TWI668314B - 擴孔型鋼材及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種擴孔型鋼材及其製造方法。此擴孔型鋼材包含約0.05wt%至約0.1wt%的碳、約0.1wt%以下的矽、約1.0wt%至約2.0wt%的錳、約0.03wt%以下的磷、約0.01wt%以下的硫、約0.1wt%以下的鈮、約0.1wt%以下的鈦、約0.1wt%以下的釩、約0.3wt%以上的鉻、約0.02wt%至約0.06wt%的鋁、平衡量的鐵、以及不顯著之雜質。

Description

擴孔型鋼材及其製造方法

本發明是有關於一種鋼材及其製造方法，且特別是有關於一種擴孔型鋼材及其製造方法。

針對抗拉強度需求在590MPa以上的熱軋鋼材，一般除了必須採用固溶強化與細晶強化等作法外，大都需額外搭配相變強化技術，才能促使鋼材的抗拉強度達到所需目標。雖然利用額外添加鈦(Ti)與釩(V)元素來進行析出強化的作法亦可使鋼材的抗拉強度達到所需目標，但這樣的作法將增加鋼材原料的成本。因此，相較之下，利用相變強化方式來使鋼材的抗拉強度高於590MPa的作法比較經濟。

相變強化的作法係透過設計鋼材的顯微組織，來使鋼材在其較軟的肥粒鐵基地中存在有高強的第二相，藉此可有效提高鋼材的整體強度。有一些文獻提及，在抗拉強度需求590MPa以上的熱軋鋼材中，高強第二相可設計為麻田散鐵、波來鐵、或變韌鐵。若熱軋鋼材之高強第二相為麻田散鐵或波來鐵時，由於麻田散鐵或波來鐵的硬度與肥粒鐵基地間的差異較大，因此在鋼材變形時兩相之間的變形協調 能力會比較差，如此將促使微裂縫在鋼材兩相間的界面處成核與擴展，而使得鋼材的擴孔率較差。而若熱軋鋼材之高強第二相為變韌鐵時，由於變韌鐵的硬度與肥粒鐵基地間的差異較小，因此在鋼材變形時此兩相之間的變形協調能力較佳，而使得鋼材的擴孔率較佳。故，目前在高強度熱軋擴孔鋼材之顯微組織的設計上，大多以肥粒鐵與變韌鐵為主，鋼材中另有部分不可避免的雪明碳鐵存在。

本發明之一目的就是在提供一種擴孔型鋼材及其製造方法，其合金架構以碳(C)-錳(Mn)-鈮(Nb)-鉻(Cr)為主。採低碳合金設計，以抑制不利擴孔性之波來鐵的生成；利用鈮來產生肥粒鐵晶粒的細化效果，藉此可細晶強化，進而提升鋼材之擴孔性；以及利用鉻來提升變韌鐵的比例來強化鋼材，並促使雪明碳鐵的形狀由長條狀轉變為顆粒狀，藉此可進一步提升鋼材的擴孔性。

本發明之另一目的就是在提供一種擴孔型鋼材之製造方法，其藉由將熱軋製程的完軋溫度控制在沃斯田鐵至肥粒鐵相變溫度以上，且將盤捲溫度控制在肥粒鐵開始轉變成變韌鐵之相變溫度以下，藉此不僅可避免波來鐵的生成，更可使擴孔型鋼材的顯微組織以肥粒鐵和變韌鐵為主，因此可提升擴孔型鋼材之抗拉強度與擴孔性。

根據本發明之上述目的，提出一種擴孔型鋼材。以此擴孔型鋼材為100wt%計，此擴孔型鋼材包含約 0.05wt%至約0.1wt%的碳、約0.1wt%以下的矽、約1.0wt%至約2.0wt%的錳、約0.03wt%以下的磷、約0.01wt%以下的硫、約0.1wt%以下的鈮、約0.1wt%以下的鈦、約0.1wt%以下的釩、約0.3wt%以上的鉻、約0.02wt%至約0.06wt%的鋁、平衡量的鐵、以及不顯著之雜質。

