EP1534871B1 - Verwendung einer hartmetalllegierung - Google Patents

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EP1534871B1
EP1534871B1 EP03790536A EP03790536A EP1534871B1 EP 1534871 B1 EP1534871 B1 EP 1534871B1 EP 03790536 A EP03790536 A EP 03790536A EP 03790536 A EP03790536 A EP 03790536A EP 1534871 B1 EP1534871 B1 EP 1534871B1
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EP
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screwdriver
hard metal
metal alloy
tungsten carbide
cobalt
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EP03790536A
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Alfred Bernhard
Ronald Huber
Alfred Knittel
Michael Schretter
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Ceratizit Austria GmbH
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Ceratizit Austria GmbH
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C22C29/08—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds based on tungsten carbide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25B—TOOLS OR BENCH DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, FOR FASTENING, CONNECTING, DISENGAGING, OR HOLDING
    • B25B15/00—Screwdrivers
    • B25B15/001—Screwdrivers characterised by material or shape of the tool bit
    • B25B15/002—Screwdrivers characterised by material or shape of the tool bit characterised by material used or surface finishing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to the use of a hard metal alloy for screwdriver bits.
  • Such screwdriver bits are often referred to as screwdriver bits are received in a holder or directly in the screwing tool and usually have a hexagonal-shaped receiving shaft and a tip, also referred to as the output, on.
  • the shape or profile of the tip is matched to the head shape of the screw to be screwed.
  • screws with slotted heads, with Phillips heads of different shapes, and with inner Torx heads are widely used.
  • the screwdriver bits are primarily made of steel, which is usually cured to a hardness between 54 and 62 HRC. At this hardness, such screwdriver bits made of steel usually have sufficient toughness to accommodate the stress occurring during the screwing on torsion without damage.
  • the JP 02 204592 A , the DE 296 17 040 U as well as the US-A-4753678 describe fine-grained tungsten carbide hard metal alloys as the main constituent with cobalt binder or with a binder system of iron, cobalt and nickel.
  • drilling tools or cutting tools which operate at high speeds or high cutting speeds and which do not have to transmit high torques and are primarily claimed for mechanical wear and only to a small extent on Torosion ,
  • the FR-A-2 469 250 describes more generally a carbide material such as tungsten carbide without further details of the exact composition for the production of specially designed screwdriver bits.
  • the object of the present invention is to provide for screwdriver bits, a material that exceeds the previously known materials for such applications in its properties.
  • this is achieved by using a hard metal alloy consisting essentially of tungsten carbide with an average particle size of less than 1.2 ⁇ m and from 13 to 23% by weight binder metal selected from one or more metals from the group of cobalt, iron and nickel.
  • This special hard metal alloy brings significant improvements in wear resistance and at the same time excellent results in terms of torsional strength. This was surprising in particular because not particularly hard carbide alloys, as expected, have good torsional strength, but rather an alloy group which has only below-average values with regard to toughness.
  • the torsional strength depending on the specific shape and size of the manufactured part is in the range of 1,800 to 2,400 N / mm 2 .
  • the alloy consists essentially of tungsten carbide means that minor amounts of other hard materials, in particular other carbides, of the order of up to about 10% by weight may be present in the alloy without significantly changing the advantageous properties.
  • a cemented tungsten carbide hard metal alloy having a mean grain size in the range from 0.7 to 0.9 ⁇ m and from 13 to 17% by weight cobalt binder has proven particularly suitable for the use according to the invention.
  • An advantageous order of magnitude has proven to be a proportion of up to 200 grains / mm 2 with a mean particle size in the range of 6 to 15 ⁇ m.
  • the formation of the coarse grain fraction is effected by a slight sintering of the hard metal alloy during production. Without forming a coarse grain fraction sintering of the hard metal alloy according to the invention takes place at a temperature of about 1400 ° C, during a period of about 60 minutes.
  • the sintering to form the coarse grain fraction is achieved by increasing the sintering temperature to about 1440 ° C and extending the sintering time to about 90 minutes.
  • granules are produced from the hard metal powder mixture and an organic binder, such as waxes or polymers, by mixing and heated in an injection molding machine to temperatures between about 100 and 200 ° C and injected through a press into correspondingly executed molds. After cooling the mixture, the blanks, which already have excellent strength, are ejected from the injection mold and then debinded in respective ovens and sintered to form a liquid phase of the binder metal portion.
  • the resulting volumetric shrinkage is on the order of about 50%, the achieved sintering density at nearly 100% of the theoretical density.
  • targeted fillets can be incorporated in the injection mold on particularly vulnerable edges on the screwdriver bit, which allows high torques to be transmitted without breakage hazard due to the reduced notch effect on the screwdriver bit.
  • the metal powder injection molding alone by a specific surface finish of the injection mold allows a particularly structured design of the profile surface of the screwdriver bit, through which even with a lower contact force of the screwdriver bit slipping it can be largely prevented from the screw head, whereby the service life of the screwdriver bit is extended.
  • An additional enhanced effect in this direction can be achieved through the Incorporation of ultrahard particles, eg diamond grains, in the course of the injection molding process in the injection mold reach.
  • rod-shaped samples of a hard metal alloy according to the invention referred to as samples 1 in Table 1, were prepared from 85% by weight tungsten carbide with a mean grain size of 0.7 ⁇ m, balance cobalt.
  • the samples had a hexagonal profile with a cylindrical central part.
  • the total length of the samples was 38 mm with a key width of the hexagonal profile of 5 mm.
  • the cylindrical center portion of the samples had a length of 16 mm and a diameter of 3.8 mm.
  • the resulting cross section of the central part corresponds approximately to the shear cross section of the screwdriver bits most frequently used in practice.
  • a block with the dimensions 70 mm x 46 mm x 25 mm was prepared by pressing the powder mixture of the hard metal alloy according to the invention with a pressure of 220 MPa.
  • the samples were cut with their hexagon basic shape from the middle part by means of diamond discs. Then the samples were sintered at 1420 ° C for 60 minutes.
  • Sample 5 Similar samples of hardened steel, referred to as Sample 5 in Table 1, were prepared.
  • the steel had a composition customary for the production of screwdriver bits.
  • These samples were also tested for flexural strength and torsional strength and their averages are listed in Table 1.
  • the hard metal alloy according to the invention has the best values in terms of torsional strength compared with the other hard metal alloys. Your values in the Torsional strength is comparable to the values of the steel alloy. Since carbide also has significantly better wear resistance properties compared to steel, there is a serious advantage of the hard metal alloy. It is particularly surprising that hard metal alloys with high toughness and good or even higher bending strength have worse, sometimes even significantly worse values in the torsional strength.

