ПУАНСОН ДЛЯ ОПЕРАЦИЙ ХОЛОДНОЙ ШТАМПОВКИ
MALE DIE FOR COLD FORMING

Настоящее изобретение относится к улучшенному твердосплавному инструменту для формования или другой обработки материалов, в частности к инструментам, применяющимся для изготовления банок для напитков, состоящих их двух частей (разъемных).
Состоящую из двух частей банку изготавливают процессом вытягивания и разглаживания стенок. Обычно состоящую из двух частей банку получают штамповкой металлических дисков из металлического листа. Из диска образуется металлическая "чаша". Образованные чаши с помощью формирующего пуансона проталкивают через формовочный штамп, содержащий множество круглых колец, обычно известных как прижимное кольцо, кольцо вторичной вытяжки и протяжное кольцо. Зазор между формирующим пуансоном и совокупностью колец постепенно становится меньше, так что толщина стенок чаши снижается и чаша вытягивается в длину. Этот процесс обычно называют операцией разглаживания. Это очень требовательная операция, приводящая к высокому износу инструментов, и она чувствительна к изменениям размеров и к условиям смазки. Из-за огромного объема банок для напитков, производимых ежегодно, любое незначительное улучшение производственного процесса может привести к огромной экономии.
Инструменты для придания желаемого фасона, формы или отделки материалу, такие как штампы, пуансоны и т.п., должны отличаться очень высокой твердостью, прочностью на сжатие и жесткостью. Это особенно необходимо при формовании металлов или близких материалов. Промышленные инструменты для обработки материалов для массового производства должны также быть стойкими к износу, эрозии и скалыванию при многократных и непрерывных напряжениях и трении. Кроме того, эти инструменты должны также проявлять хорошие характеристики коррозионной стойкости, чтобы не повреждаться окружающими жидкими средами (охлаждающей жидкостью/смазкой).
Помимо этих свойств для штамповочных инструментов большое значение имеют и другие. Так как этот тип инструментов движется очень быстро, любое уменьшение веса приведет к огромным улучшениям, как в том, что касается стоимости, так и срока службы инструментов. Действительно, если инструмент легче, требуется меньше энергии, чтобы осуществлять процесс, и снижается изгиб плунжера. Этот последний результат приводит к намного лучшей центровке пуансона в комплекте инструментов и к меньшему повреждению контринструмента - протяжного штампа. Как следствие, оба инструмента (пуансон и штамп) будут меньше повреждаться в процессе из-за уменьшения эффекта изгиба.
Эти инструменты также должны выполняться из материалов, которые могут быть рассчитаны и обработаны механически до жестких допусков и сохранять стабильность размеров в широком диапазоне рабочих условий.
Один возможный путь улучшения износостойкости и коррозионной стойкости, описанный в патенте JP 3-258424, состоит в добавлении 0,16-0,48 вес.% хрома в связующую фазу и наличии дисперсной тонкозернистой фазы карбида вольфрама и карбида тантала.
Другой возможный способ достичь и износостойкости, и коррозионной стойкости в сочетании с уменьшением плотности материала описан в US 5736658. Это связано с использованием сплава на основе никеля, который имеет лучшую коррозионную стойкость, и с добавлением карбида титана, который является более легким материалом, чем карбид вольфрама. Однако преимущества также ограничены, так как связующая фаза может иметь еще меньшее сопротивление износу, чем материал на основе никеля. Кроме того, износостойкость значительно улучшается с повышением заданного уровня твердости. Целевая твердость, составляющая от 88 до 91 единиц Ra (что соответствует примерно 1150-1450 HV30), упоминается как обеспечивающая уровень износостойкости, приблизительно эквивалентный стандартным маркам. Наконец, поскольку кобальт в связующую фазу не добавляется, марка является немагнитной, что может быть решающим недостатком для производителей банок, которые требуют магнитных материалов для штамповочного инструмента.
