學 校: 南台科技大學 指 導 教 授: 吳忠春 教授 學 生: 張祐瑄 日 期: 2013/03/13 超深冷處理對提昇高速鋼沖壓模具機械性質影響之研究 Effects of Cryogenic Treatment on Mechanical Property of SKH 51 High-Speed Steel for Stamping Dies 學 校: 南台科技大學 指 導 教 授: 吳忠春 教授 學 生: 張祐瑄 日 期: 2013/03/13

大綱 　前言 　研究目的 　實驗步驟 　結果與討論 　結論

前言 在所有工具鋼中，應用較廣泛的鋼材為高速鋼，主要因合金成份中含有鎢、鉬、鉻、釩等元素，這些元素經熱處理後會與碳元素結合形成各種型態的合金碳化物，使得高速鋼具有高硬度、耐磨耗、赤熱硬度和適當的韌性。高速鋼主要用於切削刀具與模具上，於高溫下能保持較高的強度、硬度與耐磨性，可保證在高速切削條件下，完成加工任務，材料磨損較小等優點。

前言 超深冷處理（cryogenic treatment）製程是最近二 十多年被發現可以用來明顯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。在提昇傳統材料的機械特性中， 超深冷處理是一項十分有發展潛力的技術，多年來在 金屬材料的應用領域佔有一定成效，根據綜合過去研 究成果顯示，超深冷處理可進一步提高以下的金屬機 械性質：（1）消除金屬內部殘留應力；（2）使殘留 沃斯田體轉換成麻田散體；（3）組織微細化、析出 微細碳化物；（4）穩定微細組織；（5）增進金屬的 耐磨耗性質，使金屬材料的壽命增長。

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；然而，超深冷處理在高速鋼處理上，並未有充足的學術研究與實務探討針對其顯微結構變化情形作深入探討，使得產業界對於超深冷處理過程對高速鋼顯微結構變化產生哪些影響，缺乏實驗數據可供參考，因此本論文將針對SKH51高速鋼為主題，來探討超深冷處理對鋼材顯微結構與機械性質的變化，同時亦將針對超深冷處理先後順序對材料特性影響作一深入探討。

實驗步驟

實驗步驟 合金成分分析 本研究使用的材料為6W-5Mo-4Cr-2V高速鋼 （即SKH51高速鋼），Table 1為本論文合金使用輝光放電分光儀（Glow Discharge Spectrometer, GDS）分析的材料組成成分，確定其主要合金成分符合相關規範。 Table 1 The chemical compositions of the studied alloys by GDS analysis (wt%) 元素 C Cr Mo W V Co Fe SKH51 0.86 3.95 4.75 5.83 1.82 0.56 Bal

結果與討論 超深冷處理對SKH51高速鋼機械性質之影響 超深冷處理對SKH51高速鋼衝擊試驗的影響 固溶狀態下的顯微結構變化與影響 高速鋼經540℃回火後的顯微結構變化與影響 超深冷在590℃回火下對顯微組織的影響

超深冷處理對SKH51高速鋼 540℃回火處理後表面硬度與磨耗分析 Q:固溶處理 C:超深冷處理 圖4.2 SKH51經由不同熱處理製程曲線圖 (a)為HRC表面硬度變化曲線圖；(b)為耐磨耗曲線圖

超深冷處理對SKH51高速鋼 590℃回火處理後表面硬度與磨耗分析 Q:固溶處理 C:超深冷處理 圖4.3 SKH51經由不同熱處理製程曲線圖 (a)為HRC表面硬度變化曲線圖；(b)為耐磨耗曲線圖

超深冷處理對SKH51高速鋼機械性質 之影響 在540℃回火時，表面硬度與耐磨耗性發現有先施以超深 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。 在590℃回火處理時，不管是先施以超深冷處理或後施以 超深冷處理，它的機械性質都與僅單純進行590℃回火處 理的試片相差不多，顯示超深冷處理對於提昇SKH51高速 鋼實施590℃回火處理後的表面硬度及耐磨耗性並無明顯 的幫助。

