ES2304777T3 - Herramienta para operaciones de conformado en frio con comportamiento mejorado. - Google Patents

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Abstract

Herramienta para el embutido en profundo y para el adelgazamiento de las paredes caracterizada por comprender carburo cementado ultra-fino que comprende WC, < 1% en peso de inhibidores de crecimiento de grano V y/o Cr, y 5 - 10% en peso de Co, preferentemente 5,5 - 8% en peso de Co y con una dureza Vickers, HV30 > 2150 - 52*% en peso de Co.

Description

Herramienta para operaciones de conformado en frío con comportamiento mejorado.
La presente invención se refiere a un método para fabricar herramientas de carburo cementado mejoradas para conformar o bien para trabajar materiales. La invención tiene aplicación particular en la fabricación de herramientas para trabajar los metales, y específicamente en las herramientas usadas en la fabricación de carcasas tubulares y artículos semejantes, tales como latas para bebidas de dos piezas.
Una lata de dos piezas se fabrica mediante un proceso de embutido y de adelgazamiento de las paredes. En general, una lata de dos piezas se fabrica mediante el estampado de discos de metal procedentes de una placa de metal. A partir del disco se forma una "taza" de metal. Las tazas conformadas se comprimen a través de una matriz de conformado de cuerpo que comprende una pluralidad de arillos anulares, generalmente conocidos como anillos de embutido, de re-embutido y de adelgazamiento de paredes, mediante un punzón de conformado de cuerpo. Las holguras entre el punzón de conformado de cuerpo y la pluralidad de los anillos es progresivamente más pequeña, para así reducir el espesor de la pared de la copa a medida que se alarga la copa. Este proceso generalmente se refiere como la operación de adelgazamiento de las paredes. Esta es una operación particularmente exigente que origina un alto desgaste sobre las herramientas y es una operación sensible a los cambios de dimensión y a las condiciones de lubricación. Debido al tremendo volumen de latas para bebidas fabricadas cada año, cada mínima mejoría en el proceso de fabricación puede tener como resultado grandes ahorros.
Las herramientas para producir una configuración, forma o acabado deseado a un material, tales como matrices, punzones, y semejantes, se caracterizan por su extrema dureza, resistencia a la compresión y rigidez. Esto es particularmente necesario cuando se conforman metales o materiales semejantes. Las herramientas que trabajan los materiales comerciales para la producción en masa también deben ser resistentes al desgaste, a la erosión y al astillado procedentes de una abrasión y tensión continuada y repetida. Estas herramientas también deben estar fabricadas a partir de materiales que se puedan diseñar y trabajar a tolerancias muy pequeñas y mantener una estabilidad dimensional en un amplio intervalo de condiciones de operación.
Se sabe como fabricar punzones, matrices, herramientas para el embutido en profundidad y herramientas similares para trabajar los materiales a partir de una variedad de materiales, que incluyen metales, carburo cementado y materiales cerámicos convencionales. Todos estos materiales conocidos tienen ciertas limitaciones no deseadas. Cuando se fabrican herramientas para el conformado de artículos de metal, particularmente carcasas tubulares tales como las latas para bebidas de dos piezas, los problemas de los materiales conocidos de la técnica anterior llegan a ser particularmente significativos.
Según la técnica anterior, una posible vía para obtener un mejor comportamiento en la fabricación de latas es el uso de materiales cerámicos, por ejemplo, alúmina reforzada con fibras o nitruro de silicio como los descritos en los Documentos de Patente de los EE.UU. de números US 5.095.730 y US 5.396.788, respectivamente, pero hasta la fecha el carburo cementado convencional parece mantener su posición como el material preferente.
El Documento de Patente de los EE.UU. de número US 2002/0031440 A1 describe una herramienta de carburo cementado para el taladrado o ranurado de los materiales de las placas de circuito impresas. Las propiedades mejoradas se obtienen mediante el aleado de la fase aglutinante con Ru en combinación con el uso de un polvo de Co de grano fino. Los niveles de adición de Ru varían entre 5 y 35% en peso del contenido de aglutinante. El contenido de cobalto al que se debería hacer esta adición debería variar desde 5 - 12%. El tamaño medio de grano del WC debería ser < 0,8 \mum y para alcanzar esto se añaden inhibidores de crecimiento de grano, VC y Cr_{3}C_{2}, en la cantidad de < 0,9% en peso. Según los ejemplos, la dureza de la herramienta sobrepasa 2000 HV.
