一种镶铸仿型镍芯的合金铸铁玻璃模具及其制造方法与流程

本发明涉及模具铸造领域，特别是涉及一种镶铸仿型镍芯的合金铸铁玻璃模具及其制造方法。

背景技术：

随着我国居民生活水平的不断提高，在日用玻璃瓶制品产出量显著增长的同时，对于玻璃瓶产品的外观质量要求也越来越高；而玻璃瓶产品的表面光洁度直接来自于玻璃模具内腔的表面光洁度。玻璃模具内腔的表面光亮度则主要取决于制作玻璃模具的金属铸件材质。

目前用于制作玻璃模具毛坯的金属材料主要有耐热合金铸铁、耐热不锈钢和耐热铜合金等。其中耐热不锈钢主要应用在制作玻璃器皿、玻璃灯饰等模具方面；铜合金因其具有良好的导热性能、抗氧化、耐高温、耐热疲劳及不易断裂，已经在国外玻璃模具制作方面得到了广泛的应用。因其造价比普通的合金铸铁材料高3～5倍，在国内玻璃制品企业因成本过高并未得到普遍采用，国内只有少数规模和实力大的玻璃瓶制品厂家在生产长线、或者出口的高档瓶罐制品时会采用铜合金口模、底模和铜合金成型模具。耐热合金铸铁仍然是制作玻璃模具毛坯的主要金属材料。

耐热合金铸铁材质表面硬度较低，在使用过程中易因高温玻璃熔液的冲刷和模具之间的磕碰，造成模具成初模合缝面、口模、口环及冲头、芯子的表面部位损坏，严重的将导致模具提前报废。为了增加模具型腔及合缝结合处的表面硬度和耐腐蚀性能，在生产耐热合金铸铁模具时，需在成初模合缝面、口模、口环及冲头、芯子表面喷焊硬度很高的镍合金粉末。因为镍质地坚硬耐磨，耐高温抗氧化，具有良好的抗腐蚀性能，并且能够高度抛光。采用镍合金粉末喷焊现已成为提高耐热合金铸铁玻璃模具性能的最好方法。原来采用手工喷焊，喷焊效果和工作效率完全取决于操作工人的技术熟练程度，极易出现废品，而且效率低，工作强度大。现已发展到运用等离子喷焊设备进行自动喷焊，设备和工艺都已经成熟，并被广大玻璃模具生产厂家普遍采用。

目前国内玻璃模具生产厂家主要采用的是意大利生产的六轴数控等离子模具喷焊设备及肯纳司太立金属（上海）有限公司生产的等离子堆焊机。玻璃模具的等离子镍合金粉末喷焊工艺是先将所需喷焊部位加工掉比喷焊层深2～3mm的尺寸，不喷焊的部位留出加工余量；然后将需喷焊模具进行预加温，达到预热要求的温度后再在需要喷焊部位进行等离子镍合金粉末堆焊。喷焊后将模具用退火电炉退火，以消除内应力。然后将经过退火处理后的模具毛坯转至加工车间进行喷焊后加工，去除喷焊的多余镍合金部分，达到尺寸要求后再转至精加工工序。也就是说运用等离子喷焊设备对合金铸铁玻璃模具进行镍合金粉末喷焊的工序必须要经过：铣喷焊槽～喷焊前预热～等离子喷焊～喷焊后退火～喷焊后加工喷焊部位这几道工序。喷焊模具的加工周期长，难于达到玻璃瓶生产厂家为了产品抢占市场而提出的模具交付工期问题。

