TW476795B - Austenitic stainless steel, especially for making wire - Google Patents

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79 6 47 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ______B7_____—— 五、發明說明（丨） 本發明係有關於一種特別用於製線的沃斯田鐵不鏽鋼 ，其具有可將線材用於抽拉至直徑小於〇.3nim的技術領域 以及製造易受疲勞現象之組件的技術領域中的夾雜物潔淨 度。 含有至少10.5%鉻的鐵合金係稱爲不鏽鋼。其他元素 形成鋼材的部份組成，以改良其結構與性質。 沃斯田鐵不鍾鋼具有一'明確的組成。該沃斯田鐵結構 在藉由快速冷卻之熱處理的相變態後形成。 由冶金學的觀點，已知形成鋼之部份組成的特定合金 元素係偏好呈現肥粒鐵相，其具有體心立方的金相結構。 這些元素係稱爲α相元素。例如鉻、鉬及矽等元素。 其他所謂的r相元素則偏好呈現沃斯田鐵相，其具有 面心立方的金相結構。諸如碳、氮、錳、銅及鎳等元素。 例如，在線材抽拉的技術領域中，已知爲了獲得具有 直徑小於0.3mm的線材，其係稱爲細線材，所使用的不鏽 鋼必須不能含有其尺寸會使線材在抽拉期間斷裂的夾雜物 〇 在沃斯田鐵不鏽鋼的製造中，如同所有使用適用於量 產的傳統方式而製造的其他鋼材，硫化物或氧化物等夾雜 物的出現係經常發生且無法解決的。此乃因液態的不鏽鋼 可能會因爲製造過程的關係而具有少於lOOOppm的氧或硫 含量溶解。當液態或固態鋼冷卻時，氧及硫元素的溶解度 將減少，且達到氧化物或硫化物形成的能量。因而出現夾 雜物’這些夾雜物的形成一方面係由含有氧原子及諸如鈣 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項,填寫本頁) :裝 訂丨 線- 476795 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（>〇 、鎂、鋁、矽、錳和鉻等易於與氧反應的合金元素的氧化 物形式化合物所形成，而另一方面係由含有硫原子及諸如 锰、鉻、鈣和鎂等易於與硫反應的合金元素的硫化物形式 化合物所形成。夾雜物亦可爲氧硫化物形式的混合化合物 〇 在不鏽鋼中的氧含量可由諸如鎂、鋁、鈣、鈦或其若 干之組合等強還原劑而降低，然而這些還原劑皆會導致富 有MgO、Al2〇3、CaO或Ti02之夾雜物形成，這些夾雜物 皆爲結晶化耐火材料的形式，其相當堅硬，且在滾軋不鏽 鋼時不會產生形變。這些夾雜物的出覌引起的問題諸如抽 拉線材期間的斷裂，以及由該不鏽鋼所製造之產品的疲勞 破裂。 專利申請案第FR 95 04 782號揭示用於製造線材的沃 斯田鐵不鏽鋼之處理，該線材可用於抽拉線材技術領域以 及製造易受疲勞現象之元件的技術領域。 根據一般所觀察到的，而取決於各種組成，從抽拉線 材時的斷裂數及疲勞行爲兩觀點來看，所述的不鏽鋼材無 法信賴地表現。換言之，習知技藝之專利申請案所述的鋼 材組成無法完全令人滿意，特別是因爲其夾雜物範圍界定 得太廣。 已確認出以特定殘留元素含量之範圍所界定的夾雜物 範圍'密閉區，其中該殘留元素含量可確保特別在線材抽拉 或疲勞作業中之最佳化及可靠的表現。 本發明之目的係製造具有經選擇之夾雜物潔淨度的沃 ___ 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項^填寫本頁) i 裝 訂： 丨線· 476795 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 __B7____五、發明說明（巧） 斯田鐵不鏽鋼，該鋼材可特別使用於將線材抽拉至直徑小 於0.3mm的技術領域，以及製造易受疲勞現象之組件的技 術領域中的夾雜物。 本發明之主題係具有下列組成的沃斯田鐵不鏽鋼’其 組成的重量百分比爲： 一5X ur3%$碳 $200 X HT3% 一 5 X 10_3%$氮 $400 X 1CT3% 一0.2%$锰 $10% -12%$鉻 $23% -〇·1%$ 鎳 €17% — 0.1%g矽 $2% 其中所殘留的元素係加以控制’以使得： -〇%$ 硫 S100X 1〇-4〇/〇 — 40X 1〇-4%$總氧量 S120X 10_4°/〇 -0〇/〇〈鋁 S5X10·4% -〇%$ 鎂 $0·5Χ1(Γ4% -〇%<鈣$5父10-4% —0%讀 $4Χ 1(Τ4% -製造上所固有的雜質，. 