AT16369U1

AT16369U1 - Verfahren zur Herstellung eines sintergefügten Verbundkörpers

Info

Publication number: AT16369U1
Application number: ATGM50038/2018U
Authority: AT
Original assignee: Ceratizit Austria Gmbh
Priority date: 2018-03-12
Filing date: 2018-03-12
Publication date: 2019-07-15
Also published as: WO2019173855A1; CN112118927B; CN112118927A; EP3765223A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines sintergefügten Verbundkörpers (3) aus Hartmetall, wobei: - wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2), die sich in Bezug auf einen Bindergehalt und/oder eine Korngröße der Hartstoffphase voneinander unterscheiden, zu einem Verbundkörper (3) sintergefügt werden - die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) vor dem Sinterfügen so zueinander angeordnet werden, dass sich ein erster Hartmetallrohling (1) der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2), welcher einen geringeren Bindergehalt und/oder eine geringere Korngröße aufweist, zumindest abschnittsweise innerhalb einer Öffnung (9) oder eines Hohlraumes (10) des zweiten Hartmetallrohlings (2) der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) befindet wobei - die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) vor dem Sinterfügen mit Spiel zueinander angeordnet werden und dass - beim Sinterfügen eine flüssige Phase des Binders der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) hergestellt und so lange aufrechterhalten wird, bis durch Diffusion von Binder der erste Hartmetallrohling (1) der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) durch die Diffusion von Binder so weit an Volumen zunimmt und der zweite Hartmetallrohling (2) der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) durch Volumenabnahme wegen des diffundierten Binders so weit geschrumpft ist, dass die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) nach dem Sinterfügen spielfrei stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines sintergefügten Verbundkörpers aus Hartmetall mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und einen sintergefügten Zerspanungswerkzeugrohling oder ein sintergefügtes Zerspanungswerkzeug aus wenigstens zwei Hartmetallrohlingen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.

[0002] Unter einem Hartmetall wird in der vorliegenden Offenbarung ein pulvermetallurgisch hergestellter Teilchenverbundwerkstoff, bestehend aus einer Hartstoffphase (z. B. Wolframkarbid, kurz „WC“) und einem Bindemetall (z. B. Kobalt, Co, manchmal auch als „Binder“ bezeichnet) verstanden. Das Bindemetall kann ggf. dotiert sein, z. B. um das Kornwachstum der Hartstoffphase zu beschränken.

[0003] Unter Sinterfügen wird in der vorliegenden Offenbarung ein Verbinden von wenigstens zwei Hartmetallrohlingen durch Flüssigphasensintern verstanden. Von den wenigstens zwei Hartmetallrohlingen gilt in Bezug auf zumindest einen Hartmetallrohling, dass dieser in Form eines Grünlings vorliegen kann, vorgesintert (nicht zur vollständigen theoretischen Dichte gesintert) vorliegen kann oder - besonders bevorzugt - fertiggesintert (zur vollständigen theoretischen Dichte gesintert) vorliegen kann. Hartmetallrohlinge (das sind Rohlinge mit einem Körper aus Hartmetall) werden für die Herstellung unterschiedlichster Bauteile oder Werkzeuge verwendet: [0004] Hartmetallrohlinge für die Herstellung von Zerspanungswerkzeugen werden in großem Maßstab hergestellt, unter anderem auch mit innenliegenden Kühlkanälen (IK). Die Positionierung dieser Kanäle erfolgt dabei mit geometrisch limitierten Freiheiten. Hierbei kommt zudem aufgrund der Fertigungsroute meist eine einzige Hartmetallsorte zum Einsatz, aus welcher alle Bereiche des Hartmetallkörpers gebildet sind. Die zunehmenden Anforderungen an die Werkzeuge im Einsatz und deren Lebensdauer verlangen jedoch lokal unterschiedliche Werkstoffeigenschaften, wie z.B. Härte bzw. Zähigkeit. Beispielsweise eine höhere Verschleißfestigkeit (hohe Härte) im Bereich der später geformten Schneiden und eine hohe Zähigkeit im Bereich des später geformten Schaftes.

[0005] In einem Sinterfügeverfahren zusammengesinterte Hartmetallbauteile gehören inzwischen zum Stand der Technik. Hier können unterschiedliche Hartmetallsorten kombiniert werden, um in einzelnen Bereichen des gebildeten Körpers Hartmetalle mit unterschiedlichen Eigenschaften zum Einsatz zu bringen und/oder durch Kombination mehrerer Körper geometrische Merkmale realisiert werden, welche sich mit konventionellen Fertigungsmethoden nicht darstellen lassen.

[0006] Sinterfügen wird bereits bei einigen Hartmetallwerkzeugen, Zerspanungswerkzeugrohlingen oder Zerspanungswerkzeugen angewendet. Dies erfolgt aus Gründen der: [0007] · Materialeffizienz [0008] · geometrischen Freiheiten (z.B. bei der Werkzeuginnenkühlung) [0009] Ein gattungsgemäßes Verfahren geht aus US 6,908,688 B1 hervor.

[0010] Kritisch für eine sichere und mechanisch hoch belastbare Fügeverbindung beim Sinterfügen ist beim Stand der Technik der flächige Kontakt der beiden zu verbindenden Körper entlang der gesamten Fügefläche für die gesamte Dauer der thermischen Behandlung. Im gattungsgemäßen Stand der Technik sind daher die Oberflächen der Hartmetallrohlinge im Bereich der Fügefläche so vorzubereiten, dass ein spielfreier Kontakt gegeben ist. Diese Vorbereitung ist arbeitsaufwändig und kostenintensiv.

