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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Abbaupicken, wie sie für den Bergbau und für Aushubzwecke verwendet werden und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf eine Abbaupicke, die eine vergleichsweise geringe Neigung hat, im Gebrauch einer in der Nähe der Picke befindliche, entflammbare Substanz zu entzünden.
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Hintergrund der Erfindung
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Für den Bergbau bzw. Abbau und Aushubvorgänge können verschiedene Formen von Ausrüstungen und Maschinen, wie zum Beispiel Strebbaumaschinen, verwendet werden. Die vorliegende Erfindung befasst sich grundsätzlich mit dem Untertageabbau von Kohle und eines der wesentlichen Sicherheitsprobleme bei dieser Art von Bergbau betrifft Feuer oder Explosionen in der Mine. Diese können auftreten aufgrund der Erzeugung von Methangas und Kohlestaub (üblicherweise bekannt als Bergstaub) während des Abbaus, wobei diese sich in der Mine sammeln können und leicht entzündlich sind. Ein Nachteil besteht auch darin, dass die bei dem Kohleabbau verwendete Ausrüstung Wärme und/oder Zündfunken erzeugen kann, welche ein Feuer oder eine Explosion auslösen können, insbesondere aufgrund von Reibungskontakt mit grobkörnigem Quarz, welches Steine enthält. Es ist deshalb wichtig, dass alle geeigneten Schritte unternommen werden, um das Risiko einer Entzündung minimal zu machen oder zu beseitigen.
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Die beim Bergbau oder Aushub in hartem Gestein verwendete Ausrüstung kann drehbare Schneidgeräte bzw. Schämwerkzeuge umfassen, bei welchen eine rotierende Trommel, welche eine Mehrzahl hervorstehender Schneidmeißel oder Picken trägt, in Eingriff mit der Erdoberfläche bzw. Ortsbrust kommt. Die Picken dringen in das Erdreich ein, während sie sich mit der Trommel drehen, um auf Erde bzw. Boden oder Gestein aufzutreffen und Fragmente von der Strecke abzulösen. Dieser in hohem Maße aggressive Eingriff zwischen den Picken und der Ortsbrust kann Wärme und/oder Funken erzeugen. Picken nach dem Stand der Technik, die für die obigen Zwecke verwendet wurden, haben im Allgemeinen eine Wolframsintercarbidspitze, welche, üblicherweise durch Hartlöten, an einem Stahlschaft befestigt ist. Funken können erzeugt werden zwischen der Wolframcarbidspitze und der Ortsbrust und auch zwischen dem Stahlschaft und der Ortsbrust, auch wenn typischerweise eine größere Wahrscheinlichkeit der Funkenerzeugung zwischen dem Schaft und der Ortsbrust besteht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können im Untertagekohlebergbau verwendet werden. Es ist deshalb zweckmäßig, die Erfindung in Bezug auf diese Art der Verwendung zu beschreiben, auch wenn es sich versteht, dass die Erfindung auch für irgendwelche sonstigen Bergbau- oder Aushubvorgänge verwendet werden könnte, wo ihre Funktion angebracht ist.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Bergbaupicke bereitgestellt, wobei die Picke aufweist:
einen Korpus,
wobei zumindest ein Teil des Korpus aus einem Kompositmaterial aus einer Metallmatrix, welche in einem Metall verteilte bzw. dispergierte Partikel aufweist, gebildet ist,
ein Schneidelement, welches an dem Korpus befestigt ist,
einen Schaft, der sich von dem Korpus aus erstreckt,
wobei zumindest ein Teil des aus dem Metallmatrix-Kompositmaterial gebildeten Korpus so ausgestaltet ist, dass er während eines Aushub- bzw. Abbauvorganges eine Barriere bereitstellt.
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In einer Ausführungsform ist zumindest der Teil des Korpus, der aus dem Kompositmaterial mit Metallmatrix gebildet ist, so ausgestaltet, dass er eine Barriere bereitstellt, die neben einem äußeren (distalen) Ende des Korpus angeordnet ist, wobei die Barriere zumindest einen Teil der Bergbaupicke schützt, die zwischen der Barriere und einem proximalen Ende des Schaftes angeordnet ist. Die Barriere kann den Schaft schützen.
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In einer Ausführungsform ist zumindest der aus dem Kompositmaterial mit Metallmatrix gebildete Teil des Korpus so ausgestaltet, dass er eine Barriere bereitstellt, nachdem das Schneidelement versagt hat bzw. gebrochen ist.
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In einer Ausführungsform bildet zumindest der aus dem Kompositmaterial mit Metallmatrix gebildete Teil des Körpers eine äußere Fläche des Korpus neben dem Schneidelement. Die äußere Oberfläche kann das Schneidelement umfassen.
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In einer Ausführungsform hat das Kompositmaterial mit Metallmatrix eine geringere Neigung, um während eines Aushub- bzw. Abbauvorganges eine Zündung einer entflammbaren Substanz neben dem Korpus zu verursachen als das Material des Schaftes. Das Material des Schaftes kann Stahl oder irgend ein anderes geeignetes Material aufweisen.
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In einer Ausführungsform hat das Kompositmaterial mit Metallmatrix eine geringere Neigung, während des Aushubs das Zünden einer entflammbaren Substanz neben bzw. an dem Körper zu verursachen als das Material des Schneidelementes.
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In einer Ausführungsform hat das Kompositmaterial mit Metallmatrix eine geringere Neigung, während des Aushubs eine Entzündung einer entflammbaren Substanz neben bzw. an dem Korpus zu verursachen als Sintercarbid.
