TW201938802A - 含介穩態奧氏體之鍍鋼於升高溫度下的減縮 - Google Patents

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Abstract

在鍍覆之後且在冷軋之前或期間升溫介穩態鋼會抑制奧氏體至馬氏體之轉變，此導致較低軋機負載及相似負載下之較高減縮量。與在室溫下藉由冷軋減縮相同量之鋼相比時，如此溫軋之鋼具有增強之機械性質。

Description

含介穩態奧氏體之鍍鋼於升高溫度下的減縮
本發明係關於在退火條件下鍍覆含介穩態奧氏體鋼、隨後溫軋之方法。
本發明屬含有大量介穩態奧氏體(5%-100%)之鋼。奧氏體若在機械形變時轉變為馬氏體(martensite)，則認為其係介穩態的。此類馬氏體稱為形變誘導之馬氏體，其在將鋼加熱至馬氏體恢復為奧氏體之高溫之前係穩定的。
由於與介穩態奧氏體至馬氏體之形變誘導之轉變相關之高加工硬化率，含介穩態奧氏體之鋼有時在室溫或更高溫度下軋製以達成高屈服及抗拉強度。
若此一鋼欲在軋製條件下經鍍覆以免受腐蝕，則軋製鋼之高強度在鍍覆製程期間帶來獨特挑戰，此乃因鍍覆線通常經設計用於較低強度鋼產品。增加之強度引起涉及牽引鋼帶穿過線之能力、使鋼帶圍繞軋輥彎曲之能力及藉助藉助拉伸彎曲矯直或其他方式實施任何形狀校正之能力的挑戰。
此外，在一些鍍覆技術中，鋼帶經受高溫，此導致一些或所有形變誘導之馬氏體恢復成奧氏體。由於此逆轉，鋼帶之機械性質將下降，由此失去前期軋製製程之有益效應。
由於介穩態奧氏體至更高強度之馬氏體相之形變誘導之轉變，故含介穩態奧氏體之鋼的冷軋可係挑戰。此類鋼之冷軋導致軋機負載之顯著增加且鋼通常需要經歷退火，以在可實施進一步冷減縮之前使含奧氏體之微結構部分或完全恢復或重結晶。
為克服以上所鑑別之挑戰，有利的是在軋製之前在部分或完全退火條件下鍍覆此介穩態鋼。此處，退火亦可指臨界區退火或奧氏體化。在此退火條件下，材料將具有較低強度及硬度，此使得其更易於藉助鍍覆線進行處理。另外，對鍍覆線之熱輪廓之任何暴露不應使性質降格至任何顯著程度。
本發明方法涉及在退火條件下鍍覆含介穩態奧氏體之鋼，隨後溫軋。溫軋涉及在軋製之前或期間將材料升溫至高於周圍條件之溫度，以抑制奧氏體至馬氏體之轉變。溫軋可導致較低軋機負載及在相似負載下之較高減縮量，此乃因鋼在高於周圍條件之溫度下的較低流動強度及增加之延展性。達成較高減縮之能力亦可使得在鋼可加工成最終規格之前需要較少的中間退火。
令人驚訝的是，與藉由冷軋減縮至相同量之鋼相比，如此溫軋之鋼已顯示增強之機械性質。溫軋、隨後後續退火亦可產生較冷軋相同量並退火之鋼中所達成者更佳之機械性質。溫軋之益處可在中等溫度下達成而且亦不需要大量線修改。
優先權
本申請案主張對2018年3月13日申請之標題為REDUCTION AT ELEVATED TEMPERATURE OF COATED STEELS CONTAINING METASTABLE AUSTENITE之美國臨時申請案第62/642,208號的優先權，其揭示內容以引用的方式併入本文中。
本發明係關於含有大量介穩態奧氏體(5%-100%奧氏體)之鋼，其稱為「介穩態鋼」。奧氏體若在機械形變時轉變為馬氏體，則認為其係介穩態的。此馬氏體稱為形變誘導之馬氏體。形變誘導之馬氏體係穩定成分，直至將鋼暴露於升高溫度為止。含有此介穩態奧氏體之鋼可為碳鋼或不銹鋼。
存在幾種途徑可用來表徵奧氏體之穩定性。一種途徑係基於奧氏體之化學組成計算其不穩定度因數(IF)。此因數闡述於美國專利3,599,320 (其揭示內容以引用的方式併入本文中)中，其將IF定義為：
IF=37.193 -51.248(%C) -0.4677(%Cr) -1.0174(%Mn) -34.396 (%N) -2.5884(%Ni)方程式 1
計算之IF值在0-2.9之鋼分類為「輕微介穩態」且IF高於2.9之鋼分類為「中等介穩態」。本發明之方法對於IF高於2.9之含介穩態奧氏體之鋼最為重要。
表徵奧氏體穩定性之另一技術係計算或量測所謂的Md 30溫度。對於既定介穩態鋼組成，當在Md 30溫度下形變為0.3真應變時，50%之奧氏體轉變為馬氏體。對於既定介穩態鋼組成，Md 溫度係高於形變時不形成馬氏體之溫度。Md 及Md 30溫度為業內所熟知。除憑經驗確定以外，特定鋼組成之Md 30溫度亦可藉由可在文獻中找到之若干方程式中之一者計算，該等方程式包括以下：
如Nohara, K.、Ono, Y.及Ohashi, N. 1977. Composition and Grain-Size Dependencies of Strain-Induced Martensitic Transformation in Metastable Austenitic Stainless Steels. Journal of Iron and Steel Institute of Japan, 63 (5), 第212-222頁(其揭示內容以引用的方式併入本文中)所教示：