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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 μm 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 Hartmetalllegierung für Schraubendrehereinsätze.
  • Derartige Schraubendrehereinsätze vielfach auch als Schrauberbits bezeichnet 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.
  • Die JP 02 204592 A , die DE 296 17 040 U sowie die US-A-4753678 beschreiben feinkörnige Hartmetalllegierungen aus Wolframkarbid als Hauptbestandteil mit Kobaltbinder bzw. mit einem Bindersystem aus Eisen, Kobalt und Nickel.
  • Als Teile, für welche diese Hartmetalllegierungen zum Einsatz kommen, werden Bohrwerkzeuge bzw. Schneidwerkzeuge beschrieben, welche mit hohen Drehzahlen bzw. hoher Schnittgeschwindigkeit arbeiten und die keine hohen Drehmomente übertragen müssen und in erster Linie auf mechanischen Verschleiß und nur in geringem Maß auf Torosion beansprucht werden.
  • Die FR-A-2 469 250 beschreibt ganz allgemein einen karbidischen Werkstoff wie Wolframkarbid ohne nähere Angaben über die genaue Zusammensetzung für die Herstellung speziell ausgestalteter Schraubendrehereinsätze.
  • Zur Gänze aus Hartmetall gefertigte Schraubendrehereinsätze sind aufgrund Bedenken einer zu geringen Torsionsfestigkeit bis jetzt in der Praxis jedenfalls noch nicht zur Anwendung gekommen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für Schraubendrehereinsätze, 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 µm 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 aufweise, 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 µm 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 µm 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.
  • 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 200°C 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 Hartmetalllegierung, in Tabelle 1 als Proben 1 bezeichnet, aus 85 Gew.% Wolframkarbid mit einer mittleren Korngröße von 0,7 µm, 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 1.420° 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 µm eingeschliffen. 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 µm, Rest Kobalt, in Tabelle 1 als Proben 2 bezeichnet, weiters aus einer Hartmetalllegierung, bestehend aus 85 Gew.% Wolframkarbid mit einer mittleren Korngröße von 1,5 µm, Rest Kobalt, in Tabelle 1 als Proben 3 bezeichnet, sowie schließlich aus einer Hartmetalllegierung, bestehend aus 80 Gew.% Wolframkarbid mit einer mittleren Korngröße von 1,5 µm, 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
    Proben Zusammensetzung Biegebruchfestigkeit Torsionsfestigkeit
    [N/mm2] [N/mm2]
    1 85 Gew.% WC, 0,7 µm 3.300 2.300
    (erfindungsgemäß) Rest Co
    2 75 Gew.% WC, 3 µm 2.500 1.200
    Rest Co
    3 85 Gew.% WC, 1,5 µm 3.400 1.900
    Rest Co
    4 80 Gew.% WC, 1,5 µm 3.100 1.350
    Rest Co
    5 Stahl 4.400 2.300
  • Aus der Tabelle ist zu ersehen, dass die erfindungsgemäße Hartmetalllegierung 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 Hartmetalllegierung. 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 (7)

  1. Verwendung einer Hartmetalllegierung aus im wesentlichen Wolframkarbid mit einer mittleren Korngröße kleiner 1,2 µm und aus 13 bis 23 Gew.% Bindemetall ausgewählt aus einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Kobalt, Eisen und Nickel für Schraubendrehereinsätze.
  2. Verwendung einer Hartmetalllegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartmetalllegierung aus Wolframkarbid mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 0,7 bis 0,9 µm 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 einer mittleren Korngröße im Bereich von 6 - 15 µm aufweist.
  4. Schraubendrehereinsatz aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Schraubendrehereinsatzes nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung durch Metallpulverspritzgießen erfolgt.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Schraubendrehereinsatzes nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Spritzgussform unmittelbar unter der Schraubendreherspitze mehrere parallele, etwa 45° zur Längsachse des Schraubendrehereinsatzes verlaufende stegförmige Erhebungen eingearbeitet sind.
  7. Schraubendrehereinsatz, hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er unmittelbar unter der Schraubendreherspitze mehrere parallele, etwa 45° zur Längsachse des Schraubendrehereinsatzes verlaufende Nuten aufweist.
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