TW573024B - Ultra-high strength metastable austenitic stainless steel containing Ti and a method of producing the same - Google Patents

Ultra-high strength metastable austenitic stainless steel containing Ti and a method of producing the same Download PDF

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Kouki Tomimura
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Description

573024 A7 B7 五、發明說明（1 [發明背景] [發明領域] 本發明係有關一種不錢鋼材料，係最適於有耐腐蝕 以及高強度及疲勞特性之要求的元件及組件，例如，平 板彈簧、螺旋彈簧m日日圓製造用之葉片板；尤係 有關一種具有極愚之抗拉強度之超高強度準安定沃斯田 鐵不銹鋼材料，以及其製造方法。 [背景技術] 以不銹鋼製造例如上述之元件或組件時，向來係使 用麻田散鐵不銹鋼，加工硬化不銹鋼或沉澱硬化不銹 鋼。 麻田散鐵不銹鋼係從高溫奥氏態淬火藉由麻田散鐵 轉變達到硬化而製成。實例包括SUS410及SUS420J2。 這些鋼鐵材料可藉淬火退火之回火處理以獲致高強度與 韌性。然而，當該製品極薄時，會由於淬火中之熱應變 而變形，以致於該製品難以製成預設形狀。 至於加工硬化不錄鋼材料，係將固溶處理中顯現、夭 斯田鐵相之鋼材，隨後藉由冷加工以產生應變誘生麻田 散鐵相，而達到獲致高強度之目的。這種準安定沃斯田 鐵不銹鋼材料之代表例有SUS301及SUS304，其強产 係依冷加工量以及麻田散鐵含量而定。在此，無上述之 淬火中的熱應變問題之產生。然而，僅只藉由冷 >、 τ 工就 要達成強度之精確調整，係極其困難的。冷加工過度時， 各向異性升高而降低韌性 311913 _ ________.——IMW 、* 4 — <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) II--111 -1!^ ·1111111· . 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱 573024 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 2 A7 B7 五、發明說明（2 ； 沉殿硬化不銹鋼材料係以添加具有高沉澱硬化作用 之元素’以及時效硬化而製得。代表例有添加銅之 SUS630’及添加鋁之SUS631。前者在固溶處理之後顯 現麻田散鐵單一相，並係從該態時效硬化而製得；而其 抗拉強度最高也不過僅達約14〇〇N/mm2。後者在固溶 處理之後顯現準安定沃斯田鐵相，並在該相已部份轉變 成麻田散鐵相後藉由諸如冷加工之加工程序作時效硬化 製知。该硬化係由於金屬間化合物Ni3Al之沉殿而達 成，而由於麻田散鐵相之確實產生抗拉強度可提升至約 1800N/mm2 〇 利用到此類時效硬化之不銹鋼材料亦包括一些為獲 取高於上述習知之強度而開發者。以曰本專利特開昭 61-295 356(1986)，特開平 4-202643( 1992)為例，揭示有 對一併添加有Cu及Si之準安定沃斯田鐵不銹鋼施以適 度之冷加工，隨後再行時效硬化之方法。這些方法可以 提供抗拉強度約在2000N/mm2之高強度鋼材。然而， 以這些方法能獲致高強度之時效硬化溫度範圍極為狹 窄。因此，不易應用於商業生產。 嗣後，本案之發明人等在特開平6-207250(1 994)(下 稱250號）及特開平7_300654(1995)(下稱654號）揭示有 抗拉強度約在2000N/mm2並且韌性優異之高強度鋼材， 係以對一併添加有Mo及Si之準安定沃斯田鐵不銹鋼 材料施以適度之冷加工，隨後於高溫進行時效硬化而製 得。雖然該方法必須對鋼材組成嚴加控制，但該一要求 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公爱) --- 311913 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂---------線. 573024 A7 B7 五、發明說明（3 ) 在今日之煉鋼技術已能充分滿足。並且，由於其時效硬 化溫度範圍寬廣而時效硬化可於短時間内完成，該方法 適用於鋼帶之連續生產。 上述2 5 0號以及6 5 4號專利所揭示者可謂已實質建 立2000N/mm2級強度之高強度不銹鋼材料之生產技術。 然而，最近對更高強度不銹鋼材料之需求已見增加，主 要係用作彈簧材料及葉片板等。