DE1477224B2 - Verwendung einer gesinterten hartmetallegierung fuer werkzeughalter spanabhebender werkzeuge und fuer werkzeugtraeger - Google Patents

Description

beständigen Karbids in einer duktilen Grundmasse aus geglühtem Stahl dispergiert sind.

Es wurde gefunden, daß von den Karbiden Titankarbid und eine gesättigte Lösung von Wolframkarbid in Titankarbid besonders geeignet sind, und daß sich eine Zusammensetzung von 45 Volumprozent Karbid und 55 Volumprozent Stahl besonders auszeichnet.

Als Stahl eignet sich besonders ein solcher mit einem Schmelzpunkt über 1250° C. Es können sogar Nickel, Kobalt und Legierungen auf der Basis dieser Metalle verwendet werden, obwohl Stähle, d. h. Eisenlegierungen, bevorzugt sind. Darunter fallen solche mit niedrigem, mittlerem und sogar mit hohem Kohlenstoffgehalt. Auch können niedrig-, mittel- und hochlegierte Stähle einschließlich der folgenden verwendet werden: 0,8°/₀ Chrom, 0,2°/₀ Molybdän, 0,30°/₀ Kohlenstoff, Rest im wesentlichen Eisen; 5°/₀ Chrom, 1,4 % Molybdän,: 1,4% Wolfram, 0,45%.Vanadium, 0,35% Kohlenstoff, Rest im wesentlichen Eisen; 8% Molybdän, 4% Chrom, 2% Vanadium, 0,85% Kohlenstoff, Rest im wesentlichen Eisen; 18% Wolfram, 4% Chrom, 1% Vanadium,.0,75% Kohlenstoff, Rest im wesentlichen Eisen; 20% Wolfram, 12% Kobalt, .4% Chrom, 2% Vanadium, 0,80% Kohlenstoff, Rest im wesentlichen Eisen. Diese sollten eine kubisch raumzentrierte Struktur bei gewöhnlichen Temperaturen aufweisen und bei höheren Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Stahles in eine kubisch fiächenzentrierte Struktur umwandelbar sein.

Für den Zweck der Erfindung soll die Grundmasse so weichgeglüht sein, daß die Rohhärte der' Hartmetallegierung vorzugsweise 50 Rockwell »C« nicht überschreitet.

. An Hand von Beispielen und der Zeichnung ist die Erfindung im folgenden noch näher erläutert. Darin zeigen

F i g. 1 bis 4 spanabhebende, rotierende.Werkzeuge und deren Halter,

F i g. 5 bis 6 zwei Arten von rotierenden Schleifwerkzeugen mit den als Welle oder Spindel ausgebildeten Trägern, : : . ;' :': V- ■

F i g. 7 bis 8 feststehende Schneidwerkzeuge mit deren Trägern, und zwar gemäß F ig; 7 für die Verwendung auf einer Drehbank und gemäß Fig. 8 als Ausbohrwerkzeug. ,;: .·.·■'. V

Beispiele

Es werden hitzebeständige Karbidteilchen mit dem feinzerkleinerten, die Grundmasse bildenden Metall gemischt, die Mischung wird dann in einer Form zu der gewünschten Gestalt verpreßt, und dann werden die Preßkörper in flüssiger Phase bei einer Sintertemperatur oberhalb des Schmelzpunktes der am niedrigsten schmelzenden Phase des Grundmassenmetalls, aber unterhalb des Schmelzpunktes des Karbids gesintert. Das Sintern in flüssiger Phase führt zu einem porenarmen, d. h. sehr dichten Produkt.

Soll der Werkstoff 40% TiC (ungefähr 50 Volumprozent) aufweisen, dann werden 1000 g TiC mit einer Teilchengröße von 5 bis 7 μηα in einer Stahlmühle mit 1500 g Stahl bildenden Bestandteilen gemischt, die aus Eisenpulver mit einer Durchschnittsgröße von 20 μηι und 0,80% C bestehen. Die gepulverten Bestandteile enthalten 1 g Paraffinwachs pro 100 g Mischung. Es wird ungefähr 40 Stunden in einer Mühle gemahlen, die halb mit Kugeln aus nichtrostendem Stahl gefüllt ist. Hexan dient als Träger. Nach dem Mahlen wird die Mischung im Vakuum getrocknet. Ein Teil des gemischten Produktes wird in einem Gesenk mit etwa 2,3 t/cm² zu dem gewünschten Gegenstand gepreßt. Dieser wird dann in flüssiger Phase bei einer Temperatur von 1435⁰C ¹I₂ Stunde in einem Vakuum entsprechend 20 μπι Quecksilber oder höher gesintert. Nach dem Sintern wird der Gegenstand 2 Stunden auf 900° C erhitzt und danach mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 15 grd/h auf ungefähr 100°C abgekühlt. Die weichgeglühte Mikrostruktur enthält kugeligen Perlit und weist eine Härte von 43 Rockwell »C« auf.

