TWI450975B - 柱狀化或球狀化鋼材波來鐵組織中雪明碳鐵之製程 - Google Patents

Description

柱狀化或球狀化鋼材波來鐵組織中雪明碳鐵之製程

本發明是有關於一種與鋼材製造有關之製程，且特別是有關於一種柱狀化或球狀化鋼材之波來鐵(Pearlite)組織中雪明碳鐵(Cementite)的製程。

在一鋼材中，沃斯田鐵(Austenite)之含碳量以重量百分比(wt%)計算為約0.8wt%。當以極慢速之冷卻速率將沃斯田鐵冷卻至723℃時，即開始產生相變化，且同時析出肥粒鐵(Ferrite)和雪明碳鐵，進而形成波來鐵組織。

根據R. F. Mehl之理論，當發生共析反應時，會從沃斯田鐵之晶界生成雪明碳鐵的核，並以薄片狀朝上述沃斯田鐵之晶粒內生長。由於雪明碳鐵之含碳量較高，故在生成時，會從周圍之沃斯田鐵吸收碳，因而逐漸生成肥粒鐵。然而，由於肥粒鐵只能固溶少量的碳，故產生將碳向外排擠之效應，進而使側面之沃斯田鐵再析出雪明碳鐵的核，進一步生成片狀雪明碳鐵。在上述生成步驟反覆進行多次之後，雪明碳鐵與肥粒鐵則朝縱向持續生長，同時往橫向一層一層地增加，最後則完全取代原來之整個沃斯田鐵晶粒，形成雪明碳鐵和肥粒鐵交替排列之層狀波來鐵組織。

因此，以一般熱軋製程(熱軋、熱軋冷卻、盤捲)製造所得到之鋼材，其中之波來鐵即為片狀雪明碳鐵和肥粒鐵交替排列所組成之層狀組織。而具有上述組織形態之鋼材雖然具有機械強度高之優點，然而卻有延韌性不佳之缺點。而經研究後顯示，若於後續針對上述鋼材之波來鐵組織進行球化退火處理，則可將長片狀之雪明碳鐵轉變成柱狀之形態或球狀之形態，可藉此克服上述延韌性不佳之缺點，進而有利於後續之加工或應用。

然而，上述針對鋼材之波來鐵組織所進行之球化退火處理，將延長鋼材整體之製造時間。因此，需要一種新式之鋼材製程，除可獲得柱狀化或球狀化之雪明碳鐵之組織形態以提升鋼材之使用性能外，更可兼顧鋼材整體之製造時間，而不至於過度延長鋼材整體之製造時間，並達到節能減碳之目的。

因此，本發明之目的係在提供一種柱狀化或球狀化鋼材之波來鐵組織中雪明碳鐵的製程，利用控制鋼材於熱軋過程之過冷度(亦即鋼材冷卻前後之溫度差)、軋延之裁減率與應變速率，藉以得到具有柱狀化或球狀化之雪明碳鐵形態的波來鐵組織。此外，更可避免上述延長鋼材整體之製造時間的問題。

根據本發明之一實施例，提供一種柱狀化或球狀化一鋼材波來鐵組織中雪明碳鐵之製程。此製程包含：提供鋼胚，其中此鋼胚包含以下以wt%計算之多個成分，此些成分為：小於或等於0.8 wt%之碳、輔助成分、以及由鐵所組成之殘部，而上述輔助成分可為0.20 wt%以下之鉻(Cr)、0.30 wt%以下之鉬(Mo)或上述二者之組合；加熱鋼胚至第一溫度，且將鋼胚維持於此第一溫度並持續一第一時段，其中第一溫度大於或等於1200℃，而第一時段大於或等於4小時；以第一冷卻速率將鋼胚冷卻至第二溫度，其中第一冷卻速率大於或等於每秒鐘10℃(℃/s)，而第二溫度為A_C1 變態點以下20℃至A_C1 變態點以上50℃；對鋼胚進行多道第一軋延製程，藉此獲得第一軋延鋼胚，其中此第一軋延鋼胚與鋼胚之厚度比為15%至25%；以第二冷卻速率將上述第一軋延鋼胚冷卻至第三溫度，其中第二冷卻速率為5℃/s至30℃/s，而第三溫度為A_C1 變態點以下150℃至A_C1 變態點以下50℃；於第四溫度下對第一軋延鋼胚進行多道第二軋延製程，藉此獲得第二軋延鋼胚，其中在進行多道第二軋延製程之任一者後，第一軋延鋼胚之厚度減少之比例為10%至50%，且應變速率小於或等於5.0 s^-1 ，而第二軋延鋼胚與未曾進行任一第二軋延製程之第一軋延鋼胚之厚度比為10%至20%，且上述第四溫度大於600℃；以及將第二軋延鋼胚冷卻至室溫，藉以獲得上述之鋼材，其中上述鋼材中之雪明碳鐵之平均粒徑小於2.0微米(μm)，且平均長寬比小於5.0。