為回應此一需求，有必 要開發出並供給能可靠地製得的抗拉強度不低於22⑻ N/mm2之鋼鐵材料。 另一方面，1 8鎳麻田散鐵時效鋼係已知的超高強 度金屬材料，其抗拉強度約在2〇〇〇至2400 N/mm2之 程度。例如，18鎳-9鈷-5鉬-0.7鈦系之麻田散鐵時效 鋼以及18鎳-12.5鈷-4 _2鉬-1·6鈦系麻田散鐵時效鋼已 知其抗拉強度各可達2000 N/mm2及2400 N/mm2。這些 鋼材之韌性也相對較佳。但其成本極高，因為係含有大 量的鎳、鈷及鉬等昂貴元素。因此，這些鋼材也就無法 落實應用作廉價的彈簧等之類的材料。 鑑於以上事實，本發明之目的乃在製造並提供一種 以準安定沃斯田鐵不銹鋼為材料之能呈現不低於22〇〇 N/mm2之高拉抗強度的超高強度金屬材料。再者，本發 明不僅能夠提供於連續生產線上老化之鋼帶，也可以提 供在加工成各種組件之後以批式加工作老化的鋼鐵材 料。 [發明概要] 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x 297公釐） 311913 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂-----I---線 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 3 573024 A7 五、發明說明（4 ) 本發明人等曾作各種嘗試企圖提升25〇號及654號 鋼鐵材料之抗拉強度至22〇〇N/mm2之程度，然而，發 現無法穩定獲致這些鋼材之如此的高強度。經進一步精 心探討乃發現從合金設計觀點而言，要將25〇號以及654 號所揭示之鋼鐵材料製成強度超越2〇〇〇N/mm2係包含 有基本性之困難。因而論斷必須發展出化學組成不同之 新鋼材。基於此一推理多方研討發現，從鋼材型態之觀 點，目則為止係以使用添加有鉬及鋼之沉殿硬化準安定 沃斯田鐵不錢鋼為有利，進而，為達22〇〇N/mm2之程 度的尚強度’有別於習知作法，可以採用另更含有Ti 之組成系。並且發現，冷加工之施行極為有利於在金屬 織構内產生應變誘生麻田散鐵相，以能在老化之前獲致 麻田散鐵及沃斯田鐵合占50至95 vol%之織構。本發明 乃根據此一見識而完成者。 本發明之第一方面，為達上述目的，係在提供一種 超咼強度準安定沃斯田鐵不銹鋼，具有如下的以質量0/〇 計之化學組成，包括··不超過〇· 15%之碳，超過1.0至 6.0%之石夕’不足5·0%之鑑，4.0至10.0%之鎳，12_〇至 18.0%之鉻，不超過3.5%之銅，不超過5.0%之鉬，不 超過0.02%之氮，0.1至0.5%之鈦，其餘為鐵以及無可 避免之雜質，並滿足矽+鉬-3.5%，其定義如下式（1)之 Md(N)值在於20至140，冷加工後顯現含50至95vol% 麻田散鐵相之多相織構，其餘實質上係沃斯田鐵相，在 麻田散鐵相中並分布有鉬系沉澱物及鈦系沉澱物： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 311913 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ----I---訂---------線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 573024 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ---~^~___ 五、發明說明（5 )
Md(N) = 5 80_5 20C-2Si_16Mn-16Cr-23Ni-3 00N_26Cu_ ΙΟΜο......(1)。 「實質上係沃斯田鐵相」乃指可以包括沉澱物，金 屬間夾雜物，以及少量（約略少於1%)之5鐵素體相。 冷加工織構的存在，可以藉由，例如，以光學顯微鏡觀 察時，可以發現有沃斯田鐵晶粒延伸於加工方向之事實 加以判定。代表性之鉬系沉澱物包括Fe2M〇及Fe3Mo。 代表性之Ti系沉澱物包括Nii6Ti6Si7(G相）及Ni3Ti。這 些沉澱物之存在，可以藉由以例如電子顯微鏡為之的顯 微觀察加以判定。 本發明之第二方面，在提供根據第一方面之超高強 度準安定沃斯田鐵不銹鋼材料，其中進而包括至少一種 的不超過0.5質量％之釩及不超過〇5質量％之鈮。易 言之’本發明之第二方面係在提供一種超高強度準安定 沃斯田鐵不銹鋼，其化學組成包括，以質量％計，不超 過〇· 15%之碳，超過1 〇至6.0%之矽，不超過5.0%之 猛’ 4.0至1 〇·〇〇/〇之鎳，12 〇至18 〇%之鉻，不超過3.5% 之銅，不超過5.0%之鉬，不超過0.02%之氮，0.1至0.5% 之鈇’至少一種的不超過〇5 %之釩及不超過〇5 %之鈮， 其餘係鐵以及無可避免之雜質，滿足矽+鉬-3.5%，其 定義於式（1)之Md(N)值在於20至140，冷加工後顯現 含50至95vol%麻田散鐵相之多相織構，其餘實質上為 沃斯田鐵相，並在麻田散鐵相中分布有鉬系沉澱物以及 鈦系沉澱物。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公嫠） 5 311913 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
