TWI568862B - 沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法 - Google Patents

Description

沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法

本發明是關於一種合金鋼材的製造方法，特別是關於一種沃斯田鐵系合金鋼材的製造方法。

沃斯田鐵主要為面心立方(face center cubic；FCC)結構。常見的沃斯田鐵系合金包括鎳基合金(例如，Alloy 800H、825、A-286、625、718)、鎳銅合金(例如，Alloy 400、500K)及沃斯田鐵系不鏽鋼(例如，309、310不鏽鋼)。沃斯田鐵系合金可用於需要高溫機械性質的場合，例如，發動機之組件、渦輪引擎緊固件、高溫軸承、加熱爐外罩、石化廠之管線等。

一般而言，沃斯田鐵系合金材料可先利用熔煉製程，例如以燃料加熱爐、非真空電爐(Electric Arc Furnace，EAF)或真空電弧熔煉爐(Vacuum arc melting，VAM)等進行熔煉，以形成合金胚料，其中合金胚料可例如模鑄鑄錠或連鑄胚料。在熔煉製程後，前述合金胚料可選擇性進行精煉製程，例如氬氣吹氧脫碳(Argon Oxygen Decarburization，AOD)、真空吹氧脫碳(Vacuum Oxygen Decarburization，VOD)、電渣重熔(electroslag remelting，ESR)及真空電弧重熔(Vacuum arc remelting，VAR)等。接著，上述所得之模鑄鑄錠或連鑄胚料進行熱加工，針對不同需求，可形成板狀、塊狀、棒狀、管狀、片狀等各種外型的產品。

關於習知的熱加工製程，請參閱圖1，其係繪示根據習知沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法100的部分流程圖。首先，對沃斯田鐵系合金材料進行熔煉製程步驟110後，形成合金胚料。然後，對此合金胚料進行加熱步驟120和熱軋延步驟130，其係以固定加熱溫度進行加熱和固定裁減率重複進行熱加工，以製得具有目標厚度的板材。

然而，由於沃斯田鐵系合金胚料的熱加工性質(例如熱延性)不佳，適用的熱加工溫度及/或熱加工裁減率的範圍較窄，導致熱加工製程進行的時間較長。若為了縮短熱加工製程時間，而將加工溫度或加工裁減率超出適用的範圍，則所製得的板材容易產生表面缺陷。

有鑑於此，亟須提出一種沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，以改善沃斯田鐵系合金的熱加工性質(例如擴大熱加工溫度、熱加工裁減率的範圍)，縮短熱加工製程時間，且所製得的板材實質上不具有表面缺陷。

因此，本發明之一態樣是提供一種沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，利用多階段熱加工製程，藉此改善沃斯田鐵系合金的熱加工性質，縮短熱加工製程時間，且所製得的板材實質上不具有表面缺陷。

根據本發明之上述態樣，提出一種沃斯田鐵系 合金鋼材之製造方法。在一實施例中，首先，對沃斯田鐵系合金材料進行熔煉製程，以形成沃斯田鐵系合金胚料。

接著，對沃斯田鐵系合金胚料進行多階段熱加工製程，其中多階段熱加工製程包含第一階段熱加工步驟和第二階段熱加工步驟。在一例示中，以第一裁減率和第一加熱溫度對沃斯田鐵系合金胚料進行第一階段熱加工步驟，並獲得具有第一厚度之沃斯田鐵系合金胚料。在一例示中，基於沃斯田鐵系合金胚料的初始厚度為100%，第一厚度相對於初始厚度之第一裁減率可例如不高於25%。在另一例示中，前述之第一加熱溫度可例如為850℃至1100℃。

然後，以第二裁減率和第二加熱溫度對具有第一厚度之沃斯田鐵系合金胚料進行至少一次第二階段熱加工步驟，以獲得具有第二厚度之沃斯田鐵系合金胚料。在一例示中，基於上述沃斯田鐵系合金胚料的第一厚度為100%，第二厚度相對於第一厚度之第二裁減率可例如不低於30%，且第二裁減率大於第一裁減率。在另一例示中，前述之第二加熱溫度可例如為1050℃至1300℃。

