EP2137331A1 - Werkzeug - Google Patents

Werkzeug

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Publication number
EP2137331A1
EP2137331A1 EP08735860A EP08735860A EP2137331A1 EP 2137331 A1 EP2137331 A1 EP 2137331A1 EP 08735860 A EP08735860 A EP 08735860A EP 08735860 A EP08735860 A EP 08735860A EP 2137331 A1 EP2137331 A1 EP 2137331A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tool
binder
tool according
materials
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08735860A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Leo Prakash
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HC Starck GmbH
Original Assignee
HC Starck GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by HC Starck GmbH filed Critical HC Starck GmbH
Publication of EP2137331A1 publication Critical patent/EP2137331A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
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    • 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
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F2005/001—Cutting tools, earth boring or grinding tool other than table ware
    • 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
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    • Y10T408/78—Tool of specific diverse material

Definitions

  • the invention relates to carbide tools that are suitable for drilling or milling processing of materials.
  • tool geometries which are characterized in that the tool consisting of hard metal has a longitudinal axis, which is the axis of rotation in the machining of materials at the same time, and a perpendicular thereto cross section, which is surrounded by a circle.
  • the diameter d of the tool (corresponds to the diameter of the enveloping circle) is smaller by the ratio l / d than the length of the tool, where l is the length of the axis of rotation.
  • Chips are generated by the cutting edge at the end of the tool, which, as soon as the borehole has reached a certain depth, are conveyed out via one or more helical or rectilinear grooves located in the cylinder surface of the tool.
  • the ratio l / d can be between 5 and 20, but reaches in the case of miniature drills for the processing of printed circuit boards for the electronics industry quite a factor of 200.
  • the tool is also designed so that not only at the end, but also effective laterally in the cylinder surface cutting grooves, the chips promoting groove can be omitted in whole or in part.
  • Can transmit torque which is composed of the cutting forces and the conveying forces of the chips in the groove. Falis jam chips, stress peaks occur.
  • the groove (s) represent a reduction in the loadable cross-sectional area and are potential starting points for catastrophic crack growth that results in tool breakage. Due to the continuing trend towards miniaturization, a reduction in the diameter of the tool results in a quadratic decrease in the transmittable torque, while the cutting forces only fall linearly. Processing safety decreases due to increasingly probable tool breakage. In particular, tools for drilling and milling printed circuit boards for the electronics industry as well as deep hole drills are affected.
  • the maximum forces to be transmitted of the tool depend on the material properties of the hard metal material, and can be determined by commonly known mechanical characteristics such as bending strength, or crack toughness (Kic).
  • the fracture toughness in the hard metal industry is usually calculated from the crack lengths of the Vickers hardness impression, the hardness and the stress according to the Shetty formula. While the flexural strength describes a real body containing fracture-inducing defects, the Kic value characterizes the fracture toughness of the material itself and thus the strength potential of a material with complete freedom from defects, and is therefore more suitable for systematic comparisons of materials regardless of the quality of the structure.
  • the wear resistance of a tool correlates positively with the hardness. However, hardness and strength can only be improved at the expense of the other property. Desirable for the tools described, therefore, would be an increase, for example, the strength without loss of hardness, or an increase in hardness without FesttechniksverSust.
  • Hard metals that is composites of metals of the iron group as a binder on the one hand (“binder phase”) and hard materials (carbides, nitrides, "hard material phase”) on the other hand, have as materials for processing
  • binder phase composites of metals of the iron group as a binder
  • hard materials carbides, nitrides, "hard material phase”
  • the metallic binder used is predominantly cobalt. As a result of the sintering process, this also contains, in addition to W, C, also fractions of Cr, for example, if chromium carbide is used as the hard material.
  • the metaltic binder may also contain Fe and Ni.
  • EP 1 007 751 A1 describes that by using Fe-, Co- and Ni-containing binders, a hard metal with better plasticity is obtained, which is attributed to a purely austenitic binder phase after sintering.
  • WO 99/10550 describes tools for boring and milling machining with austenitic binder phase, wherein the metallic binder contains 40-90% by weight of Co, and in each case 4 to 36% by weight of Ni or Fe, Fe and Ni being in the ratio 1.5 to 1 to 1: 1.5 stand. It is known that by varying the ratio Fe: Co: Ni in the metallic binder phase of hard metals, the phase inventory can be varied very widely.
  • WO 99/10550 shows the advantages of a stable austenitic lattice state of a FeCoNi binder alloy after sintering.
  • the binder alloy contains between 90 and 60% by weight of Co, the remainder being 100% by weight of Fe and Nt, the Fe to Ni ratio being about 1 +/- 0.5.
  • Such purely austenitic binder phases due to their stable lattice type, offer advantages at all temperatures up to the melting point.
  • Object of the present invention is to increase the strength of milling and drilling tools made of carbide and thus their strength, so the process reliability is increased. At the same time, the hardness should remain comparable.
