TWI741884B - 雙相鋼線材及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種雙相鋼線材及其製造方法,此製造方法使用具有特定成分的鋼胚,並利用特定的條件進行軋延步驟、盤捲步驟、持溫步驟及急冷步驟,以獲得具有特定體積比之肥粒鐵相及麻田散鐵相之雙相鋼線材。此雙相鋼線材具有高冷打性及高強度,可應用於製造強度如8.8級螺絲之緊固件。

Description

雙相鋼線材及其製造方法
本發明是有關於一種線材,特別是一種雙相鋼線材及其製造方法。
螺旋緊固件(如螺栓)是一種利用螺紋產生摩擦力來使兩機構件連結固定而不做相對運動的元件。螺旋緊固件常用來定位、鎖緊、調整及/或連接機構件等,其中用於橋梁、鋼軌、高壓設備之螺旋緊固件需較大的強度,以承受較大的載荷。
一般而言,螺旋緊固件係以中碳鋼線材為原料,並藉由冷打步驟塑形而成。上述中碳鋼線材是以肥粒鐵為基地組織,其中肥粒鐵質軟而有利於冷打變形,但是肥粒鐵的強度低,因此欲獲得高強度螺栓,往往需要進行調質熱處理,以產生相變態。
為了減少成本及簡化加工,需要一種兼具高強度及高冷打性的線材。然而,利用習知方法製得的線材無法同時滿足高冷打性和高強度需求,因此亟需一種雙相鋼線材的製造方法,以解決上述問題。
因此,本發明之一態樣是提供一種雙相鋼線材的製造方法,其係利用特定的降溫速率來控制盤元的相變態,從而獲得兼具高強度和高冷打性的雙相鋼線材。
根據本發明之上述態樣,提出一種雙相鋼線材的製造方法。首先,提供一鋼胚,其中鋼胚可包含0.06重量百分比(wt%)至0.20 wt%之碳、0.30 wt%至1.00 wt%之矽、1.00 wt%至2.00 wt%之錳、0.025 wt%以下之磷、0.025 wt%以下之硫、0.003 wt%以下之硼、不可避免的雜質,以及平衡量之鐵。
接著,對鋼胚進行熱處理步驟,以形成具有100體積百分比(vol%)之沃斯田鐵相之處理材料。然後,對處理材料進行軋延步驟及盤捲步驟,以獲得盤元,接續地,對盤元進行持溫步驟,以使盤元具有肥粒鐵相。
於進行持溫步驟後,對盤元進行急冷步驟,以獲得雙相鋼線材,其中雙相鋼線材可包含80 vol%至90 vol%之肥粒鐵相及10 vol%至20 vol%之麻田散鐵相。
依據本發明上述之實施例,熱處理步驟可例如將鋼胚升溫至1000°C至1200°C。
依據本發明上述之實施例,軋延步驟之軋延溫度可例如為大於A r3溫度。
依據本發明上述之實施例,持溫步驟之持溫溫度為A r1溫度至A r3溫度。
依據本發明上述之實施例,A r3溫度可例如為800°C至830°C。
依據本發明上述之實施例,A r1溫度可例如為730°C至735°C。
依據本發明上述之實施例,持溫步驟之時間可例如為5秒至15秒。
依據本發明上述之實施例,急冷步驟可例如為以每秒不小於20°C之冷卻速率冷卻盤元至不大於Ms溫度。
依據本發明上述之實施例,Ms溫度可例如為420°C至450°C。
根據本發明之上述之態樣,提出一種雙相鋼線材,其係由上述雙相鋼線材的製造方法所製得,其中雙相鋼線材是以肥粒鐵為基地組織,且雙相鋼線材之碳化物可例如以島狀麻田散鐵之型態散佈於基地組織中。
應用本發明之雙相鋼線材及其製造方法,其係藉由具有特定成分之鋼胚,在特定冷卻條件下,製得雙相鋼線材,其中此雙相鋼線材具有特定體積比的肥粒鐵相及麻田散鐵相。由於兼具肥粒鐵相及麻田散鐵相,上述雙相鋼線材的降伏比低而強度高,因此可應用於製造冷打加工製品(如強度如8.8級螺絲之緊固件)且不需調質熱處理。
承上所述,本發明提供一種雙相鋼線材及其製造方法,其係先將含有特定成分之鋼胚盤捲成盤元後,再藉由不同的冷卻速率來控制相變態,以獲得雙相鋼線材。此雙相鋼線材具有特定比例的肥粒鐵相及麻田散鐵相,因而具有高強度及高冷打性。
請參閱圖1,其係繪示根據本發明一實施例之雙相鋼線材的製造方法100的流程圖。首先,進行步驟110,提供鋼胚。所述「鋼胚」是將液態鐵澆注到模具成形的初級成品,且鋼胚可依據規格分為大鋼胚及小鋼胚。一般而言,螺旋緊固件是由線材製得,且線材是由小鋼胚製得。
在一實施例中,鋼胚可包含0.06重量百分比(wt%)至0.20 wt%之碳、0.30 wt%至1.00 wt%之矽、1.00 wt%至2.00 wt%之錳、0.025 wt%以下之磷、0.025 wt%以下之硫、0.003 wt%以下之硼、不可避免的雜質,以及平衡量之鐵。
上述鋼胚屬於低碳鋼。碳在鋼胚相變態的過程中會形成碳化物,從而提高鋼胚的硬度,惟其會降低鋼胚的冷打性。因此,如果鋼胚的碳含量高於0.20 wt%,其易生成過多之碳化物,而降低所形成之雙相鋼線材的冷打性。
矽、錳的添加有利於肥粒鐵相的形成,其中矽可以穩定肥粒鐵相,並擴大肥粒鐵相存在的溫度區間,從而減少雪明碳鐵的產生。錳可降低沃斯田鐵相的相變溫度,故有利於部分沃斯田鐵相的殘留,並延後波來鐵相的形成。因此,如果鋼胚中的矽含量及/或錳含量過少,則難以獲得足夠的肥粒鐵相做為基地組織。然而,矽與錳可提高鋼胚的硬度,因此如果矽含量及/或錳含量過多,則所形成的雙相鋼線材的冷打性不佳。
一般而言,磷及硫被視為有害元素,其中磷會降低鋼胚之冷打性,且硫容易在高溫處理(如:軋延步驟)時導致鋼胚斷裂。據此,鋼胚中的磷與硫的含量不宜過高。其次,硼的添加雖然有助於改善鋼胚的緻密性及熱軋性,但硼也會提高鋼胚之硬度,從而導致冷打性降低,故鋼胚中的硼含量不宜過高。在一實施例中,依據8.8級螺栓的規範,磷含量可例如小於0.025 wt%、硫含量可例如小於0.025 wt%,且硼含量可例如小於0.003 wt%。
接著,對鋼胚進行熱處理步驟,如步驟130所示,以使鋼胚中的100體積百分比(vol%)的鐵相變成沃斯田鐵相,從而獲得處理材料。在一實施例中,熱處理步驟可例如將鋼胚升溫至1000°C至1200°C,以確保處理材料係完全相變態為沃斯田鐵相。舉例而言,熱處理步驟係將鋼胚升溫至1150°C。
然後,對處理材料進行軋延步驟及盤捲步驟,如步驟150所示,以獲得盤元,其中軋延步驟之軋延溫度可例如為大於A r3溫度。上述A r3溫度代表冷卻過程中,沃斯田鐵相開始相變態成肥粒鐵相的溫度。因此,如果沒有將軋延溫度控制在大於A r3溫度,部分之沃斯田鐵相會相變態為肥粒鐵相,導致經軋延步驟處理後(完軋後)的鋼胚之晶粒不均勻,從而造成所製得的盤元之強度不一致。一般而言,A r3溫度會因為鋼胚的成分組成不同而改變。在一實施例中,本發明之鋼胚的A r3溫度可例如為800°C至830°C。
上述盤捲步驟可例如利用習知的盤捲方法進行。在一實施例中,盤捲步驟是利用盤捲機進行,以將完軋後的鋼胚盤捲成盤元,並將盤元散置在冷卻床上。
在一實施例中,在軋延步驟及盤捲步驟之間,可利用水箱冷卻完軋後的鋼胚至A r3溫度,以確保肥粒鐵相變態的進行。
