TWI415954B

TWI415954B - High strength steel and its manufacturing method

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Publication number: TWI415954B
Application number: TW99136749A
Authority: TW
Original assignee: China Steel Corp
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2013-11-21
Also published as: TW201217547A

Description

高強度鋼材及其製造方法

本發明是有關於一種鋼材及其製造方法，特別是指一種高強度鋼材及其製造方法。

現有熱軋成形用高強度鋼材通常採用碳-錳-高矽系統的合金製作，其組成為0.05wt%~0.15wt%的碳、1.00wt%~1.60wt%的錳、0.60wt%~1.00wt%的矽、無法避免的雜質，以及平衡量的鐵。其中，添加多量的矽是為了在兩階段冷卻時促進大量多角形肥粒鐵的生成，並使碳富集於未變態的沃斯田鐵上以提高其硬化能，進而在後續的冷卻過程中變態生成「變韌鐵或回火麻田散鐵」，或「麻田散鐵」，因此得到優良之「高強度與擴孔率」或「高強度、低降伏比與伸長率」組合的熱軋成形用高強度鋼材。

現有熱軋成形用高強度鋼材的問題是矽含量相當高，所以當在產製過程中的加熱溫度超過1173℃時，會導致矽酸鐵(Fayalite,Fe₂ SiO₄ )熔化入底材，導致後續的除銹製程無法有效消除軋入紅銹痕跡，而造成品相不佳的問題。

雖然，採用低於1173℃的低溫生產製程，可以有效減少紅銹痕跡的形成，但是低溫熱軋的軋延力相當高，容易將產品軋壞，另外，還有接單寬度的限制，僅適用於特定具備高軋延能力的熱軋廠生產，因此在實際應用上還有許多問題。

另外，先前技術提出將矽含量控制低於0.5wt%以下，並配合熱軋後兩階段冷卻時，第一階段的超快速冷卻(冷卻速率大於150℃/秒)及後續的空冷配合，也能製作出高強度的鋼材，並能改善紅銹的問題。但是，一般熱軋廠所使用的層流冷卻設備並無法進行冷卻速率大於150℃/秒的超快速冷卻，因此，此等技術的實用性不高。因此有業者提出以下數種改良方案：

(1)日本公開第JP 2005-082841號「熱軋鋼板及其製造方法」專利案，需要添加0.01至2%的矽，因此仍然會有軋入紅銹痕跡的問題。另外，冷卻製程並非階段冷卻，所以沒有採用空冷，非階段冷卻容易因為冷卻降溫速率過快而造成材料特性不佳。

(2)美國公告號US7381478 B2號「加工用熱軋鋼板及其製造方法」專利案，採用100℃/秒的速率進行冷卻，並且在軋延過程中是直接由Ar3變態點溫度直接降溫至350℃，降溫速率過快容易造成材料缺陷。

所以，如何改善上述缺點，並以較實際的方式製造出高強度鋼材，一直是本技術領域者持續努力的重要目標。

因此，本發明之目的，即在提供一種無紅銹痕跡的熱軋成形用高強度鋼材。

再者，本發明的另一個目的，即在提供一種無紅銹痕跡的熱軋成形用高強度鋼材的製造方法。

於是，本發明為一種高強度鋼材，其組成包含0.05wt%~0.15wt%的碳、0.50wt%~2.00wt%的錳、0.05wt% ~1.50wt%的鉻、0.02wt%~0.10wt%的磷、不大於0.30wt%的矽、0.01wt%~0.10wt%的鋁、0.0001wt%至0.01wt%鈣、不大於0.015wt%的硫、不大於0.010wt%的氮、不大於0.010wt%的鈮、不大於0.015wt%的鈦、不大於0.10wt%的鉬、不大於0.001wt%的硼、無法避免的雜質，以及平衡量的鐵；以該高強度鋼材總體積百分率100%計，該高強度鋼材的金相組織包括不小於50%的肥粒鐵，及5至50%的變韌鐵、回火麻田散鐵，而波來鐵、麻田散鐵之總體積百分率小於10%，該高強度鋼材具有65%以上的擴孔率。

