3xx系列奧氏體鉻鎳耐熱不銹鋼之牌號演進、管件加工成型及微觀組織熱控制研究分析 (Research and Analysis on Grade Evolution, Tube Forming, and Thermal Control of Microstructure for 3xx series Austenitic Cr-Ni Heat-Resistant Stainless Steels)

/ Uncategorized / 作者:

前言: 奧氏體耐熱不銹鋼之冶金基礎與合金化設計邏輯

 

奧氏體鉻鎳耐熱不銹鋼在現代工業體系中佔有舉足輕重的地位，其核心競爭力源於面心立方（FCC）的晶體結構，這種結構在高溫環境下展現出優異的組織穩定性、抗蠕變性能以及良好的延展性 1。與鐵素體（BCC）不銹鋼相比，奧氏體鋼種不具備韌脆轉變溫度（DBTT），使其在從低溫深冷到極高溫輻射的極端區間內皆能保持可靠的力學表現 4。

奧氏體組織的穩定性主要依賴於鎳（Ni）元素的添加。鎳不僅能擴展奧氏體相區，還能顯著提升材料對環境應力開裂的抵抗力 1。鉻（Cr）則是提供高溫抗氧化性的關鍵，其原理在於鋼材表面能形成一層緻密且連續的鉻氧化物（Cr2O3）鈍化層，有效隔絕氧原子向基體內部的擴散 2。在耐熱鋼種的設計中，通常會提高鉻與鎳的含量（如 310S 牌號），以應對 1000°C 以上的高溫氧化與循環熱應力 1。

除了基礎的鉻鎳組合，現代耐熱鋼種還引入了多種微量元素以強化特定性能。鉬（Mo）的添加主要用於提升抗點蝕能力，並能透過固溶強化提高蠕變強度 3。矽（Si）與鋁（Al）則被視為輔助抗氧化元素；矽能提高氧化皮層的附著力，而鋁在高溫下能形成更為穩定的 Al2O3 保護膜，尤其在含硫環境中展現出優於純鉻氧化層的保護作用 7。此外，氮（N）作為強效的奧氏體穩定元素，能在不顯著損害延展性的前提下大幅提高材料的屈服強度與抗蠕變能力 10。

一、 核心耐熱牌號之化學組成與力學特性剖析

 

在工程實務中，選擇合適的牌號需權衡工作溫度、介質腐蝕性以及成本預算。奧氏體耐熱不銹鋼家族中，304、309S、310S、316、321 及 347 是最具代表性的成員 3。

1.1 基準牌號與其衍生型

304 型（18Cr-8Ni）是奧氏體不銹鋼的技術基準，展現出良好的綜合性能，但在 800°C 以上的環境中抗氧化能力開始衰減 6。為應對更高溫的需求，309S（23Cr-13Ni）與 310S（25Cr-20Ni）透過增加合金濃度，將最高連續使用溫度分別提升至 1095°C 與 1150°C 1。310S 牌號因其高鎳含量，在熱循環過程中表現出卓越的抗氧化皮剝落能力，優於 309 等級，因此廣泛應用於燃燒室、熱交換器管架及電熱元件保護管 1。

1.2 穩定化牌號的特殊功能

321 與 347 牌號是針對晶間腐蝕問題而設計的。在 427°C 至 816°C 的所謂「敏化溫度區間」內，普通的奧氏體鋼會析出晶界鉻碳化物 17。321 透過添加鈦（Ti），347 則添加鈮（Nb），利用這些元素與碳更強的親和力，優先形成穩定的 TiC 或 NbC，從而避免了「貧鉻區」的產生 6。鈮穩定的 347 牌號在高溫蠕變性能上通常優於鈦穩定的 321，且在強氧化性環境（如濃硝酸）中具有更好的化學穩定性 10。

1.3 化學成分限制對比 (ASTM A240/A213 標準)