La presente invención se refiere a un desarrollo reciente de carburo cementado de grano ultra-fino.
Durante muchos años ha existido un progresivo desarrollo de carburos cementados con un tamaño de grano cada vez más fino. La extensión de los tamaños de grano del carburo cementado en el intervalo de tamaño de grano ultra-fino tiene como resultado un número mejoras positivas en relación a los procesos de desgaste.
El desgaste por abrasión (o volumen de grano perdido) se puede reducir en un orden de magnitud por poco más que reducir a la mitad el tamaño de grano sinterizado (en ausencia de otro proceso de desgaste), ya que el volumen de grano está relacionado con el cubo del diámetro.
La fractura adhesiva es otra clase peligrosa de desgaste por abrasión, en la que la separación de las interfaces fuertemente soldadas del material de la herramienta que trabaja puede inducir a una fragmentación por tensión dentro del carburo subyacente. Los carburos cementados ultra-finos pueden resistir el inicio de tales fracturas mejor que los carburos cementados de grano grueso debido a su mayor resistencia a la rotura.
Se dice que la erosión/corrosión de la fase aglutinante forma parte del mecanismo de desgaste en el proceso de estirado de hilos y en el de embutido en profundidad de las latas para bebidas. En el carburo cementado ultra-fino, aún cuando se mantiene el contenido de aglutinante o bien, se incrementa en comparación con el carburo cementado convencional, un menor tamaño de grano de WC tiene como resultado unas películas de aglutinante más delgadas. Así, se reduce la resistencia a la erosión selectiva de la fase aglutinante blanda por las partículas de desgaste. Es razonable pensar que un aglutinante más delgado también tendrá como resultado unas mejores propiedades de oxidación/corrosión debido a que las propiedades del aglutinante en la interfase de WC son diferentes a las del metal puro.
De lo anterior, se deduce que el principal interés en desarrollar un carburo cementado más pequeño que uno de un tamaño de grano de sub-micrómetro, quizás en el intervalo del tamaño de grano de manómetro, es aumentar la dureza y maximizar la resistencia al desgaste por abrasión y la resistencia en lo posible mientras se mantienen el resto de los atributos en niveles aptos.
Así, la resistencia al desgaste mejorada del carburo cementado se obtiene disminuyendo el tamaño de grano del carburo de tungsteno a un tamaño ultra fino y manteniendo el contenido de aglutinante a fin de que se aumente la dureza.
Así, es un objetivo de la presente invención proporcionar una herramienta para las operaciones de conformado en frío y de embutido, particularmente en la fabricación de latas para bebidas de dos piezas de acero o de aluminio mediante el uso de carburo cementado de grano ultra-fino con un mejor comportamiento en comparación con las herramientas de la técnica anterior. Se obtiene una mejora particular en la operación de adelgazamiento de las paredes. Una combinación de tamaño de grano y de contenido de aglutinante de Co que tiene como resultado el deseado mejor comportamiento está representada por un 6% en peso de Co con WC ultra-fino con un dureza de aproximadamente 2050 HV, es decir una dureza mayor que la comúnmente usada con un nivel de aglutinante del 6% en peso de Co que normalmente tiene la dureza de 1775 HV.
Ejemplos de la herramienta y del carburo cementado según la invención se encuentran en la figura 1 y la figura 2, respectivamente. La figura 1 muestra una matriz de adelgazamiento de las paredes en la que A es la matriz de carburo cementado y B es la carcasa de acero. La figura 2 muestra una ampliación de 10.000 aumentos de la micro-estructura de un carburo cementado ultra-fino según la presente invención obtenida en Murakami. La estructura contiene WC y el aglutinante Co.
Así, la invención se refiere al uso de carburo cementado con un tamaño de grano de WC ultra-fino y elevada dureza con una resistencia al desgaste mejorada en las operaciones de conformado en frío y de embutido, particularmente en el proceso de adelgazamiento de las paredes en la fabricación de latas para bebidas de acero y de aluminio. Sin embargo, la invención tiene una amplia aplicabilidad para su uso en la fabricación de una variedad de otros artículos conformados, particularmente carcasas tubulares, tales como carcasas para baterías de pilas secas, y latas de aerosoles.
