CN101942619B

CN101942619B - 合金铸铁玻璃模具材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101942619B
Application number: CN 201010287905
Authority: CN
Inventors: 陈铭法; 马建华; 苏秋君; 方朝辉
Original assignee: CHANGSHU JIANHUA MOULD TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: CHANGSHU JIANHUA MOULD TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2030-09-21
Also published as: CN101942619A

Abstract

一种合金铸铁玻璃模具材料及其制备方法，属于玻璃模具材料技术领域。其化学组成成分及质量百分比为：3.49-3.65％的碳、1.9-2.1％的硅、1-1.3％的镍、0.5-0.7％的锰、＜0.16％的硫、＜0.3％的磷、＜0.08％的钛、0.36-0.5％的钼、0.36-0.6％的铬、＜0.05％的钒、＜1％的铜和＜0.02％的铼，其余为铁。本技术方案由于化学元素及量选择合理，能使合金铸铁具有理想的抗氧化、细化奥氏体晶粒、散热性和抗疲劳性，并且能为形成D型石墨创造条件而使散热性得以提高；提供的制备方法能确保D型石墨的形成而保障散热性，并且能使金属元素以均匀分布的状态固溶到基体内部而藉以避免返回基体外形成合金碳化物，确保模具的可加工性能。

Description

合金铸铁玻璃模具材料及其制备方法

技术领域

本发明属于玻璃模具材料技术领域，具体涉及一种合金铸铁玻璃模具材料，并且还涉及合金铸铁玻璃模具材料的制备方法。

背景技术

如业界所知之理，因铸铁具有优异的可加工性能，理想的散热性、抗氧化性和耐磨性等综合性能而被认为当今乃至在可以预见的将来始终是玻璃模具的首选材料，又因铸铁的并不限于上面所列举的优异性能还会随着合理加入的金属元素的种类、加入量和精湛的铸造工艺而得以进一步增加和提升。鉴此，业内人士特别是领域内的技术人员始终在不懈地探索综合性能更为卓越的合金铸铁玻璃模具材料。对此可以由并不限于的以下专利文献为证：文献A).CN101555566A推荐了一种合金铸铁玻璃模具材料，该材料具有理想的抗氧化、抗生长和抗热疲劳性能并且成本低廉的长处(见说明书第2页第2至第9行)，方案提供的化学组成成份及质量百分比为：C3.0-3.8％、Si1.9-3.0％、Mn0.2-1％、S＜0.035％、P＜0.05％、Ti0.08-0.25％和Cr0.08-0.4％，其余为铁，文献B).CN85108041A介绍了玻璃模具材料，化学组成成分及质量百分比为：C3.3-3.8％、Si1.5-2％、Mn0.5-0.9％、S0.05-0.03％、P0.005-0.1％、Mo0.2-0.7％、Cr0.2-0.7％、Cu0.7-1.5％和Mg0.003-0.01％，该方案提供的铸铁具有抗高温氧化、抗生长和抗磨损以及导热性能好、强度和硬度适宜的长处。

上述文献A)能使玻璃模具的使用寿命提高到60-70万次，文献B)为50万次。其中：文献A)的材料制成的玻璃模具的金相组织表现为蠕虫状石墨和环状石墨的复合形态；文献B)的材料制成的模具的金相组织为蠕虫状石墨到片状石墨过渡型分布形态。但是，如业界所知之理，石墨在玻璃模具基体中相当于散热的管道，然而由于蠕虫状和球状石墨的复合形态石墨团往往表现为彼此隔离，热量难以快速传递而散发，因此散热性能并不能表现出令人满意的程度。虽然文献A)的材料制成的玻璃模具的使用寿命可达60-70万次，但作为玻璃制品生产厂商而言虽不能要求玻璃模具的使用寿命永无止境，但越长越好系其合理要求。毫无疑问，玻璃模具的使用寿命与玻璃模具材料的散热性密切相关，鉴此，人们始终不懈地进行着探索。

