Коррозионно-стойкий инструмент для холодной обработки материалов
Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано при изготовлении инструмента для холодной обработки материалов. Инструмент для глубокой вытяжки и вытяжки с утонением выполнен из композиции цементированного карбида, включающей карбид вольфрама, карбид титана, никель и кобальт, молибден и хром. Инструмент применяется для производства алюминиевых или стальных банок для напитков, для производства формованных изделий, а также для волочения стальной проволоки. Обеспечивается высокая стойкость к коррозии, а также высокая твердость и износостойкость. 5 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл., 2 пр.
Настоящее изобретение относится к способу изготовления усовершенствованных твердосплавных инструментов для профилирования или иной обработки материалов. Настоящее изобретение особенно применимо при изготовлении инструментов для обработки металлов, а именно инструментов, используемых при производстве трубчатых корпусов и подобных им изделий, таких как сборные из двух частей банки для напитков.
Сборные из двух частей банки для напитков изготавливают путем вытяжки с утонением стенок. Как правило, сборные из двух частей банки для напитков изготавливают путем штанцевания металлических дисков из металлического листа. Из этих дисков штампуют металлические «чаши». Штампованные чаши проталкивают сквозь корпусообразующую матрицу, включающую множество кольцеобразных пазов и известную как штамп для вытяжки, повторной вытяжки и протяжной штамп, корпусообразующим пуансоном. Расстояние между корпусообразующим пуансоном и множеством кольцеобразных пазов становится все меньше, так что толщина стенок чаши уменьшается и чаша удлиняется. Этот процесс, как правило, называют операцией вытяжки с утонением. Эта операция особенно трудна из-за высокого износа инструмента и чувствительности к изменению размеров и условиям смазки. Вследствие огромного годового объема производства банок для напитков каждое небольшое усовершенствование процесса производства может привести к очень большой экономии.
Инструменты, предназначенные для придания материалу нужной формы или состояния поверхности, такие как матрицы, пуансоны и т.п., отличаются чрезвычайной твердостью, прочностью на сжатие и жесткостью. Это особенно важно при профилировании металлов или подобных им материалов. Промышленные инструменты для обработки материалов, предназначенные для массового производства, также должны быть устойчивы к износу, эрозии и выкрашиванию при повторяющемся и непрерывном воздействии напряжений и абразивного истирания. Кроме того, эти инструменты должны обладать высокой коррозионной стойкостью, чтобы противостоять разрушению в окружающей жидкой среде (хладагент/смазочный материал). Эти инструменты также должны быть изготовлены из материалов, которые поддаются проектированию и изготовлению с высокими требованиями к точности и обладают стабильностью размеров в широком диапазоне условий эксплуатации.
Известно, что пуансоны, матрицы, инструменты для глубокой вытяжки и подобные им инструменты для обработки материалов изготавливают из различных материалов, включая металлы, цементированный карбид и традиционные керамические материалы. Этим известным материалам присущи некоторые нежелательные ограничения. При изготовлении инструмента для профилирования металлических изделий, в частности трубчатых корпусов, таких как сборные из двух частей банки для напитков, проблемы, свойственные материалам известного уровня техники, становятся особенно значительными.
Возможным способом усовершенствования рабочих характеристик при производстве банок является использование керамических материалов, например армированного нитевидными кристаллами оксида алюминия или нитрида кремния, как описано в патентах США 5095730 и 5396788 соответственно, однако до сих пор традиционный цементированный карбид по-прежнему является предпочтительным материалом.
Второй возможный способ усовершенствования рабочих характеристик заключается в использовании сверхтонко измельченного цементированного карбида. При уменьшении размера зерна могут быть получены различные новшества, обеспечивающие повышение износостойкости, как описано в ЕР-А-1726672.
Немного более высокой коррозионной стойкости можно ожидать от ультратонкого материала, также описанного в ЕР-А-1726672. Однако считается, что это усовершенствование является результатом утоньшения пленок связующего, достигаемого при снижении размера зерен WC. Таким образом, даже если получено небольшое усовершенствование, механизм выщелачивания кардинально не изменяется, поэтому связующее постепенно выводится, что в дальнейшем приводит к разрушению структуры цементированного карбида.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является обеспечение инструмента для операций холодной обработки и вытяжки, в частности, при производстве сборных из двух деталей алюминиевых или стальных банок для напитков, путем использования коррозионностойкого цементированного карбида, обладающего улучшенными свойствами по сравнению с инструментами известного уровня техники, в частности, для операции вытяжки с утонением.
