EP1581663B1 - Hartmetallformkörper - Google Patents

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EP1581663B1
EP1581663B1 EP03815057A EP03815057A EP1581663B1 EP 1581663 B1 EP1581663 B1 EP 1581663B1 EP 03815057 A EP03815057 A EP 03815057A EP 03815057 A EP03815057 A EP 03815057A EP 1581663 B1 EP1581663 B1 EP 1581663B1
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EP
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binder
carbide
screwdriver bit
hard metal
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EP03815057A
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Heinz Westermann
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Ceratizit Deutschland GmbH
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Ceratizit Deutschland GmbH
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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 screwdriver bit (bit) containing a tungsten carbide hard metal.
  • Carbide moldings and in particular screwdriver tips are currently made of steel alloys. Due to the low wear resistance of this material, there is a high demand for more wear resistant materials. As wear-resistant materials, carbides are generally available because of their high hardness and high wear resistance.
  • binders for tungsten carbide also complex binder alloys are used in recent times. These alloys consist of tungsten carbide like the classic hard metals; however, the cobalt binder is replaced by a complex binder alloy consisting essentially of iron, cobalt and nickel.
  • CERMETS sintered hard metal shaped bodies
  • Co-Ni-Fe binders consisting of about 40 to 90% by weight cobalt and the remainder consisting essentially of nickel and iron, the contents of nickel and iron each being at most 36% by weight be with a Ni: Fe ratio of about 1.5: 1 to 1: 1.5.
  • Such cemented carbide bodies find use as cutting inserts and indexable inserts, but are less suitable as material for screwdriver tips because of only very low torque resistance.
  • tungsten carbide hard metal alloys which contain an alloy binder of iron, cobalt and nickel. So will in DE 296 17 040 U1 a tungsten carbide hard material alloy with a binder system of iron, cobalt and nickel and a WC grain size ⁇ described as 1 micron, wherein the total binder content of the binder system 3 to 30 wt .-% and the proportion of iron in the binder system> than 50 wt .-% is.
  • Dissertation Prakash TU Düsseldorf 1979, p. 1, 39-41, 113-119, 199-202 describes hard metal moldings containing 80 wt .-% tungsten carbide of a particle size of about 1 micron and 20 wt .-% of a binder, wherein the binder 70 to 80 wt .-% iron, 5 to 10 wt .-% cobalt and 10 to 20 wt. - contains%.
  • the object of the invention is to provide screwdriver tips made of a material that have high strength and corrosion resistance of classic hard metal alloys with the toughness and torque resistance of steels of this type which meets the future DIN requirements for torque resistance, especially of screwdriver tips.
  • the object is achieved according to the invention by a screwdriver tip consisting of a hard metal molding consisting of 60 to 80% by weight of tungsten carbide having a particle size in the range of 0.1 ⁇ m to 6.0 ⁇ m in the sintered state and 20 to 40% by weight.
  • a binder optionally 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 of the Chemical Elements in a total content of 0.1 to 4, in particular 0.2 to 2 wt .-%, wherein the binder contains 60 to 85% by weight of iron, 5 to 15% by weight of cobalt and 5 to 25% 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, by means of the Palmquist measurement: the K IC values determined therefrom reached values of 20 to 25 MPa ⁇ m 1/2 , while values of 15 MPa ⁇ m 1/2 are achieved in the case of classic hard metal alloys.
  • the tungsten carbide has a particle size in the range of 0.2 microns to 6.0 microns in the sintered state.
  • the high iron content and in particular the observance of the upper limit for the cobalt content are required to counteract the otherwise occurring embrittlement of the hard metal and the to obtain necessary high toughness.
  • Carbon contents in WC-Fe alloys should be in a narrow range of ⁇ 0.03 wt% to prevent embrittling phases such as Eta phases on the one hand and free carbon on the other hand. Both phases lead to a partial extreme deterioration of the toughness properties.
  • the grain sizes of the tungsten carbide in the sintered state should preferably be ultrafine to coarse, ie 0.2 to 6.0 microns. In this case, grain sizes of 0.6 to 4.0 microns are preferred. Particularly good values with respect to the impact strength (KI C value) are in this case with particle sizes in the range of 1.0 to 4.0 microns and especially with grain sizes, which are referred to as medium or coarse ( ⁇ 1.3 microns), achieved.
  • the proportion of the tungsten carbide 70 to 75 wt .-% and the binder content corresponding to 25 to 30 wt .-% is. In this way it is ensured that maximum toughness combined with high hardness is achieved.
  • the best values for a torsional strength are achieved when the binder, preferably 60 to 85, more preferably 70 to 80 wt% iron, preferably 5 to 10 wt .-% cobalt and 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 a surface analysis of an etched cut (equivalent circular diameter).
  • the real image can be reconstructed via image processing, so that the particle surfaces are evaluated by means of computer programs.
  • the computer forms for each grain one of the surface of the particle corresponding circular area. The diameter of this circle is determined.
  • Carbides, nitrides or carbonitrides usually have the function of limiting the growth of the grain size of the cemented carbide.
  • a particular advantage of the present invention is that the proportion of carbides, nitrides and carbonitrides are kept particularly low can, because the grain size hardly increases in the sintering process.
  • Optimum wear resistance and hardness are achieved when the total content of the carbides, nitrides and / or carbonitrides is in the specified range, in particular if the content of vanadium carbide 0.05 to 1 wt .-%, the content of tantalum carbide 0.2% to 10 wt .-% and the content of chromium carbide 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 particular binder and is therefore stated in% by weight, based on the binder.
