KR20180030928A - 초경 합금 펀치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 WC 를 가지는 경질 상 및 바인더 상을 포함하는 초경 합금의 금속 음료 캔을 제조하기 위한 펀치에 관한 것으로서, 상기 초경 합금의 조성은, 중량%로, 50 내지 70 미만의 WC, 15 ~ 30 의 TiC, 및 12 ~ 20 의 Co+Ni 을 포함한다.

Description

초경 합금 펀치 {CEMENTED CARBIDE PUNCH}

본 발명은 초경 합금 공구, 특히 금속 음료 캔을 제조하기 위한 펀치에 관한 것이다.

세계적으로 매년 약 2600 억 개의 캔이 생산된다. 단일 생산 라인은 알루미늄 또는 강 스트립으로부터 연속 공정으로 매년 최대 500,000,000 개의 캔을 제작할 수 있다. 일례로, 금속 시트로부터 프레스 성형된 컵은 약 1/5 초 내에 하나의 연속적 펀치 스트로크로 캔 본체로 성형되어, 약 66 mm 의 내경을 형성하고, 33 mm 로부터 57 mm 로 높이를 증가시키고, 다음에 캔의 베이스부에 오목한 돔 (dome) 을 형성하기 전에, 3 개의 아이어닝 링들을 통해 130 mm 높이로 벽을 신장한다.

정확한 캔 치수를 유지하기 위해 공구 설비 (tooling) 에 대해 요구되는 극히 엄격한 허용오차 (± 0.002 mm) 로 인해, 아이어닝 링들 및 돔 다이에 대한 펀치의 정렬은 중대한 의미를 갖는다.

캔의 제조는 연속 공정이므로, 작업 사이의 신뢰가능하고 또한 예측가능한 수명 (service life) 은 필수적이다.

US 5,736,658는 알루미늄 및 강 캔의 딥 드로잉에서 사용되는 것이 바람직한 공구 설비의 부품을 개시한다. 이 공구 설비는 니켈 결합된 초경 합금으로 구성된다. 그러나, 바인더 (binder) 상에 코발트가 첨가되지 않으므로, 등급은 펀치 공구에 대해 자성 재료를 요구하는 캔 제작자에게 중대한 결점이 될 수 있는 비자성이고, 더욱이 저밀도의 재료를 얻기 위해 매우 낮은 WC 함량을 갖는다.

WO 2008/079083는 텅스텐 카바이드, 티타늄 카바이드, 니오븀 카바이드, 코발트, 및 크롬을 기타 가능한 첨가물과 함께 포함하는 초경 합금 펀치 공구를 개시한다.

본 발명의 목적은 개선된 내용 연수를 갖는 금속 음료 캔을 제조하기 위한 펀치를 제공하는 것이다.

상기 목적은, WC 를 가지는 경질 상 및 바인더 상을 포함하는 초경 합금 펀치로서, 초경 합금의 조성이, 중량%로, 50 내지 70 미만의 WC, 15 ~ 30의 TiC, 및 12 ~ 20의 Co+Ni을 포함하는 초경 합금 펀치에 의해 달성될 수 있음이 밝혀졌다.

도 1 은 본 발명의 예시적 실시형태의 후방산란 SEM 이미지를 도시하고, 여기서 A 는 WC 상, B 는 (Ti,W)C 입방정 상, C 는 TiCx 코어, D 는 Cr 및 Mo 의 첨가물을 갖는 Co+Ni 기 바인더 상이다.

펀치의 중량을 감소시킴으로써 램 (ram) 의 굽힘 모멘트가 상당히 감소될 수 있고, 이것에 의해 공구들의 정렬이 개선되어, 결국 공구 설비의 손상에 관련되는 진동의 저감, 개선된 캔 벽 두께의 일관성, 감소된 본체 제조기의 유지관리 및 감소된 에너지 소모 또는 더 작은 질량이 수송됨에 따른 더 빠른 생산 속도가 얻어진다는 것이 밝혀졌다. 그러나, 공구의 내마모성 및 인성을 희생시키기 않기 위해, 텅스텐 카바이드 및 바인더 상의 함량이 충분히 높게 유지되어야 한다는 것도 밝혀졌다.

본 발명에 따르면, 이 요건은 WC 를 가지는 경질 상 및 바인더 상을 포함하는 초경 합금의 금속 음료 캔, 예를 들어 알루미늄 또는 강 캔과 같은 금속 음료 캔을 제조하기 위한 펀치로서, 그 초경 합금의 조성은, 중량%로, 50 내지 70 미만의 WC, 15 ~ 30 의 TiC, 12 ~ 20 의 Co+Ni 을 포함하는 펀치에 의해 만족될 수 있다.

