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1-4耐蝕鋼

      

1-4耐蝕鋼

耐蝕性是指材料對於空氣、水、酸、鹽或其他化學環境下所產生破壞的抵抗程度。鋼鐵材料應用極廣,但是耐蝕性不佳是其缺點,尤其台灣氣候溫濕,因此耐蝕性特別重要,除了使用各種覆面或塗裝技術,*基本的方式還是必須改善鋼的性質。
在鋼中添加Cr和Ni可以增加鋼的耐蝕性。鋼的耐蝕性主要隨Cr的含量而增加,一般耐蝕鋼的分類,含Cr量在12%以上之Fe-Cr合金,幾乎不會被侵蝕稱為不銹鋼,含Cr量在12%以下之Fe-Cr合金,則稱為耐蝕鋼,但實用上提到耐蝕鋼仍是以不銹鋼為主。
在大氣及海水環境中,鋼之耐蝕性隨Cr量的增加而增加,含Cr量在12%以上,就幾乎不會發生腐蝕的現象。不銹鋼能耐蝕的原因,是因為Cr能在鋼的表層形成一種緻密的氧化鉻膜,可以阻隔鋼料內部的氧化作用,因而可以防止一般大氣環境下的腐蝕。但是鉻鋼在強酸例如:硫酸、鹽酸的環境,這層氧化膜就會被破壞而喪失了耐蝕性。
鋼中含Ni時在酸性環境中的耐蝕性,在含有硫酸及鹽酸的環境中,可以發現,鋼之耐蝕性隨Ni量的增加而增大,由此可知,一般環境下使用,不銹鋼只需添加Cr,就可以防止發生腐蝕的現象,然而在特定環境下(例如:硫酸、鹽酸中)使用,就必須再添加Ni,才能達到防蝕的目的。
一般除了鑄造用途的不銹鋼之外,不銹鋼因其合金成份可以大致可以區分為:Cr系不銹鋼、Cr-Ni系不銹鋼。如果以晶體結構組織上來區分則可以分為:肥粒體系、麻田散體系、沃斯田體系、析出硬化系等。前者分類較為簡單,但是就應用上來說,後者更有意義,因此目前材料學上對於不銹鋼的的分類,大多以後者為主。
簡單來說,添加合金元素會改變材料的平衡相圖,並進而影響其機械性質,加上熱處理的實施又決定於相圖的變化,因此形成了各類不銹鋼不同的特性。例如:添加Cr、V、Ti量的增加會使沃斯田鐵相區減小甚至消失,因此變成相圖除液態外均以肥粒鐵相為主;如果添加Ni、Mn、Co等,則會擴大沃斯田鐵相區,結果即使在室溫下,穩定相仍可能為沃斯田鐵相,這兩種情況,都幾乎沒有淬火效果,通常不實施熱處理。此外,如果加上碳的影響因素,則可能產生以熱處理增加強化效果的麻田散體系及析出硬化系不銹鋼。

1-4-1 肥粒體系不銹鋼

由於鐵中添加Cr會使沃斯田相區縮小,並且當Cr含量超過13%時,各種溫度下將只有肥粒鐵相存在。但是因為鋼中還有碳的存在,碳會與Cr形成碳化鉻,而消耗一部分鉻,大致上1%C必須要1%Cr結合,所以如果純為肥粒鐵結構,實際含鉻量必須增加。大體而言,當含Cr在16%以上且C含量在0.12%以下時,此類低碳高鉻不銹鋼,又稱為肥粒體系不銹鋼。
肥粒鐵系不銹鋼的含碳量極低,約在0.12%以下,含Cr約16%~18%,耐蝕性優良而且質軟易於加工,但機械性質較弱,可以作為汽車內裝、廚房設備、建築等,是一類具有磁性的不銹鋼。此類不銹鋼屬於400系列,以430不銹鋼為代表,其他如:405不銹鋼、446不銹鋼等都是,在JIS編號為SUS430、SUS 405等。

