TWI507542B - 細晶低碳鋼材之製造方法及其應用 - Google Patents

Description

細晶低碳鋼材之製造方法及其應用

本發明是有關於一種鋼材，且特別是有關於一種細晶低碳鋼材。

由於鋼材具有較佳之強度及延展性，因此鋼材常使用來製作各種日常生活之器具，惟鋼材之強度亦使得其須藉由加工製程(例如：衝壓成型等)，方可製得可應用的鋼材器具。

當鋼材進行前述之加工製程時，習知之鋼材的晶粒組織較大，且具有較高之平面異向性，而使得鋼材受力成型時，鋼材易產生表面粗化或突耳等之缺陷，進而無法滿足品質需求。

一般解決前述之缺陷的方法係藉由提高鋼材之裁減率，以縮小鋼材之晶粒尺寸，而解決前述之缺陷。然而，當鋼材之原料的厚度較大(例如：厚度大於2.5公釐)，且進行冷軋製程時，礙於厚度之影響，原料無法達到如此大之裁減率，而無法縮小所製得之鋼材的晶粒尺寸，進而無法 徹底解決前述之缺陷。

有鑑於此，亟須提供一種細晶低碳鋼材之製造方法及其應用，以改進習知細晶低碳鋼材之製造方法及其應用之缺陷。

因此，本發明之一態樣是在提供一種細晶低碳鋼材之製造方法，其係藉由控制低碳鋼之成份並進行退火製程來製作細晶低碳鋼材。

本發明之另一態樣是在提供一種細晶低碳鋼材，其係利用前述之製造方法來製作。

根據本發明之一態樣，提出一種細晶低碳鋼材之製造方法。此製造方法係先提供低碳鋼，其中低碳鋼之碳含量為0.01重量百分比(wt%)至0.05wt%，鈮含量不小於0.003wt%，且低碳鋼之碳含量、錳含量、鈮含量、鈦含量及氮含量滿足下式(I)：310[C]+41.9[Mn]+4152[Nb]+6116[Ti]+4160[N]109(wt%) (I)

於式(I)中，[C]代表低碳鋼之碳含量、[Mn]代表低碳鋼之錳含量、[Nb]代表低碳鋼之鈮含量、[Ti]代表低碳鋼之鈦含量且[N]代表低碳鋼之氮含量。

然後，對低碳鋼進行熱軋製程，以析出碳氮化鈮[Nb(CN)]。接著，對經熱軋製程後之低碳鋼進行冷軋製程，以形成前處理鋼。對經前處理置成後之低碳鋼進行退火製程，以形成細晶低碳鋼材，且細晶低碳鋼材具有複數個晶 粒，其中基於此些晶粒之總數量為100%，90%之此些晶粒的平均晶粒尺寸不大於22.5μm。

依據本發明之一實施例，前述低碳鋼之碳含量為0.01wt%至0.03wt%。

依據本發明之另一實施例，前述低碳鋼之錳含量為0.1wt%至0.2wt%，氮含量為0.003wt%至0.0065wt%，且鈦含量不大於0.01wt%。

依據本發明之又一實施例，前述熱軋製程之熱軋溫度為550℃至700℃。

依據本發明之再一實施例，前述冷軋步驟之裁減率不小於70%。

依據本發明之又另一實施例，前述退火製程之退火溫度為700℃至720℃。

依據本發明之再另一實施例，前述細晶低碳鋼材之平面異向性不超過0.75。

依據本發明之更另一實施例，前述細晶低碳鋼材之塑性應變比不低於1.5，且降伏強度不大於220MPa。

根據本發明之另一態樣，提出一種細晶低碳鋼材。此細晶低碳鋼材係藉由前述之製造方法製作，且細晶低碳鋼材具有複數個晶粒。基於此些晶粒之總數量為100%，90%之此些晶粒的平均晶粒尺寸係不大於22.5μm，且平面異向性不超過0.75。