Durch maschinelles Bearbeiten wird daraus dann ein Werkzeugträger in Schaftform hergestellt, der im weichgeglühten Zustand ziemlich steif ist und einen Elastizitätsmodul von 31600 kp/mm² aufweist. Die Körner des Primärkarbids sind isoliert und im wesentliehen vollständig vom Stahl umgeben.

Prüfungen haben gezeigt, daß der neue Werkzeugträger für. spanabhebende Werkzeuge im Vergleich mit Kobalt, gesintertem Wolframkärbid und mit Chromstahl gemäß Tabelle I ein bemerkenswert hohes

logarithmisches Dekrement hat. ..

Tabelle I

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Erfindungsgemäß*) D-2-Chromstahl ... . ..............	1100 .-■;.■:.,-,.. 12 ■ . 40 ■ ' ■: , ; ■	31600 .,-- --■ ■■■-'■. 21100 ■; t■ .;.. .52700 bis 63 300
Gesintertes Wolframkarbid .. .....· ...

*) Ungefähr 25 Volumprozent TiC, der Rest im wesentlichen Stahl, der, bezogen auf das Gewicht, 0,8 % C, 3 % Mo, 3 % Cr, Rest Eisen, enthält.

Die erfindungsgemäß als Werkzeugträger verwen- — dete Hartmetallegierung hat also eine 90fach bessere Schwingungsdämpfungsfähigkeit und gleichzeitig ungefähr das lV₂fache der Steifigkeit von D-2-Chromstahl. Gegenüber gesintertem Wolframkarbid ist die Schwingungsdämpfungsfähigkeit um das 27fache verbessert. Die relativ hohe Schwingungsdämpfung scheint so lange zu bestehen, wie die hitzebeständigen Primärkarbidkörner oder Kornaggregate im wesentlichen für sich isoliert und vom weichgeglühten Stahl umgeben sind. Die MikroStruktur des weichgeglühten Stahls ist entweder lamellarer oder kugeliger Perlit. Befindet sich der Stahl in gehärtetem Zustand, dann fällt das logarithmische Dekrement auf den viel niedrigeren Wert von ungefähr 50 bis 100 · 10⁵.

Beispiele anderer erfindungsgemäß verwendbarer Hartmetallegierungen sind gemäß

Tabelle II

Primär	Volum	O LaIlI	Volum
karbid	prozent	0,55 bis 0,65% C,	prozent
VC	35	0,6 bis0,9 »/,Mn,	65
		<0,04%P,
		<0,05%S/RestFe
		niedriger Chrom- und
	. 45	Molybdängehalt	55
		0,75 bis 0,88 °/0 C,
	65	0,6 bis 0,9 % Mn,	35
		<0,44°/0P,
		<0,05%S, Rest Fe
		0,55 bis 0,65% C,
NbC	35	0,6 bis 0,9 °/0Mn,	65
		<0,04%P,
		<0,05%S, Rest Fe
		niedriger Chrom- und
	45	Molybdängehalt	55
		0,43 bis 0,50% C,
	65	0,6 bis 0,9 % Mn, .	35
		<0,04%P,
		<0,05%S, Rest Fe
		Schnelldrehstahl
TaC	35	0,85 bis 1,5% C,	65
		4% Cr, Ibis 2% V,
		18% W, Rest Fe
		0,55 bis 0,65% C,
■''' ■ -	:' 45	0,6 bis 0,9 °/0 Mn,	55
		<0,04%P,
		<0,05%S, Rest Fe
		0,43 bis 0,5% C,
	65	0,6 bis 0,9% Mn,	35
		<0,04%P,
		<0,05%S,RestFe

