1、合肥工業(yè)大學碩士學位論文蠕墨鑄鐵玻璃模具材料的組織性能研究姓名：吳進錢申請學位級別：碩士專業(yè)：材料學指導教師：黃新民2011-05蠕墨鑄鐵玻璃模具材料的組織性能研究摘  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、抗組織生長性能等，又有良好的導熱性能；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。為了進一步提高模具的服役壽命，本文通過正交試驗方法制備一系列試樣，并通過實際的工業(yè)生產(chǎn)，研究了材料的合金含量和鑄造工藝對其服役壽命的影響，并在實驗室條件下，探索了蠕墨鑄鐵的抗氧化性，耐熱疲勞性能。試驗結(jié)果表明：合金元素

2、含量在V ：0.110.15%.、Ti ：0.060.11%，鐵液熔煉溫度：15201540，蠕化劑添加量：0.60.7%，模具澆注溫度：13501380的情況下，玻璃模具具有最佳的服役壽命；對正交試驗單因素分析表明：隨V+Ti合金含量上升，材料的硬度值不斷升高而后呈現(xiàn)下降趨勢，模具服役壽命先升高后降低；熔煉溫度主要影響組織中合金元素的含量及其分布狀態(tài)，溫度低合金熔化不完全，溫度高合金燒損嚴重，實際熔入鐵液的量降低。隨熔煉溫度的升高，模具服役壽命不斷增加而后快速下降；硬度值持續(xù)升高，后上升速度減緩；隨蠕化劑含量的增加，服役壽命延長，過量的蠕化劑導致石墨組織球化，服役壽命迅速降低。模具的硬度值持

3、續(xù)升高，后升高趨勢漸緩；隨澆注溫度升高，模具服役壽命先增加后降低，硬度值增加幅度小。較高的澆注溫度，會使蠕狀石墨組織不斷地球化并長大，降低其服役壽命。通過綜合分析合金元素含量、鑄造工藝、以及模具材料微觀組織形貌對模具服役壽命的影響，表明模具服役壽命與材料組織的硬度沒有明顯對應關系，材料的服役壽命主要取決于組織中石墨的形態(tài)、大小、分布以及基體組織的合金分布等因素。實驗室條件下進行的高溫性能實驗表明，模具服役在過程中，其抗氧化性、耐熱疲勞性主要是受蠕蟲狀石墨組織的大小及分布的影響，其次是基體組織的合金化因素的影響，合適的合金含量能夠強化基體，提高基體抵抗疲勞裂紋的萌生與擴展的能力；同時，合金元素能

4、夠為石墨化轉(zhuǎn)變提供核心，增加形核率，細化石墨組織。  關鍵詞：蠕墨鑄鐵；玻璃模具；抗氧化性；熱疲勞性 Research of organization and properties ofvermicular cast iron glass mouldABSTRACTAs a new kind of glass mould material, Vermicular cast iron has advantages of good mechanical properties, better high-temperature heat-resistant fatigue

5、, anti-oxidation and resistance to tissue growth performance, as well as good thermal conductivity. Therefore, people attach more and more importance to the study of vermicular cast iron glass mould material. In order to further improving the moulds service life, in this paper, a series of samples a

6、re prepared through the orthogonal experiment method, and it also research the effects of the content of alloy material and casting technology on the service life through actual industrial production. The anti-oxidation performance and heat-resistant fatigue performance of vermicular iron are explor

7、ed in experimental conditions. The test results show that in the condition of the content of alloying elements in V: 0.110.15%, Ti: 0.060.11%, iron liquid melting temperature: 15201540, vermiculizer adding amount: 0.60.7%, mould pouring temperature: 13501380,the glass mould has the best service life

8、. Through single factor analysis on the orthogonal experimental, it shows that with content of V+Ti alloys rising, materials hardness value is rising then declines and mould service life at first increased then decreased. Melting temperature mainly affects the contents of alloying elements and distr

9、ibution state in the organization, it presents that the alloy melts incomplete in low temperature and in high temperature it melts into serious, as a result , the actual fused liquid iron decreased. With the melting temperature rising, mould service life continuously increase and falling fast, and h

10、ardness value continue growth then slow down. With the content of vermiculizer increasing and the service life prolonging, the excessive amounts of vermiculize lead to graphite organization nodulizing and service life reduced quickly, which also lead to the mold hardness value continuing rising and

11、then the trend slowing gradually. With the pouringtemperature rising, mould service life at first increased then reduced, and the hardness value increased small. Higher pouring temperature vermicular will make the graphite organization continuing nodulizing and growing, leading to reduce its service

12、 life. After synthetically analysising the effects of elements contents, casting process, and the morphology of mould material microstructure on the mould service life, its found that there are not apparent corresponding relations between surface mold service life and the hardness of material organi

13、zation, and its service life mainly depends on the graphites morphology, size, distribution and alloy distribution of matrix, and other factors in the organization. High temperature experiments were done in the laboratory. The result shows that in the process of mould service, its anti-oxidation per

14、formance and heat-resistant fatigue are mainly affected by the size and distribution of the vermicular graphites organization, followed by the alloying level of matrix. The proper alloy contents can strengthen matrix and improve its ability to resistance the initiation and growth of fatigue crack. M

15、eanwhile, alloy elements can provide nucleus for graphite transition, increase nucleation rate and refine graphite organization.Keywords: vermicular cast iron, glass mold material, anti-oxidation, thermal fatigue              