  • This object is achieved by a milling and drilling tool with an optional two-phase (austenitic / martensitic) binder phase, which satisfies the conditions Fe 50 to 90 wt .-%, and Co: Ni less than 1.
  • the metallic binder phase can advantageously contain further alloy additions such as Cr in order to increase the hot hardness.
  • the tool can therefore be shaded, ie that only the actual tool is made of carbide, and the transition to the machine tool from another material, such as steel! The transition can be accomplished by a joining process such as shrinking, or by soldering.
  • the invention therefore relates to a hardmetal tool rotating about its own longitudinal axis with a! / D ratio (ratio of length to diameter) of 2 to 200 for the exciting machining of materials, comprising an at least two-phase austenitic / martensitic binder phase and a hard material.
  • the invention relates to a rotating around its own longitudinal axis carbide tool with a l / d ratio (ratio of length to diameter) of 2 to 200 for exciting machining of materials containing a binder phase and a hard material, wherein the binder phase of a Hard metal binder phase with the Hauptbinderberetemaschine iron, nickel and cobalt is and the iron content between 50 and 90 wt .-%, the nickel content between 10 and 30 wt -% and the maximum cobalt content is 30 wt .-%.
  • the cobalt content is thus 0 to 30 wt .-% or 5 to 30 wt .-%.
  • the contents of the binder components of Fe are advantageously from 70% by weight to 90% by weight, in particular from 75% by weight to 85% by weight or from 70% by weight to 80% by weight, Ni 10 Wt .-% to 20 wt .-%, in particular 15 wt .-% to 20 wt .-% or 18 wt .-% to 20 wt .-% and optionally cobalt in amounts of 4 to 15 wt .-%, or from 5 to 12% by weight.
  • the Co: Ni ratio is preferably less than or equal to 1, more preferably from 0.5 to zero, wherein the ratio refers to the amount of these metals in the binder, indicated in weight percent (wt .-%).
  • binder compositions are particularly advantageous if the ratio Co: Ni is less than or equal to 1 or 0 to 0.5.
  • Particularly preferred individual binder compositions are, for example, FeNi 85/15, 82/18 and 80/20, FeCoNi 70/12/18, FeCoNi 80/5/15, 70/10/20, 65/20/15 and 75 / 20.5.
  • the contents of the binder components are given in weight percent, based on the composition of the binder.
  • the above-mentioned ratio of cobalt to nickel of less than or equal to 1 or less than 0.5 refers to the amounts of these metals one weight percent.
  • the binder has no other ingredients than those listed above, except for unavoidable impurities.
  • the binder can also the elements C, N, Cr, V, W, Mo, Ta, Nb, Hf, Ti, Zr, Mn, Ru, Re, Al, Ce, La both individually as well as their combinations with each other.
  • the presence of these elements can be the result of using the corresponding nitrides, carbides, carbonitrides or the use of elemental powders.
  • These elements may be present in total in amounts of up to 10 percent by weight, based on the total binder phase. If appropriate, the addition of these elements is also suitable for effecting the multiphase nature of the Fe-Co-Ni binder or else its single-phase nature.
  • These elements may advantageously be present in amounts of 0.05 to 10, in particular from 0.1 to 5 wt .-% in the binder.
  • the binder has no further constituents apart from unavoidable impurities.
  • binder used may still be unavoidable impurities, for example oxygen, nitrogen, copper and manganese. These may be wholly or partially present after sintering in the binder phase.
  • the binder content of the hard metal » from which the tool according to the invention consists is between 3 and 50 weight percent, more preferably between 5 and 25 wt -%.
  • the binder phase is optionally biphasic according to the invention after sintering. This means that the binder phase is either immediate after sintering is two or more phases or that it will do so during use.
  • the one, two or more phases of the binder can also be achieved by an additional heat treatment, that is, for example, an additional heat treatment step, wherein the tool is annealed, for example.
  • an additional heat treatment that is, for example, an additional heat treatment step, wherein the tool is annealed, for example.
  • Such heat treatment, cooling and tempering processes are familiar to those skilled in the metallurgy and process engineering of iron-based alloys.
  • the heat treatment may also be inevitably effected by another process step, wherein the tool is either heated or heated by e.g. Frictional heat inevitably occurs a heat of reaction, or during soldering.
  • the tool also optionally contains a hard material, which contains one or more feststgkeitssteigemde and finely divided third phases from the group of oxides, nitrides, carbides, or intermetallic phases.
  • a hard material which contains one or more feststgkeitssteigemde and finely divided third phases from the group of oxides, nitrides, carbides, or intermetallic phases.
  • Suitable hard materials are known to the person skilled in the art, for example only tungsten carbide, vanadium carbide, chromium carbide, titanium carbide, tantalum carbide, niobium carbide or titanium nitride or their mixed phases are listed among themselves.
  • the tool may also be provided with one or more coatings, such as diamond, alumina or titanium nitride, or titanium-aluminum nitride. These coatings may have been applied both by CVD or PVD methods and by their combination, optionally also alternately.