[0011] Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines gattungsgemäßen Verfahrens und eines gattungsgemäßen Zerspanungswerkzeugrohlings oder Zerspanungswerkzeugs, bei welchen die oben diskutierten Probleme vermieden werden.

[0012] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen sintergefügten Zerspanungswerkzeugrohling oder ein sintergefügtes Zerspanungswerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

[0013] Durch den geringeren Bindergehalt und/oder aufgrund der geringeren Korngröße des ersten Hartmetallrohlings relativ zum zweiten Hartmetallrohling findet eine Bindermigration vom zweiten Hartmetallrohling zum ersten Hartmetallrohling statt. Dies führt zu einer Volumenreduktion des zweiten Hartmetallrohlings und einer Volumenzunahme des ersten Hartmetallrohlings.

[0014] Weil vorgesehen ist, dass die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge vor dem Sinterfügen mit Spiel zueinander angeordnet werden und dass beim Sinterfügen eine flüssige Phase des Binders der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge hergestellt und so lange aufrechterhalten wird, bis durch Diffusion von Binder der erste Hartmetallrohling der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge durch Bindermigration so weit an Volumen zunimmt und der zweite Hartmetallrohling der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge durch die Volumenabnahme wegen des diffundierten Binders so weit geschrumpft ist, dass die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge nach dem Sinterfügen spielfrei stoffschlüssig miteinander verbunden sind, müssen die Fügeflächen nicht mit einer hohen geometrischen Präzision vorliegen. Überdies wird die Platzierung des ersten Hartmetallrohlings in der Öffnung oder im Hohlraum des zweiten Hartmetallrohlings vereinfacht, weil der erste Hartmetallrohling im Wesentlichen kräftefrei eingebracht werden kann. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass durch das Aufquellen des ersten Hartmetallrohlings und das Schrumpfen des zweiten Hartmetallrohlings das beim Einbringen verbleibende Spiel ohnehin verschwindet und es daher nicht auf ein lagerichtiges Einbringen ankommt. Bevorzugt liegt über die gesamte Oberfläche der ehemaligen Fügeflächen eine stoffschlüssige Verbindung vor.

[0015] Bei einem durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Zerspanungswerkzeugrohling oder Zerspanungswerkzeug, bildet der erste Hartmetallrohling den ersten (inneren) Bereich und der zweite Hartmetall roh ling den zweiten (äußeren) Bereich.

[0016] Die Bindermigration vom zweiten Hartmetallrohling zum ersten Hartmetallrohling beginnt dort, wo sich die beiden Hartmetallrohlinge trotz des vorhandenen Spiels bereits zu Beginn des Sinterfügens berühren.

[0017] Die Anordnung der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge mit Spiel kann so erfolgen, dass zwischen den wenigstens zwei Hartmetallrohlingen zwar wenigstens eine lineare oder flächige Kontaktzone besteht, jedoch zumindest bereichsweise ein Spalt zwischen den wenigstens zwei Hartmetallrohlingen verbleibt. Der Kontakt in der Kontaktzone kann unmittelbar zwischen den wenigstens zwei Hartmetallrohlingen vorliegen oder mittelbar, indem zwischen den wenigstens zwei Hartmetallrohlingen eine Folie oder ein Film (z. B. zur Verbesserung der Benetzung oder der Positionierung, um beispielsweise ein Verrutschen der einzelnen Bestandteile zu vermeiden) angeordnet wird.

[0018] Die lineare oder flächige Kontaktzone kann z. B. einfach unter Ausnutzung des Eigengewichts der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge durch eine liegende Positionierung der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge hergestellt werden. Alternativ kann eine zusätzliche Anpresskraft zwischen den wenigstens zwei Hartmetallrohlingen (z. B. durch Beschweren mittels eines Gewichts oder durch eine Spannvorrichtung) aufgebracht werden.

[0019] Wenn der Spalt ein Spaltmaß von etwa 1 pm bis etwa 200 pm aufweist, ist ein Aneinander- oder Ineinanderfügen des ersten und zweiten Hartmetallrohlings ohne Krafteinfluss möglich. In anderen Worten kann vorgesehen sein, dass der innenliegende, erste Hartmetallrohling vor dem Sinterfügen nicht in die für ihn vorgesehene Passung des außenliegenden zweiten Hartmetallrohlings eingepresst werden muss, sondern mit einem gewissen Spiel in diesen hineingeschoben werden kann.

[0020] Bevorzugt ist vorgesehen, dass die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge vor dem Sinterfügen fertig gesintert werden, d. h. zu voller Dichte gesintert sind.

[0021] Es kann vorgesehen sein, dass die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge eine unter schiedliche Binderdotierung aufweisen, d. h. Zusätze zum Kobalt wie zum Beispiel Mo2C, TiC, TaC, Vanadiumcarbid. Damit kann Einfluss auf das Kornwachstum während der Herstellung der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge vor dem Sinterfügen genommen werden. Die sich unter anderem durch die unterschiedliche Binderdotierung ergebende unterschiedliche Korngröße beeinflusst beim anschließenden Sinterfügen durch die verschiedene Benetzbarkeit (je geringer die Korngröße, desto größer die Kapillarwirkung und damit die Bindermigration) das Ausmaß der Diffusion des Binders.

