TWI493052B - Eutectoid steel and its spheroidizing annealing method - Google Patents

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過共析鋼材及其球化退火的方法
本發明係關於一種鋼材及其退火的方法，特別是一種過共析鋼材及其球化退火的方法。
在習知技術中，過共析鋼材(碳含量>0.85wt%)中因雪明碳鐵的比例超過12wt%，所以在熱軋階段除了會在沃斯田鐵晶界形成網狀雪明碳鐵外，多餘的雪明碳鐵亦會與肥粒鐵形成波來鐵組織。由於網狀雪明碳鐵及層狀波來鐵皆屬硬脆而不利於球化與加工之組織，對產品生產與應用將造成困擾。
為克服上述問題，Sherby等人在1984年提出「離異共析轉變技術(Divorced Eutectoid Transformation)」(參考美國專利第4448613號)，其揭示將鋼材加熱到1200℃持溫一段時間後，由γ+Fe3 C區域連續重度熱加工至650℃，以打斷網狀雪明碳鐵與層狀波來鐵組織，可得到較細的球狀碳化物顆粒，如此可節省球化退火時間並可得到均勻分佈之球狀碳化物組織。但此習知製程在實際產線生產有其困難度，且採低完軋溫度極可能造成軋延不易及熱軋邊裂等問題產生。
此外，硫(S)元素存在於鋼材中會造成鋼材的延韌性降低，而硫為造成沿晶破壞的主要元素。為避免硫對鋼材產生不利影響，一般藉由添加錳(Mn)元素，使Mn與S結合形成MnS以減少延性降低之機率，但長條狀MnS介在物如未能球狀化則對鋼材韌性與機械性質有害，因此如何藉由介在物形態控制，以提升鋼材使用性能並避免加工成形破裂機會，係為重要之課題。
因此，有必要提供一創新且具進步性的過共析鋼材及其球化退火的方法，以解決上述問題。
本發明提供一種過共析鋼材，其包括0.90~1.40重量百分比(wt%)的碳、0.35wt%以下的矽、0.50wt%以下的錳、0.03wt%以下的磷、0.03wt%以下的硫、0.30wt%以下的鉻、0.02wt%以下的氮、0.0005~0.01wt%的鈣及至少一輔助成份，鈣與硫的重量百分比之比值係小於1，該輔助成份是選自由鈦及鈮所組成之群。
本發明另提供一種如上述過共析鋼材之球化退火方法，包括以下步驟：(a)加熱該鋼材至一第一溫度，並持溫4小時(含)以上，該第一溫度係高於該鋼材之變態點溫度10~60℃；(b)以一第一冷卻速度冷卻該鋼材至該變態點溫度；(c)以一第二冷卻速度冷卻該鋼材至一第二溫度，該第二溫度係不低於600℃；及(d)冷卻該鋼材至80℃以下。
利用本發明過共析鋼材球化退火的方法，可得到細小碳化物均勻分佈且無晶界網狀雪明碳鐵之球化組織之過共析鋼材。其中，控制鈣重量百分比與硫重量百分比的比值小於或等於1，可形成球狀複合型的介在物，有效降低彎曲成形破裂的機會。並且，在不變更現有軋延製程與條件下，本發明過共析鋼材球化退火的方法可直接落實於現場生產。
本發明提供一種過共析鋼材，該過共析鋼材可為一鋼捲。該過共析鋼材係包括0.90~1.40重量百分比(wt%)的碳(C)、0.35wt%以下的矽(Si)、0.50wt%以下的錳(Mn)、0.03wt%以下的磷(P)、0.03wt%以下的硫(S)、0.30wt%以下的鉻(Cr)、0.02wt%以下的氮(N)、0.0005~0.01wt%的鈣(Ca)及至少一輔助成份，鈣與硫的重量百分比之比值係小於1，該輔助成份是選自由鈦(Ti)及鈮(Nb)所組成之群。較佳地，鈦之含量係為0.20wt%以下，鈮之含量係為0.20wt%以下。
