WO2004020681A1 - Verwendung einer hartmetalllegierung - Google Patents

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    • B25B15/002—Screwdrivers characterised by material or shape of the tool bit characterised by material used or surface finishing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to the use of a hard metal alloy for parts which, in addition to wear, are particularly stressed on torsion.
  • Screwdriver bits which are also often referred to as screwdriver bits.
  • Screwdriver bits of this type are received in a holder or directly in the screwing tool and generally have a hexagon-shaped receiving shaft and a tip, also referred to as an output. The shape or profile of the tip is matched to the head shape of the screw to be screwed in. Screws with slotted heads, with cross-head heads of different shapes, and with internal Torx heads are particularly popular.
  • the screwdriver bits are primarily made of steel, which is usually hardened to a hardness between 54 and 62 HRC. With this hardness, such screwdriver bits made of steel generally still have sufficient toughness to absorb the stress on torsion that occurs during the screwing process without damage.
  • DE 40 29 734 C2 describes the formation of an anti-slip coating on screwdriver bits, with friction particles are applied by an electrode to the hardened work surface of the screwdriver insert.
  • Screwdriver bits made entirely of carbide have not yet been used due to concerns about insufficient torsional strength.
  • the object of the present invention is to provide a material for parts which, in addition to wear and tear in particular are also subjected to torsion, has a material which exceeds the properties of the previously known materials for such applications.
  • this is achieved by using a hard metal alloy of essentially tungsten carbide with an average grain size of less than 1.2 ⁇ m and from 13 to 23% by weight of binder metal, selected from one or more metals from the group consisting of cobalt, iron and nickel.
  • this special hard metal alloy brings significant improvements in wear resistance and at the same time excellent results in terms of torsional strength. This was particularly surprising because not particularly tough carbide alloys, as expected, have good torsional strength, but an alloy group that has only below-average toughness values.
  • the torsional strength depending on the special shape and size of the manufactured part is in the range of 1,800 to 2,400 N / mm 2 .
  • the fact that the alloy consists essentially of tungsten carbide means that small amounts of other hard materials, in particular other carbides, of an order of magnitude of up to about 10% by weight can be present in the alloy without the advantageous properties changing significantly.
  • a hard metal alloy made from tungsten carbide with an average grain size in the range from 0.7 to 0.9 ⁇ m and from 13 to 17% by weight cobalt binder has proven particularly useful for the use according to the invention.
  • a proportion of up to 200 grains / mm 2 with an average grain size in the range from 6 to 15 ⁇ m has proven to be an advantageous order of magnitude.
  • the formation of the coarse grain fraction takes place through a slight over-sintering of the hard metal alloy during manufacture. Without the formation of a coarse grain fraction, the hard metal alloy according to the invention is sintered at a temperature of approximately 1,400 ° C. for a period of approximately 60 minutes. The over-sintering to form the coarse grain fraction is achieved by increasing the sintering temperature to approximately 1,440 ° C and increasing the sintering time to approximately 90 minutes.
  • Screwdriver bits are given, torques of up to 20 Nm are transmitted on average.
  • the highest values of transferable torques are achieved if the screwdriver bits are made by metal powder injection molding.
  • a granulate is produced from the hard metal powder mixture and an organic binder, such as waxes or polymers, by mixing and this is heated in an injection molding machine to temperatures between approximately 100 and 200 ° C. and injected through a press into appropriately designed casting molds. After the mixture has cooled, the blanks, which already have excellent strength, are ejected from the injection mold and then debindered in appropriate furnaces and sintered to form a liquid phase of the binder metal component.
  • the resulting volume shrinkage is of the order of about 50%, the sintered density achieved is almost 100% of the theoretical density.
  • metal powder injection molding enables targeted rounding of particularly vulnerable edges on the screwdriver insert in the injection mold, which means that high torques can be transmitted without the risk of breakage due to the reduced notch effect on the screwdriver insert.
  • the metal powder injection molding allows a particularly structured design of the profile surface of the screwdriver insert, due to the targeted surface properties of the injection mold, which can largely prevent the screwdriver insert from slipping out of the screw head, which extends the service life of the screwdriver insert.
  • An additional intensified effect in this direction can be achieved through the Achieve the introduction of ultra-hard particles, eg diamond grains, into the injection mold during the injection molding process.
  • rod-shaped samples of a hard metal alloy according to the invention referred to as samples 1 in Table 1, were produced from 85% by weight of tungsten carbide with an average grain size of 0.7 ⁇ m, the rest being cobalt.
