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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
研究生：邱建龍 博士
報告日期：2014/4/30
1
目錄
• 前言
• 研究目的
• 實驗步驟
• 結果與討論
• 結論
2
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。
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實驗步驟
試片準備
固溶處理
超深冷處理
回火處理
金相顯微鏡
磨耗試驗機
XRD
結果與討論
硬度試驗機
穿透式電子
顯微鏡
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試片備製
• 金相試驗
• 磨耗試驗
• 硬度測試
• XRD
• 顯微結構分析
7
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
7
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
研磨→震盪→秤重→進行磨耗試驗
• 硬度測試
• XRD
• 顯微結構分析
7
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
研磨→震盪→秤重→進行磨耗試驗
• 硬度測試
• XRD
• 顯微結構分析
7
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
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
7
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
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
7
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
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
7
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
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
7
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
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
7
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
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
7
SKD61熱處理製程
溫
度
固溶處理
1030°C/30min
高溫回火
605°C/200min
預熱升溫
注入氮氣
急速冷卻
淬火
低溫回火
540°C/200min
0
超深冷處理
-185°C/4hr
時間
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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
9
Hardness(HRC)
60
 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。
55
50
45
Q
Q+C
Q+540
Q+C+540
圖(1)為SKD61模具鋼經不同熱處理程序之
硬度曲線圖
Wearing(mg)
 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。
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
Q
Q+C
Q+540
 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+C+540
圖(2)為SKD61模具鋼經不同熱處理程序之
磨耗曲線圖
 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。
10
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
11
Hardness(HRC)
60
 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。
55
50
45
Q
Q+C
Q+605
Q+C+605
圖(3)為SKD61模具鋼經不同熱處理程序之硬
度曲線圖
Wearing(mg)
 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。
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
Q
Q+C
Q+605
Q+C+605
圖(4)為SKD61模具鋼經不同熱處理程序之
磨耗曲線圖
12
■ 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
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。
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SKD61模具鋼固溶狀態下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。
圖4(a) SKD61於固溶狀態下之XRD繞射分析圖
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超深冷處理在固溶狀態下的TEM影像
圖(8)
圖(9)
 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
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超深冷處理對SKD 61模具鋼經605℃回火處
理後顯微結構觀察
圖(10)
圖(11)

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。
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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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Thanks for your listening