201028484 六、發明說明： • 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種合金鋼材及其用途，特別是指一 種中碳合金鋼材及含有其之雙金屬錯片。 【先前技術】 傳統的鋸片多數是由高速鋼所製成，高速鋼是藉由在 鐵碳合金中加入大量的鎢，並添加鉻、釩、鉬及鈷等元素 之後進行熱處理所製得。高速鋼雖然具有較高硬度及高 • 達600°c之切削溫度並適於高溫高速切削，但是高速鋼的 韌性較合金鋼或彈簧鋼為差，在高速切削或是切割硬質材 • 的過程中易產生彎曲或斷裂，此外，高速鋼所製成之鋸片 一般需要較高的製作成本，就屬於耗材的鋸片而言，將會 造成資源的浪費。近年來，在功能性及使用壽命的考量下 ，已研發出一種雙金屬鋸片（其型態包含鋸帶或圓孔鋸等）。 雙金屬鋸片的結構包含一鋸齒以及一用於支撐鋸齒之 背材，其中，該鋸齒是由具有高硬度及適於高溫高速切削 ® 之间速鋼所製成，該背材是由具有良好韌性且不易斷裂之 合金鋼所製成，此雙金屬鋸片是利用真空電子束或雷射焊 接方式，將此兩種鋼材對銲在一起所製得，因而可完全保 留高速鋼及合金鋼的性質，同時可讓鋸片的使用性能以及 壽命得以提昇，也讓雙金屬鋸片成為市場主流。 —般用於製作鋸片背材之合金鋼的成分組成是由 〇·25〜0.65 wt%之碳、2.0 wt%以下之矽、1.5 wt%以下之錳、 〇·〇3〇 wt%以下之墻、0.030 wt%以下之硫、i.50~4.50 wt%之 3 201028484
^.谓祕之麵，以及平衡量之鐵及雜質所構成。 =金屬㈣之合金鋼㈣在熱處理過程中，需配合高速鋼 鑛齒於12〇〇°C進行真空淬火，胁_〇c進行長時間回火 ，然而以現有之碳素鋼或低合金鋼而言，尚無法滿足上述 熱處理及所錢械性質之要求，故做為料之合金鋼首要 需具備高強度，才可與高速㈣齒__同進行熱處理而不會 影響最終製得之雙金屬鋸片的性質。此外，在上述成分組 成中，雖然透過添加較多量的鉻及銷來提昇合金鋼的強度 及耐磨性能，但是在_時，因㈣需支撐鑛齒且所佔面 積較大，&需承受較多由抗切削力、衝擊與震動所造成之 下壓力，倘背材無法承受此極大的下壓力，將致使鋸片發 生刃口崩缺或折斷等情形.所以，除了高強度及耐磨性能 之外，更希望能提昇背材的延韌性，以吸收此高壓震動下 所承受之衝擊能，進而提昇鋸片整體的使用壽命。
針對背材之延韌性，一般是藉由改變合金鋼之合金成 分組合及含量來提昇，在各合金成分中，已知當合金鋼含 有過量的硫時，由於硫為造成沿晶破壞的主要元素，也會 致使鋼材的延韌性降低。而為了避免硫對鋼材的影響，— 般會經由添加錳，使錳與硫結合形成硫化錳介在物，以減 少延性降低之機率。惟如此雖然可避免延性降低，但由於 硫化猛介在物呈條狀，仍可能損害合金鋼的韌性及其他機 械性質’因此需進一步控制介在物的形態（介在物較佳為球 狀）’才可有效提昇鋸片的整體性能。 此外’若合金鋼可以具備良好延韌性，應有助於擴展 4 201028484 後續的應用，也就是除了做為鑛片的背材之外，還可用於 - 製作為其他工具，例如園藝剪等等。 由上述說明可知，現有合金鋼的性質仍有待提昇，特 別是延韌性的提昇，而此性質主要與合金鋼的成分組合及 含量有關，因此，如能找尋到更佳的合金成分組合及含量 範圍，應有助於提昇合金鋼的性質，更有助於擴展合金鋼 的後續應用。 【發明内容】 ® 由於鋼材在製作過程中，通常需經過一連串的熱處理 步驟，而現有低合金鋼在熱處理後，尚無法滿足鋸片背材 所需之各項性質，更致使鋸片的使用壽命縮短，因此，本 案申請人針對此等缺失，開發新穎的合金成分組合，以製 得兼顧高強度及延韌性佳等性質之合金鋼材，並得以擴展 合金鋼的用途。 