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In einer Ausführungsform haben die Teilchen eine Härte, die größer als die Vickershärte 1000 ist, und einen Elastizitätsmodul, der größer als etwa 200 Gigapascal ist. Die Teilchen können eine Wärmeleitfähigkeit haben, die geringer als etwa 100 W/m/C ist.
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In einer Ausführungsform hat das Metall eine Härte und einen Elastizitätsmodul, die geringer als die der Teilchen sind. Das Metall kann eine Wärmeleitfähigkeit haben, die größer als etwa 100 W/m/C ist.
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In einer Ausführungsform bilden die Partikel zwischen 20 und 90 Vol.-% des Metallmatrix-Kompositmaterials.
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In einer Ausführungsform bildet das Metall zwischen 10 und 80 Vol.-% des Metallmatrix-Kompositmaterials.
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In einer Ausführungsform sind die Teilchen in dem Matellmatrix-Kompositmaterial Wolframcarbid. Die Wolframcarbidteilchen können etwa 60 Vol.-% des Metallmatrix-Kompositmaterials ausmachen.
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In einer Ausführungsform weisen die Teilchen Stahl auf.
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In einer Ausführungsform weist das Metall Kupfer, Silber und Zink auf. Das Metall kann 65 bis 75 Vol.-% Kupfer, 5 bis 15 Vol.-% Silber und 15 bis 25 Vol.-% Zink aufweisen.
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In einer Ausführungsform ist das Metall Kupfer.
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In einer Ausführungsform weist das Metallmatrix-Kompositmaterial zumindest eine der Substanzen Wolframcarbid, Vanadium, Chrom, Silizium, Bor, ein carbidbildendes Element, ein Metallcarbid, Kupfer, Zink, Mangan, Zinn, Eisen und Silber auf.
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In einer Ausführungsform bildet das Metallmatrix-Kompositmaterial den Korpus. Der Schaft kann ein in das Metallmatrix-Kompositmaterial eingebettetes Ende haben. Alternativ bildet das Metallmatrix-Kompositmaterial sowohl den Korpus als auch den Schaft. Der Schaft kann mit dem Korpus einstückig ausgebildet sein.
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In einer Ausführungsform ist das Schneidelement mechanisch an dem Metallmatrix-Kompositmaterial angebracht. Zumindest ein Quermaß zumindest eines Teils des Schneidelementes kann in Richtung auf den Korpus zunehmen. Zumindest dieser Teil des Schneidelementes kann in das Metallmatrix-Kompositmaterial eingebettet sein.
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In einer Ausführungsform ist das Schneidelement metallurgisch an dem Metallmatrix-Kompositmaterial angebracht. Das Schneidelement kann an dem Metallmatrix-Kompositmaterial metallurgisch durch ein Hochtemperaturlot angebracht sein.
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In einer Ausführungsform ist das Schneidelement an dem Metallmatrix-Kompositmaterial durch eine Sinterverbindung angebracht.
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In einer Ausführungsform ist ein Teil des Schneidelementes in das Metallmatrix-Kompositmaterial eingebettet.
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In einer Ausführungsform weist das Schneidelement ein thermisch stabiles Kompositmaterial aus Siliziumcarbid und Diamant (SCDC) auf. Das Schneidelement kann eine durch Bonding an einem Reaktionsprodukt eines Metalls mit dem SCDC verbundene Oberfläche haben. Das Produkt kann durch Bonding an dem Metallmatrix-Kompositmaterial angebracht sein.
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In einer Ausführungsform weist der Korpus eine Mehrzahl monolithischer Elemente auf. Die monolithischen Elemente können zumindest eine der folgenden Substanzen aufweisen: Diamant, Cermet, Keramik und Sintercarbid. Die Mehrzahl von monolithischen Elementen kann in einer Mehrzahl von carbidenthaltenden Pellets eingebettet sein, die in die Metallmatrix-Verbindung eingebettet sind. Die Mehrzahl von monolithischen Elementen kann neben der Außenfläche des Korpus in der Nähe des Schneidelementes angeordnet sein.
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In einer Ausführungsform weist der Korpus zumindest zwei Abschnitte auf, wobei jeder Abschnitt ein entsprechendes Metallmatrix-Kompositmaterial hat und eines der Metallmatrix-Kompositmaterialien eine Zusammensetzung hat, die sich von dem des anderen Metallmatrix-Kompositmaterials unterscheidet. Einer der Abschnitte kann an einem abgelegenen bzw. distalen Ende des Korpus angeordnet sein. Ein weiterer der zumindest zwei Abschnitte kann an einem nahegelegenen bzw. proximalen Ende des Korpus angeordnet sein. Einer der Abschnitte kann in einer Tasche angeordnet sein, die in dem anderen der zumindest zwei Abschnitte angeordnet ist. In der Tasche kann das Schneidelement angeordnet sein.
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In einer Ausführungsform weist der Korpus einen Ring aus einem Material auf, welcher das Schneidelement umfasst, wobei der Ring die gleiche oder eine geringere Härte hat als das Schneidelement, jedoch eine größere Härte als das Metallmatrix-Kompositmaterial hat.
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In einer Ausführungsform hat der Korpus einen Abschnitt, der an einem distalen Ende angeordnet ist und ein Metallmatrix-Kompositmaterial aufweist und einen anderen Abschnitt, der an einem proximalen Ende angeordnet ist und Stahl aufweist. Der Abschnitt, welcher Stahl aufweist, kann mit dem Schaft einstückig ausgebildet sein.
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In einer Ausführungsform ist die Bergbaupicke als Spitzpicke ausgebildet.
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In einer Ausführungsform ist die Bergbaupicke als Radialpicke ausgebildet.