[0022] In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der erste Hartmetallrohling der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge und der zweite Hartmetallrohling der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge entlang einer gemeinsamen Längsachse angeordnet werden. Somit ist es möglich, einen rotationssymmetrischen Verbundkörper für ein Zerspanungswerkzeug oder einen Zerspanungswerkzeugrohling herzustellen, welcher abschnittsweise unterschiedliche Materialeigenschaften und dennoch eine Stoff- und formschlüssige Verbindung zwischen den zwei Hartmetallrohlingen aufweist.

[0023] Es kann vorgesehen sein, dass die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge vor dem Sinterfügen axial so zueinander angeordnet werden, dass sich der eine Hartmetall roh ling der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge axial betrachtet abschnittsweise vor dem anderen Hartmetallrohling der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge befindet, wodurch vor dem Sinterfügen ein axialer Spalt zwischen den zwei Hartmetallrohlingen entstehen kann. Diese Anordnung kann sowohl entlang oder parallel in Richtung der Längsachse oder auch quer zur Längsachse zumindest eines Hartmetallrohlings erfolgen. Somit kann zusätzlich zum radialen Stoffschluss auch ein axialer Stoffschluss erzielt werden. Auf diese Art kann der erste Hartmetallrohling beispielsweise als Verschluss oder Stopfen fungieren, der nicht radial, sondern axial angesetzt wird, um eine Öffnung im zweiten Hartmetallrohling zumindest teilweise zu verschließen.

[0024] Es kann auch vorgesehen sein, dass ein axialer und ein radialer Stoffschluss zwischen den Hartmetallrohlingen stattfindet.

[0025] Gegebenenfalls ist es auch notwendig, dass beim Sinterfügen nicht nur ein radialer Spalt zwischen dem ersten und zweiten Hartmetallrohling ausgefüllt wird, sondern auch eine axiale Beabstandung in Form eines Spaltes. Somit ist hohe Präzision auch bei axialer Ausrichtung der Hartmetallrohlinge zueinander oder bei der Herstellung ihrer axialen Fügeflächen nicht unbedingt erforderlich, was die Herstellung des Verbundkörpers vereinfacht.

[0026] Alternativ kann vorgesehen sein, dass sich der erste Hartmetallrohling der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge vollständig innerhalb der Öffnung oder des Hohlraums des zweiten Hartmetallrohlings der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge befindet.

[0027] Es kann vorgesehen sein, dass sich die Bindergehalte im ersten und im zweiten Hartmetallrohling gewichtsanteilig in einem Bereich zwischen 3 Gew% und 20 Gew% bewegen. Bei unterschiedlichen Bindergehalten zwischen dem ersten und dem zweiten Hartmetallrohling kommt somit ein Unterschied im Bindergehalt von maximal 17 Gew% zustande. Der minimale Unterschied im Bindergehalt zwischen den zwei Hartmetallrohlingen beträgt 1 Gew%, besonders bevorzugt sind mind. 2 Gew%.

[0028] Es kann vorgesehen sein, dass der Außendurchmesser des zweiten Hartmetallrohlings und somit der Außendurchmesser des Verbundkörpers oder Zerspanungswerkzeuges und dessen sintergefügter Rohling in einem Bereich zwischen 2 mm und 30 mm liegt. Im Inneren des sintergefügten Verbundkörpers kann zumindest ein Kühlkanal vorgesehen sein, welcher einen Durchmesser von 0,03 mm bis 5 mm aufweist.

[0029] Bevorzugt ist der zumindest eine Kühlkanal verdraht, d. h. folgt einer Schraubenkurve. Weisen aus gegenständlichen Hartmetallrohlingen gefertigte Werkzeuge, etwa Bohrwerkzeuge, Spiralnuten auf, erstrecken sich die innenliegenden Kühlkanäle bevorzugt entlang der Spiralnuten.

[0030] Dazu sollten die innenliegende Kühlkanäle die gleiche Steigung wie die Spiralnuten aufweisen, sonst könnten die Kühlkanäle bei einem Schleifvorgang freigelegt werden.

[0031] Der Drallwinkel eines innenliegenden Kühlkanals wird aus praktischen Gründen meist auf den Außendurchmesser des Hartmetallrohlings bezogen.

[0032] Die tatsächliche Steigung der Kanäle ist eine Funktion des radialen Abstandes des Kanals zur Längsachse. Die Verdrallung wird üblicherweise durch Aufbringen einer Torsion beim Extrudieren eingebracht. Diese Herstellungsroute setzt bestimmte Limits hinsichtlich der erzielbaren Verdrallung bezüglich des Außendurchmessers. Es können bei größeren Außendurchmessern nur geringere Verdrehungen realisiert werden als bei kleineren Außendurchmessern.

[0033] Der Drallwinkel, mit welchem sich der zumindest eine Kühlkanal gegenüber der Längsachse des ersten Hartmetallrohlings erstreckt, beträgt z. B. zwischen 15° bis 60°, bezogen auf den Außendurchmesser des ersten Hartmetallrohlings. Dies ist bei einem Außendurchmesser des ersten Hartmetallrohlings von 0,7 mm bis 40 mm möglich.

[0034] Der Drallwinkel kann alternativ über jenen axialen Versatz beschrieben werden, über welchen der zumindest eine Kühlkanal über eine komplette Drehung vollzieht. Ein solche Angabe erfolgt zum Beispiel als Steigung in Millimeter, gemeint ist damit die axiale Erstreckung einer 360° Umdrehung eines Kühlkanals.

[0035] Der erste Hartmetall roh ling wird beispielsweise in Form eines Strangpressverfahrens hergestellt, wobei beim Strangpressen der zumindest eine Kühlkanal mitgeformt wird.

