[发明专利]合金蠕墨铸铁玻璃模具材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于玻璃模具制造领域，具体涉及一种合金蠕墨铸铁玻璃模具材料，并且还涉及其制备方法。

背景技术

玻璃模具是生产玻璃制品的主要装备，其频繁的与600℃-1100℃的高温玻璃液接触，承受着氧化、生长、热交换、热疲劳等作用，同时由于频繁的开模合模，因此要求模具的接触面具有优异的耐磨损性能。具体而言，要求玻璃模具内腔表面具有良好的耐高温、耐磨性能、抗氧化性能和耐蚀性能而藉以延长使用寿命；要求玻璃模具的外圆具有优异的散热性能，以理想地适应高速生产需求。

目前玻璃模具的材料主要是以含Cr、Ni、Mo、V和Ti的D型石墨灰铸铁、蠕墨铸铁或球铁（小型模具）为主，这些材料在使用过程中普遍存在性能不稳定性例如随着时间的延续（推移）而逐渐出现性能的衰退，影响模具使用寿命。所谓的性能衰退的表现形式主要有并不限于的以下四个方面：其一，在高温下，通常会发生氧化和生长。在700℃之前，发生基体铁的氧化反应，而在700℃之后，石墨和基体铁都发生急剧的氧化反应，且石墨片越粗大，氧化越严重。在模具的反复使用中，由于材料频繁地通过铁素体和奥氏体转变区域，因此石墨频繁地融入奥氏体，但是析出时却不从原来融入奥氏体的区域析出，于是造成材料中存在孔洞，以及材料的生长；其二，由于石墨对铸铁基体组织起到非常明显的割裂作用，并且头部越尖锐，割裂作用越明显，因此在交变温度循环下，成为基体的裂纹源，影响玻璃模具的服役周期；其三，基体中残余的初生碳化物在模具使用过程中发生石墨化转变，分解成铁素体和石墨，导致模具变形生长，同时在模具使用过程中，铁素体基体容易磨损，导致铁素体基体上残余的硬质相的共晶碳化物容易产生剥落现象，于是在铁素体磨损的情况下，剥落的初生大型共晶碳化物颗粒会成为磨粒磨损的颗粒，使打出（成形出）的瓶子表面出现橘皮现象，同时在晶界析出的大块状碳化物容易引起脆性，造成脱落，并且以杂质的形式成为材料中的显微裂纹源，于是在较大的热应力下会加速裂纹源的扩展，最终导致开裂；其四，高温下晶界强度不足引起的沿晶开裂。在常温下，晶界强度大于晶粒强度，对于比较细小的晶粒，由于晶粒细小晶界多就可以增强材料强度，从而抵抗裂纹源的产生，但是在高温下，尤其是玻璃模具的工作温度往往都超过材料的等强温度，随着温度的提高，晶界和晶粒的强度都急剧下降，且晶界的强度下降幅度超过晶粒的强度下降幅度，当超过等强温度时，晶界强度低于晶粒强度，意味着材料在高温时粗大晶粒的材料强度比细小晶粒的强度高，位错容易在晶界滑动，产生裂纹源，随着应力的继续扩大，裂纹源就会失稳扩展，最终导致材料的沿晶开裂。

目前国内外铸铁玻璃模具材料主要研究方向主要在以下三个方面：

根据玻璃模具的服役条件和失效分析以及实际生产的要求，对模具材料的主要要求是抗氧化、抗生长以及热疲劳抗力等性能。

A:抗氧化和抗生长性能

1）：铸铁的氧化分为基体铁的氧化和石墨的氧化。在700℃之前，只发生基体铁的氧化，不发生石墨的氧化，而在700℃之后，基体和石墨都要发生氧化，主要是石墨的氧化，石墨氧化后生成CO₂和CO，它们将与铁产生反应：

3Fe+4CO₂=Fe₃O₄+4CO

3Fe+2CO₂=Fe₃O₄+2C

这两个反应能够共同促进铸铁的氧化，同时石墨氧化以后留下的空间，加速了氧化性气体向铸铁内部的渗入，发生内部氧化。

通常在玻璃模具材料中加入Cr、Si和Al来提高基体铁的抗氧化性能。首先这些元素在铁中有足够的溶解度；其次Cr、Si、Al能够先于基体铁与氧反应产生一层足够覆盖表面的致密的氧化薄膜隔绝氧与铁的接触；再次这种合金元素的薄膜结构致密、电阻大、金属离子和氧离子都不易通过它扩散。