TWI758215B

TWI758215B - 高鉻矽耐蝕鋼及其用途

Info

Publication number: TWI758215B
Application number: TW110127675A
Authority: TW
Inventors: 葉均蔚
Original assignee: 國立清華大學
Priority date: 2021-07-28
Filing date: 2021-07-28
Publication date: 2022-03-11
Also published as: EP4124670A1; US20230051620A1; TW202305152A; JP2023020772A

Abstract

本發明主要揭示一種高鉻矽耐蝕鋼，其組成以重量百分比計係主要包括：22~30wt%的Cr、2~10wt%的Si、以及平衡量的Fe和不可避免之雜質，其中，Cr和Si的總量小於37wt%。實驗數據顯示，本發明之高鉻矽耐蝕鋼的多個樣品皆具有介於HV170和HV500之間的硬度以及高於0.8V的孔蝕電位。因此，實驗數據證明，本發明之高鉻矽耐蝕鋼係能夠取代習用的不耐孔蝕的不銹鋼如304、316 L，進而應用於化工設施及工程結構要求高耐腐蝕性之零組件及結構件的製造。

Description

高鉻矽耐蝕鋼及其用途

本發明係關於合金材料之相關技術領域，尤指一種具高耐腐蝕性質的高鉻矽鋼。

近100年來，含高鉻、低碳及添加鎳的各種不銹鋼因其優異的耐腐蝕特性而被廣泛地應用在各種工業領域之中。目前，市場上可購買的不銹鋼品種多達230餘種，其中經常使用的主流品種有近50種，其可進一步地分為奧斯田鐵系、麻田散鐵系、肥粒鐵系、雙相系、及析出硬化系等5種類型。不銹鋼產品隨處可見，從日常生活用品(如廚具、水塔與電腦零組件等)、到工業科技產品(如機械零件和航太材料)、乃至於醫療器材皆可看到其應用。

目前，特殊用途不銹鋼主要分為奧斯田鐵系不銹鋼、麻田散鐵系、和析出硬化系不銹鋼。其中，奧斯田鐵系不銹鋼具有良好的耐蝕性、加工性、銲接性，因此獲得最為廣泛的應用。316L不銹鋼即為一種奧斯田鐵系不銹鋼，其含有18wt%的鉻、8wt%的鎳以及2-3wt%的鉬。已知，316L不銹鋼抵抗氯離子及酸的腐蝕能力較304不銹鋼優秀，故其典型的應用產物為不銹鋼水管。即使如此，由於316L不銹鋼的孔蝕電位係介於0.3V至0.6V間，因此由316L不銹鋼水管應用海洋環境時，其仍易遭受海水的間隙腐蝕(crevice corrosion)和孔蝕(pitting corrosion)。換句話說，習用的304、316L不銹鋼皆不耐孔蝕。另一方面，應知道，304和316L不銹鋼在均質化狀態下的硬度皆約小於HV160。

總的來說，海水的腐蝕導致不銹鋼應用受到極大限制，故而開發適合應用於化工設施及工程結構所使用之要求高耐腐蝕性之零組件的新式合金材料是目前重要的課題。特別說明的是，前述之零組件為須承受拉力或撞擊力的結構性零件，因此，其製造材料(即，合金材料)必須同時兼具足夠的硬度、韌性以及耐蝕性。相對地，均質化維氏硬度在HV500以上的合金材料在塑性變形的過程中易引發脆裂或剝落，顯然不適合作為前述之結構性零件。

有鑑於此，本案之發明人係極力加以研究發明，而終於研發完成一種具有高於0.8V的孔蝕電位以及低於HV500的硬度之高鉻矽耐蝕鋼。

本發明之主要目的在於提供一種高鉻矽耐蝕鋼，其組成以重量百分比計係主要包括：22~30wt%的Cr、2~10wt%的Si、以及平衡量的Fe和不可避免之雜質，其中，Cr和Si的總量小於37wt%。實驗數據顯示，本發明之高鉻矽耐蝕鋼的多個樣品皆具有介於HV170和HV500之間的硬度以及高於0.8V的孔蝕電位。因此，實驗數據證明，本發明之高鉻矽耐蝕鋼係能夠取代習用的不耐孔蝕的耐腐蝕不銹鋼如304、316L，進而應用於化工設施及工程結構等要求高耐腐蝕性之零組件及結構件的製造。

