快速結論(30 秒看懂)
鎳(Ni)的核心作用,是讓不銹鋼形成「奧氏體結構」, 從而大幅提升延展性、可焊性與韌性,這也是 300 系列不銹鋼無磁、好加工的關鍵原因。
- 結構關鍵:鎳可使晶體由 BCC(鐵素體)轉為 FCC(奧氏體)
- 性能提升:可塑性、焊接性、低溫韌性明顯優於碳鋼
- 系列差異:300 系靠鎳;200 系以錳、氮部分取代鎳
- 觀念提醒:鎳不足又降低鉻,會直接犧牲耐腐蝕性
為什麼鎳能改變不銹鋼性能?(晶體結構原理)
從鐵素體(BCC)到奧氏體(FCC)
一般碳鋼在常溫下為鐵素體結構,屬於體心立方(BCC), 其延展性與韌性有限。當在鋼中加入鎳後,會促使晶體結構轉變為 面心立方(FCC),也就是奧氏體結構。
奧氏體結構帶來哪些實際好處?
FCC 結構擁有較多滑移系統,使材料在加工與焊接時更不易脆裂, 同時具備良好的低溫韌性與抗應力腐蝕能力, 這也是 300 系列不銹鋼被大量應用於建材、食品與化工設備的原因。
奧氏體形成元素的相對影響力
鎳並非唯一的奧氏體形成元素。工程上常用下列公式來評估其影響力:
奧氏體形成能力 = Ni% + 30C% + 30N% + 0.5Mn% + 0.25Cu%
由此可知,碳與氮的奧氏體形成能力遠高於鎳,但在實際應用中, 碳易造成晶間腐蝕,氮則受限於溶解度與製程穩定性,因此仍以鎳最為可靠。
200、300、400 系列不銹鋼的結構差異
200 系列:低鎳,以錳+氮補足奧氏體
200 系列不銹鋼利用高錳與氮來彌補鎳含量不足, 例如 201 鋼種僅約 4.5% 鎳,但搭配約 0.25% 氮, 其奧氏體形成能力相當於額外 7.5% 的鎳。
若為了成本而同時降低鉻含量,將直接導致耐腐蝕能力下降, 這也是部分低品質 200 系不銹鋼易生鏽的主因。
300 系列:鎳穩定奧氏體的代表
300 系列為典型的鎳鉻系奧氏體不銹鋼,具無磁性、良好成形性、 高耐蝕性等特性,且其材料性能不依賴熱處理改變, 是目前應用最廣泛的不銹鋼系列。
400 系列:鐵素體/馬氏體,具磁性
400 系列以鐵與鉻為主,屬於鐵素體或馬氏體結構, 具有磁性,可透過熱處理強化, 但延展性與耐腐蝕性相較 300 系為低。
雙相不銹鋼:奧氏體 + 鐵素體
若鎳含量僅足以轉換部分鐵素體, 便會形成約各佔 50% 的雙相結構, 在強度與耐蝕性之間取得平衡,常見於高要求工業環境。
常見問答(FAQ)
Q1:為什麼 304 不銹鋼幾乎沒有磁性?
因為 304 屬於奧氏體不銹鋼,FCC 結構本身不具磁性; 僅在冷加工後,局部結構轉變時才可能出現微弱磁性。
Q2:200 系不銹鋼可以完全取代 300 系嗎?
不建議。200 系主要為成本導向設計, 在耐腐蝕性與長期穩定性上仍與 300 系存在明顯差距。
Q3:鎳含量越高,不銹鋼就一定越好嗎?
不一定。鎳主要影響結構與韌性, 實際選材仍需同時考量鉻、鉬與使用環境條件。
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