DE10234205A1 - Screw driver bit for manual/mechanical screw driver consist of oxide/mixed oxide ceramics, or of metal with ceramic coating - Google Patents
Screw driver bit for manual/mechanical screw driver consist of oxide/mixed oxide ceramics, or of metal with ceramic coatingInfo
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Abstract
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. The essence of the present invention is the idea that only a more sophisticated analysis the requirements and an adapted separate material technology approach to improve the screwdriver bits and thus the sustainable Can lead to market success. The use of a material group for all applications on the central problem of all screwdriver bits.
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. The present invention relates to screwdriver bits, in particular Screwdriver bits for hand or machine operated screwdrivers, which are made of partially stabilized zirconium oxide, dispersion ceramic made of aluminum oxide or Zirconia is made. The present invention further relates to a new type of ceramic Coating and finishing by thermal diffusion processes and thermal after-treatment of conventional metallic screwdriver bits.
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). Screwdriver bits have to meet a certain requirement profile in order for the intended tasks to be suitable. Serve in particular Screwdriver bits for torque transmission from hand or machine operated Screwdrivers on a screw. The screwdriver bit must be used against Torsional stresses as well as against friction-induced abrasion between screw and Screwdriver bit be resistant. In addition, liability in Screw head desired. In addition, screwdriver bits must have predefined geometric Meet standards (see e.g. 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. For conventional screwdriver bits only metals have so far been used Material used to best meet the requirement profile given above to fulfill. So z. B. in DIN ISO 8764-1 steel as the only material for Screwdriver bits set. There are also so-called "high end" bits Metal, with a TiC or TiN coating (DE 38 39 788 C1) for improvement different properties. However, the problem was that this Ceramic coatings often show the "eggshell effect" and separate from the metal substrate peel off. Overall, this coating probably has a greater impact on marketing than on the quality of the product.
Die konventionellen Schraubendrehereinsätze werden üblicherweise durch spanende Bearbeitung von Halbzeugen mit anschließender Beschichtung oder Einsatzhärtung hergestellt. The conventional screwdriver bits are usually machined Processing of semi-finished products with subsequent coating or case hardening manufactured.
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. However, the conventional screwdriver bits have numerous disadvantages. First of all, the choice of metal as a material requires a wage-intensive, expensive one Manufacturing with numerous manufacturing steps, such as manufacturing one Steel alloy and the semi-finished product, cutting the semi-finished product to length, turning, milling, case hardening and possibly coating. Since screws are usually also made of metal, leads the metal-metal material pairing, for example a steel-steel Material pairing between bit and screw for friction-induced abrasion of the bit. This abrasion leads to the deformation of the form fit responsible bits and thus an increase in wear and a rapid failure of the Tool.
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. One object of the present invention was therefore to To provide screwdriver bits from a material with which the requirement profile better than can be met with steel or steel with a ceramic gradient layer to be provided, which eliminates the disadvantages described. The service life extension as a marketable lever for value creation was the focus.
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. According to the invention, this object is achieved by a screwdriver insert, especially for a hand or machine operated screwdriver, which is characterized in that it is made of partially stabilized zirconium oxide or made of steel, which is ceramic coated with special processes or by means of thermal diffusion process is chromized, for example.
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. It has been found experimentally in the context of the present invention that it it is possible to use monolithic screwdriver bits made from partially stabilized zirconium oxide to produce, which at least the nominal strength values of steel with regard to Module, torsional stresses and bending strength and also has a have significantly higher resistance to abrasion. In addition, such Screwdriver bits much easier and cheaper than conventional ones Screwdriver bits are made. It was also found that it is possible Coating screwdriver bits with ceramic. The problems like hairline cracks, "Eggshell effect" and detachment of the layer, as in the known coatings, do not occur here.
