JP6966482B2 - 耐腐食性であり耐疲労性の超硬合金加工ライン工具 - Google Patents

Description

本開示は、改善された耐腐食性及び耐疲労性を備える超硬合金を含有する加工ライン工具に関する。

超硬合金を含有する加工ライン工具は例えば、ロータリーカッターナイフ又は金属成形工具のために使用できる。

ロータリーカッターナイフは、特別な吸収層を備える通常は不織繊維製のおむつ及び女性用衛生用品を切断するために使用される。超硬合金ロータリーカッターのための切断作業は、連続的な工程である。カッターは、逆方向に回転するアンビルと衝突しながら、回転することになる。ロータリーカッターは通常、圧縮負荷のもとで稼働する。使用時に切断ナイフは、１０００ｒｐｍの速度で回転し、一千万回〜二千万回切断すると、切れ歯の研ぎ直しが必要になる。カッターとアンビルとを接触させるための「エアジャッキ」初期圧力は、約２ｂａｒである。数百万回の切断後、きれいに切断するためには、若干の摩耗を補うため、この圧力を上昇させる。また、４ｂａｒという最大圧力は著しい摩耗を示し、ナイフを研ぎ直す必要があることを示す。ここ五年、生産性がさらにより重要になっている。近年、切断速度は１５００ｒｐｍに上昇し、今後１０年では２０００ｒｐｍに達すると予測される。ナイフへのダメージは通常、アンビルにナイフが連続的に衝突することから生じる低サイクル疲労に起因する。広範な文献により、サイクル負荷のもとでの超硬合金の強度低下は、主に延性バインダ相の耐疲労性と関連していることが判明している。カッターの速度及び寿命が増大するにつれ、亀裂開始及び亀裂の伝播に耐えられる超硬合金グレードが、さらに重要になっている。

ロータリーカッターナイフ切れ歯へのダメージはまた、切断される製品で使用される香料及びローションによる腐食、また使用される冷却剤による腐食によっても起こる。こうしたローションは、ナノサイズの摩耗性金属粒子酸化物（例えばＺｎＯおよびＳｉＯ_２）を含有し、切れ歯を摩耗させるとともに、腐食させる。腐食によるダメージはまた、ＣａＣｌ_２（水の存在下で水和し得る）を高い含有率で有する切断対象の布によって起こることもあり、これによって、硬質金属を腐食させ得る酸性の電解質が形成される。腐食によるダメージによってバインダ溶出が起こり、これにより、アンビルと衝突する間に変形及び初期亀裂に対する耐性が低下し、その結果、カッターの寿命が低下する。

ロータリーカッター工具の寿命をできるだけ伸ばすとともに、修理作業のための停止時間を最小限に保つことが望ましい。これは、予測可能な低い摩耗速度を有する超硬合金を用いることによって、達成できる。これを達成するために、使用する超硬合金の耐腐食性及び耐疲労性をともに改善する必要があり、バインダ組成を変えることによってこれらの特性のうち１つを改善するにあたり、その他の特性が犠牲になってはならない。

耐腐食性及び耐疲労性という双方の同じ組み合わせが、金属成形工具に必要とされる。金属成形工具とは、金属を造形又は加工するために使用される工具である。これらの工具には、パンチ、伸線ダイス、金属をスタンプするため、クランプするため、及び削るための工具が含まれる。これらの用途では、腐食によるダメージ又は摩耗によって、許容外の部材になってしまうことがある。例えば缶の製造において工具が許容外になるとは、アルミニウムの使用量が増加することを意味する。アルミニウムは、缶製造プラントにとって最大のコストであり、このため工具の寿命は、生産性にとって、またプラントのランニングコストにとって重要である。缶製造ラインでは通常、１分あたり１５０〜３００個の缶が製造され、５００万個超の缶を加工すると、工具の再研磨が必要になる。よって工具は、繰り返される缶との衝突に耐えるためには、良好な硬度、剛性、並びに良好な耐摩耗性、耐腐食性、及び耐疲労性を備えることが必要とされる。これらの用途で使用される冷却剤もまた、やや酸性であるため、耐腐食性が、超硬合金グレードにとって必要とされる。ロータリーカッター作業と同様、毎年製造される飲料缶は膨大な量にのぼるため、工具の寿命延長、及び停止時間の短縮は、著しい節約につながる。