573024 A7 五、發明說明（ 本發明之第三方面，在提供根據第一或第二方面之 鋼鐵材料’其中鋼含量係在1·0至3.0質量％而鉬含量 係在1·0至4.5質量％。 本^明之第四方面，在提供根據第一至第三方面之 任方面的鋼鐵材料，其中該鋼鐵材料係抗拉強度不低 於22〇ON/mm2之薄板鋼或鋼絲。 - 本發明之第五方面，係在提供製造具有抗拉強度不 低於2200NW之超高強度準安定沃斯田鐵不錄鋼材 料之方法，包括對具有如本發明之第—方㈣化學組< 之鋼材作固溶處理之步驟，對該固溶處理後之鋼材作冷 加工以使該鋼材之金屬織構具有5〇至95ν〇ι%之麻田散 鐵相之冷加工步驟，以及於溫度範圍300至600。(；以0.5 至300分鐘對該冷加工後之鋼材作老化之步驟。上述 至95V〇1%之麻田散鐵相」主要包括藉由該冷加工而新 近產生之應變誘生麻田散鐵相，但亦包括任何該固溶處 理後即已存在之冷卻誘生麻田散鐵相。麻田散鐵相以外 之部份實質上均係沃斯田鐵相。 本發明之第六方面，係在將第五方面之方法應用於 進而包括至少一種之不超過0 5質量％之釩及不超過〇 5 質量％之銳，亦即，且右如筮一+^ 百如第一方面的化學組成之鋼鐵 材料。 本發明之第七方面，係在將根據第五或第六方面之 方法應用於銅含量在1.0至3 0質量％並且銦含量在i 〇 至4.5質量％之鋼鐵材料。 各紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格_(21〇 X 297公爱Γ 311913 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _ 4 --------訂---------線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6 A7 573024 ——--— R7 _ 五、發明說明（7 ) ^ " 本發明之第八方面，係在提供根據第五至第七方面 之任一方面的方法，其中該施行老化之鋼鐵材料具有包 含50至95vol%之麻田散鐵相的金屬織構，該麻田散鐵 相係藉由固溶處理步驟之施行而製得，該固溶步驟係為 獲致包括沃斯田鐵單-相之織構，或主要包括沃斯田鐵 相而僅含有不超過3〇v〇l%的冷卻誘生麻田散鐵相之織 構，然後進行該鋼鐵材料之冷加工以產生應變誘生麻田 散鐵相。 本發明之第九方面，係在提供根據第五方面至第八 方面之任一方面的方法，其中該老化係以批式進行ι〇 至300分鐘。 [圖式之簡單說明] 第1圖示鈇含量對經過於525t以60分鐘作老化 之鋼鐵材料的抗拉強度之影響。 第2圖示鈇含量對經過於525〇c以6〇分鐘作老化 之鋼鐵材料的疲勞極限之影響。 第3圖示老化溫度對經過老化之本發明的鋼鐵材料 以及比較例之鋼鐵材料的抗拉強度之影響。 [發明之較佳實施例] 作為實施具有抗拉強度不低於22〇〇N/inm2之超高 強度準安定沃斯田鐵不銹鋼材料之條件，本發明以嚴格 限制成份範圍係定義一種特定鋼材之化學組成。此外， 該鋼鐵材料金屬織構係以在老化之前已予優選者為佳。 _ 以下說明本發明之牿糌〇 本，·氏張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 311913 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) W— — — — III ·1111111» I · 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 7 573024
五、發明說明（8 ) C(碳）係一種沃斯田鐵力成元f，其對抑制高溫下 產生之δ鐵素體相’以及對藉由冷加工所誘生之麻田散 鐵相的固溶硬化之促進均極有效。然而，當碳含量過高 時，在老化中容易產生鉻碳化物之粗粒而導致抗晶界腐 蝕性之劣化。再者，由於本發明之鋼鐵材料含有鈦，故 也會形成大量鈦碳化物而導致該鋼鐵材料的疲勞特性之 劣化。為免除上述缺點，本發明中碳含量係限制於不超 過0.15質量％。
