TWI804256B - 鋼材加工方法 - Google Patents

Abstract

本揭露提出一種鋼材加工的方法，包括以下步驟：提供鋼材；加熱鋼材至第一溫度，並於第一溫度持溫1-3小時；以每小時降溫100°C至250°C的一冷卻速度，進行降溫1-2.5小時，使該鋼材冷卻至一第二溫度；加熱鋼材至第三溫度，並於第三溫度持溫2-10小時；以及冷卻鋼材至室溫並取得球化組織鋼材。其中，第一溫度高於第三溫度，並且第一溫度和第三溫度皆高於第二溫度。其中，第一溫度介於A1至A3變態溫度區間，並且第三溫度低於A1變態溫度。

Description

鋼材加工方法

本揭露為關於一種鋼材加工方法，特別是關於一種能有效軟化低碳合金鋼材並提升冷加工性質的鋼材加工方法。

目前鋼材加工處理，最常使用次臨界或臨界間球化退火，此法即是於A1變態溫度(約727℃)以下，採單一球化溫度進行退火軟化。採用此方法加工，雖能使球化率達標，但軟化效果較差，僅使硬度降低約1HRB-2HRB。效果不如預期的原因在於，熱軋組織中缺乏碳化物晶種可供Fe₃C成核及成長，因此於次臨界退火時，碳會做為細小析出相(如TiC、Mn_xC、Mo_xC)成核及成長之用，也因此晶粒被釘固住而無法長大。進而，硬度僅略降約1HRB-2HRB，並使延伸模具損耗率提高更提高生產成本。

因此，需要一種能夠克服上述技術問題的鋼材加工方法，以獲得更多球化晶種，提升鋼材的冷加工性質，同時有效達到軟化的效果。

本揭露的目的在於提供一種鋼材加工方法，其透過「兩階段退火」，第一階段兩相區退火(γ逆變態以及冷卻路徑控制)與第二階段次臨界退火，以使Fe₃C成核及成長，並獲得良好的球化組織，同時縮短球化時間與工序。

於本揭露的一些實施方式中，提出一種鋼材加工的方法，包括以下步驟：提供鋼材；加熱鋼材至第一溫度，並於第一溫度持溫1-3小時；以每小時降溫100℃至250℃的一冷卻速度，進行降溫1-2.5小時，使該鋼材冷卻至一第二溫度；加熱鋼材至第三溫度，並於第三溫度持溫2-10小時；以及冷卻鋼材至室溫並取得球化組織鋼材。其中，第一溫度高於第三溫度，並且第一溫度和第三溫度皆高於第二溫度。其中，第一溫度介於A1至A3變態溫度區間，並且第三溫度低於A1變態溫度。

在一實施方式中，鋼材的總重量以100重量百分比計，鋼材包括0.01-0.2重量百分比的碳、0.5-2重量百分比的錳、0.2-1重量百分比的矽、0.13-0.48重量百分比的鉬以及0.01-0.3重量百分比的鈦。

在一實施方式中，第一溫度介於700℃至850℃之間。

在一實施方式中，第二溫度介於400℃至530℃之間。

在一實施方式中，第三溫度介於550℃至700℃之間。

在一實施方式中，冷卻鋼材至室溫並取得球化組織鋼材的步驟包括於鍋爐內靜置冷卻鋼材至第四溫度，以及於空氣中冷卻鋼材至室溫，並取得球化組織鋼材。其中第四溫度介於100℃至200℃之間。

在一實施方式中，鋼材的型態包括熱軋捲、冷軋捲、盤元、板材、鍛件、條線、棒材及其組合。

在一實施方式中，於降溫鋼材至第二溫度，降溫時間1-2.5小時的步驟後，鋼材具有多個變韌鐵組織。

在一實施方式中，於加熱鋼材至第三溫度，並於第三溫度持溫2-10小時的步驟後，鋼材具有多個球化組織。

在一實施方式中，球化組織鋼材的硬度介於81HRB至91HRB之間。

S101-S106:步驟

第1圖為根據本揭露一些實施方式之鋼材加工方法的流程圖。

第2圖為根據本揭露一些實施方式之執行鋼材加工之前的鋼材的SEM圖。

第3圖為根據本揭露一些實施方式之執行第一階段退火(即加熱鋼材至第一溫度並降溫至第二溫度)之後的鋼材的SEM圖。

第4圖為根據本揭露一些實施方式之執行第二階段退火(即加熱鋼材至第三溫度並冷卻)之後的鋼材的SEM圖。

為了讓本揭露之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本揭露較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本揭露所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本揭露，而非用以限制本揭露。

本揭露的鋼材加工方法透過「兩階段退火」，第一階段兩相區退火(γ逆變態以及冷卻路徑控制)與第二階段次臨界退火，以使Fe₃C成核及成長，並獲得良好的球化組織，同時縮短球化時間與工序。

