CN115161540B - 高导热性能玻璃模具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高导热性能玻璃模具，材质为灰铸铁，由以下质量百分数的化学成分组成：C：3.50‑3.85%，Si：1.75‑2.10%，Mn：0.40‑0.80%，Ti：0.15‑0.19%，Ni：0.20‑0.45%，Cu：0.15‑0.35%，其余为铁和不可避免的杂质，通过合理的元素配比、浇注方法、极冷方式，形成内腔具有A+D型石墨，从而具有较高的导热性能，还提供高导热性能玻璃模具制备方法，进一步使模具增强其导热性能，从而增加玻璃模具的使用寿命。

Description

高导热性能玻璃模具及其制备方法

技术领域

本发明属于玻璃模具制备技术领域，涉及一种高导热性能玻璃模具及其制备方法。

背景技术

玻璃瓶容器是人们日常生活中常用的容器之一，其价廉、环保、重复利用的特点而广泛受到人们的喜爱，而玻璃模具是玻璃容器成型的重要装备。我国人口数量众多，是生活用品消费的大国，而玻璃容器是重要的载物，因此，如何制作价廉物美的玻璃容器是需要模具厂商拭待攻克的难题。

制造玻璃模具的材料通常有铸铁、铜合金、不锈钢、镍合金等，模具厂商在制造镍基合金、铜合金玻璃模具的过程中需要消耗大量的钼、镍、铜等贵重金属，来增强玻璃模具的综合力学性能，如导热性能、抗氧化性能、耐腐蚀性能等各种物理性能，这些金属材料不仅价格昂贵且生产工艺过程复杂程度且难度较大，铜合金铸造过程容易吸气氧化，其合金产品的良品率低；镍合金成本昂贵，生产周期较长，因此降低生产成本是玻璃模具制备过程中不容忽视的重要因素。

而铸铁材料成本较低，其材质主要分为蠕墨铸铁和灰铸铁、球墨铸铁等，但是铸铁模具往往又达不到所需的制瓶质量和效率，此类材料在熔融的高温玻璃料作用下，往往会出现繁复纷杂的问题，其中抗氧化性是影响模具制瓶寿命的主要因素，如模具材质的导热性能差，那么空气中的氧就会沿着石墨向铸铁内部型腔中扩散，降低了铸铁的强度，加剧玻璃模具内部的氧化，使模具材质容易发生膨胀和生长，产生缝隙和开裂，从而减少玻璃模具的上机使用寿命。

在玻璃模具领域公开的专利文献资料中，大多数技术员只是详细的阐述了制备模具的材料和制备流程方法，并未加以详细说明玻璃模具的本体结构及其形式，从而不能使公众很好的了解此类模具是通过何种方式制造而成，如公开的中国专利文献CN109468526A“蠕墨铸铁玻璃模具材料及模具制备方法”中，技术员粗略描述了造型工艺、浇注系统工艺和玻璃模具所采用的蠕铁材料；又如中国专利文献CN202482201U“玻璃模具结构”中，技术员也仅仅说明一种特殊结构的玻璃模具，具有两个模腔的玻璃模具，提高玻璃瓶的制瓶速率，但并未详细阐述如何制作此类形状模具的铸造工艺以及模具的材料类型等。

在传统的玻璃模具瓶的设计制造中，一付玻璃模具（两个半模）往往只有一个内腔玻璃瓶的单模结构形式，这种形式的玻璃模具，每次制滴料时只能生产一个玻璃瓶，通过这种方式生产玻璃瓶效率较低。

通常玻璃模具的结构设计是通过两个半圆柱体的半模，合成一付模具，每个半模通过钻垂冷孔的方式，进行风冷，然而在实际在制瓶生产过程中，高温熔融的玻璃料频繁接触玻璃模具，热量不能快速导出，会使模具有在高温状态下产生热氧化变形，甚至出现蠕变开裂等问题。

如何合理选择铸铁玻璃模具的化学成分以及元素质量百分比，减轻成本，又使玻璃模具具有较强的导热性能，如何通过改变模具本身形状结构来增强玻璃模具的导热工况，减少玻璃模具的综合生产成本是势在必行的课题。

下面所要详细介绍的高导热性能玻璃模具及其制备方法便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的目的是要提供一种高导热性能玻璃模具及其制备方法，通过合理的元素配比、浇注方法，极冷方式，能形成内腔具有A+D型石墨的玻璃模具，又通过设计模具外部具备特殊的散热结构，以及不增加机械加工的难度的铸造方法，使其在制瓶过程中能够进一步快速导热，解决了提高灰铸铁材料导热性能的问题，从而增加玻璃模具的使用寿命。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供了一种高导热性能玻璃模具，材质为灰铸铁，由以下质量百分数的化学成分组成：C：3.50-3.85%，Si：1.75-2.10%，Mn：0.40-0.80%，Ti：0.15-0.19%，Ni：0.20-0.45%，Cu：0.15-0.35%，其余为铁和不可避免的杂质。

