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1、合金元素對低鎳沃斯田鐵系邊裂之影響 謝尚錡*Effect of Alloying Elements on Edge Cracks of Low Nickel Austenitic Stainless Steels Shang-Chi Hsieh摘 要 本文旨在探討各合金元素對低鎳沃斯田鐵系不銹鋼(200系) 熱加工性之影響。由於廠內已開發一系列200系鋼種，且於熱軋製程時有邊裂缺陷產生，經統計以及缺陷微觀分析其原因，概括而言分為幾點成因：(1)S含量在晶界偏析使晶界脆化，導致鋼料熱延性降低(2)熱加工性指數過高WT=Mn*Cr/Ni (3)-ferrite殘留量過高，使得/界面應力集中產生邊裂
2、缺陷 (4)Cu/Ni偏高造成Cu於表面濃化(5) Sn、Sb、As含量會導致銅之固溶度降低，進而影響熱延性。(6) Si、B元素之適量添加，有助於提高熱延性。關鍵字：熱加工性、沃斯田鐵系、邊裂 ABSTRACT The effect of alloying elements on the hot ductility of low nickel austenitic stainless steels were investigated. Since YUSCO has developed series of 200 and the series have edge cracks during
3、hot steckel mill. Some reasons are found after statistics and the defect microstructcre analysis. These reasons are as following: (1). The S content in grain boundary segregation makes embrittlement and material hot ductility lower. (2). The high Hot workability index, WT=Mn*Cr/Ni. (3). The high res
4、idue of -ferrite makes the r/inferface stress centralized and causes edge cracks.(4). The high Cu/Ni causes Cu condensed on the surface. (5). The content of Sn, Sb, As causes solid solution degree of copper decreases and effects the hot ductility. (6). The proper adding of elements Si and B helps to
5、 increase the hot ductility.Key Words：hot ductility、austenitic 、edge cracks.前 言 隨著鎳價居高不下，近來國際低鎳系不銹鋼材發展加快，預料未來需求量都將進一步增加。而廠內在發展200系鋼種已有一段時日，但由於200系鋼種因以Mn來取代Ni，且Cr含量較低，故耐蝕性及加工性仍有待突破。本文將針對合金元素於200系熱軋鋼捲產出後，對邊裂缺陷之影響。*研究發展處研發一課工程師.原 理2-1. S元素 S元素主要功能是改善其切削性，但過量會在晶界偏析使晶界脆化，導致鋼料熱延性降低6。2-2. WT指數 Mn是沃斯田鐵形成元素，
6、為了補充Ni減少的量所必須之元素，如果不滿6.0%則無法得到沃斯田鐵單相組織。但是添加量如過多，會使耐高溫氧化性劣化，同時使製品鋼板的延性降低，從加工面來考量並不好。 Cr賦予沃斯田鐵系不銹鋼有充分的耐蝕性，但添加過量會因析出相等脆化相而降低韌性及耐蝕性。 Ni是沃斯田鐵形成元素，可提高耐蝕性、成形性及韌性。從降低製造成本目的來考量，一般限定在4.0 %以下。 而熱加工性指數(WT)Mn*Cr/Ni，當WT值愈高，則邊裂比例有愈高之趨勢。適用於廠內20200(1%Ni，0.1%N)鋼種，WT值一般限定在105以下5。2-3. -ferrite 200系不銹鋼在高溫加工存在之相，其含量主要由肥粒
7、鐵生成指標Delong值(Delong=3.49*(Cr+Mo+1.5Si)-2.5*(Ni+30*N+30*N+0.5*Cu+0.3*Cu)-30.65)及再加熱製程條件來決定，故Delong值愈高鑄胚中殘留之相也愈多，此殘留之相會在後續之在加熱過程中，隨著再加熱溫度、時間增加，因再固溶而減少。但若合金成份致使Delong值太高或再加熱溫度超過變態溫度Tr(相進入兩相區之臨界溫度) 如圖一所示，則相析出使/界面應力集中，導致高溫延性劣化1。Tr圖一：Fe-Cr-Ni平衡相圖(A：相，F：相)2-4. Cu元素 Cu含量若偏高較易析出於鑄胚表面，經熱軋軋延後於銹皮/基材介面形成Fe-Ni-Cu
8、相生成，進而產生Cu-Ni偏析易發生熱軋邊裂8。尤其以200系等高Cu鋼種，較易發生此現象。如圖二所示。Cu-rich zoneSteelOxide圖二：Cu於銹皮/基材介面形成偏析2-5. Sn、Sb、As元素 Sn、Sb、As等微量元素會導致銅之固溶度降低，使得 Cu在表面上形成濃化，易造成熱加工性變差8。如圖三所示。圖三：Sn對Cu之固溶度影響2-6. Si、B元素 Si是煉鋼製程脫氧必須成份，適量添加亦可減緩Cu在表面上濃化，進而避免邊裂缺陷發生。適量之B元素可提高熱加工性，但如添加過量恐有粒界腐蝕之虞。.實驗方法 200系熱軋邊裂鋼捲如圖四所示。本實驗將以SEM、GDS、GLEEBL