16、0;     插 圖 清 單 圖1-1 玻璃瓶沖壓吹制生產(chǎn)工藝圖. 2 圖1-2石墨組織形貌圖片（100×）；（a）灰鑄鐵；（b）蠕墨鑄鐵；（c）球形鑄鐵 . 6圖3-1 砂型模具鑄型照片. 18圖3-2熱處理工藝曲線 . 20圖3-3試驗試樣鑄型實物圖 . 20圖3-4試驗鑄件組織觀察及硬度測試取樣位置 . 21圖3-5 熱疲勞試樣. 23圖4-1 V+Ti合金元素與服役壽命及硬度關系 . 25圖4-2 （a）V+Ti%為0.08+0.03%的組織形貌（1000×） . 26圖4-2

17、 （b）V+Ti%為0.13+0.08%的SEM 照片（1000×） . 26圖4-2 （c）V+Ti%為0.18+0.13%的SEM 照片（1000×） . 26圖4-3試樣微區(qū)EDS 能譜圖 . 27圖4-4 熔煉溫度對模具服役壽命及組織顯微硬度的影響. 28圖4-5試樣內(nèi)腔區(qū)合金元素EDS 能譜分析 . 28圖4-6 試樣合金元素分布EDS 能譜圖. 29 圖4-7 不同熔煉溫度下材料組織照片（100×）；（a）1510；（b）1530；（c）1550 . 30圖4-8蠕化劑量對服役壽命及硬度的影響 . 31 圖4-9不同蠕化劑量對材料組織的影響（100&#

18、215;）；（a）0.35%；（b）0.5%；（c）0.65%；（d）0.8%；（e）0.95% . 32圖4-10 澆注溫度對服役壽命及硬度的影響. 33 圖4-11不同澆注溫度試樣內(nèi)腔區(qū)組織SEM 照片(100× ；（a）1440；（b）1370（c）；1300 . 34 圖4-12試樣B 點、C 點在不同澆注溫度下組織形貌(100×(a:1440-C點(b:1440-B點(c:1370-C點(d:1370-B點(e:1300-C點(f:1300-B點. 36圖5-1氧化反應速率與氧化反應時間的關系曲線 . 38圖5-2氧化反應速率與氧化反應溫度的關系曲線 . 39圖5

19、-3熱疲勞裂紋金相照片（40×） . 40插 表 清 單 表3-1 試驗中材料的主要成分含量 . . 15表3-2 正交試驗方案設計表. 16表3-3 生鐵元素含量. 17表3-4低碳廢鋼片的元素含量 . 17表3-5 鈦鐵中間合金含量. 17表3-6 釩鐵中間合金含量. 17表3-7 孕育劑合金含量. 17表3-8蠕化劑合金含量 . 17表4-1 正交試驗模具裝機測試結(jié)果. 24表4-2 正交試驗各組工作表面硬度與服役壽命. 25表5-1 熱疲勞性能試驗結(jié)果. 40   獨 創(chuàng) 性 聲

20、0;明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 合肥工業(yè)大學 或其他教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。學位論文作者簽名：吳進錢 簽字日期：2011 年 6 月 9 日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解 合肥工業(yè)大學 有關保留、使用學位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 合肥工業(yè)大學

21、可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。(保密的學位論文在解密后適用本授權(quán)書學位論文作者簽名：吳進錢 導師簽名：黃新民簽字日期：2011 年 6 月 9 日 簽字日期：2011 年 6 月 9 日學位論文作者畢業(yè)后去向：工作單位： 電話：通訊地址： 郵編：    第一章 緒   論 1.1 玻璃模具材料概述 玻璃制品的重要成型工藝裝備是玻璃模具1。玻璃模具在服役條件下，模具內(nèi)腔頻繁與高溫的玻璃熔液（由供料機滴落的玻璃液

22、溫度達到11001300）接觸，玻璃制品在模具中冷卻硬化成型，在這過程中玻璃液的熱量將通過熱傳遞的方式，通過模具傳遞出去；然后開模，移除玻璃制品2。在玻璃制品成型過程中，一般生產(chǎn)玻璃制品的生產(chǎn)機速為8次/模·分，模具內(nèi)腔頻繁的與高達1100的熔融玻璃接觸，受到氧化、熱疲勞、組織生產(chǎn)等綜合作用；而且在合模、開模的過程中，模具難免與相互運動的玻璃制品間發(fā)生碰撞而被磨損3，導致模具過早失效而縮短其使用壽命。因此，模具材料就必須具有良好的抗氧化、耐熱疲勞、抗生長、抗熱沖擊、耐磨損等性能，其中模具材料的高溫性能尤為關鍵。材料的熱導性越好，模具內(nèi)外腔的溫度梯度變化就會越小，從而降低模具在高溫下失

