高碳当量高强度低应力玻璃模具材料及其制备方法技术

一种高碳当量高强度低应力玻璃模具材料及其制备方法，步骤：先向熔炼炉内加入废钢、碳化硅和增碳剂，再加入生铁，待生铁熔化后加入回炉料，待回炉料熔化后加入硅铁、锰铁、钼铁、铬铁、钒铁、电解铜、电解镍、钛铁，直至全部熔化后进行扒渣，保温过热处理，得到待浇注熔液；将待浇注熔液浇注到树脂砂单箱无冒口铸型中，浇注之前，在铸型上面加盖冷铁泥芯且向浇道中加入孕育剂，静置，撤去冷铁泥芯，得到待退火模坯；将待退火模坯投入热处理炉进行高温石墨化退火，得到毛坯；先对毛坯进行热喷涂及粗加工，而后引入退火炉进行去应力退火，得到高碳当量高强度低应力玻璃模具材料。保证了材料的强度、硬度，也使材料能够获得更低的铸造应力。

High carbon equivalent high strength and low stress glass mould material and preparation method thereof

A high carbon equivalent high strength low stress glass mold material and its preparation method. Step: first add scrap steel, silicon carbide and carburizing agent into the melting furnace and add pig iron, then add the return feed after melting the raw iron, and then add ferrosilicon, ferromanganese, molybdenum iron, ferroferrovanadium, ferrovanadium, electrolytic copper, electrolytic nickel and titanium iron after melting the raw iron. After all melting, the slag was carried out, heat treated and heat treated to get the molten liquid to be poured; the molten liquid was poured into a single box without riser mold. Before pouring, a cold iron clay core was added to the mold and inoculants were added to the runner, and the cold iron core was withdrawn and the annealed mould was obtained. The blank is annealed at high temperature by graphitization annealing, and the blank is obtained by hot spraying and coarse processing first, then annealing furnace is introduced to the annealing furnace to obtain high carbon equivalent high strength low stress glass mold material. It ensures the strength and hardness of the material, and enables the material to obtain lower casting stress.

