SUS 3XX 奧氏體不銹鋼管系列應用於冷作彎管加工技術分析報告

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1. 摘要：冷作彎管應用之比較

 

本報告旨在為不銹鋼管材的冷作彎管加工提供一份深度技術分析，針對奧氏體不銹鋼中幾種常見牌號，深入探討其材料特性、加工行為及實際應用差異。奧氏體不銹鋼以其優異的耐腐蝕性、高延展性及在低溫下的韌性而聞名，使其成為冷彎成形的首選材料。然而，不同牌號的化學成分微調，特別是碳、鎳、鉬等元素的含量，將直接影響其機械性能和加工行為，包括成形所需的力道、加工硬化趨勢及回彈效應。

 

1.1 核心速覽

  • SUS 304 / TP 304(L)：作為不銹鋼家族中的通用型材料，其平衡的機械性能和優異的加工性使其成為成本效益最高的首選。在非嚴苛的環境下，它是實現輕鬆彎曲和良好成形效果的基準材料。
  • SUS 316 / TP 316(L)：這款材料以其出色的耐腐蝕性著稱，特別是在含氯環境中表現卓越。與304相比，其較高的強度和較低的延展性意味著彎管加工需要更大的力道和更精密的製程控制。這是為了獲得更強耐腐蝕性而必須付出的加工代價。
  • SUS 317 / TP 317(L)：這是專為極端腐蝕性環境設計的高性能牌號。其更高的鉬含量使其具備比316更優異的耐孔蝕性和耐應力腐蝕能力，但同時也顯著提高了其強度。因此，317/317L的冷彎加工挑戰性最大，需要功能強大的設備和對回彈效應的精確管理。
  • SUS 321：這是一種經鈦元素穩定化的不銹鋼，旨在抵抗在特定高溫區間內的晶間腐蝕。它的一大優勢在於其冷彎性能與304牌號相當，無需在加工性上做出顯著妥協即可獲得高溫服務的額外保障。
  • SUS 310S / TP 310S：儘管主要設計用於高溫耐熱應用，但得益於其高鎳高鉻成分帶來的穩定奧氏體結構，310S在冷彎加工中展現出令人驚訝的良好性能。然而，其高強度特性要求較大的成形力道，並應特別關注其顯著的回彈效應。

 

1.2 比較性能

下表綜合了本報告的核心分析，以清晰、易讀的格式總結了各牌號在冷彎加工中的關鍵考量。

表3：奧氏體不銹鋼冷作彎管性能比較

牌號 主要優勢 彎曲難度 加工硬化傾向 回彈傾向 典型應用
304/304L 綜合性能平衡，成本效益高 低 中等 中等 食品加工、日常管道、建築
316/316L 卓越耐氯離子腐蝕 中等 較低 中高 海洋、化工、醫療器械
317/317L 極佳耐酸性、抗孔蝕性 高 較低 高 紙漿、造紙、高腐蝕性化工
310S 傑出高溫耐氧化性 中高 低 高 爐管、高溫熱交換器
321 抵抗高溫晶間腐蝕 低 中等 中等 航空器排氣歧管、熱交換器

 

2. 冷金屬成形之基本原理

 

理解奧氏體不銹鋼的冷作彎管加工，必須先掌握其特有的冶金與力學行為。這類材料的性能表現與傳統碳鋼大相徑庭，這使得冷彎成形既具有挑戰性又充滿機遇。

 

2.1 應力-應變之非線性行為

奧氏體不銹鋼的應力-應變曲線與碳鋼存在根本性差異。碳鋼通常具有明確的彈性階段和屈服點，而奧氏體不銹鋼在彈性區間內就呈現出非線性行為，且沒有明確的屈服點 1。因此，在描述其機械性能時，通常使用0.2%偏置屈服強度（Rp0.2​）來定義其屈服點。這種非線性行為是其高延展性和顯著加工硬化能力的基礎。

儘管奧氏體不銹鋼的屈服強度通常低於或與碳鋼相當，但其極高的斷裂伸長率（例如，304牌號通常超過45%）遠超碳鋼（約25%） 1。這賦予了它出色的冷成形能力，允許在斷裂前進行大幅度的塑性變形。然而，這種高延展性與其冷彎加工的「難度」並非矛盾，因為其加工硬化和回彈特性才是決定實際加工難易的關鍵因素。

 

