探索不銹鋼: 材料技術的創新

 

 

鋼材是現代工業中用途最廣泛、最重要的材料之一。這種金屬因它的強度、延展性和適應性的結合而被認隨是市場不可或缺的材料。然而，並非所有鋼材都是相同的；它們的性能和應用根據化學成分和微觀結構的不同而有很大差異。

 

在本篇文章中，我們將探討鋼的兩大類：碳鋼和合金鋼，每種鋼都根據化學含量和組成元素進行細分。這些細節不僅決定了它們的物理特性，也決定了它們在各種工業應用中的表現。

 

我們還將重點介紹 Meltio 的不銹鋼，這是一種革命性的線材材料，它將不銹鋼的耐腐蝕性與先進的製造技術相結合。 Meltio 不銹鋼在要求精度和彈性的產業中脫穎而出，廣受好評。

 

 

目錄

 

1. 鋼材的種類介紹
   1. 碳鋼的三種主要類型
   2. 合金鋼：專為性能而設計
   3. 以主要允許元素分類
2. Meltio 不鏽鋼
   1. 是什麼讓不銹鋼如此特別？
   2. 應用領域
   3. Meltio 系統使用的316L不鏽鋼

 

 

1. 鋼材的種類介紹

 

鋼材有很多類型，根據所含合金元素進行分類。當碳是主要合金元素，而其他合金元素僅以較低濃度存在時，此鋼材就會被歸類為碳鋼。

 

其他類型的鋼材會根據特定特性命名，例如：

 

• 其成分中的主要元素（例如矽鋼）
• 它們適合某些後處理（例如表面硬化鋼）
• 它們提供增強的性能（例如不銹鋼）
• 它們的應用需求（例如結構鋼）

 

這些分類有助於我們了解成分的變化如何影響不同鋼材的性能和用途。

 

碳鋼是市場上應用最廣泛的鋼種之一。它簡單的元素組成和適應性讓它成為眾多產業的基石，為從結構應用到精密工具的各個領域提供解決方案。

 

 

1.1. 碳鋼的三種主要類型

 

在本節中，我們將探討碳鋼的三個主要類別：低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。

 

• 低碳鋼 (< 0.25% C):

通常稱為低碳鋼或鐵，鋼質柔軟、延展性好且易於加工。由於碳含量較低，它們的硬度較低，但可加工性優異。它們非常適合梁、軋製型鋼和管道等結構應用。

 

• 中碳鋼 (0.25%-0.60% C):

這種鋼材結合了較高的強度和硬度以及良好的切削加工性。因此，它通常用於製造承受中等應力的零件，例如軸、齒輪和彈簧。

 

• 高碳鋼 (> 0.60% C):

由於碳含量較高，這些鋼材可實現高水平的硬度，但會犧牲一些延展性。它們主要用於切割工具、刀片和高強度線材。

 

 

1.2. 合金鋼：專為性能而設計

 

與碳鋼不同，合金鋼含有大量附加元素，例如鉻、鎳、鉬和釩。這些元素賦予鋼材特定的性能，例如耐腐蝕、耐磨或耐熱性，使它們成為要求嚴格的應用的理想選擇。

 

根據合金成分的含量:

 

• 低合金鋼 (< 5% 合金元素):

這些鋼的成分稍微豐富，強度和硬度顯著提高，而延展性卻沒有太大影響。

 

• 高合金鋼 (> 5% 合金元素):

這些鋼材與不銹鋼一樣，對於極端條件（包括腐蝕環境和高溫）的高耐受性而聞名。它們含有超過 10.5% 的鉻，可有效地抗氧化。

 

 

1.3. 以主要允許元素分類

 

每種合金元素賦予鋼材獨特的性能，增強其特定應用的性能：

 

• 鉻 Chromium
• 鎳 Nickel
• 鉬 Molybdenum
• 釩 Vanadium
• 錳 Manganese

 

 

2. Meltio 不鏽鋼

 

Meltio 的 316L奧氏體不鏽鋼實際上在業界被稱為316LSi。這種鋼材是標準成分的變體，成分中含有額外的矽，以改善某些性能。這種材料已成為積層製造業的標準材料，特別是在需要先進的可焊性和耐腐蝕性等應用需求。

 

 

2.1. 是什麼讓不銹鋼如此特別？

 

這種鋼材的關鍵在於它的化學成分。與 316L 一樣，它的碳含量較低（"L" 代表低碳），但「Si」代表其較高的矽含量（0.65% 至 1.0% 之間）。這種組合賦予了它獨特的屬性：

 

– 增強耐腐蝕性：它非常適合對抗腐蝕性化學環境，例如酸和鹽水。

– 提高可焊性：由於材料組成採用了矽，可以執行更乾淨、更均勻的焊接。

– 降低晶粒間腐蝕的風險：低碳可防止焊接後在晶粒邊緣形成碳化物。

 

奧氏體不銹鋼（因其由奧氏體晶粒形成而得到的名稱）是整個不銹鋼系列中用途最廣泛的。 它們比鐵素體和馬氏體鋼具有更好的抗腐蝕性能，並且因為它緊密堆積的晶體結構（FCC 面心立方）而具有高延展性。這使得這些鋼材適用於各種應用，甚至在低溫環境中也適合使用。

 

另一方面，這些鋼材是沒有鐵磁性的，因此它們不會像鐵素體鋼和馬氏體鋼那樣與磁鐵產生強烈的相互作用。它們也無法透過熱處理（淬火）硬化，因為在其他類型的鋼材中不可能發生從奧氏體到馬氏體的同素體變化。

 

 

 

 

2.2. 應用領域

 

因此款不鏽鋼卓越的耐腐蝕性、高拉伸強度和多功能性，316LSi 不銹鋼廣泛應用於各行業的多種應用：

 

 – 食品和製藥產業：316LSi 不銹鋼的衛生和易於清潔的特性使得此材料成為食品加工設備、儲存容器和管道系統的理想選擇。它的耐腐蝕性能確保產品完整性並防止污染。

– 化學工業：此材料對包括酸性在內的多種化學物質具有耐受性，適用於暴露在腐蝕性環境中的儲槽、反應器和其他設備。

– 海洋和近海作業：316LSi 的高耐鹽水腐蝕性是造船和近海作業不可或缺的材料，用於暴露在惡劣海洋環境中的部件。

– 醫療器材：316LSi 的生物相容性和耐腐蝕性是手術植入物、器械和其他與人體接觸的醫療器材的完美材料。

– 建築和施工：這種材料的美觀、耐用性和耐腐蝕性使其成為建築元素、外牆和結構部件的理想選擇。

 

 

 

 

– 汽車和航太：316LSi 的高強度重量比和耐高溫特性適合汽車和航太的應用，在這些應用中，減重和性能皆非常重要。

 

 

 

– 能源產業：此材料的耐高溫高壓特性適用於發電、石油和天然氣應用中的組件。

– 消費品：316LSi 不銹鋼因其美觀、耐用且易於維護而用於生產各種消費品，例如炊具、餐具和珠寶。

 

 

2.3. Meltio 系統使用的316L不鏽鋼

 

我們都知道，雷射和金屬線絲積層製造是一種溫度變化很快的製造。雷射通過後難以控制的熔化溫度和冷卻決定了零件最終微觀結構的狀態。這些冷卻，加上平行於製造方向的明顯溫度梯度，導致各向異性的微觀結構。

 

 

Meltio 316L 不鏽鋼也不例外。根據在 Meltio 系統上進行的測試實驗，儘管發現比其他類型的 DED 技術使用具有更高熱輸入的其他能源（例如 WAAM）得到的結果更好，但可以觀察到沿著製造方向的輕微優先生長。

 

這表示，在進行機械測試時，平行於和垂直於零件製造的平面之間的拉伸強度之間存在輕微差異。

 

 

Meltio 316L 的拉伸力學性能

 

如果我們停止分析鋼材在列印狀態下的微觀結構，我們可以觀察到大部分微觀結構是奧氏體晶粒，這是正面的，因為此階段是將大部分積極性能傳遞給合金的階段。由於快速冷卻的過程，我們也觀察到在冷卻過程中被困在奧氏體晶粒之間的小晶粒δ肥粒鐵。這可能是有風險的，因為它會使合金特性因各種因素而略有減弱：腐蝕、熱裂紋、低溫下的延性-脆性轉變等等…

 

如果工程要求不允許δ肥粒鐵的存在，可以透過奧氏體化熱處理來消除。將材料加熱到δ肥粒鐵被消除而有利於奧氏體的溫度後，然後再次冷卻。這種熱處理不僅可以去除δ肥粒鐵，還可以減少製造過程中產生的各向異性。

 

316L 列印狀態的微觀結構

 

316L奧氏體化熱處理後的顯微組織

 

 

3. 使用 Meltio 316L 製作的零件應用