Gemäß F i g. 1 besteht ein Spiralbohrer aus dem als eigentliches Werkzeug dienenden Bohrerabschnitt 10 aus üblichem Schnelldrehstahl oder gesintertem Wolframkarbid mit der für Schneidwerkzeuge üblichen Güte und dem Werkzeugschaft 11 aus dem oben angeführten Werkstoff, an dem der Bohrerabschnitt 10 an der stumpfen Schweißnaht 12 befestigt ist. Diese .Werkzeugeinheit hat einen hohen Grad, von Schwingungsdämpfung sowie einen hohen Steifigkeitsgrad. ■ ■■-.>

Gemäß F i g. 2 ist bei einem schwereren Bohrer der Bohrerabschnitt 13 an der Lötstelle 15 an den als Werkzeugträger dienenden Schaft 14 hart angelötet. Der Werkzeugträger weist ungefähr 60 Volumprozent Titankarbid auf, und der Rest besteht im wesentlichen aus Stahl mit 0,8 % Cr, 0,2 % Mo, 0,3 % C, Rest Eisen in perlitischer MikroStruktur.

Gemäß F i g. 3 weist ein Fräswerkzeug den Fräserkopf 16 auf, der mit seinem Steckzapfen 17 mittels der Stellschraube 19 am Werkzeugträger 18 befestigt ist, der 70 Volumprozent TiC enthält, das in Stahl mit 1,25% Cr, 2,5% Mo, 0,4% C, Rest Eisen und kugeliger Perlitstruktur (Späroidit) verteilt ist.

Gemäß F i g. 4 ist das freie Ende eines einstückigen Werkzeugs als Bohrkopf 21 ausgebildet, der daher die gleiche Zusammensetzung wie der Werkzeugträger 20

ίο hat. Der Bohrkopf 21 wird gehärtet, während der als Werkzeugträger 20 dienende Schaft weichgeglüht wird. Der Werkstoff desselben besteht aus 50 Volumprozent Körner einer gesättigten festen Lösung von Wolframkarbid und Titankarbid, die in einer Schnelldreh stahlgrundmassemit0,85 bis 1,50% C; 4% Cr; 1 bis 2%V; 18% W; Rest Fe dispergiert sind. Eine Stange dieser Zusammensetzung wird zuerst gesintert, geglüht und dann spanabhebend zu dem gewünschten Durchmesser bearbeitet. In ein Ende der Stange wird der Bohrkopf 21 roh eingearbeitet, ehe dieser auf 1250⁰C erhitzt und dann in Öl auf eine Härte von 72 Rockwell »C« abgeschreckt und danach doppelt auf 550⁰C getempert wird. Der Bohrer wird dann auf Größe geläppt. Der nicht gehärtete Teil des Werkzeugs, der eine Härte nicht über 50 Rockwell »C« hat, dient als gegen Dämpfung widerstandsfähiger Werkzeugschaft.

Gemäß F i g. 5 ist der Werkzeugträger 22 eine drehbare Welle (oder eine Hohlwelle), auf dessen Endabschnitt 23 von vermindertem Durchmesser die Schleif scheibe 24 befestigt ist. Diese ist mittels der zentral angebrachten Buchse 25 auf den Endabschnitt 23 aufgepaßt und wird mittels einer Mutter 26 befestigt, die gegen eine Beilegscheibe 27 an der freien Seite der Schleifscheibe 24 angezogen wird. Der Werkzeugträger 22 hat eine Zusammensetzung von ungefähr 35 Volumprozent Titankarbid und ungefähr 65 Volumprozent Stahl mit 1,25% Cr; 0,4% V; 0,3 bis 0,4% C; Rest Eisen.

• Gemäß F i g. 6 ist der Werkzeugträger 28 konisch verjüngt und ist an einem Ende ein becherförmiges Schleifrad 29 befestigt, das innen mit dem konisch verjüngten Schaftende 30 verschmolzen ist.

