在玻璃制品成形過程中，玻璃模具對產品的外觀以及品質的作用非常大。由于初成形模具頻繁地與1 100 ℃左右的熔化玻璃液接觸，成形模的溫度也在450~650 ℃之間變化，另外模具開合過程中，模具受到冷熱的交變作用，產生熱應力、氧化和機械作用，因此，對模具材料性能所提出的要求極其苛刻。一般來講，玻璃模具材質應具備下列一些特質：抗氧化生長、耐熱沖擊、耐熱疲勞、導熱性好、高溫耐磨、線膨脹系數小、易于機械加工、組織致密均勻、粘附溫度高、耐腐蝕性能好等。 

目前常用的模具材料有：普通灰鑄鐵、D型石墨鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、銅合金、鎳基高溫合金、不銹鋼等，其中，鑄鐵模具材料的消耗量最大，大約占90%左右。與灰鑄鐵相比，蠕墨鑄鐵具有較好的強度、抗氧化生長、抗熱疲勞、耐磨性好等優點，與球墨鑄鐵相比，蠕墨鑄鐵具有較好的導熱性和抗變形能力，因此，蠕墨鑄鐵更適合于制作玻璃模具。但是，蠕墨鑄鐵在生產過程中，蠕化率穩定性差，且鑄件容易產生縮孔和縮松等缺陷。而蠕化率又是影響玻璃模具物理性能和使用性能的主要因素。因此，多年來，蠕墨鑄鐵在玻璃模具中的應用一直沒有很好的推廣開來。目前，國內鑄造企業處理蠕墨鑄鐵基本上采用傳統的“一步法”，即沖入法或者喂絲法。由于影響蠕墨鑄鐵蠕化率等冶金質量的因素非常多，譬如，爐料種類、熔煉工藝與過程、爐前蠕化處理過程、出鐵過程、工人操作水平、鐵液的運輸與澆注過程等。在蠕化處理過程中，有些因素不能夠做到很好地人為控制。所以，“一步法”蠕化處理工藝很難穩定蠕墨鑄鐵的冶金質量。 

因此，國外許多鑄造企業采用以Sintercast技術為代表的“兩步法”蠕化處理工藝生產汽車缸蓋和缸體。近年來，國內有多家大型汽車發動機鑄件制造企業也引進了該技術。另外，國外企業也有采用以OCC熱分析技術為代表的蠕化處理工藝。近幾年，國內也引進了約10臺套OCC蠕墨鑄鐵生產技術系統。但是，由于國外技術對生產過程的參數控制要求范圍很窄，操作嚴格，且設備價格昂貴，生產過程中的耗材成本高，所以，這限制了該技術在我國中小鑄造企業的推廣應用。 

本文根據蠕墨鑄鐵傳統蠕化處理工藝過程中存在的質量穩定性差的問題，利用國內獨立成功開發的“兩步法”蠕化處理工藝與智能調控系統來控制蠕化鐵液的冶金質量，保證鑄造玻璃模具鑄件的蠕化率穩定性，并消除了鑄件收縮缺陷。應用實踐證明，“兩步法”蠕化處理蠕墨鑄鐵玻璃模具質量穩定，使用壽命長，具有非常好的應用前景。

1　沖入法蠕化處理玻璃模具存在的問題

根據玻璃模具的使用工況條件， 蠕墨鑄鐵玻璃模具要求含有一定數量的合金元素，控制蠕化率在80%~90%范圍內，基體組織為單一的鐵素體。河北安迪模具有限公司原來采用沖入法蠕化處理工藝制作玻璃模具鑄件，化學成分（質量分數）為：3.5%~3.7%C、2.5%~2.8%Si、0.3%~0.6%Mn、0.2%~0.5%Cr、0.25%~0.4%Mo、0.2%~0.5%Ni、P<0.06%，原鐵液的含硫量在0.015%~0.02%，稀土鎂蠕化劑的主要成分為9%RE、4%Mg和44%Si，根據原鐵液硫含量，蠕化劑加入量在0.35%~0.4%范圍內變化，一次包內孕育量：0.7%，出鐵溫度：1530~1560℃。 

