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1 金屬材料 主題 : 不銹鋼材料 博士後研究員 : 謝之駿

2 不銹鋼的定義 什麼是不銹鋼? 不銹鋼是一般人對耐蝕性鋼材的通稱, 其確切的定義是 : 鋼液中鉻 (Cr) 含量大於 12% 的鋼材稱為不銹鋼

3 不銹鋼形成的原因 鋼材中鉻含量超過 12% 時, 鋼材中的鉻很容易與空氣中的氧在鋼材表面形成薄薄的氧化鉻薄膜的保護, 可以有效隔絕母材受到環境的侵蝕, 且薄膜受外力損傷後仍能很快的再形成新的保護膜, 這便是不銹鋼形成的原因 氧化鉻 氧 (O 2 ) 母材 ( 含鉻大於 12%) 鈍化膜厚度約 10~50 Å, 又 1 Å = 0.1 nm

4 1 張撲克牌 鈍化膜 3mm 不銹鋼片 3 mm 10 層樓

5 不銹鋼的優點 與其他的材料相比, 不銹鋼具有下列的優點 : 抗蝕性強 機械性佳, 加工容易 外表光亮 衛生, 容易清洗 無毒無害 在高溫及低溫環境仍具良好性質 多種表面品級, 提供不同應用領域 生命週期長, 低維護費用 綠色材料,100% 回收

6 不銹鋼 不銹鋼工業具有資本密集 技術密集 建廠時間長及產業關聯大等特性, 雖為特殊鋼產業之一環, 然而卻是特殊鋼產業中唯一可大量生產的鋼種 台灣在短短的 10 餘年間由全球不銹鋼第二大進口國, 轉變為世界不銹鋼平板類第七大生產國, 並有超過 30% 的不銹鋼產品外銷至全球各地, 成為世界不銹鋼的主要輸出國之一

7 由於鉻 (Cr) 元素的添加而鋼鐵表面形成透明的氧化鉻 (Cr 2 O 3 ) 保護層抑制氧化鐵的生成, 因此不銹鋼比一般鋼材具有更佳的抗腐蝕性及耐熱性, 在大氣中可常保金屬光澤, 台灣民間一般俗稱不銹鋼為 白鐵

8 在台灣地區的人民是全世界最喜愛使用不銹鋼的族群, 自 1995 起至今台灣已連續幾年每人每年的平均不銹鋼表面消費量高居全球首位 不銹鋼工業的快速發展亦著實改變人民的生活習慣, 近年來由於大量生產的因素, 不銹鋼在台灣成為物美價廉的工程材料, 不銹鋼的使用更深入每一個家庭, 舉凡家中食用器具 水塔 裝潢均大幅採用不銹鋼製品, 形成台灣特有的不銹鋼文化

9 不銹鋼的應用 消費材 投資材 汽車 刀叉 器皿 建築裝潢 餐廚用具 文藝雕塑 家庭用品 交通運輸 食品飲料業

10 馬來西亞吉隆坡市的雙子星塔 樓高約 452 m, 共採用 4000 多噸的 300 系不銹鋼

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12 全球不銹鋼產量分佈圖 單位 : 仟公噸 歐洲 美國 2,000 8,000 中國 800 韓國 1,500 日本 3,000 印度 800 台灣 1,400 巴西 300 南非 450 資料來源 :CRU

13 環保意識抬頭綠色產品掘起 環保意識高漲, 綠色材料受重視, 100% 回收的不銹鋼是最佳選擇 不銹鋼無毒無害, 大量使用在食品工業 餐廚具 醫療用及飲用水等領域

14 台灣不銹鋼製造廠一覽表 單位 : 仟公噸 公司名稱 廠址 產能煉鋼冷軋 備註 燁聯 岡山 1, 一貫作業 唐榮 小港 煉鋼, 冷軋 東盟 學甲 單軋廠 千興 麻豆 單軋廠 嘉發 楊梅 單軋廠 中鋼 小港 煉鋼, 熱軋 華新麗華 鹽水 長條類

15 全球前十大不銹鋼製造商 單位 : 仟公噸 公司名稱 產能 佔有率 ARCELOR 2, % Acerinox 2, % Krupp Thyssen Stainless (KTS) 2, % AvestaPolarit 1, % POSCO 1, % AK Steel 1, % YUSCO 1, % Allgeheny Ludlum % NSC % Nisshin % 資料來源 :CRU, AvestaPolarit, YUSCO

