EP1581663A2 - Hartmetallformkörper - Google Patents

Hartmetallformkörper

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EP1581663A2
EP1581663A2 EP03815057A EP03815057A EP1581663A2 EP 1581663 A2 EP1581663 A2 EP 1581663A2 EP 03815057 A EP03815057 A EP 03815057A EP 03815057 A EP03815057 A EP 03815057A EP 1581663 A2 EP1581663 A2 EP 1581663A2
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EP
European Patent Office
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binder
tungsten carbide
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molded body
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EP03815057A
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EP1581663B1 (de
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Heinz Westermann
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Ceratizit Deutschland GmbH
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Ceratizit Deutschland GmbH
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a hard metal molding and in particular to a screwdriver tip (bit) containing a tungsten carbide hard metal.
  • Tungsten carbide moldings and in particular screwdriver tips are currently made from steel alloys. Due to the low wear resistance of this material, there is a high demand for more wear-resistant materials. Hard metals are generally suitable as wear-resistant materials because of their high hardness and high wear resistance.
  • tungsten carbide WC
  • These alloys exist like the classic tungsten carbide hard metals; however, the cobalt binder is replaced by a complex binder alloy consisting essentially of iron, cobalt and nickel.
  • CERMETS sintered hard metal moldings
  • Co-Ni-Fe binders consist of about 40 to 90% by weight cobalt and the rest essentially consist of nickel and iron, the contents being nickel and iron at most. 36% by weight with a Ni-Fe ratio of about 1.5: 1 to 1: 1.5.
  • Such cemented carbide bodies are used as cutting inserts and indexable inserts, but are less suitable as a material for screwdriver tips because of their very low torque.
  • Tungsten carbide-hard metal alloys containing an alloy binder made of iron, cobalt and nickel have already been described for woodworking.
  • DE 296 17 040 U1 describes a tungsten carbide hard alloy with a binder system made of iron, cobalt and nickel and a WC grain size ⁇ 1 ⁇ m, the total binder content of the binder system being 3 to 30% by weight and the proportion of iron in the Binder system> than 50 wt .-%.
  • the invention is based on the object of providing hard metal moldings, in particular screwdriver tips, from a material which combines the high strength and corrosion resistance of classic hard metal alloys with the toughness and torque resistance of steels in such a way that the future DIN requirements for torque resistance, in particular of Screwdriver tips met.
  • the object is achieved according to the invention by shaped hard metal bodies containing, in particular, 55 to 85% by weight of tungsten carbide with a grain size in the range from 0.1 ⁇ m to 6.0 ⁇ m in the sintered state and 15 to 45% by weight. % of a binder, the binder containing at least 50% by weight of iron, 2 to 40% by weight of cobalt and 5 to 40% by weight of nickel.
  • a characteristic of the hard metal used in this way is its significantly improved ability compared to classic hard metals.
  • the toughness is determined, for example, with the help of the Palmquist measurement: the K ⁇ C values determined therefrom reached values of 20 to 25 MPa-m 1/2 , while values of 15 MPa-m 1 2 are achieved in classic hard metal alloys.
  • the tungsten carbide particularly advantageously has a grain size in the range from 0.2 ⁇ m to 6.0 ⁇ m in the sintered state, the shaped body preferably containing 20 to 40% by weight of the binder.
  • the high iron content and, in particular, compliance with the upper limit for the cobalt content are necessary in order to counteract an otherwise embrittlement of the hard metal and to maintain the necessary high toughness.
  • Carbon contents in WC-Fe alloys should be in a narrow range of +0.03% by weight in order to free and embrittle phases such as eta phases On the other hand to prevent carbon. Both phases lead to a partially extreme deterioration in the toughness properties.
  • the possible carbon window is widened by the addition of cobalt and nickel. This makes the properties easier to adjust.
  • the grain sizes of the tungsten carbide in the sintered state should preferably be ultrafine to coarse, i.e. H. 0.2 to 6.0 ⁇ m. Grain sizes of 0.6 to 4.0 ⁇ m are preferred. Particularly good values in terms of impact strength (KIc value) are achieved with grain sizes in the range from 1.0 to 4.0 ⁇ m and very particularly with grain sizes that are described as medium or coarse (> 1.3 ⁇ m) ,
  • the proportion of tungsten carbide is 60% by weight to 80% by weight, in particular 70 to 75% by weight, and the binder proportion is accordingly 20% by weight to 40% by weight, in particular 25 to 30 wt .-% is. This ensures that maximum toughness combined with great hardness is achieved.
