DE102015119123A1

DE102015119123A1 - Werkzeug mit einem Hartstoffmaterial

Info

Publication number: DE102015119123A1
Application number: DE102015119123.7A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Krämer; David Chmelik
Original assignee: Betek GmbH and Co KG
Current assignee: Betek GmbH and Co KG
Priority date: 2015-11-06
Filing date: 2015-11-06
Publication date: 2017-05-11
Also published as: EP3370495A1; CN108347874A; US20180258618A1; WO2017076669A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug mit einem Hartstoffmaterial zur Bearbeitung von mineralischen und/oder pflanzlichen Materialschichten, insbesondere von Verkehrsflächen und/oder landwirtschaftlichen Bodenflächen oder deren Kombinationen untereinander. Dabei ist es vorgesehen, dass zumindest ein Teil des Schneidelementes mit einem Fullerit enthaltenden oder aus Fullerit gebildeten Hartstoffmaterial gebildet bzw. überdeckt ist. Durch das extrem harte Hartstoffmaterial kann die Verschleißbeständigkeit des Werkzeuges deutlich verbessert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug mit einem Hartstoffmaterial zur Bearbeitung von mineralischen und/oder pflanzlichen Materialschichten, insbesondere von Verkehrsflächen und/oder landwirtschaftlichen Bodenflächen oder deren Kombinationen untereinander.
Beispielsweise unterliegen beim Ausbau oder bei der Sanierung von Straßenflächen mittels Straßen-Fräs-Maschinen die eingesetzten Werkzeuge, insbesondere die Fräsmeißel einem kontinuierlichen Verschleißprozess. Erreichen die Werkzeuge einen bestimmten Verschleißzustand, ist ein Austausch der Werkzeuge erforderlich, da sonst der weitere Prozess an Effizienz (Wirkungsgrad) verliert. Der Austausch der Fräsmeißel ist aufgrund der erforderlichen Stillstandzeit der Fräsmaschine sowie der benötigten Ersatzteile kostenintensiv.
Aus der US 2010/0263939 A1 ist ein schlagbeständiges Werkzeug bekannt, wie es auch als Fräsmeißeln eingesetzt werden kann. Dabei ist ein polykristalliner Diamantkörper mit einem Hartmetall-Substrat verbunden. Der polykristalline Diamantkörper bildet eine Schneidspitze aus. Er weist eine große Härte auf, was zu einer verlängerten Standzeiten der Schneidspitze gegenüber einer unbeschichteten Hartmetall-Schneidspitze führt.
In der US 4,604,106 ist ein Verbundwerkstoff mit polykristallinen Diamanten beschrieben, wie er für mechanisch stark beanspruchte Werkzeugoberflächen als Schutzschicht verwendet werden kann. Die polykristallinen Diamanten weisen gegenüber einem monokristallinen Diamanten eine höhere Schlagbeständigkeit auf. Die Diamantpartikel liegen in einer Größe von 1 bis 100 μm vor.
Die DE 39 26 627 beschreibt einen Meißel mit einem Schaft und einem Meißelkopf in Form eines Rundschaftmeißels. Ein Hartstift, beispielsweise aus feinkörnigem Wolframkarbid, Tantalkarbit oder ähnlichen Hartmaterialien, bildet die Schneidspitze. Diese kann zusätzlich diamantbeschichtet sein. Weiterhin ist auf der Außenfläche des Meißelkopfes eine Verschleißschutzschicht, welche in einem Plasma-Pulver-Auftragsschweißverfahren aufgebracht ist, aufgetragen. Auch ein Meißelhalter für den Meißel kann mit einer solchen Verschleißschutzschicht beschichtet sein.
Aus der US 6,245,312 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Fulleriten aus Fulleren, beispielsweise aus dem Fulleren C₆₀, bekannt. Dazu sind hohe Drücke und hohe Temperaturen erforderlich. In Abhängigkeit von den Drücken und den Temperaturen bei der Herstellung weisen die Fullerite sehr große Härten bis zu 170 GPa auf. Sie sind somit härter als natürlicher Diamant.