1-4-2 麻田散體系不銹鋼

上述低碳高鉻的不銹鋼,當含碳量增加或是含鉻量較低時,則其高溫固相時沃斯田鐵區就會存在,此時將此類高碳高鉻鋼加熱到沃斯田鐵區(γ區),再淬火下來,就可以得到麻田散鐵的組織,這樣的不銹鋼雖因Cr量減少而耐蝕性稍差,但是具有優秀的機械性質,稱為麻田散體系不銹鋼。
麻田散鐵系不銹鋼的含碳量約為0.1%~0.4%,含Cr約12%~14%,如果要與肥粒體系不銹鋼細分,也可以用另一種方式來判斷:
      [%Cr-17%C]13 .…..肥粒體系
      [%Cr-17%C]13 …...麻田散體系
麻田散體系不銹鋼的淬火溫度為950~1000℃,在合金含量較多的情況下,甚至以氣冷就可以達到淬火的目的,淬火之後再行回火,回火的實施通常採用100~180℃的低溫回火。
麻田散體系不銹鋼價格便宜,硬度、強度佳,但耐蝕性略差,可以作為刀具、軸承、閥門零件、外科手術刀等,是一類具有磁性的不銹鋼。此類不銹鋼也屬於400系列,以403、410不銹鋼為代表,其他如:431不銹鋼、440A不銹鋼、440B不銹鋼、440C不銹鋼等都是,在JIS編號為SUS431、SUS 440C等。

1-4-3 沃斯田體系不銹鋼

前兩類的不銹鋼雖各有其優點及應用範圍,但是都是屬於鉻系不銹鋼,鉻系不銹鋼的缺點就是在酸性環境下(尤其是硫酸、鹽酸等),耐蝕性**,因此必須添加Ni,以抵抗酸性環境的侵蝕。當添加Ni量約8%以上時,常溫下也是沃斯田鐵組織,這樣的不銹鋼稱為沃斯田體系不銹鋼,是不具磁性的系列。
沃斯田體系不銹鋼防蝕能力甚佳、質軟加工性良好,但無法以淬火及回火來增加硬度及強度,通常施以冷加工來增加硬度及強度。含Cr18~20%、Ni8~10%而含C量少於0.2%的Cr-Ni系不銹鋼是沃斯田體系不銹鋼中*具代表性的鋼料,通常稱為18-8鋼。
18-8不銹鋼的缺點是在500~900℃高溫時,晶界附近的鉻會與碳形成碳化鉻析出,使得晶界附近產生缺鉻的現象(稱為貧鉻區),因此易發生粒間腐蝕(intergranularcorrosion)的現象,這樣的現象在銲接工作或熱處理等場合時常發生,因此必須注意。
有效改良的方法是:
(1)處理時儘快通過此溫度。
(2)添加其他合金元素以抑制Cr的消耗。例如:Ti、Nb、Ta等,均可以和碳結合成安定的碳化物,而不會再影響鉻。
(3)降低含碳量。含碳量小於0.03%時,碳就只固溶於沃斯田鐵而不會與鉻形成碳化物,例如銲接時,使用低含碳量的304L不銹鋼焊條,就可以避免粒間腐蝕的現象發生。
沃斯田鐵系不銹鋼的��途很廣,不但對各種環境的耐蝕性優良,而且具有極高的低溫韌性,可以作為化工儀器零件、熱交換器、核子處理設備、液態氦的容器等,有時也應用於較優良的不銹鋼餐具,是一類不具磁性的不銹鋼。此類不銹鋼屬於300系及200系,以304不銹鋼為代表,其他如:301不銹鋼、310不銹鋼、316不銹鋼、347不銹鋼、202不銹鋼等都是,在JIS編號為SUS301等。

1-4-4 析出硬化系不銹鋼

這類型的不銹鋼是由沃斯田體系不銹鋼改良而來,它的成份與18-8鋼相似,只是Cr及Ni量稍減,另外添加了Al、Cu、Mo、Nb、Ti等。
析出硬化是一種熱處理上強化材料的方法,它的方法通常是,添加有助於生成析出物的元素,經過淬火熱處理後,得到麻田散鐵組織,然後再利用一種稱為時效(aging)處理的方式,使硬的金屬間化合物析出於材料基地,以得到極高的機械性質。
一般析出硬化系不銹鋼在固溶後淬火於常溫時,仍是全為沃斯田鐵組織,因此柔軟易於加工,在加工完成後,必須再實施一次中間熱處理(intermediateheat treatment),此時Ms點約在0℃~15℃之間,藉深冷處理(subzerotreatment)以得到麻田散鐵,回火後經兩次時效處理,就可以得到高強度。因此添加Al、Nb等元素的目的,即是在於促使生成析出物。綜合此類不銹鋼的強化的方式,可以知道其為固溶強化、加工強化、麻田散強化及析出硬化的組合。
析出硬化系不銹鋼具耐蝕性,即使含碳量很少也可以有很強的機械性質,一般用於飛機零件、高級彈簧、模具等。此類不銹鋼屬於600系列,以631不銹鋼為代表,630不銹鋼也屬之,在SAE編號中還有633不銹鋼(AM 350)、634不銹鋼(AM362)等。此系列不銹鋼如果再添加Co元素,則可以提高Ms溫度至常溫以上並提高析出量。
 

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