9、E等試驗分析儀器，並且配合統計以佐證合金元素對200系邊裂缺陷之影響。圖四：200系邊裂鋼捲(廢品)3-1.S之影響 以EDS及Linescan分析鋼捲邊裂之缺陷處，如圖五圖七所示。結果顯示在缺陷處有S之偏析。統計200系S含量與邊裂之關係，如圖八所示。其S愈高，則邊裂比例有愈高之趨勢6。圖五：SEM分析圖圖六：EDS分析圖圖七：Linescan S含量分析圖圖八：200系S含量與邊裂之關係圖3-2.-ferrite及WT值之影響 以SEM及EDS分析其缺陷位置，結果發現裂縫係沿著-ferrite產生，且缺陷位置之Cr含量(2123%)比母材(1416%)高，如圖九所示。引用一熱加工性指標WT
10、=MN*CR/NI並與D-F依20200鋼捲缺陷程度統計其分佈情形，如圖十所示。D-F在-6以上及WT值在115以上之鋼捲，在粗軋時即已邊裂未能完軋5。 圖九：SEM、EDS分析圖在粗軋時即已邊裂未能完軋 圖十：WT值與D-F之分佈圖註：圖十中，N：無發生邊裂之鋼捲 L：輕微程度邊裂 M：中等程度邊裂 H：嚴重程度邊裂 S：極嚴重程度邊裂3-3.Cu/Ni之分析 取20201熱軋T-Bar邊裂試片(COILID：3CS50101)經研磨拋光後，使用背向電子顯微鏡觀察，發現缺陷處佈滿亮點，如圖十一所示。並以EDS分析其亮點處，結果發現亮點處之Cu、Ni含量較基材處高4，如圖十二所示。裂縫銹皮層C
11、u、Ni偏析處基材圖十一：背向電子分析缺陷照片A2B2B11A1位置Cu%Ni%缺陷處A19.6521.26A29.1517.65基材B11.584.28B21.704.19圖十二：EDS分析 統計200系Cu/Ni與邊裂之關係，如圖十三所示。發現200系Cu/Ni愈高，其邊裂比例有愈高之趨勢4。圖十三：20201 Cu/Ni與邊裂之關係3-4.Sn之分析 取兩組20201鋼胚試片(SLABID：TU13564453、TU13600601)，成份如下表一所示。並委託中鋼作Gleeble試驗，如圖十四十六所示，結果顯示未邊裂之鋼胚試片熱加工性較佳。熱軋廠現行粗軋溫度約為1100，而SLABID：
12、 TU13564453鋼胚試片於1100有較差之延性且Sn含量較高7。表一：20201鋼胚試片成份SlabidCSiMnS(PPM)NiCrCuNSn(PPM)d-f熱軋情形TU135644530.0420.57.78354.1614.81.680.05181-4.07邊裂TU136006010.0460.47.74494.2215.01.640.04119-3.50OK圖十四：20201Gleeble各試驗溫度之斷面縮率圖十五：Gleeble試驗之試片(邊裂)圖十六：Gleeble試驗之試片 20201在退火溫度(1200、1300)下之鋼胚作GDS分析，如圖十七圖二十所示。結果發現溫度升高
13、後邊裂缺陷之鋼胚(TU13564453)，其表面仍有較高之Cu含量。故Sn含量過高會導致銅之固溶度降低，使得 Cu在表面上形成濃化。 統計Sn含量與邊裂之關係如圖二十一所示，Sn含量愈高其邊裂比例愈高7。圖十七：GDS分析(TU13564453 SE01 1200)圖十八：GDS分析(TU13600601 1200)圖十九：GDS分析(TU13564453 SE01 1300)圖二十：GDS分析(TU13600601 1300)圖二十一：200系Sn含量與邊裂之關係3-5.B及Si之分析 統計B含量與邊裂之關係，如圖二十二所示。B含量大於20PPM有較低之邊裂比例，故顯示添加B元素可提高熱加工
14、性。統計Si含量與20101邊裂之關係，Si含量愈低其邊裂比例愈高，如圖二十三所示。圖二十二：B含量與邊裂之關係 圖二十三：Si含量與邊裂之關係.結果與討論 由以上分析結果顯示，部份合金元素對邊裂缺陷之影響甚鉅，故整合下表以了解廠內200系各鋼種為避免邊裂缺陷發生之合金元素含量範圍。GRADE影響邊裂之元素SiSCuSnBDELONGWT20101(1%Ni)0.40.60.0051.41.68020-7.5-20200(1%Ni)0.250.450.0051.71.980-7.9810520201(4%Ni)0.40.60.0061.451.6100-3.4-*20200係20101之前身.
15、結論 截至目前為止廠內200系邊裂缺陷已趨於穩定，但偶有少量鋼捲發生輕微邊裂及SS01第五類剝片，故往後目標除維持現況外，仍須找尋其他可能發生邊裂缺陷之原因(如熱軋製程參數、微量元素等)，以增加產品品質之競爭力。參考文獻(1) 柳榮昌，陳啟偵，中鋼技術與訓練，21卷5期，304不銹鋼邊緣破裂之改善，85年10月，p.7988(2) 劉宏義，潘永村，中鋼技術與訓練，21卷5期，合金元素對系不銹鋼性質影響，85年10月，p.89100(3) 潘永村，中鋼研究報告(TS-83-052)，不銹鋼邊裂原因探討，85年5月(4) 燁聯技術部晨會，200系邊裂追蹤，93年12月24日，p.13(5) 燁聯技術部晨會，20200鋼捲熱軋邊裂追蹤，92年6月13日，p.13(6) 燁聯技術部晨會，20200成份修訂事宜，92年11月28日，p.13(7) 燁聯技術部晨會，20201邊裂原因探討，94年1月28日，p.13(8)L. Habraken and J. Lecomte-Beckers: Hot Shortness and Scaling of Copper Containing Steels, Copper in Iron and Steel, 1982, pp.67-72. 12
