DE10300420A1

DE10300420A1 - Hartmetallformkörper

Info

Publication number: DE10300420A1
Application number: DE10300420A
Authority: DE
Inventors: Heinz Westermann
Original assignee: Ceratizit Deutschland GmbH
Current assignee: Ceratizit Deutschland GmbH
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2004-07-22
Also published as: EP1581663B1; AU2003296673A1; WO2004063408A3; EP1581663A2; ES2361165T3; DE50313479D1; ATE498702T1; WO2004063408A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hartmetallformkörper und insbesondere eine Schraubendreherspitze (bit), enthaltend ein Woframcarbid-Hartmetall. DOLLAR A Hartmetallformkörper, enthaltend 55 bis 85 Gew.-% Wolframcarbid einer Korngröße im Bereich von 0,1 mum bis 6,0 mum im gesinterten Zustand und 15 bis 45 Gew.-% eines Binders, wobei der Binder wenigstens 50 Gew.-% Eisen, 2 bis 40 Gew.-% Cobalt und 5 bis 40 Gew.-% Nickel enthält.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hartmetallformkörper und insbesondere eine Schraubendreherspitze (bit), enthaltend ein Wolframcarbid-Hartmetall.
Hartmetallformkörper und insbesondere Schraubendreherspitzen werden derzeit aus Stahllegierungen gefertigt. Aufgrund der geringen Verschleißbeständigkeit dieses Materials besteht ein hoher Bedarf an verschleißbeständigeren Materialien. Als verschleißbeständige Materialien bieten sich grundsätzlich Hartmetalle wegen ihrer hohen Härte und hohen Verschleißbeständigkeit an.
Hartmetalle klassischer Zusammensetzungen sind jedoch aufgrund ihrer Struktur und Zusammensetzung wesentlich spröder als Stähle und damit nicht in der Lage die für Schraubendreherspitzen geforderten Drehmomentkräften zu gewährleisten. In der noch nicht in Kraft getretenen DIN 5261 wird beispielsweise für eine Prüfgröße 0 (1) für die Form PZ bei Maschinenbetätigung ein Mindestdrehmoment von 1,3 (4,3) Nm gefordert. Herkömmliche Spitzen aus Hartmetallen brechen bereits bei Drehmomentwerten, die nur etwa 50 % der DIN geforderten Werte entsprechen.
Als Binder für Wolframcarbid (WC) werden in neuerer Zeit auch Komplexbinder-Legierungen eingesetzt. Diese Legierungen bestehen wie die klassischen Hartmetalle aus Wolframcarbid; der Cobaltbinder ist hierbei allerdings ersetzt durch eine komplex zusammengesetzte Binderlegierung aus im wesentlichen Eisen, Cobalt und Nickel.
So beschreibt beispielsweise die DE 199 07 749 A1 gesinterte Hartmetallformkörper (CERMETS) mit Co-Ni-Fe-Bindern, die aus etwa 40 bis 90 Gew.-% Cobalt und zum Rest im wesentlichen aus Nickel und Eisen bestehen, wobei die Gehalte an Nickel und Eisen jeweils höchstens 36 Gew.-% betragen mit einem Ni:Fe-Verhältnis von etwa 1,5 : 1 bis 1 : 1,5. Solche Sinterhartmetallkörper finden Verwendung als Schneideinsätze und Wendeschneidplatten, eignen sich jedoch wegen nur sehr geringer Drehmomentfestigkeit weniger als Material für Schraubendreherspitzen.
Für die Holzbearbeitung sind bereits Wolframcarbid-Hartmetall-Legierungen beschrieben, die einen Legierungsbinder aus Eisen, Cobalt und Nickel enthalten. So wird in DE 296 17 040 U1 eine Wolframcarbid-Hartstofflegierung mit einem Bindersystem aus Eisen, Cobalt und Nickel und einer WC-Körngröße < als 1 μm beschrieben, wobei der Gesamtbindergehalt des Bindersystems 3 bis 30 Gew.-% und der Anteil an Eisen im Bindersystem > als 50 Gew.-% beträgt.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Hartmetallformkörper, insbesondere Schraubendreherspitzen aus einem Material bereitzustellen, dass hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit klassischer Hartmetalllegierungen mit der Zähigkeit und Drehmomentfestigkeit von Stählen derart verbindet, dass die zukünftigen DIN-Anforderungen für die Drehmomentfestigkeit, insbesondere von Schraubendreherspitzen erfüllt.