Md 30= 551 -462(%C+%N) -68*%Cb -13.7*%Cr - 29(%Cu+%Ni) -8.1*%Mn -18.5*%Mo -9.2*%Si方程式 2
如Angel, T. 1954. Formation of Martensite in Austenitic Stainless Steels. Journal of the Iron and Steel Institute, 177 (5), 第165-174頁(其揭示內容以引用的方式併入本文中)所教示：
Md 30= 413 -462*(%C+%N) -13.7*%Cr -8.1*%Mn -18.5*%Mo -9.5*%Ni -9.2*%Si方程式 3
低穩定性指示奧氏體在形變時易於轉變為馬氏體且其在低應變時易於轉變為馬氏體。相反，高穩定性指示奧氏體對形變誘導之馬氏體轉變具有抵抗性且需要高應變以使任何奧氏體轉變為馬氏體。低不穩定性係由高Md 30溫度指示，亦即隨著Md 30溫度增加，奧氏體更加不穩定。介穩態奧氏體之Md 30溫度高於Ms 溫度(亦即，非熱馬氏體之馬氏體變態起始溫度)。
隨著奧氏體轉變為更高強度之馬氏體，具有大量介穩態奧氏體之鋼快速硬化。此類鋼之冷軋仍係挑戰，此乃因更高程度之轉變可導致負載超過輥軋機之能力或容量。然後此類鋼需要退火，以在該等鋼可進一步軋製之前，將一些或全部馬氏體部分或完全轉變為奧氏體或其他較低強度成分。若在軋製期間可抑制奧氏體至馬氏體之轉變，則鋼可以較低軋機負載軋製成更薄規格。一種抑制此轉變之途徑係在冷軋之前或期間使鋼升溫。此處，升溫係指將鋼加熱至高於周圍條件但低於大約930°F或499℃之溫度。溫軋已顯示具有產生更佳機械性質之額外益處。溫軋闡述於2017年1月17日申請之標題為「Warm Rolling of Steels Containing Metastable Austenite」之美國專利申請案第15/407,992號中，其內容以引用的方式併入本文中。
此類鋼可經鍍覆以防止腐蝕。鋼之典型鍍層可為鋅或基於鋅之合金、鋁或基於鋁或基於鋁-矽之合金或任何其他業內已知施加至鋼之金屬鍍層。
在經大量硬化處理之鋼中，由於以下兩個主要因素，鍍覆變得具有挑戰性：
1. 鍍覆線設備處理高強度材料之能力；及
2. 鋼帶在熱浸鍍製程中暴露於高溫，此可導致一些或全部馬氏體逆轉恢復至低強度奧氏體，導致較低屈服強度及抗拉強度。
一種維持此類鋼之高強度之途徑係在退火條件或其他不存在形變誘導之馬氏體之條件下鍍覆此類鋼且隨後溫軋此類鋼。
一個實施例涉及對熱軋鋼帶實施冷軋或溫軋操作，隨後退火以達成沒有或具有極少形變誘導之馬氏體且具有重結晶微結構之材料。此軋製之後係鍍覆操作，例如熱浸鍍鋁、熱浸鍍鋅或電鍍鋅。鍍覆之後係在高於室溫(大約70°F或21℃)且在一些實施例中接近或高於鋼之Md 溫度之溫度下軋製類此介穩態鋼。
該等材料之捲材可以對熟習此項技術者將顯而易見之途徑升溫，包括以下方法中之一者或其組合：
I. 在將捲材置於軋製線之前使該捲材在爐/烘箱中升溫。
II. 在進入冷軋機之第一機架中之前，在輥軋機中使用一些類型之直列式加熱系統(例如，感應加熱器或輻射加熱器)使鍍覆捲材升溫；
III. 使輥軋機所用之冷卻劑升溫。使冷卻劑升溫可以多種方式實施，例如關閉輥軋機上之冷卻塔並運行一些其他材料以加熱冷卻劑。在軋製之前使冷卻劑升溫之其他方法對於熟習此項技術者而言將顯而易見；及
IV. 使用嵌入式加熱器或其他方式升溫或加熱冷軋機之軋輥。
根據特定組成之典型金屬加工處理，介穩態鋼在鍍覆及冷軋(若適當)之前可經熔化、澆鑄、熱軋及退火。在一些實施例中，在鍍覆之後及冷軋之前，將鋼升溫至不高於250°F或121℃之溫度；在其他實施例中，將鋼升溫至不高於930°F或499℃之溫度、在其他實施例中，將介穩態鋼升溫至接近或高於特定介穩態鋼組成之Md 溫度之溫度。而且，在其他實施例中，將介穩態鋼升溫至接近或高於特定介穩態鋼組成之Md 30溫度之溫度。該等溫軋道次可為第一、第二或任何後續「冷軋」步驟中之一或多者。
圖1比較在軋製含介穩態奧氏體之鋼期間軋製溫度對形變誘導之馬氏體形成之效應。對於相同之減縮量，與在室溫下軋製之冷軋鋼相比，在每一溫軋條件下形成之馬氏體顯著較少。溫軋在減少所形成馬氏體之量方面之益處甚至可在相對較低溫度(在此情形中，150°F或66℃)下觀察到，且隨著溫軋溫度增加，馬氏體之形成減少。
圖2顯示在溫軋及冷軋之後含介穩態奧氏體之鋼之總伸長率。令人驚訝的是，溫軋導致總伸長率在降低之前存在初始增加。該等結果指示，溫軋之益處可藉由改變在一溫度下所實施之減縮量或藉由改變軋製溫度來調整。相反，隨著減縮量增加，冷軋總是導致總伸長率降低。
實例 1
將含介穩態奧氏體之退火鋼用富鋅鍍層電鍍鋅且然後在室溫(大約21℃)下冷軋或在270°F或132℃溫軋。表1概述如此鍍覆之性質及軋製後之性質。


