AT220646B - Stahllegierungen zur Herstellung von Gesteinsbohrwerkzeugen - Google Patents

Description

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  Stahllegierungen zur Herstellung von Gesteinsbohrwerkzeugen 
Für die Brauchbarkeit und Lebensdauer von Gesteinsbohrwerkzeugen verschiedenster Art ist in erster Linie deren Dauerfestigkeit entscheidend, do dass die zahlreichen Bemühungen zur Steigerung der Standzeit dieser Bohrwerkzeuge in Richtung einer Erhöhung der Dauerfestigkeit hinauslaufen. Infolge der komplexen Beanspruchung, denen Gesteinsbohrwerkzeuge ausgesetzt sind, ist es jedoch nicht immer einfach, alle für den Dauerbruch in Betracht zu ziehenden Fehlerquellen auszuschliessen. Die für die Herstellung von Gesteinsbohrwerkzeugen verwendeten legierten Stähle sollen daher eine hohe Ermüdungsfestigkeit aufweisen. Nun ist es aber bekannt, dass die Ermüdungsfestigkeit der für Gesteinsbohrwerkzeuge, Hohlbohrgestänge u. dgl. verwendeten Stahllegierungen durch korrosive Einflüsse sehr stark beeinträchtigt wird.

   Dies trifft vor allem auf Hohlbohrer zu, bei denen Spülwasser durch das Hohl geführt wird. Bei diesen Werkzeugen ist nun die Neigung zu Dauerbrüchen, die vom Hohl ausgehen, wesentlich höher, da die Dauerfestigkeit von Stählen im benetzten Zustand bekanntlich wesentlich niedriger liegt als im trockenen Zustand. 



   Es hat daher nicht an Bemühungen gefehlt, zur Vermeidung von Ermüdungsbrüchen das Hohl bei Gesteinsbohrwerkzeugen mit korrosionshindernden Mitteln zu versehen. Dabei wurde vorgeschlagen, den unlegierten oder legierten Hohlbohrstahl im Hohl mit korrosionsbeständigen Metallen, wie Nickel oder nichtrostenden Eisenlegierungen, beispielsweise Legierungen mit Chrom, auszukleiden. Ausser solchen Auskleidungen von dauernder Beschaffenheit ist es auch bekanntgeworden, Überzüge geringerer Dauer zu benutzen, die sich leichter erneuern lassen. Darunter fallen Anstriche mit verschiedensten Lacken, Firnissen oder sonstigen anorganischen oder organischen korrosionshindernden Mitteln.

   Ferner ist auch bereits vorgeschlagen worden, die Oberflächen von Gesteinsbohrwerkzeugen, insbesondere das Hohl, durch Phosphatieren und anschliessendes Aufbringen von korrosionsfesten Deckschichten oder Bondern gegen die Angriffe der Spülmittel oder Grubenwässer widerstandsfähig zu machen. 



   Der Verwendung rostsicherer Einlagen aus nichtrostenden Eisen- und Stahllegierungen in Form eines   Röhrcher. s   zur Auskleidung des Hohls stellen sich aber zahlreiche Schwierigkeiten in den Weg, deren Behebung nicht immer einfach ist. Dabei erwies es sich, dass es trotz intensiver und exakter Bemühungen nicht immer gelingt, die Haftung zwischen Hohlbohrstahl und dem aus rostsicherem Werkstoff bestehenden Röhrchen im verlangten Ausmass zu gewährleisten. Bei der Weiterverarbeitung des Hohlbohrstahles auf Werkzeuge bilden sich nämlich im Hohl leicht Unregelmässigkeiten, beispielsweise Faltungen, wodurch sich die Auskleidung von seiner Unterlage stellenweise ablöst.