人们之所以将D型石墨视为合金铸铁玻璃模具中的最佳的石墨形态，是因为石墨整体成片状，端部和边缘呈圆钝态，首尾相连且细小而分布广泛，作为玻璃模具基体材料具有良好的散热性，并且较其它铸铁而言有助于减小对基体的割裂作用。为此，人们在不断致力于探索得以形成石墨形态的铸造工艺，同时在铸造过程中添加合金元素通过固溶强化来提高基体强度。但是，当基体内的金属固溶量达到一定的饱和程度后便进入一个动态平衡阶段，纵使再加入过量金属元素也无法固溶到基体内部，这部分金属元素在基体外部形成合金碳化物，而合金碳化物会在基体内部形成分布不均的硬质点，不仅对加工带来困难，而且还影响玻璃制品的成型外观。所以，不少玻璃模具材料在达到一定的硬度后便很难再使硬度向更高的层次提升，

鉴上，如何使合金铸铁玻璃模具材料稳定形成D型石墨并且在基体固溶量达到一定的饱和量后如何继而提高硬度成为了业界关注的并且亟需解决的技术问题。为此，本申请人进行了积极而有效的探索，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的任务在于提供一种既具有理想的抗氧化、细化奥氏体晶粒、散热性和抗热疲劳性能，又有助于为形成D型石墨创造条件而藉以改善散热性的合金铸铁玻璃模具材料。

本发明的还一任务在于提供一种合金铸铁玻璃模具材料的制备方法，该方法既有利于D型石墨的形成而藉以改善散热性，又有助于使加入的金属元素以均匀分布的状态充分固溶到基体内部而藉以避免返回基体外形成合金碳化物而影响模具的可加工性。

本发明的任务是这样来完成的，一种合金铸铁玻璃模具材料，其化学组成成分及质量百分比为：3.49-3.65％的碳、1.9-2.1％的硅、1-1.3％的镍、0.5-0.7％的锰、＜0.16％的硫、＜0.3％的磷、＜0.08％的钛、0.36-0.5％的钼、0.36-0.6％的铬、＜0.05％的钒、＜1％的铜和＜0.02％的铼，其余为铁，所述的制备方法它包括以下步骤：

A)选料，选取铸造新生铁为原料；

B)配料，按质量百分比取铸造新生铁57.38％、回炉料22.1％、废钢16.15％、硅铁0.87％、锰铁0.60％、电解镍0.85％、钼铁0.53％、铬铁0.55％、电解铜0.47％、孕育剂0.43％和稀土混合物0.07％，其中：将钼铁分成A部分和B部分，以及将铬铁也分成A部分和B部分，并且控制A部分和B部分的钼铁及铬铁的颗粒大小；

C)浇包准备，将B部分的钼铁和铬铁均放入第一浇包的底部，再将稀土混合物覆盖在B部分的钼铁与铬铁的表面，将孕育剂置于第二浇包内；

D)熔炼，将铸造新生铁、回炉料、废钢、硅铁、锰铁、镍板、A部分的钼铁和A部分的铬铁投入熔炼炉熔炼，当铁水温度达到温度1480-1560℃时出炉，浇入到第一浇包内，待第一浇包内的铁水停止沸腾后倒入第二浇包内孕育处理，得到待浇铸用铁水，并且对铁水取样化验，控制铁水的化学元素的质量百分比为：3.49-3.65％的碳、1.9-2.1％的硅、1-1.3％的镍、0.5-0.7％的锰、＜0.16％的硫、＜0.3％的磷、＜0.08％的钛、0.36-0.5％的钼、0.36-0.6％的铬、小于1％的铜和＜0.05％的钒；

E)浇铸，将待浇铸用铁水浇入砂型模中，并且对铸件型腔处用激冷铁芯激冷，待30-90min后开模，得到铸型；

F)退火，将铸型投入退火炉退火，控制退火温度和退火时间，出退火炉，得到合金铸铁玻璃模具材料，步骤B)和C)中所述的稀土混合物为铼、硅和铁的混合物，其中：铼的质量百分比为25-35％和硅的质量百分比为50-60％，其余为铁。