  • the samples had a hexagonal profile with a cylindrical middle part.
  • the total length of the samples was 38 mm with a width across flats of 5 mm.
  • the cylindrical middle part of the samples had a length of 16 mm and a diameter of 3.8 mm.
  • the resulting cross-section of the middle part corresponds approximately to the shear cross-section of the screwdriver bits most commonly used in practice.
  • a block with the dimensions 70 mm ⁇ 46 mm ⁇ 25 mm was produced on a die press by pressing the powder mixture of the hard metal alloy according to the invention with a pressure of 220 MPa.
  • samples 2 in table 1 Similar samples made of a hard metal alloy consisting of 75% by weight tungsten carbide with an average grain size of 3 ⁇ m, the rest cobalt, were referred to as samples 2 in table 1, furthermore from one Tungsten carbide alloy, consisting of 85% by weight tungsten carbide with an average grain size of 1.5 ⁇ m, the rest cobalt, referred to as sample 3 in Table 1, and finally made of a hard metal alloy consisting of 80% by weight tungsten carbide with an average grain size of 1, 5 ⁇ m, remainder cobalt, referred to as samples 4 in table 1, produced and tested like the samples from the hard metal alloy according to the invention for flexural strength and torsional strength.
  • the mean values of the strengths of these samples are also shown in Table 1.
  • Sample 5 Similar samples were made from hardened steel, referred to as Sample 5 in Table 1.
  • the steel had a composition that was customary for the production of screwdriver bits.
  • These samples were also examined for flexural strength and torsional strength and their mean values are listed in Table 1.
  • the hard metal alloy according to the invention has the best values in terms of torsional strength compared to the other hard metal alloys. Your values in the Torsional strength is comparable to the values of the steel alloy. Since hard metal also has significantly better wear resistance properties than steel, there is a serious advantage of the hard metal alloy. It is particularly surprising that hard metal alloys with high toughness and good or even higher flexural strength have poorer, sometimes even significantly poorer values in torsional strength.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Hartmetalllegierung für Teile die neben Verschleiss insbesondere auf Torsion beansprucht werden. Die Hartmetalllegierung besteht im wesentlichen aus Wolframkarbid mit einer mittleren Korngrösse kleiner 1,2 mum und aus 13 bis 23 Gew.% Bindemetall aus einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Kobalt, Eisen und Nickel.

Description

VERWENDUNG EINER HARTMETALLLEGIERUNG
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Hartmetalllegierung für Teile die neben Verschleiß insbesondere auf Torsion beansprucht werden.
Teile die neben Verschleiß auch auf Torsion beansprucht werden, sind beispielsweise Schraubendrehereinsätze, die vielfach auch als Schrauberbits bezeichnet, werden. Derartige Schraubendrehereinsätze werden in einem Halter oder direkt im Schraubwerkzeug aufgenommen und weisen im Regelfall einen sechskant-förmigen Aufnahmeschaft sowie eine Spitze, auch als Abtrieb bezeichnet, auf. Die Form bzw. das Profil der Spitze ist auf die Kopfform der einzuschraubenden Schraube abgestimmt. So sind insbesondere Schrauben mit geschlitzten Köpfen, mit Kreuzschlitzköpfen unterschiedlicher Formen, sowie mit Innen-Torxköpfen stark verbreitet.
Die Schraubendrehereinsätze werden in erster Linie aus Stahl, der im Regelfall auf eine Härte zwischen 54 und 62 HRC gehärtet wird, hergestellt. Bei dieser Härte besitzen derartige Schraubendrehereinsätze aus Stahl in der Regel noch ausreichende Zähigkeit, um die beim Schraubvorgang auftretende Belastung auf Torsion ohne Schädigung aufzunehmen.
Trotz der verhältnismäßig hohen Härte kommt es vielfach auch in Abhängigkeit vom Profil des Schraubendrehereinsatzes zu einer raschen Abnützung und Beschädigung der Profilkanten und damit zu einem frühzeitigen Verschleiß und/oder einer Beschädigung der Schraubenköpfe.
Es wurde daher in der Vergangenheit versucht, die Verschleißfestigkeit der Oberfläche der Schraubendrehereinsätze zumindest im Profilbereich durch Hartstoffbeschichtungen oder aufgelötete Hartmetallarmierungen weiter zu verbessern.