其中氧化物夾雜物呈玻璃質混合物形式，其重量百分 比係如下所示： -40%^Si02^60°/〇 、 -5%^MnO^50% -l%^CaO^30% 6 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公楚) "~" 一 (請先閱讀背面之注意事項*|填寫本頁) 裝 訂-- 線· 476795 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（丨） -〇%^Mg0^4% -5%^A12〇3^25〇/o -〇%^Cr203 ^4% -0%^Ti〇2^4% 該夾雜物的氧化物組成係滿足下列關係式： %Cr203 + %Ti〇2 + %MgO < 10% 本發明的其他特徵係： 一該鋼的組成包含少於5〇Χ1〇_4°/。的硫； -該鋼的組成更包含少於3%的鉬； -該鋼的組成更每含少於4%的銅。 下列伴隨附圖的說明，係以非限定的舉例方式，將更 淸楚地瞭解本發明。 第1圖及第2圖分別顯示一厚且幾乎無法變形之夾雜 物的範例的影像，以及一包含於根據本發明之鋼材中的夾 雜物的範例的影像。 根據本發明之鋼材所包含有的組成以重量百分比表示 爲 5Χ 1(T3%S碳$ 200 Χ1(Τ3%、5Χ10·3%$氮 $400 Χ10.3% 、0.2%^ 錳 $ 10%、12%$ 鉻 ^23%、〇·1%$ 鎳 ^ 17%、 0·1%$矽$2%以及特別地是控制所殘留的元素，使得其組 成以重量百分比表示爲：0%〈硫S 100 X 10·4%、40 X 10·4% € 總氧量 S120X 10·4%、〇%〈鋁 $5Χ 10·4%、0%$鎂 $0.5 Χ10·4%、0%〈鈣 $5Χ10·4%以及，〇%$鈦S4X1(T4%， —製造上所固有的雜質， 以及其中氧化物夾雜物呈玻璃質混合物形式，其重量 7 tk張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項#<填寫本頁) FI· rl裝 丨線· 476795 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（< ) 百分比係如下所示： -40%^SiO2^60% -5%^MnO^50% -l%^CaO^30% -0%^MgO^4% -5%^Al2〇3^25% -0%^Cr2O3^4% —0%STiO2$4%， 該夾雜物的氧化物組成係滿足下列關係式： — %Cr203 + %Ti02 + %MgO < 10%。 碳、氮、鉻、鎳、錳及矽係允許獲得沃斯田鐵不鏽鋼 的常見元素。 錳、鉻及硫含量係依比例做選擇，以形成組成明確之 可形變的硫化物。 根據本發明之成比例的矽與錳元素的組成範圍，可確 保形成矽酸鹽形式的夾雜物，該夾雜物係富有Si〇2並含有 不可忽略的MnO。 - 可將不超過3%的鉬加入沃斯田鐵不鏽鋼組成中，以 改善其腐蝕行爲。 亦可將銅加入根據本發明之鋼材組成中’因爲其可改 善冷變形性質並因而穩定沃斯田鐵。然而，銅含量係限制 於4°/〇，以避免熱轉化困難，而銅可明顯地降低鋼在滾軋前 .可再加熱之溫度上限。 根據本發明之總氧量、銘及錦範圍，使其得以獲得不 8 P氏張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮~" (請先閱讀背面之注意事項A-填寫本頁) ·裝 訂/ 線· 476795 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（心） 含Al2〇3及CaO的矽酸錳形式夾雜物。包含於鋼材組成中 的鋁及鈣可確保大於1%的Ca〇及大於5%的A1203出現於 所要的夾雜物中。 根據本發明之總氧量數値係位於4〇PPm與120PPm間 〇 總氧量少於40ppm時，氧將固定鎂、鈣及鋁元素’而 無法形成富有Si02及MnO的氧化物夾雜物。 組成中的總氧量大於12〇ppm時，其將產生大於4% Cr203的氧化物，該氧化物係偏好形成所欲避免的結晶化。 鈣含量係少於5 Χ1(Τ4%，如此所欲的夾雜物不含超過 30%的Ca〇。 鋁含量係少於5Χ1(Τ4%，以避免所欲的夾雜物包含超 過25%的Α12〇3，其亦偏<好形成所不欲的結晶化。 可想像的是使用傳統且經濟的製程，形成包含氧化物 與硫化物形式之夾雜物的鋼材後，將其精煉，以藉由諸如 真空再熔解（真空氬氣再熔解）或電渣再熔解製程等緩慢且 無經濟價値的再熔解製程使這些夾雜物消失。 在液態池中做處理的再熔法允許僅消除部份已存在的 .夾雜物，而無改變其性質與組成。 