  • the tool may also have different Binderphasenanteiie along the longitudinal axis, and / or underfeldiiche phase compositions in the radial direction, transverse to the longitudinal axis of the tool and / or different volume fractions of binder along the longitudinal and / or transverse axis.
  • the tool can optionally cavities along the axis for the
  • the tool according to the invention can be used, in particular, for processing composite materials, printed circuit boards, metallic iron-based or non-ferrous materials, wood materials, rock materials (such as stone building materials and soils) or combinations thereof.
  • the machining can be done by drilling and / or milling.
  • the invention therefore also relates to the use of a tool according to the invention for machining materials by drilling or milling.
  • the invention thus also relates to a device for machining materials, (in particular the above-mentioned materials), wherein the device comprises a tool according to the invention.
  • a hard metal powder mixture consisting of 90 wt .-% WC powder having a particle size of 0.8 microns FSSS (ASTM B330) and a binder metal content of 10 wt%, consisting of prealloyed 70Fe12Co18Ni- powder (information on the Percent by weight alloying elements) was produced by wet milling in an attritor and processed into granules in a conventional spray dryer. Before spray-drying, an emulsion of paraffin wax was added to the suspension obtained from the wet grinding after separation of the grinding balls, with continuous stirring, so that the wax content of the spray-dried granules was 2% by weight.
  • the carbon content of the mixture was adjusted by adding carbon black so that the cemented carbide did not contain any harmful third phases such as free carbon or carbon deficit carbides ("eta phases") after sintering after drying the organic plasticizing agent or wax in a graphite sintering oven at 1450 ° C. for one hour in vacuo, the metallographic examination of the carbide semi-finished products showed that the hard metal had a
  • the binder distribution was good and there were very few WC coarse grains up to a grain size of 3 microns or larger, the hardness of the cemented carbide was 1720HV10 and X-ray analysis show- te that the binder consists of martensite and austenite.
  • the microstructure was very uniform without WC coarse grains> 2 ⁇ m.
  • the blanks were processed into carbide cutters with a diameter of 1.5 mm.
  • the comparative milling cutter made of WC-Co showed a tool life of 10.1 m, the cutter with the FeNi binder a tool life of 13.5 mm in the fracture behavior test.
  • the WC-85Fe15Ni carbides were also tested as drills ⁇ 0.3 mm diameter for circuit boards.
  • the average wear of the standard drill was 11 units » for the WC FeNi drill only 8.5 units. In terms of drill life, the standard drill had a lifetime of 3500 holes, while the WC-FeNi drill had a life of 4500 holes.
  • the conventional WC co-drills showed an increased risk of major cutting edge breakouts compared to WC-FeNi drills.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung sind Hartmetaliwerkzeuge, die zur bohrenden oder fräsenden Bearbeitung von Werkstoffen geeignet sind.

Description

Beschreibung
Werkzeug Technisches Gebiet
[0001] Gegenstand der Erfindung sind Hartmetallwerkzeuge, die zur bohrenden oder fräsenden Bearbeitung von Werkstoffen geeignet sind.
Stand der Technik
[0002] Dabei handelt es sich um Werkzeuggeometrien, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das aus Hartmetall bestehende Werkzeug eine Längsachse aufweist, welche gleichzeitig Rotationsachse bei der Werkstoffbearbeitung ist, und einen senkrecht dazu stehenden Querschnitt, welcher von einem Kreis umhüllt ist. Der Durchmesser d des Werkzeuges ( entspricht Durchmesser des Hüllkreises ) ist um das Verhältnis l/d kleiner als die Länge des Werkzeuges, wobei I die Länge der Rotationsachse ist. Bei der bohrenden Bearbeitung wird das um die Längsachse rotierende Werkzeug gegen den zu bohrenden Werkstoff gedrückt. Durch die Schneide am Ende des Werkzeuges werden Späne erzeugt, die, sobald das Bohrloch eine gewisse Tiefe erreicht hat, über eine oder mehrere in die Zylinderoberfläche des Werkzeugs befindliche, spiralförmige oder geradliniger Nut ausgefördert werden. Das Verhältnis l/d kann bei zwischen 5 und 20 liegen, erreicht aber im Fall von Miniaturbohrern für die Bearbeitung von Leiterplatten für die Elektronikindustrie durchaus den Faktor 200. Bei der fräsenden Bearbeitung ist das Werkzeug zusätzlich so ausgeführt, dass nicht nur am Ende, sondern sich auch seitlich in der Zylinderoberfläche schneidend wirksame Nuten befinden, die Späne fördernde Nut kann ganz oder teilweise entfallen.
