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CN109496238A - 耐腐蚀且抗疲劳的硬质合金工艺线工具 - Google Patents

耐腐蚀且抗疲劳的硬质合金工艺线工具 Download PDF

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CN109496238A
CN109496238A CN201780038568.4A CN201780038568A CN109496238A CN 109496238 A CN109496238 A CN 109496238A CN 201780038568 A CN201780038568 A CN 201780038568A CN 109496238 A CN109496238 A CN 109496238A
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corrosion
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塞拉西·多尔夫洛
斯蒂芬·休伊特
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Hyperion Materials and Technologies Sweden AB
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Sandvik Hyperion AB
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Abstract

一种硬质合金的工艺线工具，包含以重量％计：约2.9至约11的Ni；约0.1至约2.5的Cr3C2；约0.1至约1的Mo；以及余量的WC，其中平均WC粒度小于或等于0.5μm。

Description

耐腐蚀且抗疲劳的硬质合金工艺线工具
技术领域/工业应用性
本公开涉及一种包含硬质合金的工艺线工具，该工艺线工具具有改善的耐腐蚀性和抗疲劳性。
背景技术
包含硬质合金的工艺线工具可以例如用于旋转切割刀或金属成形工具。
旋转切割刀用于切割尿布和女性护理产品，其通常由具有特殊吸收层的无纺布制成。硬质合金旋转切割机的切割操作是一个连续的过程。切割机将旋转冲击反向旋转的砧座。通常，旋转切割机将在压缩负载下操作。在使用中，切割刀将以1000rpm的速度运行，并且在需要重新磨锐刀刃之前执行1000万次至2000万次切割。切割机和砧座之间接触的初始“气压千斤顶”压力为～2巴。经过数百万次切割后，该压力有所增加，以弥补轻微磨损，从而获得精确的切割；4巴的最大值还表示极度磨损，需要重新磨刀。在过去五年中，生产率已变得甚至更加重要。近年来，切割速度已提高到1500rpm，预计在未来10年内将达到2000rpm。刀的损坏通常是由于刀对砧座的持续冲击导致的低周疲劳。大量文献表明，在循环载荷下硬质合金的强度降低主要与可延展粘结剂相的抗疲劳性能有关。随着切割机的速度和使用寿命的增加，碳化物等级对裂纹萌生和扩展的抵抗力变得甚至更加重要。
由于被切割产品中使用的香水和洗剂以及所使用的冷却剂的腐蚀，也会发生旋转切割刀刃的损坏。洗剂含有磨料纳米粒度金属氧化物，例如ZnO和SiO2，使其具有磨蚀性和腐蚀性。由于被切割的织物含有高含量的CaCl2，CaCl2可在水存在的情况下水合从而形成可腐蚀硬质金属的酸性电解质，因此也可发生腐蚀损坏。腐蚀损坏将导致粘结剂浸出，这将导致在与砧座冲击期间对变形和裂纹萌生的抵抗力降低，结果是切割机的寿命将减少。
期望尽可能地延长旋转切割工具的寿命并且将维修的停机时间保持在最低限度。这可以通过使用具有低且可预测的磨损率的硬质合金来实现。为了实现这一点，需要改善所用硬质合金的耐腐蚀性和抗疲劳性两者，其中通过改变粘结剂组合物而实现的这些性能之一的改进不以牺牲另一性能为代价。
