TWI683906B - 中碳鋼的製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種中碳鋼的製造方法，其係以低於鋼材的Ac1變態溫度的熱處理溫度，對鋼材分別進行封盒退火與連續退火，使球化碳化物保留於中碳鋼中，並使中碳鋼的晶粒細緻。此中碳鋼具有良好的機械性質、加工性和表面品質。

Description

中碳鋼的製造方法

本發明提供一種中碳鋼的製造方法，特別是提供一種以連續退火製程處理中碳鋼的方法，以製得具有細晶與高表面品質的冷軋中碳鋼。

藉由直接連續退火所製得的冷軋中碳鋼之金相組織，往往包含連續長片狀波來鐵組織，其致使中碳鋼的韌性較差。一般而言，為改善冷軋中碳鋼的加工性，可對鋼材進行封盒退火步驟，使鋼材中之層狀波來鐵轉變為低能量的球狀碳化物組織，使材料延性提高，藉此提升材料韌性及加工性，有利於後續之切削及衝壓加工。

然而，封盒式退火的加熱、持溫及冷卻時間長，且受限於封盒退火所使用的設備之特性，一爐次至多僅能生產4捲中碳鋼，且後續需透過調質(skin pass)、冷軋精整(cold roll finishing)等製程，方能產出適當的冷軋中碳鋼，故整體而言生產效率較低。再者，為降低在冷軋時所產生的應力，一般會於冷軋後進行第二次封盒退火。除了前述所提之時間長及設備限制等影響生產效率之缺點外，此第二 次封盒退火的溫度過高(例如高於鋼材的Ac1變態溫度)，往往使前次封盒退火所形成的球狀碳化物組織減少、產生韌性差的片狀波來組織，造成所得中碳鋼的加工性(例如切削性和衝壓)不佳。

此外，為了提升中碳鋼的熱處理性能，會於鋼材中添加錳、鉻、鉬等合金元素，在長時間的封盒退火步驟的高溫中，退火爐氛(主要為氫氣)中微量的氧氣會與位於鋼材邊緣區域(例如鋼帶剖面邊降區域)的前述親氧性合金元素結合為一層緻密的氧化膜，此氧化膜因折射率與正常中碳鋼表面有所差異，肉眼觀察下呈現特殊色澤，一般稱為回火顏色(temper color)。此種回火顏色差異對於中碳鋼的加工使用為一不利之表面品質缺陷。

目前已知有一技術是透過控制鋼胚加熱溫度、熱軋完軋，及採用較高的盤捲溫度(例如730±20℃)，使晶粒尺寸較為粗大，降低冷軋軋延力。此外，於連續退火製程中以750℃至770℃之均溫溫度加熱214秒至300秒，使雪明碳鐵逐漸回溶及發生再結晶，同時保留部分未溶解之雪明碳鐵質點，以在後續冷卻階段析出，形成成核質點，提高粒狀碳化物比例，所得成品抗拉強度約680MPa至690MPa，伸長率介於17%至23%。

然而，此技術採取冷軋後直接連續退火，所得成品金相組織以肥粒鐵基地及片狀波來鐵為主，但由於退火溫度高於Ac1溫度，變態後最終仍產生明顯波來鐵組織。此技術的中碳鋼之抗拉強度高達680MPa，惟伸長率亦僅介 於17%至23%，與目前已知的冷軋中碳鋼相比，韌性較低，其加工性無法令人滿意。

因此，目前亟需提出一種中碳鋼的製造方法，其可縮短製程時間，也可使中碳鋼具有良好的機械性質、加工性以及高表面品質。

本發明的一個態樣在於提出一種中碳鋼的製造方法。在一些實施例中，此製造方法包括下述步驟。首先，提供包含下述組成的鋼材：0.02重量百分比(wt.%)至0.53wt.%的碳、0.60wt.%至0.90wt.%的錳、0.15wt.%至0.35wt.%的矽、不大於0.03wt.%的磷、不大於0.035wt.%的硫、不大於0.3wt.%的銅、不大於0.20wt.%的鎳、不大於0.20wt.%的鉻，以及餘量的鐵。鎳和鉻的合計量為不大於0.35wt.%。接下來，對鋼材進行熱軋步驟，形成熱軋材。然後，於低於鋼材的Ac1變態溫度的第一溫度下，對熱軋材進行封盒退火步驟達8小時至20小時，形成球化材。接著，對球化材進行冷軋步驟，形成冷軋材。然後，對冷軋材進行連續退火步驟，以製得中碳鋼。所述連續退火步驟包含對冷軋材進行升溫操作，加熱冷軋材至第二溫度，其中第二溫度不高於Ac1變態溫度。所述連續退火步驟還包含進行持溫操作。所述連續退火步驟更包含進行多階段冷卻操作。

依據本發明的一些實施例，第一溫度為590℃至720℃。

依據本發明的一些實施例，第二溫度為650℃至730℃。

依據本發明的一些實施例，升溫操作的升溫時間為180秒至535秒。

依據本發明的一些實施例，持溫操作的持溫時間為80秒至240秒。

依據本發明的一些實施例，多階段冷卻操作包含下述步驟。首先，以第一冷速，使冷軋材從第二溫度冷卻至第三溫度。接著，以第二冷速，使冷軋材從第三溫度冷卻至第四溫度。然後，以第三冷速，使冷軋材從第四溫度冷卻至第五溫度。之後，以第四冷速，使冷軋材從第五溫度冷卻至室溫。

依據本發明的一些實施例，第一冷速為1℃/秒至21℃/秒，且第三溫度為420℃至600℃。

依據本發明的一些實施例，第二冷速為0.85℃/秒至21℃/秒，且第四溫度為低於500℃和高於350℃。

依據本發明的一些實施例，第三冷速為0.07℃/秒至0.6℃/秒，且第五溫度為250℃至350℃。

依據本發明的一些實施例，第四冷速為1.5℃/秒至9℃/秒。

依據本發明的一些實施例，熱軋步驟包含精軋操作與盤捲操作，精軋操作的完軋溫度為810℃至950℃，且盤捲操作的溫度為570℃至740℃。

依據本發明的一些實施例，冷軋步驟的裁減率為30%至77%。

依據本發明的一些實施例，所述製造方法更包含於連續退火步驟後，進行調質軋延步驟，其中調質軋延步驟的軋延率不大於4.5%。

100‧‧‧方法

110、120、130、140、150、160、170‧‧‧步驟

210‧‧‧升溫操作

220‧‧‧持溫操作

230、240、250、260‧‧‧冷卻操作

410、420‧‧‧晶粒

T1、T2、T3、T4‧‧‧溫度

T5‧‧‧室溫

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]為根據本發明的一些實施例所述之中碳鋼的製造方法繪製的示意流程圖。

[圖2]為連續退火步驟的溫度與時間的示意圖。

[圖3A]和[圖3B]分別為實施例和比較例的中碳鋼之金相組織的光學顯微鏡圖。

[圖4A]和[圖4B]分別為實施例和比較例的中碳鋼之晶粒的光學顯微鏡圖。

[圖5A]和[圖5B]分別為實施例和比較例的中碳鋼之外觀攝影圖。

本發明的一個態樣在於提供一種中碳鋼的製造方法，其係以低於鋼材的Ac1變態溫度的熱處理溫度，對冷軋前後的鋼材分別進行封盒退火與連續退火的複合熱加工處理，使所製得的中碳鋼保有球狀碳化物組織及細緻的晶 粒，從而可使中碳鋼具有良好的機械性質、加工性和表面品質。所述機械性質包含強度及韌性。所述加工性可例如切削性、衝壓加工性、熱加工性或其他常見的加工性。

請先參考圖1，其為根據本發明的一些實施例所述之中碳鋼的製造方法繪製的示意流程圖。在方法100中，如圖1的步驟110所示，先提供具有特定組成的鋼材。在一些實施例中，所述鋼材可包含0.20重量百分比(wt.%)至0.53wt.%的碳、0.60wt.%至0.90wt.%的錳、0.15wt.%至0.35wt.%的矽、不大於0.03wt.%的磷、不大於0.035wt.%的硫、不大於0.30wt.%的銅、不大於0.20wt.%的鎳、不大於0.20wt.%的鉻及餘量的鐵。此外，鎳和鉻的合計量為不大於0.35wt.%。

所述碳屬於強化元素，其可提高鋼材的淬透性，透過固溶強化提高鋼材的強度。再者，本發明配合特定的熱加工處理，使碳化物球化以降低冷軋的軋延力。當碳含量較少時，此中碳鋼的強度較低、韌性較佳；而當碳含量較多時，此中碳鋼的強度較高，但加工性較差。

所述錳可溶於肥粒鐵中引起固溶強化，提高鋼材強度。此外，錳也可與碳形成合金滲碳體，進一步提高鋼材強度。然而，過多的錳會降低中碳鋼的韌性和加工性，故本發明以所揭露的含量範圍為佳。

所述矽可促進肥粒鐵的析出，但對波來鐵影響不大，故適當的矽可增加鋼材的韌性。然而，由於矽仍具有強烈的固溶強化作用，過多的矽仍不利於鋼材韌性和加工 性。

所述磷雖然具有固溶強化的效果，但易導致韌性劣化。而夾雜於鋼材中的硫化物容易導致應力集中、降低力學性能。一般而言，磷和硫屬於有害元素，原則上其含量越低越佳。

所述銅可提高鋼材的強度、韌性和大氣腐蝕性能。缺點是在熱加工時易熱脆，且當銅含量大於0.3wt.%也存在有塑性顯著降低的問題。

所述鎳可提高鋼材強度，又可使鋼材保有適當的韌性和塑性。此外，鎳對酸鹼有較高的耐腐蝕能力，故在高溫下有防鏽和耐熱的特性。

所述鉻可提高鋼材的強度、硬度和耐磨性，但可能同時降低鋼材的塑性和韌性。此外，鉻也可提高鋼材的抗氧化性和耐腐蝕性。因此，可添加適量的鉻以改善鋼材的特定性質。

接下來，如步驟120所示，對鋼材進行熱軋步驟，形成熱軋材。在一些實施例中，此熱軋步驟可包括精軋操作和盤捲操作，其中所述精軋操作的完軋溫度可為810℃至950℃。所述盤捲操作可例如於570℃至740℃下完成。上述完軋溫度以及盤捲溫度可適當地控制熱軋材中的組織型態以及晶粒尺寸。

然後，如步驟130所示，對熱軋材進行酸洗步驟。在此酸洗步驟中，去除熱軋材表面因先前於熱軋步驟的高溫下，在材料表面產生的氧化層(或稱銹皮)。酸洗可例如 使用硫酸及鹽酸進行，但也可使用其他如磷酸、硝酸、硝酸與氫氟酸之混合物。

之後，如步驟140所示，於低於鋼材的Ac1變態溫度的一溫度下，對酸洗後的熱軋材進行封盒退火步驟，形成球化材。此封盒退火步驟也可視為一預退火步驟。此封盒退火溫度可例如為590℃至720℃。所述封盒退火步驟可例如進行8小時至20小時。於此封盒退火步驟中，使鋼材中的碳化物形成介面能量低的球化型態，有利於降低之後冷軋的軋延力、提高材料的韌性和延伸率。因此，當此步驟的溫度過低或封盒退火時間不足時，碳化物的球化程度不足，從而使所製得的鋼材硬度過高，不利於加工。另一方面，若步驟的溫度過高或是封盒退火時間過長，造成碳化物的球化程度過高，從而使所製得的鋼材質地過軟、硬度不足。在一些實施例中，此封盒退火步驟屬於批次式退火，其可例如為鐘罩式爐退火、罐式爐退火或水封式退火等。

接下來，如步驟150所示，對球化材進行冷軋步驟，形成冷軋材。在一些實施例中，冷軋步驟的裁減率可例如為30%至77%。對所述球化材施予適當裁減率的冷軋，以做為後述連續退火步驟中，鋼材再結晶的驅動力。