이 소결된 초경 합금의 미세구조는 개별 상으로서 존재하는 WC를 포함한다. 또한 WC는 입방정 (Ti,W)C 상을 형성하는 TiC 내에 용해되는 것이 적절하다.

소결된 초경 합금의 등급이, 충분한 내마모성 및 적절한 인성을 달성하기 위해, 직선 절편법 (linear intercept method) 을 사용하여 측정했을 때, 바람직하게는 0.8 ~ 2 ㎛, 적절하게는 0.8 ~ 1.5 ㎛ 의 평균 입경을 가진 1 서브미크론 또는 약 1 미크론의 텅스텐 카바이드를 가지는 경우 유리하다. 하나의 실시형태에서, WC 상은 소결된 초경 합금 내에 본질적으로 모두 1 ㎛ 미만의 입경을 갖는 입자의 형태로 존재한다..

소결된 초경 합금 내의 (Ti,W)C 혼합된 결정질 상은, 직선 절편법을 사용하여 측정되었을 때, 1 ~ 5 ㎛ 의 평균 입경을 갖는 경우에 또한 유리하다.

이 소결된 초경 합금 미세구조는 또한 이하에서 TiCx 로 표시되는 Ti 및 C의 개별 상을 적절하게 포함한다. 적절하게는, 이 TiCx 상은 Ti 및 W을 포함하는 입방정 카바이드 상 내에 매립되는 코어 형태이다.

적절하게는, 이 초경 합금은 50 ~ 69 중량%, 적절하게는 50 ~ 67 중량%, 더 적절하게는 55 ~ 67 중량%의 양으로 WC를 포함한다.

적절한 자기적 특성을 달성하기 위해, 이 초경 합금은 최소 6 중량%의 Co를 포함하는 것이 적절하다.

Co 바인더 만을 갖는 초경 합금은, 투자율의 하한을 확실히 달성하고, 또한 미세구조 내에 에타 카바이드가 확실히 존재하지 않도록 하기 위해, 각 중량%의 Co 값의 85.0 % ~ 95.0 % 사이의 Com 값을 갖는 것이 적절하다. 바람직하게, 투자율은 최소 3.5이다.

실제로, 바인더는 내식성을 달성하기 위한 필요성으로 인해 Cr을 함유할 수 있고, 그러면 이것은 함께 합금되는 코발트와 함께 비자성 상을 생성한다.

결과적으로, 다음의 간단한 알고리즘에 따라 새로운 최소 수준의 Co 중량% 바인더가 요구된다.

(b) Cr 중량%를 포함하는 최소 Co 중량% (a)

(a) = 5.5 + 0.6 × (b) 중량%

또 후자는 자기 포화 값 (magnetic saturation value) 이 2-위상 장 (phase field) 사이에 있다는 것, 즉 에타 카바이드 또는 흑연이 존재하지 않는다는 것을 가정한다.

작동 조건은 적절한 냉각제의 사용을 요구하고, 냉각제는 소모됨에 따라 사실상 약한 부식성이 되고, 이것은 마모 과정에 급격하게 영향을 미치므로 조기 파손을 초래할 수 있다. 냉각제는 사용 전의 pH 9와 사용 후의 pH 8 사이에 존재하는 전형적인 수성 용액이다. 더 낮은 pH에서, 특히 코발트 바인더를 갖는 펀치 공구는 부식성 마모를 받기 쉽다. 개선된 내마모성은 또한 재연삭을 위한 공구 가동정지 (downtime) 시간을 감소시킬 뿐만 아니라 캔 벽 두께의 일관성을 개선시킬 것이다.

그러므로, 코발트 및 니켈 기재의 내식성 초경 합금이 사용되는 것이 적절하고, 더욱 개선된 내식성은, 예를 들면, 조성에 전술한 바와 같은 특정 양의 크롬 및/또는 몰리브덴을 첨가함으로써 달성될 수 있다.

바람직하게는, 이 초경 합금은 0.3 ~ 2.5, 적절하게는 0.5 ~ 2의 Co/Ni 중량비로 니켈 및 코발트를 포함한다.

적절하게는, 이 초경 합금은 0.5 ~ 2.5 중량%의 Cr, 바람직하게는 1 ~ 2 중량%의 Cr을 포함한다.

