CN113416886A - 一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材及其制备方法，按照质量百分数包括以下组分：3.6～3.9％C、2.2～2.8％Si、0.04～0.06％Mg、0.03～0.06％Re、≤0.50％Mn、0.5～0.8％Ca、0.8～1.5％Ba、≤0.08％P、≤0.025％S，其余为Fe和不可避免的杂质。得到的型材金属基体为铁素体，且石墨球的密度数和规整度高，因而模具具有高的抗热震疲劳和长的服役寿命；同时因为石墨球直径很小，防止了模具因石墨球的氧化导致模具型腔的内表面产生麻坑，提高了玻璃器件的表面质量，延长了玻璃模具的使用寿命。

Description

一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材及其制备方法
技术领域
本发明属于玻璃模具技术领域，涉及一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材，还涉及上述玻璃模具铁型材的制备方法。
背景技术
玻璃模具在工作过程中，需要在空气的环境下与温度达到1000℃的高温玻璃熔体反复接触，由此使得玻璃模具的工作温度在600℃至室温范围内反复变化。因此对玻璃模具的热疲劳性能、抗热震性性能、抗氧化性能等都提出了较高的要求。目前，玻璃模具一般采用球墨铸铁制造。球墨铸铁中金属基体组织、石墨球大小及其形态的规整度等都是影响球墨铸铁玻璃模具使用性能和服役寿命的关键因素。当金属基体为铁素体基体，且石墨球的直径越细小、尺寸基本一致和圆整度越高，则玻璃模具的热疲劳性能、抗热震性性能和抗氧化性能越好。同时石墨球直径越小，因玻璃模具表面露头的石墨球在服役温度下的氧化而在模具型腔表面产生的麻坑也越细小，相应的疲劳断裂的裂纹源尺寸减小，这有利于提高玻璃模具热疲劳性能和抗热震性性能；同时，球墨铸铁中石墨球形状越接近球形，即石墨球的圆整度越高，由材料的断裂理论可知：因石墨球而形成的裂纹源扩展越困难，因而有利于材料疲劳性能的提高。另外，因表面麻坑尺寸的减小，在玻璃瓶的成型过程中因玻璃熔体压入模具表面麻坑而使玻璃器皿表面不光滑，进而使得玻璃模具提前失效的可能性大大降低，从而有利于延长玻璃模具的服役寿命，降低玻璃器皿的生产成本。因此获得铁素体基体且石墨球圆整度高、直径细小和大小基本均匀(石墨球圆整度越高，相应的石墨球规整度越高；而石墨球直径越细小且尺寸越均匀则石墨球的密度数越高)的球墨铸铁型材，提升球墨铸铁玻璃模具的热疲劳性能、抗热震性性能和抗氧化性能，就对提高球墨铸铁玻璃模具的使用性能和服役寿命、提高玻璃器皿生产效率和降低其生产成本非常关键。
然而，在传统的球墨铸铁型材玻璃模具的制造过程中，一般采用砂铸成型的方法获得玻璃模具的毛坯。受砂铸工艺特性的影响，球墨铸铁型材玻璃模具中的石墨球圆整度、石墨球直径及其均匀性均不理想，因此难以获得高性能和长服役寿命的球墨铸铁型材玻璃模具。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材，解决了现有技术中存在的砂铸球墨铸铁型材玻璃模具中因石墨球粗大、密度数低而造成的球墨铸铁型材玻璃模具热疲劳性能、抗热震性性能和抗氧化性能差的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材，按照质量百分数包括以下组分：
3.6～3.9％C、2.2～2.8％Si、0.04～0.06％Mg、0.03～0.06％Re、≤0.50％Mn、0.5～0.8％Ca、0.8～1.5％Ba、≤0.08％P、≤0.025％S，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明的特点还在于：
玻璃模具铁型材的金相组织为铁素体基体+共晶球形石墨。
本发明的另一目的是提供一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材的制备方法。
本发明所采用的另一种技术方案是，一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、按照比例称取废钢、生铁原料、孕育剂及球化剂，将废钢、生铁原料加热熔炼成铁水；
