ES2361165T3 - MOLDED BODIES OF HARD METALS. - Google Patents
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Abstract
Description
El invento se refiere a una punta de destornillador (conocida por su nombre inglés bit), que contiene un metal duro a base de carburo de wolframio. The invention relates to a screwdriver tip (known by its English name bit), which contains a hard metal based on tungsten carbide.
Los cuerpos moldeados de metales duros y en particular las puntas de destornilladores se fabrican actualmente a base de aleaciones de acero. A causa de la pequeña estabilidad (resistencia) frente al desgaste de este material, existe una alta necesidad de materiales que sean más estables frente al desgaste. Como materiales estables frente al desgaste se aconsejan fundamentalmente los metales duros a causa de su alta dureza y su alta estabilidad frente al desgaste. The molded bodies of hard metals and in particular the screwdriver tips are currently manufactured based on steel alloys. Because of the small stability (resistance) against wear of this material, there is a high need for materials that are more stable against wear. As stable materials against wear, hard metals are mainly recommended because of their high hardness and high stability against wear.
Sin embargo, los metales duros de composiciones clásicas, a causa de su estructura y de su composición, son esencialmente más frágiles que los aceros y por consiguiente no están en situación de garantizar las fuerzas de momentos de giro que se exigen para las puntas de destornilladores. En la norma DIN 5261, que todavía no ha entrado en vigor, se solicita por ejemplo para un tamaño de ensayo 0 (1) para la forma PZ en el caso de accionamiento de máquinas un momento mínimo de giro de 1,3 (4,3) Nm. Las habituales puntas a base de metales duros se rompen ya en el caso de unos valores de los momentos de giro, que corresponden sólo a aproximadamente un 50 % de los valores solicitados por la norma DIN. However, the hard metals of classical compositions, because of their structure and composition, are essentially more fragile than steels and therefore are not in a position to guarantee the forces of turning moments required for screwdriver tips. . In DIN 5261, which has not yet entered into force, it is requested, for example, for a test size 0 (1) for the PZ form in the case of machine operation a minimum turning moment of 1.3 (4, 3) Nm. The usual tips based on hard metals are already broken in the case of values of the turning moments, which correspond only to approximately 50% of the values requested by the DIN standard.
Como aglutinantes para el carburo de wolframio (WC) se emplean en los últimos tiempos también aleaciones con aglutinantes complejos. Estas aleaciones se componen, al igual que los clásicos metales duros, a base de carburo de wolframio; no obstante, el aglutinante de cobalto es en este caso reemplazado por una aleación con aglutinante compuesta de un modo complejo, en lo esencial a base de hierro, cobalto y níquel. As binders for tungsten carbide (WC), alloys with complex binders have also been used in recent times. These alloys are composed, like the classic hard metals, based on tungsten carbide; nevertheless, the cobalt binder is in this case replaced by an alloy with a binder composed in a complex way, essentially based on iron, cobalt and nickel.
Así, por ejemplo, el documento de solicitud de patente alemana DE 199 07 749 A1 describe unos cuerpos moldeados sinterizados de metales duros (conocidos con el nombre de CERMETS) con aglutinantes de Co-Ni-Fe, que se componen de aproximadamente 40 a 90 % en peso de cobalto y el resto en lo esencial a base de níquel y hierro, ascendiendo los contenidos de níquel y hierro en cada caso a lo sumo a 36 % en peso, con una relación de Ni:Fe de aproximadamente 1,5 : 1 a 1 : 1,5. Tales cuerpos de metales duros sinterizados encuentran utilización como plaquitas de corte y placas de corte reversibles, pero a causa de su resistencia a los momentos de giro, solamente muy pequeña, son menos apropiados como material para puntas de destornilladores. Thus, for example, German patent application document DE 199 07 749 A1 describes sintered molded bodies of hard metals (known as CERMETS) with Co-Ni-Fe binders, which are composed of approximately 40 to 90 % by weight of cobalt and the rest essentially based on nickel and iron, the nickel and iron content in each case increasing to a maximum of 36% by weight, with a Ni: Fe ratio of approximately 1.5: 1 to 1: 1.5. Such sintered hard metal bodies find use as cutting plates and reversible cutting plates, but because of their resistance to turning moments, only very small, they are less suitable as a material for screwdriver bits.