Aus der Patentschrift WO 2015/034399 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Fulleriten aus Fulleren, insbesondere dem Fulleren C₆₀, bekannt. Bei dem dort vorgesehenen Hochdruckverfahren wird dem Fulleren ein Zusatzstoff, im vorliegenden Fall Kohlenstoffdisulfid (CS₂), zugeführt. Die Herstellung des Fullerits erfolgt in einer Diamantpresse, bei welcher der obere Stempel eine Rotation durchführen kann, um eine Scherung in dem Material zu bewirken. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Fullerit bei vergleichsweise niedrigen Drücken im Bereich von 8–10 GPa. Das so erhaltene Material übersteigt ebenfalls die Härte von Diamant.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Hartstoffmaterial für ein Werkzeug bereitzustellen, welches eine verbesserte Verschleißfestigkeit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Werkzeugen aufweist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zumindest ein Teil des Schneidelementes mit einem Fullerit enthaltenden oder aus Fullerit gebildeten Hartstoffmaterial gebildet und/oder überdeckt ist. Fullerite weisen aufgrund ihres spezifischen Kristallgitteraufbaus eine große Härte auf, die in Abhängigkeit von dem jeweiligen Herstellverfahren über der Härte von Diamant liegt. Dadurch wird ein Werkzeug erhalten, das eine extrem hohe Verschleißfestigkeit aufweist. Die Standzeit eines solchen Werkzeuges kann dadurch gegenüber bekannten Werkzeugen deutlich verlängert werden. Dies führt zu längeren Wechselintervallen für die Werkzeuge und damit zu geringeren Ersatzteilkosten sowie geringeren Stillstandzeiten der Werkzeugmaschine. Bei geeigneter Auslegung des Werkzeuges, beispielsweise eines Meißels einer Straßenfräse, kann dieses eine Verschleißfestigkeit erreichen, welche im Bereich der Verschleißfestigkeit eines Werkzeughalters, beispielsweise eines Meißelhalters an einer Fräswalze, liegt. Das mit einem Fullerit ausgestattete Werkzeug kann somit fest mit dem Werkzeughalter verbunden oder einstückig mit dem Werkzeughalter ausgeführt werden, wodurch eine lösbare Verbindung nicht mehr zwingend erforderlich wird. Beispielsweise kann ein Meißel einer Straßenfräsmaschine fest oder einstückig mit einem Meißelhalter, welcher an einer Fräswalze angeordnet ist, ausgeführt werden. Dadurch können die Herstellkosten für das Gesamtsystem deutlich reduziert werden.
Die Standzeit eines Werkzeuges kann insbesondere dadurch verlängert werden, dass ein das Schneidelement tragender Werkzeugkopf des Werkzeuges zumindest teilweise von dem Hartstoffmaterial überdeckt ist. Während eines Bearbeitungsprozesses, beispielsweise beim Fräsen einer Straßenoberfläche, wird insbesondere das Schneidelement, aber auch ein sich unmittelbar an das Schneidelement anschließender Werkzeugkopf, beispielsweise ein Meißelkopf eines Straßenfräsmeißels, mechanisch stark beansprucht. Durch die Überdeckung des Schneidelements und des Werkzeugkopfes kann der Abrieb der Bauteile deutlich reduziert werden.
Eine großflächige und gleichzeitig kostengünstige Beschichtung einer Werkzeugoberfläche bzw. eines Teils einer Werkzeugoberfläche kann dadurch erreicht werden, dass das Hartstoffmaterial durch einen Beschichtungsprozess auf zumindest einen Teil des Schneidelementes und/oder des Werkzeugkopfes aufgebracht ist.
Eine eigene Formgebung des Hartstoffmaterials kann erreicht werden, indem das Hartstoffmaterial durch einen Sinterprozess eines Fullerit enthaltenden Sintermaterials aufgebracht ist. Die Formgebung erfolgt dann durch Verwendung einer entsprechenden Form während des Sinterprozesses.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung weist sich dadurch aus, dass zwischen dem Hartstoffmaterial und dem Schneidelement und/oder dem Werkzeugkopf ein Zwischenmaterial angeordnet ist.
Dabei kann es vorzugsweise vorgesehen sein, dass das Zwischenmaterial eine Barriere für die Diffusion von Stoffen in das oder aus dem Hartstoffmaterial darstellt und/oder dass das Zwischenmaterial einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der zwischen dem Ausdehnungskoeffizienten des Hartstoffmaterials und dem des Schneidelements und/oder dem des Werkzeugkopfes liegt. Durch die Barriere kann vermieden werden, dass Stoffe aus der Werkzeugoberfläche in das Hartstoffmaterial eindiffundieren, wodurch sich das Fullerit durch Eindiffusion von katalytisch wirkendem Eisen teilweise in Graphit umwandelt. Das Hartstoffmaterial weist üblicherweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der von dem des zu bedeckenden Bereichs des Werkzeuges deutlich abweicht. Beim Fügeprozess oder beim Aufbringen des Hartstoffmaterials auf das Werkzeug liegen in Abhängigkeit von dem verwendeten Prozess hohe Temperaturen vor. Dies führt zu hohen mechanischen Spannungen zwischen den Werkzeug und dem Hartstoffmaterial. Solche Spannungen können zur Zerstörung oder zur Ablösung des Hartstoffmaterials führen. Durch die Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten über das Zwischenmaterial können die mechanischen Spannungen deutlich reduziert werden.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Hartstoffmaterial einen Hartwerkstoff des Werkzeuges, insbesondere ein Hartmetall und/oder einen polykristallinen Diamanten, überdeckt. So kann beispielsweise das Schneidelement aus einem Hartmetall oder einem polykristallinen Diamanten hergestellt sein, deren hohe mechanische Beständigkeit durch das aufgebrachte Hartstoffmaterial noch einmal deutlich verbessert werden kann.
Ist es vorgesehen, dass das Hartstoffmaterial einen aus Stahl gebildeten Bereich des Werkzeuges bedeckt, so kann in diesem Bereich die Abriebfestigkeit des Meißels deutlich verbessert werden. So kann zum Beispiel die Standzeit eines aus Stahl gefertigten Werkzeugkopfes, beispielsweise eines Meißelkopfes, durch das aufgebrachte Hartstoffmaterial an die Standzeit eines aus einem Hartmetall oder einem polykristallinen Diamanten hergestellten Schneidelementes angepasst werden, das ebenfalls von dem Hartstoffmaterial überdeckt ist,. Hierdurch kann ein vorzeitiger Ausfall des gesamten Werkzeuges durch einen zu hohen Verschleiß des Werkzeugkopfes vermieden werden.
