DE3347501A1

DE3347501A1 - Hartmetalleinsatzkoerper

Info

Publication number: DE3347501A1
Application number: DE19833347501
Authority: DE
Inventors: Uwe C. 4516 Bissingen Seefluth
Original assignee: Sita Bauelemente GmbH
Current assignee: SEEFLUTH U CHRISTIAN 6255 DORNBURG DE
Priority date: 1983-12-29
Filing date: 1983-12-29
Publication date: 1985-09-05
Anticipated expiration: 2003-12-30
Also published as: DE3347501C3; DE3347501C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hartmetalleinsatz-
körper mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Derartige Hartmetalleinsatzkörper werden überall dort verwendet, wo hochvergüteter Werkzeugstahl in bezug auf seine Widerstandsfähigkeit gegen Reibung-, Druck, Schlag-, Biege- oder Stoßbelastung nicht mehr ausreicht. Der Werkstoff derartiger Hartmetalleinsätze besteht überwiegend aus Wolframkarbid und Kobalt, sowie verschiedener Additive, und wird bekanntlich im Zuge der Herstellung aus pulverisierten Ausgangsmaterialien nach dem Vorsintern und der endgültigen Formgebung bei Temperaturen zwischen 1.400 und l.5000C fertiggesintert. Das auf diese Weise entstehende Material kann in einer Härte hergestellt werden, welche der von Diamant sehr nahe kommt. Der Einsatz erfolgt überall dort, wo Werkzeugspitzen oder -schneiden oder auch besondere Maschinenteile durch Reibung, Druck, Biegung, Stoß oder auf ähnliche Weise hoch belastet werden, um einen vorzeitigen Verschleiß zu vermeiden.
Es ist bekannt, Werkzeuge, wie beispielsweise Gcstcinsbollrcr oder Meißel, oder auch Maschinenteile je nach Aufgabe mit Hartmetalleinsatzkörpern zu bestücken, welche in ihrer Werkstoffkonsistenz erhebliche Unterschiede in den Härte- bzw.
Zähigkeitsgraden oder in anderen Eigenschaften aufweisen.
Ein Nachteil der bei den verschiedenen Anwendungsbereichen verwendeten Hartmetalleinsatzkörpern besteht darin, daß diese entweder eine extrem große Härte oder aber eine extrem hohe Zähigkeit aufweisen. Es war bisher nicht möglich, beispielsweise hohe Zähigkeit und hohe Härte in einem Materialstück zu vereinigen. Es mußten somit in vielen Fällen Kompromisse eingegangen werden, wobei der Werkstoff der Hartmetalleinsatzkörper auf einen mittleren Härte- und Zähigkeitsgrad beschränkt wurde. In allen Fällen, in denen ein Hartmetalleinsatzkörper gleichzeitig einer starken Reibungs- sowie beispielsweise Schlagbelastung unterliegt, konnte durch die eingegangenen Kompromisse in der Materialzusammensetzung eine optimale Auslegung bzw.
Standzeit des betreffenden Werkzeuges nicht erreicht werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, Hartmetalleinsatzkörper der eingangs genannten Art zu schaffen, die gleichzeitig verschiedenen Belastungen, wie z. B. Reibungs- und Schlagbelastungen, widerstehen und für beide Fälle optimale Standzeiten aufweisen.
Ausgehend von einem Hartmetallkörper mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
Erfindungsgemäß sind die Hartmetallkörper in sich insbesondere so zusammengesetzt, daß die Schichten oder Raumteile abwechselnd aus vorzugsweise hartem und zähem Werkstoff bestehen. Dabei können grundsätzlich physikalisch andere Ausgangswerkstoffe verwendet werden, die vorgenannten Materialeigenschaften lassen sich aber auch durch unterschiedliche Behandlung ein und desselben Werkstoffes erzielen. Je nach Verwendungszweck des Hartmetallkörpers können die Materialschichten in bezug auf ihre Widerstands- -fähigkeit modifiziert und optimiert werden. Es können nicht nur Schichten extrem harter und extrem zäher Materialien, sondern beispielsweise auch solche mit lediglich voneinander abweichenden Materialeigenschaften nebeneinander angeordnet werden.
Als bevorzugte Herstellung von Hartmetallkörpern nach der Erfindung soll derart vorgegangen werden, daß die abwechselnde Schichtung oder Anordnung von Material verschiedener Zusammensetzung bereits bei den feinstgemahlenen pulverförmigen Ausgangsstoffen vorgenommen wird, die anschließend gesintert und damit zu einem zusammenhängenden Körper verbunden werden.