Para la elaboración de la madera ya se han descrito unas aleaciones de metales duros con carburo de wolframio, que contienen un aglutinante de aleación a base de hierro, cobalto y níquel. Así, en el documento de modelo de utilidad alemán DE 296 17 040 U1 se describe una aleación de material duro a base de carburo de wolframio con un sistema de aglutinante a base de hierro, cobalto y níquel y un tamaño de granos del WC < que 1 µm, siendo el contenido total de aglutinante del sistema de aglutinante de 3 a 30 % en peso y siendo la proporción de hierro en el sistema de aglutinante > 50 % en peso. Hardwood alloys with tungsten carbide, containing an alloy binder based on iron, cobalt and nickel, have already been described for woodworking. Thus, in German utility model document DE 296 17 040 U1 an alloy of tungsten carbide-based hard material with an iron, cobalt and nickel-based binder system and a grain size of the WC <is described. 1 µm, the total binder content of the binder system being 3 to 30% by weight and the proportion of iron in the binder system being> 50% by weight.
La tesis doctoral de Prakash en la TU (universidad técnica) de Karlsruhe en 1979, páginas 1, 39-41, 113-119, 199202 describe unos cuerpos moldeados de metal duro, que contienen 80 % en peso de carburo de wolframio con un tamaño de granos de aproximadamente 1 µm y 20 % en peso de un aglutinante, conteniendo el aglutinante de 70 a 80 % en peso de hierro, de 5 a 10 % en peso de cobalto y de 10 a 20 % en peso de níquel. The doctoral thesis of Prakash at the TU (technical university) of Karlsruhe in 1979, pages 1, 39-41, 113-119, 199202 describes molded bodies of hard metal, containing 80% by weight of tungsten carbide with a size of grains of approximately 1 µm and 20% by weight of a binder, the binder containing 70 to 80% by weight of iron, 5 to 10% by weight of cobalt and 10 to 20% by weight of nickel.
Ante estos antecedentes, el invento está basado en la misión de poner a disposición unas puntas de destornilladores a base de un material, que reúna una alta resistencia mecánica y una estabilidad frente a la corrosión de las clásicas aleaciones de metales duros con la tenacidad y la resistencia a los momentos de giro de los aceros, de tal manera que satisfaga los futuros requisitos de las normas DIN para la resistencia a los momentos de giro, en particular de las puntas de destornilladores. Given this background, the invention is based on the mission of making available screwdriver tips based on a material that combines high mechanical strength and corrosion resistance of the classic hard metal alloys with toughness and resistance to turning moments of steels, in such a way as to meet the future requirements of DIN standards for resistance to turning moments, in particular of screwdriver tips.
En una primera forma de realización, el problema planteado por la misión conforme al invento se resuelve mediante una punta de destornillador a base de un cuerpo moldeado de metal duro, que se compone de 60 a 80 % en peso de carburo de wolframio con un tamaño de granos situado en el intervalo de 0,1 µm a 6,0 µm en el estado sinterizado, y de 20 a 40 % en peso de un aglutinante, facultativamente de por lo menos un carburo, nitruro y/o carbonitruro de por lo menos uno de los elementos de los grupos IVa, Va y VIa del sistema periódico de los elementos químicos, en un contenido total de 0,1 a 4, en particular de 0,2 a 2 % en peso, conteniendo el aglutinante de 60 a 85 % en peso de hierro, de 5 a 15 % en peso de cobalto y de 5 a 25 % en peso de níquel. In a first embodiment, the problem posed by the mission according to the invention is solved by means of a screwdriver tip based on a molded hard metal body, which is composed of 60 to 80% by weight of tungsten carbide with a size of grains in the range of 0.1 µm to 6.0 µm in the sintered state, and 20 to 40% by weight of a binder, optionally of at least one carbide, nitride and / or carbonitride of at least one of the elements of groups IVa, Va and VIa of the periodic system of chemical elements, in a total content of 0.1 to 4, in particular 0.2 to 2% by weight, containing the binder from 60 to 85 % by weight of iron, 5 to 15% by weight of cobalt and 5 to 25% by weight of nickel.