由于等离子喷焊设备喷焊模具前，需要将模具进行预加温，并对预热温度准确度要求较高。达不到预热温度会影响喷焊质量，在合金粉末喷焊层产生气孔、砂眼等喷焊缺陷，造成喷焊模具报废。等离子喷焊设备是通过数控程序控制喷嘴（喷枪）按照预先设定好的喷焊路线和焊层厚度，对模具进行逐行扫描式喷焊。在需喷焊部位宽度窄时，如喷焊模具成初模、口模的上下口、合缝线及表面积小的冲头、芯子时，具有喷焊质量稳定、焊层均匀，喷焊效率高的优点。但在进行大面积喷焊如口模内腔全喷焊和成型模内腔全喷焊时，由于是按直线往返逐行喷焊进行大面积的覆盖，离焊枪距离远的部位降温明显，离焊枪距离近的部位温度很高，同一喷焊模具各部位的温差过大，极易在每行喷焊层的结合处内部产生细微的砂眼和气孔甚至裂纹，导致全喷焊模具报废。另外现在有很多的国外客户要求镍合金粉末喷焊模具的镍焊层各个部位厚度要均匀一致，焊层形状要和口模或模具的内腔形状呈仿型状态。这个要求是等离子喷焊设备喷焊难以达到的，因为等离子喷焊设备的焊枪要先将提前预热到规定温度的待喷焊模具的喷焊槽部位继续加热，使母材表面接近熔融状态时再喷射镍合金粉末焊粉，并继续加热使焊粉和母材的结合部分充分融合，焊层的厚度难以掌控。

所以需要改变等离子喷焊设备喷焊模式，采用一种新的工艺和路线，已解决上述已有技术存在的弊端，本发明人首先想到了镶铸工艺，因铜合金口模镶铸镍芯工艺引进自美国和台湾，目前在业界早已是成熟的工艺。而合金铸铁镶铸镍芯因其铸造工艺复杂，难以掌握，至今还未有成功的先例。在铜合金口模镶铸镍芯工艺中，铜合金的浇注温度在1230～1260℃区间易于成型，而镍芯的材质中因含有助熔的硼及其他硅、铬等比镍熔点低的合金元素，熔点为1420℃左右，表面初熔温度在1360℃左右。在铜合金镶铸镍芯时，镍芯于铜合金母体只在表面产生轻微的熔融反应，所以易于掌握，成品率很高。而合金铸铁的浇注温度为1320～1380℃之间，低于1330℃时成品率极低。所以在浇注合金铸铁镶铸镍芯时对于浇注温度的要求更加严格，难于精准掌控。合金铸铁熔液的浇注温度过高，镍芯表面就会产生熔化过度，甚至完全熔化，造成镶铸失败；合金铸铁熔液的浇注温度过低又难以浇注出成品。鉴于上述已有技术存在的弊端，本发明人在经过了长期的技术攻关和实际尝试试验后，终于找到了解决以上问题的有益方法，并最终形成了本发明将提供的技术方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种镶铸仿型镍芯的合金铸铁玻璃模具及其制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，使玻璃模具内腔表面光洁度高，各部位厚度均匀，铸造过程中避免了气孔，砂眼、裂纹缺陷，获得拥有镍合金耐高温、抗冲击、抗氧化、耐磨损且能够高度抛光等各项优异性能的镶铸仿型镍芯的合金铸铁玻璃模具。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种镶铸仿型镍芯的合金铸铁玻璃模具，其特征在于：包括模具本体，所述模具本体内设有空腔，所述空腔内设有镍基合金镶嵌件，所述镍基合金镶嵌件内设有内腔，所述镍基合金镶嵌件外壁上设有连接件，所述连接件与所述模具本体以凹凸榫卯配合的方式构成一体式结构，

其中：所述镍基合金镶嵌件包括以下质量百分比的组分:

c：≤0.2%；

cr：≤1%；

b：1.75%～2.25%；

si：2.75%～3.25%；

fe：≤1%；

s：≤0.03%；

p：≤0.03%；

其余为ni。

优选的，所述模具本体包括相互对称的左模体和右模体，所述镍基合金镶嵌件包括相互对称的左镍基合金镶嵌件和右镍基合金镶嵌件，所述镍基合金镶嵌件外壁与所述模具本体的空腔相适配。