為達成上述目的，本發明提出所述高鉻矽耐蝕鋼的一第一實施例，其具有介於HV170和HV500之間的硬度以及大於0.8V的孔蝕電位，且其組成以重量百分比計係包括：22~30wt%的Cr、2~10wt%的Si、以及平衡量的Fe和不可避免之雜質，其中，Cr和Si的總量小於37wt%。

在可行的實施例中，前述之高鉻矽耐蝕鋼的第一實施例之組成以重量百分比計係更包括：不超過0.3wt%的C及/或不超過0.2wt%的B。

在可行的實施例中，前述之高鉻矽耐蝕鋼的第一實施例之組成以重量百分比計係更包括：不超過3wt%的Mo及/或Nb；以及不超過2wt%的M，其中M包括選自於由Ni、Ti、Cu、V、Zr、Mn、Co、Ta、Sn、和Al所組成群組之中的至少一種添加元素。

為達成上述目的，本發明提出所述高鉻矽耐蝕鋼的一第二實施例，其具有介於HV170和HV500之間的硬度以及大於0.8V的孔蝕電位，且其組成以重量百分比計係包括： 22~30wt%的Cr； 2~10wt%的Si；不超過3wt%的Mo及/或Nb；不超過0.3wt%的C；不超過0.2wt%的B；不超過2wt%的M；以及平衡量的Fe和不可避免之雜質；其中，Cr和Si的總量小於37wt%，且M包括選自於由Ni、Ti、Cu、V、Zr、Mn、Co、Ta、Sn、和Al所組成群組之中的至少一種添加元素。

在可行的實施例中，所述高鉻矽耐蝕鋼係利用選自於由真空電弧熔煉法、大氣電弧熔煉法、電熱絲加熱法、感應加熱法、快速凝固法、機械合金法、和粉末冶金法所組成群組之一種製程方法所製成。

在可行的實施例中，所述高鉻矽耐蝕鋼之型態為下列任一者：粉末、線材、焊條、包藥焊絲、棒、管、板材、或是片材。

在可行的實施例中，所述高鉻矽耐蝕鋼係利用選自於由鑄造、電弧焊、雷射焊、電漿焊、熱噴塗、熱燒結、熱擴散、熱軋延、3D積層製造、機械加工、和化學加工所組成群組之一種製程方法而被加工披覆至一目標工件的表面上。

在可行的實施例中，所述高鉻矽耐蝕鋼為一鑄造態合金或經熱處理後的一熱處理態合金，且所述熱處理為選自於時效硬化處理、退火軟化處理和均質化處理所組成群組之中的任一種。

進一步地，本發明同時提供一種高鉻矽耐蝕鋼之用途，其係應用於化工設施及工程結構等所使用之要求高耐腐蝕性之零組件及結構件的製造。

為了能夠更清楚地描述本發明之一種高鉻矽耐蝕鋼及其用途，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。

實施例一

於實施例一中，所述高鉻矽耐蝕鋼具有介於HV170和HV500之間的硬度以及大於0.8V的孔蝕電位，且其組成以重量百分比計係主要包括：22~30wt%的Cr、2~10wt%的Si、以及平衡量的Fe和不可避免之雜質，其中Cr和Si的總量小於37wt%。

實施例二

於實施例二中，所述高鉻矽耐蝕鋼具有介於HV170和HV500之間以及大於0.8V的孔蝕電位，且其組成以重量百分比計係主要包括：22~30wt%的Cr、2~10wt%的Si、不超過3wt%的Mo及/或Nb、不超過0.3wt%的C、不超過0.2wt%的B、不超過2wt%的M、以及平衡量的Fe和不可避免之雜質。特別地，Cr和Si的總量小於37wt%，且M包括選自於由Ni、Ti、Cu、V、Zr、Mn、Co、Ta、Sn、和Al所組成群組之中的至少一種添加元素。

