制砖模具用Cr12钢性能测试方法与流程

本发明属于制砖模具技术领域，具体地说，本发明涉及一种制砖模具用Cr12模具钢性能测试方法。

背景技术：

制砖模具在使用过程中要求表面具有一定的硬度、强度和耐磨性。某公司采用制砖模具生产建筑用砖，模具材料为Cr12钢，制砖模具需经球化退火、淬火和低温回火处理。该制砖模具在使用过程中容易磨损。制砖模具的磨损不仅会引起模具本身几何形状及粗糙度发生变化，影响到砖的形状、尺寸和精度，也会因模具的频繁更换浪费生产时间，降低生产率，影响到公司的经济效益。该制砖模具失效的主要原因是因为该模具表面的硬度和耐磨性不足。为了提高制砖模具的使用寿命，增加耐磨性，需对热处理工艺进行改进，而对于改进后的热处理工艺的是否可以提高制砖模具的使用寿命，需要采用有效的方法来进行验证，现有技术中缺少这种方法。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种制砖模具用Cr12钢性能测试方法，目的是实现对制砖模具改进后的热处理工艺是否能提高制砖模具的使用寿命的验证。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：制砖模具用Cr12钢性能测试方法，包括步骤：

S1、提供第一试样，对第一试样进行第一热处理工艺，第一试样的材质为Cr12钢；

S2、提供第二试样，对第二试样进行第二热处理工艺，第二试样的材质为Cr12钢；

S3、对第一试样和第二试样的性能进行对比。

所述第一热处理工艺包括工序：

S11、球化退火；

S12、淬火；

S13、低温回火。

所述工序S12中，淬火时加热温度为970-990℃，保温时间为14-16min。

所述工序S12中，采用油冷方式对第一试样进行冷却。

所述工序S13中，回火温度为190-210℃，保温时间为14-16min。

所述工序S13中，采用空冷方式对第一试样进行冷却。

所述第二热处理工艺包括工序：

S21、在共渗剂中共渗，得到表面的渗硼层；

S22、测定渗硼层的深度和硬度；

S23、淬火；

S24、低温回火。

所述工序S21中，所述共渗剂为催渗剂或由催渗剂和稀土组成的混合物。

所述催渗剂的化学成分重量百分比为：B-Fe 72％，KBF₄ 6％，(NH₄)₂CO₃ 2％，木炭20％。

所述稀土的添加量按重量百分比计占共渗剂总量的0％、1％、3％和5％。

所述工序S22中，测定第二试样的金相组织以及表面渗硼层的深度和硬度后，根据渗硼层的深度以及硬度的高低，确定工序S21中最佳的稀土添加量。

所述工序S23中，淬火时加热温度为970-990℃，保温时间为14-16min。

所述工序S24中，回火温度为190-210℃，保温时间为14-16min。

本发明的制砖模具用Cr12钢性能测试方法，通过对两种模具钢试样采用不同的热处理工艺进行处理，并对两种模具钢试样的组织和性能进行对比，从而根据对比结果，有助于就针对制砖模具改进后的热处理工艺是否可以提高制砖模具的使用寿命做出直观判断。

附图说明

本说明书包括以下附图，所示内容分别是：

图1为第一试样经球化退火、淬火和低温回火处理后的金相组织；

图2为第二试样经共渗处理后的金相组织，表层为锯齿状硼化物，主要由FeB相、Fe₂B相、(Fe、Cr)₂B相组成；向内是过渡层，主要由(Cr、Fe)₇C₃相、须状Fe₂B相和岛状(Fe、Cr)₃C相组成；心部为原始组织，由珠光体与碳化物组成；