   In weiterer Folge kommt es aber dann an diesen Stellen durch das mit beträchtlicher Geschwindigkeit fliessende Spülmedium zu Korrosionsrissen, die dann Ermüdungsbrüche einleiten können. Überdies können derartige Röhrchenauskleidungen beim Anstauchen der Einsteckenden und Schneidenköpfe zu Schwierigkeiten führen. Den Korrosionseinflüssen, denen die Bohrwerkzeuge ja auch an der Aussenfläche unterliegen, kann mit der Röhrchenauskleidung ebenfalls nicht begegnet werden. Wohl ist es bereits bekannt, durch Anstriche oder sonstige Deckschichten mit korrosionshindernden Mitteln die Oberflächen von Gesteinsbohrwerkzeugen gegen Korrosionsangriffe zu schützen, jedoch ist die Schutzwirkung infolge des verhältnismässig geringeren Verschleisswiderstandes dieser Mittel nur für einen kürzeren Zeitraum gegeben. 



   Üblicherweise werden für Gesteinsbohrwerkzeuge legierte Stähle vom Werkzeug- oder Baustahltyp herangezogen, u. zw. einerseits Stähle mit zirka 0, 70-1% Kohlenstoff und Zusätzen von Chrom, Molybdän, Vanadin und Nickel, einzeln oder gemeinsam, und anderseits Stähle mir zirka 0, 25 bis   0, 45%   Kohlenstoff und Zusätzen von zirka 0, 70 bis   1, 50%   Mangan oder Silizium, sowie Chrom, Nickel, 
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 und nur die Einsteckenden, Aufschlagflächen und Schneiden bzw. bei Bohrstangen auch unter Umständen die Enden für die Gewinde oder Aufsteckkonusse einer besonderen Wärmebehandlung unterzogen.

   Es muss jedoch bei der Wärmebehandlung darauf geachtet werden, die Entstehung sogenannter metallurgischer Kerben zu vermeiden, weil schroffe Festigkeitsübergänge sich in gleicher Weise auswirken wie mechanische 

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Kerben. Im Bestreben, die Dauerfestigkeit zu erhöhen, ist es vielfach üblich, die aus solchen Stählen herge- stellten Hohlbohrgestänge bzw. Gesteinsbohrwerkzeuge über die ganze Länge zu vergüten. 



   Erfindungsgemäss wird nun vorgeschlagen, als Werkstoff zur Herstellung von Gesteinsbohrwerkzeugen nichtrostende Stahllegierungen, insbesondere martensitische, hochchromlegierte Stähle zu verwenden. 



   Es hat sich nämlich überraschend gezeigt, dass die allgemein gegen die Verwendung von nichtrostenden, insbesondere martensitischen, höher mit Chrom legierten Stählen als Werkstoff für Gesteinsbohrwerk- zeuge, wie Hohlbohrgestänge, Bohrwerkzeuge usw., entgegenstehenden Bedenken bei Beachtung ent- sprechender Verformung-un Behandlungsverfahren ausgeschaltet werden können und die aus solchen
Stählen gefertigten Teile sich einwandfrei bewähren. So war man bisher der Meinung, dass die Zunder- ausbildung während des Walzens eines hochchromlegierten Stahles derart ungünstig sei, dass dadurch die Oberflächenbeschaffenheit der Gesteinsbohrwerkzeuge entschieden leidet und das Einlöten von Hartmetallplättchen infolge des hohen Chromgehaltes kaum zu überwindende Schwierigkeiten mit sich bringt.

   Dazu kamen wegen des hohen Preises der nichtrostenden Stähle auch noch die Bedenken von der wirtschaftlichen Seite. Schon allein aus diesem Grund war es nur zu verständlich, dass man die nichtrostenden Stähle als Werkstoff zur Verwendung für Gesteinsbohrwerkzeuge, Hohlbohrgestänge usw. nicht in Betracht gezogen hat. Überdies bestanden auch bezüglich der mechanischen Gütewerte der nichtrostenden Stähle, insbesondere der Steifheit, die anscheinend bei Gesteinsbohrstählen von ausschlag- gebender Bedeutung ist, Bedenken gegen eine Verwendung dieser Stähle als Werkstoff zur Herstellung von Gesteinsbohrwerkzeugen. 



   Versuche haben nun überraschend ergeben, dass bei Anwendung entsprechender Vorrichtungen während des Walzvorganges ein nichtrostender Gesteinsbohrstahl mit einwandfrei glatter und somit kerbfreier Oberfläche erhalten werden kann und dass solchen Stählen bei Einhaltung eines abgestimmten Wärmebehandlungsverfahrens Eigenschaften verliehen werden können, durch die sie schon für die Anfertigung von Gesteinsbohrwerkzeugen, die trocken arbeiten, besser geeignet sind als die bisher bekannten bzw. dafür üblichen Stähle. Eine ganz wesentliche Verbesserung ergibt sich jedoch bei der Verwendung im benetzten Zustand.

