DE4000223C2

DE4000223C2 -

Info

Publication number: DE4000223C2
Application number: DE4000223A
Authority: DE
Inventors: Hironori Yoshimura; Shyogo Tokio/Tokyo Jp Inada
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1990-01-05
Publication date: 1993-07-15
Also published as: DE4000223A1; US5009705A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrobohrer (Mikrobohrerstück bzw. Mikrobohrerteil) aus zementiertem Carbid auf Basis Wolframcarbid, welcher eine hohe Abnutzungsbeständigkeit aufweist und weniger bruchanfällig ist.

Mikrobohrer des Standes der Technik wurden aus zementiertem Carbid auf Basis Wolframcarbid (WC) hergestellt, das ca. 1,0 Gew.-% Tantalcarbid (TaC) zur Verhinderung des Kornwachstums von Wolframcarbid (WC) in einer harten dispergierten Phase sowie ca. 6 Gew.-% einer Kobaltlegierung aus einer festen Lösung von Kobalt (Co) mit Wolfram enthält.

Die vorgenannten Mikrobohrer des Standes der Technik waren bruchanfällig. Deswegen könnte der Kobaltgehalt im zementierten Carbid erhöht werden, um die Bruchbeständigkeitseigenschaften zu verbessern. Ein einfaches Erhöhen des Kobaltgehalts führt jedoch zu einer unangemessenen Erniedrigung der Abnutzungsbeständigkeit der Mikrobohrer. Somit ist seit langem die Entwicklung eines neuen Carbidzements angestrebt worden, der nicht nur eine große Bruchbeständigkeit, sondern auch eine hohe Abnutzungsbeständigkeit aufweist.

US-PS 34 51 791 beschreibt Hartmetallzusammensetzungen aus einem Wolframkarbidkörper, der 3 bis 15 Gew.-% einer Binderphase aus einer Kobaltlegierung, die im wesentlichen aus Kobalt und 8 bis 33 Gew.-% Wolfram besteht, enthält.

US-PS 47 53 678 betrifft ein gesintertes Hartmetall, das ein zementiertes Wolframcarbid ist, welches aus Wolframcarbid als Basislegierung gebildet wird, das 4 bis 20 Gew.-% Vanadiumcarbid oder Zirconiumnitrid enthält.

DE-Buch: Dr. Phil. Nat. R. Kieffer und Dr. Ing. F. Benesovsky, "Hartmetalle", Springer-Verlag 1965, S. 227 bis 229 beschreibt die Verwendung von Kobaltbindern in Wolframcarbid-Hartlegierungen. Es wird auf den teilweisen Ersatz des Kobalts (bis zu 30%) durch Eisen oder Nickel hingewiesen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Carbidzement-Mikrobohrer auf Basis Wolframcarbid zur Verfügung zu stellen, der nicht nur weniger bruchanfällig ist, sondern auch eine hohe Abnutzungsbeständigkeit aufweist.

Erfindungsgemäß wird daher ein Mikrobohrer bereitgestellt, hergestellt aus zementiertem Carbid auf Basis WC, enthaltend eine Binderphase aus 6 bis 14 Gew.-% einer Kobaltlegierung sowie eine harte dispergierte Phase aus Wolframcarbid als Rest. Die Kobaltlegierung ist zusammengesetzt aus Kobalt, Chrom, Vanadium und Wolfram, und weist solche Gewichtsverhältnisse auf, um den Beziehungen

0,04 (c+d)/(ª+b+c+d) 0,10, 0,50 c/(c+d) 0,95 und 0,005 ª/(ª+b+c+d) 0,095

zu genügen, wobei ª, b, c und d Gewichtsverhältnisse von Wolfram, Kobalt, Chrom bzw. Vanadium bezeichnen. Zudem ist der Bohrer der vorliegenden Erfindung so ausgestaltet, daß er eine Rockwell-A-Härte (H_RA) im Bereich von 92,0 bis 94,0 besitzt.

Nach umfangreichen Untersuchungen von Verbesserungsmöglichkeiten der Mikrobohrer des Standes der Technik haben die Erfinder herausgefunden, daß das Kornwachstum von Wolframcarbid wirksamer durch die Zugabe einer angemessenen Menge an Vanadium (V) und Chrom (Cr) als durch eine Zugabe von Tantalcarbid verhindert werden kann und daß eine vorbestimmte Menge an Wolfram in die Kobaltlegierung eingeschlossen werden sollte, um die angestrebten Eigenschaften zu erhalten. Auf diese Weise haben die Erfinder einen Carbidzement auf Basis WC entwickelt, um ihn zur Herstellung eines Mikrobohrers gemäß der vorliegenden Erfindung einzusetzen. Das zementierte Carbid enthält eine Binderphase aus 6 bis 14 Gew.-% einer Kobaltlegierung und eine harte dispergierte Phase aus Wolframcarbid als Rest. Die Kobaltlegierung ist zusammengesetzt aus Kobalt, Chrom, Vanadium und Wolfram und weist solche Gewichtsverhältnisse auf, daß die Beziehungen

0,04 (c+d)/(ª+b+c+d) 0,10, 0,50 c/(c+d) 0,95 und 0,005 ª/(ª+b+c+d) 0,095

erfüllt sind, wobei ª, b, c und d Gewichtsverhältnisse von Wolfram, Kobalt, Chrom und Vanadium bezeichnen. Ein Mikrobohrer gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus dem vorgenannten zementierten Carbid hergestellt und besitzt eine Rockwell-A-Härte im Bereich von 92,0 bis 94,0.