表 1
圖3顯示對於冷軋及溫軋二者，屈服強度及極限抗拉強度均隨軋製減縮增加而增加。圖4證實對於冷軋而言，伸長率隨減縮增加而降低。令人驚訝的是，溫軋後之伸長率在減縮高達大約30%減縮之情形下大體未變，此後其稍微降低。溫軋之此有益效應進一步顯示於圖5中，圖5比較冷軋及溫軋鍍覆樣品之強度-延展性乘積(極限抗拉強度及總伸長率之乘積)。軋製對強度-延展性乘積之效應類似於其對總伸長率之效應。對於冷軋而言，強度-延展性乘積隨減縮增加而降低。然而，對於高達大約30%之減縮，強度-延展性乘積由於溫軋而增加。
實例 2
根據以下製程製備介穩態鋼：
a. 選擇不穩定度因數(IF)大於或等於2.9之介穩態鋼，其中IF係藉由以下方程式計算：
IF=37.193 -51.248(%C) -0.4677(%Cr) -1.0174(%Mn) -34.396 (%N) -2.5884(%Ni)
b. 在鍍覆該介穩態鋼之前，使該介穩態鋼退火；
c. 在鍍覆該介穩態鋼之後，將該介穩態鋼升溫至高於70°F之升溫溫度；及
d. 軋製該經鍍覆及升溫之介穩態鋼。
實例 3
根據實例2之製程製備介穩態鋼，其中該升溫溫度接近或高於特定介穩態鋼組成之Md 溫度。
實例 4
根據實例2之製程製備介穩態鋼，其中該升溫溫度接近或高於特定介穩態鋼組成之Md 30溫度。
實例 5
根據實例2之製程製備介穩態鋼，其中該升溫溫度小於或等於930°F。
實例 6
根據實例2之製程製備介穩態鋼，其中該升溫溫度小於或等於250°F。
實例 7
根據實例4之製程製備介穩態鋼，其中該介穩態鋼之Md 30溫度係根據以下方程式計算：
Md 30=551-462(%C+%N) -68*%Cb -13.7*%Cr -29(%Cu+%Ni) -8.1*%Mn -18.5*%Mo -9.2*%Si。
實例 8
根據實例4之製程製備介穩態鋼，其中該介穩態鋼之Md 30溫度係根據以下方程式計算：
Md 30= 413 -462*(%C+%N) -13.7*%Cr -8.1*%Mn -18.5*%Mo -9.5*%Ni -9.2*%Si
實例 9
根據實例2、3、4、5、6、7或8之製程製備介穩態鋼，其進一步包含其中在軋製後將該介穩態鋼進一步在室溫軋製之步驟。
實例 10
根據實例2、3、4、5、6、7或8之製程製備介穩態鋼，其進一步包含其中在軋製後將該介穩態鋼進一步退火之步驟。
實例 11
根據10實例之製程製備介穩態鋼，其進一步包含其中在退火後將該介穩態鋼進一步在室溫下軋製之步驟。
實例 12
根據10實例之製程製備介穩態鋼，其進一步包含其中在退火後將該介穩態鋼進一步溫軋之步驟。
實例 13
根據12實例之製程製備介穩態鋼，其中用於該進一步溫軋步驟之該升溫溫度係接近或高於特定介穩態鋼組成之Md 溫度。
實例 14
根據12實例之製程製備介穩態鋼，其中用於該進一步溫軋步驟之該升溫溫度係接近或高於特定介穩態鋼組成之Md 30溫度。
實例 15
根據12實例之製程製備介穩態鋼，其中用於該進一步溫軋步驟之該升溫溫度小於或等於930°F。
實例 16
根據12實例之製程製備介穩態鋼，其中用於該進一步溫軋步驟之該升溫溫度小於或等於250°F。
實例 17
根據14實例之製程製備介穩態鋼，其中用於該進一步溫軋步驟之該介穩態鋼之Md 30溫度係根據以下方程式計算：
Md 30=551-462(%C+%N) -68*%Cb -13.7*%Cr - 29(%Cu+%Ni) -8.1*%Mn -18.5*%Mo -9.2*%Si。
實例 18
根據14實例之製程製備介穩態鋼，其中用於該進一步溫軋步驟之該介穩態鋼之Md 30溫度係根據以下方程式計算：
Md 30= 413 -462*(%C+%N) -13.7*%Cr -8.1*%Mn -18.5*%Mo -9.5*%Ni -9.2*%Si
圖1繪示介穩態鋼中馬氏體百分比隨自溫軋及冷軋所產生減縮百分比之變化。
圖2繪示介穩態鋼之伸長百分比隨自冷軋及溫軋所產生減縮百分比之變化。
圖3繪示屈服強度及極限抗拉強度隨冷軋及溫軋之減縮的變化。
圖4繪示總伸長率隨冷軋及溫軋之減縮的變化。
圖5繪示強度-延展性乘積(極限抗拉強度與總伸長率之乘積)隨冷軋及溫軋之減縮的變化。

