TWI779913B - 含鈦合金鋼材及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明有關於一種含鈦合金鋼材及其製造方法。此製造方法係使用特定的出爐溫度及特定的完軋溫度來製得具有適當的抗拉強度及低抗拉強度變異之含鈦合金鋼材，故其可應用於氣體保護焊接用之焊線。

Description

含鈦合金鋼材及其製造方法

本發明係有關於一種含鈦合金鋼材及其製造方法，且特別是有關於一種具有適當的抗拉強度及低抗拉強度變異之含鈦合金鋼材及其製造方法。

合金鋼材可藉由調整所含之合金元素及熱軋製程條件來提供鋼材各種機械特性(尤其是抗拉強度)，故常做為氣體保護焊接用焊線的原料。由於製造過程必須經過抽絲加工，以拉成線材，所以合金鋼材的抗拉強度須符合要求，即不小於510MPa且不大於555MPa，以利於抽絲。

傳統上，熱軋後的合金鋼材之原始抗拉強度過高，所以需要退火處理來降低鋼材的抗拉強度，以利進行後續抽絲加工，始可製成焊線。此外，鋼材的抗拉強度變異很大，故降低焊線的精度。

為了改善前述原始抗拉強度過高的缺點，使用高完軋溫度來粗化肥粒鐵相，以降低合金鋼材之抗拉強度。然而，此合金鋼材的金相組織容易出現大量島狀的麻田散鐵相。此麻田散鐵相不易變形，故於抽絲加工時容易發生抽斷的問題。再者，由於麻田散鐵相提高鋼材的硬度，故增加模具的損耗。此外，抗拉強度變異並未獲得改善，而未能提升焊線的精度。

有鑑於此，亟需發展一種新的合金鋼材及其製造方法，以改善上述缺點。

有鑑於上述之問題，本發明之一態樣是在提供一種含鈦合金鋼材之製造方法。此製造方法係使用特定的出爐溫度及特定的完軋溫度來製得具有適當的抗拉強度及低抗拉強度變異之含鈦合金鋼材，故可應用於氣體保護焊接用之焊線。

本發明之另一態樣是在提供一種含鈦合金鋼材。此含鈦合金鋼材具有適當的抗拉強度及低抗拉強度變異，而可應用於氣體保護焊接用之焊線。

根據本發明之一態樣，提出一種含鈦合金鋼材之製造方法。此製造方法包含提供鋼胚，以及對鋼胚進行加熱處理、熱軋處理與冷卻處理，以獲得含鈦合金鋼材，其中含鈦合金鋼材之抗拉強度為不小於510MPa且不大於555MPa，且抗拉強度之分佈範圍為不大於20MPa。鋼胚包含0.03重量百分比至0.08重量百分比之碳、0.15重量百分比至0.24重量百分比之鈦、1.4重量百分比至1.6重量百分比之錳、0.7重量百分比至0.9重量百分比之矽、其餘量的鐵，以及不可避免的雜質。加熱處理之出爐溫度為不小於1000℃且不大於1080℃。熱軋處理之完軋溫度為820℃至920℃。冷卻處理之冷卻速度為0.6℃/s至1.0℃/s。

依據本發明之一實施例，鋼胚更包含不大於0.016重量百分比之硫。

依據本發明之另一實施例，鋼胚更包含不大於0.0045重量百分比之氮。

依據本發明之又一實施例，碳與鈦之重量比值為2.5至3.5。

本發明之另一態樣係提供一種含鈦合金鋼材。此含鈦合金鋼材包含0.03重量百分比至0.08重量百分比之碳、0.15重量百分比至0.24重量百分比之鈦、1.4重量百分比至1.6重量百分比之錳、0.7重量百分比至0.9重量百分比之矽，以及其餘量的鐵及不可避免的雜質。含鈦合金鋼材之抗拉強度為不小於510MPa且不大於555MPa，且抗拉強度之分佈範圍為不大於20MPa。