Dementsprechend wird der sich ergebende Mikrobohrer bruchanfällig, falls der Gehalt der Kobaltlegierung weniger als 6 Gew.-% beträgt. Andererseits wird der Mikrobohrer zu Verbiegungen und Brüchen neigen, falls der Gehalt der Kobaltlegierung 14 Gew.-% übersteigt. Auf der Grundlage dieser Ausgestaltung wird die Rockwell-A-Härte des Mikrobohrers gesteigert, um im vorgenannten Bereich zu liegen.

Ferner sind die Mengen an Vanadium und Chrom in der Kobaltlegierung so festgelegt, daß sie Gewichtsverhältnisse besitzen, die die Beziehung 0,04(c+d)/(ª+b+c+d)0,10 erfüllen. Falls das durch (c+d)/(ª+b+c+d) definierte Verhältnis kleiner als 0,04 ist, kann das Kornwachstum von Wolframcarbid in der harten dispergierten Phase nicht wirksam verhindert werden, und die Rockwell-A-Härte wird auf weniger als 92,0 begrenzt, so daß die Abnutzungsbeständigkeit des Mikrobohrers unangemessen herabgesetzt wird. Andererseits wird der Mikrobohrer bruchanfällig, falls das Verhältnis über 0,10 liegt.

Vanadium und Chrom werden zugefügt, um eine feste Lösung mit der Kobaltlegierung zu bilden. Durch diese Vorgehensweise wird die Menge an Wolfram, das mit der Kobaltlegierung eine feste Lösung bildet, herabgesetzt, somit wird verhindert, daß sich die Zähigkeit der Kobaltlegierung vermindert, und die Bruchbeständigkeit des Mikrobohrers kann wesentlich verbessert werden. Das Vanadium und Chrom werden als Verbindungen, wie Carbide, Nitride, Oxide und Hydride, zugegeben.

Darüber hinaus kann der Mikrobohrer gemäß der vorliegenden Erfindung des weiteren einen harten Überzug enthalten, der durch Dampfabscheidung auf der Oberfläche des vorgenannten zementierten Carbids erzeugt wird, um die Abnutzungsbeständigkeit weiter zu steigern. Der harte Überzug kann mindestens eine Verbindung enthalten, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Titancarbid (TiC), Titancarbonitrid (TiCN) und Titannitrid (TiN), und in diesem Fall wird die Dicke auf einen Bereich von 0,1 µm bis 4,0 µm festgelegt. Falls die Dicke weniger als 0,1 µm beträgt, wird die Abnutzungsbeständigkeit nicht hinreichend gesteigert. Andererseits wird der Bohrer bruchanfällig, falls die Dicke 4,0 µm übersteigt. Der harte Überzug kann auch aus Diamant gebildet sein, und zwar in einer Dicke von 0,1 µm bis 4,0 µm. Dieser Bereich der Dicke wird aus ähnlichen Gründen im Hinblick auf Abnutzungsbeständigkeit und Bruchanfälligkeit festgelegt.

Die vorliegende Erfindung wird nun im einzelnen unter Bezug auf die folgenden Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

Es wurden Pulver von WC (Durchschnittsteilchengröße: 0,6 µm), VC (1,0 µm), VN (1,2 µm), V₂O₅ (0,5 µm), Cr₃C₂ (1,5 µm), CrN (1,3 µm), Cr₂O₃ (0,5 µm), Co (1,2 µm), CrH (1,6 µm) und VH (1,7 µm) hergestellt. Diese Pulver wurden zu verschiedenen Zusammensetzungen vermischt, wie in Tabelle 1 aufgeführt, und in Aceton in einer Kugelmühle 72 h lang vermahlen und getrocknet.

Anschließend wurde eine kleine Menge Wachs zugefügt, und die vermischten Pulver wurden einer Extrusionsformung unter einem Druck von 147,099 MPa (15 kg/mm²) mittels einer Extrusionspresse unterworfen, um zylindrische Formkörper mit Grünfestigkeit eines Kreisquerschnitts von 4,60 mm Durchmesser zu erzeugen. Diese Formkörper wurden auf 400 bis 600°C 3 h lang erhitzt, um das Wachs zu entfernen, und dann gesintert, indem sie 1 h lang im Vakuum bei einer Temperatur von 1350 bis 1450°C gehalten wurden, um erfindungsgemäße zementierte Carbide 1 bis 15 auf Basis WC herzustellen.

