TWI391500B - 環保無鉛之快削鋼及其製作方法 - Google Patents

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Description

環保無鉛之快削鋼及其製作方法
本申請案係主張2008年8月6日及2009年3月4日於韓國智慧財產局所提出之韓國專利申請第2008-77067號及第2009-18464號之優先權，其所揭露之內容均併入本發明以供參酌。
本發明係關於一種具優異切割性(即機械特性)之環保無鉛快削鋼及其製作方法。特別是，本發明尤指一種環保無鉛快削鋼，其具有下述特性：1)添加適量之Ti、Cr、N、或相似元素以形成非金屬內容物及沉澱物，2)於其他成分中具有Mn/S且其比例係調整為3.5或以上，3)氧總量(即所有的氧)係限制在300ppm或以下，以及4)調整MnS包含物之數量使於一線材輥鋼方向之剖面上，每單位平方公厘具有300至1,000個面積為5μm2 或以上之MnS內含物。藉此，本發明之快削鋼具有較佳之切割性(即機械特性)以及熱輥性。
一般而言，快削鋼係指一種透過將鋼材材料機械特性(即一般所謂之切割性)提升至最大值所製得之鋼材。快削鋼係普遍用於做為如軸承或辦公自動設備切割部、可適用於自動車之油壓部件之元件、印表機、或其相似裝置、及其用途等應用之材料，因此，對於快削鋼之需求係持續不斷增加中。
快削鋼基本上具有良好之切割性，特別是機械切割性；此外，於本技術領域中，可藉由添加不同合金元素或於內部形成內含物，以提升鋼材之切割性。非金屬內含物特別可用於做為提升切割性之材料，且MnS係為一種最眾所皆知之非金屬內含物。
快削鋼之切割性可透過控制MnS之尺寸、組成、外形及分散度來調整。更詳細而言，當鋼材材料係使用如擱板(即齒軌)等機械裝置截切時，於工具尖端及鋼材材料相互碰觸等部位，非金屬內含物(如MnS)可做為應力集中源，且於非金屬內含物及基材間之介面所產生之孔隙可加速裂縫生成，藉此可減少操作切割時所需之力度。
因此，為了提升快削鋼之切割性，基本上，1)需維持大量之MnS，2)MnS必須隨機分布，以及3)MnS需具有較大尺寸且較佳為球狀。
於快削鋼中，MnS外形係依照連鑄鋼液分配器中之氧含量而改變，且可分為三種形式：球狀(第I型)；條狀(第II型)；以及不規則狀(第III型)。
目前已知當MnS較接近球狀(第I型)時，其切割性係更加提升。若鋼液分配器中總氧量(T[O])達數百ppm高時，在高溫下MnS會凝固在熔融態鋼材中，且在去氧製程中結晶成一複合硫化物，如Mn(O,S)。同時，當MnS較接近條狀(第II型)時，若鋼液分配器中總氧量(T[O])相對較低，如數十ppm，於凝固時，在熔融鋼材狀態中之MnS不會結晶，但卻會沿著顆粒最初之介面釋出，因而造成在鋼材材料熱輥軋過程中，MnS容易在輥鋼方向上延伸，而導致材料異向性劣化。
在除了快削鋼外之一般鋼材的凝固過程中，會產生條狀(第II型)結構，且由於條狀結構會造成鋼材機械特性顯著劣化，故許多研究嘗試要減少S的含量至數ppm以下，以維持MnS不會在冶鍊過程中析出。
最後，具有不規則狀(第III型)之MnS，其特徵在於當鋼液分配器中總氧量T[O]低至數ppm且熔融態鋁成分含量較高時，在高溫下所產生之不規則狀MnS係為主要之MnS單一內含物，且目前已知不規則狀MnS會以有稜角的狀態存在於鋁去氧鋼材中。
在快削鋼之技術中，目前已提出一種將如C、Si、Mn、S、P、Nb、O等元素限制在特定範圍且將做為冶鍊組織(fine tissue)之多邊形鐵素體(polygonal ferrite)之面積比例限制在5%或以上之技術。然而，即便添加大量如Nb、Mo、Zr等昂貴合金元素，此技術仍無法明確提出鐵合金於快削鋼中所達成之功效。此外，雖然此技術將多邊形鐵素體之面積比例限制在一特定範圍，但此技術卻未提供其大致測量方法。
