不銹鋼為什麼耐用？關鍵就在這些合金元素

不銹鋼為什麼需要多種合金元素？

地球上已知化學元素超過 100 種，而鋼鐵材料中常見的化學元素約二十多種。 對於不銹鋼這類因「長期研究腐蝕現象」而發展出的特殊鋼種，常用元素包含： 鐵（Fe）之外，還有碳、鉻、鎳、錳、矽、鉬、鈦、鈮、氮、銅、鈷等。

工業用不銹鋼通常同時含有數種到十幾種元素，當多元素共存時， 其影響比單一元素更複雜，因為除了各元素自身作用外，還要考慮彼此的交互影響； 因此不銹鋼的組織與性能，取決於各種元素影響的總和。

1、鉻（Cr）在不銹鋼中的決定作用

決定不銹鋼是否具備「不易生鏽」特性的核心元素只有一種：鉻（Cr）。 迄今為止，尚未出現不含鉻的不銹鋼。鉻作為合金元素加入後，會促使材料內部 朝向更有利於抵抗腐蝕破壞的方向發展，主要可從以下兩點理解：

• 鉻使鐵基固溶體的電極電位提高
• 鉻吸收鐵的電子使鐵鈍化

所謂「鈍化」，是指陽極反應被阻止，進而提高金屬與合金的耐腐蝕能力。 關於鈍化機制的解釋常見有薄膜論、吸附論及電子排列論等。

2、碳（C）在不銹鋼中的重要性

碳是工業用鋼的主要元素之一，鋼的性能與組織很大程度取決於碳含量及其分佈形式。 在不銹鋼中，碳的影響尤為顯著，主要表現在兩個方向：

• 方向一：碳是穩定奧氏體的元素，作用程度很大（可視為遠高於一般想像）
• 方向二：碳與鉻親和力強，容易形成複雜的碳化物，可能削弱耐腐蝕性

因此從強度與耐腐蝕兩方面來看，碳在不銹鋼中的作用具有矛盾性； 實務上會依使用需求選擇不同含碳量與合金設計的鋼種。

總體而言，工業上廣泛應用的不銹鋼含碳量多較低，多數落在 0.1～0.4%， 耐酸鋼則常見 0.1～0.2%；含碳量大於 0.4% 的不銹鋼比例相對較小。 除了耐蝕考量外，較低含碳量也有利於焊接與冷變形等工藝需求。

3、鎳（Ni）的作用需與鉻配合後才更明顯

鎳是優良的耐腐蝕材料，也是合金鋼的重要合金化元素。 鎳在鋼中能促進奧氏體形成，但鎳不能單獨構成不銹鋼。 當鎳與鉻同時存在於不銹鋼中時，材料往往可獲得更好的耐腐蝕性與工藝性能改善。

簡單說：鎳的價值在於促使高鉻鋼的組織發生變化， 進而在耐蝕、韌性與加工性上得到更好的平衡。

4、錳（Mn）與氮（N）取代部分鎳的方向

由於鎳資源分佈與供需矛盾，產業界長期發展節鎳、代鎳的材料設計， 其中研究與應用較多的是以錳與氮代替鉻鎳不銹鋼中的部分鎳。

錳對奧氏體的影響與鎳相似，但更多是透過降低臨界淬火速度、增加奧氏體穩定性， 使高溫形成的奧氏體更容易保留到常溫；而氮同樣可穩定奧氏體， 且在某些設計中效果更強，因此低鎳或無鎳的鉻錳氮系不銹鋼已在工業上獲得應用。

5、其他元素對不銹鋼性能與組織的影響

除主要元素外，不銹鋼也可能含有雜質元素（如矽、硫、磷等），或為特定目的加入的元素 （如鈷、硼、硒、稀土元素等）。它們多屬於「非主要因素」，但仍可能影響加工性、 切削性、熱加工或特定腐蝕情境的表現。

• 鈦（Ti）或鈮（Nb）：用於抑制碳化鉻析出，降低晶間腐蝕風險
• 鉬（Mo）與銅（Cu）：可提升某些不銹鋼在特定環境下的耐腐蝕性
• 其他元素：如硫/硒改善切削性但可能降低耐蝕；稀土可改善鍛造/熱加工等