接下來,進行步驟170,其係對盤元進行持溫步驟,以使盤元產生肥粒鐵相變態。上述持溫步驟的方法不限,可例如在冷卻床上形成密閉空間(例如:加蓋)來阻絕外界空氣,並使盤元均勻受熱,從而避免盤元受熱不均。由於盤元在冷卻床上是以部分重疊的方式排列,因此如果盤元未與外界隔離,則不僅無法控制相變態的結果,也會有盤元的溫度不一致導致之晶粒不均勻等問題。
在一實施例中,持溫步驟之持溫溫度可例如為A r1溫度至A r3溫度,其中A r1溫度係定義為在冷卻過程中,沃斯田鐵相開始相變態成波來鐵之溫度,因此將持溫溫度控制在A r1溫度至A r3溫度可促使部分之沃斯田鐵相變態成肥粒鐵相,且不產生其他鐵碳相組織。A r1溫度的大小會根據鋼胚的成分組成之不同而變化,其中本發明鋼胚之A r1溫度可例如為730°C至735°C。此外,上述相變態的過程伴隨著排碳效應,而可提升未變態之沃斯田鐵相的硬化能。在一些具體例中,持溫步驟之持溫溫度可為730°C至805°C。
在一實施例中,持溫步驟之時間可例如為5秒至15秒,以使部分之沃斯田鐵相形成肥粒鐵。
在步驟170後,進行急冷步驟(如步驟190所示),以獲得雙相鋼線材。在急冷步驟中,盤元係急速冷卻至不大於Ms溫度,其中Ms溫度係定義為在冷卻時,沃斯田鐵相開始相變態成麻田散鐵相的溫度。藉由急速冷卻至不大於Ms溫度,殘留之沃斯田鐵相可完全相變態成麻田散鐵相,而不產生其他鐵碳相組織。Ms溫度會因鋼胚的成分組成之不同而改變。在一實施例中,本發明鋼胚之Ms溫度可例如為420°C至450°C。在一實施例中,所述「急速冷卻」可例如為冷卻速率是不小於每秒20°C。
上述雙相鋼線材包含80 vol%至90 vol%之肥粒鐵相及10 vol%至20 vol%之麻田散鐵相,故雙相鋼線材具有高強度及高冷打性。上述麻田散鐵相是以島狀麻田散鐵相的形式散布在雙相鋼線材中,其中島狀麻田散鐵相是由持溫步驟中隨著排碳效應移動到晶界的碳化物所形成。
所述「高強度」係指高抗拉強度,其中抗拉強度係指材料在破裂前所能承受的最大應力。在一實施例中,高強度可例如大於540MPa。上述「冷打性」又稱為「冷加工性」,是指線材在常溫(例如:10°C至40°C)下可被塑形的性質。一般而言,降伏比高的材料具有較佳的冷打性,其中降伏比係定義為降伏強度與抗拉強度的比值,且降伏強度係使材料開始產生塑性變形所需的應力。在一實施例中,高冷打性可例如為降伏比小於或等於0.65。
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。
利用表1所列之鋼胚成分及製程條件配合上述雙相鋼線材的製造方法製造線材,以獲得實施例及比較例之線材。如表1所示,實施例及比較例的差異在於所進行之冷卻步驟不同,且比較例未進行持溫步驟。 [表1]
Figure 02_image001
利用光學顯微鏡觀察線材,如圖2A及圖2B所示,其中圖2A(實施例)及圖2B(比較例)分別為利用不同冷卻方法所獲得之線材的光學顯微圖。如圖2A所示,實施例的線材具有島狀麻田散鐵相散布於肥粒鐵相中。相反地,如圖2B所示,比較例的線材是波來鐵相與肥粒鐵相之混合。由此可知,冷卻步驟進行的方式可影響顯微組織的組成。
根據日本工業規格(Japanese Industrial Standards,JIS)第Z3121號之試驗方式來進行拉伸試驗,並將所獲得之機械性質列於表1,其中降伏比為降伏強度與抗拉強度的比值。如表1所示,相較於以緩冷步驟進行冷卻步驟之比較例,經持溫步驟及急冷步驟處理的實施例之線材具有較高的抗拉強度及較低的降伏比。由於具有肥粒鐵相及麻田散鐵相之混合組織,實施例之線材可兼具肥粒鐵的良好冷打性及麻田散鐵的高強度。據此,本發明係藉由控制冷卻速率來調整線材之相變態結果,從而獲得具有高冷打性與高強度的雙相鋼線材。