依據本發明之又一實施例，含鈦合金鋼材更包含不大於0.016重量百分比之硫。

依據本發明之又一實施例，含鈦合金鋼材更包含不大於0.0045重量百分比之氮。

依據本發明之又一實施例，碳與鈦之重量比為值為2.5至3.5。

依據本發明之又一實施例，含鈦合金鋼材之金相組織包含45奈米至65奈米的碳化鈦析出物。

依據本發明之又一實施例，含鈦合金鋼材之金相組織包含至少95體積分率之肥粒鐵相，以及不大於5體積分率之麻田散鐵相與波來鐵相。

應用本發明之含鈦合金鋼材之製造方法，其中使用特定的出爐溫度及特定的完軋溫度來製造具有適當的抗拉強度及低抗拉強度變異之含鈦合金鋼材，故可應用於氣體保護焊接用之焊線。

以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

本發明之含鈦合金鋼材之製造方法係使用特定的出爐溫度及完軋溫度來製得具有適當的抗拉強度及低抗拉強度變異之含鈦合金鋼材。

此製造方法係先加熱此鋼胚，以固溶其合金元素，而獲得初始的沃斯田鐵相。於特定出爐溫度(不小於1000℃且不大於1080℃)下，將加熱後鋼胚移出熔爐。由於出爐溫度較低，所以被固溶的碳化鈦較少，故於後續熱軋時可析出較少且奈米級之碳化鈦。接著，對此鋼胚進行熱軋處理，此時一部分的沃斯田鐵相轉變成肥粒鐵相，並析出碳化鈦。特定完軋溫度(820℃至920℃)可細化肥粒鐵相及析出奈米級碳化鈦。同時，另一部分的沃斯田鐵相之含碳量逐漸提高，而轉變成波來鐵相。前述之奈米級碳化鈦及細化肥粒鐵相可使製得之含鈦合金鋼材具有適當的抗拉強度及低的抗拉強度變異，而利於抽絲加工，故此鋼材可應用於氣體保護焊接用之焊線。

本發明此處所稱之「適當的抗拉強度」及「抗拉強度的變異」係指依據標準方法CNS 2112 G2014來測量含鈦合金鋼材之抗拉強度，並以8個數據求得抗拉強度之分佈範圍。當含鈦合金鋼材之抗拉強度為不小於510MPa且不大於555MPa時，則稱含鈦合金鋼材具有適當的抗拉強度。當分佈範圍不大於20MPa時，則稱此含鈦合金鋼材具有低的抗拉強度變異。

本發明之含鈦合金鋼材係利用前述之製造方法所製得。此含鈦合金鋼材之金相組織具有奈米級碳化鈦析出物及細化肥粒鐵相，以使含鈦合金鋼材具有適當的抗拉強度及低抗拉強度變異，而利於抽絲加工，故適合應用於氣體保護焊接用之焊線。

請參閱圖1，其係繪示根據本發明之一實施例的含鈦合金鋼材的製造方法之流程圖。在此製造方法100中，先提供鋼胚，如操作110所示。此鋼胚包含0.03重量百分比至0.08重量百分比之碳、0.15重量百分比至0.24重量百分比之鈦、1.4重量百分比至1.6重量百分比之錳、0.7重量百分比至0.9重量百分比之矽、其餘量的鐵，以及不可避免的雜質。

碳為強化元素，其提供含鈦合金鋼材的機械強度。倘若鋼胚的碳含量小於0.03重量百分比時，所製得之含鈦合金鋼材的抗拉強度不足，而不能承受抽絲加工時施力，故導致斷絲。倘若鋼胚的碳含量大於0.08重量百分比時，所製得之含鈦合金鋼材的抗拉強度過高，而不具韌性，故於抽絲加工時亦發生斷絲。舉例而言，過高的碳含量會降含鈦合金鋼材之金相組織中的肥粒鐵相，而使含鈦合金鋼材的抗拉強度過高。

