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Die Erfindung betrifft einen Rundschaftmeißel aus einem den Meißelschaft und den Meißelkopf bildenden Gußstahlkörper und einer Hartmetallspitze in einer axialen Ausnehmung des Meißelkopfes. Diese Rundschaftmeißel können als Fräsmeißel oder Schrämmeißel Verwendung finden, z. B. im Straßen- und Wegebau und im Forstbetrieb. Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines Rundschaftmeißels mit einem Meißelkopf und einem Meißelschaft gerichtet, bei dem man eine Randschicht des Meißelkopfes durch Erwärmen auf Austenitisiertemperatur, Abschrecken und Erwärmen auf Anlasstemperatur härtet und auf dem Meißelkopf eine Hartmetallspitze befestigt.
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Aus
DE 103 35 857 A1 ist ein Rundschaftmeißel bekannt, dessen Körper spanabhebend mit einer axialen Ausnehmung hergestellt und dann gehärtet und vergütet wird. In die Ausnehmung wird die Hartmetallspitze eingelötet oder eingeklebt. Die spanabhebende Herstellung des Meißelkörpers ist aufwendig. Die Hartmetallspitze wird in den Meißelkörper eingesetzt, nachdem dieser gehärtet und vergütet wurde. Dabei ist auch erwähnt, daß das Schmelzen des Lots und das Härten des Meißelkörpers gleichzeitig in einem aus mehreren Schritten bestehenden Verfahren erfolgen kann.
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Aus
DE 100 44 369 A1 ist ein Rundschaftmeißel mit Hartmetallspitze bekannt, bei dem nur der Meißelkopf als Stahlgußkörper hergestellt wird. Beim Gießen des Meißelkopfes wird die Hartmetallspitze mit eingegossen, die zur Verankerung im Gußkörper einen im Axialschnitt schwalbenschwanzförmigen Zapfen hat. Dieser Hartmetalleinsatz ist schwierig herstellbar, und die Verankerung kann durch Luftblasen zwischen dem Hartmetall und dem Stahlguß zu Mängeln führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen als Fräs- oder Schrämmeißel einsetzbaren Rundschaftmeißel zu schaffen, der kostengünstig herzustellen ist und unter den Betriebsbedingungen eine gute Haltbarkeit zeigt.
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Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Rundschaftmeißel erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an der Hartmetallspitze bodenseitig axial ein Zapfen angeformt ist, der durch Schrumpfsitz in der Ausnehmung des Meißelkopfes verankert ist und der Meißelkopf wenigstens teilweise in einer Einhärtungstiefe Eht in dem Bereich von 1 bis 10 mm randschichtgehärtet ist. Die Verbindung des Feingußstahlkörpers mit der Hartmetallspitze durch Aufschrumpfen erfordert keine besondere Befestigung der Spitze, da das Aufschrumpfen in die Randschichthärtung integriert ist. Der nur randschichtgehärtete Meißelkopf bleibt in seinem Kern und im Schaft zäh. Nur die Randschicht hat die gewünschte Härte von 50 HRC oder mehr und schließt sich mit ihrer Härte an die Hartmetallspitze an. Bevorzugt liegt die Eht in dem Bereich von 1–6 mm, insbesondere von 2–5 mm. Ausnehmung und Zapfen sind vorzugsweise zylindrisch, können aber auch einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt haben.
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Vorzugsweise hat der Meißelkopf eine die Ausnehmung im wesentlichen umgebende Endfläche und die Meißelspitze eine den Zapfen umgebende, der Endfläche aufliegende Ringfläche. Die Fuge zwischen der Ringfläche der Meißelspitze und der Endfläche des Meißelkopfes steht im allgemeinen senkrecht zur Meißelachse und ist durch die Spitze geschützt. Die Fuge kann aber auch kegelstumpfförmig sein, wobei sich der Öffnungswinkel des Kegels vorzugsweise zum Meißelschaft hin öffnet.
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Zweckmäßigerweise ist der Meißelkopf in der Randschicht auf eine Härte in dem Bereich von 50 bis 62 HRC gehärtet. Ferner ist der Meißel auf eine Zugfestigkeit in dem Bereich von 750 bis 1300 N/mm2, vorzugsweise 900 bis 1100 N/mm2 vergütet. Die Randschichthärte an der Außenfläche des Meißelkopfes von z. B. 50 HRC fällt in der eigentlichen Randschicht auf 40 HRC ab (Einhärtungstiefe Eht mit 80% Härteabfall) und dann mit weiterer Entfernung von der Außenseite zum Kern hin auf 35 HRC.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform des Rundschaftmeißels erstreckt sich die gehärtete Randschicht wenigstens teilweise über die Endfläche des Meißelkopfes. Die Umgebung der Ausnehmung wird bei der Randschichthärtung (zum Austenitisieren oder Anlassen) genügend erwärmt, um die Aufweitung für die Schrumpfpassung mit dem Zapfen der Hartmetallspitze zu bilden.