就現有的不銹鋼而言，當其Cr含量超過13wt%就會形成鈍化膜而產生很好的耐酸效果。可惜的是，在含有高鹽分的海洋環境中，此鈍化膜卻易被局部侵蝕而形成間隙腐蝕及/或孔蝕。因此，本發明之高鉻矽耐蝕鋼含有高含量的鉻(22~30wt%)及矽含量(2~10wt%)以及一定含量的添加元素，故而具有大於0.8V的孔蝕電位之特殊性質。同時，本發明之高鉻矽耐蝕鋼具有大於HV170但不超過HV500的硬度。

實際應用時，本發明之高鉻矽耐蝕鋼可以利用由真空電弧熔煉法、大氣電弧熔煉法、電熱絲加熱法、感應加熱法、快速凝固法、機械合金法、或粉末冶金法製造而得。特別說明的是，本發明不特別限制所述高鉻矽耐蝕鋼之狀態，因此，其可為鑄造態合金或為經熱處理後的一熱處理態合金。長期涉及合金之設計與製造的材料工程師應當知道，所述熱處理可以是時效硬化處理、退火軟化處理或均質化處理。當然，本發明亦不限制所述高鉻矽耐蝕鋼的成品或半成品之形態。在可行的實施例中，所述高鉻矽耐蝕鋼的成品或半成品之形態可為粉末、線材、焊條、包藥焊絲、棒、管、板材、或片材。

另一方面，實際應用時，本發明之高鉻矽耐蝕鋼亦可利用鑄造、電弧焊、雷射焊、電漿焊、熱噴塗、熱燒結、熱擴散、熱軋延、3D積層製造、機械加工、或化學加工等製程方法而被加工披覆至一目標工件的表面上。

特別說明的是，本發明之高鉻矽耐蝕鋼係用以取代習用的不耐孔蝕的不銹鋼(如304、316L)，進而應用於化工設施及工程結構所使用之要求高耐腐蝕性之零組件及結構件的製造。另一方面，本發明之高鉻矽耐蝕鋼亦可作為披覆材使用。

為了證實上述本發明之高鉻矽耐蝕鋼係的確能夠被據以實施的，以下將藉由多組實驗資料的呈現，加以證實之。

實驗例一

於實驗例一中，係利用真空電弧熔煉爐來製造本發明之高鉻矽耐蝕鋼的多個樣品，並接著對各個樣品進行均質化處理、硬度量測、以及腐蝕電位量測。更詳細地說明，所述腐蝕電位量測係使用包含恆電位儀(Potentiostat)、工作電極(Working electrode)、輔助電極(Counter electrode)、與參考電極(Reference electrode)的一電化學量測系統(Electrochemical test system)予以完成。進行腐蝕電位量測時，以測試樣品、鉑(Pt)和甘汞電極分別作為工作電極、相對電極和參考電極。其中，工作電極與輔助電極被浸泡在盛裝有3.5%的NaCl水溶液的一第一容器之中，且電性連接恆電位儀。另一方面，甘汞電極則被浸泡在盛裝有飽和KCl水溶液的一第二容器之中，且電性連接恆電位儀。並且，該第一容器和該第二容器之間設有一鹽橋。接著，操作恆電位儀進行極化曲線的量測，之後利用軟體分析所測得之曲線即可得到測試樣品的孔蝕電位。

本發明之高鉻矽耐蝕鋼的多個樣品之組成及其相關實驗數據係整理於下表(1)之中。表(1)

樣品	合金元素組成 (wt%)	均質化態硬度（HV）	孔蝕電位（Volt）
Fe	Cr	Si
A1	76	22	2	181	0.8
A2	75	22	3	194	0.9
A3	72	22	6	292	1.1
A4	68	22	10	360	1.2
A5	74.5	24	1.5	160	0.1
A6	73	24	3	200	1.2
A7	71.5	24	4.5	275	1.2
A8	70	24	6	300	1.2
A9	68	24	8	370	1.3
A10	66	24	10	410	1.2
A11	69	28	3	245	1.0
A12	64	28	8	480	1.2
A13	68	30	2	221	1.1
A14	65	30	5	297	1.2
A15	62	30	8	530	1.2
A16	60	30	10	828	1.2

