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玻璃模具材料及其发展

发布时间:2015-12-18 09:46 文章来自:http://www.zztynh.com/ 作者:admin
玻璃模具是玻璃制品成型的重要工具,模具质量直接影响其使用寿命、玻璃制品的外观和生产成本.在玻 璃制品成型过程中,模具频繁地与lIO0~C以上的熔融玻璃接触,一般生产玻璃器皿的机速为8~/min,而且在 开模、合模的过程中,模具都会发生碰撞 .因此,玻璃模具应该除具有良好的机械性能之外,还应具有良好的 抗热疲劳、抗氧化、抗生长等性能,其中导热性能非常关键,良好的导热率会使模具内外的温度梯度降至最小, 从而使模具的寿命延长.
随着人民生活水平的提高,人们对玻璃制品的要求已不仅仅是经济适用,而对其外观也提出了很高的要 求,再加上玻璃制品成型速度的提升,这样就对玻璃模具提出了更高的要求,而由于对玻璃模具认识上的不足, 对玻璃模具材料研究的重要性还没有引起足够的重视,玻璃模具的使用寿命一直不长.而且我国目前尚未制定 玻璃模具材料标准,更没有形成完整的玻璃模具材料系列,这种状况严重制约了我国玻璃工业的发展,因此研 究与开发新型玻璃模具材料,对提升玻璃行业的市场竞争力是非常重要的.

1 玻璃模具材料的应用与发展
铸铁材料由于工艺性能好以及成本上的优势,依然是国内玻璃模具生产企业的常用材料.国外的玻璃模具 材料主要为合金耐热铸铁等,加工后再经表面强化处理,模具寿命高达40—50万次.国内普遍采用灰铸铁,使用 寿命一般为7—12万次,与国外的差距较大圆.近年来,我国研制了多种新型玻璃模具材料,模具寿命普遍提高. 但铸铁本身性能上的缺陷使其在要求较高的玻璃制品生产过程中应用受到影响,主要体现在铸铁模具材料的 抗氧化性、抗长大性能以及热疲劳性能不足,因此使用寿命受到一定得限制.
目前玻璃模具材料开发与性能改善等方面的研究主要体现在三个方面:一是通过合金化改善组织形态的 方法来提高材料的性能.对于铸铁玻璃模具来讲,在高温条件下工作时,通常会产生氧化和生长等,成为模具失 效的主要原因.为了提高铸铁的抗氧化性能,常常加入合金元素Cr、Mo、Ni、V、Sn等进行合金化.其中Cr是耐热 铸铁中应用最广泛的合金元素,能有效提高铸铁的抗拉强度、伸长率、屈服强度、硬度、耐热性能及抗氧化性能;M。可提高铸铁的热稳定性及抗热疲劳性能;Cu可改善铸铁的加工性能,提高模具的表面粗糙度等.如铜钼铬
合金铸铁材料结晶粒细、金相组织均匀,耐磨、耐热性与稳定性高,热膨胀系数小,其玻璃模具寿命在30~40~:f 件肘四;二是通过控制石墨的形态与分布状态提高模具材料的抗氧化性能、热疲劳性能等.主要体现在石墨的 形状对铸铁模具性能的影响,如D型石墨、蠕虫状石墨等.为氧离子在灰口铸铁中扩散时沿着片状石墨所形成 的通道直接由表面进人内部,扩散速度快,形成氧化膜时间短,氧化严重.而对于石墨分布比较分散的状态,如 D型石墨、蠕虫状石墨等氧离子的扩散则是沿初生奥氏体扩散到石墨球中,使石墨球逐个被氧化,所以,以间接 氧化为主,氧离子扩散慢,形成的氧化膜相对较薄,因此提高了材料的抗氧化性能.据报道,以铝为主要合金元 素的蠕墨铸铁作为模具材料,其使用寿命可以达到74.5万次,模以上 .三是通过开发新的合金来满足使用性能 上的需要,在模具的关键部件上采用合金钢、不锈钢、铜基合金、镍基合金等代替铸铁材料.如采用以Ni、Al、zn 为主要元素的铜基合金由于具有良好的导热性能,可使成型速度提高的同时,也可以提高使用寿命2—3倍嗍,作 为受热条件较为恶劣的瓶IZl模具是比较适宜的.这些合金虽然有各自的性能方面的优势,但价格相对铸铁材料 来讲较高,因此应用受到一定的影响.

