AT6278U1

AT6278U1 - Verwendung einer hartmetalllegierung

Info

Publication number: AT6278U1
Application number: AT0058002U
Authority: AT
Inventors: Alfred Bernhard; Ronald Huber; Alfred Knittel; Michael Schretter
Original assignee: Plansee Tizit Ag
Priority date: 2002-09-02
Filing date: 2002-09-02
Publication date: 2003-07-25
Also published as: US20060037431A1; WO2004020681A1; ES2301870T3; EP1534871B1; ATE390494T1; EP1534871A1; DE50309483D1; AU2003260151A1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Hartmetalllegierung für Teile die neben Verschleiß insbesondere auf Torsion beansprucht werden. Die Hartmetalllegierung besteht im wesentlichen aus Wolframkarbid mit einer mittleren Korngröße kleiner 1,2 Mikrometer und aus 13 bis 23 Gew.% Bindemetall aus einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Kobalt, Eisen und Nickel.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Hartmetalilegierung für Teile die neben
Verschleiss insbesondere auf Torsion beansprucht werden.

Teile die neben Verschleiss auch auf Torsion beansprucht werden, sind beispielsweise Schraubendrehereinsätze, die vielfach auch als Schrauberbits bezeichnet, werden. Derartige Schraubendrehereinsätze werden in einem Halter oder direkt im Schraubwerkzeug aufgenommen und weisen im Regelfall einen sechskant-förmigen Aufnahmeschaft sowie eine Spitze, auch als Abtrieb bezeichnet, auf. Die Form bzw. das Profil der Spitze ist auf die Kopfform der einzuschraubenden Schraube abgestimmt. So sind insbesondere Schrauben mit geschlitzten Köpfen, mit Kreuzschlitzköpfen unterschiedlicher Formen, sowie mit Innen-Torxköpfen stark verbreitet.

Die Schraubendrehereinsätze werden in erster Linie aus Stahl, der im Regelfall auf eine Härte zwischen 54 und 62 HRC gehärtet wird, hergestellt. Bei dieser Härte besitzen derartige Schraubendrehereinsätze aus Stahl in der Regel noch ausreichende Zähigkeit, um die beim Schraubvorgang auftretende Belastung auf Torsion ohne Schädigung aufzunehmen.

Trotz der verhältnismässig hohen Härte kommt es vielfach auch in Abhängigkeit vom
Profil des Schraubendrehereinsatzes zu einer raschen Abnützung und Beschädigung der Profilkanten und damit zu einem frühzeitigen Verschleiss und/oder einer
Beschädigung der Schraubenköpfe.

Es wurde daher in der Vergangenheit versucht, die Verschleissfestigkeit der
Oberfläche der Schraubendrehereinsätze zumindest im Profilbereich durch
Hartstoffbeschichtungen oder aufgelötete Hartmetallarmierungen weiter zu verbessern.

So beschreibt beispielsweise die DE 40 29 734 C2 die Ausbildung einer Anti-Rutsch-
Beschichtung auf Schraubendrehereinsätzen, wobei Reibstoffteilchen im Lichtbogenverfahren von einer Elektrode auf die gehärtete Arbeitsfläche des Schraubendrehereinsatzes aufgebracht werden.

Alle diese Massnahmen sind jedoch aufwändig und teuer und können im Falle der Beschichtung aufgrund der langen Temperatureinwirkungen während des Beschichtungsvorganges das Gefüge des Schraubendrehereinsatzes schädigen. Bei den durch aufgelötete Hartmetallarmierungen verstärkten Schraubendrehereinsätzen ist die Scherfestigkeit der Lötstelle vielfach zu gering.

Zur Gänze aus Hartmetall gefertigte Schraubendrehereinsätze sind aufgrund Bedenken einer zu geringen Torsionsfestigkeit bis jetzt noch nicht zur Anwendung gekommen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für Teile die neben Verschleiss insbesondere auch auf Torsion beansprucht werden, einen Werkstoff zur Verfügung zu stellen, der die bisher bekannten Werkstoffe für derartige Anwendungen in seinen
Eigenschaften übertrifft.