依據本發明之一實施例，前述細晶低碳鋼材之塑性應變比不低於1.5，且降伏強度不超過220MPa。

應用本發明之細晶低碳鋼材的製造方法及其應用，其係利用退火製程將低碳鋼轉變為細晶低碳鋼材，且此低碳鋼包含金屬鈮。所製得之細晶低碳鋼材具有較小之晶粒尺寸，而可提升後端應用之加工性。

100‧‧‧方法

110‧‧‧製程

120‧‧‧製程

130‧‧‧製程

140‧‧‧製程

150‧‧‧製程

第1圖係繪示依照本發明之一實施例之細晶低碳鋼材的製造方法。

第2圖係繪示依照本發明之一實施例之鈮含量對細晶低碳鋼材的平面異向性之影響的曲線圖。

第3a圖係顯示依照本發明之一實施例，當熱軋溫度為565℃且進行熱軋製程後，低碳鋼之金相組織圖。

第3b圖係顯示依照本發明之一實施例，當熱軋溫度為680℃且進行熱軋製程後，低碳鋼之金相組織圖。

第3c圖係顯示依照本發明之一實施例，當熱軋溫度為565℃且進行冷軋製程後，低碳鋼之金相組織圖。

第3d圖係顯示依照本發明之一實施例，當熱軋溫度為680℃且進行冷軋製程後，低碳鋼之金相組織圖。

第4a圖係顯示依照本發明之一實施例，當退火溫度為720℃時，細晶低碳鋼材之金相組織圖。

第4b圖係顯示依照本發明之一實施例，當退火溫度為740℃時，細晶低碳鋼材之金相組織圖。

第5a圖係繪示依照本發明之一實施例之熱軋溫度對細 晶低碳鋼材的塑性應變比及平面異向性之影響的曲線圖。

第5b圖係繪示依照本發明之一實施例，當鈮含量為0.001wt%或0.003wt%，熱軋溫度為565℃，且退火溫度為700℃時，裁減率對細晶低碳鋼材之塑性應變比及平面異向性的影響之曲線圖。

第5c圖係繪示依照本發明之一實施例，當熱軋溫度為565℃或680℃時，退火溫度對細晶低碳鋼材的塑性應變比及平面異向性之影響的曲線圖。

以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

本發明所稱之「平均晶粒尺寸」係根據美國材料試驗協會(American Society for Testing and Materials；ASTM)於2004年所公開之E112-96檢測方法所量測。

請參照第1圖，其係繪示依照本發明之一實施例之細晶低碳鋼材之製造方法。在一實施例中，此製造方法100係先提供低碳鋼，如製程110所示。低碳鋼可包含碳、錳、矽、磷、硫、鈮、鈦、鉻、鋁及氮等元素，其中低碳鋼之碳含量、錳含量、鈮含量、鈦含量及氮含量可滿足下式(I)：310[C]+41.9[Mn]+4152[Nb]+6116[Ti]+4160[N]109(wt%) (I)

於式(I)中，[C]代表碳含量、[Mn]代表錳含量、[Nb]代 表鈮含量、[Ti]代表鈦含量且[N]代表氮含量。在此實施例中，低碳鋼之碳含量可為0.01wt%至0.05wt%，鈮含量可不小於0.003wt%，低碳鋼之錳含量可為0.1wt%至0.2wt%，氮含量可為0.003wt%至0.0065wt%，且鈦含量不大於0.01wt%。在另一例示中，低碳鋼之碳含量可為0.01wt%至0.03wt%。

當低碳鋼進行熱軋製程時，前述之鈮可與前述之碳及氮鍵結生成碳氮化鈮[Nb(CN)]並析出，形成晶界釘紮效應，以避免晶粒過度成長，進而形成等軸細晶，因此可縮小所製得之細晶低碳鋼材的晶粒尺寸。