依據本發明之一實施例，上述之擴孔型鋼材包含約0.3wt%至約0.5wt%的鉻。

依據本發明之一實施例，上述之擴孔型鋼材包含約0.4wt%以上的鉻。

依據本發明之一實施例，上述之擴孔型鋼材之顯微組織包含肥粒鐵、變韌鐵、以及雪明碳鐵，且變韌鐵之體積分率為擴孔型鋼材的約20%至約40%。

依據本發明之一實施例，上述之擴孔型鋼材之1/4厚度位置之雪明碳鐵的長軸/短軸比率小於約7。

根據本發明之上述目的，另提出一種擴孔型鋼材之製造方法。在此方法中，提供鋼胚。以此鋼胚為100wt%計，鋼胚包含約0.05wt%至約0.1wt%的碳、約0.1wt%以下的矽、約1.0wt%至約2.0wt%的錳、約0.03wt%以下的磷、約0.01wt%以下的硫、約0.1wt%以下的鈮、約0.1wt%以下的鈦、約0.1wt%以下的釩、約0.3wt%以上的鉻、約0.02wt%至約0.06wt%的鋁、平衡量的鐵、以及不顯著之雜質。對鋼胚進行熱軋製程，以獲得熱軋鋼板，其中進行熱軋製程包含控制完軋溫度在沃斯田鐵開始轉換成肥粒鐵的 溫度以上。對熱軋鋼板進行層流冷卻處理。於層流冷卻處理後，對熱軋鋼板進行盤捲處理，以獲得鋼捲，其中進行盤捲處理時包含控制盤捲溫度在肥粒鐵開始轉變成變韌鐵的相變溫度以下。

依據本發明之一實施例，上述對鋼胚進行熱軋製程時包含對鋼胚進行加熱處理，進行加熱處理時包含控制加熱溫度為約1150℃至約1300℃。

依據本發明之一實施例，上述之完軋溫度為約800℃至約1000℃。

依據本發明之一實施例，上述進行層流冷卻處理時包含控制冷卻速率為約50℃/秒至約100℃/秒。

依據本發明之一實施例，上述之盤捲溫度為約450℃至約550℃。

100‧‧‧操作

110‧‧‧操作

120‧‧‧操作

130‧‧‧操作

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擴孔型鋼材之製造方法的流程圖；以及〔圖2〕係繪示依照本發明之一實施方式的一種擴孔型鋼材之鉻含量與擴孔率及抗拉強度的關係曲線圖。

提升鋼材之顯微組織中之變韌鐵的體積分率可提升鋼材之變韌鐵硬化能。一般常見用以提升鋼材變韌鐵之硬化能的合金設計係添加錳及/或鉻。採添加錳合金之方式會促進硫化錳介在物的生成，如此會增加鋼材中微裂縫的成核位置，不利於擴孔性。當鋼材的顯微組織中存在硫化錳介在物時，除了將增加鋼材之微裂縫的成核位置外，由於硫化錳介在物之形狀經熱軋後呈長條狀，因此當微裂縫於硫化錳/肥粒鐵之間的晶界處成核後，即容易沿著長條狀界面而快速擴展，不利於擴孔性。有研究指出，利用鈣處理方式可使得熱軋鋼材中的硫化物形狀不再呈現長條狀時，可提升鋼材的擴孔性。此外，錳為主要的偏析元素之一，且與碳的親和力良好，因此錳的添加將促使碳原子擴散到錳偏析的位置，造成在錳偏析位置容易生成帶狀波來鐵，如此對於鋼材的擴孔性相當不利。

另一方面，若採添加鉻合金的方式，雖然鉻與碳的親和力亦良好，但由於鉻不易造成偏析，因此不會在鋼材中造成帶狀波來鐵生成的現象。由於鉻與碳的親和力良好，因此鉻會干擾碳原子的擴散行為。有研究指出，提高鋼材中之鉻的添加量易使波來鐵中的片層狀雪明碳鐵轉變為顆粒狀，且可使雪明碳鐵的尺寸細化。根據鋼材中鉻對碳化物的影響，本案發明人評估鉻對鋼材的擴孔性有利，而在此提出一種擴孔型鋼材及其製造方法。