本發明係有關於包含有意獲得且經選擇之組成的夾雜 物的沃斯田鐵不鏽鋼，與鋼材之整體組成有關的該組成將 使得這些夾雜物具有在鋼材熱變態期間易於變形的物理性 質。 根據本發明，該沃斯田鐵不鏽鋼包含軟化點接近鋼材 9 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂. -線· 79 6 47 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _______ B7_ 五、發明說明（1 ) 滾軋溫度且明確界定組成的夾雜物，這些夾雜物使得在滾 軋溫度下比鋼材爲硬的結晶禁止出現，特別是下列界定化 合物的結晶：鱗石英、白矽石或石英形式的8丨〇2;30&〇· Si02 ; CaO ; MgO ; Cr203 ;鈣斜長石、富鋁紅柱石、鈣鋁 黃長石、剛石、或 Al2〇3 · MgO 或 Al2〇3 · Cr203 · MnO · MgO 形式的尖晶石；Ca〇· Al2〇3 ; CaO · 6A12〇3 ; CaO · 2A1203 ; Ti〇2 〇 根據本發明，該鋼材主要包含氧化物夾雜物，其組成 可在所有形成鋼的接續作業期間形成玻璃質或非晶質混合 物。所選擇之夾雜物的黏滯度足以完全禁止本發明所形成 之夾雜物中的結晶氧化物顆粒的成長，因爲在氧化物夾雜 物中僅有很少的短程擴散，而對流移動乃受到高度限制。 這些在鋼材熱處理溫度範圍中仍爲玻璃質的夾雜物，.比對 應組成的結晶夾雜物總是具有較低的硬度及較低的彈性係 數。因此，這些夾雜物在諸如線材抽拉作業期間仍可變形 、壓縮及延伸，且接近夾雜物的任何應力集中乃大幅地減 少’因而明顯地減少諸如疲勞裂隙或線材抽拉期間發生斷 裂的風檢。 根據本發明，該沃斯田鐵不鏽鋼含有明確組成的氧化 物夾雜物，使得在鋼材熱軋的溫度範圍中其黏滯度並不會 太高。所以在熱軋條件下，其溫度通常在800°C和1350。(3 v之間，夾雜物的降伏應力係明顯低於鋼材。因此，該氧化 物夾雜物在熱軋期間與鋼材同時產生形變，且因此在滾就 後，這些夾雜物係完全延伸並具有極小的厚度，亦即小於 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） " (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂. •線· 476795 A7 B7 五、發明說明（分） 5或10微米的厚度’所以，其得以在諸如線材抽拉作業期 間避免任何斷裂的問題。 根據本發明，上述的夾雜物係使用諸如電爐、AOD或 VOD轉爐、盛鋼桶內冶煉及連續鑄造等不鏽鋼用的傳統高 生產力電爐工廠的製程而製造。 藉由上述的傳統熔煉及鑄造程序，在原鑄產品中的夾 雜物尺寸分佈相對地與其組成無關。因此，在熱軋前，鋼 材含有相同的夾雜物尺寸及分佈。 具有所述有利性質之根據本發明的氧化物夾雜物，係 由 Si02、MnO、CaO、Al2〇3、MgO、Cr203、Ti〇2 以及可 選擇的微量FeO等玻璃質混合物所組成，其組成之重量百 分比如下_· / -40%^Si02^60°/〇 -5%^MnO^50°/〇 -l%^CaO^30°/〇 -0%^ MgO ^4% -5%^Al2〇3^25% -〇%^Cr203^4% 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 —0o/0$TiO2$4% 〇 若Si〇2的含量低於40%，則氧化物夾雜物的黏滯度會 太低，且氧化物晶體的成長機制將不被抑制。若Si02的含 量高於60%，則將形成極爲堅硬且非所欲之鱗‘石英、白矽 石或石英形式的氧化矽顆粒。 介於5%和50%間的MnO含量允許氧化物混合物的軟 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 476795 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（/) 化點大幅減少，特別是在含有Si02、CaO、Al2〇3等氧化物 時，並有利於在根據本發明之鋼材滾軋的條件下仍爲玻璃 質狀態之夾雜物的形成。 當CaO含量大於30%時，將形成CaO · Si02或 (Ca，Mn)0 · SiOJS晶體。 —MgO含量大於4%時，將形成MgO ; 2MgO · Si02 ; MgO · Si02或Al2〇3 · MgO的晶體，這些皆爲極硬的相。 