CN103180469A - 硬质合金冲头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造金属饮料罐的硬质合金冲头，该硬质合金包括含有WC的硬质相和粘结相，所述硬质合金的组分包括，以wt％计：50至小于70的WC，15至30的TiC和12至20的Co+Ni。

Description

硬质合金冲头
本发明涉及一种硬质合金刀具，具体是一种用于制造金属饮料罐的冲头。
背景技术
全世界每年制造大约2600亿个罐子。单个生产线以连续过程每年可从铝或钢带制造出500,000,000个罐子。作为一个实例，由金属片材压制的杯子通过一次连续冲头行程在大约五分一秒的时间内形成罐体，形成的内径约66mm，高度从33增加到57mm，然后，在罐的基部形成凹形圆顶之前，通过三个拉伸环，将罐壁拉伸到130mm高。
由于对工具公差(±0.002mm)的要求非常严格，以便保持正确的罐子尺寸，所以冲头相对于拉伸环和圆顶模具的对准是至关重要的。
罐的制造是一个连续的过程，因此在使用期间可靠的和可预测的使用寿命是重要的。
US 5,736,658公开了一种优选地在深拉铝和钢罐中使用的的工具的组分。这种工具由镍粘结的硬质合金构成。然而，由于没有在粘结相中添加钴，所以该等级是无磁性的，这对于需要磁性材料作为冲压刀具的罐生产商而言是一个关键的缺点，此外，该等级具有非常低的WC含量，使得得到具有低密度的材料。
WO 2008/079083公开了一种含有碳化钨，碳化钛，碳化铌，钴和铬以及其它可能的添加成分的硬质合金冲压刀具。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于生产金属饮料罐的、具有提高的使用寿命的冲头。
目前发现，上述目标可由包括含有WC的硬质相和粘结相的硬质合金冲头实现，其中所述硬质合金的组分包括，以wt％计：50至低于70的WC，15至30的TiC和12至20的Co+Ni。
附图说明
图1示出本发明示例性实施方式的背散射SEM图像，其中，A是WC相，B是(Ti，W)C立方相，C是TiCx核，D是基于Co+Ni并添加了Cr和Mo的粘结相。
具体实施方式
研究发现通过减轻冲头的重量，冲压头的弯矩会显著降低，这将改善刀具的对准性，从而导致更少的与工具损坏相关的振动，提高的罐壁厚度的一致性，减少的制罐机的维护，以及因为运输的质量更少而产生的减少的能源消耗或更快的生产速度。然而，还发现：为了不牺牲刀具的耐磨性和韧性，碳化钨和粘结相的含量必须保持足够高。
根据本发明，这些要求可以通过一种用于生产金属饮料罐，诸如铝罐或钢罐的硬质合金冲头实现，所述硬质合金含有包括WC的硬质相和粘结相，其中所述硬质合金的组分包括，以wt％计：50至小于70的WC，15至30的TiC，12至20的Co+Ni。
烧结后的硬质合金的微观结构包括作为独立相出现的WC相。适当地，WC也溶解在TiC中，形成立方的(Ti，W)C相。
有利的是，烧结后的硬质合金等级具有亚微米或大约1微米的碳化钨，通过使用线性截距法测量，碳化钨优选具有0.8-2μm的平均晶粒尺寸，合适地具有0.8-1.5μm的平均晶粒尺寸，以实现足够的耐磨性和适当的韧性。在一种实施方式中，烧结后的硬质合金中的WC相为基本全部都具有小于1μm的粒度的晶粒的形式。
进一步有利的是，通过使用线性截距法测量，烧结后的硬质合金中的(Ti，W)C混晶相具有1-5μm的平均晶粒尺寸。
该烧结后的硬质合金的微观结构中适当地也包括具有Ti和C的单独相，此后这表示为TiCx。合适地，TiCx相为嵌入在包括Ti和W的立方碳化物相中的核的形式。
合适地，该硬质合金组分中包括50wt％-69wt％的WC，合适地为50wt％-67wt％，更合适地55wt％-67wt％。
为获得合适的磁性性能，该硬质合金适当地包括至少6wt％的Co。
具有Co粘结剂的硬质合金只适于具有相应的wt％Co值在85.0％至95.0％之间的Com值，以确保满足导磁率的下限，并且确保在微观结构中没有η碳化物(eta carbides)。优选地，导磁率至少为3.5。