Si(矽）通常係用於加工硬化不銹鋼等以達脫氧之目 的，其含量不超過1·〇質量％，如見於SUS3〇1以及 SUS304。然而，在本發明中，係採用高於上述之si含 篁，以達到明顯的促進冷加工當中之應變誘生麻田散鐵 相的產生之效果。矽也有助於藉由應變誘生麻田散鐵相 之硬化而提升老化後之強度，以及藉由其進入固溶體而 使沃斯田鐵相硬化。並且，由於在老化中與銅之交互作 用，亦可提升老化之硬化效果。為獲致上述矽效應之充 分長處，矽含量須超過1·〇質量％。然而，當該含量超 過6.0質量％時，即使控制冷卻溫度，在捲料間銲接當 中容易誘發高溫斷裂。此可導致種種製程問題。因此， 矽含量係規範於超過丨.0至6 〇質量％，較佳者係超過 1.0至4.0質量％。 Μη(錳）係控制沃斯田鐵相的安定性之一元素。由 於當Μη含量高時，在冷加工當中難以誘生麻田散鐵 _相’故其含量係規範為不超過5.0質量％。考量與其它 h張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格⑽χ297公爱） 8 請 訂 311913 573024 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 " "—--—------—^ 五、發明說明（1 2 ) 元素之平衡，其實際含量係規範於此一範圍··錳含量之 下限以0.2質量％為佳，❿其上限以25質量％為佳。 Νι(鎳）係於高溫及室溫獲致沃斯田鐵相所必需之一 元素。本發明中，對於獲致由沃斯田鐵相單一相構成， 或主要由沃斯田鐵相構成並含有不超過3〇ν〇ι%冷加工 誘生麻田散鐵相之後製固溶處理質地，必須特加注意。 當鎳含量低於4·0質量％時，如此之質地難以獲得，此 乃由於在高溫下有大量之δ鐵素體相產生，並且，在從 固溶處理溫度冷卻至室溫當中麻田散鐵相極易產生之 故。另一方面，當鎳含量超過1〇〇質量％時，麻田散 鐵相也難以由冷加工誘生。因此，鎳含量係規範於4 〇 至10.0質量％。鎳含量之下限係以5〇質量％為佳，而 其上限係以8.5質量％為佳。
Cr(鉻）係確保抗腐蝕性所必需之一元素。基於本發 明之鋼鐵材料的用途，鉻含量必須不低於1 2 · 〇質量％。 然而’由於鉻係一鐵素體形成元素，故當其含量高時在 高溫下δ鐵素體相極易產生。為抵消此一效應必須添加 沃斯田鐵相形成元素（碳，氮，鎳，錳，銅等），但當這 些元素添加過量時，沃斯田鐵相受到安定化，而難以藉 由冷加工誘生足夠之麻田散鐵相。因此，鉻含量上限係 設定為18.0質量％。鉻含量係以在丨2.〇至16.5質量％ 為佳。
Cu(銅）在老化當中，由於與矽之交互作用，具有顯 著的硬化效果。然而，過剩的Cu之存在會降低熱加工 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） 2 311913 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 X 消 費 合 作 社 印 製 10 573024
五、發明說明（H) 性而成為鋼鐵材料斷裂之一個原因。因此，銅含量係規 範為不超過3·5質量％。鋼含量之下限以1〇質量％為 佳，而上限以3·〇質量％為佳。更佳者之銅含量係超過 1.0至3.0質量％。 M〇(ia )可&升抗腐餘性，並於老化當中顯現將碳 化物及/或氮化物微細分散之效果。本發明利用高老化 溫度以將過大而會有害於疲勞特性之軋製應變予以降 低。然而，從強度之觀點而言，在高溫老化當中，應變 過早釋出亦有缺點。鉬元素對抑制高溫老化當中的急遽 應變釋出具有南度效果。鉬亦於老化當中形成沉殿物 (FezMo，FegMo等）。這些鉬系沉澱物係產生成即使老 化係在相當高之溫度下進行時亦能有效增進強度之形 態。因此，高溫老化所引起之強度降低，可以藉由鉬之 添加而防止。然而當鉬含量太高時，在高溫下δ鐵素體 相極易產生，故鉬含量係規範為不超過5.〇質量〇/〇。為 獲取銦之上述效應的充分效益，鉬含量以確保不低於1:〇 質量/〇為佳。然而，以熱加工性為主要考量時，含 量之上限應以設定在4.5質量％為佳，因為當M〇含量 大時’在高溫下其變形抵抗亦大。因此，Mo含量之下 限係以0· 1質量％為佳’而其上限係以4 5質量％為佳。 N(氮）係一沃斯田鐵形成元素，並已知係一對沃斯 田鐵相及麻田散鐵相之硬化有效的元素。因此，確實添 加氮一般認為有益於獲致不銹鋼材料之高強度。然而， 在本發明中卻發現’由於採用下述之鈦的添加，氣之添 311913 (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁)
經 濟 部 智 慧 財 產 局 消 費 合 作 社 印 製 11 573024
五、發明說明（11 ) 加導致難以獲致優異的疲勞特性。尤係，當氮含量高時， 會有大量的ΤιΝ金屬間夾雜物之形成，導致疲勞特性 變差。根據種種研究的結果，本發明既主張鈦之添加， 基於獲取超高強度鋼鐵材料之理想疲勞特性的觀點而發 現，係以不添加氮反而將氮含量維持於不超過〇 〇2質 量％之低水準為佳。甚且，已可確認即使氮含量降低至 不超過0·02質量％時，亦能製得抗拉強度在22〇〇N/mm2 之程度的超兩強度鋼鐵材料。因此，本發明將氮含量規 範為不超過0.02質量％。 Τι(鈦）係本發明之重要添加元素。鈦係已知由於形 成老化沉澱物而利於增進不銹鋼材料之強度。然而，除 添加大量Co之麻田散鐵時效不銹鋼之外，尚未有利用 鈦沉澱硬化使任何不銹鋼材料（亦即，含有一般組成元 素之不銹鋼材料）能達2200N/mm2之超高強度的報告。 