双金属复合材料在玻璃模具中的应用前景
2009-10-23 16:51:15 来源: 新材料产业网
双金属复合材料是将两种金属材料利用其各自的性能优势进行分层组合而形成的一类金属材料。它具有单种金属不可比拟的性能优势，即可以根据工件的使用状况合理的设计材料组合，充分发挥两种金属各自的性能特点，使部件具有特殊的性能以适应各种恶劣工况，延长部件使用寿命。如高速钢复合轧辊是采用硬度高和耐磨性好的高速钢作为轧辊的工作层材料，用强度高、韧性好的合金球墨铸铁作为轧辊的芯部材料，其辊身硬度高、耐磨性好，尤其是在高温时的红硬性使其使用寿命显著提高，综合使用寿命比原用单一材料提高3倍以上[1]。因此，双金属复合材料非常适合那些既要求基体金属的强韧性，同时又需要表面特殊性能的零部件，在使用条件恶劣的模具零部件制造中具有良好的发展前景。
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1100℃以上的熔融玻璃接触，一般生产玻璃器皿的机速为8次/min，而且在开模、合模的过程中，模具都会发生碰撞[2]。因此，玻璃模具除要求材料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。显然，采用单一材料难以满足上述性能上的特殊要求。而双金属复合材料的优势在于可以充分发挥两种金属材料各自的性能优势，使基体材料与具有特殊性能的表层材料达到有机结合，因此双金属复合材料在玻璃模具中的应用将会成为今后发展的重点方向之一。
一、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40万～50万次。国内普遍采用灰铸铁，使用寿命一般为7万～12万次，与国外的差距较大[3]。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的应用受到影响，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3个方面。
一是通过合金化改善组织形态的方法来提高材料性能。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是耐热铸铁中应用广泛的合金元素，能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；Mo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30万～40万次 [4]。
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。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入内部，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74.5万次以上[5]。
三是通过开发新的合金来满足使用性能上的需要，模具的关键部件采用合金钢、不锈钢、铜基合金、镍基合金等代替铸铁材料。如以Ni、Al、Zn为主要元素的铜基合金具有良好的导热性能，采用这种铜基合金来制作模具的关键部件，在提高玻璃制品成型速度的同时，模具使用寿命提高了2～3倍[6]，用它作为受热条件较为恶劣的瓶口模具是比较适宜的。这些合金虽然有各自的性能方面的优势，但价格相对较高，因此应用受到一定的影响。
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