專利名稱：用于玻璃制造工具的鐵—鉻—硼合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改進(jìn)制造玻璃制品(如玻璃容器)中所用的工具及用于這種工具的合金材料。
在溫度高于玻璃軟化溫度時(shí)，使熔融玻璃成形來(lái)制造玻璃容器。可以用回收玻璃也可以用包括石灰、蘇打粉、硅砂和其它添加劑的原料混和物來(lái)生產(chǎn)玻璃。在成形操作期間，將溫度超過(guò)1200℃的適量熔融玻璃送入金屬模具中通過(guò)金屬噴嘴鼓吹空氣而成形。大多數(shù)制造操作中，是在高速下重復(fù)成形過(guò)程，各工具，例如金屬“吹嘴”(blow nozzle)或同玻璃容器頸管接觸用以鼓吹空氣的沖頭(plunger)，都會(huì)受到明顯磨損。
在玻璃成形機(jī)加工設(shè)備中，同熱玻璃接觸的金屬部件或工具如吹嘴以及其它工具都必須具有高硬度和高耐磨損性以及高抗氧化性和防氧化皮性。由于反復(fù)同熔融玻璃接觸以及從模具中取出玻璃而產(chǎn)生的高速熱循環(huán)，金屬部件或工具應(yīng)該具有高耐熱裂性。在大多數(shù)典型的玻璃容器制造中，金屬工具都要經(jīng)受成千上萬(wàn)次的熱循環(huán)之后，才進(jìn)行再加工和更換。
在制造玻璃瓶子所用的普通工具中，“吹一吹沖頭(Blow-BlowPlunger)”形成了瓶頸內(nèi)側(cè)，并能鼓吹空氣使熔融玻璃壓迫模具壁。這種吹一吹沖頭和其它玻璃模壓部件通常都是用含有2-3(重量)％的硼；一般含有98(重量)％的鎳和2(重量)％的硼的鎳硼合金制造的。這些合金產(chǎn)生鎳枝晶和鎳與硼化鎳共晶混合物的顯微組織。這種材料具有良好的抗熱沖擊性和約40-45洛氏C級(jí)的適宜硬度。然而，鎳基質(zhì)比較軟而且不能通過(guò)熱處理使其硬化。這種軟基質(zhì)導(dǎo)致兩個(gè)問(wèn)題(a)同共晶硼化物比較，這種基質(zhì)磨損相當(dāng)迅速，總的耐磨損性由于這種機(jī)理而下降，而且(b)鎳基質(zhì)的磨損經(jīng)常導(dǎo)致極細(xì)的磨損顆粒嵌入在玻璃容器內(nèi)側(cè)。
在大多數(shù)玻璃瓶的制造操作中，磨損是一個(gè)主要問(wèn)題；例如，在7-14天連續(xù)操作后，吹一吹沖頭的磨損使它們不得不進(jìn)行更換，以便對(duì)它們重新進(jìn)行加工。此外，嵌入容器玻璃中的顆粒將使典型玻璃瓶的震裂強(qiáng)度降低為原來(lái)的1/4-1/5。由于在用戶手中就可能損壞以及可法定或回收后果，一批中有幾個(gè)損壞的瓶子就可導(dǎo)致大批地被拒絕。
抗熱沖擊，同時(shí)耐由于反復(fù)同熔融玻璃接觸而引起的磨損性，是用于工具例如玻璃容器制造中所用吹一吹沖頭和推一吹沖頭(push-Blowplugers)材料的頭等重要性能。
本發(fā)明的目的在于提供改進(jìn)的適宜制造玻璃制品如容器制備時(shí)所用工具的鐵類合金，該合金具有高耐磨損性和高抗熱沖擊性。本發(fā)明還提供這種合金的工具鑄件。
本發(fā)明的工具可包括吹嘴或沖頭，例如吹一吹沖頭或推一吹沖頭。然而，該工具也可包括在制造玻璃制品如容器中所用的任何其它機(jī)械部件，該部件通過(guò)同熔融玻璃接觸被用于使制品成形。因而該部件可包括用于使玻璃制品成形的模具或拼合模塊。
本發(fā)明合金是一種鐵-鉻-硼合金。如果存在基本數(shù)量的硬質(zhì)合金形成元素如鉬、釩、鈦、鈮和鎢時(shí)上述合金含有1-20(重量)％的鉻、0.5-3(重量)％的硼、最高達(dá)1.0(重量)％或更高的碳、以下將詳述的任選的合金添加劑，以及其余是鐵和伴隨的雜質(zhì)。
本發(fā)明的工具是來(lái)自本發(fā)明合金熔體的鑄件，該工具能達(dá)到高硬度和耐磨損性，以及高抗熱沖擊性。該工具還具有高抗氧化性。