2.2 加工硬化（應變硬化）現象

奧氏體不銹鋼在冷作變形過程中會表現出顯著的加工硬化現象，即材料的強度和硬度隨著變形量的增加而快速提升 。這種現象的核心在於其奧氏體（Austenite）晶體結構在塑性變形中部分轉變為鐵磁性馬氏體（Martensite）相 3。馬氏體是一種更硬、更脆的相，它的形成提高了材料的整體強度。

這種加工硬化對冷彎加工具有直接影響：首先，它導致彎曲所需的力道隨著變形量而增加；其次，它會降低材料的延展性，使得在進行多重彎曲或大幅度彎曲時，材料更容易達到其斷裂極限，增加開裂的風險 。不同牌號的加工硬化傾向各異。例如，高鎳牌號如310S，其奧氏體結構更為穩定，對加工硬化引起的相變抵抗力更強 3，這使得儘管其初始強度很高，但其加工硬化的速率相對較低。相反，304等牌號的奧氏體穩定性較低，在冷作彎曲時，相變傾向更強，因此其加工硬化速率較快 3。

對比304和316，文獻中有時會出現關於其加工硬化傾向的看似矛盾的描述。部分資料指出316對加工硬化更敏感 6，而另一些則強調304的加工硬化是其主要特徵 。這種差異的根本原因在於，材料的初始強度和加工硬化速率是兩個獨立的指標。316不銹鋼因添加了鉬元素而具備更高的初始強度 6，這意味著從彎曲一開始就需要更大的力道。雖然其加工硬化速率可能與304相當或甚至略低 7，但其更高的起點使得在實際加工中，操作者會感覺它更「難」成形，需要更強大的設備和更精密的控制。

 

2.3 回彈：關鍵的設計挑戰

回彈是指金屬在彎曲變形後，當外力移除時，材料因其內部彈性應變而部分恢復形狀的現象 8。這是一個由材料的彈性和高強度直接決定的特性。奧氏體不銹鋼因其高屈服強度和高彈性模量而比碳鋼具有更高的回彈效應 2。

回彈量與材料的屈服強度（Rp0.2​）和抗拉強度（Rm​）成正比，通常可用《（0.2 R_{p0.2} + R_m）/2》來估算 9。這意味著，屈服強度和抗拉強度更高的牌號（如316和317）將產生更顯著的回彈，需要更大的「過彎」角度來達到預期的最終角度。在空氣成形法（air forming）中，304不銹鋼的回彈係數為3.5，遠高於冷軋鋼的1.0 8。若未能準確預測和補償回彈，將導致最終零件的幾何尺寸不準確。現代數控（CNC）彎管機通常會自動計算並補償回彈，但在手動操作中，這就需要豐富的經驗和精確的測量 9。

 

2.4 常見彎曲缺陷與對策

冷作彎管加工中常見的缺陷包括開裂、扭結（kinking）和起皺（wrinkling） 3。這些缺陷通常源於材料特性與加工技術的不匹配。

  • 開裂：通常發生在彎曲半徑過小或材料因加工硬化而韌性大幅降低時。對於厚板或極端彎曲，可以通過預熱材料來降低其強度和硬化趨勢，從而減少開裂風險 。
  • 起皺與扭結：主要發生在薄壁管或小彎曲半徑應用中，內側受壓縮的材料因不穩定而向內褶皺。為避免此類缺陷，通常採用帶有心軸（mandrel）或刮刀模（wiper die）的旋轉拉彎（rotary draw bending）技術 11。心軸從內部支撐管壁，防止其在彎曲過程中變形或塌陷 11。
  • 回彈：如前所述，通過在彎曲過程中進行過度彎曲（overbending）來補償回彈是實現精確角度的關鍵 13。對於高強度牌號，這需要更高的過彎角度和更精密的校準。

 

3. 牌號專屬之冷彎分析

 

本節將針對各不銹鋼牌號，結合上述基本原理，進行詳細的冷彎性能分析。

 

3.1 SUS 304 / TP 304(L)：通用級材料

SUS 304是奧氏體不銹鋼中應用最廣泛的牌號，其經典的「18-8」成分（約18%鉻和8%鎳）提供了平衡的耐腐蝕性和機械性能 。根據ASTM A240標準，304的最低抗拉強度為75,000 psi (515 MPa)，最低0.2%屈服強度為30,000 psi (205 MPa) 。其斷裂伸長率通常高達55%，展現出極佳的延展性 。這使得它具備「優異的成形能力」和「良好的加工性」 ，適合大多數的冷彎加工應用。

