DE19513366A1 - Schraubendreher, Schraubendrehereinsatz oder dergleichen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schraubendreher, Schrauben­ drehereinsatz oder dgl. gemäß Gattungsbegriff des An­ spruchs 1.

Derartige Werkzeuge werden aus Stahl gefertigt. Als Fertigungsverfahren sind die spanende Formgebung und die Formgebung durch Umformen wie Pressen bekannt. Die Werk­ zeuge weisen ein Arbeitsende auf, welches kreuzförmig gestaltet sein kann, wenn das Werkzeug zum Angriff an Kreuzschlitzschrauben geeignet sein soll. Das Werkzeug weist dabei Arbeitsflächen an seinem Arbeitsende auf, mit welchem entsprechende Gegenflächen in der Öffnung des Schraubkopfes beaufschlagt werden sollen. Es sind in der Vergangenheit verschiedene Versuche unternommen worden, derartige aus Stahl geformte Werkzeuge dauerhaft zu gestalten. Eine bekannte Methode ist die Beschichtung des Arbeitsendes des Werkzeuges mit einer Hartschicht, beispielsweise mit Titannitrit. Hierdurch ist eine Ober­ flächenschicht des Arbeitsendes härter als der Kernbe­ reich des Arbeitsendes ausgebildet. Es hat sich aber gezeigt, daß derartige im CVD- oder im PVD-Verfahren aufgebrachte Schichten aus einem anderen Material als das Kernmaterial bei einer Beanspruchung des Werkzeuges reißen und abplatzen können.

Wenn ein bekanntes Werkzeug, beispielsweise ein Kreuz­ schlitzschraubendreher mit seiner Arbeitsspitze in eine entsprechende Öffnung eines Schraubkopfes eingesteckt wird, so greifen aufgrund der Toleranzen bei Werkzeug und Schraubenkopföffnung nicht alle Arbeitsflächen gleichzeitig an den korrespondierenden Öffnungsflächen im Schraubenkopf an. Wird nun ein Drehmoment ausgeübt, so würde bei einem harten Arbeitsende nur eine punktuel­ le Belastung auf einzelne Angriffsflächen ausgeübt, dies hätte zur Folge, daß die Flächen leicht überbeansprucht werden, um dann zu brechen. Eine theoretisch denkbare Lösung um dieses Abbrechen der Anlageflügel zu verhin­ dern wäre die Einhaltung einer exakten Geometrie. Dies ist fertigungstechnisch nicht durchführbar.

Eine Alternative hierzu sind Bits aus zähem Material, so daß sich die Flanken des Arbeitsendes bei Belastung verformen und so alle vier Flanken nahezu gleichmäßig in Angriff kommen. Derartige Werkzeuge haben eine brauchba­ re Standzeit. Andererseits ist aber insbesondere dann ein Verschleiß des Werkzeuges zu beobachten, wenn bei zu hohen Drehmomenten das Arbeitsende aus dem Schraubkopf herausrutscht und dann durchdreht.

Es ist ferner vorgesehen, Werkzeuge im Kern hart zu gestalten und durch eine gezielte Wärmebehandlung die Härte zur Oberfläche hin abfallen zu lassen. Derartige Werkzeuge zeigen unter Labortests günstige Eigenschaf­ ten, doch in der Praxis verschleißen diese Werkzeuge ebenso wie durchgängig weiche Werkzeuge. Die eingangs genannte Hartstoffbeschichtung eines weichen Werkzeuges führte zu den o. g. Problemen. Die Hartstoffschicht be­ wirkt zwar zunächst eine gewisse Minimierung des Ver­ schleißes, jedoch tendiert diese Schicht bei den wech­ selnden Belastungen zu reißen und danach abzublättern. Dann verschleißt das Werkzeug wie alle anderen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausge­ hend von dem vorbekannten Stand der Technik, ein Werk­ zeug anzugeben, welches weniger verschleißt.

Gelöst wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebe­ ne Erfindung.

Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildung dar.