Erfindungsgemäss wird dies durch die Verwendung einer Hartmetalllegierung aus im wesentlichen Wolframkarbid mit einer mittleren Korngrösse kleiner 1, 2 um und aus 13 bis 23 Gew. % Bindermetall, ausgewählt aus einem oder mehreren Metallen aus der
Gruppe Kobalt, Eisen und Nickel erreicht.

Die Verwendung dieser speziellen Hartmetalllegierung bringt deutliche Verbesserungen in der Verschleissfestigkeit und gleichzeitig ausgezeichnete Ergebnisse hinsichtlich Torsionsfestigkeit. Dies war insbesondere auch deshalb überraschend, weil nicht wie zu erwarten besonders zähe Hartmetalllegierungen eine gute Torsionsfestigkeit aufweisen, sondern eine Legierungsgruppe die hinsichtlich Zähigkeit nur unterdurchschnittliche Werte aufweist. Die von der speziellen Form und Grösse des hergestellten Teiles abhängige Torsionsfestigkeit liegt im Bereich von 1. 800 bis 2. 400 N/mm2.

Dass die Legierung im wesentlichen aus Wolframkarbid besteht bedeutet, dass geringfügige Mengen anderer Hartstoffe, insbesondere anderer Karbide in einer Grössenordnung von bis zu etwa 10 Gew. % in der Legierung vorhanden sein können, ohne dass sich die vorteilhaften Eigenschaften wesentlich ändern.

Besonders bewährt für die erfindungsgemässe Verwendung hat sich eine
Hartmetalllegierung aus Wolframkarbid mit einer mittleren Korngrösse im Bereich von
0, 7 bis 0, 9 um und aus 13 bis 17 Gew. % Kobaltbinder.

Zusätzlich verbesserte Eigenschaften der erfindungsgemässen Hartmetalllegierung liegen dann vor, wenn ein gewisser Grobkornanteil in der Hartmetalllegierung vorhanden ist.

Als vorteilhafte Grössenordnung hat sich dabei ein Anteil von bis zu 200 Körnern/mm2 mit einer mittleren Korngrösse im Bereich von 6-15 um bewährt.

Die Ausbildung des Grobkornanteiles erfolgt durch eine leichte Übersinterung der Hartmetalllegierung bei der Herstellung. Ohne Ausbildung eines Grobkornanteiles erfolgt die Sinterung der erfindungsgemässen Hartmetalllegierung bei einer Temperatur von etwa 1. 400 C, während eines Zeitraumes von etwa 60 Minuten. Die Übersinterung zur Ausbildung des Grobkornanteiles wird durch eine Erhöhung der Sintertemperatur auf etwa 1. 440 C und eine Verlängerung der Sinterzeit auf etwa 90 Minuten erreicht.

Besonders bewährt hat sich die erfindungsgemässe Verwendung der Hartmetalllegierung für Schraubendrehereinsätze. Hier konnten trotz der Kerbwirkung, die aufgrund der speziellen Profilform der Spitze der Schraubendrehereinsätze gegeben ist, Drehmomente von durchschnittlich bis zu 20 Nm übertragen werden.

Die höchsten Werte an übertragbaren Drehmomenten werden dann erzielt, wenn die Schraubendrehereinsätze durch Metallpulverspritzguss hergestellt werden.

Dazu wird aus dem Hartmetallpulvergemisch und einem organischen Binder, wie
Wachsen oder Polymeren, durch Mischen ein Granulat hergestellt und dieses in einer Spritzgussmaschine auf Temperaturen zwischen etwa 100 und 200oC erwärmt und durch eine Presse in entsprechend ausgeführte Giessformen gespritzt. Nach
Abkühlen der Mischung werden die Rohlinge, die bereits eine ausgezeichnete
Festigkeit aufweisen, aus der Spritzgussform ausgestossen und dann in entsprechenden Öfen entbindert und unter Ausbildung einer Flüssigphase des
Bindermetallanteiles gesintert. Der dabei auftretende volumsmässige Schwund liegt in der Grössenordnung von etwa 50 %, die erzielte Sinterdichte bei nahezu 100 % der theoretischen Dichte.

Durch die Anwendung des Metallpulverspritzgiessens lassen sich bereits in der
Spritzgussform gezielte Verrundungen an besonders gefährdeten Kanten am Schraubendrehereinsatz einarbeiten, wodurch sich aufgrund der verminderten
Kerbwirkung am Schraubendrehereinsatz hohe Drehmomente ohne Bruchgefährdung übertragen lassen.