In Fällen, wo die aneinander angrenzenden verschiedenen Materialien während des Sintervorganges bei ca. 1.400 bis l.5000C schlechte Verbindungseigenschaften zeigen oder für den Fall, daß die Werkstoffspannungen infolge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zu groß sind, wird zwischen zwei Materialsorten eine vorzugsweise sehr dünne Grenzschicht zwischengelegt, welche aus einer dritten Werkstoffsorte besteht, die mit den benachbarten Materialien gute oder doch bessere Verbindungen einzugehen in der Lage ist.
Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit, Werkstoffschichten bzw. Abschnitte verschiedener Zusammensetzung beim Sintern zu einem Körper zusammenzufügen, besteht darin, das pulverförmige Ausgangsmaterial durch dünne zusammenhängende Materialschichten, wie z. B. Folien, voneinander zu trennen und gleichzeitig schicht- bzw. abschnittsweise nebeneinandder zu placieren. Der Werkstoff für die Zwischenfolienlagen besteht dabei aus solchen Stoffen, die bei der hohen Sintertemperatur verbrennen oder verdampfen bzw. mit den angrenzenden Hartmetallmolekülen eine chemische oder andere innige Verbindung eingehen. Die für eine derartige Verwendung in Frage kommenden Folien können dabei nicht nur aus brennbaren Werkstoffen, wie z. B. Zell- oder Kunststoff, sondern auch aus sehr dünnen Metallfolien bestehen. Dabei werden dann vorzugsweise solche Metallfolien herangezogen, die sich bei der Erhitzung auf die Sintertemperatur verflüssigen und nach dem Abkühlen gewissermaßen eine Hartverlötung der angrenzenden Materialschichten bewirken. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit den in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispielen, deren nachfolgende Beschreibung die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 die Spitze eines Steinbohrers, welcher mit einem Hartmetalleinsatzkörper bestückt ist; Fig. 2 eine vergleichbare Bohrerspitze mit einer abweichenden Werkstoffstruktur des Hartmetalleinsatzkörpers; Fig. 3 eine weitere geänderte Struktur im Werkstoff eines Hartmetallkörpers der in Frage stehenden Art; -Fig. 4 einen Hartmetalleinsatzkörper mit unebenem Strukturverlauf; Fig. 5 einen Ausschnitt aus einem Hartmetalleinsatzkörper mit Verzahnung zwischen den verschiedenen Materialschichten; Fig. 6 ein Hartmetalleinsatzplättchen für Bohrer oder ähnliche Werkzeuge mit Materialschichten verschiedener Dicke; Fig. 7 einen Ausschnitt aus einem Hartmetalleinsatzkörper mit einer dünnen modifizierten Materialschicht an der Oberfläche; Fig. 8 einen Ausschnitt aus einem Hartmetalleinsatzkörper mit eingeschlossenen Werkstoffen abweichender Konsistenz in zylindrischer Form; Fig. 9 einen Hartmetalleinsatzkörper ausschnittsweise mit eingefügten Werkstoffteilen abweichender Zusammensetzung.
Die Figuren sind überwiegend in perspektivischer Ansicht dargestellt. In Fig. 1 ist der Hartmetalleinsatzkörper 1 vorzugsweise im Hartlötverfahren in einer Ausnehmung der Bohrerspitze 2 befestigt. Erfindungsgemäß weist der Hartmetalleinsatzkörper 1 eine geschichtete Materialstruktur auf, wobei in diesem Falle die Werkstoffschichten unterschiedlicher Zusammensetzung bzw. unterschiedlicher Härte- oder Zähigkeitsgrade parallel zur Oberfläche des Einsatzkörpers verlaufen. Die in der Zeichnung schraffiert dargestellten Materialabschnitte 3 und 4 stellen beispielsweise Werkstoffschichten dar, die gegenüber den Materialsektionen 5 und 6 einen besonders ausgeprägten Härtegrad aufweisen. Die schraffiert gezeichneten Werkstoff sektionen sind somit härter und widerstandsfähiger gegen Reibungsbelastung als die nicht schraffiert dargestellten Raumteile 5 und 6.
Die Raumteile 5 und 6 hingegen sind wiederum von besonderer Zähigkeit in ihrer Materialeigenschaft und widerstehen daher besonders gut einer Schlag- oder Stoßbelastung.
Wird eine derart ausgelegte Steinbohrerspitze beispielsweise-beim llammer- oder Schlagbohren eingesetzt, so bewirken die neben den harten Schichten 3 und 4 befindlichen zähen Werkstoffschichten 5 und 6, daß die harten Sektionen bei starker Schlagbelastung nicht ausbrechen können. In der Praxis wird die Dicke der einzelnen Schichten dabei so gewählt, daß ein Optimum an Standzeit für das betreffende Werkzeug erreicht wird. Das gilt auch für die Lage der einzelnen Raumteile verschiedener Zusammensetzung in bezug auf die Schneide des jeweiligen Werkzeuges oder dergleichen.
