CN109609737B - 一种消除蠕墨铸铁玻璃模具应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除蠕墨铸铁玻璃模具应力的方法，经过特定的热处理，蠕墨铸铁玻璃模具毛坯残余铸造应力小，退火后变形在机械加工可接受范围内，铸件因变形而无机械加工余量的比例大大减少。最后成品蠕墨铸铁玻璃模具产品的应力只相当于原始铸造应力的15%以下。在行列机上机使用过程中，不存在明显的变形，不会因为玻璃瓶合缝线粗大、模具变形而导致模具失效。

Description

一种消除蠕墨铸铁玻璃模具应力的方法

技术领域

本发明涉及玻璃模具领域，特别是涉及一种消除蠕墨铸铁玻璃模具应力的方法。

背景技术

业界共识，铸铁材料作为玻璃模具主导使用材料在可预见的未来是不会改变的。

铸铁玻璃模具材料又可以分为，灰铸铁、蠕墨铸铁或球铁这三大类。在高温环境下工作，不同类型的铸铁具有不同的性能表现。D型石墨灰铸铁，铸造性能优异，导热性能良好，但是其局限性在于材料本身因石墨形态的割裂作用存在，相对于球墨铸铁材料和蠕墨铸铁材料，硬度低、强度低、弹性模量低。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 CN 108018481 A，“一种高碳当量高强度低应力玻璃模具材料”，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。试图通过添加种类繁多贵金属合金元素，提供一种有助于降低模具铸态内应力、有利于获得理想的强度和硬度以及珠光体、有便于增进耐磨性能而藉以显著延长使用寿命的高碳当量高强度低应力玻璃模具材料。首先，业界公认，作为在530℃附近工况温度下，持续工作，铁素体稳定性大大优于珠光体，因为珠光体在长期在该温度下，将出现缓慢分解成铁素体和石墨，存在固态相变问题，导致出现严重的不可逆的生长，巨大的相变应力结合模具内壁和外壁梯度温差引起的热应力，严重者模具内腔将开裂。在其他因素一样的情况下，珠光体的导热性能大大低于铁素体。势必将导致模具的正常使用温度提高，进一步加剧各种应力的提高，同时模具在更加高的温度情况下工作，抗氧化能力的下降是直线式的。其二，灰铸铁即使添加数量众多的合金元素，由于其石墨形态决定，硬度、强度、弹性模量等物理性能始终无法跟蠕墨铸铁及球墨铸铁相比，但是由于众多合金元素的加入，不可避免存在大量碳化物，即使进行高温石墨化退火也只能分解一小部分碳化物，由于基体存在大量V、Cr等的碳化物，将导致后续机械加工，尤其是玻璃模具特有的垂直冷却深孔加工困难，机械加工成本将大大提高。同时，钒铁、钼铁、镍等加入量非常高，加上其余铜、铬金属使得模具铸件材料成本显著增加。

球墨铸铁材料，与D灰铸铁相比，抗氧化性能优异，高温强度及弹性模量等物理性能也最铸铁中最高的。但球墨铸铁的铸造性能，相比灰铸铁和蠕墨铸铁较差，容易产生缩孔疏松等铸造缺陷。而且球墨铸铁的导热性能是铸铁中最差的，容易导致模具上机使用后过热。因此目前主要适用于一些容量较小的化妆品类，药品类玻璃瓶罐的生产上。蠕墨铸铁由于导热性和石墨对基体的割裂作用都居于灰铸铁和球铁之间，且偏向两者的有益方向，抗氧化性能远高于灰铸铁，导热性能有接近灰铸铁，因此综合使用性能对比灰铸铁和球铁更加优异，特别适合于中等大小的啤酒瓶，白酒瓶瓶型的模具使用，其铸造性能和机械加工性能也居于两者之间。因此普遍使用于玻璃模具行业中。

同时，目前国内外蠕墨铸铁玻璃模具材料面临主要问题是蠕墨铸铁玻璃模具铸件及成品在生产过程中及在行列机使用过程中，内在较大内应力，导致铸件在铸态下变形严重铸件因无机械加工余量而报废，在上机使用过程中，模具变形而产生粗大合缝线的问题。

