TWI523958B - 鋼材製造方法及製管方法 - Google Patents

Description

鋼材製造方法及製管方法

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高強度鋼材之製造方法及製管方法。

一般的車體結構通常會使用許多管狀部件，例如：副車架、引擎架以及防撞鋼樑等。為了達到強化車體結構與滿足節能省碳的需求，許多國際大廠在汽車的生產過程中，皆大幅採用先進工法，如管件液壓成形等製程技術，以獲得高強度與輕量化之汽車部件。

然而，液壓成形部件在製作前，必須先取得適合管徑與尺寸的直縫鋼管，而生產技術難度也隨著所需管件強度越高或厚度越薄而增加。

另一種鋼管的製作方式是使用雷射銲接或高頻電阻銲(Electric Resistance Welding，ERW)。雷射銲接雖然具有銲接品質佳的優點，但其設備以及製造成本均比高頻電阻銲高出許多。因此，相較於雷射銲接，高頻電阻銲具有較佳的生產競爭優勢。然而，由於目前車用的高頻電阻銲 直縫鋼管的強度等級在高於440MPa時，不但不易通過壓扁測試，亦無法滿足液壓成型之延展性需求，故導致目前的高頻電阻銲直縫鋼管的強度僅受限在440MPa以下。

因此，本發明之一目的就是在提供一種鋼材製造方法以及製管方法，其可製作具有較佳機械性能之高強度鋼管。

根據本發明之上述目的，提出一種鋼材製造方法，其包含以下步驟。提供一鋼胚。此鋼胚包含碳(C)含量0.08wt%~0.11wt%、矽(Si)含量0.25wt%以下且大於0wt%、錳(Mn)含量1.0wt%~1.5wt%、磷(P)含量0.05wt%以下且大於0wt%、硫(S)含量0.01wt%以下且大於0wt%、鉻(Cr)含量0.30wt%~0.65wt%、鈮(Nb)含量0.05wt%以下且大於0wt%、鋁(Al)含量0.01wt%~0.05wt%、氮(N)含量200ppm以下且大於0ppm、以及鐵(Fe)。對此鋼胚進行再加熱處理，其中再加熱處理之製程溫度控制在1200℃~1250℃。對此鋼胚進行熱軋製程，以獲得完軋鋼材。對此完軋鋼材進行第一冷卻處理，以將完軋鋼材降溫至第一溫度，其中第一溫度從600℃至700℃。使完軋鋼材在第一溫度維持一預設時間。對完軋鋼材進行第二冷卻處理，以將完軋鋼材降溫至第二溫度，其中第二溫度為300℃以下。對完軋鋼材進行盤捲步驟，以獲得鋼捲。

依據本發明之一實施例，上述鋼胚之成分中，鈮與鉻之總含量大於0.35wt%。

依據本發明之另一實施例，上述鋼胚之成分中，錳含量小於1.5wt%。

依據本發明之又一實施例，上述熱軋製程之完軋溫度控制在950℃以下。

依據本發明之再一實施例，上述之第一冷卻處理係以50℃/s以上的冷卻速度進行。

依據本發明之再一實施例，上述之預設時間為3秒以上。

依據本發明之再一實施例，上述之盤捲步驟後，更包含對鋼捲進行一酸洗處理，以去除鋼捲之表面鏽皮。

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，且麻田散鐵所占的比例範圍從25%至40%，且肥粒鐵之平均粒徑小於8μm。

根據本發明之上述目的，另提出一種製管方法，包含以下步驟。提供由上述方法所製作之鋼捲。對鋼捲進行分條加工，以獲得至少一鋼帶。對鋼帶進行彎管加工步驟，以將鋼帶形成管狀體。對管狀體進行銲接步驟，以獲得鋼管。對鋼管進行第一急冷降溫處理，以70℃/s以上的冷速將鋼管之銲道降溫至400℃以下。對經第一急冷降溫處理後的鋼管進行退火步驟，並使鋼管在退火溫度下維持第一時間，其中退火溫度控制在沃斯田鐵開始轉換成肥粒鐵的溫度以上。對經退火步驟後的鋼管進行第二急冷處理，以大於 100℃/s的冷速將鋼管之銲道降溫至600℃~700℃，並維持第二時間。對經第二急冷處理後之鋼管進行再冷卻處理，以50℃/s以上的冷速將鋼管之銲道降溫至300℃以下。

