本发明涉及一种硬质合金工具，该硬质合金工具包含碳化钨、碳化钛、碳化铌、可能的TaC、钴、铬、以及可能的镍、铁、钼。这些材料的合成物提供了比通常材料更轻的材料，并且结合有良好的耐腐蚀性以及高硬度和耐磨性。这些特性对制造用于冷成形操作的冲压工具来说是特别引人关注的。由这些材料制成的冷成形工具将具有好得多的性能，具体而言具有更稳定的性能和更长的寿命。
1.硬质合金制成的冲头，用于制造铝或钢制的饮料罐，以wt％为单位，所述硬质合金主要由以下成分组成：70-90的平均粒度＜2μm的WC、2-8的TiC、1-9的NbC、0-3的TaC以及5-20的粘结相，以wt％为单位，所述粘结相由以下成分组成：10-98的Co、0-50的Ni、
2-15的Cr、0-50的Fe以及0-10的Mo。
2.根据权利要求1所述的冲头，其中以wt％为单位，所述硬质合金主要由以下成分组成：75-85的WC、2-6的TiC、2-7的NbC、0-1的TaC以及8-13的粘结相。
3.根据权利要求1所述的冲头，其中以wt％为单位，所述硬质合金由以下成分组成：
70-90的WC、2-8的TiC、1-9的NbC以及5-20的粘结相，以wt％为单位，所述粘结相由以下成分组成：25-60的Co、35-50的Ni以及5-15的Cr。
4.根据权利要求3所述的冲头，其中以wt％为单位，所述硬质合金由以下成分组成：
75-85的WC、2-6的TiC、2-7的NbC以及8-13的粘结相，以wt％为单位，所述粘结相由以下成分组成：25-60的Co、35-50的Ni以及5-15的Cr。
5.根据权利要求1所述的冲头，其中以wt％为单位，所述硬质合金由以下成分组成：
70-90的WC、2-8的TiC、1-9的NbC以及5-20的粘结相，以wt％为单位，所述粘结相由以下成分组成：10-30的Co、5-15的Cr、25-45的Ni、25-45的Fe以及1-10的Mo。
6.根据权利要求5所述的冲头，其中以wt％为单位，所述硬质合金由以下成分组成：
75-85的WC、2-6的TiC、2-7的NbC以及8-13的粘结相，以wt％为单位，所述粘结相由以下成分组成：10-30的Co、5-15的Cr、25-45的Ni、25-45的Fe以及1-10的Mo。
7.根据权利要求1所述的冲头，其中以wt％为单位，所述硬质合金由以下成分组成：
70-90的WC、2-8的TiC、1-9的NbC以及8-14的粘结相，以wt％为单位，所述粘结相由以下成分组成：95-97的Co以及3-5的Cr。
8.根据权利要求7所述的冲头，其中以wt％为单位，所述硬质合金由以下成分组成：
75-85的WC、2-6的TiC、2-7的NbC以及9.5-12.5的粘结相，以wt％为单位，所述粘结相由以下成分组成：95-97的Co以及3-5的Cr。
9.根据权利要求1-8之一所述的冲头的用途，用于制造铝或钢制的饮料罐的深拉延和变薄拉深操作。
10.根据权利要求1-8之一所述的冲头的用途，用于制造管状壳体的深拉延和变薄拉深操作。
11.根据权利要求1-8之一所述的冲头的用途，用于制造干电池壳体的深拉延和变薄拉深操作。
12.根据权利要求1-8之一所述的冲头的用途，用于制造气溶胶罐的深拉延和变薄拉深操作。
用于冷成形操作的冲头
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于成形或以其他方式加工材料的改进的硬质合金工具，具体地涉及在两片饮料罐的制造中使用的工具。
背景技术
[0002] 两片罐通过拉延和壁部变薄拉深工艺而制成。通常，两片罐通过从金属板冲压出金属盘而制成。金属“杯”由该盘形成。成形的杯由罐身成形冲头推入罐身成形模，该罐身成形模包括多个通常称为拉延环、再拉延环、和变薄拉深环的环形的环。罐身成形冲头和所述多个环之间的间隙逐渐变小，从而减小杯壁的厚度并拉长该杯。此工艺通常被称为变薄拉深操作。它是导致工具高磨损的特殊要求的操作，并且该操作易受尺寸变化和润滑条件的影响。由于每年制造极大量的饮料罐，所以在制造过程中的每个微小改进能够产生极大的节省。
[0003] 用于将期望形状、形式、或涂层(finish)施加到材料的工具，诸如模、冲头等，必须具有极端的硬度、耐压强度和刚度的特征。在使金属或类似材料成形时，这是特别必要的。用于大规模生产的商品化材料加工工具也必须对重复和连续的应力和磨损耐磨、耐侵蚀、并且耐破裂。此外，这些工具还应该表现良好的耐腐蚀特性，从而不被周围液体介质(冷却剂/润滑剂)损坏。