23、效的幾率，延長模具的使用壽命。此外，模具材質(zhì)致密，良好機械加工性能等也是其必備性能。隨著人民生活水品的提高，以及環(huán)保意識的增強，可回收再利用的玻璃制品整大量涌入市場。與此同時，對玻璃制品的質(zhì)量要求也越來越高，越來越多的從國外進口的高端玻璃制品備受親睞，因此這就要求國內(nèi)的玻璃模具企業(yè)，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量，而模具材質(zhì)的質(zhì)量是影響玻璃制品質(zhì)量的關鍵因素。良好的玻璃模具材質(zhì)，不僅可以獲得更加美觀的制品，而且可以降低玻璃制品的生產(chǎn)成本，延長模具使用壽命，提高工廠生產(chǎn)的連續(xù)性及生產(chǎn)效率等。由于鑄鐵材料具有鑄造工藝性能優(yōu)良、價格低廉、技術設備要求低等優(yōu)點，是國內(nèi)常用的玻璃模具材料。國內(nèi)普遍采用的灰鑄鐵，使用壽

24、命一般為710萬次/模，國外的玻璃模具生產(chǎn)企業(yè)常采用合金耐熱鑄鐵，經(jīng)過機械加工之后再進行表面強化處理，模具的壽命能夠達到4050萬次/模，模具使用壽命與國外的相差甚遠4。隨著對玻璃制品質(zhì)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高的導熱率、抗氧化、耐熱疲勞以及更長的服役壽命，故而常用的灰鑄鐵材料已經(jīng)難以滿足玻璃模具服役性能的要求。在當前情況下，研制新型的玻璃模具材料，制定新的模具制造工藝，提高模具的使用壽命已顯得越來越重要。1.2 玻璃模具使用工況 玻璃瓶沖壓吹制生產(chǎn)工藝如圖1-1所示。整個玻璃制品的生產(chǎn)一般是在兩套模具（初模和成模）中進行塑性成型。在熔融的玻璃

25、液（1100左右）從窯爐中沿給料通道高速滴入模具行腔時，模具的工作表面提前預熱至450550，以防止由于玻璃液與模具間的溫度梯度過大而導致模具開裂失效。熔融玻璃液滴入初模，合上悶頭，在液壓裝置的驅(qū)動下，沖頭插入熱玻璃液中，進行玻璃制品的初模成型。當玻璃的溫度由1100迅速降至700左右時，打開初模，取出玻璃坯料，通過成型機的反轉(zhuǎn)裝置，將坯料翻轉(zhuǎn)并運送至成模位置，在這一過程中必須保證玻璃瓶在自身的重力作用下不致變形，整個過程用時大約46S。因此，這就要求玻璃模具在這種惡劣的服役條件下，具有良好的導熱性、抗氧化性及在熱循環(huán)條件下，能具有良好的耐熱疲勞性。  圖11 玻璃瓶沖壓吹

26、制生產(chǎn)工藝圖 1.3 國內(nèi)外各玻璃模具材料及其服役特點 自從1925年發(fā)明行列機以來，玻璃制品行業(yè)呈現(xiàn)出前所未有的發(fā)展局面，玻璃成型機也不斷推陳出新?；仡櫜Ａ＞咝袠I(yè)的發(fā)展，制瓶機速的提高影響著行業(yè)的技術改革，模具材料以及冷卻方式基本上沒有多大改變。目前國內(nèi)市場上玻璃模具材料一般多采用灰鑄鐵、不銹鋼、含有Cr、Ni、Cu 等合金元素的低合金灰鑄鐵等?；诣T鐵以其成本低廉、技術和設備要求低，一直以來都是玻璃模具生產(chǎn)廠家首選材料。該類鑄鐵的組織中，石墨呈片狀分布于基體中，雖然片狀石墨有利于散熱，但在高溫條件下易氧化，會導致模具內(nèi)腔石墨脫落，表面質(zhì)量差；模具使用壽命低。近

27、幾年隨著玻璃制品成型機速的快速提高，對模具質(zhì)量的要求也就愈發(fā)的嚴格，所以許多高質(zhì)量的玻璃制品所使用的模具均依靠進口。通過對進口模具的分析及成分檢測發(fā)現(xiàn)，模具材料中普遍采用含有Cr、Ni、Mo、V等合金的合金鑄鐵或中硅合金鑄鐵。但是這些鑄鐵材料不但價格昂貴，而且在模具服役過程中存在著一定的缺陷，比如性能上的不穩(wěn)定性，隨著服役時間的增加會出現(xiàn)性能的衰退。造成模具使用壽命普遍偏低，不能滿足客戶需求5。近年來隨著模具行業(yè)向高速成型及輕量化方向發(fā)展，模具材質(zhì)的研制與使用，一直以來是制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸，因此，模具材質(zhì)的問題都備受關注。由于玻璃模具在服役過程中，服役環(huán)境十分惡劣，頻繁的與高溫玻璃液觸，并且要

28、求能快速的將熱量傳遞散發(fā)出去，由此也就導致了模具的各個部分存在著溫度梯度。長時間的服役，會導致模具內(nèi)腔出現(xiàn)疲勞裂紋，氧化、脫落等情況，最終模具報廢。綜合模具服役特性及成本的控制，玻璃模具材料應該具備：耐熱疲勞、抗氧化、抗生長、耐熱沖擊、耐磨、耐腐蝕、導熱性好、熱膨脹系數(shù)小、組織均勻且致密、易于機械加工等等特性6。結(jié)合近幾年玻璃行業(yè)的發(fā)展，市場主流的玻璃模具材料主要分為以下幾類：1.3.1合金灰鑄鐵玻璃模具材料 合金灰鑄鐵以其優(yōu)良的性價比，而成為玻璃模具主要材質(zhì)之一。玻璃模具在服役過程中的主要失效形式：氧化起皮、麻點、氧化剝落、熱沖擊所產(chǎn)生的應力導致模具合縫線變形及模具翹曲等。影響模具