超深冷處理對SKH51高速鋼衝擊試驗的影響 不同熱處理製程之衝擊值變化

超深冷處理對SKH51高速鋼衝擊試驗的影響 衝擊值會隨著回火溫度的高低而增加或降低材料 的衝擊強度，在施以超深冷處理後更可以提高其 衝擊強度，衝擊值愈高代表材料的韌性愈好，反 之衝擊值愈低代表材料的韌性差，也代表著材料 的脆性愈高。

固溶下顯微結構變化與影響 圖3 SKH51金相顯微結構照片 (a) 1190℃固溶處理； (b) 1190℃固溶處理後施以超深冷處理。

固溶下顯微結構變化與影響 圖4 SKH51高速鋼經固溶處理後的電子顯微鏡照片 (a)、(b)均為取自麻田散鐵基地之明視野照片，可以清楚觀察到顆粒狀碳化物散佈於麻田散鐵基地中

固溶下顯微結構變化與影響 (a) (b) 圖6 取自圖4(a)中基地與顆粒狀碳化物的選擇區域繞射圖型(a)取自麻田散鐵基地 (b)取自M6C型顆粒狀碳化物 EDS

固溶下顯微結構變化與影響 (b) (a) 圖7 取自圖4(a)中基地與顆粒狀碳化物的EDS成份分析圖譜 (a)取自麻田散鐵基地 (b)取自顆粒狀碳化物

固溶下顯微結構變化與影響 圖5 SKH51高速鋼經固溶處理後的電子顯微鏡照片 (c)圖中我們可觀察到板片麻田散鐵內存在許多顯微雙晶 (d)板條麻田散鐵內差排纏繞

固溶後施以超深冷的顯微結構變化與影響 圖8 SKH51高速鋼經固溶施以超深冷處理的電子顯微照片 (a)、(b) 均為取自麻田散鐵基地之明視野照片 (c)為取自(b)圖相同區域麻田散鐵基地之暗視野電子顯微鏡照片， 可清楚看見細針 狀之殘留沃斯田鐵。

固溶後施以超深冷的顯微結構變化與影響 (a) (b) 圖9 SKH51高速鋼經固溶施以超深冷處理的電子顯微照片 (a)為取自麻田散鐵基地之明視野照片，可觀察到ε相碳化物自麻田散鐵基地內析出 (b)為取自(a)之相同區域暗視野照片

固溶狀態下的顯微結構變化與影響 圖8(c)固溶施以超深冷處理的麻田散鐵基地暗視野電子顯微照片 XRD

固溶狀態下的顯微結構變化與影響 (a) (b) (a)為固溶處理之XRD繞射分析曲線 (b)為固溶後施以超深冷處理之XRD繞射分析曲線

固溶狀態下的顯微結構變化與影響 SKH51高速鋼在固溶處理後再施以超深冷處理， 鋼材內部的麻田散鐵基地會變的更細緻，且基地 內的雙晶差排等缺陷密度提高，麻田散鐵基地內 的殘留沃斯田鐵相含量下降。 超深冷處理後除了顆粒狀碳化物，亦可發現到ε相 碳化物的析出。

高速鋼經540℃回火後的顯微結構 變化與影響 圖11 SKH51金相顯微結構照片 (a)為SKH51高速鋼1190℃固溶後經540℃回火 (b)為SKH51高速鋼1190℃固溶後施以超深冷處理再作540℃回火 (c)為SKH51高速鋼1190℃固溶後540℃回火再施以超深冷處理

高速鋼經540℃回火後的顯微結構 變化與影響 (b) 圖12 SKH51高速鋼1190℃固溶後經540℃回火處理的明視野電子顯微照片 (a)及(b)可觀察到回火麻田散鐵基地加上均勻碳化物顆粒， 亦可觀察明顯的雙晶及差排缺陷。

高速鋼經540℃回火後的顯微結構 變化與影響 (c) (d) 圖12 SKH51高速鋼1190℃固溶後經540℃回火處理的明視野電子顯微照片 (c)及(d)可觀察出有些微細顆粒狀碳化物至麻田散鐵基地析出及 片狀Fe3C碳化物的形成亦可觀察到細顆粒碳化物 分佈在麻田散鐵基地內

