WO2001091962A1 - Verbundwerkzeug - Google Patents

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WO2001091962A1
WO2001091962A1 PCT/AT2001/000173 AT0100173W WO0191962A1 WO 2001091962 A1 WO2001091962 A1 WO 2001091962A1 AT 0100173 W AT0100173 W AT 0100173W WO 0191962 A1 WO0191962 A1 WO 0191962A1
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WO
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composite tool
iron
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PCT/AT2001/000173
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Helmut Ponemayr
Karl Leban
Manfred DAXELMÜLLER
Herbert Danninger
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Machner & Saurer Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a composite tool consisting of a metallic carrier part and at least one like working part with different material compositions, which parts are metallically connected to one another, in particular a saw blade or a saw band.
  • Tools to which the highest demands are made regarding the working part and the holding or clamping part usually consist of different materials, the respective material being optimally selected for the stresses on the part.
  • bi-metal band which band is formed from a tough support part and a cutting part.
  • the support part consists of an alloy which ensures high elasticity, toughness, break resistance and the like properties
  • the cutting part which ultimately forms the cutting tooth tips, has a high material hardness, abrasion resistance and a similar wear resistance.
  • Such saws have long been part of the prior art, and the cutting part, for example formed from high-speed steel, can be connected to the carrier or support part by welding. If, according to a further possibility, the cutting tips consist of special materials, for example of hard metal, then these are to be connected individually, in particular by soldering, to the carrier part.
  • the cutting performance of cutting tools not only depends on the cutting edge hardness and its abrasion resistance and toughness, but also decisively influenced by the properties of the material to be machined.
  • titanium, austenitic steels, nickel-based alloys and the like are known as materials that are difficult to machine. Often when machining the above materials, even with high-quality high-speed steels and hard metals, only low cutting performance can be achieved with extremely high tool wear. In most cases, roundings and scourings in the cutting area are the cause of the tool failure.
  • the invention seeks to remedy this and aims to provide a compound tool which has improved cutting properties of the working part.
  • the carrier part or the carrier strip is formed from a tough, iron-based material and the working part (s) from a precipitation-hardenable iron-cobalt-tungsten alloy (Fe-Co-W) are. It has been found that tungsten can be at least partially replaced by molybdenum, with improved machining performance possibly being achieved with iron-cobalt-tungsten plus molybdenum alloys (Fe-Co-W + Mo).
  • the advantages achieved with the invention are essentially to be seen in the fact that even in austenitic steels, titanium and nickel. And Kobelt-based alloys, high metal removal rates are possible with a significantly improved tool life.
  • the working part is connected to the carrier part of the tool in a metallic manner, preferably by welding free of additives.
  • a precipitation-hardened iron-cobalt-tungsten alloy especially with the materials that are known to be difficult to machine, for example Cr-Ni steel with more than 18% by weight Cr and more than 10% by weight nickel, which steel still with molybdenum, nitrogen and other elements can be alloyed, can be particularly efficient in machining, has not yet been scientifically clarified.
  • the material properties regarding the material hardness, toughness and abrasion resistance are favorably by a
  • Si to 0.8, preferably up to 0.6
  • AI to 0.8, preferably to 0.4 V to 1.0, preferably 0.4 to 0.8
  • Ti to 0.6, preferably to 0.3
  • Nb / Ta up to 0.7, preferably up to 0.25
  • Ni max 0.8 preferably max 0.3
  • the preferred areas of the material composition can be used favorably for the working part in the removal of chips from austenitic workpieces.
  • the carrier part consists of a carbon spring steel consisting of 0.25 to 1.15 C 0.20 to 3.0 Si 0 in% by weight, 45 to 2.5 Mn and Cr, V, Mo, Ni and S, Fe and melting-related impurities are formed as the remainder.
  • the carrier part is made of a martensite-hardenable (maraging)
  • the metallic connection between the carrier part and the working part is created in a favorable manner by electrons, laser or plasma welding, the material properties across the connection zone can be improved and show high values.
  • the working part (s) is (are) manufactured by powder metallurgy.
  • the working part (s) have granular or spherical hard material bevels, it is possible to increase the service life of the tools for certain requirements.
