CN108347874A - 具有硬质材料的工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有硬质材料的工具以用于加工矿物的和/或植物的材料层，尤其交通路面和/或农业土壤表面或它们彼此的结合物。对此规定，切割元件的至少一部分通过包含富勒体的或由富勒体形成的硬质材料形成或覆盖。通过非常硬的硬质材料可明显改善工具的耐磨性能。

Description

具有硬质材料的工具

技术领域

本发明涉及具有硬质材料的工具以用于加工矿物的和/或植物的材料层，尤其交通路面和/或农业土壤表面或它们彼此的结合物。

背景技术

例如在借助铣路机拆除路面或在翻新路面时使用的工具、尤其铣刀经受连续的磨损过程。如果工具达到确定的磨损状态，需要更换工具，因为否则下一过程将失效(效率)。由于铣削机所需的停机时间以及所需的替换件更换铣刀是昂贵的。

由US 2010/0263939 A1已知耐冲击的工具，其例如也可作为铣刀使用。对此，多晶金刚体与硬金属基底连接。多晶金刚体形成切割尖。多晶金刚体具有大的硬度，这使得该切割尖相比于未经涂层的硬金属切割尖具有延长的使用寿命。

在US 4,604,106中描述了具有多晶金刚石的复合材料，其例如作为防护层用于受到大的机械负荷的工具表面。多晶金刚石相比于单晶金刚石具有较高的耐冲击性。金刚石颗粒的尺寸在1至100μm。

DE 39 26 627描述了一种具有杆和凿刀头的呈圆杆凿刀形式的凿刀。例如由细颗粒的碳化钨、碳化钽或类似的硬质材料构成的硬销形成切割尖。该切割尖可额外地进行金刚石涂层。此外，在凿刀头的外表面上施加在等离子体粉末堆焊方法中施加的防磨损层。用于凿刀的凿刀保持件可涂有这种防磨损层。

由US 6,245,312 B1公开了用于制造由富勒碳、例如由富勒碳C₆₀构成的富勒体的方法。对此需要高压和高温。根据制造时的压力和温度，富勒体具有非常高的直至170GPa的硬度。因此富勒体比天然金刚石更硬。

由专利文献WO 2015/034399已知用于制造由富勒碳、尤其由富勒碳C₆₀构成的富勒体的方法。在此处规定的高压方法中给富勒碳添加添加剂，在这种情况下为二硫化碳(CS₂)。在上部凸模可实施旋转的金刚石压力机中制造富勒体，以便在材料中引起剪切力。该方法实现了在相对较低的在8-10GPa的范围中的压力条件下制造富勒体。由此获得的材料同样高于金刚石的硬度。

发明内容

本发明的目的是提供用于工具的硬质材料，该工具相比于现有技术已知的工具具有改进的耐磨性能。

该目的通过以下方式实现，即，切割元件的至少一部分借助包含富勒体的或由富勒体形成的硬质材料形成和/或覆盖。富勒体由于其特殊的晶体结构构造具有大的硬度，根据相应的制造方法，该硬度大于金刚石的硬度。由此获得的工具具有非常高的耐磨性能。由此这种工具的使用寿命相比于已知的工具明显更长。这使得用于工具的更换间隔时间更长且由此替换件成本更低以及工具机的停机时间更少。在适当地设计工具、例如铣路机的凿刀的情况下，该工具可实现的耐磨性能处于工具保持件、例如铣削滚轮上的凿刀保持件的耐磨性能的范围中。因此，设有富勒体的工具可固定地与工具保持件连接或与工具保持件一件式实施，由此可松开的连接不再是必需的。例如铣路机的凿刀可固定地或一件式地与凿刀保持件实施，该凿刀保持件布置在铣削滚轮上。由此可明显降低整体系统的制造成本。

尤其可通过以下方式延长工具的使用寿命，工具的承载切割元件的工具头至少部分地通过硬质材料覆盖。在加工过程期间，例如在铣削路面时，尤其切割元件以及紧接在切割元件上的工具头、例如铣路机凿刀的凿刀头经受很大的机械应力。通过覆盖切割元件和工具头可明显减小对构件的磨损。