29、服役壽命的關鍵因素就在于材質(zhì)的高溫性能，即在高溫的工作環(huán)境下，材料的抗氧化、抗生長、耐熱疲勞性能；這都與鑄鐵材料組織中的基體及石墨的形態(tài)、數(shù)量、大小、分布等有關。在一般工程應用中，加入Cr、Ni、Cu、Sn等合金元素，以促進珠光體的生成，提高材料的組織強度，從而提高抗磨損、抗熱應力變形的能力。加入Si、Al等元素，提高模具的表面抗氧化能力，因為模具表面由于Si、Al的加入，在高溫服役過程中能夠在材料表面形成SiO 2及Al 2O 3氧化薄膜，能夠阻止組織的進一步氧化。影響材料熱疲勞性的因素有多種，但通常認為其主要是材料的熱導率、強度、鑄件結(jié)構(gòu)、溫度循環(huán)頻率、溫度場變化規(guī)律等。韓建德等人7研究表

30、明：合金元素除了對提高鑄件抗氧化性有影響外，同時對鑄件的熱疲勞性也有很重要的影響。在高溫的服役環(huán)境條件下，玻璃模具內(nèi)腔由于氧化易在表面形成氧化膜，該層氧化膜的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、與基體膨脹系數(shù)的一致性及與基體的結(jié)合強度等都對裂紋的產(chǎn)生及擴展有很大的影響。Al、Si、Cr等合金元素能夠提高鑄鐵的氧化性，故而能減小產(chǎn)生裂紋的傾向，而裂紋的擴展決定于熱應力的大小，材料的導熱性，強度、塑性、及裂紋尖端的應力集中情況等因素。模具材料的熱疲勞性反應的是材料在高溫狀況下的力學及物理性能，Cr、Mo、Al等能夠改善其高溫強度，因此能提高鑄鐵的熱疲勞性能。含有V、Ti、Al 等合金元素的模具材料，在鐵液凝固過程中形成

31、合金化合物，均勻細小的彌散分布于基體組織中，從而達到了彌散強化的作用，提高材料的整體性能。能延長模具的服役壽命。目前，國內(nèi)許多玻璃模具企業(yè)采用這種合金材料，經(jīng)過裝機試驗，服役壽命達到50萬次/模。在國內(nèi)許多研究人員，根據(jù)模具的服役條件及性能要求，提出對含有釩、鈦等多元合金鑄鐵進行孕育處理的優(yōu)化，使模具材料組織更加細化，石墨組織變?yōu)樾阅軆?yōu)異的D 型石墨。一種新型的耐熱鑄鐵材料是在中硅鋁球鐵的基礎上添加0.8%的鉻，在裝機試驗條件下，表現(xiàn)出比中硅鋁球鐵更加優(yōu)異的抗氧化、抗熱沖擊性及高溫抗拉強度、硬度等性能；而且模具的使用壽命也提高了30-50%或以上。經(jīng)過實際生產(chǎn)的檢驗，其生產(chǎn)工藝簡單易控，模具質(zhì)

32、量優(yōu)異，有推廣的價值8在國外，M Cingi 等人9。研究了不同合金化處理對玻璃模具材料性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入少量的Mo、Cu、Ni等合金后，模具材料組織比未合金化組織晶粒變細，鑄鐵的激冷層為性能優(yōu)異的D 型石墨組織，模具的耐磨性、耐熱疲勞性均有很大提高，模具壽命比未合金化的材料提高了近一倍。1.3.2 D 型石墨鑄鐵玻璃模具材料 D 型石墨是灰鑄鐵凝固過程中受激冷作用所形成的奧氏體枝晶點狀過冷石墨，傳統(tǒng)觀點認為其會降低鑄鐵的強度，是一種有害的鑄鐵組織10因此在生產(chǎn)上嚴格控制D 型石墨的生成。從上世紀七十年代開始，國外的研究人員對D 型石墨進一步研究發(fā)現(xiàn)，接近共晶成分的

33、D 型石墨，無論是機械強度、鑄造性能、加工工藝性能上均優(yōu)于同等鑄造條件下的A 型石墨鑄鐵。因此，D型石墨灰鑄鐵被廣泛的應用于汽車馬達缸體、液壓件、高壓閥體等性能要求高的鑄件上。隨著我國制造業(yè)的迅猛發(fā)展，D 型石墨的應用尤其是在玻璃模具方面正變的越來越多。模具行業(yè)中將控制并獲得尺寸更細小，分布更均勻的組織視為鑄造的關鍵技術。如王唬等人11研究了灰鑄鐵大抗氧化性與D 型石墨之間的關系，得到了鑄鐵的抗氧化性與D 型石墨組織的大小及含量成正比的關系，以及D 型石墨鑄鐵比普通灰鐵抗氧化性好的結(jié)論。范志康、李崇禮等人通過對D 型石墨與其他類型的石墨在抗氧化性、抗組織生長、耐磨性以及組織硬度等方面進行比較后