  • the binder contains at least 50, preferably 60 to 85, very particularly preferably 70 to 80% by weight of iron, 5 to 15% by weight, preferably 5 to 10% by weight of cobalt and contains 5 to 25, preferably 10 to 20 wt .-% nickel. This is therefore particularly preferred.
  • the quantitative characterization of the grain sizes of WC-Co hard metals is usually carried out as an area analysis of an etched cut (equivalent circle diameter). The real image can be reconstructed using image processing, so that the particle surfaces are evaluated using computer programs. For each grain, the computer maps a circular area corresponding to the area of the particle. The diameter of this circle is determined.
  • this method evaluates a cut surface through the material, this method, in contrast to chord length measurement, in which a line is laid through the material, comes closer to the true spatial grain size distribution. This parameter should therefore correlate better with the material properties.
  • a factor between 1.3 and 1.5 is generally given for converting the mean value from the area analysis into an average value from the linear analysis. However, this is only an approximation and depends on the shape of the grains.
  • the hard metal molded body in particular a screwdriver tip, contains at least one carbide, nitride and / or carbonitride of at least one of the elements of groups IVa, Va and Via of the periodic table, which contains chemical elements, with the proviso that the total content of these carbides, nitrides and / or carbonitrides 0.1 to 4, in particular 0.2 to 2 wt .-%, based on the total proportion in the alloy.
  • Carbides, nitrides or carbonitrides usually have the function that
  • a particular advantage of the present invention is that the proportion of carbides, nitrides and carbonitrides is kept particularly low can, since the grain size hardly increases during the sintering process.
  • Optimal wear resistance and hardness are achieved if the total content of the carbides, nitrides and / or carbonitrides is in the specified range, in particular if the content of vanadium carbide is 0.05 to 1% by weight, the content of the alloy in tantalum carbide is 0.2% to 10 wt .-% and the chromium carbide content is 0.2 to 5 wt .-%, each based on the binder.
  • the absolute content of carbides, nitrides and carbonitrides is in each case dependent on the respective binder and is therefore given in% by weight, based on the binder.
  • the hard metals described above can in principle be used as a material in applications in which a similar optimization of wear resistance, hardness and toughness or torque resistance is required. Such applications are, for example, screwdriver tips.
  • screwdriver tips according to the invention consist of the hard metal molded body only in the area of application (head) or, for example, has a hard metal coating on steel is advantageous and most inexpensive.
  • an area of application (head) made of hard metal can be soldered onto a carrier.
  • a screwdriver tip made of the hard metal for example made of injection molding, is particularly preferred.
  • Screwdriver tips (bits) in dimensions PZ2 were made from a complex binder alloy consisting of 80% by weight of the WC and 20% by weight of the binder according to Example 1. These screwdriver tips achieved a torque value of 11.5 - 12 Nm in the torsion test, and thus met the minimum requirements of 11.3 Nm specified in DIN 5261.
  • Screwdriver tips (bits) of dimension PZ2 made with a classic WC-Co alloy, containing 85% by weight WC and 15% by weight Co with a grain size of the WC of 2-3 ⁇ m in the sintered state, achieved torque values in the torsion test of 8 Nm. This means that only around 70% of the nominal value according to DIN 5261 of at least 11.3 Nm was achieved.

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Description

Hartmetallformkörper
Die Erfindung betrifft einen Hartmetallformkörper und insbesondere eine Schraubendreherspitze (bit), enthaltend ein Wolframcarbid-Hartmetall.
Hartmetallformkörper und insbesondere Schraubendreherspitzen werden derzeit aus Stahllegierungen gefertigt. Aufgrund der geringen Verschleiß- beständigkeit dieses Materials besteht ein hoher Bedarf an verschleißbeständigeren Materialien. Als verschleißbeständige Materialien bieten sich grundsätzlich Hartmetalle wegen ihrer hohen Härte und hohen Verschleißbeständigkeit an.
Hartmetalle klassischer Zusammensetzungen sind jedoch aufgrund ihrer Struktur und Zusammensetzung wesentlich spröder als Stähle und damit nicht in der Lage die für Schraubendreherspitzen geforderten Drehmomentkräften zu gewährleisten. In der noch nicht in Kraft getretenen DIN 5261 wird beispielsweise für eine Prüfgröße 0 (1) für die Form PZ bei Maschinenbetätigung ein Mindestdrehmoment von 1,3 (4,3) Nm gefordert. Herkömmliche Spitzen aus Hartmetallen brechen bereits bei Drehmomentwerten, die nur etwa 50 % der DIN geforderten Werte entsprechen.
