CN103205624A - 铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具及其制备方法，属于玻璃模具材料技术领域。其化学组成成分及质量百分比为：3.3-3.7%的碳、2.3-2.7%的硅、0.12-0.14%的锰、＜0.1%的磷、＜0.04%的硫和＜0.05%的镁，其余为铁。优点：由于化学元素及其质量百分比选择合理，因而在摒弃了已有技术中过多地依赖添加贵金属元系的前提下得以在制备过程中保障碳的存在形式和存在形态，使内腔的石墨形态表现球状而外围的石墨形态表现为蠕虫状，从而使模具的内腔具有极致的抗氧化、耐腐蚀、抗生长和抗冷热冲击性能，并且使模具的外围具有优异的散热效果；提供的制备方法能够保障铁素体基体上分布的石墨自模具内腔为球状到模具外围为蠕虫状均匀过渡的效果。

Description

铁素体基体的石墨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，具体涉及一种铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具，并且还涉及其制备方法。

背景技术

 玻璃模具是玻璃制品成形的重要工艺装备。在实际生产过程中，玻璃模具内腔频繁地与1100℃左右的熔融热玻璃液接触，且玻璃制品在其中冷却硬化，因而玻璃模具本身温度在一个较宽的范围内快速变化，在这一过程中玻璃模具内腔不断经受氧化、腐蚀、生长、冷热疲劳冲击及内腔与热玻璃滑动接触产生的摩擦而逐渐失效，玻璃模具外围则需要快速的将热量散发出去，因此玻璃模具内腔和外围在工作过程中有着不同的工况需求，即理想的玻璃模具应该是内腔具有较好的强度，抗氧化性，抗腐蚀性，抗热疲劳性等，而外围则需要有较好的散热性。

对于制造玻璃模具而言，模具材料应具有良好的切削、磨削加工性能和铸造性能。铸铁用作模具材料具有成本低，铸造性能优良和易加工的特点。最重要的是具有热而不粘的性能，广泛用于玻璃模具生产制造。铸铁玻璃模具的材料其基体的常见组织有铁素体和珠光体，珠光体本身是一种不稳定的碳化物，高温条件下容易分解，因此对于玻璃模具这种工况，技术人员总希望玻璃模具的基体能获得纯度尽可能高的铁素体。而根据游离石墨的形态类型，玻璃模具又可分为：灰铸铁玻璃模具、球墨铸铁玻璃模具和蠕墨铸铁玻璃模具。灰铸铁玻璃模具的基体中的游离石墨呈片状，且石墨与石墨之间首尾相连，因此其导热性能较好，但是由于片状石墨呈长条形，因而会破坏基体的连续性，影响基体强度，而且片状石墨氧化后形成空洞，为氧化性气体的侵入提供了管道，进而加快了氧化，因此灰铸铁玻璃模具虽然导热性较好，但是其抗氧化性和强度较差；球墨铸铁玻璃模具的基体中的游离石墨呈球状，彼此互相孤立，其对基体的割裂作用较弱，氧化性气体的侵入相对困难，然而球状石墨彼此孤立，热量无法像片状石墨那样快速传递，因此球墨铸铁玻璃模具虽然具有较好的强度和抗氧化性，但是其导热性较差；而蠕墨铸铁玻璃模具的石墨形态呈蠕虫状，端部呈圆钝态，对基体的割裂作用、抗氧化性和强度等性能处于球铁和灰铸铁之间。

作为玻璃模具，不论是前述的灰铸铁玻璃模具、还是球墨铸铁玻璃模具，或者是蠕墨铸铁玻璃模具，在实际的使用中能够最大限度地适应或称满足不同工况需求既是共同的目标，也是业界致力探索的方向。这里所称的不同工况需求的概念是指：要求玻璃模具的内腔（即模腔）具有优异的耐氧化、耐腐蚀、抗生长、抗冷热疲劳冲击性能，而对于玻璃模具的外围要求具有良好的散热性能。

为了满足前述的不同工况要求，领域内的技术人员通常将注意力倾注于添加贵金属元素，这种探索思路也许具有事半功倍或事倍功倍之效果，但是，造成贵金属资源浪费及玻璃模具成本骤增却是不争的事实。对此可以由并非限于的以下文献印证：CN102676908A（稀土孕育促进D型石墨的合金玻璃模具）和CN102560230A（利用废钢替代生铁熔炼D型石墨合金铸铁玻璃模具）。这两项专利申请中的前者的化学元素及其质量%含量为：3.4-3.7%的碳、1.8-2.2%的硅、0.6-0.8%的锰、＜0.02%的镍、0.6-0.8%的钼、0.05-0.15%的钒、0.15-0.25%的钛、0.2-0.4%的铬、＜0.05%的磷和＜0.05%的硫，余为铁；后者的化学元素及其质量%含量为：3.4-3.7%的碳、1.8-2.2%的硅、0.6-0.8%的锰、0.2-0.4%的铬、0.6-0.8%的钼、0.05-0.15%的钒、0.15-0.25%的钛、18-22%的镍、＜0.10%的磷和＜0.10%的硫，余为铁。