对工具表面或工具表面的一部分的大面积且同时成本有利地涂层可通过以下方式实现，即，通过涂层工艺将硬质材料施加到切割元件和/或工具头的至少一部分上。

通过以下方式可实现硬质材料的自身构型，即，硬质材料通过包含富勒体的烧结材料的烧结工艺来施加。此时通过在烧结工艺期间使用相应的形状进行构型。

本发明的优选的改进方案的特征是，在硬质材料与切割元件和/或工具头之间布置中间材料。

对此可优选地规定，中间材料是防止材料扩散进入硬质材料中或从硬质材料中出来的阻隔体；和/或中间材料具有的热膨胀系数处于硬质材料的热膨胀系数与切割元件的热膨胀系数和/或工具头的热膨胀系数之间。通过该阻隔体可避免材料从工具表面扩散到硬质材料中，由此富勒体通过扩散从起催化作用的铁部分地转变成石墨。硬质材料通常具有的热膨胀系数明显不同于工具的待覆盖的区域。在接合工艺中或在将硬质材料施加到工具上时，根据使用的工艺有很高的温度。这导致在工具和硬质材料之间的高机械应力。这种应力会导致硬质材料的破坏或剥落。通过中间材料的膨胀系数的调节，可明显降低机械应力。

根据本发明的另一实施方式可规定，该硬质材料覆盖工具的硬质材料，尤其硬金属和/或多晶金刚石。由此例如切割元件可由硬金属或多晶金刚石制成，硬金属或多晶金刚石的高度机械耐受性可通过施加的硬质材料再次得到明显改善。

如果规定，硬质材料覆盖工具的由钢形成的区域，则在该区域中可明显改善凿刀的耐磨性。由此例如可通过施加的硬质材料使由钢制成的工具头、例如凿刀头的使用寿命匹配由硬金属或多晶金刚石制成的切割元件的使用寿命，该切割元件同样通过硬质材料覆盖。由此可避免由于工具头的高磨损而使整个工具提前失效。

通过以下方式可获得特别耐磨的工具，即，切割元件至少局部地覆盖工具头。由此，切割元件保护工具头以防高磨损。

为了确保硬质材料的不变的高硬度可规定，富勒体由富勒碳、尤其由富勒碳C₆₀作为原始材料形成。

对此，尤其通过以下方式可实现期望的硬度，即，在高压条件下和/或在高温条件下形成富勒体；和/或通过加入另一物质、例如二甲苯或二硫化碳形成富勒体。

通过以下方式可实现工具的高负荷能力，即，富勒体具有的硬度大于或等于130GPa，尤其大于或等于170GPa。因此，富勒体的硬度高于天然金刚石的硬度，由此可实现凿刀的特别高的铣削功率。

通过以下方式可延长铣路机的维修间隔时间且由此降低铣路机的运行成本，即，工具是用于铣路机的凿刀，具有凿刀头作为工具头且具有联接件，该工具头承载至少一个切割元件，该联接件用于连接凿刀与凿刀保持件或其他基础件。

附图说明

下面根据在附图中示出的实施例详细阐述本发明。其中：

图1以侧视示意图示出了用于铣路机的凿刀，该凿刀具有实施成凿刀杆的联接件、构造成凿刀头的工具头和切割元件；

图2至图5示出了用于凿刀的切割元件的不同实施方式；

图6以侧视的部分实施为剖面的示意图示出了凿刀头的具有切割元件的区段；

图7示出了铣路机的铣削滚轮；

图8以侧视图示出了凿刀，即，用于铣路机的圆杆凿刀，该圆杆凿刀装入用于这种机械的更换式保持工具的保持件中；以及

图9以侧视图示出了用于铣路机的凿刀，该凿刀固定地与凿刀保持件连接。

具体实施方式

图1以侧视示意图示出了用于铣路机的凿刀10，凿刀具有联接件40、构造成凿刀头的工具头30和切割元件20。凿刀10作为代表工具的实施例用于加工矿物的和/或植物的材料层，尤其是交通路面和/或农业土壤表面或它们彼此的结合物。

