不鏽鋼
鋼鐵產品依製程不同,可分為普通鋼與特殊鋼。若於製造過程中添加鎳、鉻、鉬、錳等合金,以改善普通鋼的特性,此鋼材即為特殊鋼,不鏽鋼屬於特殊鋼的其中之一。目前世界上不鏽鋼產量有76%屬於300系,而使用量最多的是SUS 304 材質,以及SUS 316 材質,兩者的鎳原料就佔了其生產成本之一半以上,因此不鏽鋼的價格深受鎳價波動影響至鉅。為了降低鎳價的影響,市場也開發出了200系低鎳的替代性材料。
不鏽鋼的優點

  1. 耐蝕性佳
  2. 美觀
  3. 衛生:不鏽鋼表面可以杜絕細菌的滋生,對於食品加工、貯存而言,可將食物腐敗或污染【甚至中毒】的機率降至最低。不鏽鋼易於清洗且不易附著的特性,使得不鏽鋼特別適用於醫院、廚房、食品加工儲存等設備。
  4. 耐久性:以美國紐約市的克萊斯勒摩天大樓為例,建立於 1930 年,其外表採用了 302 不鏽鋼,經歷七十個年頭,仍完好如新。
  5. 耐高溫及耐火性。
  6. 良好的加工性。
  7. 良好的機械性質:1995 年日本阪神大地震中,在大阪所有的建築物幾乎都倒塌了,然而有一棟以不鏽鋼建構的二層房屋,毫髮無傷地屹立不搖。
  8. 綠色產品:不鏽鋼產品是 100%可以再回收利用,即使是使用到使用壽命終結,仍有剩餘價值。
  9. 不鏽鋼的生命週期成本:不鏽鋼製品的材料成本約為碳鋼的五至十倍,因此許多的消費者仍會捨優取廉。但是如果我們用長時間的角度來看不銹鋼的價值,則就不會嫌貴了。這就是所謂的生命週期成本(life cycle costing)。

不鏽鋼的種類
不鏽鋼並不是一個鋼種名稱,不銹鋼的種類很多,目前大約有一百八十餘種,這還不包括許多不鏽鋼廠自行開發的特殊不鏽鋼鋼種。不同的不鏽鋼,它的抗腐蝕性、機械強度、延展性、磁性及加工性等,都可能有相當大的差異。
所有的不鏽鋼中,並沒有任何一種可以應付所有的腐蝕環境而不會生銹的;然而,在一般大氣環境下,大部分不鏽鋼是比碳鋼更不易生銹的。
常用的不鏽鋼可分為下列兩大類

依加工材料區分材料特性
加鉻不鏽鋼(俗稱400系列)鋼、鉻具有極佳的耐蝕性與高韌性 ,適用於製造高壓高溫用的結構材料, 諸如廚具 、瓦斯噴嘴及渦輪葉片等。
加鉻與鎳之不鏽鋼(俗稱300系列)鋼、鉻、鎳具有延展性 ,易於焊接與加工,故大量用於建築裝潢、化工產業、車輛零件及醫療器材等。

不鏽鋼304、316的元素成份如下
規格材質C(碳)Si(矽)Mn(錳)P(磷)S(硫)Ni(鎳)Cr(鉻)Mo(鉬)
JIS G3459SUS 304TP≦0.08≦1.00≦2.00≦0.045≦0.038~1118~20
SUS 304LTP≦0.03≦1.00≦2.00≦0.045≦0.039~1318~20
SUS 316TP≦0.08≦1.00≦2.00≦0.045≦0.0310~1416~182~3
SUS 316LTP≦0.03≦1.00≦2.00≦0.045≦0.0312~1616~182~3
ASTM A312TP 304≦0.08≦1.00≦2.00≦0.045≦0.038~1118~20
TP 304L≦0.035≦1.00≦2.00≦0.045≦0.038~1318~20
TP 316≦0.08≦1.00≦2.00≦0.045≦0.0310~1416~182~3
TP 316L≦0.035≦1.00≦2.00≦0.045≦0.0310~1416~182~3

