专利名称：用于玻璃制造工具的铁—铬—硼合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及改进制造玻璃制品(如玻璃容器)中所用的工具及用于这种工具的合金材料。
在温度高于玻璃软化温度时，使熔融玻璃成形来制造玻璃容器。可以用回收玻璃也可以用包括石灰、苏打粉、硅砂和其它添加剂的原料混和物来生产玻璃。在成形操作期间，将温度超过1200℃的适量熔融玻璃送入金属模具中通过金属喷嘴鼓吹空气而成形。大多数制造操作中，是在高速下重复成形过程，各工具，例如金属“吹嘴”(blow nozzle)或同玻璃容器颈管接触用以鼓吹空气的冲头(plunger)，都会受到明显磨损。
在玻璃成形机加工设备中，同热玻璃接触的金属部件或工具如吹嘴以及其它工具都必须具有高硬度和高耐磨损性以及高抗氧化性和防氧化皮性。由于反复同熔融玻璃接触以及从模具中取出玻璃而产生的高速热循环，金属部件或工具应该具有高耐热裂性。在大多数典型的玻璃容器制造中，金属工具都要经受成千上万次的热循环之后，才进行再加工和更换。
在制造玻璃瓶子所用的普通工具中，“吹一吹冲头(Blow-BlowPlunger)”形成了瓶颈内侧，并能鼓吹空气使熔融玻璃压迫模具壁。这种吹一吹冲头和其它玻璃模压部件通常都是用含有2-3(重量)％的硼；一般含有98(重量)％的镍和2(重量)％的硼的镍硼合金制造的。这些合金产生镍枝晶和镍与硼化镍共晶混合物的显微组织。这种材料具有良好的抗热冲击性和约40-45洛氏C级的适宜硬度。然而，镍基质比较软而且不能通过热处理使其硬化。这种软基质导致两个问题(a)同共晶硼化物比较，这种基质磨损相当迅速，总的耐磨损性由于这种机理而下降，而且(b)镍基质的磨损经常导致极细的磨损颗粒嵌入在玻璃容器内侧。
在大多数玻璃瓶的制造操作中，磨损是一个主要问题；例如，在7-14天连续操作后，吹一吹冲头的磨损使它们不得不进行更换，以便对它们重新进行加工。此外，嵌入容器玻璃中的颗粒将使典型玻璃瓶的震裂强度降低为原来的1/4-1/5。由于在用户手中就可能损坏以及可法定或回收后果，一批中有几个损坏的瓶子就可导致大批地被拒绝。
抗热冲击，同时耐由于反复同熔融玻璃接触而引起的磨损性，是用于工具例如玻璃容器制造中所用吹一吹冲头和推一吹冲头(push-Blowplugers)材料的头等重要性能。
本发明的目的在于提供改进的适宜制造玻璃制品如容器制备时所用工具的铁类合金，该合金具有高耐磨损性和高抗热冲击性。本发明还提供这种合金的工具铸件。
本发明的工具可包括吹嘴或冲头，例如吹一吹冲头或推一吹冲头。然而，该工具也可包括在制造玻璃制品如容器中所用的任何其它机械部件，该部件通过同熔融玻璃接触被用于使制品成形。因而该部件可包括用于使玻璃制品成形的模具或拼合模块。
本发明合金是一种铁-铬-硼合金。如果存在基本数量的硬质合金形成元素如钼、钒、钛、铌和钨时上述合金含有1-20(重量)％的铬、0.5-3(重量)％的硼、最高达1.0(重量)％或更高的碳、以下将详述的任选的合金添加剂，以及其余是铁和伴随的杂质。
本发明的工具是来自本发明合金熔体的铸件，该工具能达到高硬度和耐磨损性，以及高抗热冲击性。该工具还具有高抗氧化性。
本发明的合金和工具还具有通过退火能被软化和再硬化到高硬度水平的优点。此外，尤其是对于高铬含量(例如至少8(重量)％)的合金，它们具有能随着热处理被硬化成马氏体而且是坚硬和耐腐蚀的高铬含量的基质。这种基质联同硬质铁-铬共晶硼化物的存在，能够提供一种在升高温度和快速热循环或热冲击的条件下具有极好耐磨损性的材料。
铁-铬-硼合金及其工具铸件比上述讨论的镍-硼合金能承受更长时间的磨损，由于它们极好的抗氧化性，该工具生产出的瓶子不会有合金金属杂质，从而能获得更坚固的产品。