應用本發明的鋼件和其製造方法,藉由特定鋼胚組成,並配合特定的冷卻條件,即可獲得兼具高冷打性和高強度的雙相鋼線材。此雙相鋼線材可生產緊固件,例如可製成強度8.8級之螺栓,其中生產緊固件的過程不需進行調質熱處理即具有符合需求的強度。
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:製造方法 110,130,150,170,190: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]係根據本發明之一實施例的雙相鋼線材之製造方法的流程圖。 [圖2A]及[圖2B]分別為利用不同冷卻方法所獲得之線材的光學顯微圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
100:製造方法
110,130,150,170,190:步驟

Claims (9)

  1. 一種雙相鋼線材的製造方法,包含:提供一鋼胚,其中該鋼胚包含:0.06重量百分比(wt%)至0.20wt%之碳;0.30wt%至1.00wt%之矽;1.00wt%至2.00wt%之錳;0.025wt%以下之磷;0.025wt%以下之硫;0.003wt%以下之硼;不可避免的雜質;以及平衡量之鐵;對該鋼胚進行一熱處理步驟,以形成具有100體積百分比(vol%)之沃斯田鐵相之一處理材料;以及對該處理材料進行一軋延步驟及一盤捲步驟,以獲得一盤元;對該盤元進行一持溫步驟,以使該盤元具有肥粒鐵相,其中該持溫步驟的一持溫溫度係Ar1溫度至Ar3溫度且係至少730℃;於進行該持溫步驟後,對該盤元進行一急冷步驟,以獲得該雙相鋼線材,其中該雙相鋼線材包含80vol%至90vol%之該肥粒鐵相及10vol%至20vol%之麻田散鐵相,且該雙相鋼線材之一降伏比係小於0.65。
  2. 如請求項1所述之雙相鋼線材的製造方法, 其中該熱處理步驟是將該鋼胚升溫至1000℃至1200℃。
  3. 如請求項1所述之雙相鋼線材的製造方法,其中該軋延步驟之一軋延溫度為大於該Ar3溫度。
  4. 如請求項1所述之雙相鋼線材的製造方法,其中該Ar3溫度是800℃至830℃。
  5. 如請求項1所述之雙相鋼線材的製造方法,其中該Ar1溫度是730℃至735℃。
  6. 如請求項1所述之雙相鋼線材的製造方法,其中該持溫步驟之一時間為5秒至15秒。
  7. 如請求項1所述之雙相鋼線材的製造方法,其中該急冷步驟是以每秒不小於20℃之一冷卻速率冷卻該盤元至不大於Ms溫度。
  8. 如請求項1所述之雙相鋼線材的製造方法,其中該Ms溫度是420℃至450℃。
  9. 一種雙相鋼線材,其是由請求項1至8項任一項所述之製造方法所製得,其中該雙相鋼線材是以肥粒 鐵為一基地組織,且該雙相鋼線材之碳化物是以島狀麻田散鐵之一型態散佈於該基地組織中,該雙相鋼線材包含80vol%至90vol%之該肥粒鐵相及10vol%至20vol%之麻田散鐵相,且該雙相鋼線材之一降伏比係小於0.65。
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