优选的，所述连接件至少为三个在所述镍基合金镶嵌件外壁周向上均匀对称分布，所述镍基合金镶嵌件与所述连接件一体成型。

优选的，所述连接件为楔键结构，所述连接件长度与模具本体长度的比为2:5，所述连接件与所述模具本体空腔的接触面的宽度和所述连接件与所述镍基合金镶嵌件外壁连接面的宽度比为1.3:1，所述连接件的厚度与所述镍基合金镶嵌件的厚度比为0.9:1。

优选的，所述模具本体包括以下质量百分比的组分:

c：3.0%～3.6%；

si：1.9%～2.3%；

mn：0.4%～0.7%；

s：＜0.05；

p：＜0.1%；

mo：0.5%～0.8%；

v：0.09%～0.15%；

ti：0.19%～0.25%；

ni：0.4%～0.7%；

其余为fe。

一种镶铸仿型镍芯的合金铸铁玻璃模具的制造方法包括如下步骤：

（1）按照制作玻璃瓶模具的工艺制作镍基合金镶嵌件，将镍基合金镶嵌件打砂抛光，去除表面的氧化膜和杂质，烘干，待用；

（2）按玻璃模具内腔尺寸要求制作玻璃模具内腔成型用覆膜砂芯，清洁，待用；

（3）制作砂箱内铸型；

（4）玻璃模具毛坯浇注；

浇注速度控制在40～50s；浇铸温度控制在1330～1350℃；所述浇注的铁水出炉温度1530～1550℃，浇注完成后真空负压在0.04～0.6mpa下保持30min后停止抽真空，1h后将玻璃模具毛坯冷却至共析点温度以下开箱落砂；

（5）热处理。

优选的，所述镍基合金镶嵌件打砂抛光采用150目、洛氏硬度为48～52hrc的玻璃微珠，打砂1min，烘干时间为60min，烘干温度为480℃。

优选的，所述型板上带有四块可自由替换的型板芯，每块型板芯上有两个半片的组装式模芯，组装式模芯形状可按照玻璃模具形状及尺寸，由多片不同部位不同尺寸的模块组合而成；在所述型板周边的砂箱底板上设有多个真空抽气孔；所述组装式模芯可以按照要求有多种组合方式，所述型板芯可按工艺要求进行任意位置互换。

优选的，所述步骤（3）制作砂箱内铸型，采用v法造型、粘土砂铸造、树脂砂铸造和消失模铸造其中一种。

优选的，所述热处理在退火温度为910～950℃下保温4～7小时，随炉缓慢冷却至400℃出炉空冷。

本发明公开了以下技术效果：

（1）本发明解决了等离子喷焊模具喷焊层各部位厚度不均匀，易出现气孔、砂眼、裂纹等喷焊缺陷的问题。

（2）减少了喷焊前铣喷焊槽、喷焊前预热、等离子喷焊、喷焊后退火，喷焊后加工喷焊部位五道工序的制作过程，大幅提高模具制造效率、降低能源消耗及工人劳动强度。

（3）镍基合金镶嵌件上设有的连接件与模具本体空腔结合的表面成冶金结合，保证镍基合金镶嵌件与模具本体的可靠连接，不开裂，不渗透，导热性能好，结合面融为一体。

（4）可充分满足客户镍层各部位厚度均匀一致，铸层形状与模具的内腔形状呈仿型状态的要求。

（5）保障其具有镍合金质地坚硬耐磨，耐高温抗氧化的特性，具有良好的延展性和抗腐蚀性能，并且能够达到高度抛光的使用效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种镶铸仿型镍芯的合金铸铁玻璃模具结构示意图；

