DE602006001033T2 - Werkzeug für die Kaltumformung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von verbesserten Hartmetallwerkzeugen zum Formen oder sonstigen Bearbeiten von Materialien. Die Erfindung findet insbesondere Anwendung bei der Herstellung von Metallbearbeitungswerkzeugen und insbesondere Werkzeugen, die bei der Herstellung von rohrförmigen Gehäusen und ähnlichen Gegenständen, wie zweiteiligen Getränkedosen, verwendet werden.
  • Eine zweiteilige Dose wird durch ein Zieh- und Wandabstreckziehverfahren hergestellt. Im allgemeinen wird eine zweiteilige Dose durch Ausstanzen von Metallscheiben aus einer Metallplatte hergestellt. Eine Metall-"Schale" wird aus der Scheibe gebildet. Die gebildeten Schalen werden von einem einen Körper formenden Stempel durch eine einen Körper formende Form gedrückt, welche eine Mehrzahl von kranzförmigen Ringen umfaßt, die im allgemeinen als Zieh-, Nachzieh- und Abstreckziehringe bekannt sind. Die Freiflächen zwischen dem Körper formenden Stempel und der Mehrzahl von Ringen werden stufenweise kleiner, so daß die Dicke der Schalenwand reduziert wird und die Schale verlängert wird. Dieser Vorgang wird im allgemeinen als der Abstreckziehvorgang bezeichnet. Es ist ein besonders anspruchsvoller Vorgang, der großen Verschleiß an den Werkzeugen verursacht, und der Vorgang ist gegenüber Dimensionsveränderungen und Schmierungsbedingungen empfindlich. Aufgrund des enormen Volumens an Getränkedosen, die jedes Jahr hergestellt werden, kann jede kleine Verbesserung des Fertigungsprozesses zu enormen Einsparungen führen.
  • Werkzeuge, die einem Material eine(n) gewünschte(n) Umriß, Form oder Oberflächenausführung verleihen, wie Formen, Stempel und dergleichen, müssen durch extreme Härte, Druckfestigkeit und Steifigkeit gekennzeichnet sein. Dies ist insbesondere beim Formen von Metallen oder ähnlichen Metallen notwendig. Kommerzielle Materialbearbeitungswerkzeuge für die Massenproduktion müssen auch gegen Verschleiß, Abtragung und Absplittern durch wiederholten) und kontinuierliche(n) Belastung und Abnutzung beständig sein. Diese Werkzeuge müssen auch aus Materialien hergestellt sein, die zu engen Toleranzen ausgestaltet und maschinell bearbeitet werden können und die ihre dimensionale Stabilität über einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen hinweg behalten.
  • Es ist bekannt, Stempel, Formen, Tiefziehwerkzeuge und ähnliche Materialbearbeitungswerkzeuge aus einer Vielzahl von Materialien, einschließlich Metallen, Hartmetallen und konventioneller Keramik, herzustellen. Diese bekannten Materialien weisen allesamt gewisse unerwünschte Einschränkungen auf. Bei der Herstellung von Werkzeugen zum Formen von Metallgegenständen, insbesondere rohrförmigen Gehäusen, wie zweiteiligen Getränkedosen, werden die Probleme von zuvor bekannten Materialien besonders signifikant.
  • Gemäß dem Stand der Technik besteht eine Möglichkeit zur Erzielung einer besseren Leistung bei der Dosenherstellung in der Verwendung von Keramikmaterialien, z. B. Whisker verstärktern Aluminiumoxid oder Siliciumnitrid, wie sie in den US-Patenten US 5,095,730 bzw. US 5,396,788 offenbart sind, jedoch scheint bislang herkömmliches Hartmetall seine Position als das bevorzugte Material zu behalten.
  • Die US 2002/0031440 A1 offenbart ein Hartmetallwerkzeug zum Bohren oder Routen von Leiterplattenmaterialien. Verbesserte Eigenschaften wurden durch Legieren der Bindephase mit Ru in Kombination mit der Verwendung von feinkörnigem Co-Pulver erzielt. Die Zugabemengen von Ru variieren zwischen 5 und 35 Gew.-% des Bindemittelgehalts. Der Kobaltgehalt, zu dem diese Zugabe vorgenommen werden kann, sollte von 5–12% variieren. Die mittlere WC-Korngröße sollte < 0,8 μm sein, und um dies zu erreichen, werden Kornwachstumsinhibitoren, VC und Cr3C2, in einer Menge von < 0,9 Gew.-% zugegeben. Gemäß den Beispielen überschreitet die Härte der Werkzeuge 2000 HV.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die kürzlich erfolgte Entwicklung von ultrafeinkörnigem Hartmetall.
  • Seit vielen Jahren findet eine andauernde Entwicklung von Hartmetall mit einer immer feineren Korngröße statt. Die Ausweitung von Hartmetall-Korngrößen in den ultrafeinen Größenbereich führt zu einer Anzahl von positiven Verbesserungen im Hinblick auf die Verschleißprozesse.