由於本發明之製程可省去後續球化退火處理(亦可稱之為球化熱處理)之時間，故其優點為可提高產出率。此外，由於無需進行額外之球化退火處理製程，故可減少製造鋼材所需耗費之能源並降低碳的排放量，進而降低鋼材整體之製造成本並兼顧環保之訴求。

請參照第1與2圖，其係分別繪示根據本發明之一實施例之柱狀化或球狀化鋼材之波來鐵組織中雪明碳鐵之製程的流程圖，以及第1圖之製程部分階段所對應之溫度間之相對關係的示意圖。柱狀化或球狀化鋼材之波來鐵組織中雪明碳鐵之製程100(為了方便說明起見，以下簡稱為「製程100」)係開始於步驟102，以提供鋼胚。在上述步驟102中，由於製造鋼胚之相關製程(例如以習知之煉鋼或電爐方式製造鋼胚)已為係熟悉此技術領域者所熟知，故不再於此加以詳述。而步驟102之鋼胚包含有以下以wt%計算之多個成分，此些成分為：小於或等於0.8 wt%之碳、輔助成分、以及由鐵所組成之其他部分(可稱之為殘部)，其中上述之輔助成分可為0.20 wt%以下之鉻、0.30 wt%以下之鉬或上述二者之組合。

在完成前述之步驟102之後，製程100繼續進行步驟104，以將步驟102中之鋼胚加熱至第一溫度(對應於第2圖中0→A軋延步驟)，且將此鋼胚維持於第一溫度並持續一第一時段(對應於第2圖中A→B軋延步驟)。在步驟104中，第一溫度係大於或等於1200℃，且第一時段大於或等於4小時。

而完成步驟104之後，製程100進行步驟106，以第一冷卻速率將上述之鋼胚冷卻至第二溫度(對應於第2圖中B→C軋延步驟)。其中，第一冷卻速率大於或等於10℃/s，且上述第二溫度為A_C1 變態點以下20℃至A_C1 變態點以上50℃其中的任何溫度。

製程100接著進行步驟108，以對已完成步驟102至步驟106之鋼胚進行多道第一軋延製程(對應於第2圖中C→D軋延步驟)，藉此獲得第一軋延鋼胚。其中，經過多道第一軋延製程所得到之第一軋延鋼胚與尚未經過任何軋延製程之鋼胚的厚度比為15%至25%。換句話說，上述多道第一軋延製程對於鋼胚之裁減率為75%至85%，其中裁減率係用以描述，鋼胚在進行步驟106之製程之前與之後，鋼胚在厚度上所減少之比例。

隨後，製程100進行步驟110，以第二冷卻速率將經過步驟108處理所得之第一軋延鋼胚冷卻至第三溫度(對應於第2圖中D→E軋延步驟)。其中，上述之第二冷卻速率為5℃/s至30℃/s，而第三溫度則為A_C1 變態點以下150℃至A_C1 變態點以下50℃。

接著，製程100繼續進行步驟112，以於第四溫度下對上述第一軋延鋼胚進行多道之第二軋延製程(對應於第2圖中E→F軋延步驟)，藉此獲得第二軋延鋼胚。在步驟112中，當進行上述多道第二軋延製程其中任一者後，第一軋延鋼胚之厚度減少之比例為10%至50%，亦即每進行一次第二軋延製程，均使得軋延後之第一軋延鋼胚之厚度與尚未軋延前之厚度之比例為50%至90%，或稱每道第二軋延製程對於第一軋延鋼胚之裁減率為10%至50%。此外，進行上述任一次之第二軋延製程時，第一軋延鋼胚之應變速率小於或等於5.0 s^-1 。再者，上述之第二軋延鋼胚，其與未曾進行任一第二軋延製程之第一軋延鋼胚(可稱之為初始第一軋延鋼胚或第一鋼胚)之厚度比為10%至20%，亦即上述多道第二軋延製程對於初始第一軋延鋼胚之總裁減率為80%至90%。另外，上述第四溫度需大於600℃，借以提供足夠之能量，使得波來鐵組織中之肥粒鐵與雪明碳鐵界面之碳原子、合金元素與缺陷等有充分時間進行擴散，進而有助於進一步形成柱狀化或球狀化之雪明碳鐵的組織形態。

