合金蠕墨铸铁玻璃模具材料及其制备方法技术

一种合金蠕墨铸铁玻璃模具材料及其制备方法，属于玻璃模具制造领域。其化学元素组成及其质量百分数为：3.5-3.6%的碳，2.9-3.0%的硅，0.4-0.5%的锰，0.4-0.5%的钼，<0.15%的钒，<0.10%的钛，0.3-0.4%的铬，0.4-0.5%的镍，<0.05%的磷，<0.03%的硫，其余为铁。优点：由于金属元素的选择及质量百分数选择合理，因而有利于节约贵金属材料并且减少使用贵金属元素的种类；由于所选择的合金元素具有良好的固溶强化作用，因此有益于增强铁素在高温环境下的强度而藉以延长玻璃模具的使用寿命；提供的制备方法有益于第二相碳化物弥散分布于晶界，使晶界强化并提高蠕变强度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
玻璃模具是生产玻璃制品的主要装备，其频繁的与600°C -1100°C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°C之前，发生基体铁的氧化反应，而在700°C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I):铸铁的氧化分为基体铁的氧化和石墨的氧化。在700°c之前，只发生基体铁的氧化，不发生石墨的氧化，而在700°C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+4C02=Fe304+4C03Fe+2C02=Fe304+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。对于石墨的抗氧化主要是通过改变石墨形态和减少石墨数量来实现。灰铸铁中的石墨成片状分布，在共晶团内连在一起、共晶团也基本连接，它成为氧进入金属内部的通道，故氧化速速很快。由于球墨铸铁的石墨是孤立的，故没有这样的通道，氧化速度明显下降。蠕墨铸铁的石墨在共晶团内连在一起，但是共晶团互不相连，故它的氧化速度介于灰铸铁和球墨铸铁之间，且接近于后者。D型石墨铸铁是最近发展起来的一种新型玻璃模具材料，且以成为主流玻璃模具材料。D型石墨属于片状石墨的一种，它是在奥氏体树枝晶间结晶形成，并且奥氏体发达的枝晶阻碍了其长大，奥氏体的连续性割裂了石墨片的连续性，且D型石墨与基体间的间隙比其他片状石墨与基体间的间隙小。D型石墨组织中的初生奥氏体具有骨架结构，而共晶奥氏体又像网络一样把初生奥氏体的各个枝干连接在一起，提高了骨架抵抗外力的能力。再加上D型石墨细小、弯曲、端部较钝的形状，决定了它对基体的割裂作用小，不易引起较大的应力集中，所以D型石墨铸铁具有较高的强度，最重要的是D型石墨由于石墨较细小，氧化速度也较常规的A型石墨大大降低，提高了材料的抗氧化性能。D型石墨铸铁由于具有比A型石墨铸铁更高的强度，更好的抗氧化和耐磨性能，正越来越受到玻璃模具行业的重视。蠕墨铸铁作为单独的一种铸铁材料分类也是最近几十年的事情，由于其兼具有球墨铸铁的强度、抗氧化性能、一定的延伸率，又具有灰铸铁优良的铸造性能，目前正越来越受到人们的赏识，已成为发动机壳体，汽车排气管的主要材料。在玻璃模具领域，蠕墨铸铁也是一种新型材料，太原理工大学的张金山、许春香利用K-Na变质剂专利技术的玻璃模具用球墨/蠕墨复合铸铁，已成为玻璃模具用材料的一个典型。其成功的利用了不同形状石墨的主要特点，既发挥了球状石墨的抗氧化性能，又利用了蠕虫状石墨的散热性能，做到了物尽其用。2):铸铁的生长主要是指铸铁在高温下发生的由于化学冶金变化产生的体积或尺寸长大，而在冷却后仍然保留的不可逆膨胀，通常伴随着化学(如氧化)和冶金变化(如相变)。铸铁的生长过程取决于温度、组织和化学成分。通过添加合金元素Si、Cr、Mo、Ni、V和Sn等合金元素来防止铸铁氧化生长，合金Si、Cr、Mo、V元素的加入能够能够使A3点上移，使模具在使用温度范围内不发生相变，同时合金元素形成的氧化膜能够阻止氧进一步对基体发生氧化。B:导热性能 热导率是表征材料传播温度变化能力大小的物理量。在实际的生产过程中，玻璃液滴进玻璃模具内腔的温度大约为1100°c，冷却到780°C以下从模具中取出。为此模具应尽快地降低到所要求的温度，以提高生产速度、适应成型机急速的要求，因为模具传出的热量的能力非常重要。铸铁中主要起导热作用的是石墨，石墨的导热能力是基体的几十倍，且片状石墨的导热性能大于蠕虫状石墨大于球状石墨，所以为了生产出内腔抗氧化性能好的外圆散热性能好的玻璃模具材料，研制出了梯形石墨的玻璃模具材料，主要表现为a)由内腔的球状石墨逐渐过渡到外圆的片状石墨，发挥玻璃模具各部分的作用；b)由内腔细密的D型石墨逐渐向外圆过渡为粗大的片状A型石墨。其次，基体的导热能力的优劣也关系到整体材料的导热能力。研究表明，铁素体基体的导热能力大于珠光体基体的导热能力，同时单一铁素体基体也能够保证材料在使用过程中不发生相变产生的不可逆的生长。目前主要通过高温石墨化退火来获得全铁素体基体。C :热疲劳性能 铸铁的热疲劳性能是表征材料在热循环条件下抵抗裂纹产生的能力。其不仅与材料的热传导、比热容等热学性质有关，而且还与材料的弹性模量、屈服强度、蠕变强度等力学性能，以及密度、几何因本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种合金蠕墨铸铁玻璃模具材料，其特征在于其化学元素组成及其质量%为：3.5？3.6%的碳，2.9？3.0%的硅，0.4？0.5%的锰，0.4？0.5%的钼，<0.15%的钒，<0.10%的钛，0.3？0.4%的铬，0.4？0.5%的镍，<0.05%的磷，<0.03%的硫，其余为铁。

【技术特征摘要】

【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：