Gemäß Fig. 7 ist der aus 55 Volumprozent Titankarbid und Stahl mit wenig Chrom und wenig Molybdän bestehende Werkzeughalter 31 mit einem einschneidigen plättchenförmigen Werkzeug 32, z. B. einer gesinterten Wolframkarbidspitze, versehen, das

• in eine abgestufte Aussparung 33 mittels eines mechanischen Befestigungsmittels 34 mit einer übergreifenden Nase 35 eingeklemmt ist. Der Werkzeughalter 31 hält den unter Belastung bei einseitiger Einspannung auftretenden Biegeverformungen stand jund verhindert das Rattern.

Gemäß Fig. 8 weist das Aufbohrwerkzeug einen Schaft 36 auf, in dessen geschlitztes Ende mittels einer Spannschraube 38 ein einschneidiges Werkzeug 37 - axial eingespannt ist. :

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2 Patentansprüche· Werkzeug dient, bestückt sind. Dabei ist es auch be- ' ■ ■. kannt (USA.-Patentschrift 2 828 202), eine gesinterte

1. Verwendung einer gesinterten Hartmetallegie- Hartmetallegierung im weichgeglühten Zustand als rung, bestehend aus 15 bis 65 Volumprozent eines Werkzeug zu verwenden, die etwa 10 bis 70% Titan Primärkarbids aus der Gruppe Titan-, Niob-, 5 in Form von Titankarbid enthält, die im wesentlichen Vanadium-, Tantalkarbid oder einer festen Lösung gleichmäßig in einer Matrix verteilt ist, die im wesentvon Titan- und Wolframkarbid, Rest ein Stahl mit liehen aus Eisen besteht und Kohlenstoff als weiteren lamellaren oder körnigen Perlit enthaltendem Bestandteil aufweisen kann. Dieser Werkzeugwerkstoff Gefüge, im weichgeglühten Zustand als Werkstoff weist eine MikroStruktur aus einem austinitischen für Werkzeughalter spanabhebender Werkzeuge io Zerfallsprodukt, wie Perlit, Martensit u. dgl., auf. und für Werkzeugträger, die gute mechanische Auch Wolfram, Chrom, Vanadium und Molybdän Dämpfungseigenschäften und einen hohen Elasti- können in geringen Anteilen in einem solchen bezitätsmodul aufweisen müssen. kannten Werkstoff vorhanden sein. Schließlich ist

2. Verwendung einer Hartmetallegierung der bereits eine ähnliche gesinterte Hartmetallegierung Zusammensetzung nach Anspruch 1, deren Karbid- 15 bekannt (USA.-Patentschrift 3 053 706), die 22 bis anteil 30 bis 60 Volumprozent beträgt, für den 90°/₀ eines Primärkarbids aus Wolframkarbid in Zweck nach Anspruch 1. Titankarbid und Stahl aufweist, in dem ein Sekundärkarbid mit Wolfram und Kohlenstoff dispergiert ist.

. v^:r——-—. , Der weichgeglühte Zustand dieser bekannten Werk-

20 stoffe bildet dabei einen Übergangszustand, der die

Die Erfindung bezieht sich auf einen Werkstoff für Herstellung und Formgebung des Werkzeugs aus Werkzeughalter spanabhebender Werkzeuge und für diesen Hartmetallen erleichtern soll. Im fertigen ZuWerkzeugträger, stand, d. h. beim eigentlichen Arbeiten, befinden sich

Es ist bereits eine Werkzeugeinheit bekannt (Ma- die Werkstoffe dagegen im ausgehärteten Zustand

chinery, 1960, S. 1108 bis 1111), bei der der als Werk- 25 und weisen dort eine Härte in der Größenordnung

zeugträger dienende Werkzeugschaft aus gepreßtem von über 70 Rockwell »C« auf.

