V、Ti合金化对玻璃模具材料抗氧化及耐热疲劳性的影响

Ｊｕｌ．２０１１Ｖ０１．６０

ＮＯ．７

垂篙帅寿

Ｖ、Ｔｉ合金化对玻璃模具材料抗氧化

及耐热疲劳性的影响

吴进钱，黄新民，杨明，韩和兵，曹钧力

（舍肥工业大学材料科学与工程学院。安徽合肥２３０００９）

６９７

摘要：通过测试不Ｖ／Ｔｉ条件下蠕墨铸铁玻璃模具材料的抗氧化及热疲劳性能，研究了蠕墨铸铁的钒、钛合金化工

艺，并探讨了影响这些性能的因素。结果表明，在Ｖ、Ｔｉ变化范围内，Ｖ／ＴｉＬＬ为１．６３时蠕墨铸铁具有较均匀的铁素体基体＋蠕虫状石墨组织，以及良好的热物性。

关键词：蠕墨铸铁；玻璃模具材料；抗氧化；耐热疲劳

中图分类号：ＴＧｌ４３．４９文献标识码：Ａ文章编号：１００１－－４９７７（２０１１）０７—０６９７—０３

ＥｆｆｅｃｔｏｆＶａｎａｄｉｕｍａｎｄＴｉｔａｎｉｕｍＡｌｌｏｙｉｎｇ

ｏｎ

Ａｎｔｉｏｘｉｄａｔｉｏｎａｎｄ

ＴｈｅｒｍａｌＦａｔｉｇｕｅＲｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆＧｌａｓｓＭｏｌｄＭａｔｅｒｉａｌ

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Ｊｉｎ ｑｉａｎ，ＨＵＡＮＧＸｉｎ－ｍｉｎ，ＹＡＮＧＭｉｎｇ，ＨＡＮＨｅ－ｂｉｎｇ，ＣＡＯＪｕｎ－ｌｉｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＨｅｆｅｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，

Ｈｅｆｅｉ

２３０００９，Ａｎｈｕｉ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅａｎｔｉｏｘｉｄａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｍａＩｆａｔｉｇｕｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｖｅｒｍｉｃｕｌａｒｇｒａｐｈｉｔｅｃａｓｔｉｒｏｎｓｗｉｔｈ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒａｔｉｏｏｆＶ厂ｒｉｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄ，ｗｈｉｃｈｖａｎａｄｉｕｍ

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ｏｎ

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ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅｒａｔｉｏｏｆＶ厂ｒ．．Ｓ１．６３．ｔｈｅｖｅｒｍｉｃｕｌａｒｇｒａｐｈｉｔｅｃａｓｔｉｒｏｎｈａｓ

ａ

ｍｏｒｅｕｎｉｆＯｒｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆｅｒｒｉｔｅｍａｔｒｉｘ＋ｖｅｒｍｉｃｕｌａｒｇｒａｐｈｉｔｅ．ａｎｄｇｏｏｄｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｒｍｉｃｕｌａｒｇｒａｐｈｉｔｅｃａｓｔｉｒｏｎ；ｇｌａｓｓｍｏｌｄｍａｔｅｒｉａｌ；ａｎｔｉｏｘｉｄａｔｉｏｎ；ｔｈｅｒｍａＩｆａｔｉｇｕｅ

在玻璃制品的成形过程中，模具频繁地接触１

１００℃

过控制铁液的出炉温度和浇注温度来控制铸铁的组织形态，以获得蠕虫状石墨＋铁素体基体组织，以提高模

以上的熔融玻璃，承受氧化、生长及热疲劳等作用。模腔热平衡温度一般在４５０～６５０℃，长期处于高温状态下工作，而且在反复的开模、合模的过程中产生摩擦，因此要求玻璃模具应具有良好的耐热、耐磨、耐腐蚀、抗热疲劳、抗氧化、抗生长等性能，此外还应具有良好的机械加工性能。其中以抗氧化为其主要性

具材料的高温热物性能，其试验材料化学成分见表１。

表ｌ试验材料的化学成分

Ｔａｂｌｅ１Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃａｓｔ

ｉｒｏｎ，‘蝴

能指标㈣。本研究主要通过对蠕墨铸铁玻璃模具材料

进行Ｖ、Ｔｉ合金化处理，通过不同ｖ／Ｔｉ比组织的比较，

１．２试样的熔炼及浇注

试验用材料在１００ｋＷ中频感应电炉中熔炼，炉料有生铁、废钢并用硅铁、铬铁等调整炉内铁液成分，待炉料熔化，铁液过热到１

５１０～１

分析探讨合金化处理后玻璃模具材料的组织及抗氧化、

热疲劳性能。

１试验条件及方法

１．１材料成分的设计

本试验加入钒、钛合金元素，钒的加入量０．０８％～

５５０℃扒渣出铁，进

行炉前孕育、蠕化处理，将已烘干备用的蠕化剂加入包底，再将占铁液０．６５％的７５硅铁孕育剂覆盖在蠕化剂上面，在蠕化的同时加入Ｖ、Ｔｉ颗粒（粒度为３～５ｍｌｎ）进行合金化处理，采用湿型浇注得到合金化后的试样，浇注温度控制在ｌ

