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

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：

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。

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。

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。

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。

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。