CN102828103B - 合金灰铸铁玻璃模具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种合金灰铸铁玻璃模具及其制备方法，属于玻璃模具材料技术领域。其化学元素组成及其质量%为：3.35-3.55%的碳，1.8-2.1%的硅，0.5-0.7%的锰，0.4-0.8%的钼，0.1-0.16%的钒，0.15-0.25%的钛，0.3-0.6%的铬，0.01-0.02%的硫，0.03-0.04%的磷，其余为铁。优点：可保障模具具有良好的抗氧化性能、抗热疲劳性能、抗生长、导热性和低的热膨胀性能；可显著地缩短碳化物形成元素及珠光体稳定元素与铁水的反应时间，能有效地抑制一次碳化物及珠光体的生成，就待浇注铁水倒入浇包中的温度提出了控制，不仅可以保障铁水在出炉温度下保温，而且可净化铁水中的杂质，提高铁水的纯净度。

Description

合金灰铸铁玻璃模具及其制备方法

技术领域

本发明属于玻璃模具材料技术领域，具体涉及一种合金灰铸铁玻璃模具并且还涉及其制备方法。

背景技术

玻璃模具是玻璃制品成型的重要装备，以成型玻璃容器为例，由于玻璃容器成型模具在成型玻璃容器的过程中既担当着限制玻璃容器的形状，又起着作为熔融的玻璃料的热交换介质的双重作用，并且频繁地与高温玻璃熔液接触而经受着氧化、生长、热疲劳以及与玻璃容器摩擦和磨损，因此务必要求用于制造玻璃模具的材料具备良好的致密性、易加工性、化学稳定性、拔萃的比热和热传导率、热膨胀系数小、抗热裂性好和耐磨性能优异，其中，又以抗氧化性能作为考量玻璃模具材料的重要标志。

由于铸铁具有易于加工并且铸造性能优异的长处而被广泛地应用于玻璃模具的制造中，但是由于普通铸铁的石墨形态主要为片状石墨，因此在长期受热条件下会产生生长和膨胀，使玻璃模具强度降低，使用寿命缩短。于是，采用优质的铸铁玻璃模具材料代替普通铸铁而藉以延长玻璃模具的使用寿命已成为趋势。

用于成形玻璃容器的模具的失效形式主要为：氧化（起皮、剥落和出现凹凸浮点）、开裂以及变形，其中，因氧化而开裂是导致玻璃模具报废的主要因素。如业界所知，玻璃模具材料组织中的基体及石墨形态对玻璃模具在高温下的抗氧化性能和抗生长能力起着重要的作用，含有锰、钼、钡、钛和铬等合金元素的D型石墨灰铸铁是利用多种合金元素固溶强化及弥散强化而藉以提高铸铁的组织性能，从而使铸铁在高温下具有良好的抗氧化、抗生长和抗热疲劳等性能，具有这种性能的材料制成的玻璃模具在制瓶机生产线上的使用寿命可达70万次。

利用小口压吹法生产玻璃容器如玻璃瓶（啤酒瓶、红酒瓶等）因机速快、生产出来的玻璃瓶重量轻等优良特点，因而在近年来普遍获得玻璃制品制造行业的青睐，但是由于玻璃模具在高温下的热交换速度更快，因此对玻璃模具的高温抗氧化性、抗生长以及热传递能力较传统的单滴机和双滴机而言要求更为严苛。向基体材料（铁）中加入钼、钒和铬等元素可显著改善高温抗氧化性能，但是由于钒属于强碳化物形成元素，并且铬对组织中珠光体的稳定作用比较明显，使模具材料在常规退火处理（930℃保温4h后随炉冷却）后组织中依然含有大量的大块状FeMoV23C6碳化物及片状珠光体。此类玻璃模具在小口压吹法制瓶生产中因热交换频率较快并且模具长期处于共析转变温度之上，于是当玻璃模具表面一直处于高温状态时，这些大块状碳化物及片状珠光体便变得十分不稳定，并且分解成铁素体和石墨，由此形成的二次石墨在局部扩大并拉紧状态下易致使表面出现微小的开裂，而拉紧的石墨区域会在高温下氧化并生成氧化物，氧化物还会导致氧化区域的进一步扩大，使先前的微小裂缝延伸，最终导致模具变形和开裂而失效。