當低碳鋼之鈮含量小於0.003wt%時，經熱軋製程後所析出碳氮化鈮[Nb(CN)]的量不足，無法有效抑制晶粒成長，所製得鋼材的平均晶粒尺寸較大(大於22.5μm)，而無法滿足成形後，鋼材具有光滑表面之要求，進而限縮後端之應用。

進行製程110後，對低碳鋼進行熱軋製程，如製程120所示，以析出碳氮化鈮[Nb(CN)]。其中，熱軋製程之熱軋溫度可為550℃至700℃。

當前述之熱軋溫度較低時，僅有部份之氮化鋁於熱軋狀態時會析出，剩餘之氮化鋁會於後續之封盒退火製程析出，而有利於生成晶面為{111}之結晶，進而提高所製得之細晶低碳鋼材的塑性應變比，因此可提升細晶低碳鋼材之加工性。

當熱軋溫度較高時，所製得之細晶低碳鋼材具有較 低之平面異向性，而可避免細晶低碳鋼材於成形時產生突耳現象，進而提升細晶低碳鋼材之加工性。因此，根據後端應用之選擇，本發明之熱軋溫度可隨之調整，以滿足加工之需求。

進行製程120後，對經熱軋製程之低碳鋼進行冷軋製程，以形成前處理鋼，如製程130所示。其中，冷軋製程之裁減率不小於70%。當裁減率不小於70%時，所製得細低碳晶鋼材之塑性應變比不小於1.5，且平面異向性不大於0.75。

進行冷軋製程130後，對前述製得之前處理鋼進行退火製程，以製得細晶低碳鋼材，如製程130及140所示。本發明之退火製程可為封盒退火製程。前述退火製程之退火溫度可為700℃至720℃。

當前述之退火溫度小於700℃時，過低之退火溫度會提高細晶低碳鋼材之降伏強度，並降低塑性應變比，而降低細晶低碳鋼材之加工性。當退火溫度大於720℃時，細晶低碳鋼材內之碳化物的球化狀態會過於粗化，並使得球化之碳化物分散不均勻，而降低所製得細晶低碳鋼材之加工性。

當退火製程進行時，前述之晶界釘紮效應會使細晶低碳鋼材中之結晶形成等軸細晶，並抑制所生成之晶粒粗大化，進而可提高細晶低碳鋼材之加工性。

在一具體例中，利用前述製造方法100所製得之細晶低碳鋼材具有複數個晶粒，其中基於此些晶粒之總數量 為100%，90%之此些晶粒的平均晶粒尺寸不大於22.5μm。其次，所製得之細晶低碳鋼材的塑性應變比不小於1.5，平面異向性不大於0.75，且降伏強度不大於220MPa。

以下利用實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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。

細晶低碳鋼材的製備

以下係根據第1表製備實施例1至實施例8及比較例1至比較例3之細晶低碳鋼材。

實施例1

首先，提供一低碳鋼，其中此低碳鋼之碳含量為0.03wt%，錳含量為0.18wt%，鋁含量為0.059wt%，氮含量為0.0035wt%，鈦含量為0.001wt%，鈮含量為0.003wt%，且鉻含量為0.01wt%。

然後，對此低碳鋼進行熱軋製程，以析出碳氮化鈮[Nb(CN)]。其中，熱軋製程之熱軋溫度為565℃。

接著，對經熱軋製程之低碳鋼進行冷軋製程，以形成前處理鋼，其中冷軋製程之裁減率為71%。

之後，對前述製得之前處理剛進行退火製程，即可製得實施例1之細晶低碳鋼材。其中，退火製程之退火溫度可為700℃。所製得細晶低碳鋼材之降伏強度、塑性應變比及平面異向性分別利用習知之方法及儀器來量測，而平均晶粒尺寸係利用前述ASTM E112-96之方法量測，量測 所得之數據如第1表所示。