16 不銹鋼的分類與介紹

17 不銹鋼分類與用途

18 依添加之化學合金成分的不同可將不銹鋼分類為下列兩種 : 1. 鎳鉻系以添加鎳 鉻兩種合金為主,300 系之沃斯田鐵系及 600 系之析出硬化型不銹鋼皆屬之 就目前所使用之不銹鋼而言,600 系列應用並不廣泛, 故一般所稱之鎳鉻系不銹鋼即指 300 系不銹鋼而言 300 系不銹鋼含一定量的鎳 鉻合金, 不具磁性且能抗高溫腐蝕, 故其用途最為廣泛, 使用量亦超過不銹鋼總用量之半, 是最常見且大量生產的不銹鋼, 尤以 為最

19 2. 鉻系即所謂之 400 系不銹鋼, 化學成分中不含鎳或鎳量小於 2.5%, 包括麻田散鐵系和肥粒鐵系不銹鋼均屬之 通常在 400 系不銹鋼中因不含鎳, 故具有磁性, 但其耐蝕性則較 300 系不銹鋼差, 較不適用於腐蝕性環境中 但 400 系對氯化物 ( 例 : 鹽水 ) 的抗蝕性則較 300 系為佳

20 不銹鋼雖然種類繁多, 不過最常用的僅 SUS L 316L( 沃斯田鐵系, 不具磁性 ) 及 SUS-430( 肥粒鐵系 有磁性 ) 等幾種

21 不銹鋼依其產品形狀之不同可區分為條類及板類鋼材 1. 條類鋼材條類鋼材可再細分為線材 棒鋼及盤元等 一般線徑在 14mm 以下者稱為線,14mm 以上者則稱為棒, 盤元則因其經軋製後予以盤轉成圓形而得名 條類鋼材對延展性及密度之要求較高, 多使用於各式輥輪 機械設備 銲條 高壓管線等工業用途上

22 2. 板類鋼材此類鋼材可再依鋼材外形之不同而細分為鋼捲及鋼片, 一般上游煉鋼廠大多生產熱軋鋼捲, 經中游廠商加工而成冷軋鋼捲或直接裁剪為熱軋鋼片, 視最終產品之用途不同而定 板類鋼材通常要求表面光澤性, 因此在製造程序中需實施表面加工及熱處理等製程以獲得不同之表面光度

23 不銹鋼不具磁性的特質異於一般的鋼鐵材料, 而且又比 SUS 304 具更佳的耐蝕性更不易生銹, 因此在一般台灣民間均以磁鐵來辨識不銹鋼, 認為不具磁性的 SUS 304 才是真正的不銹鋼, 雖然此一觀念並不正確, 然而它卻已深植台灣民間

24 不銹鋼板廠的初級產品可區分為熱軋的 No. 1 產品及冷軋板 以目前國內不銹鋼板冷軋廠之初級產品而言, 由於退火製程的差異, 可區分為 (1) 退火酸洗線所製成之一般級冷軋品 (2B 或 2D) 與 (2) 光輝退火線 (BAL) 所製成之亮面冷軋品 (BA) 二大類

25 不銹鋼依其表面加工等級之不同可區分為 No.1 2D 2B No.3 No.4 #400 HL BA 等 此外, 尚有需經特殊處理而應用在特殊用途的硬板及彩色不銹鋼板, 但在用量上仍屬少數 國內對不銹鋼之生產以 No.1 2D 2B 最為普遍 ;BA 級在近年來亦有逐漸成長之勢

26 不銹鋼表面加工等級區分

27 2B 產品因經過酸洗, 表面呈霧面 ( 無發散光澤 ), 主要應用於沖壓加工, 製管及其他工業用途上 而 BA 產品具表面光澤可供下游客戶直接剪裁製成最終產品, 可應用於建築裝潢 廚具 電器 水塔