近年来，为了提高玻璃模具的使用寿命，业界对玻璃模具用合金铸铁材料进行了广泛的研究，并且在已公开的专利文献中有所见诸，典型的如CN102031444A推荐的“高淬透性合金灰铁模具材料及其制备方法”，该专利申请方案的化学元素及其质量%为：2.8-3.3%的碳，1.7-2.0%的硅，0.6-0.9%的锰，≤0.08%的磷，≤0.03%的硫，0.35-0.50%的铬，1.1-1.2%的铜，0.6-0.9%的钼，0.2-0.6%的镍，0.1-0.3%的钒，余量为铁。该专利方案对模具材料的强度和淬透性有建树，但是其含有1.1-1.2%的铜及0.2-0.6%的镍，由于铜及镍元素均会强烈促进珠光体的形成，因而使模具材料基体中珠光体的比例大幅度增加，因珠光体在高温下会分解成铁素体和石墨，这一分解过程会使模具表面产生膨胀变形并导致氧化性的细小的微观裂纹，并且随着时间的推移，这些细小的裂纹会扩展并最终形成宏观的裂纹导致模具开裂失效，从而不利于玻璃模具长期处于高温的工作环境之中。

经申请人对文献的检索而知，目前业界对玻璃模具合金灰铸铁材料的探索颇为关注，然而对其制备方法有失偏颇，因而有必要通过双管齐下的方式加以改进，因为玻璃模具用合金灰铸铁材料的组织特征应为：内腔表面为D型石墨的细晶层，以提高模具的抗氧化性能，而外圆部分为A形片状石墨，以利导热，并且组织中95%以上为铁素体基体，不允许有大块状的碳化物及片状珠光体。而要基本满足这一要求，则制备方法中的工艺步骤的合理与否起着重要的作用。为此本申请人进行了全面的探索，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

本发明的首要任务在于提供一种有助于良好地体现抗氧化性能、抗热疲劳性能、抗生长、导热性好和低的热膨胀性能而藉以显著延长使用寿命的合金灰铸铁玻璃模具。

本发明的另一任务在于提供一种合金灰铸铁玻璃模具的制备方法，该方法能保障得到的玻璃模具的合金组织中无块状碳化物以及无片状珠光体而藉以使合金灰铸铁玻璃模具的所述技术效果得以全面体现。

为体现完成本发明的首要任务，本发明提供的技术方案是：一种合金灰铸铁玻璃模具，其化学元素组成及其质量%为：3.35-3.55%的碳，1.8-2.1%的硅，0.5-0.7%的锰，0.4-0.8%的钼，0.1-0.16%的钒，0.15-0.25%的钛，0.3-0.6%的铬，0.01-0.02%的硫，0.03-0.04%的磷，其余为铁。

为体现完成本发明的另一任务，本发明提供的技术方案是：一种合金灰铸铁玻璃模具的制备方法，包括以下步骤：

A）熔炼，将生铁加入熔炼炉熔炼，待生铁熔化后加入回炉料，并且控制回炉料的加入时机，再加入废钢，并且控制废钢的加入时机，待废钢完全熔化后加入硅铁，待硅铁熔化后依次加入颗粒直径为4-6mm的锰铁、钼铁和铬铁，其中，钼铁在锰铁熔化后加入，而铬铁在钼铁熔化后加入，待铬铁熔化后在铁水表面撒上一层聚渣剂并进行第一次扒渣，控制聚渣剂的用量，第一次扒渣后加入钒铁和钛铁并且对铁水进行搅拌，控制对铁水搅拌的程度，而后对铁水进行取样分析并且调整铁水的化学元素的质量%含量，接着对铁水进行保温，并且控制保温温度和保温时间，得到初炼铁水；

B）炉前孕育，先在初炼铁水的表面再次撒上一层聚渣剂并且进行第二次扒渣，控制再次撒上的聚渣剂的用量，第二次扒渣后将铁水自熔炼炉引入铁水处理包内，在铁水自熔炼炉引入铁水处理包的同时将孕育剂随铁水引入铁水处理包并且控制孕育剂随铁水引入铁水处理包的时机以及控制孕育剂的量，而后待铁水完全引入铁水处理包后在铁水表面又一次撒上一层聚渣剂，并且在搅拌状态下进行第三次扒渣，控制又一次撒上的聚渣剂的量，第三次扒渣后将铁水倒入浇包，并且控制铁水倒入浇包中的温度，得到待浇注铁水；

C）浇注，将待浇注铁水随浇包引至浇注区域，并且在控制待浇注铁水的温度的状态下浇注至放置有冷铁泥芯盖板的砂型模内，并且控制浇注时间，在浇注结束后静置，静置结束后去除冷铁泥芯盖板，继续静置，在继续静置后从砂型模具中取出并且去除浇冒口，得到合金灰铸铁玻璃模具。