  • Hard material proportions of more than 10 vol .-% in the working part cause its embrittlement.
  • a saw band with a thickness of 1.2 mm was created by welding a working part onto a carrier part by means of laser welding.
  • the carrier part had a chemical composition essentially in% by weight of 0.43 C, 0.75 Si, 0.9 Mn, 1.2 Cr, remainder iron and production-related impurities.
  • the working part had a material composition in wt .-% of 0.06 C, 20.1 Co, 15.3 W, 2.2 Mo, 0.31 Si, 0.38 V, balance iron and impurities.
  • the carrier material was produced by powder metallurgy by atomizing metal with nitrogen, hot isostatic pressing and thermoforming of the compact.
  • Tooth gaps were worked out on the bimetal strip in such a way that the tooth tip areas were formed from the working part.
  • a solution annealing of the working part was carried out at 1220 to 1270 ° C, the curing the cutting material was carried out at 580 to 650 ° C, whereby a material hardness of 67 to 68 HRC was achieved.
  • the saw according to the invention achieved a cutting time reduction of 53% when dividing 18/10 CrNi rods with a diameter of 210 mm.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbundwerkzeug bestehend aus einem metallischen Trägerteil und mindestens einem dergleichen Arbeitsteil mit unterschiedlichen Werkstoffzusammensetzungen, welche Teile miteinander metallisch verbunden sind, insbesondere ein Sägeblatt oder Sägeband. Zur Erhöhung der Schnittleistung und Werkzeugstandzeit, insbesondere bei einer Bearbeitung von Titan sowie Titanlegierungen, austenitischen Cr-Ni-Mn-N-Stählen und Nickel- oder Nickelbasislegierungen ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Trägerteil oder das Trägerband aus einem zähfesten Eisenbasis-Werkstoff und der(die) Arbeitsteil(e) aus einer ausscheidungshärtbaren Eisen-Kobalt-Wolframlegierung (Fe-Co-W) gebildet sind.

Description

Verbundwerkzeug
Die Erfindung betrifft ein Verbundwerkzeug bestehend aus einem metallischen Trägerteil und mindestens einem dergleichen Arbeitsteil mit unterschiedlichen Werkstoffzusammensetzungen, welche Teile miteinander metallisch verbunden sind, insbesondere ein Sägeblatt oder ein Sägeband.
Werkzeuge, an welche höchste Anforderungen betreffend den Arbeitsteil sowie den Halte- oder Einspannteil gestellt werden, bestehen zumeist aus verschiedenen Werkstoffen, wobei der jeweilige Werkstoff optimal für die Beanspruchungen des Teiles ausgewählt ist.
Es ist bekannt, Sägeblätter oder Bandsägen aus einem sogenannten Bi-Metallband zu fertigen, welches Band aus einem zähfesten Stützteil und einem Schneidteil gebildet ist. Während der Stützteil aus einer Legierung, die hohe Elastizität, Zähigkeit, Bruchsicherheit und dergleichen Eigenschaften sicherstellt, besteht, weist der Schneidteil, welcher letztlich die spanabhebenden Zahnspitzen bildet, eine hohe Materialhärte, Abriebfestigkeit und einen dergleichen Verschleißwiderstand auf. Derartige Sägen sind seit langem zum Stand der Technik zu zählen, wobei der Schneidteil, zum, Beispiel aus Schnellarbeitsstahl gebildet, mit dem Träger- oder Stützteil durch Schweißung metallisch verbunden sein kann. Bestehen gemäß einer weiteren Möglichkeit die Schneidspitzen aus Sondermaterialien, zum Beispiel aus Hartmetall, so sind diese einzeln, insbesondere durch Lötung, mit dem Trägerteil zu verbinden.
Bei einer spanabhebenden Bearbeitung von Werkstoffen ist zumeist die Härte, Zähigkeit und Abriebfestigkeit der Werkzeugschneide für deren Standzeit im praktischen Einsatz maßgebend. Vielfach werden auch Hartstoffbeschichtungen i Schneidenbereich der Werkzeuge vorgesehen, um deren Schneidleistungen zu erhöhen.