So beschreibt beispielsweise die DE 40 29 734 C2 die Ausbildung einer AntiRutsch-Beschichtung auf Schraubendrehereinsätzen, wobei Reibstoffteilchen im Lichtbogenverfahren von einer Elektrode auf die gehärtete Arbeitsfläche des Schraubendrehereinsatzes aufgebracht werden.
Alle diese Maßnahmen sind jedoch aufwändig und teuer und können im Falle der Beschichtung aufgrund der langen Temperatureinwirkungen während des Beschichtungsvorganges das Gefüge des Schraubendrehereinsatzes schädigen. Bei den durch aufgelötete Hartmetallarmierungen verstärkten Schraubendrehereinsätzen ist die Scherfestigkeit der Lötstelle vielfach zu gering.
Zur Gänze aus Hartmetall gefertigte Schraubendrehereinsätze sind aufgrund Bedenken einer zu geringen Torsionsfestigkeit bis jetzt noch nicht zur Anwendung gekommen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für Teile die neben Verschleiß insbesondere auch auf Torsion beansprucht werden, einen Werkstoff zur Verfügung zu stellen, der die bisher bekannten Werkstoffe für derartige Anwendungen in seinen Eigenschaften übertrifft.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Verwendung einer Hartmetalllegierung aus im wesentlichen Wolframkarbid mit einer mittleren Korngröße kleiner 1 ,2 μm und aus 13 bis 23 Gew.% Bindermetall, ausgewählt aus einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Kobalt, Eisen und Nickel erreicht.
Die Verwendung dieser speziellen Hartmetalllegierung bringt deutliche Verbesserungen in der Verschleißfestigkeit und gleichzeitig ausgezeichnete Ergebnisse hinsichtlich Torsionsfestigkeit. Dies war insbesondere auch deshalb überraschend, weil nicht wie zu erwarten besonders zähe Hartmetalllegierungen eine gute Torsionsfestigkeit aufweisen, sondern eine Legierungsgruppe die hinsichtlich Zähigkeit nur unterdurchschnittliche Werte aufweist. Die von der speziellen Form und Größe des hergestellten Teiles abhängige Torsionsfestigkeit liegt im Bereich von 1.800 bis 2.400 N/mm2. Dass die Legierung im wesentlichen aus Wolframkarbid besteht bedeutet, dass geringfügige Mengen anderer Hartstoffe, insbesondere anderer Karbide in einer Größenordnung von bis zu etwa 10 Gew.% in der Legierung vorhanden sein können, ohne dass sich die vorteilhaften Eigenschaften wesentlich ändern.
Besonders bewährt für die erfindungsgemäße Verwendung hat sich eine Hartmetalllegierung aus Wolframkarbid mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 0,7 bis 0,9 μm und aus 13 bis 17 Gew.% Kobaltbinder.
Zusätzlich verbesserte Eigenschaften der erfindungsgemäßen Hartmetalllegierung liegen dann vor, wenn ein gewisser Grobkornanteil in der Hartmetalllegierung vorhanden ist.
Als vorteilhafte Größenordnung hat sich dabei ein Anteil von bis zu 200 Körnern/mm2 mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 6 - 15 μm bewährt.
Die Ausbildung des Grobkornanteiles erfolgt durch eine leichte Übersinterung der Hartmetalllegierung bei der Herstellung. Ohne Ausbildung eines Grobkornanteiles erfolgt die Sinterung der erfindungsgemäßen Hartmetalllegierung bei einer Temperatur von etwa 1.400°C, während eines Zeitraumes von etwa 60 Minuten. Die Übersinterung zur Ausbildung des Grobkornanteiles wird durch eine Erhöhung der Sintertemperatur auf etwa 1.440°C und eine Verlängerung der Sinterzeit auf etwa 90 Minuten erreicht.
Besonders bewährt hat sich die erfindungsgemäße Verwendung der Hartmetalllegierung für Schraubendrehereinsätze. Hier konnten trotz der Kerbwirkung, die aufgrund der speziellen Profilform der Spitze der
Schraubendrehereinsätze gegeben ist, Drehmomente von durchschnittlich bis zu 20 Nm übertragen werden.
