合金元素對高比強度、高延展性之低密度鐵鋁錳基不銹鋼的相變化、機械性質及腐蝕行為的影響之研究

Abstract

鋁、鎂、鈦輕金屬主要因為具有較碳鋼高的比強度，在應用上可節省 許多重量，因此近年來受到相當的重視。本研究群在過去的研究中，除了 在相變化學術研究上有多項重要發現，開發出鐵鋁錳熱軋合金鋼板八國專 利外，在近一、二年間成功開發出一種新的低密度不鏽鋼-"鐵鋁錳基不鏽 鋼"，並且具有較大部分鋁、鎂輕金屬合金高的比強度以及與沃斯田鐵不 鏽鋼相近的高延展性，鐵鋁錳基不鏽鋼的比強度與延展性分別在150~190 Mpa/(g/cm3)以及20~60%之間。 本研究群之所以能成功開發出在試驗室溫度35℃，飽和空氣桶溫度 47℃，5%鹽水濃度條件下，通過48 小時鹽霧測試後不生鏽的低密度鐵鋁 錳基不鏽鋼，在於開發出新精煉製程，大幅降低鐵鋁錳基不鏽鋼中的大量 氧化鋁介在物，顯著的改善過去因介在物的存在所造成的孔蝕現象。2005 年已成功量產YAMAHA、KATANA 等知名廠牌鑄造及鍛造型鐵鋁錳基不 鏽鋼高爾夫球頭。 與傳統的不鏽鋼ㄧ樣，鐵鋁錳基不鏽鋼中的合金元素及顯微結構對其 腐蝕行為有極大的影響。雖然在傳統不鏽鋼中，錳元素已被大部分學者認 為會降低其抗孔蝕能力，碳元素更被證實會嚴重破壞其腐蝕性質，然而， 在含有鉻的鐵鋁錳基不鏽鋼中，降低錳含量或降低碳含量時，沃斯田鐵相 會變得不穩定，造成各種析出物的形成，而影響其腐蝕機制。另外，氮元 素的添加已被認為能夠顯著的提高其不鏽鋼的抗孔蝕能力，但在不鏽鋼中 過量的氮也被發現會有Cr2N 氮化物的析出，不利金屬的抗蝕性。但是到 目前為止，氮的添加對其相變化的影響從未被研究過。因此，本計劃第一 年將深入探討錳與碳含量的變化及氮元素的添加對鐵鋁錳鉻基不鏽鋼相 變化以及腐蝕機制的影響。 鈷是一種與鎳的性質相當接近的元素，兩者的氧化電位也近似，所以 鈷的添加可增強金屬的抗蝕及抗高溫氧化能力，另外，鈷常被利用為金屬 固溶強化的主要元素之一，所以在工具鋼、超高強度麻時效鋼及超合金等

中都會添加不同含量的鈷來增加金屬強度。再者，矽也常被添加至耐熱鋼 及不鏽鋼中來提高其抗高溫氧化及抗蝕能力。然而，到目前為止，鈷與矽 的添加對含鉻的鐵鋁錳基不鏽鋼相變化及腐蝕行為的研究相當少，因此延 續本計劃第一年的研究成果，我們在第二年的研究計畫中，將第一年研究 中具有較佳抗蝕及機械性質的合金成分中，添加不同含量的鈷和矽，並且 深入探討其對鐵鋁錳鉻基不鏽鋼相變化以及腐蝕機制的影響。 在傳統的不鏽鋼中，鉬元素的添加可以大幅提高金屬的抗孔蝕能力， 而且含鉬的不鏽鋼更能提升氮在抗孔蝕效果上的影響。另外，鈦元素在防 止不鏽鋼的敏化作用(sensitization)上扮演著重要的角色，主要是由於鈦能 取代鉻與碳結合，抑制了碳化鉻在晶界上的析出。然而，到目前為止，鉬 與鈦的添加對含鉻的鐵鋁錳基不鏽鋼相變化及腐蝕行為的研究相當少，因 此延續本計劃前兩年的研究成果，我們在第三年的研究計畫中，將前兩年 研究中具有較佳抗蝕及機械性質的合金成分中，添加不同含量的鉬和鈦， 並且深入探討其對鐵鋁錳鉻基不鏽鋼相變化以及腐蝕機制的影響。