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玻璃模具用铸铁材料研究
玻璃模具用铸铁材料的研究
摘要
在玻璃制品的成型过程中，玻璃模具频繁地与高于1100℃熔融热玻璃接触,承受氧化、生长、热疲劳、热冲击及与热玻璃滑动接触摩擦等作用；模具与热玻璃接触过程中,其型腔表面温度超过共析转变温度,模具表面材料发生循环相变而使模具型腔表面产生裂纹；同时，模具的接触面由于玻璃制品的磨擦而被磨损。
随着玻璃制品生产高速化,轻量化,对模具材料耐热性能、耐磨性能、耐腐蚀性能、抗冲击性能、抗氧化性能、抗生长性能、抗热疲劳性能提出了更高的要求。
此外，还要求模具材质致密、易于加工、导热性好、热膨胀系数小。
本文在生产珠光体蠕墨铸铁的基础上，了解不同元素对合金性能的影响，使用传统铸造方法，配置了一种适合玻璃模具的珠光体蠕墨铸铁。
研究了制备技术，测试了珠光体蠕墨铸铁的力学性能和铸造性能，观察了珠光体蠕墨铸铁的微观组织。
生产珠光体蠕墨铸铁时，可适量加入一些稳定珠光体合金的元素，如钼（0.40%~0.60%）、铬（0.15%~0.25%），除能提高珠光体抗氧化性能，还能提高抗热疲劳性能。
锡（0.08%~0.10%）可得到70%以上珠光体，寿命比原铜-铬灰铸铁提高一倍。
本文设计的珠光体蠕墨铸铁对我国玻璃模具材料更新具有重要的工程应用参考价值。
关键词:
珠光体蠕墨铸铁；热疲劳；氧化；磨擦；裂纹；元素
1绪言
1.1玻璃模具铸铁材料的发展历程
玻璃模具是玻璃制品的主要生产工艺装备，主要分为瓶罐类玻璃模具与器皿类玻璃模具，模具在使用过程中内腔质量决定玻璃制品的表面质量和生产效率。
因此要求模腔表面有较高的精度和光洁度。
由于模具频繁地与700℃～1100℃的熔融玻璃接触，承受氧化、生长及热疲劳等作用，同时，模具的接触面由于与玻璃制品的摩擦而被磨损，这就要求模具材料具有良好的耐热、耐磨，耐腐蚀、抗热冲击、抗氧化、抗生长、抗热疲劳性能，其中抗氧化性能是最主要的性能指标。
此外，还要求模具材质致密、易于加工、导热性好、热膨胀系数小。
热导率是反映材料传热能力大小的物理量。
在玻璃模具使用中，玻璃料滴入玻璃模具内腔的温度大约为1100℃，冷却到780℃以下从模具中取出。
为此模具温度应尽快降至780℃以下，以提高生产效率，适应成型速度的要求，因此模具的散热能力是非常重要的。
常用玻璃模具材料一般为耐热铸铁、不锈钢和耐热合金钢，加工后再经表面强化处理。
铸铁因具有优良导热性、耐磨性、良好的铸造性能和加工性能、成本低、热而不粘的性能而被认为在可预见的未来仍然是主要玻璃模具材料，低合金铸铁是在普通灰铸铁的基础上增加少量的Ni、Cr、Mo、Ti、V等合金元素组成的合金，具有良好的高温性能，同灰铸铁相比，球墨铸铁中的石墨为球状，提高了材料的致密性，减小了石墨对基体的切割作用，从而使其机械性能得到了提高。
但由于其石墨呈孤立的球状，导热性较差，使玻璃制品在模腔中不能快速冷却，从而限制了成型速度的提高，不能适应高机速生产的要求，故只用于制造小型玻璃模具。
合金钢通常只用于器皿类的玻璃模具。
由于钢的导热性次于铸铁，因此使用时易出现过热，产生黏附现象。
因此必须采用强制冷却、合理设计模具结构等方法。
通常采用不锈钢和耐热合金钢。
镍基高温合金合金的耐热性和热膨胀性都比铸铁好，基本不生长和氧化，所以用它制作的模具表面裂纹少、寿命长、生产率高，并能提高玻璃制品的光洁度，但这类材料的导热性并不好，而且价格高。
蠕墨铸铁的力学性能与球墨铸铁相近，且具有较高的导热性、抗氧化性和抗生长能力，又有像灰铸铁那样良好的铸造性能和机械加工性能，使蠕墨铸铁具有良好的综合性能，而广泛用于制造玻璃模具材料。
模具是永不衰败的行业，材料则是模具之本，随着全球经济的发展，行列机与压机的机速也在不断提高，轻量化玻璃制品已成为一种趋势，从而对模具材质的相关性能要求也越来越高，玻璃模具日益接受挑战已成为必然，因此开发出迎合形势发展与不同用户要求的模具材质历史地成为玻璃模具人的光荣使命。
1.2玻璃模具铸铁材料的发展的意义
随着人名生活水平的不断提高，耐热玻璃餐具、微波炉玻璃盘、建筑玻璃砖、玻璃工艺品等高档玻璃制品大量进入人们的生活中。
而中国汽车工业的飞速发展，又促使车灯玻璃的需求量急剧上升，给中国传统的玻璃工业提供了良好的发展机遇。
在玻璃产量增大的同时，对玻璃制品质量的需求也越来越高，加上玻璃制品成行速度的不断提高，对模具材料提出了更高的要求。
模具材料在玻璃工业中的作用非常关键，而我国目前尚未制定玻璃模具材料标准，更没有形成完整的玻璃模具材料系列，这种状况严重制约了我国玻璃工业的发展，在此，试图对目前的玻璃模具材料作一个概括，以便于生产中合理使用。
玻璃模具是玻璃制品成型的重要工具，模具质量直接影响其使用寿命、玻璃制品的外观和生产成本。
优质玻璃模具应具有良好的抗氧化性，较高的导热性、耐疲劳性、耐磨性、小的热膨胀系数和良好的切削加工性能，且价格低廉，在国内外玻璃制造企业中，过去主要采用低合金铸铁制造模具，使用寿命短，造成无谓的停机换模，影响生产效率。
目前，国内外不能满足使用寿命要求。
为此研制一种新型多元合金铸铁材质具有实际意义。
1.3论文的组织结构
第一章前言部分，介绍了课题的研究目的和意义，确定了课题的研究内容。
第二章试验方案及研究方法部分。
第三章蠕墨铸铁成分设计及细化部分。
第四章蠕墨铸铁试样制备部分。
第五章实验结果讨论部分。
第六章结论。
2试验方案及研究方法
本试验的内容包括蠕墨铸铁的设计及原材料选择、铸型的制作、合金熔炼、浇注过程的试验方案和研究方法，以及试样的性能测试和微观组织分析手段。
熔炼、浇注和铸型过程是试验的关键步骤，直接影响到最终结果的好坏。
2.1铸铁的设计及原料的选择
蠕墨铸铁的力学性能与球墨铸铁相近，具有较高的导热性、抗氧化性和抗生长能力，又有像灰铸铁那样的良好铸造性能和加工性能，而低锡蠕墨铸铁得到较高的珠光体，使用寿命也大大提高，选用低锡蠕墨铸铁是不错的选择。
2.1.1主合金化元素
碳，在蠕墨铸铁中，采用太高的碳量以促进球状石墨的形成，蠕墨铸铁中的含碳量比球墨铸铁低些，较常用的碳量为3.4%~3.8%，薄壁件取上值。
硅，蠕墨铸铁中的硅量一般是用来调整机体组织的。
随碳量的增加，基体中的珠光体减少，而铁素体量增加，而硅量过低会产生白口。
因此要获得珠光体量较高的蠕墨铸铁，还应采取其他措施（如添加合金元素等）。
一般蠕墨铸铁控制的硅量在2.2%~3.0%的范围。
2.1.2微量合金化元素
锰，锰在常规范围内对石墨的蠕化无影响。
锰在铸铁中起稳定和增加珠光体作用，在蠕墨铸铁中亦如此。
但由于蠕墨分支多，故锰促进珠光体作用有所减弱，通常锰小于1.0%不会产生显著影响。
锰含量通常为：
0.4%~0.6%。
磷，磷对石墨蠕化无影响，但含量过高会产生磷共晶，降低伸长率和冲击韧度，提高脆性转变温度，通常磷应在0.07%以下。
硫，硫和蠕化元素镁、钙、稀土等均有很大的亲和力，因此铁液中含硫量增加会加大消耗蠕化剂，从而形成硫化物夹杂，同时促进石墨化衰退速度。
由此可知，原铁液中的含硫量对蠕化处理，对蠕化剂的消耗量和最终蠕化率的高低，具有决定性的影响。
蠕墨铸铁生产的关键之一是蠕化剂的加入量，而加入量的大小则取决于原铁液的含硫量，对蠕墨铸铁生产中保证和提高铸件质量，是有现实意义的，以0.01%~0.02%为最佳。
生产珠光体蠕墨铸铁时，可适量加入一些稳定的珠光体合金元素，钼（0.40%~0.60%）、铬（0.15%~0.25%）除能提高珠光体，还可提高热疲劳性能。
锡（0.08%~0.10%）可得到70%以上珠光体，寿命比原铜—铬灰铸铁提高一倍。
2.1.3元素的拟定
在实验室条件允许、确保试验准确性、保证合金中较低杂质元素的情况下。
选用的原料为：
生铁、废钢、锰铁、硅铁、铬铁、钼铁、钛铁、75Si-Fe
2.1.4铸铁的性能测试
本文主要从蠕墨铸铁材料的室温下抗拉强度σb、延伸率δ两个方面研究材料的力学性能。
拉伸试验：
拉伸试验按照国家标准GB228-87《金属拉伸试验方法》在万能试验机上进行，试验条件：
试棒标称直径φ8mm，实际铸后直径φ7.8mm。
原始标称标距长40mm，实际量取标距长39mm。
3铸铁成分设计与蠕化的研究
目前，对铸铁的开发研究主要集中在合金成分设计、材料先进制备技术、热处理工艺、材料组织控制技术、成型加工技术和装备等研究方面。
其中，蠕墨铸铁设计是重要研究内容之一，因为好的铸铁设计可以有效地改进玻璃模具力学性能和铸造性能、获得高强度、高精度的模具。
为防止氧化生长，通常加入合金元素Cr、Mo、Ni、V、Sn等元素，提高导热性能，热疲劳抗性以及材质要致密、硬度适当、加工性能好。
3.1成分设计
碳：
3.4%硅：
2.5%锰：
0.6%硫：
0.02%磷：
0.07%钼：
0.05%
3.2蠕化的研究
3.2.1蠕化剂
正确的选用蠕化剂和掌握其加入量是稳定生产蠕墨铸铁的首要条件。
从成分上可以看出，蠕化剂可视为球化剂的派生或“变形”，许多特性是相似的。
而蠕化剂的加入量应根据其化学组成、铁液状态和冷却条件等因素加以确定。
当前，蠕铁生产存在两大问题：
一是蠕化质量不稳定，这与蠕化剂的品质有关；二是蠕化剂选用不当。
多年的生产实践表明，若选用以镁为主的蠕化剂处理低硫铁液，镁必须控制在0.015%~0.030%范围内。
镁在铁液中沸腾起到“引爆”和自搅拌作用。
故我们在现有的RM1~RM6号稀土-镁合金蠕化剂的基础上，选用包头中国稀土公司的稀土镁硅铁合金和稀土硅钙合金配制成适合我们的生产条件的蠕化剂。
3.2.2蠕化处理
将粒径10~15mm的混合稀土镁蠕化剂放在铁液包底部一侧的凹坑或“堤坝”内捣实，上面覆盖一层草灰、铁屑等，然后将铁液冲入包内另一侧，当铁液冲入量达2/3时把出铁口塞住，使蠕化剂铸件溶入铁液中，产生蠕化反应，时间2~2.5min，待铁液沸腾停止，扒渣后再补加其余1/3铁液，与此同时加入孕育剂
进行处理。
经蠕化、孕育处理后的铁液停留时间一般不得超过20min，否则，蠕化剂会被氧化、烧损，产生所谓的“蠕化衰退”，结果使石墨形状由蠕虫状退化为片状。
由于稀土和镁都是强烈的反石墨化元素，用75Si-Fe孕育。
如要获得珠光体基体的蠕墨铸铁，孕育剂的加入量为0.5%~0.6%。
3.3孕育对蠕墨铸铁的影响
加强孕育能使蠕墨铸铁中球状石墨数量增多，改变了蠕虫状石墨和球状石墨的相对数量，从而得到不同蠕化率的蠕墨铸铁。
孕育剂一般采用硅铁和硅钙两种。
孕育剂的加入量提高，共晶团数量增多。
用硅铁孕育时能减少白口倾向。
用硅铁孕育时，易得到80%~90%珠光体，改变硅钙的加入量，对珠光体的数量没有多大影响。
3.4配料的含量
生铁：
4100g废钢：
632g硅铁：
177g锰铁：
40.5g铬铁：
30g钼铁：
65.8g钛铁：
10.1g
4铸铁的熔炼和成型
4.1炉前检验
为了控制蠕墨铸铁的质量，要求在炉前能快速而准确的判断蠕化效果，以便及时采取补救措施。
用观察三角试样断口特征及收缩、气味、声音等情况判断蠕化效果是最为简便的方法。
4.2铸铁的熔炼
熔炼用炉：
井式电阻炉（中频感应）
熔炼工艺：
将坩埚预热到暗红色，然后把生铁、锰铁、硅铁、铬铁、钼铁、钛铁、废钢加到坩埚中熔化，当生铁、废钢融化成糊状后，加入蠕化剂稀土镁，然后加入孕育剂75Si-Fe等合金，熔化后稍作搅拌，然后对铁液进行精炼处理，熔清后扒渣静置5~10min浇注试棒。