因此，本發明之目的，即在提供一種具有良好的抗拉 強度、彎曲性及撓性強度之中碳合金鋼材，此鋼材適用於 響 做為鑛片背材。 本發明之另一目的在於提供一種含有上述中碳合金鋼 材之雙金屬鋸片。 於是’本發明中碳合金鋼材以其之總重為1〇〇 wt%計算 ’該鋼材係包含：0·4~0·7 wt%的碳、2.0 wt%以下的石夕、 〇_2~2.〇 wt%的猛、〇.03 wt%以下的鱗、〇 〇3糾％以下的硫、 〇·1~1.5 wt%的鉻、〇·ΐ〜0.8 wt%的鉬、〇 〇1 〜〇 2 糾％的釩、 —種或一種以上之輔助成分，平衡量的鐵及不顯著之雜質 5 201028484 ’其中，該輔助成分是選自^ 儿刀疋透目於0.2 wt%以下的鈦、〇 2 wt%以 下的铌戒兩者之一組合。 本發明之雙金屬鑛片句+ JK I, 乃包含一背材以及一與該背材結合 5又置之南速鋼鑛齒，該背絲县da U、+、 頁材疋由上述的中碳合金鋼材所製 得。 本發明之中碳合金鋼材由於添加有欽、銳或此兩者組 合之輔助成分，並同時控制其他成分的含量範圍，使合金 鋼材得以S&合後績與高速鋼㈣結合後之高溫真空泮火及 長時間回火步驟，而在一連串熱處理後，豸中碳合金鋼材 仍然可以具備良好的抗拉強度、彎曲性及撓性強度。 【實施方式】 較佳地，該中碳合金鋼材包含：0 45~0 7 wt%的碳' 10 wt%以下的碎、〇 5~2.0 wt%的猛、〇·〇2 wt%以下的磷、〇 〇2 wt%以下的硫、〇 5~丨5 wt%的鉻、〇]〜〇 6的鉬、 〇·〇5〜0.2 wt%的釩、一種或一種以上之輔助成分，平衡量的 鐵及不顯著之雜質，其中，該辅助成分是選自於〇1 wt%w 下的鈦、0.1 wt%以下的鈮或兩者之一組合；更佳地，該中 碳合金鋼材包含：0.45〜0.65 wt%的碳、0.25 wt%以下的石夕 、0.5〜1.6 wt%的錳、〇.〇2 wt%以下的磷、0.005 wt%以下的 硫、0.9〜1.1 wt%的鉻、〇 3~〇6 wt%的鉬、〇_〇5〜〇.1 wt%的 飢、一種或一種以上之輔助成分，平衡量的鐵及不顯著之 雜質’其中，該辅助成分是選自於〇.〇5 wt%以下的鈦、〇.〇5 wt%以下的鈮或兩者之一組合。 上述提及的各個成分分別具有不同的作用，於本發明 201028484 中，除了碳、矽、錳、磷、硫、鉻、鉬、釩及輔助成分為 主要成分之外，其餘成分可依照實際需要再行添加。以下 將分別說明各種成分及其含量比例對於本發明之中碳合金 鋼材的影響：
碳：為鋼材中重要的強化元素，且於本發明中，碳是決定 碳化物析出的重要元素，當碳含量太低時，碳化物不 易生成；當碳含量太高時，則碳化物容易粗化，使得 鋼材強度太強，致使該鋼材的伸長率降低，所以本發 明的碳含量需控制在0.4〜0.7 wt%。 矽：為固溶強化元素，矽可延遲雪明碳鐵的析出，使得過 飽和的碳得以產生大量碳化物析出。當添加不足時無 法得到上述效果，所以矽的最少添加量為〇 〇1 wt%。 但添加過量會產生帶狀紅銹，影響外觀，故矽的上限 為 2.0 wt%。 錳：為鋼材中重要的固溶強化元素，於本發明中是用來提 问鋼材強度，但當錳含量高於2.0 wt%時，會使鋼材的 成型性不佳。 ^屬於鋼材中的不純物’容易偏析至晶界，造成晶界脆 化，因此需將磷含量控制在〇.〇3 wt%以下，當磷含量 過高時，容易造成熱軋時的邊裂，且產品在使用時也 會產生脆性問題。 硫 屬於鋼材中的不純物，在高溫時可能產生…、扎⑽ 與MnS，其中，那]似2會消耗所添加的欽，而 受軋延後會呈長條狀，將成為破壞起始源，所以 7 201028484 硫含量需控制在〇·〇3 wt%以下。 絡：為提高鋼材硬化能與提昇耐磨性的重要元素，同時也 是析出強化元素。在本發明中，當鉻含量高於【5 時，將使鋼材強度顯著提昇，但韌性大幅下降；當鉻 含量低於0·1 wt%時，則鋼材的強度將不足，且耐磨耗 性能將下降。 