不銹鋼之所以有優良的防銹性和抗腐蝕性,在于不銹鋼表面的Cr易與大氣中的氧生成Cr2O3的致密鈍態氧化膜2,將大氣中的水氣及氧阻絕在外,保護基材不繼續受氧化影響而腐蝕,即使材料本身受到外力或化學方式破壞表面,Cr2O3也能迅速再生成。
除耐蝕性之外,不銹鋼亦具有耐熱性、耐高溫腐蝕性、高溫強度等優點,另一方面不銹鋼機械性質雖不如碳鋼,但加工硬化現象較碳鋼為高,因此常使用加工硬化來達到強度的要求。
導磁性部分,一般傳統觀念認識不銹鋼一定沒有磁性,甚至以此來判斷不銹鋼和碳鋼,但其實不然,在不銹鋼中,具沃斯田鐵相的不銹鋼才具有無磁性特點(但不包括冷作加工后的),肥粒鐵和麻田散鐵相的不銹鋼依舊具有磁性。
不銹鋼既為一高合金鋼,其成份影響材料特性甚巨,各添加的合金元素對不銹鋼的影響整理如下:
1、鉻Cr:
為不銹鋼主要的添加元素,一般在12%以上,因可生成Cr2O3鈍態保護膜,是不銹
鋼具耐蝕性較大的原因,Cr含量的增加,保護膜的穩定度也相對提升。能耐高溫氧
化及氧化酸,但還原酸(H2SO4、HCL)會溶去Cr2O3氧化膜使之無法重新生長,
故僅含鉻的不銹鋼在還原酸的環境中受腐蝕的速率仍高。另外Cr也是肥粒鐵相的
安定元素(Cr當量表示肥粒鐵相的安定度),使不銹鋼具有質軟延展性好、高溫強
度佳的特性。
2、鎳Ni:
鉻鋼中加入Ni可增強不銹鋼鈍態保護膜在還原酸中的耐蝕性,同時也是沃斯田鐵
相的安定元素(Ni當量表示),使高溫沃田鐵相在常溫仍繼續保持安定。另外增加
Ni的添加可減低不銹鋼的加工硬化性使之具有韌性。
3、碳C:
加入C可因原子間隙強化而提高不銹鋼的強度,同時是沃斯田鐵相的安定元素,但
因敏化(后述)的影響,而有局部腐蝕現象(晶界腐蝕),故以腐蝕觀點來看,宜
降低含碳量(0.03%以下),但會降低強度和硬度,此時可利用后續的加工硬化來達
到要求的強度,或添加N來改善(C:N = 1:2)。
4、硅Si:
雜質成份,可減少高溫時的銹皮產生、增加耐熱性、高溫強度佳、肥粒鐵相的安定
元素。
5、錳Mn:
提高強度、可取代Ni的添加(Mn:Ni = 4:1,可降低成本)、沃斯田鐵相安定元
素,但對煉制的過程來說,添加過多的Mn會嚴重侵蝕爐壁。
6、磷P:
雜質成份,一般在0.045%(0.04%)以下。
7、硫S:
雜質成份,一般在0.03%以下,但增加S可改善材料的切削性(因沃斯田鐵相不銹
鋼材質黏韌,切削加工性不良,亦會造成刀具的毀損,而S與Mn生成MnS紡錘
體組織的介在物,易切斷車屑)。
8、鉬Mo:
增加Mo可強化鈍態膜,有利于耐孔蝕,提高對氯離子的抵抗性;2%以上的Mo可
有效改善耐硫酸侵蝕的效益;另一方面亦增加硬化能4、肥粒鐵相安定因素。
9、銅Cu:
增加非氧化性氣氛的耐蝕性;3%以上的Cu有析出強化效果;降低不銹鋼加工硬化
效應,使之易冷作成形;但熱間加工性差、會發生熱脆化。
10、氮N:
沃斯田鐵相安定因素,增強常溫及高溫的強度(與C同),但幾乎不影響耐蝕性。
11、鈦Ti、鈮Nb、鉭Ta:
再鋼中取代Cr與C形成安定化的碳化物,減少Cr23C6的析出而產生缺鉻區(抗敏
化,鈦的添加量為Ti = 5(or 6) x C,0CR,或Ti = 5 x (C-0.02)),1CR。但Ti添加太多
時,在鑄造時容易堵塞鑄嘴。近年來由于低碳鋼種開發(xxxL),使得加Ti的使用
減少許多。
12、鋁Al:
晶粒細微化、析出強化效果。
13、硼B:
可增加Cu的固溶量:提高冷加工性。
14、硒Se:
改善切削性質。