TWI796087B

TWI796087B - 熱軋鋼材與其製作方法

Info

Publication number: TWI796087B
Application number: TW111101349A
Authority: TW
Inventors: 王元聰; 莊詠翔
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2022-01-12
Filing date: 2022-01-12
Publication date: 2023-03-11
Also published as: TW202328466A

Abstract

本發明有關於一種熱軋鋼材與其製作方法。此製作方法係對鋼胚進行熱軋製程，以形成具有特定完軋溫度的完軋鋼材。然後，對完軋鋼材進行冷卻製程與盤捲製程，以製得本發明之熱軋鋼材。其中，完軋鋼材係以特定之冷卻速率冷卻至盤捲製程的盤捲溫度。所製得之熱軋鋼材具有超高強度與高延伸性。

Description

熱軋鋼材與其製作方法

本發明係有關一種熱軋鋼材，特別是提供一種具有超高強度與高延伸性的熱軋鋼材與其製作方法。

隨著車體輕量化與美觀要求的提升，汽車用鋼除須具備良好的強度外，其亦須具有良好的加工性能(即韌性)。為使鋼材兼具強度與韌性，一般係藉由結合多種金相組織，並細化晶粒的方法來達成。一般雙相鋼所含有之金相組織為肥粒鐵組織與變韌鐵組織，或者肥粒鐵組織與麻田散鐵組織所組成的鋼材基底。隨著強度要求之提升，雙相鋼之中硬質相的比例須再提高。然而，軟硬相之硬度差異的轉變，於後續之冷加工製程中，兩相界面易產生撕裂的缺陷。

另外，硬質相的增加易導致金相組織分布不均，以及帶狀化組織的缺陷，而過度提升鋼材的強度，但伸長性與機械加工性卻過度低落。

為解決鋼材無法兼具高強度與延伸性的缺點，一般係採用提升肥粒鐵組織之強度的方法。習知方法係添加鈮或進行多道次之冷加工與退火軟化，以細化晶粒組織，而可提升肥粒鐵的強度。然而，鈮易使鋼材晶粒細化，而導致鋼材於軋延過程中，軋延阻抗持續增加，而無法滿足薄板的應用需求。多道次處理須耗費較多之製程成本，故不易量產製程中實現。

有鑑於此，亟須提供一種熱軋鋼材與其製作方法，以解決習知鋼材無法兼具超高強度與高延伸性的缺陷。

因此，本發明之一態樣是在提供一種熱軋鋼材的製作方法，其藉由特定之完軋溫度與冷卻速率來調整鋼材之金相組織的變化，並促使奈米析出物均勻地析出分布於鋼材基底中，而可有效提升鋼材之強度與延伸性。

本發明之另一態樣是在提供一種熱軋鋼材，其藉由前述之製作方法所製成。

根據本發明之一態樣，提出一種熱軋鋼材的製作方法。此製作方法係先提供鋼胚，並對鋼胚進行加熱製程，其中鋼胚包含0.06重量百分比至0.20重量百分比之碳、1.0重量百分比至2.5重量百分比之錳、不大於2.0重量百分比之矽、不大於1.0重量百分比之鉻、不大於0.5重量百分比之鋁、不大於0.5重量百分比之鈦、不大於0.5重量百分比之鉬、不大於0.2重量百分比之釩、不大於0.01重量百分比之氮、平衡量的鐵與不顯著的雜質。加熱製程之溫度為1150℃至1300℃。於進行加熱製程後，對鋼胚進行熱軋製程，以形成完軋鋼材，其中完軋鋼材之完軋溫度大於Ar ₃溫度。然後，對完軋鋼材進行冷卻製程，以形成冷卻鋼材，其中冷卻製程之冷卻速率係不小於30℃/s。接著，對冷卻鋼材進行盤捲製程，以獲得熱軋鋼材。