下表總結了這些關鍵牌號的化學組成，這些數據直接決定了材料在高溫下的組織演變路徑。

牌號 (UNS) 鉻 (Cr) % 鎳 (Ni) % 碳 (C) % 穩定化/特殊元素 %
304 (S30400) 18.0 – 20.0 8.0 – 11.0 0.08 Max N: 0.10 Max 10
304L (S30403) 18.0 – 20.0 8.0 – 12.0 0.03 Max 提升銲接後的抗腐蝕性 13
310S (S31008) 24.0 – 26.0 19.0 – 22.0 0.08 Max Si: 1.50 Max 2
316 (S31600) 16.0 – 18.0 10.0 – 14.0 0.08 Max Mo: 2.0 – 3.0 10
321 (S32100) 17.0 – 19.0 9.0 – 12.0 0.08 Max Ti: 5*(C+N) Min – 0.70 Max 10
347 (S34700) 17.0 – 19.0 9.0 – 13.0 0.08 Max Nb: 10*C Min – 1.10 Max 17

 

1.4 「H」系列牌號的蠕變強化機制

對於石化加熱爐或電廠過熱器等受壓元件，僅考慮氧化抗力是不夠的。ASTM 規範定義了 304H、310H、321H、347H 等「H」系列（High Carbon），其碳含量嚴格限制在 0.04% 至 0.10% 之間 5。較高的碳含量搭配特定的熱處理（如較大的晶粒度控制，通常要求 ASTM No. 7 或更粗），能顯著提高材料在 500°C 以上的蠕變斷裂強度 6。

二、 彎管應用層面：加工力學、變形限制與品質保障

 

在管線系統建造中，彎管是不可或缺的成型工法。奧氏體耐熱不銹鋼管在彎曲過程中表現出顯著的加工硬化現象，這對設備能量與模具精度提出了嚴苛要求 4。

2.1 加工硬化速率與應力演變

奧氏體鋼的加工硬化速率極高。以 301 牌號為例，其硬化率可達 14 MPa / %Ra（每 1% 面積縮減量增加 14 MPa 強度），而含銅的 302HQ 則較低（約 8 MPa / %Ra） 24。在彎管過程中，管壁外側受到拉伸，晶體內部的位錯密度急劇增加，導致局部強度迅速上升 4。這種現象一方面提高了管件在成型後的承壓能力，但另一方面也增加了後續加工的難度，並可能導致顯著的殘餘應力。

2.2 彎管成型中的幾何失效與預防

彎管的嚴苛程度通常由「彎曲半徑比」（R/D）與「壁厚比」（D/t）來衡量 4。當彎曲半徑 R 小於 3 倍管徑 D 時，外弧側的減薄率（Wall thinning）將變得非常明顯，可能導致壁厚低於設計要求的最小壓力壁厚 4。

為了預防加工失效，業界採用多種技術手段：

  1. 芯棒彎管 (Mandrel Bending)：在管內插入支撐芯棒，防止內弧側起皺與外弧側塌陷，這是生產高熱交換器 U 型管的標準工法 4。
  2. 感應加熱彎管 (Induction Bending)：利用中頻感應線圈局部加熱管材至 850°C 至 1100°C，大幅降低材料的屈服強度，實現大口徑、小半徑的彎曲 26。
  3. 潤滑控制：為減少模具與管材間的摩擦力（Galling），常用彎管油、深抽油或專用的合成潤滑劑，這些潤滑劑在加工後必須徹底清除，以防熱處理時發生滲碳 23。

2.3 冷加工後的力學性質演變 (典型值數據)

狀態 屈服強度 (ksi) 抗拉強度 (ksi) 延伸率 (%) 硬度 (HRB)
退火態 (310S) 30 Min 75 Min 40 Min 95 Max 2
1/8 硬態 ~55 ~100 ~25 ~20 HRC
全硬態 (301) >140 >185 <5 >40 HRC 24

三、 熱處理領域：微觀組織精準調控與應力釋放

 

奧氏體不銹鋼不具備同素異構轉變，因此無法透過淬火馬氏體轉變來硬化 1。其熱處理的核心目標在於溶解有害析出相、恢復塑性以及優化抗腐蝕性能。

3.1 固溶化處理 (Solution Annealing)

固溶處理是奧氏體鋼最基礎且最重要的熱處理製程 6。

  • 加熱機制：將鋼加熱至碳化物溶解溫度以上（通常為 1000°C 至 1150°C），使晶界處析出的 M23C6 碳化物重新溶解回奧氏體基體中 12。
  • 冷卻要求：冷卻速率是成敗的關鍵。對於高碳或高鉻牌號，必須進行水淬或快速強風冷卻，以防在冷卻過程中再次經過 450°C 至 850°C 的敏化區間 12。
  • 微觀效果：獲得均勻的單相奧氏體組織，消除冷加工產生的位錯堆積，恢復材料的韌性與延展性 12。