Die Schneidleistung von spanabhebenden Werkzeugen hängt jedoch nicht nur von der Schneidenhärte und deren Abriebfestigkeit und Zähigkeit ab, sondern wird auch durch die Eigenschaften des zu zerspanenden Werkstoffes entscheidend mitbestimmt. Beispielsweise sind Titan, austenitische Stähle, Nickelbasislegierungen und dergleichen als schwer zerspanbare Werkstoffe bekannt. Oft können bei einer Bearbeitung obiger Werkstoffe auch mit hochwertigen Schnellarbeitsstählen und Hartmetallen nur geringe Spanleistungen bei äußert hohem Werkzeugverschleiß erreicht werden. Zumeist sind Rundungen und Auskolkungen im Schneidenbereich die Ursache für den Ausfall des Werkzeuges.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen und setzt sich zum Ziel, ein Verbundewerkzeug anzugeben, welches verbesserte spanabhebende Eigenschaften des Arbeitsteiles besitzt. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Werkzeug für eine Zerspanung von Titan sowie Titanlegierungen, austenitischen Stählen, Nickel-und Kobaltbasislegierungen und dergleichen zu erstellen.
Diese Ziele werden bei einem Verbundwerkzeug der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß der Trägerteil oder das Trägerband aus einem zähfesten Eisenbasis-Werkstoff und der(die) Arbeitsteil(e) aus einer ausscheidungshärtbaren Eisen- Kobalt-Wolframlegierung (Fe-Co-W) gebildet sind. Es wurde gefunden, daß Wolfram zumindest teilweise durch Molybdän ersetzt werden kann, wobei mit Eisen- Kobalt- Wolfram plus Molybdän- Legierungen ( Fe-Co-W + Mo) gegebenenfalls verbesserte Abspanleistungen erzielt werden.
Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß auch in austenitischen Stählen, Titan- und Nickel-.sowie Kobeltbasislegierungen hohe Zerspanungsleistungen bei entscheidend verbesserter Standzeit der Werkzeugschneide möglich sind. Dabei ist in günstiger Weise der Arbeitsteil mit dem Trägerteil des Werkzeuges metallisch, vorzugsweise durch zusatzstoffreie Schweißung, verbunden. Warum eine ausscheidungsgehärtete Eisen-Kobalt-Wolframlegierung gerade bei den bekanntlich schwer zu bearbeitenden Werkstoffen, zum Beispiel Cr-Ni- Stahl mit mehr als 18 Gew.-% Cr und mehr als 10 Gew.-% Nickel, welcher Stahl noch mit Molybdän, Stickstoff und weiteren Elementen legiert sein kann, besonders effizient spanabhebend wirksam sein kann, ist wissenschaftlich noch nicht geklärt. Erste Untersuchungen deuten darauf hin, daß eine Spanbildung und ein Spanablauf durch Verminderung der Reibungskräfte bei Intensivierung der Reiß- und Scherarbeit günstig wirken.
Hohe Schneidleistungen des Werkzeuges sind erreichbar, wenn der(die)
Arbeitsteil(e) eine Zusammensetzung von in Gew.-%
Kobalt (Co) 15 bis 30
Wolfram (W) bis 25
Molybdän (Mo) bis 20
(W+Mo) 10 bis 25
Silizium (Si) bis 1,5
Aluminium (AI) bis 1,5
Vanadin (V) bis 1,5
Titan (Ti) bis 1,0 *
Niob/Tantal (Nb,Ta) bis 1,1
Kohlenstoff (C) max 0,4
Chrom (Cr) max 3,9
Nickel (Ni) max 3,9
Mangan (Mn) max 4,1
Eisen (Fe) und herstellungsbedingte Verunreinigungen als Rest besitzt.
In obigem Legierungsbereich sind in günstiger Weise die Werkstoffeigenschaften betreffend die Materialhärte, Zähigkeit und Abriebfestigkeit durch eine
Wärmebehandlung bzw. den Ausscheidungshärteeffekt einstellbar ohne das
Schweißverhalten des Arbeitsteiles bzw. die Verbindung mit dem Trägerteil nachteilig zu beeinflussen.