铁-铬-硼合金及其工具铸件能够通过退火被软化到35洛氏C级硬度，能进行加工，然后通过加热到900℃以上和空气冷却被再硬化。如果需要，然后回火能进一步调整硬度。
通过抛光还能够提供高级表面精整的合金和工具。
当碳实际上仅仅作为伴随的杂质存在时，本发明的铁-铬-硼合金和工具能够基本上不含碳。然而，如同所指出的那样，碳能够以小于1.0(重量)％的比例而存在，优选碳不超过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)％，最佳为0.5-2.5(重量)％，例如1-2.5(重量)％。对于大多数用途来说，优选铬含量为3-18(重量)％，例如8-18(重量)％。
如果形成硬质合金的元素如钼、钒、钛、钨和铌被包括在合金组分中，则碳含量可以超过1.0(重量)％，但形成硬质合金的元素含量必须是这样的，过量的碳被这些元素结合成碳化物或碳-硼化物相。则基质的碳含量仍被保持在低水平。
铸造铁合金的断裂韧性、抗热冲击性和耐磨损性极大地取决于各硬相的体积百分率，它们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质的填隙式硼和碳含量的函数。由于硼在铁素体和奥氏体中的溶解度低，基质的硼含量总是低的。然而碳在奥氏体中的溶解度以及为此马氏体基质中的碳含量可以高达约2(重量)％，除非碳被结合进某些其它相中。
在本发明令人满意的合金组分设计中，最重要的是使基质的碳含量保持在足够低的水平，这样才能在上述用途中获得足够的断裂韧性或抗热冲击性。基质中碳的优选含量低于0.3(重量)％，在某些用途中可以更低。
为了增强氧化性能和可淬硬性，铁基合金可以包含足够的合金添加剂。为达到上述目的的适宜合金元素包括硅、铝、锰、镍、铜和钼，它们可以单独使用也可以结合使用。为此目的的优选添加量是不超过3(重量)％，例如0.5-3(重量)％的硅；不超过0.2(重量)％的铝；不超过2(重量)％，例如0.2-1.5(重量)％的锰； 0.2-3(重量)％，例如0.2-2(重量)％的镍；不超过3(重量)％的铜；和/或不超过5(重量)％，例如0.5-5(重量)％的钼。铁基合金熔体中硅和/或铝的存在还有利于将该熔体保持在脱氧状态。
由于钼起着硬质合金和/或硼化物形成元素的作用，添加钼也能提高硬度和改进高温下的抗软化性。为了同样目的，还可以向铁基合金中添加足够数量的形成硬质合金和/或硼化物的其它元素，例如钒、钛、钨和/或铌。为增强抗软化性的优选添加量是如上所述数量的钼；不超过8(重量)％的钒；不超过5(重量)％的钛；不超过6(重量)％的铌和/或不超过7(重量)％的钨。
可以通过在电感应炉内熔炼适宜组分的材料作为浇注的熔体来制备本发明要求的铁基合金。这最好要求熔炼低碳钢废料、低碳铁-铬合金和低碳铁-硼合金。可以添加其它的工业铸造合金以提供铁基合金中所需要的合金添加剂。对于再熔炉料，使用低碳钢废料和铁合金可以很容易地熔炼出含有约2(重量)％硼的回炉废料。使用铁-硅或铁-铝合金可以将该熔体保持在脱氧状态。
本发明的铁基合金具有约1300℃的熔点。通常希望1400°-1450℃的熔体浇注温度，这取决于铸件的性质。
在浇铸后，铁基合金可以在950-1150℃范围内的温度下进行热处理使其硬化以形成奥氏体，然后用空气冷却到室温以便在合金基质中形成马氏体显微组织。在这种硬化处理后的典型硬度为50洛氏C级。如果希望的话，铁基合金或其工具铸件，可以在700-750℃温度下进行亚临界退火将基质分解成铁素体和碳化物的混合物，使铁基合金或其工具铸件由此软化以便于机加工。这种热处理会使硬度降低到30-35洛氏C级。该合金可以在950-1150℃进行热处理和空气冷却以提供约50洛氏C级典型硬度，使该合金重新硬化以便于使用。
