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2010.10.08張正文

燁聯鋼鐵研發部製程技術處

不銹鋼鋼種性質及其應用

2

內容大綱

一、不銹鋼的定義

二、不銹鋼的分類

三、沃斯田鐵系鋼種性質及應用

四、肥粒鐵系鋼種性質及應用

五、麻田散鐵系鋼種性質及應用

六、雙相不銹鋼性質及應用

七、不銹鋼主要使用特性對比

3


依 EN 10088-1之定義，鋼中至少含有10.5 wt％鉻且含碳量不超過 1.2 wt%時才稱為不銹鋼。

不銹鋼比一般鋼材具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「白鐵」。

4

不銹鋼耐蝕的原理鉻在金屬表面形成連續緻密的氧化膜(俗稱鈍化膜)。此鈍化膜可隔絕金屬與外在環境的接觸，所以具有耐腐蝕的功能。而耐蝕能力與鈍化膜的穩定性有關，這除了與不銹鋼的化學成份有關外，還與腐蝕介質的種類、溫度、壓力、流速等有關。

不銹鋼表面鈍化膜，可隔絕金屬與外在環境的接觸，與一般碳鋼塗覆材所不同的是，即使表面鈍化膜遭外力刮傷後，仍可自行修復而生成新的表面鈍化膜。

5

內容大綱








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1) 依美國鋼鐵協會(AISI)(American Iron & Steel Institute)以三位數來表示不同鋼種，可分為

200系 (201、202…)300系 (301、302、304、316…)400系 (410、420、430…)600系 (630、631…)

2) 依合金成份可分為鉻系 (400系 )鉻-鎳系 (300系、 600系、雙相鋼 )鉻-鎳-錳系 (200系)

7

3) 依金相組織可分為沃斯田鐵不銹鋼

(2xx、3xx)肥粒鐵不銹鋼

(4xx - 409、430、439、436、445)

麻田散鐵不銹鋼(4xx - 410、420)

析出硬化不銹鋼(6xx)

雙相不銹鋼(2101、2205)