再者，本發明另一種高強度鋼材，其組成包括0.05wt%至0.15wt%的碳、0.50wt%至2.00wt%的錳、0.05wt%至1.50wt%的鉻、0.02wt%至0.10wt%的磷、不大於0.30wt%的矽、0.01wt%至0.10wt%的鋁、0.0001wt%至0.01wt%鈣、不大於0.015wt%的硫、不大於0.010wt%的氮、不大於0.010wt%的鈮、不大於0.015wt%的鈦、不大於0.10wt%的鉬、不大於0.001wt%的硼、無法避免的雜質，以及平衡量的鐵；以該高強度鋼材總體積百分率100%計，該高強度鋼材的金相組織包含體積百分率不小於50%的肥粒鐵，以及5至50%的麻田散鐵，而變韌鐵、回火麻田散鐵、波來鐵之總體積百分率小於15%，該高強度鋼材具有0.7以下的降伏比。

另外，本發明為一種高強度鋼材的製造方法，包含一準備步驟、一熱軋步驟，以及一冷卻步驟。

該準備步驟是用以產製一鋼胚，該鋼胚組成包括 0.05wt%~0.15wt%的碳、0.50wt%~2.00wt%的錳、0.05wt%~1.50wt%的鉻、0.02wt%~0.10wt%的磷、不大於0.30wt%的矽、0.01wt%~0.10wt%的鋁、0.0001wt%至0.01wt%鈣、不大於0.015wt%的硫、不大於0.010wt%的氮、不大於0.010wt%的鈮、不大於0.015wt%的鈦、不大於0.10wt%的鉬、不大於0.001wt%的硼、無法避免的雜質，以及平衡量的鐵。

該熱軋步驟是以該組成之鋼胚進行加熱、粗軋後得到一板胚，以高於該鋼材組成之肥粒鐵變態開始溫度(Ar3溫度)對該板胚進行熱軋精軋，精軋完軋溫度介於Ar3~Ar3+150℃。

該冷卻步驟是在該熱軋步驟結束後4秒內，將該鋼材以不低於50℃/秒的冷卻速率冷卻至600℃~760℃後，空冷2~15秒，接著再以不低於50℃/秒的冷卻速率冷卻至300~550℃(或400℃以下)，得到該高強度鋼材。

本發明的功效在於：提出添加適量的鉻與錳以提高鋼材硬化能，並藉由磷促進肥粒鐵形成以降低矽含量的組成成分，並配合在高於肥粒鐵變態開始溫度以上的溫度進行熱軋，與一般的冷卻速率，而產製出高擴孔型高強度鋼材或低降伏比型高強度鋼材，並同時解決因矽含量過高而產生紅銹痕跡出現的問題。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之數個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，為本發明一種高強度鋼材的製造方法之第一較佳實施例，依序包含一準備步驟2、一熱軋步驟3，以及一冷卻步驟4，以產製熱軋成型的高強度鋼材。

先以該準備步驟2產製一鋼胚，該鋼胚組成包括0.05wt%~0.15wt%的碳、0.50wt%~2.00wt%的錳、0.05wt%~1.50wt%的鉻、0.02wt%~0.10wt%的磷、不大於0.30wt%的矽、0.01wt%~0.10wt%的鋁、0.0001wt%至0.01wt%鈣、不大於0.015wt%的硫、不大於0.010wt%的氮、不大於0.010wt%的鈮、不大於0.015wt%的鈦、不大於0.10wt%的鉬、不大於0.001wt%的硼、無法避免的雜質，以及平衡量的鐵。

再進行該熱軋步驟3，以該組成之鋼胚進行加熱、粗軋後得到一板胚，以高於該鋼材組成之肥粒鐵變態開始溫度對該準備步驟2所產製的該板胚進行熱軋精軋；在本第一較佳實施例中，是以Ar3(或高於Ar3的溫度)進行熱軋，精軋完軋溫度介於Ar3~Ar3+150℃。

接著進行該冷卻步驟4，該冷卻步驟4須在該熱軋步驟3結束後4秒內進行，而將該鋼材以不低於50℃/秒的冷卻速率冷卻至600℃~760℃，並在600℃~760℃的溫度下空冷持溫2~15秒，接著再以不低於50℃/秒的冷卻速率冷卻至300~550℃，即得到該高擴孔型高強度鋼材。