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In einer Ausführungsform ist die Bergbaupicke so ausgestaltet, dass sie eine Bergbauvorrichtung durch ein Paar zusammenwirkender Elemente miteinander verbindet, die in Eingriff miteinander treten, wenn die Bergbaupicke und die Bergbauvorrichtung auf diese Weise verbunden werden, wobei jeweils eines aus dem Paar von Elementen an dem Schaft bzw. an der Vorrichtung angeordnet ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Bergbaupicke bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Anordnen eines Pulvers, das bei der Herstellung eines Metallmatrix-Kompositmaterials verwendet wird, in einer Form mit einer zumindest zu einem Abschnitt eines Korpus einer Bergbaupicke komplementären Formgebung,
Erhitzen des Pulvers auf eine Temperatur für eine gewisse Zeitdauer, um das Metallmatrix-Kompositmaterial zu bilden, das die Form zumindest des Abschnittes des Korpus hat.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen derselben, die lediglich als Beispiel wiedergegeben werden, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen deutlich:
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1 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Bergbaupicke gemäß einem Aspekt der Erfindung,
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2 zeigt einen Querschnitt durch ein Schneidelement, welches durch Bonding an einem Korpus aus Metallmatrix-Kompositmaterial über ein Reaktionsprodukt gemäß einer Ausführungsform eines Aspektes der Erfindung befestigt ist,
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3 zeigt einen Querschnitt durch ein Beispiel eines Schneidelementes, welches gemäß einer Ausführungsform eines Aspektes der Erfindung mechanisch an einem entsprechenden Korpus angebracht ist,
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4 zeigt einen Querschnitt durch ein Schneidelement und einen entsprechenden Korpus, wobei der Korpus gemäß einer Ausführungsform eines Aspektes der Erfindung eine Mehrzahl von sehr harten monolithischen Elementen aufweist,
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5 zeigt einen Querschnitt durch ein Schneidelement und einen entsprechenden Korpus, der einen kontinuierlichen Ring aus sehr hartem Material, wie zum Beispiel Sintercarbid hat, welcher gemäß einer Ausführungsform eines Aspektes der Erfindung das Schneidelement umfasst,
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6 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Bergbaupicke mit einem Korpus, der erste und zweite Abschnitte aufweist, wobei jeder Abschnitt ein entsprechendes Metallmatrix-Kompositmaterial gemäß einer Ausführungsform eines Aspektes der Erfindung hat,
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7 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Bergbaupicke, die einen Korpus hat, der erste und zweite Abschnitte aufweist, wobei jeder Abschnitt ein entsprechendes Metallmatrix-Kompositmaterial gemäß einer Ausführungsform nach einem Aspekt der Erfindung hat,
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8 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Bergbaupicke, die einen Korpus hat, der Stahl und ein Metallmatrix-Kompositmaterial gemäß einem Aspekt der Erfindung aufweist, und
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9 ist eine grafische Darstellung, die Wahrscheinlichkeitskurven zweier Ausführungsformen einer Bergbaupicke zeigt, die entsprechende Metallmatrix-Korpusabschnitte hat, hinsichtlich des Verursachens einer Zündung im Vergleich zu einer Bergbaupicke nach dem Stand der Technik und über die jeweiligen Lebensdauern der Picken hinweg.
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Genaue Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Bergbaupicke, die allgemein mit der Bezugszahl 10 bezeichnet wird. Diese Ausführungsform ist bezüglich einer zentralen Achse symmetrisch. Die Picke hat einen Korpus 12. In dieser Ausführungsform ist der Korpus 12 aus einem Kompositmaterial mit einer Metallmatrix hergestellt, welches in einem Metall fein verteilte Teilchen aufweist. In einigen anderen Ausführungsformen ist jedoch nur ein Teil des Korpus aus dem Metallmatrix-Kompositmaterial hergestellt.
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Die Picke 10 dieser Ausführungsform hat ein distales Ende 22, ein Schneidelement 40, welches dafür ausgelegt ist, im Gebrauch Material aus einer Formation zu schneiden, zu brechen, durch Abrieb, Pflügen oder sonstige Weise zu entfernen. Beispiele solcher Formationen umfassen geologische Formationen, wie zum Beispiel ein Kohleflöz und künstlich hergestellte Strukturen. Das Schneidelement 14 liegt in Form eines Einsatzes oder einer Spitze vor, die die Form eines Stoßwerkzeuges hat. Es versteht sich, dass irgendein geeignetes Schneidelement verwendet werden kann. In dieser Ausführungsform ist ein Abschnitt des Einsatzes in einer Tasche 22 angeordnet, die an einem distalen Ende 15 des Pickenkorpus 12 ausgebildet ist. Die Tasche ist durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Der Einsatz 14 ist an den Seiten und/oder Bodenwänden der Tasche angebracht.
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Die Picke hat ein proximales Ende 13, wobei ein Schaft 16 sich von einem proximalen Ende 26 des Korpus 12 erstreckt. Der Schaft ist ein Teil eines Paares aus zusammenwirkenden Elementen, die miteinander in Eingriff treten, wenn die Picke und die rotierende Trommel der Bergbaumaschine miteinander verbunden werden. Das andere Element des Paares von Elementen ist auf der sich drehenden Trommel angeordnet. Der Schaft weist eine Aussparung 18 auf. Eine Klemme tritt mit den Schultern der Aussparung in Eingriff, um die Picke an der Trommel zu halten. Ein Abschnitt des Schaftes ist in den Korpus aus Metallmatrix-Kompositmaterial eingebettet und dieser Abschnitt wird durch eine gestrichelte Linie angezeigt. In dieser Ausführungsform weist der Schaft einen unter Luft härtenden Stahl auf und ist mit dem Metallmatrix-Kompositmaterial durch ein Hochtemperaturlot verbunden, auch wenn der Schaft aus irgendeinem (anderen) geeigneten Material hergestellt werden kann. In einer anderen Ausführungsform bildet das Metallmatrix-Kompositmaterial sowohl den Korpus als auch den Schaft und der Schaft ist mit dem Korpus einstückig ausgebildet (wie es durch 1 wiedergegeben würde, falls das gestrichelt gezeichnete Dreieck mit einer runden Spitze in dieser Form entfernt werden würde). Eine Ausführungsform einer Picke mit einem Korpus und einem Schaft, die aus einem durchgehenden Metallmatrix-Kompositmaterial hergestellt sind, könnte weniger Schritte bei seiner Herstellung aufweisen, als die im Falle einer Pickenausführungsform, bei welcher der Korpus und der Schaft getrennt gebildet und anschließend verbunden werden.
