TW201522665A - 沃斯田鐵系合金及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種沃斯田鐵系合金及其製造方法。沃斯田鐵系合金的製造方法包含下列步驟。將沃斯田鐵系合金鑄胚進行至少一冷加工步驟，以形成沃斯田鐵系合金加工物，其中進行各個冷加工步驟之裁減率係在0.01%至15%。進行退火步驟，以利用700℃至小於1100℃之加熱溫度對沃斯田鐵系合金加工物持續加熱5分鐘至150分鐘，藉以形成沃斯田鐵系合金。沃斯田鐵系合金包含複數個具雙晶結構之晶粒，且具雙晶結構之晶粒之截面面積總和大於沃斯田鐵系合金截面面積的70%。

Description

沃斯田鐵系合金及其製造方法

本發明是有關於一種合金及其製造方法，且特別是有關於一種沃斯田鐵系合金及其製造方法。

沃斯田鐵系合金因為在高溫時具有穩定的沃斯田鐵相(austenitic phase)，所以可用以製作需要高溫機械性質的零組件，例如發動機的組件、渦輪引擎緊固件、高溫軸承、加熱爐的外罩或石化廠的管線等常處於高溫狀態的機械元件。

一般沃斯田鐵系合金在熱加工(如熱軋)後，需透過後續冷加工(如抽線)來縮減沃斯田鐵系合金的尺寸，以達到成品的目標尺寸。在進行冷、熱加工後，一般需要固溶熱處理的製程，來溶解沃斯田鐵基地內碳化物、γ’相等析出物，以得到均勻的過飽和固溶體，藉此於低溫時可重新析出顆粒細小、分佈均勻的碳化物和γ’等強化相。固溶熱處理的製程同時也具有退火(annealing)之作用，可消除因加工所產生的殘留應力，使加工後之合金發生再結晶，以得到均勻的金相組織與適宜的晶粒度，確保材料具有良好的機械性質。

目前冷加工的作法，是使用每道次裁減率大於16%以上的製程來將沃斯田鐵系合金加工至成品的尺寸。接著再將經過冷加工的沃斯田鐵系合金加熱到固溶溫度，來使成品具有均勻的金相組織與適宜的晶粒度，以確保成品具有良好的機械性質。但是，這樣的沃斯田鐵系合金仍無法滿足部分需要更佳機械性質的使用需求。

有鑑於此，亟需提出一種沃斯田鐵系合金及其製造方法，藉以改善習知沃斯田鐵系合金的機械性質。

因此，本發明之一態樣就是在提供一種沃斯田鐵系合金之製造方法，係對沃斯田鐵系合金鑄胚進行較小的裁減率的冷加工步驟，以形成沃斯田鐵系合金加工物，並且以較低溫的加熱溫度對沃斯田鐵系合金加工物進行退火處理，以形成具有較佳機械性質的沃斯田鐵系合金。

其次，本發明之另一態樣是在提供一種沃斯田鐵系合金，其中前述之沃斯田鐵系合金包含複數個具雙晶結構之晶粒，且具雙晶結構之晶粒之截面面積總和大於沃斯田鐵系合金截面面積的70%。

根據本發明之上述態樣，提出一種沃斯田鐵系合金之製造方法。在一實施例中，將沃斯田鐵系合金鑄胚進行至少一冷加工步驟，以形成沃斯田鐵系合金加工物，其中進行各個冷加工步驟之裁減率係在0.01%至15%。進行退火步驟，以利用700℃至小於1100℃之加熱溫度對沃斯田鐵系合金加工物持續加熱5至150分鐘，藉以形成沃斯田 鐵系合金，其中沃斯田鐵系合金包含複數個具雙晶結構之晶粒，且此些具雙晶結構之晶粒之截面面積總和大於沃斯田鐵系合金截面面積的70%。

依據本發明一實施例，上述之裁減率係在7%至14%。

依據本發明一實施例，上述之加熱溫度係1050℃至1080℃。

依據本發明一實施例，上述具雙晶結構之晶粒之截面面積總和大於沃斯田鐵系合金截面面積的75%至93%。

依據本發明一實施例，上述沃斯田鐵系合金鑄胚之抗拉強度小於700MPa。

依據本發明一實施例，當上述沃斯田鐵系合金鑄胚之抗拉強度大於700MPa時，對沃斯田鐵系合金鑄胚進行選擇性退火步驟，以使沃斯田鐵系合金鑄胚之抗拉強度小於700MPa，其中選擇性退火步驟以700℃至小於1100℃之加熱溫度對沃斯田鐵系合金鑄胚持續加熱5至150分鐘。