Fig. 2 zeigt eine weitere Steinbohrerspitze 10, in welche ein Hartmetalleinsatzkörper 11 durch Hartlöten festgelegt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel laufen die Materialschichten verschiedener Zusammensetzung mit ihren Schichtungsebenen etwa rechtwinklig zur Seitenfläche des Einsatzkörpers 11. Auch hier sind die schraffiert dargestellten Werkstoffabschnitte in ihrer Eigenschaft extrem hart und die dazwischenliegenden nicht schraffierten Abschnitte 13 extrem zäh ausgebildet. Beim Hammer- oder Schlagbohren mit einer solchen Bohrerspitze verhindern ebenfalls die zähen Materialabschnitte 13, daß die besonders harten Abschnitte 12 ausbrechen bzw. vorzeitig beschädigt werden. Die Abstände der einzelnen Werkstoffschichten werden dabei vorzugsweise derart unterschiedlich zur Bohrerlängsachse angeordnet, daß ein harter Abschnitt an der rechten Schneide bei Rotation des Bohrers den Abschnitt des zähen Werkstoffes an der linken Schneide abdeckt. Auf diese Weise wird die gesamte Grundfläche des jeweiligen Bohrlochs während einer Bohrerumdrehung immer wenigstens einmal mit den harten Materialabschnitten in Berührung gebracht.
In Fig. 4 ist ein weiterer Hartmetalleinsatzkörper dargestellt, welcher beispielsweise ebenfalls als Bohrerspitzeneinsatz oder als Meißeleinsatz verwendet werden kann. In diesem Falle verläuft die Schichtung der unterschiedlich zusammengesetzten Raumteile innerhalb des Hartmetallkörpers nicht in flachen Ebenen, sondern ist jeweils in sich gebogen, wobei die Biegungen der Schichtungsflächen nur in eine Richtung oder aber auch sphärisch ausgeführt sein können. Diese Anordnung der Materialschichtung ist für solche speziellen Fälle vorgesehen, in denen ausgeprägte Asymmetrie der Raumteile verschiedener Eigenschaften erforderlich ist. Auch in diesem Falle kann der Verlauf der harten, schraffiert gezeichneten Materialschicht 20 und der dazwischenliegenden Materialschicht 21 in beliebiger Richtung innerhalb des Einsatzkörpers verlaufen.
In Fig. 3 ist eine weitere Anordnung der unterschiedlichen Werkstoffschichten innerhalb des Hartmetalleinsatzkörpers 25 dargestellt. Bei dieser Ausführung verlaufen die unterschiedlichen Werkstoffschichten rechtwinklig zur Bohrer- bzw.
Werkzeuglängsachse, wodurch eine weitere Modifikation in der Wirkungsweise der sich gegenseitig abstützenden Materialien bei gleichzeitiger Reibungs- und Schlagbelastung des betreffenden Werkzeuges gegeben ist.
In Fig. 5 ist ein Ausschnitt aus einem Hartmetalleinsatzkörper beliebiger Form dargestellt, bei welchem die Werkstoff schichten unterschiedlicher Zusammensetzung in ihrer jeweiligen Schichtoberfläche zackenartig ausgebildet sind, so daß beispielsweise zähe und harte Materialien innig miteinander verbunden sind und im Zuge der Belastung gleichzeitig wirksam werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel können die Materialschichten 30 mit den dazwischenliegenden Schichten 31 einerseits durch die Zackenform miteinander in Verbindung gehalten werden, während gleichzeitig ein zusätzliches Zusammenlöten der einzelnen Schichten mittels zwischengelegter Metallschichten erfolgen kann. Auf diese Weise kann bei höchsten Belastungen eine besonders gute Werkstoffverbindung der einzelnen Schichten erreicht werden. Die formschlüssige Verbindung der einzelnen Werkstoffschichten kann erfindungsgemäß auch durch jede beliebige andere ineinandergreifende Form bewerkstelligt werden.
In Fig. 6 sind die Schichten verschiedener Werkstoffkonsistenz innerhalb des Hartmetalleinsatzkörpers in verschiedener Dicke ausgeführt. Dabei sind die Werkstoffschichten 35, die in der Nähe der Werkzeugspitze 36 verlaufen, dünner ausgelegt als die Schichten 37 im mittleren Bereich des Hartmetallkörpers. An den äußeren Kanten des Hartmetalleinsatzkörpers sind die Schichten 38 wiederum von geringerer Dicke, da hier im Bereich der Außenkanten wieder eine höhere Beanspruchung zu erwarten ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind die schraffiert gezeichneten Materialschichten vorzugsweise von extremer Härte, während die dazwischenliegenden Schichten 39 hinsichtlich der Materialzähigkeit optimiert sind.