金属成形工具需要相同的耐腐蚀和抗疲劳两者的组合。金属成形工具是用于金属成型或加工的工具。这些工具包括罐冲压机，拉丝模具，用于冲压、夹紧和刮削金属的工具。在这些应用中，腐蚀损坏或磨损会导致制造的零件超出公差。一个实例是在罐制造中，其中超出公差的工具意味着增加铝的使用。铝是罐制造厂的最大成本；因此，工具的使用寿命对于工厂的生产率和运行成本是重要的。通常，罐装工艺线将每分钟处理150至300罐，并且在需要重新研磨之前，所述工具需要处理超过500万罐。因此，要求所述工具具有良好的硬度、刚度以及良好的耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性，以抵抗与罐的反复冲击。在这些应用中使用的冷却剂也是微酸性的，因此耐腐蚀性是对于硬质合金等级的要求。与旋转切割操作类似，由于每年生产的饮料罐数量巨大，因此任何工具使用寿命的延长和停机时间的减少将带来显著的节约。
通常在过去，焦点是改善工艺线工具的机械性能，利用Co粘结剂合金相比于Ni粘结剂合金提供硬度、韧性和疲劳强度之间的最佳平衡。然而，Co合金粘结剂不是非常耐腐蚀的，因此相反可以使用Ni合金粘结剂来获得耐腐蚀性的改善；然而，这通常是以牺牲疲劳强度为代价的。
因此，需要一种硬质合金等级用于工艺线工具，所述工艺线工具具有改善的耐腐蚀性和抗疲劳性，以便改善其使用寿命和可靠性。
发明内容
本公开的一个方面是解决或至少减少上述问题和缺点。本公开提供了包含硬质合金的工艺线工具，所述工艺线工具具有改善的耐腐蚀性和抗疲劳性。
附图说明
图1：公开了实施例中样品A、B和C的动电位扫描测试的结果。
具体实施方式
本公开提供了一种工艺线工具，其包含以重量％(wt％)计含有2.9至11的Ni、0.1至2.5的Cr3C2和0.1至2.5的Mo以及余量的WC的组合物。令人惊奇的是，已经发现，利用本申请中公开的硬质合金组合物，能够实现耐腐蚀性的显著改善，同时仍然实现良好的抗疲劳性。
根据本公开，上文或下文中定义的工艺线工具是旋转切割刀或金属成形工具。金属成形工具的实例是但不限于罐冲压机，拉丝模具，用于冲压、夹紧和刮削金属的工具。
在本公开中，上文或下文中公开的Mo可以呈其元素或碳化物形式。
在一个实施方式中，所述工艺线工具具有以下硬质合金组合物，所述硬质合金组合物包含约9.1重量％至约10.1重量％的Ni，例如9.6重量％。
在一个实施方式中，所述工艺线工具具有以下硬质合金组合物，所述硬质合金组合物包含约0.8重量％至约1.0重量％的Cr3C2，例如0.9重量％。
在一个实施方式中，所述工艺线工具具有以下硬质合金组合物，所述硬质合金组合物包含约0.8重量％至约1.0重量％的Mo，例如0.9重量％。
在一个实施方式中，所述工艺线工具具有以下硬质合金组合物，所述硬质合金组合物包含约87.9重量％至约89.1重量％的WC，例如88.6重量％。
在一个实施方式中，所述工艺线工具具有以下硬质合金组合物，所述硬质合金组合物包含以重量％计：9.6的Ni、0.9的Cr3C2、0.9的Mo和88.6％的WC。
在一个实施方式中，所述工艺线工具具有以下硬质合金组合物，所述硬质合金组合物包含约2.95重量％至约3.15重量％的Ni，例如3.05重量％。
在一个实施方式中，所述工艺线工具具有以下硬质合金组合物，所述硬质合金组合物包含约0.1重量％至约0.3重量％的Cr3C2，例如0.2重量％。
在一个实施方式中，所述工艺线工具具有以下硬质合金组合物，所述硬质合金组合物包含约0.1重量％至约0.3重量％的Mo，例如0.2重量％。
在一个实施方式中，所述工艺线工具具有以下硬质合金组合物，所述硬质合金组合物包含约95.85重量％至约96.85重量％的WC，例如96.55重量％。
在一个实施方式中，所述工艺线工具具有以下硬质合金组合物，所述硬质合金组合物包含以重量％计：3.05的Ni、0.2的Cr3C2、0.2的Mo和96.55％的WC。
在一个实施方式中，所述工艺线工具具有以下硬质合金，所述硬质合金的平均烧结碳化钨粒度小于0.5微米，例如平均约0.35μm。
根据一个实施方式，本公开涉及一种工艺线工具，其中该工艺线工具是旋转切割机或金属成形工具，其组成为约9.1重量％至约10.1重量％的Ni、约0.8重量％至约1.0重量％的Cr3C2、约0.8重量％至约1.0重量％的Mo、约87.9重量％至约89.1重量％的WC，并且平均烧结WC粒度小于0.5μm。该工具具有如下的典型材料性质：密度为约14.3g/cm3至约14.5g/cm3；硬度为约1450HV30至1600HV30且韧性为约9.2MPa·√m至10.2MPa·√m。
根据另一个实施方式，本公开涉及一种工艺线工具，其中所述工艺线工具是金属成形工具，其组成为约2.95重量％至约3.15重量％的Ni、约0.1重量％至约0.3重量％的Cr3C2、约0.1重量％至约0.3重量％的Mo、约95.85重量％至约97.25重量％的WC，并且平均烧结WC粒度小于0.5μm。该工具具有如下的典型材料性质：密度为约15.1g/cm3至约15.4g/cm3；硬度为约1850HV30至2000HV30且韧性为约5MPa·√m至6MPa·√m。