凿刀10构造成圆杆凿刀。为工具头30分配切割元件20，切割元件由硬质材料、例如由硬金属构成。该切割元件与凿刀头13的锥形地朝向切割元件20逐渐变细的基础件31连接，在该实施例中通过沿着连接面26钎焊进行连接。从切割元件20开始，工具头30在至凸缘33的过渡区域32上以恒定的外直径扩张。凸缘一件式地过渡到实施为凿刀杆的联接件40中。联接件40在其外表面上具有凹部(凹槽)以便容纳沿轴向方向开缝的夹紧套筒41。夹紧套筒由弹簧弹性的材料、例如钢板构成。由于纵向缝使得固定套筒直径可变化，其中，套筒边缘可朝向彼此运动(小的直径)或彼此远离地间隔开(大的套筒直径)。以这种方式可实现不同的夹紧状态。将防磨损盘片42拉装到夹紧套筒41上。防磨损盘片42将夹紧套筒41保持在很小的直径上，使得以很小的或无需力消耗就可将该夹紧套筒推入图8所示的第一凿刀保持件60的凿刀容纳部62中。推进运动借助防磨损盘片42限制。在将联接件40进一步装入孔中时，防磨损盘片42运动到联接件40的未通过夹紧套筒42包围的区域中。然后夹紧套筒41沿径向弹开且夹紧在第一凿刀保持件60的凿刀容纳部62中。以这种方式凿刀10沿轴向不可松开，但是沿周向方向可自由转动地保持。如图1进一步示出，防磨损盘片42朝向工具头30形成支撑面以便支承工具头30的凸缘33。

切割元件20从前部的切割尖21开始具有凸形成型的切割面22，切割面过渡到支座23中。根据待执行的铣削任务，任意其他构型的切割元件20和工具头30都是可能的。

为了安装，凿刀10可围绕其纵向中轴线转动地支承在图8示出的第一凿刀保持件60上且安装在可转动的滚轮载体上。通过滚轮载体的旋转，切割元件20侵入待剥除的材料、例如沥青或土壤中且将其粉碎。废料在工具头30处滑过且同时通过基础件31和过渡区域32向外导走。保持凿刀10的第一凿刀载体60由此受到保护以防通过废料磨损。

切割元件20由硬质材料、在该实施例中由硬金属制成。工具头30的机械负荷在切割元件20的区域中最大。工具头30的基础件31尤其在紧接切割元件30处同样经受非常高的机械负荷。因此，根据本发明切割元件20如由图6中可看出地通过硬质材料50覆盖，在这种情况下为涂层。工具头30的基础件31的靠近切割元件的区域也用这种硬质材料50涂层。

硬质材料50包含富勒体或完全由富勒体构成。富勒体由富勒碳制成。富勒碳是碳原子的球形分子。在高压和必要时高温条件下，富勒碳可以排列并连接成四面体晶体结构。因此，富勒体的四面体晶体结构的角部被使用的富勒碳的球形分子或球形分子的碎片占据。晶体的基本结构相应于金刚石的基本结构。作为这种制造工艺的最终产品获得纳米晶体粉末。由此制成的富勒体的硬度取决于所选择的制造工艺和关于金刚石硬度的制造商参数，且例如可以是170GPa。在制造过程中可添加其他添加剂，例如二甲苯或二硫化碳。通过这些添加剂可影响所获得的富勒体的性质和工艺参数，特别是所需压力的水平和在其生产过程中所需的温度。

由于由此获得的硬质材料50的非常大的硬度，可明显提高工具、在该实施例中为凿刀10的负荷能力以及使用寿命。对此，相比于已知凿刀，尤其具有切割尖21和切割面22的承受特别大的机械负荷的切割元件20的涂层提高了根据本发明的凿刀10的预期寿命。通过在紧接切割元件20处用硬质材料50给工具头30至少部分地涂层，也可明显提高其使用寿命且进而匹配经涂层的切割元件20的使用寿命。优选地，凿刀头的其他部件可通过硬质材料50覆盖。由此例如整个基础件31或过渡区域32可通过硬质材料50受到保护。由此废料通过工具头30的耐磨损形状在后续的图7和图8中示出的第一凿刀保持件60和第二凿刀保持件80处滑过。因此，施加在凿刀10上的硬质材料50也覆盖相应凿刀保持件60、80的一部分，由此明显降低了凿刀保持件60、80的磨损。

