TWI802801B - 搪瓷鋼材及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種搪瓷鋼材及其製造方法。此製造方法包含提供鋼胚，並對鋼胚進行加熱步驟、熱軋步驟以及盤捲步驟，從而獲得在高溫中不軟化的搪瓷鋼材。利用上述鋼胚及特定溫度條件，可改善搪瓷鋼材在高溫中軟化的問題。換言之，上述搪瓷鋼材經如搪瓷塗層燒製的熱處理後，降伏強度幾乎不降低。

Description

搪瓷鋼材及其製造方法

本發明是關於一種搪瓷鋼材，特別是關於一種經熱處理後，降伏強度降幅較小之搪瓷鋼材及其製造方法。

搪瓷(或稱之為琺瑯)是將釉藥噴塗於基質表面後，以高溫(大於750℃)進行搪瓷塗層燒製而成的外殼，可用來保護或裝飾基質。上述釉藥主要包含長石或石英等玻璃質物質，而基質可例如為玻璃、石材、陶瓷或金屬等材料。於現在工業製程中，所使用之基質以鋼材為大宗。

然而，搪瓷燒製的熱處理可能改變鋼材的微觀結構，進而導致鋼材性質發生變化。詳細而言，當搪瓷燒製的溫度高於鋼材之Ac3溫度時，鋼材中的肥粒鐵相(ferrite)將完全轉變成沃斯田鐵(austenite)，造成晶粒粗化，進而導致鋼材軟化，故鋼材之降伏強度大幅下降。上述高溫軟化的問題限制了搪瓷鋼材的應用。

另外，目前市面上的搪瓷鋼材多為碳含量低(重量百分比小於0.0025%)的冷軋鋼材，其普遍硬度低，且存在前述高溫軟化的問題，因此無法符合現在市場對於搪瓷鋼材在尺寸、成本、鋼材強度或搪瓷後強度管控的需求。

有鑑於此，亟須提供一種搪瓷鋼材及其製造方法，以獲得具有較高強度且可抗高溫軟化的熱軋搪瓷鋼材。

因此，本發明之一態樣是提供一種搪瓷鋼材的製造方法，其係利用具有特定組成比例的鋼胚及特定的製程條件，以獲得高溫中不軟化的搪瓷鋼材，故此搪瓷鋼材經熱處理後，降伏強度降幅較低。

本發明之另一態樣是提供一種搪瓷鋼材，其具有特定比例之組成，而具有特定的顯微結構。搪瓷鋼材經熱處理後，降伏強度降幅較低。

根據本發明之一態樣，提供一種搪瓷鋼材的製造方法。首先，提供鋼胚，其中基於搪瓷鋼材為100重量百分比(wt.%)，鋼胚可包含0.11 wt.%至0.20 wt.%的碳、0.5 wt.%至1.5 wt.%的錳、小於0.03 wt.%的磷、0.003 wt.%至0.1 wt.%的硫、0.003 wt.%至0.01 wt.%的氮、0.001 wt.%至0.3 wt.%的銅、0.001 wt.%至0.1 wt.%的鉻、0.001 wt.%至0.1 wt.%的鎳、小於或等於0.15 wt.%的矽、0.01 wt.%至0.08 wt.%的鋁、小於0.02 wt.%的過渡金屬、平衡量的鐵以及不顯著之雜質，其中銅、鉻及鎳之總和係大於0.05 wt.%。接著，對鋼胚進行加熱步驟，以獲得加熱鋼胚，其中加熱步驟之加熱溫度可為不低於AlN的固溶溫度。然後，對加熱鋼胚進行熱軋步驟，以獲得完軋鋼材。接著，對完軋鋼材進行盤捲步驟，以獲得搪瓷鋼材，其中盤捲步驟之盤捲溫度可為大於560℃，且搪瓷鋼材經熱處理前後之降伏強度降幅可為小於40兆帕(MPa)。