由上表(1)可知，16個樣品皆屬本發明之高鉻矽耐蝕鋼的實施例一。同時，可以發現，在含有22-24wt%的Cr的情況下，Si含量越高的樣品的硬度表現亦越佳。表(1)的數據顯示，除了A15及A16外，本發明之高鉻矽耐蝕鋼的所有樣品的硬度皆介於HV170和HV500之間。補充說明的是，樣品A15和A16在進行硬度量測的過程，鑽石針在樣品表面上所形成的壓痕之周圍係出現裂隙，顯示樣品A15和A16因硬度過高(即，大於HV500)而不適合被應用作為結構材。相反地，其它樣品在硬度量測的過程皆未出現表面裂隙。另一方面，除了Si含量僅有1.5wt%的樣品A5之外，本發明之高鉻矽耐蝕鋼的的所有樣品的孔蝕電位皆高於0.8V。值得說明的是，完成孔蝕電位的量測之後，可以在樣品A5的表面看到許多局部孔蝕。因此，表(1)的實驗數據證實，本發明之高鉻矽耐蝕鋼的Si含量不可以低於2wt%。

實驗例二

於實驗例二中，係利用真空電弧熔煉爐來製造本發明之高鉻矽耐蝕鋼的多個樣品，並接著對各個樣品進行均質化處理、硬度量測、以及腐蝕電位量測。本發明之高鉻矽耐蝕鋼的多個樣品之組成及其相關實驗數據係整理於下表(2)之中。表(2)

樣品	合金元素組成 (wt%)	均質化態硬度（HV）	孔蝕電位（Volt）
Fe	Cr	Si	其他微量元素
B1	70	24	4	2Ni	270	1.2
B2	70	24	4	2Ti	363	1.2
B3	70	24	4	2Cu	289	1.1
B4	71	24	3	1V1Zr	221	1.1
B5	75	22	2	1Mo	190	0.9
B6	75	22	2	1Nb	185	0.9
B7	74	22	2	1Nb1Ti	193	0.9
B8	70.5	22	6	1.5Al	306	1.1
C1	66	26	6	1Nb1Mo	334	1.2
C2	67.8	26	6	0.2B	284	1.2
C3	67	26	4	1Nb2Mo	294	1.2
C4	69	26	3	1Mn1Co	212	1.1
D1	61.5	28	8	2.5Mo	343	1.2
D2	68.9	28	3	0.1C	227	1.2
D3	68.9	28	3	0.1B	205	1.2
D4	65	28	5	2Ta	275	1.1
E1	65.7	30	4	0.3C	286	1.1
E2	65.9	30	4	0.1C	249	1.1
E3	62	30	6	2Sn	324	1.2

由上表(2)可知，19個樣品皆屬本發明之高鉻矽耐蝕鋼的實施例二。更詳細地說明，在進行硬度量測之後，鑽石針在19個樣品的表面上所形成的壓痕之周圍沒有出現裂隙。另一方面，完成孔蝕電位的量測之後，也沒有在19個樣品的表面看到明顯的局部孔蝕。因此，表(2)的實驗數據證實，本發明之高鉻矽耐蝕鋼的實施例二的確具有大於0.8V的孔蝕電位以及介於HV170和HV500之間的硬度。補充說明的是，隨著Si含量增加，樣品的均質化狀態硬度亦隨之增加，同時抗孔蝕效果也愈好。再者，在添加微量元素如B、C、Mo、Nb、Ni、Ti、Cu、V、Zr、Mn、Co、Ta、Sn、Al之後，樣品硬度會有所變化，但孔蝕電位皆大於或等於0.8V。

因此，由實際量測數據可發現，本發明之高鉻矽耐蝕鋼的實施例一與實施例二皆具有高於0.8V的孔蝕電位以及介於HV170和HV500之間的硬度。因此，實驗數據證明，本發明之高鉻矽耐蝕鋼係能夠取代習用的不耐孔蝕的不銹鋼如304、316L，進而應用於化工設施及工程結構等所使用之要求高耐腐蝕性之零組件及結構件的製造。

如此，上述係已清楚且完整地說明本發明所揭示的一種高鉻矽耐蝕鋼的所有實施例。然而，必須加以強調的是，前述本案所揭示者乃為較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