緊接著製程100進行最後之步驟114，以將進行步驟112所得到之第二軋延鋼胚，以空氣冷卻之方式冷卻至室溫(對應於第2圖中F→G軋延步驟，亦可稱之為緩冷階段)，藉以獲得所需之鋼材。其中，經由上述之步驟102至步驟114處理所得到之鋼材，其中之雪明碳鐵的平均粒徑小於2.0μm，且平均長寬比小於5.0。

在特定之實施例中，經由上述製程100處理後之鋼材中的雪明碳鐵為碳化物。此外，上述碳化物之成分可為碳化鐵(Fe₃ C)、鉻碳化物[(Fe,Cr)₃ C]、鉬碳化物[(Fe,Mo)₃ C]或上述三者之任意組合。

在本實施例中，為了儲存與運輸上之便利性，在上述製程100中，當進行將第二軋延鋼胚冷卻至室溫之步驟(步驟114)之前，製程100更包含步驟113，以對第二軋延鋼胚進行盤捲製程。

在本發明中，製程100主要是控制鋼材在熱軋過程之過冷度、裁減率與應變速率，藉此達到提高鋼材在相變態過程中之應變能與化學能的目的。其中，變形應變能可使得沃斯田鐵相變態過程所生成之波來鐵組織中的片狀雪明碳鐵受應力應變而產生彎曲或斷裂。另外，在高過冷度與高裁減率下進行軋延製程所導入之大量缺陷，其亦會抑制片狀雪明碳鐵的生成，有利於柱狀化或球狀化之形態的產生。

再者，在製程100中，配合低應變速率(小於或等於5.0 s^-1 )之軋延與緩冷(步驟114)所提供之化學能，可使得波來鐵組織中之肥粒鐵與雪明碳鐵界面之碳原子、合金元素與缺陷等有充分時間進行擴散，故亦有助於進一步形成柱狀化或球狀化雪明碳鐵的組織形態。

以下更進一步以實際之實驗數據來說明，採用上述本發明之製程100確實可柱狀化或球狀化一鋼材之波來鐵組織中雪明碳鐵。

請參照以下表一至表四，其中表一係用以表示本發明之實施例之鋼材以及比較例之習知鋼材中所包含各合金成分的含量，表二係用以表示施加於表一之鋼材之不同製程條件，表三係用以表示鋼材中雪明碳鐵(碳化物)的組織形態，而表四則用以表示以表二中之部分製程條件施加表一中之鋼材後之碳化物平均粒徑及長寬比。

針對上述表三與表四，其主要係以掃瞄電子顯微鏡(SEM)進行組織觀察並計算雪明碳鐵長寬比的結果。而在表四中，雪明碳鐵碳化物之長寬比的計算，係採用T. Inoue等人所提出之方法計算，接著求取其平均值以得到表四之結果。此外，上述長寬比計算中之寬度係選取單一雪明碳鐵最寬之區域計算。再者，更利用三維(3D)影像重建軟體(AVIZO)及分析軟體(MAVI)，來建立波來鐵組織立體影像以及其中雪明碳鐵碳化物之量化數據。

註：╳係表示雪明碳鐵未柱狀化或球狀化，仍為片狀形態；Φ 係表示只有部分雪明碳鐵柱狀化或球狀化，其餘仍為片狀形態；◎則表示雪明碳鐵完全柱狀化或球狀化。

註：上述碳化物包含Fe₃ C、(Fe,Cr)₃ C、(Fe,Mo)₃ C或上述三者之任意組合。

根據以上表一至表四可知，當對表一中之鋼材施以表二中條件1之製程條件後發現，如表三所示，在所有鋼材中，除比較例1之低碳鋼之波來鐵組織中可得到部分柱狀碳化物外，其餘鋼材之波來鐵組織中仍為片狀碳化物形態。根據上述之結果可知，在相同之B→C軋延步驟(步驟106)之條件下，採用較低之過冷度[(A_C1 -50)℃]及較低之冷卻速率(＞5℃/s)來對鋼材進行冷卻(D→E軋延步驟或步驟110)，會導致相變態之趨動力與應變能的不足，故不利於柱狀化或球狀化之碳化物的生成。