根据所需的尺寸精度和使达到最终尺寸的加工量减至最小程度所决定的浇铸方法，可以使铁基合金工具浇铸成接近基本形状。
现在参考以下实施例对本发明进一步说明。
实施例1当熔融玻璃落入模具时，吹一吹冲头直接同其接触，然后通过空气压力迫使玻璃呈初始形状。冲头尖端上的小突出部分在瓶的颈上形成内侧边缘。冲头上的这一突出部分必须保持锋利，以致不会在瓶颈内侧上形成玻璃薄片。
通过熔模铸造以上规定组成范围内的铁基合金，并最后将其加工到工具所要求的准确形状，来制取制造玻璃容器所需的吹一吹冲头工具。在本实施例中所用合金的组成是碳 0.2(重量)％铬 17(重量)％硼 2(重量)％硅 0.9(重量)％锰 0.8(重量)％钼 0.5(重量)％其余是铁在铸造之后粗机加工之前，使冲头在700℃进行3小时亚临界退火将其硬度降低到35洛氏C级。在粗机加工后，使该冲头在950℃加热1小时，然后在空气中冷却到室温，随后在300℃回火3小时。最终硬度为50洛氏C级。然后进行最终机加工和研磨。
用这种方法制造的吹一吹冲头大大地改进了性能，超过了用镍-硼合金制造的普通工具。在这种特殊用途中的普通吹一吹冲头经过1-2周连续操作后，由于磨损和尺寸精度损耗，该冲头不得不从使用中撤出来。对它们进行再加工后再恢复使用。本发明的吹一吹冲头连续使用10周也无需撤出进行再加工。这表示该部件的使用寿命为普通部件的5-10倍。
实施例2使用熔模铸造法，用本发明的铁-铬-硼合金制取24个冲头。将它们用于生产玻璃容器。这些冲头在生产中持续使用了10-12周无需使它们重新锋制，同普通镍-硼合金的冲头比较，它们的使用寿命提高了5-7倍。这些冲头的特殊组成如下(按重量％)碳0.23％硅1.07％锰1.11％磷0.017％
硫 0.017％铬 14.78％钼 0.40％镍 1.50％铜 0.14％铝 0.096％铌 0.175％硼 2.0％其余主要是铁添加少量的铌使少量的铌的碳化物淀析以提高耐磨损性。
实施例3导板铸件是具有中心孔的固体平圆盘，冲头将从上述中心孔通过和缩回。冲头和中心孔之间的间隙要求严格，该间隙不应大到足以允许熔化玻璃在冲头和导板之间渗入。在低于500℃温度下冲头和导板之间的磨损是更换导板的主要原因。
在连续13天生产500ml瓶子时跟踪通过熔模铸造法用铁-铬-硼合金制造的20决导板，在尺寸上没有可测量到的变化。用镍-硼合金或工具钢制造的导板在7天后要求进行测量，由于磨损使容许间隙超过，一般约有一半的导板被报废。该铁-铬-硼合金的组成如下(按重量％)碳 0.28％硅 1.13％锰 1.15％磷 0.017％硫 0.014％铬 14.6％钼 0.73％镍 1.83％铜 0.14％铝 0.026％
硼2.0％其余主要是铁实施例4套管是类似于作为瓶子铸模支承机构一部分的顶环形式的铸件。更换套管的主要原因是顶部水平面上的磨损和中心孔中的磨损.通常用镍-硼合金或工具钢制造套管，在连续操作2-3周后，由于磨损而被撤出和进行检查。
如果两个尺寸被磨损超过0.005英寸(0.13mm)，则它们要报废。大多数普通镍-硼合金套管持续使用4-6周。
跟踪通过熔模铸造法制造的铁-铬-硼合金套管，在连续使用7周后仅在平板水平面上显示出0.08mm(0.003英寸)的磨损，在中心孔内显示出0.06mm(0.0025英寸)的磨损。同现今使用的合金比较，新发明的合金在耐磨损性方面有了相当的改进。该铁-铬-硼合金的组成如下(按重量％)碳0.29％硅1.03％锰1.13％磷0.009％硫0.012％镍2.08％铬17.38％钼1.12％铜0.15％铝0.026％硼2.0％其余主要是铁在这种情况下，将钼增加到超过百分之一是为了改进热硬度。
