無鎳高氮不銹鋼氮含量與相之關係

Abstract

沃斯田鐵不銹鋼具有優良的耐高溫氧化，腐蝕性質與良好的常溫加工性質。但由於近年來鎳價上漲，使得煉鋼原料成本大幅增加。為降低鎳的含量，可使用氮做為沃斯田鐵穩定劑，取代部分的鎳，不僅可以降低原料成本。本研究為利用電漿熔煉探討研製高氮無鎳不銹鋼與製程參數之關係，期望改變電漿製程參數以提升不銹鋼氮含量的溶解度。實驗將自行配製高氮無鎳不銹鋼置於密閉的傳送式(transferred)電漿爐中，及使用水冷卻銅坩鍋進行合金的熔煉，可避免坩鍋對金屬熔體的污染，所得鑄錠的清淨度非常高。變換實驗參數，如熔煉時間、添加金屬、氮氣壓力等，得到不同條件下參數對氮含量及成分之影響。實驗結果發現隨著鉻含量與錳含量的增加，氮含量隨之提升，不銹鋼中所含有少量的肥粒鐵相亦隨著減少。在3.5 bar氮氣壓力熔煉合金成份為15Cr-22Mn-3Mo之高氮無鎳不銹鋼中，氮含量已可達6007 ppm，且為完全無磁性的沃斯田鐵相結構。在熔煉時間方面，以電源功率50 KVA進行熔煉，發現氮含量在5分鐘時可達到最大值，而後隨著熔池金屬的揮發而有所下降。由改變氮氣壓力熔煉結果可發現，氮含量與氮氣分壓之平方根成正比，在6.0 bar壓力下熔煉19Cr-22Mn-3Mo之氮含量可高達0.7 wt%以上，若能將壓力再向上提升，則可熔製出更高氮含量之不銹鋼鑄錠。另外為提供高氮無鎳不銹鋼發展之需要，使用熱力學計算軟體Thermo-Calc繪製專用相圖，和實驗結果互相比較驗證，定立適當的高氮無鎳不銹鋼之合金成份範圍。