於另一快削鋼之技術中，係添加特定量之C、Si、Mn、S、O、Bi等，且於一線材輥鋼方向之剖面上每單位平方公厘之Bi包含物之含量、以及Bi含量比例係限制在一特定數值中。然而，雖然此技術限制Bi包含物數量及Bi含量比例，實際上快削鋼製作時，比例卻難以控制。此外，此技術特徵在於添加0.005wt%或以下之氧，但這樣含氧量卻難以得到一具有良好切割性之高氧快削鋼，以控制MnS具有球狀外型，換言之，即第I型。
於再一有關快削鋼製作之技術中，係關於一種含硫連鑄快削鋼，其具有等同於以習知鑄製方法所製得之快削鋼具有相同程度之切割性。此含硫連鑄快削鋼之特性在於，其包含特定含量之碳(C)、錳(Mn)、磷(P)、硫(S)、氮(N)、及氧(O2 )，且MnS包含物之平均尺寸係為50μm2 或更小。然而，此技術雖揭露MnS含量，但鮮少提到顆粒尺寸，且未提供MnS外型對於切割性影響之說明。
於另一有關快削鋼之技術，其特徵在於以碳(C)、錳(Mn)、磷(P)、硫(S)、氮(N)、及氧(O)做為基本成分，同時Si之含量係限制在0.1wt%以下，Al含量則限制在0.009wt%以下，N總量係介於20ppm至150ppm範圍內，且氧基包含物係為50%以上。然而，若考量到實際應用上，此技術難以精確測量快削鋼中氧基包含物之重量，且此技術在特定範圍中係受限為無法測量的數值，故此技術必定具有有效性及實用性等問題。
於再一有關快削鋼之技術，係為一種Bi-S基快削鋼之製作方法，其使Bi-S基快削鋼具有極佳物理特性，並使奧式體(austenite)顆粒尺寸調整在一特定尺寸以提升高溫延展性。換言之，此Bi-S基快削鋼係包含0.05wt%至0.15wt%之碳(C)、0.5wt%至2.0wt%之錳(Mn)、0.15wt%至0.40wt%之硫(S)，0.01wt%至0.10wt%之磷(P)、0.003wt%至0.020wt%之氧(0)、0.03wt%至0.30wt%之鉍(Bi)、0.01wt%或以下之矽(Si)、0.0009wt%或以下之鋁(Al)、以及Fe與不可避免(即無法除去)之不純物之平衡成分。此具有MnS且吸附有鉍之MnS基包含物之剖面部分係佔Bi-S基快削鋼總剖面之0.5%至2.0%，而鉍之剖面部分則佔Bi-S基快削鋼總剖面之0.030%至0.30%。然而，此有關Bi-S基快削鋼之技術，卻未提供如何控制如本發明所述之MnS組成之相關方法。
本發明之主要目的係在提供一種快削鋼，其可避免(或解決)本技術領域之相關問題、或是本技術領域明顯存在之未解決問題，且本發明所提供之快削鋼其符合環保規範(規則)，且具有極佳切割性及熱輥特性、及其他相似特性。
本發明之一態樣係提供一種快削鋼，其包括：0.03wt%至0.13wt%之碳(C)、0.1wt%或以下之矽(Si)、0.7wt%至2.0wt%之錳(Mn)、0.05wt%至0.15wt%之磷(P)、0.2wt%至0.5wt%之硫(S)、0.001wt%至0.01wt%之硼(B)、0.1wt%至0.5wt%之鉻(Cr)、0.003wt%至0.2wt%之鈦(Ti)、0.005wt%至0.015wt%之氮(N)、0.03wt%或以下之氧(O)、以及鐵與不可避免的不純物之平衡成分。於快削鋼線材輥鋼方向之剖面上，每平方公厘(mm2 )可具有300至1,000個顆粒尺寸為5μm2 或以上之MnS內含物。其中，Mn與S間之重量比可為。
