TWI465586B - 低降伏比鋼材及其製造方法 - Google Patents

Description

低降伏比鋼材及其製造方法

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低降伏比(yield ratio)鋼材之製造方法。

典型的雙相鋼係由軟質肥粒鐵與硬質麻田散鐵所構成。在此雙相鋼中，第一相之肥粒鐵為基地，第二相之硬質麻田散鐵散佈在肥粒鐵基地中。由於這種複合組織的鋼材兼具質軟及質硬的特性，因而可滿足新一代汽車零組件鋼材之所需，因為其除了可提供足夠安全保障外，也具有優良的加工成形特性。

一種傳統之雙相鋼材製作技術，例如日本專利公開號第2002-105589號，係藉由在鋼材中添加高矽(Si)合金，來達到固溶強化的效果。此外，此種傳統技術若再配合鈮(Nb)與鈦(Ti)合金的添加，可進一步細化鋼材中的晶粒，並可提升鋼材之延性。然而，在鋼材的成分中，矽含量過高時，容易在鋼材之表面產生紅鏽，如此一來鋼材在應用時需先對其表面進行額外處理，而造成鋼材在應用上的問題。

另一種傳統之雙相鋼材製作技術，例如日本專利公開號第2009-197282號，其藉由適度降低鋼材之矽含量，來改善鋼材之表面品質。然而，在此種技術中，當鋼材的 成分中的鈣硫比(Ca/S)較大時，容易使鋼材中所形成之介在物呈長條狀，而不利於鋼材的彎曲及擴孔加工等。

又一種傳統之雙相鋼材製作技術，係採高碳(C)合金設計，藉此提升鋼材強度。然而，在此種技術中，若忽略細化組織與晶粒之合金添加的影響，則不僅易使得鋼材的組織粗大化，鋼材中亦有相分佈不均的情形。如此一來，此鋼材進行加工處理時，易由肥粒鐵及麻田散鐵之軟硬相界面或粗大麻田散鐵晶粒內產生引裂情況，因而導致鋼材之延性與加工性不佳。

因此，本發明之一態樣就是在提供一種低降伏比鋼材之製造方法，其藉由同時控制鋼材之成分與製程條件的方式，可使鋼材在相同強度等級下，兼具有低降伏比與高擴孔性的優點。

本發明之另一態樣是在提供一種低降伏比鋼材之製造方法，其係在低碳鋼的成分中加入適量的合金元素，例如鈮、鈦與鈣等，並使矽的含量小於0.1wt%，且使鈣/硫比小於1。故，可避免鋼材之表面產生紅鏽，並兼顧鋼材之彎曲性與擴孔加工性。

本發明之又一態樣是在提供一種低降伏比鋼材之製造方法，其可將熱軋雙相鋼材組織中的肥粒鐵與麻田散鐵所占的體積百分率比值(V_F /V_M )的範圍控制在從1.2至2.3，且可使麻田散鐵的平均粒徑小於10μ m，因此鋼材具有高表面品質、抗拉強度在700MPa以上、及降伏比範圍從 0.55至0.75等優良機械性能。

根據本發明之上述目的，提出一種低降伏比鋼材之製造方法，其包含下列步驟。提供一鋼胚。此鋼胚包含碳含量0.08wt%~0.15wt%、矽含量0.1wt%以下、錳(Mn)含量1.0wt%~1.5wt%、磷(P)含量0.10wt%以下、硫含量0.05wt%以下、鉻(Cr)含量0.5wt%~1.0wt%、鈮(Nb)含量0.05wt%以下、鈦(Ti)含量0.05wt%以下、鋁(Al)含量0.01wt%~0.05wt%、鈣含量0.05wt%以下、氮(N)含量200ppm以下、以及鐵(Fe)。對此鋼胚進行一再加熱處理，其中再加熱處理之一製程溫度控制在1200℃以上。對此鋼胚進行一熱軋製程，以獲得一完軋鋼材。對完軋鋼材進行一層流冷卻處理，以將此完軋鋼材降溫至一第一溫度，其中此第一溫度從600℃至750℃。使完軋鋼材維持在第一溫度一預設時間。對完軋鋼材進行一冷卻處理，以將完軋鋼材降溫至一第二溫度，其中此第二溫度小於150℃。對完軋鋼材進行一盤捲步驟，以獲得一鋼捲。