此應與鈦的添加之極度困難有關，最顯見者有（1)不論 僅藉由利用鈦沉澱硬化，或併用鉬沉澱硬化，要藉由沃 斯田鐵織構鋼材之老化獲致高達22〇〇N/mm2程度之超 高強度，乃極端困難之事，（2)尤其是在超高強度鋼材 之開發中，可信度特別重要之故，在顧慮到鈦的添加對 疲勞特性之劣化及其它不良影響，要採用有鈦之添加的 組成設計亦屬困難。 本發明對困難（1)之克服，係藉由採用強化機制之 綜合性組合，其中除有效利用碳等之固溶硬化，及藉由 冷加工之加工硬化之外，亦利用藉由鉬及鈦之沉殿硬 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 311913 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
573024 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一 —_____B7_ 五、發明說明（12 ) 化。其對困難（2)之克服，則係藉由氮之減量以及嚴格 規範鈦含量於0 _ 1至0 · 5質量％。同時也發現，當鈥含 量低於0.1質量％時2200N/mm2程度之超高強度是無法 達到的，此乃由於在該含量水準，鈦之硬化效果無法充 分利用。另一方面，當鈦含量超越〇.5質量％，則疲勞 特性遽降’即使如上述之減降氮含量亦無法避免。因此， 在本發明中，鈦含量係設定在〇· 1至0 5質量％。 V(銃）在馬溫下形成碳化物。這些碳化物之沉澱硬 化作用’以及飢本身之固溶硬化作用都能增進鋼材強 度。當飢之含量超過0.5質量％時，鋼鐵材料之韌性卻 反而受害。因此，當添加釩時，其含量不得超過〇5 量％。 、 Nb(鈮），有如釩，亦在高溫形成碳化物。這些碳化 物之沉澱硬化作用，以及鈮本身之固溶硬化作用均可增 進鋼材之硬度。然而，當鈮含量超過〇5質量％時，鋼 材之勃性受害。因此，當添加銳時，其含量須不超過〇5 質量％ 〇 本發明中，翻系沉澱物係藉由老化形成。當添加石夕 而增加這些沉澱物之形成位址的數目時，銷系沉澱物之 大小即依比例細小化。為確保該翻系沉殿物足夠細小均 句，必須將石夕+翻之總量控制在不少於35質量％。在 此-含量水準，鉬系沉澱物可顯著增進強度。 本發明中，藉由冷加 1脉田散鐵的誘生轉變 用’可以有效使得抗把絲择、去 … _于彳几拉強度達到22〇〇N/mm2或以卜， u氏張尺度_中關家標準(^X4規格 ----二上 12 311913 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) Μ ------—訂--I I I I I I -線 573024 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（) 並確保其可信度’且係非常有利於在老化之前獲致外 至95vol%之麻田散鐵總量。 百先’作為其條件之-者，係在固溶處理之後大 份織構須由沃斯田鐵相構成。本案之發明人等經研究發 現：在固溶處理之後的織構最為理想者，應係「沃斯田 鐵單相」或者係「主要為沃斯田鐵相而冷卻誘生之 麻田散鐵相含量不超過3〇v〇l%者」。 第一，具有能產生加工誘生麻田散鐵相而使麻田散 鐵總量僅藉由室溫下之冷加卫’而不需極端手段即可達 50至95vol%之化學組成，對鋼鐵材料而言係極為有 效的。例如，在冷軋之情況下，較佳者係能於溫和（容 易施行）之軋製減速比，例如2〇至6〇%，即可獲致上述 之麻田散鐵量，而不須作特殊之強力加工或溫度控制。 此時，僅藉由少許加工之驟然誘生的麻田散鐵，將不可 能獲致充分的加工（充分程度之軋製減速），利用加工硬 化4強度也無法以增進效果。因此，也就無法達到超高 強度。 為滿足這些要求，合金設計必須嚴格規範沃斯田鐵 相對於加工之安定性。在本發明中，係採用由下式（1) 所定義之Md(N)值作為該安定性之指標： Md(N)=5 80_520C_2Si-16Mn-16Cr-23Ni,3 00N-26Cu-10Μ〇···(1)， 其中C，Si，…，Mo代表碳含量，碎含量，…， 鉬含量（各以質量％表示）。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 13 311913 f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Μ 訂---------線一 573024 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 14 A7 五、發明說明（Μ 在一 Md(N)值低於2〇之鋼鐵材料中，由於沃斯田 鐵相對於冷加工安定，而無法形成足夠的有助於超高強 度之麻田散鐵相。在一 Md(N)值大於14〇之鋼鐵材料 中，在相對較低的冷軋減速比之下，其質地已幾乎完全 成為麻田散鐵單一相。此即引起對冷軋加工當中的韌性 劣化考量，同時亦由於冷加工不足而難以達到超高強 度。