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Vorzugsweise weist die Wandung der Ausnehmung wenigstens eine von dem Boden zu dem oberen Rand der Ausnehmung verlaufende Nut auf. Die vorzugsweise gerade Nut dient der Ableitung der Luft bzw. des Gases aus der Ausnehmung, wenn der Zapfen der Hartmetallspitze in die Ausnehmung des Meißelkopfes zur Herstellung der Schrumpfverbindung eingeführt wird. Der Rand des Zapfenbodens der Hartmetallspitze kann angefast sein, um die Einführung des Zapfens in die Ausnehmung bei der engen Toleranz zu erleichtern.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man den Rundschaftmeißel mit einer axialen Ausnehmung in dem Meißelkopf und die Hartmetallspitze mit einem bodenseitigen Zapfen bereitstellt, bei der Austenitisier- oder der Anlasserwärmung den Meißelkopf in der Umgebung der Ausnehmung auf eine Temperatur zwischen 200°C und der Austenitisier- bzw. Anlasstemperatur erwärmt, den Zapfen der Hartmetallspitze in die eingewärmte Ausnehmung des Meißelkopfes einführt und den Meißelkopf durch Abkühlen auf den Zapfen aufschrumpft.
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Das Einsetzen und Festlegen der Hartmetallspitze auf dem Meißelkopf ist nach der Erfindung mit der Randschichthärtung kombiniert. Zur Befestigung der Hartmetallspitze wird die zur Randschichthärtung ohnehin aufzuwendende Wärme und die Abschreckkühlung ausgenutzt, so daß sich für die Schrumpfpassung kein oder ein verringerter Wärmeaufwand ergibt.
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Die Randschichterwärmung stellt die Bildung von Austenit sicher, das beim Abschrecken Martensit und damit die Randschichthärte ergibt. Dabei nimmt der Volumgehalt an Martensit und die Härte mit zunehmendem Abstand von der Außenseite des Meißelkopfes ab. Mit dem Abschrecken schrumpft zeitlich verzögert der Meißelkopf mit seiner Ausnehmung auf den eingeführten Zapfen auf, wobei wegen der hohen Temperaturdifferenz zu dem kalten Zapfen eine Radialspannkraft auf den Zapfen wirksam wird. Da der Martensitgehalt des Gefüges zur Außenseite hin und damit auch vom Boden der Ausnehmung zu ihrer Mündung hin ansteigt und die Umwandlung von Austenit in Martensit mit einer Volumenzunahme verbunden ist, addiert sich der thermischen Kontraktion durch Abkühlung noch die zur Mündung der Ausnehmung hin zunehmende Verengung durch wachsenden Martensitanteil, so daß die beim Aufschrumpfen wirksam werdenden radialen Klemmkräfte auf den Zapfen zur Mündung der Ausnehmung hin zunehmen. Dadurch wird die Verankerung der Hartmetallspitze in dem Meißelkopf weiter verbessert.
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Beim Einsetzen des Zapfens in den zum Anlassen erwärmten Meißel steht für das Aufschrumpfen eine kleinere Temperaturdifferenz zur Verfügung als bei Ausnutzung der Austenitisierungswärme. Vorteilhaft bei dieser Variante ist, daß man die Wand der Ausnehmung vor der Einführung des Zapfens einer Oberflächenbearbeitung, insbesondere einer Schleifbehandlung unterziehen und damit auf Schrumpfpassung mit dem Zapfen bringen kann.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens kann die Hartmetallspitze tiefgekühlt werden, bevor sie eingesetzt wird. Durch Kombination des Warmschrumpfens aus der Anlasswärme mit dem Kaltdehnen der Hartmetallspitze können ausreichende radiale Spannungen für die Schrumpfverbindung der Hartmetallspitze mit dem Meißelkopf erzeugt werden. Zweckmäßigerweise erfolgt die Tiefkühlung der Hartmetallspitze mit flüssigem Stickstoff, wodurch die zum Aufschrumpfen verfügbare Temperaturdifferenz um etwa 200°C vergrößert wird.
