JP6306217B2 - 超硬合金せぎり工具 - Google Patents

Description

本発明は、缶製造業向けに、工具鋼に近い熱膨張率、低密度、高硬度を有する超硬合金せぎり工具に関する。

毎年２８００億を超える飲料缶が、世界規模で生産されているる。工程中には、最上部を収容するために、缶の上部がせぎり作業で縮小される。一般に、せぎり作業では、ダイが使用される。生産する缶は多数に上るため、ダイ工具の耐用年数が重要となる。

したがって、せぎりダイ材料は、最も厳しい用途の要件を満たさなければならない。最新の粉末冶金工程を使用して生産される超硬合金は、固有の組み合わせの強度、硬度及び靱性を提供する。超硬合金は、本書において、硬質の炭化物相、７０−９７ｗｔ％の複合材及び結合相として定義される。超硬合金は、標準ＷＣＣｏ、サーメット及び合成物を含む。タングステンカーバイド（ＷＣ）は、もっとも一般的な硬質相であり、コバルト（Ｃｏ）は、最も一般的な結合相である。これら２つの材料が、基本的な超硬合金構造を形成する。この基本的概念から、多くの他の種類の超硬合金が開発されてきた。ＷＣ−Ｃｏ組成物に加え、種々の割合の炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）若しくは炭化ニオビウム（ＮｂＣ）又はその他のものを使用することができる。加えて、コバルト結合相は、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）又はこれらの元素の合金と合金化するか完全に置換することができる。

組成を変えることによって、摩耗、変形、破損、腐食、酸化、その他の損傷の影響に対して最大の耐性が得られるように物理的及び化学的特性を調整することができる。超硬合金の利用可能な固有の組成により、缶生産工程における成形及びスタンピングに理想的な工具材料が実現される。既知のダイ１０の例が、図１に示される。通常のせぎりダイは、コストの削減により、通常は工具鋼で作られるノックアウトと連携する。ノックアウトとせぎりダイの係合溝は、ネッカーマシンのスタートアップ状態及び運転状態の間、できるだけ一定に維持されなければならず、したがって、せぎりダイの熱膨張率が工具鋼に近ければ近いほど良い。

本発明の譲受人に譲渡されたＥＰ２４３９２９４により、金属製飲料缶の製造に使用される超硬合金パンチが開示されている。特に開示された超硬合金は、ＷＣの硬質相と、Ｃｏ及びＮｉに基づいた結合相とを有している。組成物は、５０−７０ｗｔ％のＷＣ、１５−３０ｗｔ％のＴｉＣ（炭化チタン）及び１２−２０ｗｔ％のＣｏ ＋Ｎｉを含む。パンチ適用は、パンチの重量を低下させ、生産を高速化することができるので、この特定の組成物に特に適している。

また本発明の譲受人に譲渡されたＷＯ２００８０７９０８３では、冷間成形及び絞り作業、特に飲料缶の製造で使用される超硬合金パンチが開示されている。超硬合金は、本質的に、７０−９０ｗｔ％のＷＣ；２−８ｗｔ％のＴｉＣ、１−９ｗｔ％のＮｂＣ、０−３ｗｔ％のＴａＣ及び５−２０ｗｔ％のＣｏの結合相にＣｒ及び可能であればＮｉ、Ｆｅ及びＭｏから選択された元素の一又は複数を加えたものである。より具体的には、バインダー組成物はまた、１０−９８ｗｔ％のＣｏ、０−５０ｗｔ％のＮｉ、２−１５ｗｔ％のＣｒ、０−５０ｗｔ％のＦｅ及び０−１０ｗｔ％のＭｏである。

更に、３−１０ｗｔ％の範囲の結合材率と１μｍ未満の粒径を有する等級は、破損に対する高い耐摩耗性及び高い信頼性を組み合わせた、最も高い硬度及び圧縮強度を有している。本書において、等級は、コバルト（Ｃｏ）及び／又はニッケル（Ｎｉ）の結合相、並びに任意の他の単一の又は組み合わせの炭化物相（ＴｉＣ、Ｔａ／ＮｂＣなど）と組み合わせたタングステンカーバイド（ＷＣ）として定義することができる。しかしながら、超硬合金の結合相は、摩耗問題を生じる湿食の影響を受けやすい。したがって、適切なバインダーと組み合わせたサブミクロン炭化物粒子が、ＷＣ−Ｃｏ炭化物パンチで使用されてきた。