依據本發明一實施例，上述之沃斯田鐵系合金鑄胚至少包含5重量百分比至70重量百分比之鎳、5重量百分比至70重量百分比之鐵5重量百分比至30重量百分比之鉻以及其他不可避免之雜質。

依據本發明一實施例，上述之沃斯田鐵系合金鑄胚更至少包含0重量百分比至0.2重量百分比之碳、0重量百分比至6重量百分比之鈦、0重量百分比至16重量百分比之鋁、0重量百分比至12重量百分比之相、0重量百分比 至12重量百分比之鎢、0重量百分比至20重量百分比之鈷、0重量百分比至5重量百分比之鈮、0重量百分比至12重量百分比之鉭、0重量百分比至40重量百分比之銅、0重量百分比至2重量百分比之矽以及0重量百分比至2重量百分比之錳。

依據本發明一實施例，上述沃斯田鐵系合金之製造方法更包含進行熱加工步驟，以形成沃斯田鐵系合金鑄胚，其中沃斯田鐵系合金鑄胚在850℃至1250℃之加熱環境加工形成。

根據本發明之另一態樣，更提出一種沃斯田鐵系合金，其係由上述方法製得。

本發明之沃斯田鐵系合金及其製造方法係對沃斯田鐵系合金鑄胚進行較小的裁減率的冷加工步驟以形成沃斯田鐵系合金加工物，並且以較低溫的加熱溫度對沃斯田鐵系合金加工物進行退火處理。由於本發明的退火處理溫度低於固溶溫度，因此沃斯田鐵系合金會具有較多數量的具雙晶結構之晶粒，藉以提升沃斯田鐵系合金的抗拉強度以及降伏強度。除此之外，由於本發明使用較低的溫度進行退火處理，且所使用的加熱時間係相同或近似於習知技術以較高的溫度(例如固溶溫度)所進行的加熱時間，所以可以減少進行退火處理時，所需的升溫時間以及升溫所需能源，故能降低製造沃斯田鐵系合金所需的成本以及時間。

100‧‧‧方法

110、115、120、130、140‧‧‧步驟

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施 例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係繪示依照本發明之一實施例的一種沃斯田鐵系合金之製造方法的流程圖。

承前所述，本發明提供一種對沃斯田鐵系合金鑄胚進行較小的裁減率的冷加工步驟，以形成沃斯田鐵系合金加工物，並且以較低溫的加熱溫度對沃斯田鐵系合金加工物進行退火處理，藉以在沃斯田鐵系合金中保留較多的具雙晶結構之晶粒，藉此提升沃斯田鐵系合金的抗拉強度以及降伏強度。以下說明本發明沃斯田鐵系合金及其製造方法。

請參照第1圖，其係繪示依照本發明之一實施例的沃斯田鐵系合金之製造方法的流程示意圖。在第1圖中，首先，沃斯田鐵系合金之製造方法100如步驟110所示，提供沃斯田鐵系合金鑄胚。在一示範例子中，沃斯田鐵系合金鑄胚可以是鎳基合金、沃斯田鐵系不鏽鋼或鎳銅合金。在一些示範例子中，前述的鎳基合金可以是符合Alloy 800H、Alloy A-286、Alloy 625或Alloy 718等標準的合金，前述的沃斯田鐵系不鏽鋼可以是符合309、310等標準的不鏽鋼，前述的鎳銅合金可以是符合Alloy 400、Alloy 500K等標準的合金。

在一示範例子中，前述的沃斯田鐵系合金鑄胚可經由熔煉方式製得。在一些例子中，熔煉方式可以是單純以真空熔煉(VIM or VAR)或電爐(EAF)熔煉。其次，在另一例 示中，熔煉方式可以是以電爐熔煉後再經電渣重熔精煉的方式(EAF-ESR)、以真空熔煉後再經電渣重熔精煉的方式(VIM-ESR)或是以真空熔煉後再經真空電渣重熔精煉的方式(VIM-VAR)。