[0004] 除了这些特性以外，其它特性对于冲头工具也是非常重要的。因为这种工具移动非常快，所以就工具的成本和寿命二者而言，任何重量的减轻将产生极大的改进。实际上，如果工具更轻，则需要更少的能量来运行该处理，并且能够减小压头(ram)的弯曲。后面的这种作用使得冲头在工具包内的更好的对准并且对于对抗工具即变薄拉深模产生更少损坏。结果，由于弯曲作用的减小，在该工艺期间将更少地损坏此两种工具(冲头&模)。
[0005] 这些工具也必须由能够被设计和加工成紧公差并在宽范围的操作条件下维持尺寸稳定性的材料制成。
[0006] 在JP 3-258424中描述了一种改进耐磨性和耐腐蚀性的可能方法，该方法通过将0.16-0.48wt％的铬添加到粘结相并具有分散的碳化钨和碳化钽的细颗粒相。
[0007] 在US 5,736,658中描述了实现耐磨性和耐腐蚀性并结合有材料密度减小的另一种可能方法。这关联到表现更好耐腐蚀性的镍基合金的使用以及碳化钛的添加，碳化钛是比碳化钨更轻的材料。然而，因为粘结相可以比镍基材料甚至更耐磨，所以该好处也是有限制的。此外，通过增加目标硬度水平显著地改进了耐磨性。88Ra至91Ra(相当于大约1150HV30至1450HV30)的硬度目标用于确保近似等于标准级别的耐磨水平。最终，因为没有钴被添加到粘结相中，所以该级别没有磁性，这对于要求用于冲头工具的磁性材料的制罐机来说可能是关键的缺陷。
[0008] EP 1 557 230公开了由10-12wt％的Co、＜3wt％的TaC、1-5.5wt％的NbC、3-5wt％的TiC以及余量的WC组成的硬质合金体，该合金体特别对需要高耐磨性、高边缘保持性和高边缘韧性的金属切削操作有用。
[0009] 然而，迄今为止常规的硬质合金似乎作为优选材料而保持其地位。当不要求磁性特性时，这主要是具有大约11wt％的钴粘结剂或者9wt％的合金化镍基粘结剂的中等粒/粗粒级别。两个级别都表现出与上述充分一致的硬度(分别为1250HV30和1375HV30)。
发明内容
[0010] 本发明的目的是提供一种工具，该工具用于通过使用结合有较细碳化钨和γ相的耐磨性粘结剂而特别地在铝或钢制的两片饮料罐的制造中进行冷成形和拉延操作，该工具表现出比现有技术的工具更好的特性。
[0011] 本发明的一个重要特征涉及特定粘结剂的使用，该粘结剂设计为获得对于在本领域中使用的冷却剂/润滑剂具有非常良好的耐腐蚀性的硬质合金。为了保持足够的磁性，此合金粘结剂往往包含大量钴。除此以外它包含铬，并且也可能包含镍、钼和铁。
[0012] 该硬质合金表现高硬度，从而达到高耐磨性。这是经由极细碳化钨的使用和所称的γ相的立方碳化物的添加的组合来实现的。后面的相包含碳化钛和碳化铌，并且可能包含少量碳化钽。此外，粘结剂含量足够得高，以保持材料的适于冲压金属盘的高韧性。硬质合金的此成分结合材料密度减小提供良好的耐腐蚀性以及高硬度和耐磨性，如示例1所示。
[0013] 现在令人惊奇地发现，如果用于冷成形和拉延操作、具体地说用于深拉延和变薄拉深操作的冲头(punch)由硬质合金制成，以wt％为单位，所述硬质合金主要由以下成分组成：70-90、优选75-85的WC；2-8、优选2-6、最优选3-5的TiC；1-9、优选2-7的NbC；0-3、优选0-1的TaC；以及5-20、优选8-13的添加有Cr并可能添加有从Ni、Fe和Mo中选择的一种或多种元素的Co粘结相，则能够获得具有比现有技术的工具更好的性能的冲头。更具体地，仍以wt％为单位，粘结剂成分为：10-98的Co、0-50的Ni、2-15的Cr、0-50的Fe以及0-10的Mo。
[0014] 在本发明的特定实施例中，硬质合金的唯一组分是那些上面列出的组分，且同时具有任何正常的微量杂质。
[0015] 这种硬质合金结构包括：
[0016] WC，该WC的平均粒度＜2μm，优选0.3-1.5μm，
[0017] γ相，该γ相的平均粒度为0.5μm至5μm。
[0018] 该材料的硬度依据所选成分为1500-1800HV30。