Besonders vorteilhaft beim Metallpulverspritzgiessen von Schraubendrehereinsätzen ist es, wenn in der Spritzgussform unmittelbar unter der Schraubendreherspitze mehrere parallele, etwa 45 zur Längsachse verlaufende, stegförmige Erhebungen eingearbeitet sind. Diese Erhebungen bewirken, dass dem in die Form eingespritzten Material ein gerichteter Fluss zur Spitze des Schraubendrehereinsatzes aufgezwungen wird, wodurch es zu einer besonders guten Füllung und gleichmässigen Dichte in diesem Bereich kommt, auf den bei der Anwendung die grösste Beanspruchung ausgeübt wird.

Weiters lässt das Metallpulverspritzgiessen allein durch eine gezielte
Oberflächenbeschaffenheit der Spritzgussform eine besonders strukturierte
Ausbildung der Profilfläche des Schraubendrehereinsatzes zu, durch die auch bei einer geringeren Anpresskraft des Schraubendrehereinsatzes ein Herausrutschen desselben aus dem Schraubenkopf weitgehend verhindert werden kann, wodurch die
Standzeit des Schraubendrehereinsatzes verlängert wird. Ein zusätzlich verstärkter
Effekt in dieser Richtung lässt sich durch die Einbringung von ultraharten Teilchen, z. B. Diamantkörnern, im Zuge des Spritzgiessvorganges in die Spritzgussform erreichen.

Im Folgenden wird die Erfindung an Hand eines Herstellungsbeispieles näher beschrieben.

Herstellungsbeispiel Zum Testen der Torsionsfestigkeit wurden stabförmige Proben aus einer erfindungsgemässen Hartmetaliiegierung, in Tabelle 1 als Proben 1 bezeichnet, aus 85 Gew. % Wolframkarbid mit einer mittleren Korngrösse von 0, 7 um, Rest Kobalt, hergestellt. Die Proben wiesen ein Sechskantprofil mit einem zylindrischen Mittelteil auf. Die Gesamtlänge der Proben lag bei 38 mm mit einer Schlüsselweite des Sechskantprofiles von 5 mm. Der zylindrische Mittelteil der Proben wies eine Länge von 16 mm und einen Durchmesser von 3, 8 mm auf. Der sich dadurch ergebende Querschnitt des Mittelteiles entspricht etwa dem Scherquerschnitt der in der Praxis am häufigsten eingesetzten Schraubendrehereinsätze.

Auf einer Matrizenpresse wurde ein Block mit den Abmessungen

70 mm x 46 mm x 25 mm durch Pressen des Pulvergemisches der erfindungsgemässen Hartmetalllegierung mit einem Pressdruck von 220 MPa hergestellt.

Aus dem gepressten Block wurden die Proben mit ihrer Sechskant Grundform aus dem Mittelteil mittels Diamantscheiben herausgeschnitten. Dann wurden die Proben bei 1. 4200 während 60 Minuten gesintert.

Nach der Sinterung wurde in das Sechskantprofil der Proben der zylindrische Mittelteil mit 38 mm Durchmesser mit einer Toleranz von 5 um eingeschtiffen.

Die derart hergestellten Proben wurden auf entsprechenden Prüfeinrichtungen auf Biegebruchfestigkeit und Torsionsfestigkeit geprüft. Die Mittelwerte der Biegebruchfestigkeit und Torsionsfestigkeit der geprüften Proben sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Zum Vergleich wurden gleichartige Proben aus einer Hartmetalllegierung, bestehend aus 75 Gew. % Wolframkarbid mit einer mittleren Korngrösse von 3 um, Rest Kobalt,
EMI7.1
% WolframkarbidHartmetalllegierung, bestehend aus 80 Gew. % Wolframkarbid mit einer mittleren Korngrösse von 1, 5 um, Rest Kobalt, in Tabelle 1 als Proben 4 bezeichnet, hergestellt und wie die Proben aus der erfindungsgemässen Hartmetalllegierung auf Biegebruchfestigkeit und Torsionsfestigkeit geprüft. Auch die Mittelwerte der Festigkeiten dieser Proben sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Als weiterer Vergleich wurden gleichartige Proben aus gehärtetem Stahl, in Tabelle 1 als Proben 5 bezeichnet, hergestellt. Der Stahl wies dabei eine für die Herstellung

von Schraubendrehereinsätzen übliche Zusammensetzung auf. Auch diese Proben wurden auf Biegebruchfestigkeit und Torsionsfestigkeit untersucht und ihre Mittelwerte in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1
EMI8.1