Zu Vergleichszwecken wurden dieselben Pulver zu verschiedenen Zusammensetzungen vermischt, wie in Tabelle 3 aufgeführt, und es wurden dieselben Maßnahmen wie oben wiederholt, um zementierte Vergleichscarbide 1 bis 8 herzustellen.

Dann wurden die Zusammensetzungen und die Rockwell-A-Härten aller zementierten Carbide 1 bis 15 der Erfindung sowie der zementierten Vergleichscarbide 1 bis 8 ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabellen 2 und 4 aufgeführt.

Anschließend wurden die zementierten Carbide 1 bis 15 der Erfindung und die zementierten Vergleichscarbide 1 bis 8 zu Mikrobohrern 1 bis 15 der Erfindung bzw. Vergleichsbohrern 1 bis 8 maschinell verarbeitet. Jeder Mikrobohrer hatte eine Gesamtlänge von 38,1 mm, einen Schaftdurchmesser von 3,175 mm, einen Schneidbereichsdurchmesser von 0,4 mm und eine Schneidbereichslänge von 6 mm. Diese Mikrobohrer 1 bis 15 der Erfindung und die Vergleichsbohrer 1 bis 8 wurden einem Bohrtest unterworfen, wobei Bohrungen in Brettern von gedruckten Schaltkreisen unter den folgenden Bedingungen durchgeführt wurden:

Werkstück: zweilagige, vierschichtige Bretter aus Glas und Epoxy
Umdrehungsgeschwindigkeit: 70 000 UpM
Zuführungsgeschwindigkeit: 2100 mm/min
Anzahl von Bohrungen: 5000

Im Test wurde die Verminderung des Schneidbereichsdurchmessers eines jeden Mikrobohrers ermittelt.

Ferner wurden alle vorgenannten Mikrobohrer einem anderen Bohrtest unter den folgenden Bedingungen unterworfen:

Werkstück: dreilagige, vierschichtige Bretter aus Glas und Epoxy
Umdrehungsgeschwindigkeit: 70 000 UpM
Zuführungsgeschwindigkeit: 3000 mm/min
Anzahl an Bohrungen: 1000

In diesem Test wurde bestimmt, wie viele Bohrer aus einer Anzahl von 20 zu Bruch gingen.

Die Ergebnisse aus obigen Tests sind in Tabellen 2 und 4 aufgeführt.

Wie aus den Tabellen 1 bis 4 ersichtlich, zeigten die Mikrobohrer 1 bis 15 der Erfindung ausgezeichnete Abnutzungs- und Bruchbeständigkeit, verglichen mit den Vergleichsbohrern 1 bis 8.

Beispiel 2

Es wurden die in Beispiel 1 erhaltenen Mikrobohrer 1 bis 13 der Erfindung herangezogen, und es wurden verschiedene Überzugsschichten, wie in Tabelle 5 aufgeführt, auf die Oberflächen der Mikrobohrer aufgebracht, um oberflächenbeschichtete Mikrobohrer 1 bis 9 mit bevorzugten Überzugsdicken sowie oberflächenbeschichtete Vergleichsbohrer 10 bis 13 mit Überzugsdicken außerhalb des bevorzugten Bereichs herzustellen. Diese Mikrobohrer wurden einem Bohrtest unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 unterzogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Wie aus Tabelle 5 ersichtlich, zeigten die oberflächenbeschichteten Mikrobohrer 1 bis 9 der Erfindung eine größere Abnutzungs- und Bruchbeständigkeit als die oberflächenbeschichteten Vergleichsbohrer 10 bis 13.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 5

Claims

1. Mikrobohrer aus zementiertem Carbid auf Basis Wolframcarbid, das eine Binderphase aus 6 bis 14 Gew.-% einer Kobaltlegierung und eine harte dispergierte Phase aus Wolframcarbid als Rest enthält, wobei die Kobaltlegierung aus Kobalt, Chrom, Vanadium und Wolfram zusammengesetzt ist und Gewichtsverhältnisse von Wolfram (ª), Kobalt (b), Chrom (c) und Vanadium (d) in der Kobaltlegierung die folgenden Beziehungen erfüllt:

I. 0,04 (c+d)/(ª+b+c+d) 0,10;
II. 0,50 (c)/(c+d) 0,95; und
III. 0,005 (ª) (ª+b+c+d) 0,095,

und wobei das zementierte Carbid eine Rockwell A-Härte von 92,0 bis 94,0 besitzt.

2. Mikrobohrer gemäß Anspruch 1, der ferner einen darauf ausgebildeten harten Überzug einer Dicke von 0,1 µm bis 4,0 µm enthält, wobei der genannte harte Überzug aus mindestens einer Verbindung zusammengesetzt ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Titancarbid, Titancarbonitrid und Titannitrid.

3. Mikrobohrer gemäß Anspruch 1, der ferner einen harten Überzug aus Diamant enthält, der darauf ausgebildet ist und eine Dicke von 0,1 µm bis 4,0 µm aufweist.