本發明之另一態樣係提供一種快削鋼之製作方法，其包括：以一超音波速率通入氧氣至一於轉化爐中之金屬熔融物以轉化冶鍊該金屬熔融物，且當游離氧在400ppm至1,000ppm時停止氧氣吹煉；排放非去氧狀態之氧氣吹煉完成金屬熔融物至盛鋼桶中；從該盛鋼桶轉移至精煉爐(LF)中以加熱熔融鋼材，再進行LF冶鍊，直至於該金屬熔融物中之游離氧密度範圍在100ppm至200ppm之間；使用一鋼胚連鑄該熔融鋼材，以使當時間點等於冶鍊持續時間之10%至50%時，游離氧之密度為50ppm至150ppm；以及將該鋼胚維持在1,200℃至1,350℃之加熱爐中2至5小時，以輥軋該鋼胚以形成一線材。其中，在連鑄製程中，熔融鋼材可製作成一塊鋼，其接下來可透過鋼胚輥軋而製作成一鋼胚，且於此過程裝，快削鋼之製作方法可更包括：將該塊鋼維持在1,250℃或以上溫度之加熱爐中4至10小時，以輥軋該塊鋼以形成一鋼胚。
此快削鋼可包括：0.03wt%至0.13wt%之碳(C)、0.1wt%或以下之矽(Si)、0.7wt%至2.0wt%之錳(Mn)、0.05wt%至0.15wt%之磷(P)、0.2wt%至0.5wt%之硫(S)、0.001wt%至0.01wt%之硼(B)、0.1wt%至0.5wt%之鉻(Cr)、0.003wt%至0.2wt%之鈦(Ti)、0.005wt%至0.015wt%之氮(N)、0.03wt%或以下之氧(O)、以及鐵與不可避免不純物之平衡成分。於線材輥鋼方向之剖面上，每平方公厘(mm2 )可具有300至1,000個顆粒尺寸為5μm2 或以上之MnS內含物。特別是，連鑄製程可使用一電磁攪拌器或一輕壓裝置，或是同時使用該電磁攪拌器及該輕壓裝置進行，且Mn與S間之重量比可為。
為達成上述目的，本發明之發明人製作出一種快削鋼，其係1)添加適量之Ti、Cr、N、或相似元素以形成非金屬內容物及沉澱物，2)控制Mn/S，使其於其他成分中之比例為3.5或以上，3)氧總量係限制在300ppm或以下，以及4)調整MnS包含物之數量，使於一線材輥鋼方向之剖面上每單位平方公厘具有300至1,000個面積為5μm2 或以上之MnS內含物。
快削鋼中之MnS包含物外型係如圖1所示，同時，藉由限制Ti、Cr、以及N等如上述之技術特徵，當凝固時可於顆粒介面大量析出(如，沉澱)尺寸範圍為0.1μm至5μm之(Cr,Ti)S基或(Cr,Ti)N基之細小沉澱物，如圖2所示。藉此，可達到1)防止在機械操作時加工不易區域產生，以提升切割性；以及2)提升鋼材材料之破裂韌性，以防止刀口積屑(build-up edge,BUE)並克服刀刃碎片產生，以提升快削鋼性能。因此，可延長器具的使用時間以及提升表面硬度。
接下來，將進一步更詳細地描述快削鋼之成分。
碳(C)：0.03wt%至0.13wt%
碳係為形成碳化物之元素，以增加材料之強度及硬度。碳係做為一部分珠光體(pearlite)而存在於快削鋼中，其用於防止在切割鋼材材料時器具中產生BUE。若碳(C)含量少於0.03w%，則材料硬度無法增加到一理想程度，而無法達到限制BUE生成之效果。同時，若碳(C)含量超過13w%，則材料硬度會大幅度增加，反而造成器具使用時間縮短。因此，在本發明一實施態樣中，碳(C)含量係限制在0.03w%至0.13w%範圍內。
矽(Si)：0.1wt%或以下
矽(Si)係為材料中之元素之一，因其存在於生鐵或還原劑中。矽除了會形成氧化物外，即所謂之SiO2 ，矽(Si)多為亞鐵鹽之固溶體(solid-soluted)，因此，已知矽並不會明顯影響快削鋼之機械特性。然而，本發明之發明者實驗發現，於高氧快削鋼中，若矽(Si)含量超過0.1w%，會產生SiO2 ，導致在機械操作快削鋼時會使器具使用壽命大幅縮短。因此，本發明主要並未使用矽(Si)。然而，若考慮到可行性，矽(Si)仍不可避免的存在於鐵合金、鐵礦石、及其類似物中，故於本發明之一實施態樣中，快削鋼中矽(Si)之含量係調整在0.1%或以下。
錳(Mn)：0.7wt%至2.0wt%
錳(Mn)為形成非金屬包含物MnS必要合金元素之一，以提供鋼材材料機械特性。當錳(Mn)添加量為0.7w%或以上，則可確保MnS包含物具有有效結晶性，並可達到在熱輥過程中使鋼材表面缺陷減少之效果。若錳(Mn)含量超過2.0w%，鋼材材料硬度會降低，且器具之使用時間亦會縮短。當錳(Mn)的含量範圍在0.7w%至2.0w%之間，部分錳會與氧氣結合而形成MnO，其可做為在凝固製程中MnS生成核，以加速球狀MnS包含物生成。
