超深冷處理對 SKD61 模具鋼機械性質與顯微結構影響之研究

Effects of Cryogenic Treatment on Mechanical Property and Microstructure

of the SKD 61 Mold Steel

指導教授：吳忠春 博士指研究生：邱建龍 博士

報告日期： 2014/4/30

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目錄

• 前言• 研究目的• 實驗步驟• 結果與討論• 結論

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前言

• 工具模具鋼 JIS SKD61 具有高的淬透性、高的韌性、優良的抗熱裂能力及在較高溫度下具有抗軟化能力，是產業上使用最廣泛和最具代表性的熱作模具鋼種。

• 超深冷處理（ cryogenic treatment ）製程是最近二十多年被發現可以用來改善熱處理工件的機械性質與耐磨耗特性的材料處理製程技術，同時亦可有效提高工件使用壽命。

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前言• 最近幾年，超深冷處理已廣泛應用到

SKD11 、 SKD61 、 SKH51 等工具模具用鋼的材料熱處理領域，研究結果均顯示可以有效提昇工具模具鋼材表面硬度與耐磨耗特性，明顯提昇工件的使用壽命

• 因此本論文將針對 SKD61 模具鋼為主題，來探討超深冷處理對鋼材表面硬度與磨耗特性等機械性質的影響，同時亦將針對超深冷處理對材料顯微結構的影響作一深入探討。

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研究目的

• 論文主要利用穿透式電子顯微鏡、光學顯微鏡、磨耗試驗機等儀器來探討 SKD61 經由不同的熱處理製程與超深冷處理後，對 SKD61 顯微組織與機械性質的影響。

實驗步驟試片準備

固溶處理

超深冷處理

金相顯微鏡 XRD 硬度試驗機 穿透式電子顯微鏡磨耗試驗機

結果與討論

回火處理

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• 金相試驗

• 磨耗試驗

• 硬度測試

• XRD

• 顯微結構分析

試片備製

• 金相試驗 鑲埋→研磨→拋光→ 4%Nital 腐蝕液進行腐蝕

• 磨耗試驗

• 硬度測試

• XRD

• 顯微結構分析

試片備製

7

• 金相試驗 鑲埋→研磨→拋光→ 4%Nital 腐蝕液進行腐蝕

• 磨耗試驗 研磨→震盪→秤重→進行磨耗試驗

• 硬度測試

• XRD

• 顯微結構分析

試片備製

7

• 金相試驗 鑲埋→研磨→拋光→ 4%Nital 腐蝕液進行腐蝕

• 磨耗試驗 研磨→震盪→秤重→進行磨耗試驗

• 硬度測試

• XRD

• 顯微結構分析

試片備製

7

• 金相試驗 鑲埋→研磨→拋光→ 4%Nital 腐蝕液進行腐蝕

• 磨耗試驗 研磨→震盪→秤重→進行磨耗試驗

• 硬度測試 將試片表面磨平→洛式硬度測試

• XRD

• 顯微結構分析

試片備製

7

• 金相試驗 鑲埋→研磨→拋光→ 4%Nital 腐蝕液進行腐蝕

• 磨耗試驗 研磨→震盪→秤重→進行磨耗試驗

• 硬度測試 將試片表面磨平→洛式硬度測試

• XRD

• 顯微結構分析

試片備製

7

• 金相試驗 鑲埋→研磨→拋光→ 4%Nital 腐蝕液進行腐蝕

• 磨耗試驗 研磨→震盪→秤重→進行磨耗試驗

• 硬度測試 將試片表面磨平→洛式硬度測試

• XRD 裁切→研磨→ XRD→ 資料比對分析

• 顯微結構分析

試片備製

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• 金相試驗 鑲埋→研磨→拋光→ 4%Nital 腐蝕液進行腐蝕

• 磨耗試驗 研磨→震盪→秤重→進行磨耗試驗

• 硬度測試 將試片表面磨平→洛式硬度測試

• XRD 裁切→研磨→ XRD→ 資料比對分析

• 顯微結構分析

試片備製

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• 金相試驗 鑲埋→研磨→拋光→ 4%Nital 腐蝕液進行腐蝕

• 磨耗試驗 研磨→震盪→秤重→進行磨耗試驗

• 硬度測試 將試片表面磨平→洛式硬度測試

• XRD 裁切→研磨→ XRD→ 資料比對分析

• 顯微結構分析 研磨至 0.05mm→ 衝壓→電解拋光

試片備製

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• 金相試驗 鑲埋→研磨→拋光→ 4%Nital 腐蝕液進行腐蝕

• 磨耗試驗 研磨→震盪→秤重→進行磨耗試驗

• 硬度測試 將試片表面磨平→洛式硬度測試

• XRD 裁切→研磨→ XRD→ 資料比對分析

• 顯微結構分析 研磨至 0.05mm→ 衝壓→電解拋光

試片備製

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低溫回火540°C/200min

高溫回火605°C/200min

超深冷處理-185°C/4hr

固溶處理1030°C/30min

淬火

注入氮氣急速冷卻

預熱升溫

時間

SKD61 熱處理製程

溫度

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結果與討論

超深冷處理對 SKD61 模具鋼 540℃ 回火處理後的硬度與磨耗分析

■ 1030℃ 固溶處理■ 1030℃ 固溶處理 + 超深冷處理■ 1030℃ 固溶處理 +540℃ 回火■ 1030℃ 固溶處理 + 超深冷處理 +540℃ 回火