因此，在本發明中，Md(N)之值係落入2〇至14〇 之範圍。較佳之Md(N)值之下限為60，較佳之上限值 為 135 〇 具有如上述之化學組成的鋼材，經熱軋加工，必要 時再經冷軋加工，然後以固溶處理獲致準安定沃斯田鐵 單一相，或主要係由準安定沃斯田鐵但也包含一些冷卻 誘生麻田散鐵相所構成之質地。此時，由於上述化學組 成之控制，冷卻誘生麻田散鐵相之量係少於大約 30vol% 〇 在本發明中，固溶處理後之鋼鐵材料由於冷加工而 導入加工應變。此時，大部份的麻田散鐵相已轉變成麻 田散鐵。為於老化後獲致不低於22〇〇N/mm2之抗拉強 度，此時使該鋼鐵材料内之麻田散鐵含量不少於 50vol%(以大於50vol%為佳）是極為有效的。如此，則 老化當中有效助益硬化之沉澱物成核心形成位置之數目 知以增加至足夠之水準。然而，為確保鋼鐵材料之韌性， 織構須不以100%係麻田散鐵佳。較佳之結構係「多相 質地」而麻田散鐵總量在50至95vol% 〇其餘實質上為 ^紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公楚)------— 311913 (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) ----— II 訂---I!--線· 573024 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（IS , 沃斯田鐵相。藉由冷加工率之控制，其Md(N)值已調整 為上述適當範圍之鋼鐵材料即可相對容易地導入如此之 多相質地中。 冷加工係利用一般之冷軋加工。但是，根據鋼鐵材 料之目的用途，冷軋後之鋼鐵材料可以進而施以其它類 型之冷加工，例如旋壓加工。或者也可以一開始，亦即 緊隨固’谷處理之後’即施以冷軋以外之冷加工。生產鋼 絲或焊棒時，該鋼鐵材料一般係施以拉絲處理。在各種 情況下，為達2200N/mm2級之超高強度鋼鐵材料，在 可以開始作老化之前，於該鋼鐵材料内具有50至95vol% 之麻田散鐵係極具優勢的。 在老化之步驟中，該冷加工後含有大量麻田散鐵相 鋼鐵材料以300至600 °C之溫度範圍作0.5至300分鐘 的均熱期間之加熱處理。藉由將老化溫度設定在300。〇 或以上’沉殿硬化得以充分落實，而所欲之超高強度即 可達到。並且，由於過度加工應變之去除，也可以獲致 高度韌性。然而，若當加熱處理係在高於6〇〇。(：之溫度 施行’則該應變誘生之麻田散鐵可經回復/再結晶或部 份逆轉變成沃斯田鐵相，導致鋼鐵材料之弱化。若均熱 期間短於0.5分鐘，則適當的時效硬化是無法預期的。 超過300分鐘之冗長加熱處理由於過度老化導致軟化， 並由於碳化物在晶界之沉殿導致抗腐姓性之劣化。 本發明之一特徵係其老化步驟之均熱期間可以選在 〇·5至300分鐘之寬廣範圍下進行實施。如此，即可以 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格<210 X 297公釐 15 311913 I 1 ϋ I ϋ ϋ 一 0，· n ϋ ϋ i^i ϋ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 着. •線丨丨丨丨·
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 573024 五、發明說明（l6 ) 藉由使冷軋處理後之鋼帶連續通過加熱爐，而製得超言 強度鋼帶；也可以將加卫成預設之組件後之鋼鐵材料二 以批式老⑶在進行抵式加工之操作位置，通常係難以 將均熱期間控制在如數分鐘之短時間内。因此，採用抵 式老化時，均熱期間係以在1〇i 3〇〇分鐘為佳。 藉由上述之化學組成控制，固溶處理，冷卻加工以 及老化，即可獲致本發明的鋼鐵材料之特徵，亦即，「顯 現冷加工後之多相質地，包括5〇至95v〇1%的麻田散鐵 相’其餘實質上係沃斯田鐵相，而麻田散鐵相之内分布 有Fe2Mo ’ Fe3Mo及其它鉬系沉殿物，以及NibT^Si7， NhTi及其匕鈦系沉澱物織構」。該準安定沃斯田鐵不銹 鋼材料可以達到2200N/mm2程度之高強度。 加工例 表1示測試樣料之化學組成以及Md(N)值。表中標 呑己為T1至T8之化學組成落入本發明所限定之範圍（發 明鋼材），標記為N1至N7者則落在本發明範圍之外（比 較鋼材）。 本紙張尺度適用中_家標準（CNS)A4規格⑵G χ 297公爱） 311913 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
16 A7 573024 B7 五、發明說明（17 ) 表1 (質重％)