製得的該高強度鋼材組成成份與該準備步驟產製的該鋼材相同，在此不再重複贅述；而其金相組織包括體積百分率不小於50%的肥粒鐵，及平衡的第二相，其中，該第二相以變韌鐵、回火麻田散鐵為主(約佔5至50%)，以及體積百分率不大於10%的波來鐵及麻田散鐵。

參閱圖2，為本發明高強度鋼材的製造方法的第二較佳實施例，大致類似於該第一較佳實施例，不同的地方在於：在該冷卻步驟4’中，是在600~760℃空冷持溫2~15秒後，接著以不低於50℃/秒的冷卻速率將該鋼材冷卻至不高於400℃，而製得該低降伏比型高強度鋼材。

以本第二較佳實施例所製成的高強度鋼材，其組成成分同樣地與該準備步驟產製的該鋼材相同，在此不再重複贅述；特別地是，金相組織包含體積百分率不小於50%的肥粒鐵，以及平衡的第二相，其中，該第二相以麻田散鐵為主(約佔5至50%)，而變韌鐵、回火麻田散鐵、波來鐵之總體積百分率不大於15%。

以下針對化學成份的限制理由進行說明：碳(C)：0.05~0.15%，碳是可以強化生成變韌鐵、麻田散鐵之重要元素，為充分提升強度，最低含量為0.05%，但添加若超過0.15%，則會生成過量之變韌鐵及麻田散鐵，導致延展性、擴孔性降低，故需控制在0.15%以下。

錳(Mn)：0.50wt%~2.00wt%，在熱軋冷卻過程中，錳可抑制波來鐵生成，若添加不足，低於0.5wt%，強度無法符合需求，且在冷卻過程中易生成波來鐵，導致降伏比提高，若添加超過2.00wt%，沃斯田鐵將過於安定，抑制肥粒鐵生成，延伸性不佳。

鉻(Cr)：0.05wt%~1.50wt%，為在冷卻過程中抑制生成波來鐵之元素，含量低於0.05wt%易強度不足並易生成波來鐵導致降伏比上昇，含量超過1.5wt%會抑制肥粒鐵生成致伸長率不足。

磷(P)：0.02wt%~0.10wt%，磷可促進肥粒鐵生成，降低降伏比，需控制在0.02wt%以上，但若超過0.10wt%，易導致延伸率不足。

矽(Si)：0.30%以下，為避免表面軋入紅銹缺陷，造成表面品質劣化，上限應設定0.30以下。

鋁(Al)：0.01wt%~0.10wt%，為充分脫氧，在煉鋼步驟中，鋁需添加0.01wt%以上，但大量添加將會導致成本提高，故控制在0.10wt%以下。

鈣(Ca)：0.0001wt%至0.01wt%，硫化物易導致延韌性劣化，鈣可將硫化物的型態予以改變，減輕硫化物之危害。可依延韌性之實際需求酌予添加鈣，以0.0001wt%以上為佳，但大量添加效果飽和，亦會導致鋼料清淨度不佳，故控制在0.01wt%以下。

硫(S)：0.015wt%以下，硫為鋼中雜質，降低產品成形性與銲接性，需控制在0.015wt%以下。

氮(N)：0.010wt%以下，氮為鋼中雜質，造成產品成形性劣化，需控制在0.010wt%以下。

鈮(Nb)、鈦(Ti)、鉬(Mo)、硼(B)：額外添加會明顯增加強度，但是需加以分別限制在0.010%以下、0.015%以下、0.10%以下、0.001%以下。

以下針對微組織的限制理由進行說明：為展現優異延展性，使鋼料易於成形，微組織結構中，多角型肥粒鐵體積率須達50%以上。

為使鋼料達到優良的「高強度與擴孔率」之性質組合，第二相之特性組織以「變韌鐵」或「回火麻田散鐵」為主5~50%間，「波來鐵」、「麻田散鐵」之總體積百分率不大於10%；為使鋼料達到優良的「高強度、低降伏比與伸長率」之性質組合，第二相之特性組織以「麻田散鐵」為主5~50%間，「變韌鐵」、「回火麻田散鐵」、「波來鐵」之總體積百分率不大於15%。