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Die Bergbaupicke 10 ist als mit einer Spitze eingreifende Bergbaupicke ausgestaltet, jedoch versteht es sich, dass alternative Ausführungsformen als radiale Bergbaupicken ausgestaltet sein könnten.
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In der Ausführungsform der
1 wird das Schneidelement
14 aus einem Sintercarbidkörper gebildet, der in metallischem Kobalt verteilte Wolframcarbidteilchen (alternativ beispielsweise in metallischem Nickel oder metallischem Eisen) aufweist, und der Korpus
12 ist aus einem Metallmatrix-Kompositmaterial hergestellt, welches etwa 60 Vol.-% Wolframcarbidteilchen aufweist, die in einem Metall verteilt bzw. dispergiert sind. Das Metall dieser Ausführungsform weist etwa 70 Vol.-% Kupfer, 10 Vol.-% Silber und 20 Vol.-% Zink auf. Fünf weitere Beispiele von Zusammensetzungen eines Metalls für die Verwendung beim Ausbilden eines Matrixkompositmaterials sind in Tabelle 1 aufgelistet, auch wenn es sich versteht, dass es noch viele weitere Zusammensetzungen gibt, die nicht in der Tabelle aufgelistet sind. Tabelle 1. Einige alternative Zusammensetzungen (in Vol.-%)
| | Cu | Zn | Mn | Ni | Ag | Sn | Pb |
| 1 | 60-95 | 40-5 | | | | (< 10) | (< 10) |
| 2 | 60-95 | | | | 40-5 | (< 10) | (< 10) |
| 3 | 60-95 | 30-5 | | 10-0 | | (< 10) | (< 10) |
| 4 | 60-95 | 20-5 | 10-0 | 10-0 | | (< 10) | (< 10) |
| 5 | 60-95 | 35-5 | | | | (< 10) | (< 10) |
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Der Anmelder hat überraschenderweise festgestellt, dass der Korpus 12, welcher das Metallmatrix-Kompositmaterial aufweist, beim Kontakt mit einem Werkstattschleifrad, welches sich mit hoher Geschwindigkeit drehte, keine Funken erzeugte. Das Rad wies in Kunstharz gebondete Keramik auf. Das Rad simuliert eine Umgebung, die kritischer ist als diejenige, die man typischerweise während des Aushubs oder Abbaus durch eine Picke 10 erwarten kann. Der Kontakt zwischen der Sintercarbidschneidspitze 14 und dem Rad erzeugte jedoch Funken. Der Kontakt zwischen dem Stahlschaft 16 mit dem Rad rief eine starke Zunahme von Funken hervor. Der Anmelder hat außerdem festgestellt, dass ein Metallmatrix-Kompositmaterial, welches in Kupfer fein verteilte Stahlpartikel hat, ebenfalls eine geringe Neigung zur Funkenbildung hat. Dies war sehr unerwartet, insbesondere in Anbetracht der Tatsache, dass Stahl im Allgemeinen eine Neigung zur Funkenbildung neigt.
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Der Grund für die besonders geringe Neigung des Korpus aus Metallmatrix-Kompositmaterial Funken zu erzeugen war dem Anmelder definitiv nicht bekannt. Der Anmelder ist jedoch der Meinung, dass das Metall innerhalb des Metallmatrix-Kompositmaterials als ein kontinuierlicher Pfad für die Abfuhr von Wärme weg von dem Punkt des Kontaktes wirkt und auf diese Weise den Aufbau von Wärme und Funkenbildung verhindert.
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Im Gebrauch tritt die Spitze 14 mit der Formation in Eingriff. Fragmente, die aus der Formation herausgeschnitten werden, können mit der äußeren Oberfläche 20 des Metallmatrix-Kompositmaterials, das sich am distalen Ende 15 des Korpus neben dem Schneidelement 14 befindet, in Kontakt treten. Die äußere Oberfläche 20 umfasst das Schneidelement 14. Die Oberfläche 20 des Metallmatrix-Kompositmaterials wirkt als eine Barriere gegen die Fragmente, was zumindest einen Teil der Bergbaupicke, welcher zwischen der Barriere 20 und einem nahegelegenen Ende 17 des Schaftes angeordnet ist, schützt. Selbst wenn ein Teil der Oberfläche 20 verschlissen ist, wird noch immer eine Barriere durch das freiliegende Metallmatrix-Kompositmaterial bereitgestellt. Wenn das Schneidelement tief in die Formation eintritt und der Korpus über die Formation hinweggezogen wird, bietet die Oberfläche 20 eine Barriere gegenüber der Formation.
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Wie vorstehend beschrieben, hat das Metallmatrix-Kompositmaterial eine relativ niedrigere Neigung zur Funkenbildung und der Kontakt der Fragmente mit der äußeren Oberfläche 20 wird wahrscheinlich keinen Funken erzeugen. Typischerweise vermindert die Barriere 20 in hohem Maße die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fragment auf den Schaft 16 oder irgendein anderes Bauteil der Picke auftrifft, welches beispielsweise ein Zündrisiko darstellen kann.