28 不銹鋼的加工性比較表

29 不銹鋼的物理性質

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33 沃斯田鐵系 (Austenitic series) 此系列之不銹鋼具低 中強度, 高抗腐蝕性, 高價格之特性 美國鋼鐵協會 AISI 300 系及 200 系不銹鋼屬之, 而以 302 為沃斯田鐵系之基本型, 其標準化學合金成分為 18% 鉻及 8% 鎳 沃斯田鐵系不銹鋼中以 304 之用途最為廣泛且為目前在應用上佔最大量之鋼種

34 304 不銹鋼耐蝕性佳 加工成型性優良 而且量產的技術成熟, 是目前全世界使用最大量也是最廣泛的不銹鋼材料 以台灣民眾使用習慣而言,73% 的不銹鋼為 SUS304, 國內的不銹鋼板廠亦是以生產 SUS304 不鋼板為主

35 沃斯田鐵系不銹鋼之族系關係

36 沃斯田鐵系不銹鋼的鋼種及化學組成

37 Type Austenite GB (CHINA) ASTM (AMERICA N) Austenite JIS (JAPAN) DIN (GERMANY) 1Cr17Ni7 301 SUS301 X12CrNi177 1Cr18Ni9 302 SUS302 X12CrNi188 Y1Cr18Ni SUS303 X12CrNiS188 0Cr18Ni9 304 SUS304 X5CrNi189 SUS304 00Cr19Ni10 304L X2CrNi189 L 0Cr17Ni12Mo2 316 SUS316 X5CrNiMo181 0 SUS316 X2CrNiMo181 00Cr17Ni14Mo2 316L L 0 SUS316 00Cr18Ni14Mo2Cu2 JIL X10CrNiTi18 0Cr18Ni10Ti 321 SUS Cr19Ni13Mo3 317 SUS317 X2CrNiMo181 6 SUS317 0Cr19Ni13Mo3 317L L 5Cr21Mn9Ni4N SUH35 5Cr21Mn8Ni2N 21-2N SUH37 2Cr21Ni12N 21-12N SUH37 0Cr18Ni11Nb 347 SUS347 X10CrNiNb1 89 Use Anticorrosion Heat-resistant Exhaust pipe High pressure stove pipe

38 麻田散鐵系 (Martensitic series) 此系列之不銹鋼具有高強度, 低抗腐蝕性及低價格之特性 美國鋼鐵協會 AISI 400 系中的部份不銹鋼及 500 系不銹鋼屬之 當中以 410 為麻田散鐵系之基本型, 其標準化學合金成分為含鉻 13% 此系列之不銹鋼具有磁性及高強度, 但耐蝕性較差, 故適用於需要硬度 耐磨 高強度但輕度腐蝕性環境之用途, 例如 : 醫用儀具 家庭用刀剪等

39 The microstructure of martensite as seen through a microscope

40 麻田散鐵系不銹鋼之族系關係

41 麻田散鐵系不銹鋼的鋼種及化學組成

42 Martensite GB ASTM JIS DIN Type (CHINA) (AMERICAN) (JAPAN) (GERMANY) 1-6Cr SUS410 X10Cr13 1Cr17Ni2 431 SUS431 X22Cr17Ni17 7Cr17 440A SUS440A Martensite 9Cr18 440C SUS440C X105CrMoV17 9Cr18Mo 440C SUS440C 9Cr18MoV 440B SUS440B X90CrMoV18 4Cr9Si2 HNV3 SUS11,SUH1 X90CrMoV18 4Cr10Si2Mo SUH3

43 肥粒鐵系 (Ferritic series) 肥粒鐵系不銹鋼具有強度低, 抗腐蝕性適中及價格低之特性 美國鐵協會 AISI 400 系中之部份不銹鋼即屬此類, 當中以 430 為基本型, 其標準化學合金成為含鉻 16~18% 此系列不銹鋼之抗應力腐蝕的性能十分良好, 尤其在氯化物的水溶液中相當抗蝕, 故適用於耐蝕用結構及耐高溫氧化之設備用途, 例如 : 餐 廚具等

44 肥粒鐵系不銹鋼之族系關係

45 肥粒鐵系不銹鋼的鋼種及化學組成

46 Ferrite GB ASTM JIS DIN Type (CHINA) (AMERICA N) (JAPAN) (GERMANT) Use Ferrite 1Cr SUS430 X8Cr17 0Cr13Al 405 SUS405 X7CrAl13 Y1Cr17 430F SUS430F X12CrMo17 0Cr18Mo2C a Cr17Mo 434 SUS434 X6CrMo17 Have a range heatresistance anti-pitting corrosion, always use in exhaust system