Als Binder für Wolframcarbid (WC) werden in neuerer Zeit auch Komplexbinder-Legierungen eingesetzt. Diese Legierungen bestehen wie die klassischen Hartmetalle aus Wolframcarbid; der Cobaltbinder ist hierbei allerdings ersetzt durch eine komplex zusammengesetzte Binderlegierung aus im wesentlichen Eisen, Cobalt und Nickel.
So beschreibt beispielsweise die DE 199 07 749 AI gesinterte Hartmetallformkörper (CERMETS) mit Co-Ni-Fe-Bindem, die aus etwa 40 bis 90 Gew.-% Cobalt und zum Rest im wesentlichen aus Nickel und Eisen bestehen, wobei die Gehalte an Nickel und Eisen jeweils höchstens. 36 Gew.-% betragen mit einem Ni-Fe-Verhältnis von etwa 1,5 : 1 bis 1 : 1,5. Solche Sinterhartmetallkörper finden Verwendung als Schneideinsätze und Wendeschneidplatten, eignen sich jedoch wegen nur sehr geringer Dreh momentfestig keit weniger als Material für Schraubendreherspitzen.
Für die Holzbearbeitung sind bereits Wolframcarbid-Hartmetall- Legierungen beschrieben, die einen Legierungsbinder aus Eisen, Cobalt und Nickel enthalten. So wird in DE 296 17 040 Ul eine Wolframcarbid- Hartstoffiegierung mit einem Bindersystem aus Eisen, Cobalt und Nickel und einer WC-Körngröße < als 1 μm beschrieben, wobei der Gesamtbindergehalt des Bindersystems 3 bis 30 Gew.-% und der Anteil an Eisen im Bindersystem > als 50 Gew.-% beträgt.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Hartmetallformkörper, insbesondere Schraubendreherspitzen aus einem Material bereitzustellen, dass hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit klassischer Hartmetalllegierungen mit der Zähigkeit und Drehmomentfestigkeit von Stählen derart verbindet, dass die zukünftigen DIN-Anforderungen für die Dreh momentfestig keit, insbesondere von Schraubendreherspitzen erfüllt. In einer ersten Ausführungsform wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch Hartmetallformkörper, enthaltend, insbesondere bestehend aus, 55 bis 85 Gew.-% Wolframcarbid einer Korngröße im Bereich von 0,1 μm bis 6,0 μm im gesinterten Zustand und 15 bis 45 Gew.-% eines Binders, wobei der Binder wenigstens 50 Gew.-% Eisen, 2 bis 40 Gew.- % Cobalt und 5 bis 40 Gew.-% Nickel enthält.
Ein Kennzeichen des so eingesetzten Hartmetalls ist seine wesentlich verbesserte Fähigkeit gegenüber klassischen Hartmetallen.
Die Bestimmung der Zähigkeit erfolgt beispielsweise mit Hilfe der Palmquist-Messung: die daraus bestimmten KιC-Werte erreichten Werte von 20 bis 25 MPa-m1/2, während bei klassischen Hartmetalllegierungen Werte von 15 MPa-m1 2 erreicht werden.
Mit den erfindungsgemäßen Hartmetallformkörpern besteht erstmals die Möglichkeit, Schraubendreherspitzen aus einem verschleißfesten Material herzustellen.
Besonders vorteilhaft weist das Wolframcarbid eine Korngröße im Bereich von 0,2 μm bis 6,0 μm im gesinterten Zustand auf, wobei der Formkörper bevorzugt 20 bis 40 Gew,-% des Binders enthält.
Der hohe Eisengehalt und insbesondere auch das Einhalten der Obergrenze für den Cobaltgehalt sind erforderlich, um einer sonst eintretenden Versprödung des Hartmetalls entgegenzuwirken und die notwendige hohe Zähigkeit zu erhalten. Kohlenstoffgehalte in WC-Fe- Legierungen sollten in einem engen Bereich von +0,03 Gew.-% liegen, um versprödende Phasen wie Eta-Phasen einerseits und freien Kohlenstoff andererseits zu verhindern. Beide Phasen führen zu einer teilweise extremen Verschlechterung der Zähigkeitseigenschaften.
Durch die Zugabe von Cobalt und Nickel wird das mögliche Kohlenstofffenster aufgeweitet. Dadurch sind die Eigenschaften besser einstellbar.
Im Sinne der Erfindung sollten die Korngrößen des Wolframcarbids im gesinterten Zustand vorzugsweise ultrafein bis grob sein, d. h. 0,2 bis 6,0 μm betragen. Bevorzugt sind dabei Korngrößen von 0,6 bis 4,0 μm. Besonders gute Werte in Bezug auf die Schlagzähigkeit (KIc-Wert) werden dabei mit Korngrößen im Bereich von 1,0 bis 4,0 μm und ganz besonders mit Korngrößen, die als mittel oder grob bezeichnet werden (> 1,3 μm), erzielt.