Besonders hohe Schneidleistungen bei geringem Werkzeugverschleiß sind erreichbar, wenn der(die) Arbe'rtsteil(e) eine Zusammensetzung von in Gew.-%
Co 22 bis 26, vorzugsweise 21 bis 24
W bis 20, vorzugsweise 9 bis 18
Mo bis 12, vorzugsweise 1 bis 9
(W+Mo) 11 bis 20
Si bis 0,8, vorzugsweise bis 0,6
AI bis 0,8, vorzugsweise bis 0,4 V bis 1,0, vorzugsweise 0,4 bis 0,8
Ti bis 0,6, vorzugsweise bis 0,3
Nb/Ta bis 0,7, vorzugsweise bis 0,25
C max 0,2, vorzugsweise max 0,15
Cr max 0,9, vorzugsweise max 0,5
Ni max 0,8, vorzugsweise max 0,3
Mn max 0,9, vorzugsweise max 0,4
Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen als Rest besitzt (besitzen).
Die bevorzugten Bereiche der Werkstoflzusammensetzung sind, wie gefunden wurde, für den Arbeitsteil bei der Spanabnahme von austenitischen Werkstücken günstig einsetzbar.
Um im Hinblick auf gute Gebrauchseigenschaften des Werkzeuges an sich Verbesserungen zu erreichen, kann es günstig sein, wenn der Trägerteil aus einem Kohlenstoff-Federstahl bestehend aus in Gew.-% 0,25 bis 1.15 C 0,20 bis 3,0 Si 0,45 bis 2,5 Mn sowie Cr, V, Mo, Ni und S, Fe und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest gebildet ist.
Sind besonders hohe Ansprüche an den Trägerteil betreffend Härte,
Biegewechselfestigkeit und Verschweißbarkeit mit dem Arbeitsbereich gestell, kann es vorteilhaft sein, wenn der Trägerteil aus einem martensitaushärtbaren (maraging)
Stahl bestehend im wesenlichen aus in Gew.-%
Mo 2,0 bis 8,2
Ni 14,0 bis 22,0
Co 5,0 bis 14,0
Ti 0,2 bis 1,7
AI 0,05 bis 0,2
Fe und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest gebildet ist. Bei obigem Trägerwerkstoff ist, wie sich herausgestellt hat, die Schweißnaht über den gesamten Querschnitt zähhart, es sind keinerlei spröde Phasen festgestellt worden und es ist eine besonders günstige, auf beide Werkzeugteile ausrichtbare Wärmebehandlungstechnologie anwendbar.
Wenn weiters in günstiger Weise die metallische Verbindung zwischen Trägerteil und Arbeitsteil durch Elektronen,- Laser- oder Plasmaschweißen erstellt ist, können die Materialeigenschaften quer über die Verbindungszone verbessert sein und hohe Werte auiweisen.
Fertigungstechnisch aber auch im Hinblick auf eine gesteigerte Werkstoffgüte und Wärmebehandlungseignung kann es bevorzugt sein, wenn der(die) Arbeitsteil(e) pulvermetallurgisch hergestellt ist (sind).
Wenn, wie weiters erfindungsgemäß vorgesehen sein kann, der(die) Arbeitsteil(e) körnige oder kugelige Hartstoff-Fasen aufweisen, ist es möglich, die Standzeit der Werkzeuge für bestimmte Anforderungen zu erhöhen. Hartstoffanteile von größer als 10 Vol.-% im Arbeitsteil bewirken jedoch dessen Versprödung.
Anhand eines Beispieles soll die Erfindung näher dargelegt werden. Ein Sägeband mit einer Stärke von 1 ,2 mm wurde durch Aufschweißen eines Arbeitsteiles auf einen Trägerteil mittels Laserschweißung erstellt. Der Trägerteil besaß eine chemische Zusammensetzung im wesentlichen in Gew.-% von 0,43 C, 0,75 Si, 0,9 Mn, 1,2 Cr, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen. Der Arbeitsteil hatte eine Werkstoffzusammensetzung in Gew.-% von 0,06 C, 20,1 Co, 15,3 W, 2,2 Mo, 0,31 Si, 0,38 V, Rest Eisen und Verunreinigungen. Die Herstellung des Trägermaterials erfolgte pulvermetallurgisch durch Metallverdüsung mit Stickstoff, heißisostatisches Pressen und Warmverformen des Preßlings.