图3为Cr12钢稀土添加量与渗硼层深度的关系曲线。

图4为Cr12钢稀土添加量与渗硼后最高硬度的关系曲线。

图5为第二试样经第二热处理工艺处理后的金相组织，表层为硼化物层；向内是过渡层；心部组织为回火马氏体+碳化物+残余奥氏体；

图6为第一试样和第二试样的硬度对比图；

图7为第一试样和第二试样的磨损量与磨损时间的关系曲线图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

本发明提供了一种制砖模具用Cr12钢性能测试方法，包括如下的步骤：

S1、提供第一试样，对第一试样进行第一热处理工艺；

S2、提供第二试样，对第二试样进行第二热处理工艺；

S3、对第一试样和第二试样的性能进行对比。

具体地说，第一试样和第二试样的材质均为Cr12钢，第一试样和第二试样均分别包括多块采用Cr12钢制成且长宽高尺寸为10mm×10mm×15mm的钢块。

在对第一试样进行热处理时，第一热处理工艺包括如下的工序：

S11、球化退火；

S12、淬火；

S13、低温回火。

工序S11中，对第一试样进行球化退火处理时的加热温度为850-870℃，保温时间为14-16分(min)，最后缓慢冷却到490-510℃后出炉空冷。

在工序S12中，对第一试样进行淬火时的加热温度为970-990℃，保温时间为14-16分(min)，最后采用油冷方式对第一试样进行冷却。

在工序S13中，对第一试样进行回火处理时，回火温度为190-210℃，保温时间为14-16分(min)，最后采用空冷方式对第一试样进行冷却。

在对第一试样进行热处理时，第一热处理工艺还包括如下的工序：

S14、测定第一试样的性能，包括第一试样的金相组织、硬度和耐磨性。

对第一试样完成低温回火处理后，进行工序S14。在工序S14中，先对第一试样经过磨制、抛光，然后用4％的硝酸酒精侵蚀第一试样，然后用4XC-D型金金相摄影显微镜测定第一试样的金相组织，然后用HV-1000型显微硬度计测定第一试样的硬度，最后用MMW-1型磨损试验机测定其耐磨性。

第一试样经球化退火、普通淬火和低温回火后的金相组织如图1所示，为回火马氏体+碳化物+残余奥氏体。第一试样中含有高的碳含量和合金元素含量，属于莱氏体钢。淬火后得到片状马氏体和碳化物Cr₇C₃。由于碳与合金元素降低马氏体转变开始温度和终了温度，导致室温下部分奥氏体没有转变，成为残余奥氏体。回火过程中，片状马氏体分解为回火马氏体，淬火得到的残余奥氏体和碳化物没有变化，保留下来。

在对第二试样进行热处理时，第二热处理工艺包括如下的工序：

S21、在共渗剂中共渗，得到表面的渗硼层；

S22、测定渗硼层的深度和硬度；

S23、淬火；

S24、低温回火。

在工序S21中，将第二试样置于共渗剂中进行共渗处理，使第二试样的表面形成渗硼层。由于固体渗硼设备简单，操作方便，成本低，因此对Cr12钢采用固体渗硼处理。

共渗剂为催渗剂或为由催渗剂和稀土组成的混合物。作为优选的，催渗剂的化学成分重量百分比为：B-Fe(硼铁)72％，KBF₄(氟硼酸钾)6％，(NH₄)₂CO₃(碳酸铵)2％，木炭20％。B-Fe为供硼剂，主要作用是产生活性硼原子。KBF₄为活化剂，其作用是使被渗工件表面保持“活化”状态，使硼原子容易吸附于工件表面并向内扩散。木炭为填充剂，作用是减少渗剂的板结，避免渗剂与工件的粘连，方便取出试样，并降低成本。

工序S21中使用的共渗剂为由催渗剂和稀土组成的混合物时，将稀土与渗硼剂按比例混合均匀后，装入渗硼箱中。渗硼加热温度为900℃，保温5h，然后缓冷到室温。在加热和保温过程中，渗硼剂分解出活性硼原子，被第二试样表面吸附，然后活性硼原子从钢的表面向内部扩散，形成具有一定深度的渗硼层。

在工序S22中，测定第二试样的金相组织以及表面渗硼层的深度和硬度后，根据渗硼层的深度以及硬度的高低，确定出工序S21的共渗剂中最佳的稀土添加量。

因此，在工序S21中，将第二试样分成四份，对四份第二试样分别置于具有不同含量稀土或不含有稀土的共渗剂中进行共渗处理，即根据稀土添加量的不同分四组共渗处理，继而在工序S22中分别测定四份第二试样的金相组织、渗硼层深度和硬度，通过对比渗硼层深度和硬度的高低，确定出哪一组共渗处理采用的共渗剂中的稀土添加量为最佳。在工序S21中，稀土元素优选为铈，稀土的添加量按重量百分比计分别占各组共渗剂总量的0％、1％、3％和5％，即，第一组共渗处理使用的共渗剂为催渗剂，不含有稀土；第二组共渗处理使用的共渗剂为由催渗剂和稀土组成的混合物，稀土的添加量按重量百分比计分别占共渗剂总量的1％；第三组共渗处理使用的共渗剂为由催渗剂和稀土组成的混合物，稀土的添加量按重量百分比计分别占共渗剂总量的3％；第四组共渗处理使用的共渗剂为由催渗剂和稀土组成的混合物，稀土的添加量按重量百分比计分别占共渗剂总量的5％。

