第四章其他模具第四節玻璃模具玻璃模具是玻璃制品成型的重要工具，模具質量直接影響其使用壽命、玻璃制品的外觀和生產成本。在玻璃制品成型過程中，模具頻繁地與1100°C以上的熔融玻璃接觸，一般生產玻璃器皿的機速為8次/min，而且在開模、合模的過程中，模具都會發生碰撞隨著人民生活水平的提高，耐熱玻璃餐具、微波爐玻璃盤、建筑玻璃磚、玻璃工藝品等高檔玻璃制品大量進入人們的生活中。而中國汽車工業的飛速發展，又促使車燈玻璃的需求量急劇上升，給中國傳統的玻璃工業提供了良好的發展機遇。再加上玻璃制品成型速度的提升，這樣就對玻璃模具設計與制造提出了更高的要求。因此，研究與開發玻璃模具現代設計方法，加工手段，模具材料等相關技術，對提升玻璃行業的市場競爭力是非常重要的。一、玻璃制品概述（一）玻璃定義廣義：玻璃（GLASS）是呈現玻璃轉變現象的非晶態固體。狹義：玻璃是一種在凝固時基本不結晶的無機熔融物，即通常所說的無機玻璃，最常見的為鈉鈣硅玻璃。誰發明了玻璃？公元前3500年前，由古埃及人首先發明了玻璃，他們用它來制作首飾，并揉捏成特別小的玻璃瓶。到了公元前1000年，古埃及人就掌握了玻璃吹制的工藝，能吹制出多種形狀的玻璃產品。（二）玻璃原料用于制備玻璃配合料的各種物料統稱為玻璃原料。根據用量和作用的不同，玻璃原料分為主要原料和輔助原料兩類。1.主要原料(1)石英砂：石英砂又稱硅砂，其主要成分是二氧化硅SiO2，它是重要的玻璃形成氧化物，以硅氧四面體[SiO4]的結構組元形成不規則的連續網絡，成為玻璃的骨架。(2)硼酸、硼砂及含硼礦物：向玻璃中引入B2O3的原料。在玻璃中的作用是降低玻璃的膨脹系數，提高其熱穩定性、化學穩定性和機械強度，增加玻璃的折射率，改善玻璃的光澤。(3)長石、瓷土、蠟石：向玻璃中引入Al203的原料。Al203能提高化學的穩定性、熱穩定性、機械強度、硬度和折射率，減輕玻璃液對耐火材料的侵蝕，并有助于氟化物的乳濁。(4)純堿、芒硝：向玻璃中引入堿金屬氧化物Na2O的主要原料，Na2O是玻璃的良好助熔劑，可以降低玻璃粘度，使其易于熔融和成型。2.輔助原料(1)澄清劑：向玻璃配合料或玻璃溶液中加入一種高溫時本身能氣化或分解放出氣體，以促進排除玻璃中氣泡的添加物稱為澄清劑。(2)著色劑：使玻璃制品著色的添加劑稱為著色劑，通常使用錳、鈷、鎳、銅、金、硫、硒等金屬和非金屬化合物，其作用是使玻璃對光線產生選擇性吸收，從而顯出一定的顏色。(3)脫色劑：為了提高無色玻璃的透明度，常在玻璃熔制時，向配合料中加入脫色劑，以去除玻璃原料中含有的鐵、鉻、鈦、釩等化合物和有機物的有害雜質(4)乳濁劑：使玻璃制品對光線產生不透明的乳濁狀態的添加物稱為乳濁劑。(5)助熔劑：能促使玻璃熔制過程加速的添加物稱為助熔劑或加速劑。（三）玻璃特性1.透明、堅硬、良好的化學穩定性；2.可通過化學組成的調整，大幅度調節玻璃的物理和化學性能，以適應各種不同的使用要求；3.可以用吹、壓、拉、鑄、槽沉、離心澆注等多種成形方法，制成各種形狀的空心和實心制品；4.可以通過焊接和粉末燒結等加工方制成形狀復雜、尺寸嚴格的器件。5.制造玻璃的原料豐富，價格低廉。(四)玻璃的種類1.按其化學成分可分為鈉鈣玻璃、鋁鎂玻璃、鉀玻璃、鉛玻璃、硼硅玻璃和石英玻璃等；2.按功能和加工工藝分為普通窗用玻璃（普通平板玻璃）、熱反射玻璃、異形玻璃、鋼化玻璃、夾層(絲)玻璃等。二、玻璃制品工藝（一）玻璃制品生產工藝玻璃的生產工藝包括：原料預加工、配料、熔制、成形、退火等工序。配料配料加熱熔融成型熱處理玻璃制品二次加工1.原料預加工。將塊狀原料（石英砂、純堿、石灰石、長石等）粉碎，使潮濕原料干燥，將含鐵原料進行除鐵處理，以保證玻璃質量。2.配合料制備。3.熔制。玻璃配合料在池窯或池爐內進行高溫（1550~1600度）加熱，使之形成均勻、無氣泡，并符合成型要求的液態玻璃。