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Das distale Ende 26 des Korpus ist breiter als der Schaft 16 und demnach stellt die Barriere einen gegenüber Fragmenten geschützten Bereich bereit, der mehr als nur den Schaft umfasst. In der Ausführungsform nach 1 hat der geschützte Bereich etwa das 1,3-fache der Breite des Schaftes. Andere Ausführungsformen haben eine Breite des geschützten Bereiches bzw. der geschützten Fläche, die dreimal so breit ist, wie der Schaft.
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Im Gegensatz hierzu können sich Bergbaupicken nach dem Stand der Technik, insbesondere diejenigen, die einen Korpus aus Stahl hat, aufheizen und/oder während des Aushubs Funken bilden. Von heißen und/oder funkenbildenden Picken ist bekannt, dass sie Methan und/oder Kohlestaub in Minen entzünden. Die Verwendung der Pickenausführungsform nach 1 anstelle einer Picke nach dem Stand der Technik kann daher das Auftreten von Reibung während des Aushubs, was in einer Mine beispielsweise sehr gefährlich ist, drastisch reduzieren.
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Es ist nicht ungewöhnlich, dass ein Schneidelement während des Aushubs oder Abbaus versagt bzw. bricht. Beispielsweise kann das Element 14 neben der Oberfläche 20 abscheren oder kann aus der Tasche 22 herausbewegt werden. In diesem Fall bietet die Oberfläche 20, die sich nunmehr soweit erstrecken kann, dass sie die Oberfläche der Tasche 22 umfasst, eine verschleißfeste Barriere mit einer geringen Neigung ein entflammbares Material zu entzünden. Selbst wenn der Korpus anschließend über die Formation hinweggezogen wird, ist es unwahrscheinlich, dass dieses eine Zündung verursachen würde.
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Bei Geräten nach dem Stand können die Fragmente den Korpus oder Schaft verschleißen, so dass die Picke unbrauchbar wird, bevor die Spitze verschlissen ist. Die Barriere, welche zum Beispiel viel härter als Stahl ist, kann den Schaft und/oder andere Teile der Picke gegenüber Fragmenten schützten, die ansonsten verursachen könnten, dass die Picke ihr Lebensdauerende vorzeitig erreicht. Im Gegensatz bietet die Verwendung eines Super- oder Ultraharteinsatzes in einem Korpus aus einer Metallmatrix eine verlängerte Lebensdauer und Produktivität.
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Es versteht sich, dass in einer Ausführungsform der Schaft und der Korpus beide aus einem Metallmatrix-Kompositmaterial hergestellt sein könnten.
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Einige Eigenschaften der Metallmatrix-Kompositmaterialien, die zumindest einen Teil einer Picke bilden können, welcher eine geringe Neigung hat, eine Zündung hervorzurufen, werden nunmehr beschrieben. Die Teilchen können eine Härte von mehr als 1000 Vickers und einen Elastizitätsmodul von mehr als 200 Gigapascal aufweisen. Die Wärmeleitfähigkeit der Teilchen kann weniger als 100 W/m/C betragen. Das Material kann eine Härte und einen Elastizitätsmodul haben, der geringer ist, als derjenige der Teilchen. In einigen, jedoch nicht in allen Ausführungsformen, kann die Wärmeleitfähigkeit des Metalls mehr als 100 W/m/C betragen, auch wenn Metalle mit einer höheren thermischen Leitfähigkeit, wie zum Beispiel Kupfer (etwa 400 W/m/C) unter gewissen Umständen bevorzugt sein könnten, insbesondere wenn die Wärme den Kontaktpunkt schneller verlassen muss wegen eines aggressiven Aushubvorganges. Das Metallmatrix-Kompositmaterial kann zumindest eines der folgenden umfassen: Wolframcarbid, Vanadium, Chrom, Silizium, Bor, ein carbidbildendes Element, ein Metallcarbid, Kupfer, Zink, Mangan, Zinn, Eisen und Silber. Die Teilchen können zwischen 20 und 90 Vol.-% des Metallmatrix-Kompositmaterials bilden und das Metall bildet zwischen 10 und 80 Vol.-% des Metallmatrix-Kompositmaterials.
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Es können verschiedene Techniken verwendet werden, um ein Schneidelement wie zum Beispiel das Element 14, an einem Korpus, wie zum Beispiel dem Korpus 20 zu befestigen. In der Ausführungsform nach 1 ist das Sintercarbidschneidelement 14 an dem Metallmatrix-Kompositmaterial 12 durch ein metallisches Hochtemperaturlot angebracht. Beim Herstellen der Picke 10 wird ein Pulver, welches die in dem Metallmatrix-Kompositmaterial aufzunehmenden Teilchen enthält, in einer Form von einer zu zumindest einem Teil eines Korpus komplementären Gestalt angeordnet und das Schneidteil wird in der Form und im Kontakt mit dem Pulver angeordnet. Ein Metall, wie zum Beispiel Kupfer, das typischerweise in der Form von Pellets vorliegt, wird über dem Pulver angeordnet. Anschließendes Erhitzen der Form in einem Ofen für eine gewisse Zeitdauer bewirkt, dass das Metall schmilzt, das Pulver durchdringt und das Pulver verbindet, um das Metallmatrix-Kompositmaterial zu bilden, welches beim Abkühlen dauerhaft die Form des Korpus annimmt und gleichzeitig auch die Lötverbindung bildet. Die Temperatur des Ofens liegt typischerweise im Bereich von 900 bis 1200°C und die Form ist typischerweise zwischen 5 und 90 Minuten in dem Ofen. Im Falle der Herstellung eines Metallmatrix-Kompositmaterials, welches ein Silber-Zink-Kupfermetall zusammen mit einem Wolframcarbidpulver verwendet, liegt die Ofentemperatur um etwa 1050°C und die Form bleibt typischerweise für 45 Minuten in dem Ofen.