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Vorzugsweise stellt man den bereitgestellten Rundschaftmeißelkörper durch Feingießen her. Durch das Feingießen des Meißelkörpers werden aufwendige Herstellungsschritte ersetzt, wie z. B. die Umformung eines Rohlings durch Anstauchen oder die spanabhebende Bearbeitung eines Rohlings zur Schaffung der Meißelform.
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Nach der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Meißelkörper mit einer die Ausnehmung umgebenden Endfläche hergestellt. Diese im wesentlichen ringförmige Endfläche steht im allgemeinen senkrecht zur Meißelachse. Die Hartmetallspitze hat eine entsprechende ringförmige Bodenfläche. Die Endfläche kann auch kegelstumpfförmig sein, was eine entsprechend kegelstumpfförmige Bodenfläche der Hartmetallspitze erfordert.
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Vorzugsweise härtet man die Randschicht einschließlich wenigstens eines Teils der Endfläche des Meißelkopfes. Hierdurch wird eine für den Verschleiß anfällige Zone an der Fuge zwischen Meißelkopf und Hartmetallspitze vermieden. Beim Aufschrumpfen aus der Austenitisierungswärme wird dann die Verankerung in der Ausnehmung durch die partielle Martensitbildung begünstigt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens unterzieht man die zur Anlage an der Hartmetallspitze kommenden Flächen des Meißelkopfes vor der Einführung des Zapfens einer Schleifbehandlung. Hierdurch wird die auf die Zapfendimension abgestimmte Passung gebildet. Die zylindrische Wandung der Ausnehmung und die die Ausnehmung umgebende Endfläche des Meißelkopfes können in einem Arbeitsgang durch kombiniertes Bohren/Schleifen der Wandfläche und Planfräsen der Endfläche mit einem entsprechenden Kombinationswerkzeug bearbeitet werden. Die Flächen werden geglättet. Die durch das Gießen bedingte Rauhigkeit wird beseitigt und eine über den Umfang des Zapfens gleichmäßige Schrumpfpassung ermöglicht.
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Zweckmäßigerweise wird bei dem Einführen des Zapfens in die Ausnehmung das in der Ausnehmung befindliche Gas entgegen der Richtung der Zapfeneinführung abgeleitet. Die Einführung des Zapfens in die Ausnehmung wird daher nicht durch gehemmte Gasabströmung infolge der engen Toleranz behindert. Dies ist von Bedeutung, weil die Einführung des Zapfens bei der hohen Temperatur schnell erfolgen muß, damit sich der kalte Zapfen möglichst wenig bei der Einführung erwärmt.
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Zur Randschichthärtung des Meißelkopfes eignet sich die Induktionshärtung, bei der nur die Randschicht induktiv auf die Austenitisierungstemperatur erwärmt wird, während die tieferen Zonen um die Ausnehmung induktiv und/oder durch Wärmeleitung auf tiefere Temperatur (z. B. 600°C) gelangen. Auch diese tiefere Temperatur wird induktiv eingestellt. Insbesondere kann auch die Umgebung der Mündung der Ausnehmung gehärtet werden. Die Abschreckwirkung durch Wasserbrause wird jedoch durch die eingesetzte Hartmetallspitze verringert, so daß in der Ausnehmung mit der Tiefe eine verringerte Martensitbildung erfolgt. Die Induktivhärtung erlaubt durch Drehung des Meißels um seine Achse eine über den Umfang des Meißelkopfes gleichmäßige Randschichthärtung und kann gut automatisiert werden. Dabei sind im allgemeinen der Induktor und die Wasserbrause fest angeordnet, und der Meißelkörper und die Hartmetallspitze werden demgegenüber bewegt.
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Da die gehärtete Randschicht relativ spröde ist, wird das Anlassen oder Entspannen nachgeschaltet. Das Anlassen erfolgt im allgemeinen durch Erwärmen auf eine Temperatur in dem Bereich von 200 bis 700°C. Nach der Erfindung kann der Meißel kurzzeitig induktiv angelassen werden. In diesem Falle durchfährt der Meißel die Anlasszone, in der er auf die Anlasstemperatur erwärmt wird. Das Halten auf der Anlasstemperatur kann nach Umsetzen in einem Ofen erfolgen.
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Zum Aufschrumpfen aus der Anlasswärme kann die Hartmetallspitze während oder gegen Ende der Haltetemperatur in den Meißelkopf eingesetzt werden, wobei zur Bildung der Schrumpfpassung die Spitze tiefgekühlt eingesetzt werden kann.