В документе EP 1557230 раскрывается твердосплавный материал из 10-12 вес.% Co, <3 вес.% TaC, 1-5,5 вес.% NbC, 3-5 вес.% TiC и остальное WC, особенно подходящий для операций резки металла, требующих высокой износостойкости, высокого сохранения кромок и высокой ударной вязкости краев.
Однако до настоящего времени обычный цементированный карбид, по-видимому, сохраняет свое положение как предпочтительный материал. Это в основном средние/грубые марки с примерно 11 вес.% кобальтового связующего или 9 вес.% связующего на основе сплава никеля, когда требуются немагнитные свойства. Обе марки имеют твердость, хорошо согласующуюся с упоминавшейся выше (1250 и 1375 HV30 соответственно).
Задачей настоящего изобретения является предоставление инструмента для операций холодной штамповки и вытягивания, в частности для производства алюминиевых или стальных банок для напитков, состоящих из двух частей, путем использования коррозионно-стойкого связующего вместе с более тонким карбидом вольфрама и гамма-фазой, что даст лучшие свойства, чем инструменты предшествующего уровня техники.
Одно важное свойство настоящего изобретения относится к использованию особой структуры связующего для получения очень хорошей коррозионной стойкости цементированного карбида в отношении охлаждающей жидкости/смазки, использующихся в данной области. Чтобы в достаточной степени сохранить магнитные свойства, это легированное связующее всегда содержит значительное количество кобальта. Кроме того, оно содержит хром и, возможно, также никель, молибден и железо.
Цементированный карбид проявляет высокую твердость, чтобы достичь высокой износостойкости. Это получается комбинацией использования очень тонкого карбида вольфрама и добавления кубического карбида, так называемой гамма-фазы. Эта последняя фаза содержит карбид титана, карбид ниобия и, возможно, небольшое количество карбида тантала. Кроме того, содержание связующего достаточно высоко, чтобы сохранить высокой ударную вязкость материалов, подходящих для вырубания металлического диска. Этот состав цементированного карбида дает хорошее сопротивление коррозии, а также высокую твердость и износостойкость в сочетании с уменьшением плотности материала, как показано в примере 1.
Авторами изобретения неожиданно было обнаружено, что пуансон для операций холодной штамповки и вытяжки, в частности, операций глубокой вытяжки и разглаживания, с лучшими характеристиками, чем у инструментов предшествующего уровня техники, можно получить, если пуансон сделать из цементированного карбида, состоящего в основном из (вес.%): 70-90, предпочтительно 75-85 WC, 2-8, предпочтительно 2-6, наиболее предпочтительно 3-5 TiC, 1-9, предпочтительно 2-7 NbC, 0-3, предпочтительно 0-1 TaC и 5-20, предпочтительно 8-13 связующей фазы Co с добавлением Cr и, возможно, одного или более элементов, выбранных из Ni, Fe и Mo. В частности, состав связующего, также в вес.%, таков: 10-98 Co, 0-50 Ni, 2-15 Cr, 0-50 Fe и 0-10 Mo.
В некоторых вариантах осуществления изобретения единственными компонентами цементированного карбида являются компоненты, перечисленные выше, вместе с любыми обычными незначительными примесями.
Структура цементированного карбида содержит
- WC со средним размером зерна <2 мкм, предпочтительно 0,3-1,5 мкм,
- гамма-фазу со средним размером зерна от 0,5 до 5 мкм.
В зависимости от выбранного состава материал имеет твердость 1500-1800 HV30.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения цементированный карбид состоит из (вес.%): 70-90, предпочтительно 75-85 WC, предпочтительно имеющего средний размер зерна 0,8-1,2 мкм или альтернативно 0,3-0,5 мкм, 2-8, предпочтительно 2-6, наиболее предпочтительно 3-5 TiC, 1-9, предпочтительно 2-7 NbC
и 5-20, предпочтительно 8-13 связующей фазы, состоящей из (вес.%): 25-60 Co, 5-15 Cr и 35-50 Ni.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения цементированный карбид состоит из (вес.%): 70-90, предпочтительно 75-85 WC, предпочтительно имеющего средний размер зерна 0,3-0,5 мкм, 2-8, предпочтительно 2-6, наиболее предпочтительно 3-5 TiC, 1-9, предпочтительно 2-7 NbC, и 5-20, предпочтительно 8-13 связующей фазы, состоящей из (вес.%): 10-30 Co, 5-15 Cr, 25-45 Ni, 25-45 Fe и 1-10 Mo.
Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения цементированный карбид состоит из (вес.%): 70-90, предпочтительно 75-85 WC, предпочтительно имеющего средний размер зерна 0,8-1,2 мкм, 2-8, предпочтительно 2-6, наиболее предпочтительно 3-5 TiC, 1-9, предпочтительно 2-7 NbC, и 8-14, предпочтительно 9,5-12,5 связующей фазы, состоящей из (вес.%): 95-97 Co и 3-5 Cr.
Цементированный карбид, используемый в настоящем изобретении, получен из порошков, образующих твердые составляющие, и порошков, образующих связующее, которые подвергают вместе мокрому помолу, сушат, прессуют с образованием предметов желаемой формы и спекают.
Изобретение относится также к применению пуансона из цементированного карбида в соответствии с вышеизложенным, с комплексной твердой фазой и коррозионностойким связующим, что приводит к более легкому материалу, отличающемуся высокой твердостью, улучшенной износостойкостью и коррозионной стойкостью в операциях холодной штамповки и вытяжки, в частности в процессе глубокой вытяжки и разглаживания при производстве алюминиевых и стальных банок для напитков. Однако изобретение имеет широкую применимость для использования при изготовлении множества других фасонных изделий, в частности трубчатых оболочек, таких как оболочки для батареи сухих элементов и баллоны для аэрозолей.
Пример 1
Было изготовлено и испытано четыре изделия из цементированного карбида по изобретению с составом согласно таблице 1 ниже (образцы C-F). Образцы согласно уровню техники, A и B, являются образцами, сделанными из стандартных марок фирмы Sandvik, для операций вытягивания и разглаживания (DWI). Образец A имеет размер зерна от среднего до крупного с 11 вес.% связующего (на основе кобальта), которое отличается магнитными свойствами, а образец B имеет размер зерна от среднего до крупного с 9 вес.% связующего (на основе никеля), которое не проявляет магнитных свойств. Как следствие, A применяется, когда требуются магнитные марки, а B применяется, когда требуются немагнитные марки.
Таблица 1
вес.%
Образец
A
B
C
D
E
F
уровеньтехники
уровеньтехники
изобретение
изобретение
изобретение
изобретение
WC
89,0
90,94
78,48
77,69
80
80,03
TiC
0
0
4,0
4,0
4,0
4,0
NbC
0
0
5,87
6,66
6,0
6,0
Co
11
0
11,22
5,4
4,64
1,78
Ni
0
8,02
0
5,07
4,36
3,56
Fe
0
0
0
0
0
3,56
Mo
0
0,28
0
0
0
0,3
Cr
0
0,76
0,43
1,18
1,0
0,77
d WC (мкм)
3,5
4
1
1
0,4
0,4
Свойства определяли в соответствии со стандартом, применяющимся в области цементированных карбидов, т.е. ISO 3369:1975 для плотности, ISO 3878:1983 для твердости и ATM B611-85 для абразивной износостойкости.
Коррозионную стойкость определяли, проводя испытание погружением в реально существующую смазочную композицию (используемую производителем изделий), разбавленную до 3 вес.% деминерализованной водой. Погружение проводилось в течение 15 дней при 50°C, что соответствует температуре смазки в процессе DWI. Вес образца цементированного карбида измеряли до и после погружения. Результаты представлены в таблице 2 ниже.
