TWI468529B - High strength steels and compositions thereof for high welding heat welding - Google Patents

Description

用於高銲接熱量銲接的高強度鋼材及其組合物

本發明是有關於一種鋼材，特別是指一種用於高熱量銲接的高強度鋼材。

兩鋼材以銲接的方式彼此連結成一體時，會形成鄰近於銲道且於銲接過程中經過固熔與冷卻等所形成的熱影響區域，由於此熱影響區域是鋼材在銲接過程中所形成的，所以其機械性質已與原本的鋼材有所不同，特別是以大入熱量(業界認定每公分400仟焦耳以上為大入熱量銲接)銲接所形成的熱影響區域，其組織經過瞬間高熱量的輸入而相變化，並於短時間內冷卻，其機械性質的變化更是劇烈，這也導致由鋼材銲接組成的鋼構物，例如船隻、橋樑、高樓主體結構等等，整體結構強度的損害都是自此熱影響區域發生的。因此，如何避免熱影響區域的機械性質較原鋼材的機械性質有所衰退，是業界研究的重點之一。

根據研究，導致熱影響區域之機械性質衰減的原因是冷卻過程中有沃斯田鐵(Austenite)析出，且呈現粗大化的成長，並有費德曼肥粒鐵(Widmanstatten Ferrite)在沃斯田鐵的晶界上析出，導致整體的組織脆化，韌性下降；此外，在熱影響區域局部區域沃斯田鐵冷卻變態的過程中，有多量的肥粒鐵不正常的成長，進而讓組織出現軟化的現象。

由於，改善鋼材本身以及鋼材經過銲接的熱影響區域整體組織脆化與韌性，以及軟化兩大問題是彼此相衝突的，例如，改善軟化的問題必須自鋼材添加適當的合金組份，而此等合金組份的添加往往使整體組織的韌性更加惡化，而這也導致了鋼材，特別是用於例如大型船舶製造的鋼材，難以開發的瓶頸。

對此，中華民國第I295693號發明專利案揭露「添加大量穩定的氧化物和硫化物並使其散佈於鋼材中，藉由氧化物和硫化物阻止晶粒成長、無法粗化，且利用氧化物作為相變化的成核處，以形成大量的針狀肥粒鐵」之技術手段，以解決鋼材銲接後所形成之熱影響區域整體組織的韌性和軟化問題；然而，由於氧化物的大小和分佈狀況並不容易在鋼材的生產過程控制，一來很難導入商業量產，二來更會使得生產的鋼材本身，因為氧化物的分布難以控制而導致韌性下降，根本很難符合鋼材生產的生產出貨標準。

由於，鋼材經過銲接所形成的熱影響區域的機械性質，直接影響由鋼材組裝而成的鋼構物的結構安全，因此如何改善目前的鋼材的組成，使其在銲接後形成的熱影響區域具有足夠的韌性與強度，是鋼鐵業者努力研究的方向。

因此，本發明之目的，在提供一種用於高銲接熱量銲接的高強度鋼材，該高強度鋼材在銲接後形成的熱影響區域具有高韌性與高強度等機械性質表現。

發明人基於商業量產的考量下，提出控制其中鈦、硼元素組份是較易於控制產出鋼材品質的複合冶金方案；且由於氮化硼的析出溫度低於氮化鈦，所以氮化鈦的鈦/氮重量比必須先控制在3.42以下，使氮化鈦析出之後還有多餘的固溶氮可以在降溫過程中去產生氮化硼析出，而硼的添加量也必須加以控制，太多，則在氮化硼析出後還有太多的固溶硼存在，而會在銲接後產生脆性組織危害銲接後之韌性，所以，更進一步控制其中鈦、硼、氮的質量百分比關係，即能利用氮化鈦(TiN)、氮化硼(BN)的析出物，控制銲接時大入熱量通入時之沃斯田鐵晶粒的成長與針狀肥粒鐵的產生，進而有效改善鋼材銲接後形成的熱影響區域的機械性質。

更詳細而言，氮化鈦在1400℃以下不會固溶，可以有效拉曳晶界移動，經由氮化鈦之鈦/氮的重量比控制在不大於3.42以產生大量散佈之氮化鈦，可以有效阻礙沃斯田鐵在銲接過程中粗化，根據實驗發現，銲接熱影響區域中超大晶粒區域被控制在1公厘以下，比以前改善前動輒超過3公厘以上改善很多。