４００～１

０．１８％，钛的加入量０．０３％一０．１３％，Ⅵｉ的变化范围：

１．３９～２．６７。加入蠕化剂稀土镁铁，其成分为ＲＥ

Ｍｇ８％、Ｓｉ

７％、

４４０℃。对浇注后的试样进行

４２％，其余为铁，加入量０．５５％，－４）．６５％，对热处理，其热处理工艺为，加热到９００℃保温４ｈ，随炉冷却至６００℃后出炉空冷。

铁液进行变质处理，要求蠕化率在Ｉ＞８０％以上，并通

收稿日期：２０１１－０４—０６收到初稿，２０１１－０５—０３收到修订稿。

作者简介：吴进钱（１９８６－）。男，工程硕士，研究方向为蠕墨铸铁玻璃模具材料的组织性能。Ｅ－ｍａｉｌ：５９３５２３２０１＠１６３．ＣＯｌｌｌ

Ｊｕｌ．２０１１

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ＦＯＵＮＤＲＹ

Ｖ０１．６０

Ｎ０．７

１．３试样的制备

分别取不同浇注工艺下的试样进行对比试验，试样

取自模具在使用过程中最易出现问题的瓶颈区域，见

墨铸铁玻璃模具材料的耐热疲劳性。

２试验结果及分析

根据蠕墨铸铁中ｖ、Ｔｉ含量的不同，将试验试样编

号．见表２。

表２不同合金含■试样编号

Ｔａｂｌｅ２ＴｈｅＶａｎｄＴｉｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅｓ

图ｌ。金相分析、硬度检测试样尺寸为６０

２０

ｍｍｘ３０ｍｍｘ

ｍｍ，

ｎｌｍ，抗氧化性试样的尺寸为５０ｍｍｘｌＯｍｍｘ７

ｍｍｘ２４ｍｍｘｌＯ

热疲劳试样为４０

ｍ，并在试样上宽度

取样区放大

方向上预制ｖ型缺口。

图１模具取样示意图

懿

２。１■墨铸铁的显微组织

经过ｖ、Ｔｉ微合金化后的典型蠕墨铸铁组织如图２

Ｆｉｇ１Ｔｈｅｓｋｅｔｃｈｏｆｍｏｌｄｓａｍｐｌｉｎｇｐｏｓｉｔｉｏｎ

所示，１“试样ｖ，ｒｉ比为２．６７时组织中石墨粗大，分布不均；２４试样、啊ｉ比为１．６３时组织中石墨的蠕化率达到９０％，而且蠕虫状石墨在铁索体基体中分布也较为均

１．４抗氧化性、耐热疲劳性试验

抗氧化性的测定采用的是氧化增重法，根据模具

使用的工况，试样取自模具材质最易产生氧化的瓶颈部位。先对试样进行除油除锈处理．然后经无水乙醇清洗后。放入１２０℃烘箱烘干１ｈ以上，取出放人干燥器内冷至室温，用万分之一光电天平称基质量，并在

７００℃的箱式电阻炉中保温１６ｈ，然后随炉冷却至３００℃

匀。３憾样ｖ，ｒｉ比为１．３９时组织中石墨形态，其蠕化率

仅为４０％左右。且组织中出现大量珠光体组织。在试验ｖ、Ｔｉ含量变化范围内，蠕铁的基体组织为铁素体＋珠光体，随着ｖ、Ｔｉ的质量分数的增加铁素体的含量在不断增加，而珠光体的含量在不断减少。２４试样的基体组织中铁素体含量相对较多，而珠光体的含量相对较少，这也是耐热玻璃模具材料所必须满足的机加工性能之一。但当ｖ、Ｔｉ的含量继续增大时，其基体中铁素体的量反而减少，珠光体的量增加（图２ｃ）。说明ｖ、Ｔｉ合金元素影响蠕墨铸铁的基体中铁素体和珠光体的相对数量以及珠光体在基体中弥散度。钛属于晶界偏析型元素，可以抑制石墨球化的作用，扩大残余蠕化