Настоящее изобретение относится к использованию особого связующего с целью обеспечения высокой коррозионной стойкости цементированного карбида в средах хладагент/смазочный материал, используемых в данной области. Цементированный карбид обладает высокой твердостью, сообщающей ему высокую износостойкость. Его получают через посредство сложной твердой фазы, содержащей карбид вольфрама и карбид титана. Цементированный карбид содержит карбид вольфрама, карбид титана, никель, молибден и хром. Такая композиция цементированного карбида обеспечивает высокую стойкость к коррозии, а также высокую твердость и износостойкость, как показано в примере 1. Сочетание сложной твердой фазы и коррозионностойкого связующего позволяет получить нужные улучшенные свойства, выражаемые как 8% связующего с твердостью около 1930 HV30, т.е. более высокой твердостью, чем у обычно используемого 6% Со связующего, который обычно обладает твердостью 1775 HV30.
На фиг.1 показан вытяжной штамп, где А - матрица из цементированного карбида, В - стальной корпус.
На фиг.2 показано полученное при 1500-кратном увеличении при помощи светооптического микроскопа изображение цементированного карбида, соответствующего настоящему изобретению. Деление шкалы составляет 10 мкм. Микроструктура вытравлена раствором Мураками. Эта-фаза черная, гамма-фаза размером от 2 до 3 мкм серая и закругленная, WC тонкодисперсный <2 мкм, угловатой формы, серого цвета.
Фиг.3 представляет собой изображение этой микроструктуры с более высоким разрешением, полученное при помощи сканирующего электронного микроскопа с 10000-кратным увеличением, где:
- S1 - WC,
- S2 - гамма-фаза,
- S3 - эта-фаза.
Цементированный карбид, используемый в настоящем изобретении, состоит по существу из (в весовых %): 80-90 WC, 5-15 TiC и 5-10, предпочтительно 7-10 суммы Ni, Mo, Cr и Со в следующих количествах (также в весовых %): 40-60, предпочтительно 45-55 Ni или (Ni+Со), <20, предпочтительно 10-18 Мо, 15-40, предпочтительно 30-40 Cr. До 30% вес. (Ni+Со) может составлять Со. Содержание углерода предпочтительно является субстехиометрическим. В некоторых вариантах осуществления изобретения одиночные компоненты цементированного карбида представляют собой перечисленные ниже с любыми обычными незначительными примесями.
Структура цементированного карбида включает:
- WC с размером зерна <2 мкм, предпочтительно 1-2 мкм,
- 1-10, предпочтительно 5-7% об. эта-фазы, равномерно распределенной в виде небольших звезд <50 мкм, предпочтительно <25 мкм, с очень тонкодисперсными зернами <1 мкм,
- фаза гамма размером от 2 до 3 мкм, скругленная на вид, серого цвета на светооптическом изображении.
Материал обладает твердостью 1870-2000 HV30.
Цементированный карбид, используемый в настоящем изобретении, получают из порошков, образующих твердые компоненты, и порошков, образующих связующее, путем совместного размола в жидкой среде, сушки, прессования в изделия нужной формы и спекания. Смесь порошков предпочтительно должна иметь такое содержание углерода, чтобы содержание фазы эта в спеченном изделии соответствовало указанному выше.
Таким образом, настоящее изобретение относится к использованию цементированного карбида со сложной твердой фазой и коррозионностойким связующим, обеспечивающего высокую твердость, улучшенную износостойкость и коррозионную стойкость при операциях холодной обработки и вытяжки, в частности, в процессе вытяжки с утонением при производстве алюминиевых и стальных банок для напитков. Однако настоящее изобретение имеет широкие возможности применения при производстве разнообразных изделий другой формы, в частности трубчатых корпусов, таких как корпус сухих батарей, и аэрозольных баллончиков. Настоящее изобретение также применимо к использованию цементированного карбида, соответствующего настоящему изобретению, в частности, для других операций холодной обработки и вытяжки, таких как операция вытяжки проволоки и, особенно, шинного корда.
Пример 1
Были изготовлены и изучены два образца из цементированного карбида с композициями, соответствующими приведенным в таблице (в весовых %):
| Образец | А | В |
| соответствует | изобретению | известному уровню техники |
| WC | 83,3 | 93,73 |
| TiC | 8,65 | 0 |
| Co | 0 | 6 |
| Ni | 4 | 0 |
| Mo | 1,15 | 0 |
| Cr | 2,9 | 0,27 |
| d WC, мкм | 1,2 | 0,8 |
Микроструктура инструмента, соответствующего настоящему изобретению, А, показана на фиг.2 и 3. На микроснимке видны фаза карбида WC, гамма-фаза (на основе TiC) и тонкодисперсная эта-фаза. Образец, отражающий известный уровень техники, В - это стандартный образец Sandvik для вытяжки с утонением.
