蠕墨鑄鐵玻璃模具材料發(fā)展前景探析

摘 要 蠕墨鑄鐵作為一種新型的玻璃模具材料，具有良好的機械性能及較好的高溫抗熱疲勞、抗氧化、抗組織生長、導熱等性能，正廣泛用于玻璃模具制造中，蠕墨鑄鐵玻璃模具材料，以稀土作蠕化劑，并加入微量合金元素，經(jīng)過相應的處理熔煉出的蠕墨鑄鐵，具有良好的抗氧化性和耐磨性。其使用壽命比通常使用的合金灰鑄鐵模具有大大的進步。

關鍵詞 蠕墨鑄鐵玻璃模具 材料 發(fā)展

一、前言

玻璃制品在工業(yè)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，模具質(zhì)量的好壞直接影響玻璃的使用壽命。優(yōu)質(zhì)的玻璃模具除應具有良好機械性能之外，還要具備良好的抗熱疲勞、氧化、導熱性能。由于鑄鐵材料具有鑄造工藝性能優(yōu)良、價格低廉、技術設備要求低等優(yōu)點，是國內(nèi)常用的玻璃模具材料。國內(nèi)普遍采用的灰鑄鐵，使用壽命一般為7～10萬次/模，隨著對玻璃制品質(zhì)量要求的增高，成型機速的不斷的提高，要求模具材料具有更長的服役壽命，故而常用的灰鑄鐵材料已經(jīng)難以滿足玻璃模具服役性能的要求。蠕墨鑄鐵作為一種新型的玻璃模具材料，其具有良好的機械性能及更好的高溫抗熱疲勞、抗氧化、抗組織生長及導熱性能等。因此，對蠕墨鑄鐵玻璃模具材料的研究越來越受到人們的重視。

二、蠕墨鑄鐵玻璃模具材料的優(yōu)點

蠕墨鑄鐵的石墨組織形態(tài)介于片狀石墨鑄鐵和球狀石墨鑄鐵之間，在共晶團內(nèi)部區(qū)域，石墨如灰鑄鐵一樣分開并相互連接，只是基體中石墨沒有了像片狀石墨一樣的尖銳末端，石墨顯得短、粗、端部圓鈍。正由于這樣的結(jié)構(gòu)，與灰鑄鐵相比，其導熱性并沒有明顯下降，但其機械性能卻增強很大，具有良好的抗熱疲勞性能；另外，由于其石墨形態(tài)的結(jié)構(gòu)，組織的抗氧化能力，抗生長能力明顯要比片狀石墨灰鑄鐵強。這主要從不同石墨形態(tài)的氧化機制上來分析，灰鑄鐵是塊片狀或者是層片狀結(jié)構(gòu)，由于石墨之間是相互接觸并相互連通，在高溫條件下，組織中石墨主要以直接氧化為主；球墨鑄鐵組織中的石墨呈孤立球狀分布，氧離子從石墨與基體的界面處擴散到石墨球中，孤立的球狀石墨被逐個氧化；而蠕墨鑄鐵中基體中的石墨組織介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，故其氧化速率也介于兩者之間。由于球墨鑄鐵的石墨呈孤立球狀分布，導致其散熱性差。在球墨鑄鐵玻璃模具型腔中，玻璃凝固硬化時間變長，致使開模時間延長，生產(chǎn)效率降低，故不宜采用；蠕墨鑄鐵中石墨組織的特殊結(jié)構(gòu)，使其抗氧化性，導熱性優(yōu)于球墨鑄鐵。綜合考慮，將耐熱性與導熱性結(jié)合起來，形成石墨組織的梯度變化，以滿足玻璃模具不同部位對材料組織的要求。模具內(nèi)腔表面長期與高溫的熔融玻璃液接觸，因此造型時在模具內(nèi)腔處添加冷鐵，使模具澆注凝固時，模腔內(nèi)腔表面激冷，形成球狀石墨，中間部位形成蠕蟲狀石墨，外部區(qū)域形成片狀石墨組織以利于散熱。這樣一個石墨組織的梯度變化，將耐熱性與導熱性結(jié)合起來，提高了玻璃模具的抗氧化性及使用壽命。