Claims (8)

  1. 一種鍍覆介穩態鋼之方法，該方法包含以下步驟： a. 選擇不穩定度因數(IF)大於或等於2.9之介穩態鋼，其中IF係藉由以下方程式計算： IF=37.193 -51.248(%C) -0.4677(%Cr) -1.0174(%Mn) -34.396 (%N) -2.5884(%Ni) b. 在鍍覆該介穩態鋼之前，使該介穩態鋼退火； c. 在鍍覆該介穩態鋼之後，將該介穩態鋼升溫至高於70°F之升溫溫度；及 d. 軋製該經鍍覆及升溫之介穩態鋼。
  2. 如請求項1之方法，其中該升溫溫度接近或高於特定介穩態鋼組成之Md 溫度。
  3. 如請求項1之方法，其中該升溫溫度接近或高於特定介穩態鋼組成之Md 30溫度。
  4. 如請求項1之方法，其中該升溫溫度小於或等於930°F。
  5. 如請求項3之方法，其中該介穩態鋼之該Md 30溫度係根據以下方程式計算： Md 30=551-462(%C+%N) -68*%Cb -13.7*%Cr -29(%Cu+%Ni) -8.1*%Mn -18.5*%Mo -9.2*%Si。
  6. 如請求項3之方法，其中該介穩態鋼之該Md 30溫度係根據以下方程式計算： Md 30= 413 -462*(%C+%N) -13.7*%Cr -8.1*%Mn -18.5*%Mo -9.5*%Ni -9.2*%Si。
  7. 2、3、4、5或6之方法，其進一步包含其中在軋製後將該介穩態鋼進一步在室溫下軋製之步驟。
  8. 如請求項7之方法，其進一步包含其中在室溫下軋製之前將該介穩態鍍鋼退火之步驟。
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