[0019] 在本发明的一个实施例中，以wt％为单位，硬质合金由以下成分组成：70-90、优选75-85的WC，优选其平均粒度为0.8-1.2μm或可替代地为0.3-0.5μm；2-8、优选2-6、最优选3-5的TiC；1-9、优选2-7的NbC；以及5-20、优选8-13的粘结相，以wt％为单位，所述粘结相由以下成分组成：25-60的Co、5-15的Cr以及35-50的Ni。
[0020] 在本发明的另一实施例中，以wt％为单位，硬质合金由以下成分组成：70-90、优选75-85的WC，优选其平均粒度为0.3-0.5μm；2-8、优选2-6、最优选3-5的TiC；1-9、优选2-7的NbC；以及5-20、优选8-13的粘结相，以wt％为单位，所述粘结相由以下成分组成：10-30的Co、5-15的Cr、25-45的Ni、25-45的Fe以及1-10的Mo。
[0021] 在本发明的又一实施例中，以wt％为单位，硬质合金由以下成分组成：70-90、优选75-85的WC，优选其平均粒度为0.8-1.2μm；2-8、优选2-6、最优选3-5的TiC；1-9、优选2-7的NbC；以及8-14、优选9.5-12.5的粘结相，以wt％为单位，所述粘结相由以下成分组成：95-97的Co和3-5的Cr。
[0022] 在本发明中使用的硬质合金通过形成硬质成分的粉末和形成粘结剂的粉末来制备，这些粉末被湿磨在一起、被干燥、被压制成期望形状的形体、并被烧结。
[0023] 本发明还涉及根据上述的硬质合金的冲头的用途，该硬质合金具有复合的硬质相和耐腐蚀性粘结剂，从而产生在冷成形和拉延操作、具体在制造铝和钢制的饮料罐的深拉延和变薄拉深工艺中表现出高硬度、改进的耐磨性和耐腐蚀性的更轻材料。然而本发明具有广泛的应用性，用于制造各种其它成形物品，所述成形物品特别地为管状壳体，诸如干电池壳体和气溶胶罐。
具体实施方式
[0024] 示例1
[0025] 具有根据如下表1的成分的根据本发明的四种硬质合金体被制备和赋予特征(样品C到F)。现有技术A&B是Sandvik的用于拉延和壁部变薄拉深(DWI)操作的标准级别。样品A具有中到粗的粒度、具有11wt％的表现磁性的(钴基)粘结剂，而样品B具有中到粗的粒度、具有9wt％的不表现磁性的(镍基)粘结剂。结果，当需要磁性级别时使用A，而当不需要磁性级别时使用B。
[0026] 表1(以wt％为单位)
[0027]样品 A B C D E F
现有技术 现有技术 本发明 本发明 本发明 本发明
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(μm) 3.5 4 1 1 0.4 0.4
[0028] 已经根据在硬质合金领域使用的标准，即用于密度的ISO 3369：1975、用于硬度的ISO 3878：1983、以及用于耐磨损性的ATM B611-85，测量了特性。
[0029] 已经在(用于罐身制造机的)真实润滑剂配方中使用浸没试验来检定了耐腐蚀性，所述润滑剂配方在软化水中稀释至3wt％。在15天期间以50℃的温度进行浸没，该温度相当于在DWI工艺期间的润滑剂温度。在浸没之前和之后测量硬质合金样品的重量。结果表示在以下的表2中。
[0030] 表2
[0031]样品 A B C D E F
现有技术 现有技术 本发明 本发明 本发明 本发明
密度(g/cm3) 14.4 14.6 12.7 12.5 12.7 12.6
硬度(HV30) 1250 1375 1550 1520 1735 1750
耐磨性(cm-3) 8 10 23 13.1 53 22.8
重量演变(mg) -8 -3 -4 0 -2 -3
[0032] 因此与现有技术A相比，本发明表现如在以下表3中所示的许多改进(对于所有的参数)。
[0033] 表3(％改进)
[0034]样品 C D E F
密度(g/cm3) -11.8 -13.2 -11.8 -12.5
硬度 +24 +21.6 +38.8 +40
耐磨性 +187.5 +63.75 +562.5 +185
重量演变 -50 -100 -75 -62.5
[0035] 总之，密度减小超过10％，硬度增加超过20％。
[0036] 耐磨性增加超过60％至超过500％。
[0037] 因为由于浸取的重量损耗减小超过50％，所以耐腐蚀性显著地改进。
[0038] 与现有技术B(其是耐腐蚀性级别)相比，本发明也表现如以下表4所示的许多改进。
[0039] 表4(％改进)
[0040]样品 C D E F
密度 -13 -14.4 -13 -13.7