Ein besonders verschleißfestes Werkzeug kann dadurch erhalten werden, dass das Schneidelement den Werkzeugkopf zumindest bereichsweise überdeckt. Das Schneidelement schützt so den Werkzeugkopf vor hohem Verschleiß.
Um eine gleichbleibend hohe Härte des Hartstoffmaterials zu gewährleisten kann es vorgesehen sein, dass das Fullerit aus Fullerene, insbesondere aus dem Fulleren C₆₀, als Ausgangsstoff gebildet ist.
Dabei kann die erwünschte Härte insbesondere dadurch erreicht werden, dass das Fullerit unter hohem Druck und/oder bei hoher Temperatur gebildet ist und/oder dass das Fullerit durch Zugabe eines weiteren Stoffs, beispielsweise durch Xylol oder Kohlenstoffdisulfid, gebildet ist.
Eine hohe Belastbarkeit des Werkzeuges kann dadurch erreicht werden, dass das Fullerit eine Härte von größer oder gleich 130 GPa, insbesondere größer oder gleich 170 GPa, aufweisen. Die Härte des Fullerits liegt somit über die eines natürlichen Diamanten, wodurch eine sehr hohe Fräsleistung des Meißels erreicht werden kann.
Die Wartungsintervalle einer Straßenfräsmaschine können dadurch verlängert und damit die Betriebskosten der Straßenfräsmaschine reduziert werden, dass das Werkzeug ein Meißel für eine Straßenfräsmaschine ist, mit einem Meißelkopf als Werkzeugkopf, der zumindest ein Schneidelement trägt, und mit einem Koppelstück zur Verbindung des Meißels mit einem Meißelhalter oder einem sonstigen Basisteil.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 in einer seitlichen Darstellung einen Meißel für eine Straßenfräsmaschine mit einem als Meißelschaft ausgeführten Koppelstück, einem als Meißelkopf ausgebildeten Werkzeugkopf und einem Schneidelement;
2 bis 5 verschiedene Ausführungsformen eines Schneidelements für einen Meißel;
6 in einer seitlichen, zum Teil als Schnitt ausgeführten Darstellung einen Abschnitt eines Meißelkopfs mit einem Schneidelement,
7 eine Fräswalze einer Straßenfräsmaschine;
8 in Seitenansicht einen Meißel, nämlich einen Rundschaftmeißel für eine Straßenfräsmaschine, der in den Halter eines Wechselhalterwerkzeugs für derartige Maschinen eingesetzt ist und
9 in Seitenansicht einen Meißel für eine Straßenfräsmaschine, der fest mit einem Meißelhalter verbunden ist.
1 zeigt in einer seitlichen Darstellung einen Meißel 10 für eine Straßenfräsmaschine mit einem Koppelstück 40, einem als Meißelkopf ausgebildeten Werkzeugkopf 30 Werkzeugkopf 30 und einem Schneidelement 20. Der Meißel 10 steht als Ausführungsbeispiel stellvertretend für ein Werkzeug zur Bearbeitung von mineralischen und/oder pflanzlichen Materialschichten, insbesondere von Verkehrsflächen und/oder landwirtschaftlichen Bodenflächen oder deren Kombinationen untereinander.
Der Meißel 10 ist als Rundschaftmeißel ausgebildet. Dem Werkzeugkopf 30 ist ein Schneidelement 20, bestehend aus einem Hartwerkstoff, beispielsweise aus Hartmetall, zugeordnet. Dieses ist mit einem sich konisch zum Schneidelement 20 hin verjüngenden Basisteil 31 des Meißelkopfes 13, im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Löten entlang einer Verbindungsfläche 26, verbunden. Ausgehend von dem Schneidelement 20 weitet sich der Werkzeugkopf 30 über einen Übergangsbereich 32 zu einem Bund 33 mit konstantem Außendurchmesser auf. Der Bund geht einstückig in das als Meißelschaft ausgeführte Koppelstück 40 über. Das Koppelstück 40 weist auf seiner Außenoberfläche eine Vertiefung (Nut) zur Aufnahme einer in Axialrichtung geschlitzten Spannhülse 41 auf. Diese ist aus einem federelastischen Material, beispielsweise Stahlblech, gebildet. Auf Grund des Längsschlitzes kann der Befestigungshülsendurchmesser variiert werden, wobei sich die Hülsenränder aufeinander zu bewegen (geringer Durchmesser) oder voneinander weiter beabstandet sind (großer Hülsendurchmesser). Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Spannzustände erreichen. Auf die Spannhülse 41 ist eine Verschleißschutzscheibe 42 aufgezogen. Diese Verschleißschutzscheibe 42 hält die Spannhülse 41 auf einem kleinen Durchmesser, so dass diese mit geringem oder keinem Kraftaufwand in eine Meißelaufnahme 62 eines in 8 gezeigten ersten Meißelhalters 60 eingeschoben werden kann. Die Einschubbewegung wird mittels der Verschleißschutzscheibe 42 begrenzt. Beim weiteren Einsetzen des Koppelstücks 40 in die Bohrung wird die Verschleißschutzscheibe 42 in einen nicht von der Spannhülse 42 umfassten Bereich des Koppelstücks 40 bewegt. Dann springt die Spannhülse 41 radial auf und verspannt sich in der Meißelaufnahme 62 des ersten Meißelhalters 60. Auf diese Weise ist der Meißel 10 axial unverlierbar, jedoch in Umfangsrichtung frei drehbar gehalten. Wie 1 weiter zeigt, bildet das die Verschleißschutzscheibe 42 zum Werkzeugkopf 30 hin ausgerichtet eine Stützfläche zur Auflage des Bundes 33 des Werkzeugkopfs 30 aus.