304L是304的低碳版本，碳含量最高為0.03% 。其主要優勢在於能有效避免銲接後在熱影響區（HAZ）發生的晶間腐蝕。由於碳含量降低，304L的抗拉強度和屈服強度會略低於304 ，但這也使得其加工硬化傾向稍弱，對於需要銲接的彎曲件而言，304L提供了更穩定的後續性能 14。值得一提的是，304不銹鋼在極低溫下仍能保持其良好的延展性和韌性，這反過來證明了其在常溫冷彎加工中的優異表現 15。

 

3.2 SUS 316 / TP 316(L)：海洋級材料

316牌號在304的基礎上額外添加了鉬（Mo）元素，通常含量在2%至3%之間 。這使得其耐氯離子腐蝕和耐孔蝕能力遠優於304 。316的最小抗拉強度為75,000 psi (515 MPa)，最小0.2%屈服強度為30,000 psi (205 MPa)，與304相近 。儘管其機械性能與304相似，但鉬元素的加入使其在冷彎加工中需要更大的力道 13，且其斷裂伸長率通常略低於304 6。

316L是316的低碳變體，碳含量上限同樣為0.03% 。與304L一樣，316L的低碳特性使其在銲接後具有更強的抗晶間腐蝕能力，特別是在含氯離子的嚴苛環境中。這使得316L成為製造大型或重型銲接組件的首選 。

 

3.3 SUS 317 / TP 317(L)：抗酸蝕性能材料

317L是一種高鉬含量的奧氏體不銹鋼，其鉬含量通常高達3%至4% 。這賦予了它比316更出色的耐孔蝕性和抗應力腐蝕能力，尤其是在硫酸和磷酸等非氧化性酸環境中表現極佳 17。這種增強的耐腐蝕性伴隨著機械強度的提升。317L的抗拉強度可達86 ksi（約593 MPa），屈服強度達38 ksi（約262 MPa） 。

其高強度特性直接影響了冷彎加工：成形需要更大的力道，且回彈效應更加顯著 17。儘管其延展性仍佳（斷裂伸長率為55%） 18，但實際彎曲加工中需要使用強大且精密的設備，以克服其高強度帶來的挑戰。317L的低碳特性使其在銲接後無需額外的熱處理即可防止晶間腐蝕 17。

 

3.4 SUS 310S / TP 310S：耐熱性能材料

SUS 310S是一種高鎳（約20%）高鉻（約25%）的奧氏體不銹鋼 19。其主要設計目的在於提供出色的耐高溫氧化和蠕變強度，連續使用溫度可高達1050°C 14。儘管是耐熱材料，但310S在冷彎加工中表現良好 20。這是由於其高合金含量使其奧氏體結構非常穩定，在冷變形過程中相變的傾向較低 3，從而減少了加工硬化。其抗拉強度和屈服強度較高，分別為75 ksi（約515 MPa）和30 ksi（約205 MPa） ，這意味著彎曲所需力道較大，且回彈效應會更為顯著。

 

3.5 SUS 321：鈦穩定化材料

SUS 321是在304的基礎上添加了鈦（Ti）元素 21。鈦是一種強碳化物形成元素，其作用是優先與碳結合形成碳化鈦，從而防止在427°C至816°C的敏感溫度範圍內形成碳化鉻 22。這種穩定化效果使其在需要銲接且工作溫度在上述範圍內的應用中，具有比304更強的抗晶間腐蝕能力。

對於冷彎加工而言，321的性能與304非常相似，具備「優異的成形性和加工性」 23，可進行深拉伸、彎曲和衝壓等操作 。儘管冷作會增加其強度和硬度 ，但其加工性仍保持在很高水準 22。這為設計師提供了一個重要的選項：在不顯著犧牲冷成形便利性的前提下，獲得高溫服務的額外穩定性。

表1：常見奧氏體不銹鋼牌號退火狀態下之機械性能

 

