TWI887023B - 高強度熱軋鋼板與熱軋鋼板之製造方法 - Google Patents

Abstract

一種高強度熱軋鋼板，化學成分依質量百分比（%）計，含有C：0.03~0.06、Si：0.1以下、Mn：0.8~1.0、P：0.10以下、S：0.01以下、Ti：0.05~0.10，且剩餘部分由Fe與不可避免的雜質構成。肥粒鐵相占整體面積率（area ratio）97%以上，整體抗拉強度（tensile strength）不低於540MPa，擴孔率（hole expansion ratio）達80%以上。

Description

高強度熱軋鋼板與熱軋鋼板之製造方法

本發明關於一種高強度熱軋鋼板與熱軋鋼板之製造方法，尤其關於調整盤捲溫度來製造具有高強度與高擴孔率的熱軋鋼板的方法。

為節省能源消耗，車體輕量化是各大廠的開發目標。隨著汽車工藝技術進步，鋼廠透過開發先進高強度(advanced high-strength steels,AHSS)達到薄化鋼板的效果。先進高強度中主要透過微合金添加(鈮、鈦)達到強化效果。含鈮鋼與含鈦鋼是在熱軋鋼捲中常見的微合金添加元素。由於鈮在軋延過程中會大量析出，隨著鋼板厚度減薄，軋延過程的阻力會逐漸增加，因此含鈮鋼在薄板製程中尤為困難。而鈦大多在層流冷卻時才開始析出，鋼板軋延過程的阻力較小，故含鈦鋼在薄板製程中較為容易。

已知在先進高強度鋼中，主要透過添加微量的鈮、鈦元素來改善其機械性質，鈮與鈦易與碳結合並在鋼板冷卻過程中形成細小的析出物。鈮在高溫回溶後，會隨著溫度下降而進行過飽和析出，在鋼板軋延程中，變形導入大量差排，鈮會與碳結合成碳化物在晶界或差排聚集處異質成核析出。一旦析出物成核超過臨界大小後，即為穩定相，不易再回溶於基地中。當鈮碳化均勻分布在基地中，沃斯田鐵的再結晶現象能有效被抑制，軋延過程中生成的差排因 而大量保留，這些差排提供後續肥粒鐵相變的成核點，應變過程中生成的析出物有顯著的細晶強化效果。鈦在高溫回溶後，雖也會隨溫降過飽和析出，但動力學上反應較慢，故在軋延過程只有少量析出，影響細晶效果有限。

在軋延完成後，層流冷卻過程沃斯田鐵會相變成肥粒鐵，期間有介面析出物與肥粒鐵相中的過飽和析出物生成。這些析出物相較軋延過程的應變析出物更加細小，其強化的效果更加顯著。

完成軋延後，熱軋鋼板經過層流冷卻會再進行盤捲。盤捲溫度也對析出物造成影響。析出物會因時效處理而出現粗化現象，析出物過於粗大導致產品強度急遽劣化。綜上所述，習知鋼材及其製造方法仍有改良之必要。因此需要透過製程參數控制，以滿足兼具高強度及高延展性需求的產品。

本發明在於提供一種鋼材及其製造方法，以兼具高強度及高延展性。透過添加微合金鈦進行強化且不含鈮，搭配對應的熱軋製程參數，藉由層流冷卻後析出強化製造高強度熱軋鋼板。此外，也藉由合金成分及參數調整減少波來鐵組織，讓金相組織中整體的肥粒鐵占比超過89%，有效提升產品延展性，使得產品伸長率不小於22%，擴孔率不小於80%。所以，本發明的熱軋鋼板除了能夠表現出高強度外，還能在伸長率及擴孔性質上取得優異的平衡效果。

一種高強度熱軋鋼板，化學成分依質量百分比(%)計，含有：C：0.03~0.06、Si：0.1以下、Mn：0.8~1.0、P：0.10以下、S：0.01以下、Ti：0.05~0.10，且剩餘部分由Fe與不可避免的雜質構成。第一相的肥粒鐵相占整體面積率97%以上。高強度熱軋鋼板整體抗拉強度不低於540MPa，擴孔率不小於80%。