图2为本发明一种镶铸仿型镍芯的合金铸铁玻璃模具镍基合金镶嵌件结构示意图；

图3为本发明一种镶铸仿型镍芯的合金铸铁玻璃模具左镶嵌件截面示意图；

图4为本发明一种镶铸仿型镍芯的合金铸铁玻璃模具制造方法中上砂箱铸型结构示意图；

图5为本发明一种镶铸仿型镍芯的合金铸铁玻璃模具制造方法中砂箱截面示意图；

其中，模具本体1，镍基合金镶嵌件2，内腔3，连接件4，砂箱5，铸型6，浇口7，直浇道8，横浇道9，排气孔10，浇口窝11，覆膜砂芯12。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1-3，本发明提供一种镶铸仿型镍芯的合金铸铁玻璃模具，其特征在于：包括模具本体1，所述模具本体1内设有空腔，所述空腔内设有镍基合金镶嵌件2，所述镍基合金镶嵌件2内设有内腔3，所述镍基合金镶嵌件2外壁上设有连接件4，所述连接件4与所述模具本体1以凹凸榫卯配合的方式构成一体式结构，所述连接件4的一面与所述模具本体1空腔产生冶金结合，保证镍基合金镶嵌件2与模具本体1连接可靠，不开裂，不渗透，导热性能好；

其中：所述镍基合金镶嵌件2包括以下质量百分比的组分:

c：≤0.2%；

cr：≤1%；

b：1.75%～2.25%；

si：2.75%～3.25%；

fe：≤1%；

s：≤0.03%；

p：≤0.03%；

其余为ni。

进一步优化方案，所述模具本体1包括相互对称的左模体和右模体，所述镍基合金镶嵌件2为相互对称的左镍基合金镶嵌件和右镍基合金镶嵌件，所述镍基合金镶嵌件2外壁与所述模具本体1的空腔相适配。

进一步优化方案，所述连接件4至少为三个在所述镍基合金镶嵌件外壁周向上均匀对称分布，所述镍基合金镶嵌件2与所述连接件4一体成型。

进一步优化方案，所述连接件4为楔键结构，所述连接件4长度与模具本体1长度的比为2:5，所述连接件4与所述模具本体1空腔的接触面的宽度和所述连接件4与所述镍基合金镶嵌件2外壁连接面的宽度比为1.3:1，所述连接件4的厚度与所述镍基合金镶嵌件2的厚度比为0.9:1。

进一步优化方案，所述模具本体1包括以下质量百分比的组分:

c：3.0%～3.6%；

si：1.9%～2.3%；

mn：0.4%～0.7%；

s：＜0.05；

p：＜0.1%；

mo：0.5%～0.8%；

v：0.09%～0.15%；

ti：0.19%～0.25%；

ni：0.4%～0.7%；

其余为fe。

参考图4-5所示，一种镶铸仿型镍芯的合金铸铁玻璃模具的制造方法包括如下步骤：

（1）按照制作玻璃瓶模具的工艺制作镍基合金镶嵌件2，将镍基合金镶嵌件2打砂抛光，去除表面的氧化膜和杂质，烘干，待用，所述镍基合金镶嵌件2打砂抛光采用150目、洛氏硬度为48～52hrc的玻璃微珠，打1min，所述镍基合金镶嵌件2烘干采用电阻炉，烘干时间为60min，烘干温度为480℃。

（2）按玻璃模具内腔尺寸要求制作玻璃模具内腔成型用覆膜砂芯12，其中采用覆膜砂射芯机制作覆膜砂芯12，所述覆膜砂采用天然石英砂为原砂，采用热塑性固态酚醛树脂为粘结剂，采用六亚甲基四胺为固化剂；所述天然石英砂粗度为70～140目，加温至240℃射砂固化成型后开模取出，清洁，待用。

（3）制作砂箱内的铸型6，可采用v法造型、粘土砂铸造、树脂砂铸造和消失模铸造其中一种。

其中采用v法造型工艺制作砂箱内的铸型6的步骤为：

a：在砂箱5内按照玻璃模具外形尺寸要求制作玻璃模具的外形模型，在可替换型板芯上组装型板，所述型板上带有四块可自由替换的型板芯，每块型板芯上有两个半片的组装式模芯，组装式模芯形状可按照玻璃模具形状及尺寸，由多片不同部位不同尺寸的模块组合而成；在所述型板周边的砂箱5底板上设有多个真空抽气孔；所述组装式模芯可以按照要求有多种组合方式，所述型板芯可按工艺要求进行任意位置互换，之后进行修型，修型后在型板及玻璃模具的外形模型上覆膜，所述覆膜为eva膜，厚度为0.1mm，在温度为90～110℃下对eva膜进行加热烘烤，然后在喷涂v法铸造专用醇基涂料，喷涂厚度为0.3～0.8mm，在真空吸力0.03～0.05mpa下将eva膜软化并紧密贴合在型板和玻璃模具的外形模型上，干燥、清洁待用；