Aus diesen Gründen ist auch besonders bevorzugt, wenn der Anteil des Wolframcarbids 60 Gew.-% bis 80 Gew.-%, insbesondere 70 bis 75 Gew.-% und der Binderanteil entsprechend 20 Gew.-% bis 40 Gew.-%, insbesondere 25 bis 30 Gew.-% beträgt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass ein Maximum an Zähigkeit, verbunden mit großer Härte, erzielt wird.
Die besten Werte für eine Tors.ionsfestigkeit werden erreicht, wenn der Binder wenigstens 50, bevorzugt 60 bis 85, ganz besonders bevorzugt 70 bis 80 Gew-% Eisen, 5 bis 15 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 10 Gew.-% Cobalt und 5 bis 25, bevorzugt 10 bis 20 Gew.-% Nickel enthält. Dies ist daher in ganz besonderem Maße bevorzugt. Die quantitative Charakterisierung der Korngrößen von WC-Co- Hartmetallen erfolgt üblicherweise als Flächenanalyse eines geätzten Schliffes (äquivalenter Kreisdurchmesser). Das Realbild kann über Bildverarbeitung rekonstruiert werden, so dass die Partikelflächen mitteis Computerprogrammen ausgewertet werden. Dabei bildet der Computer für jedes Korn eine der Fläche des Teilchens entsprechende Kreisfläche ab. Der Durchmesser dieses Kreises wird bestimmt.
Da bei dieser Methode eine Schnittfläche durch den Werkstoff ausgewertet wird, kommt man mit dieser Methode im Gegensatz zur Sehnenlängenmessung, bei der eine Linie durch den Werkstoff gelegt wird, der wahren räumlichen Korngrößenverteilung näher. Dieser Parameter sollte folglich besser mit den Werkstoffeigenschaften korrelieren. Zur Umrechnung des Mittelwertes aus der Flächenanalyse in einem Mittelwert aus der Linearanalyse wird im allgemeinen ein Faktor zwischen 1,3 und 1,5 angegeben. Dies stellt jedoch nur eine Näherung dar und hängt von der Form der Körner ab.
Vorteilhaft ist auch, wenn der Hartmetallformkörper, insbesondere eine Schraubendreherspitze wenigstens ein Carbid, Nitrid und/oder Carbonitrid mindestens eines der Elemente der Gruppen IVa, Va und Via des Periodensystems , der chemischen Elemente enthält, mit der Maßgabe, dass der Gesamtgehalt dieser Carbide, Nitride und/oder Carbonitride 0,1 bis 4, insbesondere 0,2 bis 2 Gew.-%, bezogen auf den Gesamtanteil in der Legierung, beträgt.
Carbide, Nitride bzw. Carbonitride haben üblicherweise die Funktion, das
Wachstum der Korngröße des Hartmetalls zu beschränken. Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der Anteil an Carbiden, Nitriden und Carbonitriden besonders gering gehalten werden kann, da die Korngröße beim Sintervorgang kaum zunimmt. Optimale Verschleißfestigkeiten und Härten werden erzielt, wenn der Gesamtgehalt der Carbide, Nitride und/oder Carbonitride im angegebenen Bereich liegt, insbesondere wenn der Gehalt an Vanadiumcarbid 0,05 bis 1 Gew--%, der Gehalt der Legierung an Tantalcarbid 0,2 % bis 10 Gew.-% und der Gehalt an Chromcarbid 0,2 bis 5 Gew.-%, jeweils bezogen auf den Binder beträgt.
Dabei ist der absolute Gehalt an Carbiden, Nitriden und Carbonitriden jeweils abhängig von dem jeweiligen Binder und wird daher in Gew.-%, bezogen auf den Binder, angegeben.
Die vorstehend beschriebenen Hartmetalle können prinzipiell Verwendung finden als Werkstoff in Anwendungen, in denen eine ähnliche Optimierung von Verschleißfestigkeit, Härte und Zähigkeit bzw. Drehmomentbeständigkeit gefordert sind. Solche Anwendungen sind beispielsweise Schraubendreherspitzen.