图2至图5示例性地示出了用于凿刀10的切割元件20的不同实施方式。在图2示出的实施例中，梯形的附件24与支座23一件式连接。附件24以及支座23的在附件上环绕的区域通过硬质材料50覆盖且与其连接。对此，硬质材料50如此成型，即，硬质材料向外形成切割尖21和切割面22。支座23和附件24由硬质材料、在该实施例中由硬金属形成。硬质材料50在受到机械负荷最大的切割尖21的区域中具有其最大的厚度。由此获得预期寿命特别高的切割元件20。通过附件24在侧面固定硬质材料50。通过该措施避免了，在很高的横向力的情况下硬质材料50从支座23和附件24上脱落。硬质材料50有利地在侧面以支座结束，使得废料在支座23处偏转。通过包含硬度非常大的富勒体的或由富勒体构造的硬质材料50使得由此形成的切割元件20非常耐磨。

在图3示出的实施例中，附件24构造成半球形状。附件24和支座23彼此连接成一件。对此，在示出的实施例中附件24和支座23由多晶金刚石制成。附件24用包含富勒体的或由富勒体形成的硬质材料50涂层。相比于完全由多晶金刚石制成的切割元件20，通过该涂层可提高切割元件20的耐磨性能，因为硬质材料50具有比多晶金刚石更大的硬度。有利地，硬质材料50在侧面以支座23结束，使得废料在支座23处经过。根据本发明的未示出的另一实施方式可规定，支座23在侧面也通过硬质材料50覆盖。

图4示出了切割元件20的另一可能的实施方式。与支座23连接的附件24对此如此成型，即，附件预先规定切割元件20及其切割尖21和切割面22的外轮廓。硬质材料50覆盖附件24和支座23的环绕区域。对此，相对于附件24，硬质材料增厚地形成切割尖21并且在侧面逐渐减小地形成切割面22。通过附件24的构型避免了在相对于比较脆的硬质材料50的界面上的尖锐棱边。由此避免了例如可能在这种尖锐棱边上出现的应力峰值。

在图5中所示的切割元件20的实施例具有支座23和附件24以及切割尖21和切割面22的与图4所示实施例类似的外轮廓。支座23和附件24由硬金属制成。与图4示出的示例不同，在附件24和硬质材料层50之间布置中间材料51。中间材料51具有的热膨胀系统处于硬质材料50的热膨胀系数与支座23和附件24的材料的热膨胀系数之间。硬质材料50通常具有与支座23和附件24不同的热膨胀系数。由此在支座23和附件24与硬质材料50直接连接的情况下，如在图4中所示，在温度变化的情况下在相邻材料中会出现高的机械应力。例如在切割元件20的制造过程中以及在铣削过程期间有大的温度变化。该应力可导致，硬质材料50断裂或从附件24和支座23上剥落。通过借助中间材料51调节热膨胀系数可至少降低在邻接材料中的应力峰值。由此避免在温度变换时硬质材料50被破坏。中间材料51例如可具有与包括不同份额的富勒体的硬质材料50类似的构造以及同样具有大的硬度。

图6以侧面的部分为剖面的示意图示出了工具头30的具有切割元件20的区段。对此，工具头30的一半在剖面示意图中示出。

切割元件20具有固定区段25，固定区段固定到工具头30的基础件31的相应凹口中。固定区段25与切割元件20的支座23一件式连接且在该实施例中实施成圆柱形。支座23以其连接面26相对于固定区段25环绕地放置在工具头30的基础件31上。基础件31和切割元件20例如通过钎焊彼此连接。由硬金属制成的切割元件20用硬质材料50涂层。基础件31的靠近切割元件20的区域也具有用硬质材料50的涂层。在硬质材料50和基础件31之间布置由中间材料51构成的中间层。基础件31由钢制成。中间材料51形成在基础件31的钢和硬质材料50之间的扩散阻隔。由此避免催化作用的铁原子扩散到硬质材料中并在那里分解富勒体。

有利地，通过硬质材料50覆盖的切割元件20遮盖施加在基础件31上的中间层51和硬质材料50的朝切割元件20敞开的正面。由此可避免废料进入中间材料51的区域中且剥除中间材料。