Una característica del metal duro empleado de esta manera es su tenacidad esencialmente mejorada frente a la de los metales duros clásicos. A characteristic of the hard metal used in this way is its essentially improved toughness compared to that of classic hard metals.
La determinación de la tenacidad se efectúa por ejemplo con ayuda del método de medición de Palmquist; los valores de KIC, determinados por medio de éste, alcanzaron unos valores de 20 a 25 Mpa·m1/2, mientras que en el caso de las aleaciones clásicas de metales duros se alcanzan unos valores de 15 Mpa·m1/2. The determination of the toughness is carried out, for example, with the help of the Palmquist measurement method; KIC values, determined by means of it, reached values of 20 to 25 Mpa · m1 / 2, while in the case of classic hard metal alloys, values of 15 Mpa · m1 / 2 are reached.
Con los cuerpos moldeados de metales duros existe por primera vez la posibilidad de producir puntas de destornilladores a base de un material resistente al desgaste. With the molded bodies of hard metals there is for the first time the possibility of producing screwdriver tips based on a wear-resistant material.
De manera especialmente ventajosa, el carburo de wolframio tiene un tamaño de granos situado en el intervalo de 0,2 µm a 6,0 µm en el estado sinterizado. Particularly advantageously, tungsten carbide has a grain size in the range of 0.2 µm to 6.0 µm in the sintered state.
El alto contenido de hierro, y en particular también el mantenimiento del límite superior para el contenido de cobalto, se necesitan con el fin de contrarrestar una fragilización, que aparece en caso contrario, del metal duro y obtener y conservar la necesaria alta tenacidad. Los contenidos de carbono en aleaciones de WC-Fe deberían estar situados en un estrecho intervalo de ± 0,03 % en peso, con el fin de impedir fases fragilizadoras tales como las fases eta, por un lado, y de carbono libre, por otro lado. Ambas fases conducen a un empeoramiento parcialmente extremado de las propiedades de tenacidad. The high iron content, and in particular also the maintenance of the upper limit for the cobalt content, is needed in order to counteract a embrittlement, which appears otherwise, of the hard metal and obtain and maintain the necessary high toughness. Carbon content in WC-Fe alloys should be located in a narrow range of ± 0.03% by weight, in order to prevent embrittlement phases such as eta phases, on the one hand, and free carbon, on the other side. Both phases lead to a partially extreme worsening of the tenacity properties.
Por medio de la adición de cobalto y níquel se ensancha la posible ventana de contenidos de carbono. De esta manera, las propiedades se pueden ajustar mejor. By means of the addition of cobalt and nickel the possible window of carbon contents is widened. In this way, the properties can be better adjusted.
En el sentido del invento, los tamaños de granos del carburo de wolframio en el estado sinterizado deberían ser preferiblemente desde ultrafinos hasta gruesos, es decir de 0,2 a 6,0 µm. Se prefieren en tal caso unos tamaños de granos de 0,6 a 4,0 µm. Se consiguen en este caso unos valores especialmente buenos en lo que se refiere a la tenacidad (resistencia) a los golpes (valor de KIC) con unos tamaños de granos con 1,0 a 4,0 µm, y de manera muy especial con unos tamaños de granos, que se designan como medianos o gruesos (≥ 1,3 µm). Within the meaning of the invention, the tungsten carbide grain sizes in the sintered state should preferably be from ultrathin to thick, that is 0.2 to 6.0 µm. Grain sizes of 0.6 to 4.0 µm are preferred in this case. In this case, especially good values are achieved in terms of toughness (resistance) to impacts (KIC value) with grain sizes with 1.0 to 4.0 µm, and especially with some Grain sizes, which are designated as medium or thick (≥ 1.3 µm).
Por estos motivos se prefiere también, especialmente, que la proporción del carburo de wolframio sea de 70 a 75 % en peso y que la proporción del aglutinante sea, de manera correspondiente, de 25 a 30 % en peso. De esta manera se garantiza que se consiga un máximo de tenacidad, unido con una gran dureza. For these reasons it is also especially preferred that the proportion of tungsten carbide is 70 to 75% by weight and that the proportion of the binder is correspondingly 25 to 30% by weight. This ensures that a maximum of tenacity is achieved, together with great hardness.
