DE10234205A1

DE10234205A1 - Schraubendrehereinsatz

Info

Publication number: DE10234205A1
Application number: DE10234205A
Authority: DE
Inventors: Mike Friedrich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2003-02-06

Abstract

Der Kern der vorliegenden Erfindung ist die Idee, dass nur eine differenziertere Betrachung der Anforderungen und eine angepasste separate werkstofftechnische Vorgehensweise zur Verbesserung der Produkte und damit zum Markterfolg führen kann. Die Verwendung einer Werkstoffgruppe für alle Anwendungen gerät zum zentralen Problem aller Schraubendrehereinsätze. DOLLAR A Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schraubendrehereinsatz, insbesondere einen Schraubendrehereinsatz für einen hand- oder maschinenbetriebenen Schraubendreher, welcher aus einem bestimmten, hochfesten, keramischen Material gefertigt ist, um bei definierten drehmomentbegrenzten Schraubfällen die Standzeit zu erhöhen. Im Falle der Optimierung des maximalen Bruchdrehmomentes auf 24 bis 27 Nm (Bit Nr. 2) wird ein Stahl keramisch mit thermischen Diffusionsverfahren, Plasmaspritzverfahren und thermischen Nachbehandlungen zur Festigkeitsmaximierung veredelt.

Description

Der Kern der vorliegenden Erfindung ist die Idee, das nur eine differenziertere Analyse der Anforderungen und eine angepasste separate werkstofftechnische Vorgehensweise zur Verbesserung der Schraubendrehereinsätze und damit zum nachhaltigen Markterfolg führen kann. Die Verwendung einer Werkstoffgruppe für alle Anwendungen gerät zum zentralen Problem aller Schraubendrehereinsätze.
Die vorliegende Erfindung betrifft Schraubendrehereinsätze, insbesondere Schraubendrehereinsätze für hand- oder maschinenbetriebene Schraubendreher, welche aus teilstabilisiertem Zirkonoxid, Dispersionskeramik aus Aluminiumoxid oder Zirkondioxid gefertigt ist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine neuartige keramische Beschichtung und die Veredelung durch thermische Diffusionsverfahren und thermniseher Nachbehandlung der konventionellen metallischen Schraubendrehereinsätze.
Schraubendrehereinsätze müssen ein bestimmtes Anforderungsprofil erfüllen, um für die vorgesehenen Aufgaben geeignet zu sein. Insbesondere dienen Schraubendrehereinsätze zur Drehmomentübertragung von hand- oder maschinenbetätigten Schraubendrehern auf eine Schraube. Dabei muss der Schraubendrehereinsatz gegen auftretende Torsionsspannungen, sowie gegen reibungsinduzierte Abrasion zwischen Schraube und Schraubendrehereinsatz beständig sein. Darüber hinaus ist eine Haftung im Schraubenkopf gewünscht. Zudem müssen Schraubendrehereinsätze vorgegebene geometrische Normen erfüllen (siehe z. B. DIN 3128; DIN 3126).
Für konventionelle Schraubendrehereinsätze wurden bisher ausschließlich Metalle als Werkstoff eingesetzt, um das oben angegebene Anforderungsprofil so gut wie möglich zu erfüllen. So wird z. B. in DIN ISO 8764-1 Stahl als einziger Werkstoff für Schraubendrehereinsätze festgelegt. Darüber hinaus gibt es sogenannte "high end" Bits aus Metall, mit einer TiC oder TiN Beschichtung (DE 38 39 788 C1) zur Verbesserung verschiedener Eigenschaften. Problematisch war jedoch, dass sich diese Keramikbeschichtungen oftmals den "Eierschaleneffekt" zeigen und sich vom Metallsubstrat ablösen. Insgesamt hat diese Beschichtung wohl größeren Einfluss auf das Marketing als auf die Qualität des Produktes.
Die konventionellen Schraubendrehereinsätze werden üblicherweise durch spanende Bearbeitung von Halbzeugen mit anschließender Beschichtung oder Einsatzhärtung hergestellt.