Das Schneidelement 20 weist, ausgehend von einer vorderen Schneidspitze 21, eine konvex geformte Schneidenfläche 22 auf, die in einen Sockel 23 übergeht. In Abhängigkeit von der durchzuführenden Fräsaufgabe sind beliebige andere Formgebungen des Schneidelements 20 und des Werkzeugkopfs 30 möglich.
Zum Einsatz wird der Meißel 10 um seine Mittellängsachse drehbar an dem in 8 gezeigten ersten Meißelhalter 60 gelagert und an einem sich drehenden Walzenträger montiert. Durch die Rotation des Walzenträgers dringt das Schneidelement 20 in das abzutragende Material, beispielsweise Asphalt oder Erdreich, ein und zerkleinert dieses. Das Abraummaterial gleitet an dem Werkzeugkopf 30 vorbei und wird dabei durch das Basisteil 31 und den Übergangsbereich 32 nach außen abgeleitet. Der erste Meißelträger 60, in dem der Meißel 10 gehalten ist, wird so vor Abrieb durch das Abraummaterial geschützt.
Das Schneidelement 20 ist aus einem Hartstoff, im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Hartmetall, gefertigt. Die mechanische Belastung des Werkzeugkopfs 30 ist im Bereich des Schneidelements 20 am größten. Das Basisteil 31 des Werkzeugkopfs 30 unterliegt insbesondere im unmittelbaren Anschluss an das Schneidelement 20 ebenfalls einer sehr hohen mechanischen Belastung. Erfindungsgemäß ist daher das Schneidelement 20, wie aus der 6 zu entnehmen ist, mit einem Hartstoffmaterial 50 abgedeckt, im vorliegenden Fall beschichtet. Auch der dem Schneidelement zugewandte Bereich des Basisteils 31 des Werkzeugkopfs 30 ist mit einem solchen Hartstoffmaterial 50 beschichtet.
Das Hartstoffmaterial 50 enthält Fullerit oder ist vollständig aus Fullerit aufgebaut. Das Fullerit ist aus Fullerenen hergestellt. Fullerene sind sphärische Moleküle aus Kohlenstoffatomen. Unter hohem Druck und gegebenenfalls hoher Temperatur können Fullerene in einer tetraedrischen Kristallstruktur angeordnet und verbunden werden. Die Ecken der tetraedrischen Kristallstruktur des Fullerits sind demnach durch die sphärischen Moleküle oder durch Bruchstücke der sphärischen Moleküle der eingesetzten Fullerene besetzt. Die Grundstruktur der Kristalle entspricht dem eines Diamanten. Als Endprodukt eines solchen Herstellprozesses wird ein nanokristallines Pulver erhalten. Die Härte des so hergestellten Fullerits liegt in Abhängigkeit von dem gewählten Herstellerprozess und den Herstellerparametern über der Härte von Diamant und kann beispielsweise 170 GPa betragen. Bei dem Herstellprozess können weitere Zusatzstoffe, beispielsweise Xylol oder Kohlenstoffdisulfid, zugegeben werden. Durch solche Zusatzstoffe können die Eigenschaften des erhaltenen Fullerits sowie die Prozessparameter, insbesondere die Höhe des erforderlichen Drucks und der notwendigen Temperatur bei dessen Herstellung, beeinflusst werden.
Durch die extrem große Härte des so erhaltenen Hartstoffmaterials 50 kann die Belastbarkeit und damit die Standzeit des Werkzeuges, im vorliegenden Ausführungsbeispiel des Meißels 10, deutlich erhöht werden. Dabei führt insbesondere die Beschichtung des mechanisch besonders stark belasteten Schneidelements 20 mit der Schneidspitze 21 und den Schneidflächen 22 zu einer Steigerung der Lebenserwartung des erfindungsgemäßen Meißels 10 gegenüber bekannten Meißeln. Durch eine zumindest teilweise Beschichtung des Werkzeugkopfs 30 mit dem Hartstoffmaterial 50 in direktem Anschluss an das Schneidelement 20 kann auch dessen Standzeit deutlich erhöht und damit an die Standzeit des beschichteten Schneidelements 20 angepasst werden. Vorzugsweise können weitere Teile des Meißelkopfs von dem Hartstoffmaterial 50 abgedeckt sein. So kann beispielsweise das komplette Basisteil 31 oder der Übergangsbereich 32 von dem Hartstoffmaterial 50 geschützt sein. Das Abraummaterial wird so durch die abriebbeständige Form des Werkzeugkopfs 30 an einem nachfolgenden in den 7 und 8 gezeigten ersten und zweiten Meißelhalter 60, 80 vorbei geleitet. Somit deckt das auf dem Meißel 10 aufgebrachte Hartstoffmaterial 50 auch einen Teil des jeweiligen Meißelhalters 60, 80 ab, wodurch der Verschleiß des Meißelhalters 60, 80 deutlich reduziert wird.