34、得出D 型石墨具有其他石墨形態(tài)所無法比擬的優(yōu)異性能；抗氧化性高于灰鑄鐵7.2倍，耐熱疲勞性是灰鑄鐵的9倍，抗組織生長性是灰鑄鐵的6.4倍11-14。由玻璃模具的服役特點以及失效形式可知，要求玻璃材料具有抗氧化、組織抗生長、耐熱疲勞性、良好導熱性等。玻璃制品表面質(zhì)量要求高，這就要求玻璃模具型腔具有較好的光潔度，且在高溫服役條件下能夠保持組織穩(wěn)定，耐氧化剝落，故而材料組織的抗氧化能力是保證玻璃制品質(zhì)量的關鍵因素。因此模腔分布D 型石墨正是符合性能要求的石墨組織。雖然D 型石墨有極其優(yōu)異的性能，但必須以加入大量的Mo、V、Ti等貴金屬元素。為降低合金元素的消耗，降低成本。楊森等人15采用濕砂型造型，

35、并在下型安放大塊冷鐵，控制冷卻速度。而后再通過控制鑄造工藝獲得激冷D 型石墨，經(jīng)完全石墨化退火熱處理后，可以獲得較穩(wěn)定的基體組織+D型石墨灰鑄鐵，應用于玻璃模具中取得了良好的使用效果。1.3.3 球墨鑄鐵玻璃模具材料 球墨鑄鐵自1947年被發(fā)明以來，就被國內(nèi)外廣泛應用于機械制造的各個領域，尤其使鑄造材料的性能發(fā)生了質(zhì)的飛躍。在一些老牌的工業(yè)國家，球墨鑄鐵成為僅次于灰鑄鐵而超過鑄鋼的鋼鐵材料。同灰鑄鐵相比，球墨鑄鐵中的石墨以其細小的球狀形式存在于基體組織中，不僅可以提高材料的致密性，而且還減小了石墨對基體的切割作用，通過進一步孕育處理使晶粒度比灰鑄鐵小，使球墨鑄鐵具有良好的綜

36、合性能。通常由鐵素體和珠光體混合組織構(gòu)成球墨鑄鐵的基體組織，由于其受到二次晶形成的影響，鐵素體圍繞在球狀石墨周圍，形成似“牛眼”狀組織。在生產(chǎn)中由于合金中化學元素的偏析和球墨鑄鐵的特殊凝固特性，在共晶團周圍會附著形成非正常組織，如滲碳體、磷共晶等雜相，這些組織的分布會嚴重損害球墨鑄鐵的服役性能，故在生產(chǎn)中嚴格控制。在球墨鑄鐵耐熱性研究過程中，由于合金元素添加量的不同，主要分為Cr、Al、Si、Ni等四大系列，其中Si 系鑄鐵的應用最為廣泛。由于在滿足服役性能條件下，其中Si 的來源方便、價格低、冶煉成型工藝簡單、機械加工性能好，具有明顯的經(jīng)濟效益等優(yōu)點。但應用于鑄鐵也有致命弱點：熱敏性強，脆裂

37、傾向大，鑄造廢品率高；縮松大，對于組織的變形均勻性、組織致密度損害較大；近年來研制出的一種新型的復合硅系耐熱球墨鑄鐵，是通過改變普通硅系鑄鐵的化學成分，如加入鉬、鉻、銅等元素的基礎上，改進鑄鐵的熔煉鑄造工藝，從而達到改變中硅球鐵在高碳當量的條件下，組織順序凝固的方式；并通過適當改進熱處理工藝，從而獲得鑄鐵內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整且致密，耐熱性能優(yōu)良的球墨鑄鐵組織。古可成等人通過實驗得出如下結(jié)論16：在復合硅系耐熱球鐵中加入一定量的合金元素及變質(zhì)劑，以增加材料組織的白口傾向，改良硅系鑄鐵耐熱、耐磨的性能；與其它中硅球墨鑄鐵相比，此類耐熱球墨鑄鐵可提高75100的相變轉(zhuǎn)變溫度，因而獲得的組織具有更佳的耐熱性；

38、此外鑄件的缺陷少，縮松傾向小，得到的鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密，因此在高溫下對鑄件有一定氣密性要求的工況條件下，具有獨特的用途。材料在熱交變的作用下，容易發(fā)生組織疲勞裂紋并且裂紋擴展導致材料失效，據(jù)文獻16研究發(fā)現(xiàn)：對于不同基體類型的鑄鐵材料，其耐熱疲勞性能的弱強順序為：合金珠光體組織上貝氏體組織正火鐵素體組織鑄態(tài)珠光體組織下貝氏體組織合金珠光體組織鑄態(tài)鐵素體組織退火鐵素體組織?？刂凭Ы绲碾s相，強化孕育處理，細化球狀石墨，均勻化石墨分布；調(diào)配組織相性能差異，提高基體的塑韌性，避免基體出現(xiàn)性質(zhì)相差很大的復相組織。這些都是提高組織抗熱疲勞性能的有效措施。球墨鑄鐵雖然有較高的強度和韌性，以及良好的抗氧化性

39、能、耐熱性能，但是也存在著其自身的缺點，這主要是因為其基體組織中的石墨呈孤立的球狀，導致材料的導熱性較差，玻璃制品在模腔中不能快速冷卻，從而限制了成型速度的提高，不能適應現(xiàn)代化生產(chǎn)，故而也就限制了其在模具產(chǎn)品中的應用。1.3.4 蠕墨鑄鐵玻璃模具材料 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，并將蠕墨鑄鐵材料廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領域，如柴油機缸蓋、液壓閥閥體、鋼錠模等等。由于其良好的機械性能以及機加工性能，常常用于替換高牌號灰鑄鐵、可鍛鑄鐵合

