灰鑄鐵玻璃瓶模具瓶頸開裂分析

劉成亮

（山西省忻州市市場監(jiān)管綜合行政執(zhí)法隊，山西忻州 034000）

1 生產(chǎn)狀況

玻璃瓶模具與高溫玻璃液直接接觸，玻璃的入模溫度在900 ℃～1 100 ℃，出模溫度在500 ℃～600 ℃左右，模具服役環(huán)境較為惡劣，這批玻璃瓶模具為低合金灰鑄鐵，要求不得有鑄造缺陷，特別不能有裂紋、縮孔缺陷。通常玻璃模具制造過程為：砂型造型及鐵液熔煉→澆注→落砂→去澆冒口→熱處理→粗加工→合金噴焊合縫線→精加工等工序。2021 年某模具生產(chǎn)企業(yè)在一批低合金灰鑄鐵模具精加工過程中發(fā)現(xiàn)多個模具頸部出現(xiàn)裂紋，且以扁平型模具概率為多。裂紋形態(tài)如圖1 所示。對模具進行解剖試驗，以探明裂紋性質(zhì)及產(chǎn)生原因。

2 試驗分析

對出現(xiàn)裂紋的模具進行解剖，然后進行化學成分、硬度、金相組織分析。

2.1 化學成分

玻璃瓶模具化學成分檢測結(jié)果見表1.結(jié)果表明，所測玻璃瓶模具中Si 質(zhì)量分數(shù)超標準要求，其他化學元素成分都在要求范圍。

表1 玻璃瓶模具化學成分檢測結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)，%）

2.2 硬度

用HBW 10/3000 硬度儀在模具表面10 mm 處打硬度，測試結(jié)果見表2.結(jié)果表明，所測模具硬度值在要求范圍內(nèi)。排除了由于硬度過高而產(chǎn)生裂紋的可能。

表2 HBW 硬度測試結(jié)果

2.3 宏觀裂紋分析

所測玻璃模具瓶口處已噴焊且瓶頸處已機加工，從圖1 a）、b）可以明顯看到有兩條裂紋在模具的瓶頸處，圓周分布在約45°與135°兩方向。裂紋長度約16 mm，從距瓶口約10 mm 處，一直延伸至瓶頸處。裂紋處解剖取樣見圖1c）.

用體式顯微鏡觀察，兩條裂紋形態(tài)基本相同，斷續(xù)、曲折、寬窄不一，見圖1d）.

圖1 裂紋宏觀形貌

2.4 金相分析

2.4.1 基體組織及噴焊層

對玻璃模具基體組織及噴焊層進行金相分析，結(jié)果見圖2.圖2a）表明基體組織中石墨形態(tài)分布及尺寸為ⅠD7，為無方向性枝晶點狀石墨。經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后觀察，發(fā)現(xiàn)基體組織中除石墨外，組織為鐵素體+極少量珠光體，珠光體數(shù)量約1%，珠光體形態(tài)大多數(shù)不為片狀，成點狀珠光體形態(tài)聚集。同時發(fā)現(xiàn)有較多大尺寸鉬鐵相顆粒分布在鐵素體基體上。圖2c）、2d）表明噴焊層熔合良好，未見明顯缺陷。

圖2 金相組織

2.4.2 裂紋分析

從試樣垂直裂紋中部剖開，垂直瓶頸方向磨拋試樣，采用金相顯微鏡觀察裂紋形態(tài)。裂紋宏觀位置見圖3.

圖3 微觀觀察裂紋位置

拋光狀態(tài)下觀察裂紋狀態(tài)，圖4 為裂紋1 的組織形貌，裂紋1 深度約2 mm，裂紋內(nèi)腔表面處較寬，里面略細，斷續(xù)曲折分布，裂紋旁未見夾渣、鑄造疏松等其他冶金缺陷。圖4b 表明，裂紋附近亞共晶成分的鐵液優(yōu)先析出的奧氏體枝晶方向性排布明顯，裂紋位于兩粗大奧氏體枝晶間，沿晶分布。裂紋內(nèi)壁局部呈空洞，局部氧化物填充明顯，見圖4c）.裂紋尖端分叉，同樣為氧化物填充，見圖4d）.裂紋旁組織與基體組織相同，除無方向性枝晶點狀石墨外，組織為鐵素體+極少量珠光體，高倍數(shù)下裂紋旁氧化物更清晰，見圖4e）、4f）.