In einer ersten Ausführungsform wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch Hartmetallformkörper, enthaltend, insbesondere bestehend aus, 55 bis 85 Gew.-% Wolframcarbid einer Korngröße im Bereich von 0,1 μm bis 6,0 μm im gesinterten Zustand und 15 bis 45 Gew.-% eines Binders, wobei der Binder wenigstens 50 Gew.-% Eisen, 2 bis 40 Gew.-% Cobalt und 5 bis 40 Gew.-% Nickel enthält.
Ein Kennzeichen des so eingesetzten Hartmetalls ist seine wesentlich verbesserte Fähigkeit gegenüber klassischen Hartmetallen.
Die Bestimmung der Zähigkeit erfolgt beispielsweise mit Hilfe der Palmquist-Messung: die daraus bestimmten K_IC-Werte erreichten Werte von 20 bis 25 MPa·m¹ ^/2, während bei klassischen Hartmetall-legierungen Werte von 15 MPa·m^1/ ² erreicht werden.
Mit den erfindungsgemäßen Hartmetallformkörpern besteht erstmals die Möglichkeit, Schraubendreherspitzen aus einem verschleißfesten Material herzustellen.
Besonders vorteilhaft weist das Wolframcarbid eine Korngröße im Bereich von 0,2 μm bis 6,0 μm im gesinterten Zustand auf, wobei der Formkörper bevorzugt 20 bis 40 Gew.-% des Binders enthält.
Der hohe Eisengehalt und insbesondere auch das Einhalten der Obergrenze für den Cobaltgehalt sind erforderlich, um einer sonst eintretenden Versprödung des Hartmetalls entgegenzuwirken und die notwendige hohe Zähigkeit zu erhalten. Kohlenstoffgehalte in WC-Fe-Legierungen sollten in einem engen Bereich von ±0,03 Gew.-% liegen, um versprödende Phasen wie Eta-Phasen einerseits und freien Kohlenstoff andererseits zu verhindern. Beide Phasen führen zu einer teilweise extremen Verschlechterung der Zähigkeitseigenschaften.
Durch die Zugabe von Cobalt und Nickel wird das mögliche Kohlenstofffenster aufgeweitet. Dadurch sind die Eigenschaften besser einstellbar.
Im Sinne der Erfindung sollten die Korngrößen des Wolframcarbids im gesinterten Zustand vorzugsweise ultrafein bis grob sein, d. h. 0,2 bis 6,0 μm betragen. Bevorzugt sind dabei Korngrößen von 0,6 bis 4,0 μm. Besonders gute Werte in Bezug auf die Schlagzähigkeit (K_IC-Wert) werden dabei mit Korngrößen im Bereich von 1,0 bis 4,0 μm und ganz besonders mit Korngrößen, die als mittel oder grob bezeichnet werden (> 1,3 μm), erzielt.
Aus diesen Gründen ist auch besonders bevorzugt, wenn der Anteil des Wolframcarbids 60 Gew.-% bis 80 Gew.-%, insbesondere 70 bis 75 Gew.-% und der Binderanteil entsprechend 20 Gew.-% bis 40 Gew.-%, insbesondere 25 bis 30 Gew.-% beträgt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass ein Maximum an Zähigkeit, verbunden mit großer Härte, erzielt wird.
Die besten Werte für eine Torsionsfestigkeit werden erreicht, wenn der Binder wenigstens 50, bevorzugt 60 bis 85, ganz besonders bevorzugt 70 bis 80 Gew-% Eisen, 5 bis 15 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 10 Gew.-% Cobalt und 5 bis 25, bevorzugt 10 bis 20 Gew.-% Nickel enthält. Dies ist daher in ganz besonderem Maße bevorzugt.