以下針對製程參數的限制理由進行說明：以該組成之鋼胚進行加熱、粗軋後得到一板胚，以高於該鋼材組成之肥粒鐵變態開始溫度(Ar3)對該板胚進行熱軋精軋，精軋完軋溫度介於Ar3~Ar3+150℃。如果熱軋精軋溫度低於Ar3變態溫度，則容易生成肥粒鐵組織，並發生混晶現象，而且非變韌鐵、回火麻田散鐵或麻田散鐵的碳化物於高溫析出，導致變韌鐵、回火麻田散鐵或麻田散鐵量大幅減少而造成強度降低，且低溫軋延組織成形性也不佳。如果熱軋精軋完軋溫度高於Ar3+150℃，則金相組織粗大，且第二相明顯增加，導致強度提高、伸長率降低。而第一階段冷卻後以600~760℃的溫度進行空冷，因為溫度太高時生成肥粒鐵的驅動力不足；溫度太低時擴散不易，也不容易生成肥粒鐵，而且如果溫度過於偏低還會生成大量變韌鐵、長條或針狀肥粒鐵，而非等軸組織。

另外，空冷時間太短時，生成肥粒鐵量不足；時間太長時易生成波來鐵，導致強度不足，因此第一階段冷卻後，是在600~760℃下保持2~15秒進行空冷。至於第二階段冷卻則是接續空冷之後，並將該鋼材冷卻到300~550℃或400℃以下並進行捲取。如果期望生成「肥粒鐵+變韌鐵或回火麻田散鐵」組織鋼種時，第二階段冷卻需至300~550℃，溫度偏高時容易生成波來鐵而使得強度不足、擴孔性劣化；溫度太低時則易生成「肥粒鐵+麻田散鐵」組織而使得擴孔性劣化。當期望生成「肥粒鐵+麻田散鐵」組織時，第二階段冷卻需至400℃以下，溫度偏高時易生成變韌鐵或回火麻田散鐵而導致強度不足以及降伏比提高。

藉由以上的參數限制理由所採用的化學成份與製程參數能夠產製出預定金相組織的高強度熱軋成型的高強度鋼材。本發明高強度鋼材的金相組織除了主要為肥粒鐵之外，第二相隨著冷卻步驟的冷卻過程而有變化。

參閱表1，各種不同合金組成與製程步驟的三個比較例(分別為比較例1、2、3)與十個實驗例(實驗例1~10)的實驗結果整理。由表1的結果可知，本發明的十個實驗例皆無軋入紅銹產生的問題，因此，本發明確實可藉由降低矽含量並配合其他組成的調整，有效改善紅銹痕跡的問題。

參閱表2，為比較例與實驗例進行機械性質量測的結果，由此可知本發明的高強度鋼材確實具備所需的機械性質(高擴孔率或低降伏比)。

由以上說明可知，本發明由於降低矽含量，而不會有產生紅銹痕跡的問題，並藉由該鋼材組成成份、熱軋步驟2與冷卻步驟4、4’相配合，以製造出具有優良機械性質的高強度鋼材。另外，本發明高強度鋼材的製造方法藉由該鋼材組成的設計，得以在該冷卻步驟4、4’時只使用一般熱軋場現有的層流冷卻設備就能完成冷卻並得到預定的金相組織，因此無需額外添購超快速冷卻設備，故確實能達成本發明之目的。

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內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內。