依據本發明之一實施例，上述之銲接步驟之銲接溫度為1200℃~1250℃。

依據本發明之另一實施例，上述之銲接步驟包含利用高週波熔接機以10m/min~15m/min之銲接速度銲接，且銲接步驟之銲道擠壓量大於一個鋼帶厚度。

依據本發明之又一實施例，上述之銲接步驟後，更包含刮除步驟，以刮除銲道附近之餘料。

依據本發明之再一實施例，於再冷卻處理步驟後，更包含對鋼管進行後加工製程，其中後加工製程包含定徑處理、渦電流探傷步驟或定尺分切步驟。

依據本發明之再一實施例，上述之第一時間為3秒。

依據本發明之再一實施例，上述之第二時間為3秒以上。

依據本發明之再一實施例，上述之退火溫度為沃斯田鐵開始轉換成肥粒鐵的溫度加50℃。

由上述之可知，本發明藉由同時控制鋼材之成分與製程條件的方式，可製作強度大於800MPa、降伏比小於0.7與伸長率18%以上之鋼捲。此外，透過搭配製管製程之條件參數設計，可有效控制製作完成之鋼管之銲道組織、晶粒尺寸與碳化物析出，以確保鋼管之銲道與鋼材本身之性 質一致，進而提升整體鋼管的品質與機械性能。藉此，利用本實施方式所製造的鋼管可廣泛應用於防撞鋼樑以及高強度汽車液壓成型部件等。

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

200‧‧‧方法

202‧‧‧步驟

204‧‧‧步驟

206‧‧‧步驟

208‧‧‧步驟

210‧‧‧步驟

212‧‧‧步驟

214‧‧‧步驟

216‧‧‧步驟

218‧‧‧步驟

220‧‧‧步驟

為了更完整了解實施例及其優點，現參照結合所附圖式所做之下列描述，其中：〔圖1〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種鋼材製造方法的流程圖；以及〔圖2〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種製管方法的流程圖。

請參照圖1，其係繪示依照本發明之一實施方式的一種鋼材製造方法的流程圖。在本實施方式中，利用方法100製造鋼材時，先如步驟102所述，提供鋼胚。在一實施例中，此鋼胚之成分碳含量0.08wt%~0.11wt%、矽含量0.25wt%以下且大於0wt%、錳含量1.0wt%~1.5wt%、磷含量0.05wt%以下且大於0wt%、硫含量0.01wt%以下且大於0wt%、鉻含量0.30wt%~0.65wt%、鈮含量0.05wt%以下且大於0wt%、鋁含量0.01wt%~0.05wt%、氮含量200ppm以下且大於0ppm、以及鐵。一般而言，鋼胚還包含有不顯著之雜質。

在一實施例中，在鋼胚之成分中，鈮與鉻之總含量大於0.35wt%。總含量大於0.35wt%之鈮與鉻可使鋼胚在加工時，有效抑制晶粒成長粗化與晶界碳化物析出，且隨著鈮與鉻的合金添加量提高，優化效果越明顯。在其他實施例中，在鋼胚之成分中，錳含量小於1.5wt%。

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℃~1250℃。

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。在一實施例中，熱軋製程之完軋溫度可控制在950℃以下。接著，如步驟108所述，對完軋鋼材進行第一冷卻處理，以將完軋鋼材降溫至第一溫度。在一示範例子中，第一溫度為600℃至700℃。也就是說，完軋鋼材的溫度係冷卻至600℃至700℃。在一示範例子中，對完軋鋼材進行第一冷卻處理時，可例如以50℃/s以上的冷卻速度進行。在一較佳實施例中，冷卻速度可為100℃/s~120℃/s。

隨後，如步驟110所述，對第一冷卻處理後之完軋鋼材進行持溫處理，而使鋼材維持在第一冷卻處理後之溫度一段預設時間。在一示範例子中，此預設時間可例如為3秒以上。接下來，如步驟112所述，對經持溫處理後之完軋鋼材進行第二冷卻處理，以將完軋鋼材進一步降溫至第二溫度。在一示範例子中，第二溫度為300℃以下。

接著，如步驟114所述，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，而大致完成鋼材的製作。

本實施方式係利用前述步驟102所提供之鋼胚的成分，配合控制再加熱處理製程、熱軋製程之完軋溫度、第一冷卻處理之冷速與持溫溫度、第二冷卻處理後之溫度等製程。藉此，可使所生成之鋼材組織中包含肥粒鐵與麻田散鐵，其中麻田散鐵所占的比例範圍從25%至40%，且肥粒鐵之平均粒徑小於8μm。此外，經本實施方式之方法所製得之鋼材具有800MPa以上的抗拉強度、小於0.7的降伏比(Yield Ratio)以及18%以上的伸長率。因此，利用本實施方式所製得之鋼材亦可用來製作高強度之鋼管。