本發(fā)明的合金和工具還具有通過(guò)退火能被軟化和再硬化到高硬度水平的優(yōu)點(diǎn)。此外，尤其是對(duì)于高鉻含量(例如至少8(重量)％)的合金，它們具有能隨著熱處理被硬化成馬氏體而且是堅(jiān)硬和耐腐蝕的高鉻含量的基質(zhì)。這種基質(zhì)聯(lián)同硬質(zhì)鐵-鉻共晶硼化物的存在，能夠提供一種在升高溫度和快速熱循環(huán)或熱沖擊的條件下具有極好耐磨損性的材料。
鐵-鉻-硼合金及其工具鑄件比上述討論的鎳-硼合金能承受更長(zhǎng)時(shí)間的磨損，由于它們極好的抗氧化性，該工具生產(chǎn)出的瓶子不會(huì)有合金金屬雜質(zhì)，從而能獲得更堅(jiān)固的產(chǎn)品。
鐵-鉻-硼合金及其工具鑄件能夠通過(guò)退火被軟化到35洛氏C級(jí)硬度，能進(jìn)行加工，然后通過(guò)加熱到900℃以上和空氣冷卻被再硬化。如果需要，然后回火能進(jìn)一步調(diào)整硬度。
通過(guò)拋光還能夠提供高級(jí)表面精整的合金和工具。
當(dāng)碳實(shí)際上僅僅作為伴隨的雜質(zhì)存在時(shí)，本發(fā)明的鐵-鉻-硼合金和工具能夠基本上不含碳。然而，如同所指出的那樣，碳能夠以小于1.0(重量)％的比例而存在，優(yōu)選碳不超過(guò)0.6(重量)％，例如可以0.1-0.6(重量)％而存在，如0.1-0.3(重量)％。硼含量不小于0.5(重量)％，最佳為0.5-2.5(重量)％，例如1-2.5(重量)％。對(duì)于大多數(shù)用途來(lái)說(shuō)，優(yōu)選鉻含量為3-18(重量)％，例如8-18(重量)％。
如果形成硬質(zhì)合金的元素如鉬、釩、鈦、鎢和鈮被包括在合金組分中，則碳含量可以超過(guò)1.0(重量)％，但形成硬質(zhì)合金的元素含量必須是這樣的，過(guò)量的碳被這些元素結(jié)合成碳化物或碳-硼化物相。則基質(zhì)的碳含量仍被保持在低水平。
鑄造鐵合金的斷裂韌性、抗熱沖擊性和耐磨損性極大地取決于各硬相的體積百分率，它們依次是硼和碳的含量、形成碳化物和硼化物的各元素含量以及基質(zhì)的填隙式硼和碳含量的函數(shù)。由于硼在鐵素體和奧氏體中的溶解度低，基質(zhì)的硼含量總是低的。然而碳在奧氏體中的溶解度以及為此馬氏體基質(zhì)中的碳含量可以高達(dá)約2(重量)％，除非碳被結(jié)合進(jìn)某些其它相中。
在本發(fā)明令人滿意的合金組分設(shè)計(jì)中，最重要的是使基質(zhì)的碳含量保持在足夠低的水平，這樣才能在上述用途中獲得足夠的斷裂韌性或抗熱沖擊性?；|(zhì)中碳的優(yōu)選含量低于0.3(重量)％，在某些用途中可以更低。
為了增強(qiáng)氧化性能和可淬硬性，鐵基合金可以包含足夠的合金添加劑。為達(dá)到上述目的的適宜合金元素包括硅、鋁、錳、鎳、銅和鉬，它們可以單獨(dú)使用也可以結(jié)合使用。為此目的的優(yōu)選添加量是不超過(guò)3(重量)％，例如0.5-3(重量)％的硅；不超過(guò)0.2(重量)％的鋁；不超過(guò)2(重量)％，例如0.2-1.5(重量)％的錳； 0.2-3(重量)％，例如0.2-2(重量)％的鎳；不超過(guò)3(重量)％的銅；和/或不超過(guò)5(重量)％，例如0.5-5(重量)％的鉬。鐵基合金熔體中硅和/或鋁的存在還有利于將該熔體保持在脫氧狀態(tài)。
由于鉬起著硬質(zhì)合金和/或硼化物形成元素的作用，添加鉬也能提高硬度和改進(jìn)高溫下的抗軟化性。為了同樣目的，還可以向鐵基合金中添加足夠數(shù)量的形成硬質(zhì)合金和/或硼化物的其它元素，例如釩、鈦、鎢和/或鈮。為增強(qiáng)抗軟化性的優(yōu)選添加量是如上所述數(shù)量的鉬；不超過(guò)8(重量)％的釩；不超過(guò)5(重量)％的鈦；不超過(guò)6(重量)％的鈮和/或不超過(guò)7(重量)％的鎢。