图7示出了未示出的铣路机的铣削滚轮90，该铣削滚轮作为设有硬质材料50的工具的可能的应用区域。将第二凿刀保持件80环绕地焊接在铣削滚轮筒91上。凿刀20固定在第二凿刀保持件80上。对此，凿刀头30以安装的切割元件20从第二凿刀保持件80中伸出。凿刀头30由钢制成，而切割元件20由硬质材料、在该实施例中由硬金属制成。凿刀头30和切割元件20都通过硬质材料50覆盖。对此，凿刀10实现的使用寿命相应于第二凿刀保持件80的使用寿命。因此，凿刀10无需提前进行更换。因此无需使凿刀实施成可从第二凿刀保持件80上松开，而是可与第二凿刀保持件固定连接。由此明显简化了第二凿刀保持件80和凿刀10的联接件40的结构，由此显著降低了第二凿刀保持件80和凿刀10的制造成本。

图8示例性地示出了凿刀10，该凿刀与现有技术已知且示例性地在DE 38 18 213A1中描述的凿刀不同。凿刀10具有工具头30和单件地模制在其上的作为联接件40的凿刀杆。工具头30承载凿刀尖11，该凿刀尖由硬质材料、例如由硬金属构成。切割元件20是凿刀尖11的最前部区段。

凿刀尖11通常与工具头30沿着接触面钎焊。在凿刀头12中加工出环绕的拉出槽34。该拉出槽用作工具容纳部，使得可放置拆卸工具且可将凿刀10从第一凿刀保持件60中拆卸出来。

还如图1所示，联接件40承载纵向开缝的圆柱形夹紧套筒41。夹紧套筒沿凿刀10的纵向延伸的方向不可松开，但是沿周向方向可自由转动地保持在联接件40上。在夹紧套筒41和工具头30之间的区域中布置防磨损盘片42。在安装的状态中，防磨损盘片42支撑在第一凿刀保持件60的配合面上且背离第一凿刀保持件60地支撑在工具头30的下侧上。

第一凿刀保持件60配备有附件61，以圆柱形孔形式的凿刀容纳部62被加工到该附件62中。在该凿刀容纳部62中，夹紧套筒41以其外周夹紧地保持在孔内壁上。凿刀容纳部62通入压出孔63中。为了拆卸凿刀10可通过该压出孔引入压出芯(未示出)。该压出芯作用到联接件40的端部上，使得在克服夹紧套筒41的夹紧力的情况下将凿刀10从凿刀容纳部62中推出。

如在图8中可看出，附件61在位于防磨损盘片42下方的圆柱形区域中设有两个环绕的凹槽。该凹槽用作磨损标记部64。在运转应用期间，防磨损盘片42旋转且同时可在附件61的支承面上引起磨损(磨损保持件磨损)。在支承面用尽，即，达到第二磨损标记时，认为第一凿刀保持件60用尽，即，该第一凿刀保持件必须被更换。

第一凿刀保持件60具有插接附件65，插接附件可引入示出的凿刀保持件更换系统的基础件70的插接容纳部72中且在此处可借助夹紧螺钉73夹住。

基础件70本身如在图8中未进一步示出地经由其底侧71焊接在铣削滚轮的铣削滚轮筒上。

在根据现有技术的这种凿刀保持件更换系统中凿刀10比第一凿刀保持件60更快磨损。因此相比于凿刀保持件60必须明显更经常地更换凿刀10。因此，根据本发明至少切割元件20、优选凿刀尖11的整个外表面通过硬质材料50覆盖。特别有利地，工具头30也通过硬质材料50覆盖。由于包含富勒体的或由富勒体构造的硬质材料50的硬度非常大，因此凿刀尖11和工具头30都具有相比于已知的未经涂层的凿刀明显更长的使用寿命。由此可明显延长凿刀10的更换间隔时间，且明显减少铣路机的由于维修造成的停机时间。根据本发明的未示出的另一实施方式，第一凿刀保持件60也至少局部地具有包括硬质材料50的涂层。该涂层可有利地布置在附件61的区域中或布置在覆盖基础件70的一部分的遮蔽区域66的磨蚀面66.1上。

