TWI642794B

TWI642794B - High-strength low-alloy steel and manufacturing method thereof

Info

Publication number: TWI642794B
Application number: TW106128865A
Authority: TW
Inventors: 陳志慶; 王元聰
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2017-08-25
Publication date: 2018-12-01
Also published as: TW201912808A

Abstract

本發明係關於一種高強度低合金鋼材及其製造方法。該高強度低合金鋼材之製造方法包括以下步驟：提供一鋼胚，該鋼胚以總重為100wt%計算，包括0.25-0.35wt%的碳、0.4wt%以下的矽、0.7-1.2wt%的錳、0.01wt%以下的磷、0.005wt%以下的硫、1.0wt%以下的鉻、0.5wt%以下的鉬、1.0wt%以下的鎳、0.01-0.05wt%的鋁、0.05wt%以下的鈣、0.01wt%以下的氮以及其餘之鐵與不可避免之雜質；將該鋼胚加熱至1050-1200℃；熱軋該鋼胚，並將完軋溫度控制在Ar3溫度+50℃以上，以獲得一完軋鋼材；對該完軋鋼材進行淬火處理；以及對淬火後之該完軋鋼材進行回火處理，以製得高強度低合金鋼材。

Description

高強度低合金鋼材及其製造方法

本發明係關於一種鋼材及其製造方法，且更特定言之，係關於一種高強度低合金鋼材及其製造方法。

耐磨鋼材為採礦、煉鋼、建築及運輸等工業中十分重要的消耗性鋼品，此類鋼材需具備足夠的硬度，以抵擋使用環境中礦砂或其他高硬度磨粒對鋼材所造成的磨耗，另一方面亦需具備足夠的韌性，以避免在挖、鏟等動作中因韌性不足而造成部件的損壞。

為了達到高硬度與適當的韌性，習知耐磨鋼材係採再熱淬火方式生產。然而，再熱淬火方式生產須於軋延冷卻後將鋼材分切，並再熱至沃斯田鐵化溫度後進行淬火，故對於能源的損耗較大，且生產效率低。

因此，有必要提供一創新且具進步性之高強度低合金鋼材及其製造方法，以解決上述問題。

在一實施例中，一種高強度低合金鋼材，以總重為100wt%計算，包括0.25-0.35wt%的碳、0.4wt%以下的矽、0.7-1.2wt%的錳、0.01wt%以下的磷、0.005wt%以下的硫、1.0wt%以下的鉻、0.5wt%以下的鉬、1.0wt%以下的鎳、0.01-0.05wt%的鋁、0.05wt%以下的鈣、0.01wt%以下的氮以及其餘之鐵與不可避免之雜質。

在一實施例中，一種高強度低合金鋼材之製造方法包括以下步驟：提供一鋼胚，該鋼胚以總重為100wt%計算，包括0.25-0.35wt%的碳、0.4wt%以下的矽、0.7-1.2wt%的錳、0.01wt%以下的磷、0.005wt%以下的硫、1.0wt%以下的鉻、0.5wt%以下的鉬、1.0wt%以下的鎳、0.01-0.05wt%的鋁、0.05wt%以下的鈣、0.01wt%以下的氮以及其餘之鐵與不可避免之雜質；將該鋼胚加熱至1050-1200℃；熱軋該鋼胚，並將完軋溫度控制在Ar3溫度+50℃以上，以獲得一完軋鋼材；對該完軋鋼材進行淬火處理；以及對淬火後之該完軋鋼材進行回火處理，以製得高強度低合金鋼材。

本發明提供一種高強度低合金鋼材，以總重為100wt%計算，包括0.25-0.35wt%的碳、0.4wt%以下的矽、0.7-1.2wt%的錳、0.01wt%以下的磷、0.005wt%以下的硫、1.0wt%以下的鉻、0.5wt%以下的鉬、1.0wt%以下的鎳、0.01-0.05wt%的鋁、0.05wt%以下的鈣、0.01wt%以下的氮以及其餘之鐵與不可避免之雜質。

所述高強度低合金鋼材之顯微組織包含回火麻田散鐵，且所述回火麻田散鐵的比例大於或等於85%。此外，所述回火麻田散鐵內含碳化物，且所述碳化物之長軸尺寸為60至200 nm。在本實施例中，所述碳化物為雪明碳鐵(Fe ₃C)。

圖1顯示本發明高強度低合金鋼材之製造方法流程圖。參閱圖1之步驟S11，提供一鋼胚，該鋼胚以總重為100wt%計算，包括0.25-0.35wt%的碳、0.4wt%以下的矽、0.7-1.2wt%的錳、0.01wt%以下的磷、0.005wt%以下的硫、1.0wt%以下的鉻、0.5wt%以下的鉬、1.0wt%以下的鎳、0.01-0.05wt%的鋁、0.05wt%以下的鈣、0.01wt%以下的氮以及其餘之鐵與不可避免之雜質。

參閱步驟S12，將該鋼胚加熱至1050-1200℃。

參閱步驟S13，熱軋該鋼胚，並將完軋溫度控制在Ar3溫度+50℃以上，以獲得一完軋鋼材。此步驟所述Ar3溫度為沃斯田鐵開始變態成肥粒鐵的起始溫度，而熱軋該鋼胚之精軋階段的啟動溫度為850-900℃。

參閱步驟S14，對該完軋鋼材進行淬火處理。在此步驟中，所述淬火處理之起冷溫度在Ar3溫度+20℃以上，而冷卻速率為20-50℃/秒，以避免肥粒鐵與變韌鐵相變態反應的發生。此外，完冷溫度係低於300℃，以得到回火麻田散鐵與麻田散鐵所構成之雙相組織。

參閱步驟S15，對淬火後之該完軋鋼材進行回火處理，以製得高強度低合金鋼材。在此步驟中，所述回火處理之溫度為150-200℃，時間為1小時。

本發明結合控制軋延與直接淬火製程，於沃斯田鐵非再結晶溫度下進行控制軋延，並於鋼材溫度下降至肥粒鐵與沃斯田鐵兩相區之前進行線上直接淬火，其所製得之高強度低合金鋼材可具有降伏強度≥1150 MPa、抗拉強度≥1750 MPa及延伸率≥15%之優良機械性能；其勃氏硬度(Brinell hardness)可達510HBW以上；其淬火狀態下於-40℃低溫縱向衝擊值可達40J，橫向衝擊值可達30J；其回火後-40℃縱向衝擊值更可高達44J，橫向衝擊值亦提昇至34J。因此，本發明之高強度低合金鋼材可滿足機械構造需兼具高強度、高韌性與高耐磨之部件的性能需求。

再者，相較於習知耐磨鋼材生產所採取的再熱淬火方式，本發明結合控制軋延與線上直接淬火的生產方式，可大幅降低能源損耗及提高生產效率，並且藉由控制軋延階段所產生的大量缺陷，於淬火過程中析出大量的碳化物，形成均勻的回火麻田散鐵與麻田散鐵組織，可顯著提昇鋼材軋向(RD)面高角度晶界密度達2200 mm ^-1以上，使本發明之鋼材的性能優於習知再熱淬火鋼。

茲以下列實例予以詳細說明本發明，唯並不意謂本發明僅侷限於此等實例所揭示之內容。

[ 發明例 1~6]

發明例1之鋼材成份為0.25-0.35wt%的碳、0.4wt%以下的矽、0.7-1.2wt%的錳、0.01wt%以下的磷、0.005wt%以下的硫、1.0wt%以下的鉻、0.5wt%以下的鉬、1.0wt%以下的鎳、0.01-0.05wt%的鋁、0.05wt%以下的鈣、0.01wt%以下的氮以及其餘之鐵與不可避免之雜質。

發明例2~6之鋼材成份同發明例1。發明例2~6之回火溫度分別為150℃、200℃、250℃、300℃及450℃，回火時間為1小時。

[ 測試 ]

硬度試驗：將發明例1~6之鋼材表面磨除1 mm厚度之後，利用勃氏硬度試驗機以3000 kgf荷重搭配碳化鎢壓頭進行試驗。

低溫衝擊試驗：發明例1~6之鋼材加工成具備v型凹槽的標準夏比衝擊試片尺寸(10 mmÍ10 mmÍ55 mm)，冷卻至-40℃後進行衝擊試驗，分別量測縱向(L向)與橫向(T向)之衝擊吸收值，並以電子顯微鏡觀察破斷面之顯微組織。

顯微組織觀察：利用光學顯微鏡搭配電子顯微鏡對發明例1~6之試片進行不同尺度下之觀察，並利用背向散射電子繞射技術(EBSD)分析發明例1之鋼材軋向(RD)面之高角度晶界密度。

[ 結果 ]

發明例1~6之鋼材進行上述測試後，所得之結果如表1所示。表1.發明例1～6之鋼材硬度、低溫衝擊值及顯微組織結果 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> </td><td> 厚度 (mm) </td><td> 回火溫度 (℃) </td><td> 勃氏硬度 (HBW) </td><td> CVN<sub>-40</sub><sub>℃</sub> (J) </td><td> 顯微組織 </td></tr><tr><td> 縱向 (1/2厚度) </td><td> 橫向 (1/2厚度) </td></tr><tr><td> 發明例1 </td><td> 15 </td><td> 無 </td><td> 512.8±4.4 </td><td> 40.5±4.0 </td><td> 30.0±4.0 </td><td> 回火麻田散鐵+麻田散鐵 </td></tr><tr><td> 發明例2 </td><td> 15 </td><td> 150 </td><td> 489.5±3.7 </td><td> 43.8±2.3 </td><td> 34.3±2.6 </td><td> 回火麻田散鐵 </td></tr><tr><td> 發明例3 </td><td> 15 </td><td> 200 </td><td> 496.3±3.4 </td><td> 44.1±0.0 </td><td> 33.7±3.7 </td><td> 回火麻田散鐵 </td></tr><tr><td> 發明例4 </td><td> 15 </td><td> 250 </td><td> 486.3±1.3 </td><td> 27.8±6.5 </td><td> 19.9±4.9 </td><td> 回火麻田散鐵+片狀碳化物 </td></tr><tr><td> 發明例5 </td><td> 15 </td><td> 300 </td><td> 467.0±7.7 </td><td> 16.7±4.2 </td><td> 18.6±1.4 </td><td> 回火麻田散鐵+片狀、顆粒狀碳化物 </td></tr><tr><td> 發明例6 </td><td> 15 </td><td> 450 </td><td> 384.5±3.4 </td><td> 54.4±3.5 </td><td> 35.8±2.1 </td><td> 回火麻田散鐵+顆粒狀碳化物 </td></tr></TBODY></TABLE>

由表1之結果可發現發明例1之鋼材的顯微組織由回火麻田散鐵與麻田散鐵所構成，其中回火麻田散鐵的比例約占85%，且内部充斥大量瀰散分布之Fe ₃C。此外，發明例1之鋼材軋向(RD)面之晶界分布經由EBSD計算與分析後，可得知軋向(RD)面高角度晶界密度為2274 mm ^-1，高於橫向(TD)面高角度晶界密度1659 mm ^-1，使發明例1之縱向(衝擊破裂面沿RD面前進)具有更高的低溫衝擊吸收能。

發明例2及3之結果顯示經過150℃與200℃回火之後，鋼材之顯微組織全由回火麻田散鐵所構成，且内部具有大量瀰散分布之Fe ₃C。發明例4及5之顯微組織中瀰散碳化物的數量減少，並且有片狀及尺寸為0.5-1.0 µm之顆粒狀碳化物析出於顯微結構中的邊界上。發明例6之結果顯示經過450℃回火後，鋼材之顯微組織中的碳化物已成為較粗、短之型態，且數量較其他發明例少。

表1之結果亦顯示發明例1~4皆具備HB500等級之硬度，而低溫衝擊吸收能則以發明例2及3最佳（縱向約44J，橫向約34J），發明例1次之。發明例4則因為片狀碳化物析出，使其衝擊吸收能表現最差。上述結果說明最佳回火條件為發明例2及3所分別使用之150℃及200℃。

經由對發明例1~6之衝擊破斷面的表面形貌觀察，發現發明例1~3之破斷面特徵為延性破壞，而含有片狀或顆粒狀碳化物的發明例4~6則呈現準劈裂破壞特徵，該等鋼材於發明例1~3的條件下，仍可保有良好的韌性。

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。

S11~S15‧‧‧步驟

圖1顯示本發明高強度低合金鋼材之製造方法流程圖。

Claims

一種高強度低合金鋼材，以總重為100wt%計算，包括0.25-0.35wt%的碳、0.4wt%以下的矽、0.7-1.2wt%的錳、0.01wt%以下的磷、0.005wt%以下的硫、1.0wt%以下的鉻、0.5wt%以下的鉬、1.0wt%以下的鎳、0.01-0.05wt%的鋁、0.05wt%以下的鈣、0.01wt%以下的氮以及其餘之鐵與不可避免之雜質，其顯微組織包含回火麻田散鐵，所述回火麻田散鐵的比例大於或等於85%。
如請求項1之高強度低合金鋼材，其中所述回火麻田散鐵內含碳化物，所述碳化物之長軸尺寸為60至200nm。
如請求項2之高強度低合金鋼材，其中所述碳化物為雪明碳鐵(Fe₃C)。
如請求項1之高強度低合金鋼材，其顯微組織另包含麻田散鐵。
如請求項1之高強度低合金鋼材，其軋向面高角度晶界密度大於2200mm^-1。
一種高強度低合金鋼材之製造方法，包括以下步驟：提供一鋼胚，該鋼胚以總重為100wt%計算，包括0.25-0.35wt%的碳、0.4wt%以下的矽、0.7-1.2wt%的錳、0.01wt%以下的磷、 0.005wt%以下的硫、1.0wt%以下的鉻、0.5wt%以下的鉬、1.0wt%以下的鎳、0.01-0.05wt%的鋁、0.05wt%以下的鈣、0.01wt%以下的氮以及其餘之鐵與不可避免之雜質；將該鋼胚加熱至1050-1200℃；熱軋該鋼胚，並將完軋溫度控制在Ar3溫度+50℃以上，以獲得一完軋鋼材；對該完軋鋼材進行淬火處理；以及對淬火後之該完軋鋼材進行回火處理，以製得高強度低合金鋼材，所述高強度低合金鋼材之顯微組織包含回火麻田散鐵，所述回火麻田散鐵的比例大於或等於85%。
如請求項6之高強度低合金鋼材之製造方法，其中所述Ar3溫度為沃斯田鐵開始變態成肥粒鐵的起始溫度。
如請求項6之高強度低合金鋼材之製造方法，其中熱軋該鋼胚之精軋階段的啟動溫度為850-900℃。
如請求項6之高強度低合金鋼材之製造方法，其中所述淬火處理之起冷溫度在Ar3溫度+20℃以上。
如請求項6之高強度低合金鋼材之製造方法，其中所述淬火處理之冷卻速率為20-50℃/秒。
如請求項6之高強度低合金鋼材之製造方法，其中所述淬火處理之完冷溫度低於300℃。
如請求項6之高強度低合金鋼材之製造方法，其中所述回火處理之溫度為150-200℃。
如請求項6之高強度低合金鋼材之製造方法，其中所述回火處理之時間為1小時。
如請求項6之高強度低合金鋼材之製造方法，其中所述回火麻田散鐵內含碳化物，所述碳化物之長軸尺寸為60至200nm。
如請求項14之高強度低合金鋼材之製造方法，其中所述碳化物為雪明碳鐵(Fe₃C)。