根據本發明之一實施例，上述盤捲溫度可為小於700℃。

根據本發明之一實施例，上述盤捲溫度可為580℃至620℃。

根據本發明之一實施例，上述搪瓷鋼材之降伏強度降幅可為小於或等於24 MPa。

根據本發明之一實施例，上述熱處理可為在950℃至970℃下進行1至10分鐘。

根據本發明之一實施例，上述過渡金屬可為選自於由鈦、鈮、釩以及上述之任意組合所組成之族群。

根據本發明之另一態樣，提供一種搪瓷鋼材，基於搪瓷鋼材為100重量百分比(wt.%)，鋼胚可包含0.11 wt.%至0.20 wt.%的碳、0.5 wt.%至1.5 wt.%的錳、小於0.03 wt.%的磷、0.003 wt.%至0.1 wt.%的硫、0.003 wt.%至0.01 wt.%的氮、0.001 wt.%至0.3 wt.%的銅、0.001 wt.%至0.1 wt.%的鉻、0.001 wt.%至0.1 wt.%的鎳、0.001 wt.%至0.1 wt.%的鎳、小於或等於0.15 wt.%的矽、0.01 wt.%至0.08 wt.%的鋁、小於0.02 wt.%的過渡金屬、平衡量的鐵以及不顯著之雜質，其中過渡金屬可例如選自於由鈦、鈮、釩以及上述之任意組合所組成之族群，而銅、鉻及鎳之總和係大於0.05 wt.%、。上述搪瓷鋼材經熱處理前後之降伏強度降幅可為小於40 MPa。

根據本發明之一實施例，上述熱處理可為在大於950℃而小於970℃下進行1至10分鐘。

根據本發明之一實施例，搪瓷鋼材之顯微結構可包含肥粒鐵相及高碳相，高碳相包含波來鐵相及/或變韌鐵相，且肥粒鐵相之體積比例為大於或等於60%。

根據本發明之一實施例，上述降伏強度降幅可為小於或等於24 MPa。

應用本發明之搪瓷鋼材及其製造方法，所製得之搪瓷鋼材經搪瓷塗層燒製之熱處理後，可維持降伏強度，故具有較低的降伏強度降幅。於此製造方法中，特定組成的鋼材與特定的溫度條件可使AlN析出物及其他介在物固著(pinning)於晶界，而在熱處理時延緩晶粒的粗化，進而改善搪瓷鋼材在高溫中軟化的問題，並降低降伏強度降幅。

承上所述，本發明提供一種搪瓷鋼材及其製造方法，其係利用特定組成比例的鋼胚及特定的製程條件煉製成的搪瓷鋼材，上述搪瓷鋼材經熱處理後不軟化。上述搪瓷鋼材是藉由氮化鋁(AlN)固著晶界，以於熱處理進行時延緩晶粒的粗化，使搪瓷鋼材在經熱處理後仍維持一定的降伏強度。

請參閱圖1，其係繪示根據本發明之一實施例之搪瓷鋼材的製造方法100的流程圖。如圖1的操作110所示，首先提供鋼胚，其中鋼胚可包含0.11 wt.%至0.20 wt.%的碳、0.5 wt.%至1.5 wt.%的錳、小於0.03 wt.%的磷、0.003 wt.%至0.1 wt.%的硫、0.003 wt.%至0.01 wt.%的氮、0.001 wt.%至0.3 wt.%的銅、0.001 wt.%至0.1 wt.%的鉻、0.001 wt.%至0.1 wt.%的鎳、小於或等於0.15 wt.%的矽、0.01 wt.%至0.08 wt.%的鋁、小於0.02 wt.%的過渡金屬，以及平衡量的鐵及不顯著之雜質。上述過渡金屬係指鋼胚中的微量元素，可例如選自於由鈦、鈮、釩以及上述之任意組合所組成之族群。此外，銅、鉻及鎳之總和係大於0.05 wt.%。

值得注意的是，鋼胚的組成及比例可影響搪瓷鋼材的性質，其中碳含量可影響搪瓷鋼材的強度及/或延展性。如果碳含量過低(例如小於0.11 wt.%)，搪瓷鋼材的降伏強度可能過低(例如小於300 MPa)。如果碳含量過高(例如：大於0.20 wt.%)，搪瓷鋼材變得較硬而脆，導致搪瓷鋼材不容易塑形。