在本发明的另一个具体的实施例中，步骤B)中所述的B部分的钼铁和B部分的铬铁重量之和是炉料总重的0.3％-0.5％，且B部分的铬铁和B部分的钼铁重量相等，所述的控制A部分和B部分的钼铁及铬铁的颗粒大小是将颗粒控制为3-5mm。

在本发明的又一个具体的实施例中，所述的铸造新生铁所含的化学元素的质量百分比为：碳＞3.3％、硅0.8-1.2％、锰＜0.3％、磷＜0.06％和硫＜0.03％，其余为铁。

在本发明的再一个具体的实施例中，步骤A)和步骤B)中所述的回炉料为所述步骤D)中的铸型的浇冒口和/或报废的铸件。

在本发明的更而一个具体的实施例中，步骤B)和D)中所述的锰铁为国家标准GB/T3795-1996中规定的牌号FeMn65C7.0，所述铬铁为国家标准GB/T5683-1987中规定的牌号FeCr67C6.0，所述硅铁为国家标准GB/T2272-1987中规定的牌号Fe75Al0.5-B。所述钼铁为国家标准GB/T3649-1987中规定的牌号为FeMo60-A，所述的镍板为纯镍镍板所述的铜为纯铜。

在本发明的又更而一个具体的实施例中，步骤F)中所述的控制退火温度和退火时间是将退火温度控制为800-900℃，退火时间控制为6-12h。

本发明提供的技术方案由于化学元素及量选择合理，能使合金铸铁具有理想的抗氧化、细化奥氏体晶粒、散热性和抗疲劳性，并且能为形成D型石墨创造条件而使散热性得以提高；提供的制备方法能确保D型石墨的形成而保障散热性，并且能使金属元素以均匀分布的状态固溶到基体内部而藉以避免返回基体外形成合金碳化物，确保模具的可加工性能。

附图说明

图1为本发明的制备方法所得到的合金铸铁玻璃模具材料的模具型腔部位的石墨形态的显微组织照片。

图2为已有技术中的制备方法所得到的合金铸铁玻璃模具材料的模具型腔部位的石墨形态的显微组织照片。

具体实施方式

通过申请人的下面的三个实施例的描述，将使本发明提供的技术方案的如下技术效果更趋明朗。技术效果之一：通过调整灰铸铁的碳当量和Si与C的比例以及巧妙的结合稀土的处理作用，从而稳定生产型腔内一定的厚度范围内具有D型石墨组织的玻璃模具。本发明的D型石墨彼此成细小的网络状分布，首尾紧而不连，因此既能为玻璃模具基体提供很多微观的散热通道从而保证了良好的散热性，又能延缓模具的氧化生长，不易开裂并且耐腐蚀性好。另外石墨的边缘和前端呈钝态，可以有效的减小石墨对基体的切割作用。而且粗壮的初生奥氏体骨架为基体提供了很好的强度保证，因此本发明可以得到机械强度，散热性能以及抗氧化性能等多种综合性能俱佳的玻璃模具。本发明方法利用稀土净化铁水，去除金属中的有害元素和气体，保证铁水的冶金质量；取出一部分的铬铁和钼铁(烘干)置于浇包内，再倒入高温铁水，利用铁水的过热热量熔化该部分的铬铁和钼铁，以提高铁水的过冷度，促进D型石墨的形成；砂型中，采用激冷铁芯激冷，进一步降低铁水的过冷度，以实现D形石墨的形成。

