蠕墨鑄鐵玻璃模具材料發展前景探析

摘 要 蠕墨鑄鐵作為一種新型的玻璃模具材料，具有良好的機械性能及較好的高溫抗熱疲勞、抗氧化、抗組織生長、導熱等性能，正廣泛用于玻璃模具制造中，蠕墨鑄鐵玻璃模具材料，以稀土作蠕化劑，并加入微量合金元素，經過相應的處理熔煉出的蠕墨鑄鐵，具有良好的抗氧化性和耐磨性。其使用壽命比通常使用的合金灰鑄鐵模具有大大的進步。

關鍵詞 蠕墨鑄鐵玻璃模具 材料 發展

一、前言

玻璃制品在工業制造、日常生活等各方面必不可少的材料。玻璃模具是玻璃制品成型的主要工具，模具質量的好壞直接影響玻璃的使用壽命。優質的玻璃模具除應具有良好機械性能之外，還要具備良好的抗熱疲勞、氧化、導熱性能。由于鑄鐵材料具有鑄造工藝性能優良、價格低廉、技術設備要求低等優點，是國內常用的玻璃模具材料。國內普遍采用的灰鑄鐵，使用壽命一般為7～10萬次/模，隨著對玻璃制品質量要求的增高，成型機速的不斷的提高，要求模具材料具有更長的服役壽命，故而常用的灰鑄鐵材料已經難以滿足玻璃模具服役性能的要求。蠕墨鑄鐵作為一種新型的玻璃模具材料，其具有良好的機械性能及更好的高溫抗熱疲勞、抗氧化、抗組織生長及導熱性能等。因此，對蠕墨鑄鐵玻璃模具材料的研究越來越受到人們的重視。

二、蠕墨鑄鐵玻璃模具材料的優點

蠕墨鑄鐵的石墨組織形態介于片狀石墨鑄鐵和球狀石墨鑄鐵之間，在共晶團內部區域，石墨如灰鑄鐵一樣分開并相互連接，只是基體中石墨沒有了像片狀石墨一樣的尖銳末端，石墨顯得短、粗、端部圓鈍。正由于這樣的結構，與灰鑄鐵相比，其導熱性并沒有明顯下降，但其機械性能卻增強很大，具有良好的抗熱疲勞性能；另外，由于其石墨形態的結構，組織的抗氧化能力，抗生長能力明顯要比片狀石墨灰鑄鐵強。這主要從不同石墨形態的氧化機制上來分析，灰鑄鐵是塊片狀或者是層片狀結構，由于石墨之間是相互接觸并相互連通，在高溫條件下，組織中石墨主要以直接氧化為主；球墨鑄鐵組織中的石墨呈孤立球狀分布，氧離子從石墨與基體的界面處擴散到石墨球中，孤立的球狀石墨被逐個氧化；而蠕墨鑄鐵中基體中的石墨組織介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，故其氧化速率也介于兩者之間。由于球墨鑄鐵的石墨呈孤立球狀分布，導致其散熱性差。在球墨鑄鐵玻璃模具型腔中，玻璃凝固硬化時間變長，致使開模時間延長，生產效率降低，故不宜采用；蠕墨鑄鐵中石墨組織的特殊結構，使其抗氧化性，導熱性優于球墨鑄鐵。綜合考慮，將耐熱性與導熱性結合起來，形成石墨組織的梯度變化，以滿足玻璃模具不同部位對材料組織的要求。模具內腔表面長期與高溫的熔融玻璃液接觸，因此造型時在模具內腔處添加冷鐵，使模具澆注凝固時，模腔內腔表面激冷，形成球狀石墨，中間部位形成蠕蟲狀石墨，外部區域形成片狀石墨組織以利于散熱。這樣一個石墨組織的梯度變化，將耐熱性與導熱性結合起來，提高了玻璃模具的抗氧化性及使用壽命。