[0003] Beim Bohren muss der Querschnitt des Werkzeugs ein gewisses
Drehmoment übertragen können, welches sich aus den Schnittkräften sowie den Förderkräften der Späne in der Nut zusammensetzt. Falis sich Späne verklemmen, treten Belastungsspitzen auf. Die Nut(en) stellen eine Verringerung der belastbaren Querschnittsfläche dar und sind mögliche Ausgangspunkte von katastrophalem Risswachstum, weicher zum Werkzeugbruch führt. [0004] Durch den anhaltenden Trend zur Miniaturisierung kommt es bei einer Durchmesserverringerung des Werkzeugs zu einer quadratischen Abnahme des übertragbaren Momentes, während die Schnittkräfte nur linear fallen. Die Bearbeitungssicherheit nimmt durch zunehmend wahrscheinlicheren Werkzeugbruch ab. Betroffen sind hier insbesondere Werkzeuge zum Bohren und Fräsen von Leiterplatten für die Elektronikindustrie, sowie Tieflochbohrer.
[0005] Bei der fräsenden Bearbeitung tritt nicht nur die bei der bohrenden
Bearbeitung beschriebenen Belastungen auf, sondern auch seitliche, das heißt senkrecht zur Rotationsachse wirkende Kräfte auf. Durch den vorzeitigen oder nicht kalkulierbaren Bruch des Werkzeuges, bevor es die Verschleißgrenze erreicht hat, entstehen in Form von Ausschuss und ungeplanten Ausfall- sowie Umrüstzeiten wirtschaftlicher Schaden.
[0006] Die maximal zu übertragenden Kräfte des Werkzeuges hängen von den Materialeigenschaften des Hartmetallwerkstoffs ab, und können durch allgemein geläufige mechanische Kennwerte wie Biegebruchfestigkeit, oder Risszähigkeit (Kic) ermittelt werden. Die Risszähigkeit wird in der Hartmetallindustrie üblicherweise aus den Risslängen des Vickers- Härteeindrucks, der Härte und der Belastung nach der Formel von Shetty errechnet. Während die Biegebruchfestigkeit einen realen Körper beschreibt, welcher bruchauslösende Defekte enthält, charakterisiert der Kic-Wert die Risszähigkeit des Werkstoffs an sich und somit das Festigkeitspotential eines Werkstoffs bei völliger Defektfreiheit, und ist daher für systematische Vergleiche von Werkstoffen ungeachtet der Güte des Gefüges besser geeignet. Die Verschleißfestigkeit eines Werkzeuges korreliert in etwa positiv mit der Härte. Härte und Festigkeit können aber nur auf Kosten der jeweils anderen Eigenschaft verbessert. Erwünscht für die beschriebenen Werkzeuge wäre daher eine Erhöhung beispielsweise der Festigkeit ohne Härteverlust, oder eine Erhöhung der Härte ohne FestigkeitsverSust.
[0007] Hartmetalle, das heißt Verbundwerkstoffe aus Metalien der Eisengruppe als Binder einerseits („Binderphase") und Hartstoffen (Karbiden, Nitriden, „Hartstoffphase") andererseits, haben sich als Werkstoffe zur Bearbeitung von beispielsweise Metalien, Steinen und Verbundmaterialien organisch/ anorganisch gegenüber anderen Werkstoffklassen aufgrund von überlegenen Eigenschaften durchgesetzt. Hierfür ist insbesondere die hohe Härte und Verschieißfestigkeit von Wolframkarbid, gepaart mit einem hohen Elastizitätsmodul, verantwortlich. Als metallischer Binder wird überwiegend Kobalt eingesetzt. Infolge des Sintervorgangs enthält dieser neben W, C ggf. auch Anteile an Cr, sofern beispielsweise Chromkarbid als Hartstoff verwendet wird. In einigen Fällen kann der metaltische Binder auch Fe und Ni enthalten. In EP 1 007 751 A1 wird beschrieben, dass durch Verwendung von Fe-, Co- und Ni- enthaltenen Bindern ein Hartmetali mit besserer Plastizität erhalten wird, was auf eine rein austenitische Binderphase nach dem Sintern zurückgeführt wird. WO 99/10550 beschreibt Werkzeuge zur bohrenden und fräsenden Bearbeitung mit austenitischer Binderphase, wobei der metallische Binder 40 - 90 Gew.-%Co, und jeweils 4 bis 36 Gew.-% Ni bzw. Fe enthält, wobei Fe und Ni im Verhältnis 1.5 zu 1 bis 1 :1.5 stehen. Es ist bekannt, dass durch Variation des Verhältnisses Fe:Co:Ni in der metallischen Bindephase von Hartmetallen der Phasenbestand sehr weit variiert werden kann. Während die metallische Binderphase in einem ein rein Co~gebundenen Hartmetall nach dem Sintern austenitisch ist und bei Belastung hexagonal werden kann, zeigt WO 99/10550 die Vorteile eines stabil austenitischen Gitterzustandes einer FeCoNi-Bindelegierung nach dem Sintern. Die Bindelegierung enthält zwischen 90 und 60 Gew.