Zufolge der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist ein Werkzeug gegeben, bei dem die unmittelbar unterhalb der Oberfläche liegende Materialschicht eine größere Härte aufweist als der Kernbereich. Dabei fällt allerdings die Härte nicht wie beim Stand der Technik sprunghaft ab, sondern es ist eine Zwischenschicht vorgesehen, in wel­ cher die Härte kontinuierlich bis auf den Wert des Kerns abnimmt. Bei derartigen Schraubendrehern wird zwar auch eine Rißbildung nach einer Vielzahl von Lastwechseln beobachtet, es findet aber keine Rißvergrößerung oder Abblättern der härteren Schicht statt, wie es beim Stand der Technik der Fall ist. Die harte Oberflächenschicht, die Zwischenschicht und das Kernmaterial sind aus identi­ schem Werkstoff nur mit anderer Härte bzw. anderem Gefü­ ge. Die Verschleißfestigkeit des Werkzeuges hat sich durch diese Ausgestaltung erhöht. Die Zwischenschicht hat bevorzugt eine Dicke von 0,05 bis 0,2 mm und weist einen Härtegradienten auf von 1.500 bis 3.000 HV 0,3/mm. Die Oberflächenschicht, welche die härteste Schicht ist und an welche sich die Zwischenschicht anschließt, hat eine Dicke von 0,05 bis 0,1 mm und eine Härte von 900 HV 0,3 bzw. 67-68 HRC. Die Kernhärte soll dabei unterhalb von 700 HV 0,3 liegen. Die bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, daß der Kern, die Oberflächenschicht und die Zwischenschicht aus einem einheitlichen martensitaush­ ärtbaren Stahl besteht. Dabei soll der Kern zufolge einer Wärmebehandlung eine Härte von 54 bis 58 Rockwell und die Oberflächenschicht zufolge einer Nitrierung eine Härte von 67-68 Rockwell aufweisen. Als Werkstoff soll ein martensitaushärtbarer Stahl verwendet werden. Die Legierung wird bevorzugt im Vakuum umgeschmolzen. Dieser Stahl wird zunächst in die dem Werkzeug entsprechende Form gebracht. Dies geschieht durch Umformen oder durch spanende Bearbeitung. Sodann wird das Werkzeug wärmebe­ handelt derart, daß der Kern eine Härte von 54-58 HRC erreicht. Es soll dabei eine plastische Verformbarkeit von 5-10% erreicht werden. Diese Verformbarkeit kann beispielsweise im Zugversuch gemessen werden. Erfindungs­ gemäß soll diese Wärmebehandlung - Auslagern oder Aushär­ ten - mit einer Nitrierung im Plasma kombiniert werden. Diese Nitrierung im Plasma wird derart durchgeführt, daß eine Aushärtung von über 900 HV 0,3 bis in eine Tiefe von 0,05-0,1 mm erreicht wird (dies entspricht einer Härte von 67-68 Rockwell). Durch diese Nitrierung im Plasma werden die positiven Eigenschaften des Kernwerk­ stoffes nicht berührt. Im Bereich der Oberfläche steigt dann aber die Werkstoffhärte kontinuierlich innerhalb der Zwischenschicht an, bis in eine dünne Oberflächen­ schicht, die eine entsprechende Härte aufweist. Das dadurch entstandene Werkzeug ist in etwa um den Faktor 10 verschleißärmer als bekannte Werkzeuge. Das fertige Werkzeug weist eine harte Außenwand auf, die bei einer Torsionsbeanspruchung ein federndes Rückstellelement ausbilden kann. Der zähe Kern kann dabei eine Art Dämp­ fungsglied ausbilden, wenn dieses Material pla­ stisch/diszipativ verformbar ist. Wesentlich ist an der Erfindung, daß der Härteverlauf von der Oberfläche in den Kern nicht sprunghaft, sondern fließend ist. Hin­ sichtlich der Beschaffenheit und der Zusammensetzung von martensitaushärtendem Stahl wird auf den Artikel H. Berns, Düsseldorf: Werkzeuge aus martensitaushärtendem Stahl in ZwF 66 (1971) Heft 6, Seite 292 verwiesen. Der Werkstoff soll Molykdän enthalten. Das Nitrieren kann kann im Gasstrom bei 430 bis 500 Grad Celsius durch­ führt werden. Dabei ergeben sich die gewünschten Oberflä­ chenhärten von 900 HV. Es ist aber auch möglich, das Nitrieren im Tenifer-Bad bei ca. 550 Grad Celsius durch­ zuführen. Auch dies ergibt die erforderliche Oberflächen­ härte. Die Kernhärte bleibt jedoch unbeeinflußt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Schraubendreher,

Fig. 2 einen Härteverlauf am Punkt P im Werkzeug gemäß Fig. 1 im Abstand zur Oberfläche.

Der in Fig. 1 dargestellte Bit besteht aus einem marten­ sitaushärtbarem Stahl, welcher nach entsprechender Wärme­ behandlung mit kombinierter Nitrierung im Plasma eine Kernhärte von 54-58 Rockwell bei hoher Zähigkeit auf­ weist und eine Oberflächenhärte von 67-68 Rockwell. Der Bit weist ein Arbeitsende 1 auf mit Arbeitsflanken 2.