磷(P)：0.05wt%至0.15wt%
磷(P)為一種用以抑制BUE容易生成在切割器具前端之元素之一。若磷(P)含量少於0.05w%，幾乎無法產生抑制BUE生成的效果，若磷(P)含量超過0.15w%，BUE抑制效果佳，但卻會造成鋼材材料硬度增加，而縮短切割器具使用壽命。因此，於本發明之一實施態樣中，磷(P)之含量係限制在0.05wt%至0.15wt%之範圍內。
硫(S)：0.2wt%至0.5wt%
於快削鋼中，硫係用以於凝固過程中形成MnS包含物。如上所述，MnS係用來提升鋼材材料之機械特性，進而減少切割器具磨損並提升工作部件表面硬度，因此，MnS於本發明中是非常重要之成分之一。基於上述目的，硫(S)之添加量為0.2wt%或以上。然而，本發明之發明者實驗顯示，若硫(S)添加量過多，會導致網狀(如同網子一般)FeS於顆粒介面沉澱。FeS非常脆弱且熔點低，容易造成熱輥特性大幅劣化。同時，若硫含量超過其所需，會導致鋼材材料表面缺陷增加，且同時造成鋼材材料硬度及延展性顯著劣化。因此，硫(S)含量勢必不能超過0.5wt%。
硼(B)：0.001wt%至0.01wt%
硼(B)係用以增加鋼材材料之淬火(quenching)特性。因此，於本發明中，係添加10ppm至100ppm的硼(B)。若硼(B)的添加量不少於10ppm，可能難以適當提升淬火特性；但若硼(B)添加量超過100ppm，雖可充分提高淬火特性，但可能造成高溫延展性劣化而無法進行熱輥製程。因此，硼(B)含量應有上述限制。
鉻(Cr)：0.1wt%至0.5wt%
鉻(Cr)係為一種可擴大奧式體區域之元素之一。換言之，鉻是為一必要成分且為一種便宜的一般合金元素，同時，即便鉻含量很大，鉻所形成之碳化物卻不會造成材料萃化。添加Cr會形成顆粒較大之(Cr,Mn)S基非金屬包含物。此外，添加Cr可防止非金屬包含物變形，亦可在輥軋步驟中使包含物可均勻分布在材料中。於本發明之一實施態樣中，鉻的添加可提升機械特性，且本發明之發明者實驗證實，當鉻添加量少於0.1%，則無法產生提升機械特性之效果，但當鉻添加量超過0.5wt%，機械特性則達到一個上限，而不會再繼續增加。因此，鉻(Cr)的含量係限制在0.1wt%至0.5wt%範圍內。較佳為，鉻(Cr)添加量可為0.1wt%至0.5wt%。
鈦(Ti)：0.003wt%至0.2wt%
鈦(Ti)與氧(O)、氮(N)、碳(C)、硫(S)、氫(H)、及相似元素之任一種元素可展現極佳親合力，特別是當鈦用於去氧反應、脫氮反應、脫硫反應、及相似反應時。此外，鈦(Ti)容易形成碳化物及冶鍊出顆粒。本發明之相關實驗證實，添加多於0.003wt%的鈦(Ti)，冶鍊出的顆粒可大幅提升機械特性。此外，添加Ti可提升可硬化性，以防止BUE形成，藉此可提升機械特性。然而，倘若鈦(Ti)含量超過0.2wt%，提升機械特性之效果已達上限，反而因材料中TiO2 的形成造成切割裝置使用壽命縮短。因此，鈦(Ti)含量應限制在0.003wt%至0.2wt%範圍內，較佳為0.008wt%至0.15wt%。
氮(N)：0.005wt%至0.015wt%
氮係為一種影響切割器具中BUE生成與切割物表面粗糙度之元素之一。若氮(N)含量少於0.005wt%，會造成BUE生成增多且表面粗糙度劣化。當氮含量增加，BUE產生會減少，但當氮(N)含量超過0.015wt%，則模鑄完成之快削鋼鋼材表面缺陷會增加，反而產生另一缺點。因此，本發明中，氮(N)含量係限制在0.005wt%至0.015wt%範圍內。
氧(O)：0.03wt%或以下