No. C Si wmmammmmmmrn Mn ~ Cr Cu mrntmmmmmm Mo N Τι Nb V Md(N) τΓ 0.073 2.45 0.28 736 15,67 1.43 2J3 0·011 021 0·02 0.03 50 1 Τ2 0.080 2.98 0.69 Γλ89 13.21 1.65 3.86 0.014 038 0.02 0.02 43 τΓ 0.062 Λ56 12-26 \6S6 13.68 168 2.63 0.018 0.23 0.01 0.01 28 ........ Τ4 1.23 L99 0.009 0,13 0.03 0.02 54 0.60 165 0.015 0.44 0.21 0·43 50 ......... Τ6 0.092 2.56 0.56 5.84 13.62 1.98 1.65 0.008 0.26 0.14 0.22 95 τΓ 0,125 3^6 1.89 6.53 1356 0.56 0.03 0.016 0.22 0.29 0·01 91 TS 0.105 1.23 0-56 4.98 12*56 1.36 2.98 0.012 130 N1 0.052 1.63 132 7.23 15.62 L22 2.66 0.012 50 ，丨 1 1 N2 0.075 2.53 056 8.33 1436 0.89 1.59 0.015 0.591 0.15 0.05 62 νΓ 0.075 2.39 030 8.20 13-40 1.20 1·69 丨 0.036 036 0·02| 0.23 70 W 0.067 T781 1.44 7.83 16.24 0·70 1.20' 0-015 44 liT 0.087 2.80 230 7.84 14.26 1.89 2.25 0.018 7 - , Β·ι N6 0.096 2.26 0.08 6.98 15^3 103 1.56 0Ό13 0.18 0.65 0.04 48 0.078 1.46 0.03 5.67 15.65 2.12 2.12 0·011 0.07 0.05 0.03 76 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) T1-T8 :本發明之鋼鐵材料 N1-N7 :比較例之鋼鐵材料 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 所有鋼鐵材料均於真空熔爐製作，經鍛造，熱軋， 軋製道次間退火，冷軋，再經包括維持於1050°C 1分鐘 及水冷卻之固溶處理，並以各種減速比率作冷軋加工而 製得1.2至0.8mm厚之冷軋薄板。該冷軋薄板再經525 °C之老化60分鐘。表2示各試料之冷軋減速比，冷軋 薄板之麻田散鐵含量以及抗拉強度，以及由老化後之薄 板的疲勞測試所測得之抗拉強度及疲勞極限。抗拉測試 係利用JIS Z 2201的13B號試料依JIS Z 2241之方法 施行。疲勞測試係依JIS Z 2273，於1 800rpm(極小/極 大應力比R=-l)之頻率，利用交變彎曲疲勞測試法進 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 17 311913 573024 7 A7 _B7__ 五、發明說明（18 ) 行。疲勞極限係定義為，在lx 1〇7個周期之後無斷裂 發生時之表面極大彎曲應變應力值。 表2 No. 軋製鋼鐵材料 老化鋼鐵材料 (525°Cx 60 分鐘） 冷軋減速 比（％) 麻田散鐵 含量(％) 抗拉強度 (N/mm2) 抗拉強度 (N/mm2) 疲勞極限 (N/mm2) T1 60 56 1709 2289 876 T2 65 64 1723 2343 924 T3 65 46 1650 2224 843 T4 60 54 1679 2234 824 T5 60 55 1703 2456 978 T6 50 75 1756 2267 850 T7 55 88 1823 2423 1002 T8 40 92 1843 2321 921 N1 60 54 1621 2070 687 N2 65 69 1756 2545 541 N3 60 72 1823 2352 519 N4 60 51 1723 2134 698 N5 70 52 1728 2023 654 N6 60 54 1829 2432 620 N7 60 62 1876 2188 680 T1-T8 :本發明之鋼鐵材料 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -------訂---------線丨· N1-N7 :比較例之鋼鐵材料 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 由表2可知，製成老化鋼材之鈦含量低於0.1質量 %之N1及N7，矽+鉬含量低於3.5質量％之N4，以及 Md(N)值低於50之鋼鐵材料N5,均無法獲致2200N/mm2 或以上之抗拉強度。而鈦含量超過0.5質量％之鋼鐵材 料N2，以及氮含量超出0.02質量％之鋼鐵材料N3，疲 勞特性均屬不良。