鈦可與碳形成碳化鈦的析出物，而產生強化效果，以使低碳鋼(其碳含量小於0.30重量百分比)保有一定程度的機械強度。倘若鋼胚的鈦含量小於0.15重量百分比時，析出之碳化鈦不足，而使含鈦合金鋼材的抗拉強度過低，故不利於抽絲加工。倘若鋼胚的鈦含量大於0.24重量百分比時，析出之碳化鈦的量過多且尺寸過大，而使含鈦合金鋼材的抗拉強度過高，故不利於抽絲加工，且容易損害加工模具。

在一些實施例中，鋼胚的碳與鈦之重量比值可為2.5至3.5。當此重量比值為前述之範圍時，含鈦合金鋼材之金相組織具有奈米級碳化鈦析出物(例如：粒徑為45奈米至65奈米)，而使含鈦合金鋼材具有適當的抗拉強度。較佳地，前述碳與鈦之重量比值可為2.8至3.2。

錳及矽為脫氧劑，當含鈦合金鋼材所製得之焊線進行焊接時，錳及矽可進行脫氧，以降低焊縫中氧含量而阻止氧化物生成，故提高焊接處的強度。倘若鋼胚的錳含量小於1.4重量百分比及/或矽含量小於0.7重量百分比時，焊縫中氧含量過高，而降低焊接處的強度。倘若錳含量大於1.6重量百分比時，產生錳的偏析，而降低焊接處的韌性。倘若鋼胚的矽含量大於0.9重量百分比時，產生較強的固溶強化效果，而過度提高含鈦合金鋼材之強度。在一些實施例中，當錳與矽之含量比值為1.8至2.0時，可提升含鈦合金鋼材所製得之焊線的焊接處強度。

在一些實施例中，鋼胚可選擇性包含不大於0.016重量百分比之硫及/或不大於0.0045重量百分比之氮。硫及氮可分別與鈦形成硫化鈦及氮化鈦之析出物，而降低含鈦合金鋼材的奈米級碳化鈦析出物。當鋼胚的硫含量不大於0.016重量百分比及/或氮含量不大於0.0045重量百分比時，有利於析出足量的奈米級碳化鈦，而使含鈦合金鋼材具有適當的抗拉強度及較低的抗拉強度變異。

在一些實施例中，前述之不可避免的雜質可包含磷、鎳、銅及鋁等元素。此外，在一些實施例中，鋼胚可為經過連鑄及開胚後之小鋼胚。

於前述之操作110後，對鋼胚進行加熱處理，如操作120所示。加熱處理係固溶鋼胚的合金成分，以形成初始的沃斯田鐵相。加熱處理之出爐溫度為不小於1000℃且不大於1080℃。較佳地，出爐溫度可為1010℃至1030℃。

申言之，於加熱處理中，碳化鈦依循下式(I)發生固溶：

(I)

於式(I)中，[Ti]表示鈦的重量百分比，[C]表示碳的重量百分比，T表示絕對溫度。當溫度在上述範圍時，適量的鈦與碳發生固溶，可增加後續熱軋時的金相組織中碳化鈦析出量，以獲得較佳抗拉強度的含鈦合金鋼材。倘若出爐溫度小於1000℃時，所製得的鋼胚不易進行後續熱軋處理。倘若出爐溫度大於1080℃時，所製得的鋼胚含有過多碳化鈦固溶，於後續熱軋處理時，微米級碳化鈦的析出量過多，反而會過度增加含鈦合金鋼材之抗拉強度。

於操作120後，對加熱後之鋼胚進行熱軋處理，如操作130所示。於熱軋處理時，一部分的沃斯田鐵相轉變成肥粒鐵相，並析出碳化鈦，並且另一部分的沃斯田鐵相之含碳量逐漸提高，而轉變成波來鐵相。在一些實施例中，對加熱後之鋼胚先進行粗軋，再進行精軋，其中加熱後之鋼胚入精軋設備的溫度(亦稱為完軋溫度)可為820℃至920℃。在一些具體例中，軋延道次可為10道至12道，且軋延率可為89.3%至89.6%。