各元素對不鏽鋼的影響
元素特性
C(碳)提高硬度與耐磨性
Si(矽)防止氧與鋼鐵接觸 ,可 增強耐酸化性,耐蝕性,增強低合金鋼的強度 。
Mn(錳)它降低鋼的臨界淬火速度 ,防止S引起的脆性。 耐磨耗 。
P(磷)增強鋼的強度和耐蝕性 。提高鑄鐵, 鑄鋼的流動性 。
S(硫)提高了不鏽鋼的切削性能,但也會降低不鏽鋼的韌性 。
Ni(鎳)鎳是優良的耐腐蝕材料 ,但必須 與鉻配合後才能發揮出來。
Cr(鉻)只要是不鏽鋼 ,就一定有鉻,它 使鐵與氧氣隔離 , 不至生鏽 。
Mo(鉬)可以提高某些不鏽鋼的耐腐蝕性能

不鏽鋼的物理性質
不鏽鋼種類鋼種物理性質
JIS
(日本工業標準)
AISI
(美國鋼鐵協會)
密度 g/cm電阻率 μΩ•cm磁性比熱 cal/g℃平均線膨脹係數 10-6/ ℃熱傳導率 10-2 cal/cm/sec彈性係數 10kN/mm2
0-1000-3160-5380-6490-816100500
碳鋼7.86150.121111.511.2210
麻田塞鐵系SUS4104107.75570.119.910.111.511.75.956.86204
SUS4034037.75570.119.910.111.511.75.956.86204
SUS420J24207.75550.115.95204
SUS4314317.75720.111112.14.84204
肥粒鐵系SUS4054057.75600.116.15204
SUS4304307.7600.11101111.311.912.46.246.28204
沃斯田鐵系SUS3013017.93720.121617.118.218.73.895.43197
SUS3023027.93720.1217.317.818.418.73.895.43197
SUS3043047.93730.1217.317.818.418.73.895.43197
SUS3213217.93740.121617.118.519.320.23.815.29197
SUS3473477.98780.121617.118.519.1203.815.29197
SUS3163167.98740.121616.217.518.5203.895.43197
SUS300S309S7.98780.1214.916.717.3183.394.45204
SUS310S310S7.98760.1211.116.216.917.53.394.46204

不鏽鋼管伸縮量的計算
伸縮量=不鏽鋼管長度×溫度變化量×每度線膨脹係數(詳上表)。舉一支6米長的SUS304不鏽鋼管為例,當溫度由25℃升溫到75℃時,
鋼管長度的變化量=6000mm×[(75-25)℃×17.3]×10-6=5.19mm。
不鏽鋼的製程連結
不鏽鋼價格大概是碳鋼的五至十倍,自1910年發明以來,由於耐蝕、耐熱、耐磨,且是100%回收的綠色環保材料,因此在能源、石化、電力、採礦、建材等領域,廣泛的被施用,不鏽鋼的生產量與消費量,反映著一國工業發展水平和國民生活水準。
台灣不鏽鋼產業的上游原料為不鏽鋼胚,主要由廢鐵、鉻、鎳及合金鐵組成,需仰賴國外進口,透過電爐煉鋼製造,目前有燁聯、唐榮擁有煉鋼、熱軋、冷軋之一貫作業不鏽鋼廠,其後再經各廠製程加工,生產各類下游應用製品。