Die höchsten Werte an übertragbaren Drehmomenten werden dann erzielt, wenn die Schraubendrehereinsätze durch Metallpulverspritzguss hergestellt werden. Dazu wird aus dem Hartmetallpulvergemisch und einem organischen Binder, wie Wachsen oder Polymeren, durch Mischen ein Granulat hergestellt und dieses in einer Spritzgussmaschine auf Temperaturen zwischen etwa 100 und 200°C erwärmt und durch eine Presse in entsprechend ausgeführte Gießformen gespritzt. Nach Abkühlen der Mischung werden die Rohlinge, die bereits eine ausgezeichnete Festigkeit aufweisen, aus der Spritzgussform ausgestoßen und dann in entsprechenden Öfen entbindert und unter Ausbildung einer Flüssigphase des Bindermetallanteiles gesintert. Der dabei auftretende volumsmäßige Schwund liegt in der Größenordnung von etwa 50 %, die erzielte Sinterdichte bei nahezu 100 % der theoretischen Dichte.
Durch die Anwendung des Metallpulverspritzgießens lassen sich bereits in der Spritzgussform gezielte Verrundungen an besonders gefährdeten Kanten am Schraubendrehereinsatz einarbeiten, wodurch sich aufgrund der verminderten Kerbwirkung am Schraubendrehereinsatz hohe Drehmomente ohne Bruchgefährdung übertragen lassen.
Besonders vorteilhaft beim Metallpulverspritzgießen von Schraubendrehereinsätzen ist es, wenn in der Spritzgussform unmittelbar unter der Schraubendreherspitze mehrere parallele, etwa 45° zur Längsachse verlaufende, stegformige Erhebungen eingearbeitet sind. Diese Erhebungen bewirken, dass dem in die Form eingespritzten Material ein gerichteter Fluss zur Spitze des Schraubendrehereinsatzes aufgezwungen wird, wodurch es zu einer besonders guten Füllung und gleichmäßigen Dichte in diesem Bereich kommt, auf den bei der Anwendung die größte Beanspruchung ausgeübt wird.
Weiters lässt das Metallpulverspritzgießen allein durch eine gezielte Oberflächenbeschaffenheit der Spritzgussform eine besonders strukturierte Ausbildung der Profilfläche des Schraubendrehereinsatzes zu, durch die auch bei einer geringeren Anpresskraft des Schraubendrehereinsatzes ein Herausrutschen desselben aus dem Schraubenkopf weitgehend verhindert werden kann, wodurch die Standzeit des Schraubendrehereinsatzes verlängert wird. Ein zusätzlich verstärkter Effekt in dieser Richtung lässt sich durch die Einbringung von ultraharten Teilchen, z.B. Diamantkörnern, im Zuge des Spritzgießvorganges in die Spritzgussform erreichen.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand eines Herstellungsbeispieles näher beschrieben.
Herstellungsbeispiel
Zum Testen der Torsionsfestigkeit wurden stabförmige Proben aus einer erfindungsgemäßen Hartmetalllegierung, in Tabelle 1 als Proben 1 bezeichnet, aus 85 Gew.% Wolframkarbid mit einer mittleren Korngröße von 0,7 μm, Rest Kobalt, hergestellt. Die Proben wiesen ein Sechskantprofil mit einem zylindrischen Mittelteil auf. Die Gesamtlänge der Proben lag bei 38 mm mit einer Schlüsselweite des Sechskantprofiles von 5 mm. Der zylindrische Mittelteil der Proben wies eine Länge von 16 mm und einen Durchmesser von 3,8 mm auf. Der sich dadurch ergebende Querschnitt des Mittelteiles entspricht etwa dem Scherquerschnitt der in der Praxis am häufigsten eingesetzten Schraubendrehereinsätze.
Auf einer Matrizenpresse wurde ein Block mit den Abmessungen 70 mm x 46 mm x 25 mm durch Pressen des Pulvergemisches der erfindungsgemäßen Hartmetalllegierung mit einem Pressdruck von 220 MPa hergestellt.