  • Der Verschleiß durch Abnutzung (oder das Volumen des Kornverlusts) kann um eine Größenordnung reduziert werden, indem man die gesinterte Korngröße etwas mehr als halbiert (bei Nichtvorliegen anderer Verschleißprozesse), da das Kornvolumen zur dritten Potenz des Durchmessers in Beziehung steht.
  • Klebebruch ist eine weitere gefährliche Art von Abnutzungsverschleiß, wobei die Trennung von stark verschweißten Grenzflächen zwischen Werkzeug und Bearbeitungsmaterial Abspaltung bei Zugbeanspruchung innerhalb des darunterliegenden Carbids induzieren kann. Ultrafeine Hartmetalle können aufgrund ihrer größeren Bruchfestigkeit dem Beginn solcher Brüche besser widerstehen als gröbere.
  • Es wird gesagt, daß Abtragung/Korrosion der Bindephase ein Teil des Verschleißmechanismus beim Drahtziehen und dem Tiefziehen von Getränkedosen ist. In ultrafeinern Hartmetall führt die kleinere WC-Korngröße selbst dann zu dünneren Bindemittelfilmen, wenn der Gehalt an Bindemittel aufrechterhalten oder im Vergleich zu herkömmlichem Hartmetall sogar gesteigert wird. Somit wird die Beständigkeit gegen selektive Abtragung der weichen Bindemittelphase durch Verschleißteilchen reduziert. Es ist sinnvoll, anzunehmen, daß das dünnere Bindemittel auch zu besseren Oxidations-/Korrosionseigenschaften führt, da die Eigenschaften des Bindemittels an der WC-Grenzfläche sich von dem reinen Metall unterscheiden.
  • Aus dem Obigen scheint es, daß das Hauptinteresse bei der Entwicklung von feinerem Hartmetall im Submikrometerbereich, vielleicht bis in den Nanometerbereich, darauf gerichtet ist, die Härte zu steigern und die Beständigkeit gegen Abnutzungsverschleiß und die Festigkeit zu maximieren und gleichzeitig soweit wie möglich alle anderen Attribute in geeignetem Maße beizubehalten.
  • Somit wird eine verbesserte Verschleißbeständigkeit von Hartmetall erzielt durch Verringern der Korngröße von Wolframcarbid auf eine ultrafeine Größe und Aufrechterhalten des Bindemittelgehalts, so daß die Härte gesteigert wird.
  • Es ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Werkzeug für Kaltumformungs- und Ziehvorgänge insbesondere bei der Herstellung von zweiteiligen Getränkedosen aus Aluminium oder Stahl unter Verwendung von ultrafeinkörnigem Hartmetall bereitzustellen, welches eine bessere Leistungsfähigkeit zeigt als Werkzeuge des Standes der Technik. Eine besondere Verbesserung wird beim Abstreckziehvorgang erzielt. Eine Kombination aus Korngröße und Co-Bindemittelgehalt, die zu der gewünschten besseren Leistungsfähigkeit führt, wird durch 6 Gew.-% Co mit ultrafeinem WC mit einer Härte von etwa 2050 HV, d. h. einer größeren Härte als bei der üblicherweise verwendeten Qualität von 6 Gew.-% Co-Bindemittel, die typischerweise eine Härte von 1775 HV hat, repräsentiert.
  • Beispiele des Werkzeugs und des Hartmetalls gemäß der Erfindung sind in 1 bzw. 2 zu finden. 1 zeigt eine Abstreckziehform, worin A = die Hartmetallform und B = das Stahlgehäuse sind. 2 zeigt in 10000-facher Vergrößerung die Mikrostruktur eines ultrafeinen Hartmetalls gemäß der vorliegenden Erfindung, geätzt in Murakami-Reagens. Die Struktur enthält WC und Co-Bindemittel.
  • Somit betrifft die Erfindung die Verwendung von Hartmetall mit einer ultrafeinen WC-Korngröße und großer Härte, mit verbesserter Verschleißbeständigkeit bei Kaltumformungs- und Ziehvorgängen, insbesondere bei dem Abstreckziehvorgang bei der Herstellung von Getränkedosen aus Aluminium und Stahl. Die Erfindung besitzt jedoch eine breite Anwendbarkeit für die Verwendung bei der Herstellung einer Vielzahl weiterer Formgegenstände, insbesondere rohrförmiger Gehäuse, wie Trockenbatteriegehäusen und Aerosoldosen.