此外，在超大粗晶區相鄰的小於1400℃的峰值溫度(peak temperature)區域，因沃斯田鐵晶粒細化，硬化能變差，故隨後相變化得到細晶肥粒鐵晶粒，而銲接熱影響區域中熔融線(Fusion Line)外1公厘以外之區域的韌性獲得大幅改善。另外，由於硼之添加可以和剩餘之固溶氮在較低溫度析出，氮化硼生成除了降低固溶氮，同時可做為晶粒內針狀肥粒鐵之成核處，可以促進針狀肥粒鐵之產生，所以在銲接後超大粗晶區中形成針狀肥粒鐵組織，此也會促使超大粗晶區之韌性大幅改善。

於是，本發明用於高銲接熱量銲接的高強度鋼材包含質量百分比0.05～0.15的碳、質量百分比不大於0.45的矽、質量百分比1.0～1.6的錳、質量百分比小於0.015的磷、質量百分比不大於0.006的硫、質量百分比0.10～0.40的銅、質量百分比0.020～0.080的鋁、質量百分比0.0030～0.01的氮、質量百分比0.005～0.030的鈦、質量百分比0.10～1.00的鎳、質量百分比0.012～0.038的鈮、質量百分比0.0005～0.003的硼，及平衡量的鐵，其中，該鋼材中的鈦、硼和氮滿足

本發明之功效在於：提出一種適用於商業量產的鋼材，並藉由適當質量百分比的氮、鈦、鎳、硼元素組份限制，使鋼材在高溫銲接時，析出適量的氮化鈦和氮化硼，從而控制沃斯田鐵晶粒的成長與得到大量的針狀肥粒鐵，而使銲接形成的熱影響區域仍具有高韌性與高強度的機械性質表現。

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一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

本發明用於高銲接熱量銲接的高強度鋼材之一較佳實施例，包含質量百分比0.05～0.15的碳、質量百分比不大於0.45的矽、質量百分比1.0～1.6的錳、質量百分比小於0.015的磷、質量百分比不大於0.006的硫，及質量百分比0.10～0.40的銅、質量百分比0.020～0.080的鋁、質量百分比0.0030～0.01的氮、質量百分比0.005～0.030的鈦、質量百分比0.10～1.00的鎳、質量百分比0.012～0.038的鈮、質量百分比0.0005～0.003的硼，及平衡量的鐵，其中，鈦、硼和氮滿足

發明人發現，鐵、碳、矽、錳、磷、硫等為主要且無法避免的元素，在控制組份並配合預定質量百分比的銅、鋁、鎳、鈮、氮、鈦、硼等輔助元素時，基本上可以利用複合元素添加的冶金方式，量產出機械性質符合所需的鋼材。

配合參閱圖1，圖1是本發明用於高銲接熱量銲接的高強度鋼材之較佳實施例，二鋼材13於實際銲接並受熱影響後的剖視示意圖，其中，二鋼材13在銲接後形成一銲接區域11、二分別在銲接時受熱影響且分佈於該銲接區域11兩側的熱影響區域12，而該銲接區域11與熱影響區域12界定出一基礎熔融線14，並在該熱影響區域12上定義一由該基礎熔融線14向其中一鋼材13的方向增加1公厘而界定的第一熔融線15、一由該基礎熔融線14向該鋼材13方向增加3公厘所界定的第二熔融線16，及一由該基礎熔融線14向該鋼材13方向增加5公厘所界定的第三熔融線17，而每一鋼材13具有一與該基礎熔融線距離20公厘的第四熔融線18。

由於，氮與鈦在高溫環境下生成的氮化鈦能控制鋼材13中的沃斯田鐵晶粒成長使晶粒細化；硼則與氮結合成氮化硼後，在沃斯田鐵晶粒內作為針狀肥粒鐵的成核處，能使針狀肥粒鐵析出，進而提昇組織的韌性；鎳則能在肥粒鐵晶粒發揮固溶強化的效果，熱影響區中距熔融線1mm以外之區域新生成肥粒鐵，藉由鎳之添加以避免鋼材13產生過度銲接軟化，同時也不會因為添加鎳而使鋼材13的韌性下降；鈮則有析出強化和使晶粒細化的效果，而且不會使組織軟化。