在本发明的一个具体的实施例中，步骤A）中所述的控制回炉料的加入时机是指当加入的生铁的熔化率达到加入量的75-85%时加入回炉料；所述的控制废钢的加入时机是指当加入的回炉料的熔化率达到加入量的75-85%时加入废钢。

在本发明的另一个具体的实施例中，步骤A）中所述的调整铁水的化学元素的质量%含量是将铁水的化学元素的质量%含量调整为：3.35-3.55%的碳，1.8-2.1%的硅，0.5-0.7%的锰，0.4-0.8%的钼，0.1-0.16%的钒，0.15-0.25%的钛，0.3-0.6%的铬，0.01-0.02%的硫，0.03-0.04%的磷，其余为铁。

在本发明的又一个具体的实施例中，步骤A）中所述的控制保温温度和保温时间是将保温温度控制为1500-1520℃，将保温时间控制为5-10min；所述的控制对铁水搅拌的程度是指在搅拌过程中不致以铁水产生旋涡。

在本发明的还有一个具体的实施例中，步骤A）中所述的控制聚渣剂的用量是将聚渣剂的用量控制占铁水总重量的0.2-0.3%。

在本发明的更而一个具体的实施例中，步骤B）中所述的控制孕育剂随铁水引入铁水处理包的时机是指当占铁水总重量的8-12%的铁水引入铁水处理包时再将孕育剂随同铁水引入铁水处理包内；所述的控制孕育剂的量是将孕育剂的量控制为占铁水重量的0.5-0.7%。

在本发明的还有一个具体的实施例中，步骤B）中所述的控制铁水倒入浇包中的温度是将温度控制为1500-1520℃。

在本发明的又更而一个具体的实施例中，步骤B）中所述的控制再次撒上的聚渣剂的量是将再次撒上的聚渣剂的量控制为占初炼铁水总重量的0.2-0.3%；所述的控制又一个撒上的聚渣剂的量是将又一次撒上的聚渣剂的量控制为占引入铁水处理包内的铁水总重量的0.2-0.3%。

在本发明的又进而一个具体的实施例中，步骤C）中所述的控制待浇注铁水的温度是将待浇注铁水的温度控制为1360-1380℃；所述的控制浇注时间是将浇注时间控制5-7min；所述的静置的时间为20-25min；所述的继续静置的时间为大于30min。

本发明提供的技术方案由于选择化学元素及其质量%合理并且摒弃了铜和镍，从而可保障模具具有良好的抗氧化性能、抗热疲劳性能、抗生长、导热性和低的热膨胀性能；提供的制备方法由于将锰铁、钼铁和铬铁的颗粒直径控制为4-6㎜，从而可加快熔化速度，并且在废钢和硅铁熔化后依次加入锰铁、钼铁和铬铁，从而可显著地缩短碳化物形成元素及珠光体稳定元素与铁水的反应时间，能有效地抑制一次碳化物及珠光体的生成，就待浇注铁水倒入浇包中的温度提出了控制，不仅可以保障铁水在出炉温度下保温，而且可净化铁水中的杂质，提高铁水的纯净度，从而使获得的合金灰铸铁玻璃模具全面地体现前述的良好性能。

具体实施方式

实施例1：

A）熔炼，将生铁加入熔炼炉熔炼，待加入的生铁熔化率达到加入总量的85%时加入回炉料，回炉料为报废的合金灰铸铁玻璃模具和/或浇冒口，在加入的回炉料的熔化率占加入总量（回炉料总量）的75%时加入废钢，待废钢完全熔化后加入硅铁，待硅铁熔化后依次加入颗粒直径为4-6mm的锰铁、钼铁和铬铁，其中，钼铁在锰铁熔化后加入，而铬铁在钼铁熔化后加入，待铬铁熔化后在铁水表面均匀地撒上重量占铁水总重量的0.2%的聚渣剂并且进行第一次扒渣，第一次扒渣后加入钒铁和钛铁并且对铁水进行搅拌，对铁水搅拌的程度控制为不致以使铁水产生旋涡为宜，因此搅拌速度缓慢而平稳，而后对铁水进行取样分析并且将铁水的化学元素的质量%含量调整为，3.35%的碳，2.0%的硅，0.7%的锰，0.4%的钼，0.13%的钒，0.20%的钛，0.6%的铬，0.01%的硫和0.035%的磷，其余为铁，接着对铁水进行保温，保温温度为1500℃，保温时间为10min，得到初炼铁水；