依據本發明之一實施例，上述鋼胚之成分包含鈮、鈦與鈣中至少一種。

依據本發明之另一實施例，在上述鋼胚之成分中，鈮與鈦之總含量大於0.025wt%。

依據本發明之又一實施例，在上述鋼胚之成分中，鈣含量與硫含量之比值小於1。

依據本發明之再一實施例，上述之再加熱處理之製程溫度控制在1200℃至1350℃。

依據本發明之再一實施例，上述之熱軋製程之一完軋溫度控制在沃斯田鐵開始轉換成肥粒鐵的溫度(Ar3)以上。

依據本發明之再一實施例，上述之層流冷卻處理係以-20℃/s以上的冷卻速度進行。

依據本發明之再一實施例，上述之預設時間的範圍從3秒至15秒。

依據本發明之再一實施例，上述之冷卻處理係以-20℃/s以上的冷卻速度進行。

依據本發明之再一實施例，於盤捲步驟後，上述低降伏比鋼材之製造方法更包含對鋼捲進行一酸洗處理，以去除鋼捲之鏽皮。

依據本發明之再一實施例，上述經盤捲步驟後之完軋鋼材之組織包含肥粒鐵與麻田散鐵，且肥粒鐵與麻田散鐵所占的體積百分率比值的範圍從1.2至2.3，且麻田散鐵之平均粒徑小於10μm。

依據本發明之再一實施例，上述經盤捲步驟後之完軋鋼材的抗拉強度為700MPa以上，以及降伏比為從0.55至0.75。

100‧‧‧方法

102‧‧‧步驟

104‧‧‧步驟

106‧‧‧步驟

108‧‧‧步驟

110‧‧‧步驟

112‧‧‧步驟

114‧‧‧步驟

116‧‧‧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方式的一種低降伏 比鋼材之製造方法的流程圖。

請參照第1圖，其係繪示依照本發明之一實施方式的一種低降伏比鋼材之製造方法的流程圖。在本實施方式中，利用方法100製造低降伏比鋼材時，先如步驟102所述，提供鋼胚。在一實施例中，此鋼胚之成分包含碳含量0.08wt%~0.15wt%、矽含量0.1wt%以下、錳含量1.0wt%~1.5wt%、磷含量0.10wt%以下、硫含量0.05wt%以下、鉻含量0.5wt%~1.0wt%、鈮含量0.05wt%以下、鈦含量0.05wt%以下、鋁含量0.01wt%~0.05wt%、鈣含量0.05wt%以下、氮含量200ppm以下、以及鐵。一般而言，鋼胚還包含有不顯著之雜質。

在一示範例子中，鋼胚之成分包含鈮、鈦與鈣等元素合金中的至少一種，亦即鋼胚之成分包含鈮、鈦、鈣、鈮與鈦、鈮與鈣、鈦與鈣，或者鈮、鈦和鈣。在一較佳實施例中，在鋼胚之成分中，鈮與鈦之總含量可大於0.025wt%。此外，鈣含量與硫含量之比值，亦即鈣硫比(Ca/S)小於1。由於鋼胚之成分中的矽含量小於0.1wt%，因此可避免後續形成之鋼材的表面產生紅鏽。此外，鈮與鈦之合金總含量大於0.025%以上時，可有效細化晶粒，進而可使鋼材具有相分布較為均勻的組織。再者，鋼胚之成分中的鈣硫比小於1，因此可有利於形成球狀介在物，進而可提升鋼材之彎曲與擴孔加工性。

