玻璃模具是玻璃制品成型的重要工具，模具質(zhì)量直接影響其使用壽命、玻璃制品的外觀和生產(chǎn)成本。在玻璃制品成型過程中，模具頻繁地與1100℃ 以上的熔融玻璃接觸，一般生產(chǎn)玻璃器皿的機速為8次／min，而且在開模、合模的過程中，模具都會發(fā)生碰撞 。因此，玻璃模具除要求材料具有良好的機械性能之外，還應具有良好的抗熱疲勞、抗氧化、抗生長等性能。顯然，采用單一材料難以滿足上述性能上的特殊要求。而雙金屬復合材料的優(yōu)勢在于可以充分發(fā)揮兩種金屬材料各自的性能優(yōu)勢，使基體材料與具有特殊性能的表層材料達到有機結(jié)合，因此雙金屬復合材料在玻璃模具中的應用將會成為今后發(fā)展的重點方向之一。
一． 玻璃模具材料的應用與發(fā)展
鑄鐵材料由于工藝性能好以及成本上的優(yōu)勢，依然是國內(nèi)玻璃模具生產(chǎn)企業(yè)的常用材料。國外的玻璃模具材料主要為合金耐熱鑄鐵等，加工后再經(jīng)表面強化處理，模具壽命高達40萬～50萬次。國內(nèi)普遍采用灰鑄鐵，使用壽命一般為7萬～12萬次，與國外的差距較大。近年來，我國研制了多種新型玻璃模具材料，模具壽命普遍提高。但鑄鐵本身性能上的缺陷使其在要求較高的玻璃制品生產(chǎn)過程中的應用受到影響，主要體現(xiàn)在鑄鐵模具材料的抗氧化性、抗長大性能以及熱疲勞性能不足，因此使用壽命受到一定得限制。
目前，玻璃模具材料開發(fā)號性能改善等方面的研究主要體現(xiàn)在3個方面。
一.是通過合金化改善組織形態(tài)的方法來提高材料性能。對于鑄鐵玻璃模具來講，在高溫條件下工作時，通常會產(chǎn)生氧化和生長等，成為模具失效的主要原因。為了提高鑄鐵的抗氧化性能，常常加入合金元素Cr、Mo、Ni、V、Sn等進行合金化。其中cr是耐熱鑄鐵中應用最廣泛的合金元素，能有效提高鑄鐵的抗拉強度、伸長率、屈服強度、硬度、耐熱性能及抗氧化性能；Mo可提高鑄鐵的熱穩(wěn)定性及抗熱疲勞性能；Cu可改善鑄鐵的加工性能，提高模具的表面粗糙度等。如銅鉬鉻合金鑄鐵材料結(jié)晶粒細，金相組織均勻，耐磨、耐熱性與穩(wěn)定性高，熱膨脹系數(shù)小，其玻璃模具壽命在30萬～40萬次 。
二.是通過控制石墨的形態(tài)與分布狀態(tài)提高模具材料的抗氧化性能、熱疲勞性能等，主要體現(xiàn)在石墨的形狀對鑄鐵模具性能的影響。氧離子在灰El鑄鐵中擴散時，沿著片狀石墨所形成的通道直接由表面進入內(nèi)部，擴散速度快，形成氧化膜時間短，氧化嚴重。而對于石墨分布比較分散的狀態(tài)，如D型石墨、蠕蟲狀石墨等，氧離子的擴散則是沿初生奧氏體擴散到石墨球中，使石墨球逐個被氧化，所以，以間接氧化為主，氧離子擴散慢，形成的氧化膜相對較薄，因此提高了材料的抗氧化性能。據(jù)報道，以鋁為主要合金元素的蠕墨鑄鐵作為模具材料，其使用壽命可以達到74.5萬次以上。
三.是通過開發(fā)新的合金來滿足使用性能上的需要，模具的關(guān)鍵部件采用合金鋼、不銹鋼、銅基合金、鎳基合金等代替鑄鐵材料。如以Ni、A1、zn為主要元素的銅基合金具有良好的導熱性能，采用這種銅基合金來制作模具的關(guān)鍵部件，在提高玻璃制品成型速度的同時，模具使用壽命提高了2～3倍，用它作為受熱條件較為惡劣的瓶口模具是比較適宜的。這些合金雖然有各自的性能方面的優(yōu)勢，但價格相對較高，因此應用受到一定的影響。