Aus dem gepressten Block wurden die Proben mit ihrer Sechskant Grundform aus dem Mittelteil mittels Diamantscheiben herausgeschnitten. Dann wurden die Proben bei 1.420° während 60 Minuten gesintert. Nach der Sinterung wurde in das Sechskantprofil der Proben der zylindrische Mittelteil mit 38 mm Durchmesser mit einer Toleranz von ± 5 μm eingeschliffen. Die derart hergestellten Proben wurden auf entsprechenden Prüfeinrichtungen auf Biegebruchfestigkeit und Torsionsfestigkeit geprüft. Die Mittelwerte der Biegebruchfestigkeit und Torsionsfestigkeit der geprüften Proben sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Zum Vergleich wurden gleichartige Proben aus einer Hartmetalllegierung, bestehend aus 75 Gew.% Wolframkarbid mit einer mittleren Korngröße von 3 μm, Rest Kobalt, in Tabelle 1 als Proben 2 bezeichnet, weiters aus einer Hartmetalllegierung, bestehend aus 85 Gew.% Wolframkarbid mit einer mittleren Korngröße von 1 ,5 μm, Rest Kobalt, in Tabelle 1 als Proben 3 bezeichnet, sowie schließlich aus einer Hartmetalllegierung, bestehend aus 80 Gew.% Wolframkarbid mit einer mittleren Korngröße von 1 ,5 μm, Rest Kobalt, in Tabelle 1 als Proben 4 bezeichnet, hergestellt und wie die Proben aus der erfindungsgemäßen Hartmetalllegierung auf Biegebruchfestigkeit und Torsionsfestigkeit geprüft. Auch die Mittelwerte der Festigkeiten dieser Proben sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Als weiterer Vergleich wurden gleichartige Proben aus gehärtetem Stahl, in Tabelle 1 als Proben 5 bezeichnet, hergestellt. Der Stahl wies dabei eine für die Herstellung von Schraubendrehereinsätzen übliche Zusammensetzung auf. Auch diese Proben wurden auf Biegebruchfestigkeit und Torsionsfestigkeit untersucht und ihre Mittelwerte in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1
Proben Zusammensetzung Biegebruchfestigkeit Torsionsfestigkeit
Figure imgf000007_0001
1 85 Gew.% WC, 0J μm 3.300 2.300
(erfindungsgemäß) Rest Co
2 75 Gew.% WC, 3 μm 2.500 1.200 Rest Co
3 85 Gew.% WC, 1,5 μm 3.400 1.900 Rest Co
4 80 Gew.% WC, 1,5 μm 3.100 1.350
Rest Co
Stahl 4.400 2.300
Aus der Tabelle ist zu ersehen, dass die erfindungsgemäße Hartmetalllegierung im Vergleich zu den übrigen Hartmetalllegierungen hinsichtlich Torsionsfestigkeit die besten Werte aufweist. Ihre Werte in der Torsionsfestigkeit sind vergleichbar mit den Werten der Stahllegierung. Da Hartmetall gegenüber Stahl zusätzlich deutlich bessere Verschleißfestigkeitseigenschaften aufweist, ergibt sich ein gravierender Vorteil der Hartmetalllegierung. Insbesondere überraschend ist, dass Hartmetalllegierungen mit einer hohen Zähigkeit und guter oder sogar höherer Biegebruchfestigkeit, schlechtere, teilweise sogar deutlich schlechtere Werte in der Torsionsfestigkeit aufweisen.

Claims

Patentansprüche
1. Verwendung einer Hartmetalllegierung aus im wesentlichen Wolframkarbid mit einer mittleren Korngröße kleiner 1 ,2 μm und aus 13 bis 23 Gew.% Bindemetall ausgewählt aus einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe Kobalt, Eisen und Nickel für Teile die neben Verschleiß insbesondere auf
Torsion beansprucht werden.
2. Verwendung einer Hartmetalllegierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Hartmetalllegierung aus Wolframkarbid mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 0,7 bis 0,9 μm und aus 13 bis 17
Gew.% Kobalt besteht.
3. Verwendung einer Hartmetalllegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Grobkornanteil von bis zu 200 Körnern/mm2 mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 6 - 15 μm aufweist.
4. Verwendung einer Hartmetalllegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für Schraubendrehereinsätze.
5. Schraubendrehereinsatz aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
6. Verfahren zur Herstellung eines Schraubendrehereinsatzes nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung durch Metallpulverspritzgießen erfolgt.
7. Verfahren zur Herstellung eines Schraubendrehereinsatzes nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Spritzgussform unmittelbar unter der Schraubendreherspitze mehrere parallele, etwa 45° zur Längsachse des Schraubendrehereinsatzes verlaufende stegformige
Erhebungen eingearbeitet sind. Schraubendrehereinsatz, hergestellt nach einem Verfahren nach
Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass er unmittelbar unter der Schraubendreherspitze nriehrere parallele, etwa 45° zur Längsachse des Schraubendrehereinsatzes verlaufende Nuten aufweist.
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