蠕墨铸铁玻璃模具材料发展前景探析

时间：2020-03-30 05:22:46 来源：千叶帆本文已影响人

摘要蠕墨铸铁作为一种新型的玻璃模具材料，具有良好的机械性能及较好的高温抗热疲劳、抗氧化、抗组织生长、导热等性能，正广泛用于玻璃模具制造中，蠕墨铸铁玻璃模具材料，以稀土作蠕化剂，并加入微量合金元素，经过相应的处理熔炼出的蠕墨铸铁，具有良好的抗氧化性和耐磨性。其使用寿命比通常使用的合金灰铸铁模具有大大的进步。

关键词蠕墨铸铁玻璃模具材料发展

一、前言

玻璃制品在工业制造、日常生活等各方面必不可少的材料。玻璃模具是玻璃制品成型的主要工具，模具质量的好坏直接影响玻璃的使用寿命。优质的玻璃模具除应具有良好机械性能之外，还要具备良好的抗热疲劳、氧化、导热性能。由于铸铁材料具有铸造工艺性能优良、价格低廉、技术设备要求低等优点，是国内常用的玻璃模具材料。国内普遍采用的灰铸铁，使用寿命一般为7～10万次/模，随着对玻璃制品质量要求的增高，成型机速的不断的提高，要求模具材料具有更长的服役寿命，故而常用的灰铸铁材料已经难以满足玻璃模具服役性能的要求。蠕墨铸铁作为一种新型的玻璃模具材料，其具有良好的机械性能及更好的高温抗热疲劳、抗氧化、抗组织生长及导热性能等。因此，对蠕墨铸铁玻璃模具材料的研究越来越受到人们的重视。

二、蠕墨铸铁玻璃模具材料的优点

蠕墨铸铁的石墨组织形态介于片状石墨铸铁和球状石墨铸铁之间，在共晶团内部区域，石墨如灰铸铁一样分开并相互连接，只是基体中石墨没有了像片状石墨一样的尖锐末端，石墨显得短、粗、端部圆钝。正由于这样的结构，与灰铸铁相比，其导热性并没有明显下降，但其机械性能却增强很大，具有良好的抗热疲劳性能；另外，由于其石墨形态的结构，组织的抗氧化能力，抗生长能力明显要比片状石墨灰铸铁强。这主要从不同石墨形态的氧化机制上来分析，灰铸铁是块片状或者是层片状结构，由于石墨之间是相互接触并相互连通，在高温条件下，组织中石墨主要以直接氧化为主；球墨铸铁组织中的石墨呈孤立球状分布，氧离子从石墨与基体的界面处扩散到石墨球中，孤立的球状石墨被逐个氧化；而蠕墨铸铁中基体中的石墨组织介于灰铸铁和球墨铸铁之间，故其氧化速率也介于两者之间。由于球墨铸铁的石墨呈孤立球状分布，导致其散热性差。在球墨铸铁玻璃模具型腔中，玻璃凝固硬化时间变长，致使开模时间延长，生产效率降低，故不宜采用；蠕墨铸铁中石墨组织的特殊结构，使其抗氧化性，导热性优于球墨铸铁。综合考虑，将耐热性与导热性结合起来，形成石墨组织的梯度变化，以满足玻璃模具不同部位对材料组织的要求。模具内腔表面长期与高温的熔融玻璃液接触，因此造型时在模具内腔处添加冷铁，使模具浇注凝固时，模腔内腔表面激冷，形成球状石墨，中间部位形成蠕虫状石墨，外部区域形成片状石墨组织以利于散热。这样一个石墨组织的梯度变化，将耐热性与导热性结合起来，提高了玻璃模具的抗氧化性及使用寿命。

三、蠕墨铸铁玻璃模具研究及应用现状

蠕墨铸铁材料最初是由1965年美国的J.W.Estes和R.Schneidenwind提出的，并首次用于工程材料的研究。随后奥地利、德、英、美、苏等国进行了大量研究，并将其广泛地应用于工业制造中，如柴油机缸盖、液压阀阀体、钢锭模等等。因其具有良好的机械性能和机加工性能，在某些应用中常用于替换高牌号灰铸铁、可锻铸铁合金铸铁、和一些球墨铸铁。

蠕化率和基体组织是获得蠕虫状石墨组织的两个关键因素。普通铸铁只有很小的蠕化范围内才能形成蠕虫状石墨，一般蠕化剂残留0.01%～0.015%范围内能可以形成稳定的蠕墨铸铁，对于特殊用途的铸件，就必须严格的控制铸件组织的蠕化率，如活塞环的蠕化率就要求高于90%；德国Halberg铸造厂对于壁厚大于3mm的汽缸体用蠕墨铸铁，其蠕化率必须高于95%。

基体组织是影响蠕墨铸铁的性能的关键因素。蠕墨铸铁的基体组织不再是一般的珠光体、铁素体或是二者混合组织，国内在20世纪60年代末就开始在常用蠕墨铸铁的基础上加入常见的合金元素（如铜、铬、钼、钨、硼、钒、钛等）进行合金化处理，以获取更韧性、耐磨性更为优良的基体组织。例如新兴发展的V-Ti-Cu-Cr系和V-Ti-Cu-Mo系蠕墨铸铁，其用于玻璃模具上，使用寿命较灰铸铁提高两倍以上。上世纪90年代，国内对稀土蠕墨铸铁玻璃模具的应用作了详细调查，主要采用混合基体和珠光体基体组织，其具有良好的耐磨性，但其导热性能稍逊，为克服这类组织的弱点，通过表面处理的方式（如喷涂耐磨合金），以增加基体的耐磨性能。杨通等人在上述研究的基础上，对熔炼铁液进行合金化处理，主要是添加铬、钼，为了获得更佳的热物性，添加铝和硅。从而获得了一种机械性能佳、热物性好的蠕墨铸铁玻璃模具材料。国内已有学者研究了用稀土和K、Na复合变质处理所形成的球墨/蠕墨复合铸铁玻璃模具材质的组织、力学性能及高温热物性，并探讨研究了变质剂中元素含量及在材料组织中的存在状态对玻璃模具材料性能的影响。在实际工业装机生产中证明：经复合变质剂处理的材料具有较好的综合性能，及良好的服役性能，对其进行研究具有较高的经济价值。不仅适于玻璃模具行业，还可广泛地应用于冶金，塑料和橡胶行业。

四、总结

蠕墨铸铁是很有潜力的玻璃模具材料，由于蠕墨铸铁在高温条件下，其抗氧化性、耐热疲劳性及组织稳定性均优于普通灰铸铁及低合金铸铁，在玻璃模具行业中的应用越来越受到关注。但仍需解决的问题还有很多，如降低生产成本、提高其服役性能、进一步提高玻璃制品的光洁度等，在生产中仍需不断改进铸造工艺获取更高服役性能，更为经济的蠕墨铸铁材料。

参考文献：

[1]王唬，张兆云，彭贵良等.玻璃模具用Ti-V-Cu-Cr蠕墨铸铁的研制.玻璃与搪瓷，1994，11（4）：9-16.

[2]王琥，涨兆云.稀土蠕墨铸铁玻璃瓶模具在我国的应用概况[J].铸造，1990，12：1-4.

（作者单位：中国重汽济南铸锻中心）

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