Обжимной штамп из цементированного карбида
Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для изготовления обжимных штампов для изготовления металлических банок для напитков. Обжимной штамп изготовлен из цементированного карбида, включающего в вес.%: 18-63 WС; 21-30 TiС; 0-27 TiN; 0-12 NbС; 0-2 Cr3С2; 8-14 Со и 0-6 Ni. Повышается твердость и износостойкость. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 табл.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ, И ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
[0001] Настоящее изобретение относится к твердосплавному обжимному штампу из цементированного карбида, имеющему более низкую плотность, более высокую твердость и более близкое к инструментальной стали тепловое расширение, для вариантов применения в промышленном производстве банок.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Каждый год во всем мире производятся свыше 280 миллиардов банок для напитков. Во время обработки верхнюю секцию банки уменьшают в операции сужения для согласования с крышкой. В операции сужения обычно используют штампы. Вследствие большого количества изготавливаемых банок решающее значение имеет срок службы штамповочного инструмента.
[0003] Соответственно этому, материал обжимного штампа должен удовлетворять требованиям наиболее желательных вариантов применения. Цементированный карбид, который получают с использованием современных технологий порошковой металлургии, обеспечивает уникально сочетание прочности, твердости и ударной вязкости. Цементированный карбид, как используемый здесь, определяется как твердая карбидная фаза, составляющая от 70 до 97 вес.% композита, и связующая фаза. Цементированные карбиды включают стандартный сплав WCCo, металлокерамические материалы и гибриды. Карбид вольфрама (WС) является наиболее распространенной твердой фазой, и кобальт (Со) представляет собой наиболее широко применяемую связующую фазу. Эти два материала формируют базовую структуру цементированного карбида. В рамках этой базовой концепции были разработаны цементированные карбиды многих других типов. В дополнение к WС-Со-композициям могут быть использованы карбид титана (TiС), карбид тантала (ТаС) или карбид ниобия (NbС) или прочие в переменных пропорциях. Кроме того, кобальтовая связующая фаза может быть легирована или полностью заменена никелем (Ni), хромом (Cr), железом (Fe), молибденом (Mo) или сплавами этих элементов.
[0004] Вариацией состава полученные физические и химические свойства могут быть точно приспособлены для обеспечения максимального сопротивления износу, деформации, растрескиванию, коррозии, окислению и прочим повреждающим воздействиям. Доступные уникальные составы цементированного карбида делают его идеальным инструментальным материалом для формования и штампования в процессе изготовления банок. Один пример известного штампа 10 проиллюстрирован на Фиг. 1. Типичные обжимные штампы действуют с выталкивателем, который обычно изготавливают из инструментальной стали по соображениям снижения стоимости. Зазор в сопряжении между выталкивателем и обжимными штампами должен выдерживаться настолько постоянным, насколько возможно, во время пускового режима и в условиях эксплуатации обжимной установки, и поэтому чем более близки характеристики теплового расширения обжимного штампа и инструментальной стали, тем лучше.
[0005] Патентный документ EP2439294, принадлежащий авторам настоящего изобретения, раскрывает пуансон из цементированного карбида, используемый для изготовления металлических банок для напитков. Конкретный представленный цементированный карбид имеет твердую фазу из WС и связующую фазу на основе Со и Ni. Композиция включает в вес.%: от 50 до 70 WС, от 15 до 30 TiС (карбида титана) и от 12 до 20 Со+Ni. Применение в качестве штампа особенно подходит для этого конкретного состава, так как может быть снижен вес штампа и повышаются скорости изготовления.
[0006] Патентный документ WO2008079083, также принадлежащий авторам настоящего изобретения, представляет штамп из цементированного карбида, применяемый в операциях холодного формования и вытяжки, в частности, в изготовлении банок для напитков. Цементированный карбид, главным образом, состоит, в вес.%, из: 70-90 WС; 2-8 TiС, 1-9 NbС, 0-3 ТаС и 5-20 связующей фазы из Со с добавлением Cr и, возможно, одного или более элементов, выбранных из Ni, Fe и Mo. Более конкретно, связующая композиция состоит, также в вес.%, из: 10-98 Со, 0-50 Ni, 2-15 Cr, 0-50 Fe и 0-10 Mo.
[0007] Кроме того, марки с содержанием связующего материала в диапазоне от 3 до 10 вес.% и размерами зерен ниже 1 мкм имеют наивысшую твердость и прочность на сжатие в сочетании с высокой износостойкостью и высокой безотказностью в отношении поломки. Как используемая здесь, марка может быть определена как карбид вольфрама (WС) в комбинации со связующей фазой из кобальта (Со) и/или никеля (Ni) и любой другой одиночной фазой или комбинацией карбидных фаз (TiС, Та/NbС и т.д.). Однако связующая фаза цементированных карбидов чувствительна к коррозии во влажных условиях, обусловливающей проблемы износа. Соответственно этому, в WС-Со-карбидных штампах применялись субмикронные зерна карбида в сочетании с подходящим связующим материалом.
[0008] Однако такие материалы ранее не использовались для обжимных штампов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] В одном аспекте представлен обжимной штамп для изготовления металлических банок для напитков, причем обжимной штамп составлен цементированным карбидом, содержащим в вес.%: 18-63 WС; 21-30 TiС; 0-27 TiN; 0-12 NbС; 0-2 Cr3С2; 8-14 Со и 0-6 Ni.
[0010] Согласно еще одному аспекту, представлен обжимной штамп для изготовления металлических банок для напитков, причем обжимной штамп состоит из цементированного карбида, содержащего в вес.%: менее 63 WС; 21 TiС; 2 Cr3С2; 8 Со; и менее 6 Ni.
[0011] В еще одном дополнительном аспекте представлен обжимной штамп для изготовления металлических банок для напитков, причем обжимной штамп составлен цементированным карбидом, включающим в вес.%: 18 WС; менее 30 TiС; менее 27 TiN; менее 12 NbС и 14 Со.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0012] Эти и другие цели, признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из нижеследующего подробного описания предпочтительного варианта исполнения относительно сопроводительных чертежей, на которых:
[0013] Фиг. 1 представляет перспективный вид известного обжимного штампа, используемого в изготовлении металлических банок для напитков.
[0014] Фиг. 2 представляет полученное в сканирующем электронном микроскопе (SEM) изображение первого материала обжимного штампа согласно настоящему изобретению.
[0015] Фиг. 3 представляет SEM-изображение второго материала обжимного штампа согласно настоящему изобретению.
[0016] Фиг. 4 представляет SEM-изображение уровня пористости Образца В согласно Фиг. 3.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0017] Настоящее изобретение относится к цементированному карбиду, включающему гибридные и металлокерамические материалы, для вариантов применения с сужением в промышленном производстве банок. Преимущества, связанные с этими новыми материалами, могут проявиться в более высокой твердости, меньшей плотности, в более близком к выталкивателю из инструментальной стали тепловом расширении и в повышенной ударной вязкости, сравнительно с существующим керамическим материалом, используемым для обжимных штампов.
[0018] Марки цементированного карбида с составами в вес.% согласно приведенной ниже Таблице 1 были получены известными способами. Образцы цементированного карбида были получены из порошков, составляющих твердые компоненты, и порошков, образующих связующий материал, которые были подвергнуты совместному мокрому измельчению, высушиванию, спрессовыванию в формовки с желательной формой и спеканию.
Таблица 1
| МАРКА | WС | TiС | TiN | NbС | Cr3С2 | Со | Ni |
| ОБРАЗЕЦ А | 63,00 | 21,00 | 0,00 | 0,00 | 2,00 | 8,00 | 6,00 |
| ОБРАЗЕЦ В | 18,00 | 30,00 | 27,00 | 12,00 | 0,00 | 14,00 | 0,00 |
| СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ОБРАЗЕЦ | 88,0 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 1 | 12 | 0,00 |
[0019] Известный цементированный карбид, Sandvik grade H12N (Sandvik AB, Сандвикен, Швеция), применяемый в промышленности по производству оснастки для банок, был использован в качестве сравнительного образца. Сравнительный образец содержит в вес.%: менее чем около 88 WС; около 12 Со и около 1 Cr3С2, предпочтительно 87,5% WС, 12% Со и 0,5 Cr3С2. Кроме того, сравнительный образец имеет средний размер зерен карбида, коррозионную стойкость около 3 по субъективной шкале от 1 до 10, износостойкость около 5 по субъективной шкале от 1 до 10, прочность на сжатие около 4600 МПа и вязкость разрушения, согласно методу Палмквиста, около 16 МПа м1/2.
[0020] Пример
[0021] Были приготовлены и охарактеризованы две формовки из цементированного карбида согласно настоящему изобретению (Образцы А и В), как показано в Таблице 1. Образцы были проанализированы с помощью электронной микроскопии. SEM-микрофотография Образца А показана на Фиг. 2 и Образца В - на Фиг. 3. Как показано, можно видеть, что морфология и распределение твердой и матричной фаз являются однородными.
[0022] Оба Образца А и В имеют размер зерен от 0,5 мкм до 1 мкм. Содержание связующего материала в обоих образцах составляет приблизительно 14%. Предпочтительно от 6 до 18% Со/Ni.
[0023] Согласно одному аспекту, обжимной штамп изготовлен из цементированного карбида, включающего в вес.%: 18-63 WС; менее 30 TiС; 0-27 TiN; 0-12 NbС; 0-2 Cr3С2; 8-14 Со и 0-6 Ni.
[0024] Согласно еще одному аспекту, обжимной штамп изготовлен из цементированного карбида, включающего в вес.%: менее 63 WС, более предпочтительно 62,8 WС; 21 TiС; 2 Cr3С2; 8 Со, более предпочтительно 8,3 Со; и менее 6 Ni, более предпочтительно 5,7 Ni. Соответственно этому, связующая фаза состоит из Со и Ni, и имеет содержание приблизительно 14 вес.%.
[0025] В еще одном аспекте обжимной штамп изготовлен из цементированного карбида, включающего в вес.%: 18 WС, более предпочтительно 18,08 WС; менее 30 TiС, более предпочтительно 29,66 TiС; менее 27 TiN, более предпочтительно 26,46 TiN; менее NbС, более предпочтительно 11,63; и 14 Со, более предпочтительно 14,17 Со.
[0026] Со ссылкой на Таблицу 1 и как можно видеть на Фиг. 3, в Образце В используется N для подавления роста зерен. Более того, зерна Ti являются сферическими, и Со как связующий материал хорошо распределен. Кроме того, как показано на Фиг. 4, оптическая микрофотография показывает уровни пористости А02/А04-типа.
[0027] Другие свойства были измерены согласно стандартам, применяемым в промышленном производстве цементированного карбида, как показано ниже в Таблице 2.
Таблица 2
| Марка | Плотность (г/см3) | Твердость (кг/мм2) | Модуль Юнга (ГПа) | Коэффициент теплового расширения 20-200°С (1×10-6/°С) |
| Образец А | 9,86 | 1450 | 440 | 7,13 |
| Образец В | 6,62 | 1650 | 400 | 7,49 |
| Сравнительный образец | 14,25 | 1335 | 590 | 5,41 |
[0028] Как можно видеть, Образцы А и В имеют гораздо более высокую твердость, 1450 и 1650 соответственно, и гораздо меньшую плотность, менее 10 г/см3, чем сравнительный H12N, 9,89 и 6,62 соответственно, и более близкое тепловое расширение, 7,13 и 7,49, к известной инструментальной стали.
[0029] Хотя настоящее изобретение было описано в отношении конкретных вариантов его осуществления, многие другие вариации, модификации и прочие варианты применения станут очевидными квалифицированным специалистам в этой области технологии. Поэтому предпочтительно, чтобы настоящее изобретение ограничивалось бы не конкретным приведенным здесь описанием, но только пунктами прилагаемой формулы изобретения.
1. Обжимной штамп для изготовления металлических банок для напитков, характеризующийся тем, что обжимной штамп изготовлен из цементированного карбида, включающего в вес.%: 18-63 WС; 21-30 TiС, 0-27 TiN; 0-12 NbС; от 0 до 2 Cr3С2; от 8 до 14 Со и от 0 до 6 Ni.
2. Обжимной штамп по п.1, в котором содержание связующего материала в цементированном карбиде составляет около 14 вес.%.
3. Обжимной штамп по п.1 или 2, в котором цементированный карбид имеет плотность менее 10 г/см3.
4. Обжимной штамп по любому из предшествующих пунктов, в котором цементированный карбид имеет коэффициент теплового расширения 7,13 1×10-6/°С.
5. Обжимной штамп по п.1 или 2, в котором содержание связующего материала в цементированном карбиде составляет 14,17 вес.%.
6. Обжимной штамп по п.1 или 2, в котором цементированный карбид имеет коэффициент теплового расширения 7,49 1×10-6/°С.
7. Обжимной штамп по п.1 или 2, в котором цементированный карбид имеет марку с размером зерен менее 1 мкм, предпочтительно от 0,5 до 1 мкм и более предпочтительно от 0,5 до 0,9 мкм.
8. Применение обжимного штампа по любому из пп.1-7 в качестве штампа для изготовления металлических банок для напитков.