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Alternativ kann ein Schneidelement durch eine Sinterbindung an dem Metallmatrix-Kompositmaterial angebracht werden. Wenn man Picken dieser Ausführungsform herstellt, werden das Pulver und das Schneidelement in einer Form angeordnet und es wird ein mechanischer Druck auf das Pulver ausgeübt, während es in einem Ofen in einer Atmosphäre mit niedrigem Druck erhitzt wird. Das Pulver kann zumindest eine der Substanzen, Kobalt, Eisen und Carbide aufweisen. Ein Metall kann während des Erhitzens wahlweise in der Form angeordnet werden, um eine metallische Binderphase zu bilden.
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In einer Ausführungsform weist das Schneidelement einen Presskörper aus polykristallinem Diamant (PDC) auf, welcher in Luft bei einer Temperatur über etwa 750°C degeneriert bzw. zerfällt. In diesem Fall kann während des Herstellens der Picke zumindest ein eine Tasche bildendes Element in einer Form angeordnet werden und das Pulver um das zumindest eine Element herum angeordnet werden. Das zumindest eine Element kann entfernt werden, nachdem erreicht wurde, dass das Pulver die Form zumindest eines Abschnittes des Korpus angenommen hat, welcher eine Tasche in dem Korpus bereitstellt, in welcher das PDC-Schneidelement angeordnet werden kann. Das PDC-Schneidelement kann dann, beispielsweise unter Verwendung üblicher Silberlottechniken Hartgelötet werden. Das die Tasche bildende Element kann beispielsweise Graphit oder Sand aufweisen.
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Eine Ausführungsform einer Bergbaupicke hat ein Schneidelement, welches ein Kompositmaterial aus thermisch stabilem Siliziumcarbid und Diamant aufweist (SCDC). Das Schneidelement hat eine Oberfläche, die mit einem Reaktionsprodukt aus einem Metall mit dem SCDC beschichtet ist und das Produkt ist durch Bonding sowohl mit dem Metallmatrix-Kompositmateral als auch mit dem Schneidelement verbunden. In diesem Fall können während des Herstellens der Picke Elemente, die Carbide und/oder Kohlenstoff in Lösung aufnehmen, in der Form angeordnet werden. Das SCDC-Schneidelement wird mit einem Metall wie zum Beispiel Titan, Silizium und Wolfram vorbeschichtet, wobei beispielsweise eine Abscheidung unter Verwendung eines chemischen oder physikalischen Dampfabscheidungsverfahren verwendet wird. Während des Erhitzens wird die chemische Verbindung zwischen dem SCDC, der Metallbeschichtung und dem Metallmatrix-Kompositmaterial gebildet. Unter gewissen Umständen kann auch eine Plattierung (eine weitere Beschichtung) auf die Metallbeschichtung aufgebracht werden, wie zum Beispiel eine Nickel-, Eisen- oder Kupferplattierung. Die zusätzliche Plattierung kann während der Verarbeitung eine Oxidation verhindern. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Beispiel eines SCDC-Schneidelementes 30, welches über ein Reaktionsprodukt mit einem Metallmatrix-Kompositkorpus 32 gebondet ist, wobei das Reaktionsprodukt in diesem Fall ein Metallcarbid 34 ist. Andere Verfahren des chemischen Haltens bzw. Anhaftens des SCDC-Einsatzes umfassen das Hinzufügen von Carbid oder einer eine Lösung bildenden Elementen aus Diamant-/Kohlenstoff. Derartige Elemente umfassen Chrom, Titan und Wolfram, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. Während des Herstellens der Picke können diese Elemente in dem Pulver verteilt sein oder noch besser lokal um den SCDC-Einsatz herum verteilt sein. Während der Infiltrierung mit flüssigem Metall führt der Transport dieser Elemente zu einer Verbindung mit dem Diamantmaterial durch Bildung von Carbiden und/oder indem die Diamantoberfläche in Lösung geht. Andere Ansätze umfassen die Verwendung eines viel Mangan enthaltenden Bindemittels oder das lokale Einfügen aktiver Hartlotmetalle an oder um das SCDC herum vor der Infiltrierung.
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3 zeigt einen Querschnitt durch ein Beispiel eines Schneidelementes 40 welches mechanisch an einem entsprechenden Korpus 42 angebracht ist. Zumindest ein Quermaß des zumindest einen Teils des Abschnittes, der in dem Metallmatrix-Kompositmaterial eingebettet ist, nimmt mit einer in das innere des Korpus 42 gerichteten Richtung 44 zu. Der in das Metallmatrix-Kompositmaterial eingebettete Abschnitt steht mechanisch in festem Eingriff mit einer komplementär geformten Tasche, was einen Widerstand gegenüber einer Abtrennung des Schneidelementes 40 von dem Korpus 42 bietet. Generell kann jede verjüngt zulaufende, kappenförmige oder Schwalbenschwanzgeometrie verwendet werden. Der Boden des Schneidelementes 40, der in das Metallmatrix-Kompositmaterial eingebettet ist, geht sanft zu den Seiten hin über, anstatt beispielsweise einen durch eine Ecke markierten, abrupten Übergang zu haben. Das Vermeiden von Ecken vermindert die Spannungskonzentration, was dabei hilft, die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs des Metallmatrix-Kompositmaterials während der Aushubsarbeit zu vermindern, insbesondere in dem Falle, in welchem das Ende des Schneidelementes in einem Metallmatrix-Kompositmaterial eingebettet ist, welches eine vergleichsweise geringe Bruchfestigkeit gegenüber anderen Materialien, wie zum Beispiel Stahl, hat.