In der Fig. 2 ist der typische Härteverlauf des Werkstof­ fes bei zunehmender Oberflächentiefe dargestellt anhand von zwei exemplarischen Beispielen I, II. Im Kernbe­ reich, d. h. in einer Tiefe von mehr als 0,2 mm liegt die Kernhärte in einem Bereich von 54 bis 58 Rockwell.

In einer Oberflächenschicht, deren Dicke d in etwa 0,04 mm beträgt, liegt die Härte bei mehr als 67 Rockwell oder mehr als 900 Vickers. Im Ausführungsbeispiel liegt die Härte zwischen 67 und 68 Rockwell. Innerhalb der Oberflächenschicht mit der Dicke d ändert sich die Härte nur wenig. Der Oberflächenschicht d schließt sich in Richtung zum Kern in einer Tiefe von etwa 0,04 bis 0,01 mm eine Zwischenschicht mit der Dicke D an. Im Ausfüh­ rungsbeispiel ist die Dicke der Zwischenschicht etwa 0,1 mm. Die Dicke D der Zwischenschicht kann aber auch klei­ ner sein, nämlich 0,05 mm oder größer bis zu 0,2 mm. Innerhalb der Zwischenschicht fällt die Werkstoffhärte auf der Länge D kontinuierlich ab. D.h. hier ist ein Härtegradient ausgebildet. Der Härtegradient beträgt beispielsweise 1500 bis 3000 Vickers/mm. Wird ein Bit, bei dem am Punkt P im Bereich der Arbeitsfläche ein derartiger Härteverlauf bei einheitlichem Werkstoff ausgebildet ist bestimmungsgemäß belastet, so tritt zwar eine Deformierung auf, aber die harte Oberflächenschicht mit der Schichtdicke d platzt nicht ab, da sie über einen kontinuierlichen Härteabfall gleichgefügig mit dem Kerngefüge verbunden ist. Es wurde beobachtet, daß sich zwar Risse in der Oberfläche ausbilden, diese sich aber nicht vergrößern, wenn man die Drehmomente bei Beauf­ schlagung in den entsprechenden Grenzen hält. Die an der Oberfläche aufgebrachten Spannungen werden wegen des Fehlens einer künstlichen Grenzschicht kontinuierlich bis in den Kern fortgesetzt.

Alle offenbarten Merkmale sind erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Priori­ tätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhalt­ lich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit auf zu­ nehmen.

Claims (5)

1. Schraubendreher, Schraubendrehereinsatz oder dgl. mit einem insbesondere durch spanende Bearbeitung oder Umfor­ men profiliertes, radial verlaufende Angriffsflächen aufweisenden Arbeitsende, wobei eine die Arbeitsfläche ausbildende Oberflächenschicht härter ist als der Kernbe­ reich des Arbeitsendes, gekennzeichnet durch eine zwi­ schen der harten Oberflächenschicht und dem Kernbereich liegende Zwischenschicht mit von der Härte der Oberflä­ chenschicht bis zur Härte des Kernes mit zunehmender Tiefe abnehmenden Härte.

2. Schraubendreher, Schraubendrehereinsatz oder dgl. nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zwischenschicht zwischen 0,05 und 0,2 mm dick ist und einen Härtegradient von 1500 bis 3000 HV 0,3/mm aufweist.

3. Schraubendreher, Schraubendrehereinsatz oder dgl. nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht bis in eine Tiefe von 0,05 bis 0,1 mm eine Härte von mehr als 900 HV 0,3 bzw. 67-68 HRC aufweist bei einer Kernhärte von unter 700 HV 0,3.

4. Schraubendreher, Schraubendrehereinsatz oder dgl. nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern, die Oberflächenschicht und die Zwischenschicht aus einem einheitlichen martensitaushärtbarem Stahl gefertigt sind, wobei der Kern zufolge Wärmebehandlung eine Härte von 54 bis 56 HRC und die Oberflächenschicht zufolge einer Nitrierung eine Härte von 67-68 HRC aufweist.

5. Verfahren zur Herstellung eines Schraubendrehers, Schraubendrehereinsatzes oder dgl. insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein aus martensitaushärtbarem Stahl geformter Rohling einer kombinierten Wärmebehandlung und Nitrierung im Plasma ausgesetzt wird derart, daß eine unmittelbar unterhalb der Oberfläche, die Oberfläche ausbildende Schicht här­ ter ist als der Kernbereich und zwischen Kern und Ober­ flächenschicht eine Zwischenschicht sich ausbildet, in welcher die Härte kontinuierlich bei zunehmender Tiefe absinkt.