最后，无需说明，只要不脱离本发明的精神和范围，在上述内容的结构和安排方面都可以进行变更、修改和/或补充。
权利要求
1.一种适于生产用于制造容器之类玻璃制品的铸造工具的铁-铬-硼合金，其中，该合金含有1-20(重量)％的铬和0.5-3(重量)％的硼；该合金任选地包含超过1.0(重量)％的被至少一种形成硬质合金的元素结合成碳化物和/或碳-硼化物相的碳；该合金还任选地包括所述至少一种形成碳化物的元素；并且，该合金中还进一步包含0-3(重量)％的硅，0-0.2(重量)％的铝，0-2(重量)％的锰，0-3(重量)％的镍，0-3(重量)％的铜，0-5(重量)％的钼以及其余是铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1的合金，其中，碳含量不超过0.6(重量)％。
3.根据权利要求2的合金，其中，碳含量为0.1-0.3(重量)％。
4.根据权利要求1-3中任一项的合金，其中，硼含量为1-2.5(重量)％。
5.根据权利要求1-4中任一项的合金，其中，铬合金含量为3-18(重量)％。
6.根据权利要求5的合金，其中，铬含量为8-18(重量)％。
7.根据权利要求1-6中任一项的合金，其中，铬含量应使得该合金具有通过热处理可硬化成马氏体的高铬含量基质。
8.根据权利要求1-7中任一项的合金，其中，所述合金包含硅、铝、锰、镍、铜和钼中的至少一种元素，它们各自的含量为硅 0.5-3(重量)％铝 小于0.2(重量)％锰 0.2-1.5(重量)％镍 0.2-2(重量)％铜 小于3(重量)％钼 0.5-5(重量)％
9.根据权利要求1-8中任一项的合金，其中，所述合金包含钼、钒、钛、钨和铌中的至少一种元素， 由于起着硬质合金和/或硼化物形成元素的作用以提高高温抗软化性，上述元素各自的含量为钼 0.5-5(重量)％钒 小于8(重量)％钛 小于5(重量)％钨 小于7(重量)％铌 小于6(重量)％
10.根据权利要求1-9中任一项的合金，其中，在该合金的基质中的碳含量低于0.3(重量)％。
11，一种在制造玻璃容器时同熔融玻璃接触中使用的工具，其中，所述工具是用根据权利要求1-10中任一项的合金进行铸造而生产的。
12.根据权利要求11的工具，其中，该工具，当它在铸造状态随后在空气中冷却时具有显示出马氏体组织的基质。
13.根据权利要求11的工具，其中，该工具具有马氏体组织的基质，它是通过在950-1150℃进行热处理形成奥氏体，随后在空气中冷却提供马氏体显微组织而生成的。
14.根据权利要求11的工具，其中，该工具在铸造状态通过在700-750 退火被软化，然后被机加工成最终形状，然后在950-1150℃进行热处理以形成奥氏体，然后被空气冷却以提供马氏体显微组织。
15.根据权利要求11的工具，其中，所述工具具有约50洛氏C级硬度。
16.根据权利要求12-15中任一项的工具，其中，该基质的碳含量低于0.3(重量)％。
全文摘要
一种适宜于生产玻璃制品制造时所用工具的铁—铬—硼合金及用该合金制造的工具，具有1-20(重量)％的铬和0.5-3(重量)％的硼的组成。该组成任选地包含超过1.0(重量)％的被至少一种形成硬质合金的元素结合成碳化物和/或碳—硼化物相的碳，该合金也任选地包含至少一种形成碳化物的元素，该组成还任选地包含硅小于3重量％、铝小于0.2重量％、锰小于2重量％、镍小于3重量％、铜小于3重量％和钼小于5重量％中的一种或多种元素。其余是铁及不可避免的杂质。
文档编号C22C38/54GK1149322SQ95193342
公开日1997年5月7日 申请日期1995年5月29日 优先权日1994年5月30日
发明者P·克里斯托杜劳, K·D·雷克兰德 申请人:联邦科学和工业研究组织, 昆士兰大学