接下來，可利用例如煉鋼或電爐方式，來對鋼胚進 行處理。如步驟104所述，對鋼胚進行再加熱處理。在一實施例中，於再加熱處理時，可將再加熱處理之製程溫度控制在1200℃以上。在一較佳實施例中，可將再加熱處理之製程溫度控制在1200℃至1350℃。

於再加熱處理後，如步驟106所述，可對鋼胚進行熱軋製程，藉以獲得完軋鋼材。在一示範例子中，此熱軋製程之完軋溫度可例如控制在沃斯田鐵開始轉換成肥粒鐵的溫度以上，即一般所稱之Ar3溫度以上。接著，如步驟108所述，對完軋鋼材進行層流冷卻處理，以利用例如噴水方式來降低完軋鋼材之溫度，以將鋼材加速冷卻到肥粒鐵變態區。在一實施例中，層流冷卻處理時，可將完軋鋼材的溫度冷卻至600℃至750℃。在一示範例子中，對完軋鋼材進行層流冷卻處理時，可例如以-20℃/s以上的冷卻速度進行。

隨後，如步驟110所述，對層流冷卻處理後之完軋鋼材進行持溫處理，而使鋼材維持在層流冷卻處理後之溫度一段預設時間，以使鋼材中產生適量的肥粒鐵及富碳之沃斯田鐵。在一示範例子中，此預設時間可例如從3秒至15秒。

接下來，如步驟112所述，對經持溫處理後之完軋鋼材進行另一道冷卻處理，以利用例如噴水將層流冷卻處理後之完軋鋼材的溫度進一步加速冷卻至150℃以下。藉此，可使鋼材中之沃斯田鐵變態而完全產生麻田散鐵，進而使鋼材成為由肥粒鐵與麻田散鐵所構成之雙相組織。在 一示範例子中，對完軋鋼材進行冷卻處理時，可例如以-20℃/s以上的冷卻速度進行。

接著，如步驟114所述，可在冷卻處理後之溫度下，對完軋鋼材進行盤捲。完軋鋼材經盤捲後，可獲得一鋼捲。在一些例子中，可根據製程需求，而選擇性地如步驟116所述，利用酸液來對鋼捲進行酸洗處理，藉以可去除形成在鋼捲表面上之鏽皮，而大致完成低降伏比鋼材的製作。

本實施方式中係在低碳鋼的成分中添加適量的鈮、鈦與鈣合金元素，且減少矽的含量，並配合控制再加熱處理、熱軋製程之完軋溫度、層流冷卻處理後之溫度、與盤捲之溫度，以及在層流冷卻處理與冷卻處理步驟之間導入持溫空冷處理。藉此，可使所生成之鋼材組織中之肥粒鐵與麻田散鐵所占的體積百分率比值從1.2至2.3，且麻田散鐵平均粒徑小於10μm。此外，更可使鋼材具有700MPa以上的抗拉強度，以及範圍從0.55至0.75的降伏比。而且，本實施例方式不僅可控制鋼材之微結構組織型態與尺寸，更可進一步控制鋼材之表面品質，因此可使鋼材在相同強度等級下，具有優異的表面品質，以及低降伏比與高擴孔性等優良機械性能。

以下利用多個實施例與比較例，來更具體說明利用本實施方式的技術內容與功效。請參照下表一以及下表二，其中表一表列出數種比較例與實施例之鋼材的合金成分及其含量(wt%)，而表二則表列出數種製程控制條件。

利用上表一所列之鋼材成分、以及上表二所列之製程條件來製作鋼材，所獲得之鋼材的表面品質、微觀組織與機械性質列示於下表三中。製作方式可採用含有如表一之合金成分與含量的鋼胚，並根據上表二之製程條件對這些鋼胚依序進行再加熱處理、熱軋製程、層流冷卻處理、持溫處理、再次冷卻處理、盤捲與酸洗等步驟。