Am Bi-Metallband wurden Zahnlücken derart herausgearbeitet, daß die Zahnspitzenbereiche aus dem Arbeitsteil gebildet waren.
Ein Lösungsglühen des Arbeitsteiles erfolgte bei 1220 bis 1270°C, die Aushärtung des Schneidwerkstoffes wurde bei 580 bis 650 °C vorgenommen, wobei eine Materialhärte von 67 bis 68 HRC erreicht wurde.
Im praktischen Einsatz erbrachte die erfindungsgemäße Säge bei der Teilung von 18/10 CrNi Stangen mit einem Durchmesser von 210 mm eine Schnittzeitreduzierung von 53 %.

Claims

Patentansprüche
1. Verbundwerkzeug bestehend aus einem metallischen Trägerteil und mindestens einem dergleichen Arbeitsteil mit unterschiedlichen Werkstoffzusammensetzungen, welche Teile miteinander metallisch verbunden sind, insbesondere ein Sägeblatt oder Sägeband, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerteil oder das Trägerband aus einem zähfesten Eisenbasis-Werkstoff und der (die) Arbeitsteil(e) aus einer ausscheidungshärtbaren Eisen-Kobalt-Wolframlegierung ( Fe-Co-W) gebildet sind.
2. Verbundwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Arbeitsteil(e) eine Zusammensetzung von in Gew.-%
Kobalt (Co) 15 bis 30
Wolfram (W) bis 25
Molybdän (Mo) bis 20
(W+Mo) 10 bis 25
Silizium (Si) bis 1,5
Aluminium (AI) bis 1,5
Vanadin (V) bis 1,5
Titan (Ti) bis 1,0
Niob/Tantal(Nb,Ta) bis 1,1
Kohlenstoff (C) max 0,4
Chrom (Cr) max 3,9
Nickel (Ni) max 3,9
Mangan (Mn) max 4,1
Eisen (Fe) und herstellungsbedingte Verunreinigungen als Rest besitzt.
3. Verbundwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
(die) Arbeitsteil(e) eine Zusammensetzung von in Gew.-%
Co 22 bis 26, vorzugsweise 21 bis 24
W bis 20, vorzugsweise 9 bis 18
Mo bis 12, vorzugsweise 1 bis 9
(W+Mo) 11 bis 20 Si bis 0,8, vorzugsweise bis 0,6
AI bis 0,8, vorzugsweise bis 0,4
V bis 1,0, vorzugsweise 0,4 bis 0,8
Ti bis 0,6, vorzugsweise bis 0,3
Nb/Ta bis 0,7, vorzugsweise bis 0,25
C max 0,2, vorzugsweise max 0,15
Cr max 0,9, vorzugsweise max 0,5
Ni max 0,8, vorzugsweise max 0,3
Mn max 0,9, vorzugsweise max 0,4
Fe und herstellungsbedingte Verunreinigungen als Rest besitzt.
4. Verbundwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerteil aus einem Kohlenstoff-Federstahl bestehend aus in Gew.-% 0,25 bis 1,15 C
0,20 bis 3,0 Si 0,45 bis 2,5 Mn sowie Cr, V, Mo,Ni und S, Fe und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest gebildet ist.
5. Verbundwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerteil aus einem martensitaushärtbaren ( maraging) Stahl bestehend im wesentlichen aus in Gew.-%
Mo 2,0 bis 8,2
Ni 14,0 bis 22,0
Co 5,0 bis 14,0
Ti 0,2 bis 1,7
AI 0,05 bis 0,2
Fe und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen als Rest gebildet ist.
6. Verbundwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Verbindung zwischen Trägerteil und Arbeitsteil durch Elektronenstrahl.-Laser- oder Piasmaschweißen erstellt ist.
7. Verbundwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Arbeitsteil(e) pulvermetallurgisch hergestellt ist (sind).
8. Verbundwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der(die) Arbeitsteil(e) kömige bzw. kugelige Hartstoff- Fasen bis zu einem Anteil von 10 Vol.-% aufweisen.
9. Verwendung eines Werkzeuges gemäß den vorgeordneten Anprüchen für eine spanabhebende Bearbeitung von austenitischen Stählen und Legierungen.
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