在一些較佳的實施例中，前述熱軋處理之完軋溫度可為820℃至855℃，以獲得較佳抗拉強度及較低抗拉強度變異的含鈦合金鋼材。倘若完軋溫度高於920℃時，所製得的含鈦合金鋼材之肥粒鐵相晶粒粗大，反而使含鈦合金鋼材的抗拉強度過低，且易生成島狀麻田散鐵，而造成抽絲加工時容易發生抽斷的問題。倘若完軋溫度低於820℃時，對軋輥造成較大的磨耗，不利於大量生產。

在其他實施例中，熱軋延可使含鈦合金鋼材發生再結晶現象，從而降低含鈦合金鋼材之加工硬化程度，以達到高軋延率。然而，冷軋處理不產生前述再結晶現象，而不能達到高軋延率，所以含鈦合金鋼材之製造方法100可排除使用冷軋處理。

於前述之操作130後，進行冷卻處理，如操作140所示。此冷卻處理之冷卻速度為0.6℃/s至1.0℃/s，然以0.7℃/s至0.9℃/s為較佳。倘若冷卻速度小於0.6℃/s時，生產速率太低，而不符經濟效益。倘若冷卻速度大於1.0℃/s時，所製得的含鈦合金鋼材之抗拉強度過高。

在一些實施例中，可於史蒂摩(stelmor)輸送帶上進行冷卻處理。在一些實施例中，冷卻處理可使用空冷或氣冷方式，以冷卻鋼材至約4至500℃。

需補充說明的是，相較習知的合金鋼材之製造方法(使用大於1080℃之出爐溫度)，含鈦合金鋼材之製造方法100於加熱後(即出爐時)，較少的碳化鈦固溶於肥粒鐵相，因此肥粒鐵相的硬度較小。此較小硬度的肥粒鐵相可使含鈦合金鋼材之製造方法100不需要於操作140(即前述之冷卻處理)之後額外進行退火處理，以降低含鈦合金鋼材之抗拉強度至適當範圍。換句話說，含鈦合金鋼材之製造方法100可排除使用退火處理，且由其所製得之含鈦合金鋼材已可進行抽絲加工，故可直接做為氣體保護焊接用之焊線的原料。

在一些實施例中，出爐時之肥粒鐵相的硬度可為不大於HV180，且較佳可為HV170至HV150。當出爐時之肥粒鐵相的硬度為前述之範圍時，含鈦合金鋼材之製造方法100可排除使用退火處理。

在一些實施例中，於前述之操作140(即前述之冷卻處理)之後，製造方法100可選擇性包含盤捲處理，以將含鈦合金鋼材盤捲成盤元。

另外，本發明提供一種含鈦合金鋼材。此含鈦合金鋼材係利用前述之製造方法所製得，其合金組成分與前述之含鈦合金鋼材之製造方法所使用之鋼胚相同，由於合金組成分中各元素的含量及功效與鋼胚中各元素的含量及功效相同，故不再贅述。

此含鈦合金鋼材之抗拉強度為不小於510MPa且不大於555MPa，且抗拉強度之分佈範圍為不大於20MPa。倘若含鈦合金鋼材之抗拉強度及其分佈範圍不為前述之範圍時，含鈦合金鋼材不利於抽絲加工，故不可做為氣體保護焊接用之焊線的原料。較佳地，抗拉強度可為530MPa至540MPa，且抗拉強度之分佈範圍可為不大於17MPa。

在一些實施例中，含鈦合金鋼材之金相組織可包含45奈米至65奈米的碳化鈦析出物，且較佳地金相組織可包含50奈米至60奈米的碳化鈦析出物。當金相組織包含此些碳化鈦析出物時，含鈦合金鋼材具有適當的抗拉強度及低抗拉強度變異，而適合直接抽成焊線，並可降低模具的損耗，故可做為氣體保護焊接用的焊線之原料。