可以通過(guò)在電感應(yīng)爐內(nèi)熔煉適宜組分的材料作為澆注的熔體來(lái)制備本發(fā)明要求的鐵基合金。這最好要求熔煉低碳鋼廢料、低碳鐵-鉻合金和低碳鐵-硼合金。可以添加其它的工業(yè)鑄造合金以提供鐵基合金中所需要的合金添加劑。對(duì)于再熔爐料，使用低碳鋼廢料和鐵合金可以很容易地熔煉出含有約2(重量)％硼的回爐廢料。使用鐵-硅或鐵-鋁合金可以將該熔體保持在脫氧狀態(tài)。
本發(fā)明的鐵基合金具有約1300℃的熔點(diǎn)。通常希望1400°-1450℃的熔體澆注溫度，這取決于鑄件的性質(zhì)。
在澆鑄后，鐵基合金可以在950-1150℃范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行熱處理使其硬化以形成奧氏體，然后用空氣冷卻到室溫以便在合金基質(zhì)中形成馬氏體顯微組織。在這種硬化處理后的典型硬度為50洛氏C級(jí)。如果希望的話，鐵基合金或其工具鑄件，可以在700-750℃溫度下進(jìn)行亞臨界退火將基質(zhì)分解成鐵素體和碳化物的混合物，使鐵基合金或其工具鑄件由此軟化以便于機(jī)加工。這種熱處理會(huì)使硬度降低到30-35洛氏C級(jí)。該合金可以在950-1150℃進(jìn)行熱處理和空氣冷卻以提供約50洛氏C級(jí)典型硬度，使該合金重新硬化以便于使用。
根據(jù)所需的尺寸精度和使達(dá)到最終尺寸的加工量減至最小程度所決定的澆鑄方法，可以使鐵基合金工具澆鑄成接近基本形狀。
現(xiàn)在參考以下實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例1當(dāng)熔融玻璃落入模具時(shí)，吹一吹沖頭直接同其接觸，然后通過(guò)空氣壓力迫使玻璃呈初始形狀。沖頭尖端上的小突出部分在瓶的頸上形成內(nèi)側(cè)邊緣。沖頭上的這一突出部分必須保持鋒利，以致不會(huì)在瓶頸內(nèi)側(cè)上形成玻璃薄片。
通過(guò)熔模鑄造以上規(guī)定組成范圍內(nèi)的鐵基合金，并最后將其加工到工具所要求的準(zhǔn)確形狀，來(lái)制取制造玻璃容器所需的吹一吹沖頭工具。在本實(shí)施例中所用合金的組成是碳 0.2(重量)％鉻 17(重量)％硼 2(重量)％硅 0.9(重量)％錳 0.8(重量)％鉬 0.5(重量)％其余是鐵在鑄造之后粗機(jī)加工之前，使沖頭在700℃進(jìn)行3小時(shí)亞臨界退火將其硬度降低到35洛氏C級(jí)。在粗機(jī)加工后，使該沖頭在950℃加熱1小時(shí)，然后在空氣中冷卻到室溫，隨后在300℃回火3小時(shí)。最終硬度為50洛氏C級(jí)。然后進(jìn)行最終機(jī)加工和研磨。
用這種方法制造的吹一吹沖頭大大地改進(jìn)了性能，超過(guò)了用鎳-硼合金制造的普通工具。在這種特殊用途中的普通吹一吹沖頭經(jīng)過(guò)1-2周連續(xù)操作后，由于磨損和尺寸精度損耗，該沖頭不得不從使用中撤出來(lái)。對(duì)它們進(jìn)行再加工后再恢復(fù)使用。本發(fā)明的吹一吹沖頭連續(xù)使用10周也無(wú)需撤出進(jìn)行再加工。這表示該部件的使用壽命為普通部件的5-10倍。
實(shí)施例2使用熔模鑄造法，用本發(fā)明的鐵-鉻-硼合金制取24個(gè)沖頭。將它們用于生產(chǎn)玻璃容器。這些沖頭在生產(chǎn)中持續(xù)使用了10-12周無(wú)需使它們重新鋒制，同普通鎳-硼合金的沖頭比較，它們的使用壽命提高了5-7倍。這些沖頭的特殊組成如下(按重量％)碳0.23％硅1.07％錳1.11％磷0.017％
硫 0.017％鉻 14.78％鉬 0.40％鎳 1.50％銅 0.14％鋁 0.096％鈮 0.175％硼 2.0％其余主要是鐵添加少量的鈮使少量的鈮的碳化物淀析以提高耐磨損性。
