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沃斯田鐵不鏽鋼

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鋼、鐵、以及其他鐵合金
鐵碳合金中的相與顯微組織
鐵碳合金中的相
鐵碳合金中的顯微組織
平衡態組織
  • 波來鐵（88%肥粒鐵，12%雪明碳鐵）
  • 粒滴斑鐵（波來鐵及雪明碳鐵的共晶混合物，含碳量4.3%）
非平衡態組織
鋼（按成分分類）
碳鋼（含碳量≤2.11%）
合金鋼（含有碳以外的元素）
鋼（按應用分類）
結構鋼
機械零件鋼
工模具鋼
特殊環境用鋼
其他含鐵材料
鑄鐵（含碳量>2.11%）
鍛鐵（熟鐵、工業純鐵，含碳量≤0.04%）
一塊鋼板的藝術之旅
小米手機4，邊框使用了304沃斯田鐵不鏽鋼，是小米第一款採用不鏽鋼材料的手機

沃斯田鐵不鏽鋼（英語：Austenitic stainless steel）是按其中的物相結構分類的五類不鏽鋼之一（另外四類分別為肥粒鐵不鏽鋼、麻田散鐵不鏽鋼、雙相不鏽鋼（英語：Duplex stainless steel）和沉澱硬化不鏽鋼[1] ），也是最常用的一類不鏽鋼[2]。它的主要晶體結構是沃斯田鐵（面心立方結構），由於其冷卻過程中不發生相變，因此無法通過熱處理強化，僅能通過冷加工強化；同時，由於沃斯田鐵為非鐵磁性相，沃斯田鐵不鏽鋼不具有鐵磁性 [3]。沃斯田鐵不鏽鋼具有這種結構，是由於其中含有大量沃斯田鐵形成元素（相圖中擴大沃斯田鐵相區的元素），如Ni、Mn等[4]。沃斯田鐵不鏽鋼強度較低，加工性能較差，但塑韌性良好、高低溫下力學性能穩定、耐酸性良好，在工業設備[5]、能源電力[6]、醫藥衛生[7]等領域有着廣泛的應用。

歷史

發明

沃斯田鐵不鏽鋼的是由德國克虜伯公司以及其所屬實驗室的本諾·施特勞斯​（德語）和愛德華·毛雷爾​（德語） 發明的[8]。1900年代以來，鐵-鉻-鎳合金的耐蝕性能在基礎研究中逐漸被認識[9] 。 1906年，法國人Léon Guillet第一個系統地研究了肥粒鐵、麻田散鐵和沃斯田鐵三大類不鏽鋼的成分，然而他沒有提到耐腐蝕性[10] 。 1909 年，Walter Giessen 繼續研究鉻鎳沃斯田鐵鋼[9] ，為不鏽鋼作為工業材料的實際應用奠定了基礎[9] 。 1912年，克虜伯申請了兩項耐腐蝕鋼專利。一種是名為「V1M」的鐵合金，它是一種麻田散鐵不鏽鋼，其代表成分為14%鉻、2%鎳和0.15%碳。另一種名為「V2A」，是一種沃斯田鐵不鏽鋼，含有 20% 鉻、7% 鎳和 0.25% 碳。 [11]

自 1909 年（提交申請之前）以來，克虜伯公司的斯特勞斯和毛雷爾一直在研究鐵鉻鎳合金。 [12]斯特勞斯當時正在研究熱電偶用耐熱合金，並於1910年生產出三種高鉻鋼和兩種高鉻鎳鋼。 [13]這些鋼又硬又脆，因此毛雷爾研究了對應的熱處理工藝[14] 。在此類研究中，毛雷爾注意到其中一種鋼種的樣本在腐蝕性實驗室氣氛中放置幾個月後並沒有失去表面光澤。 [15]後續試驗證實，沃斯田鐵組織高鉻鎳鋼即使在硝酸溶液中也具有耐腐蝕性能[16] 。基於這些研究成果，克虜伯於1912年為上述兩種耐腐蝕鋼提出了專利申請。