8

不銹鋼

200系 300系 400系

沃斯田系

600系500系

鉻鎳錳系鎳鉻系鉻系低鉻系鎳鉻系

雙相系肥粒鐵系麻田散系析出硬化型

基本型：

302

基本型：

329

基本型：

430

基本型：

410

基本型：

630

不銹鋼分類架構圖

9

常見不銹鋼鋼種成分

<ASTM及JIS化學成份規範>鋼種類別 C Si Mn Ni Cr Mo Al N

ASTM 202 沃斯田鐵系 ≦ 0.15 ≦ 1.00 7.5~10.0 4.0~6.0 17.0~19.0 / / ≦ 0.25

ASTM 304 沃斯田鐵系 ≦ 0.08 ≦ 0.75 ≦ 2.0 8.0~10.5 18.0~20.0 / / ≦ 0.1

ASTM 316L 沃斯田鐵系 ≦ 0.03 ≦ 0.75 ≦ 2.0 10.0~14.0 16.0~18.0 2.0~3.0 / ≦ 0.1

ASTM 430 肥粒鐵系 ≦ 0.12 ≦ 1.00 ≦ 1.0 ≦ 0.75 16.0~18.0 / / /

JIS 420J2 麻田散田鐵系 0.26-0.4 ≦ 1.00 ≦ 1.0 ≦ 0.6 12.0~14.0 / / /

JIS 329J1 雙相鋼 ≦ 0.08 ≦ 1.00 ≦ 1.5 3.0~6.0 23.0~28.0 1.0~3.0 / /

JIS 631 析出硬化型 ≦ 0.09 ≦ 1.00 ≦ 1.0 6.5~7.75 16.0~18.0 / 0.75-1.5 /

10

內容大綱








11


沃斯田不銹鋼主要添加元素為鉻、鎳、錳，區分為200及

300系。

200系不銹鋼與300系不銹鋼同屬沃斯田鐵系(Austenitic

series)。300系不銹鋼保持沃斯田鐵組織的方法為加鎳，

而200系則減少鎳、鉻含量，增加錳、氮含量，以維持沃斯

田鐵組織的穩定性。

部份200系不銹鋼會添加銅，除能穩定沃斯田鐵組織，同時

能提高材料成型性。

燁聯2002年開始發展”新型200系不銹鋼”--YU1 (1%Ni)、

YU4(4%Ni)，此兩種鋼種並不符合ASTM或JIS等國際規範。

另於2004年成功開發符合國際規範之204(2%Ni)鋼種。

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3.1.1 化學成份

成分

鋼種Cr Ni Mn N C 其他

ASTMS20100 16.0~18.0 3.5~5.5 5.5~7.5 ≦0.25 ≦0.15 一

ASTMS20200 17.0~19.0 4.0~6.0 7.5~10.0 ≦0.25 ≦0.15 一

ASTMS20400 15.0~17.0 1.5~3.0 7.0~9.0 0.15~0.3 ≦0.03 一

YU1 14.2~15.3 1.0~1.5 8.8~10.0 0.13~0.18 0.07~0.13 Cu：1.2~1.8

YU4 14.6~15.5 4.0~4.5 7.5~10.0 0.03~0.08 ≦0.08 Cu：1.4~1.8

ASTM304 18~20 8~10.5 ≦2.0 一 ≦0.08 一

3.1 沃斯田鐵系鋼種性質比較

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3.1.2 機械性能

說明：

YU4 抗拉強度接近於304，YU1 則接近於301。

抗拉

強度

(MPa

)

伸長率(%)

YU1

YU4

降伏

強度

(MPa

)

YU1

YU4J1

J4

14

3.1.3 加工性能(深衝性與時效破裂)

說明：1. YU4(4% Ni)之深衝性接近於304。2. 當考慮時效破裂時，YU1(1% Ni)含量之深衝性有其極限。

k

15

3.1.4 耐腐蝕性能(孔蝕)

說明：1. Cr含量與耐孔蝕能力為正相關。

2. S含量與耐孔蝕能力為負相關。

孔蝕電位

(mV

/SC

E)

孔蝕電位

(mV

/SC

E)YU4

YU1

YU4

YU1

16

3.1.4 耐腐蝕性能(鹽霧實驗)

說明：在NaCl環境下，耐孔蝕性 304 > 430 > YU4 > YU1。

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橙色桃紅色桃紅色桃紅色

顯色結果

304204YU4YU1鋼種

(1)為避免用料上混淆,可利用簡易之判別液,經化學反應後之顏色不同,可有效判斷各鋼種之差異。

(2)判定液: 1M硫酸鎂,電解反應時間 : 10秒。

3.1.5 200系不銹鋼簡易鋼種判別法:

18

<不銹鋼最常用的表面加工>

•軋制表面加工

不銹鋼製造廠在軋機上生產

•抛光表面加工

不銹銹生產廠、專業表面加工廠或加工製造廠用研磨材料研磨表面

3.2 沃斯田鐵系鋼種產品應用

1915

軋制表面加工

表面品級：2D

製程：冷軋、退火、酸洗

板面：無光表面

資料來源：

20

新加坡室内體育館 (Kallang)

Cha

dwic

k Te

chno

logy

屋面：316不銹鋼， 2D表面

建成於1987

727

資料來源：

2116

軋制表面加工

表面品級：2B

製程：冷軋、退火、酸洗、整平

表面：平滑光亮

資料來源：

22

青馬大橋通往大嶼山（Lantau）的香港國際機場

Tow

nsen

d G

roup

O

utok

umpu

Sta

inle

ss

導風板: 316不銹鋼，2B表面

912

資料來源：

2317

軋制表面加工

表面品級：BA

製程：冷軋、光亮退火

板面光澤：光亮反射

資料來源：

24

厨房水池

洗衣機內槽資料來源：

2519

抛光表面加工

表面品級：No.4

製程：研磨粒度為120–150

板面光澤：白霧

資料來源：

26

巴黎地鐵14號線

公共區域易受損壞 – 所以不銹鋼成為地鐵站唯一可見的金屬

採用了No.4表面，磨料粒度為220

(一些不易損壞區域採用粒度為400 的更細的磨料打磨)