步骤2、将球化剂置于浇包的底部，然后在球化剂表面覆盖孕育剂，压实后在孕育剂的表面覆盖覆盖剂；
步骤3、先将铁水冲入浇包中，再在铁水上撒放孕育剂，搅拌铁水，然后静置1～2min，进行铁水的孕育与球化处理；
步骤4、将步骤3处理后的铁水进行凝固并连铸得到玻璃模具铁型材。
步骤1中孕育剂按照质量分数包括以下组分：1～2％Ba、1～2％Ca、0.010～0.015％Bi、1～2％RE、60～70％Si、2.0～2.5％Mn，其余为Fe；且孕育剂的粒径为0.20～0.85mm。
步骤1中球化剂按照质量分数包括以下组分：5.5～6.5％Mg、1.5～2.5％Re、4.0～5.0％Si、1.5～2.5％Ca、≤1.3％Mn、≤0.5％Al、≤0.4％Ti，其余为Fe；且球化剂的颗粒大小为1～3mm。
步骤1中孕育剂为铁水总质量的0.6～1.0％，球化剂为铁水总质量1.0～1.2％。
步骤1中加热熔炼过程为：将废钢、面包或高炉铁水铁置于中频感应炉中加热熔炼、配制成铁水，加热熔炼温度1500～1530℃，并在该温度下保温3～5min。
步骤2中覆盖在球化剂表面的孕育剂含量为孕育剂总量的3/4，步骤3中孕育剂含量为孕育剂总量的1/4。
步骤4具体过程为：将步骤3处理后的铁水倒入水平连铸装置的结晶炉中，然后按照铁型材水平连铸工艺规范进行铁水的凝固并连铸得到玻璃模具铁型材；连铸过程中进水口水温小于等于20℃，进水口和出水口的温差小于等于40℃；拉拔速度能保证每一包铁水在8min内完全拉拔成玻璃模具铁型材。
本发明的有益效果是：
本发明一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材，其金相组织为：铁素体基体+高密度数和规整度的细小球形石墨。由于型材的金属基体为铁素体，且石墨球的密度数和规整度高(以直径或厚度小于300mm的球墨铸铁型材为例，其截面中心处的石墨球密度数不少于500个/mm2)，因而模具具有高的抗热震疲劳和长的服役寿命；同时因为石墨球直径很小，防止了模具因石墨球的氧化导致模具型腔的内表面产生麻坑，提高了玻璃器件的表面质量，延长了玻璃模具的使用寿命。本发明一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材的制备方法，通过采用特殊的孕育剂和球化剂，结合连铸的强冷却技术，控制铁水凝固过程中的石墨球的形核和长大，抑制凝固过程中孕育剂和球化剂的衰退，从而实现石墨高的形核率、低的长大速度以及石墨球的高圆整度，获得具有高石墨球密度数和高石墨球规整度的球墨铸铁型材玻璃模具，解决了现有砂铸球墨铸铁型材玻璃模具中因石墨球粗大、密度数低(以直径或厚度为300mm的球墨铸铁型材为例，其截面中心处石墨球密度数最大为200个/mm2)而造成的球墨铸铁型材玻璃模具热疲劳性能、抗热震性性能和抗氧化性能差，进而使得球墨铸铁型材玻璃模具使用性能差和服役寿命短的问题，显著改善了球墨铸铁型材玻璃模具的使用性能和延长其服役寿命，降低了玻璃器皿的生产成本，提高了生产效益，因而对玻璃器皿的制造具有十分重要的意义。
附图说明
图1是本发明一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材的金相组织结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材，按照质量百分数包括以下组分：
3.6～3.9％C、2.2～2.8％Si、0.04～0.06％Mg、0.03～0.06％Re、≤0.50％Mn、0.5～0.8％Ca、0.8～1.5％Ba、≤0.08％P、≤0.025％S，其余为Fe和不可避免的杂质。
玻璃模具铁型材的金相组织为铁素体基体+高密度数和规整度的细小共晶球形石墨(不存在先共晶石墨球)。以直径或厚度不大于300mm玻璃模具型材为例，玻璃模具铁型材中心处共晶球形石墨密度数大于等于500个/mm2。