Vorteilhaft und am preisgünstigsten ist eine Ausführungsform, in der die erfindungsgemäßen Schraubendreherspitzen nur im Anwendungsbereich (Kopf) aus dem Hartmetallformkörper besteht, oder beispielsweise eine Hartmetallbeschichtung auf Stahl aufweist. In ähnlicher Weise kann ein Anwendungsbereich (Kopf) aus Hartmetall auf einen Träger aufgelötet sein. Besonders bevorzugt ist weiterhin wegen gesteigerter Härte und Verschleißfestigkeit eine Schraubendreherspitze, die aus dem Hartmetall besteht, beispielsweise aus Spritzguss gefertigt ist. Ausführungsbeispiele:
Beispiel 1 : Aus einer Komplexbinderlegierung, bestehend aus 70 Gew.-% WC einer Korngröße des WC von 0,8 μm im gesinterten Zustand und 30 Gew.-% Binder mit einer Binderzusammensetzung Fe:Co:Ni = 70: 10:20 wurden Schraubendreherspitzen (Bits) in den Abmessungen PZ2 gefertigt. Diese Schraubendreherspitzen erzielten im Torsionstest Drehmomentwerte von 14,5 Nm, was eine Steigerung um 25 % gegenüber dem nach DIN 5261 geforderten Wert von 11,3 Nm ausmacht.
Beispiel 2:
Aus einer Komplexbinderlegierung, bestehend aus 80 Gew.-% des WC und 20 Gew.-% des Binders gemäß Beispiel 1 wurden Schraubendreherspitzen (Bits) in den Abmessungen PZ2 gefertigt. Diese Schraubendreherspitzen erzielten im Torsionstest Drehmomentwerte von 11,5 - 12 Nm, und erfüllten damit die nach DIN 5261 vorgeschriebenen Mindestanforderungen von 11,3 Nm.
Vergleichsbeispiel:
Schraubendreherspitzen (Bits) der Abmessung PZ2, gefertigt mit einer klassischen WC-Co-Legierung, enthaltend 85 Gew.-% WC und 15 Gew.- % Co bei einer Korngröße des WC von 2-3 μm im gesinterten Zustand, erzielten im Torsionstest Drehmomentwerte von 8 Nm. Damit wurden lediglich etwa 70 % des Sollwertes nach DIN 5261 von mindestens 11,3 Nm erreicht.

Claims

Patentansprüche:
1. Hartmetallformkörper enthaltend 55 bis 85 Gew.-% Wolframcarbid einer Korngröße im Bereich von 0,1 μm bis 6,0 μm im gesinterten Zustand und 15 bis 45 Gew.-% eines Binders, wobei der Binder wenigstens 50 Gew.-% Eisen, 2 bis 40 Gew.-% Cobalt und 5 bis 40 Gew.-% Nickel enthält.
2. Hartmetallfόrmkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wolframcarbid eine Korngröße im Bereich von 0,2 μm bis 6,0 μm im gesinterten Zustand aufweist, wobei der Formkörper 20 bis 40 Gew.-% des Binders enthält.
3. Hartmetallformkörper gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Wolframcarbids 60 Gew.-% bis 80 Gew.- %, insbesondere 70 bis 75 Gew.-% beträgt, wobei der Formkörper 20 bis 40 Gew.-%, insbesondere 25 bis 30 Gew.-% Binder enthält.
4. Hartmetallformkörper gemäß Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder wenigstens 50, insbesondere 60 bis 85, ganz besonders 70 bis 80 Gew-% Eisen, 5 bis 15 Gew.-%, insbesondere 5 bis 10 Gew.-% Cobalt und 5 bis 25, insbesondere 10 bis 20 Gew.-% Nickel enthält..
5. Hartmetallform kör per gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße des Wolframcarbids im gesinterten Zustand 1,0 bis 4,0 μm, insbesondere wenigstens 1,3 μm beträgt.
6. Hartmetallformkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens ein Carbid, Nitrid und/oder Carbonitrid mindestens eines der Elemente der Gruppen IVa, Va und Via enthält, mit der Maßgabe, dass der Gesamtgehalt dieser Carbide Nitride und/oder Carbonitride 0,1 bis 4, insbesondere 0,2 bis 2 Gew.-%, bezogen auf den Gesamtanteil in der Legierung, beträgt.
7. Hartmetallformkörper gemäß Anspruch 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Legierung bezogen auf den Binder 0,05 bis 1 Gew.-%
Vanadiumcarbid enthält.
8. Hartmetallformkörper gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung bezogen auf den Binder 0,2 bis 10 Gew.-% Tantalcarbid enthält.
9. Hartmetallformkörper gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung bezogen auf den Binder 0,2 bis 5 Gew.-% Chromcarbid enthält.
10. Schraubendreherspitze enthaltend einen, insbesondere bestehend aus einem Hartmetallformkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Schraubendreherspitze enthaltend eine Beschichtung im Bereich der Arbeitsfläche aus einem Hartmetallformkörper gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 9.
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DE10300420 2003-01-09
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