本案針對抗拉強度590MPa以上等級之擴孔型熱軋鋼材，設計不同鉻含量的鋼胚並投入試製。在本發明之 試驗中，除了在熱軋製程上控制鋼捲的盤捲溫度，而使得擴孔型鋼材的顯微組織以肥粒鐵和變韌鐵為主之外，另觀察擴孔型鋼材之顯微組織中的雪明碳鐵的形狀是否受到鉻含量影響。發明人觀察試驗的結果後發現，當鋼胚中的鉻含量越高時，長條狀雪明碳鐵的比例明顯減少，而可使雪明碳鐵多呈顆粒狀。在後續鋼材的擴孔試驗中，發明人亦發現擴孔型鋼材的平均擴孔率隨鋼材之鉻含量的增加而提升，發明人經評估而認為該效益可能是由雪明碳鐵之形狀改變所做的貢獻。

本發明之實施例之擴孔型鋼材具有高擴孔性，可應用於各式高擴孔性需求的產品上，例如汽車之底盤、懸架臂、橫樑、與車輪等汽車用鋼。此擴孔型鋼材的合金架構可例如以碳-錳-鈮(Nb)-鉻為主。另外，此擴孔型鋼材在製作時，將熱軋製程的盤捲溫度控制在一定範圍內，藉以使鋼材之顯微組織係以肥粒鐵和變韌鐵為主。

在本發明之一些實施例中，擴孔型鋼材可包含碳、矽(Si)、錳、磷(P)、硫(S)、鈮、鈦、釩、鉻、鋁(Al)、平衡量的鐵、以及不顯著之雜質。

碳屬於鋼鐵中的主要強化元素。除了碳原子易落在鐵原子晶間而達到格隙型固溶強化效果外，碳原子亦容易累積於高密度差排位置，而可阻礙差排移動，進而達到強化效果。然而，鋼胚中碳含量過高時易促使波來鐵等碳化物生成，而不利於鋼材之擴孔性。因此，本發明之實施例的合 金設計主要並不透過碳來強化鋼材，而係使碳含量處於較低的水準，藉此來確保鋼材的擴孔性。

錳的添加除了可增加鋼材中變韌鐵的體積分率外，亦可提升變韌鐵本身的強度，因此可提升變韌鐵的硬化能。然而，錳的添加會促使硫化錳介在物生成，而不利於鋼材的擴孔性。此外，錳亦容易產生偏析，且與碳的親和力良好，因而易使碳原子擴散至錳偏析的位置，而於錳偏析位置處生成帶狀波來鐵，也是不利於鋼材的擴孔性。因此，本發明之實施例的合金設計主要並不透過錳來提升變韌鐵的硬化能，而係使錳含量於較低的水準，藉此來確保鋼材的擴孔性。

磷的添加雖然對肥粒鐵有固溶強化的效果，但由於磷易偏析於先前沃斯田鐵晶界，而弱化晶界強度，進而使得最終鋼材產品的加工性劣化。因此，本發明之實施例的合金設計係降低磷的含量。

硫也易偏析於先前沃斯田鐵晶界而弱化晶界強度，更會促進硫化錳的生成，不利於鋼材的擴孔性。因此，本發明之實施例的合金設計係降低硫的含量。

矽的添加雖然對於鋼材的擴孔性有許多有利的效果，例如肥粒鐵的晶型會趨向等軸、抑制雪明碳鐵的生成、以及提升肥粒鐵硬度以縮小與變韌鐵之間的硬度差等，但矽容易在熱軋鋼捲的表面形成紅色氧化物，即所謂的「紅銹」表面缺陷。因此，本發明之實施例的合金設計不額外添加矽，並將矽含量控制在一定程度以下。