一種高強度熱軋鋼板，化學成分依質量百分比(%)計，含有：C： 0.03~0.06、Si：0.1以下、Mn：0.8~1.0、P：0.10以下、S：0.01以下、N：0.01以下、Ti：0.05~0.10，且剩餘部分由Fe與不可避免的雜質構成。肥粒鐵相的整體面積率比第二相的整體面積率大於8.34。高強度熱軋鋼板的整體降伏強度不低於450MPa，延伸率不小於22%。

在本發明之一實施例中，第二相由變韌鐵構成。

在本發明之另一實施例中，組織中含有均勻分布的微細TiC。

一種熱軋鋼板之製造方法，將具有前述成分組成的鋼胚，進行熱軋與精軋後，再冷卻至不低於500℃的盤捲溫度進行盤捲，得到熱軋鋼板。

在本發明之一實施例中，熱軋的開始溫度介於1000℃~1250℃之間、精軋的結束溫度介於800℃~1000℃之間、盤捲溫度不高於700℃。

下文將結合本發明之實施例中的附圖，對本發明之實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。另外，為了更好地說明本發明，在下文中的具體實施方式中給出了眾多的具體細節。本領域技術人員應當理解，沒有某些具體細節，本發明同樣可以據以實施。

第1圖表示本發明實施例的熱軋鋼板的製造方法的一種可行的流程圖。

第2圖、第3圖與第4圖分別顯示根據一些實施例的本發明的高強度熱軋鋼板的金相組織的顯微照片。

本文所用術語，鋼材是指煉鋼後加熱軋延經盤捲後分切的鋼板。肥粒鐵(ferrite,F)是指鋼鐵在冷卻過程中高溫(650℃~720℃)相變的組織，原子堆疊呈bcc結構，在金相上呈現白色區塊。沃斯田鐵是指鋼鐵在高溫(>900℃)的組織，原子堆疊呈fcc結構，由於在室溫通常為非穩定相，因此不常在金相組織中所見。波來鐵是指鋼鐵在冷卻過程中高溫(650℃~720℃)相變的組織，碳含量較高(0.76wt%)，金相上呈層狀結構。變韌鐵(Bainite,B)是指鋼鐵在冷卻過程中恆溫(400℃~650℃)相變的組織，金相上呈片狀或羽狀結構。麻田散鐵是指鋼鐵在冷卻後(<400℃)相變的組織，金相上呈板條狀結構。

如本文所用的，提及變量的數值範圍旨在表示變量等於該範圍內的任意值。因此，對於本身不連續的變量，該變量等於該數值範圍內的任意整數值，包括該範圍的端點。類似地，對於本身連續的變量，該變量等於該數值範圍內的任意實值，包括該範圍的端點。作為例子，而不是限制，如果變量本身是不連續的，描述為具有0-2之間的值的變量取0、1或2的值；而如果變量本身是連續的，則取0.0、0.1、0.01、0.001的值或0至2之間的其他任何實值。

冠詞「一」、「一個」和「該」係指冠詞的一個或多於一個(亦即，至少一個)文法受詞。術語「或」與術語「和/或」可互換使用，除非另清楚地說明。術語「包括/包含」在本文中用於表示短語「包括/包含但不限於」，並且可以與其互換使用。如本文所述，術語「約」係指在所屬技術領域的典型公差範圍內。例如，「約」可以理解為與平均值的約2個標準差。當「約」出現在一系列數字或範圍之前時，應理解「約」可以修飾該系列或範圍中的每個數字。例如，數值旨在涵蓋與數值±25%、±20%、±10%、±5%、±1%、±0.5%或±0.1%的變化。如本文所用，數字範圍係包含性的並且係可組合的，落入本文的數字範圍內的任何數值都可以被視為最大值或最小值，以從中衍生出子範圍。例如，應當理解，數字範圍「20至30%」包括最小值20%到最大值30%之間的任何子範 圍，如從20%至25%的子範圍、從25%至30%、以及從22.5%至27.5%。這種數值的變化可能係由於，例如：實驗誤差、製造化合物、組成物、濃縮物或製劑的測量或處理處置中的典型誤差、起始材料或本揭露中使用的成分的來源、製造或純度的差異、或類似的考慮因素而發生的。