Таблица 2
Образец
A
B
C
D
E
F
уровень техники
уровень техники
изобретение
изобретение
изобретение
изобретение
Плотность (г/см<sup>3</sup>)
14,4
14,6
12,7
12,5
12,7
12,6
Твердость (HV30)
1250
1375
1550
1520
1735
1750
Сопротивление износу (см<sup>-3</sup>)
8
10
23
13,1
53
22,8
Изменение веса (мг)
-8
-3
-4
0
-2
-3
Таким образом, в сравнении с образцом А, соответствующим уровню техники, изобретение имеет много улучшений (для всех параметров), как показано ниже в таблице 3.
Таблица 3
% улучшения
Образец
C
D
E
F
Плотность (г/см<sup>3</sup>)
-11,8
-13,2
-11,8
-12,5
Твердость
+24
+21,6
+38,8
+40
Сопротивление износу
+187,5
+63,75
+562,5
+185
Изменение веса
-50
-100
-75
-62,5
Таким образом, плотность снижается более чем на 10%, а твердость повышается более чем на 20%.
Износостойкость повышается от более чем на 60 до более чем на 500%.
Коррозионная стойкость сильно улучшается, так как потеря веса из-за выщелачивания снижается более чем на 50%.
В сравнении с образцом B, соответствующим уровню техники (который является коррозионно-стойким сортом), изобретение также имеет много улучшений, как показано таблицей 4 ниже.
Таблица 4
% улучшения
Образец
C
D
E
F
Плотность
-13
-14,4
-13
-13,7
Твердость
+12,7
+10,5
+26,2
+27,3
Сопротивление износу
+130
+31
+430
+128
Изменение веса
+33
-100
-33
0
Из таблицы можно видеть, что плотность снижается более чем на 10%, а твердость повышается более чем на 10%.
Износостойкость повышается от более чем на 30% до более чем на 400%.
Коррозионная стойкость немного улучшена или близка к стойкости эталона B, что соответствует тому факту, что эталон B уже имеет хорошие характеристики коррозионной стойкости.
Таким образом, в сравнении с образцами предшествующего уровня, A или B, изобретение проявляет намного лучшие свойства (от более 10 до более чем 500%).
Пример 2
Изготавливали пуансоны, сделанные в соответствии с образцом C из примера 1, и испытывали их на получение алюминиевых банок. Одновременно были изготовлены и испытаны пуансоны, сделанные из сплава высшего сорта компании Sandvik, чтобы количественно определить улучшение по сравнению с образцом C. Следует отметить, что характеристики высшего сорта лучше, чем у образцов A и B в примере 1, соответствующих уровню техники. Таким образом, преимущество изобретения еще более значительно, если сравнивать с A и B предшествующего уровня.
Всего было испытано 2 пуансона из сорта, соответствующего образцу C, и 5 пуансонов из сплава Sandvik высшего сорта соответственно. Более точно, для каждого пуансона испытание включало отслеживание и регистрацию числа банок, полученных до того, как стала необходимой переточка, чтобы вернуть пуансону приемлемую форму и размеры. Испытание продолжалось до тех пор, пока восстановление не становилось невозможным.
Из этих записей было определено минимальное число произведенных банок, максимальное число произведенных банок, среднее минимальное число банок, произведенных на сорт, среднее максимальное число банок, произведенных на сорт, и полное среднее производство банок на пуансон.
Ниже в таблице 5 суммировано улучшение от образца C по изобретению по сравнению образцом из высшего сорта Sandvik.
Таблица 5
Максимальное число банок
+120,7%
Минимальное число банок
+628,1%
Среднее максимальное число банок
+111,9%
Среднее минимальное число банок
+748,4%
Среднее число банок (на сорт)
+128,6%
Таким образом, по сравнению с высшим сортом Sandvik, изобретение делает возможным намного более высокий уровень производства. Характеристики намного более стабильны, так как минимальное число банок было увеличено более чем в 6 раз, а полное среднее производство было увеличено более чем в 2 раза.