鈮的添加將產生鈮的奈米析出碳氮化物。這樣的析出物可抑制先前沃斯田鐵再結晶，而使得先前沃斯田鐵在熱軋過程中被軋得扁平，如此在後續鋼板溫度下降後產生沃斯田鐵至肥粒鐵相變態時，肥粒鐵的尺寸可被細化，進而可達到細晶強化的效果。晶粒細化可使微裂縫的擴展受到嚴重偏折，因此有利於鋼材的擴孔性。然而，鈮若添加過量，將不再額外產生細晶效果，強化效果達到飽和，僅徒增原料成本。因此，本發明之實施例的合金設計僅適量添加鈮。

鉻的添加除了可增加鋼材中變韌鐵的體積分率外，亦可提升變韌鐵本身的強度，因此可提升變韌鐵的硬化能。此外，鉻可干擾碳原子的擴散，而可促使雪明碳鐵的形狀球化，並可縮小雪明碳鐵的尺寸。因此，本發明之實施例的合金設計係透過添加鉻以提升鋼材強度、以及改變雪明碳鐵之型態的方式來優化鋼材的擴孔率。

因此，在一些例子中，以擴孔型鋼材成分為100wt%來計，擴孔型鋼材之碳含量為約0.05wt%至約0.1wt%，矽含量為約0.1wt%以下，錳含量為約1.0wt%至約2.0wt%，磷含量為約0.03wt%以下，硫含量為約0.01wt%以下，鈮含量為約0.1wt%以下，鈦含量為約0.1wt%以下，釩含量為約0.1wt%以下，鉻含量為約0.3wt%以上，鋁含量為約0.02wt%至約0.06wt%，平衡量的鐵以及不顯著之雜質。在一些例子中，鉻含量為約0.3wt%至約0.5wt%以上。在另一些例子中，鉻含量為約0.4wt%以上。

擴孔型鋼材之顯微組織可包含肥粒鐵、變韌鐵、以及雪明碳鐵。在鉻含量為約0.4wt%以上的例子中，變韌鐵之體積分率為擴孔型鋼材的約20%至約40%。此外，於擴孔型鋼材之1/4厚度位置之雪明碳鐵的長軸/短軸比率約小於7。

請參照圖1，其係繪示依照本發明之一實施方式的一種擴孔型鋼材之製造方法的流程圖。在一些實施例中，製造擴孔型鋼材時，可先進行操作100，以利用例如熔煉與精煉技術來製備鋼胚，並提供所煉製的鋼胚來進行熱軋。在一些例子中，以擴孔型鋼材成分為100wt%來計，擴孔型鋼材之碳含量為約0.05wt%至約0.1wt%，矽含量為約0.1wt%以下，錳含量為約1.0wt%至約2.0wt%，磷含量為約0.03wt%以下，硫含量為約0.01wt%以下，鈮含量為約0.1wt%以下，鈦含量為約0.1wt%以下，釩含量為約0.1wt%以下，鉻含量為約0.3wt%以上，鋁含量為約0.02wt%至約0.06wt%，平衡量的鐵以及不顯著之雜質。在一些例子中，鉻含量為約0.3wt%至約0.5wt%以上。在另一些例子中，鉻含量為約0.4wt%以上。

接下來，可進行操作110，以對鋼胚進行熱軋製程，而獲得熱軋鋼板。在一些例子中，對鋼胚進行熱軋製程時，可先對鋼胚進行加熱處理。加熱鋼胚時可例如將加熱溫度控制在約1150℃至約1300℃。鋼胚經加熱處理後，可利用熱軋設備熱軋鋼胚。在一些例子中，進行熱軋製程可將 完軋溫度控制在沃斯田鐵開始轉換成肥粒鐵的溫度以上。舉例而言，熱軋製程的完軋溫度可為約800℃至約1000℃。

完成鋼胚的熱軋製程後，可進行操作120，以對熱軋鋼板進行層流冷卻處理。在一些示範例子中，可透過朝熱軋鋼板噴灑冷卻水的方式來冷卻熱軋鋼板。進行層流冷卻處理時可將熱軋鋼胚的冷卻速率控制在約50℃/秒至約100℃/秒。