本發明之搪瓷鋼材是利用AlN固著晶界，因此，鋼胚中的氮含量及/或鋁含量需在一定的範圍中。如果氮含量及/或鋁含量太低，例如氮含量為0.0025 wt.%，或鋁含量為0.005 wt.%，則所生成之AlN含量過少，而不足以延緩經熱處理後的沃斯田鐵晶粒的粗化。另一方面，氮含量需在0.01 wt.%以下，且鋁含量需在0.08 wt.%以下，以免搪瓷鋼材的降伏強度降低。

另外，銅、鉻及鎳含量之總和需大於0.05 wt.%，否則搪瓷鋼材抗高溫氧化的效果不佳。再者，鈦、鈮及釩之總含量不可過高，如果鈦、鈮及釩含量之總和大於0.020 wt.%，則搪瓷鋼材熱處理後的強度也會下降。

在一較佳實施例中，鋼胚包含0.11 wt.%至0.17 wt.%的碳、0.75 wt.%至0.88 wt.%的錳、0.012 wt.%至0.024 wt.%的磷、0.003 wt.%至0.017 wt.%的硫、0.0041 wt.%至0.008 wt.%的氮、0.112 wt.%至0.125 wt.%的銅、鉻及鎳、0 wt.%至0.02 wt.%的矽、0.036 wt.%至0.064 wt.% 的鋁，而鈦、鈮及釩等過渡金屬少於0.02 wt.%。

於操作110後，進行加熱步驟，以由上述鋼胚獲得加熱鋼胚，如操作120所示。加熱步驟之加熱溫度可例如高於AlN的固溶溫度，從而使AlN固溶並均勻分散在加熱鋼胚中，且維持在過飽和的狀態。AlN的固溶溫度與鋁及氮的含量有關，如式(1)所示，其中「[Al][N]」表示鋼胚中鋁之莫耳濃度(mol/L)與氮之莫耳濃度的乘積，T表示溫度(凱氏溫度)。 log[Al][N]=1.79-7184/T           式 (1)

在一實施例中，加熱溫度可例如大於1013℃。在另一實施例中，當鋁含量為0.04 wt.%，且氮含量在0.007 wt.%時，加熱溫度大於1072℃。在一較佳實施例中，加熱溫度是1180℃至1220℃。

接著，如操作130所示，將對上述加熱鋼胚進行熱軋步驟，以獲得完軋鋼材。熱軋步驟之溫度無特別限制，在一實施例中，熱軋步驟之完軋溫度可例如840℃至905℃。

進行熱軋步驟後，對完軋鋼材進行盤捲步驟，以獲得搪瓷鋼材，如操作140所示。盤捲步驟之盤捲溫度可例如大於560℃至700℃。盤捲步驟是AlN析出、成核及成長的關鍵步驟，其中盤捲溫度會影響搪瓷鋼材中AlN的析出量，從而影響搪瓷鋼材的強度。詳細而言，盤捲溫度越高，AlN的析出量越多，搪瓷鋼材的降伏強度越低。經實驗證實，若盤捲溫度小於或等於560℃，AlN的析出量將不足以固著晶界，從而無法在搪瓷鋼材進行熱處理時，延緩沃斯田鐵晶粒的粗化。然而，盤捲溫度也不可大於或等於700℃，因為大於或等於700℃之盤捲溫度會造成AlN大量析出，從而導致搪瓷鋼材的降伏強度大幅下降。在一較佳實施例中，盤捲溫度是580℃至620℃。

上述搪瓷鋼材的顯微結構可包含肥粒鐵相及高碳，其中肥粒鐵相之比例為大於或等於60體積百分比。在一實施例中，C含量為0.2 wt.%，且肥粒鐵相之比例為72 wt.%。在一實施例中，上述高碳相包含波來鐵相及/或變韌鐵相。在另一實施例中，波來鐵相及/或變韌鐵相分散於肥粒鐵相中。