後來在 1920 年代和 1930 年代，施特勞斯和毛雷爾之間就誰應該被稱為這些「不鏽鋼」的發明者展開了爭論。 [17]雙方都堅稱自己是真正的發明人，並在學術期刊和機構期刊上進行爭論。 [17]鈴木隆在其《不鏽鋼發明史》一書中以「不鏽鋼毫無疑問是克虜伯公司發明的，不應歸功於個人」 [18]的觀點總結描述了他們的爭論。

發展與普及

克虜伯發明的沃斯田鐵不鏽鋼V2A用於隨後開發的哈勃法合成氨[19] ， V2A被用作氨合成硝酸罐的材料[20] 。 1914年，哈伯和博世所在的巴斯夫公司向克虜伯訂購了約20噸V2A，開始使用沃斯田鐵不鏽鋼作為工業材料[21] 。

巴斯夫在使用V2A時出現了腐蝕問題，並對V2A進行了改進來解決這個問題[22] 。 1922年至1930年，克虜伯公司申請了通過添加銅或鉬來對抗非氧化性酸以及通過降低碳含量來對抗晶間腐蝕的專利[22] 。沃斯田鐵不鏽鋼後來被克虜伯以外的其他研究人員改進，產生了各種類型的鋼[23] 。 1923年左右，英國公司弗思-布朗鋼鐵（Thomas Firth & Sons）通過優化，得到了18%鉻、8%鎳和低於0.2%碳的基本成分，稱為「Staybrite」，並開發成為了產品[24] 。Staybrite首先在ICI的氨合成工廠使用[22] 。 Staybrite發佈後，18% 鉻和 8% 鎳 (18-8) 被確立為沃斯田鐵不鏽鋼的基本成分[15] 。

1922年，克虜伯將自己的不鏽鋼註冊為「NIROSTA」商標[25] 。 NIROSTA不鏽鋼還跨越大西洋，用於建造美國（USA）克萊斯勒大廈。 [26] 1924年，克虜伯的施特勞斯在美國測試與材料學會研討會上介紹了克虜伯的沃斯田鐵不鏽鋼[26] 。建造者沃爾特·克萊斯勒希望建築物的外部用金屬裝飾。 [27]他對包括NIROSTA鋼在內的幾種能滿足這一目的的耐腐蝕金屬材料進行了研究，並最終採用了相對昂貴但不易生鏽、不易沾污、易於拋光的NIROSTA不鏽鋼 。

美國直到1927年才生產出與NIROSTA相當的不鏽鋼[26]，最終，獲得克虜伯許可的三家公司將提供NIROSTA鋼板和棒材[28] 。 1930年，克萊斯勒大廈竣工[29] 。 4500 塊NIROSTA 鋼板被用來覆蓋建築物頂部的階梯式尖頂。 [30]克萊斯勒大廈是世界上第一座在外部使用大量 18-8 沃斯田鐵不鏽鋼的建築[31] 。 在1995年對克萊斯勒大廈的狀況進行檢測[32]，報告表明，NIROSTA鋼的性能符合預期，儘管在沿海地區建造並受到天氣沖刷，但外部結構仍處於良好狀態。 [33]

合金元素

若未註明，本節所有「百分比」表述均指原子比例。

沃斯田鐵形成元素

參見：沃斯田鐵形成元素（英語：Austenite#Stabilization）

根據鐵碳相圖，鋼在室溫下組織應當是肥粒鐵或肥粒鐵與碳化物的混合組織，但沃斯田鐵不鏽鋼中因為含有被稱為「沃斯田鐵形成元素」的，與γ-Fe無限互溶且能在室溫下保持穩定的合金元素，因而會在室溫下保留沃斯田鐵組織。