根據本發明之一實施例，上述之沃斯田鐵系合金材料包含5至75wt%的鐵、7至75wt%的鎳、15至35wt%的鉻以及其他不可避免的雜質。

根據本發明之一實施例，上述之第一裁減率為5%至20%。

根據本發明之一實施例，上述之第二裁減率為35%至60%。

根據本發明之一實施例，上述第一階段熱加工步驟只進行一次。

根據本發明之一實施例，上述多階段熱加工製程可例如軋延製程、鍛造製程、擠壓製程或沖壓製程。

應用本發明的一種沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，其利用多階段熱加工製程，即，先藉由低加熱溫度和低裁減率的第一階段熱加工步驟，改善沃斯田鐵系合金胚料的熱加工性質，且擴大胚料之可熱加工製程窗口後，再進行高加熱溫度和高裁減率的第二階段熱加工步驟，以將胚料進一步加工至目標厚度。因此可有效改善沃斯田鐵系合金的熱加工性質，並縮短熱加工製程時間。

100‧‧‧方法

110‧‧‧對沃斯田鐵系合金鋼材進行熔煉

120‧‧‧進行加熱步驟

130‧‧‧進行熱軋延步驟

200‧‧‧方法

210‧‧‧對沃斯田鐵系合金鋼材進行熔煉

220‧‧‧以第一加熱溫度進行加熱步驟

230‧‧‧以第一裁減率進行熱軋延步驟

240‧‧‧以第二加熱溫度進行加熱步驟

250‧‧‧以第二裁減率進行熱軋延步驟

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，所附圖式之詳細說明如下：[圖1]係繪示根據習知沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法的部分流程圖。

[圖2]係繪示根據本發明之一實施例的沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法的部分流程圖。

承前所述，本發明提出的一種沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法，其利用多階段熱加工製程以改善沃斯田鐵系合金的熱加工性質，並縮短熱加工製程時間。請參閱圖 2，其繪示根據本發明之一實施例的沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法的部分流程圖。首先，對沃斯田鐵系合金材料進行熔煉製程步驟210，以形成沃斯田鐵系合金胚料。

在熔煉製程後，前述合金胚料可選擇性進行習知的精煉製程，例如AOD、VOD、ESR、VAR等，此為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所熟知，在此不另贅述。

接著，對沃斯田鐵系合金胚料進行多階段熱加工製程。其中多階段熱加工製程包含第一階段熱加工步驟和第二階段熱加工步驟。第一階段熱加工步驟是包含以第一加熱溫度進行加熱步驟220和以第一裁減率進行熱軋延步驟230，並獲得具有第一厚度之沃斯田鐵系合金胚料。裁減率定義為裁減厚度(△h=入料胚料厚度h₀-出料胚料厚度h₁)和入料胚料厚度(h₀)的比值，即△h/h₀。基於沃斯田鐵系合金胚料的初始厚度為100%，第一厚度相對於初始厚度之第一裁減率為不高於25%。第一加熱溫度為850℃至1100℃。在此說明的是，第一階段熱加工步驟的第一裁減率和第一加熱溫度須配合材料成分性質做調整，其中若第一裁減率高於25%，除了可能導致胚料產生表面缺陷，也將導致胚料的晶粒成長過大，則無法有效改善胚料的熱加工性質。因此，第一裁減率可例如為5%至20%。而第一加熱溫度若高於1100℃或低於850℃，則可能超過胚料的可熱加工區間，而造成胚料產生表面缺陷。此第一階段熱加工步驟係為了誘發合金材料發生再結晶，優化合金組織，進而提升材料的高 溫熱延性，並擴大其熱加工溫度及熱加工裁減率。因此，第一階段熱加工步驟通常僅須進行一次即可。若進行一次以上的第一階段熱加工步驟，則同樣會導致胚料的晶粒成長過大，且增加熱加工製程的時間。