1035B資料來源：

2718

抛光表面加工

表面品級：No.8

製程：抛光至去除所有磨紋

板面光澤：鏡面

資料來源：

28

鏡面抛光的316不銹鋼–微凹漩渦狀圖案可防止反射

A C

heun

g K

ong

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ent

Faça

de e

ngin

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: M

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Faç

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Tech

nolo

gy (H

K) L

td

754

香港中環中心

資料來源：

29

公用產品•頻繁使用、大量觸摸的區域•遊戲區•服務電梯•行李傳送

火車站的座椅

紋理表面-雙面壓花

資料來源：

30

硬化處理，電化學着色，並在突出的地方進行抛光

蝕刻和喷塗

酸蝕刻

旋轉發動機圖案(電化學着色)資料來源：

31

Kle

in A

rchi

tect

ural

手工製作、平滑抛光成2B表面不鋼板捕捉人造光，呈現出複雜的圖案澳大利亞黄金海岸俱樂部資料來源：

32

法國南部 Calce 垃圾焚化廠

為使當地人能够接受，這樣的建築必須美觀

10,000m2 電化學着色成香檳色（淺棕色）的316L不銹鋼，厚度0.5mm

資料來源：

33

Phot

o: P

atric

k M

cCaf

fert

y

美國華盛頓空軍紀念碑

345噸焊接在一起的19mm厚316L不銹鋼板

資料來源：

342089

美國空軍學院的教堂克羅拉多洲

304 SS 屋面 / 外牆結構

建築造型向一排戰鬥機直衝雲霄資料來源：

35

建築外觀顏色隨天氣及時間而不斷變化呈現一幅生動的雕塑

Arch

itect

: Fra

nk O

.Geh

ry &

Ass

ocia

tes,

Inc.

威斯曼藝術博物館美國明尼阿波利斯

316＿No.4

347 資料來源：

36

1996年完工

建築師: Cesar Pelli世界最高的双塔大楼: 90層, 452米2400噸 2.5mm的316不銹鋼

Petronas Twins Tower

資料來源：

37

火車

All-stainless-steel train.（Northern Indiana Commuter Transportation District）

38

城市軌道車

Subway Car Interior Stainless steel car-body

39

內容大綱








40

Group 2

Cr:14%-18%

430、430抗菌

Group 1

Cr:10%-14%

409、410、420

Group 3Cr:14%-18%，Stabilized

430(Ti/Nb)、439，441

Group 4Add Mo

434、436、444

Group 5Others

Cr:18%-30%

445

The 5 Groups of Ferritic Grades

(by ISSF)


41

4.1.1 物理性質

4.1 肥粒鐵系鋼種性質比較

42

4.1.2 機械性質

43

4.1.3 抗蝕性質

44

4.1.4 成型性質-1 (成形極限圖)

45

4.1.4 成型性質-2

46

4.1.5 焊接性質

47

430-銲道金相

48

＊430(Ti/Nb)-焊接金相

49

汽車排氣系統零組件及使用鋼種零件名稱鐵素體奧氏體

亞洲歐美

1排氣歧管

429430J1L409L444

441439436

304XM15J1

2前管

430J1L436L409L

439441409

304321

3觸媒催化器外殼

409L430J1L429

439441409

304

4撓性管

304316XM15J1

5中心管

409L430410

439409430Ti

304

6消音器

436L409L432

409436430Ti434

304

7尾管

409L430

409430Ti

304

熱端廢氣處理

冷端減噪減震

1

25

4

3

6

6

7

4.2 肥粒鐵系鋼種產品應用

50

廚房用具

51

電器

52

熱交換系統

53

建築物

542050

447-29Cr/4Mo--日本關西國際機場屋頂

Japa

n St

ainl

ess

Stee

l Ass

ocia

tion

55

內容大綱








56

20世紀60年代初由International Nickel Company所開發。

麻田散鐵系不銹鋼最主要之性能特點為高硬度、高強度且耐磨性質良好，故常被廣泛使用於西洋餐具素材、手術器具。

麻田散鐵系不銹鋼依碳含量區分用途如下表：

C (wt%) 用途

< 0.15 同下(提高耐蝕性，韌性及改善加工硬化性)0.15~0.30 構造用零件、航空機用材、建築用材、食器、刀具

0.30~0.50 醫學材料、食器

> 0.50 工具、模具、儀錶、耐磨耗用零件


57Stress-strain curves for some stainless steels

5.1.1 機械性質

5.1 麻田散鐵系鋼種性質

58

(1)退火：使材料軟化以便後續加工以及調整組織。

熱處理種類：退火、淬火及回火

(2)淬火：麻田散鐵系不銹鋼可利用淬火及回火調整機械性質。因為麻田散鐵系不銹鋼含有較多難固溶的Cr碳化物(Cr23C6、Cr7C3)，所以淬火溫度必須採用變態點以上相當高的溫度。