在一些實施例中，含鈦合金鋼材包含至少95體積分率之肥粒鐵相，以及不大於5體積分率之麻田散鐵相與波來鐵相。較佳地，含鈦合金鋼材可包含至少98體積分率之肥粒鐵相，以及不大於2體積分率之麻田散鐵相與波來鐵相。當肥粒鐵相、麻田散鐵相及波來鐵相之體積分率為前述之範圍時，含鈦合金鋼材具有適當的抗拉強度及低抗拉強度變異，而適合直接抽成焊線，並可降低模具的損耗，故可做為氣體保護焊接用的焊線之原料。

以下利用實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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。

含鈦合金鋼材之製造方法

實施例1

實施例1之含鈦合金鋼材係先提供鋼胚，此鋼胚為經過連鑄及開胚後之小鋼胚，其組成分如下表1所示。然後，加熱鋼胚，以使其形成沃斯田鐵相。於經加熱後鋼胚移出熔爐後，使用軋延機對加熱後鋼胚進行熱軋。完軋後，於史蒂摩輸送帶上冷卻完軋鋼材，再將此鋼材盤捲成盤元，以獲得實施例1之含鈦合金鋼材，其具體條件如下表1所示。

比較例1至5

比較例1至5之含鈦合金鋼材係使用不同的鋼胚，並經由不同的製程條件所製得，其鋼胚及製程條件如下表1所示。

表1

「NA」表示被偵測物的含量低於偵測極限值，而無法測得其含量。

評價方式

1.金相組織的觀察

金相組織的觀察係利用電子顯微鏡對實施例1及比較例1及3之含鈦合金鋼材擷取影像，以測量實施例1影像中的肥粒鐵相、波來鐵相及麻田散鐵相之體積分率，並觀察碳化鈦析出物粒徑，其結果如表1、圖2及圖3所示。

2.抗拉強度試驗

抗拉強度係依據標準方法CNS 2112 G2014來測量實施例1及各比較例之抗拉強度。

3.肥粒鐵相的硬度試驗

肥粒鐵相的硬度試驗係使用維克式硬度機測量實施例1及各比較例之肥粒鐵相的硬度，其中參數設定為5克的荷重及10秒的持續時間。

請參閱表1及圖2，圖2之(a)影像及(b)影像分別為比較例3及實施例1的含鈦合金鋼材於出爐後的金相組織影像。相較於比較例3的金相組織影像，實施例1的金相組織影像中出現較多的小黑點，此些小黑點為碳化鈦。此外，比較例3及實施例1的金相組織中之肥粒鐵相之硬度分別為HV194±7及HV160±6(如圖2所示)。

由此可知，相較於使用較高出爐溫度之比較例3，實施例1的鋼胚係使用較低出爐溫度來降低碳化鈦的固溶量，故於後續熱軋處理時，實施例1的金相組織析出較少量的碳化鈦，從而降低實施例1的含鈦合金鋼材之抗拉強度，並使其符合前述之抽絲加工的要求(不小於510MPa且不大於555MPa)。此外，實施例1的鋼胚之肥粒鐵相固溶的碳化鈦較比較例3少，所以實施例1的肥粒鐵相之硬度較小。

請參閱表1及圖3，圖3之(a)影像及(b)影像分別為比較例1及實施例1的含鈦合金鋼材於完軋後之金相組織影像。相較於比較例3的金相組織影像，實施例1的含鈦合金鋼材金相組織具有98至99體積分率之肥粒鐵相及1至2體積分率之波來鐵相，且肥粒鐵相的晶粒較細化。此外，比較例1的含鈦合金鋼材金相組織具有較粗大的肥粒鐵相及島狀的麻田散鐵相，其中圖3之(a)影像中以箭頭標示出麻田散鐵相。