如在公开的中国专利文献CN 107557546 A，“一种基于蠕墨铸铁的玻璃瓶模具退火方法”，给出减少铸造毛坯应力的方案。按照该专利描述“升温至900~950℃，保温3~5小时”但是在实践操作中，在950℃的保温温度水平，进行5小时以下的保温是很难将很难将一些强碳化物形成元素形成的碳化物通过退火去除的，列如V，Ti等元素形成的MC型或M2C型碳化物。业界公知，对于玻璃模具使用的铸件，铁素体数量越高越好，珠光体及碳化物越少越好。该专利方案最终只能得到的铁素体数量为85%以上，并非是最优方案。玻璃模具产品通常在铸件阶段退火后，还需要进行机械加工，及重要工作面的局部镍基合金等离子喷焊处理，由于等离子焊模具局部温度达到1100℃以上，而模具其余非焊部位温度一般预热至600-700℃之间，由于温差的存在，该工序会重新使玻璃模具产品产生很大的焊接应力。而CN 107557546 A专利，并未涉及到等离子喷焊后的处理方法，最终还是无法避免应机械加工过程中产生的应力，而导致蠕墨铸铁玻璃模具在上机使用过程中的变形问题。

又如在前述提到的CN 108018481 A，“一种高碳当量高强度低应力玻璃模具材料”的权利要求中，一个具体的实施例中有涉及“步骤C）中所述的控制退火温度是将退火温度控制为920-960℃之间，所述的控制退火时间是将退火时间控制为4-6h；步骤D）中所述的喷涂是指对毛坯的模腔和合缝面喷涂镍基合金焊粉，所述的控制去应力退火温度和退火时间以及出炉温度是将退火温度控制在580-620℃，将退火时间控制在4-6h，将出炉温度控制在100-200℃之间。”在进行一次铸件退火，进行一次去应力退火，但是对于退火方案的具体工艺描述十分笼统，且描述涉及的工艺参数范围亦同，专利“CN 107557546 A”同理，存在难消碳化物，得不到高百分比铁素体基体的最终结果。（CN 108018481 A专利，本意着重点在于得到，“有利于获得理想的强度和硬度以及珠光体”）。

综上所述并非限于例举的前述专利文献均不足，为使得到退火状态下以铁素体为主，残余铸造应力及变形量较小，在机械加工要求接受范围内的蠕墨铸件玻璃模具毛坯，及上机使用无明显变形的玻璃模具产品，本专利将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种消除蠕墨铸铁玻璃模具应力的方法，能够有效消除蠕墨铸铁玻璃模具的应力。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种消除蠕墨铸铁玻璃模具应力的方法，包括：

（1）将采用蠕墨铸铁浇铸的玻璃瓶模具铸件毛坯冷却至250℃以下，开箱落砂，然后装入退火炉中；

（2）以80~100℃/h的速度升温至第一温度范围，所述第一温度范围为960℃以上，保温8小时以上；

（3）保温时间结束后，在保温温度从第一温度范围至第二温度范围，所述第二温度范围为780-800℃，以80~100℃/h进行降温；

（4）在第二温度范围-740℃之间，以＜15℃/h进行缓慢降温；

（5）740℃-350℃温度区间，以＜25℃/h进行降温；

（6）350℃-250℃温度区间，以＜40℃/h进行降温；

（7）250℃出炉，冷却至室温；

（8）进行常规的机械粗加工，再对模具关键表面进行等离子喷焊或其他方式进行喷焊处理；

（9）对喷焊好的模具半成品，进行消除喷焊及机械粗加工产生的应力的处理，具体如下：

（91）将喷焊后冷却至室温-150℃温度区间内的模具半成品，装入退火炉；

（92）以＜80℃/h的速度升温至第三温度范围，第三温度范围为620-650℃，保温3-4小时；

（93）保温结束后，开始降温，在第三温度范围-350℃温度区间，以＜25℃/h进行降温；

（94）350℃-200℃温度区间，以＜30℃/h进行降温；

（95）200℃出炉，冷却至室温，得到消除应力后的模具。

在本发明一个较佳实施例中，所述消除应力后的模具为原始铸造模具的应力的15%以下。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（1）中的保温时间为8-10小时。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（92）中所述第三温度范围为650℃。

本发明的有益效果是：本发明消除蠕墨铸铁玻璃模具应力的方法，具有以下优点：

1、充分考虑蠕墨铸铁玻璃模具生产各个阶段的材料性能，根据材料本身的性能，针对性的提出，对应的退火工艺。充分消除铸件的残余应力，及后续的加工应力。

2、玻璃瓶模具毛坯能够产生体积分数为90%以上的铁素体基体，有利于铸铁基体的导热性能，提高模具的使用寿命。

3、高温稳定性碳化物，列如V，Ti等元素形成的MC型或M2C型碳化物，可以大幅度减少，有利于机械加工。

4、有利减小毛坯及成品加工后的内引力，保证蠕墨铸铁铸件毛坯的尺寸稳定性，提高铸件的合格率，防止上机使用后，产生热变形，保证模具使用时的尺寸稳定性，得到合缝线符合要求的高质量玻璃瓶。

附图说明

图1是本发明蠕墨铸铁玻璃模具铸件石墨化退火曲线；

图2是本发明蠕墨铸铁玻璃模具铸件喷焊后消应力退火曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1和图2，本发明实施例包括：