しかしながら、そのような材料は、これまでせぎりダイには使用されていなかった。

１つの態様では、金属製飲料缶製造用のせぎり工具であって、１８−６３ｗｔ％のＷＣ；２１−３０ｗｔ％のＴｉＣ、０−２７ｗｔ％のＴｉＮ；０−１２ｗｔ％のＮｂＣ；０−２ｗｔ％のＣｒ_３Ｃ_２；８−１４ｗｔ％のＣｏ；及び０−６ｗｔ％のＮｉを含む超硬合金であるせぎり工具が提供される。

別の態様によれば、金属製飲料缶製造用のせぎり工具であって、６３ｗｔ％未満のＷＣ；２１ｗｔ％のＴｉＣ；２ｗｔ％のＣｒ_３Ｃ_２；８ｗｔ％のＣｏ；及び６ｗｔ％未満のＮｉを含む超硬合金であるせぎり工具が提供される。

更に別の態様によれば、金属製飲料缶製造用のせぎり工具であって、１８ｗｔ％のＷＣ；３０ｗｔ％未満のＴｉＣ；２７ｗｔ％未満のＴｉＮ；１２ｗｔ％未満のＮｂＣ、及び１４ｗｔ％のＣｏを含む超硬合金であるせぎり工具が提供される。

本発明のこれら及びその他の目的、特徴、態様及び利点が、添付図面に関する以下の好ましい実施形態の詳細な説明からより明らかになるだろう。

金属製飲料缶の製造で使用される既知のせぎりダイの斜視図である。 本開示による第１のせぎり工具材料のＳＥＭ像である。 本開示による第２のせぎり工具材料のＳＥＭ像である。 図３のサンプルＢの気孔率レベルのＳＥＭ像である。

本発明は、缶製造業のせぎり適用のための合成物及びサーメットを含む超硬合金に関する。これらの新しい材料と関連した利点は、せぎりダイに使用される既存のセラミック材料と比較して、高硬度、低密度、工具鋼ノックアウトに近い熱膨張、及び高い靱性に見ることができる。

以下の表１によるｗｔ％の組成を有する超硬合金等級が、既知の方法に従って生成された。超硬合金サンプルは、共に湿式で粉砕され、乾燥され、所望の形状の本体にプレスされ、焼結された、硬質成分を形成する粉末と、バインダーを形成する粉末とから調製された。
表１

缶ツーリング産業で使用される既知の超硬合金である、Ｓａｎｄｖｉｋ等級Ｈ１２Ｎ（Ｓａｎｄｖｉｋ ＡＢ、Ｓａｎｄｖｉｋｅｎ、ＳＥ）が、比較サンプルとして使用された。比較サンプルは、約８８ｗｔ％未満のＷＣ；約１２ｗｔ％のＣｏ；及び約１ｗｔ％のＣｒ_３Ｃ_２、好ましくは８７．５ｗｔ％のＷＣ、１２ｗｔ％のＣｏ及び０．５ｗｔ％のＣｒ_３Ｃ_２を含む。更に、比較サンプルは、中間の炭化物粒径、１−１０の主観的尺度で約３の耐食性、１−１０の主観的尺度で約５の耐摩耗性、約４６００ＭＰａの圧縮強度、及び約１６ＭＰａｍ^１／２のＰａｌｍｑｖｉｓｔ方法ごとの破壊靱性を有している。

本開示による２つの超硬合金体が、表１に示されるように調製され、特徴付けられた（サンプルＡ及びサンプルＢ）。サンプルは、電子顕微鏡法により分析された。サンプルＡのＳＥＭ顕微鏡写真が図２に示され、サンプルＢのＳＥＭ顕微鏡写真が図３に示されている。図示されるように、硬質相及びマトリックス相の形態及び分布は均一であることが分かる。