在一例子中，前述的沃斯田鐵系合金鑄胚可至少包含5重量百分比至70重量百分比之鎳、5重量百分比至70重量百分比之鐵、5重量百分比至30重量百分比之鉻以及其他不可避免之雜質。

其次，在另一例子中，前述的沃斯田鐵系合金鑄胚可包含但不限於0重量百分比至0.2重量百分比之碳、0重量百分比至6重量百分比之鈦、0重量百分比至16重量百分比之鋁、0重量百分比至12重量百分比之鉬、0重量百分比至12重量百分比之鎢、0重量百分比至20重量百分比之鈷、0重量百分比至5重量百分比之鈮、0重量百分比至12重量百分比之鉭、0重量百分比至40重量百分比之銅、0重量百分比至2重量百分比之矽以及0重量百分比至2重量百分比之錳。

接著，如步驟120所示，對沃斯田鐵系合金鑄胚進行至少一冷加工步驟120，以形成所需尺寸或形狀的沃斯田鐵系合金加工物，其中進行各個冷加工步驟之裁減率可例如控制在0.01%至15%。在一示範例子中，前述的裁減率控制在7%至14%。在一例子中，冷加工步驟120可包含鍛造、擠壓、沖壓、抽線、軋延或其組合的方式進行。

在一例子中，在進行冷加工步驟120之前，可先對 沃斯田鐵系合金鑄胚進行例如鍛造或軋延成型的熱加工步驟115，其中對沃斯田鐵系合金鑄胚之熱加工步驟115可在850℃至1250℃之加熱環境下進行。

在一示範例子中，當沃斯田鐵系合金鑄胚之抗拉強度小於700MPa時，即可直接進行冷加工步驟120。若是沃斯田鐵系合金鑄胚之抗拉強度大於700MPa，將會因為沃斯田鐵系合金鑄胚的強度過大，而無法順利進行冷加工步驟120。此時可先對沃斯田鐵系合金鑄胚進行選擇性退火步驟130，以使沃斯田鐵系合金鑄胚之抗拉強度小於700MPa。 在一例子中，選擇性退火步驟130係以700℃至小於1100℃之加熱溫度對沃斯田鐵系合金鑄胚持續加熱5至150分鐘。在其他例子中，由於冷加工步驟120的目的之一是為了使沃斯田鐵系合金鑄胚的尺寸裁減成沃斯田鐵系合金加工物的大小(也就是成品的大小)，所以若是沃斯田鐵系合金鑄胚與成品的尺寸差異過大，也有可能在進行多次冷加工步驟120之間產生抗拉強度大於700MPa的情況。此時亦可以先進行選擇性退火步驟130，以使沃斯田鐵系合金鑄胚的抗拉強度小於700MPa，藉此使之後進行的冷加工步驟120可以順利進行。

值得一提的是，冷加工步驟120可以使沃斯田鐵系合金加工物中產生具雙晶結構之晶粒。此些具雙晶結構之晶粒可增強沃斯田鐵系合金的機械性質，例如抗拉強度及降伏強度。此外，一般沃斯田鐵系合金的固溶處理的加熱溫度是在1100℃至1250℃之間，但冷加工後的沃斯田鐵系 合金加工物因此一固溶處理的加熱溫度較高，而導致合金中具雙晶結構之晶粒的數量減少，進而使得合金整體的抗拉強度及降伏強度下降。相反的，本發明的選擇性退火步驟130所使用的溫度小於1100℃，所以可保留較多的具雙晶結構之晶粒，藉此增強沃斯田鐵系合金的機械性質。

接著，如退火步驟140所示，可使用連續式熱處理 退火爐或是批次式熱處理退火爐，在700℃至小於1100℃之加熱溫度下，對沃斯田鐵系合金加工物持續加熱5至150分鐘，藉以形成沃斯田鐵系合金。經退火步驟140後，所形成之沃斯田鐵系合金包含複數個具雙晶結構之晶粒，且此些具雙晶結構之晶粒之截面面積總和大於沃斯田鐵系合金截面面積的70%。在一示範例子中，前述的加熱溫度係1050℃至1080℃。在另一示範例子中，此些具雙晶結構之晶粒之截面面積總和大於沃斯田鐵系合金截面面積的75%至93%。