在本實施例中，該過共析鋼材更包含鎳(Ni)及鉬(Mo)至少其中之一，其中鎳的含量係為0.25wt%以下，鉬的含量係為0.80wt%以下。
在本實施例中，由上述成份製作成之該過共析鋼材之組成中，係包含肥粒鐵、碳化物及球狀介在物。該碳化物係選自由Fe3 C、(Fe,Cr)3 C及(Fe,Mo)3 C所組成之群。該球狀介在物係包含硫化錳。該碳化物之平均粒徑係小於2.0μm。
上述之各種成份分別具有不同的作用，在本實施例中，除了碳、矽、錳、磷、硫、鉻、鎳、鉬、氮、鈣及輔助成份為主要成份之外，其餘成份可依據實際需要再行添加。上述各種成份及其含量比例對於該過共析鋼材的影響分別說明如下：
碳：為該過共析鋼材中重要的強化元素，碳是決定碳化物析出的重要元素；當碳含量太高時，則晶界初析網狀雪明碳鐵含量也愈高，除不易球化及加工外，鋼材之強度也愈強，致使該過共析鋼材的伸長率降低，所以在本實施例中碳含量較佳係控制在0.90~1.40wt%。
矽：為固溶強化元素，矽可延遲雪明碳鐵的析出，使得過飽和的碳得以產生大量碳化物析出；當矽添加不足時無法得到上述效果，所以矽的最少添加量較佳為0.01wt%；但矽添加過量會產生帶狀紅銹，影響外觀，故矽的上限較佳為0.35wt%。
錳：為鋼材中重要的固溶強化元素，用以提高該過共析鋼材強度，但當錳含量高於0.5wt%時，會使鋼材的成型性不佳。
磷：為鋼材中的不純物，容易偏析至晶界，造成晶界脆化，因此較佳係將磷含量控制在0.03wt%以下，當磷含量過高時，容易造成該過共析鋼材於熱軋時的邊裂，且產品在使用時也會產生脆性問題。
硫：為鋼材中的不純物，在高溫時可能產生TiS、Ti4 C2 S2 與MnS，其中，TiS、Ti4 C2 S2 會消耗所添加的鈦，而MnS受軋延後會呈長條狀，將成為破壞起始源，在本實施例中硫含量較佳係控制在0.03wt%以下。
鉻：為析出強化與強碳化物形成元素，用以牽制高溫下碳的擴散速度並提高其穩定性，以抑制球狀碳化物之粗化；但當鉻含量高於0.30wt%時，將使該過共析鋼材強度顯著提昇，但韌性大幅下降，所以在本實施例中鉻含量較佳係控制在0.30wt%以下。
鉬：為析出強化與提高鋼材硬化能的重要元素，且鉬添加亦可有效抑制該過共析鋼材在高溫熱處理過程中碳化物之粗化；當鉬含量高於0.80wt%時，將使該過共析鋼材強度與抗回火軟化的速度顯著提昇，但韌性大幅下降；當鉬含量低於0.10wt%時，則抑制球狀碳化物粗化之效果將不足，所以在本實施例中鉬含量較佳係控制在0.1~0.8wt%。
鎳：可適度地強化鋼材並改善韌性，亦可增加該過共析鋼材在大氣中抗蝕的效果；但當鎳含量過高易造成該過共析鋼材強度大幅提升，故鎳的上限較佳係控制在0.25wt%以下。
鈦：為常用的析出強化元素，當添加0.2wt%以下之鈦可產生晶粒細化的效果，使該過共析鋼材強度與韌性同時提昇；但是當鈦含量太高時，易生成穩定的碳化物，對硬化能不利，所以在本實施例中鈦含量較佳係控制在0.2wt%以下。
鈮：為常用的析出強化元素，當添加0.2wt%以下之鈮可產生晶粒細化的效果，使該過共析鋼材強度與韌性同時提昇；但是當鈮含量太高時，將使得該過共析鋼材強度提昇，但韌性下降，所以在本實施例中鈮含量較佳係控制在0.2wt%以下。