Los mejores valores para una resistencia a la torsión se consiguen cuando el aglutinante contiene de manera preferida de 60 a 85, de manera especialmente preferida de 70 a 80 % en peso de hierro, de manera preferida de 5 a 10 % en peso de cobalto y de manera preferida de 10 a 20 % en peso de níquel. Esto es preferido por lo tanto en un grado muy especial. The best values for a torsional strength are achieved when the binder preferably contains from 60 to 85, especially preferably from 70 to 80% by weight of iron, preferably from 5 to 10% by weight of cobalt and preferably 10 to 20% by weight nickel. This is therefore preferred to a very special degree.
La caracterización cuantitativa de los tamaños de granos de los metales duros a base de WC-Co se efectúa usualmente como análisis de la superficie de una sección rectificada corroída (diámetro equivalente de un círculo). La imagen real puede ser reconstruida a través de una elaboración de imágenes, por lo que las superficies de las partículas se evalúan mediante programas de ordenador. En este caso el ordenador reproduce para cada grano una superficie circular correspondiente a la superficie de la partícula. Se determina el diámetro de este círculo. The quantitative characterization of grain sizes of hard metals based on WC-Co is usually carried out as an analysis of the surface of a corroded rectified section (equivalent diameter of a circle). The real image can be reconstructed through image processing, so that the surfaces of the particles are evaluated by computer programs. In this case the computer reproduces for each grain a circular surface corresponding to the surface of the particle. The diameter of this circle is determined.
Puesto que en el caso de este método se evalúa una superficie cortada mediante el material, con este método, al contrario que el de la medición de la longitud de la cuerda de arco, en el cual se traza una línea a través del material, se está más próximo a la verdadera distribución en el espacio de los tamaños de granos. Este parámetro debería correlacionarse, como consecuencia de esto, mejor con las propiedades del material. Para convertir por cálculo el valor medio a partir del análisis de la superficie en un valor medio procedente del análisis lineal, se indica por lo general un factor comprendido entre 1,3 y 1,5. Esto, sin embargo, constituye solamente una aproximación y depende de la forma de los granos. Since in the case of this method a surface cut by the material is evaluated, with this method, unlike that of the measurement of the length of the bowstring, in which a line is drawn through the material, It is closer to the true distribution of grain sizes in space. This parameter should be correlated, as a consequence, better with the properties of the material. To convert the average value from the surface analysis into a mean value from the linear analysis by calculation, a factor between 1.3 and 1.5 is usually indicated. This, however, constitutes only an approximation and depends on the shape of the grains.
Los carburos, nitruros y respectivamente carbonitruros tienen usualmente la función de restringir el crecimiento del tamaño de los granos del metal duro. Una ventaja especial del presente invento consiste en que la proporción de carburos, nitruros y carbonitruros se puede mantener especialmente pequeña, puesto que el tamaño de granos apenas aumenta en el caso del proceso de sinterización. Se consiguen unas óptimas resistencias al desgaste y durezas, cuando el contenido total de los carburos, nitruros y/o carbonitruros se encuentra situado en el intervalo indicado, en particular cuando el contenido de carburo de vanadio es de 0,05 a 1 % en peso, el contenido de la aleación en cuanto a carburo de tántalo es de 0,2 % a 10 % en peso y el contenido de carburo de cromo es de 0,2 a 5 % en peso, en cada caso referido al aglutinante. Carbides, nitrides and respectively carbonitrides usually have the function of restricting the growth of the size of the carbide grains. A special advantage of the present invention is that the proportion of carbides, nitrides and carbonitrides can be kept especially small, since the grain size hardly increases in the case of the sintering process. Optimum wear resistance and hardness are achieved, when the total content of carbides, nitrides and / or carbonitrides is located in the indicated range, in particular when the content of vanadium carbide is 0.05 to 1% by weight , the content of the alloy in terms of tantalum carbide is 0.2% to 10% by weight and the chromium carbide content is 0.2 to 5% by weight, in each case referred to the binder.