為進一步改善模具的性能，提高模具的使用壽命，在玻璃模具制造過程中也在嘗試一些新的工藝與技術(shù)，其中應用最多的是模具表面鍍層工藝。表面覆層處理即通過一定的工藝方法，在模具工作面上沉積薄層金屬或合金，以達到提高模具表面性能的效果。常用的表面覆層工藝有表面鍍層、熱噴涂、氣相沉積、離子注入等口在生產(chǎn)中應用的主要是等離子噴涂和高速火焰噴涂。在模具上采用熱噴涂金屬陶瓷涂層對其表面進行強化，可提高其硬度、抗黏著、抗沖擊、耐磨和抗冷熱疲勞等性能。如作為初型模的沖頭材料，在常用材料不銹鋼材料表面噴涂30～50 μ m厚的WC—Co涂層后，壽命可以得到明顯提高，而且制品質(zhì)量也得到改善。
盡管通過模具的表面鍍層處理可以改善模具的使用性能，提高其使用壽命，但這些工藝過程均需要特殊的設(shè)備條件，而且對操作者的技術(shù)要求比較高，所以在模具制造過程中仍然存在著制造成本高、而且工作效率較低的情況，因此需要對模具制造過程進行改進。
二、雙金屬材料在玻璃模具中的應用前景
玻璃模具的常用材料是灰鑄鐵和以Hi、C r、Mo為主要合金元素的合金鑄鐵，這些鑄鐵材料在使用過程中存在著性能上的不穩(wěn)定性以及隨時間的延續(xù)出現(xiàn)性能的衰退，造成鑄鐵材料的玻璃模具使用壽命普遍較短，無法滿足用戶的要求。鑄鐵材料作為玻璃模具制造的主要使用材料，在性能上存在著明顯的劣勢主要表現(xiàn)在：1．在高溫條件下工作時，通常會產(chǎn)生氧化和生長等，影響鑄鐵氧化的主要因素有氧化膜的性質(zhì)、合金元素以及石墨形狀、大小、數(shù)量等，石墨在高溫氧化性氣氛下會發(fā)生顯著的氧化反應，石墨片愈粗大、連續(xù)、石墨數(shù)量愈多，氧化性氣氛愈易侵入鑄件內(nèi)部，氧化也愈嚴重；2．石墨對鑄鐵基體組織起到非常明顯的割裂作用，特別是片狀石墨，其割裂作用極為明顯，在交變溫度條件下，石墨對鑄鐵基體組織的割裂作用就體現(xiàn)在該處是基體組織的裂紋源。
通過表面處理技術(shù)可以改善模具的性能與使用壽命，但表面處理需要昂貴的設(shè)備，如等離子噴焊設(shè)備等，而且在工藝設(shè)施過程中受到人為因素的影響較大，所以性能穩(wěn)定性較差。而雙金屬復合材料是由兩種或兩種以上金屬經(jīng)復合而形成的一種新型材料，通過材料的合理選擇及成型工藝過程的控制來實現(xiàn)冶金結(jié)合，使兩種金屬間形成穩(wěn)定的結(jié)合層；綜合了兩種材料的性能優(yōu)勢，具有單種金屬材料不可比擬的優(yōu)點 ，使模具材料具有良好的使用壽命，同時節(jié)約大量金屬材料，綜合經(jīng)濟效益較好，符合建設(shè)節(jié)約型社會和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的要求。日本最近報道已開發(fā)出不銹鋼一銅復合玻璃模具材料，模具綜合了兩種材料的性能優(yōu)勢，使玻璃容器成型時間由原來的32s-6s，大大提高了玻璃制品的生產(chǎn)效率，而且模具壽命也得到了較大程度的提高。