然後，對沃斯田鐵系合金胚料以第二加熱溫度進行加熱步驟240及以第二裁減率進行熱軋延步驟250的第二階段熱加工步驟，並獲得具有第二厚度之沃斯田鐵系合金胚料。基於沃斯田鐵系合金胚料的第一厚度為100%，第二厚度相對於第一厚度之第二裁減率為不低於30%。第二加熱溫度為1050℃至1300℃，其中第二裁減率大於第一裁減率。若第二加熱溫度超過1300℃，則可能導致胚料產生表面缺陷；若第二加熱溫度低於1050℃，則無法以高第二裁減率進行熱軋延。而若以30%以下的裁減率進行熱軋延，則無法達到本發明有效減少熱加工製程時間的優勢。在此說明的是，第二加熱溫度為經過第一階段熱加工步驟大幅改善材料熱加工性質後的可熱加工區間，同樣須配合使用的沃斯田鐵系合金材料而調整。經過第一階段熱加工步驟後的胚料可使用高於30%的裁減率進行熱加工，例如可為35%至60%。此第二階段熱加工步驟可選擇性地反覆實施，以製得目標厚度的材料。

一般而言，熔煉製程後所得之沃斯田鐵系合金胚料的晶粒尺寸大，因晶界處之雜質元素濃度的增加和聚集，導致晶界弱化，而大幅降低胚料的熱加工性質，故若以高加熱溫度和高裁減率進行熱加工時，會因高溫熱延性不 佳，晶粒成長過大，來不及發生塑性變形，而造成表面缺陷。因此，通常僅會在材料的可熱加工溫度和較小的裁減率之條件下進行熱加工，否則即會有軋裂或鍛裂等表面缺陷產生。意即，未經過本發明之第一階段熱加工步驟的沃斯田鐵系合金胚料，並無法實施高加熱溫度和高裁減率的第二階段熱加工步驟。換句話說，利用第一階段熱加工步驟將胚料的可熱加工溫度及可熱加工裁減率提高，由於加熱胚料至熱加工溫度的時間係遠大於實際進行熱加工(例如：軋延)的時間，因此減少熱加工製程次數，即減少須回爐加熱的次數，則可減少熱加工製程時間。

以下利用數個實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，本發明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。

實施例一

實施例一使用的沃斯田鐵系合金材料為鎳基合金，包含55wt%的鐵、26wt%的Ni、15wt%的Cr、0.3wt%的V、2.2wt%的Ti、1.3wt%的Mo以及微量的B和Al。首先，對沃斯田鐵系合金材料進行熔煉製程。接著，對熔煉製程後所得之沃斯田鐵系合金胚料進行第一階段熱加工步驟，請參閱表1，其係根據本發明之一實施例進行多階段熱加工製程的製程參數。此實施例之沃斯田鐵系合金胚料的起始厚度(h₀)為750mm。其中以第一加熱溫度為850℃至1050℃，且以h₀為100%時，第一裁減率為5%至10%的條 件，可將沃斯田鐵系合金胚料軋延至第一厚度(h₁)，即675mm。

然後，對具有較佳熱加工性能的沃斯田鐵系合金胚料進行第二階熱加工步驟，其中包含對胚料以第二加熱溫度進行加熱和以第二裁減率進行熱軋延。如表1的實施例中，第二加熱溫度為1050℃至1290℃，且以上述第一階段熱加工步驟所得之沃斯田鐵系合金胚料的第一厚度(h₁)為100%，第二裁減率為35%至50%。並重覆進行3次第二階段熱加工步驟(即回爐再加熱2次)，以得到目標厚度150mm的鋼材。

實施例二至三

實施例二至三以與實施例一相同的製造方法進行，差別在於所使用的沃斯田鐵系合金材料、加熱溫度及裁減率不同，其具體製程條件如表2及表3所示。實施例二使用的沃斯田鐵系合金材料是34wt%的Ni、21wt%的Cr、43.5%的Fe、0.08%的C、1wt%的Al+Ti以及微量的Cu、Si、Mn，而實施例三使用的沃斯田鐵系合金材料是42wt%的Ni、21.5wt%的Cr、30%的Fe、3.2wt%的Mo、2.2%的Cu、1.0wt%的Ti以及微量的Al、C。

比較例一

比較例一使用與實施例一相同成分的沃斯田鐵系合金材料，且同樣將厚度750mm的沃斯田鐵系合金胚料軋延至150mm，但是以習知製造方法進行。請參閱表4，其係根據本發明之比較例進行習知熱加工製程的製程參數。如表2所示，其加熱溫度為950℃至1125℃，且裁減率為10%至15%，則所須熱加工製程次數為8次(即回爐再加熱7次)。