實(shí)施例3導(dǎo)板鑄件是具有中心孔的固體平圓盤，沖頭將從上述中心孔通過(guò)和縮回。沖頭和中心孔之間的間隙要求嚴(yán)格，該間隙不應(yīng)大到足以允許熔化玻璃在沖頭和導(dǎo)板之間滲入。在低于500℃溫度下沖頭和導(dǎo)板之間的磨損是更換導(dǎo)板的主要原因。
在連續(xù)13天生產(chǎn)500ml瓶子時(shí)跟蹤通過(guò)熔模鑄造法用鐵-鉻-硼合金制造的20決導(dǎo)板，在尺寸上沒(méi)有可測(cè)量到的變化。用鎳-硼合金或工具鋼制造的導(dǎo)板在7天后要求進(jìn)行測(cè)量，由于磨損使容許間隙超過(guò)，一般約有一半的導(dǎo)板被報(bào)廢。該鐵-鉻-硼合金的組成如下(按重量％)碳 0.28％硅 1.13％錳 1.15％磷 0.017％硫 0.014％鉻 14.6％鉬 0.73％鎳 1.83％銅 0.14％鋁 0.026％
硼2.0％其余主要是鐵實(shí)施例4套管是類似于作為瓶子鑄模支承機(jī)構(gòu)一部分的頂環(huán)形式的鑄件。更換套管的主要原因是頂部水平面上的磨損和中心孔中的磨損.通常用鎳-硼合金或工具鋼制造套管，在連續(xù)操作2-3周后，由于磨損而被撤出和進(jìn)行檢查。
如果兩個(gè)尺寸被磨損超過(guò)0.005英寸(0.13mm)，則它們要報(bào)廢。大多數(shù)普通鎳-硼合金套管持續(xù)使用4-6周。
跟蹤通過(guò)熔模鑄造法制造的鐵-鉻-硼合金套管，在連續(xù)使用7周后僅在平板水平面上顯示出0.08mm(0.003英寸)的磨損，在中心孔內(nèi)顯示出0.06mm(0.0025英寸)的磨損。同現(xiàn)今使用的合金比較，新發(fā)明的合金在耐磨損性方面有了相當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。該鐵-鉻-硼合金的組成如下(按重量％)碳0.29％硅1.03％錳1.13％磷0.009％硫0.012％鎳2.08％鉻17.38％鉬1.12％銅0.15％鋁0.026％硼2.0％其余主要是鐵在這種情況下，將鉬增加到超過(guò)百分之一是為了改進(jìn)熱硬度。
最后，無(wú)需說(shuō)明，只要不脫離本發(fā)明的精神和范圍，在上述內(nèi)容的結(jié)構(gòu)和安排方面都可以進(jìn)行變更、修改和/或補(bǔ)充。
權(quán)利要求
1.一種適于生產(chǎn)用于制造容器之類玻璃制品的鑄造工具的鐵-鉻-硼合金，其中，該合金含有1-20(重量)％的鉻和0.5-3(重量)％的硼；該合金任選地包含超過(guò)1.0(重量)％的被至少一種形成硬質(zhì)合金的元素結(jié)合成碳化物和/或碳-硼化物相的碳；該合金還任選地包括所述至少一種形成碳化物的元素；并且，該合金中還進(jìn)一步包含0-3(重量)％的硅，0-0.2(重量)％的鋁，0-2(重量)％的錳，0-3(重量)％的鎳，0-3(重量)％的銅，0-5(重量)％的鉬以及其余是鐵和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的合金，其中，碳含量不超過(guò)0.6(重量)％。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的合金，其中，碳含量為0.1-0.3(重量)％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的合金，其中，硼含量為1-2.5(重量)％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)的合金，其中，鉻合金含量為3-18(重量)％。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的合金，其中，鉻含量為8-18(重量)％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)的合金，其中，鉻含量應(yīng)使得該合金具有通過(guò)熱處理可硬化成馬氏體的高鉻含量基質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)的合金，其中，所述合金包含硅、鋁、錳、鎳、銅和鉬中的至少一種元素，它們各自的含量為硅 0.5-3(重量)％鋁 小于0.2(重量)％錳 0.2-1.5(重量)％鎳 0.2-2(重量)％銅 小于3(重量)％鉬 0.5-5(重量)％