鉴于上述情形，如何使玻璃模具在满足前述的不同工况要求与节约宝贵的贵金属资源并且降低成本之间寻找合理的平衡点成了业界关注并且迫切希望解决的技术问题。为此本申请人进行了积极而有益的探索，终于形成了下面将要介绍的技术方案。

发明内容

本发明的首要任务在于提供一种在避免依赖添加诸多贵金属元素而藉以节约宝贵的资源及降低模具成本的前提下能理想地使内腔的石墨形态表现为球状而外围的石墨形态表现为蠕虫状而藉以使内腔具有极致的抗氧化、耐腐蚀、抗生长和抗冷热疲劳冲击性能并且使外围具有极致的散热性能的铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具。

本发明的另一任务在于提供一种铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具的制备方法，该方法能保障铁素体基体上分布的石墨由模具内腔为球状到模具外围为蠕虫状均匀过度而藉以全面地体现所述石墨铸铁玻璃模具的技术效果的全面体现。

为体现完成本发明的首要任务，本发明提供的技术方案是：一种铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具，其化学组成成分及质量百分比为：3.3-3.7%的碳、2.3-2.7%的硅、0.12-0.14%的锰、＜0.1%的磷、＜0.04%的硫和＜0.05%的镁，其余为铁。

在本发明的一个具体的实施例中，一种铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具，其化学组成成分及质量百分比为： 3.7%的碳、2.5%的硅、0.12%的锰、0.08%的磷、0.03%的硫和0.04%的镁，其余为铁。

在本发明的另一个具体的实施例中，一种铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具，其化学组成成分及质量百分比为： 3.3%的碳、2.7%的硅、0.14%的锰、0.05%的磷、0.02%的硫和0.02%的镁，其余为铁。

在本发明的又一个具体的实施例中，一种铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具，其化学组成成分及质量百分比为： 3.5%的碳、2.3%的硅、0.13%的锰、0.035%的磷、0.035%的硫和0.05%的镁，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：一种铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具的制备方法，包括以下步骤：

A）备料，备取铸造用生铁、回炉料、废钢、硅铁和锰铁，得到原料；

B）浇包准备，先将浇包烘干，再在烘干后的浇包的底部放置蠕化剂，并且控制蠕化剂的量，再在蠕化剂的表面覆盖孕育剂并且控制孕育剂的量， 得到浇包；

C）熔炼，将由步骤A）得到的铸造用生铁、回炉料、废钢、硅铁和锰铁投入熔炼炉熔炼，对铁水取样分析并且调整铁水的化学元素的质量%含量为：3.3-3.7%的碳、2.3-2.7%的硅、0.12-0.14%的锰、＜0.1%的磷、＜0.04%的硫和＜0.05%的镁，其余为铁，当铁水温度达到1530-1560℃时出炉并且浇入到由步骤B）得到的浇包内，当浇入到浇包内的铁水达到熔炼炉内的总铁水量的一半的程度时，向浇包内再次加入孕育剂，并且控制再次加入孕育剂的量，接着将余下的铁水继续浇入浇包内，得到待浇铸铁水；

D）浇铸，将由步骤C）得到的待浇铸铁水浇入玻璃模具砂型模中，并且对铸件的型腔采用冷铁芯激冷，待30-90min后开模，得到玻璃模具铸型；

E）退火，将由步骤D）得到的玻璃模具铸型投入退火炉退火，并且控制退火温度和控制退火时间，退火结束后在控制降温速率下降温至480℃，出炉，得到铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具。

在本发明的再一个具体的实施例中，步骤A）中所述的铸造用生铁为牌号Z10铸造新生铁。

在本发明的还有一个具体的实施例中，步骤B）中所述的控制蠕化剂的量是将蠕化剂的量控制为铁水重量的0.55-0.65%；所述的控制孕育剂的量是将孕育剂的量控制为铁水重量的0.7-0.8%；步骤C）中所述的控制再次加入孕育剂的量是将量控制为铁水重量的0.7-0.8%。

在本发明的更而一个具体的实施例中，所述的蠕化剂由以下按重量份数配比的原料构成，Mg：3.7-4.8份、Ca：2-3份、RE：8.5-10.5份和Si：43-47份。

在本发明的进而一个具体的实施例中，所述的孕育剂为中国国家标准GB/T 2272-2009中的FeSi75Al1.0-A。

在本发明的又更而一个具体的实施例中，步骤E）中所述的控制退火温度是将退火温度控制为950-960℃，所述的控制退火时间是将退火时间控制为540-660min，所述的控制降温速率是将降温速率控制为35-40℃/min。