-% Co, der Rest zu 100 Gew.-% ist Fe und Nt, wobei das Verhältnis Fe zu Ni bei etwa 1 +/- 0,5 liegt. Solche rein austenitische Binderphasen bieten aufgrund ihres stabilen Gittertyps bei allen Temperaturen bis zum Schmelzpunkt Vorteile. Besonders augenfällig sind die Untersuchungen zum Legierungssystem FeNi in der Dissertation Wittman, wo beim Übergang aus der rein austenitischen Bindephase (FeNi 80/20) zum zweiphasigen Bereich (FeNi 85/15) sich die Härte erhöht und die Summe der Risslängen stark erniedrigt. Auch liegt die Summe der Risslängen der untersuchten Hartmetalle mit dem Bindersystem FeCoNi 70/10/20, welches ebenfalls im 2-Phasengebiet Austenit/Martensit liegt, unter denen von rein kobaltgebundenen. Die wünschenswerte Erhöhung der Härte ohne Festig keitsveriust bzw. umgekehrt, im Vergleich zu austenitischen Binderphasen, ist also mit austenitisch/martensitischen Binderphasen möglich. Es zeigt sich aber nach genauer Auswertung der Dissertation Wittmann durch die Erfinder und Errechnen der Kic-Werte aus den Angaben wie Härte, Rißlängen und Last, dass das Voriiegen martensitischer Phasenanteiie keine notwendige Bedingung für einen hohen Kic-Wert ist, was man beispielsweise am Gang der Eigenschaften von FeNi 85/15-gebundener Hartmetalle und deren Kic-Werten in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt und vom röntgenografisch bestimmten Gehalt an Martensit sehen kann. Vielmehr scheint die Erhöhung des Kic-Wertes im Vergleich zu gleich harten, Kobaltgebundenen Hartmetallen eine Eigenschaft hocheisenhaltiger Bindelegierungen mit einem hohen Ni : Co- Verhältnis zu sein, und nicht primär an das Vorhandensein von martensitischer Phasen als notwendige Bedingung geknüpft zu sein. Bevorzugt sind daher erfindungsgemäß Fe- Gehalte von 50 bis 90 Gew.-%, besonders bevorzugt ist der Bereich 65 bis 90 Gew.-%.
Darstellung der Erfindung
[0009] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Erhöhung der Festigkeit von Fräs- und Bohrwerkzeugen aus Hartmetall und damit deren Belastbarkeit, womit die Prozesssicherheit erhöht wird. Gleichzeitig soll die Härte vergleichbar bleiben. Diese Aufgabe wird gelöst von einem Fräs- und Bohrwerkzeug mit einer optional zweiphasigen (austenitisch/martensitischen) Binderphase, die den Bedingungen Fe 50 bis 90 Gew.-%, und Co:Ni kleiner 1 genügt. Die metallische Bindephase kann vorteilhaft zur Erhöhung der Warmhärte noch weitere Legierungszuschläge wie Cr enthalten.
[0010] Wesentlich ist, dass die Funktionsbereiche des Werkzeugs aus Hartmetali bestehen. Das Werkzeug kann also geschattet sein, d.h. dass nur das eigentliche Werkzeug aus Hartmetall besteht, und der Übergang zur Werkzeugmaschine aus einem anderen Material, wie beispielsweise Stah! besteht Der Übergang kann durch einen Fügevorgang wie beispielsweise Einschrumpfen bewerkstelligt werden, oder auch durch Löten. [0011] Die Erfindung betrifft daher ein um die eigene Längsachse rotierendes Hartmetaliwerkzeug mit einem !/d-Verhältnis (Verhältnis von Länge zu Durchmesser) von 2 bis 200 zur spannenden Bearbeitung von Werkstoffen, enthaltend eine mindestens zweiphasige austenitisch/ martensitische Binderphase und einen Hartstoff.
[0012] Insbesondere betrifft die Erfindung ein um die eigene Längsachse rotierendes Hartmetallwerkzeug mit einem l/d-Verhältnis (Verhältnis von Länge zu Durchmesser) von 2 bis 200 zur spannenden Bearbeitung von Werkstoffen, enthaltend eine Binderphase und einen Hartstoff, wobei die Binderphase aus einer Hartmetall-Binderphase mit den Hauptbinderbe- standteiien Eisen, Nickel und Cobait besteht und der Eisengehalt zwischen 50 und 90 Gew.-%, der Nickelgehalt zwischen 10 und 30 Gew,- % und der Kobaltgehalt maximal bei 30 Gew.-% liegt. Der Kobaltgehalt liegt also bei 0 bis 30 Gew.-% oder 5 bis 30 Gew.-%.
[0013] Vorteilhaft sind die Gehalte der Binderbestandteile von Fe 70 Gew.-% bis 90 Gew.-%, insbesondere 75 Gew.-% bis 85 Gew.-% oder 70 Gew.-% bis 80 Gew.»%, Ni 10 Gew.-% bis 20 Gew.-%, insbesondere 15 Gew.-% bis 20 Gew.-% oder 18 Gew.-% bis 20 Gew.-% und optional Kobalt in Mengen von 4 bis 15 Gew.-%, oder von 5 bis 12 Gew.-%.