翻：為析出強化與提高鋼材硬化能的重要元素，添加銷可 有效減緩回火軟化的速度並阻止回火脆性的發生。在 本發財，當翻含量高於0.8 wt%時，將使鋼材強度與 杬回火軟化的速度顯著提昇，但韌性大幅下降；當鉬 含量低於0.1 wt%時，則鋼材的抗回火軟化與抗回火脆 性將不足，且硬化能將下降。所以其含量需控制在 0.1 〜0.8 wt%。 釩.為常用的析出強化元素，當添加適量釩時，將可延後 Tic析出物的粗大，使得Tic可大量分散於肥粒鐵相中 。但是當釩含量太高時，也容易讓析出物粗化，所以 其含量需控制在〇.〇1〜〇 2 wt%。 鈦：為常用的析出強化元素，當添加〇 2 wt%以下之鈦可產 生晶粒細化的效果，使鋼材強度與韌性同時提昇；但 疋當鈦含量太高時，易生成穩定的碳化物，對硬化能 不利’所以其含量需控制在0_2 wt%以下。 鈮.為常用的析出強化元素，當添加〇2 wt%以下之鈮可產 生晶粒細化的效果，使鋼材強度與韌性同時提昇；但 是當鈮含量太高時，將使得鋼材強度提昇，但韌性下 201028484 • 降’所以其含量需控制在0.2 wt%以下。 - 較佳地，該令碳合金鋼材的顯微結構包含回火麻田散 鐵(於後文標示為「TM」）、回火變韌鐵(於後文標示為「TB 」）、碳化物及球狀介在物，其中，該碳化物包含但不 限於 (Fe’MhC [該μ是選自於鉻、鉬或此兩者之一組合]、
Mo2C或此等之—組合’而該介在物包含但不限於硫化鐘 。更佳地，該碳化物的平均粒徑範圍為2〇 pm以下。 除了上述之必要成分之外，該中碳合金鋼材可選擇地 • 添加其他合金成分，較佳地，該中碳合金鋼材更包含 0.0005〜0.01 wt%之鈣，且鈣/硫之重量比範圍為;更佳 地"亥約的含量範圍為0.0005〜0.005 wt%。值得一提的是， 當約/硫重量比〉1時，該硫化猛介在物將呈現長條狀，並 散佈於回火麻田散鐵及回火變韌鐵之晶體内與晶界上，使 得晶體内與晶界上可能會形成裂縫，而容易產生内裂或發 生沿晶破裂的現象，但是當鈣/硫重量比$ i時，則會形成 球狀的介在物，並可避免在晶體内產生裂縫，或發生沿晶 馨破裂的現象，進而可藉此有效降低鋸切過程及彎曲成型之 彎裂或失效的機率。 較佳地’ s玄中碳合金鋼材更包含1 〇 以下的鋁，更 佳地，該鋁的含量範圍為〇 〇1~〇 〇6 wt%。添加鋁的主要目 的是在煉鋼時用來進行脫氧，當鋁含量低於001 wt%時， 將造成脫氧不足，而當含量高於10 wt%時，可能會影響成 型性。 較佳地，該中碳合金鋼材更包含2.0 wt%以下之鎳；更 9 201028484 佳地，該鎳之含量範圍為10 wt%以下。添加鎳的主要作用 是用來辅助韌性的提昇。 本發明之中碳合金鋼材除了可做為雙金屬鋸片之背材 之外，由於其具有良好的抗拉強度、彎曲性及撓性強度， 後續還可製作成各種工具，例如園藝剪、板簧、耐磨板、 石鋸片等等。 本發明之中碳合金鋼材的製備方式可依據習知煉鋼方 式製作，例如使含有冑述合金成分組合及含量之鋼胚進行 熱軋、熱軋冷卻、盤捲、酸洗、退火、冷軋、退火再加工❿ 、、泮火冷卻、回火冷卻及冷卻步料，其巾加巧驟可視 後續用途製作成不同形態。 本發明之雙金屬鑛片由於使用上述含有特定成分組合 的中碳合金鋼材做為背材’使得製備方式可完全依據習知 煉鋼方式製作’也就是分別製得待熱處理之合金鋼背材及 待熱處理之高速鋼鋸齒，利用焊接方式將兩者予以接合， 接著再進行淬火、二次回火及冷卻步驟，其中 产 較佳可控制在1〇〇〇~12〇〇。(：，而回火溫度較佳可控制在Θ 450~650。(：。 在上述製備步驟中，值得一提的是，該雙金屬鑛片之 合金鋼背材於淬火後具有特殊的顯微結構，即沃斯田鐵晶 粒尺寸小於50㈣’金相組織包含細散鐵及餘鐵，以及 變勒鐵含量可達CM〜5%。