無

Claims

一種高鉻矽耐蝕鋼，其具有介於HV170和HV500之間的硬度以及大於0.8V的孔蝕電位，且其組成以重量百分比計係包括：22~30wt%的Cr、2~10wt%的Si、以及平衡量的Fe和不可避免之雜質，其中Cr和Si的總量小於37wt%。
如請求項1所述之高鉻矽耐蝕鋼，其中，所述高鉻矽耐蝕鋼的組成以重量百分比計係更包括：不超過0.3wt%的C及/或不超過0.2wt%的B。
如請求項1所述之高鉻矽耐蝕鋼，其中，所述高鉻矽耐蝕鋼的組成以重量百分比計係更包括：不超過3wt%的Mo及/或Nb；以及不超過2wt%的M，其中M包括選自於由Ni、Ti、Cu、V、Zr、Mn、Co、Ta、Sn、和Al所組成群組之中的至少一種添加元素。
如請求項1所述之高鉻矽耐蝕鋼，其中，所述高鉻矽耐蝕鋼係利用選自於由真空電弧熔煉法、大氣電弧熔煉法、電熱絲加熱法、感應加熱法、快速凝固法、機械合金法、和粉末冶金法所組成群組之一種製程方法所製成。
如請求項1所述之高鉻矽耐蝕鋼，其中，所述高鉻矽耐蝕鋼之型態為下列任一者：粉末、線材、焊條、包藥焊絲、棒、管、板材、或片材。
如請求項1所述之高鉻矽耐蝕鋼，其中，所述高鉻矽耐蝕鋼係利用選自於由鑄造、電弧焊、雷射焊、電漿焊、熱噴塗、熱燒結、熱擴散、熱軋延、3D積層製造、機械加工、和化學加工所組成群組之一種製程方法而被加工披覆至一目標工件的表面上。
如請求項1所述之高鉻矽耐蝕鋼，其中，所述高鉻矽耐蝕鋼為一鑄造態合金或經熱處理後的一熱處理態合金，且所述熱處理為選自於時效硬化處理、退火軟化處理和均質化處理所組成群組之中的任一種。
一種如請求項1至請求項7中任一項所述之高鉻矽耐蝕鋼的用途，其係應用於要求高耐腐蝕性之物件的製造。
一種高鉻矽耐蝕鋼，其具有介於HV170和HV500之間的硬度以及大於0.8V的孔蝕電位，且其組成以重量百分比計係包括： 22~30wt%的Cr； 2~10wt%的Si；不超過0.3wt%的C；不超過0.2wt%的B；不超過3wt%的Mo及/或Nb；不超過2wt%的M；以及平衡量的Fe和不可避免之雜質；其中，Cr和Si的總量小於37wt%，且M包括選自於由Ni、Ti、Cu、V、Zr、Mn、Co、Ta、Sn、和Al所組成群組之中的至少一種添加元素。
如請求項9所述之高鉻矽耐蝕鋼，其中，所述高鉻矽耐蝕鋼係利用選自於由真空電弧熔煉法、大氣電弧熔煉法、電熱絲加熱法、感應加熱法、快速凝固法、機械合金法、和粉末冶金法所組成群組之一種製程方法所製成。
如請求項9所述之高鉻矽耐蝕鋼，其中，所述高鉻矽耐蝕鋼之型態為下列任一者：粉末、線材、焊條、包藥焊絲、棒、管、板材、或片材。
如請求項9所述之高鉻矽耐蝕鋼，其中，所述高鉻矽耐蝕鋼係利用選自於由鑄造、電弧焊、雷射焊、電漿焊、熱噴塗、熱燒結、熱擴散、熱軋延、3D積層製造、機械加工、和化學加工所組成群組之一種製程方法而被加工披覆至一目標工件的表面上。
如請求項9所述之高鉻矽耐蝕鋼，其中，所述高鉻矽耐蝕鋼為一鑄造態合金或經熱處理後的一熱處理態合金，且所述熱處理為選自於時效硬化處理、退火軟化處理和均質化處理所組成群組之中的任一種。
一種如請求項9至請求項13中任一項所述之高鉻矽耐蝕鋼的用途，其係應用於要求高耐腐蝕性之物件的製造。