[0014] Das Co:Ni- Verhältnis liegt bevorzugt bei kleiner oder gleich 1 , besonders bevorzugt bei 0,5 bis Null, wobei sich das Verhältnis auf die Menge dieser Metalle im Binder, angegeben in Gewichtsprozent (Gew.-%) bezieht.
[0015] Insbesondere vorteilhaft sind Binderzusammensetzungen von
[0016] Fe 70 Gew.-% bis 90 Gew.~%, Co 0 Gew.-% bis 30 Gew.-%, Ni 10 Gew.- % bis 20 Gew.-%; oder
[0017] Fe 75 Gew.-% bis 85 Gew.-%, Ni 15 Gew.-% bis 20 Gew.-%; oder
[0018] Fe 75 Gew.-% bis 85 Gew.-%, Co 4 bis 15 Gew.-%, Ni 15 Gew.-% bis 20 Gew.-%; oder
[0019] Fe 70 Gew.-% bis 80 Gew.-%, Co 5 bis 12 Gew.-% Ni 18 Gew.-% bis 20 Gew.-%.
[0020] Ganz besonders vorteilhaft sind diese Binderzusammensetzungen, wenn das Verhältnis Co:Ni bei kleiner oder gleich 1 oder 0 bis 0,5 liegt. [0021] Besonders bevorzugte individuelle Binderzusammensetzungen sind beispielsweise FeNi 85/15, 82/18 und 80/20, FeCoNi 70/12/18, FeCoNi 80/5/15, 70/10/20, 65/20/15 und 75/5/20.
[0022] Die Gehalte der Binderbestandteile sind angegeben in Gewichtsprozent, bezogen auf die Zusammensetzung des Binders. Das oben angegebene Verhältnis von Kobalt zu Nickel von kleiner oder gleich 1 bzw. kleiner als 0,5 bezieht sich auf die Mengen dieser Metalle ein Gewichtsprozent.
[0023] In dieser Ausführung der Erfindung weist der Binder keine weiteren Bestandteile als die oben angeführten auf, abgesehen von unvermeidbaren Verunreinigungen.
[0024] In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann der Binder auch die Elemente C, N, Cr, V, W, Mo, Ta, Nb, Hf, Ti, Zr, Mn, Ru, Re, AI, Ce, La sowohl einzeln als auch deren Kombinationen miteinander enthalten. Das Vorhandensein dieser Elemente kann das Resultat der Verwendung der entsprechenden Nitride, Carbide, Carbonitride oder der Verwendung von Elementpulvern sein. Diese Elemente können insgesamt in Mengen von bis zu 10 Gewichtsprozent, bezogen auf die gesamte Binderphase, vorhanden sein. Der Zusatz dieser Elemente ist gegebenenfalls auch geeignet, die Mehrphasigkeit des Fe-Co-Ni-Binders zu bewirken, oder auch dessen Einphasigkeit. Diese Elemente können vorteilhaft in Mengen von 0,05 bis 10, insbesondere von 0,1 bis 5 Gew.-% im Binder vorhanden sein. In dieser Ausführungsform der Erfindung weist der Binder keine weiteren Bestandteile auf, abgesehen von unvermeidbaren Verunreinigungen.
[0025] Weitere Bestandteile des verwendeten Binders können noch unvermeidbare Verunreinigungen sein, beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff, Kupfer und Mangan. Diese können ganz oder teilweise nach dem Sintern in der Binderphase vorhanden sein.
[0026] Der Bindergehalt des Hartmetalls» aus welchem das Werkzeug gemäß der Erfindung besteht, liegt zwischen 3 und 50 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt zwischen 5 und 25 Gew,-%.
[0027] Die Binderphase ist gemäß der Erfindung nach dem Sintern optional zweiphasig. Das bedeutet, dass die Binderphase entweder unmittelbar nach dem Sintern zwei- oder mehrphasig ist oder aber dass sie dies während des Einsatzes wird.
[0028] Die Ein-, Zwei- oder Mehrphasigkeit des Binders kann auch durch eine zusätzliche Wärmebehandlung erreicht werden, also beispielsweise ein zusätzlicher Wärmebehandlungsschritt, wobei das Werkzeug beispielsweise geglüht wird. Solche Wärmebehandiungs-, Abkühl- sowie Anlassvorgänge sind dem Fachmann aus der Metallurgie und Verfahrenstechnik der Eisenbasislegierungen geläufig. Die Wärmebehandlung kann aber auch durch einen anderen Verfahrensschritt zwangsläufig bewirkt werden, wobei das Werkzeug entweder erwärmt wird oder durch z.B. Reibungswärme zwangsläufig eine Wärmetönung auftritt, oder beim Löten.
[0029] Das Werkzeug enthält außerdem optional einen Hartstoff, weicher eine oder mehrere festtgkeitssteigemde und feinverteilte dritte Phasen aus der Gruppe der Oxide, Nitride, Karbide, oder intermetallische Phasen enthält. Geeignete Hartstoffe sind dem Fachmann bekannt, nur beispielhaft sollen hier Wolframcarbid, Vanadiumkarbid, Chromkarbid, Titankarbid, Tantalkarbid, Niobkarbid oder Titannitrid oder deren Mischphasen untereinander aufgeführt werden.