不鏽鋼產業關聯圖

台灣不鏽鋼產業關聯圖

不鏽鋼精密鑄造
精密鑄造包括脫蠟鑄造(Lost Wax Casting或Investment Casting)、石膏模鑄造(Plaster Mold Casting)和陶瓷模鑄造(Ceramic Mold Casting)三大類,其中最主要的是脫蠟鑄造,俗稱包模鑄造,英文原是Investment Casting,因為製造過程中脫蠟,故又稱之為脫蠟鑄造(Lost Wax Casting)。
脫蠟鑄造法有兩大類:實心模(Solid Mold)法和陶殼模(Ceramic Shell Mold)法,陶殼模法是實心模法的改良法,現在脫蠟鑄造大都已採用陶殼模法。
脫蠟精密鑄造具有一般傳統鑄造、鍛造、機械切削成型法所沒有的特徵與優點,且適用任何材質及更彈性化量產的能力,所以脫蠟鑄件應用涵蓋範圍廣泛,從天上的飛機、地上的車輛、海上的船舶到各產業機械設備及休閒藝術用品都可承制。脫蠟精密鑄造的使用特徵為可製造薄壁零件、形狀複雜零件、花紋精細零件、工序繁雜零件、難切削加工零件、淨形零件、材質昂貴零件、及數種零件一體成型、且尺寸精度及表面光度良好。尤其是對於難以用傳統砂模鑄造、鍛造法或切削加工方法製造的奇形怪狀、中空、複雜零件,及雖然可以用鍛造、切削加工等方法製造,但工序繁多,需大量機械加工,生產率低,又會耗費大量金屬材料,致製造成本高的零件,改用脫蠟模鑄造,可達到工期短、成本低的目的。
對精細花紋、細槽、彎曲細孔零件,也可省卻放電加工及雷射雕刻工時與成本支出。另外,運用脫蠟精密鑄造法最適合製造淨形(Net Shape)零件,可大幅減輕零件重量,也可將數種零件鑄成一體,減輕重量,改善機械性能及尺寸精度,並減少加工時數、降低成本。
脫蠟精密鑄件的另一特色是材質活潑,幾無任何限制,如鑄鐵、鑄鋼、合金鋼、不銹鋼、工具鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、銅合金、鈹銅合金、超合金、鈷基和鎳基耐熱合金等,任合金屬均能行脫臘鑄造。如果遇到生產某一零件,其合金是難切削或不可能切削時,一般脫蠟精密鑄造即是該零件的最好生產方法。且有些合金較適合用脫蠟精密鑄造生產,會更有效率、更完美,如複雜組合零件可以精細鑄出孔、溝、斜角、鋸齒狀、缺口、薄斷面、刀口及其它形態,由於尺寸精度良好,有90%以上不需再加工即可使用,因此那些銑切、車削、搪孔等完工精製之工具機均可不用,產品開發、設計的可撓性極佳。

綜合以上說明,可歸納出精密鑄造的優點有下

  1. 鑄件表面細緻光滑,尺寸精度高。
  2. 以臘模作模型,可整體或分開製作後再組裝,容易鑄造形狀複雜精密的工件成型。
  3. 適用的材質多樣化,內部組織緻密。
  4. 以臘材料當作模型,可用低熔點的合金或矽膠當模具,容易改變零件的設計,減少機械加工與耗損,模具費低。
  5. 節省機械加工費用及材料成本,可快速大量生產。
  6. 產品開發、設計的可撓性極佳,能輕易達到設計理想。

在講求高科技的今日,精密零組件已廣用於機械、航太、核能、電子…等工業,因此精密鑄造乃扮演相當重要的角色,尤其消費者對產品需求標準愈來愈高,鑄造業界已開發更高層次的生產技術,有著嚴格的成份控制及製程設計,使精密陶模鑄造的附加價值遠相較於傳統鑄造來的高,不但能減少後處理尺寸修改與大型鑄件表面加工時之不便,更能獲得較佳表面粗糙度及原件紋路再現。
不過相對性的缺點是製程時間較長,且無法生產大型鑄件,設計時需要考量金屬的流動特性、熱脹冷縮特性,避免厚薄不同造成的熱裂現象。
不鏽鋼精密鑄造較常應用於石化產業、高爾夫球頭、一般民生產業。山川接頭於30年前即採用精密鑄造,開管配件之先河。