3.2 安定化熱處理 (Stabilizing Anneal)

針對添加了 Ti 或 Nb 的 321 與 347 牌號，安定化處理能提供更極致的抗晶間腐蝕保護 6。

  • 工法參數：加熱溫度控制在 843°C 至 899°C（1550°F – 1650°F），保溫 1 至 5 小時 6。
  • 冶金原理：在此溫度下，鉻碳化物的溶解度增加，而 TiC 或 NbC 依然保持穩定。這促使剩餘的碳原子與穩定化元素結合，並使晶界附近的鉻原子有足夠時間擴散回貧鉻區，實現組織的「自癒」 17。

3.3 消除應力熱處理 (Stress Relief)

當管件經過劇烈變形（如緊半徑彎管）或重度銲接後，內部的殘餘應力可能誘發應力腐蝕開裂（SCC）。

  • 低溫去應力：在 230°C 至 370°C 範圍內加熱，能消除部分加工應力而不引起組織變化 28。
  • 高溫去應力：若環境中存在氯離子或氫氧化鈉等強腐蝕介質，建議採用全固溶處理以徹底消除應力 28。

四、 長期高溫服役的退化風險：Sigma 相與應力鬆弛開裂

 

在 600°C 以上的長期服役過程中，奧氏體耐熱鋼面臨著複雜的冶金退化現象，其中以 Sigma（σ）相脆化最為嚴重 11。

4.1 Sigma 相的特徵與形成條件

Sigma 相是一種硬且脆的金屬間化合物（Fe-Cr 系），其莫氏硬度極高，且不具磁性 12。

  • 形成區間：主要在 540°C 至 925°C 之間析出，其形成速率在 800°C 附近達到峰值 12。
  • 促進因素：高鉻、鉬、矽等鐵素體穩定元素會顯著加速 σ 相的形成 11。此外，銲接過程中產生的 δ-鐵素體被視為 σ 相的「溫床」，因為 σ 相會優先在鐵素體區域生核 7。
  • 後果：σ 相的析出雖然能稍微提高室溫強度，但會導致延伸率與衝擊韌性斷崖式下跌 31。

4.2 應力鬆弛開裂 (Stress Relaxation Cracking, SRC)

在 347H 等穩定化不銹鋼的大厚壁銲件中，SRC 是一個嚴重的隱患 35。

  • 機制：當組件在 500°C 至 750°C 區間服役時，銲縫附近的殘餘應力會發生鬆弛。如果材料的晶內強化過強（由於微細 NbC 析出），而晶界又因雜質偏聚而弱化，應力鬆弛所產生的蠕變應變會集中在晶界，最終導致裂紋萌生 35。
  • 緩解措施：精確控制銲後熱處理（PWHT）溫度與速率，或選用更純淨的鋼種以減少雜質干擾 30。

五、 工程規範與材料選擇之決策路徑

 

在石化、電力與核能領域，材料的選擇必須嚴格遵守 ASME 或 ASTM 等國際標準。

5.1 ASTM 規範體系之區別

標準編號 適用對象 核心要求
ASTM A213 鍋爐、過熱器、熱交換器用無縫管 22 嚴格的尺寸公差、強制硬度測試、壓扁與擴口試驗 22
ASTM A312 一般流體輸送、化學製程用壓力與結構管 38 側重於承壓能力與腐蝕控制，包含無縫與銲接形式 38
ASTM A269 一般工業、儀表及食品級用管 38 著重於表面粗糙度（如 BA 管）與通用耐蝕性 38

5.2 溫度折減因子 (Derating Factors)

在設計壓力管線時，必須考慮溫度對材料許用應力的削弱。ASME B31.3 提供了不同溫度的折減係數 41。

溫度 (°F) 304/304L 316/316L 321 347
70 (室溫) 1.00 1.00 1.00 1.00
800 0.73 0.75 0.68 0.68 41
1200 0.53 0.61 0.53 0.53 41
1500 0.26 0.39 0.37 0.37 41

這些數據顯示，在 1000°F 以上的超高溫環境下，316 牌號因鉬的固溶強化效果，其強度保持率優於 304 與 321 41。

 