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. The monolithic ceramic screwdriver bits according to the invention are preferably completely, i. H. 100% made of ceramic material in particular made of yttrium partially stabilized zirconium oxide. Stabilization is also possible with Magnesium oxide, aluminum oxide and similar raw materials. Preferably with 100% tetragonal phase with 1.5 to 3.5 mol% yttrium oxide. Particularly preferred with 3 mol% Yttrium oxide and a very fine structure of less than 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 KIC von, 4,0, mehr bevorzugt, 4,4, noch mehr bevorzugt, 7 und am meisten bevorzugt, 10 MPa m1/2 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. The ceramic materials used according to the invention preferably have a very high flexural strength, in particular a flexural strength of> 1200 MPa, more preferably> 1600 MPa, in particular> 1800 MPa and even more preferably> 2000 MPa. The bending strength can be determined, for example, using the test method DIN EN 843-1. The ceramic materials used according to the invention are furthermore preferably distinguished by a high fracture toughness K IC of, 4.0, more preferably, 4.4, even more preferably, 7 and most preferably, 10 MPa m 1/2 . The fracture toughness can be determined, for example, using the test method DIN 51109. Another material property of the ceramic materials used is the elastic modulus (dynamic), which is preferably in the same range as the elastic modulus of steel. The ceramic screwdriver bits preferably have an elastic modulus (dynamic) of 180 to 320 GPa, as measured, for example, using the test method DIN V ENV 843-2. Furthermore, the ceramic materials used according to the invention are preferably distinguished by a high Weibull modulus, for example of at least 9, more preferably at least 10 and particularly preferably at least 11, as measured in accordance with DIN V ENV 843-5.
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. The screwdriver bits according to the invention for special applications in Range of maximum torque loads are made of steel, which is partially or completely by means of thermal diffusion processes or plasma spray processes is provided with a ceramic gradient layer and, if necessary, a thermal Receives post-treatment to maximize strength.
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. The use of ceramic materials according to the invention instead of metallic Materials for the production of screwdriver bits represents a departure from established solutions and overcoming prejudices and habits and also a departure from the DIN ISO 8764-1 standard. He poses in particular also a departure from the adjustment screwdrivers from the company Bernstein- Tool factory, the use of which is based exclusively on electronics are limited. Ceramic adjustment screwdrivers are not electronically conductive, so that tension can be adjusted.
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. The use according to the invention of ceramic-coated metallic materials, instead of metallic materials, for the production of screwdriver bits, represents a turning away from established solutions and an overcoming of prejudices and habits, and moreover a departure from conventional ones Coatings with TiC and TiN (DE 38 39 788 C1). For those to be differentiated Requirement profiles of different screwdriver bits and screwdriving cases are adequate and different procedures have been developed.
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. With the screwdriver bits according to the invention, it is possible to use any, too smallest (assembly of nanosystem technology) complicated geometric shapes of To produce screwdriver bits. Examples of the invention Screwdriver bits are screwdriver bits for screws with an internal variety, for Allen screws, for screws with internal serration, connections for Screwdriver bits and connectors, screwdriver bits for Slotted screws, for screws with cross recess, with external hexagon for screws with Hexagon socket, connecting parts with hexagon socket for machine-operated Screwdriver bits, screwdriver bits with external hexagon and ring groove, with Inside square with outside hexagon and with outside hexagon for Allen screws or 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. An oxide ceramic or a non-ceramic material is preferred as the ceramic material. Oxide ceramic or a mixed ceramic or a mixed oxide ceramic used. Partially stabilized zirconium oxide ceramics, for example, are particularly preferred Yttrium (also magnesium oxide) stabilized zirconium oxide, especially yttrium stabilized zirconium oxide. Preferably with 100% tetragonal phase with 1.5 to 3.5 mol% Yttrium oxide. Particularly preferred with 3 mol% yttrium oxide and a very fine one Microstructure less than 1 µm. Dispersion ceramics made of are also preferred Alumina and zirconia.
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. The screwdriver bits according to the invention made of ceramic material can by ceramic molding processes, for example casting, pressing, spraying and hot isostatic pressing. In contrast to the cutting manufacturing process using metals, for the production of conventional screwdriver bits enable this manufacturing process a significant reduction in manufacturing costs.
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. Furthermore, the screwdriver bits according to the invention show very high levels Tool life of preferably at least 10,000 screw connections per bit, more preferred at least 15,000 screw connections per bit, more preferably at least 18,000 Screw connections per screwdriver bit and most preferred at least 20,000 screw connections per screwdriver bit. The extension of the Downtimes provides the further advantage that the maintenance intervals or downtimes of the systems in which the screwdriver bit according to the invention is used can be significantly reduced.
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. The screwdriver bits according to the invention also allow very high To transmit torques. These are the size of a screwdriver bit two at least 10 Nm, more preferably at least 20 Nm, even more preferred at least 30 Nm and most preferably at least 40 Nm.
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