本发明提供的技术方案的技术效果在于：由于化学元素及其质量百分比选择合理，因而在摒弃了已有技术中过多地依赖添加贵金属元系的前提下得以在制备过程中保障碳的存在形式和存在形态，使内腔的石墨形态表现球状而外围的石墨形态表现为蠕虫状，从而使模具的内腔具有极致的抗氧化、耐腐蚀、抗生长和抗冷热冲击性能，并且使模具的外围具有优异的散热效果；提供的制备方法能够保障铁素体基体上分布的石墨自模具内腔为球状到模具外围为蠕虫状均匀过渡的效果。

具体实施方式

实施例1：

A）备料，备取牌号为Z10铸造新生铁、回炉料、废钢、硅铁（中国国家标准GB/T2272-1987中规定的硅含量为72-80%的75号硅铁合金）和锰铁（中国国家标准GB/T3795-1996中规定的牌号为FeMn65C7.0），得到原料；

B）浇包准备，先将浇包引入烘箱或烘房烘干，再在烘干后的浇包的底部放置蠕化剂，蠕化剂的量控制为铁水重量的0.65%，再在蠕化剂的表面覆盖孕育剂，孕育剂的量为铁水重量的0.7%，得到浇包，其中：所述的蠕化剂由以下按重量份数的原料构成，Mg： 4.8份、Ca：2份、RE：9.5份和Si：43份，所述的孕育剂为中国国家标准GB/T 2272-2009中的FeSi75Al1.0-A，此外，前述的蠕化剂也可优选使用由中国江苏省常熟市新世纪金属助剂有限公司生产的并且在本申请人提出以前在市场销售的牌号为CSX-Y型并且名称为镁硅钙蠕化剂；

C）熔炼，将由步骤A）得到的原料即Z10铸造新生铁、回炉料、废钢、硅铁和锰铁投入熔炼炉熔炼，对铁水取样分析并且调整铁水的化学元素的质量%含量： 3.7%的碳、2.5%的硅、0.12%的锰、0.08%的磷、0.03%的硫和0.04%的镁，余为铁，当铁水温度达到1560℃时出炉并且浇入到由步骤B）得到的浇包内，当浇入到浇包内的铁水达到熔炼炉内的总铁水量的一半即二分之一时，向浇包内再次加入如同对步骤B）所述的孕育剂，再次加入孕育剂的量控制为铁水总重量的0.75%，接着将余下的铁水即另一半铁水浇入到浇包内，得到待浇铸铁水，其中：铁水从出炉至全部浇入浇包内的时间控制在10min以内；

D）浇铸，将由步骤C）得到的待浇铸铁水浇入玻璃模具砂型模中，并且对铸件的型腔采用冷铁芯激冷，待90min后开模，得到玻璃模具铸型；

E）退火，将由步骤D）得到的玻璃模具铸型投入退火炉退火，退火温度为950℃，退火时间为660min，退火结束后以40℃/min的降温速率降温至480℃，出炉，得到铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具。

在本实施例中，由于将硅与碳的质量比控制为0.675，因而能保障石墨铸铁玻璃模具的内腔的石墨形态表现为球状，而外围的石墨形态表现为蠕虫状。具体地讲，石墨在铁水中的形态是动态的即变化的，在加入了合理量的蠕化剂后，改变了石墨化液态铁水即熔融铁水中的张力，即润湿度，此时石墨呈犹如荷叶上的水珠。但是，随着浇铸时间的延长，因蠕化剂的作用逐渐减弱，石墨会慢慢衰退，而冷却过程中模具内腔处的铁水最先接触到冷铁芯（即激冷铁芯）的部位的石墨仍处于球状状态时就凝固，因此保持了球状，而外围的铁水则需要缓慢冷却，于是在冷却过程中，外围的铁水中的石墨则缓慢衰退成了蠕虫状。在该过程中：蠕化剂、孕育剂、硅与碳的质量比以及时间的控制起到十分重要的作用。具体而言，待铁水从炉内完全倒入浇包之后，迅速加入除渣剂除渣，从铁水出炉到浇铸整个过程完毕，时间必须控制在10min之内。

实施例2：

仅将步骤B）中的在烘干后的浇包的底部放置蠕化剂的量改为占铁水总重量的0.55%，将孕育剂的量改为占铁水总重量的0.8%，蠕化剂由以下按重量份数的原料构成，Mg： 4.2份、Ca：3份、RE：8.5份和Si：45份；将步骤C）中的铁水的化学元素的质量%含量改为3.3%的碳、2.7%的硅、0.14%的锰、0.05%的磷、0.02%的硫和0.02%的镁，余为铁，将铁水温度改为1530℃，将再次加入孕育剂的量改为占铁水总重量的0.7%；将步骤D）中的时间改为30min之后开模；将步骤E）中的退火温度和退火时间分别改为960℃和540min，将降温速率改为35℃/min，本实施例中的硅与碳的质量比为0.82。其余均同对实施例1的描述。