Para sortear las bien conocidas dificultades en la definición y medida del tamaño de grano del carburo de tungsteno del carburo cementado, y en este caso para caracterizar al "carburo cementado ultra-fino", se usa la relación Dureza/Contenido de Aglutinante para caracterizar el carburo cementado según la presente invención. Su uso se hace a partir del hecho bien conocido de que la dureza del carburo cementado depende del contenido en aglutinante y del tamaño de grano del carburo de tungsteno. A medida que disminuye el contenido de aglutinante o el tamaño de grano, aumenta la dureza.
Así, según la reivindicación 1, la invención se refiere a una herramienta para el conformado en frío de carburo cementado con un contenido en Co entre 5 y 10% en peso, preferentemente 5,5 - 8% en peso y lo más preferentemente 5,5 - 7% en peso, con < 1% en peso de inhibidores de crecimiento de grano V y/o Cr, y una dureza con la siguiente relación entre HV30 y el contenido de Co en % en peso:
HV30 > 2150 -52*% en peso de Co, preferentemente HV30 > 2200 -52*% en peso de Co,
más preferentemente HV30 > 2250 -52*% en peso de Co
y lo más preferentemente la dureza HV30 > 1900.
En una realización, el carburo cementado tiene 5 - 8% en peso de Co de aglutinante, < 1% en peso de inhibidores de crecimiento de grano V y/o Cr, y una dureza de > 1850 para su uso como matriz de adelgazamiento de las paredes en la fabricación de latas para bebidas de acero o de aluminio.
En otra realización, el carburo cementado tiene 5 - 8% en peso de Co, < 1% en peso de inhibidores de crecimiento de grano V y/o Cr, y una dureza de HV > 1950.
En otra realización adicional, el carburo cementado tiene 6 - 7% en peso de Co, < 1% en peso de inhibidores de crecimiento de grano V y/o Cr, y una dureza de HV > 1950 - 2200.
El carburo cementado se fabrica mediante técnicas metalúrgicas convencionales con polvo tales como molienda, prensado y sinterizado. Aunque no forma parte de la presente invención, el presente carburo cementado también puede presentar otros usos, como otras operaciones de conformado en frío y de estiramiento tales como la operación de estirado de hilos y especialmente de hilo metálico para neumáticos.
Ejemplo 1
Matrices de adelgazamiento de las paredes para la producción de latas de acero de 50 cl equipadas con anillos de carburo cementado A y B
A. WC, 6% en peso de Co, tamaño de grano sub-micrómetro, Cr_{3}C_{2} como inhibidor de crecimiento de grano con una dureza HV30 de 1775, según la técnica anterior.
B. Carburo cementado ultra-fino consistente en WC, 6% en peso de Co, y < 1% en peso de V y carburo de Cr como inhibidores de crecimiento de grano, con una dureza HV30 de 2050, según las invención.
Las herramientas se ensayan como el tercer anillo (el anillo dañado de forma más severa) en la producción de latas de acero de 50 cl con los siguientes resultados. El factor del comportamiento se refiere al nivel de desgaste observado sobre el diámetro del anillo después de la producción de 100.000 latas. Los anillos según la invención tienen un desgaste medio de sólo el 74% en comparación con el obtenido con la técnica anterior.
La Tabla 1 resume los resultados medios procedentes de 24 anillos ensayados para las muestras A y B.
TABLA 1
100

Claims (6)

1. Herramienta para el embutido en profundo y para el adelgazamiento de las paredes caracterizada por comprender carburo cementado ultra-fino que comprende WC, < 1% en peso de inhibidores de crecimiento de grano V y/o Cr, y 5 - 10% en peso de Co, preferentemente 5,5 - 8% en peso de Co y con una dureza Vickers, HV30 > 2150 - 52*% en peso de Co.
2. La herramienta según la reivindicación 1, caracterizada por una dureza Vickers, HV30 > 2200 - 52*% en peso de Co.
3. La herramienta según la reivindicación 1, caracterizada por una dureza Vickers, HV30 > 2250 - 52*% en peso de Co.
4. La herramienta según la reivindicación 1, caracterizada por una dureza Vickers, HV30 > 1900.
5. El uso de una herramienta para el embutido en profundo y para el adelgazamiento de las paredes según una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 4 para la operación de embutido en profundo y de adelgazamiento de las paredes en la fabricación de latas para bebidas de acero o de aluminio.
6. El uso de una herramienta para el embutido en profundo y para el adelgazamiento de las paredes según una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 4 para la operación de adelgazamiento de las paredes en la fabricación de latas para bebidas de acero o de aluminio.
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