氧(O)係在模鑄快削鋼的過程中，於模具中凝固熔融態鋼材之最初步驟時，用於形成細小的MnO，而MnO係做為MnS結晶之結晶核生成點。在此，所指的氧係為存在於模鑄完成鋼件(即鑄板)中之總氧量(T.[O])。如上所述，若氧含量係為數十ppm或以下時，當熔融態鋼材凝固時，第II型或第III型中之MnS可能會沉澱，且這樣型態的MnS會造成快削鋼切割性(即機械特性)劣化。於本發明中，為了具有最佳化之切割性，主要目的係產生第I型之MnS結晶，即所謂之球狀MnS。實驗結果顯示，當氧含量提升，可有效結晶產生球狀MnS，但若氧含量超過0.03wt%，則如針孔、氣孔、或相似孔洞之表面缺陷會大幅增加。因此，必須限制氧含量之上限。
錳(Mn)與硫(S)之重量比：
除了調整成分含量外，為了使快削鋼在高溫下具有較佳之延展性，需控制錳(Mn)及硫(S)間比例，以使Mn/S比例為3.5或以上重量百分比。此比例係為了防止因混合錳(Mn)及硫(S)所導致之FeS熱脆性，且必須確保Mn含量在特定數值之上。特別是，若錳(Mn)及硫(S)比例低於3.5，會造成熱輥特性劣化，而難以得到本發明所欲製得之快削鋼。
此外，於一線材輥鋼方向之剖面上，每平方公厘(mm2 )具有300至1,000個顆粒尺寸為5μm2 或以上之MnS。
快削鋼之切割性(即機械特性)係隨著鋼材中之非金屬內含物MnS尺寸及分布而有所改變。一般而言，當MnS顆粒較大且MnS含量較多時，鋼材材料具有較佳之切割性。經本發明之發明人光學顯微鏡測量及切割性測試評估結果顯示，當於一線材輥鋼方向(即L方向)之剖面上，每平方公厘(mm2 )具有300至1,000個顆粒尺寸超過5μm2 之MnS時，鋼材材料之切割性最佳。當少於300個MnS時，因切割性較差容易導致器具使用時間縮短，且亦會導致加工區域表面粗糙度劣化。同時，若MnS數目超過1,000，雖可增加器具之使用壽命，但卻會造成鋼材加工性劣化(不良)。因此，MnS數量較佳係控制在300至1,000範圍內。
接下來，請參考圖3，將詳細描述一種包含上述合金組成物之快削鋼製作方法，其可適用於本發明。
轉化冶鍊：
首先，以超音波速率將氧氣通入一於轉化爐中之金屬熔融物，以除去經空氣或爐渣而包含在金屬熔融物中之C、Si、Mn、P等不純物。於轉化冶鍊製程中，當包含在金屬熔融物中之游離氧轉化範圍為400ppm至1,000ppm時，停止氧氣吹煉。若氧少於400ppm，金屬熔融物中之碳含量會超過本發明組成範圍，導致碳成分控制不易。同時，若氧超過1,000ppm，則會導致如轉化爐、盛鋼桶、即相似裝置等耐火器具過度腐蝕。
排放非去氧狀態之鋼材：
將氧氣吹煉完成金屬熔融物以非去氧狀態接至(排放至)盛鋼桶中，在此，若需要，可在排放操作過程中添加如鐵合金或相似產物等副材料。適當範圍之鐵合金或副材料添加，可形成熔融態鋼材或爐渣。
精煉爐(LF)加熱：
當排放結束後，將盛鋼桶轉移至LF中，以加熱熔融鋼材。至於金屬熔融物之加熱過程，係透過形成在LF中之碳電極棒通入電弧以提升熔融鋼材溫度。於加熱過程中，若需要可添加鐵合金或其他副材料，或者是依照使用條件，可取出熔融鋼材測試樣品，或是可測量熔融鋼材氧密度。當加熱熔融鋼材時，於爐渣中之氧化合物或是空氣中的氧，可透過電弧分解並通入金屬熔融物中，以增加熔融鋼材之氧密度。於LF中，LF精煉操作終止時間，較佳為當熔融金屬中游離氧密度在100ppm至200ppm範圍內。若在當游離氧密度低於100ppm時停止LF精煉操作，則可能難以形成所欲之MnS，反之，若在當游離氧密度超過200ppm時停止LF精煉操作，於接下來步驟可能難以預測熔融態金屬組成物變化，而難以控制熔融態金屬之組成。因此，透過游離氧密度控制停止LF精煉操作之時間點，應控制在100ppm至200ppm範圍內。
吹煉連鑄：