经共渗处理后的第二试样的组织是由三部分组成：表层为硼化物层，呈锯齿状分布，主要由FeB相、Fe₂B相、(Fe、Cr)₂B相组成。向内是过渡层，主要由(Cr、Fe)₇C₃相、须状Fe₂B相和岛状(Fe、Cr)₃C相组成。心部保持原始组织。共渗剂中稀土添加量的多少对第二试样的组织组成影响不大，主要影响到硼化物的硬度和渗硼层深度。图2为第二试样置于稀土含量为3％的共渗剂中共渗处理后的金相组织示意图。

第二试样经共渗处理后，不同稀土添加量与渗硼层深度的关系如图3所示。可以看出，随着稀土添加量的增加，渗硼层深度增加，达到3％时，渗硼层深度最大；随后随着稀土添加量的增加，渗硼层深度减小。渗硼过程包括渗硼剂的分解，活性硼原子的吸附与扩散。稀土具有很强的化学活性，能加速渗剂的分解；它易吸附于金属的表面，使系统能量降低，促进渗硼的进行；由于稀土原子的半径较大，稀土的渗入会导致空位的产生，为硼原子的扩散提供通道，使渗硼速度加快。当渗剂中加稀土量很少时，稀土元素对渗剂的分解促进作用较小，同时，稀土原子在试样表面的覆盖率也较少，使活性硼原子浓度增加不多。而当渗剂中加入过多的稀土时，较多的稀土原子堆积在试样表面，阻碍了钢表面捕获活性硼原子，使钢表面吸附的活性硼原子减少，导致渗硼层深度减小。故只有当稀土含量适宜时，稀土原子的活性作用才能充分发挥，催渗效果才最好。

第二试样经不同添加量的稀土-硼共渗处理后，具有的最高硬度如图4所示。可以看出，当稀土添加量较低时，随着稀土添加量的增多，表面硬度逐渐增加，原因是由于表层形成FeB与Fe₂B硼化物，具有很高的硬度，导致Cr12钢硬度的提高。当稀土添加量达到3％时，硬度最高，继续提高稀土添加量，硬度变化不大，原因是由于继续增加稀土量，大量的稀土原子分布在钢的表面，影响硼原子的吸附。因此尽管稀土含量增加，钢表面形成的硼化物数量变化不大，硬度也基本不变。

综上分析，共渗剂中最佳的稀土添加量为3％。

在工序S23中，将经过稀土含量为3％的共渗剂的共渗处理后的第二试样进行淬火处理，淬火处理时加热温度为970-990℃，保温时间为14-16分(min)，最后采用油冷方式对第二试样进行冷却。

工序S24中，继续对同一份第二试样进行低温回火处理，回火温度为190-210℃，保温时间为14-16分(min)，最后采用空冷方式对第二试样进行冷却。

在对第二试样进行热处理时，第二热处理工艺还包括如下的工序：

S25、测定第二试样的性能。

对第二试样完成低温回火处理后，进行工序S25。在工序S25中，测定第二试样经渗硼处理+淬火+低温回火后的金相组织、硬度和耐磨性。

在步骤S3中，将第二试样的金相组织、硬度和耐磨性与改进前经球化退火+普通淬火+低温回火处理的第一试样的金相组织、硬度和耐磨性对比，比较其性能的变化。

对于现有技术中采用Cr12钢制作的制砖模具，若制砖模具依次进行球化退火、普通淬火和低温回火处理(即上述第一热处理工艺)，制砖模具在使用过程中容易磨损，主要原因是因为模具表面的硬度和耐磨性不足。