術語「包括」、「包含」、「具有」及「含有」及其任何其他變體在本文中旨在涵蓋非排除式的包含。例如，當描述目標「包含」一限制要件時，除非另有說明，否則可以附加地包括其他成分、元素、元件、結構、區域、部分、裝置、系統、步驟或連接關係等，並且不應排除其他限制要件。

根據本發明之一實施方式的一種高強度熱軋鋼板，包含：以總重量100wt%計，0.03wt%~0.06wt%的碳(例如：0.035、0.04、0.045、0.05、0.055wt%)、0.1wt%(例如：0.05、0.02、0.01、0.001wt%)以下的矽、0.8wt%至1.0wt%(例如：0.85、0.9、0.95wt%)的錳、0.10wt%(例如：0.05、0.02、0.01、0.001wt%)以下的磷、0.01wt%(例如：0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.006、0.007、0.008、0.009wt%)以下的硫、0.01wt%(例如：0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.006、0.007、0.008、0.009wt%)以下的氮、0.05w%至0.1wt%(例如：0.055、0.06、0.065、0.07、0.075、0.08、0.85、0.09、0.095wt%)的鈦、且剩餘部分由鐵與不可避免的雜質所構成。

根據本發明之一實施方式的一種高強度熱軋鋼板，其組織主要由第一相的肥粒鐵所構成，晶粒尺寸介於2微米~8微米，其他次要相為變韌鐵及其它的夾雜物。本發明的熱軋鋼板透過添加鈦元素進行析出強化，使小於10奈米的析出物均勻散佈在肥粒鐵中，讓抗拉強度不小於540MPa，延伸率不小於22%，擴孔率不小於80%。

依據本發明實施方式的高強度熱軋鋼板，添加微合金鈦進行強化， 製造機械性質優異且厚度小於6mm的高強度熱軋鋼板。本發明高強度熱軋鋼板的有利功效可以是，抗拉強度不低於540MPa，例如介於540MPa-640MPa之間。

C的成分比例為0.03wt%~0.06wt%

C為鋼板強化基本元素，主要與Ti結合形成TiC，均勻分布在主要的第一相肥粒鐵中的微細析出物TiC能有效強化鋼板。當碳含量過低(<0.03%)，析出物生成量不足則強度不足無法符合需求。當碳含量過高(>0.06%)，則會有過多次要的第二相，例如波來鐵、變韌鐵、麻田散鐵等的出現，鋼板的延展性將受到影響，所以C含有量較佳係設為0.03wt%~0.06wt%之間。

Si的成分比例最多為0.10wt%

矽(Si)為固溶強化元素，對鋼板強度提升有所助益，但添加過多易在表面生成不去除的紅銹對表面品質造成影響，故設定其上限為0.1wt%。

Mn的成分比例為0.8wt%~至1.0wt%

錳(Mn)為固溶強化元素，對鋼板度提升有所助益且為沃斯田鐵穩定元素，能降低肥粒鐵相變溫度，避免在軋延過程中落入兩相區，對組織造成影響，故設定下限為0.8%。添加過多則易在組織中出現偏析，造成鋼板組織不均，故設定上限為1.0%。

P的成分比例最多為0.10%

磷(P)過多會造成偏析，對鋼板延展性影響，故設定上限為0.1%。

S的成分比例最多為0.010%

當硫(S)易與Mn結合形成MnS，其大多呈狹長狀。鋼板在變形時易於該處生成裂縫，對延展性有非常顯著的劣化效果，故設定上限為0.01%。

N的成分比例最多為0.010%

氮(N)是一種不可避免的雜質，在鋼胚凝固過程中易與Ti結合形成粗大的TiN，其對鋼板強度幾乎沒有幫助，且對延展性有劣化效果。此外，其回 溶溫度極高，在加熱爐中幾乎不可能消除，因此會消耗鋼胚內固溶的Ti元素，導致最終鋼板中的TiC數量不足，強度無法符合目標，故設定上限為0.01%。

Ti的成分比例為0.05w%至0.1wt%

鈦(Ti)為本發明中關鍵元素，在鋼板軋延後冷卻過程中與C結合形成細小TiC析出物。當含量太少，則數量不足使強度無法達到目標，故設定下限為0.05%。當含量太多，則鋼板延展性下降，故設定上限為0.1%。

除上述化學成分之外，剩餘部分由鐵與不可避免的雜質所構成。此處，不可避免的雜質係可例如磷、硫、氮等。

以下針對本發明熱軋鋼板的製造方法進行說明：第1圖表示根據本發明實施例的熱軋鋼板的製造方法的一種可行的流程圖。本發明實施例提出一種熱軋鋼板的製造方法，包含以下步驟：步驟S11；提供鋼胚。將鋼胚加熱到1230℃以上，並持溫0.5小時以上後出爐；進行步驟S12：鋼胚出爐後以5~20℃/s的冷卻速率降溫到900℃~1100℃之間，並進行粗軋。視情況需要，粗軋溫度可以為900℃~1100℃，粗軋時間可以為30秒~60秒；進行步驟S13：粗軋後再進行精軋。精軋步驟中須注意軋延溫度，精軋時間可以為2秒~5秒；進行步驟S14：精軋後再進行盤捲。盤捲步驟中須注意盤捲溫度，盤捲時間可以為10秒~50秒。

視情況需要，可對鋼胚進行噴水除銹後，再進行後續的製程。

可將具有符合上述成分組成範圍的鋼胚，依粗軋溫度、完軋溫度分 別進行粗軋與精軋。然後，在盤捲溫度下進行盤捲，便可製得本發明熱軋鋼板。視情況需要，可對熱軋鋼板進行酸洗步驟並去除其表面銹皮，及進行一再加工處理。

本發明的鋼材來自連鑄鋼胚，首先將送進加熱爐升至高溫進行軟化，同時將鋼胚內的碳化物進行回溶，較佳加熱溫度設定為1230℃以上，使鈦元素固溶在組織中，接下來進行粗軋與精軋的軋延薄化。經過層流冷卻後進行盤捲。粗軋溫度並無特定條件限制。

完軋溫度：800℃-1000℃

進入精軋則須注意軋延溫度，軋延溫度過高沃斯田鐵相易產生動態再結晶，消除組織內大量缺陷，造成後續相變核點大幅減少，最終晶粒尺寸過於粗大影響強度表現。軋延溫度過低，則會在過程中進行相變，肥粒鐵晶粒生成後因經歷軋延而被拉長，最終組織有較明顯的方向性外，延展性也會受到影響。因此，精軋溫度設定介於800℃-1000℃。

盤捲溫度：500℃-700℃

盤捲溫度對強度表現影響極其重要，不只決定最終相組織同時也對析出強化機制有重大影響。盤捲溫度在700℃以上易形成肥粒鐵與波來鐵組織，且波來鐵組織可能占比較大，對延展性有不良影響。再加上過高的盤捲溫度會讓鈦析出物粗化，強度因而快速劣化。盤捲溫度在500℃以下為肥粒鐵與變韌鐵組織，材料延展性提升。但是，因溫度過低不利析出物成長，析出物過於細小且多數過飽和鈦尚未析出，造成強度不足。且低盤捲溫度不易控制，不同區塊溫度有較大差異，且有表面品質問題。因此，在500℃-700℃為較適合的盤捲溫度，肥粒鐵占整體組織比例約98%，且微細鈦析出物(<10nm)均勻分布在基地 組織中。

承前述，針對本發明的熱軋鋼板的微觀組織進行詳細說明。

熱軋鋼板透過以上製程即可造抗拉強度介於540MPa-640MPa間，組織由肥粒鐵與變韌鐵所構成的高強度熱軋鋼板，前者占比大於89.3%，組織中有散布均勻的微細鈦析出物，析出物尺寸小於10nm，有顯著的析出強化效果。由於產品具優異的強度與延展性，故可應用於具高強度且加工成形狀複雜的零件。