Die quantitative Charakterisierung der Korngrößen von WC-Co-Hartmetallen erfolgt üblicherweise als Flächenanalyse eines geätzten Schliffes (äquivalenter Kreisdurchmesser). Das Realbild kann über Bildverarbeitung rekonstruiert werden, so dass die Partikelflächen mittels Computerprogrammen ausgewertet werden. Dabei bildet der Computer für jedes Korn eine der Fläche des Teilchens entsprechende Kreisfläche ab. Der Durchmesser dieses Kreises wird bestimmt.
Da bei dieser Methode eine Schnittfläche durch den Werkstoff ausgewertet wird, kommt man mit dieser Methode im Gegensatz zur Sehnenlängenmessung, bei der eine Linie durch den Werkstoff gelegt wird, der wahren räumlichen Korngrößenverteilung näher. Dieser Parameter sollte folglich besser mit den Werkstoffeigenschaften korrelieren. Zur Umrechnung des Mittelwertes aus der Flächenanalyse in einem Mittelwert aus der Linearanalyse wird im allgemeinen ein Faktor zwischen 1,3 und 1,5 angegeben. Dies stellt jedoch nur eine Näherung dar und hängt von der Form der Körner ab.
Vorteilhaft ist auch, wenn der Hartmetallformkörper, insbesondere eine Schraubendreherspitze wenigstens ein Carbid, Nitrid und/oder Carbonitrid mindestens eines der Elemente der Gruppen IVa, Va und VIa des Periodensystems der chemischen Elemente enthält, mit der Maßgabe, dass der Gesamtgehalt dieser Carbide, Nitride und/oder Carbonitride 0,1 bis 4, insbesondere 0,2 bis 2 Gew.-%, bezogen auf den Gesamtanteil in der Legierung, beträgt.
Carbide, Nitride bzw. Carbonitride haben üblicherweise die Funktion, das Wachstum der Korngröße des Hartmetalls zu beschränken. Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der Anteil an Carbiden, Nitriden und Carbonitriden besonders gering gehalten werden kann, da die Korngröße beim Sintervorgang kaum zunimmt. Optimale Verschleißfestigkeiten und Härten werden erzielt, wenn der Gesamtgehalt der Carbide, Nitride und/oder Carbonitride im angegebenen Bereich liegt, insbesondere wenn der Gehalt an Vanadiumcarbid 0,05 bis 1 Gew.-%, der Gehalt der Legierung an Tantalcarbid 0,2 % bis 10 Gew.-% und der Gehalt an Chromcarbid 0,2 bis 5 Gew.-%, jeweils bezogen auf den Binder beträgt.
Dabei ist der absolute Gehalt an Carbiden, Nitriden und Carbonitriden jeweils abhängig von dem jeweiligen Binder und wird daher in Gew.-%, bezogen auf den Binder, angegeben.
Die vorstehend beschriebenen Hartmetalle können prinzipiell Verwendung finden als Werkstoff in Anwendungen, in denen eine ähnliche Optimierung von Verschleißfestigkeit, Härte und Zähigkeit bzw. Drehmomentbeständigkeit gefordert sind. Solche Anwendungen sind beispielsweise Schraubendreherspitzen.
Vorteilhaft und am preisgünstigsten ist eine Ausführungsform, in der die erfindungsgemäßen Schraubendreherspitzen nur im Anwendungsbereich (Kopf) aus dem Hartmetallformkörper besteht, oder beispielsweise eine Hartmetallbeschichtung auf Stahl aufweist. In ähnlicher Weise kann ein Anwendungsbereich (Kopf) aus Hartmetall auf einen Träger aufgelötet sein. Besonders bevorzugt ist weiterhin wegen gesteigerter Härte und Verschleißfestigkeit eine Schraubendreherspitze, die aus dem Hartmetall besteht, beispielsweise aus Spritzguss gefertigt ist.