由於鈮系沉澱物之過度沉澱，含超過 0.5質量％而鈮含量過高之鋼鐵材料N6，則疲勞特性劣 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 18 311913 573024 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 19 A7 ----------Β7 ___ 五、發明說明（19 ) 化。反之，本發明之鋼鐵材料Τ1至Τ8在經老化後， 均能達到不低於22〇〇N/mm2之抗拉強度，並具有優異 疲勞特性。 第1圖中，係將525。(：以60分鐘作老化後之表J 内的鋼鐵材料Tl，T2，T4 , T5，N1以及N2之抗拉強 度，對其鈦含量作圖。由圖可知，當鈦含量不低於〇」 質量°/〇時，可製得抗拉強度不低於22〇〇N/mm2之超高強 度鋼鐵材料。 第2圖中’係將表1内的鋼鐵材料τι，T2 , T4， T5及N2以525°C60分鐘作老化後之疲勞極限，對其 鈦含量作圖。由圖可知，當鈦含量超越〇5質量％時， 疲勞極限急遽下降。 表1内之鋼鐵材料T5以及N1均於不同溫度以3〇 分鐘之均熱期間作老化之後再測試抗拉強度。結果如第 3圖所示。由圖可知，本發明之鋼鐵材料T5在3〇〇至 600°C之範圍内可以達到不低於22〇〇N/inm2之抗拉強 度。 相較於18鎳麻田散鐵時效鋼之抗拉強度，本發明 係使準安定沃斯田鐵不銹鋼材料可違到不低於 22 ΟΟΝ/mm2之超高強度。因而，較於習知高強度不銹鋼 材，本發明係提升強度達10%以上，可謂具有顯著技 術上之突破。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 311913 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

  1. 申％專利範圍 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 其中 21 .如申請專利範圍第！ 4 2項之準安定沃斯田鐵不錢 網材料，其中銅含量在以至3.〇質量％，而鉬含f 在1 · 〇至4.5質量％。 如申凊專利範圍第1或2項之準安定沃斯田鐵不錄 輞材料，其中該鋼鐵材料係具有不低於2200NW 抗拉強度之薄板鋼或鋼絲。 5·—種具有不低於22〇〇N/mm2抗拉強度之準安定沃斯 田鐵不銹鋼材料之製造方法，係包括： 鋼鐵材料之固溶處理步驟，該鋼鐵材料 具有以質量％計之化學組成其包含 不超過0.15%之碳， 超過1.0至6.0%之矽， 不超過5.0%之錳， 4 〇至10.0%之鎳， 12.0 至 18.0%之鉻， 不超過3.5%之銅， 不超過5.0%之鉬， 不超過0.02%之氮， 0·1至0.5%之鈦，以及 其餘之鐵和無可避免之雜質； 滿足矽+鉬^ 3.5% ;並且 具有如下式（1)所定義之Md(N)值在20至P Md(N) = 5 8(M20C-2Si-16Mn-16Cr-23Ni-3 00i> 本紙張尺度週用τ國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） 311913 I----I m i I f · I Γ I I I I Li - illlli} — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
    573024 六、申請專利範圍 26Cu-10Mo······ (1)； 上述固溶處理後的鋼鐵材料之冷加工步驟，其 目的在使該鋼鐵材料具有5〇至95v〇1%的麻田散鐵 相之金屬質地； 上述冷加工後鋼鐵材料之老化步驟，係以300 至6〇〇°C於0.5至300分鐘施行。 6·如申明專利範圍第5項之方法，其中該鋼鐵材料復 包括至少一種不超過〇 5質量％之釩及不超過〇 5質 量％之鈮。 7·如申請專利範圍第5或6項之方法，其中該鋼鐵材 料係具有1.0至3.0質量％之銅含量，及1〇至4 5 質量％之鉬含量。 8·如申請專利範圍第5“項之方法，其中，該施行 老化之鋼鐵材料係具有由50至95v〇1%之麻田散鐵 相所構成的金屬質地；而該麻田散鐵相係獲自施行 上述固溶處理步驟，而製得由沃斯田鐵單一相所構 成之質地，或主要係由沃斯田鐵相所構成且含有不 超過30vol%之冷卻誘生麻田散鐵相，然後再以冷加 工使該鋼鐵材料產生應變誘生麻田散鐵相。 9.如申請專利範圍第5或6項之方法，其中該老化+ 驟係以批式施行10至300分鐘。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 311913 1^---"、---f ------"訂 ----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 22
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