經加熱而完成LF精煉操作之熔融鋼材，係轉移至一連鑄裝置中，並進行熔融鋼材之連鑄。於開始進行連鑄時，先測量熔融鋼材中之游離氧密度，以事先確保鑄造之快削鋼是否具有良好之切割性。當經過總鑄鋼時間之10%至50%時，測量游離氧密度，在此，游離氧密度需在50ppm至150ppm之間。若在鑄鋼時間之10%之前測量游離氧密度，因鋼液分配器耐火物質、鋼液分配器保溫物質、或相似物等影響，而難以得到準確之游離氧密度，反之，若在鑄鋼時間之50%之後測量游離氧密度，則可能會錯失控制氧密度之時機。此外，經由實驗顯示，當所測得之游離氧密度低於50ppm時，切割性較差，而當所測得之游離氧密度超過150ppm時，則多少會造成所鑄造之鋼件(即鋼胚)中有針孔或氣孔增加。於快削鋼模鑄過程中，較佳鑄鋼鋼件可使用一模具電磁攪拌器(mold EMS)或輕壓裝置所製得。使用模具EMS有助於製得粒徑較大之球狀MnS內含物，而使用輕壓裝置則更加有助於減少鋼胚中心偏析(center segregation)以及鋼胚表面之表面缺陷，如針孔或吹孔。於快削鋼之連鑄製程中，連鑄製程基本上可使用300mm x 400mm、400mm x 500mm等尺寸之塊鋼，或是120mm x 120mm、160mm x 160mm等尺寸之鋼胚。於此實施態樣中，若於連鑄製程中使用塊鋼，則可採用鋼胚輥軋製程，即所謂之製作快削鋼鋼胚製程；然而，若於輥軋製程中使用鋼胚，則可省略鋼胚輥軋製程而可進行線材輥軋製程。
塊鋼輥軋成鋼胚：
於連鑄製程中，若進行塊鋼模鑄，而非進行鋼胚模鑄，則需額外進行將塊鋼輥軋成鋼胚之製程。當使用300mm x 400mm或400mm x 500mm之快鋼輥軋成120mm x 120mm或160mm x 160mm之鋼胚時，一般稱之為鋼胚輥軋或鋼胚化，同時，於鋼胚輥軋製程中最重要的是為鋼材溫度以及加熱爐持續加熱時間。若鋼材在低溫下輥軋，則所製得之鋼胚表面將會嚴重損毀。因此，於本發明一實施態樣中，加熱爐溫度係限制在1,250℃或以上，並維持四至十小時。經實驗證實，當鋼材溫度低於1,250℃，若鋼胚在加熱爐中時間過長，則會造成所製得之鋼胚表面性質劣化；然而，即使塊鋼溫度維持在1,250℃或以上，若加熱爐所維持之加熱時間少於四小時，則鋼胚表面性質亦會劣化。同時，當塊鋼維持在加熱爐中超過十小時，且塊鋼溫度維持在1,250℃或以上，則會造成產率大幅降低，但若是四至十小時，則可得到具有相同表面性質之鋼胚。因此，加熱爐所維持之加熱時間必須限制在四至十小時。
輥軋線材：
當快削鋼以一鋼胚模鑄時，或是當快削鋼係以一塊鋼模鑄而後再進行塊鋼之鋼胚輥鑄以形成鋼胚時，將鋼胚進行輥軋製程以形成一線材。從快削鋼鋼胚製作線材之製程中，最重要的影響因素為加熱爐溫度以及持續加熱時間。為了得到具良好表面性質之快削鋼，鋼胚溫度較佳係維持在1,200℃至1,350℃的加熱爐中二至五小時。當鋼胚溫度低於1,200℃，則不易得到良好線材表面性質，而當鋼胚溫度超過1,350℃，則不易得到相對較佳之線材表面性質。同時，若於加熱爐中的持續加熱時間少於兩小時，則不易得到良好線材表面性質，而相較於維持加熱時間二至五小時，即使在加熱爐中維持加熱時間超過五小時，仍難以取得具有較佳線材表面性質。
接下來將透過下述實施例更加詳細描述本發明。
[實施例1]
於本實施例中，如下表1所列之實施例與比較例鋼材組成物，係使用200kg高頻空氣感應熔煉爐製作。在此，比較例係為最被廣泛使用之無鉛快削鋼，而實施例與比較例均透過相同實驗設備及製作方法製造，且尺寸為230mm x 230mm x 350mm。
將鋼材於1,300℃加熱爐中加熱，而後使用試軋機輥軋成厚度為30mm之金屬板。接著，將金屬板切割成尺寸為30mm x 30mm方形，再於擱板(即齒軌)上加工以形成直徑為25mm之環桿(條狀物)。而後，在CNC擱板上對直徑為25mm之環桿進行切割性評估試驗，以測量器具使用時間特性及切割面表面粗糙度。切割性評估試驗之進行條件，係為切割速率為100m/min、切割深度為1.0mm、而轉速為0.1mm/rev，且係在未使用潤滑油並維持乾燥狀態下進行。