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4 zeigt einen Querschnitt durch ein Beispiel eines Schneidelementes 50 und einen entsprechenden Korpus 52, wobei der Korpus eine Mehrzahl sehr harter Monolithe bzw. monolithische Elemente wie zum Beispiel die Elemente 54 aufweist. Dies kann die Verschleißfestigkeit des Korpus verbessern. Jedes monolithische Element kann beispielsweise Diamant 56, ein Cermet 58, eine Keramik 60 und ein Sintercarbid 62 aufweisen. Die Mehrzahl monolithischer Elemente 54 bis 62 sind in dieser, nicht notwendigerweise jedoch in allen, Ausführungsformen in eine Mehrzahl von carbidenthaltenden Pellets eingebettet, welche ihrerseits in das Metallmatrix-Kompositmaterial 52 eingebettet sind. Die Mehrzahl von monolithischen Elementen ist neben bzw. an einer Oberfläche des Korpus angeordnet. Die monolithischen Elemente können in einem Ring um das Schneidelement herum angeordnet sind.
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In einer anderen Ausführungsform können Diamant- oder andere Keramikteilchen in dem Metallmatrix-Kompositmaterial verteilt oder den Oberflächenbereichen hinzugefügt sein, welche durch die in 4 dargestellten Monolithe eingenommen werden. Diese Diamant- und/oder Keramikteilchen können auch in einem carbidenthaltenden Pellet aufgenommen sein.
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5 zeigt einen Querschnitt durch ein Beispiel eines Schneidelementes 70 und eines entsprechenden Korpus 72, welcher einen kontinuierlichen Ring 74 aus sehr hartem Material aufweist, wie zum Beispiel Sintercarbid, welches das Schneidelement ringförmig umfasst. Der Ring 74 kann durch ein Hochtemperaturhartlot mit dem Metallmatrix-Kompositmaterial 76 verbunden sein. Der Ring 74 sollte typischerweise eine gleiche oder geringere Härte als das Schneidelement haben, die größer ist als die des Metallmatrix-Kompositmaterials 76. Vorteile des Ringes umfassen eine besondere und verbesserte Verschleißfestigkeit im Vergleich zu einem Metallmatrix-Kompositmaterial ohne Zusätze. Die maximale Breite D1 des Schneidteiles ist größer als der Innendurchmesser D2 des Ringes 74. Während es in Anbetracht der Verschleißfestigkeit vorteilhaft sein kann, die gesamte Picke aus Sintercarbid herzustellen, ist dieses jedoch außerordentlich teuer. Die Pickenausführungsform nach 5 bietet jedoch eine bessere Verschleißfestigkeit als die Pickenausführungsform nach 1 und kann daher dennoch wirtschaftlich sein. Wenn ein SCDC-Schneidelement verwendet wird, hat man möglicherweise keine Bindung zwischen dem Schneidelement und dem Metallmatrix-Kompositmaterial. Ein mechanisches Halten wird demnach unterstützt durch den Ring 74, der einen Innendurchmesser D2 hat, der geringer als der maximale Außendurchmesser D1 des Schneidelementes ist.
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6 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Bergbaupicke 80, die einen Korpus 82 hat, welcher erste 84 und zweite 86 Abschnitte aufweist, wobei jeder Abschnitt ein entsprechendes Metallmatrix-Kompositmaterial hat. Der erste Abschnitt 84 liegt neben einem körpernahen (proximalen) Ende des Korpus und kann ein Material aufweisen, welches weicher, billiger und leichter herzustellen ist als das des zweiten Abschnittes 86. Der zweite Abschnitt 86 befindet sich an bzw. neben einem distalen Ende des Korpus und neben bzw. an der Spitze 88 und ist deshalb verschleißfester als der erste Abschnitt 84. Dieser Ansatz kann die Kosten der Picke 80 im Vergleich zu einer Picke verringern, bei welcher der gesamte Korpus ein Kompositmaterial mit einer Hartmetallmatrix aufweist.
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7 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Bergbaupicke 90, die einen Korpus 92 hat, welcher erste 94 und zweite 96 Abschnitte aufweist, wobei jeder Abschnitt ein entsprechendes Metallmatrix-Kompositmaterial hat. Die Metallmatrix 96 ist duktiler als das Material 94, um die Zähigkeit und Bruchfestigkeit neben dem Schneidelement 98 zu vergrößern, was die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung oder eines Versagens des Metallmatrix-Kompositmaterials neben bzw. an dem Schneidelement vermindert. Dies kann erreicht werden, indem man beispielsweise Eisen, Stahl, Kupfer, Wolfram oder Molybdän in den Abschnitt 96 aufnimmt. Das Metallmatrix-Kompositmaterial 94 kann härter sein als das Metallmatrix-Kompositmaterial 96, was zu einer verbesserten Verschleißfestigkeit und zu einem Schutz des Metallmatrix-Kompositmaterials 96 führt.