【技术实现步骤摘要】
高碳当量高强度低应力玻璃模具材料及其制备方法
本专利技术属于玻璃模具材料及其制备
，涉及一种高碳当量高强度低应力玻璃模具材料，并且还涉及其制备方法。
技术介绍
玻璃模具既是用于加工玻璃器皿的关键部件，同时也是易耗部件，其质量的优劣对制备玻璃器皿的品质会产生相应的影响。因D型石墨合金灰铸铁和蠕墨铸铁具有良好的抗氧化性及抗热疲劳性能而广泛用作玻璃模具材料。但是，随着玻璃器皿成型机机速的不断提高和玻璃成分的多样化，玻璃模具在使用过程中易出现开裂和氧化而对玻璃制品的生产效率产生影响，尤其是玻璃模具在早期的气眼（也称“气孔”）处的应力开裂始终是困扰玻璃模具用户的因素。因此，改善基体组织、提高基体组织抗氧化和抗热疲劳性能并且降低模具内应力分布对提高玻璃模具品质具有积极的现实意义。目前对玻璃模具材料的探索方向大多围绕材料的强度、硬度、抗氧化等硬性物理指标，通过添加不同的合金元素来满足抗氧化、耐磨性能的要求以及通过喷涂镍基合金进一步强化模具合缝线的性能，虽然表面上提高了材料的各项物理性能，满足了模具合缝线耐磨的要求，但是不同基体材料之间不同的热膨胀系数导致了模具在使用工况下不同的热膨胀量，不同基材之间的相互挤压产生的应力又使模具在高温下发生变形从而导致变形失效。同时由于玻璃模具结构的特殊性，因而需要通过大量的机加工来实现，于是随之带来的不利因素是使模具材料内部应力的显著增加。研究发现模具内腔即模腔气眼处横向裂纹的形成原因是由于基体组织中存在不可避免的碳化物，在反复的受热、冷却过程中碳化物的溶解和析出造成较大的相变应力，相变应力与模具自身内应力以及玻璃液的摩擦应力相叠加，在晶界萌生裂纹并在其应力总和超过其强度时沿枝晶晶界扩展导致最终开裂。因此研究如何降低模具材料的内应力、提高材料的强度、弹性模量对铸铁玻璃模具材料具有重要意义。鉴于前述的D型石墨合金灰铸铁在使用过程中由于各种应力的释放造成的开裂、变形现象十分普遍，成为造成玻璃模具有悖预期使用寿命而提前失效的主要原因。因而进一步激励了人们对如何提高玻璃模具材料强度和弹性模量并同时降低玻璃模具内应力的探索与研究。在公开的中国专利文献中可见诸玻璃模具材料及其制备方法的技术信息，如CN102828103B推荐有“合金灰铸铁玻璃模具及其制备方法”（该专利由本申请人提出），该专利的化学元素组成及其质量%比为：碳3.35-3.55%、硅1.8-2.1%、锰0.5-0.8%、钼0.4-0.8%、钒0.1-0.16%、钛0.15-0.25%、铬0.3-0.6%、硫0.01-0.02%和磷0.03-0.04%，余为铁。由于该专利的材料为铁素体基体，因而存在材料强度低、硬度低、弹性模量低的缺点，导致材料热疲劳强度低，同时由于该专利采用低碳当量的亚共晶灰铸铁路线的技术方案，材料内在应力较大，因此该材料在目前小口压吹的大环境下，材料内在应力容易在上机后释放出来，导致开裂变形失效。又如CN103146988B提供有“高耐热疲劳性合金球墨铸铁玻璃模具材料及其制备方法”，该专利的化学元素组成及其质量%比为：碳3.5-3.7%、硅2.6-2.8%、锰0.1-0.2%、钼0.1-0.3%、镍0.5-0.7%、钛0.01-0.03%、Mg0.04-0.06%、Re0.03-0.05%、P＜0.01%和硫＜0.01%，余为铁，该专利方案通过添加Ni（0.5-0.7%）和Mo（0.1-0.3%）合金元素来提高材料的热疲劳性能，同时采用一种Re-Mg-Ti-Ca的随流球化剂进行球化处理，从而获得耐热疲劳性能和导热性能均衡的玻璃模具材料。但是，作为球墨铸铁材料，球墨铸铁是铸铁中导热性能最差的铸铁材料，并不能满足目前机速越来越高的玻璃制瓶行业对于材料散热的需求；其次，由于球铁属于糊状凝固形态，因而很容易产生缩孔缩松倾向，材料在凝固过程中会产生很大的收缩应力，该应力虽然通过人工时效可以去除一部分，但是并不能够完全消除，且由于玻璃模具结构的千变万化，同样的工艺并不能保证不能模具结构的组织致密无缺陷，同样存在缩孔缩松发生风险，不仅进一步降低了材料的导热性能，同时材料内部会存在较大的收缩应力；再次，由于目前行业内普遍采用热喷涂镍基合金的方法来强化模具的表面性能，相比之下，镍基合金的热膨胀系数很大，而球墨铸铁的热膨胀系数很小，两者在高温下的热膨胀量差距悬殊，因此此类球墨铸铁模具材料在上机后很容易因内部应力过大导致其上机合缝线粗大、变形等情形的失效。再如CN106381442A介绍有“高耐磨D型石墨铁素基体的玻璃模具材料及其制造方法”，该专利申请方案的化学元素组成及其质量%比为：碳3.5-3.6%、硅2-2.1%、锰0.6-0.66%、钛0.18-0.2%、钒0.09-0.1%、钼0.81-0.9%、硫＜0.05%和磷＜0.05%，余为铁，该专利同存CN102828103B的欠缺。该专利申请方案通过控制钛、钒、钼的质量比提高玻璃模具耐腐蚀抗氧化性和耐磨性，同时还具有良好的韧性而不易开裂，断裂强度有所提高而有助于延长玻璃模具使用寿命的长处。通过对该专利说明书的全文的阅读可知：具备良好韧性而不易开裂主要是通过铁素体基体加以体现，高耐磨性主要通过控制钛、钒、钼的比例来体现，对于断裂强度的提高未予述明，在说明书中虽然明确了该铸铁材料基体为铁素体基体，但材料成分中并未包含珠光体稳定元素。众所周知，玻璃模具是一种壁厚较厚的铸件，铁素体基体的灰铸铁材料在壁厚较厚（较大）的情况下材料的强度、硬度相较于含有一定量的珠光体基体的灰铸铁要低很多，而材料的热疲劳强度又与材料的强度成正比；珠光体基体的可抛光性优于铁素体基体，含有一定量的珠光体基体相比于纯铁素体基体的铸铁材料能获得更好的抛光性能，模具内表面能够获得更好的表面光洁度，以满足客户越来越严苛的需求。此外，该CN106381442A在配方中选用3.5-3.6%的碳和2-2.1%的硅是为了保证铁水处于亚共晶状态，碳含量低有利于形成抗氧化性优良的D型石墨，Ti的作用是进一步确保D型石墨的形成，使得铸铁中石墨以D型石墨分布为主，同时因为形成了D型石墨促使石墨周围的基体以铁素体为主。该专利申请方案为了获得D型石墨，通过降低含碳当量，使材料处于亚共晶状态。如业界所知，共晶点的材料成分下，铁水具有最好的流动性，能够获得最致密的铸件，铸态下材料具有最低的内应力，而该专利申请方案却与此相反，重蹈了我国机床铸件采用低碳当量获得高强度铸件的老路。因为虽然低碳当量的亚共晶铁水成分能够容易获得D型石墨，但是过低的碳当量容易造成奥氏体枝晶数量的增加，过多的奥氏体枝晶数量会影响阻碍铁水的补缩效果，造成材料内部存在较大的收缩应力，在模具使用一段时间后，模具材料内部应力的释放将导致模具变形、开裂等形式的失效；同时其基体为全铁素体基体，材料的疲劳强度得不到保证，也容易引起模具的早期疲劳失效。在目前行业普遍采用小口压吹制瓶技术的大环境下，作为玻璃模具，对于材料的耐磨性、强度、表面光洁度有了更高的要求，目前普遍采用的铁素体基体灰铸铁材料在材料强度不足、硬度低、表面光洁度差等因素下很容易在短期的使用后出现耐磨性能显著减退、开裂以及表面光洁度差等，从而导致在合理使用寿命尚未达到之前失效，一方面造成资源浪费，另一方面导致本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高碳当量高强度低应力玻璃模具材料，其特征在于其化学元素组成及其质量%为：3.61‑3.8%的碳、1.9‑2.2%的硅、0.5‑0.75%的锰、0.14‑0.25%的钛、0.09‑0.16%的钒、0.45‑0.85%的钼、0.4‑1.2%的铜、0.8‑1.5%的镍、0.25‑0.55%的铬、＜0.05%的硫和＜0.05%的磷，余为铁。