若Al2〇3的含量小於5%時，則將形成矽灰石晶體；而 當Al2〇3的含量大於25%時，則將出現富鋁紅柱石、鈣斜 長石、剛石、尖晶石，特別是Al2〇3 · MgO或Al2〇3 · Cr2〇3 · MnO · MgO 等形式，或著 CaO · 6Al2〇3 或 CaO · 2A1203或CaO · Al2〇3等其他形式的鋁酸鹽，或鈣鋁黃長石 等晶體。 在 Cr203 大於 4%時，Cr203 或 Al2〇3 · Cr203 · MnO · MgO、CaO · Cr*2〇3、MgO · Cr2〇3寺硬質的晶體亦將出現 ο 根據本發明的一種形式，硫含量必須小於或等於50Χ 1(Τ4%，以便獲得硫化物夾雜物厚度不超過5μιη的滾軋產 品。此乃因硫化錳及硫化鉻形式的夾雜物在本發明的條件 下將可完全變形。._ 通常，在細線材抽拉克疲勞行_狀況下的使用性質 ·., | ......,...'—一 —^ 觀之，特別是在彎曲和/或扭力的狀況下，氧化物及硫化 物形式的夾雜物係非所欲。通常藉由檢驗在具有5至 10mm直徑的熱軋棒原料之滾軋方向上的拋光部份，而獲 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

9 67 47 A7 ____B7____ 五、發明說明（（Ο) 知氧化物及硫化物形式夾雜物的濃度特徵。根據依最終使 用狀況而定的各種標準所執行得到的特性結果，係稱爲夾 雜物潔淨度。 對於在滾軋線材的拋光部份中所觀察到的夾雜物而言 ，量測其長度與厚度，並隨後定義出長度對厚度之比例的 形狀因子。對於在滾軋作業期間已良好變形的夾雜物而言 ，其形狀因子通常很高，亦即可能達到100及更高的情況 ，所以夾雜物的厚度係相當小。另一方面，不產生形變或 微小形變的夾雜物則具有小形狀因子的特徵，亦即其次方 爲1，因此夾雜物的厚度仍然相當高，並與原鑄產品中的 原始夾雜物尺寸相同等級。所以，在其餘的說明中，在滾 軋線材中所觀察到的各夾雜物厚度，係被採用爲有關滾軋 線材使用性質的一簡單且有效的特徵標準。 第1圖及第2圖分別顯示在具有5.5mm直徑的滾軋線 材的機械加工方向上的拋光部份中，一極厚且幾乎無法變 形之夾雜物的範例，以及一包含於根據本發明之鋼材中之 微細且極良好變形之夾雜物的範例。 第1圖顯示一出現於具有5.5mm直徑的滾軋線材中之 極厚且幾乎無法變形之夾雜物的範例。 第2圖顯示一出現於具有5.5mm直徑的滾軋線材中之 極良好變形之夾雜物的範例。 後者的夾雜物對於製造具有直徑小於〇.3mm的線材， 或製造諸如彈簧或輪胎補強物等易受疲勞情況的元件的細 線材抽拉作業而言，係無害的。 13 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） •丨丨T——.-----#裝·！ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂.· •線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 476795 A7 B7 五、發明說明（丨丨） 其已示範出所有的組成並無法可靠地同時滿足線材製 造及易受疲勞現象之元件製造之可接受的特徵。依據所選 擇的組成爲何，夾雜物的品質標準係以鋼材形成後之殘留 元素及夾雜物組成而定義。 鈦、鎂及硫係以殘留量出現，且將無法包含於鋼材組 成中，因而是包含於夾雜物組成中。 下列表1及表2係示範說明鋼材的組成以及氧化物夾 必心........… 雜物的組成對線材拉伸性與疲勞行爲之影麗,。下列稱爲加 工組成之基本組成係選擇爲： (請先閱讀背面之注意事項兩填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 %c 0.072 %N 0.052 %Si 0.771 %Mn 0.736 %Cr 18.522 %Ni 8.773 %Mo 0.210 %Cu 0.310 表1 材 1 2 2 3 4 5 6 Otppm .,.......一〆 17 39 39 53 87 123 71 A1 ppm 11 5 5 8 7 5 7 Ca ppm 4 7 7 6 8 1 2 Mg ppm 1. 2 1 1 1 2 0.8 0.4 Ti ppm 4 8 8 7 45 2 38 S ppm 71 47 47 . 61 27 41 53 _ 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 言 r 476795