氮：可增加鋼材強度及切削性，但當氮含量太高時，將使得該過共析鋼材韌性急遽下降，造成該過共析鋼材的脆化，所以在本實施例中氮含量較佳係控制在0.02wt%以下。
圖1顯示本發明過共析鋼材球化退火的方法之流程圖；圖2顯示本發明過共析鋼材之球化退火熱處理條件之示意圖。配合參考圖1及圖2，首先，參考步驟S11，加熱一鋼材(例如一鋼捲)至一第一溫度，並持溫4小時(含)以上，該第一溫度係高於該鋼材之變態點溫度10~60℃(以下以AC1 表示)。以過共析鋼而言，該變態點溫度係為沃斯田鐵及肥粒鐵的變態點。該鋼材之組成及含量與上述鋼材之組成及含量相同，在此不再加以贅述。
若該鋼材係為鋼捲，該鋼捲的製備方式可依據習知煉鋼或電爐方式製作，製作方法如下：
(a)將鋼胚進行加熱並予以熱軋，完軋溫度控制在950℃以下，以獲得一完軋鋼材；
(b)層流冷卻該完軋鋼材；
(c)於700℃以下的溫度盤捲冷卻後的完軋鋼材成一鋼捲；
(d)酸洗該鋼捲並去除其表面銹皮。
參考步驟S12，以一第一冷卻速度冷卻該鋼材至該變態點溫度。在本實施例中，該第一冷卻速度係為每小時-30~-15℃。
參考步驟S13，以一第二冷卻速度冷卻該鋼材至一第二溫度，該第二溫度係不低於600℃。在本實施例中，該第二冷卻速度係為每小時-15~-10℃。
參考步驟S14，冷卻該鋼材至80℃以下。在本實施例中係以爐冷方式冷卻該鋼材至80℃以下，再將爐冷後之鋼材由箱型退火爐中取出，以得到退火熱處理之過共析鋼材。
本發明之過共析鋼材經歷了五階段之退火熱處理，如此可得肥粒鐵及碳化物均勻分佈之球化組織。其中，該碳化物是選自由Fe3 C、(Fe,Cr)3 C及(Fe,Mo)3 C所組成之群，該球狀介在物包含硫化錳，該碳化物之平均粒徑係小於2.0μm。
配合參考表1至表3，其顯示本發明之實例與比較例之比對結果，唯並不意謂本發明僅侷限於此等實例所揭示之內容。
【測試】
1.表1(表1-1及表1-2)中顯示本發明之實例及比較例係包含不同成份及含量，並以表2中之條件1-4進行球化退火處理，以得到表3之鋼材成份與球化組織、彎曲性及介在物形態之關係。
2.彎曲性：以V型塊彎曲試驗法進行測試；「○」表示球化退火鋼材無彎裂及「×」表示鋼材已彎裂。
【結果】
1.如表1不同成份之鋼材進行表2條件1之退火處理後之結果顯示，所有成份鋼材皆只得到部份球化且大部份仍為未球化之細波來鐵組織(如表3結果所示)，顯示採三段式退火方式無法得到理想之球化組織。此外，由晶相觀察發現，比較例1~4之鋼材晶界有網狀雪明碳鐵生成，而比較例5及本發明實例1-5之鋼材則無網狀雪明碳鐵存在。
造成上述之差異主要是在本發明實例之鋼材中添加鈮(Nb)或鈦(Ti)合金元素，可阻止再結晶晶粒在熱軋過程長大，如此可於熱軋後形成細小之波來鐵組織並使網狀雪明碳鐵細化且均勻分散於波來鐵晶粒上，此網狀雪明碳鐵之分佈形態有利於後續之球化退火過程，因此比較例5及本發明實例1-5之鋼材，即使採三段式退火處理仍無晶界網狀雪明碳鐵生成，主要是鋼材中添加鈮、鈦及此等之組合所致。
2.如表1不同成份之鋼材進行表2條件2之退火處理(參考圖2)後之結果顯示，所有成份鋼材皆可得到完全球化之肥粒鐵與碳化物組織(參考表3)，顯示採五段式退火處理方式可得到理想之球化組織，但由晶相觀察發現，比較例1~4之鋼材晶界仍有網狀雪明碳鐵生成，而比較例5及本發明實例1-5之鋼材則無網狀雪明碳鐵存在。