本发明还提供了一种高导热性能玻璃模具制备方法，它包括以下步骤：

S1、设计带有散热翅片的三腔模具；

S2、制作散热翅片模；

S3、制作散热翅片砂型；

S4、制作三腔模具浇注系统木模，并利用木模制作三腔模具砂型；

S5、将散热翅片砂型装配至三腔模具砂型中，形成完整浇注砂型；

S6、熔炼，熔炼至一定温度待浇注；

S7、浇注，浇注前砂型装配冷铁泥芯，铁水浇注至砂型；

S8、喷丸清砂。

优选地， S3中散热翅片砂型的制作采用覆膜砂制芯工艺，采用热覆膜法，原料为锆砂，锆砂粒度为200-250目，加热温度为180℃-190℃。

优选地， S5中的完整浇注砂型采用发热冒口，砂型带有多个排气孔。

优选地， S7中浇注温度为1370℃-1375℃，每一箱砂型浇注完成后，用砂堵住浇口道，使发热冒口自身进行补缩。

优选地， S8中每片三腔玻璃模具进行喷丸强化处理，时间为20-35min。

优选地，步骤S7中冷铁泥芯的预热温度为115℃-185℃。

优选地，设计的散热翅片数量为多个，模具的挂耳由散热翅片延伸至模具端面呈中空状态的冷却孔，中间两条散热翅片连接有一个定位块；模具内部型腔为三个玻璃瓶模腔。

进一步地，多个散热翅片在玻璃模具背部竖直的间隔均匀分布。

优选地，高导热性能玻璃模具与玻璃液接触面至内腔10mm~18mm处的金相组织为A+D型石墨形态。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明的高导热性能玻璃模具及其制备方法，通过合理的元素配比、浇注方法、极冷方式，形成内腔具有A+D型石墨，使灰铸铁材料本身具有较高导热性能，有利于提高快速制瓶的效率而又不至于过早产生氧化；通过设计模具外部具备特殊的散热结构，经过铸造一体成型，不需要通过长时间的铣、钻孔等工序加工模具，有善于使其在制瓶过程中能够进一步快速导热又不会产生额外的机械加工难度，从而发挥模具的最佳导热效果，增加玻璃模具的使用寿命。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是本发明的散热翅片铝模结构示意图；

图2是本发明的散热翅片整体铝模示意图；

图3是本发明的散热翅片砂型结构示意图；

图4是本发明的三腔模具整体木模结构示意图；

图5是本发明的三腔模具砂型与散热翅片砂型装配示意图；

图6是本发明的三腔模具的冷铁泥芯结构示意图；

图7是本发明的三腔模具铸件结构示意图；

图8是实施例1玻璃液接触面至内腔一定深度材料的金相组织结构图；

图9是实施例2玻璃液接触面至内腔一定深度材料的金相组织结构图；

图10是实施例3玻璃液接触面至内腔一定深度材料的金相组织结构图；

其中，附图标记说明如下：

1、铝模；

2、散热翅片整体铝模；21、铝模外箱；211、填充腔；

3、散热翅片砂型；

4、整体木模；41、发热冒口；42、浇道；

5、三腔模具砂型；

6、冷铁泥芯；

7、三腔模具铸件；71、散热翅片；72、定位块；73、接触面；74、凸筋；75、凹槽。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

下面对本发明进行详细描述，本发明的高导热性能玻璃模具制备方法，包括：

S1、设计带有散热翅片的三腔模具；

S2、制作散热翅片模；

S3、制作散热翅片砂型；

S4、制作三腔模具浇注系统木模，并制作三腔模具砂型；

S5、将散热翅片砂型装配至浇注系统木模中，形成完整浇注砂型；

S6、熔炼，熔炼至一定温度待浇注；

S7、浇注，浇注前砂型装配冷铁泥芯，铁水浇注至砂型；

S8、喷丸清砂。

作为本技术方案的进一步描述，所述步骤S3中，先制作散热翅片砂型，散热翅片砂型的制作采用覆膜砂制芯工艺。

作为本技术方案的进一步描述，所述的步骤S5中，完整的砂型由三腔模具砂型5和散热翅片砂型3组合而成，见图5；为了便于散热翅片的完整浇注成型，砂型背部带有数个排气孔。