47 析出硬化系 (Precipitation-hardenable series) 此系列不銹鋼具中 高強度, 中 高抗腐蝕性及高價格之特性 使用時, 需經特別熱處理 美國鋼鐵協會 AISI 600 系不銹鋼屬之, 當中以 630 為析出硬化系不銹鋼中應用最多的一種 此類不銹鋼是在鎳鉻系不銹鋼中添加少量的 Cu Al Mo Co Ti Nb 等合金元素後, 經固溶處理, 加工成型後再行析出硬化處理, 具有優良的強度 耐蝕性和切削性, 適合製作航太工業等用的高精度元件

48 析出硬化型不銹鋼之鋼種及化學組成

49 Precipitation-hardening GB ASTM JIS DIN Type (CHINA) (AMERICAN) (JAPAN) (GERMANY Use 0Cr17Ni4Cu4N b 630 SUS630 Precipitat ion - hardening 0Cr17Ni7Al 631 SUS631 X7CrNiAl 177 anticorrosion very strong 0Cr15NiMo2Al 632 SUS632

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51 Duplex Type GB (CHINA) ASTM (AMERICA N) JIS (JAPAN) DIN (GERMANY) Use Duplex stainless steel 0Cr26Ni5M o2 1Cr18Ni11Si 4AlTi 00Cr18Ni5 Mo3Si2 SWEDEN 3RE60 A kerosene, petroleum, always use in heatresistance and acidresistance system

52 雙相不銹鋼的介紹 合金元素對雙相不銹鋼的影響 雙相不銹鋼之機械性質及物理特性 肥粒鐵含量對銲接性的影響 2205 DSS 顯微結構介紹 結論

53 前言 所謂雙相不銹鋼乃是藉由適當的提高鉻當量或降低鎳當量來控制不銹鋼中合金元素含量, 已得到約略相等比例之沃斯田鐵相與肥粒鐵相的組織, 為了提高不銹鋼的銲接品質, 而進一步的了解雙相不銹鋼的銲接特性, 應為工業界極為重要的課題之一

54 轉子 鍋爐材料 真空閥件 熱交換器 廢氣處理器 蒸氣渦輪機

55 Duplex stainless steel is a stainless steel that is composed of two types of compounds, austenite (white part) and ferrite (gray part).

56 雙相不銹鋼合金成分表

57 Effect of Nickel Additions Fe-Cr-Ni equilibrium diagram (schematic) 1000 C 400 C 200 C Ferrite or martensite Austenite % nickel Stabilises austenite More than 8% in austenitic stainless steels 4 to 7% in duplex austenite-ferrite steels

58 合金元素對雙相不銹鋼組織的影響 δ 相 stabilizer : Cr Mo Si γ 相 stabilizer : Ni C Mn N

59 雙相不銹鋼的機械性質及物理特性

60 δ γ 比例對機械性質影響

61 Series Items Tensile strength (KSI) Yield strength (KSI) Elongation (%) Hardness HB HRC ASS (302) Annealing CR 108~151 92~132 13~43 10~35 FSS (430) Annealing CR ~30 MSS (410) Annealing ~160 Tempering 118~ ~148 17~22 360~455 22~41 DSS (329) Annealing PHS Annealing (631) Hardening 200~ ~260 2~9 43~49 由上表可比較如下 : 1. 強度 : PHS>MSS>DSS>ASS>FSS 2. 延伸率 : ASS>FSS>DSS>MSS>PHS 3. 硬度 : PHS>MSS>DSS>ASS>FSS

62 Schaeffler diagram 30 Nickel Equivalent = Ni + 30 C Mn Austenite Austenitic alloys A + M A + F Duplex alloys Martensitic alloys A + F + M Martensite M + F Ferrite 0 Ferritic alloys 0 40 Chromium Equivalent = Cr + Mo Si Nb

63 WRC 1992 Diagram Nickel Equivalent = Ni + 35C + 20N Cu A AF FA F Chromium Equivalent = Cr + Mo Nb 100

連鑄棒

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