为使所获得的D型石墨更加有利玻璃模具的服役条件而采用了稀土混合物，稀土在我国的应用正在积极的开展，但是用于玻璃模具材料这一领域研究还甚少，如业内所知，稀土量加入过多或者过少都会起到相反的效果。加入的量只有在合适的范围内才能在铸造过程中释表现出最佳优越的性能，其原因在于适量稀土能扩大初晶奥氏体生长温度区域，故而初生奥氏体骨架分支增多且变得粗壮，初生奥氏体骨架犹如是复合材料中的强化相，当枝晶变得粗壮，那么基体的骨架就会变得更强，当枝晶增多，那么留给石墨生长的空间就越小，石墨晶核相对比较密集，石墨生长受到晶枝的阻碍，最终形成细小的D型石墨，加上稀土的脱氧作用以及去除有害元素硫/砷的作用，使得石墨生长前端变得光滑，降低石墨沿棱面的生长度，石墨的边缘和前端变钝，减轻了应力集中而对基体的破坏作用，不仅如此，与稀土中的硫与氧生成硫化物和氧化物，能作为石墨晶核的外来晶核，使得初晶奥氏体骨架间铁液中石墨晶核增多，更为密集。此外，稀土还是阻碍石墨化的元素之一，在共晶转变时起阻碍石墨化的作用降低石墨的生长速度。这样就形成了细小网络状态分布的D型石墨。

技术效果之二：在制备过程中采用了微细化处理，手段的目的在于通过加大过冷度以利于D型石墨的形成和多种元素的固溶强化来提高基体强度，金属元素的加入能否起到加强基体强度的一个重要关键是其能否固溶到基体内部，固溶到基体内部的金属元素将产生晶格畸变强化晶粒从而提高金属基体的各项综合性能。但是当金属固溶量达到一定的饱和后就进入了一个动态平衡的阶段，再加入过量金属元素将无法固溶到基体内部，这部分金属元素将在基体外部形成合金碳化物，这些碳化物在基材内形成分布不均的硬质点，这不仅对加工带来困难，而且影响玻璃制品的成型外观。所以某些材料的玻璃模具在达到一定的硬度后就很难以再向着更高的一个层次突破。本发明将待加入的金属元素分成两部分，一部分在金属熔炼过程中加入炉内进行处理，另一部分烘干后置于浇包底部，最后定量充入铁水进行微合金化处理，处理时间等同于包内孕育，充分搅拌后扒渣，撒上覆盖剂。此时的固溶与炉内过程不一样，由于是包内反应，温度变化较快再加上稀土的作用，金属元素固溶后将不再返回基体外。此外包内金属元素的熔化可以进一步提高过冷度，这正是迎合于所需要的最理想的玻璃模具材质。其使用寿命目前经过测算可以达到100万次以上，较目前已经公布专利如CN85108041A的50万次和CN101555566A的60-70万次取得了有了较大的进步，本发明虽然添加了贵重的金属元素如钼等，但是使用过程中可以有效的减少停机维修的时间和明显提高机速，并且可以延长使用寿命50％以上。

实施例1：

A)选料，选取所含化学成分重量百分比由表1所示的Z10铸造新生铁；

B)配料，用步骤A)所选的Z10铸造新生铁、此种铁水(Z10铸造新生铁的铁水)的合金铸铁玻璃模具铸件的浇冒口和报废的铸件为回炉料，以所含化学成分的质量百分比为C 0.13％、Si 0.13％和Mn 0.36％、P0.041％和S0.022％的普通碳素钢作为废钢，以中国国家标准GB2272-87中所定义的含硅量为72％～80％的75号硅铁合金为硅铁，所有配料按表2所示的重量百分比配取，其中：将钼铁和铬铁均分成A、B两部分的量由表2所示；

C)浇包装备，将B部分的钼铁(经烘干的钼铁)及B部分的铬铁投入第一浇包的底部，再将由铼、硅和铁混合的并且占铁水重量的0.06％的稀土混合物覆盖在钼铁与铬铁的表面，其中：铼的质量百分比为35％，硅的质量百分比为50％，铁为15％，将占铁水重量的0.48％的硅钡钙孕育剂置于第二浇包内；