在一實施例中，進行鋼材之組織體積百分率計算時，可利用10%重亞硫酸鈉溶液，將鋼材組織之肥粒鐵基地蝕刻成黑色，而將麻田散鐵染色蝕刻成白色；接著，利用影像解像儀來測量肥粒鐵及麻田散鐵的晶粒大小，與其所占的體積百分率。在表三中，微觀組織中的組織欄位內的符號「F」表示肥粒鐵，符號「M」表示麻田散鐵，而符 號「B」表示變韌鐵。

此外，進行鋼材之拉伸試驗時，可先將鋼材加工成日本工業規格(JIS)中的5號試片，再進行拉伸試驗，以量測其降伏強度(YS)、抗拉強度(TS)和伸長率(El)等，並利用電子顯微鏡來進行鋼材破斷面之微觀組織的觀察。其中，降伏比為拉伸試驗所得的數值，此數值為降伏強度除以抗拉強度所得之數值。另外，進行鋼材的擴孔試驗時，利用30°之圓錐衝頭來對挖有直徑10mm之圓形中孔的直徑108mm且厚度3mm圓形鋼片進行擴孔試驗。當此圓形鋼片被衝壓到破裂時，量測並計算此鋼片之擴孔率，並以電子顯微鏡進行衝孔破斷面之微觀組織觀察。

根據表三可知，上述比較例1與實施例之鋼胚經利用製程條件1之再加熱1150℃的溫度處理後，發現所形成之鋼材組織中的晶粒並無明顯細化。然而，隨著鋼胚之再加熱溫度提高至1200℃以上，即可有效改善鋼材之組織粗化的問題。此外，對鋼材之組織做進一步分析可知，當鋼材成分中添加有鈮與鈦等合金元素一種或一種以上，且鈮與鈦之合金總含量大於0.025%以上時，可明顯細化鋼材之晶粒，並得到均勻分布的相組織。

具上述表一所列之成分的鋼胚，經完軋溫度於Ar3溫度以上後，若經層流冷卻處理而將完軋鋼材降溫至600℃~750℃時，可得到由肥粒鐵與麻田散鐵所組成之組織。但是，若層流冷卻處理後之溫度已降至600℃以下，例如製程條件4，則鋼材內可能會有肥粒鐵、變韌鐵與麻田散鐵之 多相組織產生。而當層流冷卻處理後之鋼材降溫至600℃~750℃，且持溫處理的時間超過15秒時，例如製程條件3，則可能會造成雙相鋼組織中肥粒鐵與麻田散鐵所占的體積百分率比值(V_F /V_M )、以及麻田散鐵之平均粒徑變異過大情形。

從上表三中亦可知，經熱軋之完軋溫度控制在Ar3以上、以及適當控制層流冷卻後之溫度與持溫時間後，若盤捲之溫度高於150℃以上，可能會造成鋼材中之麻田散鐵晶粒粗化，而平均粒徑大於10μm的情況。

比較例2之鋼胚成分與本實施例1~4之鋼胚成分經相同製程條件之熱軋與冷卻製程後，由鋼材組織中可觀察到比較例2之鋼胚所形成之鋼材組織中具有明顯的長條狀介在物生成。這樣的長條狀介在物不利於擴孔加工。其中，比較例2與實施例1~4之鋼胚成分經上表二之不同製程條件後，比較例2所獲得之鋼材的擴孔率小於30，而實施例1~4所獲得之鋼材的擴孔率大於30。進一步分析此實驗結果，可知若能將鋼胚成分中鈣硫比控制在1以下，如實施例1~4，可有利鋼材組織形成球狀介在物，因此可提升鋼材之擴孔加工性。

根據上表三亦可知，若將鋼胚成分中的矽含量控制在0.1wt%以下，經製程條件1~4之不同熱軋、冷卻與盤捲製程後，均無比較例之鋼材表面紅鏽問題發生。

由上述之實施方式可知，本發明之一優點就是因為本發明藉由同時控制鋼材之成分與製程條件的方式，可使 鋼材在相同強度等級下，兼具有低降伏比與高擴孔性的優點。

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係在低碳鋼的成分中加入適量的合金元素，例如鈮、鈦與鈣等，並使矽的含量小於0.1wt%，且使鈣/硫比小於1。因此，可避免鋼材之表面產生紅鏽，並兼顧鋼材之彎曲性與擴孔加工性。