由于蠕化處理過程中的變化因素比較多，蠕化率的穩定性非常差。圖1為連續統計的28包次的蠕化率分布，可以看到，蠕化率在61%~94%之間變化，平均值為75%，均方差為6.6%。其模具蠕化率波動范圍如此之大，將導致模具的鑄造性能、力學性能、物理性能和使用性能極不穩定。另外，金相組織中還經常出現過共晶的團塊狀石墨、開花狀石墨，甚至出現了大量球狀石墨，如圖2所示。有時候還會出現石墨漂浮。這在很大程度上影響了玻璃模具的導熱能力，也促使了模具內腔表面在高溫下容易出現凹坑和氧化（圖3），耐磨性差，模具使用壽命縮短，玻璃制品的表面質量降低。經驗表明，如果蠕墨鑄鐵玻璃模具的蠕化率和石墨形態控制不合格，它的使用壽命還不如D型石墨鑄鐵的玻璃模具壽命高。這也導致玻璃模具鑄件容易出現縮松缺陷，如圖4所示。如果出現過球化現象，鑄件的縮孔和縮松缺陷將更加嚴重。鑄件的縮松缺陷影響了模具機加工性能，常出現鉆頭刀具折斷，冷卻孔不垂直等問題。 

2　“兩步法”蠕化處理工藝

根據上述分析可知，沖入法蠕化處理過程的有些變化因素是不可控的，也就是說蠕化鐵液的冶金質量波動不可避免。既然如此，如果能夠在澆注前，對沖入法蠕化鐵液冶金質量的波動性進行準確定量預測，然后，對蠕化鐵液進行修正，以獲得合格蠕化鐵液，從而保證所澆注的蠕墨鑄鐵件的質量穩定性。人們將此蠕化處理定義為“兩步法”蠕化處理工藝。“兩步法”蠕化處理工藝主要步驟是在控制好原鐵液化學成分的基礎上，首先進行蠕化預處理，然后對冶金質量變化較大的鐵液進行喂絲調質處理。圖6為“兩步法”蠕化處理工藝流程簡圖。 

當中頻爐熔煉原鐵液熔清并達到1450℃左右時，調整好合金元素含量后，澆注原鐵液熱分析樣杯，測試原鐵液的碳硅含量及液相線碳當量；當原鐵液碳硅及其他化學成分滿足要求后，出鐵進行預蠕化處理，預處理采用沖入法，預處理劑為球化劑+少量稀土金屬或者稀土基的蠕化劑。一般來講，預蠕化處理鐵液的蠕化率要高于鑄件所要求的蠕化率，這也叫欠處理，一般控制預處理蠕化率在90%以上。利用蠕墨鑄鐵冶金質量在線智能分析系統對預蠕化處理后的鐵液進行全面冶金質量技術指標分析，如蠕化率、孕育指數、共晶指數、收縮傾向、共晶點碳當量、奧氏體析出量、石墨化膨脹因子、石墨漂浮因子等。然后，根據所生產蠕墨鑄鐵玻璃模具鑄件的蠕化率（80%~90%）等技術要求，智能系統自動計算對預處理后鐵液的鎂線和孕育線長度，并自動進行喂線處理，達到進一步修正預處理鐵液的蠕化率和孕育效果等冶金質量指標的目的，以獲得合格蠕化率的鐵液。 

在安迪模具公司生產條件下，蠕化鎂線的直徑為9mm，孕育線的直徑為13 mm。對于處理700kg鐵液，根據蠕化預處理的鐵液蠕化率的波動狀況，一般二次喂鎂線長度在3~7m，孕育線長度3~6m。喂絲后，澆注鑄件，從而保證玻璃模具鑄件的蠕化率控制在80%~90%范圍內，穩定了蠕墨鑄鐵玻璃模具鑄件的性能。 