在滿足上述肥粒鐵占整體面積率的前提下，相關其餘組織的整體面積率並無特別的限定。但若過多次要的第二相大量存在，便會導致鋼材的延展性受到影響，因而第二相的整體面積率設為10.7%以下，或是第一相的整體面積率(%)對第二相的整體面積率(%)的比值(即(第一相的整體面積率%)/(第二相的整體面積率%)大於8.34較為適當。

實施例

本發明提供以下的實施例說明本發明的優點。然而本發明所提供的實施例並非用以限定本發明。本技藝的任何人士，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。

利用加熱爐製作具有表1所示成分組成、且其餘由Fe及不可避免的雜質所構成的鋼胚。先經過1230℃充分加熱後，再進行粗軋與精軋。粗軋溫度可以是900℃~1100℃，精軋溫度可以是800℃~1000℃)。測得完軋溫度後，再冷卻並進行盤捲。盤捲前進行溫度測量，最終製造成板厚1.6mm的熱軋鋼板。表1中列出鋼胚成分以及對應的軋延參數，其中粗軋溫度、完軋溫度、盤捲溫度的單位分別為℃。編號1-14為本發明的實施例的熱軋鋼板，編號15-18為比較例的熱 軋鋼板。

為了進一步彰顯本發明的鋼材及其製造方法的技術手段及其技術效果，以下透過各項試驗來進行說明。將鋼材組織進行研磨、電解、拋光，並利用電子顯微鏡進行微觀組織、析出物及奈米級碳化物之觀察及晶粒尺寸量測。自上述製造參數獲得的鋼板進行試片取樣，分別進行金相組織觀察、拉伸試驗與擴孔試驗。

透過金相觀察可以掌握鋼板中主要的第一相肥粒鐵組織及次要的第二相組織以及分別占比。透過拉伸試驗可以得到鋼板的抗拉強度及延伸率。透過擴孔試驗可以瞭解鋼板的擴孔性質。比較例因已表現出強度不足而未繼續進行擴孔試驗。

擴孔試驗是一種根據ISO 16630測定金屬邊緣成型特性的方法，首先於試片中心裁剪出直徑10mm的孔洞，再利用圓錐形衝頭(圓錐角60度)進行等應變速率擴孔，當孔緣出現明顯貫穿板後的裂縫即停止動作。擴孔率為孔直徑變化量(D_f-D₀)與初始孔直徑(D₀)的比值。

以下說明試驗方法：

1.金相組織觀察

針對鋼板沿軋延方向作試片取樣，研磨拋光後在稀釋的硝酸(nital)中進行腐蝕並作金相觀察。在光學顯微鏡(OLYMPUS DSX1000)1000倍下進行拍照。在與硝酸接觸後，原子排列混亂處會優先進行腐蝕，因此在表面晶界、異相組織交接處、變韌鐵及麻田散鐵片狀或板條狀結構會被蝕刻，表面不平整造成光線會在該處散射，光學顯微鏡底下會呈現黑色。透過圖像分析軟體可以解析出白色及黑色區域，白色區域(2~8微米)為肥粒鐵組織，黑色細線為晶界可以忽略，黑色區塊(通常小於2微米)為第二相組織(變韌鐵或麻田散鐵)，所以透過圖像分析軟體可以再分別計算白色及黑色面積所佔比例，進而得到肥 粒鐵及第二相組織的面積百分比。

此外，分別透過掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM,JEOL JSM-IT100)及穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope,TEM,JEOL JEM-2100 PLUS)進行鋼板的細部分析。前者可以解析第二相組織，分辨其為波來鐵或變韌鐵，後者以更高倍率解析組織中的析出物。試片透過研磨後再電解拋光，可以觀察到TiC的微細析出物。