六、 結論與未來技術展望

 

奧氏體鉻鎳耐熱不銹鋼的研究不僅僅是關於化學成分的調配，更是一場關於微觀組織穩定性與加工力學的精密博弈。從 304 的廣泛適應性，到 310S 的抗氧化巔峰，再到 321/347 在石化煉油中的穩定表現，每一種牌號都代表了特定工程挑戰的最佳解。

在彎管與熱處理領域，理解材料的加工硬化行為與析出動力學是確保管線系統安全運行的基石。未來，隨著高效能超臨界發電與航太推進技術的進步，對奧氏體耐熱鋼的要求將向著「成分極致純淨化」與「微組織奈米強化」方向發展。例如，透過微量添加稀土元素或精確控制氮含量，能進一步延遲 Sigma 相的析出並提升蠕變斷裂壽命 7。對於工程技術人員而言，掌握不同牌號在極端熱力學環境下的動態響應，將是未來設計更長壽命、更低維護成本工業系統的關鍵 11。

參考文獻

  1. 310S 耐熱不銹鋼- 介紹, 應用和數據表, https://www.metalstripsolutions.com/zh-tw/310s-stainless-steel/
  2. Austenitic Stainless Steel 310 with High-Temperature Resistance – SHALCO, https://www.shalco.com/sub-products/austenitic-ss-310
  3. The Importance of Austenitic Stainless Steel Tubing, https://tubacexamerica.com/the-importance-of-austenitic-stainless-steel-tubing/
  4. Bending stainless steel tube – Safe Food Factory, https://www.safefoodfactory.com/en/editorials/56-bending-stainless-steel-tube-design-benefits-engineering-and-architecture/
  5. 321 vs 347 Stainless Steel – Difference Between 321 and 347 – Guanyu Tube, https://tubingchina.com/difference-between-321-and-347.htm
  6. Austenitic Stainless Steel Grades Guide: 304, 316, 321 Properties & Applications – SHALCO, https://www.shalco.com/blog/austenitic-stainless-steel-complete-guide-to-grades-properties-and-applications
  7. Solidification Microstructure and Secondary-Phase Precipitation Behavior of 310S Austenitic Stainless Steel – MDPI, https://www.mdpi.com/2075-4701/15/10/1091
  8. Why 321 Stainless Steel Works for High-Temperature Stability – Intamet Ltd, https://intamet.com/321-stainless-steel/
  9. 310/310S/310H Stainless Steel Plate – High-Temperature Corrosion …, https://www.sandmeyersteel.com/alloy-310-310s-310h/
  10. Stainless Steel Grade Datasheets – Worldstainless, https://www.worldstainless.org/wp-content/uploads/2025/02/stainless-steel-grade-sheets.pdf
  11. Full article: A modified AISI 310 steel family: Microstructure engineering for high-temperature load-bearing applications, https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/09603409.2025.2469963
  12. SIGMA PHASE PRECIPITATION IN AUSTENITIC STAINLESS STEELS, https://mnm.unze.ba/article/58/pdf
  13. Understanding Creep Failure & A312 Stainless H Grades – Tioga Pipe, https://www.tiogapipe.com/assets/files/Understanding%20Creep%20Failure.pdf
  14. Understanding the Temperature Limits of Stainless Steel Grades, https://ssmalloys.com/stainless-steel-temperature-limit/
  15. Stainless Steel Type 310S – Rolled Metal Products | Stainless, Aluminum & Specialty Alloys, https://rolledmetalproducts.com/stainless-steel-type-310s/
  16. Stainless Steel Type 310 – Rolled Metal Products, https://rolledmetalproducts.com/stainless-steel-type-310/
  17. ATI 321™/ATI 347™/ATI 348™ – ATI Materials, https://www.atimaterials.com/Products/Documents/datasheets/stainless-specialty-steel/austenitic/ati_321_347_348_tds_en2_v1.pdf
  18. Corrosion Resistance of Series 300 Stainless Steel – Parr Instrument Company, https://www.parrinst.com/wp-content/uploads/downloads/2011/07/Parr_Stainless-Steels-Corrosion-Info.pdf
  19. 321 vs 347 Stainless Steel Detailed Comparison – Huaxiao Metal, https://www.huaxiao-ss.com/blogs-news/industry-news/321-vs-347-stainless-steel.html
  20. 347 vs 321 Stainless Steel: Heat Resistance & Welding – Kongfang Metal, https://kongfangmetal.com/347-vs-321-stainless-steel/