由上述之實施方式可知，本發明之又一優點為本發明可將熱軋雙相鋼材組織中的肥粒鐵與麻田散鐵所占的體積百分率比值(V_F /V_M )的範圍控制在從1.2至2.3，且可使麻田散鐵的平均粒徑小於10μ m，因此鋼材具有高表面品質、抗拉強度在700MPa以上、及降伏比範圍從0.55至0.75等優良機械性能。

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

102‧‧‧步驟

104‧‧‧步驟

106‧‧‧步驟

108‧‧‧步驟

110‧‧‧步驟

112‧‧‧步驟

114‧‧‧步驟

116‧‧‧步驟

Claims (11)

1. 一種低降伏比鋼材之製造方法，包含：提供一鋼胚，其中該鋼胚之成分包含碳含量0.08wt%~0.15wt%、矽含量0.1wt%以下、錳含量1.0wt%~1.5wt%、磷含量0.10wt%以下、硫含量0.05wt%以下、鉻含量0.5wt%~1.0wt%、鈮含量0.05wt%以下、鈦含量0.05wt%以下、鋁含量0.01wt%~0.05wt%、鈣含量0.05wt%以下、氮含量200ppm以下、以及鐵，且鈮與鈦之總含量大於0.025wt%；對該鋼胚進行一再加熱處理，其中該再加熱處理之一製程溫度控制在1200℃以上；對該鋼胚進行一熱軋製程，以獲得一完軋鋼材；對該完軋鋼材進行一層流冷卻處理，以將該完軋鋼材降溫至一第一溫度，其中該第一溫度從600℃至750℃；使該完軋鋼材維持在該第一溫度一預設時間；對該完軋鋼材進行一冷卻處理，以將該完軋鋼材降溫至一第二溫度，其中該第二溫度為150℃以下；以及對該完軋鋼材進行一盤捲步驟，以獲得一鋼捲。
2. 如請求項1所述之低降伏比鋼材之製造方法，其中該鋼胚之成分包含鈮、鈦與鈣中至少一種。
3. 如請求項1所述之低降伏比鋼材之製造方法，其中在該鋼胚之成分中，鈣含量與硫含量之比值小於1。
4. 如請求項1所述之低降伏比鋼材之製造方法，其中 該再加熱處理之該製程溫度控制在1200℃至1350℃。
5. 如請求項1所述之低降伏比鋼材之製造方法，其中該熱軋製程之一完軋溫度控制在沃斯田鐵開始轉換成肥粒鐵的溫度以上。
6. 如請求項1所述之低降伏比鋼材之製造方法，其中該層流冷卻處理係以-20℃/s以上的冷卻速度進行。
7. 如請求項1所述之低降伏比鋼材之製造方法，其中該預設時間的範圍從3秒至15秒。
8. 如請求項1所述之低降伏比鋼材之製造方法，其中該冷卻處理係以-20℃/s以上的冷卻速度進行。
9. 如請求項1所述之低降伏比鋼材之製造方法，於該盤捲步驟後，更包含對該鋼捲進行一酸洗處理，以去除該鋼捲之鏽皮。
10. 如請求項1所述之低降伏比鋼材之製造方法，其中經該盤捲步驟後之該完軋鋼材之組織包含肥粒鐵與麻田散鐵，且肥粒鐵與麻田散鐵所占的體積百分率比值的範圍從1.2至2.3，且麻田散鐵之平均粒徑小於10μm。
11. 如請求項1所述之低降伏比鋼材之製造方法，其中經該盤捲步驟後之該完軋鋼材的抗拉強度為700MPa以上， 以及降伏比為從0.55至0.75。