[0036] Aus dem oben genannten Drallwinkel ergibt sich eine Steigung von mindestens 2,5 mm bei stranggepressten Hartmetallrohlingen für Mikrobohrer mit einem Außendurchmesser von mindestens 0,7 mm. Der Durchmesser des zumindest einen Kühlkanals beträgt dabei zumindest 0,03 mm.

[0037] Bei größeren stranggepressten Hartmetallrohlingen, welche beispielsweise einen Durchmesser bis ca. 30 mm aufweisen, beträgt die Steigung bis zu 400 mm. Der Durchmesser der Kühlkanäle kann dabei bis 5 mm betragen. Bei größeren (> 15 mm) Außendurchmessern von Hartmetallrohlingen liegen die Durchmesser der Kühlkanäle typischerweise zwischen 1,5 mm und 3 mm.

[0038] Ein erfindungsgemäßer Zerspanungswerkzeugrohling oder ein erfindungsgemäßes Zerspanungswerkzeug mit wenigstens zwei Bereichen aus Hartmetall, die sich in Bezug auf ihre mechanischen Eigenschaften, vorzugsweise Härte und/oder Biegebruchfestigkeit und/oder Zähigkeit, voneinander unterscheiden, zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens zwei Bereiche aus Hartmetall zumindest abschnittsweise so zueinander angeordnet sind, dass sich der erste Bereich der wenigstens zwei Bereiche aus Hartmetall zumindest abschnittsweise innerhalb des zweiten Bereichs der wenigstens zwei Bereiche aus Hartmetall befindet und dass zwischen den wenigstens zwei Bereichen aus Hartmetall in Bezug auf den Bindergehalt ein Übergangsbereich mit einem vom ersten Bereich zum zweiten Bereich ansteigenden Verlauf vorliegt, und dass bezogen auf die Härte ein Übergangsbereich mit einem in Richtung des zweiten Bereichs abnehmenden Härteverlauf vorliegt.

[0039] Es ist ein besonders bevorzugter Zerspanungswerkzeugrohling oder besonders bevorzugtes Zerspanungswerkzeug vorgesehen, welcher oder welches zumindest einen inneren, vorzugsweise verdrahten, Kühlkanal aufweist.

[0040] Es ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass der erste Bereich eine höhere Härte aufweist als der zweite Bereich. Dies kann beispielsweise durch einen niedrigeren Bindergehalt und/oder eine geringere Korngröße erreicht werden. Der innere, härtere Bereich kann im fertigen Zerspanungswerkzeug jener Bereich sein, welcher die Schneiden oder einen Bereich der Schneiden aufweist. Ist wenigstens ein Kühlkanal vorgesehen, sollte dieser bevorzugt ebenfalls im inneren Bereich angeordnet sein.

[0041] Besonders bei Zerspanungswerkzeugrohlingen oder Zerspanungswerkzeugen mit geringerem Durchmesser kann es bei einer Messung zur Verbesserung der räumlichen Auflösung des Verlaufs des Bindergehalts und/oder der Härte erforderlich sein, einen Messpfad mit gegenüber linearem Verlauf vergrößerter Länge (z. B. spiralförmiger Verlauf) vorzusehen, um einerseits genügend Abstand zwischen den einzelnen Messpunkten zu haben, damit der durch die Messung verursachte Verdichtungseffekt isoliert wird, und anderseits genügend Messpunkte zu haben um die gewünschte räumliche Auflösung zu erzielen.

[0042] Die Messung des Bindergehalts kann beispielsweise durch chemische Analysemethoden wie Röntgenfluoreszenzanalyse oder energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) erfolgen.

[0043] Die Messung der Härte kann beispielsweise durch Härtemessung nach Vickers nach ISO 3878, beispielsweise im Bereich HV1 bis HV30 erfolgen.

[0044] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Zerspanungswerkzeugrohling, vorzugsweise für einen Bohrer oder Fräser, besonders bevorzugt für ein Zerspanungswerkzeug mit zumindest einem inneren Kühlkanal, welcher gerade oder verdraht ausgebildet sein kann. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel betrifft ein solches Zerspanungswerkzeug, d. h. einen weiter verarbeiteten Rohling.

[0045] Die Erfindung ist besonders vorteilhaft für die Herstellung von Zerspanungswerkzeug-rohlingen oder Zerspanungswerkzeugen einsetzbar, welche mit wenigstens einem inneren verdrahten Kühlkanal versehen sind. Solche verdrahten Kühlkanäle werden üblicherweise mittels Strangpressverfahren hergesteht. Nachteilig im Stand der Technik ist, dass - bedingt durch die Herstellung mittels Strangpressen - die Herstellung von starken Verdrehungen oder, in anderen Worten, eines großen Drallwinkels schwierig war, weh das Umformvermögen Strang-gepress-Materials begrenzt ist. Bei der Erfindung kann jener Teil des Rohlings (erster Hartmetallrohling), welcher den wenigstens einen inneren verdrahten Kühlkanal aufweisen soll, und einen geringeren Außendurchmesser aufweist als der fertige Rohling, gesondert hergesteht werden. Aufgrund des geringeren Durchmessers des den wenigstens einen Kühlkanal aufweisenden, ersten Hartmetallrohlings kann die Herstellung des Dralls oder der Steigung des Hart-metallrohlings, Zerspanungswerkzeugrohlings oder des fertigen Zerspanungswerkzeuges vereinfacht erfolgen. Nach dem gesonderten Sintern des hülsenförmigen Teils des Rohlings (zweiter Hartmetallrohling) und des den wenigstens einen Kühlkanal aufweisenden stabförmigen Teils des Rohlings (erster Hartmetallrohling), können beide Teile mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einem Verbundkörper verbunden werden, bei welchem der erste Bereich den wenigstens einen Kühlkanal aufweist und sich radial betrachtet zumindest abschnittsweise innerhalb des zweiten Bereichs befindet.