器具使用壽命特性之實驗，係測量與切割時間相關之側面磨耗(一般常用於檢測中)，而表面粗糙度之實驗，係採用與切割時間相關之表面粗糙度。側面磨耗與表面粗糙度之單位分別為(m)，且當數值越小表示表面特性提升。圖4係為本發明實施例與比較例之器具使用時間實驗例之結果圖。值得注意的是，本發明實驗例與比較例具有相同器具使用壽命長度。同時，於圖5中，可發現在相同時間區間中，本發明之實驗例與習知無鉛快削鋼具有相同程度之表面特性，甚至較佳於習知無鉛快削鋼。
由實驗可確定的是，含有預定含量之Cr、Ti、及N以取代Pb之快削鋼，其表面粗糙度及器具使用時間均與無鉛快削鋼(對人體有害)相同甚至效果更佳之原因係為，若具有0.2wt%至0.5wt%之硫的高含氧快削鋼中含有0.1wt%至0.5wt%之鉻、0.003wt%至0.2wt%之鈦、以及0.005wt%至0.015wt%之氮，則當熔融態鋼材凝固時，於顆粒介面會沉澱出大量粗糙且尺寸為1μm之(Cr,Mn)S基、(Cr,Ti)S基、以及(Cr,Ti)N基細小沉澱物，而這樣的沉澱物可達到防止鋼材材料在部件機械操作過程中操作不易、並達到可降低降低鋼材材料破裂特性與其他相似目的，因此，可限制BUE生成並改善碎片現象。
[實施例2]
將尺寸為300mm x 400mm之連鑄完成快削鋼塊鋼，透過鋼胚輥軋製程輥製成尺寸為160mm x 160mm之鋼胚，接著，將鋼胚透過線材輥軋製程輥製成直徑為25mm之線材。於一般快削鋼輥軋條件下，將鋼材及鋼胚加熱及冷卻。從輥軋完成之線材中取出測試樣品，並利用N/O分析儀測量總氧量，且透過光學顯微鏡觀察MnS面積及外形。同時，將線材輥軋完成之線材進行冷軋拉伸製程，以製得環桿(即冷拉(CD)條狀物)，並在相同條件下使用CNC擱板進行切割性測試，以測量器具之使用時間特性。下表2係顯示經由實驗所得之線材總氧量(ppm)、每單位平方公厘(mm2 )中面積為5(m2或以上之MnS數量、以及使用時間。於表2中，器具使用時間係表示可使用單一切割器具切割之部件相對數目。
於表2中，當線材總含氧量在300ppm範圍內且每單位面積MnS數目在300至1,000範圍內(實驗例6至9)時，器具使用壽命為5,000次以上，或是較使用者所使用之快削鋼部件所需標準要高。同時，即便總氧量仍在本發明所述之範圍內，如比較例2及3，當每單位面積MnS數目少於300時，器具使用壽命則無法超過使用者使用快削鋼部件所需標準之5,000次。造成此現象之原因在於，具有相對較大面積之MnS較少，而導致碎裂產生，進而造成應用範圍相對較少。同時，於比較例4及5中，每單位面積中之MnS數目係在本發明之範圍內，且切割器具之使用壽命亦超過參考值5,000次，但是，由鑄鋼件(即鑄鋼鋼板、或塊鋼)回復至CD條狀物之回收率卻低於80%。值得注意的是，造成此現象之因素，係為總氧量過高，超過300ppm，其為導致鑄鋼件表面有針孔及吹孔之主要因素，因而無法改善鋼胚製程以及線材輥軋製程。因此，總氧量過高會導致大量的表面缺陷、較低之回收率、以及成本增加，進而難以達到本發明之目的。
綜上所述，本發明之實驗例中，可使用製鋼製程或連鑄製程輕易製作出無硫快削鋼，且由於製鋼製程中有大量球狀MnS結晶，藉此，可提供切割性(即機械特性)大幅改善且具有較佳熱加工性(即熱輥特性)之環保快削鋼。
本發明僅以較佳實施例加以描述，然而本技術領域者可在不偏離本發明所主張之權利範圍下，進行修飾與修改。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
本發明之上述及其他態樣、特徵以及其他優點，可伴隨圖式以及詳細描述更加了解，其中：
圖1係MnS包含物外型之顯微鏡照片。