이 초경 합금은 0.1 ~ 0.3 중량%의 Mo을 포함하는 것이 적절하다.

바인더 상이 12 ~ 16 중량% 사이의 Cr+Mo을 함유하면 유리하다.

본 발명의 하나의 실시형태에서, 펀치는 WC 와 TiC 를 가지는 경질 상 및 바인더 상을 포함하는 초경 합금을 포함하고, 상기 초경 합금의 조성은, 중량%로, 50 내지 70 미만의 WC, 15 ~ 30 의 TiC, 0.5 ~ 2 의 Co/Ni 중량비를 갖는 12 ~ 20 의 Co+Ni, 1 ~ 2 의 Cr 및 0.1 ~ 0.3 의 Mo 을 포함한다.

하나의 실시형태에서, 이 초경 합금은, 중량%로, 12 ~ 20 의 Co+Ni, 1 ~ 2 의 Cr, 0.1 ~ 0.3 의 Mo, 18 ~ 30 의 TiC 및 잔부의 WC 의 조성을 갖는다.

하나의 실시형태에서, 이 초경 합금은, 중량%로, 7 ~ 9 의 Co, 5 ~ 7 의 Ni, 1 ~ 2 의 Cr, 및 0.1 ~ 0.3 의 Mo, 18 ~ 23 의 TiC 및 잔부의 WC 의 조성을 갖는다.

다른 실시형태에서, 이 초경 합금은, 중량%로, 6 ~ 8 의 Co, 12 ~ 14 의 Ni, 1 ~ 2 Cr, 0.1 ~ 0.3 의 Mo, 18 ~ 23 의 TiC 및 잔부의 WC 의 조성을 갖는다.

또 다른 실시형태에서, 이 초경 합금은, 중량%로, 10 ~ 14 의 Co, 5 ~ 7 의 Ni, 1 ~ 2 의 Cr, 0.1 ~ 0.3 의 Mo, 18 ~ 23 의 TiC 및 잔부의 WC 의 조성을 갖는다.

하나의 실시형태에서, 펀치는 캔 공구 펀치이다.

본 발명은 또한 부식성-연마성 환경 내에 캔 공구 펀치를 적용하기 위한 용도에 관한 것이다.

본 발명에서 사용되는 초경 합금은 경질 성분을 형성하는 분말 및 바인더를 형성하는 분말로부터 제조되는 것이 적절하고, 이들 분말은 함께 습식 분쇄되고, 건조되고, 원하는 형상의 본체로 프레스 성형되고, 소결된다.

이 조성에 대한 Ti 첨가물의 최소 75 중량%, 바람직하게는 최소 95 중량%, 더 바람직하게는 전부는 (Ti,W)C 혼합된 결정질 공융물 (crystal eutectic) 의 원료 분말을 이용하여 제조되는 것이 적절하고, 여기서, Ti/W 중량비는 0.85이고, 상기 혼합된 결정질 공융물의 분말 입자는 0.5 ~ 1.2 ㎛ 사이, 바람직하게는 0.7 ~ 1.2 ㎛ 사이의 평균 입경 (d₅₀) 을 갖는 것이 적절하다. 하나의 실시형태에서, 혼합된 결정질 공융물의 분말 입자는 약 5 ㎛ 의 평균 입경 (d₅₀) 을 가지고, 이것은 입경 범위가 1 ~ 10 ㎛ 사이인 것이 적절하다는 것을 의미한다.

첨가된 WC 원료 분말의 평균 WC 입경 (d₅₀) 은 (Ti,W)C 혼합된 결정질과 극히 유사한 것이 적절하고, 바람직하게는 0.5 ~ 1.2 ㎛ 사이, 바람직하게는 0.7 ~ 1.2 ㎛, 더 바람직하게는 약 1.0 ㎛ 이다.

바인더 조성은 충분히 높은 인성 및 최소의 투자율을 유지하도록 선택된다. 바인더에 미치는 냉각제의 효과에 기인하는 적절한 내식성을 보장하기 위해, 바인더는 실시예 1의 '스테인리스' 합금으로부터 조제되는 것이 적합하다.