造成上述之差異主要仍是鋼材中未添加鈮或鈦合金造成熱軋後晶粒較粗大，此將使圍繞於波來鐵晶界之網狀雪明碳鐵更不容易球化且隨著碳含量愈高(wt%)，此情況會愈來愈嚴重。此外，亦可發現鋼材中添加鉻、鉬及此等之組合，可得到較細小且碳化物均勻分佈之球化組織(碳化物平均粒徑μm)，其主要是鉻及鉬有助於穩定(Fe,M)3 C細晶化所致。
另一方面，採表2條件3進行退火處理後，所有成份鋼材亦皆可得到完全球化之組織，但與條件2之碳化物比較可發現，其粒徑較大且分佈較稀疏，主要是快冷與緩冷階段之反應較快，使碳化物孕核數目減少且析出成長速度較快所致。
整體而言，以條件3退火處理後之鋼材亦可得到理想之球化組織且碳化物平均粒徑亦在2.0μm以下。
隨著持溫溫度提高，以表2條件4進行退火處理後之結果顯示，所有成份鋼材皆得未球化之退化波來鐵組織，顯示當持溫溫度遠高於(AC1 +60)℃時，將不利於鋼材之球化。
綜合上述退火參數之結果得知，本發明之退火處理(可區分為五段)：加熱該鋼材至第一溫度(持溫溫度)(AC1 +10)~(AC1 +60)℃；持溫時間大於等於() 4小時；快冷降溫至第二溫度，即[(AC1 +10)~(AC1 +60)℃]→AC1 ℃，第一冷卻速度(-30~-15)℃/小時；緩冷降溫，AC1 ℃→大於等於() 600℃，第二冷卻速度(-15~-10)℃/小時；爐冷降溫，由大於等於() 600℃→小於等於() 80℃，爐冷冷卻速度(-15~-10)℃/小時。如此，可得到完全球化之肥粒鐵與碳化物組織且碳化物平均粒徑小於等於() 2.0μm之過共析鋼材。
3.要注意的是，由表1不同成份之鋼材進行表2之退火處理後之結果顯示，未添加鈣進行鈣重量百分比對硫重量百分比的比值控制、或鈣的重量百分比對硫的重量百分比的比值不小於1時，硫化錳會散佈形成於晶體內與晶界上且呈長條狀的介在物。
長條狀的介在物提供裂縫在晶體內與兩晶界上生長的適當途徑，容易產生內裂或發生沿晶破裂的現象，且此長條狀的介在物並不會隨如表2退火參數變化而改變其形態(參考表3)。
因此，由組織觀察結果顯示，比較例1-3及比較例5的顯微組織內皆有長條狀的介在物產生，主因於未做鈣重量百分比對硫重量百分比的比值控制或該比值大於1，易發生晶體內與晶界的破裂現象，導致彎曲性下降，容易形成彎裂。
然而，當鈣的重量百分比對硫的重量百分比的比值小於1時(本發明之實例1-5)，可形成球狀複合型的介在物。如此，可避免在晶體內產生裂縫，或發生沿晶破裂的現象，進而有效降低彎曲成形時的加工破裂機會。
4.如上表1至表3之結果可知，取樣表1不同成份鋼材進行表2中條件2、3之退火處理，皆可得到完全球化之肥粒鐵與碳化物組織。因此，將表1不同成份之鋼材，進行表2中條件2、3之退火條件熱處理後，取樣進行彎曲試驗結果如表3顯示，比較例1-5皆產生彎裂，而本發明之實例1-5則彎曲性良好。
經分析結果顯示，造成比較例1-3產生彎裂情形，除組織內有條狀介在物存在外，網狀雪明碳鐵生成亦不利於彎曲加工所致；而比較例4-5產生彎裂情形，分別因晶界有網狀雪明碳鐵生成與晶粒內及晶界有條狀介在物存在所致。
表3中之符號分別定義如下：
Φ ：表示部份球化，大部份仍為未球化之細波來鐵組織且晶界有網狀碳化物存在。
◎：表示完全球化且球狀碳化物均勻分佈於肥粒鐵基地中。
╳：表示未球化，大部份仍為未球化之退化波來鐵組織且晶界有網狀碳化物存在。
a：選擇經球化退火條件(表2中條件2~4)處理後之鋼材，測試其彎曲性之結果，其中：╳表彎裂；○表無彎裂。