En este contexto, el contenido absoluto de carburos, nitruros y carbonitruros es indicado en cada caso de una manera dependiente del respectivo aglutinante y por lo tanto se indica en % en peso, referido al aglutinante. In this context, the absolute content of carbides, nitrides and carbonitrides is indicated in each case in a manner dependent on the respective binder and is therefore indicated in% by weight, based on the binder.
Los metales duros descritos precedentemente pueden encontrar utilización en principio como un material en unas aplicaciones, en las que se solicitan unas similares optimizaciones de la resistencia al desgaste, de la dureza y de la tenacidad o respectivamente de la estabilidad (resistencia) frente a los momentos de giro. Tales aplicaciones son por ejemplo las de las puntas de destornilladores. The hard metals described above may find use in principle as a material in some applications, in which similar optimizations of wear resistance, hardness and toughness or respectively of stability (resistance) against moments are requested. rotation. Such applications are for example those of screwdriver tips.
Es ventajosa y la más barata una forma de realización, en la que las puntas de destornilladores conformes al invento se componen solamente en la zona de uso (cabeza) a base del cuerpo moldeado de metal duro, o tiene por ejemplo un revestimiento de metal duro sobre acero. De una manera similar, una zona de uso (cabeza) a base de un metal duro puede haber sido aplicada por soldadura sobre un soporte. Es especialmente preferida además, a causa de la dureza y la resistencia al desgaste aumentadas, una punta de destornillador, que se compone de un metal duro, que está fabricada por ejemplo a partir de una fundición inyectada. An embodiment is advantageous and the cheapest, in which the screwdriver tips according to the invention are composed only in the area of use (head) based on the molded body of hard metal, or has for example a hard metal coating on steel Similarly, an area of use (head) based on a hard metal may have been applied by welding on a support. In addition, because of the increased hardness and wear resistance, a screwdriver tip, which is made of a hard metal, is manufactured, for example, from an injected cast iron.
Ejemplos de realización: Examples of realization:
Ejemplo 1 Example 1
A partir de una aleación de aglutinante complejo, que se compone de 70 % en peso de WC, con un tamaño de granos del WC de 0,8 µm en el estado sinterizado, y de 30 % en peso de un aglutinante con una composición del aglutinante Fe:Co:Ni = 70:10:20 se produjeron unas puntas de destornilladores (bits) en las dimensiones PZ2. Estas puntas de destornilladores alcanzaron en el ensayo de torsión unos valores del momento de giro de 14,5 Nm, lo cual constituye un aumento en un 25 % frente al valor de 11,3 Nm, solicitado según la norma DIN 5261. From a complex binder alloy, which is composed of 70% by weight of WC, with a WC grain size of 0.8 µm in the sintered state, and 30% by weight of a binder with a composition of the Fe: Co binder: Ni = 70:10:20 screwdriver bits (bits) were produced in the dimensions PZ2. These screwdriver tips reached torque values of 14.5 Nm in the torsion test, which constitutes an increase of 25% compared to the value of 11.3 Nm, requested according to DIN 5261.
Ejemplo 2 Example 2
A partir de una aleación de aglutinante complejo, que se compone de 80 % en peso de WC y de 20 % en peso del aglutinante de acuerdo con el Ejemplo 1, se produjeron unas puntas de destornilladores (bits) en las dimensiones PZ2. Estas puntas de destornilladores alcanzaron en el ensayo de torsión unos valores del momento de giro de 11,5 From a complex binder alloy, which is composed of 80% by weight of WC and 20% by weight of the binder according to Example 1, screwdriver bits (bits) in the dimensions PZ2 were produced. These screwdriver tips reached torque values of 11.5 in the torsion test
– 12 Nm, y cumplían por lo tanto los requisitos mínimos de 11,3 Nm, prescritos según la norma DIN 5261. - 12 Nm, and therefore met the minimum requirements of 11.3 Nm, prescribed according to DIN 5261.