理論和大量生產實踐證明，“兩步法”蠕化處理工藝徹底解決了沖入法蠕化處理鐵液冶金質量技術指標一致性差的技術難題。

3   “兩步法”蠕化處理玻璃模具的蠕化率

自2017年12月份，河北安迪模具有限公司采用了“兩步法”蠕化處理工藝來處理蠕墨鑄鐵玻璃模具鑄件，至今，采用這種新的蠕化處理工藝已經有4年多時間了，處理了近10 000包次的蠕化鐵液，沒有出現一包蠕化處理失敗的鐵液。對于“兩步法”蠕化處理工藝，即使蠕化預處理失敗，即預處理的鐵液為完全片狀石墨，或者為蠕蟲狀石墨和片狀石墨混合存在，智能系統也能夠自動判斷其蠕化效果，智能系統將自動計算額外的鎂線長度，補償石墨由片狀轉變為蠕蟲狀所需要的含鎂量，通過二次喂絲能夠將這包預處理失敗的鐵液糾正到蠕化率等冶金質量指標合格的狀態。 

需要注意的是，如果預蠕化處理的鐵液過球了，即蠕化率遠低于80%，蠕墨鑄鐵冶金質量智能在線測控系統也能夠準確預測這種情況。此時，智能系統是不計算鎂線加入量的。在這種情況下，如果預處理的鐵液溫度高于澆注溫度，可以等待蠕化衰退，但是等待的過程也存在著孕育衰退。否則，過球化的預處理鐵液就要回爐，或者再補充加入適量的原鐵液，或者加入適量的硫粉或FeS以中和過多的活性鎂。但是，這需要進行大量的試驗才能確定硫粉或FeS的加入量。一般情況下，由于澆注溫度的限制，不允許預處理過球化的鐵液等待。所以，在預處理的過程中，一定要盡量避免過球化預處理。 

圖7為預蠕化處理和喂鎂線5.2 m鐵液凝固后的石墨形態。由圖7可見，預處理后的蠕化率約為95%，喂絲后鐵液的活性鎂含量提高，石墨球數量增多，蠕化率降到約83%。 

4　蠕墨鑄鐵玻璃模具的裝機應用

蠕墨鑄鐵玻璃模具鑄件在加工前需在950℃條件下進行高溫石墨化退火處理，以消除碳化物，均勻化學成分。鑄件在高溫保溫3~5h后于熱處理爐內緩慢冷卻，通過共析三相區，使得奧氏體完全按照穩定系進行共析轉變，以獲得100%的鐵素體基體。圖11為退火后的金相組織，由圖11可見，蠕墨鑄鐵玻璃模具鑄件在高溫退火過程中，細小石墨有溶解、合并的趨勢，基體為鐵素體。這樣，蠕墨鑄鐵玻璃成形模具在使用過程中，不會由于加熱和冷卻導致基體組織發生相變而產生微孔洞，同時沒有相變應力的產生，有利于提高玻璃模具的使用壽命。 

表1　蠕墨鑄鐵玻璃模具與D型石墨鑄鐵模具

的使用效果對比

5　結論

（1）沖入法蠕化處理過程中的變化因素比較多，控制難度大，蠕墨鑄鐵的冶金質量波動大，鑄件質量不穩定。

（2）“兩步法”蠕化處理工藝可以獲得穩定的蠕墨鑄鐵鐵液的冶金質量，克服了沖入法蠕化處理工藝因素變化大導致的冶金質量一致性差的問題，提高了玻璃模具鑄件的內在質量。

（3）“兩步法”蠕化處理的玻璃模具抗氧化性好、耐磨性高，使用壽命長，玻璃制品的表面質量好，有利于提高生產效率，降低玻璃制品的生產成本。

（4）“兩步法”蠕化處理工藝獲得成功的關鍵是采用蠕墨鑄鐵智能在線測控系統對預處理蠕化鐵液的冶金質量關鍵技術參數進行準確的預測。

作者：劉金海，趙雪勃，薛海濤，付彬國，張桂顯，張勝德，劉長起，王立新，李寅國

單位：河北工業大學材料科學與工程學院