接著，如步驟160所示，對冷軋材進行連續退火步驟，以製得中碳鋼。請參考圖2，其為連續退火步驟的溫度與時間的示意圖。如圖2所示，此連續退火步驟可包括升溫操作210、持溫操作220和多階段冷卻操作230、240、250和260，以下分述之。

在所述升溫操作210中，可例如於180秒至535秒的升溫時間內，將冷軋材加熱至不高於所述鋼材Ac1變態溫度的溫度T1，溫度T1可例如為650℃至730℃。倘若將冷軋材加熱至高於Ac1變態溫度，會使球狀碳化物組織減少，並產生韌性較差的片狀波來鐵組織，促使中碳鋼的韌性劣化。

接著，所述持溫操作220係於上述的不高於所述鋼材Ac1變態溫度之溫度T1下進行。在一些實施例中，持溫操作220的持溫時間可例如為80秒至240秒。當此持溫時間過短時，無法有效釋放冷軋軋延力，造成中碳鋼韌性和加工性差。另一方面，過長的持溫時間可能使肥粒鐵的再結晶晶粒粗大，致使中碳鋼質地過軟。

所述多階段冷卻操作可包括第一冷卻操作230、第二冷卻操作240、第三冷卻操作250以及第四冷卻操作260。

於第一冷卻操作230中，可例如以1℃/秒至21℃/秒的第一冷速，使溫度T1降至420℃至600℃的溫度T2。在一些例子中，第一冷卻操作可例如是在15秒至48秒的時間內，使溫度T1降至溫度T2。

於第二冷卻操作240中，可例如以0.85℃/秒至21℃/秒的第二冷速，使溫度T2降為高於350℃和小於500℃的溫度T3。在一些例子中，第二冷卻操作可例如是在12秒至35秒的時間內，使溫度T2降至溫度T3。特別說明的是，根據最終成品的需求不同，例如成品硬度需求較低 時，溫度T2可採取相對高溫(如600℃)，此時溫度T3則可能高於470℃；相反地，若成品硬度需求較高時，溫度T2可採取相對低溫(如420℃)，故溫度T2和溫度T3，視成品的需求不同，可能有重疊的溫度區間。

於第三冷卻操作250中，可例如以0.07℃/秒至0.6℃/秒的第三冷速，使溫度T3降為250℃至350℃的溫度T4。在一些例子中，第三冷卻操作可例如是在310秒至900秒的時間內，使溫度T3降至溫度T4。

於第四冷卻操作260中，可例如以1.5℃/秒至9℃/秒的第四冷速，使溫度T4降為室溫T5。在一些例子中，第四冷卻操作260可例如是在40秒至130秒的時間內，使溫度T4降至室溫T5。在一些例子中，室溫T5可例如為20℃至25℃。在各階段冷速操作中，有助於調整碳化物球化及晶粒尺寸大小，進而控制中碳鋼的強度及韌性。

在所述連續退火步驟中，冷軋材的金相組織之肥粒鐵再結晶，釋放於冷軋步驟時所產生的應力，以軟化冷軋材，促使此中碳鋼可具有較佳的韌性、延伸率、切削性或其他類似的加工性。特別是，由於連續退火步驟所使用的溫度低於鋼材的Ac1變態溫度，故球狀碳化物組織可被保留於金相組織中，且不會產生劣化韌性的片狀波來鐵組織，故中碳鋼可具有良好的延伸率。此外，由於連續退火步驟的進行時間短、速度快，故中碳鋼可具有等軸型態的細晶組織(例如粒度達ASTM#11.0以上)，強度較高，且此細晶組織有利於抵抗加工後表面橘皮缺陷的產生。

在一些實施例中，藉由封盒退火步驟和連續退火步驟的複合熱加工處理，相較於全封盒退火製程的中碳鋼而言，本發明的中碳鋼的球狀碳化物組織明顯且分布較為密集。由於此中碳鋼的全板面性質均勻，邊緣回火顏色缺陷的問題也大幅改善，故可獲得具有高表面品質的中碳鋼。