D)熔炼，按表2所示的投料量将由步骤B)所配取的料投入由中国江苏省无锡市无锡亚东电炉有限公司制造的型号为GW-0.45型无芯中频感应电炉熔炼，并且对铁水取样化验，控制铁水中的化学元素的质量百分比，具体由表3所示，待铁水达到1480℃时再将铁水浇入到第一浇包内，使第一浇包内由B份钼铁和铬铁以及稀土的成分与铁水进行充分反应，沸腾镇静后再将铁水倒入第二浇包内进行包内孕育处理得到待浇铸用铁水；

E)浇铸，将步骤D)中得到的待浇铸用铁水浇入砂型模中，砂型模中型腔成型部位用表面涂覆有镐基涂料的激冷铁芯激冷，待30min后落砂得到铸型；

F)退火，将由步骤E)得到的铸型投入退火炉内，在800℃下高温退火，并且保持退火时间为6h，得到由图1所示的具有D型石墨形态的合金铸铁玻璃模具毛坯，经检验其金相组织中型腔内D型石墨的厚度为11mm，石墨等级为5-6级，珠光体含量为16％，基体中无合金碳化物存在，型腔处的硬度为164HBS。

实施例2：

B)配料，用步骤A)所选的Z10铸造新生铁、及以此种铁水(Z10铸造新生铁)的合金铸铁玻璃模具铸件的冒口为回炉料，以所含化学元素的质量百分比为C 0.25％、Si0.32％、Mn 0.49％、P0.048％和S0.025％的普通碳素钢作为废钢，以中国国家标准GB2272-87中所定义的含硅量为72％～80％的75号硅铁合金为硅铁，所有配料按表2所示的重量百分比配取，其余均同对实施例1的步骤B)的描述；

C)浇包准备，将B部分的钼铁(经烘干的钼铁)及B部分的铬铁投入第一浇包的底部，再将由质量百分比为25％的Re和质量百分比为60％的Si以及15％的铁所构成的稀土混合物投入第一浇包，并且覆盖在钼铁与铬铁的表面，其中：稀土混合物的量为铁水总重量的0.061％，将占铁水总重量的0.43％的硅钡钙孕育剂置入于第二浇包内；

D)熔炼，仅将浇入第一浇包内的铁水的温度改为1530℃，取样化验的铁水的化学元素的质量百分比由表3所示，其余均同对实施例1的步骤D)的描述；

E)浇铸，仅将时间改为90min，即在90min后落砂得到铸型，其余均同对实施例1中的步骤E)描述；

F)退火，退火温度改为850℃，时间改为9h，其余均同对实施例1的步骤F)的描述，经检验其金相组织中型腔内D型石墨的厚度为10mm，石墨等级为6-7级，珠光体含量为13％，有微量合金碳化物存在，型腔处的硬度为164HBS。

实施例3：

B)配料，用步骤A)所选的Z10铸造新生铁、以此种铁水(Z10铸造新生铁)的合金铸铁玻璃模具铸件的报废铸件为回炉料，以所含化学元素的质量百分比为C 0.54％、Si0.50％、Mn 0.60％、P0.039％和S0.020％的普通碳素钢作为废钢，以中国国家标准GB2272-87中所定义的含硅量为72％～80％的75号硅铁合金为硅铁，所有原料按表2所示的重量百分比配取，其余均同对实施例1的步骤B)的描述；

C)浇包准备，将B部分的钼铁(经烘干的钼铁)及B部分的铬铁投入第一浇包的底部，再将由质量百分比为Re30％、Si55％以及铁15％的三者混合的稀土混合物也投入第一浇包并且覆盖在钼铁与铬铁的表面，稀土混合物的量为铁水总重量的0.07％，将占铁水总重量的0.49％的硅钡钙孕育剂置入于第二浇包内；