請參閱第1圖，第1圖為根據本揭露一些實施方式之鋼材加工方法的流程圖。在一些實施方式中，如步驟S101所示，提供鋼材，具體來說，所提供的鋼材為高強度低碳合金鋼材。在一實施方式中，鋼材的總重量以100重量百分比計，鋼材包括0.01-0.2重量百分比的碳、0.5-2重量百分比的錳、0.2-1重量百分比的矽、0.13-0.48重量百分比的鉬以及0.01-0.3重量百分比的鈦。本揭露所使用的鋼材，其成分及比例如下表一所示。須注意，表一顯示4種鋼材(鋼材1-鋼材4)，關於該等鋼材的實施例將於本文後續內容中描述。

在一些實施例中，前述鋼材1-4為由以下方式煉成：(a)將鋼胚加熱後進行熱軋，其中完軋溫度控制在約850℃以上；(b)將完軋的鋼胚散置，置於冷卻床進行冷卻控制，取得上述鋼材1-4；(c)將鋼材1-4以鐘罩式球化爐進行本揭露所述的鋼材加工方法。在一實施方式中，鋼材1-4的型態包括熱軋捲、冷軋捲、盤元、板材、鍛件、條線、棒材及其組合。在一實施方式中，鋼材1-4的硬度大於97HRB。

繼續參考第1圖，如步驟S102所示，加熱鋼材1-4至第一溫度，並於第一溫度持溫1-3小時。具體來說，步驟S102係透過將鋼材1-4加熱至A1-A3變態溫度區間，促使鋼材1-4轉換為具有變韌鐵組織的鋼材1-4。在一實施方式中， 第一溫度為700℃至850℃之間，較佳地，第一溫度為720℃至780℃之間。在一些實施例中，第一溫度可包括，但不限於，700℃、710℃、720℃、730℃、740℃、750℃、760℃、770℃、780℃、790℃、800℃、810℃、820℃、830℃、840℃、850℃或者此等值之間的任何值。在一些實施例中，於第一溫度的持溫時間可包括，但不限於，1小時、1.5小時、2小時、2.5小時、3小時或者此等值之間的任何值。

接著，如步驟S103所示，以每小時降溫100℃至250℃的冷卻速度，進行降溫1-2.5小時，使鋼材1-4冷卻至第二溫度。具體來說，經過步驟S102之後，鋼材1-4已介於變韌組織的相變態區間，因此搭配合適的冷卻模式自第一溫度降溫至第二溫度，能夠促使更多的相變態並產生變韌組織。換句話說，步驟S103是為了提升變韌組織的產率，來獲得更多的析出碳化物(即晶種)，並以此作為後續球化步驟的成核點(即生成Fe₃C)。在一實施方式中，第二溫度介於200℃至530℃之間，較佳地，第二溫度介於250℃至500℃之間。在一些實施例中，第二溫度可包括，但不限於，200℃、230℃、260℃、290℃、320℃、350℃、380℃、410℃、440℃、470℃、500℃、530℃或者此等值之間的任何值。在一些實施例中，冷卻速度可包括，但不限於，每小時100℃、每小時110℃、每小時120℃、每小時130℃、每小時140℃、每小時150℃、每小時160℃、每小時170℃、每小時180℃、每小時190℃、每小時200℃、每小時210℃、每小時220℃、每小時230℃、每小時240℃、每小時250℃或者此等值之間的任何值。在一些實施例中，降溫時間可包括，但不限於，1小時、1.5小時、2小時、2.5小時或者此等值之間的任何值。

在此先說明，步驟S102-步驟S103可以統稱為第一階段退火或第一階段兩相區退火，意即透過於A1-A3變態溫度區間進行γ逆變態，再經由冷卻路徑控制，來獲得具有較多析出碳化物的變韌組織鋼材1-4。

請繼續參考第1圖，如步驟S104所示，加熱鋼材1-4至第三溫度，並於第三溫度持溫2-10小時。具體來說，步驟S104係透過將鋼材1-4加熱至小於A1變態溫度，以執行次臨界退火，使得Fe₃C能夠於前述晶種處成核及成長，亦可稱為粗大化。如此，即可獲得本揭露欲取得的球化組織鋼材1-4，其具有球狀碳化物組織。在一實施方式中，第三溫度介於550℃至700℃之間，較佳地，第三溫度介於600℃至700℃之間。在一些實施例中，第三溫度可包括，但不限於，550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃、610℃、620℃、630℃、640℃、650℃、660℃、670℃、680℃、690℃、700℃或者此等值之間的任何值。在一些實施例中，於第三溫度的持溫時間可包括，但不限於，2小時、3小時、4小時、5小時、6小時、7小時、8小時、9小時、10小時或者此等值之間的任何值。

須說明，步驟S104亦稱為第二階段次臨界退火，次臨界退火意即以小於A1變態溫度進行退火，如此可以避免變韌組織過度產生而使得後續晶粒無法長大，而難以軟化。據此，透過第二階段次臨界退火能夠獲得良好的球化組織鋼材。在一實施方式中，球化組織鋼材的硬度介於81HRB至91HRB之間。在一些實施例中，球化組織鋼材的硬度可包括，但不限於，81HRB、82HRB、83HRB、84HRB、85HRB、86HRB、87HRB、88HRB、89HRB、90HRB、91HRB或者此等值之間的任何值。

