不銹鋼材料特性與鍛造製程條件介紹-不銹鋼不是真的不會生銹ㄋㄟ

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有人私訊我詢問一些有關不銹鋼鍛造的問題,因此我將一些概念與所認知的資訊整理一下分享給各位。

不銹鋼是在空氣中或化學介質中能夠抵抗腐蝕的一種高合金鋼,爲了保持不銹鋼所固有的耐腐蝕性,鋼必須含有12%以上的鉻,廣泛應用於國防、化學、石油、海洋與動力工業產品,除了要求耐蝕性也須有較高的強度,因此大部分不銹鋼都要經過鍛造後使用,但較低的熱傳導係數、狹窄的鍛造溫度、較大的高溫成形阻力都讓鍛造製程增加許多難度。

上述所說的耐腐蝕性是因為不銹鋼具有活化-鈍化轉變的特性,在鈍化狀態的金屬表面被一層很薄且緻密的氧化膜所覆蓋,氧化膜是金屬與周圍介質反應形成的,可隔離金屬內部與環境並降低金屬的氧化程度,但在強烈的氯或酸的環境下還是會產生腐蝕現象,而非字面上不銹鋼就代表完全不會生銹。

生活中最廣泛使用的不銹鋼種類為美國鋼鐵協會AISI編號300系與200系不銹鋼,例如304不銹鋼其主要化學組成為18%鉻加上8%的鎳,俗稱18-8不銹鋼,具有室溫下無磁性、塑性佳、不隨溫度變化的沃斯田鐵組織、無法硬化熱處理 (僅能冷加工強化)等特性,而200系沃斯田鐵不銹鋼是300系的分支,是以廉價的錳來取代高貴的鎳元素,號稱窮人的不銹鋼。

沃斯田鐵系不銹鋼屬高合金系,其鍛造時的流動應力較碳鋼與低合金高,並於高溫時有明顯的應變硬化現象,因此成形負荷也較大,依據Metal Handbook建議鍛造溫度為925~1,260℃,但實務上大多以加熱溫度1,100~1,200℃出爐後進行鍛造,惟終鍛溫度(也就是多工位鍛造的最後一道次)不得小於950℃並須迅速冷卻至室溫,這是因為不銹鋼在不同溫度下『碳含量』溶解度的因素,一般304不銹鋼含碳量約在0.08%,950℃則是不銹鋼碳含量溶解度0.08~0.09%的下限溫度,當低於這溫度時溶解度會迅速下降,多餘的碳就會生成富鉻的碳化物析出,上述有說到不銹鋼耐腐蝕最主要的元素就是鉻,一旦表面鉻元素被連帶析出後,不銹鋼表面就會成形貧鉻區,當鍛件位於腐蝕氣氛的環境下就會發生晶界腐蝕、孔蝕與沿晶破壞等現象,同時碳化物的析出也會造成塑性降低造成鍛造開裂。

鍛造製程中,我列出一些比較需注意的地方提供大家參考:

棒料加熱

不銹鋼熱傳導系數較一般碳鋼低,需緩速加熱與較長的均溫時間來達成內外均溫,爐內最好維持氣氛保護或於胚料外表面披覆防氧化潤滑劑,因為在脫碳與過氧化性的氣氛下都會產生有害的夾雜或貧鉻現象,從而降低不銹鋼的抗腐蝕性,對於直徑大於100mm的棒料,建議採用兩段式加熱,約在950℃前緩速升溫與均熱,而後再快速加熱到鍛造溫度。

潤滑

過去不銹鋼模鍛和碳鋼一樣僅進行模具潤滑。實際上,不銹鋼模鍛時的理想潤滑方法應該與高溫合金或鈦合金一樣,除對模具進行潤滑外,還需用玻璃潤滑劑對棒料進行潤滑,除了減少胚料移轉過程中的溫降及模具接觸時的激冷效應,並可防止加熱過程中的氧化/氫化現象,同時確保新生金屬面潤滑的連續性。

鍛造

不銹鋼鍛造前應將模具預熱至250~300℃,降低模具與鍛件的溫差現象,熱鍛時若無法在一個加熱程序鍛造至成品,則建議重新噴砂清除氧化層並潤滑預鍛件後再進爐加熱,而不銹鋼粘性大,於每次鍛造前模具都必須噴塗離型劑,減少鍛件表面缺陷發生的機率。

剪邊

不銹鋼一般採用熱剪邊,降低剪切力與鍛件裂紋、毛邊…等缺陷的發生率,熱剪邊溫度不低於800℃,實務上大都在900~950℃,也就是不銹鋼熱鍛的下限溫度。

鍛後冷卻

沃斯田鐵系不銹鋼於鍛後須快速空冷至室溫,實際生產上大都以鍛後溫度不小於950℃的條件下直接淬水處理,如有特別要求,需重新加熱至1,050 ℃均溫後以每秒2 ℃的速率冷卻(即固溶化處理),但含碳量0.03以下不銹鋼(如SUS304L)則空冷即可。

註 : 沃斯田鐵系不銹鋼的固溶處理又稱淬火韌化,能將富鉻的碳化物或其它使不銹鋼脆化的雜質、雜項分解後再融入沃斯田鐵內,可以得到韌性、耐蝕性最佳的均質沃斯田鐵組織,同時消除因鍛造引起的晶粒變形。


個人觀點

不銹鋼總類有很多


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