一种本发明消除蠕墨铸铁玻璃模具应力的方法，具体步骤包括：

（1）将采用蠕墨铸铁浇铸的玻璃瓶模具铸件毛坯冷却至250℃以下，开箱落砂，然后装入退火炉中，以保证铸件的原始铸造应力值及铸件毛坯变形不至于过大，没退火之前就超过，机械加工需要的标准。

（2）以80~100℃/h的速度升温至960-980℃，保温8-10小时。快速升温是为节省退火时间，960℃以上的保温温度及8小时以上的，确保，列如V，Ti等元素形成的MC型或M2C型高温稳定性碳化物，最大程度的溶解，体积分数减少。这样铸件中的硬质点将大幅度降低，对于机械加工效率，刀具损耗等具有决定性的影响。

（3）保温时间结束后，在保温温度（960-980℃）至780-800℃，以80~100℃/h进行降温。因为780-980℃，温度区间，对铸铁基体共析转变及应力变化基本没有影响，可以提高退火的效率。

（4）在[（780-800℃）-740℃]之间，以＜15℃/h进行缓慢降温。该处缓慢降温的目的是蠕墨铸铁共析温度正好在该区间之间，正是奥氏体向铁素体或珠光体转化的关键区间。缓慢降温或者保温，则奥氏体转变为铁素体，快速降温则转变向珠光体。

（5）740℃-350℃温度区间，以＜25℃/h进行降温，该温度区间是蠕墨铸铁铸件绝大部分应力消除的温度区间。如果降温速度超过30℃/h，得到的铸件内部依旧有相当部分的残余应力为消减。

（6）350℃-250℃温度区间，以＜40℃/h进行降温，该温度区间，还具有小部分残余应力可以消减，但综合考虑退火效率及生产成本，此处不应降温过慢。

（7）250℃出炉，冷却至室温。250℃以下，对铸件内部应力变化基本不起作用了。

（8）进行常规的机械粗加工，再对模具关键表面进行等离子喷焊或其他方式进行喷焊处理。

对喷焊好的模具半成品，进行消除喷焊及机械粗加工产生的应力的处理。具体如下：

（9）将喷焊后冷却至室温-150℃温度区间内的模具半成品，装入退火炉。

（10）以＜80℃/h的速度升温至620-650℃，保温3-4小时。业界公知，在消应力退火工艺中，保温温度的高低对消除应力的影响远大于保温时间。同时，玻璃模具壁厚基本没有超过100mm的，通常都在70mm以内，因此以铸造行业技术标准，每小时热透25mm计算，无需超过4小时，因此，保温温度设置在650℃，这是蠕墨铸铁不产生固态相变的最高温度，温度设置为3-4小时，保证可以做到足够的去应力效果，又兼顾了生产周期和成本。

（11）保温结束后，开始降温，在[(620-650℃)-350℃]温度区间，以＜25℃/h进行降温，该温度区间是蠕墨铸铁铸件绝大部分应力消除的温度区间。如果降温速度超过30℃/h，得到的铸件内部依旧有相当部分的残余应力为消减。

（12）350℃-200℃温度区间，以＜30℃/h进行降温，该温度区间，还具有小部分残余应力可以消减，考虑到这是成品前最后的消应力措施，兼顾生产周期及成本，此处选择以＜30℃/h进行降温。

（13）200℃出炉，冷却至室温。

实施例一:

将采用蠕墨铸铁浇铸的玻璃瓶模具铸件毛坯冷却至250℃以下，开箱落砂，然后装入退火炉中；以80~100℃/h的速度升温至960℃，保温8小时；保温时间结束后，在保温温度从960℃-800℃，以80℃/h进行降温；在800℃-740℃之间，以＜15℃/h进行缓慢降温；740℃-350℃温度区间，以＜25℃/h进行降温；350℃-250℃温度区间，以＜40℃/h进行降温；250℃出炉，冷却至室温；进行常规的机械粗加工，再对模具关键表面进行等离子喷焊或其他方式进行喷焊处理。

对喷焊好的模具半成品，进行消除喷焊及机械粗加工产生的应力的处理，具体如下：将喷焊后冷却至室温-150℃温度区间内的模具半成品，装入退火炉；以＜80℃/h的速度升温至620℃，保温3小时；保温结束后，开始降温，在620℃-350℃温度区间，以＜25℃/h进行降温；350℃-200℃温度区间，以＜30℃/h进行降温；200℃出炉，冷却至室温，得到消除应力后的模具。