Die 2 bis 5 zeigen beispielhaft verschiedene Ausführungsformen des Schneidelements 20 für einen Meißel 10. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein trapezförmiger Ansatz 24 einstückig mit dem Sockel 23 verbunden. Der Ansatz 24 sowie der daran umlaufende Bereich des Sockels 23 sind von dem Hartstoffmaterial 50 bedeckt und mit diesen verbunden. Dabei ist das Hartstoffmaterial 50 derart geformt, dass es nach außen hin die Schneidspitze 21 und die Schneidenfläche 22 ausbildet. Der Sockel 23 und der Ansatz 24 sind aus einem Hartwerkstoff, im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Hartmetall, gebildet. Das Hartstoffmaterial 50 weist im Bereich der mechanisch am stärksten belasteten Schneidspitze 21 seine größte Dicke auf. Dadurch wird ein Schneidelement 20 mit einer besonders hohen Lebenserwartung erhalten. Durch den Ansatz 24 ist das Hartstoffmaterial 50 seitlich festgelegt. Durch diese Maßnahme wird vermieden, dass sich das Hartstoffmaterial 50 auch bei hohen Querkräften von dem Sockel 23 und dem Ansatz 24 löst. Das Hartstoffmaterial 50 schließt vorteilhaft seitlich mit dem Sockel 23 ab, sodass das Abraummaterial an dem Sockel 23 vorbeigelenkt wird. Durch die extrem große Härte des Fullerit enthaltenden oder aus Fullerit aufgebauten Hartstoffmaterials 50 ist das so gebildete Schneidelement 20 extrem verschleißfest.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Ansatz 24 in Form einer Halbkugel ausgebildet. Der Ansatz 24 und der Sockel 23 sind einstückig miteinander verbunden. Dabei sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Ansatz 24 und der Sockel 23 aus einem polykristallinen Diamanten hergestellt. Der Ansatz 24 ist mit dem Fullerit enthaltenden oder aus Fullerit gebildeten Hartstoffmaterial 50 beschichtet. Durch diese Beschichtung kann die Abriebfestigkeit des Schneidelements 20 gegenüber einem vollständig aus polykristallinen Diamanten hergestellten Schneidelement 20 erhöht werden, da das Hartstoffmaterial 50 eine größere Härte als polykristalliner Diamant aufweist. Vorteilhaft schließt das Hartstoffmaterial 50 seitlich mit dem Sockel 23 ab, sodass das Abraummaterial an dem Sockel 23 vorbeigeführt wird. Entsprechend einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Sockel 23 auch seitlich von dem Hartstoffmaterial 50 abgedeckt ist.
4 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform des Schneidelements 20. Der mit dem Sockel 23 verbundener Ansatz 24 ist dabei so ausgeformt, dass er bereits die äußere Kontur des Schneidelements 20 mit seiner Schneidspitze 21 und den Schneidenfläche 22 vorgibt. Das Hartstoffmaterial 50 deckt den Ansatz 24 und den umlaufenden Bereich des Sockels 23 ab. Dabei bildet es verstärkt gegenüber dem Ansatz 24 die Schneidspitze 21 und seitlich abfallend die Schneidenfläche 22 aus. Durch die Formgebung des Ansatzes 24 sind scharfe Kanten an der Grenzfläche zu dem vergleichsweise spröden Hartstoffmaterial 50 vermieden. Dadurch werden Spannungsspitzen, wie sie an solchen scharfen Kanten auftreten können, ausgeschlossen.
Das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Schneidelements 20 weist einen Sockel 23 und einen Ansatz 24 sowie eine Außenkontur der Schneidspitze 21 und der Schneidenfläche 22 vergleichbar zu dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel auf. Der Sockel 23 und der Ansatz 24 sind aus Hartmetall gefertigt. Abweichend zu dem in 4 gezeigten Beispiel ist zwischen dem Ansatz 24 und der Hartstoffschicht 50 ein Zwischenmaterial 51 angeordnet. Das Zwischenmaterial 51 weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der zwischen dem des Hartstoffmaterials 50 und dem Material des Sockels 23 und des Ansatzes 24 liegt. Das Hartstoffmaterial 50 weist üblicherweise einen von dem Sockel 23 und dem Ansatz 24 abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Dadurch können bei einer direkten Verbindung des Sockels 23 und des Ansatzes 24 mit dem Hartstoffmaterial 50, wie dies in 4 gezeigt ist, bei Temperaturänderungen hohe mechanische Spannungen in den benachbarten Materialien auftreten. Hohe Temperaturänderungen liegen beispielsweise beim Herstellerprozess des Schneidelements 20, aber auch während des Fräsprozesses, vor. Die Spannungen können dazu führen, dass das Hartstoffmaterial 50 reißt oder von dem Ansatz 24 und dem Sockel 23 abplatzt. Durch die Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten mittels dem Zwischenmaterial 51 können Spannungsspitzen in den aneinandergrenzenden Materialien zumindest reduziert werden. Dadurch wird eine Zerstörung des Hartstoffmaterials 50 bei Temperaturwechseln vermieden. Das Zwischenmaterial 51 kann beispielsweise einen vergleichbaren Aufbau wie das Hartstoffmaterial 50 mit einem davon abweichenden Anteil an Fullerit und damit ebenfalls eine große Härte aufweisen.