荆的范围，稳定获得蠕虫状石墨。

出炉。空冷到室温后立刻称量，计算出氧化后质量增加值【３Ｊ。并按如下公式计算氧化速度：

＂＝（ｍｒｍ２）／（Ｓ ￡）

（１）

式中：”为平均氧化速度，ｇ－ｍ－２，ｈ。；ｍ．为加热前试样的质量，ｇ；ｍ：为加热后试样的质量，ｇ；ｓ为试样表面

积，ｍ２；沩氧化时间，ｈ。

热疲劳性是由于玻璃模具在服役时，温度周期性变化导致产生裂纹。根据模具的服役条件，在实验室的电阻炉中模拟其工作条件，加热到６００℃并保温

１０

２．２曩墨铸铁的抗氧化、耐热疲劳性能

对不同Ｖ／Ｔｉ比，的试样进行氧化性、热疲劳性试验，其氧化速率，热循环产生的裂纹长度如表３所示。

ｍｉｎ，取出放入冷水中急冷，反复循环２００次．对裂

纹进行显微观察，通过对裂纹长度的衡量，来表征蠕

慝蕊霞．ｊ。‘。＿：妒．：≯ｔ车ｊ≯麓≥，Ｉ

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ａ｝１“试样

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３

７试样

图２小ｊ司ｖ、ｎ舍量的右墨与甚体＝｝ｌ；态

Ｆｉｇ，２ＴｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｏｆｇｒａｐｈｉｔｅａｎｄｍａｔｒｉｘｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔＶ，Ｔｉｃｏｎｔｅｎｔｓ

由表３可以得出蠕墨铸铁中钒、钛合金的含量影响石墨的形态、大小以及分布是影响氧化速度的主要因素。不同的石墨形态，氧化过程也不同，由于灰铸铁

以直接氧化为主，其氧化通道是片状石墨，球铁以间

其抗氧化性及耐热疲劳性。一般认为氧化起皮是玻璃模具材料氧化失效的主要原因之一，在高温状态下，

铸造昊进钱等：ｖ、Ｔｉ台金化对玻璃模具材料抗氧化及耐热疲劳性的影响

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表３抗氧化性、耐热疲劳性试验结果

Ｔａｍｅ３ＲｅｓｕｌｔｏｆａｎｔｉｏＪｄｄａｆｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｍａｌｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔ

合金的加入，在凝固过程中被吸附在石墨与金属相界面上，形成障碍层，对碳原子穿过晶界向石墨晶核扩散产生阻碍作用口Ｉ，形成的合金碳化物的晶粒细小，均

匀地分布于基体组织中，通过弥散强化作用使基体强化，从而增强模具基体组织与氧化膜之间的粘附作用，

减少二者之间的微空隙，增强基体的抗氧化剥落能力。

接氧化为主，氧离子从界面沿最近的途径扩散入石墨球中，石墨球逐个被氧化Ｈ，而蠕墨铸铁中石墨的头部呈现出钝化现象，利于减轻石墨对基体的割裂作用，切断氧化通道，故而氧化介于两者之间。由于钒、钛

这样也就不难解释为什么２铽样的抗氧化性优于１４、３４

试样了。通过本试验可以得出，合金元素含量是影响铸铁抗热疲劳性的主要因素之一。试样的热疲劳裂纹形貌见图３。

Ｆｉｇ

３Ｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇ／ｅｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋ

研究表明目，蠕墨铸铁热裂纹破坏主要在石墨．基体用，提高其抗氧化耐热疲劳性。

参考文献：

竺詈要÷璧耋誓翌詈：。呈热銎警竺要罢篓塑芝要：．苎圭要是因为石墨松软且脆弱，模具在使用时反复接触高温

的玻璃液，产生交变的热应力，在应力作用下导致应力

ｉ１。；蕞三．刘晴．吴春京．等奥氏体基体灰铸铁与镍基合金复合

玻璃模具材料的研究［Ｊ］热加工工艺．２００５（８）：５－７

『２１余光达，岳旭东．吴春京，等玻璃模具用高镍Ｄ型石墨奥氏体

铸铁的性能的研究【Ｊ］热加工工艺，２００５（５）：４－６

集中，容易在石墨处产生裂纹源。因此，合适的钒、钛

合金元素的含量能够影响石墨形态、大小以及分布，从而降低在热循环时的热应力作用，减缓裂纹扩展速度。

【３］中国机械工程学会铸造分会铸造手册【Ｍ］北京：机械工业出版

［４］郭令军ｔ薄铁在７００＂Ｃ时氧化过程的观察佣铸造技术．１９９５

３

结论

（１）蠕墨铸铁在Ｖ

０．１３％、Ｔｉ０．０８％，Ｖ／Ｔｉ

为１．６３

［５］张金山，卫振亚，高慧低合金蠕墨铸铁玻璃模具的组织与性能

太原理工大学学报【Ｊ】２０００．３１（２）：２１０—２１４

［６］ＮｅｃｈｔｅｌｂｅｒｇｅｒＥ，盛达蠕虫状石墨铸铁的应用实例【Ｊ】现代铸

铁－１９８３（１）：３７—３８

时，蠕虫状石墨组织均匀分布于铁索体基体中，具有

较好的组织及热物性。

（２）钒钛合金化处理后使组织中蠕虫状石墨均匀

德蔷慧髦２鬟囊和絮篡二嘉票薷慧鬈黧的弥散分布强化基体，同时降低热循环时的热应力作

（黼潘甄ｐｊｙ＠ｆｏｕｎｄｒｙｗｏｒｌｄ．ｃｏｍ）…１１’…１’”７０

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