在一些實施例中，於連續退火步驟之後，所述方法100可進一步包含調質軋延步驟170。所述調質軋延步驟170可例如具有不大於4.5%的調質軋延率。可對連續退火後的中碳鋼進行不同調質軋延率的步驟170，以因應不同產品性質需求及/或賦予產品表面不同的粗糙度。在進一步的實施例中，連續退火步驟與冷軋步驟之間，可額外進行一清洗步驟。在另一些實施例中，調質軋延步驟170後，可進一步進行精整，以根據產品需求調整中碳鋼的其他性質。

以下藉由實施例和比較例說明本發明的中碳鋼的製造方法的具體施行方式及評價效果。

實施例

首先，提供具有前述組成的鋼材，並對此鋼材進行熱軋步驟，其中此鋼材的Ac1變態溫度約736℃，熱軋精軋完軋溫度為893℃，並於661℃下進行盤捲，以獲得熱軋材。接下來，對熱軋材進行酸洗去除鏽皮。然後，於720℃下，對此熱軋材進行封盒退火步驟達12小時，以形成球化材。之後，對球化材進行冷軋步驟，以形成冷軋材，其中裁減率為69.7%。之後，對此冷軋材進行連續退火步驟，包括：在207秒內升溫至723℃，並持溫110秒；在15 秒內降溫至530℃；接著，在17秒內降溫至460℃；在420秒內降溫至330℃；以及，在70秒降溫至室溫。之後，進行調質精整等步驟，以製得實施例的中碳鋼。對實施例的中碳鋼進行降伏強度(yield strength；YS)、抗拉強度(tensile strength；TS)、伸長率(elongation；EL)等機械性質以及晶粒粒度進行測量，其結果如表1所示。

比較例

首先，對具有前述組成的鋼材進行熱軋步驟，其中熱軋精軋完軋溫度為893℃，並於661℃下進行盤捲，以獲得熱軋材。接下來，對熱軋材進行酸洗去除鏽皮。然後，於720℃下，對此熱軋材進行封盒退火步驟達12小時，以形成球化材。之後，對球化材進行冷軋步驟，以形成冷軋材，其中裁減率為69.7%。接下來，對此冷軋材進行清洗後，接著進行第二次的封盒退火步驟，以形成封盒退火材，其中此第二次封盒退火步驟是於710℃至720℃之溫度下進行8-20小時。然後，待封盒退火材降溫至室溫後，進行調質精整等步驟，以製得比較例的中碳鋼。對比較例的中碳鋼進行降伏強度、抗拉強度、伸長率等機械性質以及晶粒粒度進行測量，其結果如表1所示。

如表1所示，當使二次封盒退火取代為連續退火時，可大幅減少熱處理製程的時間。此外，藉由封盒退火與連續退火的複合熱加工處理所製得的中碳鋼，相較於使用兩次封盒退火所製得的中碳鋼，可具有更佳的降伏強度、抗拉強度、硬度等機械性質，伸長率維持26%以上，與比較例相當。再者，相較於比較例，實施例的晶粒粒度也較小，顯示以連續退火取代封盒退火，可控制中碳鋼的晶粒粒度、獲得細晶組織，從而可改善中碳鋼的表面品質。

接下來請參考圖3A和圖3B，其分別為實施例和比較例的中碳鋼之金相組織的光學顯微鏡圖。比較圖3A和圖3B可知，於冷軋前的封盒退火配合冷軋後的連續退火，可使中碳鋼保有明顯的球狀碳化物組織。此外，由於實施例的連續退火時間較比較例的第二次封盒退火時間短，故實施例的中碳鋼的球狀碳化物組織分布較為密集。

接著，請參考圖4A和圖4B，其分別為實施例和比較例的中碳鋼之晶粒的光學顯微鏡圖。根據圖4A和圖4B可知，使用連續退火所得的中碳鋼的晶粒410為等軸晶，且晶粒度較小，例如達到ASTM#11以上。此等軸晶細晶組織有利於抵抗加工後的橘皮組織所產生的缺陷，使表面品質獲得改善(如後述的圖5A所示)。另一方面，使用二次封盒退火所得的中碳鋼的晶粒420較扁平(通常稱為煎餅(pancake)型)，且其晶粒度較大。