实施例3：

仅将步骤B）中的在烘干后的浇包的底部放置蠕化剂的量改为占铁水总重量的0.60%，将孕育剂的量改为占铁水总重量的0.75%，蠕化剂由以下按重量份数的原料构成，Mg： 3.7份、Ca：2.5份、RE：10.5份和Si：47份；将步骤C）中的铁水的化学元素的质量%含量改为3.5%的碳、2.3%的硅、0.13%的锰、0.035%的磷、0.035%的硫和0.05%的镁，余为铁，将铁水温度改为1545℃，将再次加入孕育剂的量改为占铁水总重量的0.8%；将步骤D）中的时间改为60min之后开模；将步骤E）中的退火温度和退火时间分别改为955℃和550min，将降温速率改为38℃/min，本实施例中的硅与碳的质量比为0.66。其余均同对实施例1的描述。

Claims (10)

1.一种铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具，其特征在于其化学组成成分及质量百分比为：3.3-3.7%的碳、2.3-2.7%的硅、0.12-0.14%的锰、＜0.1%的磷、＜0.04%的硫和＜0.05%的镁，其余为铁。

2.根据权利要求1所述的铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具，其特征在于其化学组成成分及质量百分比为： 3.7%的碳、2.5%的硅、0.12%的锰、0.08%的磷、0.03%的硫和0.04%的镁，其余为铁。

3.根据权利要求1所述的铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具，其特征在于其化学组成成分及质量百分比为： 3.3%的碳、2.7%的硅、0.14%的锰、0.05%的磷、0.02%的硫和0.02%的镁，其余为铁。

4.根据权利要求1所述的铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具，其特征在于其化学组成成分及质量百分比为： 3.5%的碳、2.3%的硅、0.13%的锰、0.035%的磷、0.035%的硫和0.05%的镁，其余为铁。

5.一种如权利要求1所述的铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

A）备料，备取铸造用生铁、回炉料、废钢、硅铁和锰铁，得到原料；

B）浇包准备，先将浇包烘干，再在烘干后的浇包的底部放置蠕化剂，并且控制蠕化剂的量，再在蠕化剂的表面覆盖孕育剂并且控制孕育剂的量， 得到浇包；

C）熔炼，将由步骤A）得到的铸造用生铁、回炉料、废钢、硅铁和锰铁投入熔炼炉熔炼，对铁水取样分析并且调整铁水的化学元素的质量%含量为：3.3-3.7%的碳、2.3-2.7%的硅、0.12-0.14%的锰、＜0.1%的磷、＜0.04%的硫和＜0.05%的镁，其余为铁，当铁水温度达到1530-1560℃时出炉并且浇入到由步骤B）得到的浇包内，当浇入到浇包内的铁水达到熔炼炉内的总铁水量的一半的程度时，向浇包内再次加入孕育剂，并且控制再次加入孕育剂的量，接着将余下的铁水继续浇入浇包内，得到待浇铸铁水；

D）浇铸，将由步骤C）得到的待浇铸铁水浇入玻璃模具砂型模中，并且对铸件的型腔采用冷铁芯激冷，待30-90min后开模，得到玻璃模具铸型；

E）退火，将由步骤D）得到的玻璃模具铸型投入退火炉退火，并且控制退火温度和控制退火时间，退火结束后在控制降温速率下降温至480℃，出炉，得到铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具。

6.根据权利要求5所述的铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具的制备方法，其特征在于步骤A）中所述的铸造用生铁为牌号Z10铸造新生铁。

7.根据权利要求5所述的铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具的制备方法，其特征在于步骤B）中所述的控制蠕化剂的量是将蠕化剂的量控制为铁水重量的0.55-0.65%；所述的控制孕育剂的量是将孕育剂的量控制为铁水重量的0.7-0.8%；步骤C）中所述的控制再次加入孕育剂的量是将量控制为铁水重量的0.7-0.8%。

8.根据权利要求1或7所述的铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具及其制备方法，其特征在于所述的蠕化剂由以下按重量份数配比的原料构成，Mg：3.7-4.8份、Ca：2-3份、RE：8.5-10.5份和Si：43-47份。

9.根据权利要求1或7所述的铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具及其制备方法，其特征在于所述的孕育剂为中国国家标准GB/T 2272-2009中的FeSi75Al1.0-A。

10.根据权利要求1所述的铁素体基体的石墨铸铁玻璃模具，其特征在于步骤E）中所述的控制退火温度是将退火温度控制为950-960℃，所述的控制退火时间是将退火时间控制为540-660min，所述的控制降温速率是将降温速率控制为35-40℃/min。