在1230℃加熱沃斯田鐵化後，透過粗軋(900℃~1100℃)及精軋(800℃~1000℃)薄化鋼胚，最後經過層流冷卻及盤捲(不低於500℃)，完成熱軋鋼板的製作。第2圖顯示對應實施例(1)所得的本發明的高強度熱軋鋼板的金相組織的顯微照片、第3圖顯示對應實施例2所得的本發明的高強度熱軋鋼板的金相組織的顯微照片、第4圖顯示對應實施例3所得的本發明的高強度熱軋鋼板的金相組織的顯微照片。圖中的深色區域為變韌鐵(B)，淺色區域為肥粒鐵(F)。

2.拉伸試驗

針對鋼板沿垂直軋延方向作取樣，並製作出符合JIS no.5規範的拉伸試片。後續再以拉伸試驗機(MTS 810 Material Test System)進行測試，並測定出試片的降伏強度(YS)、抗拉強度(TS)及延伸率(EI)。

3.擴孔試驗

針對鋼板進行試片取樣，在維持原厚度的情況下，裁切成100mm x100mm的試片，並於試片中心位置進行衝孔(圓孔直徑10mm)。後續擴孔試驗以圓錐形衝頭(角度60°)進行等應變速率擴孔。當孔緣明顯出現貫穿板厚之裂縫時即停止衝頭動作，並進行擴孔率計算。

擴孔率計算公式如下： λ(%)=100 x(Df-D0)/D0，其中D0=10mm為圓孔原始直徑，Df為裂縫出現時圓孔直徑。

實驗結果整理如表2所示。一般預期，鋼板的抗拉強度與其延伸率或其擴孔率間通常呈現負相關。但是，本發明實施例的金相組織中包含整體面積率至少89.3%的第一相的肥粒鐵、第二相的變韌鐵的高強度熱軋鋼板，卻可以表現出至少540MPa的抗拉強度或是高達640MPa的抗拉強度、延伸率不小於22%以上、擴孔率不小於80%的不可預期的有利功效。相比之下，在本發明組成或製造參數範圍外所得的比較例，則表現出強度不足或擴孔率不足的缺點，而無法滿足應用需求。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

Claims (10)

1. 一種高強度熱軋鋼板，化學成分依質量百分比（%）計，含有：C：0.03~0.06、Si：0.1以下、Mn：0.8~1.0、P：0.10以下、S：0.01以下、Ti：0.05~0.10，且剩餘部分由Fe與不可避免的雜質構成，第一相的肥粒鐵相占整體面積率97%以上，其中該高強度熱軋鋼板整體抗拉強度不低於540MPa，擴孔率達80%以上。
2. 如請求項1所述的高強度熱軋鋼板，其中該第二相由變韌鐵構成。
3. 如請求項1所述的高強度熱軋鋼板，其組織中含有均勻分布的微細TiC。
4. 如請求項1所述的高強度熱軋鋼板，其中延伸率不小於22%。
5. 一種高強度熱軋鋼板，化學成分依質量百分比（%）計，含有：C：0.03~0.06、Si：0.1以下、Mn：0.8~1.0、P：0.10以下、S：0.01以下、N：0.01以下、Ti：0.05~0.10，且剩餘部分由Fe與不可避免的雜質構成，肥粒鐵相的整體面積率比第二相的整體面積率大於8.34，其中該高強度熱軋鋼板整體降伏強度不低於450MPa，延伸率大於22%。
6. 如請求項5所述的高強度熱軋鋼板，其中該第二相由變韌鐵構成。
7. 如請求項5所述的高強度熱軋鋼板，其組織中含有均勻分布的微細TiC。
8. 如請求項5所述的高強度熱軋鋼板，其中擴孔率不小於80%。
9. 一種熱軋鋼板之製造方法，其特徵在於：將具有請求項1至8中任一項之成分組成的鋼胚，進行熱軋與精軋後，再冷卻至不低於500℃的盤捲溫度進行盤捲，得到該熱軋鋼板。
10. 如請求項9所述的熱軋鋼板之製造方法，其中該熱軋的開始溫度介於1000℃~1250℃之間、該精軋的結束溫度介於800℃~1000℃之間、該盤捲溫度不高於700℃。