40、金鑄鐵、和某些球墨鑄鐵的場合。蠕墨鑄鐵的石墨組織形態(tài)介于片狀石墨鑄鐵和球狀石墨鑄鐵之間，其石墨組織與灰鑄鐵和球墨鑄鐵的差異性如圖1-2，在共晶團內(nèi)部區(qū)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。 圖12石墨組織形貌圖片（100×） （a）灰鑄鐵（b）蠕墨鑄鐵(c球形鑄鐵正由于這樣的結(jié)構(gòu)，與灰鑄鐵相比，其導熱性沒有明顯下降，但機械性能卻大大增強，具有良好的抗熱疲勞性能；另外由于其介于灰鐵和球鐵之間的石墨形態(tài)，組織的抗氧化能力，抗生長能力明顯優(yōu)于片狀石墨灰鑄鐵。這主要從不同石墨形態(tài)的氧化機制上來分析，灰鑄

41、鐵是塊片狀或者是層片狀結(jié)構(gòu)，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。球鐵的氧化速度最小，但由于石墨呈孤立球狀分布，導致其散熱效果差。在球墨鑄鐵玻璃模具型腔中，熔融的玻璃液散熱慢，玻璃制品不能快速凝固硬化，延長了開模時間，降低了生產(chǎn)效率，故不宜采用；由于蠕墨鑄鐵中石墨組織的特殊結(jié)構(gòu)，導致其抗氧化性灰鐵，導熱性優(yōu)于球墨鑄鐵。綜合考慮，將耐熱性與導熱性結(jié)合起來，形成石墨組織的梯度

42、變化，以滿足玻璃模具不同部位對材料組織的要求。模具內(nèi)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(nèi)腔處添加冷鐵，使模具澆注凝固時，模腔內(nèi)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(qū)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(jié)合起來，提高了玻璃模具的抗氧化性及使用壽命。1.3.5 其他玻璃模具材料 隨著玻璃制品的應用范圍越來越廣，其中特別是在電子、工業(yè)、汽車工業(yè)及其他工業(yè)部門的應用，對玻璃產(chǎn)品的表面質(zhì)量、尺寸精度以及玻璃模具材料的抗氧化性、耐熱疲勞性、耐磨性以及模具表面的質(zhì)量等方面都提出了更高的要求。玻璃模具材料除了以上介紹的

43、常用材料外，還包括其他較少應用的材料：（1）鎳基合金這類合金的耐熱性比鑄鐵好，所以用它制作的模具表面裂紋少、壽命長、生產(chǎn)率高，并能提高玻璃制品的光潔度17-19。但這類材料的價格高，用此類合金制作的玻璃模具，所成型出來的玻璃制品，表面質(zhì)量優(yōu)于鑄鐵材料的模具，而且模具的使壽命較其他材料的模具有很大幅度提高。所以一些優(yōu)質(zhì)高檔的玻璃產(chǎn)品均采用此類材料。此外，鎳基合金的主要優(yōu)點是模具能夠以精密鑄造的形式鑄造成型，無須機械加工。但由于合金的硬度高，難于加工，也就限制了其應用的發(fā)展。（2）銅基合金銅基合金導熱性好，在高速高溫的條件下仍能夠保證玻璃制品的質(zhì)量。所以近年來頗受人們的重視。其中添加Al、Ni、Z

44、n、Co等合金元素，能夠提高模具表面的光潔度，而且能夠改善材料的抗氧化性、耐熱疲勞性、耐磨性及其他方面的熱物性。同灰鑄鐵相比成型機速可提高15%-30%，使用壽命延長3.5倍左右。模具在服役過程中，其失效形式主要是模具在開模、合模過程中的機械損傷，基本不存在材料組織被氧化以及模具出現(xiàn)熱裂紋的情況，而且模具的機械加工、損傷修復等均簡單，常用于生產(chǎn)顯像管模具，以及口模、沖頭等20-21。(3 耐熱合金22-23耐熱合金一般加入Cr、Ni合金元素，主要有3G13，4G13等。在選用耐熱合金材料加工玻璃模具時，主要考慮其導熱性的影響，所以一般都選用含Ni 量較低的合金，主要用于壓制模具。（4）玻璃模具

45、應用的特種材料姜金三，張滿營等24人成功地開發(fā)了以1Cr17Ni2MoV 為代表的特種模具材料，在實際生產(chǎn)應用中產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。另外，北京玻璃總廠的劉義漢25研究了新型復合體模具，提出來制造玻璃模具的新思路，復合體模具是一種新型的模具制造方法，為玻璃模具材質(zhì)的研究提出來新的發(fā)展方向，但受到實際生產(chǎn)條件的限制，國內(nèi)幾乎沒有廠家在推廣使用。1.4 蠕墨鑄鐵應用的發(fā)展趨勢 蠕墨鑄鐵是很有潛力的玻璃模具材料。在獲得蠕蟲狀石墨組織的過程中，需要控制兩方面因素才能得到優(yōu)異的使用性能：(1蠕化率。獲得穩(wěn)定的蠕化率就需要嚴格控制蠕化工藝條件，這主要是因為普通鑄鐵只有很小的蠕