圖4 裂紋1

圖5 為裂紋2 形貌，深度約2 mm，形態(tài)與裂紋1 相同，見圖5a）、5b）.熱裂紋斷續(xù)形態(tài)更加明顯，見圖5c）.尖端氧化特征見圖5d）.

圖5 裂紋金相組織

從裂紋形貌看，裂紋短、形狀曲折、縫隙寬、斷面有嚴重氧化、無金屬光澤、裂紋沿晶界產(chǎn)生和發(fā)展等特征，裂紋屬典型熱裂紋形態(tài)。

3 結(jié)果分析

3.1 材料方面

化學成分檢測，Si 含量超過標準要求上限。通常，Si 含量增加，熱裂傾向是降低的。分析認為，可以排除Si 元素含量超標誘發(fā)熱裂紋的影響。石墨形態(tài)、分布、大小及硬度值均在合格范圍內(nèi)。

3.2 鑄造紋方面

玻璃模具瓶頸處裂紋性質(zhì)為鑄造熱裂紋。熱裂是在凝固后期高溫下形成的，熱裂紋形成系鑄造工藝不當或工藝執(zhí)行過程不當造成，其根本形成原因主要與鑄件的凝固方式和凝固時期的鑄件熱應力和收縮應力兩方面有關。

熱裂紋產(chǎn)生于金屬液凝固末期的溫度范圍內(nèi)，上限是線收縮開始的溫度，下限是略高于合金材料的實際固相線溫度。亞共晶灰鑄鐵雖然屬糊狀、海綿網(wǎng)絡凝固方式合金，因凝固時期有共晶膨脹現(xiàn)象，反而不易產(chǎn)生熱裂。但是，當共晶膨脹壓力造成固相凝固外殼中有拉應力情況下，則也會產(chǎn)生熱裂。

熱裂形成于鑄件的凝固時期，但并不意味著鑄件凝固時必然會產(chǎn)生熱裂。這主要取決于鑄件凝固時期的熱應力和收縮應力。外部阻礙因素造成的收縮應力，則是鑄件產(chǎn)生外熱裂的主要條件。

3.3 其他方面

熱裂紋在噴焊工藝之前已經(jīng)形成，可以確定，噴焊工藝與熱裂紋產(chǎn)生無直接聯(lián)系，僅是后期機加工時裂紋清晰暴露在表面才被發(fā)現(xiàn)。

4 結(jié)論及建議

玻璃瓶模具瓶頸處裂紋為鑄造熱裂紋，形成原因系鑄造工藝不當，冷卻時收縮應力過大所致。針對此裂紋，提出幾點建議：

1）熱裂紋表面因被機加工去除掉，無法確定系表面開裂，還是次表面開裂。建議：在毛坯早期針對瓶頸處目檢或超聲波探傷，盡早檢出含裂紋模具并判廢，以免流入后續(xù)噴焊工序，造成浪費。

2）目前扁平型模具出現(xiàn)熱裂紋概率高。宏觀結(jié)構(gòu)分析，可知鑄件瓶頸處較厚，瓶身處較薄，因此瓶頸處冷卻速度較其他部位慢。建議：調(diào)整鑄造過程鑄件冷卻工藝，盡可能實現(xiàn)均衡凝固，以降低收縮應力。

3）從金相組織分析可知，組織有較大鉬鐵顆粒，通常系鐵水冶煉過程中鉬粉加人后熔解時間不足，或鉬粉顆粒粗大未熔解完全所致。建議關注爐料鉬鐵熔解方面是否均勻，原始鉬鐵顆粒是否粗大。