一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、按照玻璃模具铁型材的组分组成称取废钢、生铁原料、孕育剂及球化剂，将生铁原料、废钢置于中频感应炉中加热熔炼成铁水，加热熔炼温度1500～1530℃，并在该温度下保温3～5min；其中孕育剂为铁水总质量的0.6～1.0％，球化剂为铁水总质量1.0～1.2％；生铁原料为面包铁或高炉铁水；
孕育剂按照质量分数包括以下组分：1～2％Ba、1～2％Ca、0.010～0.015％Bi、1～2％RE、60～70％Si、2.0～2.5％Mn，其余为Fe；且孕育剂的粒径为0.20～0.85mm；
球化剂按照质量分数包括以下组分：5.5～6.5％Mg、1.5～2.5％Re、4.0～5.0％Si、1.5～2.5％Ca、≤1.3％Mn、≤0.5％Al、≤0.4％Ti，其余为Fe；且球化剂的颗粒大小为1～3mm。
步骤2、将球化剂置于浇包的底部，然后在球化剂表面覆盖孕育剂，压实后在孕育剂的表面覆盖覆盖剂；覆盖在球化剂表面的孕育剂含量为孕育剂总量的3/4；
步骤3、先将铁水冲入浇包中，再在铁水上撒放孕育剂，搅拌铁水，然后静置1～2min，进行铁水的孕育与球化处理；孕育剂含量为孕育剂总量的1/4；
步骤4、将步骤3处理后的铁水倒入水平连铸装置的结晶炉中，然后按照铁型材水平连铸工艺规范进行铁水的凝固并连铸得到玻璃模具铁型材；连铸过程中进水口水温小于等于20℃，进水口和出水口的温差小于等于40℃；拉拔速度能保证每一包铁水在8min内完全拉拔成玻璃模具铁型材。
通过以上方式，本发明一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材，其金相组织为铁素体基体+高密度数和规整度的细小共晶球形石墨；当玻璃模具铁型材直径或厚度不大于300mm型材时，共晶球形石墨密度数大于等于500个/mm2。由于球形石墨密度数和圆整度(规整度)高，且金属基体为铁素体，因而具有高的热疲劳性能、抗热震性性能和抗氧化性能。本发明一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材的制备方法，通过采用特殊的孕育剂和球化剂，结合连铸的强冷却技术，控制铁水凝固过程中的石墨球的形核和长大，抑制凝固过程中孕育剂和球化剂的衰退，从而实现石墨高的形核率、低的长大速度以及石墨球的高圆整度，获得具有高石墨球密度数和高石墨球规整度的球墨铸铁型材玻璃模具，解决了现有砂铸球墨铸铁型材玻璃模具中因石墨球粗大、密度数低(相应的型材截面石墨球密度数最大为200个/mm2)而造成的球墨铸铁型材玻璃模具热疲劳性能、抗热震性性能和抗氧化性能差，进而使得球墨铸铁型材玻璃模具使用性能差和服役寿命短的问题，显著改善了球墨铸铁型材玻璃模具的使用性能和延长其服役寿命，降低了玻璃器皿的生产成本，提高了去生产效益，因而对玻璃器皿的制造具有十分重要的意义。
实施例1
步骤1、称取废钢、面包铁、孕育剂及球化剂，将面包铁、废钢置于中频感应炉中加热熔炼成铁水，加热熔炼温度1500℃，并在该温度下保温3min；其中孕育剂为铁水总质量的0.6％，孕育剂按照质量分数包括以下组分：1％Ba、1％Ca、0.010％Bi、1％RE、60％Si、2.0％Mn，其余为Fe；且孕育剂的粒径为0.20～0.85mm；球化剂为铁水总质量1.0％；球化剂按照质量分数包括以下组分：5.5％Mg、1.5％Re、4.0％Si、1.5％Ca、1.3％Mn、0.5％Al、0.4％Ti，其余为Fe；且球化剂的颗粒大小为1～3mm。
步骤2、将球化剂置于浇包的底部，然后在球化剂表面覆盖孕育剂，压实后在孕育剂的表面覆盖覆盖剂；覆盖在球化剂表面的孕育剂含量为孕育剂总量的3/4；
步骤3、先将铁水冲入浇包中，再在铁水上撒放孕育剂，搅拌铁水，然后静置1min，进行铁水的孕育与球化处理；孕育剂含量为孕育剂总量的1/4；
步骤4、将步骤3处理后的铁水倒入水平连铸装置的结晶炉中，然后按照铁型材水平连铸工艺规范进行铁水的凝固并连铸得到玻璃模具铁型材；连铸过程中进水口水温为20℃，进水口和出水口的温差为40℃；拉拔速度能保证每一包铁水在8min内完全拉拔成玻璃模具铁型材；
本实施例制备得到的玻璃模具铁型材金相组织如图1所示，从图中可以看出，玻璃模具铁型材组织中的石墨球细小、尺寸均匀和空间分布均匀；其组分为：