46、化范圍內(nèi)才能形成蠕蟲狀石墨，一般蠕化劑殘留0.01%-0.015%范圍內(nèi)能可以形成穩(wěn)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(huán)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%等等。(2基體組織?；w組織是影響蠕墨鑄鐵的性能的關鍵因素。為了使蠕鐵的使用性能更好，服役壽命更高，蠕墨鑄鐵的基體組織不再是一般的珠光體（P）、鐵素體（F）或是二者（P+F）混合組織，而是要求韌性、耐磨性更為優(yōu)良的基體組織。如通過添加合金元素處理的方法來改善基體組織。我國從20世紀60年代末就開始在常用蠕墨鑄鐵的基礎上加入常

47、見的合金元素(如銅、鉻、鉬、鎢、硼、釩、鈦等進行合金化處理，并做了比較全面的試驗研究，試驗結(jié)果表明，合金化后的蠕墨鑄鐵具有更加優(yōu)異的性能，無論是強度還是耐磨性以及耐熱抗氧化性等方面，有的成果已實際應用，又如通過熱處理制取奧貝蠕鐵等等。此外，近年發(fā)展的合金化蠕墨鑄鐵應用發(fā)現(xiàn)，其性能優(yōu)勢明顯。例如新興發(fā)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26。上世紀90年代，國內(nèi)對稀土蠕墨鑄鐵玻璃模具的應用作了詳細調(diào)查，國內(nèi)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，且玻璃模具主要應用于高溫區(qū)，組織易發(fā)生相變，使

48、組織發(fā)生不可逆體積膨脹。為克服這類組織的弱點，需要發(fā)展組織更加穩(wěn)定的鐵素體基體。并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27。楊通等人28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。張金山，許春尋等人29-31研究了用稀土和K、Na復合變質(zhì)處理所形成的球墨/蠕墨復合鑄鐵玻璃模具材質(zhì)的組織、力學性能及高溫熱物性，并探討研究了變質(zhì)劑中元素含量及在材料組織中的存在狀態(tài)對玻璃模具材料性能的影響。在實際工業(yè)裝機生產(chǎn)中證明：經(jīng)復合變質(zhì)劑處理的材料具有較好的綜合性能，及良好的服

49、役性能，對其進行研究具有較高的經(jīng)濟價值。不僅適于玻璃模具行業(yè)，還可廣泛地應用于冶金，塑料和橡膠行業(yè)。1.5 存在的問題 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(wěn)定性均優(yōu)于普通灰鑄鐵及低合金鑄鐵，此外，玻璃制品表面質(zhì)量好等優(yōu)點，在玻璃模具行業(yè)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(chǎn)成本、提高其服役性能、進一步提高玻璃制品的光潔度等等。對于大批量生產(chǎn)蠕墨鑄鐵材料方面還存在以下幾個問題：（1）模具使用壽命及模具與玻璃制品接觸面處的表面質(zhì)量有待進一步提高；（2）蠕墨鑄鐵組織的獲得，鐵液的成分、蠕化劑的選擇、孕育劑的使用、合金含量、澆注溫度等工藝的控

50、制各方看法不一；（3）在生產(chǎn)中通過控制熔煉、鑄造工藝而獲得穩(wěn)定的蠕墨鑄鐵組織，仍需進一步研究。1.6 本文研究的來源、目的、內(nèi)容、意義 1.6.1課題來源及研究目的意義 本課題為合肥工業(yè)大學與常熟地區(qū)玻璃模具企業(yè)“產(chǎn)、學、研”合作的橫向課題。課題開展的主要目的：基于目前國內(nèi)外玻璃模具行業(yè)的快速發(fā)展，針對玻璃模具常用的蠕墨鑄鐵鑄鐵材料進行研究，通過模具實際的裝機使用發(fā)現(xiàn)：模具抗氧化、耐熱疲勞性能差、服役壽命短及產(chǎn)品表面質(zhì)量不佳等問題。研究蠕墨鑄鐵玻璃模具材料的合金化元素量、熔煉溫度、蠕化劑含量、澆注溫度等因素對合金灰鑄鐵玻璃模具的組織及性能的影響。優(yōu)選出獲得良好抗氧

51、化、耐熱疲勞及服役壽命更高的模具材料組織生產(chǎn)工藝以及合金化元素、蠕化劑用量范圍。近年來許多專家學者對鑄鐵玻璃模具材料進行了大量理論研究，對鑄鐵材料不同組織應用于玻璃模具進行服役性能測試后發(fā)現(xiàn)，玻璃模具材料其役壽命主要受組織中石墨形態(tài)、石墨大小、分布和基體組織結(jié)構(gòu)的影響。對比幾類主要的鑄鐵石墨組織形態(tài)在玻璃模具材料應用中的性能表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)一種類似于蠕蟲狀的石墨組織（蠕墨鑄鐵）在實際的服役過程中具有其他石墨組織鑄鐵所無法具有的使用性能。但由于蠕墨鑄鐵中蠕蟲狀石墨的生長、分布、大小等均不易穩(wěn)定控制，如何獲得蠕蟲狀石墨以及如何控制蠕蟲石墨組織，使其具有最佳的組織熱穩(wěn)定性、優(yōu)異的抗氧化、耐熱疲勞性能等玻璃