これまで典型的には、Ｃｏバインダ合金によって加工ライン工具の機械的特性を改善して、Ｎｉバインダ合金に比して硬度、靭性、及び疲労強度の間で最良のバランスを得ることに焦点が置かれてきた。しかしながらＣｏ合金バインダは、それほど耐腐食性ではなく、その代わりにＮｉ合金バインダを、耐腐食性改善のために使用できる。しかしながらこれによって通常は、疲労強度が犠牲になる。

よって、その耐用期間及び信頼性を改善させるために、耐腐食性と耐疲労性がともに改善された加工ライン工具のための超硬合金グレードが必要とされている。

本開示の１つの態様は、上述の問題及び欠点を解決するか、又は少なくとも低減させるべきである。本開示は、改善された耐腐食性及び耐疲労性を備える超硬合金を含有する加工ライン工具を提供する。

実施例における試料Ａ、Ｂ及びＣのための動電位法スイープ試験の結果を示す。

本開示は、重量％（ｗｔ％）で２．９〜１１重量％のＮｉ、０．１〜２．５重量％のＣｒ_３Ｃ_２、及び０．１〜２．５重量％のＭｏ、及び残部であるＷＣを含有する組成を有する加工ライン工具を提供する。意外なことに、本願に開示された超硬合金組成によって、なおも良好な耐疲労性を達成しながら、耐腐食性の著しい改善が可能なことが判明した。

本開示によれば、先に、又は以下に規定する加工ライン工具は、ロータリーカッターナイフ、又は金属成形工具である。金属成形工具の例は、パンチ、伸線ダイス、金属をスタンプするため、クランプするため、及び削るための工具であるが、これらに限られない。

本開示において先に、又は以下に開示するＭｏは、単体であるか、又は炭化形態であり得る。

１つの実施態様において加工ライン工具は、Ｎｉを約９．１〜約１０．１重量％、例えば９．６重量％含有する超硬合金組成を有する。

１つの実施態様において加工ライン工具は、Ｃｒ_３Ｃ_２を約０．８〜約１．０重量％、例えば０．９重量％含有する超硬合金組成を有する。

１つの実施態様において加工ライン工具は、Ｍｏを約０．８〜約１．０重量％、例えば０．９重量％含有する超硬合金組成を有する。

１つの実施態様において加工ライン工具は、ＷＣを約８７．９〜約８９．１重量％、例えば８８．６重量％含有する超硬合金組成を有する。

１つの実施態様において加工ライン工具は、Ｎｉを９．６重量％、Ｃｒ_３Ｃ_２を０．９重量％、Ｍｏを０．９重量％、およびＷＣを８８．６重量％含有する超硬合金組成を有する。

１つの実施態様において加工ライン工具は、Ｎｉを約２．９５〜約３．１５重量％、例えば３．０５重量％含有する超硬合金組成を有する。

１つの実施態様において加工ライン工具は、Ｃｒ_３Ｃ_２を約０．１〜約０．３重量％、例えば０．２重量％含有する超硬合金組成を有する。

１つの実施態様において加工ライン工具は、Ｍｏを約０．１〜約０．３重量％、例えば０．２重量％含有する超硬合金組成を有する。

１つの実施態様において加工ライン工具は、ＷＣを約９５．８５〜約９６．８５重量％、例えば９６．５５重量％含有する超硬合金組成を有する。

１つの実施態様において加工ライン工具は、Ｎｉを３．０５重量％、Ｃｒ_３Ｃ_２を０．２重量％、Ｍｏを０．２重量％、およびＷＣを９６．５５重量％含有する超硬合金組成を有する。