  21. Understanding stainless-steel grades | Essentra Components US, https://www.essentracomponents.com/en-us/news/solutions/access-hardware/understanding-stainless-steel-grades
  22. ASTM A213 Tubing Standard Specification (ASME SA213) – Octal Steel, https://www.octalsteel.com/wp-content/uploads/2017/10/ASTM-A213-13-specification-for-seamless-and-alloy-steel-boiler-superheater-heat-exchanger-pipe.pdf
  23. Stainless Steel – Fabrication – AZoM, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=1178
  24. Stainless Steel Grade Datasheets – Worldstainless, https://worldstainless.org/wp-content/uploads/2025/02/stainless-steel-grade-sheets.pdf
  25. Cold-working – Haynes International, https://haynesintl.com/en/alloys/welding-and-fabrication/cold-working/
  26. ASTM A213 TP347H bending Manufacturer with value-engineered …, https://www.sunnysteel.com/astm-a213-tp347h-bending.php
  27. Stainless Steel Bending Guide– Explore Concept, Process, and More – Sheet Metal Masion, https://sheetmetalmasion.com/stainless-steel-bending/
  28. 不锈钢及其热处理 – 国家材料腐蚀与防护科学数据中心, https://www.corrdata.org.cn/dhTJDAOHANG/fhjs/jishuyingyong/2020-03-04/176389.html
  29. STAINLESS STEEL FABRICATION – SSINA, https://www.ssina.com/wp-content/uploads/2019/06/fabricate.pdf
  30. Post Weld Heat Treatment (PWHT) – Tetra Engineering, 2025， https://www.tetra-eng.com/whitepaper/post-weld-heat-treatment-pwht
  31. #EpicFail – Sigma Phase Embrittlement | R-TECH Materials, https://www.r-techmaterials.com/news-and-blog/epicfail-sigma-phase-embrittlement/
  32. Sigma Phase Metallography – BNP Media, https://preview.bnpmedia.com/ih-september-2022/sigma-phase-metallography/
  33. Sigma phase-induced failure of AISI 310 stainless steel radiant tubes | Request PDF, https://www.researchgate.net/publication/319447286_Sigma_phase-induced_failure_of_AISI_310_stainless_steel_radiant_tubes
  34. Sigma Phase Embrittlement of Stainless Steel in FCC Service – ResearchGate, https://www.researchgate.net/publication/238602455_Sigma_Phase_Embrittlement_of_Stainless_Steel_in_FCC_Service
  35. Assessment of stress relaxation cracking of austenitic components in regard to the ASME Section III, division 5 rules – Nuclear Regulatory Commission, https://www.nrc.gov/docs/ML2432/ML24323A060.pdf
  36. 46 CFR Part 56 Subpart 56.80 — Bending and Forming – eCFR, https://www.ecfr.gov/current/title-46/chapter-I/subchapter-F/part-56/subpart-56.80
  37. ASTM A213 ASME SA213 Standard-Boiler Tubes,Heat-Exchanger Tubes,Superheater Tubes,Supplier,Beite, http://www.btboilertube.com/News/Steel_News/ASTM_A213_ASME_SA213_Standard.html
  38. Comparing ASTM A213, A269, and A312 – Selecting the Right …, https://www.dlsspipeline.com/comparing-astm-a213-a269-and-a312-selecting-the-right-stainless-steel-tube-standard/
  39. ASTM A312 Seamless Boiler Pipe Stainless Steel Austentic Pipes – Ark Steel Tube, https://www.arksteeltube.com/boiler-heat-exchanger-tube/astm-a312-seamless-boiler-pipe-stainless-steel-austentic-pipes.html
  40. High Quality Seamless Stainless Steel Pipe for Boilers, https://www.steels-supplier.com/seamless-steel-pipe/stainless-steel-pipe.html
  41. The 300 Series Austenitic Stainless Steels – CRYOWorks, https://cryoworks.net/the-300-series-austenitic-stainless-steels/
  42. Differences Between the 300 Series Stainless Steels – Penflex, https://www.penflex.com/news/differences-between-300-series-stainless-steels/
購物車