3.6％C、2.8％Si、0.04％Mg、0.03％Re、0.50％Mn、0.5％Ca、0.8％Ba、0.08％P、0.025％S，其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例2
步骤1、称取废钢、高炉铁水、孕育剂及球化剂，将高炉铁水、废钢置于中频感应炉中加热熔炼成铁水，加热熔炼温度1530℃，并在该温度下保温5min；其中孕育剂为铁水总质量的1.0％，孕育剂按照质量分数包括以下组分：2％Ba、2％Ca、0.015％Bi、2％RE、70％Si、2.5％Mn，其余为Fe；且孕育剂的粒径为0.20～0.85mm；球化剂为铁水总质量1.2％；球化剂按照质量分数包括以下组分：6.5％Mg、2.5％Re、5.0％Si、2.5％Ca、1.0％Mn、0.4％Al、0.3％Ti，其余为Fe；且球化剂的颗粒大小为1～3mm。
步骤2、将球化剂置于浇包的底部，然后在球化剂表面覆盖孕育剂，压实后在孕育剂的表面覆盖覆盖剂；覆盖在球化剂表面的孕育剂含量为孕育剂总量的3/4；
步骤3、先将铁水冲入浇包中，再在铁水上撒放孕育剂，搅拌铁水，然后静置2min，进行铁水的孕育与球化处理；孕育剂含量为孕育剂总量的1/4；
步骤4、将步骤3处理后的铁水倒入水平连铸装置的结晶炉中，然后按照铁型材水平连铸工艺规范进行铁水的凝固并连铸得到玻璃模具铁型材；连铸过程中进水口水温不超过15℃，进水口和出水口的温差不超过30℃；拉拔速度能保证每一包铁水在8min内完全拉拔成玻璃模具铁型材；
本实施例制备得到的玻璃模具铁型材组分为：
3.9％C、2.8％Si、0.06％Mg、0.06％Re、0.40％Mn、0.8％Ca、1.5％Ba、0.06％P、0.020％S，其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例3
步骤1、称取废钢、面包铁、孕育剂及球化剂，将面包铁、废钢置于中频感应炉中加热熔炼成铁水，加热熔炼温度1510℃，并在该温度下保温4min；其中孕育剂为铁水总质量的0.8％，孕育剂按照质量分数包括以下组分：1.5％Ba、1.5％Ca、0.013％Bi、1.5％RE、65％Si、2.2％Mn，其余为Fe；且孕育剂的粒径为0.20～0.85mm；球化剂为铁水总质量1.1％；球化剂按照质量分数包括以下组分：6.0％Mg、2.0％Re、4.5％Si、2.0％Ca、0.8％Mn、0.3％Al、0.2％Ti，其余为Fe；且球化剂的颗粒大小为1～3mm。
步骤2、将球化剂置于浇包的底部，然后在球化剂表面覆盖孕育剂，压实后在孕育剂的表面覆盖覆盖剂；覆盖在球化剂表面的孕育剂含量为孕育剂总量的3/4；
步骤3、先将铁水冲入浇包中，再在铁水上撒放孕育剂，搅拌铁水，然后静置1.5min，进行铁水的孕育与球化处理；孕育剂含量为孕育剂总量的1/4；
步骤4、将步骤3处理后的铁水倒入水平连铸装置的结晶炉中，然后按照铁型材水平连铸工艺规范进行铁水的凝固并连铸得到玻璃模具铁型材；连铸过程中进水口水温为20℃，进水口和出水口的温差为40℃；拉拔速度能保证每一包铁水在8min内完全拉拔成玻璃模具铁型材；
本实施例制备得到的玻璃模具铁型材组分为：
3.8％C、2.5％Si、0.05％Mg、0.04％Re、0.40％Mn、0.70％Ca、1.0％Ba、0.06％P、0.020％S，其余为Fe和不可避免的杂质。
实施例4
步骤1、称取废钢、高炉铁水、孕育剂及球化剂，将高炉铁水、废钢置于中频感应炉中加热熔炼成铁水，加热熔炼温度1520℃，并在该温度下保温5min；其中孕育剂为铁水总质量的1.0％，孕育剂按照质量分数包括以下组分：1％Ba、2％Ca、0.015％Bi、1％RE、70％Si、2.5％Mn，其余为Fe；且孕育剂的粒径为0.20～0.85mm；球化剂为铁水总质量1.2％；球化剂按照质量分数包括以下组分：6.5％Mg、2.5％Re、4.0％Si、1.5％Ca、1.1％Mn、0.4％Al、0.3％Ti，其余为Fe；且球化剂的颗粒大小为1～3mm。
步骤2、将球化剂置于浇包的底部，然后在球化剂表面覆盖孕育剂，压实后在孕育剂的表面覆盖覆盖剂；覆盖在球化剂表面的孕育剂含量为孕育剂总量的3/4；