2‧‧‧準備步驟

3‧‧‧熱軋步驟

4、4’‧‧‧冷卻步驟

圖1是一流程圖，說明本發明高強度鋼材的製造方法的第一較佳實施例；以及圖2是一流程圖，說明本發明高強度鋼材的製造方法的第二較佳實施例。

2‧‧‧準備步驟

3‧‧‧熱軋步驟

4‧‧‧冷卻步驟

Claims

一種高強度鋼材，包含：以該高強度鋼材總重量百分率100wt%計，該高強度鋼材組成包括0.05wt%至0.15wt%的碳、0.50wt%至2.00wt%的錳、0.05wt%至1.50wt%的鉻、0.02wt%至0.10wt%的磷、不大於0.30wt%的矽、0.01wt%至0.10wt%的鋁、0.0001wt%至0.01wt%鈣、不大於0.015wt%的硫、不大於0.010wt%的氮、不大於0.010wt%的鈮、不大於0.015wt%的鈦、不大於0.10wt%的鉬、不大於0.001wt%的硼、無法避免的雜質，以及平衡量的鐵；以該高強度鋼材總體積百分率100%計，該高強度鋼材的金相組織包括不小於50%的肥粒鐵，及5至50%的變韌鐵、回火麻田散鐵，而波來鐵、麻田散鐵之總體積百分率小於10%，該高強度鋼材具有65%以上的擴孔率。
一種高強度鋼材，包含：以該高強度鋼材總重量百分率100wt%計，該高強度鋼材組成包括0.05wt%至0.15wt%的碳、0.50wt%至2.00wt%的錳、0.05wt%至1.50wt%的鉻、0.02wt%至0.10wt%的磷、不大於0.30wt%的矽、0.01wt%至0.10wt%的鋁、0.0001wt%至0.01wt%鈣、不大於0.015wt%的硫、不大於0.010wt%的氮、不大於0.010wt%的鈮、不大於0.015wt%的鈦、不大於0.10wt%的鉬、不大於0.001wt%的硼、無法避免的雜質，以及平衡量的鐵；以該高強度鋼材總體積百分率100%計，該高強度鋼材的金相組織包含體積百分率不小於50%的肥粒鐵，以及5至50%的麻田散鐵，而變韌鐵、回火麻田散鐵、波來鐵之總體積百分率小於15%，該高強度鋼材具有0.7以下的降伏比。
一種高強度鋼材的製造方法，包含：一準備步驟，產製一鋼胚，該鋼胚組成包括0.05wt%至0.15wt%的碳、0.50wt%至2.00wt%的錳、0.05wt%至1.50wt%的鉻、0.02wt%至0.10wt%的磷、不大於0.30wt%的矽、0.01wt%至0.10wt%的鋁、0.0001wt%至0.01wt%鈣、不大於0.015wt%的硫、不大於0.010wt%的氮、不大於0.010wt%的鈮、不大於0.015wt%的鈦、不大於0.10wt%的鉬、不大於0.001wt%的硼、無法避免的雜質，及平衡量的鐵；一熱軋步驟，以該組成之鋼胚進行加熱、粗軋後得到一板胚，以高於該鋼材組成之肥粒鐵變態開始溫度對該板胚進行熱軋精軋，精軋完軋溫度介於Ar3~Ar3+150℃；以及一冷卻步驟，須在該熱軋步驟結束後4秒內進行，而將該板胚以不低於50℃/秒的冷卻速率冷卻至600℃至760℃後空冷2至15秒，接著再以不低於50℃/秒的冷卻速率冷卻至300~550℃，得到一高擴孔型高強度鋼材。
一種高強度鋼材的製造方法，包含：一準備步驟，產製一鋼胚，該鋼胚組成包括0.05wt%至0.15wt%的碳、0.50wt%至2.00wt%的錳、0.05wt%至1.50wt%的鉻、0.02wt%至0.10wt%的磷、不大於0.30wt%的矽、0.01wt%至0.10wt%的鋁、0.0001wt%至0.01wt%鈣、不大於0.015wt%的硫、不大於0.010wt%的氮、不大於0.010wt%的鈮、不大於0.015wt%的鈦、不大於0.10wt%的鉬、不大於0.001wt%的硼、無法避免的雜質，及平衡量的鐵；一熱軋步驟，以該組成之鋼胚進行加熱、粗軋後得到一板胚，以高於該鋼材組成之肥粒鐵變態開始溫度對該板胚進行熱軋精軋，精軋完軋溫度介於Ar3~Ar3+150℃；以及一冷卻步驟，須在該熱軋步驟結束後4秒內進行，而將該板胚以不低於50℃/秒的冷卻速率冷卻至600℃至760℃後空冷2至15秒，接著再以不低於50℃/秒的冷卻速率冷卻至不高於400℃，得到一低降伏比型高強度鋼材。