4.成型。將液體玻璃放入模具做成所要求形狀的玻璃制品，如平板、各種器皿等。5.熱處理。通過退火、淬火等工藝，消除或產生玻璃內部的應力、分相或晶化，以及改變玻璃的結構狀態。（二）玻璃制品成型方法玻璃的成型是將熔融的玻璃液加工成具有一定形狀和尺寸的玻璃制品的工藝過程。常見的玻璃成型方法有；壓制成型、吹制成型、拉制成型和壓延成型。中國古代玻璃發展史！中國古代的玻璃制造工藝始於西周時期，歷經綿延不絕的兩千余年，至清代發展到頂峰。從周代以來的各種文獻中把玻璃稱作：“繆琳”、“火齊”、“琉璃”、“頗黎”、“明月珠”。兩漢時期，西方國家的玻璃傳入中國以后，才有了玻璃之稱。如圖4-1所示中國古代玻璃制品。西漢玻璃料器（西漢）寶藍饕餮薰爐（清）霏雪套寶紅饕餮環耳六方爐（清）圖4-1中國古代玻璃制品1.壓制成型壓制成型是在模具中加入玻璃熔料加壓成形，如圖4-2（a）所示。如圖4-2（b）所示為玻璃壓制成型示意圖。壓制成型適用于能退出沖頭的口大底小器形制品，如杯、盤、煙缸等，如圖4-2壓制成型(c)所示。圖4-2壓制成型(a)SHAPE圖4-2壓制成型(b)SHAPE圖4-2壓制成型產品(c)2.吹制成型吹制成型是先將玻璃粘料壓制成雛形型塊，再將壓縮氣體吹入處于熱熔態的玻璃型塊的模具中，如圖4-3（a）所示,使之吹脹成為中空制品，如圖4-3（b）所示。吹制成型可分為機械吹制成型和人工吹制成型，用來制造瓶、罐、器皿、燈泡等，如圖4-3（c）所示。圖4-3（a）吹制成型1-初型模2-成型模3-沖頭4-口模5-口模鉸鏈6-吹氣頭7-模底圖4-3（b）吹制成型3.拉制成型圖4-3（c）吹制成型產品3.拉制成型拉制成型是利用機械拉引力將玻璃熔體制成制品，分為垂直拉制，如圖4-4（a)所示，和水平拉制，如圖4-4（b)所示，主要用來生產平板玻璃、玻璃管、玻璃纖維等，如圖4-4（c)所示。1-玻璃板2-轉動輥3-成型輥4-水冷擋板5-燃燒器6-熔融玻璃圖4-4（a)垂直拉制圖4-4（c)水平拉制圖4-4（c)拉制成型產品4.壓延成型壓延成型是用金屬輥將玻璃熔體壓成板狀制品，如圖4-5（a）所示，主要用來生產壓花玻璃、夾絲玻璃等該成型分為平面壓延與輥間壓延成型，圖4-5（b）所示。(a)平面壓延(a)平面壓延(b)輥間壓延(c)連續壓延(d)夾絲壓延圖4-5（a）壓延成型圖4-5（b）壓延成型產品（三）玻璃制品的熱處理玻璃制品的熱處理，一般包括退火和淬火兩種工藝。1.退火就是消除或減小玻璃制品中的熱應力的熱處理過程。對光學玻璃和某些特種玻璃制品，通過退火可使內部結構均勻，以達到要求的光學性能。2.淬火就是使玻璃表面形成一個有規律、均勻分布的壓力層，以提高玻璃制品的機械強度和熱穩定性。三、玻璃模具（一）玻璃模具材料的性能要求和類型1.玻璃模具材料的性能要求玻璃模具是玻璃制品成型的重要工具，模具質量的好壞將直接影響玻璃制品的外觀質量與生產成本。由于玻璃成型模具與高溫粘滯玻璃相接觸，因此玻璃模具的表面質量與玻璃制品的表面質量直接相關；良好的熱導性是模具材料快速去除玻璃液熱量的關鍵因素；高溫下良好的抗氧化性和耐冷熱疲勞、耐磨損性能是延長模具壽命、提高生產效率、降低生產成本的前提。優質玻璃模具材料應當具備以下條件：(1)材質致密，易于進行切削加工，能獲得優良的表面質量，加工后表面無雜質和針孔。(2)高溫化學穩定性好，耐硅酸腐蝕、抗氧化，否則模具在使用過程中將出現脫皮、起鱗等缺陷，嚴重影響產品質量和模具壽命。(3)較高的耐熱性和熱穩定性。玻璃熱量通常由模具材料導出，玻璃液的入模溫度一般在900—1100oC，出模溫度一般在500一600oC，由于對模具進行了強制冷卻，使玻璃模具外表面的溫度在300oC以下。