沃斯田鐵不鏽鋼，按照主要的沃斯田鐵形成元素可以分為鉻鎳系和鉻錳系兩類，鉻鎳系不鏽鋼的主要沃斯田鐵形成元素是鎳，鎳元素同時也能起到提高耐蝕性的作用。在鉻鎳系不鏽鋼中，鉻含量≥18%（屬於肥粒鐵形成元素），鎳含量≥8%，甚至存在鎳含量達到35~40%的牌號。18%鉻-8%鎳的合金元素組合（被稱作「18-8不鏽鋼」）是各國沃斯田鐵不鏽鋼的基礎成分比例，因為這一比例既可以得到單相沃斯田鐵組織，又可以滿足Tammann定律（德語：Gustav Tammann (Chemiker)）（鉻元素和鎳元素佔比之和為12.5%的整數倍時，合金腐蝕電位發生突然躍升的現象），提升不鏽鋼的耐腐蝕性能。

如果利用錳代替稀缺而高成本的鎳作為沃斯田鐵形成元素，就得到了鉻錳系沃斯田鐵不鏽鋼。錳不能為不鏽鋼提供耐蝕性，因而需要加入17%以上的鉻元素。然而錳元素的沃斯田鐵形成能力較鎳更弱，當鉻所佔質量比超過12%時，無論加入多少錳都無法獲得單相沃斯田鐵組織。因此，常用的鉻錳系不鏽鋼中會添加0.3~0.5%的氮元素，或保留4~8%的鎳元素，從而得到穩定的單相沃斯田鐵組織。

碳雖然是沃斯田鐵形成元素，但碳元素會在晶間形成碳化物，造成晶間腐蝕，因而在不鏽鋼中應該避免出現，在常用的沃斯田鐵不鏽鋼中，碳含量常低於0.08%（中國大陸鋼鐵牌號首位為「0」者），甚至存在碳含量低於0.03%的超低碳不鏽鋼（中國大陸鋼鐵牌號首位為「00」，或美國鋼鐵牌號末位為「L」者）。

其他合金元素及作用

加入Mo、Cu、Ti等元素，可以提高不鏽鋼對於還原性酸（如硫酸、磷酸、鹽酸、一些有機酸）的耐腐蝕性[34]；此外，Ti、Nb等強碳化物形成元素的加入可以提高不鏽鋼的抗晶間腐蝕性能（見「晶間腐蝕」一節），加入Si、Cu元素可以可以提高不鏽鋼的抗應力腐蝕性能（見「應力腐蝕」一節）。

顯微組織

根據相圖和舍弗勒組織圖可以看出，包括304不鏽鋼在內的多數沃斯田鐵不鏽鋼的平衡態組織並不是單相沃斯田鐵，而是沃斯田鐵+肥粒鐵+碳化物（A+F+Carbide）的組成，其中約含有5-10%的肥粒鐵[35]。

然而，為了利用沃斯田鐵結構的特性，實際使用的沃斯田鐵不鏽鋼為單相沃斯田鐵組織，這通常是通過固溶處理獲得的。以相圖對應的304不鏽鋼為例，加熱到600℃以上，越過相圖中虛線之後，肥粒鐵轉化為沃斯田鐵；再繼續加熱至800℃，碳化物可以完全溶解進入基體。此時淬火，就能得到單相沃斯田鐵組織（碳元素過飽和的γ相固溶體）[4]。

此外，一些高合金含量的沃斯田鐵不鏽鋼（如904L、S32654），即使在平衡態下也保留單相沃斯田鐵組織[36]。

由於沃斯田鐵過冷這一熱力學條件的存在、沃斯田鐵在外力提供相變的驅動力之下轉化為麻田散鐵，即應力誘發麻田散鐵相變（TRIP）。這會讓一部分亞穩態沃斯田鐵不鏽鋼中出現麻田散鐵組織。^