   Zur Erzielung glatter und kerbfreier Oberflächen hat es sich dabei als zweckmässig erwiesen, die Erwärmung in den Walzwerksöfen möglichst rasch vorzunehmen, damit keine zu starke Zunderbildung eintritt und überdies werden beim Walzen zur Erzielung einer ausreichend guten Walzoberfläche bei der Stabstahlwalzung   Abspritz- und   Abbürstvorrichtungen zur Anwendung gebracht. Das walzharte Material fällt dabei mit einer Rockwellhärte bis etwa 50 RC an. Es ist daher notwendig, durch eine Art Anlassbehandlung die Festigkeit bzw. Härte auf die optimalen Werte zu senken, die in den meisten Fällen einer Rockwellhärte von etwa 40 RC entspricht. Für die Wärmebehandlung von geschmiedeten Teilen an Gesteinsbohrwerkzeugen, z. B.

   Einsteckenden, Schneidköpfe usw. reicht in den meisten Fällen eine Normalisierungsbehandlung, die der jeweiligen Stahlqualität entspricht, aus. 



   Eingehende Lötversuche haben ausserdem gezeigt, dass es möglich ist, auch bei solchen nichtrostenden Stählen eine verlässlich haltbare Lötverbindung mit den Hartmetallschneiden herzustellen. Bekanntlich lassen sich hochlegierte Stähle insbesondere dann, wenn sie die Elemente Silizium oder Chrom in grösseren Anteilen erhalten, schlechter löten als niedriger legierte Stähle. Praktische Versuche haben aber ergeben, dass auch die erfindungsgemäss vorgeschlagenen Stähle ausreichend gute Löteigenschaften zeigen, wenn man einerseits die beim Löten erforderlichen Massnahmen besonders sorgfältig einhält und anderseits zur Vermeidung bzw. Entfernung etwaiger Oxydfilme an den zu lötenden Stahlflächen mit einem gewissen Überschuss des für das betreffende Lot jeweils günstigsten Flussmittels arbeitet. 



   Von den   unter den Gegenstand der Erfindung fallenden Stahllegierungen   haben sich dabei vor allem die martensitischen   Chromstähle mit zirka 0, 10-l % Kohlenstoff,   zirka   10-20%   Chrom undfallweisen Zusätzen von Nickel bis zirka 2% und Molybdän bis zirka 2%, Rest Eisen mit den üblichen Begleitelementen bewährt. Diese Stähle besitzen im walzharten Zustand Rockwellhärten von 28 bis 55 RC, so dass sie bereits dadurch auf Härten kommen, welche eine Verwendung ohne zusätzliche Wärmebehandlung über die gesamte Länge des Werkzeuges ermöglichen. 



   Für spezielle Anwendungsgebiete können auch austenitische, nichtrostende Stähle herangezogen werden, u. zw. solche, denen durch Ausscheidungshärtung, einerseits bedingt durch bestimmte Legierungszusätze und anderseits durch abgestimmte Wärmebehandlungsverfahren Festigkeitseigenschaften verliehen werden, die sie für den Einsatz als Gesteinsbohrwerkzeuge geeignet machen. Derartige Festigkeitswerte können aber auch durch Kaltverformungsverfahren erzielt werden. 



   Es hat sich weiters noch als vorteilhaft erwiesen, die Dauerfestigkeit der aus den erfindungsgemäss vorgeschlagenen Stählen hergestellten Gesteinsbohrwerkzeuge mittels Reckrichten zu erhöhen und darüber hinaus die hergestellten Teile durch Kugelstrahlen einer Oberflächenverdichtung zu unterziehen und abschliessend zur Erzielung passivierter Oberflächen die Werkzeuge zu beizen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH : Die Verwendung nichtrostender Stahllegierungen, insbesondere martensitischer, hochchromlegierter Stähle, als Werkstoff zur Herstellung von Gesteinsbohrwerkzeugen.