此等顯微結構的產生是因為合金 鋼中含有鈦、銳或此兩者之—組合，使得淬火後之沃斯田 鐵晶粒得以細化，更使得組織中的變韌鐵含量增加而有 10 201028484 助於鋼材韌性的提昇。 較佳地，最後所製得之雙金屬鋸片之背材的顯微結構 包含回火麻田散鐵、回火變韌鐵、碳化物及球狀介在物， 其中’該碳化物包含但不限於（Fe，M)3C [該Μ是選自於鉻、 翻或此兩者之一組合]、CpC3、Μοβ或此等之一組合，而 該介在物包含但不限於硫化錳。更佳地，該碳化物的平均 粒徑範圍為2.0 μιη以下。 本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的 是’該實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明 實施之限制。 <實施例> [實施例1~8及比較例1〜5的共同製法] 首先，分別依據下表1所示之合金成分及含量，再分 別進行真空熔煉並連續鑄造而取得一中碳合金鋼胚，接著 分別依照下列（a)~(k)步驟進行製備： (a) 使所取得中碳合金鋼胚進行加熱並予以熱軋，完札溫 度控制在950°C以下，以獲得一完軋鋼材； (b) 使該完軋鋼材進行層流冷卻； (c) 將該冷卻後的完軋鋼材於700。(：以下的溫度進行盤捲 ，並獲得一鋼捲； (d) 以酸清洗鋼捲並去除其表面銹皮； (e) 使該酸洗後之鋼捲於700dC以上的溫度進行退火處理 9 (f) 將該退火後之鋼捲進行冷軋； 11 201028484 (g) 將冷軋後之鋼捲進行退火處理以及再加工處理，得到 一待熱處理之合金鋼背材； (h) 利用焊接方式，將該合金鋼背材與一待熱處理之高速 鋼鋸齒予以接合，以獲得一待熱處理鋸片； (〇使該待熱處理鋸片加熱至U8(rc之溫度下進行淬火 冷卻’待冷卻至60oc以下取出而得到一淬火鋸片。 以電子顯微鏡觀察所得之淬火鋸片的顯微結構，並利 用影像解析儀測量沃斯田鐵晶粒的尺寸及變韌鐵之含 量’所得結果如表2所示； (j) 使該淬火鋸片加熱到56〇C3C之溫度進行第一次回火冷 卻，待冷卻至i〇〇°c以下，再進行以下步驟； (k) 重複步驟⑴進行第二次回火冷卻，得到一回火鋸片； 及 (l) 使該回火鋸片進行冷卻，即製得雙金屬鋸片。同樣以 電子顯微鏡觀察所得之雙金屬鋸片之背材部分的顯微 結構，並分析碳化物之成份及測量碳化物之粒徑，所 得結果如表2所示。 [阑試] 刀別將實施例1 及比較例；5所製得之雙金屬銳片 進行以下測試，所得結果整理於表2中： 1'抗拉強度（Mpa):依據CNS 2112，G2014進行測試。目 前業界對於鋸片之抗拉強度希望在1〇〇〇 Mpa以上。 2’彎曲性：以V型塊彎曲試驗法進行測試。「◎」表示雙 金屬鑛片無彎裂及「x」表示雙金屬鋸片已彎裂。 12 201028484 3. 撓性強度：將雙金屬鋸片在外徑60 mm之試桿上捲繞 - 360°，當雙金屬鋸片展平恢復原狀後，觀察是否產生傷 痕或裂紋，「◎」表示雙金屬鋸片無裂紋及「X」表示 雙金屬鋸片有裂紋。
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201028484 熱處理後之背材的顯微結構 >〇 荽 <- + X) 荽 1 + 1q Η TM+TB+碳化物+球狀介在物 TM+TB+碳化物+球狀介在物 ΤΜ+ΤΒ+碳化物+球狀介在物 TM+TB+石炭化物+球狀介在物 TM+TB+碳化物+球狀介在物 TM+TB+碳彳匕物+球狀介在物 TM+TB+碳彳匕物+球狀介在物 P+礙化物+球狀介在物 TM+碳化物+球狀介在物 TM+碳化物+球狀介在物 TM+碳化物+球狀介在物 TM+碳化物+球狀介在物 