Eisenpulver besteht, das durch Kupfer imprägniert ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Das eigentliche spanabhebende Werkzeug besteht aus Werkstoff für die eingangs erwähnten Werkzeughalter Karbid, Keramik oder einem anderen, dem Schneiden bzw. Werkzeugträger zu schaffen, der sich durch besgenügend Widerstand entgegensetzenden Material. 3° sere Eigenschaften dahingehend auszeichnet, daß die Derartige Werkzeugeinheiten haben einen verhältnis- bisher ständig beobachteten Vibrationen erheblich mäßig niedrigen Elastizitätsmodul bei relativ geringer gedämpft werden und mit größerer Genauigkeit spanmechanischer Dämpfung. Obwohl in den vergangenen abhebend gearbeitet werden kann.
Jahren große Anstrengungen unternommen wurden, Die Erfindung besteht in der Verwendung einer um die vor allem bei automatisch gesteuerten Schnell- 35 gesinterten Hartmetallegierung, bestehend aus 15 bis bearbeitungswerkzeugen unerwünschten Schwingun- 65 Volumprozent eines Primärkarbids aus der Gruppe gen des Werkzeugs zu vermeiden, gelang es bisher Titan-, Niob-, Vanadium-, Tantalkarbid oder einer nicht, Werkzeughalter für solche Werkzeuge bzw. festen Lösung von Titan- und Wolframkarbid, Rest Werkzeugträger dafür zu finden, die sich durch gute ein Stahl mit lamellaren oder körnigen Perlit enthalmechanische Dämpfungseigenschaften auszeichnen. 40 tendem. Gefüge, im weichgeglühten Zustand als solcher Dadurch war es nicht möglich, verhältnismäßig geringe Werkstoff für Werkzeughalter spanabhebender Werk-Toleranzen dann einzuhalten, wenn, das Werkzeug zeuge und für Werkzeugträger, die gute mechanische an einem verhältnismäßig langen Werkzeugträger be- Dämpfungseigenschaften und einen hohen Elastizitätsfestigt sein mußte, um bestimmte spanabhebende modul aufweisen müssen.

Bearbeitungen vornehmen zu können, wie dies insbe- 45 Gegenüber einem üblichen Werkzeugträger aus

sondere bei kompliziert geformten und schwer zu- Stahl zeichnet sich der genannte Werkstoff durch

gängigen Bearbeitungsstellen der Fall ist. Dies gilt einen größeren Elastizitätsmodul und etwa 90fach

vor allem für Bohrwerkzeuge, wie Bohrstangen u. dgl., größeren Dämpfungsfaktor aus. Gegenüber gesinter-·

die an einer umlaufenden Welle montiert sind, als tem Wolframkarbid ist die Dämpfungswirkung um

auch für Fräser, Abgrater, Schleifwerkzeuge u. dgl. 5° etwa das 27fache vergrößert. Dadurch ist es möglich,

Abgesehen von den Toleranzschwierigkeiten führen bei Anwendung der Erfindung Werkstücke auch durch

Vibrationen des Werkzeugs auch zu einer schlechten Schnellbearbeitungsdrehstähle oder Schnellbearbei-

Oberflächenbeschaffenheit der spanabhebend bearbei- tungsbohrer u.dgl. auf außerordentlich große Genauig-

teteri" Fläche, wie »Rattermärkeri« od. dgl.," so daß keit zu bearbeiten, so daß vielfach ein nachträgliches

diese einem zusätzlichen Arbeitsgang mit einer 55 Schleifen oder Honen überflüssig wird. Das bedeutet,

feineren Bearbeitung unterworfen werden, müssen. daß in kürzerer Zeit genauer produziert werden kann.

Diese Schwierigkeiten treten in erhöhtem Maße bei Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Anteil des

der Verwendung von Werkzeugen aus Sinterkarbid hitzebeständigen Karbids inί dem Werkstoff 30 bis

oder anderer Keramik auf, die infolge ihrer größeren 60 Volumprozent beträgt.

Härte eine größere Zerspannungsgeschwindigkeit er- 60 Das Primärkarbid ist in Form kleiner isoliert von-

lauben. Selbst eine vibrationsfreie Lagerung der Werk- einander angeordneter Körner in der Grundmasse

zeugmaschinen kann solche Schwierigkeiten nicht ver- aus Stahl dispergiert. Je feiner das Mikrogefüge ausge-

hindern. . bildet ist, desto besser sind die elastischen Eigen-

Diese Schwierigkeiten treten auch bei den üblichen schäften.

Werkzeughaltern auf, die aus Stahl bestehen, einen 65 Der Werkstoff wird gemäß der Erfindung allgemein

Elastizitätsmodul von etwa 21100 kp/mm^a aufweisen für ein das eigentliche Werkzeug tragendes bzw. und mit einer gesinterten Hartmetallegierung aus haltendes Element, z. B. einen Schaft verwendet, bei beispielsweise Wolframkarbid, die als eigentliches dem isolierte Körner bzw. Kornaggregate des hitze-