Fe-18Cr-8Ni-C（即304不鏽鋼成分）相圖垂直截面
舍弗勒組織圖，反映了不鏽鋼鎳鉻含量比與相組成的關係
316L不鏽鋼鑄態（左）和軋制（右）顯微組織圖片[37]

美國牌號

在國際汽車工程師學會/美國鋼鐵協會（SAE/AISI）標準編號下，沃斯田鐵不鏽鋼分為200與300兩個亞組，其中，3xx 系列不鏽鋼種類較2xx系列為多。

3xx系列不鏽鋼為鉻鎳系不鏽鋼；2xx系列不鏽鋼則為鉻錳系不鏽鋼，因而成本較低，同時氮產生的固溶強化使其擁有比 3xx 系列更高的屈服強度。 [38]

部分3xx系列不鏽鋼，如316不鏽鋼，還含有一些鉬，以提高耐酸性並增加對局部腐蝕（例如點蝕和晶間腐蝕）的抵抗力。

3xx 系列的 304 不鏽鋼（即18-8不鏽鋼，也稱為A2不鏽鋼）是最常見的沃斯田鐵不鏽鋼，也是最常見的不鏽鋼。304不鏽鋼廣泛用於炊具、餐具和廚房設備等物品。316 不鏽鋼是第二常見的沃斯田鐵不鏽鋼。

最常見 Cr-Ni 沃斯田鐵不鏽鋼牌號的化學成分 (質量比%) [39]
歐洲標準 (EN) 編號[40] EN 名稱 AISI 牌號[41] 碳 鉻 鉬 鎳 其他 熔點（℃）[42] 備註
1.4310 X10CrNi18-8 301 0.10 17.5 未要求 8 1420 彈簧用鋼
1.4301 X5CrNi18-10 304 < 0.07 18.5 未要求 9 1450 一種非常常見的沃斯田鐵不鏽鋼牌號
1.4307 X2CrNi18-9 304L < 0.030 18.5 未要求 9 1450 與304不鏽鋼相似，但 C 含量較低，因而不易發生晶間腐蝕
1.4305 X8CrNiS18-9e 303 < 0.10 18 未要求 9 S：0.3 1420 添加硫以改善機械加工性
1.4541 X6CrNiTi18-10 321 < 0.08 18 未要求 10.5 鈦：5倍於C，≤ 0.70 1425 與 304不鏽鋼相似，但加入鈦強烈與碳結合生成碳化物，因而不易發生晶間腐蝕
1.4401 X5CrNiMo17-12-2 316 < 0.07 17.5 2.2 11.5 1400 第二知名的沃斯田鐵不鏽鋼牌號，Mo提高耐腐蝕性
1.4404 X2CrNiMo17-12-2 316L < 0.030 17.5 2.25 11.5 1400 與316相似，但 C 含量較低，因而不易發生晶間腐蝕
1.4571 X6CrNiMoTi17-12-2 316Ti < 0.08 17.5 2.25 12 Ti：5倍於C，≤ 0.70 與 316不鏽鋼相似，但加入鈦強烈與碳結合生成碳化物，因而不易發生晶間腐蝕

Alloy 20 （Carpenter 20) 是一種沃斯田鐵不鏽鋼，具有優於316不鏽鋼的耐腐蝕性環境（如熱硫酸）的能力。該合金在沸騰的 20-40% 硫酸中表現出優異的抗應力腐蝕開裂性能。合金 20 具有優異的機械性能，Alloy 20中鈮的存在最大限度地減少了焊接過程中碳化物的析出。