  • the hard metals described above can be used in principle as a material in applications in which a similar optimization of wear resistance, hardness and toughness or torque resistance are required. Such applications are, for example, screwdriver tips.
  • the screwdriver tips according to the invention only in the application area (head) consists of the hard metal molding, or for example, has a hard metal coating on steel.
  • a tungsten carbide (head) application may be soldered to a carrier.
  • a screwdriver tip that consists of the hard metal for example, is produced by injection molding, is particularly preferred.
  • Screwdriver tips (bits) of dimension PZ2 made with a classic WC-Co alloy containing 85 wt .-% WC and 15 wt .-% Co with a grain size of WC of 2-3 microns in the sintered state, achieved in the torsion test torque values of 8 Nm. Thus, only about 70% of the nominal value according to DIN 5261 of at least 11.3 Nm were achieved.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schraubendreherspitze (bit), enthaltend ein Wolframcarbid-Hartmetall.
  • Hartmetallformkörper und insbesondere Schraubendreherspitzen werden derzeit aus Stahllegierungen gefertigt. Aufgrund der geringen Verschleißbeständigkeit 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 A1 gesinterte Hartmetallformkörper (CERMETS) mit Co-Ni-Fe-Bindern, 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 Drehmomentfestigkeit weniger als Material für Schraubendreherspitzen.
  • Für die Holzbearbeitung sind bereits Wolframcarbid-HartmetallLegierungen beschrieben, die einen Legierungsbinder aus Eisen, Cobalt und Nickel enthalten. So wird in DE 296 17 040 U1 eine Wolframcarbid-Hartstofflegierung 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.
  • Dissertation Prakash TU Karlsruhe 1979, S. 1, 39-41, 113-119, 199-202 beschreibt Hartmetallformkörper enthaltend 80 Gew.-% Wolframcarbid einer Korngröße von etwa 1 µm und 20 Gew.-% eines Binders, wobei der Binder 70 bis 80 Gew.-% Eisen, 5 bis 10 Gew.-% Cobalt und 10 bis 20 Gew.-% enthält.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Schraubendreherspitzen aus einem Material bereitzustellen, dass hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit klassischer Hartmetalllegierungen mit der Zähigkeit und Drehmomentfestigkeit von Stählen derart verbindet, das die zukünftigen DIN-Anforderungen für die Drehmomentfestigkeit, insbesondere von Schraubendreherspitzen erfüllt.
  • In einer ersten Ausführungsform wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Schraubendreherspitze aus einen Hartmetallformkörper bestehend aus 60 bis 80 Gew.-% Wolframcarbid einer Korngröße im Bereich von 0,1 µm bis 6,0 µm im gesinterten Zustand und 20 bis 40 Gew.-% eines Binders, wahlweise wenigstens ein Carbid, Nitrid und/oder Carbonitrid mindestens eines der Elemente der Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems der chemischen Elemente in einer Gesamtgehalt von 0,1 bis 4, insbesondere 0,2 bis 2 Gew.-%, wobei der Binder 60 bis 85 Gew.-% Eisen, 5 bis 15 Gew.-% Cobalt und 5 bis 25 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 KIC-Werte erreichten Werte von 20 bis 25 MPa·m1/2, während bei klassischen Hartmetalllegierungen Werte von 15 MPa·m1/2 erreicht werden.
  • Mit den 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.
  • 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 70 bis 75 Gew.-% und der Binderanteil entsprechend 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 Torsionsfestigkeit werden erreicht, wenn der Binder, bevorzugt 60 bis 85, besonders bevorzugt 70 bis 80 Gew-% Eisen, bevorzugt 5 bis 10 Gew.-% Cobalt und 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 mittels 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.
  • 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 (8)

  1. Schraubendreherspitze aus einen Hartmetallformkörper bestehend aus 60 bis 80 Gew.-% Wolframcarbid einer Korngröße im Bereich von 0,1 µm bis 6,0 µm im gesinterten Zustand und 20 bis 40 Gew.-% eines Binders, wahlweise wenigstens ein Cardid, Nitrid und/oder Carbonitrid mindestens eines der Elemente der gruppen IVa, Va und VIa in einer Gesamtgehalt von 0,1 bis 4, insbesondere 0,2 bis 2 Gew.-% wobei der Binder 60 bis 85 Gew.-% Eisen, 5 bis 15 Gew.-% Cobalt und 5 bis 25 Gew.-% Nickel enthält.
  2. Schraubendreherspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wolframcarbid eine Korngröße im Bereich von 0,2 µm bis 6,0 µm im gesinterten Zustand aufweist.
  3. Schraubendreherspitze gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder 70 bis 80 Gew-% Eisen, 5 bis 10 Gew.-% Cobalt und 10 bis 20 Gew.-% Nickel enthält..
  4. Schraubendreherspitze gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße des Wolframcarbids im gesinterten Zustand 1,0 bis 4,0 µm, insbesondere wenigstens 1,3 µm beträgt.
  5. Schraubendreherspitze gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung des Hartmetallformkörpers bezogen auf den Binder 0,05 bis 1 Gew.-% Vanadiumcarbid enthält.
  6. Schraubendreherspitze gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung des Hartmetallformkörpers bezogen auf den Binder 0,2 bis 10 Gew.-% Tantalcarbid enthält.
  7. Schraubendreherspitze gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung des Hartmetallformkörpers bezogen auf den Binder 0,2 bis 5 Gew.-% Chromcarbid enthält.
  8. Schraubendreherspitze gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 enthaltend eine Beschichtung im Bereich der Arbeitsfläche.
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