圖2係高含氧快削鋼中Cr、Ti、N、及S基沉澱物與MnS包含物共存之顯微鏡照片。
圖3係本發明一實驗例之環保無鉛快削鋼製作流程示意圖。
圖4係為一滿足本發明實施例條件之實驗例與比較例之器具使用壽命比較圖。
圖5係為一滿足本發明實施例條件之實驗例與比較例之表面粗糙度比較圖。

Claims (8)

  1. 一種快削鋼，包括：0.03 wt%至0.13 wt%之碳(C)、0.1 wt%或以下之矽、0.7 wt%至2.0 wt%之錳(Mn)、0.05 wt%至0.15 wt%之磷(P)、0.2 wt%至0.5 wt%之硫(S)、0.001 wt%至0.01 wt%之硼(B)、0.1 wt%至0.5 wt%之鉻(Cr)、0.003 wt%至0.2 wt%之鈦(Ti)、0.005 wt%至0.015 wt%之氮(N)、0.03 wt%或以下之氧(O)、以及鐵與不可避免不純物之平衡成分，其中(Cr,Ti)S基沉澱物、以及(Cr,Ti)S基與(Cr,Ti)N基細小沉澱物存在於該快削鋼的顆粒介面中，且其顆粒尺寸範圍介於0.1μm至5μm。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之快削鋼，其中，於一線材輥鋼方向之剖面上，每平方公厘(mm2 )具有300至1,000個顆粒尺寸為5μm2 或以上之MnS內含物。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之快削鋼，其中Mn與S間之重量比為Mn/S3.5。
  4. 一種快削鋼之製作方法，該方法係包括：以一超音波速率通入氧氣至一於轉化爐中之金屬熔融物以轉化冶鍊該金屬熔融物，且當游離氧在400 ppm至1,000 ppm時停止氧氣吹煉；排放非去氧狀態之氧氣吹煉完成金屬熔融物至盛鋼桶中；將該盛鋼桶轉移至精煉爐(LF)中以加熱熔融鋼材，再進行LF冶鍊，直至於該金屬熔融物中之游離氧密度範圍在100 ppm至200 ppm之間； 使用一鋼胚連鑄該熔融鋼材，以使當時間點等於冶鍊持續時間之10%至50%時，游離氧之密度為50 ppm至150 ppm；以及將該鋼胚維持在1,200℃至1,350℃之加熱爐中2至5小時，以輥軋該鋼胚以形成一線材，其中，該快削鋼係包含0.03 wt%至0.13 wt%之碳(C)、0.1 wt%或以下之矽(Si)、0.7 wt%至2.0 wt%之錳(Mn)、0.05 wt%至0.15 wt%之磷(P)、0.2 wt%至0.5 wt%之硫(S)、0.001 wt%至0.01 wt%之硼(B)、0.1 wt%至0.5 wt%之鉻(Cr)、0.003 wt%至0.2 wt%之鈦(Ti)、0.005 wt%至0.015 wt%之氮(N)、0.03 wt%或以下之氧(O)、以及鐵與不可避免不純物之平衡成分。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中，於一線材輥鋼方向之剖面上，每平方公厘(mm2 )具有300至1,000個顆粒尺寸為5μm2 或以上之MnS內含物。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該連鑄製程係包括：模鑄該熔融鋼材，以形成一塊鋼；以及將該塊鋼維持在1,250℃或以上溫度之加熱爐中5至10小時，以輥軋該塊鋼以形成一鋼胚。
  7. 如申請專利範圍第4或6項所述之方法，其中，藉由使用一電磁攪拌器或一輕壓裝置，或是同時使用該電磁攪拌器及該輕壓裝置，以進行該連鑄製程。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中Mn與S間之重量比為Mn/S3.5。
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