當對表一中之鋼材施以表二中條件2之製程條件後發現，如表三所示，除了實施例2之鋼材外，其餘鋼材波來鐵組織中皆可得到部分柱狀碳化物。相較於條件1，造成上述之差異的主要原因在於，在條件2中，增加如上述步驟112中(E→F軋延步驟)第二軋延製程道之單次軋延製程的裁減率(40%)。上述裁減率之增加，有助於增加鋼材之應變能，並導入較多的缺陷，進而可抑制部分片狀雪明碳鐵的生成，促進雪明碳鐵形成柱狀化或球狀化之形態。然而，在實施例2之鋼材中，雖然提高單次軋延製程的裁減率有利於使相變態過程中所生成波來鐵組織中之片狀雪明碳鐵受應力彎曲或破斷而形成小片狀形態。但是，由於實施例2之鋼材本身強度高，且合金添加量也較多，而其中所添加合金元素會參與其組織之柱狀化或球狀化的過程，進而影響形成柱狀化或球狀化碳化物的時間，所以鋼材波來鐵組織中之雪明碳鐵仍為片狀形態。

當對表一中之鋼材施以表二中條件3之製程條件後發現，如表三所示，隨著D→E軋延步驟(步驟110)中冷卻速度的增加(25℃/s)與E→F軋延步驟(步驟112)中第二軋延製程道之單次軋延製程的裁減率(40%)的增加，故鋼材在相變態過程中所獲得之趨動力與應變能皆增加。因此，可使得在相變態過程中所生成波來鐵組織中片狀雪明碳鐵受應力而彎曲或破斷[如附件1(a)所示]，此時長寬比較小之碳化物可直接形成柱狀化或球狀化之形態。此外，呈現小片狀或長寬比較大者，配合E→F軋延步驟中之低應變速率(＜1.0 s^-1 )之軋延製程，以及後續如上述步驟114中所述之緩冷製程，其所提供之化學能進一步使波來鐵組織中肥粒鐵與雪明碳鐵界面之碳原子、缺陷與合金元素(如Cr及Mo)等有充分時間進行擴散。因此，可使所有習知比較例與實施例之鋼材皆可得到肥粒鐵及柱狀化碳化物[分別如附件1(a)與(b)所示所示之α與θ]分佈之波來鐵組織。在上述之碳化物中，其成分可為Fe₃ C、(Fe,Cr)₃ C、(Fe,Mo)₃ C或上述三者之任意組合，而碳化物平均粒徑及平均長寬比則如表四所示，分別為2.0 mm以下及5.0以下。

當對表一中之鋼材施以表二中條件4之製程條件後發現，如表三所示，隨著表二中D→E軋延步驟之冷卻溫度區間[亦即過冷度變大；(A_C1 -150)℃]、冷卻速率(25℃/s)與單次軋延製程的裁減率(40%)的增加，更有利於鋼材中柱狀化或球狀化之碳化物的形成。此外，因鋼材在相變態過程之趨動力(過冷度)與應變能皆增加的情況下(D→E軋延步驟)，由鋼材之微觀組織觀察可發現，有大量柱狀化或甚至球狀化之碳化物已於相變態過程中生成。其中，上述碳化物平均粒徑與平均長寬分別在2.0mm以下及5.0以下。另外，相較於上述條件1至3，條件4之B→C軋延步驟(步驟106)之條件並不同於條件1至3之B→C軋延步驟的條件，當冷卻之溫度區間愈大(即於愈低溫對鋼材進行軋延)，對後續沃斯田鐵化孕核及細晶化有幫助。因此，B→C軋延步驟的條件可視需求加以調整，藉此控制進行下一階段之製程前(D→E軋延步驟或步驟110)之晶粒尺寸。

當對表一中之鋼材施以表二中條件5之製程條件後發現，如表四所示，隨著步驟110之應變速率增加至1 s^-1 時(如表二條件5所示)，鋼材中之組織碳化物仍為柱狀化或球狀化形態，且其平均粒徑在2.0mm以下，但相較於條件4，長寬比已略為增加(如表四所示)。此外，隨著B→C軋延步驟之應變速率的持續增加(如表二中之條件6)，波來鐵組織中柱狀化或球狀化碳化物的比例會逐漸減少，且片狀碳化物會逐步增加。其中主要原因在於，波來鐵組織中肥粒鐵與雪明碳鐵界面之碳原子、缺陷與合金元素(如Cr及Mo)等沒有充分時間進行擴散以形成柱狀化或球狀化之形態所致。

再者，若更進一步提升E→F軋延步驟(步驟112)中之單次第二軋延製程之裁減率(50%)及應變速率(5 s^-1 )時(如表二之條件7)，由鋼材之微觀組織觀察可發現，過大之單次第二軋延製程裁減率將造成鋼材內部變形不均外，過快之應變速率也不利於柱狀化或球狀化碳化物的形成。因此，如表三所示，以表二之條件7之製程條件對表一所示之各鋼材進行處理，各鋼材中所得到之碳化物組織均為片狀形態。