由此可知，相較於使用較高完軋溫度之比較例1，實施例1的鋼胚係使用較低完軋溫度來細化肥粒鐵相且阻止生成島狀麻田散鐵相，從而降低實施例1的含鈦合金鋼材之抗拉強度，以使其符合前述之抽絲加工的要求，並且較低完軋溫度亦可降低抗拉強度變異。

綜上所述，本發明之含鈦合金鋼材之製造方法係使用特定的出爐溫度及完軋溫度來製得具有適當的抗拉強度及低抗拉強度變異之含鈦合金鋼材，故其可應用於氣體保護焊接用之焊線。

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:操作

為了對本發明之實施例及其優點有更完整之理解，現請參照以下之說明並配合相應之圖式。必須強調的是，各種特徵並非依比例描繪且僅係為了圖解目的。相關圖式內容說明如下： 圖1係繪示根據本發明之一實施例的含鈦合金鋼材的製造方法之流程圖。 圖2係本發明之一實施例與一比較例之含鈦合金鋼材於出爐後的金相組織影像。 圖3係本發明之一實施例與一比較例之含鈦合金鋼材於完軋後的金相組織影像。

100:方法

110,120,130,140:操作

Claims (9)

1. 一種含鈦合金鋼材之製造方法，包含：提供一鋼胚，其中該鋼胚包含：0.03重量百分比至0.08重量百分比之碳；0.204重量百分比至0.24重量百分比之鈦；1.4重量百分比至1.6重量百分比之錳；0.7重量百分比至0.9重量百分比之矽；其餘量的鐵；以及不可避免的雜質；對該鋼胚進行一加熱處理，其中該加熱處理之一出爐溫度為不小於1000℃且不大於1080℃；對該鋼胚進行一熱軋處理，其中該熱軋處理之一完軋溫度為820℃至855℃；以及對該鋼胚進行一冷卻處理，其中該冷卻處理之一冷卻速度為0.6℃/s至1.0℃/s，以獲得該含鈦合金鋼材，其中該含鈦合金鋼材之一金相組織包含至少95體積分率之肥粒鐵相，以及不大於5體積分率之麻田散鐵相與波來鐵相，該含鈦合金鋼材之一抗拉強度為不小於510MPa且不大於555MPa，且該抗拉強度之一分佈範圍為不大於20MPa。
2. 如請求項1所述之含鈦合金鋼材之製造方法，其中該鋼胚更包含不大於0.016重量百分比之硫。
3. 如請求項1所述之含鈦合金鋼材之製造方法，其中該鋼胚更包含不大於0.0045重量百分比之氮。
4. 如請求項1所述之含鈦合金鋼材之製造方法，其中，該碳與該鈦之一重量比值為2.5至3.5。
5. 一種含鈦合金鋼材，包含：0.03重量百分比至0.08重量百分比之碳；0.204重量百分比至0.24重量百分比之鈦；1.4重量百分比至1.6重量百分比之錳；0.7重量百分比至0.9重量百分比之矽；其餘量的鐵；以及不可避免的雜質；其中該含鈦合金鋼材之一金相組織包含至少95體積分率之肥粒鐵相，以及不大於5體積分率之麻田散鐵相與波來鐵相，該含鈦合金鋼材之一抗拉強度為不小於510MPa且不大於555MPa，且該抗拉強度之一分佈範圍為不大於20MPa。
6. 如請求項5所述之含鈦合金鋼材，其中該含鈦合金鋼材更包含不大於0.016重量百分比之硫。
7. 如請求項5所述之含鈦合金鋼材，其中該含鈦合金鋼材更包含不大於0.0045重量百分比之氮。
8. 如請求項5所述之含鈦合金鋼材，其中該碳與該鈦之一重量比為值為2.5至3.5。
9. 如請求項5所述之含鈦合金鋼材，其中該含鈦合金鋼材之一金相組織包含45奈米至65奈米的碳化鈦析出物。

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