52、模具服役壽命指標，成為企業(yè)生產(chǎn)技術難題。一些零星研究系統(tǒng)性不強不足以指導企業(yè)生產(chǎn)。本文通過分析玻璃模具的實際服役環(huán)境，結(jié)合鑄鐵材料形成不同組織的影響因素，在現(xiàn)有蠕墨鑄鐵玻璃模具材料基礎上，通過重新設計合金成分、熔煉溫度、蠕化劑量、澆注溫度、鑄造工藝條件等方面，研究灰鑄鐵玻璃模具材料組織形貌特征、硬度與裝機試驗時服役性能的關系，以及模具在服役條件下的抗氧化性、耐熱疲勞性與組織形貌的關系，從而找出形成具有最佳裝機服役性能的蠕狀石墨組織，提出獲得此類組織的最佳合金成分含量、孕育劑量、澆注溫度、鑄造工藝條件、以及熱處理工藝等方案，為企業(yè)生產(chǎn)高性能蠕墨鑄鐵玻璃模具材料提供技術指導。1.6.2 

53、本文研究的主要內(nèi)容 由于影響鑄鐵組織的因素有很多，此次試驗采用正交試驗方案設計，選擇V+Ti合金元素摻加量、熔煉溫度、蠕化劑量、澆注溫度四個主要因素及每因素三個水平，制備不同因素及水平下的玻璃模具，并進行實際的生產(chǎn)服役試驗。（1）根據(jù)實際的服役條件，分析導致玻璃模具失效的主要原因，提出滿足玻璃模具材料在使用時應具有的物理性能、力學性能、及熱物理性能；（2）研究蠕墨鑄鐵材料的化學成分、熔煉及鑄造工藝、微觀組織、熱處理工藝等；（3）對蠕墨鑄鐵模具材料的力學性能、抗氧化性能、耐熱疲勞性能進行實驗，探究蠕墨鑄鐵玻璃模具材料受化學成分、熔煉及其它工藝因素的影響規(guī)律；（4）進一步優(yōu)化蠕墨鑄鐵的成

54、分、組織及性能，為滿足企業(yè)的生產(chǎn)提供理論指導。第二章 玻璃模具材料的性能要求及成分設計 2.1 玻璃模具材料失效的主要形式 在玻璃制品成形過程中，玻璃模具頻繁地與1100以上的熔融玻璃液相接觸，經(jīng)受高溫氧化、生長變形及熱疲勞等多重考驗；與此同時，模具的各接觸面還會因與制品的摩擦而被磨損，都會導致玻璃模具服役壽命縮短或失效。因而玻璃瓶模具的主要失效形式有:高溫氧化(起皮、剝落、麻點 倒棱和變形，鱗狀剝落是玻璃瓶模具失效的主要形式，鱗狀剝落是由于材質(zhì)的抗熱疲勞能力低所致32。在高溫條件下，模具的應力作用，如組織殘余應力、組織應力、熱沖擊所產(chǎn)生的應力均會導致模

55、具變形，從而導致模具合縫線處翹曲變形，因不能滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求而是模具報廢。此外，玻璃模具在服役過程中反復受冷、熱循環(huán)作用，而且模具各部分的溫度波動不一致，對于導熱系數(shù)不大的材料，溫度差大，會在模具型腔表面形成裂紋。這樣在反復的溫度變化條件下，裂紋不斷擴展，最終導致模具報廢。鑄鐵玻璃模具除發(fā)生氧化起皮、疲勞裂紋等現(xiàn)象外，還伴隨著材料內(nèi)部組織的生長。鑄鐵材料組織的生長是指在高溫下條件下鑄鐵組織發(fā)生的化學冶金變化造成材料組織的體積或尺寸長大，在組織冷卻凝固后仍保持不可逆轉(zhuǎn)的膨脹特性，通常伴隨著化學變化(如氧化 和冶金變化(如相變 。由于材料組織在高溫條件下生長的存在，可能使模具尺寸發(fā)生變化而導致模具

56、失效4。2.2 玻璃模具材料氧化失效機理 鑄鐵玻璃模具在高溫條件下，通常會發(fā)生組織的氧化和生長等現(xiàn)象，導致模具失效。石墨形貌、大小、數(shù)量以及分布等均是影響鑄鐵組織氧化的重要因素。在高溫氧化性氣氛下，鑄鐵中的石墨會被氧化，組織中石墨片愈粗大、連續(xù), 石墨數(shù)量越多, 氧化性氣氛越容易從鑄件表面侵入到內(nèi)部, 組織的氧化也就越嚴重。根據(jù)熱力學計算7，當氧化溫度低于700時，只有基體組織中的鐵被氧化；高于700時，基體中的鐵和石墨同時被氧化；當氧化溫度更高時，組織發(fā)生氧化主要是石墨被氧化。石墨組織被氧化后，生成CO 2和CO ，此后這些氣體在高溫條件下將與鐵產(chǎn)生反應；石墨被氧化后，會在基體上留下氧化空洞，致使基體的致密性降低，從而加速了氧化性氣體向鑄鐵內(nèi)部的入侵，發(fā)生內(nèi)部基體組織的氧化33。此外，由于模具頻繁受交變溫度的影響，模具的各個部位存在一個溫度梯度的變化，導致各部分的膨脹與收縮量不同。在反復的熱影響下，產(chǎn)生交變內(nèi)應力。模具在各工作階段中其截面上的溫度場和應力場分布不同，導致在模具不同的部位所受到的應力存在差異性34。在模具的服役過程中