在实践中，由于需要获得耐蚀性能，粘结剂可含有Cr，而这将导致其与钴合金化形成一种非磁性相。
因此，新的最低水平的Co wt％粘结剂需要根据下述的简单算法计算。
最小Co wt％(a)，包括(b)Cr wt％
(a)＝5.5+0.6×(b)wt％
再次，后者假设磁性饱和值是在2相区之间，即没有η碳化物或石墨存在。
操作条件要求使用适当的冷却剂，该冷却剂自然地老化并且轻度地腐蚀，这将显著地影响磨损过程，从而造成过早失效。冷却剂通常是以如下方式存在的水基溶剂：新时pH值为9，而在使用后pH值为8。处于较低的pH值时，冲压刀具易于腐蚀磨损，特别是具有钴粘合剂时。改进的磨损性能也会改善罐壁厚度的一致性，同时减少刀具重磨的停机时间。
因此，合适地是，使用以钴和镍为基的抗腐蚀硬质合金，并且例如如之前所述，通过在组分中添加一定量的铬和/或钼而能够实现进一步提高的抗腐蚀性。
优选地，该硬质合金中含有镍和钴，Co/Ni重量比为0.3-2.5，合适地是0.5-2。
合适地，该硬质合金包括0.5至2.5wt％的Cr，优选1-2wt％的Cr。
该硬质合金适于含有0.1-0.3wt％的Mo。
粘结相包含12-16wt％的Cr+Mo是有利的。
在本发明的一种实施方式中，冲头包括硬质合金，该硬质合金包括含有WC和TiC的硬质相和粘结相，其中硬质合金组分包括，以wt％计：50至小于70的WC，15至30的TiC，12-20的Co+Ni，其中Co/Ni重量比为0.5-2，1至2的Cr和0.1至0.3的Mo。
在一种实施方式中，硬质合金具有以下组分，以wt％计：12-20的Co+Ni，1-2的Cr，0.1-0.3的Mo，18-30的TiC，和余量的WC。
在一种实施方式中，硬质合金具有以下组分，以wt％计：7-9的Co，5-7的Ni，1-2的Cr，和0.1-0.3的Mo，以及18-23的TiC和余量的WC。
在另一种实施方式中，硬质合金具有以下组分，以wt％计：6-8的Co，12-14的Ni，1-2的Cr，和0.1-0.3的Mo，以及18-23的TiC和余量的WC。
在又一种实施方式中，硬质合金具有以下组分，以wt％计：10-14的Co，5-7的Ni，1-2的Cr，0.1-0.3的Mo，以及18-23的TiC和余量的WC。
在一种实施方式中，冲头是制罐刀具冲头。
本发明还涉及将根据本发明的冲头用在腐蚀-磨损环境下的制罐刀具冲头应用中。
本发明使用的硬质合金可以由形成硬质成分的粉末和形成粘结剂的粉末适当地制备，它们被一起湿磨、干燥、压制成所需形状的型体以及被烧结。
合适地，将至少75％，优选至少95％，更优选全部的Ti添加到所述组分是通过使用具有(Ti，W)C混晶的共晶体的原材料粉末来实现的，其中Ti/W的重量比为0.85，且所述混晶的共晶体的粉末颗粒适于具有0.5-1.2μm，优选0.7-1.2μm的平均粒度(d50)。在一种实施方式中，混晶的共晶体的粉末颗粒具有大约5μm的平均粒度(d50)，意味着合适的粒度在1-10μm的范围内。
合适地，添加的WC原材料粉末的平均WC晶粒尺寸(d50)与(Ti，W)C混晶非常相似，优选为0.5-1.2μm，更优选为0.7-1.2μm，更优选大约1.0μm。
粘结剂组分的选择要保持具有足够高的韧性和最小的导磁率。为了确保耐受由冷却剂对粘结剂的影响产生的腐蚀的合适的耐蚀性能，粘结剂适于由“不锈”合金制成，即实例1。
实例1
通过已知的方法并且分别使用平均粒度(d50)为0.8μm的WC粉末和约1μm的(Ti，W)C粉末制备具有如表1以wt％计的组分的硬质合金等级。硬质合金试样由形成硬质成分的粉末和形成粘结剂的粉末制备。粉末和润滑剂以及抗凝剂一起进行湿磨，直至获得均匀的混合物，并通过干燥使粉末成为粒状。在烧结前通过等压湿袋压制，干燥的粉末被压制成所需形状的型体。在真空下，在1410℃下烧结1小时，随后施加高压，即50巴氩气，在烧结温度下保持约30分钟，以便在冷却前获得致密的结构。
在本发明的某些实施方式中，硬质合金成分中的单独组分如下面所列，其具有任何常规的很小的杂质。