通常，用于旋转切割和金属成形应用的等级是亚微米级。亚微米级给出高硬度、高耐磨性和良好的刀刃保持性能的良好组合。亚微米级定义为具有＜1μm的烧结碳化钨粒度的硬质合金。
硬质合金等级的耐磨性和适当的耐腐蚀性可以通过使用由不锈钢合金配制的粘结剂来实现，该不锈钢合金与工艺线工具的其它钢成分的组成合适地匹配，以便最小化原电池效应并提供优异的耐腐蚀性。当硬质合金成分与另一不锈钢成分结合时，发现硬质合金将优先腐蚀。这是因为在硬质合金成分、不锈钢和腐蚀介质之间产生了原电池。在极端情况下，所述腐蚀介质可具有低至2.5的pH值。因此，减少硬质合金成分和不锈钢之间的电位差意味着减少腐蚀的驱动力。
应该理解的是，以下实施例是示例性的非限制性的实施例。实施方式的成分和结果显示在下表1和2中。
实施例
具有表1中所示组成的硬质合金等级由形成硬质组分的粉末和形成粘结剂的粉末制备。将粉末与PEG 34润滑剂和afla抗絮凝剂一起湿磨，直至获得均匀的混合物并通过干燥造粒。在烧结之前，将干燥的粉末在Tox压机上压制成生坯。烧结在1360℃至1410℃下在真空中进行约1小时，然后在烧结温度下施加高压50巴氩气进行约30分钟，以在冷却前获得致密结构。
表1
如使用线性截距法测量的，烧结的测试试样具有约0.35μm的平均碳化钨粒度。
表2
参考 A B C
密度(g/cm<sup>3</sup>) 14.4至14.6 14.3至14.6 14.3至14.5
硬度(Hv30) 1550至1650 1600至1700 1450至1600
韧性(K1c)(Palmqvist) 10.5至11.5 9.0至10.0 9.2至10.2
在实施例中，粉末来自以下供应商：Co来自Umicore公司或Freeport公司，Ni来自Inco公司，Mo来自HC Starck公司而Cr3C2来自Zhuzhou公司或HC Starck公司。
表2中的性能是根据硬质合金领域中使用的标准测量的，即用于密度的ISO 3369：1975，和用于硬度的ISO 3878：1983。根据ISO 4499-2：2010，使用线性截距法测量烧结碳化钨粒度。
将圆盘压成直径约25mm且厚度为5mm，并提供光滑的表面。使用修改的ASTM G61测试，在室温下对样品A、B和C进行动电位极化测试。ASTM G61涵盖了进行动电位极化测量的程序。对介质进行修改，利用具有pH 2.5的酸度的充气HCl代替标准的3.5％的NaCl溶液。该介质代表了硬质合金工艺线工具可能需要工作于其中的酸度。与标准测试相比的进一步修改是使用环氧树脂密封而不是有冲洗通道的池。环氧树脂用于将试样的边缘密封，以防止缝隙腐蚀。大约5cm2的区域暴露在外。将样品在丙酮中在超声浴中清洁和脱脂，然后在空气中干燥，然后将它们浸入溶液中。使用磁力搅拌器以600rpm搅拌测试溶液。监测腐蚀电位(E腐蚀)1小时，然后在阳极方向上进行动电位扫描。
样品A、B和C的动电位极化扫描测试结果如图1所示，由动电位测试得到的电化学参数如表3所示。
动电位阳极极化测试方法通常用于对材料在给定环境中对局部腐蚀的抵抗力分等级。该测试方法的基本原理是，向试样施加正电位为钝化膜的破坏提供驱动力，从而引发局部腐蚀。通过在阳极方向上以恒定速率扫描电位，可以从被称为点蚀电位Ep的电位评价材料对局部腐蚀的敏感性，在所述点蚀电位处，由于表面的点蚀阳极电流迅速增加。更正的点蚀电位意味着更耐腐蚀的材料。对于具有极高抗点蚀性的材料，不可能测量点蚀电位，因为相反地，在达到点蚀电位之前整个表面将通过过钝化腐蚀而开始腐蚀穿过钝化层，整个表面的这种过钝化腐蚀倾向于发生在实际应用中通常不会遇到的非常高的电位处。点蚀电位定义为在电位扫描期间电流密度首先超过0.1mA/cm2的电位。
表3
样品 E<sub>腐蚀</sub>(mV SCE) E<sub>p</sub>(mV SCE)
A -306 -
B -187 347
C 89 ＞871
图1和表3显示了样品A的耐腐蚀性差，没有电位扫描开始时的钝化和活性腐蚀的迹象。还可以看出，样品B中的腐蚀得到很大改善，观察到347mV(SCE)的点蚀电位。此外，它们表明样品C的耐腐蚀性有显著的进一步改善，在任何点蚀可能发生之前，在非常高的电位下仅发生整个表面的过钝化腐蚀。