[0046] Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Außendurchmesser des ersten Hartmetall-rohlings (in Bezug auf das Verfahren) oder des ersten Bereichs (in Bezug auf den Zer-spanungswerkzeugrohling oder das Zerspanungswerkzeug) größer gleich 0,4 mm bis 20 mm ist, bevorzugt 0,7 mm bis 10 mm und/oder der Außendurchmesser des ersten Hartmetallroh-lings (in Bezug auf das Verfahren) oder des zweiten Bereichs (in Bezug auf den Zerspanungswerkzeugrohling oder das Zerspanungswerkzeug) in einem Bereich von 2 mm bis 35 mm ist. Weiter bevorzugt ist die Anwendung für Kleinst- oder Mikrobohrer mit einem Außendurchmesser des ersten Hartmetallrohlings zwischen 0,4 mm und 3 mm.

[0047] Es können besonders einfach Zerspanungswerkzeugrohlinge oder Zerspanungswerkzeuge mit einer starken Verdrallung des wenigstens einen innenliegenden Kühlkanals in Kombination mit einem geringen Durchmesser jenes Bereichs hergestellt werden, der die Zerspanungsgeometrie trägt.

[0048] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren diskutiert. Es zeigen: [0049] Fig. 1 die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge, welche vor dem Sinterfügen radial mit Spiel zueinander angeordnet sind, [0050] Fig. 2 die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge, nach dem Sinterfügen, [0051] Fig. 3a,b ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen sintergefügten

Verbundkörpers, [0052] Fig. 4a,b ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen sintergefügten Verbundkörpers, [0053] Fig. 5a,b ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen sintergefügten

Verbundkörpers, [0054] Fig. 6a,b ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen sintergefügten

Verbundkörpers, [0055] Fig. 7a,b ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen sintergefügten

Verbundkörpers, [0056] Fig. 8 eine schematische Darstellung des Diffusionsprozesses, [0057] Fig. 9 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, [0058] Fig. 10 den sich nach dem Verfahren der vorangehenden Figur ergebenden Ver bundkörper, [0059] Fig. 11a eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verbundkörpers mit schematisch angeordneten Messpunkten, [0060] Fig. 11b Messwerte und Messpunkte für einen erfindungsgemäßen Verbundkörper, [0061] Fig. 12a eine weitere schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verbundkörpers mit schematisch angeordneten Messpunkten, [0062] Fig. 12b Messwerte für einen erfindungsgemäßen Verbundkörper, und [0063] Fig. 13a,b Drallwinkel von zumindest einem Kühlkanal.

[0064] Fig. 1 bezieht sich auf ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers 3 aus Hartmetall, unter Verwendung von wenigstens zwei Hartmetallrohlingen 1, 2, die sich in Bezug auf einen Bindergehalt und/oder eine Korngröße der Hartstoffphase voneinander unterscheiden.

[0065] Die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge 1, 2 werden vor dem Sinterfügen radial zueinander so angeordnet, dass sich ein erster Hartmetallrohling 1 der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge 1, 2, welcher einen geringeren Bindergehalt und/oder eine geringere Korngröße aufweist, radial betrachtet zumindest abschnittsweise innerhalb einer Öffnung 9 oder eines Hohlraumes 10 des zweiten Hartmetallrohlings 2 der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge 1, 2 befindet. Zu erkennen ist in Fig. 1, dass die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge 1, 2 mit radialem Spiel zueinander angeordnet wurden und zwar so, dass zwischen den wenigstens zwei Hartmetallrohlingen 1, 2 zwar wenigstens eine lineare oder flächige Kontaktzone besteht, jedoch zumindest bereichsweise ein Spalt 6 zwischen den wenigstens zwei Hartmetallrohlingen 1, 2 verbleibt.

[0066] Beim Sinterfügen wird eine flüssige Phase des Binders der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge 1, 2 hergestellt und so lange aufrechterhalten, bis durch Diffusion von Binder der erste Hartmetallrohling 1 der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge 1, 2 so weit aufgequollen ist und der zweite Hartmetall roh ling 2 der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge 1, 2 so weit geschrumpft ist, dass die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge 1, 2 nach dem Sinterfügen spielfrei stoffschlüssig miteinander verbunden sind (vgl. Fig. 2).

[0067] Die Fig. 3a bis 7a zeigen jeweils Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Verbundkörpern 3 in Form von Rohlingen für ein Zerspanungswerkzeug 7 (vgl. Fig. 10) in einer Schnittdarstellung durch eine Ebene, welche eine Längsachse LA des Verbundkörpers 3 enthält. Die Fig. 3b bis 7b zeigen dazugehörige perspektivische Ansichten, wobei der besseren Erkennbarkeit halber auf eine gestrichelte Darstellung an sich verdeckter und damit nicht sichtbarer Linien verzichtet wurde.

[0068] Das erste Ausführungsbeispiel der Fig. 3a,b zeigt einen Verbundkörper 3, bei welchem sich der erste Hartmetallrohling 1 der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge 1, 2 vollständig innerhalb der Öffnung 9 oder des Hohlraums 10 des zweiten Hartmetallrohlings 2 der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge 1, 2 befindet.