6 zeigt in einer seitlichen, zum Teil als Schnitt ausgeführten Darstellung einen Abschnitt eines Werkzeugkopfs 30 mit dem Schneidelement 20. Dabei ist der Werkzeugkopf 30 halbseitig in einer Schnittdarstellung gezeigt.
Das Schneidelement 20 weist einen Befestigungsabschnitt 25 auf, der in eine entsprechende Ausnehmung des Basisteils 31 des Werkzeugkopfs 30 festgelegt ist. Der Befestigungsabschnitt 25 ist mit dem Sockel 23 des Schneidelements 20 einstückig verbunden und im vorliegenden Ausführungsbeispiel zylinderförmig ausgeführt. Der Sockel 23 liegt mit seiner Verbindungsfläche 26 umlaufend zu dem Befestigungsabschnitt 25 auf dem Basisteil 31 des Werkzeugkopfs 30 auf. Das Basisteil 31 und das Schneidelement 20 sind beispielsweise durch Löten miteinander verbunden. Das aus Hartmetall hergestellte Schneidelement 20 ist mit dem Hartstoffmaterial 50 beschichtet. Auch der dem Schneidelement 20 zugewandte Bereich des Basisteils 31 weist eine Beschichtung mit dem Hartstoffmaterial 50 auf. Zwischen dem Hartstoffmaterial 50 und dem Basisteil 31 ist eine Zwischenschicht aus einem Zwischenmaterial 51 angeordnet. Das Basisteil 31 ist aus Stahl gefertigt. Das Zwischenmaterial 51 bildet eine Diffusionsbarriere zwischen dem Stahl des Basisteils 31 und dem Hartstoffmaterial 50. Dadurch wird vermieden, dass katalytisch wirkende Eisenatome in das Hartstoffmaterial diffundieren und dort das Fullerit zersetzen.
Vorteilhaft überdeckt das mit Hartstoffmaterial 50 abgedeckte Schneidelement 20 die zum Schneidelement 20 hin offenen Stirnflächen des auf dem Basisteil 31 aufgebrachten Zwischenmaterials 51 und Hartstoffmaterials 50. Dadurch kann vermieden werden, dass Abraummaterial in den Bereich des Zwischenmaterials 51 gelangt und dieses abträgt.
7 zeigt eine Fräswalze 90 einer nicht dargestellten Straßenfräsmaschine als möglichem Einsatzgebiet eines mit dem Hartstoffmaterial 50 versehenen Werkzeuges. An einem Fräswalzenrohr 91 sind umlaufend zweite Meißelhalter 80 aufgeschweißt. An den zweiten Meißelhaltern 80 sind Meißel 20 festgelegt. Dabei ragen die Meißelköpfe 30 mit den angebrachten Schneidelementen 20 aus den zweiten Meißelhaltern 80. Die Meißelköpfe 30 sind aus Stahl gefertigt, während die Schneidelemente 20 aus einem Hartwerkstoff, im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Hartmetall, hergestellt sind. Sowohl die Meißelköpfe 30 wie auch die Schneidelemente 20 sind von dem Hartstoffmaterial 50 abgedeckt. Damit erreichen die Meißel 10 eine Standzeit, die der der zweiten Meißelhalter 80 entspricht. Die Meißel 10 müssen so nicht vorzeitig ausgetauscht werden. Sie müssen daher nicht von den zweiten Meißelhaltern 80 lösbar ausgeführt sein, sondern können fest mit diesen verbunden sein. Dadurch wird der Aufbau des zweiten Meißelhalters 80 und des Koppelstücks 40 des Meißels 10 deutlich vereinfacht, wodurch die Herstellkosten des zweiten Meißelhalters 80 und des Meißels 10 maßgeblich verringert werden.
Die 8 zeigt beispielhaft einen Meißel 10, wie er unbeschichtet aus dem Stand der Technik bekannt und beispielhaft in der DE 38 18 213 A1 beschrieben ist. Der Meißel 10 weist einen Werkzeugkopf 30 und einen daran einteilig angeformten Meißelschaft als Koppelstück 40 auf. Der Werkzeugkopf 30 trägt eine Meißelspitze 11, bestehend aus einem Hartwerkstoff, beispielsweise aus Hartmetall. Das Schneidelement 20 stellt den vordersten Abschnitt der Meißelspitze 11 dar.
Diese Meißelspitze 11 ist üblicherweise mit dem Werkzeugkopf 30 entlang einer Kontaktfläche verlötet. In den Meißelkopf 12 ist eine umlaufende Ausziehnut 34 eingearbeitet. Diese dient derart als Werkzeugaufnahme, dass ein Demontagewerkzeug angesetzt und der Meißel 10 aus dem ersten Meißelhalter 60 demontiert werden kann.