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)的合金，其中，所述合金包含鉬、釩、鈦、鎢和鈮中的至少一種元素， 由于起著硬質(zhì)合金和/或硼化物形成元素的作用以提高高溫抗軟化性，上述元素各自的含量為鉬 0.5-5(重量)％釩 小于8(重量)％鈦 小于5(重量)％鎢 小于7(重量)％鈮 小于6(重量)％
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)的合金，其中，在該合金的基質(zhì)中的碳含量低于0.3(重量)％。
11，一種在制造玻璃容器時(shí)同熔融玻璃接觸中使用的工具，其中，所述工具是用根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)的合金進(jìn)行鑄造而生產(chǎn)的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的工具，其中，該工具，當(dāng)它在鑄造狀態(tài)隨后在空氣中冷卻時(shí)具有顯示出馬氏體組織的基質(zhì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的工具，其中，該工具具有馬氏體組織的基質(zhì)，它是通過(guò)在950-1150℃進(jìn)行熱處理形成奧氏體，隨后在空氣中冷卻提供馬氏體顯微組織而生成的。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的工具，其中，該工具在鑄造狀態(tài)通過(guò)在700-750 退火被軟化，然后被機(jī)加工成最終形狀，然后在950-1150℃進(jìn)行熱處理以形成奧氏體，然后被空氣冷卻以提供馬氏體顯微組織。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的工具，其中，所述工具具有約50洛氏C級(jí)硬度。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-15中任一項(xiàng)的工具，其中，該基質(zhì)的碳含量低于0.3(重量)％。
全文摘要
一種適宜于生產(chǎn)玻璃制品制造時(shí)所用工具的鐵—鉻—硼合金及用該合金制造的工具，具有1-20(重量)％的鉻和0.5-3(重量)％的硼的組成。該組成任選地包含超過(guò)1.0(重量)％的被至少一種形成硬質(zhì)合金的元素結(jié)合成碳化物和/或碳—硼化物相的碳，該合金也任選地包含至少一種形成碳化物的元素，該組成還任選地包含硅小于3重量％、鋁小于0.2重量％、錳小于2重量％、鎳小于3重量％、銅小于3重量％和鉬小于5重量％中的一種或多種元素。其余是鐵及不可避免的雜質(zhì)。
文檔編號(hào)C22C38/54GK1149322SQ95193342
公開(kāi)日1997年5月7日 申請(qǐng)日期1995年5月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月30日
發(fā)明者P·克里斯托杜勞, K·D·雷克蘭德 申請(qǐng)人:聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織, 昆士蘭大學(xué)