步骤3、先将铁水冲入浇包中，再在铁水上撒放孕育剂，搅拌铁水，然后静置2min，进行铁水的孕育与球化处理；孕育剂含量为孕育剂总量的1/4；
步骤4、将步骤3处理后的铁水倒入水平连铸装置的结晶炉中，然后按照铁型材水平连铸工艺规范进行铁水的凝固并连铸得到玻璃模具铁型材；连铸过程中进水口水温为20℃，进水口和出水口的温差为30℃；拉拔速度能保证每一包铁水在8min内完全拉拔成玻璃模具铁型材；
本实施例制备得到的玻璃模具铁型材组分为：
3.6％C、2.8％Si、0.06％Mg、0.036％Re、0.40％Mn、0.8％Ca、1.5％Ba、0.07％P、0.020％S，其余为Fe和不可避免的杂质。

Claims (9)

1.一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材，其特征在于，按照质量百分数包括以下组分：
3.6～3.9％C、2.2～2.8％Si、0.04～0.06％Mg、0.03～0.06％Re、≤0.50％Mn、0.5～0.8％Ca、0.8～1.5％Ba、≤0.08％P、≤0.025％S，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材，其特征在于，所述玻璃模具铁型材的金相组织为铁素体基体+共晶球形石墨。
3.一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、按照比例称取废钢、生铁原料、孕育剂及球化剂，将所述废钢、生铁原料加热熔炼成铁水；
步骤2、将所述球化剂置于浇包的底部，然后在所述球化剂表面覆盖孕育剂，压实后在孕育剂的表面覆盖覆盖剂；
步骤3、先将所述铁水冲入浇包中，再在铁水上撒放孕育剂，搅拌铁水，然后静置1～2min，进行铁水的孕育与球化处理；
步骤4、将步骤3处理后的铁水进行凝固并连铸得到玻璃模具铁型材。
4.根据权利要求3所述的一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材的制备方法，其特征在于，步骤1中所述孕育剂按照质量分数包括以下组分：1～2％Ba、1～2％Ca、0.010～0.015％Bi、1～2％RE、60～70％Si、2.0～2.5％Mn，其余为Fe；且所述孕育剂的粒径为0.20～0.85mm。
5.根据权利要求3所述的一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材的制备方法，其特征在于，步骤1中所述球化剂按照质量分数包括以下组分：5.5～6.5％Mg、1.5～2.5％Re、4.0～5.0％Si、1.5～2.5％Ca、≤1.3％Mn、≤0.5％Al、≤0.4％Ti，其余为Fe；且所述球化剂的颗粒大小为1～3mm。
6.根据权利要求3所述的一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材的制备方法，其特征在于，步骤1中所述孕育剂为铁水总质量的0.6～1.0％，球化剂为铁水总质量1.0～1.2％。
7.根据权利要求3所述的一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材的制备方法，其特征在于，步骤1中加热熔炼过程为：将所述废钢、生铁原料置于中频感应炉中加热熔炼成铁水，加热熔炼温度1500～1530℃，并在该温度下保温3～5min。
8.根据权利要求3所述的一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材的制备方法，其特征在于，步骤2中覆盖在所述球化剂表面的孕育剂含量为孕育剂总量的3/4，步骤3中所述孕育剂含量为孕育剂总量的1/4。
9.根据权利要求3所述的一种抗热震疲劳的玻璃模具铁型材的制备方法，其特征在于，步骤4具体过程为：将步骤3处理后的铁水倒入水平连铸装置的结晶炉中，然后按照铁型材水平连铸工艺规范进行铁水的凝固并连铸得到玻璃模具铁型材；连铸过程中进水口水温小于等于20℃，进水口和出水口的温差小于等于40℃；拉拔速度能保证每一包铁水在8min内完全拉拔成玻璃模具铁型材。
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