D)熔炼，仅将浇入第一浇包内的铁水的温度改为1560℃，取样化验的铁水的化学元素的质量百分比由表3所示，其余均同对实施例1的步骤D)的描述；

E)浇铸，仅将时间改为60min，即在60min后落砂得到铸型，其余均同对实施例1中的步骤E)描述；

F)退火，退火温度改为900℃，时间改为12h，其余均同对实施例1的步骤F)的描述，经检验其金相组织中型腔内D型石墨的厚度为12mm，石墨等级为5-6级，珠光体含量为13％，无合金碳化物存在，型腔处的硬度为164HBS。

表1为实施例1、2和3铸造新生铁所含化学成份(重量百分比)。

实施例	生铁原料	C	Si	Mn	P	S
							1	Z10	4.55	0.81	0.11	0.028	0.022
2	Z10	4.42	0.92	0.13	0.03	0.025
							3	Z10	4.50	1.2	0.15	0.02	0.020

表2为实施例1、2和3的步骤B)的配料(质量百分比)。

^*表中：钼铁及铬铁的颗粒直径为3-5mm。

表3为实施例1、2和3的步骤D)对铁水取样化验所得的化学元素的质量百分比。

Claims

1.一种合金铸铁玻璃模具材料的制备方法，其特征在于所述合金铸铁玻璃模具材料的化学组成成分及质量百分比为：3.49-3.65％的碳、1.9-2.1％的硅、1-1.3％的镍、0.5-0.7％的锰、＜0.16％的硫、＜0.3％的磷、＜0.08％的钛、0.36-0.5％的钼、0.36-0.6％的铬、＜0.05％的钒、＜1％的铜和＜0.02％的铼，其余为铁，所述的制备方法包括以下步骤：

A)选料，选取铸造新生铁为原料；

D)熔炼，将铸造新生铁、回炉料、废钢、硅铁、锰铁、镍板、A部分的钼铁和A部分的铬铁投入熔炼炉熔炼，当铁水温度达到温度1480-1560℃时出炉，浇入到第一浇包内，待第一浇包内的铁水停止沸腾后倒入第二浇包内孕育处理，得到待浇铸用铁水，并且对铁水取样化验，控制铁水的化学元素的质量百分比为：3.49-3.65％的碳、1.9-2.1％的硅、1-1.3％的镍、0.5-0.7％的锰、＜0.16％的硫、＜0.3％的磷、＜0.08％的钛、0.36-0.5％的钼、0.36-0.6％的铬和＜0.05％的钒；

E)浇铸，将待浇铸用铁水浇入砂型模中，并且对铸件的型腔用激冷铁芯激冷，待30-90min后开模，得到铸型；

2.根据权利要求1所述的合金铸铁玻璃模具材料的制备方法，其特征在于步骤B)中所述的B部分的钼铁和B部分的铬铁重量之和是炉料总重的0.3％-0.5％，且B部分的铬铁和B部分的钼铁重量相等；所述的控制A部分和B部分的钼铁及铬铁的颗粒大小是将颗粒控制为直径3-5mm。

3.根据权利要求1所述的合金铸铁玻璃模具材料的制备方法，其特征在于所述的铸造新生铁所含的化学元素的质量百分比为：碳＞3.3％、硅0.8-1.2％、锰＜0.3％、磷＜0.06％和硫＜0.03％，其余为铁。

4.根据权利要求1所述的合金铸铁玻璃模具材料的制备方法，其特征在于步骤B)和步骤D)中所述的回炉料为所述步骤E)中的铸型的浇冒口和/或报废的铸件。

5.根据权利要求1所述的合金铸铁玻璃模具材料的制备方法，其特征在于步骤B)和D)中所述的铬铁为国家标准GB/T5683-1987中规定的牌号FeCr67C6.0，硅铁为国家标准GB/T2272-1987中规定的牌号Fe75Al0.5-B，钼铁为国家标准GB/T3649-1987中规定的牌号为FeMo60-A，所述的镍板为纯镍镍板。

6.根据权利要求1所述的合金铸铁玻璃模具材料的制备方法，其特征在于步骤F)中所述的控制退火温度和退火时间是将退火温度控制为800-900℃，退火时间控制为6-12h。