Wie auch in 1 gezeigt, trägt das Koppelstück 40 eine längs geschlitzte zylindrische Spannhülse 41. Diese ist in Richtung der Längserstreckung des Meißels 10 unverlierbar, jedoch in Umfangsrichtung frei drehbar am Koppelstück 40 gehalten. Im Bereich zwischen der Spannhülse 41 und dem Werkzeugkopf 30 ist die Verschleißschutzscheibe 42 angeordnet. Im montierten Zustand stützt sich die Verschleißschutzscheibe 20 auf einer Gegenfläche des ersten Meißelhalters 60 und dem ersten Meißelhalter 60 abgekehrt an der Unterseite des Werkzeugkopfs 30 ab.
Der erste Meißelhalter 60 ist mit einem Ansatz 61 ausgestattet, in den eine Meißelaufnahme 62 in Form einer zylindrischen Bohrung eingearbeitet ist. In dieser Meißelaufnahme 62 ist die Spannhülse 41 mit ihrem Außenumfang an der Bohrungsinnenwandung geklemmt gehalten. Die Meißelaufnahme 62 mündet in eine Austreiböffnung 63. Durch diese kann zum Zweck der Demontage des Meißels 10 ein Austreibdorn (nicht gezeigt) eingeführt werden. Dieser wirkt derart auf das Ende des Koppelstücks 40 ein, dass unter Überwindung der Spannkraft der Spannhülse 41 der Meißel 10 aus der Meißelaufnahme 62 ausgeschoben wird.
Wie die 8 erkennen lässt, ist der Ansatz 61 in einem zylindrischen Bereich unterhalb der Verschleißschutzscheibe 42 mit zwei umlaufenden Nuten versehen. Diese Nuten dienen als Verschleißmarkierungen 64. Während des Betriebseinsatzes rotiert die Verschleißschutzscheibe 42 und kann dabei auf der Auflagefläche des Ansatzes 61 Verschleiß (Meißelhalterverschleiß) bewirken. Wenn die Auflagefläche soweit abgearbeitet ist, dass die zweite Verschleißmarkierung erreicht ist, gilt der erste Meißelhalter 60 als derart abgenutzt, dass er ausgewechselt werden muss.
Der erste Meißelhalter 60 weist einen Steckansatz 65 auf, der in eine Steckaufnahme 72 eines Basisteils 70 des gezeigten Meißelhalter-Wechselsystems einführbar ist und dort mittels einer Spannschraube 73 geklemmt werden kann.
Das Basisteil 70 selbst ist, wie in der 8 nicht weiter dargestellt, über seine Unterseite 71 auf das Fräswalzenrohr einer Fräswalze aufgeschweißt.
Bei einem solchen Meißelhalter-Wechselsystem nach dem Stand der Technik verschleißt der Meißel 10 schneller als der erste Meißelhalter 60. Daher müssen die Meißel 10 deutlich öfter gewechselt werden als die Meißelhalter 60. Erfindungsgemäß ist daher zumindest das Schneidelement 20, vorzugsweise die gesamte äußere Oberfläche der Meißelspitze 11, mit dem Hartstoffmaterial 50 abgedeckt. Besonders vorteilhaft ist auch der Werkzeugkopf 30 von dem Hartstoffmaterial 50 bedeckt. Durch die extrem große Härte des Fullerit enthaltenden oder aus Fullerit aufgebauten Hartstoffmaterials 50 weisen sowohl die Meißelspitze 11 als auch der Werkzeugkopf 30 eine gegenüber den bekannten unbeschichteten Meißeln deutlich verlängerte Standzeit auf. Dadurch können die Wechselintervalle der Meißel 10 wesentlich verlängert und die wartungsbedingten Stillstandzeiten der Straßenfräse deutlich reduziert werden. Entsprechend einer weiteren, nicht gezeigten Ausführungsform der Erfindung weist auch der erste Meißelhalter 60 zumindest bereichsweise eine Beschichtung mit dem Hartstoffmaterial 50 auf. Diese kann vorteilhaft im Bereich des Ansatzes 61 oder auf eine Abrasionsfläche 66.1 eines Abschirmbereichs 66, welcher einen Teil des Basisteils 70 abdeckt, angeordnet sein.
9 zeigt in Seitenansicht einen Meißel 10 für eine Straßenfräsmaschine, der fest mit einem dritten Meißelhalter 100 verbunden ist.
Der Meißel 10 mit dem dritten Meißelhalter 100 stellt somit eine direkte Weiterentwicklung des in 8 gezeigten Meißelhalter-Wechselsystems dar, wie sie durch das Hartstoffmaterial 50 ermöglicht wird. Die Meißelspitze 11 ist direkt und unlösbar mit einem Ansatz 101 des dritten Meißelhalters 100 verbunden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt dies durch eine entsprechende Lötverbindung entlang einer Verbindungsfläche 102 zwischen der Meißelspitze 11 und dem Ansatz 100. Die Meißelspitze 11 ist aus einem Hartwerkstoff, vorliegend aus Hartmetall, gebildet. Alternativ können auch andere Hartwerkstoff, beispielsweise polykristalline Diamanten, verwendet werden. Die Meißelspitze 11 ist mit dem Hartstoffmaterial 50 beschichtet. Dabei weist das Hartstoffmaterial 50 im Bereich der Schneidspitze 21 seine größte Dicke auf. Vorzugsweise ist auch der dritte Meißelhalter 100 zumindest teilweise von Hartstoffmaterial 50 bedeckt.