Свойства образцов измеряли в соответствии со стандартами, принятыми для цементированного карбида, т.е. ISO 3878:1983 для твердости и АТМ В611-85 для стойкости к абразивному износу.
Коррозионную стойкость изучали при помощи испытания погружением в смазочный материал реального состава (используемый в корпусообразующих машинах), разбавленный до концентрации 3% вес. деминерализованной водой. Погружение проводили в течение 15 дней при 50°С, что соответствует температуре смазочного материала во время процесса вытяжки. Вес образца цементированного карбида измеряли до и после погружения. Были проведены очень точные наблюдения с использованием сканирующего электронного микроскопа, оборудованного полевой эмиссионной электронной пушкой (FEG-SEM), направленные на подтверждение того, что некоторое количество связующего после испытания было вымыто с поверхности.
Результаты представлены в следующей таблице:
| Образец | А | В |
| соответствует | изобретению | известному уровню техники |
| Твердость (HV30) | 1930 | 1775 |
| Износостойкость, см-3 | 98 | 66 |
| Изменение веса, мг | +1 | -5 |
| Выщелачивание связующего (SEM) | Нет | Есть |
Таким образом, по сравнению с известным уровнем техники, изобретение дает 8,7% увеличение твердости, 48,5% увеличение износостойкости и намного более высокую коррозионную стойкость, поскольку выщелачивания связующего зафиксировано не было.
Пример 2
При глубокой вытяжке банок для напитков вытяжные кольцеобразные пазы (см. фиг.1) подвергаются изнашиванию, вызывающему разрушение поверхности, ведущему к изменению сил трения при выполнении глубокой вытяжки. Вытяжные кольцеобразные пазы с композицией А и В примера 1 были изготовлены и испытаны в ходе операции вытяжки банок при нормальных условиях глубокой вытяжки. Силу измеряли на третьем кольцеобразном пазе. Изменение силы во времени фиксировали для каждого кольцеобразного паза. Вычислили наклон кривой зависимости силы от времени для каждого паза. Средние результаты для образцов сравнили и использовали как меру рабочих характеристик. Результаты испытаний представлены в следующей таблице:
| Образец | Наклон кривой Сила-Время | Средний наклон кривой Сила-Время |
| А (изобретение) | 0,17 0,20 0,08 | 0,15 |
| В (известный уровень техники) | 0,26 0,26 | 0,26 |
Различие угла наклона для образца А (изобретение) и образца В (известный уровень техники), выраженное в процентах:
| Среднее: | -42% |
| Min: | -23% |
| Max: | -69% |
Таким образом, образец, соответствующий настоящему изобретению, обладает более высокими рабочими характеристиками с точки зрения операции вытяжки с утонением, чем образец, соответствующий известному уровню техники.
1. Цементированный карбид для изготовления инструмента для операций глубокой вытяжки и вытяжки с утонением, состоящий, по существу, из (вес.%): 80-90 WC, 5-15 TiC и 5-10, предпочтительно 7-10 суммы Ni, Мо, Cr и Со в следующих количествах (вес.%): 40-60, предпочтительно 45-55 Ni или (Ni+Co) <20, предпочтительно 10-18 Мо, 15-40, предпочтительно 30-40 Cr, с размером зерен WC предпочтительно 1-2 мкм и субстехиометрическим содержанием углерода, в результате включающего 1-10, предпочтительно 5-7 об.% эта-фазы, равномерно распределенной в виде небольших звезд <50 мкм, предпочтительно <25 мкм, с очень тонкодисперсными зернами <1 мкм.
2. Цементированный карбид по п.1, в котором вплоть до 30 вес.% (Ni+Co) составляет Со.
3. Инструмент для операций глубокой вытяжки и вытяжки с утонением, выполненный из цементированного карбида по п.1 или 2.
4. Применение инструмента по п.3 для производства алюминиевых или стальных банок для напитков.
5. Применение инструмента по п.3 для производства формованных изделий, в частности трубчатых корпусов, таких как корпус сухих батарей и аэрозольных баллончиков.
6. Применение инструмента по п.3 для операций волочения стальной проволоки, в частности стального шинного корда.