  • Um die gut bekannten Schwierigkeiten beim Definieren und Messen der Wolframcarbid-Korngröße von Hartmetall zu umgehen und in diesem Fall "ultrafeines Hartmetall" zu definieren, wird ein Härte/Bindemittelgehalt-Verhältnis verwendet, um das Hartmetall gemäß der vorliegenden Erfindung zu charakterisieren. Die gut bekannte Tatsache, daß die Härte von Hartmetall von dem Bindemittelgehalt und der Wolframcarbid-Korngröße abhängig ist, wird ausgenutzt. Wenn die Korngröße oder der Bindemittelgehalt abnimmt, nimmt die Härte zu.
  • Die Erfindung betrifft somit ein Kaltumformungswerkzeug nach Anspruch 1 aus Hartmetall mit einem Co-Gehalt zwischen 5 und 10 Gew.-%, bevorzugt 5,5–8 Gew.-% und am meisten bevorzugt 5,5–7 Gew.-%, mit < 1 Gew.-% Kornwachstumsinhibitoren V und/oder Cr und einer Härte mit dem folgenden Verhältnis zwischen HV30 und Co-Gehalt in Gew.-%:
    HV30 > 2150-52·Gew.-% Co, bevorzugt HV30 > 2200-52·Gew.-% Co,
    bevorzugter HV30 > 2250-52·Gew.-% Co
    und am meisten bevorzugt mit einer Härte HV30 > 1900.
  • In einer Ausführungsform weist das Hartmetall 5–8 Gew.-% Co-Bindemittel, < 1 Gew.-% Kornwachstumsinhibitoren V und/oder Cr und eine Härte von > 1850 auf, zur Verwendung als Abstreckziehform bei der Herstellung von Getränkedosen aus Aluminium oder Stahl.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist das Hartmetall 5–8 Gew.-% Co, < 1 Gew.-% Kornwachstumsinhibitoren V und/oder Cr und eine Härte von HV > 1950 auf.
  • In noch einer weiteren Ausführungsform weist das Hartmetall 6–7 Gew.-% Co und < 1 Gew.-% Kornwachstumsinhibitoren V und/oder Cr und eine Härte von HV 1950-2200 auf.
  • Das Hartmetall wird durch herkömmliche pulvermetallurgische Techniken, wie Mahlen, Pressen und Sintern, hergestellt.
  • Obwohl es nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, kann das vorliegende Hartmetall auch andere Anwendung finden, wie für andere Kaltumformungs- und Ziehvorgänge, wie den Vorgang des Drahtziehens und insbesondere von Reifencord.
  • Beispiel 1
  • Abstreckziehformen für die Herstellung von 50 cl-Stahldosen, ausgestattet mit Hartmetallringen A und B:
    • A. WC-6 Gew.-% Co, Korngröße im Submikrometerbereich, Cr3C2 als Kornwachstumsinhibitor mit einer Härte HV30 von 1775, Stand der Technik.
    • B. Ultrafeines Hartmetall, bestehend aus WC, 6 Gew.-% Co und < 1 Gew.-% V und Cr-Carbid als Kornwachstumsinhibitoren mit einer Härte HV30 von 2050, Erfindung.
  • Die Werkzeuge wurden als der dritte Ring (der am schwersten beschädigte Ring) bei der Herstellung von 50 cl-Stahldosen mit den folgenden Ergebnissen getestet. Der Leistungsfaktor bezieht sich auf den Verschleißgrad, der nach 100.000 hergestellten Dosen am Ringdurchmesser beobachtet wurde. Die Ringe gemäß der Erfindung weisen im Vergleich zum Stand der Technik im Durchschnitt nur 74% Verschleiß auf.
  • Tabelle 1 faßt die mittleren Ergebnisse aus 24 getesteten Ringen für beide Proben A und B zusammen. Tabelle 1
    Probe Leistungsfaktor (Verschleiß)
    A. Stand der Technik 100
    B. Erfindung 74

Claims (6)

  1. Tiefzieh- und Abstreckziehwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß es ultrafeines Hartmetall umfaßt, welches WC, < 1 Gew.-% Kornwachstumsinhibitoren V und/oder Cr und 5–10 Gew.-% Co, vorzugsweise 5,5–8 Gew.-% Co, enthält und eine Vickers-Härte von HV30 > 2150-52·Gew.-% Co hat.
  2. Werkzeug nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vickers-Härte von HV30 > 2200-52·Gew.-% Co.
  3. Werkzeug nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vickers-Härte von HV30 > 2250-52·Gew.-% Co.
  4. Werkzeug nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vickers-Härte von HV30 > 1900.
  5. Verwendung eines Tiefzieh- und Abstreckziehwerkzeugs nach einem der Ansprüche 1–4 für den Tiefzieh- und Abstreckziehvorgang bei der Herstellung von Getränkedosen aus Aluminium oder Stahl.
  6. Verwendung eines Tiefzieh- und Abstreckziehwerkzeugs nach einem der Ansprüche 1–4 für den Abstreckziehvorgang bei der Herstellung von Getränkedosen aus Aluminium oder Stahl.
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