耐熱沃斯田鐵不鏽鋼

耐熱牌號不鏽鋼一般是指可在高於600 °C（1,100 °F）的高溫下使用的不鏽鋼 [43] [44]，

它們必須耐高溫腐蝕（通常是高溫氧化）並在高溫下保持屈服強度和抗蠕變性能等力學性能穩定。

耐腐蝕性主要由鉻提供，此外還添加了矽和鋁。鎳在含硫環境中的耐蝕性較差，可以通過添加矽和鋁（強氧化物形成元素）解決。稀土元素如鈰可增加氧化膜的穩定性。

主要高溫沃斯田鐵不鏽鋼牌號和化學成分
EN AISI/ASTM UNS C Cr Ni Si Mn Others
1.4878 321H S32109 < 0.1 18 10.5 - - Ti: ≤ 5×C
1.4818 - S30415 0.06 19 10 - - N: 0.16; Ce: 0.05.
1.4828 - - < 0.2 20 12 2.0 - -
1.4833 309S S30908 < 0.08 23 13 < 0.75 - -
1.4872 - - 0.25 25 7 - 9 -
1.4845 310 S31008 < 0.1 25 20 - - -
1.4841 314 S31400 < 0.15 25 20 1.8 - -
1.4876 "Alloy 800" N08800 < 0.12 21 32 - - Al: 0.4; Ti: 0.4
1.4854 "Alloy 353MA" S35315 0.06 25 35 - - N: 0.15; Ce: 0.06.
1.4886 330 N08330 < 0.15 18.5 35 - -

 309 和310不鏽鋼 [45]可以用於800 °C（1,500 °F）的高溫環境 。

沃斯田鐵不鏽鋼可以使用染料滲透探傷方法進行無損檢測，但不能使用磁粉探傷方法。也可以使用渦流測試。

參見

參考資料

  1. ^ The International Nickel Company. Standard Wrought Austenitic Stainless Steels. Nickel Institute. 1974 [2018-01-09]. （原始內容存檔於2018-01-09）. 
  2. ^ International Stainless Steel Forum. "Stainless Steel in Figures 2021" (PDF). [2023-07-12]. （原始內容存檔 (PDF)於2021-06-30） （英語）. 
  3. ^ Stainless Steel. Encyclopaedia Britannica. [2023-07-08]. （原始內容存檔於2019-06-05）. 
  4. ^ 4.0 4.1 伍玉嬌. 金属材料学. 北京: 北京大學出版社. 2011. ISBN 978-7-301-19296-2. 
  5. ^ Lo, K. H.; Shek, C. H.; Lai, J. K. L. Recent developments in stainless steels. Materials Science and Engineering: R: Reports. 2009-05-29, 65 (4) [2023-07-08]. ISSN 0927-796X. doi:10.1016/j.mser.2009.03.001. （原始內容存檔於2023-07-08） （英語）. 
  6. ^ 王, 西濤; 李, 時磊. 核电用钢的研究现状及发展趋势. 新材料產業. 2014, (7) [2023-07-08]. ISSN 1008-892X. （原始內容存檔於2023-07-08）. 
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  12. ^ 大山・森田・吉武 1990，第9頁.
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  14. ^ 鈴木 2000，第59–60頁.
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  16. ^ 鈴木 2000，第61頁.
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  18. ^ 鈴木 2000，第72頁.
  19. ^ 鈴木 2000，第66–67頁.
  20. ^ 鈴木 2000，第67頁.
  21. ^ 大山・森田・吉武 1990，第10頁.
  22. ^ 22.0 22.1 22.2 遅沢 2011，第682頁.
  23. ^ 大山・森田・吉武 1990; 遅沢 2011.
  24. ^ 遅沢 2011; 大山・森田・吉武 1990.
  25. ^ 鈴木 2000，第66頁.
  26. ^ 26.0 26.1 26.2 Cobb 2010，第105頁.
  27. ^ Cobb 2010，第104頁.
  28. ^ Cobb 2010，第106, 119頁.
  29. ^ ステンレス協會（編） 1995，第9頁.
  30. ^ Cobb 2010，第111頁.
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外部連結

Jean H. Decroix 等人關於沃斯田鐵不鏽鋼的專利 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）

鋼鐵牌號查詢對照平台 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）

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