<tb>
<tb> Proben <SEP> Zusammensetzung <SEP> Biegebruchfestigkeit <SEP> Torsionsfestigkeit
<tb> rN/mmlrN/mm
<tb> 1 <SEP> 85 <SEP> Gew.% <SEP> WC, <SEP> 0. <SEP> 7um <SEP> 3. <SEP> 300 <SEP> 2. <SEP> 300 <SEP>
<tb> (erfindungsgemäss) <SEP> Rest <SEP> Co
<tb> 2 <SEP> 75 <SEP> Gew.% <SEP> WC, <SEP> 3 m <SEP> 2.500 <SEP> 1.200
<tb> Rest <SEP> Co
<tb> 3 <SEP> 85 <SEP> Gew. <SEP> % <SEP> WC, <SEP> 1, <SEP> 5um <SEP> 3. <SEP> 400 <SEP> 1. <SEP> 900 <SEP>
<tb> Rest <SEP> Co
<tb> 4 <SEP> 80 <SEP> Gew. <SEP> % <SEP> WC, <SEP> 1, <SEP> 5um <SEP> 3. <SEP> 100 <SEP> 1. <SEP> 350 <SEP>
<tb> Rest <SEP> Co
<tb> 5 <SEP> Stahl <SEP> 4. <SEP> 400 <SEP> 2.

<SEP> 300 <SEP>
<tb>
Aus der Tabelle ist zu ersehen, dass die erfindungsgemässe Hartmetalliegierung im Vergleich zu den übrigen Hartmetalllegierungen hinsichtlich Torsionsfestigkeit die besten Werte aufweist. Ihre Werte in der Torsionsfestigkeit sind vergleichbar mit den Werten der Stahllegierung. Da Hartmetall gegenüber Stahl zusätzlich deutlich bessere Verschleissfestigkeitseigenschaften aufweist, ergibt sich ein gravierender Vorteil der Hartmetalliegierung. Insbesondere überraschend ist, dass Hartmetalllegierungen mit einer hohen Zähigkeit und guter oder sogar höherer Biegebruchfestigkeit, schlechtere, teilweise sogar deutlich schlechtere Werte in der Torsionsfestigkeit aufweisen.

Claims

Ansprüche 1. Verwendung einer Hartmetalllegierung aus im wesentlichen Wolframkarbid mit einer mittleren Korngrösse kleiner 1, 2 um und aus 13 bis 23 Gew. % Bindemetall ausgewählt aus einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Kobalt, Eisen und Nickel für Teile die neben Verschleiss insbesondere auf Torsion beansprucht werden.

2. Verwendung einer Hartmetalilegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartmetalilegierung aus Wolframkarbid mit einer mittleren Korngrösse im Bereich von 0, 7 bis 0, 9 um und aus 13 bis 17 Gew. % Kobalt besteht.

3. Verwendung einer Hartmetalllegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Grobkornanteil von bis zu 200 Körnern/mm2 mit EMI9.1 umSchraubendrehereinsätze.

5. Schraubendrehereinsatz aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.

6. Verfahren zur Herstellung eines Schraubendrehereinsatzes nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung durch Metallpulverspritzgiessen erfolgt. <Desc/Clms Page number 10>

7. Verfahren zur Herstellung eines Schraubendrehereinsatzes nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Spritzgussform unmittelbar unter der Schraubendreherspitze mehrere parallele, etwa 450 zur Längsachse des Schraubendrehereinsatzes verlaufende stegförmige Erhebungen eingearbeitet sind.

8. Schraubendrehereinsatz, hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass er unmittelbar unter der Schraubendreherspitze mehrere parallele, etwa 450 zur Längsachse des Schraubendrehereinsatzes verlaufende Nuten aufweist.