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固溶處理→回火 540 ℃ → 超深冷處理耐磨耗特性及表面硬度均較未施以超深冷處理的試片優異。

Q Q+C Q+540 Q+C+54045

50

55

60

Hardness(HRC)

圖 (1) 為 SKD61 模具鋼經不同熱處理程序之硬度曲線圖

圖 (2) 為 SKD61 模具鋼經不同熱處理程序之磨耗曲線圖

SKD61 施以傳統固溶處理，以及固溶之後加上超深冷處理，硬度及耐磨耗性略為提升。

綜合上述實驗數據顯示有先施以超深冷處理的試片，其表面硬度及耐磨耗特性均較未施以超深冷處理的試片優良，超深冷處理對於提昇SKD 61 模具鋼表面硬度與機械性質有明顯的助益。

固溶處理→回火 540℃: 硬度值降為HRC53 ，硬度值與耐磨耗性都不盡理想。

Q Q+C Q+540 Q+C+5400.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Wearing(mg)

超深冷處理對 SKD61 模具鋼 605℃ 回火處理後硬度與磨耗分析

■ 1030℃ 固溶處理■ 1030℃ 固溶處理 + 超深冷處理■ 1030℃ 固溶處理 +605℃ 回火■ 1030℃ 固溶處理 + 超深冷處理 +605℃ 回

火

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圖 (3) 為 SKD61 模具鋼經不同熱處理程序之硬度曲線圖

圖 (4) 為 SKD61 模具鋼經不同熱處理程序之磨耗曲線圖

固溶處理→回火 605℃: 結果顯示耐磨耗特性與表面硬度值均明顯下降，沒有達到預期的效果。

Q Q+C Q+605 Q+C+60545

50

55

60

Hardness(HRC)

固溶處理→回火 605℃ → 超深冷處理表面硬度值略從 HRC 47 提升為 HRC48 左右，磨耗量則略降為 1.1 mg ，耐磨耗性與表面硬度值略有改善但不明顯。

Q Q+C Q+605 Q+C+6050.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Wearing(mg)

■ 綜合以上實驗結果得知， SKD61 鋼材在低溫回火熱處理時，應該要先施以超深冷處理，鋼材的性能會較好。

■ 顯示若要發揮超深冷處理的效用，回火處理的溫度應介於 500℃ 至 560℃ 之間才會有明顯的提升作用；若回火溫度達 605℃時，則超深冷處理對提升 SKD 61 模具鋼表面硬度及耐磨耗性並無明顯幫助。

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超深冷處理對 SKD 61 模具鋼經 540℃ 回火處後顯微結構觀察

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圖 (5) 圖 (6) 圖 (5) 為 SKD 61 模具鋼固溶處理後直接施以 540℃ 回火處理的金相顯微

組 織照片，由圖 3(a) 從圓圈處可觀察到回火麻田散鐵以及少量顆粒狀的碳化物分散在 基地內。

圖 (6) 為 SKD 61 模具鋼固溶處理後先施以超深冷處理、再於 540℃ 進行回火處理的金相組織照片，與圖 (5) 未經超深冷處理的鋼材比較，明顯可以觀察到超深冷處理後的鋼材之回火麻田散鐵比較細緻的差異。

SKD61 模具鋼固溶狀態下 XRD 繞射分析圖

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圖 4(a) SKD61 於固溶狀態下之 XRD 繞射分析圖

圖 (7) 為 SKD61 模具鋼固溶狀態下 XRD 繞射分析曲線圖，經由 JCPDS CARD 比對後可明顯觀察到麻田散鐵的峰值，分別在繞射角 44 、64 及 82 度觀察到麻田散鐵相，在 110 、 200 及 211平面，無法觀察到其他相的繞射訊號。

超深冷處理在固溶狀態下的 TEM 影像

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圖 (8) 為 SKD 61 在固溶處理後明視野電子顯微鏡照片圖

圖 (9) 為 SKD 61 固溶處理後再超深冷處理的明視野照片

圖 (8) 圖 (9)

超深冷處理對 SKD 61 模具鋼經 605℃ 回火處理後顯微結構觀察

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圖 (11)圖 (10)

圖 (10) 淬火處理後施以 605℃ 回火的金相組織照片可觀察到回火麻田散鐵以及少量顆粒狀的碳化物分散在基地內

圖 (11) 淬火處理後先施以超深冷處理、再於 605℃ 進行回火處理的金相照片。

結論 SKD 61 模具鋼沃斯田體化後先進行超深冷處理，再於 540℃ 施以回

火處理後發現，經超深冷處理 SKD 61 鋼材的表面硬度與耐磨耗特性均有明顯的提升。由此可知，超深冷對於提昇 SKD 61 鋼材表面硬度、耐磨耗性等機械性質的成效有明顯的助益。

超深冷處理會促使 SKD 61 模具鋼內麻田散鐵基地細緻化，同時促使麻田散體基地內產生高密度的差排與疊差等缺陷，進而促使後續540℃ 回火處理時產生更明顯微細碳化物的析出與硬化效果。

SKD 61 鋼材施以超深冷處理後，宜在 500℃ 至 540℃ 溫度範圍進行回火處理，才能發揮超深冷處理的功效，獲得較佳的表面硬度與韌性機械性質組合。

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