用。但是惡劣的環境下鈍態膜會受到破壞而發生腐蝕現象。必須根據不銹鋼的腐蝕型態選擇適當的鋼種，一般說來，在中性環境中不銹鋼發生孔蝕、間隙腐蝕。強酸中發生全面腐蝕。氯化物環境中發生應力腐蝕。 (1) 耐孔蝕、間隙腐蝕不銹鋼。 孔蝕、間隙腐蝕是由於鹵素離子，尤其是氯離子在潮溼環境中，氯離子局部破壞鈍態膜，並深入腐蝕形成孔洞，在金腐表面形成孔洞，或是在螺絲、螺帽鎖緊處造成間際腐蝕。孔蝕與間隙腐蝕的機構是相同的。抑制孔腐、間隙腐蝕從材料面考量是要選擇具有強化不銹鋼鈍態膜的合金元素，如 Cr 、 Mo 、 N 等含量高的鋼種。材料耐孔蝕的指標 PI 值 (Pitting Index)=%Cr+3 × (%Mo)+l6 × (%N) ，其中 N 項僅適用於沃斯田鐵系鋼種。汽車零件或建築外裝採用 430(17%) 改良鋼， 430JIL(l8Cr-Cu-Nb-l0w C 、 N) ， 436JIL(19Cr-0.5Mo-Ti/Nb-LowC) ， 436L (18Cr-1Mo-Ti/Nb/LowC,N) 這類鋼除具耐蝕性外，因 C 、 N 不純物低，微量 Ti 、 NB ，因而被加工性及銲接性佳。又由於肥粒鐵系不銹鋼熱膨率小，施工上有利，適用於大型屋頂， 445J2(22Cr-2Mo-Ti/Nb-Ti/Nb-LowC,N) 、 447J1(30Cr-2Mo-Nb-LowC,N) 。在以氯氣殺菌儲水槽由於氯離子濃縮及 PH 值低的嚴酷環境，應用沃斯田鐵與肥粒鐵雙相不銹鋼 329J 4L (25Cr06Ni-3Mo-N) 。 (2) 耐強酸全面腐蝕。 銷酸等氧化性強的酸會形成安定的鈍態膜，但是對於鹽酸硫酸等則鈍態膜不易維持，不銹鋼表面全面快速腐蝕。硝酸濃度在 70% 以下時， 304 系已足夠，濃度更高時使用 l7Cr-14Ni-4Si-Nb 含 Si 量高的鋼種。銲接施工，為防止硝酸中之粒界腐蝕使用 SUS 304L 系。低濃度硫酸或是超 90% 以上之高濃度硫酸使用 304 系， 306 適用於低於 20% 之常溫硫酸，通常中濃度硫酸，不銹鋼容易發生嚴重的全面腐蝕。添加 Mo 、 Cu 之 329J 4L 雙相不銹鋼可有效抑制。 (3) 耐氯化物應力腐蝕龜裂。 在局部腐蝕與張應力的雙重作用下之龜裂，為沃斯田鐵不銹鋼特有的現象。在氯化物、高溫高壓水、苛性鹼的環境中。為防止應力腐蝕龜裂，在環境上要降低氯離子及溶氧濃度。在加工上要除去銲接時之殘留應力，要避免應力集中，同時也要特別注意容易造成敏感化及殘留應力的銲接部。在材料方面要使用對抗應力腐蝕龜裂的添加 Si 、 Cu 及增加 Ni 含量的鋼，如 315J1 、 315J2 等。
不銹鋼的強化機構 1. 固溶強化。 金屬中合金元素固溶的方法有二，介入型 ( 如， C 、 N 等原子直徑小的元素介入原結晶格子的間隙 ) ，置換型 ( 如， W 、 Mo 、 V 、 Si 等取代原結晶格子的位置 ) 。 304 中增加 N 量可有設增加其強度。一般 304 含氮量 0.04% ， 304N1(0.1 ∼ 0.25%N) 、 304N2(0.15 ∼ 0.30%N) ，含 N 量增加 2 ∼ 7 倍，強度可增加 1.5 ∼ 2.0 倍。 2. 析出強化。 