若对热处理工艺进行改进，提高制砖模具的使用寿命，增加耐磨性，使制砖模具依次进行共渗处理、淬火和低温回火处理(即上述第二热处理工艺)，固体渗硼是将钢放入渗硼剂中，加热到适当的温度和保温后，冷却到室温。在加热和保温过程中渗硼剂分解出活性硼原子，被钢的表面吸附，然后从表面扩散到内部。由于钢的表面形成硼化铁和硼化亚铁，具有很高的硬度，因此通过渗硼可以提高制砖模具的耐磨性。钢经过渗硼处理后，由于渗硼层的深度较浅，使用过程中也会由于过早的磨损而影响模具的使用寿命。为了进一步提高制砖模具的耐磨性，延长使用寿命，在渗硼过程中添加稀土。稀土具有很强的化学活性，能加速渗硼剂的分解，增加活性硼原子的数量；同时稀土容易吸附于钢的表面，使系统能量降低，促进渗硼的进行。由于稀土原子的半径较大，它的渗入会导致空位的产生，为硼原子的渗入提供通道，使渗硼速度加快，增加渗硼层的深度。此外，稀土会改善表层硼化物的组织，提高其致密性、连续性和均匀性，进而提高表面的硬度和耐磨性，进而可以提高制砖模具的寿命。

本发明的测试方法，通过对第一试样和第二试样采用不同的热处理工艺分别进行处理，第一试样采用的热处理工艺与制砖模具改进前的热处理工艺相同，第二试样采用的热处理工艺与制砖模具改进后的热处理工艺相同，一方面实现了对制砖模具用Cr12模具钢的金相组织、硬度和耐磨性的有效测定，另一方面通过将两种试样的金相组织和性能进行对比，从而根据对比结果，有助于就针对制砖模具改进后的热处理工艺是否可以提高制砖模具的使用寿命做出直观判断，提供一种验证的有效手段。

实施例一

本实施例提供了一种制砖模具用Cr12钢性能测试方法，包括如下的步骤：

S1、提供第一试样，对第一试样进行第一热处理工艺；

S2、提供第二试样，对第二试样进行第二热处理工艺；

S3、对第一试样和第二试样的性能进行对比。

在对第一试样进行热处理时，第一热处理工艺包括如下的工序：

S11、球化退火；

S12、淬火；

S13、低温回火；

S14、测定第一试样的性能。

工序S11中，对第一试样进行球化退火处理时的加热温度为860℃，保温时间为15分(min)，最后缓慢冷却到500℃后出炉空冷。

在工序S12中，对第一试样进行淬火时的加热温度为980℃，保温时间为15分(min)，最后采用油冷方式对第一试样进行冷却。

在工序S13中，对第一试样进行回火处理时，回火温度为200℃，保温时间为15分(min)，最后采用空冷方式对第一试样进行冷却。

在对第二试样进行热处理时，第二热处理工艺包括如下的工序：

S21、在共渗剂中共渗，得到表面的渗硼层；

S22、测定渗硼层的深度和硬度；

S23、淬火；

S24、低温回火；

S25、测定第二试样的性能。

在工序S21中，共渗剂为由催渗剂和稀土组成的混合物。催渗剂的化学成分重量百分比为：B-Fe(硼铁)72％，KBF₄(氟硼酸钾)6％，(NH₄)₂CO₃(碳酸铵)2％，木炭20％。稀土的添加量按重量百分比计占共渗剂总量的3％。

在工序S23中，将经过稀土含量为3％的共渗剂的共渗处理后的第二试样进行淬火处理，淬火处理时加热温度为980℃，保温时间为15分(min)，最后采用油冷方式对第二试样进行冷却。

工序S24中，对第二试样进行低温回火处理，回火温度为200℃，保温时间为15分(min)，最后采用空冷方式对第二试样进行冷却。

图5为第二试样经共渗处理后，再经980℃油淬，200℃回火后的组织，表层为硼化物层；向内是过渡层，主要由碳化物(Cr、Fe)₇C₃相和硼化物Fe₂B相组成；心部组织为回火马氏体+碳化物+残余奥氏体。

图6为仅仅经淬火+回火处理的第一试样的硬度与经3％稀土-硼+淬火+回火处理后第二试样的硬度对比。可以看出，对Cr12钢经共渗处理后，硬度明显提高。原因是渗硼后表层含有硼化物，具有高的硬度，能够满足制砖模具表面高的硬度和耐磨性的要求，同时心部经淬火和回火处理，得到回火马氏体和碳化物，也提高了制砖模具的强度。

图7为Cr12钢淬火+回火处理与3％稀土-硼+淬火+回火处理后磨损量与磨损时间的关系曲线。可以看出，稀土-硼共渗后，钢的磨损量明显减少。一方面是由于表面硼化物，具有很高的硬度，可以提高耐磨性。另一方面，稀土改善了渗硼层的组织，使得硼化物更致密。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。