玻璃模具內外表面的溫度差，將使模具內部產生強烈的內應力，使模具內表面產生微裂紋，而這些微裂紋將印制在玻璃制品表面上，降低了制品的表面質量和等級。(4)較高的熱導率和比熱容。模具材料的熱導率高．則模具的導熱快，在其他條件相同時，模具的內外溫差??；反之．模具材料的熱導率低，將可能使模具內表面產生局部過熱，使模具產生塑性變形而失效。模具材料的比熱容小，則在同等條件下，模具產生過熱的傾向較大，容易使模具產生塑性變形。(5)熱膨脹系數小，抗熱裂性好。若熱膨脹系數過大，將影響模具的開閉靈活性，使玻璃制品的脫模產生困難。由于玻璃模具長時間工作在冷熱循環中，需要模具材料具備較高的抗熱裂性。(6)較高的粘合溫度。粘合溫度是指模具與玻璃開始粘合而使成型條件顯著惡化的溫度。較高的粘合溫度有助于提高玻璃的澆注溫度，降低制品在模具中的冷卻時間，提高制造玻璃的速度。(7)耐磨性好。玻璃材料對模具材料的摩擦磨損也是模具失效的重要原因之一，因此模具材料應當具備較好的耐磨性能。(8)在滿足以上條件的前提下，材料的成本和模具的加工費用要低廉。能夠滿足上述條件的模具材料主要有各種鑄鐵和耐熱鋼。由于玻璃的種類繁多，不同玻璃制品的質量要求各不相同，生產所需要的模具壁厚、外部冷卻條件、潤滑條件及作業周期也不相同，應當根據實際的生產條件選擇具有相應性質的模具材料。20世紀80年代以前，我國的玻璃制品企業普遍采用普通灰鑄鐵制造玻璃成型模具，單位模具的使用壽命只有7.5—12萬次。而采用耐熱合金鑄鐵、合金鋼或合金工具鋼作玻璃模具材料，并對模具進行表面強化處理，模具壽命可高達40一50萬次。2.玻璃模具材料的類型玻璃模具材料以各類鑄鐵為主，其次為耐熱鋼。除鑄鐵外，玻璃模具常用的材料還包括耐蝕馬氏體不銹鋼，如Cr13、3Cr13、4Cr13、4Cr13Ni等以及3Cr2W8V、3Cr3Mo3V、3Cr3Mo3Co3V等熱作模具鋼等。(1)普通低合金鑄鐵鑄鐵廣泛用作模具材料始于19世紀，鑄鐵具有優良的鑄造性能、良好的加工性、成本低、熱而不粘的性能，適合中小型鑄造廠生產等，目前國內外普遍都采用鑄鐵作為玻璃模具材料，合金鑄鐵在可預見的未來仍然是主要玻璃模具材質。(2)球墨和蠕墨鑄鐵球墨鑄鐵有較高的強度和韌性，并有良好的抗氧化性能，其抗熱疲勞性能優于其他鑄鐵，但由于其石墨形態呈孤立的球狀，導熱性較差，不能適應機械化生產要求，限制了它在玻璃模具中的使用，故大多工廠只用它制造小型的瓶模。蠕墨鑄鐵機械性能與球墨鑄鐵相近，具有較高的導熱性、抗氧化和抗生長能力，又有像灰鑄鐵那樣良好的鑄造性能和機械加工性能，使蠕墨鑄鐵具有良好的綜合性能，而用于制造玻璃模具材料。(3)D型石墨鑄鐵D型石墨屬于片狀石墨一種，它是在奧氏體樹枝晶間生長，奧氏體的連續性割裂了石墨片的連續性，且D型石墨與基體間的間隙比其它片狀石墨與基體間的間隙小。D型石墨細小、卷曲、端部較鈍的形態，決定了它對基體的切割作用小，不易引起較大的應力集中，所以D型石墨鑄鐵具有較高的強度目前D型石墨鑄鐵用作玻璃模具材料已成熱點，國內外已有許多研究，從國外進口的模具分析表明，大都采用D型石墨鑄鐵材質。通常采取加入元素鈦、采用金屬型等來獲得D型石墨。(4)合金鋼近年來開始采用合金鋼制模，如圖4-6所示，合金鋼在大多數情況下比鑄鐵能更好地滿足對玻璃模具提出地要求。鋼的導熱性次于鑄鐵，因此使用時易出現過熱，產生粘附現象。因此必須采用強制冷卻、合理設計模具結構、用硅酮脂潤滑等方法。不銹鋼是一種耐腐蝕、強度高、耐氧化及韌性好的材質，其導熱性較差，熱膨脹小，成分是各種各樣的，英國很早就用于制造沖頭、襯模等。美國用AISI430號(12～14Cr)和AISI310號(25Cr，20Ni)不銹鋼，用于制作某些模具零件。圖4-6合金鋼制模（二）常見玻璃模具結構在玻璃產品的生產中，應用模具的目的在于保證產品的質量