실시예 1

표 1에 따른 중량%의 조성을 갖는 초경 합금 등급이 공지된 방법에 따라 각각 0.8 ㎛ 및 약 1 ㎛ 의 평균 입경 (d₅₀) 을 갖는 WC 및 (Ti,W)C 분말을 이용하여 생성되었다. 이 초경 합금 샘플들은 경질 성분을 형성하는 분말 및 바인더를 형성하는 분말로부터 제조되었다. 분말들은 균질의 혼합물이 얻어질 때까지 윤활제 및 응집 방지제와 함께 습식 분쇄되고, 건조에 의해 입상화되었다. 건조된 분말은 등압적으로 'Ÿ‡백(wetbag)' 프레스 성형에 의해 원하는 형상의 본체로 프레스 성형된 후 소결되었다. 진공에서, 약 1 시간 동안, 1410 ℃에서, 소결이 실행된 후, 냉각하기 전에, 밀집 구조를 얻기 위해, 약 30 분 동안, 소결 온도에서, 50 바 아르곤의 고압이 가해진다.

본 발명의 어떤 실시형태들에서, 초경 합금의 조성 내의 특유의 성분들은 임의의 통상의 미량 불순물과 함께 아래에 기재되어 있다.

이 소결된 초경 합금 구조는 직선 절편법을 이용하여 측정된 1 ㎛ 의 평균 입경을 갖는 WC를 포함한다.

이 재료는 선택된 조성과 소결 온도에 따라 1250 ~ 1550 HV30의 경도를 갖는다.

본 발명의 조성에 따라 제조된 초경 합금 펀치 공구 본체는 아래의 표 1에 따른 종래에 공지된 캔 공구 펀치의 표준 초경 합금 (#) 에 대하여 시험되었다.

* (Ti,W)C를 이용한 첨가물

초경 합금 대상 등급 시편들은 (산성 매체를 포함하는) ASTM 표준 B611, G61 및 G65에 따라 마모 및 부식 시험되었다.

기타 특성들은 초경 합금 분야에서 사용되는 표준, 즉, 밀도 측정을 위한 ISO 3369:1975, 경도 측정을 위한 ISO 3878:1983 및 내마모성 측정을 위한 ASTM G65에 따라 측정되었다.

내식성은 염화물 용액 내에서의 (Co, Ni, Fe) 의 부식을 측정하기에 특히 적합한 ASTM61 표준에 따라 측정되었다.

연마성 메커니즘과 부식성 메커니즘 사이에서 시너지 효과가 발생할 가능성도 있었다.

그 결과는 아래의 표 2에 나타나 있다.

* 플러시드 포트 셀 (flushed port cell) Eb (10 ㎄/cm²) 표준화된 순위 척도 1 ~ 10 (여기서, 스테인리스316 = 10) 을 갖는 ASTM61에 따른 파괴 전위 (breakdown potential)

** 재연삭 전의 추정된 수명

내마모성은 2 배로 증가된다.

성능은 1000 만 개의 캔으로부터 2 배를 초과하는 2000 만 개를 초과하여 증대되는 것으로 평가된다.

Claims (11)

1. WC 를 가지는 경질 상 및 바인더 상을 포함하는 초경 합금의 금속 음료 캔을 제조하기 위한 펀치에 있어서,
   상기 초경 합금의 조성은, 중량%로, 50 내지 70 미만의 WC, 15 ~ 30 의 TiC, 및 12 ~ 20 의 Co+Ni 을 포함하는 것을 특징으로 하는 펀치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 초경 합금의 조성은 50 ~ 69 중량%의 양으로 WC 를 포함하는 것을 특징으로 하는 펀치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 초경 합금은 개별 상으로서 WC 를 포함하는 것을 특징으로 하는 펀치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 초경 합금의 조성은 18 ~ 28 중량% 의 TiC 를 포함하는 것을 특징으로 하는 펀치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 초경 합금은 개별 상으로서 TiCx 를 포함하는 것을 특징으로 하는 펀치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 초경 합금의 조성은 0.3 ~ 2.5 의 Co/Ni 중량비를 갖는 것을 특징으로 하는 펀치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 초경 합금의 조성은 0.5 ~ 2.5 의 Cr 을 포함하는 것을 특징으로 하는 펀치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 초경 합금의 조성은 0.1 ~ 0.3 의 Mo 을 포함하는 것을 특징으로 하는 펀치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 초경 합금은, 중량%로, 12 ~ 20 의 Co+Ni, 1 ~ 2 의 Cr, 0.1 ~ 0.3 의 Mo, 18 ~ 30 의 TiC 및 잔부의 WC 의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 펀치.
10. 제 3 항에 있어서,
    WC 상은 본질적으로 모두 1 ㎛ 미만의 크기를 갖는 입자의 형태인 것을 특징으로 하는 펀치.
11. 부식성-연마성 환경에 캔 공구 펀치를 적용하기 위한 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 펀치의 용도.

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