不鏽鋼精密鑄造的製造流程
精密鑄造是應用耐高溫的耐火材料將低熔點模型材料包模起來,待包模材料硬化後再將模型材料熔掉而留下精密的模穴,然後將熔化金屬液澆鑄進入模穴,等待冷卻凝固後將包模敲碎並獲得精密鑄件。其製造流程如下圖所示

精密鑄造製程

精密鑄造製程

一般自來水管可分為

  1. PVC管:由於耐蝕、無毒等特點,為發展最迅速的化學工業。然而PVC(聚氯乙烯)會產生氯化現象,致飲水品質不佳;且使用於熱水管路時,因無法承受高溫及壓力,易老化而漏水。
  2. 鐵管(包含鍍鋅管):易生鐵鏽、腐蝕,水質差。國際上已陸續禁止使用。
  3. 銅管:易氧化,生銅綠,水質差。在純水的情況下多使用鍍錫的無縫銅管。
  4. 不鏽鋼管:為最佳的配水用管,先進國家已大量採用,然而不鏽鋼管的膨脹係數極大,若採用車牙方式裝配,因為金屬牙紋會被兩端接頭夾死,有很高的失敗率致接頭破裂或漏水,故先進國家如:日本,即規定應以伸縮接頭接裝不鏽鋼管,且其不鏽鋼管為輕便管(俗稱壓接管),非車牙管。原因為輕便管有下列優點:延展性佳、質量輕、成本低、壽命長。

一般配管用304不鏽鋼管(壓接管)規範管徑及厚度『JIS G3448、CNS 13392』

規格 管外徑(mm) 厚度(mm) 內徑(mm) 重量(kg/m)
Su 俗稱
13 1/2" 15.88 0.8 14.28 0.301
20 3/4" 22.22 1.0 20.22 0.529
25 1" 28.58 1.0 26.58 0.687
30 1-1/4" 34.00 1.2 31.60 0.980
40 1-1/2" 42.70 1.2 40.3 1.240
50 2" 48.60 1.2 46.2 1.420
60 2-1/2" 60.50 1.5 57.5 2.200

一般配管用碳鋼管(車牙管)規範管徑及厚度『JIS G3452、CNS 6445』

規格 管外徑(mm) 厚度(mm) 內徑(mm) 重量-平頭(kg/m)
公制 英制
15 1/2" 21.7 2.8 16.1 1.31
20 3/4" 27.2 2.8 21.6 1.68
25 1" 34.0 3.2 27.6 2.43
32 1-1/4" 42.7 3.5 35.7 3.38
40 1-1/2" 48.6 3.5 41.6 3.89
50 2" 60.5 3.8 52.9 5.31
65 2-1/2" 76.3 4.2 67.9 7.47

不鏽鋼管與其他配管件相接之結果說明
由於金屬電位差會導致金屬化學腐蝕,故不鏽鋼管不宜與鍍鋅接頭接合。鋅是一種電解金屬,與不同金屬的電化差極大,若與異種金屬接合,化學電蝕會非常嚴重,部分配管技工不明此理,將鍍鋅接頭與不鏽鋼管接合在一起,如此時間一久,接頭必定破裂漏水。

管件材質 可否雜接 原因
尚可 兩者電位相似,且多有鍍錫處理,不會產生電蝕。
PVC PVC本體無電位。
鍍鋅 千萬不可 兩者電位差過大,易引起化學腐蝕。

不鏽鋼管製造流程

不鏽鋼管製造流程

不鏽鋼管製造流程

不鏽鋼管施工注意事項

304不鏽鋼含有18%至20%之鉻(Cr, google chrome就曾被稱作「鉻瀏覽器」),可以提升鋼的強度又具極佳的耐熱性和延展性,形成全體保護膜,若使用正確,不會有生鏽腐蝕之虞。但是若將不鏽鋼管雜接、雜放,會大幅減短它的壽命,因此使用不鏽鋼管,應注意以下幾點:

  1. 原則上鋼管必須放置於屋內,若置於室外時,須蓋上帆布之類。
  2. 禁止和異種金屬雜接,特別是一般鐵、生鐵,更尤其是鍍鋅鐵。
  3. 管壁保持清潔,盡量避免潮濕、油垢及污垢。
  4. 要清理鋼管髒污時,請使用清水。生銹時,請用去污劑等擦拭。
  5. 不銹鋼管雖有強韌度(為銅管之三倍,鍍鋅管之二倍),但因為管體薄,故勿放置重物在它上面。
  6. 搬運時要小心輕放,避免重摔,破壞正圓度,放置時盡量不使用鐵架支持。
  7. 避免火氣、電焊等熱感應力,會侵害其材質。

塑膠管件之特性
塑膠由於具有以下之優點,故為發展最迅速之化學工業。如果應用於適當的場合,它們是最有效獨立,無須保養且最經濟的材質。明辰公司的ABS浮球凡而PVC龍頭彎,即屬於塑膠製品。

  • 耐蝕
  • 抗化學侵蝕
  • 熱傳導係數小
  • 韌性強
  • 管壁光滑、壓降值小
  • 使用年限長
  • 重量輕
  • 接頭配件接合方法多
  • 無毒
  • 抗生物細菌的腐蝕
  • 耐候性強
  • 加顏色容易
  • 沒有維護費
  • 節約能源(可省50%〜70%)
  • 系統成本費低

常用的塑膠配管件之材質分類與特性

大類細類材質特性
熱固性塑膠(thermosetting plastic)玻璃纖維強化環氧樹脂耐化學腐蝕、耐高溫。最高溫度149℃。
玻璃纖維聚脂價格便宜,抗腐蝕性強;最高溫度使用到93℃〜107℃。
玻璃纖維強化乙烯酯這種樹脂很新,對於氯、強酸和漂白劑在高溫狀態下具有抵抗性特性。
熱塑性塑膠(thermoplastic)PVC
(聚氯乙烯)
標準一般用途,最高使用溫度60℃。
UPVC
(硬聚氯乙烯)
具有耐腐蝕性和柔軟性好的優點。由於它不導電,因而不容易與酸鹼發生電化學反應。
CPVC
(氯化聚乙烯)
氯化程度較高,額外的氯含量可以提高它的使用溫度到85℃。
ABS
(丙烯睛-丁二烯-苯乙烯)
具有極佳的耐老化性、強度、韌性、耐腐蝕性等。使用溫度範圍大,可適用於-25℃〜85℃,由於材質本身很純,不會造成二次汙染。
PE
(聚乙烯)
主要用途為埋設管系統的瓦斯氣體管線和自來水輸送管線,它的機械強度低,耐葯性佳,使用溫度80℃。依密度分級,最高級為HDPE,有較佳的機械性和物理性。
PP
(聚丙烯)
它是熱塑性塑膠管中最輕的,比PVC、CPVC、ABS、PE有更佳的耐化學性。同時在高溫條件下具穩定特性,使用溫度範圍-40℃〜+110℃。CPVC無法適用的高溫高腐蝕化學葯品,可利用PP取代。PP比PE硬,製瓶商常以PE製造瓶身,瓶蓋和把手用有較大硬度與強度的PP來製造
PBC
(聚丁烯)
它是熱塑性塑膠中在高溫下仍具有極佳的張力強度和機械特性的材質,使用溫度範圍在-20℃〜+90℃,主要應用在冷水和熱水管線,更由於其耐磨特性,許多污泥或泥漿輸送管線亦多使用。
PVDF
(聚偏二乙烯氯)
它的耐化學性,耐溶劑能力很強。本身的材料強度及韌性很大,耐磨性亦佳,唯有耐候性較差。工作溫度從-60℃〜+160℃,主要應用在化工廠的化學流體輸送管線。它的價格很貴,是所有熱塑性塑膠管材中最貴的。
CPE
(聚氯化乙醚)
它的耐化學性很強,最大工作溫度107℃,由於PVDF已取代其應用範圍,現在已不再生產。
CABC
(醋酸丁酸纖維)
這類樹脂是一種纖維素的衍生物(從棉花或木漿中取得),由於材料特性中等,目前甚少使用,均由其它材質取代。
PVC2
(聚偏二氯乙烯)
用於金屬管或板表面的塗襯料,防止化學物的腐蝕。
FEP
(氯化乙烯丙烯)
這種樹脂均由碳及氟化物組成,並用高強度的填充劑打底。它的耐葯品性、潤滑性及抗磨性等均極佳,不過由於價格昂貴,僅用於金屬材料表面的襯塗料。