在一實施例中，上述搪瓷鋼材在熱處理前的降伏強度可例如334 Mpa至351 Mpa，而抗拉強度可例如473 MPa至510 MPa。

以上述製造方法煉製之搪瓷鋼材在高溫中不軟化，其中所述之「高溫」是指大於搪瓷鋼材Ac3之溫度，而「軟化」是指搪瓷鋼材降伏強度下降的現象，故「不軟化」意味著搪瓷鋼材在經熱處理後降伏強度下降幅度小，且顯微結構不產生晶粒粗化的現象。在一實施例中，熱處理可例如以大於950℃之溫度進行熱處理1至10分鐘，以進行搪瓷塗層燒製。需說明的是，熱處理的溫度沒有上限範圍，但於一般製程條件中，熱處理可大於950℃且小於970℃。在一實施例中，經熱處理後，本發明之搪瓷鋼材的降伏強度降幅可例如小於40兆帕(MPa)，而抗拉強度降幅可例如小於70 MPa。在一較佳實施例中，熱處理前後搪瓷鋼材的降伏強度降幅係小於或等於24 MPa，而抗拉強度降幅係小於或等於65 MPa。

上述搪瓷鋼材可包含但不限於以習知方法進行進一步地處理，可例如：酸洗除鏽步驟及塗油步驟等。搪瓷鋼材之製造方法不包含冷軋步驟，因為本發明適用於製造熱軋鋼材的製造，但不適用於製造冷軋鋼材。

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。

實施例1

實施例中，首先提供鋼胚，其中鋼胚包含0.15 wt.%的碳、0.88 wt.%的錳、0.014 wt.%的磷、0.017 wt.%的硫、0.0041 wt.%的氮、0.113 wt.%的銅、鉻及鎳、0.02 wt.%的矽、0.064 wt.%的鋁、少於0.02 wt.%的過渡金屬(鈦、鈮及釩等)，以及平衡量的鐵及不顯著之雜質。接著，將此鋼胚依序進行加熱步驟、熱軋步驟及盤捲步驟，其中加熱步驟之溫度為1180℃，熱軋步驟之完軋溫度為840℃，且盤捲溫度係620℃。

實施例2-4及比較例1-3

實施例2至4及比較例1至3係利用類似於實施例1的方法進行，不同的是，實施例2至4及比較例1至3改變鋼胚的組成比例及製程溫度等製成條件。關於實施例1至4以及比較例1至3的具體製程條件和評價結果如表1所示，此處不另贅述。

評價方式

進行拉伸試驗，以測量上述實施例1至4及比較例1至3之搪瓷鋼材於熱處理前的降伏強度、抗拉強度及延伸率，並用穿透式電子顯微鏡觀察與記錄搪瓷鋼材的顯微結構。接著，進行960℃的熱處理，以模擬搪瓷製程。經熱處理5分鐘後，進行拉伸試驗，並計算搪瓷鋼材經熱處理後的降伏強度降幅及抗拉強度降幅。另外，以穿透式電子顯微鏡觀察並記錄熱處理後搪瓷鋼材的顯微結構。上述結果係顯示於表1及圖2A至圖7B中，其中圖2A、圖3A、圖4A、圖5A、圖6A及圖7A分別係顯示根據本發明實施例1至4與比較例1至2之搪瓷鋼材進行熱處理前的顯微結構，圖2B、圖3B、圖4B、圖5B、圖6B及圖7B分別係顯示根據本發明實施例1至4與比較例1至2之搪瓷鋼材進行熱處理後的顯微結構，圖2A至圖7B右下角的黑線為比例尺，且表1中的降伏(抗拉)降幅是經熱處理後之降伏(抗拉)強度降幅之簡稱。 [表1]

項目	組成	實施例	比較例
1	2	3	4	1	2	3
尺寸	厚度	2	2	2	2	2	2.5	1.8
鋼胚組成比例(wt.%)	氮	0.0041	0.0041	0.0041	0.008	0.0041	0.0025	0.0078
銅+鎳+鉻	0.113	0.113	0.113	0.125	0.113	0.023	0.112
釩+鈦+鈮	＜0.02	＜0.02	＞0.05
碳	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	0.17	0.1
錳	0.88	0.88	0.88	0.83	0.88	0.75	0.79
磷	0.014	0.014	0.014	0.013	0.014	0.015	0.024
硫	0.017	0.017	0.017	0.017	0.017	0.002	0.004
鋁	0.064	0.064	0.064	0.05	0.064	0.036	0.047
矽	0.02	0.02	0.02	0.02	0.02	0	0.01
製程溫度(℃)	加熱溫度	1180	1180	1185	1178	1188	1220	1220
完軋溫度	840	840	840	840	840	875	905
盤捲溫度	620	600	580	580	560	630	630
評價方式	熱處理前	降伏強度(MPa)	334	336	351	346	378	330	393
抗拉強度(MPa)	473	488	497	510	502	489	507
延伸率%	28	27	26	25	24	35	31
熱處理後	降伏降幅(MPa)	4	23	24	4	93	83	100
抗拉降幅(MPa)	31	48	51	65	64	64	98
晶粒粗化	不明顯	不明顯	不明顯	不明顯	有	有	--