[0030] Das Werkzeug kann auch mit einer oder mehreren Beschichtungen versehen sein, wie beispielsweise Diamant, Aluminiumoxid oder Titannitrid, oder Titan-Aluminiumnitrid. Diese Beschichtungen können sowohl über CVD- oder PVD-Verfahren als auch durch deren Kombination aufgebracht worden sein, gegebenenfalls auch alternierend.
[0031] Das Werkzeug kann auch unterschiedliche Binderphasenanteiie entlang der Längsachse, und/oder unterschiediiche Phasenzusammensetzungen in radialer Richtung, quer zur Längsachse des Werkzeugs und/oder unterschiedliche Volumenanteile an Binder entlang der Längs- und / oder Querachse aufweisen.
[0032] Das Werkzeug kann optional Hohlräume längs der Achse für die
Zuführung von Kühlmittel an der Schneide für die Spanbildung aufweisen.
[0033] Das Werkzeug gemäß der Erfindung kann insbesondere für die Bearbeitung von Verbundwerkstoffen, von Leiterplatten, metallischen Eisenbasis- bzw. Nichteisenbasis-Werkstoffen, Holzwerkstoffen, Gesteinswerkstoffen (wie zum Beispiel steinernen Baustoffen und Erden) oder deren Kombinationen eingesetzt werden. Die Bearbeitung kann durch Bohren und/oder Fräsen erfolgen. Die Erfindung betrifft daher auch die Verwendung eines Werkzeugs gemäß der Erfindung zur Bearbeitung von Werkstoffen durch Bohren oder Fräsen.
[0034] Außerdem betrifft die Erfindung somit auch eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstoffen, (insbesondere den oben angegebenen Werkstoffen), wobei die Vorrichtung ein Werkzeug gemäß der Erfindung aufweist.
[0035] Beispiele:
[0036] 1. Ein Hartmetallpulvergemisch, bestehend aus 90 Gew.-% WC-Pulver mit einer Korngröße von 0,8 μm FSSS ( ASTM B330 ) und einem Bindermetallgehalt von 10 Gew%, bestehend aus vorleg iertem 70Fe12Co18Ni- Pulver (Angaben zu den Legierungsefementen in Gewichtsprozent) wurde durch Nassmahlen in einem Attritor erzeugt und in einem konventionellen Sprühtrockner zu Granulat verarbeitet. Vor dem Sprühtrocknen wurde der aus der Nassmahlung nach Abtrennung der Mahlkugeln erhaltene Suspension eine Emulsion von Paraffinwachs unter fortwährendem Rühren zugegeben, so dass der Wachsgehalt des sprühgetrockneten Granulates 2 Gew.-% betrug. Der Kohlenstoffgehalt des Gemisches wurde über Zugabe von Ruß so eingestellt, dass das Hartmetall nach dem Sintern keine schädliche dritte Phasen wie freier Kohlenstoff oder Kohlenstoff-Defizitkarbide („eta-Phasen") enthält. Es wurden Hartmetallrundstäbe sowohl durch Strangpressen (hierzu wurde vorher mit einem organischen Plastifizie- rungsmittel verknetet) als auch durch axiales Trockenpressen erzeugt und anschließend nach Austreiben der organischen Plastϊfizierungsbestandtei- Ie bzw. des Wachses in einem Graphitsinterofen bei 1450° C für eine Stunde im Vakuum gesintert. Die metallographische Untersuchung der Hartmetallhalbzeuge zeigte, daß das Hartmetall eine gleichmäßiges Gefüge mit einer WC-Korngröße von ca. 0,8 Mikrometer gekennzeichnet war. Die Binderverteilung war gut und es waren sehr wenig WC Grobkörner bis zu einer Korngröße von 3 μm oder größer zu sehen. Die Härte des Hartmetalls betrug 1720HV10 und die röntgenographische Untersuchung zeig- te, daß der Binder aus Martensit und Austenit besteht. Die Hartmetallroh- linge wurden zu dreischneidigen Fräswerkzeugen mit D= 10 mm Länge (Baumaße ähnlich DIN 6527) für die Metallverarbeitung schleifend bearbeitet und anschließend mit einer industrieüblichen PVD-Beschichtung auf der Basis von TiAIN versehen. Standwegversuche wurden beim Profilfräsen mit einer Schnittgeschwindigkeit von 250 m/min an einem niedriglegierten Stahl vom Typ 42CrMo4 durchgeführt. Der Standweg eines konventionellen, vergleichbaren WC-Co Hartmetalls betrug 70 Teile, mit dem WC-FeCoNi Hartmetall wurde ein Standweg von 100 Teilen unter gleichen Zerspanungsbedingungen erreicht. 2. Ein Hartmetallpuivergemisch bestehend aus 92 Gew.-% WC mit einer Korngröße von 0,6 μm FSSS und einem Bindergehalt von 8 Gew.