B）炉前孕育，先在初炼铁水的表面再次撒上用量为初炼铁水总重量的0.3%的聚渣剂并且进行第二次扒渣，第二次扒渣后将铁水自熔炼炉引入铁水处理包内，在铁水自熔炼炉引入铁水处理包的同时将孕育剂随铁水引入铁水处理包，具体是：当熔炼炉内的铁水引入铁水处理包内的量占铁水总重量的8%的程度时再将孕育剂随同铁水引入铁水处理包内，孕育剂的量控制为占铁水总重量的0.7%，孕育剂优选使用硅钡钙孕育剂，该硅钡钙孕育剂由以下按重量份数配比的原料构成：硅55-65份、钡4-6份、钙0.5-2.5份和铝1.5-2.5份，待铁水全部引入铁水处理包后在铁水表面又一次撒上一层占铁水总重量的0.2%的聚渣剂，并且在搅拌状态下进行第三次扒渣，在第三次扒渣后将铁水倒入浇包，并且控制铁水倒入浇包中的温度，该温度控制为1500℃，得到待浇注铁水；

C）浇注，将待浇注铁水随浇包引至浇注区域，并且在控制待浇注铁水的温度为1380℃的状态下浇注至放置有冷铁泥芯盖板的砂型模内，浇注时间控制为7min，在浇注结束后静置25min，在静置25min后去除冷铁泥芯盖板，而后继续静置30min以上，在继续静置结束后从砂型模具中取出并且去除浇冒口，得到合金灰铸铁玻璃模具。

本实施例中所述的聚渣剂优选而非限于地择用由中国上海育鑫金属制品有限公司生产的并且在本专利申请提出以前在市场广为销售的牌号为YX-A-Ⅱ聚渣剂。

实施例2：

仅将步骤A）中的回炉料的加入时机改为待生铁的熔化率达到加入总量（生铁总重量）的75%时加入，废钢的加入时机改为待加入的回炉料的熔化率占加入总量（回炉料总重量）的85%时加入，将聚渣剂的量改为占铁水总重量的0.3%，将铁水的化学元素的质量%含量改为，3.45%的碳，1.8%的硅，0.6%的锰，0.8%的钼，0.16%的钒，0.25%的钛，0.45%的铬，0.015%的硫和0.03%的磷，其余为铁，将对铁水进行保温的温度改为1520℃，保温时间改为5min；仅将步骤B）中的在初炼铁水表面再次撒上聚渣剂的量改为占初炼铁水总重量的0.2%，将孕育剂随同铁水引入铁水处理包内的时机改为待铁水引入铁水处理包内的量占铁水总重量的12%的程度时随同铁水引入铁水处理包内，并且将孕育剂的量改为占铁水总重量的0.5%，将又一次在铁水表面撒上的聚渣剂的量改为占铁水总重量的0.3%，将铁水倒入浇包中的温度改为1520℃；仅将步骤C）中的控制待浇注铁水的温度改为1360℃，将浇注时间改为5min，将静置的时间改为20min。其余均同对实施例1的描述。

实施例3：

仅将步骤A）中的回炉料的加入时机改为待生铁的熔化率达到加入总量（生铁总重量）的80%时加入，废钢的加入时机改为待加入的回炉料的熔化率占加入总量（回炉料总重量）的80%时加入，将聚渣剂的量改为占铁水总重量的0.25%，将铁水的化学元素的质量%含量改为，3.55%的碳，2.1%的硅，0.5%的锰，0.6%的钼，0.10%的钒，0.15%的钛，0.3%的铬，0.012%的硫和0.036%的磷，其余为铁，将对铁水进行保温的温度改为1510℃，保温时间改为8min；仅将步骤B）中的在初炼铁水表面再次撒上聚渣剂的量改为占初炼铁水总重量的0.25%，将孕育剂随同铁水引入铁水处理包内的时机改为待铁水引入铁水处理包内的量占铁水总重量的10%的程度时随同铁水引入铁水处理包内，并且将孕育剂的量改为占铁水总重量的0.6%，将又一次在铁水表面撒上的聚渣剂的量改为占铁水总重量的0.25%，将铁水倒入浇包中的温度改为1510℃；仅将步骤C）中的控制待浇注铁水的温度改为1370℃，将浇注时间改为6min，将静置的时间改为22min。其余均同对实施例1的描述。

Claims (8)