如表1所示，相較於實施例1至4，比較例1的盤捲溫度較低，比較例2的氮含量較低，比較例3的釩、鈦、鈮之總和較高，而比較例1至3之搪瓷鋼材經熱處理後的降伏強度降幅較大。

詳細而言，實施例1至3及比較例1的鋼胚成份比例一樣，加熱溫度雖有不同，但皆高於AlN的固溶溫度，唯盤捲溫度有所差異。由實施例1至3可知，盤捲溫度越低，降伏強度越高，但熱處理前後之降伏強度降幅也越大。當盤捲溫度是小於或等於560℃時(比較例1)，搪瓷鋼材經熱處理前後之降伏強度降幅大幅下降。

熱處理前後之降伏強度降幅大幅下降的搪瓷鋼材，其熱處理後的晶粒粗化程度較大。請參閱圖2A至圖5B，在實施例1至4中，相較於熱處理前(圖2A、圖3A、圖4A及圖5A)，搪瓷鋼材經熱處理後(圖2B、圖3B、圖4B及圖5B)，晶粒粗化的現象不明顯。反之，在比較例中，相較於熱處理前(圖6A及圖7A)，經熱處理後(圖6B及圖7B)的搪瓷鋼材具有明顯的晶粒粗化的現象。

由上述結果顯示，如果鋼胚組成比例及製程溫度不符合本發明之條件，特別是如果盤捲溫度及/或氮含量過低，或釩、鈦、鈮等過渡元素之總含量過高，則搪瓷鋼材中的AlN將無法發揮固著晶界的作用，從而無法延緩晶粒在高溫中粗化，更無法維持熱處理後搪瓷鋼材之強度。反之，如果鋼胚組成比例及製程溫度符合本發明之條件，則搪瓷鋼材經熱處理前後的降伏強度降幅小，表示搪瓷鋼材經搪瓷燒製後，仍可維持經搪瓷燒製前的降伏強度。

根據上述實施例，本發明之搪瓷鋼材經熱處理後仍然可維持熱處理前的降伏強度，意味著本發明之搪瓷鋼材可應用於油箱、筒倉、化學反應槽等需要較高強度的容器中。另一方面，本發明之搪瓷鋼材為熱軋鋼材，相較於習知需經由冷軋步驟而獲得的搪瓷鋼材，本發明之搪瓷鋼材的生產成本較低。此外，本發明之搪瓷鋼材的含碳比例較高，因此相較於習知搪瓷鋼材係以超低碳鋼胚做為原料，本發明之搪瓷鋼材在經熱處理前的降伏強度較高。

綜言之，本發明雖以特定的組成、特定的組成比例、特定的煉鋼製程、特定的溫度、或特定的評估方式作為例示，說明本發明之搪瓷鋼材在高溫中不軟化，惟本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者可知，本發明並不限於此，在不脫離本發明之精神和範圍內，本發明亦可使用其他組成、其他的組成比例、其他的煉鋼製程、其他的溫度或其他的評估方式進行。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，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 110,120,130,140: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，所附圖式之詳細說明如下： 〔圖1〕係繪示根據本發明之一實施例之搪瓷鋼材的製造方法的流程圖。 〔圖2A〕、〔圖3A〕、〔圖4A〕、〔圖5A〕、〔圖6A〕及〔圖7A〕分別係顯示根據本發明實施例1至4與比較例1至2之搪瓷鋼材進行熱處理前的顯微結構。 〔圖2B〕、〔圖3B〕、〔圖4B〕、〔圖5B〕、〔圖6B〕及〔圖7B〕分別係顯示根據本發明實施例1至4與比較例1至2之搪瓷鋼材進行熱處理後的顯微結構。