由表1至表4的結果可知，實施例一至三由於所用的沃斯田鐵系合金胚料的組成成分不同，因此其熱加工溫度和裁減率均有所差異。然而，實施例一至三利用本發明的多階段熱加工製程方法，先將沃斯田鐵系合金胚料進行一次第一階段熱加工，使胚料的表面和心部均勻發生塑性變形，在塑性變形過程中，伴隨動態再結晶效應(dynamic recrystallization)和動態回復(dynamic recover)，以形成尺寸小的晶粒組織，進而改善其熱加工性質，擴大其可熱加工窗口(擴大熱加工溫度、熱加工裁減率的範圍)。接著，再實施高加熱溫度和高裁減率的第二階段熱加工製程，因此可縮短熱加工製程時間，包括減少習知熱加工製程的重覆次數，即減少胚料回爐再加熱的次數，故可減少習知熱加工製程所需的時間。再者，由本發明方法所製得的板材實質上不具有表面缺陷，確實達到本發明的目的。相較之下，比較例所需熱加工步驟次數較多，即回爐再加熱次數較多，則其熱加工製程的進行時間較長。

由上述實施例可知，本發明之沃斯田鐵系合金鋼材之製造方法利用多階段熱加工製程，即，先藉由一次低加熱溫度和低裁減率的第一階段熱加工步驟，確實可有效改善沃斯田鐵系合金胚料的熱加工性質，提升材料高溫熱延性，並擴大熱加工溫度、熱加工裁減率的範圍。後續進行高加熱溫度和高裁減率的第二階段熱加工步驟，重覆第二階段熱加工步驟一次以上，可將胚料加工至目標厚度，又可大幅減少熱加工步驟的次數，有效縮短熱加工製程所需時間，且所製得的板材實質上不具有表面缺陷。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，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。

200‧‧‧方法

210‧‧‧對沃斯田鐵系合金鋼材進行熔煉

220‧‧‧以第一加熱溫度進行加熱步驟

230‧‧‧以第一裁減率進行熱軋延步驟

240‧‧‧以第二加熱溫度進行加熱步驟

250‧‧‧以第二裁減率進行熱軋延步驟

Claims (6)

1. 一種沃斯田鐵系鋼材的製造方法，包含：對一沃斯田鐵系合金材料進行一熔煉製程，以形成一沃斯田鐵系合金胚料；以及對該沃斯田鐵系合金胚料進行一多階段熱加工製程，其中該多階段熱加工製程包含：以一第一裁減率和一第一加熱溫度對該沃斯田鐵系合金胚料進行一第一階段熱加工步驟，以獲得具有一第一厚度之該沃斯田鐵系合金胚料，其中基於該沃斯田鐵系合金胚料之一初始厚度為100%，該第一厚度相對於該初始厚度之該第一裁減率為5%至15%，且該第一加熱溫度為850℃至1080℃；以及以一第二裁減率和一第二加熱溫度對具有該第一厚度之該沃斯田鐵系合金胚料進行至少一次之一第二階段熱加工步驟，以獲得具有一第二厚度之該沃斯田鐵系合金胚料，其中基於該沃斯田鐵系合金胚料之該第一厚度為100%，該第二厚度相對於該第一厚度之該第二裁減率為35%至50%，該第二加熱溫度為1050℃至1290℃，且該第二裁減率大於該第一裁減率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之沃斯田鐵系鋼材的製造方法，其中該沃斯田鐵系合金材料包含5至75wt%的鐵、7至75wt%的鎳、15至35wt%的鉻以及其他不可避免的雜質。
3. 如申請專利範圍第1項所述之沃斯田鐵系鋼材的製造方法，其中該第一裁減率為5%至10%。
4. 如申請專利範圍第1項所述之沃斯田鐵系鋼材的製造方法，其中該第一裁減率為10%至15%。
5. 如申請專利範圍第1項所述之沃斯田鐵系鋼材的製造方法，其中該第一階段熱加工步驟只進行一次。
6. 如申請專利範圍第1項所述之沃斯田鐵系鋼材的製造方法，其中該多階段熱加工製程係選自於由軋延、鍛造、擠壓及沖壓所組成之一群組的任一者。