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Die Schrumpfverbindung nach der Erfindung kann durch eine Lötverbindurch zwischen dem Zapfen der Hartmetallspitze und dem Boden der Ausnehnehmung verstärkt werden. Die Bodenfläche des Zapfens wird mit einem geeigneten Lot, z. B. Silberhartlot bestückt. Bei zur Lötung unzureichender Temperatur in der Ausnehmung wird das Lot vor der Einführung des Zapfens in die Ausnehmung induktiv aufgeschmolzen. Dazu wird die Hartmetallspitze vorzugsweise vertikal aufwärts durch einen Induktorring und dann mit dem aufgeschmolzenen Lot und dem Zapfen in die Ausnehmung eingeführt. Dabei wird die Lötverbindung im wesentlichen nur zwischen dem Boden der Ausnehmung und dem Boden des Zapfens gebildet. Bei Nutzung der Austenitisierungswärme ist ein Voraufschmelzen des Lots, z. B. auch eines Kupferlots im allgemeinen nicht nötig. Als Lote eignen sich Kupfer-Mangan-Legierungen mit z. B. 86–87 Gew.-% Cu, 10–12 Gew.-% Mn und im übrigen Bi oder Co. Die Löttemperaturen liegen bei etwa 1000°C und lassen sich induktiv erreichen. Das zuvor erwähnte Silberhartlot ist z. B. eine Legierung mit 49 Gew.-% Ag, 16–27 Gew.-% Cu und 20–23 Gew.-% Zn. Die Löttemperatur liegt bei 690°C und kann meistens ohne Voraufschmelzen in der Ausnehmung erreicht werden.
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Die Lötverbindung zwischen der Bodenfläche des Hartmetallzapfens und dem Boden der Ausnehmung (Tiefenhärtung) ist von Vorteil, weil die Lötfuge von der dem Verschleiß ausgesetzten Außenfläche der Hartmetallspitze maximal entfernt ist und durch den zunahmenden Verschleiß der Hartmetallspitze und des Meißelkopfes minimal beansprucht wird. Selbst wenn der außenliegende Teil der Hartmetallspitze schon abgetragen ist, wird der weitere Verschleiß des Meißelkopfes noch durch den eingelöteten Hartmetallzapfen gebremst. Die Gefahr des bei bekannten Rundschaftmeißeln häufig festgestellten Totalausbruchs, bei dem die ganze Hartmetallspitze aus dem Meißelkopf herausgerissen wird, ist bei der die Schrumpfverbindung unterstützenden Tiefenlötung besonders gering.
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Bei einer anderen Ausführungsform erfolgt die Hartlötung zwischen der den Zapfen umgebenden ringförmigen Bodenfläche der Hartmetallspitze und der ringförmigen Endfläche des Meißelkopfes (Flachlötung). Die dabei gebildete Lötnaht wird zwar eher von der Verschleißfront erreicht als nach der Tiefenlötung. Vorteilhaft ist aber, daß die Lötung auch bei Loten mit hohen Arbeitstemperaturen (Ag-Lote, ca. 1000°C) zusammen mit der Randschichterwärmung zur Austenitisierung erfolgen kann.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Vielzahl von Gußstählen eingesetzt werden. Es sind dies unlegierte Vergütungsstähle mit Kohlenstoffgehalten von 0,35 bis 0,70 Masse-%. Ein geeigneter Stahlguß ist z. B. GS-60. Besonders geeignet sind auch niedriglegierte Vergütungsstähle, wie insbesondere GS-34 CrMo 4, GS-42 CrMo 4, GS-35 CrMoV 10 4. Geeignete Hartmetalle für die Meißelspitze sind Verbundwerkstoffe aus einem Metallkarbid und einem Metall der Eisengruppe als Binder für die Metallkarbidteilchen. Ein besonders geeignetes Hartmetall besteht z. B. aus 90 bis 94% Wolframkarbid und 10 bis 6% Kobaltmetall. Hartmetalle dieser Art können unter geeigneten Kühlmitteln geschliffen werden. Der Zapfen der Meißelspitze wird zweckmäßig einer Schleifbearbeitung zur Bildung einer zylindrisch-glatten Fläche unterzogen, damit sich beim Aufschrumpfen eine flächige Anlage an der hohlzylinderförmigen Wandfläche der Ausnehmung ergibt.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen
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1 als erste Ausführungsform einen Fräsmeißel in der Seitenansicht, wobei der Meißelkopf ohne Hartmetallspitze im Schnitt gezeigt ist,
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2 die Seitenansicht der zugehörigen Meißelspitze für die Einsatz in dem Kopf des Meißels der 1,
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3 eine Aufsicht des Kopfes des in 1 gezeigten Meißels und
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4 als zweite Ausführungsform einen Schrämmeißel in der Seitenansicht, wobei der vordere Teil des Meißelkopfes im Axialschnitt gezeigt ist.