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 未測試 X X ◎ ◎ 雙金屬 鋸片之 彎曲性 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 未測試 X X X X 璨 粼$漉 1172.5 1280.4 1492.5 1464.1 1371.7 1448.8 1242.5 1486.3 912.5 1087.3 1246.5 1394.8 1455.6 -Β-Φ1 本^/蔬W tn CN 〇\ CN 卜 寸 m 〇〇 csi in m <N m CN 寸 〇 〇 〇 〇 〇 CQ PQ + ¢0 M+B M+B M+B M+B M+B M+B M+B cd Plh 田屮 衾灰窠| 本 W ®sw 00 \6 寸 in 寸 43.2 42.4 寸 41.6 in 寸 寸 無法偵測 117.5 121.0 125.8 184.1 CN m 寸 tn VO 卜 00 (N 寸 in ♦κ 霉： -Ο 餐 。域qr^_「#^^盔资」，Φ域丨 w^q-av^^ow, 食-〇!!鄉^艺擁】^(2〇;6硪「荽^窜」，黎屆翱4<0长^ 。黎哄「d」e,黎届 UJTU二^^—w%vg^^堞，竣 「ml」，鳗鵪田璲^®^^「WH」 翱长崦「9」，黎耜田遽长<「^ •q -Λ ιηΙ 201028484 [結果] 由表2之結果可發現，以三種機械性質來看，比較例 2~5之雙金屬鋸片的彎曲性皆不佳，且比較例2及3的撓 性強度也不佳，抗拉強度範圍在912.5~1455.6 MPa ;反觀 本案之實施例1~8,彎曲性及撓性強度都非常良好，而抗 拉強度範圍為1172.5~1492.5 MPa，稍高於比較例2~5之抗 拉強度範圍，由此可證明實施例1〜8具有較佳之性質。 再比對表1之成分組成及含量，可發現比較例2~5並 未添加鈦、鈮或此兩者之組合，導致合金鋼材的彎曲性皆 _ 不佳’且比較例2及3的挽性強度也不佳，由此可見，添 加鈦、铌或此兩者之組合確實有效提昇彎曲性及撓性強度 ，以及可讓抗拉強度符合需求。需注意的是，比較例4及 5之背材是因為添加較多的鎳才可具有良好的撓性強度， 但其背材之彎曲性仍無法符合要求。 再就背材之顯微結構而言，相較於實施例卜8，比較 例1〜5皆未發現有變韌鐵的存在，另外，比較例2~5於淬 火後之背材的沃斯田鐵晶粒尺寸皆大於1〇〇 μιη，再由最後 ◎ 所製得雙金屬鋸片之背材部分的顯微結構來看，可發現比 較例1~5都未產生回火變韌鐵。顯見實施例卜8之合金成 分組合及含量已讓背材在熱處理後的顯微結構產生新穎的 變化，所產生的回火變韌鐵確實有效地讓背材的韌性提昇 〇 在實施例1〜8之背材中，經電子顯微鏡的觀察，發現 顯微結構中之碳化物的平均粒徑範圍為2〇叫以下。 16 201028484 由上述結果可證明本發明之 配合-般雙金屬鑛片的製備過程，：：：鋼材的強度已可 溫度而讓機械性質降低，仍可 =為“的泮火 性;5捲Mt 維持良好的抗拉強度、f曲 性及撓性強度，因此相當適合做 , "、雙金屬鋸片之背材，更 了有效延長雙金屬鋸片的使用壽命。
综上所述，本發明之中碳合金鋼材由於添加有鈦、銳 或兩者之組合，使其後續做為背材並進—步製作成雙金屬 鑛片時，可於-連串熱處理後，仍能維持良好的抗拉強度 曲性及撓性強度，也讓所製得之雙金相片的使用壽 命知以延長。此外，因為本發明之中碳合金鋼材可承受較 咼的淬火溫度，加上其具有良好的抗拉強度、彎曲性及撓 性強度，使得本發明之中碳合金鋼材的後續應用也得以有 效地擴展。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 無 【主要元件符號說明】 無 17