在母材基地中析出碳化物、氮化物等高硬度粒子的方法。利用析出硬化的不銹鋼稱為 PH(precipitation hardening) 不銹鋼。根據母材之基地組織可分為麻田散鐵等與沃斯田鐵系兩種。 17-4PH(630) 麻田散鐵系不銹鋼含 Cu 約 4.0% 、 1050 ℃ 高溫為 Cu 原子固溶於沃斯田鐵中，淬火冷卻變態為麻田散鐵， Cu 過飽和固溶，之後在 450 ∼ 480 ℃ 析出硬化處理，在麻田散鐵的基地中析出高硬度含銅析出物。固溶化時之硬度為 Hv350 ，析出硬化後達 Hv450 。 17-7PH(631) 為半沃斯田鐵系不銹鋼，固溶化處理後具加工性。固溶化處理後，繼續冷卻至 -70 ℃ 形成麻田散鐵，或是固溶化處理後冷間加工形成麻田散鐵，之後再經 510 ℃ 析出硬化 ( 析出 NiAl) 、沃斯田鐵狀態降伏強度為 280N/mm 2 ，析出硬化處理後可達 1,520 ∼ 1,790N/mm 2 。 3. 加工強化。 鋼材經冷間塑性變形，具有加工強化的作用。另外，沃斯田鐵系不銹鋼由於冷間加工的沃斯田鐵化而強度更大幅增加。不銹鋼加工強化之硬度隨著壓延率增加而增加。 4. 結晶微細強化。 退火軟鋼的降伏強度受肥粒鐵結晶粗度的影響，結晶愈微細強度愈高。而且結晶微細強化，並不會損及鋼材的韌性。例如，結晶粗度 300nm 的沃斯田鐵系不銹鋼其強度可為一般的兩倍。 5. 麻田散鐵強化。 SUS 440C (13%Cr,l%C) 為所有不銹鋼中可達到最高硬度的鋼種。 (Hv640 ∼ 700) ，屬於麻田散鐵系。麻田散鐵系不銹鋼藉著調整其固溶碳量及回火溫度調整其強度。
冷間壓造不銹鋼 1. 根據 JIS G4315 冷間壓造用不銹鋼線，沃斯田鐵系有 9 種，肥粒鐵系及麻田散鐵系各有 2 種。 2. 沃斯田鐵系不銹鋼具耐蝕性、低溫韌性、高溫強度及非磁性的特點，常用於螺絲業。螺絲壓造時鋼材最重要的特性為加工時的變形抵抗。沃斯田鐵系不銹鋼加工硬化性大，變形抵抗高，因而冷間壓造性低於碳鋼或肥粒鐵系、麻田散鐵系不銹鋼。沃斯田鐵不銹鋼變形抵抗高的原因除了原本不銹鋼就高之外，另有冷加工所引起的麻田散鐵變態而硬度增加。 3. 為提高沃斯田鐵不銹鋼的冷間壓造性，添加 Ni 、 Cu 元素，使沃斯田鐵安定。另外，減少 C 、 N 、 Si 等固溶強化元素，降低非金屬介在物含量。 305 、 305J1 、 384 為添加 Ni ； XM7 、 304J3 為添加 Cu 的不銹鋼。 4. 肥粒鐵系不銹鋼具有加工性佳，熱膨脹係數小，耐蝕性佳等優點。為增加肥粒鐵系不銹鋼的冷間壓造性，減少 C 、 N 、 Si 、 Mn 等固溶強化元素，另外減少不純物介在物，結晶微細化。肥粒鐵系不銹鋼之再結晶粒度，與冷間加工率，熱處理溫度相關。冷間加工率低時 (5 ∼ 10%) ，會因熱處理而結晶顯著粗大，但加工率超過 20% 以上時則無此現象。 5. 麻田散鐵系不銹鋼在退火狀態時，質軟具良好的冷間加工性，之後再經淬火回火提高硬度。淬火後的硬度由 C 含量決定。 Si 、 Mn 固溶強化元素、介在物的降低，晶粒的控制為有效提高冷間壓造性。
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