依據本發明之一些實施例，前述之鋼胚不包含鈮。

依據本發明之一些實施例，前述鉬、鈦與釩之總和不小於0.25重量百分比。

依據本發明之一些實施例，前述之熱軋製程先對鋼胚進行粗軋步驟，再進行精軋步驟，以形成完軋鋼材。其中，粗軋步驟之軋延比與軋延道次係大於精軋步驟之軋延比與軋延道次。

依據本發明之一些實施例，前述盤捲製程之盤捲溫度為500℃至700℃。

依據本發明之一些實施例，於進行前述之盤捲製程後，此製作方法可選擇性地進行後處理製程。

依據本發明之一些實施例，前述之熱軋鋼材包含不小於95%的肥粒鐵組織與複數個奈米析出物，此些奈米析出物係均勻分散於肥粒鐵組織中，且此些奈米析出物包含碳化物。

依據本發明之一些實施例，前述肥粒鐵組織之平均粒徑不大於7 μm，且碳化物之粒徑不大於20 nm。

根據本發明之另一態樣，提出一種熱軋鋼材。此熱軋鋼材係藉由前述之製作方法所製成，其中此熱軋鋼材包含不小於95%的肥粒鐵組織與複數個奈米析出物，且此些奈米析出物均勻分散於肥粒鐵組織中。

依據本發明之一些實施例，前述之熱軋鋼材具有不小於700 MPa的拉伸強度，不小於650 MPa的降伏強度，與不小於14%的總伸長率。

應用本發明熱軋鋼材與其製作方法，藉由大於Ar ₃溫度的完軋溫度與不小於30℃/s的冷卻速率，所形成之熱軋鋼材可具有細緻之肥粒鐵組織，且於製作過程中，奈米析出物可均勻地分散於肥粒鐵組織中。因此，所製得之熱軋鋼材兼具超高強度與高延伸性。

以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

請參照圖1，其係繪示依照本發明之一些實施例之熱軋鋼材的製作方法之流程圖。方法100係先提供鋼胚，並對鋼胚進行加熱製程，如操作110所示。

本發明之鋼胚係藉由具有通常知識者所熟知的煉鋼設備與製程(如連鑄製程)所製得，故在此不另贅述。本發明之鋼胚可包含0.06重量百分比至0.20重量百分比之碳、1.0重量百分比至2.5重量百分比之錳、不大於2.0重量百分比之矽、不大於1.0重量百分比之鉻、不大於0.5重量百分比之鋁、不大於0.5重量百分比之鈦、不大於0.5重量百分比之鉬、不大於0.2重量百分比之釩、不大於0.01重量百分比之氮、平衡量的鐵與不顯著的雜質。若碳含量與/或氮含量不為前述之範圍時，後續所製得之熱軋鋼材將無法具有足夠的細化組織與奈米析出物(如碳化物與氮化物)，而無法滿足超高強度之應用要求。在一些實施例中，本發明之鋼胚包含0.5重量百分比至2.0重量百分比的矽，而可減少熱軋鋼材中肥粒鐵組織以外的其他金相組織(例如：波來鐵及/或雪明碳鐵)，進而可確保後續奈米析出物的析出量，因此確保熱軋鋼材具有良好的強度。在一些實施例中，此鋼胚不包含鈮。當鋼胚不含鈮時，鋼胚之軋延阻抗較低，而有助於後續熱軋製程的進行，且可滿足薄板的應用需求。在其他實施例中，前述鉬、鈦與釩之總和係不小於0.25重量百分比。當鉬、鈦與釩之總和不小於0.25重量百分比時，所製得之熱軋鋼材的肥粒鐵組織可進一步被細化，並形成均勻等軸的肥粒鐵組織，而奈米析出物於高溫的粗化現象可被抑制，因此可提升熱軋鋼材的強度。

於進行加熱製程時，前述之鋼胚係被加熱至1150℃至1300℃，以使鋼胚中之合金元素及/或析出物(如氮化物)固溶至鋼胚基底中。若加熱製程之溫度小於1150℃時，此些合金元素及/或析出物無法完全地固溶於鋼材基底中，而降低所製得熱軋鋼材的強度與延伸性。若加熱製程的溫度大於1300℃時，雖然具有較佳之固溶效果，但所耗損之成本亦較高。較佳地，加熱製程係將鋼胚加熱至1180℃至1280℃。