Die konventionellen Schraubendrehereinsätze weisen jedoch zahlreiche Nachteile auf. Zunächst erfordert die Auswahl des Werkstoffs Metall eine lohnintensive, teuere Fertigung mit zahlreichen Fertigungsschritten, wie etwa Herstellung einer Stahllegierung und des Halbzeugs, Ablängen des Halbzeugs, Drehen, Fräsen, Einsatzhärten und eventuell Beschichten. Da Schrauben zumeist ebenfalls aus Metall hergestellt sind, führt die Metall-Metall-Werkstoffpaarung, beispielsweise eine Stahl-Stahl- Werkstoffpaarung zwischen Bit und Schraube zu einer reibungsinduzierten Abrasion des Bits. Diese Abrasion führt zur Verformung des für den Formschluss verantwortlichen Bits und damit zu einer Verschleißerhöhung und einem schnellen Versagen des Werkzeugs.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand deshalb darin, Schraubendrehereinsätze aus einem Material bereitzustellen, mit welchem das Anforderungsprofil besser als mit Stahl erfüllt werden kann oder Stahl mit einer keramischen Gradientenschicht zu versehen, welche die beschriebenen Nachteile eliminiert. Die Standzeitverlängerung als marktfähiger Hebel der Wertschöpfung stand hierbei im Vordergrund.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Schraubendrehereinsatz, insbesondere für einen hand- oder maschinenbetriebenen Schraubendreher, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass er aus teilstabilisiertem Zirkonoxid gefertigt ist oder aus Stahl, der mit besonderen Verfahren keramisch beschichtet ist oder mittels thermischer Diffusionsverfahren beispielsweise inchromiert wird.
Es wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung experimentell festgestellt, dass es möglich ist, monolithische Schraubendrehereinsätze aus teilstabilisiertem Zirkonoxid zu fertigen, welche mindestens die Festigkeitsnennwerte von Stahl hinsichtlich E- Modul, Torsionsspannungen und Biegebruchfestigkeit aufweist und zudem einen deutlich höheren Widerstand gegen Abrasion besitzen. Darüber hinaus können solche Schraubendrehereinsätze deutlich einfacher und günstiger als konventionelle Schraubendrehereinsätze gefertigt werden. Weiterhin wurde festgestellt, dass es möglich ist Schraubendrehereinsätze mit Keramik zu beschichten. Die Probleme wie Haarrisse, "Eierschaleneffekt" und Ablösen der Schicht, wie bei den bekannten Beschichtungen, treten hierbei nicht auf.
Die erfindungsgemäßen monolithisch keramischen Schraubendrehereinsätze sind bevorzugt vollständig, d. h. zu 100% aus keramischem Material gefertigt insbesondere aus Yttrium teilstabilisiertem Zirkonoxid. Möglich ist auch eine Stabilisierung mit Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und ähnlichen Rohstoffen. Bevorzugt mit 100% tetragonaler Phase mit 1,5 bis 3,5 mol-% Yttriumoxid. Besonders bevorzugt mit 3 mol-% Yttriumoxid und einem sehr feinen Gefüge von weniger als 1 µm.
Die erfindungsgemäß eingesetzten keramischen Materialien weisen bevorzugt eine sehr hohe Biegebruchfestigkeit, insbesondere eine Biegefestigkeit von > 1200 MPa, mehr bevorzugt > 1600 MPa, insbesondere > 1800 MPa und noch mehr bevorzugt > 2000 MPa auf. Die Biegefestigkeit kann beispielsweise mittels der Testmethode DIN EN 843-1 bestimmt werden. Die erfindungsgemäß eingesetzten keramischen Materialien zeichnen sich weiterhin bevorzugt durch eine hohe Bruchzähigkeit K_IC von, 4,0, mehr bevorzugt, 4,4, noch mehr bevorzugt, 7 und am meisten bevorzugt, 10 MPa m^1/2 aus. Die Bruchzähigkeit kann beispielsweise mit der Testmethode DIN 51109 bestimmt werden. Eine weitere Werkstoffeigenschaft der eingesetzten keramischen Materialien ist das E-Modul (dynamisch), welches bevorzugt im gleichen Bereich wie das E-Modul von Stahl liegt. Bevorzugt weisen die keramischen Schraubendrehereinsätze ein E- Modul (dynamisch) von 180 bis 320 GPa auf, wie beispielsweise mit der Testmethode DIN V ENV 843-2 gemessen. Weiterhin zeichnen sich die erfindungsgemäß eingesetzten keramischen Werkstoffe bevorzugt durch ein hohes Weibullmodul, beispielsweise von mindestens 9, mehr bevorzugt mindestens 10 und besonders bevorzugt mindestens 11, wie gemäß DIN V ENV 843-5 gemessen, aus.
Die erfindungsgemäßen Schraubendrehereinsätze für besondere Anwendungen im Bereich maximaler Drehmomentbelastungen bestehen aus Stahl, der teilweise oder vollständig mittels thermischer Diffusionsverfahren oder Plasmaspritzverfahren mit einer keramischen Gradientenschicht versehen ist und bei Bedarf eine thermische Nachbehandlung zur Festigkeitsmaximierung erhält.