其中，前述之「平均晶粒尺寸」係代表基於細晶低碳鋼材之晶粒的總數量為100%時，90%之晶粒的平均晶粒尺寸的最大值。

實施例2至實施例8及比較例1至比較例3

實施例2至實施例8及比較例1至比較例3係使用與實施例1之製作方法相同的製備方法，不同之處在於實施例2至實施例8及比較例1至比較例3係改變低碳鋼之組成物及細晶低碳鋼材之製造方法的製程條件，且其低碳鋼之組成、製程條件及評價結果分別如第1表所示，在此不另贅述。

根據第1表所載之內容可知，當低碳鋼之鈮含量不小於0.003wt%時，冷軋製程之裁減率可降低，而可使用厚度較厚之低碳鋼製得細晶低碳鋼材。其次，當鈮含量不小於0.003wt%時，所製得細晶低碳鋼材之90%的晶粒可具有不大於22.5μm之平均晶粒尺寸。根據ASTM E112-96之量測方法，本發明所製得細晶低碳鋼材中90%的晶粒之平均晶粒尺寸係不小於ASTM #8。

鈮含量對平面異向性之影響

請參照第2圖，其係繪示依照本發明之一實施例之鈮含量對細晶低碳鋼材的平面異向性之影響的曲線圖，其中X軸代表低碳鋼之鈮含量，其單位為wt%，且Y軸係代 表細晶低碳鋼材之平面異向性。

根據第2圖所示之內容可知，當低碳鋼之鈮含量越大時，所製得細晶低碳鋼材的平面異向性係隨之降低。

熱軋製程之熱軋溫度對細晶低碳鋼材之金相的影響

請參照第3a至3d圖，其中第3a及3b圖分別係顯示依照本發明之一實施例，當熱軋溫度為565℃及680℃且進行熱軋製程後，低碳鋼之金相組織圖，且第3c及3d圖分別係顯示依照本發明之一實施例，當熱軋溫度為565℃及680℃且進行冷軋製程後，低碳鋼之金相組織圖。於第3a至3圖中，比例尺規均係代表20μm。

根據第3a至3d圖所顯示之內容可知，當熱軋溫度較低時，所製得之鋼材的晶粒較細，波來鐵亦具有均勻之分布，且退火後碳化物具有均勻之球化分布及細小之球化狀況，而可提升所製得之鋼材的加工性。

退火溫度對細晶低碳鋼材之影響

請參照第4a及4b圖，其係分別顯示依照本發明之一實施例，當退火溫度為720℃及740℃時，細晶低碳鋼材之金相組織圖，其中第4a及4b圖之比例尺規均係代表20μm。

根據第4a及4b圖所顯示之內容可知，當退火溫度大於720℃時，細晶低碳鋼材中之碳化物具有較差之分布性及較粗大之球化狀況。

請參照第5a至5c圖。第5a圖係繪示依照本發明之一實施例之熱軋溫度對細晶低碳鋼材的塑性應變比及平面異向性之影響的曲線圖，其中「□」代表塑性應變比之曲線圖，而「■」代表平面異向性之曲線圖。第5b圖係繪示依照本發明之一實施例，當鈮含量為0.001wt%或0.003wt%，熱軋溫度為565℃，且退火溫度為700℃時，裁減率對細晶低碳鋼材之塑性應變比及平面異向性的影響之曲線圖，其中「○」代表鈮含量為0.003wt%之曲線圖，而「□」代表鈮含量為0.001wt%之曲線圖。第5c圖係繪示依照本發明之一實施例，當熱軋溫度為565℃或680℃時，退火溫度對細晶低碳鋼材的塑性應變比及平面異向性之影響的曲線圖，其中「空心符號」代表熱軋溫度為565℃之曲線，而「實心符號」代表熱軋溫度為680℃之曲線。

根據第5a至5c圖所示之內容可知，當調整熱軋溫度、裁減率或退火溫度時，所製得之細晶低碳鋼材具有良好之塑性應變比及平面異向性，而可提升細晶低碳鋼材之加工性。

再者，根據第1表及第5a至5c圖所示之內容，藉由本發明所屬技術領域具有通常知識者所熟知之線性回歸分析的理論，所製得之細晶低碳鋼材的塑性應變比(r)、平面異向性(△r)及降伏強度(Y_S )分別可滿足下式(II)至式(IV)：r=2.71-0.00149(C_T )-3.64(裁捲率)-31.2[Nb]+0.0023(A_T ) (II)

△r=-0.06-0.00202(C_T )+1.48(裁減率)-105[Nb]+0.00303(A_T ) (III)

Y_S =-84+0.179(C_T )+178(裁減率)+5625[Nb]-0.002(A_T ) (IV)

於式(II)至式(IV)中，C_T 代表前述之熱軋溫度，[Nb]代表鈮含量，且A_T 代表退火溫度。

利用本發明之細晶低碳鋼材的製造方法可製得晶粒尺寸較細小且具有較高塑性應變比及較低平面異向性之細晶低碳鋼材，且此細晶低碳鋼材具有較佳之加工性，而可避免加工時產生突耳或鋼材表面粗化的缺陷。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，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

110‧‧‧製程

120‧‧‧製程

130‧‧‧製程

140‧‧‧製程

150‧‧‧製程

Claims (9)

1. 一種細晶低碳鋼材之製造方法，包含：提供一低碳鋼，其中該低碳鋼之一碳含量為0.01重量百分比(wt%)至0.05wt%，一鈮含量係不小於0.003wt%，一錳含量為0.1wt%至0.2wt%，一氮含量為0.003wt%至0.0065wt%，一鈦含量不大於0.01wt%，且該低碳鋼之該碳含量、該錳含量、該鈮含量、該鈦含量及該氮含量滿足下式(I)： 於式(I)中，該[C]代表該碳含量、該[Mn]代表該錳含量、該[Nb]代表該鈮含量、該[Ti]代表該鈦含量且該[N]代表該氮含量；對該低碳鋼進行一熱軋製程，以析出碳氮化鈮[Nb(CN)]；對經該熱軋製程後之該低碳鋼進行一冷軋製程，以形成一前處理鋼；以及對該前處理鋼進行一退火製程，以形成該細晶低碳鋼材，且該細晶低碳鋼材具有複數個晶粒，其中基於該些晶粒之一總數量為100%，90%之該些晶粒的一平均晶粒尺寸不大於22.5μm。
2. 如申請專利範圍第1項所述之細晶低碳鋼材之製造方法，其中該低碳鋼之該碳含量為0.01wt%至0.03wt%。
3. 如申請專利範圍第1項所述之細晶低碳鋼材之製造方法，其中該熱軋步驟之一熱軋溫度為550℃至700℃。
4. 如申請專利範圍第1項所述之細晶低碳鋼材之製造方法，其中該冷軋步驟之一裁減率不小於70%。
5. 如申請專利範圍第1項所述之細晶低碳鋼材之製造方法，其中該退火製程之一退火溫度為700℃至720℃。
6. 如申請專利範圍第1項所述之細晶低碳鋼材之製造方法，其中該細晶低碳鋼材之一平面異向性不大於0.75。
7. 如申請專利範圍第1項所述之細晶低碳鋼材之製造方法，其中該細晶低碳鋼材之一塑性應變比不小於1.5，且一降伏強度不大於220MPa。
8. 一種細晶低碳鋼材，其係由如申請專利範圍第1項至第7項中之任一項所述之方法製得，其中該細晶低碳鋼材具有複數個晶粒，基於該些晶粒之一總數量為100%，90%之該些晶粒的一平均晶粒尺寸不大於22.5μm，且一平面異向性不超過0.75。
9. 如申請專利範圍第8項所述之細晶低碳鋼材，其中該細晶低碳鋼材之一塑性應變比不低於1.5，且一降伏強度不超過220MPa。