2 模具表面处理技术
在模具上使用的表面技术方法多达几十种,主要可以归纳为物理表面处理法、化学表面处理法和表面覆层处理法嘲.物理表面处理法即对材料进行表面强化处理,以使模具整个或部分表面获得较高的力学性能和物理性能,如硬度、耐磨性、耐疲劳性能以及耐蚀性能等,而心部或其他部分仍具有良好的综合性能.化学表面处理法是将模具置于一定温度的活性介质中保温,使一种或几种元素渗入模具表面,改变模具表面的化学成分和组织,达到改进表面性能和满足技术要求.表面覆层处理即通过一定的工艺方法,在模具工作面上沉积薄层金属或合金以达到提高模具表面性能的效果.限于目前玻璃模具常用的材料为铸铁材料,因此常用的玻璃模具表面处理工艺为表面覆层处理.
常用的表面覆层工艺有表面镀层、热喷涂、气相沉积、离子注入等.电镀和化学镀是模具表面处理技术中的传统技术,由于电镀操作温度低,模具发生变形较小,镀层的摩擦系数低,可以大大提高模具的耐磨性.但是由于对环境的影响较大,因此应用受到了很大的限制;刷镀工艺简单,沉积速度快,操作方便,镀层质量和性能较好.易于现场操作,不受模具大小和形状的限制,用在报废模具和大模具的修复上经济效益明显.在生产中应用的主要是等离子喷涂和高速火焰喷涂.在模具上采用热喷涂金属陶瓷涂层对其表面进行强化,可提高其硬度、抗黏着、抗冲击、耐磨和抗冷热疲劳等.如作为初型模的冲头材料,在常用不锈钢材料表面喷涂30 50urn厚的WC—Co涂层后,寿命可以得到明显提高,而且制品质量也得到改善.
表面处理技术已经大量应用于模具的表面处理上,在提高模具寿命和制品质量上已有了显著的进步和巨大的经济效益,但是先进表面技术的应用和发展与国外相比还有一定的差距.充分应用表面处理技术是提高模具寿命的一种重要手段,也是发展现代模具的必经之路.

3 复合材料在玻璃模具中的应用前景
玻璃模具的常用材料是灰铸铁和以Ni、cr、M0为主要合金元素的合金铸铁,这些铸铁材料在使用过程中存在着性能上的不稳定性以及随时间的延续出现性能的衰退,造成铸铁材料的玻璃模具使用寿命普遍较短,无法满足用户的要求.铸铁材料作为玻璃模具制造的主要使用材料,在性能上存在着明显的劣势,主要表现在:
(1)在高温条件下工作时,通常会产生氧化和生长等。影响铸铁氧化的主要因素有氧化膜的性质、合金元素以及石墨形状、大小、数量等。石墨在高温下会发生显著的氧化反应,石墨片愈粗大、连续,石墨数量愈多,氧化也愈严重.
(2)石墨对铸铁基体组织起到非常明显的割裂作用,特别是片状石墨,其割裂作用极为明显,在交变温度条件下,石墨对铸铁基体组织的割裂作用就体现在该处是基体组织的裂纹源,从而使材料抵抗产生裂纹及变形的能力较弱.
通过表面处理技术可以改善模具的性能与使用寿命,但表面处理需要昂贵的设备,如等离子喷焊设备等,而且在工艺过程中受到人为因素的影响较大,所以性能稳定性较差.而金属复合材料是由两种或两种以上金属
经复合而形成的一种新型材料,通过材料的合理选择及成型工艺过程的控制,实现冶金结合使两种金属间形成稳定的结合层;综合了两种材料的性能优势,具有单种金属材料不可比拟的优点们,使模具材料具有良好的使用寿命.日本最近报道已开发出不锈钢一铜复合玻璃模具材料,使模具的性能可以综合两种材料的性能优势,使玻璃容器成型时间由原来的32秒减少到16秒,大大提高了玻璃制品的生产效率,而且模具寿命也得到了较大程度的提高嗍.在玻璃模具复合材料的研究与开发方面,基本上围绕着在模具基体材料上形成较薄的一层复合层,以提高模具内表面的热性能、抗长大性能以及耐磨性等,通过一定的工艺方法形成层状双金属复合材料.
由于初型口模不仅受到强烈的热冲击,同时又受到成型时的压力,因此初型口模要求具有良好的综合性能 目前玻璃瓶工厂在生产中大量使用带镍芯的硅铜合金口模,国内通常采用的工艺方法为表面喷焊,而美国、意大利及台湾省等采用镶铸工艺生产这种口模,以啤酒瓶口模为例,对两种口模的成本与利润进行比较如下:
  毛坯成本 加工成本 焊接,修补成本 直接成本 售价 毛利率
铜合金喷焊 250 20 80 350 490 40%
铜合金镶镍 320 15 0 335 546 63%

通过比较可以看到,铜合金镶镍为毛坯做口模,省略了喷焊或者氩弧焊环节,不再需要二次加工,生产上更省时省力,利润也高出50%以上.
目前层状双金属复合材料及其成型工艺的研究已经比较广泛,如通过爆炸复合、轧制复合、复合铸造、离心铸造等方法制备钢一不锈钢材料、铝一钢复合材料、铝一铜复合材料等,并且部分工艺经历了生产性试验,获得了比较满意的结果.其中铸造法生产复合材料的制造成本较低,也符合玻璃模具行业发展的特点,因此,采用铸造工艺获得性能优异的层状金属复合材料在玻璃模具材料的研究与开发方面具有独到的优势.

4 结论
玻璃模具材料的选用是提高玻璃制品成型效率的重要依据.限于玻璃模具制造企业的特点,目前玻璃模具使用最为广泛的仍为铸铁材料.尽管通过铸铁材料的合金化及表面处理工艺在一定程度上提高了模具的使用寿命,但双金属复合材料更适合玻璃模具的使用要求,因此开发低成本双金属模具复合材料及其生产工艺具有广阔的前景.