通过使用线性截距法测量，烧结后的硬质合金结构含有具有平均晶粒尺寸1μm的WC。
取决于选择的组分和烧结温度，所述材料具有1250-1550HV30的硬度。
根据下面的表1，针对先前已知的制罐刀具冲头的标准硬质合金(#)对根据本发明组分制造的硬质合金冲头刀具体进行了测试。
表1(组分含量以wt％计)
编号 A B C D #
试样 本发明 本发明 本发明 本发明 对比例
WC 余量 余量 余量 余量 余量
TiC* 20 20 21 21 -
Co 8.0 8.5 6.0 12.0 6.6
Ni 6.0 5.5 13.0 6.0 2.2
Cr 1.5 1.7 1.7 1.7 1.0
Mo 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
d50WC(μm) 0.8 1.0 1.0 1.0 0.8
d50(Ti，W)C(μm) 1.0 1.0 5 5 -
*使用(Ti，W)C进行添加
根据ASTM标准B611、G61和G65(包括酸性介质)，对硬质合金的候选等级试样进行磨损和腐蚀测试。
已经根据硬质合金领域中所使用的标准测量了其它的性能，即，用于密度的ISO 3369：1975，用于硬度的ISO 3878：1983，以及用于耐磨性的ASTM G65。
耐腐蚀性按照ASTM61标准被表征，ASTM61标准特别适合用于测量(Co，Ni，Fe)在氯化物溶液中的腐蚀。
也可能为，在磨损和腐蚀机制之间发生协同效应。
测试结果如下面表2所示。
表2
Figure BPA00001702410400081
*根据ASTM61的利用平齐端口电池(flushed port cell)的击穿电位Eb(10μA/cm2)，标准化等级1-10，其中不锈钢316＝10
**重磨前的估计使用寿命
耐磨性是以×2增加的。
生产寿命估计从生产一千万个罐子增加到生产大于两千万个罐子，增加到大于×2。

Claims (11)

1.一种用于制造金属饮料罐的硬质合金冲头，所述硬质合金包括含有WC的硬质相和粘结相，其特征在于：所述硬质合金的组分包括，以wt％计：50至小于70的WC，15至30的TiC和12-20的Co+Ni。
2.根据权利要求1所述的冲头，其中所述硬质合金组分包括50-69％的WC。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的冲头，其中所述硬质合金包括作为单独相的WC。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的冲头，其中所述硬质合金组分包括18％-28％的TiC。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的冲头，其中所述硬质合金包括作为单独相的TiCx。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的冲头，其中所述硬质合金组分具有0.3-2.5的Co/Ni重量比。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的冲头，其中所述硬质合金组分包括0.5-2.5的Cr。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的冲头，其中所述硬质合金组分包括0.1-0.3的Mo。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的冲头，其中所述硬质合金具有以下组分，以wt％计：12-20的Co+Ni，1-2的Cr，0.1-0.3的Mo，18-30的TiC，和余量的WC。
10.根据权利要求3所述的冲头，其中WC相为基本上全部均具有小于1μm的粒度的晶粒的形式。
11.根据权利要求1-10中的任一项所述的冲头在腐蚀-磨损环境下的制罐刀具冲头应用中的使用。
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