工艺流程：
原材料准备→加入废铁、废钢→熔炼→出铁槽孕育→蠕化处理→扒渣→三角试片检验→覆盖→浇注→清理。
4.3质量的控制
为防止石墨漂浮，配料时应严格控制碳当量和蠕化剂的加入量，合金中的残留稀土量应＜0.05%；为防止出现反白口现象，可提高铁液的出炉温度，降低铁液中的含硫量，减少蠕化剂中稀土含量，减少蠕化剂的加入量；强化孕育处理后快速浇注，防止蠕化和孕育衰退。
蠕化剂的生产工艺要求严格，控制范围窄，因此生产中稍有疏忽，就会形成灰口铸铁或球墨铸铁组织，导致蠕化处理失效。
有时尽管铁液化学成分控制的很严格，如处理包温度过高，加入的一部分蠕化剂会变成熔融状态粘在包底，结成大块，导致蠕化失效。
将蠕化剂加入包底后，蠕化剂就会漂浮在铁液上面，造成严重烧损。
若处理温度过高，由于镁迅速汽化，使铁液的残留镁过少。
导致处理失效。
在有些包次中发现，有球状石墨、蠕状石墨、片状石墨共存，这是温度过低、镁的搅拌作用不彻底而出现的偏析。
如果蠕化剂加入量过大，或处理时铁液量过少，就易出现球状石墨。
操作时要细心，扒渣是要干净，铸件以免产生夹杂缺陷。
控制好以上问题，就能生产出综合性能良好的蠕墨铸铁。
5实验结果与讨论
本章开展以下研究：
制备出蠕墨铸铁材料的试样，研究该组份下蠕墨铸铁的力学性能，观察铸态的金相组织，探讨蠕化剂和孕育剂对合金组织的影响，最后对该组份下蠕墨铸铁的性能联系微观组织进行分析。
5.1蠕墨铸铁的拉伸试验
本实验小组于2011年11月2日在西安工业大学CET-1000型万能试验机上按GB228-87进行拉伸试验。
实验准备如下：
试样直径：
实际铸后直径φ7.8mm。
试样标距：
实际量取标距长39mm。
试验温度、湿度：
20℃、20%。
试验速度：
15mm/min。
最终试验数据：
试样号（NO）
面积
（S）
最大载荷（N）
抗拉强度（MPa）
断裂强度（MPa）
断裂伸长（mm）
弹性模量（GPa）
1
50.26544
34063.95
677.681
677.681
11.53
914
2
50.26544
16349.8
325.269
325.269
8
610
3
50.26544
21490.4
427.538
427.538
7.42
963
平均值
50.265
23968.05
476.829
476.829
8.983
829
5.2蠕墨铸铁的金相显微结构
蠕虫状石墨是介于片状石墨和球状石墨之间的中间石墨形态。
在光学显微镜下观察，蠕墨铸铁中的石墨虽然看起来像片状，但与灰铸铁中的片状石墨有明显不同之处，它们短而厚，端部圆钝，形似蠕虫，如图所示，其长度与宽度的比值在2~10之间。
6结论
为了适应我国玻璃模具铸铁材料的技术革新，本文着眼于各种元素对蠕墨铸铁组织与性能的作用，通过研究添加元素含量对其显微组织的影响，蠕墨铸铁蠕化机理等问题。
最终确定了蠕墨铸铁成分，改进了蠕墨铸铁的制备过程。
该蠕墨铸铁具有抗氧化性、耐热性、导热性的同时，保证了良好的铸造性能。
通过以上各章节的研究，得到以下几点结论：
1）该蠕墨铸铁以Si、C作为主合金化元素，Ti、Cr、P、Mg、Mn、Mo作为微合金化元素。
基本发挥了各元素的作用，初步实现了蠕化效果。
2）Mg元素可以对合金进行蠕化处理，但当Mg含量大于0.3%时。
将出现球状石墨，造成合金的力学性能和导热性能严重下降。
3）用硅铁孕育时能减少白口倾向。
用硅铁孕育时，易得到80%~90%珠光体，改变硅钙的加入量，对珠光体的数量没有多大影响。
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