7 7 A B 五、發明說明（〖>) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 夾雜物的性質 %Si02 25.6 25.2 29.1 18.6 47.4 9 %CaO 40.0 41.1 23.1 8.7 1.2 2.9 %MnO 0.7 2.5 7.4 8.8 32.3 6.7 %ai2o3 21.1 28.1 71 27 8.1 7.2 8.8 %MgO 12.0 2.6 26.5 4.5 2.6 1.1 0.8 %Cr203 0.1 1.6 6 8.7 7.5 %Ti02 0.5 3 7.1 44.9 2.1 56.3 表2 鋼材 7 8 9 10 11 12 〇t ppm 71 95 53 113 43 68 A1 ppm 4 5 3 5 3 3 Ca ppm 3 5 3 -5 3 2 Mg ppm 0.3 0.4 0.3 0.5 0.2 0.2 Ti ppm 2 1 2 3 1 2 S ppm 13 33 24 38 21 45 夾雜物的性質 %Si02 41.2 47.5 41 48.9 40.9 42.4 %CaO 14.1 10.1 25.6 7.5 29.2 10.4 %MnO 18.3 24.7 10.2 28.1 7.8 15.6 %A1203 17.9 11.6 16.5 8 17.7 23.2 %MgO 1.7 1.0 3.1 0.6 2.5 1.6 %Cr203 4 3.8 2 3.6 1.4 3.3 %Ti02 2.9 1.3 1.6 3.4 0.5 3.5 表1顯示以線材抽拉性質及疲勞行爲來看，具有一般 品質的鋼材組成。表2顯示在前述二技術領域中有明顯品 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） (請先閱讀背面之注意事 裝— 寫本頁) •線· 476795 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（0 ) 質改善的夾雜物潔淨度之根據本發明的鋼材組成。 6 tl i—：-----·!裝--------訂； (請先閱讀背面之注意事項寫本頁) --線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 476795

   告 8 8 8 8 ABCD 六、申請專利範圍 1·一種用於製線的沃斯田鐵不鏽鋼，其可用於將線材 抽拉至直徑小於0.3mm的技術領域，以及製造易受疲勞現 象之組件的技術領域中，其特徵在於以重量百分比表示之 組成爲： -5X l(T3%g碳 S200X 1(Τ3〇/〇 —5X 1(T3%S氮S400X 1(Τ3% —0·2%$錳 €10% 一 12%$鉻 $23% 一 0.1%-鎳‘17% 一0.1%$矽 $2% 其中所殘留的元素係加以控制，以使得： —0%$ 硫 $100Χΐ(Γ4〇/〇 一 40Χ 10-4%$總氧量 S120X 1(Γ4% -0%〈鋁 $5Χ 1(Γ4〇/〇 —0〇/〇€ 鎂 €0·5Χ1(Τ4% —0〇/〇<鈣$5\ ΙΟ·4% —0%$鈦 S4X 1(Τ4〇/〇 一製造上所固有的雜質 0 並且其中氧化物夾雜物呈玻璃質混合物形式，其重# 百分比係如下所示： -40%^Si02^60°/〇 -5%^MnO^50% -l%^CaO^30% -0%^MgO^4%

   本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇><297公釐） Hi m men mi —m —Bui I. ·ϋ>1 mu (請先閱讀背面之泣意事項存填寫本 IT 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 476795 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 -5%^Al2〇3^25% -0%^Cr2O3^4% -0%^Ti〇2^4% 該夾雜物的氧化物組成係滿足下列關係式： %Cr2〇3 + %Ti02 + %MgO < 10%。 2. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵不鏽鋼，其中其 組成包含小於50X 10_4%的硫。 3. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵不鏽鋼，其中其 組成進一步包含小於3%的鉬。 4. 如申請專利範圍第1項之沃斯田鐵不鏽鋼，其中其 組成進一步包含小於4%的銅。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）