１つの実施態様において加工ライン工具は、０．５ミクロン未満、例えば約０．３５μｍの焼結炭化タングステン平均粒度を有する。

１つの実施態様によれば本開示は、ロータリーカッター又は金属成形工具である加工ライン工具に関し、この加工ライン工具は、約９．１〜約１０．１重量％のＮｉ、約０．８〜約１．０重量％のＣｒ_３Ｃ_２、約０．８〜約１．０重量％のＭｏ、約８７．９〜約８９．１重量％のＷＣという組成を有し、かつ焼結されたＷＣ平均粒度が０．５μｍ未満である。この工具は、典型的な材料特性が以下の通りである：密度が約１４．３〜約１４．５ｇ／ｃｍ^３、硬度が約１４５０〜１６００ ＨＶ３０、靭性が約９．２〜１０．２ＭＰａ・√ｍ。

別の実施態様によれば本開示は、金属成形工具である加工ライン工具に関し、この加工ライン工具は、約２．９５〜約３．１５重量％のＮｉ、約０．１〜約０．３重量％のＣｒ_３Ｃ_２、約０．１〜約０．３重量％のＭｏ、約９５．８５〜約９７．２５重量％のＷＣという組成を有し、かつ焼結されたＷＣ平均粒度が０．５μｍ未満である。この工具は、典型的な材料特性が以下の通りである：密度が約１５．１〜約１５．４ｇ／ｃｍ^３、硬度が約１８５０〜２０００ ＨＶ３０、靭性が約５〜６ＭＰａ・√ｍ。

ロータリーカッター及び金属成形の用途で典型的に使用されるグレードは、サブミクロングレードである。サブミクロングレードによって、高い硬度、耐摩耗性、及び良好な切れ歯保持力という特性の良好な組み合わせが得られる。サブミクロングレードとは、焼結された炭化タングステンの粒度が＜１μｍである超硬合金と規定される。

超硬合金グレードについての耐摩耗性及び適当な耐腐食性は、加工ライン工具のその他の鋼部材の組成に適切に適合されたステンレス鋼合金から調製されたバインダを使用することによって達成でき、これによってガルバーニ電池作用が最小化され、優れた耐腐食性がもたらされる。超硬合金部材を、別のステンレス鋼部材と結合させた場合、超硬合金が優先的に腐食することが判明している。これは、超硬合金部材と、ステンレス鋼と、腐食媒体との間でガルバーニ電池が形成されることが原因である。極端な場合、腐食媒体は２．５という非常に低いｐＨを有することができる。これによって、超硬合金部材とステンレス鋼との電位差は減少する。つまり、腐食を進める要因が減少する。

以下の実施例は説明のためのものであり、実施例を制限するものではない。その組成及び各実施態様の結果が、以下の表１及び２に示されている。

表１に示した組成を有する超硬合金グレードを、硬質構成成分を形成する粉末と、バインダを形成する粉末とから製造した。これらの粉末を、潤滑剤のＰＥＧ３４、及びα−抗凝集剤とともに湿式粉砕して均質な混合物を得、乾燥により顆粒化した。乾燥した粉末を、Ｔｏｘ ｐｒｅｓｓでプレス加工してグリーン体にし、焼結した。焼結は、１３６０〜１４１０℃で約１時間、真空中で行い、それから焼結温度で約３０分間、高圧（アルゴン、５０ｂａｒ）を適用して稠密な構造を得て、その後、冷却した。

焼結試験体は、切片法により測定した炭化タングステン平均粒度が、約０．３５μｍである。

これらの実施例において粉末は、以下の供給元から入手した：ＣｏはＵｍｉｃｏｒｅ又はＦｒｅｅｐｏｒｔから、ＮｉはＩｎｃｏから、ＭｏはＨＣ Ｓｔａｒｃｋから、Ｃｒ_３Ｃ_２はＺｈｕｚｈｏｕ又はＨＣ Ｓｔａｒｃｋから。

表２における特性は、超硬合金の分野で使用される規格、つまり密度についてはＩＳＯ ３３６９：１９７５、硬度についてはＩＳＯ ３８７８：１９８３に従って、測定したものである。焼結された炭化タングステンの粒度は、ＩＳＯ ４４９９−２：２０１０に従って切片法により測定したものである。