Fig. 7 zeigt einen Ausschnitt aus einem Hartmetalleinsatzkörper, bei dem die l'läcile 40 besonders starker Reibungsbelastung und lokalisierter Stoßbelastung ausgesetzt ist.
Demzufolge besteht der untere überwiegende Teil 41 des Hartmetallkörpers aus besonders zähem Hartmetall, welcher an der Oberfläche bzw. im Verschleißbereich durch eine dünne Schicht 42 überlagert ist, deren Werkstoff besonders widerstandsfähig gegen Reibung ausgebildet ist. Auch in diesem Falle können die beiden Werkstoffschichten 41 und 42 durch Hartlöten miteinander verbunden werden. Die gesamte Form des Hartmetalleinsatzkörpers kann bei dieser Ausführung natürlich auch in Form von Rohren, Hülsen oder anderen beliebig geformten Einsätzen für Maschinenteile ausgebildet sein, wobei dann stets der größte Teil der Einsatzkörper aus zähem Hartmetall und nur eine dünne Deckschicht aus besonders hartem Werkstoff hergestellt wird.
Die Materialsorten und deren Raumverteilung kann je nach Verwendungszweck beliebig variiert werden.
Fig. 8 zeigt eine ähnliche Ausführung eines Hartmetalleinsatzkörpers bzw. einen Ausschnitt desselben. In diesem Falle ist der überwiegende Teil bzw. das Grundmaterial 45 des Einsatzes in zäher Qualität ausgeführt. Innerhalb dieses Grundmaterials 45 befinden sich eingelegte Raumteile 46 aus extrem hartem Werkstoff, die die Möglichkeit der gesteigerten Reibungsbelastung des Hartmetalleinsatzkörpers gewährleisten. Die eingefügten Raumteile abweichender Materialkonsistenz können abweichend von der zeichnerischen Darstellung jede gewünschte oder erforderliche Form aufweisen.
Fig. 9 zeigt eine abgewandelte Ausführung des Beispieles gemäß Fig. 8. Die in das Grundmaterial des Einsatzkörpers eingefügten Raumteile abweichender Materialkonsistenz sind hier von unterschiedlicher Raumform. Die eingefügten Teile können dabei zwischen feinster und gröbster Körnung variiert werden. Ihre Materialeigenschaft ist vorzugsweise härter und somit widerstandsfähiger gegen Reibungsbelastung als das sie umgebende Grundmaterial.
Bei allen Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 bis 9 kann das Zusammenfügen der unterschiedlichen Werkstoff sorten während des Sintervorganges erfolgen. Das bedeutet, daß die verschiedenartigen Raumteile bereits in Pulverform geschichtet oder räumlich angeordnet und durch das nachfolgende Sinterverfahren zu einer llartmetalleinheit zusammengefügt werden. Dabei kann auch so vorgegangen werden, daß die eine Werkstoffsorte im vorgesinterten oder gepreßten Zustand in den pulverförmigen Werkstoff der anderen Werkstoffsorte vor dem Fertigsintern eingeführt wird. Vorgesinterte oder vorgepreßte Ausgangswerkstoffe können aber auch - vorzugsweise nach Aufrauhen der Oberfläche - eine weitere pulverförmige, vorgepreßte oder vorgesinterte Werkstoffschicht anderer Zusammensetzung erhalten und anschließend fertiggesintert werden.
Eine weitere Art, die Raumteile oder Schichten verschiedener Werkstoffzusammensetzung miteinander fest zu verbinden, besteht darin, diese durch an sich bekannte Metallklebung zusammenzufügen.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß Hartmetalleinsatzkörper für Werkzeuge jeder Art sowie für Maschinenverschleißteile so ausgelegt sind, daß sie den verschiedenen Belastungen durch Reibung, Schlag, Stoß, Druck oder Biegung gleichzeitig optimal widerstehen können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Schichtung bzw. Raumanordnung der Materialien mit unterschiedlichen I:iy#'i#.'scIiafLen innerhalb eines gcsclilossciien i!sinsaLzkörpers derart angeordnet werden können, daß an der Stelle höchster oder einer besonderen Belastung auch die richtige Hartmetallsorte - und sei es in dünnster Schicht - vorgesehen sein kann. Durch die Erfindung wird somit erreicht, daß die ohnehin schon relativ hohen Standzeiten von Werkzeugen oder Maschinenteilen mit Hartmetalleinsatzkörpern noch wesentlich verlängert werden können. Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren der beschriebenen Hartmetalleinsatzkörper ist ferner eine wirtschaftliche und optimale Fertigung der Hartmetalleinsätze für die verschiedenen Anwendungsbereiche sichergestellt.