サンプルＡとＢの両方が、０．５μｍから１μｍまでの粒径を有している。両サンプルの結合材率は、およそ１４％である。好ましくは、６−１８％のＣｏ／Ｎｉである。

１つの態様によれば、せぎり工具は、１８−６３ｗｔ％のＷＣ；３０ｗｔ％未満のＴｉＣ；０−２７ｗｔ％のＴｉＮ；０−１２ｗｔ％のＮｂＣ；０−２ｗｔ％のＣｒ_３Ｃ_２；８−１４ｗｔ％のＣｏ；及び０−６ｗｔ％のＮｉを含む超硬合金で作られる。

別の態様では、せぎり工具は、６３ｗｔ％未満のＷＣ、及びより好ましくは６２．８ｗｔ％のＷＣ；２１ｗｔ％のＴｉＣ；２ｗｔ％のＣｒ_３Ｃ_２；８ｗｔ％のＣｏ及びより好ましくは８．３ｗｔ％のＣｏ；並びに６ｗｔ％未満のＮｉ及びより好ましくは５．７ｗｔ％のＮｉを含む超硬合金で作られる。したがって、結合相は、Ｃｏ及びＮｉから成り、およそ１４ｗｔ％の含有量を有している。

別の態様では、せぎり工具は、１８ｗｔ％のＷＣ、及びより好ましくは１８．０８ｗｔ％のＷＣ；３０ｗｔ％未満のＴｉＣ、及びより好ましくは２９．６６ｗｔ％のＴｉＣ；２７ｗｔ％未満のＴｉＮ、及びより好ましくは２６．４６ｗｔ％のＴｉＮ；１２ｗｔ％未満のＮｂＣ、及びより好ましくは１１．６３ｗｔ％；並びに１４ｗｔ％のＣｏ及びより好ましくは１４．１７ｗｔ％のＣｏを含む超硬合金で作られる。

表１を参照し、図３から分かるように、サンプルＢは、粒成長を抑止するためにＮを用いる。更に、Ｔｉ粒子は球状であり、Ｃｏバインダーはよく分布している。また、図４に示されるように、光学顕微鏡写真は、Ａ０２／Ａ０４タイプの気孔率レベルを示す。

以下の表２に示されるように、超硬合金産業で使用される基準に従って、他の気孔率が測定された。
表２

理解できるように、サンプルＡ及びＢは、それぞれ９．８６及び６．６２の比較サンプルのＨ１２Ｎより、それぞれ１４５０及び１６５０のはるかに高い硬度と、１０ｇ／ｃｍ^３未満のはるかに低い密度と、既知の工具鋼に近い７．１３及び７．４９の熱膨張を有している。

以上本発明は、特定の態様に関して本発明を説明したが、他の多くの変形例、修正例及びその他の使用が当業者には明白になるだろう。したがって、本発明は、本書の特定の開示によるのではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが好ましい。

Claims (8)

1. 金属製飲料缶製造用のせぎり工具であって、前記せぎり工具は、硬質相及び結合相から成る超硬合金であり、
   前記超硬合金における前記硬質相の含有量は、８４−８７ｗｔ％であり、
   前記硬質相は、ＷＣ及びＷＣ以外の材料から成り、
   前記超硬合金におけるＷＣの含有量は、１８−６３ｗｔ％であり、
   前記ＷＣ以外の材料は、２１−３０ｗｔ％のＴｉＣ、０−２７ｗｔ％のＴｉＮ、および０−１２ｗｔ％のＮｂＣから成る、せぎり工具。
2. 前記超硬合金の結合材率が約１４ｗｔ％である、請求項１に記載のせぎり工具。
3. 前記超硬合金が１０ｇ／ｃｍ^３未満の密度を有している、請求項１又は２に記載のせぎり工具。
4. 前記超硬合金の結合材率が１４．１７ｗｔ％である、請求項１から３の何れか一項に記載のせぎり工具。
5. 前記超硬合金が７．１３ １×１０^−６／℃の熱膨張係数を有している、請求項１から４の何れか一項に記載のせぎり工具。
6. 前記超硬合金が７．４９ １×１０^−６／℃の熱膨張係数を有している、請求項１から４の何れか一項に記載のせぎり工具。
7. 前記超硬合金が、１μｍ未満、好ましくは０．５−１μｍ、更に好ましくは０．５−０．９μｍの粒径を有する等級を有している、請求項１から６の何れか一項に記載のせぎり工具。
8. 金属製飲料缶製造用の請求項１から７の何れか一項に記載のせぎり工具の使用。

Images