因此，本發明更進一步控制氮、鈦、硼、鎳、鈮於上述質量百分比範圍，且滿足鈦、硼和氮質量百分比之關係

產製得到的本發明用於高銲接熱量銲接的高強度鋼材13，在銲接過程中，特別是高銲接熱量(每公分400仟焦耳以上)輸入的銲接過程中，能析出適量的氮化鈦和氮化硼，藉以控制沃斯田鐵晶粒的成長，並在相對靠近銲接區域11(通常溫度大於1400℃)得到粗大化沃斯田鐵晶粒且此粗晶區域寬度在700μm，並在相對遠離銲接區域11因峰值溫度較低及大量氮化鈦的存在，控制沃斯田鐵晶粒尺寸，而得到細小化的沃斯田鐵晶粒。

而在冷卻的相變化過程中，細小化沃斯田鐵晶粒由於其晶界密集，有利於韌性高細晶肥粒鐵生成，因而抑制費德曼肥粒鐵產生，此時，粗大化沃斯田鐵晶粒內與晶界上開始產生氮化硼，氮化硼的析出成核使得粗大化的沃斯田鐵晶界開始析出他形肥粒鐵(Allotriomorphic Ferrite)，他形肥粒鐵因晶界上氮化硼析出而使成核處增加，所以晶粒較細。而粗大沃斯田鐵晶粒內也因氮化硼析出而提供成核處，因此產生大量的針狀肥粒鐵，和少量的自形肥粒鐵(Idiomorphic Ferrite)，也有少量的高碳相出現，根據研究，他形肥粒鐵分佈在沃斯田鐵晶界上，所佔的體積百分率小於20%；針狀肥粒鐵分佈於沃斯田鐵的晶粒內，體積百分率大於50%；而自形肥粒鐵分佈於沃斯田鐵晶粒內，體積百分率小於10%；另外，相變化後剩餘的產物則轉變成高碳相，且主要是以退化波來鐵存在，體積百分率小於7%，如此，使鋼材13在銲接過程中所形成的熱影響區域12之降伏強度大於390MPa，且在基礎熔融線14、第一熔融線15、第二熔融線16、第三熔融線17、第四熔融線18所得到的衝擊吸收能均大於100J仍具有高韌性與高強度等機械性質表現。

以下以表1說明利用不同組成成份分別製作出如比較例1、比較例2及實驗例1～3所示之高強度鋼材，其中，該比較例1是不添加硼，該比較例2是鈦、硼和氮的質量百分比之關係大於1.5，而實驗例1～3則是按照上述實施例的方式製作，接者，將比較例1、比較例2和實驗例1～3，分別以每公分400仟焦耳的大入熱量，對二相同組份之鋼材進行銲接，產生熱影響區域，然後，將銲接前的鋼材與銲接後所形成的熱影響區域進行抗拉強度試驗與衝擊試驗(Charpy test)，並將測試結果顯示於表2，其中，銲接前的鋼材是以-40℃之衝擊試驗的結果為例，而銲接後形成的熱影響區域是以熔融線-20℃之衝擊試驗結果為例。

如表2所示，比較例1與實驗例2鋼材銲接前之降伏強度良好，且該二鋼材在-40℃之衝擊試驗時，也高於100J，而比較例與實驗例鋼材銲接後所形成的熱影響區域之降伏強度相差不大，但是，由於比較例1鋼材不添加硼元素的緣故，使得該熱影響區域在進行-20℃之衝擊試驗時，衝擊值遠小於100J而只達到40J，顯示該熱影響區域的韌性嚴重地下降。

而在實驗例1～3中，銲接後所形成的熱影響區域之降伏強度高於390MPa，顯示降伏強度良好，而對銲接後所形成的熱影響區域進行-20℃之衝擊試驗時衝擊值皆大於100J，顯示熱影響區域的韌性皆呈現良好的狀態。