实施例二：

将采用蠕墨铸铁浇铸的玻璃瓶模具铸件毛坯冷却至250℃以下，开箱落砂，然后装入退火炉中；以80~100℃/h的速度升温至970℃，保温9小时；保温时间结束后，在保温温度从970℃-790℃，以90℃/h进行降温；在790℃-740℃之间，以＜15℃/h进行缓慢降温；740℃-350℃温度区间，以＜25℃/h进行降温；350℃-250℃温度区间，以＜40℃/h进行降温；250℃出炉，冷却至室温；进行常规的机械粗加工，再对模具关键表面进行等离子喷焊或其他方式进行喷焊处理。

对喷焊好的模具半成品，进行消除喷焊及机械粗加工产生的应力的处理，具体如下：将喷焊后冷却至室温-150℃温度区间内的模具半成品，装入退火炉；以＜80℃/h的速度升温至630℃，保温3.5小时；保温结束后，开始降温，在630℃-350℃温度区间，以＜25℃/h进行降温；350℃-200℃温度区间，以＜30℃/h进行降温；200℃出炉，冷却至室温，得到消除应力后的模具。

实施例三：

将采用蠕墨铸铁浇铸的玻璃瓶模具铸件毛坯冷却至250℃以下，开箱落砂，然后装入退火炉中；以80~100℃/h的速度升温至980℃，保温10小时以上；保温时间结束后，在保温温度从980℃-780℃，以100℃/h进行降温；在780℃-740℃之间，以＜15℃/h进行缓慢降温；740℃-350℃温度区间，以＜25℃/h进行降温；350℃-250℃温度区间，以＜40℃/h进行降温；250℃出炉，冷却至室温；进行常规的机械粗加工，再对模具关键表面进行等离子喷焊或其他方式进行喷焊处理。

对喷焊好的模具半成品，进行消除喷焊及机械粗加工产生的应力的处理，具体如下：将喷焊后冷却至室温-150℃温度区间内的模具半成品，装入退火炉；以＜80℃/h的速度升温至650℃，保温4小时；保温结束后，开始降温，在650℃-350℃温度区间，以＜25℃/h进行降温；350℃-200℃温度区间，以＜30℃/h进行降温；200℃出炉，冷却至室温，得到消除应力后的模具。

经过上述步骤，消除应力的措施，最后生产成的模具成品的应力只相当于原始铸造应力的15%以下。

本发明消除蠕墨铸铁玻璃模具应力的方法，前后之间具有有机整体的联系，如果只按照其中某个局部步骤，将达不到相应的效果。

本发明消除蠕墨铸铁玻璃模具应力的方法，经过特定的热处理，蠕墨铸铁玻璃模具毛坯残余铸造应力小，退火后变形在机械加工可接受范围内，铸件因变形而无机械加工余量的比例大大减少。最后成品蠕墨铸铁玻璃模具产品的应力只相当于原始铸造应力的15%以下。在行列机上机使用过程中，不存在明显的变形，不会因为玻璃瓶合缝线粗大、模具变形而导致模具失效。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种消除蠕墨铸铁玻璃模具应力的方法，其特征在于，包括：

（1）将采用蠕墨铸铁浇铸的玻璃瓶模具铸件毛坯冷却至250℃以下，开箱落砂，然后装入退火炉中；

（2）以80~100℃/h的速度升温至第一温度，所述第一温度为960℃-980℃，保温8小时以上；

（3）保温时间结束后，在保温温度从第一温度至第二温度，所述第二温度为780-800℃，以80~100℃/h进行降温；

（4）在第二温度-740℃之间，以＜15℃/h进行缓慢降温；

（5）740℃-350℃温度区间，以＜25℃/h进行降温；

（6）350℃-250℃温度区间，以＜40℃/h进行降温；

（7）250℃出炉，冷却至室温；

（8）进行常规的机械粗加工，再对模具关键表面进行等离子喷焊或其他方式进行喷焊处理；

（9）对喷焊好的模具半成品，进行消除喷焊及机械粗加工产生的应力的处理，具体如下：

（91）将喷焊后冷却至室温-150℃温度区间内的模具半成品，装入退火炉；

（92）以＜80℃/h的速度升温至第三温度，第三温度为620-650℃，保温3-4小时；

（93）保温结束后，开始降温，在第三温度-350℃温度区间，以＜25℃/h进行降温；

（94）350℃-200℃温度区间，以＜30℃/h进行降温；

（95）200℃出炉，冷却至室温，得到消除应力后的模具。

2.根据权利要求1所述的消除蠕墨铸铁玻璃模具应力的方法，其特征在于，所述消除应力后的模具为原始铸造模具的应力的15%以下。

3.根据权利要求1所述的消除蠕墨铸铁玻璃模具应力的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的保温时间为8-10小时。

4.根据权利要求1所述的消除蠕墨铸铁玻璃模具应力的方法，其特征在于，所述步骤（92）中所述第三温度为650℃。

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