作为本技术方案的进一步描述，制备高导热性能三腔玻璃模具的生产原料，所述的三腔玻璃模具的材质为灰铸铁，由以下质量百分数的化学成分组成：C：3.50-3.85%，Si：1.75-2.10%，Mn：0.40-0.80%，Ti：0.15-0.19%，Ni：0.20-0.45%，Cu：0.15-0.35%，其余为铁和不可避免的杂质。

Cu能促进珠光体的形成，同时细化珠光体，增加铸铁的强度，Ni在共晶期间促进石墨化，提高材料的抗腐蚀性，因此在材料中加入适量的合金元素对模具的抗蠕变性能，抗腐蚀性能，导热性能和热疲劳性能具有决定性的影响。

作为本发明的进一步描述，与玻璃液接触面至内腔18mm处的金相组织为A+D型石墨。

步骤S7中，三腔玻璃模具的冷铁泥芯6预热温度为115-185℃，与玻璃液接触面至内腔处形成A+D型石墨是由于过冷度的作用，过冷度是铁水形核生长的重要因素，铁液过冷度大则结晶的速度也越快，因此冷铁的温度是影响过冷度的重要因素，适当调节冷铁温度，使铁水在冷铁激冷的作用下，使铁水冷却速度不同，呈现梯度变化规律，铁水充型后开始结晶凝固，冷却速度快的为D型石墨，与冷铁较近处过冷度较大，形成D型石墨，D型石墨细小，致密，且D型石墨与基体间的缝隙较小，从而具有较强的抗氧化性能，随着冷铁表面距离的差异，石墨尺寸逐渐长大，石墨向A型过渡，形成具有一定梯度变化的金相组织。

作为本技术方案的进一步描述，所述的步骤S7中，每一箱砂型浇注完成后，堵住浇口道，从发热冒口进行补缩，保证散热翅片的完整成型。

作为本技术方案的进一步描述，所述的步骤S8中，每片三腔模具铸件7喷丸清砂，利用钢丸的高速冲击力，清理模具表面的粘砂和强化模具基体。

下面结合附图对本发明进行详细的阐述，以使本发明易于被本领域的技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更明确的界定。

实施例1：

本技术方案的高导热性能玻璃模具材料化学组成如下：C：3.57%，Si：1.82%，Mn：0.52%，Ti：0.16%，Ni：0.27%，Cu：0.19%，其余为铁和不可避免的杂质。

所述的高导热性能玻璃模具制备方法包括以下步骤：

1）设计带有散热翅片的三腔模具，玻璃模具本体为两片平面各带有凸筋74和凹槽75的三腔模具，玻璃模具背部有竖直的间隔均匀分布的散热翅片71，散热翅片71与模具本体由铸造一体成型，玻璃模具背部有一个定位块72，定位块72与模具本体铸造一体成型，定位块72连接在中间两条散热翅片71上；

2）制作散热翅片模，即图1所示铝模1；

3）制作散热翅片砂型3，如图2，将铝模1放入铝模外箱21内，组合成散热翅片整体铝模2，在填充腔211内置入覆膜砂，制作图3所示散热翅片砂型3；

4）制作三腔模具浇注系统木模4，如图4所示，木模4上设置有发热冒口41和浇道42，用以后续形成三腔模具砂型5中的发热冒口和浇道；并利用木模4制作图5所示三腔模具砂型5，三腔模具砂型5采用PEP-SET树脂砂造型；

5）散热翅片砂型3装配至三腔模具砂型5中，形成完整浇注砂型，如图5所示；

6）熔炼，熔炼至一定温度待浇注；

7）浇注，浇注前砂型装配图6所示冷铁泥芯6，铁水浇注至砂型；

8）喷丸清砂。

步骤3）中，用散热翅片的铝模1（如图1所示），先制作散热翅片砂型3（如图3所示），散热翅片砂型3的制作采用覆膜砂制芯工艺，热覆膜法，锆砂，粒度为200-250目，加热温度为180℃。

步骤4）中，根据木模系统进行砂型的制作，采用PEP-SET树脂砂造型，制得三腔模具砂型5（如图5）。

步骤5）中，完整的砂型由木模砂型（三腔模具砂型5）和散热翅片砂型3组合而成，并采用圣泉股份的MS-01铸造粘结剂固定；冒口采用兴业股份的Z02发热冒口套，为了便于散热翅片的完整浇注成型，砂型带有排气孔，排气孔数量为6-8个。