b:铸型设计；

采用垂直分型平做立浇工艺，在上砂箱一侧设置一个浇口7，在浇口7下设φ35mm，高200mm直浇道8；在砂箱5中间位置设高25mm、上宽20mm、下宽25mm、长150mm横浇道9一个，铸型采用无冒口设计在上砂箱每片型模的最高点分别设置排气孔10，所述排气孔10与砂箱5的上平面相通，下砂箱与上砂箱直浇道8相对位置设置一个φ50×10mm的浇口窝11，以缓解铁水冲击；

c:将砂箱自动运行至干硅砂加砂装置处，雨淋加砂器加砂，砂箱加满砂后，通过设置在砂箱下的电控气囊弹簧三维行走振实台将型砂振实。所述三维行走振实台气囊弹簧振动时的气压调整为使砂箱内型砂的重力加速度控制在0.8～0.9g。所述干硅砂采用规格为100目的干燥硅砂；在型砂振实后的砂箱上砂型顶部和下砂箱的底面覆普通聚乙烯薄膜，打开砂箱上的抽气阀门，抽真空，获得上下型砂箱，并放置浇口杯。

d:在上砂箱模具型腔放置由步骤（2）获得的覆膜砂芯12，在覆膜砂芯12内腔型芯上位置放置由步骤（1）获取的加温预热后的镍基合金镶嵌件2，使砂箱负压保持在负压0.06mpa状态下移至浇注区域合箱，等待浇注。

（4）玻璃模具毛坯浇注：

玻璃模具毛坯浇注采用侧注式、开放式浇包浇铸，浇注速度控制在40～50s；浇铸温度控制在1330～1350℃；所述浇注的铁水出炉温度1530～1550℃，浇注完成后真空负压在0.04～0.6mpa下保持30min后停止抽真空，1h后将玻璃模具毛坯冷却至共析点温度以下开箱落砂；

（5）热处理：

所述热处理在退火温度为910～950℃下保温4～7小时，随炉缓慢冷却至400℃出炉空冷，以消除内应力和避免表面硬度过硬。

（6）清砂：

将经过热处理的玻璃模具模型（毛坯）放入履带式抛丸机打砂清件；所述抛丸机打砂采用φ1.2mm的铸钢丸；

（7）检验：

检验玻璃模具毛坯各部位尺寸；用渗透剂测试镍基合金镶嵌件与模具本体空腔内壁结合处的各结合面，无缝隙，无渗透。

进一步优化方案，所述浇注液的获取方法为，将球铁、钢板加入中频电炉加热熔化，再加入硅铁、锰铁、钼铁、钒铁、钛铁，充分熔化至规定温度后清除铁水熔液表面杂质，测温取样并抛光后进行材质光谱分析，并根据分析结果调整化学元素成分含量，在铁水熔液化学元素成分含量达到要求，铁水熔液温度达到规定温度后出炉，获取熔液。

本发明镶铸仿型镍芯的合金铸铁玻璃模具的制造方法适用于所有合金铸铁材质的玻璃模具的镶铸镍芯工艺。

本发明解决了等离子喷焊模具喷焊层各部位厚度不均匀，易出现气孔、砂眼、裂纹等喷焊缺陷的问题，减少了喷焊前铣喷焊槽、喷焊前预热、等离子喷焊、喷焊后退火，喷焊后加工喷焊部位五道工序的制作过程，大幅提高模具制造效率、降低能源消耗及工人劳动强度，获得镍合金耐高温、抗冲击、抗氧化、耐磨损且能够高度抛光等各项优异性能具有良好的延展性和抗腐蚀性能，并且能够高度抛光的使用效果。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。