5.1.2 熱處理

A1

800~920℃ 800~920℃

690-730℃15-30℃/hr 620~790℃

a.完全退火(約850℃) b.恆溫變態退火 c.低溫退火(約750℃)

1hr/25mm 1hr/25mm 2~6hr 1hr/25mm

600~680℃

59

(3)殘留沃斯田鐵(Rγ)與深冷處理：淬火後的工件內常存在α´與Rγ ，在常溫放置長久時間易引起裂痕的發生，此為Rγ發生變態、引起體積膨脹導致。深冷處理為促使不安定之Rγ變態成α´ ，讓Rγ即使進一步冷卻也無法再產生變態。

(4)回火：低溫回火(200~300℃)：為獲得回火麻田散鐵，主要目的為降低鋼中的內應力

和脆性，同時保持鋼的高強度、高硬度(HRC50)、耐磨性及抗蝕性。

高溫回火(600~650℃)：為獲得較好的機械性質和良好的抗應力腐蝕性質。

60

黑皮熱軋鋼捲完全退火鋼捲

α´

Carbide

410鋼種金相組織

α

淬火+回火

61

5.1.3 耐蝕性能

62

麻田散鐵系不銹鋼較肥粒鐵系不銹鋼之銲接性差。

因銲後冷卻過程中使沃斯田鐵相變態為麻田散鐵相，故銲接後造成體積變化/硬度提昇/韌性降低而造成脆裂。

避免麻田散鐵系不銹鋼銲接龜裂之有效方法為控制預熱。(碳含量0.1~0.2 wt%，溫度為200~300℃)

對於碳含量>2 wt%之鋼種，須注意銲後所引起的氫脆。

5.1.4 焊接性能

不銹鋼類型 A I S I 鋼種適合銲條403 , 405 , 410 , 420 , 414 410 , 309416 , 416SE 410501 , 502 502 , 310431 430 , 310 , 309

麻田散鐵不銹鋼

63

5.2 麻田散鐵系鋼種產品應用

64

內容大綱








65

Type 雙相鋼類型特點典型代表

I 節約型(低合金化)

低鎳 Ex. S32304

低鎳，含氮、錳 Ex. S32101

II 普通(標準)型中等程度合金化Ex.

S32205(2205)

III 高合金型高合金化

(高鎳、鉻)Ex.

S32550(255)

Ⅳ 超級型高合金化

(高鎳、鉻、鉬、氮)Ex.

32750(2507)說明：2205屬於標準型之雙相鋼。


66

S32101及S32205雙相不銹鋼介紹

1. 雙相不銹鋼是指組織中包含肥粒鐵相和沃斯田鐵相或是肥粒鐵相和麻田散鐵

兩相的Fe-Cr-Ni系合金，而且比例較少的那一相體積百分比不得少於30％。

2. 在雙相鋼區分種類中S32101屬節約型即低合金化，S32205則屬標準型即中程

度合金化雙相不銹鋼。

3. 2101是指其成份組成上約含21wt%的Cr以及1wt%的Ni， 2205是約含22wt%的

Cr以及5wt%的Ni ，其中S31803及S32205皆統稱2205，詳細之成份規範如下表

所示：

鋼種 C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu N

S32101 ≦0.04 ≦1.0 4.0~6.0 ≦0.04 ≦0.03 1.35~1.70 21.0~22.0 0.1~0.8 0.1~0.8 0.20~0.25

S31803≦0.03 ≦1.0 ≦2.0 ≦0.03 ≦0.02 4.5~6.5

21.0~23.0 2.5~3.5 -- 0.08~0.20

S32205 22.0~23.0 3.0~3.5 -- 0.14~0.20

ASTM-A240

67

鋼種相 Si Mn Cr Fe

AVESTAS32101(2E)

(α) 1.13 4.37 23.22 71.29

(γ) / 5.76 20.90 73.34

說明:灰色區域為α相，呈基地狀，其成份具高Cr、低Mn成份；白色區域則為γ相，呈島狀分佈，其特徵具有低Cr、高Mn 。

雙相不銹鋼金相組織介紹

γα

• 2E: Cold rolled, heat treatment, mechanically descaled

68

6.1.1 強度與耐蝕性

500

316L

”Corrosion Resistance”