Durch das Hartstoffmaterial 50 ist die Standzeit der Meißelspitze 11 derart verlängert, dass sie vorzugsweise an die Standzeit des dritten Meißelhalters 100 angepasst ist. Der aus der Meißelspitze 11 gebildete Meißel 10 muss demnach nicht öfters gewechselt werden als der dritte Meißelhalter 100. Damit können die verschleißbedingten Wartungsintervalle deutlich verlängert und damit die Betriebskosten der Straßenfräsmaschine entsprechend reduziert werden. Aufgrund der hohen mechanischen Beständigkeit der mit dem Hartstoffmaterial 50 geschützten Meißelspitze 11 ist deren Verschleiß so weit reduziert, dass eine drehbare Lagerung um ihre Mittellängsachse nicht mehr erforderlich ist. Auf einen aufwendigen lösbaren und drehbaren Befestigungsmechanismus zwischen dem Meißel 10 und dem Meißelhalter 60, 80, 100, wie er in einer Ausführung in 8 gezeigt ist, kann so verzichtet werden. Dadurch wird Gesamtaufbau der Meißelhalterung deutlich vereinfacht.
Durch die Beschichtung des dritten Meißelhalters 100 mit dem Hartstoffmaterial 50 wird auch dessen Belastbarkeit deutlich verbessert. Durch das Hartstoffmaterial 50 kann die Standzeit des dritten Meißelhalters 100 an die Standzeit des Basisteils 70 angepasst werden. Entsprechend einer nicht dargestellten Ausführungsvariante der Erfindung ist es dann nicht mehr erforderlich, den dritten Meißelhalter 100 lösbar mit dem Basisteil 70 zu verbinden. Meißelspitze 11, Meißelhalter 100 und Basisteil 70 können so fest und unlösbar miteinander verbunden ausgeführt werden. Vorteilhaft können dann der Meißelhalter 100 und das Basisteil 70 einstückig hergestellt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0263939 A1 [0003]
US 4604106 [0004]
DE 3926627 [0005]
US 6245312 B1 [0006]
WO 2015/034399 [0007]
DE 3818213 A1 [0044]

Claims

Werkzeug mit zumindest einem Schneidelement (20) zur Bearbeitung von mineralischen und/oder pflanzlichen Materialschichten, insbesondere von Verkehrsflächen und/oder landwirtschaftlichen Bodenflächen oder deren Kombinationen untereinander, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Schneidelementes (20) mit einem Fullerit enthaltenden oder aus Fullerit gebildeten Hartstoffmaterial (50) gebildet und/oder überdeckt ist.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Schneidelement (20) tragender Werkzeugkopf (30) des Werkzeuges zumindest teilweise von dem Hartstoffmaterial (50) überdeckt ist.
Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartstoffmaterial (50) durch einen Beschichtungsprozess auf zumindest einen Teil des Schneidelementes (20) und/oder des Werkzeugkopfes (30) aufgebracht ist.
Werkzeug nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartstoffmaterial (50) durch einen Sinterprozess eines Fullerit enthaltenden Sintermaterials aufgebracht ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hartstoffmaterial (50) und dem Schneidelement (20) und/oder dem Werkzeugkopf (30) ein Zwischenmaterial (51) angeordnet ist.
Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenmaterial (51) eine Barriere für die Diffusion von Stoffen in das oder aus dem Hartstoffmaterial (50) darstellt und/oder dass das Zwischenmaterial (51) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der zwischen dem Ausdehnungskoeffizienten des Hartstoffmaterials und dem des Schneidelements (20) und/oder dem des Werkzeugkopfes (30) liegt.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartstoffmaterial (50) einen Hartwerkstoff des Werkzeuges, insbesondere ein Hartmetall und/oder einen polykristallinen Diamanten, bedeckt.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartstoffmaterial (50) einen aus Stahl gebildeten Bereich des Werkzeuges überdeckt.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidelement (20) den Werkzeugkopf (30) zumindest bereichsweise überdeckt.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fullerit aus Fullerene, insbesondere aus dem Fulleren C₆₀, als Ausgangsstoff gebildet ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fullerit unter hohem Druck und/oder bei hoher Temperatur gebildet ist und/oder dass das Fullerit durch Zugabe eines weiteren Stoffs, insbesondere Xylol oder Kohlenstoffdisulfid, gebildet ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fullerit eine Härte von größer oder gleich 130 GPa, insbesondere größer oder gleich 170 GPa, aufweist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug ein Meißel (10) für eine Straßenfräsmaschine ist, mit einem Meißelkopf als Werkzeugkopf (30), der zumindest ein Schneidelement (20) trägt, und mit einem Koppelstück (40) zur Verbindung des Meißels (10) mit einem Meißelhalter (60, 80) oder einem sonstigen Basisteil (70).