图9在侧视图中示出了用于铣路机的凿刀10，凿刀固定地与第三凿刀保持件100连接。

因此，具有第三凿刀保持件100的凿刀10是图8中示出的凿刀保持件更换系统的直接改进方案，如通过硬质材料50实现的那样。凿刀尖11直接地且不可松开地与第三凿刀保持件100的附件101连接。这在示出的实施例中通过沿着在凿刀尖11和附件100之间的连接面102的相应钎焊连接实现。凿刀尖11由硬质材料、在此由硬金属形成。可替代地，也可使用其他的硬质材料，例如多晶金刚石。凿刀尖11用硬质材料50涂层。对此，硬质材料50在切割尖21的区域中具有其最大厚度。优选地，第三凿刀保持件100也至少部分地通过硬质材料50遮盖。

通过硬质材料50延长凿刀尖11的使用寿命，使得凿刀尖的使用寿命优选匹配第三凿刀保持件100的使用寿命。因此，由凿刀尖11形成的凿刀10无需比第三凿刀保持件100更频繁地更换。由此可明显延长由于磨损造成的维修间隔时间且由此相应地降低铣路机的运行成本。由于借助硬质材料50受保护的凿刀尖11的高度机械耐受性如此程度地降低了对凿刀尖的磨损，即，不再需要围绕其纵向中轴线的可转动的轴承。由此可取消在凿刀10和凿刀保持件60、80、100之间的复杂的可松开的且可转动的固定机构，如在图8中的实施方式中所示的固定机构那样。由此明显简化了凿刀保持装置的整体结构。

通过用硬质材料50为第三凿刀保持件100涂层，也明显改善了第三凿刀保持件的负荷能力。通过硬质材料50可使第三凿刀保持件100的使用寿命匹配基础件70的使用寿命。根据本发明的未示出的变型方案此时不再需要使第三凿刀保持件100可松开地与基础件70连接。由此，凿刀尖11、凿刀保持件100和基础件70可实施成彼此固定地且不可松开地连接。有利地，此时凿刀保持件100和基础件70可一件式地制成。

Claims (13)

1.具有至少一个切割元件(20)的工具，以用于加工矿物的和/或植物的材料层，尤其交通路面和/或农业土壤表面或它们彼此的结合物，其特征在于，所述切割元件(20)的至少一部分通过包含富勒体的或由富勒体形成的硬质材料(50)形成和/或覆盖。

2.根据权利要求1所述的工具，其特征在于，所述工具的承载所述切割元件(20)的工具头(30)至少部分地通过所述硬质材料(50)覆盖。

3.根据权利要求1或2所述的工具，其特征在于，通过涂层工艺将所述硬质材料(50)施加到所述切割元件(20)的和/或所述工具头(30)的至少一部分上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的工具，其特征在于，所述硬质材料(50)通过包含富勒体的烧结材料的烧结工艺来施加。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的工具，其特征在于，在所述硬质材料(50)与所述切割元件(20)和/或所述工具头(30)之间布置中间材料(51)。

6.根据权利要求5所述的工具，其特征在于，所述中间材料(51)是防止材料扩散进入所述硬质材料中或从所述硬质材料(50)中出来的阻隔体；和/或所述中间材料(51)具有的热膨胀系数处于所述硬质材料的热膨胀系数与所述切割元件(20)的热膨胀系数和/或所述工具头(30)的热膨胀系数之间。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的工具，其特征在于，所述硬质材料(50)覆盖所述工具的硬质材料，尤其硬金属和/或多晶金刚石。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的工具，其特征在于，所述硬质材料(50)覆盖所述工具的由钢形成的区域。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的工具，其特征在于，所述切割元件(20)至少局部地覆盖所述工具头(30)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的工具，其特征在于，所述富勒体由富勒碳、尤其由富勒碳C₆₀作为原始材料形成。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的工具，其特征在于，在高压条件下和/或在高温条件下形成所述富勒体；和/或通过加入另一物质、例如二甲苯或二硫化碳形成所述富勒体。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的工具，其特征在于，所述富勒体具有的硬度大于或等于130GPa，尤其大于或等于170GPa。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的工具，其特征在于，所述工具是用于铣路机的凿刀(10)，具有凿刀头作为工具头(30)且具有联接件(40)，所述工具头承载至少一个切割元件(20)，所述联接件用于连接所述凿刀(10)与凿刀保持件(60、80)或其他基础件(70)。