Der erfindungsgemäße Einsatz von keramischen Werkstoffen anstelle von metallischen Werkstoffen zur Herstellung von Schraubendrehereinsätzen stellt eine Abkehr von etablierten Lösungen und eine Überwindung von Vorurteilen und Gewohnheiten dar und darüber hinaus eine Abkehr von der Norm DIN ISO 8764-1. Er stellt insbesondere auch eine Abkehr von den Abgleichschraubendrehern der Firma Bernstein- Werkzeugfabrik dar, die in ihrer Verwendung ausschließlich auf den Elektronikeinsatz beschränkt sind. Keramische Abgleichschraubendreher sind elektronisch nicht leitend, so dass unter Spannung abgeglichen werden kann.
Der erfindungsgemäße Einsatz von keramisch beschichteten metallischen Werkstoffen, anstelle von metallischen Werkstoffen, zur Herstellung von Schraubendrehereinsätzen, stellt eine Abkehr von etablierten Lösungen und eine Überwindung von Vorurteilen und Gewohnheiten dar und darüber hinaus eine Abkehr von herkömmlichen Beschichtungen mit TiC und TiN (DE 38 39 788 C1). Für die zu differenzierenden Anforderungsprofile unterschiedlichster Schraubendrehereinsätze und Schraubfälle sind adäquate und unterschiedliche Verfahren entwickelt worden.
Mit den erfindungsgemäßen Schraubendrehereinsätzen ist es möglich, beliebige, auch kleinste (Montage von Nanosystemtechnik) komplizierte geometrische Formen von Schraubendrehereinsätzen herzustellen. Beispiele für erfindungsgemäße Schraubendrehereinsätze sind Schraubendrehereinsätze für Schrauben mit Innenvielzahl, für Innensechskantscbrauben, für Schrauben mit Innenvielzahn, Verbindungen für Schraubendrehereinsätze und Verbindungsteile, Schraubendrehereinsätze für Schlitzschrauben, für Schrauben mit Kreuzschlitz, mit Außensechskant für Schrauben mit Innensechskant, Verbindungsteile mit Innensechskant für maschinenbetätigte Schraubendrehereinsätze, Schraubendrehereinsätze mit Außensechskant und Ringnut, mit Innenvierkant mit Außensechskant sowie mit Außensechskant für Innensechskantschrauben oder Torx.
Als keramischer Werkstoff wird bevorzugt eine Oxidkeramik oder eine Nicht- Oxidkeramik oder eine Mischkeramik oder eine Mischoxidkeramik eingesetzt. Besonders bevorzugt sind teilstabilisierte Zirkonoxidkeramiken, wie beispielsweise Yttrium (auch Magnesiumoxid)-stabilisiertes Zirkonoxid insbesondere Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid. Bevorzugt mit 100% tetragonaler Phase mit 1,5 bis 3,5 mol-% Yttriumoxid. Besonders bevorzugt mit 3 mol-% Yttriumoxid und einem sehr feinen Gefüge von weniger als 1 µm. Weiterhin bevorzugt sind Dispersionskeramiken aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid.
Die erfindungsgemäßen Schraubendrehereinsätze aus keramischem Material können durch keramische Formgebungsverfahren, beispielsweise Gießen, Pressen, Spritzen und Heißisostatisches Pressen hergestellt werden. Im Gegensatz zu den spanabhebenden Herstellungsverfahren bei Verwendung von Metallen, zur Herstellung von konventionellen Schraubendrehereinsätzen, ermöglichen diese Herstellungsverfahren eine deutliche Reduzierung der Herstellkosten.
Weiterhin zeigen die erfindungsgemäßen Schraubendrehereinsätze sehr hohe Standzeiten von bevorzugt mindestens 10 000 Verschraubungen pro Bit, mehr bevorzugt mindestens 15 000 Verschraubungen pro Bit, noch mehr bevorzugt mindestens 18 000 Verschraubungen pro Schraubendrehereinsatz Bit und am meisten bevorzugt mindestens 20 000 Verschraubungen pro Schraubendrehereinsatz. Die Verlängerung der Standzeiten liefert den weiteren Vorteil, dass die Wartungsintervalle bzw. Standzeiten der Anlagen, in denen die erfindungsgemäßen Schraubendrehereinsatzes eingesetzt werden, deutlich verringert werden können.
Die erfindungsgemäßen Schraubendrehereinsätze erlauben es weiterhin, sehr hohe Drehmomente zu übertragen. Diese liegen bei einem Schraubendrehereinsatz der Größe zwei bei mindestens 10 Nm, mehr bevorzugt mindestens 20 Nm, noch mehr bevorzugt mindestens 30 Nm und am meisten bevorzugt mindestens 40 Nm.