Claims (13)

1.一种工艺线工具，所述工艺线工具包含以重量％(wt％)计含有如下的组合物：
2.9至11的Ni；
0.1至2.5的Cr3C2；
0.1至2.5的Mo；
以及余量的WC。
2.根据权利要求1所述的工艺线工具，其中所述组合物包含9.1重量％至10.1重量％的Ni。
3.根据权利要求1或2所述的工艺线工具，其中所述组合物包含0.8重量％至1.0重量％的Cr3C2。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺线工具，其中所述组合物包含0.8重量％至1.0重量％的Mo。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺线工具，其中所述组合物包含87.9重量％至89.1重量％的WC。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺线工具，其中所述工艺线工具是旋转切割机或金属成形工具。
7.根据权利要求1所述的工艺线工具，其中所述组合物包含2.95重量％至3.15重量％的Ni。
8.根据权利要求7所述的工艺线工具，其中所述组合物包含0.1重量％至0.3重量％的Cr3C2。
9.根据权利要求7或8所述的工艺线工具，其中所述组合物包含0.1重量％至0.3重量％的Mo。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的工艺线工具，其中所述组合物包含95.85重量％至96.85重量％的WC。
11.根据权利要求中的任一项所述的工艺线工具，其中所述工艺线工具是金属成形工具。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺线工具，其中烧结工具具有小于0.5微米的碳化钨平均粒度。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺线工具，其中烧结工具具有约0.35微米的碳化钨平均粒度。
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