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Der in 1 gezeigte Körper des Meißels 1 besteht aus Stahlfeinguß und hat einen Meißelkopf 2 und einen Meißelschaft 3. Der Meißelkopf 2 hat vorderseitig eine im wesentlichen zylindrische Ausnehmung 4, die fast ganz von einer ringförmigen, zur Meißelachse X senkrechten, ebenen Endfläche 5 umgeben ist. Die Endfläche 5 enthält eine von dem oberen Ende der Ausnehmung 4 radial nach außen führende Nut 6. Die zylindrische Wandung der Ausnehmung hat eine zur Meißelachse X parallele Nut 7, die an die radiale Nut 6 anschließt, vergl. auch 3. Die zylindrische Wandung der Ausnehmung 4 ist nach dem Gießen glatt geschliffen, desgl. ist die Endfläche 5 plan gefräst. Anschließend an die plane Endfläche 5 hat die Außenseite des Meißelkopfes 2 eine konvexe Ringzone. Diese Form geht mit zunehmendem Abstand von der Endfläche 5 in eine konkave Ringzone über. In dem konvex-konkaven Oberflächenbereich ist die gestrichelt dargestellte Randschicht 8 gehärtet, wobei die Härte an der Außenseite wenigstens 50 HRC ist, während der Kern 9 des Meißelkopfes eine Härte von 35 HRC und eine Festigkeit von 900 bis 1100 N/mm2 aufweist.
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2 zeigt die Hartmetallspitze 10, die im Zuge der Randschichthärtung des Meißelkopfes 2 in die Ausnehmung 4 eingesetzt und mit dem Kopf 2 durch Aufschrumpfen dauerhaft verbunden wird. Die Meißelspitze 10 hat einen axialen zylindrischen Zapfen 11, der auf Schrumpfpassung mit der Ausnehmung 4 dimensioniert ist. Um das Einführen des Zapfens 11 in die Ausnehmung zu erleichtern, ist die Kante des Zapfenbodens 16 mit einer Anfasung 15 versehen. Um das Einsetzen des Zapfens 11 in die Ausnehmung durch das darin enthaltene Gas nicht zu behindern, ist die in die Radialnut 6 mündende Nut 7 vorgesehen, durch die das beim Einsetzen verdrängte Gas aus der Ausnehmung entweichen kann. So ist ein schnelles Einführen des Zapfens 11 trotz der engen Toleranz in der Größenordnung von 10 μm möglich, ohne daß sich der Zapfen 11 dabei schon wesentlich erwärmt. Die Hartmetallspitze 10 hat bodenseitig eine den Zapfen 11 umgebende, zur Achse x senkrechte Ringfläche 14, die nach der Montage der Spitze auf dem Meißelkopf die Endfläche abdeckt. An die kappenförmige Außenseite 17 der Spitze schließt sich dann die gehärtete Außenseite des Meißelkopfes 2 ohne Absatz an.
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4 zeigt eine der 1 entsprechende Darstellung, jedoch bei einem Schrämmeißel 1 mit eingesetzter Meißelspitze 10. Dieser Meißel unterscheidet sich von dem der 1 durch die langgestreckte Form des Meißelkopfes 2. Da dieser Schrämmeißel ebenfalls einen Rundschaft 3 hat, der mit einer entsprechenden Hülse (nicht dargestellt) in einem Wechselhalter die Drehung ermöglichen würde, der Schrämmeißel aber drehfest gehalten werden muß, ist an der Unterseite 13 des Meißelkopfes 2 ein Zapfen 12 vorgesehen, der beim Einsetzen des Meißelschaftes 3 in den Wechselhalter in eine Nut in der Abstützfläche des Wechselhalters eingreift, so daß der Meißel 1 drehfest gehalten ist.
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Die in den 1 und 4 dargestellte gehärtete Randschicht 8 kann in Dicke und Form im Vergleich zu den dargestellten Ausbildungen variieren. Insbesondere kann die gehärtete Randschicht eine andere Dicke haben und/oder sich bis an die Unterseite 13 des Meißelkopfes erstrecken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10335857 A1 [0002]
- DE 10044369 A1 [0003]