之後，請參考圖5A和圖5B，其分別為實施例和比較例的中碳鋼之外觀攝影圖。如圖5A和圖5B所示，使 用連續退火所得的中碳鋼之板面性質均勻，因此，相較於使用二次封盒退火所得的中碳鋼，連續退火中碳鋼的邊緣回火顏色缺陷較少，使其表面品質大幅改善。

應用本發明的中碳鋼的製造方法，藉由封盒退火步驟和連續退火步驟的複合熱加工處理，於中碳鋼中保留球狀碳化物組織和形成細晶組織。此方法不僅可減少中碳鋼的製造時間，更可改善中碳鋼的降伏強度、抗拉強度、硬度和伸長率等機械性質，使中碳鋼具有良好的切削性和加工性。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，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。

100‧‧‧方法

110、120、130、140、150、160、170‧‧‧步驟

Claims (11)

1. 一種中碳鋼的製造方法，包含：提供一鋼材，其中該鋼材包含：0.20重量百分比(wt.%)至0.53wt.%的碳；0.60wt.%至0.90wt.%的錳；0.15wt.%至0.35wt.%的矽；不大於0.03wt.%的磷；不大於0.035wt.%的硫；不大於0.3wt.%的銅；不大於0.20wt.%的鎳；不大於0.20wt.%的鉻，其中該鎳和該鉻的一合計量為不大於0.35wt.%；以及餘量的鐵；對該鋼材進行一熱軋步驟，形成一熱軋材；於低於該鋼材的一Ac1變態溫度的一第一溫度下，對該熱軋材進行一封盒退火步驟達8小時至20小時，形成一球化材；對該球化材進行一冷軋步驟，形成一冷軋材；以及對該冷軋材進行一連續退火步驟，以製得一中碳鋼，其中該連續退火步驟包含：對該冷軋材進行一升溫操作，加熱該冷軋材至一第二溫度，其中該第二溫度不高於該Ac1變態溫度；進行一持溫操作；以及進行一多階段冷卻操作，其中該多階段冷卻操作包含： 以一第一冷速，使該冷軋材從該第二溫度冷卻至一第三溫度，其中該第一冷速為1℃/秒至21℃/秒；以一第二冷速，使該冷軋材從該第三溫度冷卻至一第四溫度，其中該第二冷速為0.85℃/秒至21℃/秒；以一第三冷速，使該冷軋材從該第四溫度冷卻至一第五溫度，其中該第三冷速為0.07℃/秒至0.6℃/秒；以及以一第四冷速，使該冷軋材從該第五溫度冷卻至一室溫，其中該第四冷速為1.5℃/秒至9℃/秒。
2. 如申請專利範圍第1項所述之中碳鋼的製造方法，其中該第一溫度為590℃至720℃。
3. 如申請專利範圍第1項所述之中碳鋼的製造方法，其中該第二溫度為650℃至730℃。
4. 如申請專利範圍第1項所述之中碳鋼的製造方法，其中該升溫操作的一升溫時間為180秒至535秒。
5. 如申請專利範圍第1項所述之中碳鋼的製造方法，其中該持溫操作的一持溫時間為80秒至240秒。
6. 如申請專利範圍第1項所述之中碳鋼的製造方法，其中該第三溫度為420℃至600℃。
7. 如申請專利範圍第1項所述之中碳鋼的製造方法，其中該第四溫度為低於500℃和高於350℃。
8. 如申請專利範圍第1項所述之中碳鋼的製造方法，其中該第五溫度為250℃至350℃。
9. 如申請專利範圍第1項所述之中碳鋼的製造方法，其中該熱軋步驟包含一精軋操作與一盤捲操作，該精軋操作的一完軋溫度為810℃至950℃，且該盤捲操作的一溫度為570℃至740℃。
10. 如申請專利範圍第1項所述之中碳鋼的製造方法，其中該冷軋步驟的一裁減率為30%至77%。
11. 如申請專利範圍第1項所述之中碳鋼的製造方法，更包含於該連續退火步驟後，進行一調質軋延步驟，其中該調質軋延步驟的一軋延率不大於4.5%。

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