鑄鐵玻璃瓶成型模具麻點失效分析

寧克法，牛新惠，王曉強，董云霞

（山西天海泵業(yè)，山西 解州 044001）

1 概述

模具是玻璃成型中不可缺少的裝備，玻璃生產(chǎn)的質(zhì)量與產(chǎn)量都和模具直接有關(guān)，因而模具材料的選用、加工、維修和檢驗是確保模具質(zhì)量與成型質(zhì)量的重要措施。由于玻璃的成型工藝特點要求模具材料具有好的耐熱性、熱疲勞性、耐磨性、抗氧化性等性能。目前玻璃瓶模具常用材料為鑄鐵，玻璃瓶成型模的主要失效形式有：氧化（起皮、剝落、麻點）、倒棱和變形。鱗狀剝落是玻璃瓶成型模報廢的主要形式。影響模具使用壽命的關(guān)鍵因素是材質(zhì)的耐熱性，即在高溫下材質(zhì)的抗氧化性、抗生長的能力。這取決于組織中的基體及石墨形態(tài)。

某模具廠家用鑄鐵制造生產(chǎn)的玻璃瓶成型模具在使用過程中內(nèi)壁產(chǎn)生麻點，導(dǎo)致產(chǎn)品早期失效，為了找出其失效原因?qū)κ＞哌M行了分析。

2 試驗分析

2.1 麻點掃描電鏡分析

對模具上麻點進行了掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)麻點聚集分布，麻點情況如圖1 所示。麻點尺寸大多數(shù)在50 μm～200 μm，單個麻點形態(tài)呈片狀剝落狀，較大麻點內(nèi)部形貌為擦傷、磨光態(tài)，較小麻點邊緣為撕裂狀，個別麻點邊緣還可觀察到小裂紋。

圖1 麻點微觀形貌

對麻點處材料進行了能譜分析，如圖2 所示。麻點能譜分析主要含C、O、Si、Na、Mo、K、Ti、Ca 等元素，見圖2a）、2b）.麻點旁內(nèi)表面基體主要為Fe、Si元素，未見O 元素，見圖2c）所示。

圖2 麻點譜圖

試驗結(jié)果表明，麻點性質(zhì)屬表面金屬剝落，麻點內(nèi)部黏著有玻璃成分。內(nèi)壁基體檢測無O 元素，可以確定不涉及全面高溫氧化。

2.2 化學(xué)成分分析

化學(xué)成分檢測見表1.

表1 化學(xué)成分檢測結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

試驗結(jié)果表明，化學(xué)成分在合格范圍內(nèi)。

2.3 硬度分析

檢測模具面硬度為：HBW144，HBW140，HBW139；要求硬度：HBW150～170.

試驗結(jié)果表明，實際硬度低于HBW150～170范圍要求。

2.4 金相分析

2.4.1 酸浸

試片經(jīng)鹽酸水溶液酸浸后檢測，鑄件質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)裂紋、大型孔洞類缺陷。兩側(cè)合縫處有白亮色噴焊耐蝕組織，如圖3 所示。

圖3 白亮色噴焊耐蝕組織

2.4.2 組織分析

圖4 所示為基體組織。拋光狀態(tài)下，石墨呈蠕蟲狀及球狀，靠近內(nèi)壁處球狀較多，心部球狀較少，按JB/T 3829-1999 評定為Ru75，見圖4 a）、4b），整個試樣有較多多角形含鈦夾雜物見圖4c），個別蠕蟲狀石墨尖端較尖銳，見圖4d），經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后，組織大多數(shù)視場為鐵素體基體，極少量視場有零星珠光體，見圖4e），鐵素體基體上大量分布著大塊狀第二相組織，見圖4f）.

圖4 基體組織

3 討論與分析

3.1 材料及熱處理

對玻璃瓶成型模具材料的檢測結(jié)果顯示：玻璃瓶成型模具化學(xué)成分符合材質(zhì)要求:力學(xué)硬度低于標(biāo)準(zhǔn)要求。鑄件低倍檢驗未發(fā)現(xiàn)裂紋、孔洞類缺陷:蠕鐵蠕化率合格，組織為鐵素體基體加極少量珠光體，但組織中出現(xiàn)較多大塊狀含鉬第二相，屬組織異常，此外，還有較多的含鈦夾雜物：合縫面采用鎳鉻合金噴焊，熱影響區(qū)出現(xiàn)針條狀共晶碳化物。

模具硬度是非常重要的力學(xué)性能指標(biāo)，硬度不足將加快模具的磨損，降低模具的使用壽命。受送檢樣品限制，本次分析未做抗拉強度。材料中加入鉬會提高鑄鐵的高溫抗氧化能力，Mo 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%時，穩(wěn)定碳化物的作用比較溫和，還有細(xì)化石墨的作用。溶入鐵素體的鉬，能形成穩(wěn)定的特殊碳化物Fe3Mo3C，對鐵素體基體有強化作用，但呈大塊狀第二相分布時，如同夾雜物存在，會降低鑄鐵的使用性能。此外，較多含鈦夾雜物也會對基體性能產(chǎn)生影響，應(yīng)當(dāng)予以控制。

3.2 服役狀態(tài)分析

在玻璃成型過程中，玻璃的入模溫度在900 ℃～1 100 ℃之間，出模溫度在500 ℃～600 ℃左右。模具中玻璃的停留時間一般為5 s～60 s.一方面熔融的玻璃進入模具時會對模具產(chǎn)生沖刷；另一方面玻璃制品出模后，需要對模具冷卻或在服役過程中冷卻，模具會受到冷熱交替的應(yīng)力反復(fù)作用。如果模具的抗疲勞性能、硬度、高溫力學(xué)性能以及抗氧化性不夠極易引起模具材料損傷。

3.3 麻點分析

從本模具麻點形態(tài)看其性質(zhì)為材料撕裂，金屬剝落。麻點坑能譜顯示除黏著玻璃成分外，主要還有鉬、鈦等元素存在。金相組織中同樣顯示大量含鉬第二相質(zhì)點及含鈦夾雜物。模具表面能譜檢測無O 元素，基本可排除典型高溫氧化及腐蝕可能性。

3.4 綜合分析

綜合分析認(rèn)為，該玻璃瓶成型模具硬度值低，在高溫服役過程中模具微變形將增大，材料中有大量的大塊狀含鉬第二相質(zhì)點及含鈦夾雜物，降低了材料的高溫性能，服役過程中，受摩擦應(yīng)力、冷熱交替應(yīng)力等應(yīng)力的作用，在相界處分離，引起材料撕裂及剝落，進一步受玻璃物質(zhì)黏著等作用，損傷加劇，導(dǎo)致麻點產(chǎn)生，麻點的長大聚集，最終導(dǎo)致模具早期失效。

4 結(jié)論

玻璃瓶成型模具麻點失效產(chǎn)生原因系模具硬度不足以及材料中有大塊狀含鉬第二相及含鈦夾雜物，在服役過程中材料撕裂剝落所致。建議：在模具鑄造過程中控制好鉬與鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并在熱處理過程中采取提高性能的措施可提高模具的使用壽命。