三、蠕墨鑄鐵玻璃模具研究及應用現(xiàn)狀

蠕墨鑄鐵材料最初是由1965年美國的J.W.Estes和R.Schneidenwind提出的，并首次用于工程材料的研究。隨后奧地利、德、英、美、蘇等國進行了大量研究，并將其廣泛地應用于工業(yè)制造中，如柴油機缸蓋、液壓閥閥體、鋼錠模等等。因其具有良好的機械性能和機加工性能，在某些應用中常用于替換高牌號灰鑄鐵、可鍛鑄鐵合金鑄鐵、和一些球墨鑄鐵。

蠕化率和基體組織是獲得蠕蟲狀石墨組織的兩個關鍵因素。普通鑄鐵只有很小的蠕化范圍內(nèi)才能形成蠕蟲狀石墨，一般蠕化劑殘留0.01%～0.015%范圍內(nèi)能可以形成穩(wěn)定的蠕墨鑄鐵，對于特殊用途的鑄件，就必須嚴格的控制鑄件組織的蠕化率，如活塞環(huán)的蠕化率就要求高于90%；德國Halberg鑄造廠對于壁厚大于3mm的汽缸體用蠕墨鑄鐵，其蠕化率必須高于95%。

基體組織是影響蠕墨鑄鐵的性能的關鍵因素。蠕墨鑄鐵的基體組織不再是一般的珠光體、鐵素體或是二者混合組織，國內(nèi)在20世紀60年代末就開始在常用蠕墨鑄鐵的基礎上加入常見的合金元素（如銅、鉻、鉬、鎢、硼、釩、鈦等）進行合金化處理，以獲取更韌性、耐磨性更為優(yōu)良的基體組織。例如新興發(fā)展的V-Ti-Cu-Cr系和V-Ti-Cu-Mo系蠕墨鑄鐵，其用于玻璃模具上，使用壽命較灰鑄鐵提高兩倍以上。上世紀90年代，國內(nèi)對稀土蠕墨鑄鐵玻璃模具的應用作了詳細調(diào)查，主要采用混合基體和珠光體基體組織，其具有良好的耐磨性，但其導熱性能稍遜，為克服這類組織的弱點，通過表面處理的方式（如噴涂耐磨合金），以增加基體的耐磨性能。楊通等人在上述研究的基礎上，對熔煉鐵液進行合金化處理，主要是添加鉻、鉬，為了獲得更佳的熱物性，添加鋁和硅。從而獲得了一種機械性能佳、熱物性好的蠕墨鑄鐵玻璃模具材料。國內(nèi)已有學者研究了用稀土和K、Na復合變質(zhì)處理所形成的球墨/蠕墨復合鑄鐵玻璃模具材質(zhì)的組織、力學性能及高溫熱物性，并探討研究了變質(zhì)劑中元素含量及在材料組織中的存在狀態(tài)對玻璃模具材料性能的影響。在實際工業(yè)裝機生產(chǎn)中證明：經(jīng)復合變質(zhì)劑處理的材料具有較好的綜合性能，及良好的服役性能，對其進行研究具有較高的經(jīng)濟價值。不僅適于玻璃模具行業(yè)，還可廣泛地應用于冶金，塑料和橡膠行業(yè)。

四、總結(jié)

蠕墨鑄鐵是很有潛力的玻璃模具材料，由于蠕墨鑄鐵在高溫條件下，其抗氧化性、耐熱疲勞性及組織穩(wěn)定性均優(yōu)于普通灰鑄鐵及低合金鑄鐵，在玻璃模具行業(yè)中的應用越來越受到關注。但仍需解決的問題還有很多，如降低生產(chǎn)成本、提高其服役性能、進一步提高玻璃制品的光潔度等，在生產(chǎn)中仍需不斷改進鑄造工藝獲取更高服役性能，更為經(jīng)濟的蠕墨鑄鐵材料。

參考文獻：

[1]王唬，張兆云，彭貴良等.玻璃模具用Ti-V-Cu-Cr蠕墨鑄鐵的研制.玻璃與搪瓷，1994，11（4）：9-16.

[2]王琥，漲兆云.稀土蠕墨鑄鐵玻璃瓶模具在我國的應用概況[J].鑄造，1990，12：1-4.

（作者單位：中國重汽濟南鑄鍛中心）