Claims

1. Schraubendrehereinsatz, insbesondere für hand- oder maschinenbetriebenen Schraubendreher, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kreuzschlitz Schraubendrehereinsatz der Größe 2 ein maximales Bruchdrehmoment von größer 24 Nm übertragen kann oder im Falle eines drehmomentbegrenzten Schraubfalles auf 66% des maximalen Bruchdrehmomentes eine Standfestigkeit größer 20 000 Verschraubungen aufweist.

2. Schraubendrehereinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material ausgewählt ist aus einer Oxidkeramik, einer Nicht-Oxidkeramik, einer Mischkeramik oder einer Mischoxidkeramik. Insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass diese Keramiken durch Yttriumoxid, Magnesiumoxid oder ähnliche Werkstoffe mit dem Ziel der Festigkeitssteigerung und Zähigkeitssteigerung teilstabilisiert sind, oder dadurch gekennzeichnet, dass ein metallischer Schraubendrehereinsatz teilweise oder ganz mit Keramik beschichtet wird oder mittels thermischer Diffusionsverfahren beispielsweise inchromiert wird. Ziel dieser Veredelung mit Keramiken (z. B. Chromcarbid) ist eine nicht ablösbare keramisch-metallische Gradientenschicht.

3. Schraubendrehereinsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material ausgewählt ist aus einer teilstabilisierten Zirkonoxidkeramik, insbesondere einem Yttrium-teilstabilisierten Zirkonoxid oder einer Dispersionskeramik aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid. Weiterhin dadurch gekennzeichnet durch eine 100% tetragonaler Phase mit 1,5 bis 3,5 mol-% Yttriumoxid. Besonders bevorzugt mit 3 mol-% Yttriumoxid und einem sehr feinen Gefüge von weniger als 1 µm.

4. Verfahren zur Herstellung eines Schraubendrehereinsatzes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Formgebungsverfahren ein Press-, Gieß-, Spritzverfahren und Heißisostatisches Pressen zur besonderen Verfestigung verwendet wird. Ferner werden zur partiellen oder vollständigen Beschichtung metallischer Schraubendrehereinsätze Plasmaspritzen, thermische Diffusionsverfahren wie inchromieren und zur Endverfestigung thermische Nachbehandlungsverfahren verwendet.

5. Verwendung eines teilstabilisierten Zirkonoxids zur Herstellung eines monolithischen Schraubendrehereinsatzes oder eines Stahls, der teilweise oder vollständig mit Plasma-Keramik oder thermischer Diffusionsverfahren gradiert veredelt ist.