牌號 最小抗拉強度 (Rm​) 最小0.2%屈服強度 (Rp0.2​) 最小伸長率 硬度
304 515 MPa (75 ksi) 205 MPa (30 ksi) 40% ≤92 HRB
304L 485 MPa (70 ksi) 170 MPa (25 ksi) 40% ≤92 HRB
316 515 MPa (75 ksi) 24 205 MPa (30 ksi) 24 40% 24 ≤95 HRB 24
316L 485 MPa (70 ksi) 170 MPa (25 ksi) 40% ≤95 HRB
317L 593 MPa (86 ksi) 18 262 MPa (38 ksi) 18 55% 18 85 HRB 18
310S 515 MPa (75 ksi) 205 MPa (30 ksi) 40% ≤95 HRB
321 515 MPa (75 ksi) 21 205 MPa (30 ksi) 21 40% 21 ≤95 HRB 21

 

4. 比較冶金與機械性能洞察

 

本節將深入比較各牌號在冷彎加工中的關鍵行為，提供超越個別材料數據的綜合性分析。

 

4.1 延展性與加工硬化之相互作用

所有奧氏體不銹鋼都具有顯著的延展性，但它們在冷變形中強度增加的速率卻大相徑庭。這取決於其化學成分對奧氏體晶相穩定性的影響。例如，高鎳含量（如310S中的20%鎳）能夠顯著穩定奧氏體結構 3，使其在冷作過程中抵抗相變的能力更強，因此加工硬化傾向較低 3。相比之下，304的奧氏體穩定性較低，其在彎曲時更容易發生相變而硬化 3。

在選擇材料時，這意味著需要權衡。如果應用需要多重、連續的彎曲或深度拉伸，應選擇加工硬化傾向較低的材料以減少開裂風險，例如310S或高鎳牌號。如果單次彎曲即可，則通用性強、成本低的304仍然是最佳選擇。

 

4.2 回彈傾向：從原理到實踐

正如第二節所述，回彈與材料的屈服強度和抗拉強度直接相關 9。根據表1的數據，317L由於其最高的屈服強度和抗拉強度，其回彈傾向將是所有牌號中最顯著的，其次是316L和316，然後是304和321。這也解釋了為何文獻指出316不銹鋼需要更精確的過彎控制 13。

表2：常見不銹鋼牌號彎曲性能綜合評估

 

牌號 成形性（彎曲難易度） 加工硬化傾向 回彈傾向 最小彎曲半徑要求
304/304L 優異 中等 中等 8 較小 2
316/316L 良好 較低 7 中高 7 稍大 13
317/317L 需謹慎 18 較低 17 高 17 較大 17
310S 良好 20 低 3 高 20 較大
321 優異 23 中等 中等 22 較小

 

4.3 冷作對耐腐蝕性的影響

冷作變形除了改變機械性能，也會對材料的耐腐蝕性產生影響。冷彎會引入殘餘拉應力，並可能破壞材料表面的被動鉻氧化層，從而增加應力腐蝕開裂（SCC）的風險 26。在含氯環境中，這種風險尤其顯著 26。

這正是鉬元素發揮關鍵作用的地方。316和317不銹鋼中的鉬不僅提高了對孔蝕的抵抗力，也延緩了由殘餘應力引起的應力腐蝕開裂的起始時間 26。因此，即使經過冷彎加工，316和317牌號在氯化物環境中的可靠性仍高於304。這凸顯了在嚴苛環境中，選擇高合金牌號不僅是為了更好的耐腐蝕性，也是為了提高加工後組件的長期可靠性。

 

5. 成功的冷作彎管實務

 

將上述理論知識轉化為實際操作，需要遵循一系列最佳實踐和技術指引，以確保彎管加工的質量和可靠性。

 

5.1 選擇正確的彎曲技術

針對不同的應用需求和材料特性，應選擇合適的彎曲技術 3：

  • 旋轉拉彎（Rotary Draw Bending）：適用於需要精確、小半徑彎曲的應用，例如汽車排氣系統 10。
  • 心軸彎曲（Mandrel Bending）：這是旋轉拉彎的一種特殊形式，通過在管材內部插入心軸來支撐管壁。它對於薄壁管材至關重要，可以有效防止彎曲過程中的起皺、扭結或塌陷 11。
  • 壓彎（Press Bending）：這是一種更簡單的方法，通常用於結構性應用或對內部形狀要求不高的場合，但它不提供內部支撐，容易導致變形 10。
  • 輥彎（Roll Bending）：適用於大半徑的彎曲，通過一系列滾輪逐步成形，適合用於製造圓柱形結構或大型弧形構件 10。

 