於進行操作110後，對鋼胚進行熱軋製程，如操作120所示。熱軋鋼材係藉由熱軋機對鋼胚進行多道次的軋延，以薄化鋼胚厚度，而可滿足應用的尺寸要求。在一些實施例中，熱軋製程可先對鋼胚進行粗軋步驟，再進行精軋步驟，以形成完軋鋼材。為兼顧應用的厚度要求與軋延阻抗，粗軋步驟的軋延道次與軋延比係大於精軋步驟的軋延道次與軋延比。在一些例子中，粗軋步驟的軋延道次可為5道，且軋延比為0.8至1.5，而精軋步驟的軋延道次可為2道，且軋延比為不大於1.2。在此些例子中，粗軋步驟的軋延比可例如為1.0至1.5，而精軋步驟的軋延比為不大於0.9。可理解的，本發明不以此為限，所屬技術領域具有通常知識者可根據軋機能力與應用之規格要求，調整粗軋步驟與精軋步驟的軋延道次和軋延比。在一些實施例中，鋼胚可以10 m/s的速度進行熱軋製程。

完軋鋼材之完軋溫度係大於鋼胚的Ar ₃溫度。Ar ₃溫度之量測與計算係具有通常知識者所熟知，故在此不另贅述。其中，Ar ₃溫度係鋼材冷卻時，沃斯田鐵組織開始轉變為肥粒鐵組織的溫度。據此，完軋鋼材中的金相組織僅為沃斯田鐵組織，以確保後續所形成之肥粒鐵組織可具有較細緻的晶粒。當完軋溫度越接近Ar ₃溫度時，後續熱軋鋼材中所形成的肥粒鐵組織可具有更細緻的晶粒。若完軋溫度不大於Ar ₃溫度，所製得之熱軋鋼材將具有肥粒鐵組織以外的其他金相組織，而降低鋼材之延伸性。在一些具體例中，完軋溫度可為800℃至920℃。當完軋溫度為此範圍時，可確保完軋鋼材的整體之完軋溫度均大於Ar ₃溫度，而可避免鋼材之部分區域(如鋼帶邊緣)已降溫至低於Ar ₃溫度，進而可避免其他金相組織的形成，且確保後續形成之肥粒鐵組織的細化效果。在其他實施例中，完軋溫度較佳可為800℃至900℃，且更佳可為810℃至830℃。

於進行熱軋製程後，對完軋鋼材進行冷卻製程和盤捲製程，即可獲得本發明具有超高強度與高延伸性之熱軋鋼材，如操作130至操作150所示。於冷卻製程中，完軋鋼材係以不小於30℃/s的冷卻速率由完軋溫度被冷卻至盤捲製程的盤捲溫度，以形成冷卻鋼材。其中，較快之冷卻速率可維持完軋鋼材中之沃斯田鐵組織，且有助於避免完軋鋼材中之沃斯田鐵組織轉變為肥粒鐵組織以外的其他金相組織。故，若冷卻速率小於30℃/s時，完軋鋼材中之沃斯田鐵組織於冷卻過程將轉變為肥粒鐵以外的其他金相組織(如波來鐵或變韌鐵等)。可理解的是，基於儀器設備的能力，越快的冷卻速率越有助於避免其他金相組織的生成，而可提升所製得熱軋鋼材的強度與韌性。在一些具體例中，冷卻製程可藉由層流冷卻、其他適當之冷卻方法，或上述方法之任意組合來進行。

於冷卻製程時，奈米級之氮化物可由鋼材基底中析出，且其可限制沃斯田鐵組織的晶粒大小，進而有助於提升後續生成之肥粒鐵組織的細化效果，因此提升熱軋鋼材的強度。在一些具體例中，奈米級之氮化物主要可例如為氮化鈦，且可含有少量之氮化釩或其他氮化物。在一些實施例中，析出之氮化物的粒徑不大於5 μm，且較佳係不大於4 μm，而可使所製得之熱軋鋼材具有高強度與高延伸性。其次，較小粒徑之氮化物易可減少鋼材受壓時之應力集中，進而可提升鋼材強度。

前述較快的冷卻速率可維持完軋鋼材中之沃斯田鐵組織，故當鋼材於盤捲溫度持溫時，其中之沃斯田鐵組織可轉變為肥粒鐵組織。由於前述氮化物的限制，較小範圍之沃斯田鐵組織所轉變之肥粒鐵組織亦可具有較細緻的晶粒。在一些實施例中，盤捲溫度可為500℃至700℃。在一些實施例中，肥粒鐵組織的平均粒徑係不大於7 μm，且較佳係不大於5 μm，而使所製得之熱軋鋼材具有高強度與高延伸性，進而滿足應用之需求。

其次，於盤捲製程時，奈米級之碳化物可由鋼材基底中析出，且此些碳化物可均勻地分布於肥粒鐵組織中，而可提升所製得熱軋鋼材的強度。在一些實施例中，析出碳化物之粒徑係不大於20 nm，且較佳係不大於15 nm。當盤捲溫度為500℃至700℃時，析出之碳化物可具有較適當之粒徑，且可均勻地分布於肥粒鐵組織中，且所製得之熱軋鋼材不易生成肥粒鐵組織以外之其他金相組織，進而可提升熱軋鋼材的強度與延伸性。在一些實施例中，盤捲溫度較佳可為550℃至700℃。

於所製得之熱軋鋼材中，藉由控制完軋溫度大於Ar ₃溫度，並以較快之冷卻速率來冷卻完軋鋼材，熱軋鋼材可具有細緻的等軸肥粒鐵組織，且奈米析出物(碳化物)係均勻分布於肥粒鐵組織中，故熱軋鋼材可具有超高強度與高延伸性。其中，熱軋鋼材包含不小於95%之肥粒鐵組織。當肥粒鐵組織之含量不小於95%時，熱軋鋼材可具有良好之延伸性，且較少之其他金相組織亦可避免碳化物之析出量降低，故所製得之熱軋鋼材可具有超高強度與高延伸性。較佳地，熱軋鋼材僅具有肥粒鐵組織。

在一些實施例中，於進行盤捲製程後，熱軋鋼材可進一步選擇性地進行後處理製程，以滿足應用需求。其中，後處理製程可包含但不限於酸洗處理、去除表面銹皮、其他適當之再加工處理，或上述處理手段的任意組合。

在一些應用例中，所製得之熱軋鋼材具有不小於700 MPa的拉伸強度、不小於650 MPa的降伏強度與不小於14%的總伸長率。

以下利用實施例以說明本發明之應用，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。

鋼胚組成

鋼胚A至鋼胚D

鋼胚A至鋼胚D之組成分別如第1表所示。

製程條件

條件一至條件四

條件一至條件四的製程參數分別如第2表所示。

製備熱軋鋼材

實施例1-1至1-3、2-1至2-4、3-1至3-4與4-1至4-4

實施例1-1至4-4分別係根據第3表選用特定之鋼胚(即鋼胚A至鋼胚D)與製程參數(即條件一至條件五)來製備熱軋鋼材，其係如第3表所示。再者，熱軋鋼材的試片係先進行電解拋光，再利用掃描式電子顯微鏡(SEM)、穿透式電子顯微鏡(TEM)與電子背向散射繞射儀(EBSD)進行顯微組織與奈米級碳化物之觀察與晶粒尺寸的量測，並利用夾雜原位自動分析儀(ASPEX)進行析出物的鑑定與分析。其結果分別如第3表所示。其中，依據ASPEX的鑑定分析，此些實施例之奈米析出物包含碳化鈦與氮化鈦，且此些奈米析出物係均勻地分布於鋼材基底上。

另外，依據日本工業標準(Japanese Industrial Standards；JIS)之規範，將所製得之熱軋鋼材加工為5號試片，並以一般之拉伸試驗機與方法量測試片的抗拉強度、降伏強度與伸長率，並以電子顯微鏡觀察鋼材破斷面的微觀顯微組織。其結果分別如第3表所示。

於第3表之金相組織中，F代表肥粒鐵組織，P代表波來鐵組織，且B代表變韌鐵組織。

依據第3表可知，當熱軋製程之完軋溫度大於Ar ₃溫度，冷卻速率不小於30℃/s，並於500℃至700℃進行盤捲製程時，所製得之熱軋鋼材可具有肥粒鐵組織之鋼材基底與均勻分散於其中之奈米析出物，而可具有超高強度與高延伸性。熱軋鋼材之肥粒鐵組織具有不大於7 μm的平均粒徑，而可使熱軋鋼材具有不小於14%之總伸長率。奈米級之碳化鈦與氮化鈦析出物則可有效地提升鋼材的強度，而使熱軋鋼材具有不小於700 MPa之拉伸強度與不小於650 MPa之降伏強度。

據此，本發明之熱軋鋼材的製作方法係藉由較低之完軋溫度(大於Ar ₃溫度)與較快之冷卻速率(不小於30℃/s)使熱軋鋼材具有細緻的肥粒鐵組織與均勻分散於其中的奈米析出物，而可兼具超高強度與高延伸性，而可滿足應用需求。

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，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:方法 110,120,130,140,150:操作

為了對本發明之實施例及其優點有更完整之理解，現請參照以下之說明並配合相應之圖式。必須強調的是，各種特徵並非依比例描繪且僅係為了圖解目的。相關圖式內容說明如下。圖1係繪示依照本發明之一些實施例之熱軋鋼材的製作方法之流程圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:方法

110,120,130,140,150:操作

Claims

一種熱軋鋼材的製作方法，包含：提供一鋼胚，其中該鋼胚包含：0.06重量百分比至0.20重量百分比之碳；1.0重量百分比至2.5重量百分比之錳；0.5重量百分比至1.3重量百分比之矽；不大於1.0重量百分比之鉻；不大於0.5重量百分比之鋁；不大於0.5重量百分比之鈦；不大於0.5重量百分比之鉬；不大於0.2重量百分比之釩；不大於0.01重量百分比之氮；平衡量的鐵；以及不顯著的雜質；對一鋼胚進行一加熱製程，其中該加熱製程之一溫度為1150℃至1300℃；於進行該加熱製程後，對該鋼胚進行一熱軋製程，以形成一完軋鋼材，其中該完軋鋼材之一完軋溫度是800℃至830℃大於Ar₃溫度；對該完軋鋼材進行一冷卻製程，以形成一冷卻鋼材，其中該冷卻製程之一冷卻速率不小於30℃/s；對該冷卻鋼材進行一盤捲製程，以獲得該熱軋鋼材，其中該熱軋鋼材包含不小於95%的肥粒鐵組織，且該熱軋鋼材具有985MPa至1018MPa之一拉伸強度。
如請求項1所述之熱軋鋼材的製作方法，其中該鋼胚不包含鈮。
如請求項1所述之熱軋鋼材的製作方法，其中該鉬、該鈦與該釩之一總和不小於0.25重量百分比。
如請求項1所述之熱軋鋼材的製作方法，其中該熱軋製程包含：對該鋼胚進行一粗軋步驟；以及進行一精軋步驟，以形成該完軋鋼材，且其中，該粗軋步驟之一軋延比與一軋延道次係大於該精軋步驟之一軋延比與一軋延道次。
如請求項1所述之熱軋鋼材的製作方法，其中該盤捲製程之一盤捲溫度為500℃至700℃。
如請求項1所述之熱軋鋼材的製作方法，其中於進行該盤捲製程後，該製作方法更包含：進行一後處理製程。
如請求項1所述之熱軋鋼材的製作方法，其中該熱軋鋼材包含：不小於95%的肥粒鐵組織；以及複數個奈米析出物，均勻分散於該肥粒鐵組織中，且該些奈米析出物包含碳化物。
如請求項7所述之熱軋鋼材的製作方法，其中該肥粒鐵組織之一平均粒徑不大於7μm，且該碳化物之一粒徑不大於20nm。
一種熱軋鋼材，藉由如請求項1至8中之任一項所述之製作方法所製成，其中該熱軋鋼材包含不小於95%的肥粒鐵組織與複數個奈米析出物，該些奈米析出物均勻分散於該肥粒鐵組織中，且該熱軋鋼材具有985MPa至1018MPa之一拉伸強度。
如請求項9所述之熱軋鋼材，其中該熱軋鋼材具有不小於650MPa之一降伏強度，與不小於14%之一總伸長率。