ディスクをプレス加工して、おおよその直径２５ｍｍ、厚さ５ｍｍにし、平滑な表面にした。動電位分極試験は、試料Ａ、Ｂ及びＣにより室温で、ＡＳＴＭ Ｇ６１試験を以下のように変更して行った。ＡＳＴＭ Ｇ６１は、動電位分極測定を行うための手順を取り扱っている。標準的な３．５％のＮａＣｌ溶液による媒体に代えて、ｐＨ２．５の酸度を有する通気したＨＣｌを用いたことが、変更点である。この媒体の酸度は、超硬合金の加工ライン工具により作業しなければならない典型的な酸度である。標準的な試験からのさらなる変更点は、フラッシュド・ポート・セル（ｆｌｕｓｈｅｄ ｐｏｒｔ ｃｅｌｌ）ではなく、エポキシシールを使用したことである。エポキシは、試験体の端部を封止して、すきま腐食を避けるために使用した。約５ｃｍ^２の面積は、むき出しのままにした。これらの試験体を洗浄し、アセトンにより超音波浴内で脱脂し、それから空気中で乾燥させ、その後、これらを溶液中に浸した。この試験溶液を、マグネチックスターラーにより６００ｒｐｍで撹拌した。腐食電位（Ｅ_ｃｏｒｒ）を１時間モニタリングし、それからアノード方向における動電位スイープを行った。

試料Ａ、Ｂ及びＣについての動電位分極スイープ試験の結果が、図１に示されており、動電位試験から導き出された電気化学パラメータが、表３に示されている。

動電位アノード分極試験法は、材料の抵抗を、所定の環境における局所的な腐食にランク付けするために一般的に使用されている。この試験法の原理は、試験体に正の電位をかけると、不動態フィルムの分解が促進され、これによって局所的な腐食が始まるというものである。アノード方向において一定の速度で電位をスイープすることにより、材料の局所的な腐食に対する感受性を、表面のピッティングに起因してアノード電流が急速に上昇する電位（ピッティング電位（Ｅ_ｐ）として知られる）から評価することができる。より正のピッティング電位であるほど、より耐腐食性の材料であることを示す。ピッティングに対する耐性が非常に高い材料については、ピッティング電位を測定することができず、この場合には表面全体が、不動態層を通じて過不動態腐食により腐食を始めてから、ピッティング電位に達したときに、この表面全体の過不動態腐食が、実際の適用では通常生じないほど非常に高い電位で起こる傾向にある。このピッティング電位は、電位スイープの間に電流密度が初めて０．１ｍＡ／ｃｍ^２を超える電位として規定されている。

図１及び表３は、試料Ａが耐腐食性に乏しいことを示しており、不動態化、並びに電位スイープ開始からの動態腐食を示す証拠はない。また、腐食は試料Ｂにおいてかなり改善していることが見て取れ、３４７ｍＶ（ＳＣＥ）というピッティング電位が観察された。図１及び表３はさらに、試料Ｃについては耐腐食性が著しく改善されていることを示しており、何らかのピッティングが生じるまで、表面全体の過不動態化腐食は、非常に高い電位でしか起こらない。

Claims (4)

1. 重量％（ｗｔ％）で
   ９．１〜１０．１重量％のＮｉ、
   ０．８〜１．０重量％のＣｒ_３Ｃ_２、
   ０．８〜１．０重量％のＭｏ、及び
   残部であるＷＣ
   を含有する組成を有し、
   ロータリーカッター又は金属成形工具である、
   加工ライン工具。
2. 金属成形工具である、請求項１に記載の加工ライン工具。
3. 焼結された工具が、０．５ミクロン未満の炭化タングステン平均粒度を有する、請求項１又は２に記載の加工ライン工具。
4. 焼結された工具が、０．３５ミクロンの炭化タングステン平均粒度を有する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の加工ライン工具。

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