三、蠕墨鑄鐵玻璃模具研究及應用現狀

蠕墨鑄鐵材料最初是由1965年美國的J.W.Estes和R.Schneidenwind提出的，并首次用于工程材料的研究。隨后奧地利、德、英、美、蘇等國進行了大量研究，并將其廣泛地應用于工業制造中，如柴油機缸蓋、液壓閥閥體、鋼錠模等等。因其具有良好的機械性能和機加工性能，在某些應用中常用于替換高牌號灰鑄鐵、可鍛鑄鐵合金鑄鐵、和一些球墨鑄鐵。

蠕化率和基體組織是獲得蠕蟲狀石墨組織的兩個關鍵因素。普通鑄鐵只有很小的蠕化范圍內才能形成蠕蟲狀石墨，一般蠕化劑殘留0.01%～0.015%范圍內能可以形成穩定的蠕墨鑄鐵，對于特殊用途的鑄件，就必須嚴格的控制鑄件組織的蠕化率，如活塞環的蠕化率就要求高于90%；德國Halberg鑄造廠對于壁厚大于3mm的汽缸體用蠕墨鑄鐵，其蠕化率必須高于95%。

基體組織是影響蠕墨鑄鐵的性能的關鍵因素。蠕墨鑄鐵的基體組織不再是一般的珠光體、鐵素體或是二者混合組織，國內在20世紀60年代末就開始在常用蠕墨鑄鐵的基礎上加入常見的合金元素（如銅、鉻、鉬、鎢、硼、釩、鈦等）進行合金化處理，以獲取更韌性、耐磨性更為優良的基體組織。例如新興發展的V-Ti-Cu-Cr系和V-Ti-Cu-Mo系蠕墨鑄鐵，其用于玻璃模具上，使用壽命較灰鑄鐵提高兩倍以上。上世紀90年代，國內對稀土蠕墨鑄鐵玻璃模具的應用作了詳細調查，主要采用混合基體和珠光體基體組織，其具有良好的耐磨性，但其導熱性能稍遜，為克服這類組織的弱點，通過表面處理的方式（如噴涂耐磨合金），以增加基體的耐磨性能。楊通等人在上述研究的基礎上，對熔煉鐵液進行合金化處理，主要是添加鉻、鉬，為了獲得更佳的熱物性，添加鋁和硅。從而獲得了一種機械性能佳、熱物性好的蠕墨鑄鐵玻璃模具材料。國內已有學者研究了用稀土和K、Na復合變質處理所形成的球墨/蠕墨復合鑄鐵玻璃模具材質的組織、力學性能及高溫熱物性，并探討研究了變質劑中元素含量及在材料組織中的存在狀態對玻璃模具材料性能的影響。在實際工業裝機生產中證明：經復合變質劑處理的材料具有較好的綜合性能，及良好的服役性能，對其進行研究具有較高的經濟價值。不僅適于玻璃模具行業，還可廣泛地應用于冶金，塑料和橡膠行業。

四、總結

蠕墨鑄鐵是很有潛力的玻璃模具材料，由于蠕墨鑄鐵在高溫條件下，其抗氧化性、耐熱疲勞性及組織穩定性均優于普通灰鑄鐵及低合金鑄鐵，在玻璃模具行業中的應用越來越受到關注。但仍需解決的問題還有很多，如降低生產成本、提高其服役性能、進一步提高玻璃制品的光潔度等，在生產中仍需不斷改進鑄造工藝獲取更高服役性能，更為經濟的蠕墨鑄鐵材料。

參考文獻：

[1]王唬，張兆云，彭貴良等.玻璃模具用Ti-V-Cu-Cr蠕墨鑄鐵的研制.玻璃與搪瓷，1994，11（4）：9-16.

[2]王琥，漲兆云.稀土蠕墨鑄鐵玻璃瓶模具在我國的應用概況[J].鑄造，1990，12：1-4.

（作者單位：中國重汽濟南鑄鍛中心）