請參照圖2，其係繪示依照本發明之一實施方式的一種製管方法的流程圖。在本實施方式中，利用方法200製造鋼材時，先如步驟202所述，提供如方法100所製作之鋼捲。接著，如步驟204所述，對鋼捲進行分條加工，以將鋼捲依需求而分條成不同寬度之鋼帶。

隨後，如步驟206所述，對鋼帶進行彎管加工步驟，以將鋼帶形成管狀體。在一實施例中，彎管加工步驟主要是利用製管機之多道輥輪將鋼帶彎成管狀體。在一例子中，管狀體之直徑範圍從60mm至110mm。

於彎管加工步驟後，如步驟208所述，可對管狀體進行銲接步驟，以獲得鋼管。在一實施例中，銲接步驟主要是將管狀體通過高週波熔接機之高頻感應線圈，並以10m/min~15m/min之銲接速度銲接。其中，在銲接步驟中，銲接溫度可為1200℃~1250℃，且銲道擠壓量大於1t(t表示鋼帶厚度)。

在銲接步驟中，管狀體的接合處係利用銲道熔融擠壓的方式來接合，且接合後在銲道附近會形成餘料。因此，於銲接步驟後，如步驟210所述，可進行刮除步驟，以刮除銲道附近之餘料。在一示範例子中，刮除步驟係利用內、外刮刀來刮除餘料。

隨後，如步驟212所述，對銲接完成之鋼管進行第一急冷降溫處理，以使鋼管整體以及銲道的組織晶粒變細與均勻，以方便後續加工處理。在一實施例中，第一急冷降溫處理主要係以70℃/s以上的冷速將鋼管之銲道降溫至400℃以下。

於第一急冷降溫處理後，如步驟214所述，可對鋼管進行退火步驟，並使鋼管在退火溫度下維持一段第一時間。在一實施例中，退火溫度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。在一例子中，退火溫度可為Ar₃的溫度加50℃，或可為950℃。在其他實施例中，第一時間可例如為3秒。

隨後，如步驟216所述，對經退火步驟後的鋼管進行一第二急冷處理，以使鋼管產生適量的肥粒鐵及富碳 之沃斯田鐵。在第二急冷處理中，係以大於100℃/s的冷速將鋼管之銲道降溫至600℃~700℃，並維持一段第二時間。在一示範例子中，此第二時間可為3秒以上。

接下來，如步驟218所述，對經第二急冷處理後之鋼管進行再冷卻處理，以將鋼管之銲道降溫至300℃以下。藉此，可使鋼管中之沃斯田鐵變態而完全產生麻田散鐵，進而使鋼管整體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，進行鋼管之再冷卻處理時，可例如以50℃/s以上的冷卻速度進行。

接著，如步驟220所述，可對再冷卻處理後之鋼管進行後加工製程。在一實施例中，加工製程包含定徑處理、渦電流探傷步驟或定尺分切步驟。藉此可完成不同口徑與長度之鋼管。

同樣地，本實施方式係利用方法100所提供之鋼捲，配合分條加工、彎管加工、銲接以及控制第一急冷降溫處理、退火步驟、第二急冷處理以及再冷卻處理等步驟之冷速以及溫度。藉此，可使鋼管與其銲道中包含肥粒鐵與麻田散鐵，其中麻田散鐵所占的比例範圍從25%至40%，且肥粒鐵之平均粒徑小於8μm。此外，更可使鋼管具有800MPa以上的抗拉強度、小於0.7的降伏比以及18%以上的伸長率。

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之鋼管經壓扁試驗以及擴孔試驗後之試驗與機械性質(機性)分析結果列示於下表三中。其中，壓扁 試驗係在鋼管端部切取100mm長的試樣，並依據ISO 8492/ASM A513標準規範，進行壓扁測試。試驗時，銲縫與施力方向分別呈垂直及平行，並分別依1/2D、3/4D及1D(D為鋼管外徑)等三種不同程度進行壓扁試驗，同時觀察並紀錄銲縫破裂時鋼管壓扁的高度。擴孔試驗主要是在原孔徑為D₀之鋼管端部切取100mm長的試樣，再以30度之圓錐衝頭進行擴孔。當鋼管衝壓到破裂時，量測破裂發生時的孔徑(D_h)，然後再利用公式計算擴孔率(λ)。其中計算擴孔率的公式為λ=((D_h-D₀)/D₀)x100%。此外，有關機性測試方面，主要是取未經加工的鋼管以及依照表二之製程條件4所列之製程條件來製作之鋼管進行拉力試驗，以量測其降伏強度(YS)、抗拉強度(TS)以及伸長率(E1)等。