Ejemplo comparativo: Comparative example:
Unas puntas de destornilladores (bits) con la dimensión PZ2, producida con una clásica aleación de WC-Co, que contiene 85 % en peso de WC y 15 % en peso de Co en el caso de un tamaño de granos de WC de 2-3 µm en el estado sinterizado, alcanzaron en el ensayo de torsión unos valores del momento de giro de 8 Nm. Por consiguiente, se alcanzó solamente un 70 % del valor deseado según la norma DIN 5261, que es de por lo menos 11,3 Nm. Screwdriver bits (bits) with the dimension PZ2, produced with a classic WC-Co alloy, containing 85% by weight of WC and 15% by weight of Co in the case of a size of WC grains of 2- 3 µm in the sintered state, reached torque values of 8 Nm in the torsion test. Therefore, only 70% of the desired value was achieved according to DIN 5261, which is at least 11.3 Nm.
Claims (8)
- 1. one.
- Punta de destornillador a base de un cuerpo moldeado de metal duro que se compone de 60 a 80 % en peso de carburo de wolframio con un tamaño de granos situado en el intervalo de 0,1 µm a 6,0 µm en el estado sinterizado y de 20 a 40 % en peso de un aglutinante, facultativamente de por lo menos un carburo, nitruro o carbonitruro de por lo menos uno de los elementos de los grupos IVa, Va y VIa, en un contenido total de 0,1 a 4, en particular de 0,2 a 2 % en peso, conteniendo el aglutinante de 60 a 85 % en peso de hierro, de 5 a 15 % en peso de cobalto y de 5 a 25 % en peso de níquel. Screwdriver tip based on a molded hard metal body consisting of 60 to 80% by weight of tungsten carbide with a grain size in the range of 0.1 µm to 6.0 µm in the sintered state and from 20 to 40% by weight of a binder, optionally of at least one carbide, nitride or carbonitride of at least one of the elements of groups IVa, Va and VIa, in a total content of 0.1 to 4, in particular from 0.2 to 2% by weight, the binder containing from 60 to 85% by weight of iron, from 5 to 15% by weight of cobalt and from 5 to 25% by weight of nickel.
- 2. 2.
- Punta de destornillador de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el carburo de wolframio tiene un tamaño de granos situado en el intervalo de 0,2 µm a 6,0 µm en el estado sinterizado. Screwdriver tip according to claim 1, characterized in that the tungsten carbide has a grain size in the range of 0.2 µm to 6.0 µm in the sintered state.
- 3. 3.
- Punta de destornillador de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque el aglutinante contiene de 70 a 80 % en peso de hierro, de 5 a 10 % en peso de cobalto y de 10 a 20 % en peso de níquel. Screwdriver tip according to claim 1 or 2, characterized in that the binder contains from 70 to 80% by weight of iron, from 5 to 10% by weight of cobalt and from 10 to 20% by weight of nickel.
- 4. Four.
- Punta de destornillador de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 3, caracterizada porque el tamaño de granos del carburo de wolframio en el estado sinterizado es de 1,0 a 4,0 µm, en particular de por lo menos 1,3 µm. Screwdriver tip according to one of claims 1 to 3, characterized in that the grain size of the tungsten carbide in the sintered state is 1.0 to 4.0 µm, in particular at least 1.3 µm.
- 5. 5.
- Punta de destornillador de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la aleación del cuerpo moldeado de metal duro contiene, referido al aglutinante, de 0,05 a 1 % en peso de carburo de vanadio. Screwdriver tip according to claim 1, characterized in that the alloy of the hard metal molded body contains, based on the binder, from 0.05 to 1% by weight of vanadium carbide.
- 6. 6.
- Punta de destornillador de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la aleación del cuerpo moldeado de metal duro contiene, referido al aglutinante, de 0,2 a 10 % en peso de carburo de tántalo. Screwdriver tip according to claim 1, characterized in that the alloy of the hard metal molded body contains, based on the binder, 0.2 to 10% by weight of tantalum carbide.
- 7. 7.
- Punta de destornillador de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la aleación del cuerpo moldeado de metal duro contiene, referido al aglutinante, de 0,2 a 5 % en peso de carburo de cromo. Screwdriver tip according to claim 1, characterized in that the alloy of the hard metal molded body contains, based on the binder, from 0.2 to 5% by weight of chromium carbide.
- 8. 8.
- Punta de destornillador de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 7, que contiene un revestimiento en la zona de la superficie de trabajo. Screwdriver tip according to one of claims 1 to 7, which contains a coating in the area of the work surface.
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