在比較例2中，則由於其鈦、硼和氮之質量百分比之關係值超過1.5，使得銲接後的鋼材與熱影響區域雖然有良好的降伏強度，但對銲接後所形成的熱影響區域進行-20℃之衝擊試驗時，其衝擊值卻急速下降至遠小於100J，而只達到29J，顯示該熱影響區域的韌性會明顯下降。

藉由上述比較例1、比較例2與實驗例1～3可知，在高強度鋼材中添加鈦、硼和氮，並控制鈦、硼和氮之質量百分比滿足

不但能使銲接後所形成的熱影響區域具有良好的降伏強度，也同樣地，能使銲接後所形成的熱影響區域皆呈現出良好的韌性。

參閱圖2，將上述本發明用於高銲接熱量銲接的高強度鋼材之較佳實施例，以每公分400仟焦耳的熱量進行銲接，並針對銲接後形成的熱影響區域進行顯微組織觀察可知，在粗大化沃斯田鐵晶粒的晶界上有大量的他形肥粒鐵(Allotriomorphic Ferrite)生成，並在沃斯田鐵晶粒內則有大量的針狀肥粒鐵、少量的自形肥粒鐵(Idiomorphic Ferrite)，由此，可以確認本發明用於高銲接熱量銲接的高強度鋼材在以高銲接熱量銲接形成的熱影響區域，確實具有高強度與高韌性等機械性質表現。

綜上所述，本發明是以複合元素添加的冶金方式，提供一種可以商業量產方式大量生產的高強度鋼材，同時，藉由組份中適當比例且滿足特殊關係比例式的鈦、氮和硼等元素，使鋼材在承受大熱量的高溫銲接時，析出適量的氮化鈦和氮化硼，以控制沃斯田鐵晶粒的成長，並析出大量的針狀肥粒鐵，而使形成的熱影響區域仍具有高韌性、高強度的機械性質表現，確實改善前述習知難以商業量產高強度鋼材的問題，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。

11．．．銲接區域

12．．．熱影響區域

13．．．鋼材

14．．．基礎熔融線

15．．．第一熔融線

16．．．第二熔融線

17．．．第三熔融線

18．．．第四熔融線

圖1是一示意圖，說明本發明用於高銲接熱量銲接的高強度鋼材在銲接後所形成的銲接區域、熱影響區域和鋼材之接合態樣；

圖2是一金相圖，說明本發明用於高銲接熱量銲接的高強度鋼材在經過高溫銲接後形成的熱影響區域的微觀組織。

11．．．銲接區域

12．．．熱影響區域

13．．．鋼材

14．．．基礎熔融線

15．．．第一熔融線

16．．．第二熔融線

17．．．第三熔融線

18．．．第四熔融線

Claims (2)

1. 一種用於高銲接熱量銲接的高強度鋼材，包含：質量百分比0.05~0.15的碳、質量百分比不大於0.45的矽、質量百分比1.0~1.6的錳、質量百分比小於0.015的磷、質量百分比不大於0.006的硫、質量百分比0.10~0.40的銅、質量百分比0.020~0.080的鋁、質量百分比0.0030~0.01的氮、質量百分比0.005~0.030的鈦、質量百分比0.10~0.5的鎳、質量百分比0.012~0.038的鈮、質量百分比0.0005~0.003的硼，及平衡量的鐵，其中，該鋼材中的鈦、硼和氮滿足
2. 一種用於高銲接熱量銲接的高強度鋼材的組合物，包含：二鋼材，每一鋼材包括質量百分比0.05~0.15的碳、質量百分比不大於0.45的矽、質量百分比1.0~1.6的錳、質量百分比小於0.015的磷、質量百分比不大於0.006的硫、質量百分比0.10~0.40的銅、質量百分比0.020~0.080的鋁、質量百分比0.0030~0.01的氮、質量百分比0.005~0.030的鈦、質量百分比0.10~0.5的鎳、質量百分比0.012~0.038的鈮、質量百分比0.0005~0.003的硼，及平衡量的鐵，其中，該鈦、硼和氮滿足 ；及一連接該二鋼材且由銲接形成的熱影響區域，該熱影響區域的組成實質上與該二鋼材相同，且包括體積百分比不大於20%的他形肥粒鐵、體積百分比不小於50%的針狀肥粒鐵，及體積百分比不大於10%的自形肥粒鐵，且該包括體積百分比小於7%的高碳相。