[0069] Die zweiten bis fünften Ausführungsbeispiele der Fig. 4a,b bis Fig. 7a,b zeigen jeweils einen Verbundkörper 3, bei welchem die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge 1, 2 vor dem Sinterfügen entlang der Längsachse LA axial zueinander angeordnet werden, so dass sich der eine Hartmetallrohling 1, 2 der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge 1, 2 axial betrachtet abschnittsweise vordem anderen Hartmetall roh ling 1, 2 der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge 1, 2 befindet.

[0070] Im zweiten Ausführungsbeispiel der Fig. 4a,b ist ein entlang der Längsachse LA verlaufender, gerader Kühlkanal 8 für eine Kühlflüssigkeit vorgesehen. Der erste Hartmetallrohling 1 ragt dabei abschnittsweise aus dem zweiten Hartmetallrohling 2 heraus. Anders als dargestellt, kann der erste Hartmetallrohling 1 auch bündig mit dem zweiten Hartmetallrohling 2 abschließen (Fig. 3a) oder auch versenkt in diesem angeordnet sein.

[0071] Im dritten Ausführungsbeispiel der Fig. 5a,b sind zwei entlang der Längsachse LA verlaufende, helikale Kühlkanäle 8 für eine Kühlflüssigkeit vorgesehen. In Figuren 5a, b ragt der erste Hartmetallrohling 1 ragt dabei abschnittsweise aus dem zweiten Hartmetallrohling 2 heraus. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der erste Hartmetallrohling 1 bündig mit dem zweiten Hartmetallrohling 2 abschließt.

[0072] Im vierten Ausführungsbeispiel der Fig. 6a, b ist ein entlang der Längsachse LA verlaufender, gerader Kühlkanal 8 für eine Kühlflüssigkeit vorgesehen, von welchem quer zur Längsachse LA zwei Kühlkanäle 8 abzweigen und in Austrittsöffnungen 11 für die Kühlflüssigkeit münden. Anders als dargestellt, könnte z. B. auch der erste Hartmetallrohling 1 sich nicht entlang der Längsachse LA des zweiten Hartmetallrohlings 2 erstrecken, sondern in einem Bereich parallel dazu oder auch in einem Winkel schräg dazu. Somit könnte der erste Hartmetallrohling 1 beispielsweise auch in zumindest einer der seitlich am Verbundkörper 3 angeordneten Austrittsöffnungen 11 angeordnet sein und somit beispielsweise nur als Verschlussstopfen oder als Austrittsdüse, Drossel oder ähnliches agieren.

[0073] Im fünften Ausführungsbeispiel der Fig. 7a, b ist im zweiten Hartmetallrohling 2 (vor dem Sinterfügen) bzw. im zweiten Bereich 4 (nach dem Sinterfügen) eine Stufe 12 vorgesehen, welche einen axialen Anschlag für den ersten Hartmetallrohling 1 (vor dem Sinterfügen) bzw. den ersten Bereich 5 (nach dem Sinterfügen) darstellt. Ein solcher Anschlag könnte natürlich auch bei den anderen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein.

[0074] Fig. 8 soll schematisch den Diffusionsprozess darstellen, welcher dazu führt, dass Binderpartikel 13 aus einem Bereich höherer Binderkonzentration/höheren Bindergehaltes im ersten Hartmetallrohling 1 in einen Bereich niedrigerer Binderkonzentration im zweiten Hartmetallrohling 2 diffundieren. Durch diesen Ausgleich des Bindergehaltes (Co-Gehaltes) entsteht auch ein Volumen- und/oder Massefluss bei der Diffusion.

[0075] Die einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Fig. 9 dargestellt: [0076] Zuerst werden im Schritt 14 die beiden Hartmetallrohlinge 1, 2 hergestellt, z. B. durch einen Press- und anschließenden Sintervorgang. Anschließend erfolgt aus Gründen höherer Präzision gegebenenfalls im Schritt 15 ein Schleifprozess an einem oder beiden Hartmetallrohlingen 1, 2. Es kann auch vorgesehen sein, dass zumindest einer der zwei Hartmetallrohlinge 1, 2 durch ein erodierendes Verfahren hergestellt wird, wobei die für das Sinterfügen notwendige Präzision hinsichtlich der Geometrie und/oder auch der Fügefläche direkt durch das erodierende Verfahren generiert wird. Ein Nachbearbeitungsschritt wie beispielsweise Schleifen oder Honen kann dabei entfallen oder nur zum Teil erfolgen. Die beiden Hartmetallrohlinge werden im Schritt 16 mit radialem Spiel zueinander angeordnet oder ausgerichtet und in dieser Anordnung gemeinsam in Schritt 17 sintergefügt. Der so entstandene Verbundkörper 3 kann im Schritt 18 weiterverarbeitet werden, z. B. zu einem Zerspanungswerkzeugrohling oder Zer spanungswerkzeug 7 (vgl. Fig. 10), bei welchem ein Schaft durch den zweiten Hartmetallrohling 2 und Schneiden 11 durch den ersten Hartmetallrohling 1 gebildet sind. Beim Sinterfügen kommen Temperaturen von beispielsweise 1100 °C bis 1600 °C zum Einsatz. Das Sinterfügen im Schritt 17 kann unter Druck stattfinden, wobei Drücke zwischen 0 bar und 1000 bar denkbar sind. Die Korngrößen des Binders liegen dabei zwischen ca. 0,4pm - ca. 5 pm, der gewichtsbezogene Bindergehalt liegt zwischen 3 Gew% und 20 Gew%.