其中，「×」表示鋼管壓扁至3/4D以上高度後銲道破裂。「××」表示鋼管擴孔至120%銲道破裂。「◎」表示鋼管壓扁至3/4D高度以上，以及擴孔超過120%後，銲道均無破裂。

另一方面，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之鋼管，經銲道顯微組織觀察鋼管的銲道之肥粒鐵粒徑、麻田散鐵及晶界碳化物析出的情形列示於下表四中。其中，銲道顯微組織觀察係利用光學顯微鏡(OM)及掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察鋼管的銲道組織與其晶粒尺寸，另以影像解析儀進行雙相組織中麻田散鐵比例的量測。

其中，「×」表示肥粒鐵晶界或兩相晶界處有碳化物析出。「◎」表示肥粒鐵晶界或兩相晶界處無碳化物析出。

根據表一至表四可知，上述比較例1之低碳成分中添加少量鉻而無添加微合金鈮之鋼材，在銲後利用製程條件1之小於50℃/s的冷速緩冷並持溫在750℃，或是分別利用製程條件2與條件3之Ar₃+100℃~Ar₃+150℃的高溫退 火，均將造成相變態後銲道內的肥粒鐵組織粗大化及晶界碳化物析出，而不利於後續鋼管的機性表現。又如表二之製程條件4及條件5所示，比較例1隨著銲後持溫溫度或銲後退火溫度降低，雖可避免晶粒過度成長，但由於比較例1因僅添加少量鉻，故使部分晶界碳化物析出，而導致鋼管易由晶界處開始破裂。此外，比較例1經製程條件5之銲後退火於500℃持溫9秒後，已得到變韌鐵組織，而非肥粒鐵組織，反而造成整體鋼管性能表現不佳。

另一方面，上述比較例2之低碳成分中添加少量微合金鈮而無添加鉻之鋼材，在銲後利用製程條件1之小於50℃/s的冷速緩冷並持溫在750℃，或是分別利用製程條件2與條件3之Ar₃+100℃~Ar₃+150℃高溫退火，均將造成相變態後銲道內的肥粒鐵組織粗大化及晶界碳化物析出，而不利於後續鋼管的機性表現。又如表二之製程條件4及條件5所示，比較例2隨著銲後持溫溫度或銲後退火溫度降低，雖可避免晶粒過度成長，但由於比較例2無添加鉻，故使大量晶界碳化物析出，而導致鋼管在壓扁或擴孔試驗時易由晶界處引裂。另一方面，由於比較例2之鋼材成分中的錳含量偏高，使得長條狀的硫化物析出，同樣易導致鋼管在壓扁或擴孔時由析出物尖端引裂。由此可知，錳含量需控制在1.5%以下。此外，比較例2經製程條件5之銲後退火於500℃持溫9秒後所得到的變韌鐵組織將造成整體鋼管性能表現不佳。

反觀本實施例，本實施例之鋼材主要是在碳成分0.08wt%~0.11wt%中複合添加微合金鈮及鉻。當實施例 之鋼材中的鈮與鉻之總含量大於0.35wt%時，經表二製程條件1之小於50℃/s的冷速銲後緩冷並持溫在750℃，或分別經製程條件2與條件3之Ar₃+100℃~Ar₃+150℃高溫銲後退火等製程，皆能有效達到抑制晶粒成長粗化與晶界碳化物析出的效果，且隨著成分中的鈮與鉻的含量提高，其優化效果越明顯。

另一方面，本實施例之鋼材分別經表二製程條件3至5以大於70℃/s之冷速銲後快冷及低溫銲後持溫溫度，可有效細化鋼管銲後組織。此外，本實施例再經過如製程條件4之較低之銲後退火溫度持溫在600℃~700℃，可使部分沃斯田鐵變態成肥粒鐵。隨後，再將銲道急冷降溫至300℃以下後緩冷，以獲得兼具高強度與低降伏比之雙相組織。由此可知，本實施例之鋼材經製程條件4可產製具有晶粒小於8μm之肥粒鐵以及比例佔約30%之麻田散鐵的雙相鋼鋼管(如表四所示)。此外，經製程條件4所產製的鋼管具有800MPa以上的抗拉強度、小於0.7的降伏比以及18%以上的伸長率，且經全壓扁以及120%擴孔試驗後，銲道並無破裂情形，故具有優良的機械與加工性能。

然而，本實施例之鋼管在經製程條件5之500℃之低銲後退火溫度下，雖然可得到較好的晶粒度控制，但低銲後退火溫度將使得銲道內生成變韌鐵組織，而非肥粒鐵組織。此外，退火後以慢冷的方式降溫將進一步使晶粒粗化。因此，上述之製程條件5的參數條件無法得到較佳的鋼管性能。

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，可製作強度大於800MPa、降伏比小於0.7與伸長率18%以上之鋼捲。此外，透過搭配製管製程之條件參數設計，可有效控制製作完成之鋼管之銲道組織、晶粒尺寸與碳化物析出，以確保鋼管之銲道與鋼材本身之性質一致，進而提升整體鋼管的品質與機械性能。藉此，利用本實施方式所製造的鋼管可廣泛應用於防撞鋼樑以及高強度汽車液壓成型部件等。

200‧‧‧方法

202‧‧‧步驟

204‧‧‧步驟

206‧‧‧步驟

208‧‧‧步驟

210‧‧‧步驟

212‧‧‧步驟

214‧‧‧步驟

216‧‧‧步驟

218‧‧‧步驟

220‧‧‧步驟

Claims (16)

1. 一種鋼材製造方法，包含：提供一鋼胚，其中該鋼胚之成分包含碳含量0.08wt%~0.11wt%、矽含量0.25wt%以下且大於0wt%、錳含量1.0wt%~1.5wt%、磷含量0.05wt%以下且大於0wt%、硫含量0.01wt%以下且大於0wt%、鉻含量0.30wt%~0.65wt%、鈮含量0.05wt%以下且大於0wt%、鋁含量0.01wt%~0.05wt%、氮含量200ppm以下且大於0ppm、以及鐵；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℃~1250℃；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第一冷卻處理，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700℃；使該完軋鋼材在該第一溫度維持一預設時間；對該完軋鋼材進行一第二冷卻處理，以將該完軋鋼材降溫至一第二溫度，其中該第二溫度為300℃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所述之鋼材製造方法，其中在該鋼胚之成分中，鈮與鉻之總含量大於0.35wt%。
3. 如請求項1所述之鋼材製造方法，其中在該鋼胚之成分中，錳含量小於1.5wt%。
4. 如請求項1所述之鋼材製造方法，其中該熱軋製程之一完軋溫度控制在950℃以下。
5. 如請求項1所述之鋼材製造方法，其中該第一冷卻處理係以50℃/s以上的冷卻速度進行。
6. 如請求項1所述之鋼材製造方法，其中該預設時間為3秒以上。
7. 如請求項1所述之鋼材製造方法，於該盤捲步驟後，更包含對該鋼捲進行一酸洗處理，以去除該鋼捲之表面鏽皮。
8. 如請求項1所述之鋼材製造方法，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，且麻田散鐵所占的比例範圍從25%至40%，且肥粒鐵之平均粒徑小於8μm。
9. 一種製管方法，包含：提供如請求項1所述方法所製作之一鋼捲；對該鋼捲進行一分條加工，以獲得至少一鋼帶；對該至少一鋼帶進行一彎管加工步驟，以將該至少一鋼帶形成一管狀體；對該管狀體進行一銲接步驟，以獲得一鋼管； 對該鋼管進行一第一急冷降溫處理，以70℃/s以上的冷速將該鋼管之一銲道降溫至400℃以下；對經該第一急冷降溫處理後的該鋼管進行一退火步驟，並使該鋼管在一退火溫度下維持一第一時間，其中該退火溫度控制在沃斯田鐵開始轉換成肥粒鐵的溫度以上；對經該退火步驟後的該鋼管進行一第二急冷處理，以大於100℃/s的冷速將該鋼管之該銲道降溫至600℃~700℃，並維持一第二時間；以及對經該第二急冷處理後之該鋼管進行一再冷卻處理，以50℃/s以上的冷速將該鋼管之該銲道降溫至300℃以下。
10. 如請求項9所述之製管方法，其中該銲接步驟之一銲接溫度為1200℃~1250℃。
11. 如請求項9所述之製管方法，其中該銲接步驟包含利用一高週波熔接機以10m/min~15m/min之銲接速度銲接，且該銲接步驟之一銲道擠壓量大於一個該至少一鋼帶厚度。
12. 如請求項11所述之製管方法，於該銲接步驟後，更包含一刮除步驟，以刮除該銲道附近之餘料。
13. 如請求項9所述之製管方法，於該再冷卻處理步驟後，更包含對該鋼管進行一後加工製程，其中 該後加工製程包含一定徑處理、一渦電流探傷步驟或一定尺分切步驟。
14. 如請求項9所述之製管方法，其中該第一時間為3秒。
15. 如請求項9所述之製管方法，其中該第二時間為3秒以上。
16. 如請求項9所述之製管方法，其中該退火溫度為沃斯田鐵開始轉換成肥粒鐵的溫度加50℃。