步骤7）中，熔炼并取样至成分合格，进行浇注，浇注温度为1375℃，每一箱砂型浇注完成后，用砂堵住浇口道，使发热冒口自身进行补缩，保证散热翅片的完整成型。

步骤8）中，每片三腔模具铸件7喷丸清砂，采用3-5mm钢丝切丸，时间为30min。

随机抽取化验，与玻璃液接触面73至内腔12mm处的金相组织为A+D型石墨，如图8所示。

实施例2：

本技术方案的高导热性能玻璃模具材料化学组成如下：C：3.81%，Si：2.03%，Mn：0.72%，Ti：0.19%，Ni：0.44%，Cu：0.32%，其余为铁和不可避免的杂质。

所述的高导热性能玻璃模具制备方法包括以下步骤：

1）设计带有散热翅片的三腔模具，玻璃模具本体为两片平面各带有凸筋74和凹槽75的三腔模具，玻璃模具背部有竖直的间隔均匀分布的散热翅片71，散热翅片71与模具本体由铸造一体成型，玻璃模具背部有一个定位块72，定位块72与模具本体铸造一体成型；

2）制作散热翅片模，即图1所示铝模1；

3）制作散热翅片砂型3，如图2，将铝模1放入铝模外箱21内，组合成散热翅片整体铝模2，在填充腔211内置入覆膜砂，制作图3所示散热翅片砂型3；

4）制作三腔模具浇注系统木模4，如图4所示；并利用木模4制作图5所示三腔模具砂型5，三腔模具砂型5采用PEP-SET树脂砂造型；

5）散热翅片砂型3装配至三腔模具砂型5中，形成完整浇注砂型，如图5所示；

6）熔炼，熔炼至一定温度待浇注；

7）浇注，浇注前砂型装配图6所示冷铁泥芯6，铁水浇注至砂型；

8）喷丸清砂。

步骤3）中，用散热翅片的铝模1（如图1所示），先制作散热翅片砂型3（如图3所示），散热翅片砂型3的制作采用覆膜砂制芯工艺，热覆膜法，锆砂，粒度为150-200目，加热温度为200℃。

步骤4）中，根据木模系统进行砂型的制作，采用PEP-SET树脂砂造型，制得三腔模具砂型5（如图5）。

步骤5）中，完整的砂型由木模砂型（三腔模具砂型5）和散热翅片砂型3组合而成，并采用圣泉股份的MS-01铸造粘结剂固定；冒口采用兴业股份的Z02发热冒口套，为了便于散热翅片的完整浇注成型，砂型带有排气孔，排气孔数量为5-6个。

步骤7）中，熔炼并取样至成分合格，进行浇注，浇注温度为1382℃，每一箱砂型浇注完成后，用砂堵住浇口道，使发热冒口自身进行补缩，保证散热翅片的完整成型。

步骤8）中，每片三腔模具铸件7喷丸清砂，采用3-5mm钢丝切丸，时间为25min。

随机抽取化验，与玻璃液接触面73至内腔15mm处的金相组织为A+D型石墨，如图9所示。

实施例3：

本技术方案的高导热性能玻璃模具材料化学组成如下：C：3.73%，Si：1.92%，Mn：0.65%，Ti：0.18%，Ni：0.36%，Cu：0.30%，其余为铁和不可避免的杂质。

所述的带有散热翅片的高导热性能三腔玻璃模具制备方法包括以下步骤：

1）设计带有散热翅片的三腔模具，玻璃模具本体为两片平面各带有凸筋74和凹槽75的三腔模具，玻璃模具背部有竖直的间隔均匀分布的散热翅片71，散热翅片71与模具本体由铸造一体成型，玻璃模具背部有一个定位块72，定位块72与模具本体铸造一体成型；

2）制作散热翅片模，即图1所示铝模1；

3）制作散热翅片砂型，如图2，将铝模1放入铝模外箱21内，组合成散热翅片整体铝模2，在填充腔211内置入覆膜砂，制作图3所示散热翅片砂型3；

4）制作三腔模具浇注系统木模4，如图4所示；并利用木模4制作图5所示三腔模具砂型5，三腔模具砂型5采用PEP-SET树脂砂造型；

5）散热翅片砂型3装配至三腔模具砂型5中，形成完整浇注砂型，如图5所示；

6）熔炼，熔炼至一定温度待浇注；

7）浇注，浇注前砂型装配图6所示冷铁泥芯6，铁水浇注至砂型；

8）喷丸清砂。

步骤3）中，用散热翅片的铝模1（如图1所示），先制作散热翅片砂型3（如图3所示），散热翅片砂型3的制作采用覆膜砂制芯工艺，热覆膜法，锆砂，粒度为200-230目，加热温度为190℃。