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8 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Bergbaupicke 100. In dieser Ausführungsform hat das nahegelegene (proximale) Ende 101 des Korpus einen Abschnitt 102, welcher beispielsweise einen Stahl aufweist, sowie einen anderen Abschnitt 104 an einem abgelegenen (distalen) Ende 106, welcher ein Metallmatrix-Kompositmaterial 104 aufweist. Der Metallmatrix-Kompositabschnitt 104 kann einen ausreichenden Schutz bieten und im Gebrauch die Neigung der Picke, ein Zünden zu verursachen, vermindern. Der Stahlabschnitt 102 und der Metallmatrix-Kompositabschnitt 104 können beispielsweise durch ein Paar von miteinander zusammenwirkenden Elementen, wie zum Beispiel eine Schraube an jedem der Abschnitte 102 und 104, Schrumpfpassung, chemisches oder metallurgisches Bonding etc. verbunden sein. Alternativ können der Schaft und der Stahlabschnitt des Korpus aus dem einen Stück aus Stahl gebildet sein. Ein Teil des relativ teuren Metallmatrix-Kompositmaterials ist in dieser Ausführungsform gegen relativ preiswerten Stahl ausgetauscht worden, was die Kosten vermindert. Außerdem kann die Ausgestaltung des abgelegenen (distalen) Endes 106 der Picke über einen Bereich von Ausführungsformen hinweg konstant gehalten werden, während das proximale Ende 108 so angepasst ist, dass es mit Maschinen in Eingriff treten kann, die verschiedene Kupplungsausgestaltungen für die Pickenhaben.
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9 ist eine grafische Darstellung, die für zwei Ausführungsformen 120, 130 einer Bergbaupicke, welche entsprechende Metallmatrix-Korpusabschnitte haben, die Wahrscheinlichkeit des Verursachens einer Zündung im Vergleich zu einer Bergbaupicke 110 nach dem Stand der Technik, und über ihre jeweiligen Lebensdauern hinweg zeigt. Eine Ausführungsform 120 hat ein Schneidelement aus Sintercarbid und die andere Ausführungsform 130 hat ein Schneidelement aus Siliziumcarbiddiamant (SCDC). Beide Ausführungsformen 120, 130 haben zumindest einen Abschnitt des Korpus, welcher an einem abgelegenen (distalen) Ende ein Metallmatrix-Kompositmaterial aufweist. Die Wahrscheinlichkeit des Entzündens bei Verwendung der Ausführungsformen 120, 130 ist niedriger als beim Gebrauch der Picke 110 nach dem Stand der Technik.
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Die Picke 110 nach dem Stand der Technik hat einen Korpus, der lediglich Stahl aufweist und ein Schneidelement (Einsatz) aus Sintercarbid. Der Bereich A entspricht der Nutzungsdauer, während welcher das Schneidelement noch nicht signifikant verschlissen ist. Der Bereich B entspricht der Nutzungsdauer, während welcher das Schneidelement einen beträchtlichen Verschleiß aufweist. Die Wahrscheinlichkeit eines Zündens steigt, wenn das Sintercarbid stumpf wird und während des Schneidens eine größere Zahl an feinen Partikeln erzeugt. Der Bereich C entspricht der Dauer, nachdem das Schneidelement versagt hat. Das Schneidelement kann beispielsweise verloren gehen oder brechen oder bis nahezu auf das Niveau des Korpus verschlissen sein, so dass der Stahlkorpus freiliegt. Eine Funkenbildung ist dann sehr wahrscheinlich und das Risiko einer Zündung durch Reibung sehr hoch.
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Während in 9 der Bereich B als einer dargestellt ist, welcher im Falle des Gegenstandes 110 nach dem Stand der Technik und der Ausführungsform 120 Zeitdauern identischer Länge entspricht, kann in einigen Ausführungsformen das verschleißfeste Metallmatrix-Kompositmaterial tatsächlich den Bereich B erweitern, so dass er länger als der entsprechende Bereich B für das Gerät 110 nach dem Stand der Technik dauert.
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Ein SCDC-Schneidelement, wie zum Beispiel dasjenige der Ausführungsform 130, bleibt für eine beträchtlich längere Zeitdauer scharf als ein äquivalentes Schneidelement aus Sintercarbid und zeigt keine nennenswerte Neigung zur Funkenbildung. In dem Fall der Pickenausführungsform 130 ist der Bereich A etwa das 10- bis 100-fache länger als im Falle der Picke 110 nach dem Stand der Technik. Die Wahrscheinlichkeit eines Zündens in dem Bereich A ist niedrig. Wenn der SCDC-Einsatz verlorengegangen ist (Bereich C) und die Matrix direkt mit der Formation in Kontakt tritt, ist die Wahrscheinlichkeit eines Zündens beträchtlich niedriger als bei irgendeiner der Picken nach dem Stand der Technik oder der Ausführungsform der Picke, die einen Metallmatrix-Korpusabschnitt mit einem darin angeordneten Sintercarbid-Schneidelement hat. Es kann daher in Anbetracht der längeren Werkzeuglebensdauer und der Produktivität und der geringen Wahrscheinlichkeit eines Zündens wünschenswert sein, in einigen Fällen eine Pickenausführungsform zu verwenden, die ein SCDC-Schneidelement und einen Korpus mit zumindest einem Abschnitt hat, der ein Metallmatrix-Komposit aufweist.
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Es versteht sich, dass soweit hier auf irgendeine Veröffentlichung nach dem Stand der Technik Bezug genommen wurde, eine solche Bezugnahme kein Zugeständnis bildet, dass die Veröffentlichung Teil der allgemeinen Fachkenntnisse auf diesem Gebiet in Australien oder irgendeinem anderen Land ist.
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In den nachfolgenden Ansprüchen und der vorangehenden Beschreibung der Erfindung wird, soweit der Kontext aufgrund von ausdrücklicher Formulierung oder notwendiger Folgerungen nichts anderes erfordert, das Wort „aufweisen” oder Variationen hiervon wie zum Beispiel „weist auf” oder „aufweisend” in einem umfassenden Sinne verwendet, das heißt um das Vorhandensein der bezeichneten Merkmale anzugeben, jedoch nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung weiterer Merkmale in den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung auszuschließen.
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Es versteht sich für Fachleute auf diesem Gebiet, dass an der Erfindung viele Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann das Schneidelement ein drehbares Schneidelement sein.