5.2 最佳實踐與故障排除

  • 彎曲半徑：為防止開裂，彎曲半徑應足夠大。對於薄板（小於75mm），建議的最小內彎曲半徑至少為材料厚度的1倍 13。對於厚板，這個比值需要增加到2至3倍 13。
  • 過彎補償：必須考慮到不銹鋼的高回彈性 。對於304牌號，過彎角度通常為1至3度 13，而對於更高強度的316和317則需要更大的過彎角度 13。數控機床通常能自動計算並補償，而手動操作則需仔細測量 9。
  • 潤滑：在彎曲前，特別是對於心軸彎曲，應在管材內外壁施加合適的潤滑劑，以減少摩擦，確保彎曲順暢，並防止扭結 。
  • 預熱：對於極厚或需要極小半徑的彎曲，輕微加熱彎曲區域可以降低材料強度並提高其延展性，從而減輕加工硬化和開裂的風險 。

表4：304不銹鋼板材彎曲半徑建議 (部分數據)

 

厚度 (英寸) 最小彎曲半徑 (英寸) 最小法蘭長度 (英寸)
0.030 0.039 12 0.276 12
0.060 0.039 12 0.276 12
0.100 0.039 12 0.499 12
0.120 0.039 12 0.727 12
0.187 0.157 12 1.005 12
0.250 0.157 12 1.284 12

 

6. 結論與最終建議

 

本報告全面分析了多種奧氏體不銹鋼在冷作彎管加工中的性能。結論是，沒有單一的「最佳」材料，選擇應基於應用環境、性能要求和加工成本之間的權衡。

  • 對於通用型、成本敏感的應用：SUS 304是無可爭議的首選。其優異的成形性、廣泛的可用性以及合理的價格使其成為絕大多數非嚴苛環境下的理想選擇。
  • 對於需要抗氯離子腐蝕的環境：應選擇SUS 316/316L。雖然其冷彎加工難度略有增加，但其提供的額外耐腐蝕性對於海洋、沿海或某些化學工業應用至關重要，這種加工代價是值得的。
  • 對於極端腐蝕性環境：SUS 317/317L提供了終極的耐酸性能，但這需要更強大的設備和更精密的加工控制，應仔細評估其必要性和可行性。
  • 對於需要高溫服務且需銲接的部件：SUS 321是理想的替代品。它保留了304優異的冷彎性能，同時通過鈦穩定化解決了高溫下的晶間腐蝕問題，實現了性能和加工性的雙重優勢。
  • 對於高溫耐熱應用中的成形部件：SUS 310S儘管是耐熱材料，但其良好的冷彎性能為複雜高溫結構的製造提供了可能，但需注意其較高的強度帶來的加工力道和回彈挑戰。

最終，成功的冷彎加工不僅取決於材料的固有特性，還取決於對這些特性的深刻理解和在實際操作中精確的技術控制。

表5：冷彎應用之合金選擇

應用場景 推薦牌號 關鍵考量
一般工業管道、食品容器 304/304L 成本、加工性、通用性
海洋、化工、醫療設備 316/316L 耐氯離子腐蝕、銲接性能
高腐蝕性酸液處理 317/317L 卓越耐酸性、需高強度設備
高溫銲接結構 (427-816°C) 321 抵抗晶間腐蝕、良好加工性
高溫爐內部件、熱交換器 310S 高溫耐氧化、需大成形力
(照片分享:2021石化廠特殊化學建廠專案/SUS316L冷作彎管花絮)

參考文獻

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  19. Stainless Steel Type 310 – Rolled Metal Products, https://rolledmetalproducts.com/stainless-steel-type-310/
  20. Dependable Tube Bending – Axenics, https://axenics.com/blog/perfect-tube-bending-with-zero-wrinkles
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  24. 317L Stainless Steel Plate – Properties – Penn Stainless, https://www.pennstainless.com/stainless-steel-plate-317l-astm-a240/
  25. CarTech® 321 Stainless – Data Sheet, https://www.carpentertechnology.com/hubfs/7407324/Material%20Saftey%20Data%20Sheets/321.pdf
  26. MECHANICAL PROPERTIES OF STRUCTURAL STAINLESS STEELS WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE KONSTRUKCYJNYCH STALI NIERDZEWNYCH – ejournals.eu, https://ejournals.eu/en/journal_article_files/full_text/018eced6-31b1-72bb-a808-42f115fa99d2/download
  27. 304 vs. 316 Machining Stainless Steel – Geospace Technologies, https://geospacemfg.com/blog/machining-304-316-stainless-steel/
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