於層流冷卻處理後，可進行操作130，以對冷卻後之熱軋鋼板進行盤捲處理，而獲得由擴孔型鋼材所盤捲而成的鋼捲。在一些例子中，進行盤捲處理時可將盤捲溫度控制在肥粒鐵開始轉變成變韌鐵之相變溫度以下。舉例而言，盤捲溫度可為約450℃至約550℃。

藉由將熱軋製程的完軋溫度控制在沃斯田鐵至肥粒鐵相變溫度(一般又稱Ar3溫度)以上，且將盤捲溫度控制在肥粒鐵開始轉變成變韌鐵之相變溫度以下，可避免波來鐵的生成，亦可使擴孔型鋼材的顯微組織為以肥粒鐵和變韌鐵為主，其中此擴孔型鋼材中另有部分不可避免的雪明碳鐵存在。在一些示範例子中，擴孔型鋼材中之變韌鐵主要係以變韌肥粒鐵(bainitic ferrite)或針狀肥粒鐵(acicular ferrite)的形式存在。

請參照圖2，其係繪示依照本發明之一實施方式的一種擴孔型鋼材之鉻含量與擴孔率及抗拉強度的關係曲線圖。其中，擴孔型鋼材之抗拉強度係取日本工業標準第5號(JIS No.5)形式之拉伸試片來進行機械性質量測所得的 結果。由圖2可知，當鉻含量為約0.3wt%至約0.5wt%時，擴孔型鋼材的擴孔率可達約60%以上，且抗拉強度可達約590MPa以上。透過掃描式電子顯微鏡的影像來觀察擴孔型鋼材之顯微組織，顯示鉻含量增加後，長條狀雪明碳鐵的數量明顯減少，其中掃描式電子顯微鏡的影像係攝自擴孔型鋼材之1/4厚度位置。

當擴孔型鋼材之鉻含量小於約0.4wt%時，擴孔型鋼材之1/4厚度位置存在部分長條狀雪明碳鐵的長軸/短軸的比率大於約7。而當擴孔型鋼材之鉻含量大於約0.4wt%時，擴孔型鋼材之1/4厚度位置的長條狀雪明碳鐵的長軸/短軸的比率均小於約7。

在擴孔型鋼材中，受到鉻含量增加的影響，雪明碳鐵之長軸/短軸的比率縮短，如此也使得肥粒鐵基地與雪明碳鐵之間的截面積減少，因而不僅擴孔型鋼材在擴孔時微裂縫成核的風險減少，亦可使得微裂縫成核後不易沿著肥粒鐵基地與雪明碳鐵之間的界面快速成長。上述這些現象均可說明擴孔型鋼材之鉻含量增加後，擴孔型鋼材之擴孔性也隨之提升。

由圖2可知，隨著擴孔型鋼材中之鉻含量的增加，擴孔型鋼材之抗拉強度顯著提升。因此，隨著擴孔型鋼材中之鉻含量的增加，擴孔型鋼材的擴孔率與抗拉強度均獲得提升。當擴孔型鋼材之鉻含量大於約0.4wt%時，擴孔型鋼材之擴孔率可穩定達約70%以上，變韌鐵的體積分率占擴 孔型鋼材之整體組織的約20%至約40%，抗拉強度可穩定達約600MPa以上。

以下利用多個試驗例子，來更具體說明利用本實施方式的技術內容與功效。這些擴孔型鋼材之試驗例子的鉻含量、擴孔型鋼材之1/4厚度位置之長條狀雪明碳鐵的長軸/短軸比率、擴孔率、變韌鐵之體積分率、抗拉強度、降伏強度、與伸長率列示於下表1中。

根據上表1之試驗結果可知，擴孔型鋼材之鉻含量增加之後，擴孔型鋼材1/4厚度位置之長條狀雪明碳鐵的長軸/短軸比率下降，使得擴孔型鋼材之擴孔性提升。此外，變韌鐵的體積分率也隨擴孔型鋼材之鉻含量增加而提升，使得擴孔型鋼材之抗拉強度隨之增加。