Rp0.2 [MPa] 2205

SAF2507

Duplex

254 SMO

304

Austenitic250

750

904L

LDX 2101 2304

6.1 雙相不銹鋼性質

69

• 比同等級的奧斯田體不銹鋼降伏強度高一倍

• 利用高強度減少使用厚度

• 減厚可節省鋼材使用重量

• 達到降低設備製造成本的目的

鋼種Rp0.2

(MPa)相對

厚度

316L 220 1.00

LDX 2101 450 0.49

SAF 2304 400 0.55

2205 460 0.48

最高可節省50%的厚度

鋼種Rp0.2

(MPa)相對

厚度

316L 220 1.00

LDX 2101 450 0.70

SAF 2304 400 0.74

2205 460 0.69

壓力容器

最高可節省30%的厚度

儲存桶槽

雙相鋼具備高強度

70

6.1.2 抗孔蝕能力

71

6.1.3 抗SCC能力

72

6.1.4 耐衝擊性能

雙相鋼

73

2205雙相不銹鋼及316L不銹鋼之各項性質評比

316L2205

YS(MPa)

TS(MPa)

EL(%)

硫酸浸泡(mpy)

40wt%(25℃)甲酸浸泡(mpy) 88wt%(100℃)

Enp(mV)

SCC(h)

疲勞生長速率(m/cycle) ΔK=40(MPa√m)

480

220

580

680

35 55250

1

10

30250

1100

500 24

2×10-6

7×10-6

74

適用領域→ 需要強度及耐蝕性的地方

→ 壓力容器、桶槽、水塔、鋼構、棚架等

→ 使用環境溫度在 –30oC ~ + 250oC之間

不適用領域→ 低溫冷凍設備

→ 高溫環境

→ 需要深加工成型的用途

6.2 雙相不銹鋼產品應用

75

材料限制與劣勢

• 低溫環境下會失去韌性(< 40oC)→不適合低溫冷凍設備

• 高溫環境下會脆化(> 300oC)→壓力容器最高使用溫度不能超過250/280oC

• 耐高溫潛變能力差

→不適合高溫用途

• 延展性佳，但伸長率略遜於沃斯田體不銹鋼

→不適用深度加工成型

• 可以用所有目前通用的焊接方法來焊接

→但比奧氏體容易裂開

76壓力容器

熱交換器

儲槽

塔槽

石化及化工設備

77

石油和天然氣工業

• 海上油氣工業始終是雙相鋼最重要市場之一。

78

造紙工業

雙相鋼在紙漿和造紙領域使用較多，它用於製造漂白機器。

79

土木建築工程

Spain 2205

Spain 2305Spain 2305

Italy 2101

Sweden 2205Sweden 2205

雙相鋼的高強度和耐蝕性，使其在用於土木建築工程項目上。

80

內容大綱








81


特性麻田散鐵系

不銹鋼

肥粒鐵系

不銹鋼

沃斯田鐵系

不銹鋼

雙相

不銹鋼備註

耐

蝕

性

能

耐大氣腐蝕性能

與合金元素有關

耐酸性能與合金元素有關

耐孔蝕、間隙腐蝕


耐應力腐蝕裂紋


: 良好 : 一般 : 稍差 : 差

82


不銹鋼

肥粒鐵系

不銹鋼

沃斯田鐵系

不銹鋼

雙相

不銹鋼備註

耐

熱

性

能

高溫強度高溫脆性

高溫氧化、硫化

--

熱疲勞 --

: 良好 : 一般 : 稍差 : 差

83


不銹鋼

肥粒鐵系

不銹鋼

沃斯田鐵系

不銹鋼

雙相

不銹鋼備註

加

工

性

能

焊接性能

冷加工

(深衝)

冷加工

(漲形)

切削性能

: 良好 : 一般 : 稍差 : 差

84


不銹鋼

肥粒鐵系

不銹鋼

沃斯田鐵系

不銹鋼

雙相

不銹鋼備註

強

度

室溫強度

低溫強度、韌性

疲勞、切口敏感性

其

他

非磁性能

電熱性能 -- --

: 良好 : 一般 : 稍差 : 差

85

分類鋼種用途

沃斯田鐵系

200系室內用具、家用器材

304 建築材料、廚房用具、家用器材醫療用具、一般工業設備

316 化工業、染整業、食品業等設備

肥粒鐵系409 汽車排氣管

430 廚房用具、餐具

麻田散鐵系410 刀具、機械零件、碟煞片

420J2 刀具、量具

雙相系 329J1 耐海水用材料、公害防治材料紙漿漂白設備

<主要鋼種用途>

86

~敬請指教~

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