高速鋼固溶後經超深冷處理再施以540℃回火後的顯微結構變化與影響 圖13 高速鋼固溶後施以超深冷處理再作540℃回火的明視野電子顯微照片 (a)可觀察出與固溶狀態下相似，顆粒狀碳化物均為邊界析出 (b)可觀察出碳化物沿著缺陷生長出來，而碳化物在二次析出之後 缺陷明顯增多。 EDS

高速鋼經540℃回火後的顯微結構 變化與影響 (a) (b) 圖14 SKH51高速鋼 EDS成份分析圖譜 (a)取自圖13(a)中麻田散鐵區域 (b)取自圖13(a)大顆粒狀碳化物

高速鋼固溶後經超深冷處理再施以540℃回火後的顯微結構變化與影響 (c) (d) 圖13 高速鋼固溶後施以超深冷處理再作540℃回火的明視野電子顯微照片 (c)及(d) 碳化物顆粒很明顯的細化且碳化物顆粒的數量亦較多 EDS

高速鋼經540℃回火後的顯微結構 變化與影響 (c) (d) 圖15 SKH51 高速鋼EDS成份分析圖譜 (c) 取自圖13(c)顆粒狀碳化物A (d) 取自圖13(c)顆粒狀碳化物B

高速鋼經540℃回火後的顯微結構 變化與影響 超深冷處理會促使SKH51高速鋼內麻田散鐵基地細緻化，降低 殘留沃斯田鐵的含量，同時促使大量微細的碳化物在麻田散鐵 基地內析出，且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。 經超深冷處理後於二次析出的微細碳化物，主要碳化物有兩種 型態，一是含有較多含量之V元素的MC型碳化物；二是含有較 多之Fe、Mo及W元素的M2C型碳化物。 經TEM觀察發現，超深冷處理會促使大量較高V含量的MC型碳 化物在540℃回火後析出，產生更明顯二次析出硬化的效果。

超深冷在590℃回火下對顯微組織的影響 圖16 SKH51金相顯微結構照片 (a)為1190℃固溶後經590℃回火處理 (b)為1190℃固溶後施以超深冷處理再作590℃回火 (c)為1190℃固溶後590℃回火再施以超深冷處理

超深冷在590℃回火下對顯微組織的影響 圖17 SKH51高速鋼明視野電子顯微鏡照片 (a) 固溶後經590℃回火 (b) 固溶後施以超深冷處理再作590℃回火 (c) 固溶後590℃回火再施以超深冷處理

超深冷在590℃回火下對顯微組織的影響 圖18 SKH51高速鋼XRD繞射分析曲線圖 (a) 固溶後經590℃回火處理 (b) 固溶後施以超深冷處理再作590℃回火處理

結論 SKH 51高速鋼材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SKH 51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SKH51高 速鋼表面硬度、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SKH51高速鋼內麻田散鐵基地細緻化，降低殘 留沃斯田鐵的含量，同時促使大量微細的碳化物在麻田散鐵基地 內析出，且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。 在540℃回火處理後所析出之主要碳化物有兩種型態，一是含有 較多含量之V元素的MC型碳化物；二是含有較多之Fe、Mo及W 元素的M2C型碳化物

結論 經TEM觀察發現，超深冷處理會促使大量較高V含量的MC型碳 化物在540℃回火後析出，產生更明顯二次析出硬化的效果。 SKH 51鋼材沃斯田體化後先經超深冷處理再於590℃高溫回火顯 示，鋼材的表面硬度與耐磨耗性均有稍微降低的趨勢，此特性 與超深冷處理過程產生的缺陷會加速高溫回火麻田散體與碳化 物的分解變態有關，導致材料機械特性的劣化。 SKH 51鋼材施以超深冷處理後，宜在540℃左右進行回火處理， 將可獲得較佳的表面硬度特性及耐磨耗性；實驗結果顯示，經 超深冷處理之SKH 51高速鋼較不宜再經超過550℃以上的回火處 理。

THE END Thank you for attention!!