-%, bestehend aus vorlegiertem 85 Fe- 15 Ni, wurde wie in Beispiel 1) erzeugt und nach dem Kneten mit einem geeigneten Kunstoffbinder in einer Kolbenstrangpresse zu Hartmetall-Rohlingen mit einer Durchmesser von 3,25 mm nach dem Sintern geformt. Die Härte der sintergehippten Hartmetalle betrug 1900HV10. Das Gefüge war sehr gleichmäßig ohne WC-Grobkörner >2 μm. Die Rohlinge wurden zu Hartmetallfräsern mit einem Durchmesser von 1,5 mm verarbeitet. Diese Werkzeuge wurden unter industriell üblichen Einsatzbedingungen (dies betrifft Basismaterial, Bohrauflagen, Bohrunterlagen, CNC-Maschine, Absauganlagen sowie die Testparameter Vorschub und Drehzahl) für die Bearbeitung von Leiterplatten für die Elektronikindustrie eingesetzt. Der Vergleichsfräser aus WC-Co zeigte einen Standweg vom 10,1 m, der Fräser mit dem FeNi-Binder einen Standweg vom 13,5 mm im Bruchverhaltenstest. Die WC-85Fe15Ni Hartmetalle wurden auch als Bohrer < 0,3 mm Durchmesser für Leiterplatten getestet. Der mittlere Verschleiß der Standardbohrer betrug 11 Einheiten» beim WC-FeNi-Bohrer nur 8,5 Einheiten. Was die Lebensdauer der Bohrer anging, erreichte der Standardbohrer eine Lebensdauer von 3500 Bohrlöchern, der WC-FeNi Bohrer dagegen eine Lebensdauer von 4500 Bohrlöchern. Die konventioneilen WC-Co-Bohrer zeigten ein erhöhtes Risiko für Hauptschneidkantenausbrüche im Vergleich zu den WC-FeNi Bohrern.

Claims

Ansprüche
1. Um die eigene Längsachse rotierendes Hartmetallwerkzeug mit einem S/d- Verhältnis von 2 bis 200 zur bohrenden oder fräsenden Bearbeitung von Werkstoffen, wobei das Hartmetallwerkzeug aus einer Hartstoffphase und einer Binderphase besteht, wobei die Hauptbinderbestandteile Eisen, Nickel und Cobalt sind, der Eisengehalt zwischen 50 und 90 Gew.-%, der Nickeigehalt zwischen 10 und 30 Gew.-%, der Kobaltgehalt maximal bei 30 Gew.~% liegt und das Verhältnis von Cobalt zu Nickel bezogen auf Gew.-%, Co : Ni kleiner oder gleich 1 ist.
2. Werkzeug nach Anspruch 1 wobei der Bindergehalt des Hartmetalls zwischen 3 und 50 Gewichtsprozent liegt.
3. Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Binderphase nach dem Sintern zwei- oder, mehrphasig ist oder während des Einsatzes wird.
4. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, das die Zwei- oder Mehrphasigkeit des Binders durch eine Wärmebehandlung erreicht wird.
5. Werkzeug nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, das die Mehrphasigkeit des Binders mit einzelnen oder Kombinationen von Elementen wie C, N, Cr, V, Ta, Mo, W, Nb, Hf, Ti, Zr, Mn, Ru, Re, AI, Ce, und La mit insgesamt bis zu 10 Gewichtsprozent, bezogen auf die gesamte Binderphase, beeinflusst wird.
6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrphasige Fe-Co-Ni-Binder eine oder mehrere festigkeitssteigernde und feinverteiite dritte Phasen aus der Gruppe der Oxide, Nitride , Karbide, oder intermetallische Phasen enthält.
7. Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug mit einem oder mehreren Beschichtungen versehen ist.
8. Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug unterschiedliche Binderphasenanteile entlang der Längsachse aufweist.
9. Werkzeug nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug unterschiedliche Phasenzusammensetzung in radialer Richtung, quer zu der Längsachse des Werkzeugs aufweist.
10. Werkzeug nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug unterschiedliche Volumenanteiie an Binder entlang der Längs- und / oder Querachse aufweist.
11. Werkzeug nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Funktionsbereiche des Werkzeugs aus Hartmetall besteht.
12. Werkzeug nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass Hohlräume längs der Achse für die Zuführung von Kühlmittel an der Schneide für die Zerspanung vorhanden sind.
13. Werkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, insbesondere für die Bearbeitung von Verbundwerkstoffen, von Leiterplatten, metallischen Eisenbasis- bzw. Nichteisenbasis-Werkstoffen, Holzwerkstoffen, Gesteinswerkstoffen (wie zum Beispiel, steinernen Baustoffen und Erden) oder deren Kombinationen, vorteilhaft durch Bohren und/oder Fräsen.
14. Verwendung eines Werkzeugs nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 zur Bearbeitung von Werkstoffen durch Bohren oder Fräsen.
15. Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstoffen, wobei die Vorrichtung ein Werkzeug gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
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