[0077] Fig. 11a zeigt die zwei Hartmetallrohlinge 1, 2 mit unterschiedlichem Bindergehalt. Der Bindergehalt des ersten Hartmetallrohlings 1 beträgt dabei ca. 6 Gew%, der Bindergehalt des zweiten Hartmetallrohlings 2 beträgt ca. 10 Gew%. Einzelne Messpunkte MP repräsentieren beispielsweise und schematisch den Bindergehalt, die Härte oder die Zähigkeit der Hartmetallrohlinge 1, 2, was in der Fig. 11b näher erläutert wird.

[0078] Fig. 11b zeigt in einem Diagramm die unterschiedlichen Messwerte der Messpunkte MP aus der Fig. 11a entlang der Abszisse (x-Achse). Die Ziffern auf der x-Achse bezeichnen dabei nicht unmittelbar einen radialen Abstand, sondern die Nummer des Messpunktes. Zudem wird auf der linken Seite der Tabelle entlang der Ordinate (y- Achse) die Härte in Vickers (HV) in einem Bereich zwischen 1560 und 1720 angegeben. Vergleichsweise dazu wird auf der rechten Seite entlang der Ordinate (y- Achse) die Bruchzähigkeit des Werkstoffes (K|C) gezeigt. Der Wert erstreckt sich dabei in einem Bereich von 9,5 bis 11,0 [MPa*m0,5].

[0079] Rechts ist der erste (innere) Bereich 5 mit dem Bindergehalt von 6 Gew% zu sehen, links ist der zweite (äußere) Bereich 4 mit dem Bindergehalt von 10 Gew% zu sehen. Die Partikelgröße des Binders, in diesem Ausführungsbeispiel Wolframcarbid, ist kleiner 1 pm.

[0080] Die in Form von Dreiecken dargestellten Messpunkte zeigen die Härte in Vickers (HV), die in Form von Kreisen dargestellten Messpunkte zeigen die Bruchzähigkeit (K|C). Es ist somit dem Diagramm und der Messung zu entnehmen, dass sich zwischen dem ersten Bereich 5 und dem zweiten Bereich 4 Unterschiede hinsichtlich Härte und Bruchzähigkeit ergeben, was auf den unterschiedlichen Bindergehalt zurückzuführen ist.

[0081] Die Fig. 12a zeigt ebenfalls schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem anderen Bindergehalt im ersten Bereich 5. Dieser beträgt in diesem Fall 7,5 Gew%. Somit werden unterschiedliche Härte- und Zähigkeitswerte erzielt, welche sich dem Diagramm der Fig. 12b im Vergleich zum Diagramm der Fig. 11b entnehmen lassen.

[0082] Der erste Hartmetallrohling 1 wird beispielsweise in Form eines Strangpressverfahrens hergestellt, wobei beim Strangpressen der zumindest eine Kühlkanal 8 mitgeformt wird.

[0083] Die Fig. 13a zeigt einen ersten Hartmetallrohling 1, an dem der Drallwinkel α eingetragen ist. Der Drallwinkel α wird festgelegt durch die Steigung der Verdrallung gegenüber der Längsachse LA am Außendurchmesser dr des ersten Hartmetallrohlings 1. Der Drallwinkel α beträgt zwischen 15° bis 60°. In der vorliegenden Darstellung sind Rippen am Außenumfang des ersten Hartmetallrohlings 1 erkennbar, welche vom Strangpressen herrühren, wobei der Außendurchmesser dr des ersten Hartmetallrohlings 1 sich am Bereich zwischen den Rippen bestimmt. Der Durchmesser eines Kühlkanals 8 ist mit dk angegeben.

[0084] Die Fig 13b zeigt die Steigung S, welche sich aus dem Drall des zumindest einen Kühlkanals 8 ergibt. Die Steigung S ergibt sich somit aus dem axialen Versatz des zumindest einen verdrahten Kühlkanals 8 entlang der Längsachse LA pro vollzogener Drehung um 360° um die Längsachse LA. Es ergibt sich somit in Abhängigkeit vom Drallwinkel α eine Steigung S von mindestens 2,5 mm bei stranggepressten Hartmetallrohlingen 1 für Mikrobohrer mit einem Außendurchmesser dr von mindestens 0,7 mm. Der Durchmesser dk des zumindest einen Kühlkanals 8 beträgt dabei zumindest 0,03 mm.

[0085] Bei größeren stranggepressten ersten Hartmetallrohlingen 1, welche beispielsweise einen Durchmesser bis ca. 30 mm aufweisen, beträgt die Steigung S bis zu 353 mm. Der Durchmesser dk der Kühlkanäle beträgt dabei zwischen 2 mm bis 5 mm. BEZUGSZEICHENLISTE: 1 erster Hartmetallrohling 2 zweiter Hartmetallrohling 3 Verbundkörper 4 erster Bereich 5 zweiter Bereich 6 Spalt 7 Zerspanungswerkzeugrohling oder Zerspanungswerkzeug 8 Kühlkanal 9 Öffnung 10 Hohlraum 11 Austrittsöffnung 12 Stufe 13 Binderpartikel 14 Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens 15 Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens 16 Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens 17 Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens 18 Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens LA Längsachse α Drallwinkel S Steigung dr Durchmesser Rohling dk Durchmesser Kühlkanal