【技术特征摘要】
1.一种高碳当量高强度低应力玻璃模具材料，其特征在于其化学元素组成及其质量%为：3.61-3.8%的碳、1.9-2.2%的硅、0.5-0.75%的锰、0.14-0.25%的钛、0.09-0.16%的钒、0.45-0.85%的钼、0.4-1.2%的铜、0.8-1.5%的镍、0.25-0.55%的铬、＜0.05%的硫和＜0.05%的磷，余为铁。2.根据权利要求1所述的一种高碳当量高强度低应力玻璃模具材料，其特征在于其化学元素组成及其质量%为：3.61%的碳、2.2%的硅、0.5%的锰、0.18%的钛、0.12%的钒、0.45%的钼、0.8%的铜、1%的镍、0.4%的铬、0.03%的硫和0.02%的磷，余为铁。3.根据权利要求1所述的一种高碳当量高强度低应力玻璃模具材料，其特征在于其化学元素组成及其质量%为：3.7%的碳、1.9%的硅、0.75%的锰、0.25%的钛、0.09%的钒、0.85%的钼、1.2%的铜、0.8%的镍、0.55%的铬、0.02%的硫和0.03%的磷，余为铁。4.根据权利要求1所述的一种高碳当量高强度低应力玻璃模具材料，其特征在于其化学元素组成及其质量%为：3.8%的碳、2.05%的硅、0.14%的钛、0.65%的锰、0.16%的钒、0.65%的钼、0.4%的铜、1.5%的镍、0.55%的铬、0.025%的硫和0.025%的磷，余为铁。5.一种如权利要求1所述的高碳当量高强度低应力玻璃模具材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：A)熔炼，先向熔炼炉内加入废钢、碳化硅和增碳剂，再加入生铁，待生铁熔化后加入回炉料，并且控制加入的生铁的重量百分比，待回炉料熔化后加入硅铁、锰铁、钼铁、铬铁、钒铁、电解铜、电解镍、钛铁，直至全部熔化后进行扒渣，待铁水温度达到1520-1550℃进行保温过热处理，在保温过热处理的同时对铁水化学元素进行取样分析并且调整铁水化学元素的质量%含量，而后出炉进行随炉孕育处理，得到待浇注熔液；B）浇注，将由步骤A）得到的待浇注熔液浇注到树脂砂单箱无冒口铸型中，浇注之前，在铸型上面加盖用于成型出玻璃模具的内腔的冷铁泥芯并且向浇道中加入旨在进行二次孕育的孕育剂，浇注完成后静置，撤去冷铁泥芯，得到待退火模坯；C）退火，将由步骤B）得的待退火模坯投...

【专利技术属性】
技术研发人员：戈剑鸣，
申请(专利权)人：苏州东方模具科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32