Ausführungsbeispiele:
Beispiel 1:
Aus einer Komplexbinderlegierung, bestehend aus 70 Gew.-% WC einer Korngröße des WC von 0,8 μm im gesinterten Zustand und 30 Gew.-% Binder mit einer Binderzusammensetzung Fe:Co:Ni = 70:10:20 wurden Schraubendreherspitzen (Bits) in den Abmessungen PZ2 gefertigt. Diese Schraubendreherspitzen erzielten im Torsionstest Drehmomentwerte von 14,5 Nm, was eine Steigerung um 25 % gegenüber dem nach DIN 5261 geforderten Wert von 11,3 Nm ausmacht.
Beispiel 2:
Aus einer Komplexbinderlegierung, bestehend aus 80 Gew.-% des WC und 20 Gew.-% des Binders gemäß Beispiel 1 wurden Schraubendreherspitzen (Bits) in den Abmessungen PZ2 gefertigt. Diese Schraubendreherspitzen erzielten im Torsionstest Drehmomentwerte von 11,5 – 12 Nm, und erfüllten damit die nach DIN 5261 vorgeschriebenen Mindestanforderungen von 11,3 Nm.
Vergleichsbeispiel:
Schraubendreherspitzen (Bits) der Abmessung PZ2, gefertigt mit einer klassischen WC-Co-Legierung, enthaltend 85 Gew.-% WC und 15 Gew.-% Co bei einer Korngröße des WC von 2-3 μm im gesinterten Zustand, erzielten im Torsionstest Drehmomentwerte von 8 Nm. Damit wurden lediglich etwa 70 % des Sollwertes nach DIN 5261 von mindestens 11,3 Nm erreicht.

Claims

Hartmetallformkörper enthaltend 55 bis 85 Gew.-% Wolframcarbid einer Korngröße im Bereich von 0,1 μm bis 6,0 μm im gesinterten Zustand und 15 bis 45 Gew.-% eines Binders, wobei der Binder wenigstens 50 Gew.-% Eisen, 2 bis 40 Gew.-% Cobalt und 5 bis 40 Gew.-% Nickel enthält.
Hartmetallformkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wolframcarbid eine Korngröße im Bereich von 0,2 μm bis 6,0 μm im gesinterten Zustand aufweist, wobei der Formkörper 20 bis 40 Gew.-% des Binders enthält.
Hartmetallformkörper gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Wolframcarbids 60 Gew.-% bis 80 Gew.-%, insbesondere 70 bis 75 Gew.-% beträgt, wobei der Formkörper 20 bis 40 Gew.-%, insbesondere 25 bis 30 Gew.-% Binder enthält.
Hartmetallformkörper gemäß Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Binder wenigstens 50, insbesondere 60 bis 85, ganz besonders 70 bis 80 Gew-% Eisen, 5 bis 15 Gew.-%, insbesondere 5 bis 10 Gew.-% Cobalt und 5 bis 25, insbesondere 10 bis 20 Gew.-% Nickel enthält.
Hartmetallformkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße des Wolframcarbids im gesinterten Zustand 1,0 bis 4,0 μm, insbesondere wenigstens 1,3 μm beträgt.
Hartmetallformkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens ein Carbid, Nitrid und/oder Carbonitrid mindestens eines der Elemente der Gruppen IVa, Va und VIa enthält, mit der Maßgabe, dass der Gesamtgehalt dieser Carbide Nitride und/oder Carbonitride 0,1 bis 4, insbesondere 0,2 bis 2 Gew.-%, bezogen auf den Gesamtanteil in der Legierung, beträgt.
Hartmetallformkörper gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung bezogen auf den Binder 0,05 bis 1 Gew.-% Vanadiumcarbid enthält.
Hartmetallformkörper gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung bezogen auf den Binder 0,2 bis 10 Gew.-% Tantalcarbid enthält.
Hartmetallformkörper gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung bezogen auf den Binder 0,2 bis 5 Gew.-% Chromcarbid enthält.
Schraubendreherspitze enthaltend einen, insbesondere bestehend aus einem Hartmetallformkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
Schraubendreherspitze enthaltend eine Beschichtung im Bereich der Arbeitsfläche aus einem Hartmetallformkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.