根據以上表一至表四之結果，可以歸納出如以上所述製程100之各步驟的製程條件，其中鋼胚包含有小於或等於0.8 wt%之碳、輔助成分、以及由鐵所組成之殘部，其中上述之輔助成分可為0.20 wt%以下之鉻、0.30 wt%以下之鉬或上述二者之組合。

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，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，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．．．製程

102．．．步驟

104．．．步驟

106．．．步驟

108．．．步驟

110．．．步驟

112．．．步驟

113．．．步驟

114．．．步驟

為了能夠對本發明之觀點有較佳之理解，請參照上述之詳細說明並配合相應之圖式。要強調的是，根據工業之標準常規，附圖中之各種特徵並未依比例繪示。事實上，為清楚說明上述實施例，可任意地放大或縮小各種特徵之尺寸。相關圖式內容說明如下。

第1圖係繪示根據本發明之一實施例之柱狀化或球狀化鋼材之波來鐵組織中雪明碳鐵之製程的流程圖。

第2圖係繪示第1圖之製程部分階段所對應之溫度間之相對關係的示意圖。

附件1(a)與1(b)係分別表示肥粒鐵(α)及柱狀化或球狀化之碳化物(θ)分佈於波來鐵組織中之形態的二維(2D)及三維(3D)重建影像，其中3D重建影像係利用3D影像重建軟體AVIZO所建構而成。

100．．．製程

102．．．步驟

104．．．步驟

106．．．步驟

108．．．步驟

110．．．步驟

112．．．步驟

113．．．步驟

114．．．步驟

Claims (4)

1. 一種柱狀化或球狀化一鋼材波來鐵組織中雪明碳鐵之製程，包含：提供一鋼胚，其中該鋼胚包含以下以重量百分比(wt%)計算之複數個成分，該些成分為：小於或等於0.8 wt%之碳、一輔助成分、以及由鐵所組成之殘部，該輔助成分係選自於由0.20 wt%以下之鉻、0.30 wt%以下之鉬及上述二者之組合所組成之群組；加熱該鋼胚至一第一溫度，且將該鋼胚維持於該第一溫度並持續一第一時段，其中該第一溫度大於或等於1200℃，該第一時段大於或等於4小時；以一第一冷卻速率將該鋼胚冷卻至一第二溫度，其中該第一冷卻速率大於或等於每秒鐘10℃(℃/s)，該第二溫度為A_C1 變態點以下20℃至A_C1 變態點以上50℃；對該鋼胚進行複數道第一軋延製程，藉此獲得一第一軋延鋼胚，其中該第一軋延鋼胚與該鋼胚之厚度比為15%至25%；以一第二冷卻速率將該第一軋延鋼胚冷卻至一第三溫度，其中該第二冷卻速率為5℃/s至30℃/s，該第三溫度為A_C1 變態點以下150℃至A_C1 變態點以下50℃；於一第四溫度下對該第一軋延鋼胚進行複數道第二軋延製程，藉此獲得一第二軋延鋼胚，其中在進行該些第二軋延製程之任一者後，該第一軋延鋼胚之厚度減少之比例為10%至50%，且應變速率小於或等於5.0 s^-1 ，而該第二軋延鋼胚與未曾進行任一該些第二軋延製程之該第一軋延鋼胚之厚度比為10%至20%，且該第四溫度大於600℃；以及將該第二軋延鋼胚冷卻至室溫，藉以獲得該鋼材；其中該鋼材之雪明碳鐵之平均粒徑小於2.0微米，且平均長寬比小於5.0。
2. 如請求項1所述之柱狀化或球狀化一鋼材波來鐵組織中雪明碳鐵之製程，其中該鋼材之雪明碳鐵為一碳化物。
3. 如請求項2所述之柱狀化或球狀化一鋼材波來鐵組織中雪明碳鐵之製程，其中該碳化物之成分係選自於由碳化鐵(Fe₃ C)、鉻碳化物((Fe,Cr)₃ C)、鉬碳化物((Fe,Mo)₃ C)及上述三者之任意組合所形成之群組。
4. 如請求項1所述之柱狀化或球狀化一鋼材波來鐵組織中雪明碳鐵之製程，其中在進行將該第二軋延鋼胚冷卻至室溫之步驟之前，更包含：對該第二軋延鋼胚進行一盤捲製程。