Claims

Hartmetalleinsatzkörper Patentansprüche 1. Hartmetalleinsatzkörper als Werkzeug bzw. für den Einsatz an entsprechend belasteten Stellen von Werkzeugen, insbesondere solche mit Reit- und Schlagbelastung, beispielsweise für die Bearbeitung von Gestein, Beton, Keramik oder dergleichen Material, sowie für Maschinenverschleißteile, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß er aus fest verbundenen Raumteilen (3-6; 12, 13; 20, 21; 30, 31; 35-39; 40-42; 45, 46) besteht, die vorzugsweise schicht-, teil-, abschnitts- oder wechselweise eine Einheit (1; 11; 25) bildend angeordnet sind.
2. Körper nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Schichten oder Raumteile (3-6; 12, 13; 20, 21; 30, 31; 35-39; 40-42) abwechselnd aus hartem und zähem Material bestehen.
3. Körper nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Berührungsflächen der Materialschichten (3-6; 12, 13; 20, 21; 30, 31; 35-39; 40-42; 45, 46) je nach Belastungsart des Einsatzkörpers (1; 11; 25) wahlweise in verschiedenen Richtungen, z. B. parallel oder winkelig zu einer vorhandenen Schneidkante oder Schneide, Reibungsfläche oder dergleichen Belastungsteil des jeweiligen Werkzeuges oder Maschinenteiles, verlaufen.
4. Körper nach einem der Ansprüche 1 - 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Berührungsflächen der Schichten verschiedener Hartmetallmaterialien (20, 21) wellig, sphärisch oder in anderer beliebiger von einer flachen Ebene abweichender Form verlaufen.
5. Körper nach einem der Ansprüche 1 - 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die einzelnen verschiedenen Materialschichten (3-6; 12, 13; 20, 21; 30, 31; 35-39; 40-42; 45, 46) reib- oder formschlüssig und/ oder durch Zusammenlöten, -schweißen oder auf ähnliche Weise miteinander fest verbunden sind.
6. Körper nach einem der Ansprüche 1 - 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Dicke der verschiedenen Materialschichten (35-39) innerhalb des Körpers je nach Verwendungszweck desselben unterschiedlich ist.
7. Körper nach einem der Ansprüche 1 - 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schichtung in feinster Form, beispielsweise in einer Dicke von 1/1000 bis 1/10 mm ausgeführt ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Hartmetalleinsatzkörpers, insbesondere eines solchen nach einem der Ansprüche 1 - 7, bei dem der Hartmetallkörper aus Raumteilen verschieden zusammengesetzter Materialien, insbesondere verschiedener Härte- bzw. Zähigkeitsgrade, besteht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die abwechselnde Schichtung bzw. Anordnung von Material verschiedener Zusammensetzung oder Sorte bereits bei den feinstgemahlenen pulverförmigen Ausgangsstoffen des Hartmetalls vorgenommen wird, welche anschließend gesintert und dabei zu einem zusammenhängenden Körper zusammengefügt werden.
9. Verfahren zur Herstellung eines Körpers nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei der Schichtung der pulverförmigen Ausgangsstoffe zwischen die Materialschichten verschiedener Zusammcnsetzung oder Sorte jeweils eine - vorzugsweise dünne -Zwischenschicht eingefügt wird, welche aus solchen Stoffen zusammengesetzt ist, die eine feste Verbindung der Hauptschichten während des Sintervorganges herbeiführen.
10.Verfahren zur Herstellung eines Körpers nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Schichten verschieden zusammengesetzter Ausgangsstoffe vor dem Sintern mittels Zwischenlagen - vorzugsweise in Form von Folien eines zusammenhängenden Materials - getrennt werden, wobei die Zwischenlagen aus solchen Materialien bestehen, welche beim Sintervorgang - insbesondere beim Fertigsintern - infolge der Wärmezufuhr verbrennen oder verdampfen und/oder mit dem angrenzenden Werkstoff eine chemische oder molekulare Verbindung eingehen.
11. Verfahren zur Herstellung eines Körpers nach einem der Ansprüche 1 - 10, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Materialschichten verschiedener Zusammensetzung bzw. verschiedener Sorten durch an sich bekannte Metallklebeverfahren miteinander verbunden werden.