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擴孔型鋼材及其製造方法，其採低碳合金設計來抑制不利擴孔性之波來鐵的生成，並利用鈮來產生肥粒鐵晶粒的細化效果，不僅可細晶強化更可提升鋼材之擴孔性，且利用鉻來提升變韌鐵的比例來強化鋼材，以及促使雪明碳鐵的形狀轉變為顆粒狀，而可進一步提升鋼材的擴孔性。

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擴孔型鋼材之製造方法透過控制熱軋製程的完軋溫度與盤捲溫度，來避免波來鐵的生成，且使擴孔型鋼材的顯微組織為以肥粒鐵和變韌鐵為主，因此可提升擴孔型鋼材之抗拉強度與擴孔性。

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。

Claims (9)

1. 一種擴孔型鋼材，以該擴孔型鋼材為100wt%計，該擴孔型鋼材包含：0.05wt%至0.1wt%的碳；0.1wt%以下的矽；1.0wt%至2.0wt%的錳；0.03wt%以下的磷；0.01wt%以下的硫；0.1wt%以下的鈮；0.1wt%以下的鈦；0.1wt%以下的釩；0.3wt%以上的鉻；0.02wt%至0.06wt%的鋁；平衡量的鐵；以及不顯著之雜質，其中該擴孔型鋼材之顯微組織包含肥粒鐵、變韌鐵、以及雪明碳鐵，且該擴孔型鋼材之1/4厚度位置之該雪明碳鐵的長軸/短軸比率小於7。
2. 如申請專利範圍第1項之擴孔型鋼材，其中該擴孔型鋼材包含0.3wt%至0.5wt%的鉻。
3. 如申請專利範圍第1項之擴孔型鋼材，其中該擴孔型鋼材包含0.4wt%以上的鉻。
4. 如申請專利範圍第3項之擴孔型鋼材，其中該變韌鐵之體積分率為該擴孔型鋼材的20%至40%。
5. 一種擴孔型鋼材之製造方法，包含：提供一鋼胚，其中以該鋼胚為100wt%計，該鋼胚包含0.05wt%至0.1wt%的碳、0.1wt%以下的矽、1.0wt%至2.0wt%的錳、0.03wt%以下的磷、0.01wt%以下的硫、0.1wt%以下的鈮、0.1wt%以下的鈦、0.1wt%以下的釩、0.3wt%以上的鉻、0.02wt%至0.06wt%的鋁、平衡量的鐵、以及不顯著之雜質；對該鋼胚進行一熱軋製程，以獲得一熱軋鋼板，其中進行該熱軋製程包含控制一完軋溫度在沃斯田鐵開始轉換成肥粒鐵的溫度以上；對該熱軋鋼板進行一層流冷卻處理；以及於該層流冷卻處理後，對該熱軋鋼板進行一盤捲處理，以獲得由一擴孔型鋼材所盤捲而成之一鋼捲，其中進行該盤捲處理時包含控制一盤捲溫度在肥粒鐵開始轉變成變韌鐵的相變溫度以下，其中該擴孔型鋼材之顯微組織包含肥粒鐵、變韌鐵、以及雪明碳鐵，且該擴孔型鋼材之1/4厚度位置之該雪明碳鐵的長軸/短軸比率小於7。
6. 如申請專利範圍第5項之擴孔型鋼材之製造方法，其中對該鋼胚進行該熱軋製程時包含對該鋼胚進 行一加熱處理，進行該加熱處理時包含控制一加熱溫度為1150℃至1300℃。
7. 如申請專利範圍第5項之擴孔型鋼材之製造方法，其中該完軋溫度為800℃至1000℃。
8. 如申請專利範圍第5項之擴孔型鋼材之製造方法，其中進行該層流冷卻處理時包含控制一冷卻速率為50℃/秒至100℃/秒。
9. 如申請專利範圍第5項之擴孔型鋼材之製造方法，其中該盤捲溫度為450℃至550℃。