在此說明的是，本發明之特徵之一，在於利用較低 溫的加熱溫度(例如低於沃斯田鐵系合金的固溶溫度)對沃斯田鐵系合金加工物進行退火步驟140，因此可保留較多在冷加工步驟120中所形成的具雙晶結構之晶粒，並且可形成具有更佳機械性質的沃斯田鐵系合金。此外，由於本發明的退火步驟140所使用的加熱溫度較低，且所使用的加熱時間係相同或近似於習知技術以較高的溫度(例如固溶溫度)所進行的加熱時間，所以可以減少進行退火步驟140時所需的升溫時間以及升溫所需的能源，故能降低能源成 本支出以及製程時間。

本發明之另一特徵，在於對沃斯田鐵系合金鑄胚進行較低裁減率的冷加工步驟，並且以較低的加熱溫度(例如低於沃斯田鐵系合金的固溶溫度)對沃斯田鐵系合金加工物進行退火步驟140。因此，除了可保留較多在冷加工步驟120中所形成的具雙晶結構之晶粒外，並且可形成具有更佳機械性質的沃斯田鐵系合金。此外，由於本發明的退火步驟140所使用的加熱溫度較低，且所使用的加熱時間係相同或近似於習知技術以較高的溫度(例如固溶溫度)所進行的加熱時間，所以可以減少能源成本支出以及減少製程時間。再者，由於冷加工步驟120所使用的裁減率較低，所以實際對沃斯田鐵系合金鑄胚進行加工時，沃斯田鐵系合金鑄胚可得到較均勻的加工效果，並可減少因過高的裁減率而導致沃斯田鐵系合金鑄胚表面產生裂紋或斷裂。

以下列舉數個實施例，藉此更詳盡闡述本發明之沃斯田鐵系合金及其製造方法，然其並非用以限定本發明，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

實施例1係提供由鎳基合金組成的沃斯田鐵系合金鑄胚，其組成包含32重量百分比的鎳、21重量百分比的鉻、44重量百分比的鐵、0.08重量百分比的碳、1重量百分比的鋁和鈦、以及其他少量添加物，例如銅、矽或錳等合金成分。在本實施例中，沃斯田鐵系合金鑄胚為線徑14mm的線材，但要提到的是，其他形狀(例如棒材)亦可使 用。

然後，將線徑14mm的沃斯田鐵系合金鑄胚以每道次14%的裁減率進行多次的冷加工步驟，以形成線徑7.5mm的沃斯田鐵系合金加工物。之後，利用1080℃的加熱溫度對沃斯田鐵系合金加工物持續加熱20分鐘，以形成沃斯田鐵系合金。所形成之沃斯田鐵系合金包含複數個具雙晶結構之晶粒，且此些具雙晶結構之晶粒之截面面積總和大於沃斯田鐵系合金截面面積的70%。

實施例2至6之製作方法同於實施例1，惟實施例2至6與實施例1不同處在於實施例2至6的裁減率以及退火步驟的加熱溫度，其裁減率及加熱溫度如下表1所示。

比較例1至6之製作方法類似於實施例1，惟比較例1至6與實施例不同處在於比較例1至6的裁減率以及退火步驟的加熱溫度，其裁減率及加熱溫度同樣列示於上表1中。

對實施例1至6與比較例1至6之沃斯田鐵系合金進行多項性能的測量，測試項目依序如後所述。首先，對實施例1至6與比較例1至6進行雙晶結構密度量測，也就是量測具雙晶結構之晶粒之截面面積之總和佔沃斯田鐵系合金截面面積之百分比。簡言之，利用光學顯微鏡觀測實施例1至6與比較例1至6之沃斯田鐵系合金的任一截面，並基於此截面之截面面積為100%，觀測具雙晶結構之晶粒之截面面積之總和所佔的百分比。

上表1列出所測得之各實施例與比較例之沃斯田鐵系合金之晶粒平均粒徑的結果。實施例1至6之具雙晶結構之晶粒之截面面積之總和的百分比為75%至93%。比較例1至6之具雙晶結構之晶粒之截面面積之總和的百分比為30%至45%。

接著，對實施例1至6與比較例1至6進行抗拉強度及降伏強度之測量。簡言之，利用拉伸試驗機(MTS-810，MTS，美國)對實施例1至6與比較例1至6之沃斯田鐵系 合金進行抗拉強度及降伏強度的測量。

由上表1所列出之各實施例與比較例之沃斯田鐵系合金之抗拉強度及降伏強度的結果可知，實施例1至6之抗拉強度及降伏強度分別為665MPa至720MPa以及396MPa至461MPa。比較例1至6之抗拉強度及降伏強度分別為565MPa至613MPa以及278MPa至322MPa。比對實施例與比較例之後，可了解本發明之沃斯田鐵系合金中確實含有較高截面面積之總和百分比的具雙晶結構之晶粒，並且也具有較佳的機械性質。再者，從上表1可知，若是使用較小的裁減率時，可獲得較佳的機械性質。

綜言之，由上述本發明實施方式可知，本發明沃斯田鐵系合金及其製造方法係以較低的裁減率對沃斯田鐵系合金鑄胚進行冷加工步驟，並且以較低的溫度對沃斯田鐵系合金加工物進行退火步驟，可使所得之沃斯田鐵系合金含有較高百分率的具雙晶結構之晶粒，並且可具有較佳的機械性質。除此之外，由於退火步驟所使用的加熱溫度較低，且所使用的加熱時間係相同或近似於習知技術以較高的溫度(例如固溶溫度)所進行的加熱時間，因此可降低進行退火步驟時能源的成本消耗，並且可減少製程時間。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧方法

110、115、120、130、140‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種沃斯田鐵系合金之製造方法，包含：將一沃斯田鐵系合金鑄胚進行至少一冷加工步驟，以形成一沃斯田鐵系合金加工物，其中進行各該至少一冷加工步驟之一裁減率係在0.01%至15%；以及進行一退火步驟，以利用700℃至小於1100℃之一加熱溫度對該沃斯田鐵系合金加工物持續加熱5至150分鐘，藉以形成該沃斯田鐵系合金，其中該沃斯田鐵系合金包含複數個具雙晶結構之晶粒，且該些具雙晶結構之晶粒之一截面面積總和大於該沃斯田鐵系合金一截面面積的70%。
2. 如請求項1所述之沃斯田鐵系合金之製造方法，其中該裁減率係在7%至14%。
3. 如請求項1所述之沃斯田鐵系合金之製造方法，其中該加熱溫度係1050℃至1080℃。
4. 如請求項1所述之沃斯田鐵系合金之製造方法，其中該些具雙晶結構之晶粒之該截面面積總和大於該沃斯田鐵系合金該截面面積的75%至93%。
5. 如請求項1所述之沃斯田鐵系合金之製造方法，其中該沃斯田鐵系合金鑄胚之一抗拉強度小於700MPa。
6. 如請求項5所述之沃斯田鐵系合金之製造方法，其中當該沃斯田鐵系合金鑄胚之該抗拉強度大於700MPa時，對該沃斯田鐵系合金鑄胚進行一選擇性退火步驟，以使該沃斯田鐵系合金鑄胚之該抗拉強度小於700MPa，其中該選擇性退火步驟以700℃至小於1100℃之一加熱溫度對該沃斯田鐵系合金鑄胚持續加熱5至150分鐘。
7. 如請求項1所述之沃斯田鐵系合金之製造方法，其中該沃斯田鐵系合金鑄胚至少包含：5重量百分比至70重量百分比之鎳；5重量百分比至70重量百分比之鐵；5重量百分比至30重量百分比之鉻；以及其他不可避免之雜質。
8. 如請求項7所述之沃斯田鐵系合金之製造方法，其中該沃斯田鐵系合金鑄胚更至少包含：0重量百分比至0.2重量百分比之碳；0重量百分比至6重量百分比之鈦；0重量百分比至16重量百分比之鋁；0重量百分比至12重量百分比之鉬；0重量百分比至12重量百分比之鎢；0重量百分比至20重量百分比之鈷；0重量百分比至5重量百分比之鈮； 0重量百分比至12重量百分比之鉭；0重量百分比至40重量百分比之銅；0重量百分比至2重量百分比之矽；以及0重量百分比至2重量百分比之錳。
9. 如請求項1所述之沃斯田鐵系合金之製造方法，更包含進行一熱加工步驟，以形成該沃斯田鐵系合金鑄胚，其中該沃斯田鐵系合金鑄胚在850℃至1250℃之一加熱環境加工形成。
10. 一種沃斯田鐵系合金，其係利用如請求項1至9任一項所述之方法製得。