利用本發明過共析鋼材球化退火的方法，可得到細小碳化物均勻分佈且無晶界網狀雪明碳鐵之球化組織之過共析鋼材。其中，控制鈣重量百分比與硫重量百分比的比值小於或等於1，可形成球狀複合型的介在物，有效降低彎曲成形破裂的機會。並且，在不變更現有軋延製程與條件下，本發明過共析鋼材球化退火的方法可直接落實於現場生產。
上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明，因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。
圖1顯示本發明過共析鋼材球化退火的方法之流程圖；及
圖2顯示本發明過共析鋼材之球化退火熱處理條件之示意圖。
(無元件符號說明)

Claims (13)

  1. 一種過共析鋼材，包括0.90~1.40重量百分比(wt%)的碳、0.35wt%以下的矽、0.50wt%以下的錳、0.03wt%以下的磷、0.03wt%以下的硫、0.30wt%以下的鉻、0.02wt%以下的氮、0.0005~0.01wt%的鈣及至少一輔助成份，鈣與硫的重量百分比之比值係介於0.14至0.86之間，該輔助成份是選自由鈦及鈮所組成之群。
  2. 如請求項1之過共析鋼材，更包含鎳及鉬至少其中之一，鎳的含量係為0.25wt%以下，鉬的含量係為0.80wt%以下。
  3. 如請求項1之過共析鋼材，其係包含肥粒鐵、碳化物及球狀介在物。
  4. 如請求項3之過共析鋼材，其中該碳化物是選自由Fe3 C、(Fe,Cr)3 C及(Fe,Mo)3 C所組成之群。
  5. 如請求項3之過共析鋼材，其中該球狀介在物包含硫化錳。
  6. 如請求項3之過共析鋼材，其中該碳化物之平均粒徑係小於2.0μm。
  7. 如請求項1之過共析鋼材，其中鈦之含量係為0.20wt%以下，鈮之含量係為0.20wt%以下。
  8. 一種過共析鋼材球化退火的方法，包括以下步驟：(a)加熱一鋼材至一第一溫度，並持溫4小時(含)以上，該第一溫度係高於該鋼材之變態點溫度10~60℃，其中該過共析鋼材係包括0.90~1.40重量百分比(wt%)的 碳、0.35wt%以下的矽、0.50wt%以下的錳、0.03wt%以下的磷、0.03wt%以下的硫、0.30wt%以下的鉻、0.02wt%以下的氮、0.0005~0.01wt%的鈣及至少一輔助成份，鈣與硫的重量百分比之比值係介於0.14至0.86之間，該輔助成份是選自由鈦及鈮所組成之群；(b)以一第一冷卻速度冷卻該鋼材至該變態點溫度；(c)以一第二冷卻速度冷卻該鋼材至一第二溫度，該第二溫度係不低於600℃；及(d)冷卻該鋼材至80℃以下。
  9. 如請求項8之方法，其中在步驟(a)中，該鋼材係為一鋼捲。
  10. 如請求項8之方法，其中在步驟(a)中，該鋼材更包含鎳及鉬至少其中之一，鎳的含量係為0.25wt%以下，鉬的含量係為0.80wt%以下。
  11. 如請求項8之方法，其中在步驟(b)中該第一冷卻速度係為每小時-30~-15℃。
  12. 如請求項8之方法，其中在步驟(c)中該第二冷卻速度係為每小時-15~-10℃。
  13. 如請求項8之方法，其中在步驟(d)中係以爐冷方式冷卻該鋼材至80℃以下。
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