玻璃模具的使用特征決定了玻璃模具材料的發(fā)展方向是雙金屬復合材料，基于雙金屬復合材料的性能優(yōu)勢，對其成形方法的研究與開發(fā)也成為熱點之一。目前較為成熟的工藝方法包括爆炸復合、軋制復合、復合鑄造、化學鍍層、熱浸鍍等。其中鑄造法生產(chǎn)金屬復合材料的成本較低，應用得到很大的發(fā)展，如離心鑄造是生產(chǎn)雙金屬輥套筒類鑄件最有效的方法，鑄造法的工藝特征為：在先澆注的外層金屬基本凝固時澆入內(nèi)層金屬液，兩層金屬通過組分擴散或外層金屬的重熔實現(xiàn)兩層金屬的冶金結(jié)合，使外層金屬與內(nèi)層金屬融合成一個整體。
復合鑄造工藝的工藝適應性更強，它不受零件尺寸與現(xiàn)狀的限制，可以制備不同形狀特征的工件，采用復合鑄造的工藝方法不需要特殊的設(shè)備條件，但需要嚴格控制工藝過程，目前常用工藝方法有2種：1．兩種金屬分別在不同的熔化設(shè)備中進行熔煉，先澆注高溫金屬，間隔適當時問后，再澆注另外一種金屬；2．將預先準備好的高熔點金屬件經(jīng)過表面清理后放置于鑄型中，預熱到合理的溫度后澆人熔點較低的金屬，通過二者的擴散熔合形成整體鑄件。這兩種工藝過程形成的鑄件應進行熱處理以消除應力。由于復合鑄造工藝具有良好的適應性，同時不需要特殊設(shè)備條件，制造成本較低，因此非常適合玻璃模具的生產(chǎn)與制造。
目前在玻璃模具復合材料的研究與開發(fā)方面，基本上是在模具基體材料上形成較薄的～層復合層，以提高模具內(nèi)表面的熱性能、抗長大性能以及耐磨性等，通過一定的工藝方法形成層狀雙金屬復合材料。當然，不同的工藝方法，其制造成本和質(zhì)量控制的效果也有所不同。如由于初型口模不僅受到強烈的熱沖擊，同時又受到成型時的壓力，因此初型口模要求具有良好的綜合性能。目前玻璃瓶工廠在生產(chǎn)中大量使用帶鎳芯的硅銅合金口模，國內(nèi)通常采用的工藝方法為表面噴焊，而美國、意大利、臺灣等采用鑲鑄工藝生產(chǎn)這種口模。以啤酒瓶口模為例，對兩種口模的成本與利潤進行比較。
通過比較可以看到，銅合金鑲鑄鎳基合金為毛坯做口模，省略了噴焊或者氬弧焊環(huán)節(jié)，不再需要二次加工，生產(chǎn)上更省時省力，利潤也高出50％以上。目前雙金屬復合材料及其成型工藝的研究已經(jīng)比較廣泛，如通過爆炸復合、軋制復合、復合鑄造、離心鑄造等方法制備鋼～不銹鋼材料、鋁一鋼復合材料、鋁一銅復合材料等，并且部分工藝經(jīng)歷了生產(chǎn)性試驗，獲得了比較滿意的結(jié)果。其中鑄造法生產(chǎn)復合材料的制造成本較低，也符合玻璃模具行業(yè)發(fā)展的特點，因此，隨著工藝技術(shù)的不斷改進與探索，雙金屬復合材料在玻璃模具材料的研究與開發(fā)方面將會得到快速發(fā)展。
三、結(jié)論
玻璃模具材料的選用是提高玻璃制品成型效率的重要依據(jù)。限于玻璃模具制造企業(yè)的特點，目前玻璃模具使用最為廣泛的仍為鑄鐵材料。盡管通過鑄鐵材料的合金化及表面處理工藝在一定程度上提高了模具的使用壽命，但雙金屬復合材料更適合玻璃模具的使用要求，因此開發(fā)低成本雙金屬模具復合材料及其生產(chǎn)工藝具有廣闊的前景。