1.一种合金灰铸铁玻璃模具的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

A）熔炼，将生铁加入熔炼炉熔炼，待生铁熔化后加入回炉料，并且控制回炉料的加入时机，再加入废钢，并且控制废钢的加入时机，待废钢完全熔化后加入硅铁，待硅铁熔化后依次加入颗粒直径为4-6mm的锰铁、钼铁和铬铁，其中，钼铁在锰铁熔化后加入，而铬铁在钼铁熔化后加入，待铬铁熔化后在铁水表面撒上一层聚渣剂并进行第一次扒渣，控制聚渣剂的用量，第一次扒渣后加入钒铁和钛铁并且对铁水进行搅拌，控制对铁水搅拌的程度，而后对铁水进行取样分析并且调整铁水的化学元素的质量%含量，接着对铁水进行保温，并且控制保温温度和保温时间，得到初炼铁水；

B）炉前孕育，先在初炼铁水的表面再次撒上一层聚渣剂并且进行第二次扒渣，控制再次撒上的聚渣剂的用量，第二次扒渣后将铁水自熔炼炉引入铁水处理包内，在铁水自熔炼炉引入铁水处理包的同时将孕育剂随铁水引入铁水处理包并且控制孕育剂随铁水引入铁水处理包的时机以及控制孕育剂的量，而后待铁水完全引入铁水处理包后在铁水表面又一次撒上一层聚渣剂，并且在搅拌状态下进行第三次扒渣，控制又一次撒上的聚渣剂的量，第三次扒渣后将铁水倒入浇包，并且控制铁水倒入浇包中的温度，得到待浇注铁水；

C）浇注，将待浇注铁水随浇包引至浇注区域，并且在控制待浇注铁水的温度的状态下浇注至放置有冷铁泥芯盖板的砂型模内，并且控制浇注时间，在浇注结束后静置，静置结束后去除冷铁泥芯盖板，继续静置，在继续静置后从砂型模具中取出并且去除浇冒口，得到合金灰铸铁玻璃模具，该合金灰铸铁玻璃模具的化学元素组成及其质量%为：3.35-3.55%的碳，1.8-2.1%的硅，0.5-0.7%的锰，0.4-0.8%的钼，0.1-0.16%的钒，0.15-0.25%的钛，0.3-0.6%的铬，0.01-0.02%的硫，0.03-0.04%的磷，其余为铁。

2.根据权利要求1所述的合金灰铸铁玻璃模具的制备方法，其特征在于步骤A）中所述的控制回炉料的加入时机是指当加入的生铁的熔化率达到加入量的75-85%时加入回炉料；所述的控制废钢的加入时机是指当加入的回炉料的熔化率达到加入量的75-85%时加入废钢。

3.根据权利要求1所述的合金灰铸铁玻璃模具的制备方法，其特征在于步骤A）中所述的控制保温温度和保温时间是将保温温度控制为1500-1520℃，将保温时间控制为5-10min；所述的控制对铁水搅拌的程度是指在搅拌过程中不致以铁水产生旋涡。

4.根据权利要求1所述的合金灰铸铁玻璃模具的制备方法，其特征在于步骤A）中所述的控制聚渣剂的用量是将聚渣剂的用量控制占铁水总重量的0.2-0.3%。

5.根据权利要求1所述的合金灰铸铁玻璃模具的制备方法，其特征在于步骤B）中所述的控制孕育剂随铁水引入铁水处理包的时机是指当占铁水总重量的8-12%的铁水引入铁水处理包时再将孕育剂随同铁水引入铁水处理包内；所述的控制孕育剂的量是将孕育剂的量控制为占铁水重量的0.5-0.7%。

6.根据权利要求1所述的合金灰铸铁玻璃模具的制备方法，其特征在于步骤B）中所述的控制铁水倒入浇包中的温度是将温度控制为1500-1520℃。

7.根据权利要求1所述的合金灰铸铁玻璃模具的制备方法，其特征在于步骤B）中所述的控制再次撒上的聚渣剂的量是将再次撒上的聚渣剂的量控制为占初炼铁水总重量的0.2-0.3%；所述的控制又一个撒上的聚渣剂的量是将又一次撒上的聚渣剂的量控制为占引入铁水处理包内的铁水总重量的0.2-0.3%。

8.根据权利要求1所述的合金灰铸铁玻璃模具的制备方法，其特征在于步骤C）中所述的控制待浇注铁水的温度是将待浇注铁水的温度控制为1360-1380℃；所述的控制浇注时间是将浇注时间控制5-7min；所述的静置的时间为20-25min；所述的继续静置的时间为大于30min。