100:製造方法

110,120,130,140:操作

Claims (9)

1. 一種搪瓷鋼材的製造方法，包含：提供一鋼胚，其中基於該搪瓷鋼材為100重量百分比(wt.%)，該鋼胚包含：0.11wt.%至0.20wt.%的碳；0.5wt.%至1.5wt.%的錳；小於0.03wt.%的磷；0.003wt.%至0.1wt.%的硫；0.003wt.%至0.01wt.%的氮；0.001wt.%至0.3wt.%的銅；0.001wt.%至0.1wt.%的鉻；0.001wt.%至0.1wt.%的鎳，其中銅、鉻及鎳之一總和係大於0.05wt.%；小於或等於0.15wt.%的矽；0.01wt.%至0.08wt.%的鋁；小於0.02wt.%的一過渡金屬，其中該過渡金屬係選自於由鈦、鈮、釩以及上述之任意組合所組成之一族群；以及平衡量的鐵及不顯著之雜質；對該鋼胚進行一加熱步驟，以獲得一加熱鋼胚，其中該加熱步驟之一加熱溫度係不低於AlN的一固溶溫度；對該加熱鋼胚進行一熱軋步驟，以獲得一完軋鋼材；以及對該完軋鋼材進行一盤捲步驟，以獲得一搪瓷鋼材，其 中該盤捲步驟之一盤捲溫度係大於560℃且小於或等於580℃，該搪瓷鋼材在一熱處理前的降伏強度為大於或等於346兆帕(MPa)，且經該熱處理後之一降伏強度降幅係小於40兆帕(MPa)。
2. 如申請專利範圍第1項所述之搪瓷鋼材的製造方法，其中該盤捲溫度係小於700℃。
3. 如申請專利範圍第1項所述之搪瓷鋼材的製造方法，其中該盤捲溫度為580℃至620℃。
4. 如申請專利範圍第1項所述之搪瓷鋼材的製造方法，其中該搪瓷鋼材之該降伏強度降幅係小於或等於24MPa。
5. 如申請專利範圍第1項所述之搪瓷鋼材的製造方法，其中該熱處理係在大於950℃而小於970℃下進行1分鐘至10分鐘。
6. 一種搪瓷鋼材，基於該搪瓷鋼材為100wt.%，該搪瓷鋼材包含：0.11wt.%至0.20wt.%的碳；0.5wt.%至1.5wt.%的錳；小於0.03wt.%的磷；0.003wt.%至0.1wt.%的硫；0.003wt.%至0.01wt.%的氮；0.001wt.%至0.3wt.%的銅；0.001wt.%至0.1wt.%的鉻；0.001wt.%至0.1wt.%的鎳，其中銅、鉻及鎳之一 總和係大於0.05wt.%；小於或等於0.15wt.%的矽；0.01wt.%至0.08wt.%的鋁；小於0.02wt.%的一過渡金屬，其中該過渡金屬係選自於由鈦、鈮、釩以及上述之任意組合所組成之一族群；以及平衡量的鐵及不顯著之雜質，且其中該搪瓷鋼材係經大於560℃且小於或等於580℃的一盤捲溫度後獲得，該搪瓷鋼材在一熱處理前的降伏強度為大於或等於346兆帕(MPa)，經該熱處理後之一降伏強度降幅係小於40MPa。
7. 如申請專利範圍第6項所述之搪瓷鋼材，其中該熱處理係在大於950℃而小於970℃下進行1至10分鐘。
8. 如申請專利範圍第6項所述之搪瓷鋼材，其中該搪瓷鋼材之一顯微結構包含肥粒鐵相及高碳相，該高碳相包含波來鐵相及/或變韌鐵相，且該肥粒鐵相之一體積比例為大於或等於60%。
9. 如申請專利範圍第6項所述之搪瓷鋼材，其中該搪瓷鋼材之該降伏強度降幅係小於或等於24MPa。

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