如步驟S105所示，將步驟S104所得到的球化組織鋼材於鍋爐內靜置冷卻至第四溫度，此步驟主要是基於安全考量，若在步驟S104完成後立即取出球化組織鋼材可能會產生工業上的危險。在一實施方式中，第四溫度介於100℃至200℃之間。在一些實施例中，第四溫度可包括，但不限於，100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃或者此等值之間的任何值。

如步驟S106所示，當球化組織鋼材在鍋爐內冷卻至較低溫度後，即可取出置於空氣中冷卻至室溫，之後即可進行包裝等後續出貨及加工步驟。

於此，本揭露之鋼材加工方法的具體步驟已敘明如上，以下表二將示出上述鋼材1-4於本揭露之鋼材加工方法中所使用之溫度等參數，以及所製得的球化組織鋼材的硬度等結果。

由表二可以明顯看出，本揭露的鋼材加工方法能夠大幅降低鋼材1-4的硬度，即由97.6HRB-101.3HRB降低至84.8HRB-90.4HRB，如此證明了本揭露的鋼材加工方法的確可以成功獲得具有良好球化率以及軟化的低碳合金鋼材，進而能使退火鋼材的性質滿足下游客戶的加工需求。同時，本揭露的鋼材加工方法的總處理時長也較習知技術大幅縮短，進而大幅增加生產效益。

請參考第2圖，第2圖為繪示根據本揭露一些實施方式之執行鋼材加工之前的鋼材的SEM圖。具體來說，第2圖-第4圖為上述鋼材1在實施本揭露的鋼材加工方法前後所拍攝的SEM圖。由第2圖可知，鋼材1在加工前顯示出非常不規則的組織，並且組織的形狀顯示了很多稜角。

接著，請參考第3圖，第3圖為繪示根據本揭露一些實施方式之執行第一階段退火(即加熱鋼材至第一溫度並降溫至第二溫度)之後的鋼材的SEM 圖。由第3圖可以看出，經過第一階段退火的鋼材1顯示了相較於第2圖更為均勻的組織，並且顆粒分散，即成核點明顯。

請參考第4圖，第4圖為繪示根據本揭露一些實施方式之執行第二階段退火(即加熱鋼材至第三溫度並冷卻)之後的鋼材的SEM圖。第4圖顯示出，當本揭露的鋼材加工方法全部實施完之後，所得到的球化組織鋼材具有接近球狀的均勻組織，並且也顯示出成核以及Fe₃C的成長狀況良好，表示本揭露的鋼材加工方法確實能有效生產球化組織鋼材。

綜上所述，本揭露提供一種鋼材加工方法，透過了兩階段退火，使Fe₃C成核及成長，並獲得良好的球化組織，同時縮短球化時間與工序。

雖然本揭露已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本揭露，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

S101-S106:步驟

Claims (10)

1. 一種鋼材加工的方法，包括以下步驟：提供一鋼材；加熱該鋼材至一第一溫度，並於該第一溫度持溫1-3小時；以每小時降溫100℃至250℃的一冷卻速度，進行降溫1-2.5小時，使該鋼材冷卻至一第二溫度；加熱該鋼材至一第三溫度，並於該第三溫度持溫2-10小時；以及冷卻該鋼材至室溫並取得一球化組織鋼材；其中該第一溫度高於該第三溫度，並且該第一溫度和該第三溫度皆高於該第二溫度；其中該第一溫度介於A1至A3變態溫度區間，並且該第三溫度低於A1變態溫度。
2. 如請求項1所述的方法，其中該鋼材的總重量以100重量百分比計，該鋼材包括0.01-0.2重量百分比的碳、0.5-2重量百分比的錳、0.2-1重量百分比的矽、0.13-0.48重量百分比的鉬以及0.01-0.3重量百分比的鈦。
3. 如請求項1所述的方法，其中該第一溫度介於700℃至850℃之間。
4. 如請求項1所述的方法，其中該第二溫度介於400℃至530℃之間。
5. 如請求項1所述的方法，其中該第三溫度介於550℃至700℃之間。
6. 如請求項1所述的方法，其中該冷卻該鋼材至室溫並取得該球化組織鋼材的步驟包括：於一鍋爐內靜置冷卻該鋼材至一第四溫度；以及於空氣中冷卻該鋼材至室溫，並取得該球化組織鋼材；其中該第四溫度介於100℃至200℃之間。
7. 如請求項1所述的方法，其中該鋼材的型態包括熱軋捲、冷軋捲、盤元、板材、鍛件、條線、棒材及其組合。
8. 如請求項1所述的方法，其中於該降溫該鋼材至該第二溫度，降溫時間1-2.5小時的步驟後，該鋼材具有複數個變韌鐵組織。
9. 如請求項1所述的方法，其中於該加熱該鋼材至該第三溫度，並於該第三溫度持溫2-10小時的步驟後，該鋼材具有複數個球化組織。
10. 如請求項1所述的方法，其中該球化組織鋼材的硬度介於81HRB至91HRB之間。

Images