步骤4）中，根据木模系统进行砂型的制作，采用PEP-SET树脂砂造型，制得三腔模具砂型5（如图5）。

步骤5）中，完整的砂型由木模砂型（三腔模具砂型5）和散热翅片砂型3组合而成，并采用圣泉股份的MS-01铸造粘结剂固定；冒口采用兴业股份的Z02发热冒口套，为了便于散热翅片的完整浇注成型，砂型带有排气孔，排气孔数量为8-10个。

步骤7）中，熔炼并取样至成分合格，进行浇注，浇注温度为1370℃，每一箱砂型浇注完成后，用砂堵住浇口道，使发热冒口自身进行补缩，保证散热翅片的完整成型。

步骤8）中，每片三腔模具铸件7喷丸清砂，采用3-5mm合金钢丸，时间为35min。

随机抽取化验，与玻璃液接触面73至内腔10mm处的金相组织为A+D型石墨，如图10所示。

请参阅图7本发明的散热翅片71结构为贯通的竖条结构，并且是中空的，一体式铸造成型。

首先通过图1制作散热翅片的模型，然后装配至图2的铝模外箱中，通过射芯机造型得到散热翅片砂型3，即图3。

如图4为模具木模，造型，得到三腔模具砂型5（参见图5），把上一步得到的散热翅片砂型3装配至三腔模具砂型5中，如图5即得到整个模具的砂型。

加上图6冷铁泥芯，浇注得到模具的内腔。

本技术方案的灰铸铁成分配制合理，金相组织结构具有良好的导热性，可以适应快速制瓶的要求；又由于模具本身的结构中带有散热翅片形状，满足高导热的要求，使模具能够发挥较佳的效果。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高导热性能玻璃模具制备方法，玻璃模具材质为灰铸铁，由以下质量百分数的化学成分组成：C：3.50-3.85%，Si：1.75-2.10%，Mn：0.40-0.80%，Ti：0.15-0.19%，Ni：0.20-0.45%，Cu：0.15-0.35%，其余为铁和不可避免的杂质，其特征在于，它包括以下步骤：

S1、设计带有散热翅片的三腔模具，玻璃模具本体为两片平面各带有凸筋和凹槽的三腔模具，玻璃模具背部有竖直的间隔均匀分布的散热翅片，散热翅片与模具本体由铸造一体成型，玻璃模具背部有一个定位块，定位块与模具本体铸造一体成型，定位块连接在中间两条散热翅片上；

S2、制作散热翅片模；

S3、制作散热翅片砂型；

S4、制作三腔模具浇注系统木模，并利用木模制作三腔模具砂型；

S5、将散热翅片砂型装配至三腔模具砂型中，形成完整浇注砂型；

S6、熔炼，熔炼至一定温度待浇注；

S7、浇注，浇注前砂型装配冷铁泥芯，铁水浇注至砂型；

S8、喷丸清砂。

2.根据权利要求1所述的高导热性能玻璃模具制备方法，其特征在于：S3中散热翅片砂型的制作采用覆膜砂制芯工艺，采用热覆膜法，原料为锆砂，锆砂粒度为200-250目，加热温度为180℃-190℃。

3.根据权利要求1所述的高导热性能玻璃模具制备方法，其特征在于：S5中的完整浇注砂型采用发热冒口，砂型带有多个排气孔。

4.根据权利要求1所述的高导热性能玻璃模具制备方法，其特征在于：S7中浇注温度为1370℃-1375℃，每一箱砂型浇注完成后，用砂堵住浇口道，使发热冒口自身进行补缩。

5.根据权利要求1所述的高导热性能玻璃模具制备方法，其特征在于：S8中每片三腔玻璃模具进行喷丸强化处理，时间为20-35min。

6.根据权利要求1所述的高导热性能玻璃模具制备方法，其特征在于：步骤S7中冷铁泥芯的预热温度为115℃-185℃。

7.根据权利要求1所述的高导热性能玻璃模具制备方法，其特征在于：设计的散热翅片数量为多个，模具的挂耳由散热翅片延伸至模具端面呈中空状态的冷却孔，中间两条散热翅片连接有一个定位块；模具内部型腔为三个玻璃瓶模腔。

8.根据权利要求7所述的高导热性能玻璃模具制备方法，其特征在于：多个散热翅片在玻璃模具背部竖直的间隔均匀分布。

9.根据权利要求1所述的高导热性能玻璃模具制备方法，其特征在于：高导热性能玻璃模具与玻璃液接触面至内腔10mm~18mm处的金相组织为A+D型石墨形态。

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