TWI579389B - 低降伏比鋼材之製造方法 - Google Patents

Description

低降伏比鋼材之製造方法

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低降伏比(yield ratio)鋼材之製造方法。

典型的雙相鋼係由軟質肥粒鐵與硬質麻田散鐵所組成，其中第一相肥粒鐵為基地，第二相硬質麻田散鐵散佈在肥粒鐵基地中。由於這種複合組織的鋼材兼具質軟及質硬的特性，因而可滿足新一代汽車零組件鋼材之所需，因其除了可提供足夠安全保障外，也具有優良的加工成形特性。

近年來，因應節能環保需求，汽車鋼材如何兼顧高強度與薄尺寸化，一直是世界各先進鋼廠極力投入研發與追求的目標。然而，在雙相組織高強度化的同時，一般如鋼材厚度<3mm時，除了易造成鋼帶邊緣因過冷，而導致其雙相組織、比例及性質與鋼帶全寬中心位置不同外，也容易有板形不良之邊波與中波產生、或表面紅鏽等問題，因而無法滿足後續應用之需求。

此外，傳統雙相組織中，為避免粗大麻田散鐵組織生成或相分佈不均的情形，通常會藉由在成分中添加如 鈮(Nb)與鈦(Ti)等細晶元素，來達成降低鋼材加工時，易由肥粒鐵及麻田散鐵之軟硬相界面、或粗大麻田散鐵晶粒內產生引裂的目的。但是這樣的作法將大幅增加生產成本。

因此，本發明之一目的就是在提供一種低降伏比鋼材之製造方法，其藉由在低碳鋼成分中添加適量合金，但合金成分不包含鈮與鈦，並控制鋼材於熱軋時之粗、精軋軋延比與鋼帶速度，藉此可進一步控制鋼材之組織、厚度與平坦度。故，可使鋼材在不包含鈮與鈦等合金的情況下，達到相同強度等級，且兼具有減薄、低降伏比與高擴孔性的優點。而由於鋼材之合金成分不含鈮與鈦，因此可大幅降低生產成本。

本發明之另一目的是在提供一種低降伏比鋼材之製造方法，其可使鋼材組織中肥粒鐵所占的體積分率比值(Vα)的範圍為約0.06至約0.18，且可使肥粒鐵之平均粒徑從約5μm至約10μm，因此可得具有降伏強度≧約300MPa、以及降伏比範圍從約0.5至約0.8等優良機械性能的鋼材。

根據本發明之上述目的，提出一種低降伏比鋼材之製造方法。在此方法中，提供鋼胚，其中此鋼胚之成分包含碳、矽、錳、磷、硫、鉻、鋁、鈣、氮、鐵與不顯著之雜質，且碳含量0.04wt%~0.09wt%、矽含量0.15wt%以下、錳含量0.5wt%~1.2wt%、磷含量0.10wt%以下、硫含 量0.05wt%以下、鉻含量0.5wt%~1.0wt%、鋁含量0.01wt%~0.05wt%、鈣含量0.05wt%以下、氮含量0.01wt%以下、以及平衡量的鐵。對鋼胚進行再加熱處理，其中此再加熱處理之製程溫度控制在1150℃至1250℃。對鋼胚進行熱軋製程，以獲得完軋鋼材。此熱軋製程包含粗軋程序與精軋程序，其中粗軋程序與精軋程序之軋延比為7.0至9.0，且進行熱軋製程時，鋼胚之鋼帶速度為8.0m/s至9.0m/s。對完軋鋼材進行第一段冷卻處理，以將完軋鋼材降溫至第一溫度，其中第一溫度從600℃至700℃。使此完軋鋼材維持在第一溫度一預設時間。對完軋鋼材進行第二段冷卻處理，以將完軋鋼材降溫至第二溫度，其中第二溫度為350℃以下。對完軋鋼材進行盤捲步驟，以獲得一鋼捲。

依據本發明之一實施例，上述之鋼胚之成分不包含鈮與鈦。

依據本發明之另一實施例，在上述鋼胚之成分中，鈣含量與硫含量之比值小於1。

依據本發明之又一實施例，上述之熱軋製程之完軋溫度控制在沃斯田鐵開始轉換成肥粒鐵的溫度以上。

依據本發明之再一實施例，上述之第一段冷卻處理係層流冷卻處理，且此第一段冷卻處理係以-20℃/s以上的冷卻速度進行。

依據本發明之再一實施例，上述之預設時間的範圍係5秒至10秒。

依據本發明之再一實施例，上述之第二段冷卻處理係以-40℃/s以上的冷卻速度進行。

依據本發明之再一實施例，於盤捲步驟後，上述低降伏比鋼材之製造方法更包含對鋼捲進行酸洗處理，以去除鋼捲之鏽皮。

依據本發明之再一實施例，經上述盤捲步驟後之完軋鋼材之組織包含肥粒鐵與麻田散鐵、或肥粒鐵與變韌鐵，此完軋鋼材之組織中肥粒鐵所占之體積分率比值的範圍從0.06至0.18，且肥粒鐵之平均粒徑為5μm至10μm。

依據本發明之再一實施例，經上述盤捲步驟後之完軋鋼材的降伏強度為大於或等於300MPa，且完軋鋼材的降伏比為從0.5至0.8。

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

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，所附圖式之說明如下：〔圖1〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種低降伏比鋼材之製造方法的流程圖。

有鑑於習知雙相鋼材在製作上的種種不足與缺點，本發明提出一種低降伏比鋼材之製造方法，其藉由冶金 設計與製程參數的調整，來進一步控制鋼材內外質，以製造出可滿足鋼材性能與多元加工應用需求的鋼材。

請參照圖1，其係繪示依照本發明之一實施方式的一種低降伏比鋼材之製造方法的流程圖。在本實施方式中，利用方法100製造低降伏比鋼材時，先進行步驟102，以提供鋼胚。在一些例子中，此鋼胚之成分包含碳、矽、錳、磷、硫、鉻、鋁、鈣、氮與鐵。一般而言，鋼胚還包含有不顯著之雜質。在一些示範例子中，碳含量0.04wt%~0.09wt%、矽含量0.15wt%以下、錳含量0.5wt%~1.2wt%、磷含量0.10wt%以下、硫含量0.05wt%以下、鉻含量0.5wt%~1.0wt%、鋁含量0.01wt%~0.05wt%、鈣含量0.05wt%以下、氮含量0.01wt%以下、以及平衡量的鐵。

在一些特定例子中，鋼胚之成分係由碳、矽、錳、磷、硫、鉻、鋁、鈣、氮、鐵與不顯著之雜質所組成，且在此鋼胚中，碳含量0.04wt%~0.09wt%、矽含量0.15wt%以下、錳含量0.5wt%~1.2wt%、磷含量0.10wt%以下、硫含量0.05wt%以下、鉻含量0.5wt%~1.0wt%、鋁含量0.01wt%~0.05wt%、鈣含量0.05wt%以下、以及氮含量0.01wt%以下，剩餘的部分為不顯著之雜質與平衡量的鐵。在一些示範例子中，鋼胚之成分中的鈣硫比小於1，因此可有利於形成球狀介在物，進而可提升鋼材之彎曲與擴孔加工性。本實施方式之鋼胚成分不含鈮與鈦等昂貴細晶元素，因此可大幅降低生產成本。

接下來，可利用例如煉鋼或電爐等方式，來對鋼胚進行加工製程。對鋼胚所進行之加工製程可視鋼材之後續用途而採用不同步驟來製作成不同型態。在一些例子中，對鋼胚所進行之加工製程可包含再加熱、熱軋、熱軋冷卻、盤捲及酸洗等步驟。在一些示範例子中，可先如步驟104所述，對鋼胚進行再加熱處理。舉例而言，於再加熱處理時，可將製程溫度控制在約1150℃至約1250℃。

於再加熱處理後，可進行步驟106，以對鋼胚進行熱軋製程，藉以獲得完軋鋼材。在一些例子中，此熱軋製程之完軋溫度可例如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。於熱軋時，先對鋼胚進行粗軋程序，於粗軋後再對鋼胚進行精軋程序。在一些示範例子中，進行熱軋時，粗軋與精軋之軋延比可控制在約7.0至約9.0，且鋼帶速度可控制在約8.0m/s至約9.0m/s。

接下來，可進行步驟108，以對完軋鋼材進行第一段冷卻處理。在一些例子中，第一段冷卻處理可為層流冷卻處理。在此層流冷卻處理時，可利用例如噴水方式來降低完軋鋼材之溫度，藉以將鋼材加速冷卻到肥粒鐵變態區。在一些例子中，進行層流冷卻處理時，可將完軋鋼材的溫度冷卻到約600℃至約700℃。此外，對完軋鋼材進行層流冷卻處理時，可例如以約-20℃/s以上的冷卻速度進行。

接著，可進行步驟110，以對第一段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段冷卻處理結束時的溫度一段預設時間，即使鋼材維持在約600℃至 約700℃一段時間。藉由此持溫處理，可使鋼材中產生適量的肥粒鐵及富碳之沃斯田鐵。在一些示範例子中，此預設時間可例如從約5秒至約10秒。

於持溫處理後，可進行步驟112，對經持溫處理後之完軋鋼材進行第二段冷卻處理，以利用例如噴水方式將第一段冷卻處理後之完軋鋼材進一步加速冷卻至約350℃以下。藉此，可使鋼材中之殘留沃斯田鐵變態而完全產生變韌鐵或麻田散鐵，進而使鋼材成為由肥粒鐵與變韌鐵或麻田散鐵所構成之雙相組織。在一些示範例子中，可例如以約-40℃/s以上的冷卻速度對完軋鋼材進行第二段冷卻處理。

接著，可進行步驟114，以在第二段冷卻處理後之溫度下，例如約350℃以下，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，而選擇性地進行步驟116，以利用酸液來對鋼捲進行酸洗處理，藉此去除形成在鋼捲表面上之鏽皮，而大致完成低降伏比鋼材的製作。

本實施方式係採低碳鋼之成分，但並不在低碳鋼之成分中添加鈮與鈦，而是添加其它的適量合金，並搭配控制製程條件，例如控制鋼材於熱軋時之粗、精軋軋延比與鋼帶速度。藉此，可使所生成之鋼材組織中之肥粒鐵所占的體積分率比值(Vα)從約0.06至約0.18，且肥粒鐵之平均粒徑從約5μm至約10μm。因此，可在低生產成本的優勢下，得到具有降伏強度≧約300MPa、以及降伏比範圍從約0.5至約0.8等優良機械性能的鋼材。而且，與傳統製程相較之 下，本實施方式不僅可控制鋼材之微結構組織型態與尺寸，更可進一步控制鋼材之厚度與平坦度，因此可使鋼材在相同強度等級下，具有減薄、低降伏比與高擴孔性的優點。

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，其中表一表列出一比較例與二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條件。

其中，表二之粗精軋比為熱軋製程中之粗軋程序與精軋程序的軋延比，且粗精軋比=(鋼胚原始厚度-熱軋粗軋後之鋼板厚度)/(粗軋後之鋼板厚度-精軋後成品厚度)。

以上表一所列之習知技術之比較例1與本實施方式之實施例1與2的鋼胚成分，並採用上表二所列之再加熱與熱軋等製程條件來製作鋼材。最後建立所形成之鋼材與其表面品質、微觀組織與機械性質的關係，並表列於下表三中。製作方式可採用含有如表一之合金成分與含量的鋼胚，並根據上表二之製程條件對這些鋼胚依序進行再加熱處理、熱軋之粗精軋處理、第一段冷卻處理、持溫處理、第二段冷卻處理、盤捲與酸洗等步驟。

在一些例子中，關於鋼材之組織體積百分率計算，可利用10%重亞硫酸鈉溶液，將鋼材組織之肥粒鐵基地 蝕刻成黑色，而將麻田散鐵染色蝕刻成白色；再利用影像解像儀來測量肥粒鐵及麻田散鐵的晶粒大小，與其所占的體積百分率。在上表三中，微觀組織中的組織欄位內的符號「F」表示肥粒鐵，符號「B」表示變韌鐵，而符號「M」表示麻田散鐵。

進行鋼材之拉伸試驗時，可先將鋼材加工成日本工業規格(JIS)中的5號試片，再進行拉伸試驗，以量測其降伏強度(YS)、抗拉強度(TS)和伸長率(El)等，並利用電子顯微鏡來進行鋼材破斷面之微觀組織的觀察。其中，降伏比為拉伸試驗所得的數值，此數值為降伏強度除以抗拉強度所得之數值。

進行鋼材的擴孔試驗時，係利用30°之圓錐衝頭來對挖有圓形中孔的直徑108mm且厚度3mm之圓形鋼片進行擴孔試驗，其中中孔的直徑為10mm，此中孔主要作為衝壓孔。當此圓形鋼片被衝壓到破裂時，量測並計算此鋼片之擴孔率，並以電子顯微鏡進行衝孔破斷面之微觀組織觀察。關於擴孔率的計算，係在試片衝壓到破裂時，量測破裂裂縫貫穿厚度的孔徑(D_h)，而試片的擴孔率(λ)=[(D_h-10)/10]×100%。

關於鋼材之彎曲裂測試，則是將試片彎曲到1.5R，再觀察其彎曲處是否有微裂縫生成。

根據表三可知，上述比較例1與實施例之鋼胚經利用製程條件1之溫度1150℃再加熱處理後，發現所形成之鋼材組織中的晶粒並無明顯細化。主要的原因在於比較例1 所添加之鈮與鈦合金未充分固溶所致。需將鋼胚之再加熱溫度進一步提高至1200℃以上，才能有效改善鋼材之組織粗化與雙相組織分散不均的問題。

實施例之鋼胚經製程條件1之溫度1150℃再加熱處理、以及較低粗精軋之軋延比的熱軋處理後，發現所獲得之鋼材有明顯雙相組織分散不均與表面紅鏽問題。但將熱軋之粗精軋比提高至7.0以上(如上表二之製程條件2~4)，即使再加熱溫度未達1200℃以上、且鋼胚成分中無鈮與鈦等細晶圓速的添加，仍可得到具均勻分散之雙相組織與無表面紅鏽的鋼材品質，如上表三所示。

具上表一所列之成分的鋼胚經完軋溫度Ar3以上之熱軋製程後，若經第一段冷卻處理(層流冷卻處理)而將完軋鋼材降溫至600℃~700℃並持溫，且控制完冷溫度在200℃以下(如表二之製程條件1~3)時，可得到肥粒鐵與麻田散鐵組織。然，若完冷溫度控制在200℃至350℃(如表二之製程條件4)，則會形成肥粒鐵與變韌鐵組織，並且鋼材具有良好的擴孔性。此外，若第二段冷卻處理之冷速<-40℃/s，鋼材內將生成肥粒鐵、變韌鐵與麻田散鐵之多相組織，因此第二段冷卻處理之冷速需控制在-40℃/s以上。

上表一之鋼胚在熱軋之粗精軋比的減少、以及層流冷卻處理降溫至600℃~700℃，且持溫時間增加的製程條件下，所獲得之鋼材的雙相組織中，肥粒鐵的體積百分率(Vα)皆有增加的情形。以表三的四種製程條件所製成之鋼材中，肥粒鐵的平均粒徑均可控制在5μm~10μm。

上表一之鋼胚在熱軋過程中，若鋼帶速度<8.0m/s，可發現鋼帶有明顯邊波或中波產生。但是隨著鋼帶速度提升至8m/s~9m/s，即使鋼材被軋延至2.6mm的厚度，亦可得到平坦度良好的鋼捲。一般而言，雙相鋼為得到穩定的組織與機械性質，通常只能生產厚度3mm以上的產品。

比較例1之鋼胚成分中的鈣硫比≧1，其經表二之熱軋製程處理後，皆可觀察到鋼材之組織中有明顯中心偏析與長條狀介在物生成，如此將不利於鋼材之擴孔與彎曲加工，如上表三所示。進一步分析此實驗結果，可知若能將鋼胚成分中鈣硫比控制在1以下，如實施例1與2，將有利於鋼材組織形成球狀介在物，藉此可提升鋼材之擴孔與彎曲加工性。

由表三之鋼材微觀組織與機械性質的對應關係可知，雙相組織的分佈不均以及鋼帶有中心偏析產生，均不利於鋼材的擴孔與彎曲性能表現。

由上述之實施方式可知，本發明之一優點就是因為本發明之低降伏比鋼材之製造方法藉由在低碳鋼成分中適量且共同添加碳、矽、錳、磷、硫、鉻、鋁及鈣等合金元素，但不添加鈮與鈦等昂貴的細晶元素，並控制鋼材於熱軋時之粗、精軋軋延比與鋼帶速度，藉此可進一步控制鋼材之組織、厚度與平坦度。因此，可使鋼材在較低之生產成本下，達到相同強度等級，且兼具有減薄、低降伏比與高擴孔性的優點。

由上述之實施方式可知，本發明之另一優點就是因為本發明之低降伏比鋼材之製造方法可使鋼材組織中肥粒鐵所占的體積分率比值(Vα)的範圍為約0.06至約0.18，且可使肥粒鐵之平均粒徑從約5μm至約10μm，因此可得具有降伏強度≧約300MPa、以及降伏比範圍從約0.5至約0.8等優良機械性能的鋼材。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此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，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

102‧‧‧步驟

104‧‧‧步驟

106‧‧‧步驟

108‧‧‧步驟

110‧‧‧步驟

112‧‧‧步驟

114‧‧‧步驟

116‧‧‧步驟

Claims (9)

1. 一種低降伏比鋼材之製造方法，包含：提供一鋼胚，其中該鋼胚之成分包含碳、矽、錳、磷、硫、鉻、鋁、鈣、氮、鐵與不顯著之雜質，且碳含量0.04wt%~0.09wt%、矽含量0.15wt%以下、錳含量0.5wt%~1.2wt%、磷含量0.10wt%以下、硫含量0.05wt%以下、鉻含量0.5wt%~1.0wt%、鋁含量0.01wt%~0.05wt%、鈣含量0.05wt%以下、氮含量0.01wt%以下、以及平衡量的鐵；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1150℃至1250℃；對該鋼胚進行一熱軋製程，以獲得一完軋鋼材，其中該熱軋製程包含一粗軋程序與一精軋程序，該粗軋程序與該精軋程序之軋延比為7.0至9.0，且進行該熱軋製程時，該鋼胚之一鋼帶速度為8.0m/s至9.0m/s；對該完軋鋼材進行一第一段冷卻處理，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℃；使該完軋鋼材維持在該第一溫度一預設時間，其中該預設時間的範圍係5秒至10秒；對該完軋鋼材進行一第二段冷卻處理，以將該完軋鋼材降溫至一第二溫度，其中該第二溫度為350℃以下；以及對該完軋鋼材進行一盤捲步驟，以獲得一鋼捲。
2. 如申請專利範圍第1項之低降伏比鋼材之製造方法，其中該鋼胚之成分不包含鈮與鈦。
3. 如申請專利範圍第1項之低降伏比鋼材之製造方法，其中在該鋼胚之成分中，鈣含量與硫含量之比值小於1。
4. 如申請專利範圍第1項之低降伏比鋼材之製造方法，其中該熱軋製程之一完軋溫度控制在沃斯田鐵開始轉換成肥粒鐵的溫度以上。
5. 如申請專利範圍第1項之低降伏比鋼材之製造方法，其中該第一段冷卻處理係一層流冷卻處理，且該第一段冷卻處理係以-20℃/s以上的冷卻速度進行。
6. 如申請專利範圍第1項之低降伏比鋼材之製造方法，其中該第二段冷卻處理係以-40℃/s以上的冷卻速度進行。
7. 如申請專利範圍第1項之低降伏比鋼材之製造方法，於該盤捲步驟後，更包含對該鋼捲進行一酸洗處理，以去除該鋼捲之鏽皮。
8. 如申請專利範圍第1項之低降伏比鋼材之製造方法，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、或肥粒鐵與變韌鐵，且該完軋鋼材之組織中肥粒鐵所占之體積分率比值的範圍從0.06至0.18，且肥粒鐵之平均粒徑為5μm至10μm。
9. 如申請專利範圍第1項之低降伏比鋼材之製造方法，其中經該盤捲步驟後之該完軋鋼材的降伏強度為大於或等於300MPa，且該完軋鋼材的降伏比為從0.5至0.8。