各類塑膠管材料的優缺點
材質優點缺點
PVC價廉、應用範圍廣大、良好的耐磨性、不自然、易施工。易受溶劑腐蝕,使用溫度範圍狹窄、比重太大、易老化、耐候性差。
PE價廉、吸水率低、耐化學藥品、韌性良好。膨脹係數大、耐候性差、機械強度不足。
PP表面光滑、絕緣性佳、耐磨性好、耐化學藥品、機械性佳。易受紫外線破壞強度、耐磨性差。
ABS機械性佳、耐候性佳、抗老化性強、重量輕、耐磨性佳、表面光滑、抗化學葯品、施工易、管內沒有二次污染且無毒性。抗溶劑性差、抗有機物性差。應避免長期暴露於芳香族溶劑、酮類,和酯類溶劑。
PVDF機械性差、耐候性佳、不自燃、耐磨性佳、抗溶劑性佳。 價格昂貴。

橡膠材質的分類與特性
材質代號產品名稱俗稱耐熱溫度材質特性
EEPDM乙丙膠標準使用溫度可設計為介於 -55℃ 至 125℃或高達 150℃ 具備優良的耐臭氧、耐陽光與耐氣候的性質,在低溫時彈性佳,耐化學的性質也好(例如許多稀釋酸、鹼與極性溶劑),對極性溶劑(醇,酮),鹽酸等無機藥品很安定,此外對電的絕緣屬性亦佳。
NNBR丁腈膠標準使用溫度介於 -35℃至 100 ℃絕佳的耐磨耗力,耐非極性油與耐溶劑、耐水與滲透作用(較高的丙烯腈含量較佳)。NBR 也可在低溫下用於稀釋酸、鹼與鹽溶劑。 NBR並不適用極性溶劑。
SSilicone矽膠 (VMQ)標準使用溫度介於 -50℃至 220℃。可以長時間接觸電熱、烘烤、蒸煮也不會產生裂解,不易起化學反應、無毒、安定,有很好的抗氧化能力和透氧性,廣泛被使用在食品與醫療材料上。不過矽膠也有一些缺點,如低拉伸強度,較差的耐撕裂、耐磨耗性且不耐燃料油。
UPU聚氨酯橡膠 (AU,EU)標準使用溫度為 -35℃ 至 75℃AU 型有絕佳的耐潤滑油、耐燃料油與耐溶劑的性質,但是可能易受到水解。 EU 型聚酯不易受到水解的侵蝕,但耐油性稍差。和其他彈性體相比,任何類型的聚氨酯都有很好的耐磨耗性、高抗張強度與高彈性,通常應用於機械產業。
VVITON氟橡膠(FPM)在靜態時的標準使用溫度最好限於約 -26℃至 232℃之間,應用在動態時,最適合的溫度是介於 -15℃ 至 200℃價格偏高,具備絕佳的耐高溫、耐油、耐溶劑、耐燃、耐化學物與耐氣候的性質,可使用於大部分的油及溶劑。

橡膠材質特性之比較圖表

橡膠材質特性之雷達比較圖

橡膠材質特性之雷達比較圖