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines sintergefügten Verbundkörpers (3) aus Hartmetall, wobei: - wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2), die sich in Bezug auf einen Bindergehalt und/oder eine Korngröße der Hartstoffphase voneinander unterscheiden, zu einem Verbundkörper (3) sintergefügt werden - die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) vor dem Sinterfügen so zueinander angeordnet werden, dass sich ein erster Hartmetallrohling (1) der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2), welcher einen geringeren Bindergehalt und/oder eine geringere Korngröße aufweist, zumindest abschnittsweise innerhalb einer Öffnung (9) oder eines Hohlraumes (10) des zweiten Hartmetallrohlings (2) der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) befindet dadurch gekennzeichnet, dass - die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) vor dem Sinterfügen mit Spiel zueinander angeordnet werden und dass - beim Sinterfügen eine flüssige Phase des Binders der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) hergestellt und so lange aufrechterhalten wird, bis durch Diffusion von Binder der erste Hartmetallrohling (1) der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) durch die Diffusion von Binder so weit an Volumen zunimmt und der zweite Hartmetallrohling (2) der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) durch Volumenabnahme wegen des diffundierten Binders so weit geschrumpft ist, dass die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) nach dem Sinterfügen spielfrei stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Hartmetallrohling (1) der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) so innerhalb der Öffnung (9) oder des Hohlraumes (10) des zweiten Hartmetallrohlings (2) der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) eingesetzt wird, dass zwischen den wenigstens zwei Hartmetallrohlingen (1, 2) zwar wenigstens eine lineare oder flächige Kontaktzone besteht, jedoch zumindest bereichsweise ein Spalt (6) zwischen den wenigstens zwei Hartmetallrohlingen (1, 2) verbleibt.
3. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei der Spalt (6) ein Spaltmaß von etwa 1 pm bis etwa 200 pm aufweist.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) vor dem Sinterfügen fertiggesintert werden.
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der prozentuelle, gewichtsanteilige Bindergehalt in zumindest einem der zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) zwischen 3 Gew% und 20 Gew% gewählt wird, wobei ein maximaler Unterschied im Bindergehalt zwischen dem ersten Hartmetallrohling (1) und dem zweiten Hartmetallrohling (2) von 17 Gew% und ein minimaler Unterschied im Bindergehalt von 1 Gew% gewählt wird, wobei ein Unterschied im Bindergehalt zwischen dem ersten und dem zweiten Hartmetallrohling (1,2) von mindestens 2 Gew% und maximal 17 Gew% besonders bevorzugt ist.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) eine unterschiedliche Binderdotierung aufweisen.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Hartmetallrohling (1) der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) und der zweite Hartmetallrohling (2) der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) entlang einer gemeinsamen Längsachse (LA) angeordnet werden.
8. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich der erste Hartmetallrohling (1) der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) vollständig innerhalb der Öffnung (9) oder des Hohlraums (10) des zweiten Hartmetallrohlings (2) der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) befindet.
9. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei vor dem Sinterfügen der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) die Fügefläche eines oder mehrerer der wenigstens zwei Hartmetallrohlinge (1, 2) durch Honen oder Schleifen bearbeitet wird.
10. Sintergefügter Zerspanungswerkzeugrohling oder sintergefügtes Zerspanungswerkzeug (7), insbesondere hergestellt mit einem Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, mit wenigstens zwei Bereichen (4, 5) aus Hartmetall, die sich in Bezug auf ihre mechanischen Eigenschaften, vorzugsweise Härte und/oder Biegebruchfestigkeit und/oder Zähigkeit, voneinander unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Bereiche (4, 5) aus Hartmetall zumindest abschnittsweise so zueinander angeordnet sind, dass sich der erste Bereich (5) der wenigstens zwei Bereiche (4, 5) aus Hartmetall zumindest abschnittsweise innerhalb des zweiten Bereichs (4) der wenigstens zwei Bereiche (4, 5) aus Hartmetall befindet und dass zwischen den wenigstens zwei Bereichen (4, 5) aus Hartmetall in Bezug auf den Bindergehalt ein Übergangsbereich mit einem vom ersten Bereich (5) zum zweiten Bereich (4) ansteigenden Verlauf vorliegt, und dass bezogen auf die Härte ein Übergangsbereich mit einem in Richtung des zweiten Bereichs (4) abnehmenden Härteverlauf vorliegt.
11. Zerspanungswerkzeugrohling oder Zerspanungswerkzeug nach dem vorangehenden Anspruch, wobei der erste Bereich (5) eine größere Härte aufweist als der zweite Bereich (4).
12. Zerspanungswerkzeugrohling oder Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 10 -11, wobei zumindest ein innerer, vorzugsweise verdrallter, Kühlkanal (8) vorgesehen ist.
13. Zerspanungswerkzeugrohling oder Zerspanungswerkzeug nach Anspruch 12, wobei die Steigung in Form des axialen Versatzes entlang der Längsachse (LA) des zumindest einen verdrahten Kühlkanales (8) mindestens 2 mm bis maximal 250 mm pro vollzogener Drehung um 360° um die Längsachse (LA) beträgt.
14. Zerspanungswerkzeugrohling oder Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 10 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des ersten Bereichs (5) größer gleich 0,4 mm bis 20 mm ist, bevorzugt 0,7 mm bis 10 mm und/oder der Außendurchmesser des zweiten Bereichs (4) in einem Bereich von 2 mm bis 35 mm ist.
15. Zerspanungswerkzeugrohling oder Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 10 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor zwischen dem Innendurchmesser des zweiten Bereichs (4) und dem Außendurchmesser des zweiten Bereichs (4) maximal das Zehnfache beträgt.
16. Zerspanungswerkzeugrohling oder Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 10 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des Zerspanungswerkzeugrohlings oder Zerspanungswerkzeuges (7) maximal 40 mm beträgt und der Drallwinkel (α) des zumindest einen Kühlkanals (8) zwischen 15° bis 60° beträgt. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen