TW201617462A - 沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法 - Google Patents

Abstract

一種沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，其包含下列步驟。提供沃斯田鐵系合金胚。對沃斯田鐵系合金胚進行加工成型步驟，以形成沃斯田鐵系合金加工材。對沃斯田鐵系合金加工材進行熱處理步驟。對沃斯田鐵系合金加工材進行冷加工步驟，而形成沃斯田鐵系合金鋼材。

Description

沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法

本發明是有關於一種鋼材之製造方法，且特別是有關於一種沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法。

常見之沃斯田鐵系合金包含鎳基合金、沃斯田鐵系不鏽鋼、鎳銅合金等。其中，鎳基合金為例如型號Alloy 800H、A-286、625與718之合金等，斯田鐵系不鏽鋼為例如型號309與310之不鏽鋼，鎳銅合金為例如型號Alloy 400與500K之合金。這些沃斯田鐵系合金因為添加了較大量的鎳元素，故主要為面心立方(face center cubic，FCC)的沃斯田鐵相結構(austenitic structure)，且常應用在需要高溫機械性質的場合，例如發動機之組件、渦輪引擎緊固件、高溫軸承、加熱爐之外罩與石化廠之管線等。

鎳基合金胚可利用電爐熔煉後經電渣重熔精煉(EFA-ESR)、真空感應熔煉後再由電渣重熔精煉(VIM-ESR)、或真空感應熔煉(VIM)後再經真空電弧重熔精煉(VAR)之雙V製程而煉得。通常精煉後之合金胚的組織均勻，無粗大之介在物，且加工性質良好，而適合鍛造或軋 延等成型方式。特別是在850℃至1200℃的溫度區間，可對適合尺寸之鎳基合金胚進行鍛造或軋延等成型步驟。以常見之鎳基高溫合金熱軋薄板為例，鎳含量為35wt%，鉻含量為22wt%，碳含量為0.08wt%，鋁與鈦之含量為1wt%，其他少量添加，例如銅、矽、錳等合金成分，以及剩餘含量的鐵。

請參照圖1，其係繪示一種習知沃斯田鐵系合金板材之製造方法的流程示意圖。一般在製作沃斯田鐵系合金板材時，如方塊100所述，先提供沃斯田鐵系合金塊材，以作為沃斯田鐵系合金板材之原料。接著，如方塊102所述，對沃斯田鐵系合金塊材進行熱軋步驟，以依照板材成品需求，而將此沃斯田鐵系合金塊材加工成沃斯田鐵系合金板體。

一般而言，由於沃斯田鐵系合金在冷、熱加工後需要固溶或退火處理，以溶解沃斯田鐵基地內的碳化物與γ'相等析出物，藉以得到均勻的過飽和固溶體，並使加工後之合金發生再結晶，而得到均勻的金相組織與適宜的晶粒度，進而可確保沃斯田鐵系合金具有良好的機械性質。因此，於加工之熱軋步驟後，如方塊104所述，對沃斯田鐵系合金板體進行固溶或退火等熱處理步驟。

於固熔或退火等熱處理步驟後，如方塊106所述，可以連續之方式對沃斯田鐵系合金板體進行噴砂與酸洗等後處理步驟，以除去在熱處理過程中板體所生成之氧化鏽皮。接下來，依照所需形狀與尺寸沃斯田鐵系合金板體進行 裁切後，即可製得所需之沃斯田鐵系合金板材。在一例子中，此沃斯田鐵系合金板材為厚度6mm之鎳基合金板材。

經熱軋與熱處理步驟後之此厚度6mm的鎳基合金板材，其在室溫下抗拉強度(TS)為571MPa，且降伏強度(YS)為288MPa，延伸率(EL)為46%。因此，此鎳基合金板材之機械性質皆可符合美國材料與試驗協會(ASTM)之規範要求。此外，在溫度650℃，200MPa的測試條件下，此鎳基合金板材之延伸率為31%，且潛變壽命約為207小時。

沃斯田鐵系合金材料經加工與熱處理後，雖然成品品質可符合產品之基本性質要求，但於高溫應用環境下的潛變壽命卻仍嫌不足。如此一來，會增加用材更換頻率，而造成生產成本提高。

因此，本發明之一目的就是在提供一種沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，其係利用沃斯田鐵系合金之應變硬化特性，而於沃斯田鐵系合金材料經加工成型與熱處理後，再對此沃斯田鐵系合金材料進行適當裁減率之冷加工處理，如此可使所形成之沃斯田鐵系合金鋼材具有優異之高溫抗潛變性質，達到延長沃斯田鐵系合金鋼材之潛變壽命的效果。

本發明之另一目的是在提供一種沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，其可有效提升沃斯田鐵系合金鋼材在高 溫環境下之抗潛變能力，因此可有效提升沃斯田鐵系合金鋼材之高溫持久性能，進而可大幅降低鋼材之使用成本。

根據本發明之上述目的，提出一種沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，其包含下列步驟。提供沃斯田鐵系合金胚。對沃斯田鐵系合金胚進行加工成型步驟，以形成沃斯田鐵系合金加工材。對沃斯田鐵系合金加工材進行熱處理步驟。對沃斯田鐵系合金加工材進行冷加工步驟，而形成沃斯田鐵系合金鋼材。

依據本發明之一實施例，上述之沃斯田鐵系合金胚包含5wt%至75wt%的鐵、8wt%至60wt%的鎳、以及10wt%至30wt%的鉻。

依據本發明之另一實施例，上述之沃斯田鐵系合金胚更包含0至0.2wt%的碳、0至6wt%的鈦、0至16wt%的鋁、0至12wt%的鉬、0至12wt%的鎢、0至20wt%的鈷、0至5wt%的鈮、以及0至12wt%的鉭。

依據本發明之又一實施例，上述進行加工成型步驟包含利用鍛造製程或熱軋製程。

依據本發明之再一實施例，上述之沃斯田鐵系合金加工材包含熱軋捲、冷軋捲、盤元、板材、鍛件、條線或棒材。

依據本發明之再一實施例，上述進行熱處理步驟包含將製程溫度控制在實質900℃至實質1250℃、以及維持該製程溫度實質5分鐘至60分鐘。

依據本發明之再一實施例，上述之冷加工步驟係在室溫進行。

依據本發明之再一實施例，上述進行冷加工步驟包含將加工裁減率控制在0.5%至10%。

依據本發明之再一實施例，上述進行冷加工步驟包含將加工裁減率控制在2%至9%。

依據本發明之再一實施例，上述進行冷加工步驟包含利用鍛造製程、擠壓製程、充壓製程、抽線製程或軋延製程。

依據本發明之再一實施例，於冷加工步驟之後，上述沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法更包含對沃斯田鐵系合金鋼材進行後處理步驟，以清潔沃斯田鐵系合金鋼材之表面。

100‧‧‧方塊

102‧‧‧方塊

104‧‧‧方塊

106‧‧‧方塊

200‧‧‧方塊

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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：〔圖1〕係繪示一種習知沃斯田鐵系合金板材之製造方法的流程示意圖；以及〔圖2〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法的流程示意圖。

有鑑於以傳統方式所製作之沃斯田鐵系合金鋼材雖然可符合產品的基本性質，但高溫抗潛變能力不佳，因此本發明在此提出一種沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，其利用沃斯田鐵系合金的應變硬化效應，而在合金加工與熱處理後額外進行冷加工處理來強化合金材料，如此可使合金在高溫環境下受到應力作用時不容易發生變形，而可提升沃斯田鐵系合金之高溫持久性能，進而可有效延長鋼材之高溫潛變壽命，大幅降低鋼材之使用成本。

請參照圖2，其係繪示依照本發明之一實施方式的一種沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法的流程示意圖。在一實施方式中，製造沃斯田鐵系合金鋼材時，可先如方塊200所述，提供沃斯田鐵系合金胚。沃斯田鐵系合金胚可例如為鎳基合金、沃斯田鐵系不鏽鋼與鎳銅合金等。鎳基合金為例如型號Alloy 800H、A-286、625與718之合金，斯田鐵系不鏽鋼為例如型號309與310之不鏽鋼，鎳銅合金為例如型號Alloy 400與500K之合金。

在一些例子中，沃斯田鐵系合金胚包含5wt%至75wt%的鐵、8wt%至60wt%的鎳、以及10wt%至30wt%的鉻等主要成分。此外，沃斯田鐵系合金胚可例如進一步包含0至0.2wt%的碳、0至6wt%的鈦、0至16wt%的鋁、0至12wt%的鉬、0至12wt%的鎢、0至20wt%的鈷、0至5wt%的鈮、以及0至12wt%的鉭等次要成分。

接下來，如方塊202所述，進行加工成型步驟，以根據產品需求，來將沃斯田鐵系合金胚加工成不同形式之 工件與尺寸，而使沃斯田鐵系合金胚形成沃斯田鐵系合金加工材。在一些例子中，進行加工成型步驟包含利用冷加工製程或熱加工製程。舉例而言，進行加工成型步驟可採鍛造製程或熱軋製程。加工成型後所形成之沃斯田鐵系合金加工材可呈熱軋捲、冷軋捲、盤元、板材、鍛件、條線或棒材等型態。

接著，如方塊204所述，對沃斯田鐵系合金加工材進行熱處理步驟，以溶解沃斯田鐵基地內的碳化物與γ'相等析出物，藉此得到均勻之過飽和固溶體，並使加工後之合金發生再結晶，來控制沃斯田鐵系合金加工材之金相組織與晶粒度。經熱處理後，可使沃斯田鐵系合金加工材得到均勻的金相組織與適宜的晶粒度，進而可提升沃斯田鐵系合金加工材之機械性質。在一些例子中，對沃斯田鐵系合金加工材進行熱處理步驟時可利用例如固溶製程或退火製程等。在一些示範例子中，對沃斯田鐵系合金加工材進行熱處理步驟時，可將製程溫度控制在實質900℃至實質1250℃，且維持此製程溫度實質5分鐘至60分鐘。

完成熱處理步驟後，如方塊206所述，對沃斯田鐵系合金加工材進行冷加工步驟，而使沃斯田鐵系合金加工材形成所需之沃斯田鐵系合金鋼材。冷加工步驟利用沃斯田鐵系合金材料之應變硬化效應，來強化沃斯田鐵系合金材料，使其在高溫環境下受到應力作用時不容易發生變形，進而可提升沃斯田鐵系合金材料之高溫持久性能。沃斯田鐵系合金材料之高溫持久性能包含高溫潛變性質(creep property)與高溫應力破斷性質(stresss rupture property)。此冷加工步驟係在室溫環境下進行，即在約25℃至約35℃的環境下進行。

進行冷加工步驟時可例如使加工後之沃斯田鐵系合金鋼材本身的延伸率不低於20%。在一些例子中，進行冷加工步驟包含將沃斯田鐵系合金加工材之加工裁減率控制在0.5%至10%。在另一些例子中，進行冷加工步驟包含將沃斯田鐵系合金加工材之加工裁減率控制在2%至9%。此外，進行冷加工步驟包含利用鍛造製程、擠壓製程、充壓製程、抽線製程或軋延製程來加工沃斯田鐵系合金加工材。

在一些特定例子中，於冷加工步驟後，可如方塊208所述，選擇性地對沃斯田鐵系合金鋼材進行後處理步驟，以清潔沃斯田鐵系合金鋼材之表面。舉例而言，可利用噴砂及/或酸洗等製程，來去除沃斯田鐵系合金鋼材在熱處理過程中所生成之氧化鏽皮。沃斯田鐵系合金鋼材再經產品需求而裁切後即可得最終之鋼材產品。

請參照下表1，其係列示出數個實施例之沃斯田鐵系合金板材在650℃且200MPa的測試條件下進行測試所獲得之潛變壽命與延伸率。

在熱處理步驟後對沃斯田鐵系合金材料額外進行冷加工製程時，沃斯田鐵系合金材料所產生之應變硬化效應可強化沃斯田鐵系合金材料，而可有效抑制沃斯田鐵系合金材料在高溫環境下應力作用時的變形。由上表1可知，運用這些實施例所製得之沃斯田鐵系合金鋼材確實具有較長之潛變壽命，證明本發明之實施例的方法的確可成功獲得具有高溫抗潛變性質的沃斯田鐵系合金鋼材，其中這些實施例之沃斯田鐵系合金鋼材的潛變壽命可有效延長約1.9倍至3.8倍。

由上述之實施方式可知，本發明之一優點就是因為本發明之沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法係利用沃斯田鐵系合金之應變硬化特性，而於沃斯田鐵系合金材料經加工成型與熱處理後，再對此沃斯田鐵系合金材料進行適當裁減率之冷加工處理，如此可使所形成之沃斯田鐵系合金鋼材具有優異之高溫抗潛變性質，達到延長沃斯田鐵系合金鋼材之潛變壽命的效果。

由上述之實施方式可知，本發明之另一優點就是因為本發明之沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法可有效提升沃斯田鐵系合金鋼材在高溫環境下之抗潛變能力，因此可有效提升沃斯田鐵系合金鋼材之高溫持久性能，進而可大幅降低鋼材之使用成本。

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。

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Claims (11)

1. 一種沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，包含：提供一沃斯田鐵系合金胚；對該沃斯田鐵系合金胚進行一加工成型步驟，以形成一沃斯田鐵系合金加工材；對該沃斯田鐵系合金加工材進行一熱處理步驟；以及對該沃斯田鐵系合金加工材進行一冷加工步驟，而形成一沃斯田鐵系合金鋼材。
2. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，其中該沃斯田鐵系合金胚包含5wt%至75wt%的鐵、8wt%至60wt%的鎳、以及10wt%至30wt%的鉻。
3. 如申請專利範圍第2項之沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，其中該沃斯田鐵系合金胚更包含0至0.2wt%的碳、0至6wt%的鈦、0至16wt%的鋁、0至12wt%的鉬、0至12wt%的鎢、0至20wt%的鈷、0至5wt%的鈮、以及0至12wt%的鉭。
4. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，其中進行該加工成型步驟包含利用一鍛造製程或一熱軋製程。
5. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，其中該沃斯田鐵系合金加工材包含一熱軋捲、一冷軋捲、一盤元、一板材、一鍛件、一條線或一棒材。
6. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，其中進行該熱處理步驟包含將一製程溫度控制在實質900℃至實質1250℃、以及維持該製程溫度實質5分鐘至60分鐘。
7. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，其中該冷加工步驟係在室溫進行。
8. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，其中進行該冷加工步驟包含將一加工裁減率控制在0.5%至10%。
9. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，其中進行該冷加工步驟包含將一加工裁減率控制在2%至9%。
10. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，其中進行該冷加工步驟包含利用一鍛造製程、一擠壓製程、一充壓製程、一抽線製程或一軋延製程。
11. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，於該冷加工步驟之後，更包含對該沃斯田鐵系合金鋼材進行一後處理步驟，以清潔該沃斯田鐵系合金鋼材之表面。