DE202014101693U1 - Ring-shaped tool - Google Patents

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Abstract

Ringförmiges Werkzeug (1) mit mindestens einem radial nach außen gerichteten Arbeitsbereich (4) mit hoher Verschleißfestigkeit und einem achsnäheren Spannteil (5), insbesondere Rollenmeißel bzw. Schneidring für Gestein, insbesondere für Tunnelbohrmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug aus einem Werkstoff besteht, welcher aus einer Eisenbasislegierung als Matrix mit eingelagerten Hartstoffteilchen gebildet ist, wobei die Hartstoffteilchen aus Karbid und/oder Nitrid und/oder Oxid und/oder Borid, gegebenenfalls als Karbonitrid oder Oxikarbonitrid mit Boranteil mindestens eines der Elemente, oder in Mischform der Elemente, der Gruppen 4 und 5 des Periodensystems, gebildet sind und eine Dichte bei Raumtemperatur von größer 7400 kg/m3, vorzugsweise von größer 7600 kg/m3, aufweisen.Annular tool (1) with at least one radially outwardly directed working area (4) with high wear resistance and a clamping part (5) closer to the axis, in particular a roller bit or cutting ring for rock, in particular for tunnel boring machines, characterized in that the tool consists of a material, which is formed from an iron-based alloy as a matrix with embedded hard material particles, the hard material particles from carbide and / or nitride and / or oxide and / or boride, optionally as carbonitride or oxicarbonitride with boron content of at least one of the elements, or in mixed form of the elements, the groups 4 and 5 of the periodic table and have a density at room temperature of greater than 7400 kg / m3, preferably greater than 7600 kg / m3.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein ringförmiges Werkzeug mit mindestens einem radial nach außen gerichteten Arbeitsbereich mit hoher Verschleißfestigkeit und einem achsnäheren Spannteil, insbesondere einen Rollenmeißel bzw. Schneidring für Gestein, insbesondere für Tunnelbohrmaschinen.The invention relates to an annular tool with at least one radially outwardly directed working area with high wear resistance and an axially closer clamping part, in particular a roller bit or cutting ring for rock, in particular for tunnel boring machines.

Stand der TechnikState of the art

Bohrgeräte für Gesteinsformationen bzw. Fels und dergleichen, werden für größere Durchmesser zumeist mit ringförmigen Werkzeugen bestückt, welche einen nach außen gerichteten Arbeitsbereich aufweisen und unter Druck am Gesteinsgrund abrollen und dabei einen Abtrag bzw. ein Ausbrechen von diesem bewirken.Drilling rigs for rock formations or rock and the like, are usually equipped for larger diameter with annular tools, which have an outwardly directed working area and roll under pressure on the rock bottom and thereby cause a removal or a break of this.

Tunnelbohrmaschinen beispielsweise haben einen großen tellerförmigen Werkzeughalter, in welchem eine Vielzahl von so genannten Rollenmeißel bzw. Schneidringen drehbar gelagert eingebaut sind. Beim Vortrieb wird der Werkzeughalter gedreht und mit hoher Kraft an das Gebirge angedrückt, wobei die auf unterschiedlichen Radien desselben angeordneten Rollenmeißel in den jeweiligen Bereichen Gesteins brechend wirksam sind und das abgetragene Gestein bzw. das so genannte Bohrklein hinter dem Werkzeughalter ausgefördert wird.Tunnel boring machines, for example, have a large dish-shaped tool holder, in which a plurality of so-called roller bits or cutting rings are mounted rotatably mounted. When propulsion of the tool holder is rotated and pressed with high force to the mountains, the same on different radii arranged roller bits in the respective areas rock are effectively breaking and the excavated rock or the so-called cuttings is discharged behind the tool holder.

Den mechanischen Anforderungen entsprechend soll das ringförmige Werkzeug mit einem sich verjüngenden, radial nach außen gerichteten Arbeitsbereich, in diesem insbesondere eine hohe Verschleißfestigkeit sowie hohe Härte und hohe Zähigkeit des Werkstoffes aufweisen.According to the mechanical requirements, the annular tool should have a tapering, radially outwardly directed working region, in particular a high wear resistance and high hardness and high toughness of the material.

Zumeist wird das Werkzeugrohteil auf eine Achse aufgeschrumpft, wobei im Spannbereich unweigerlich Zugspannungen entstehen, welche im schweren, das harte Gestein brechenden Betrieb, jeweils den dafür erforderlichen Druckspannungen des Materials überlagert werden und keine im Wesentlichen stationären Belastungen des Werkzeugwerkstoffes ergeben.In most cases, the tool raw part is shrunk onto an axis, wherein tensile stresses inevitably arise in the clamping region, which are superimposed in heavy, the hard rock breaking operation, respectively, the required compressive stresses of the material and give no substantially stationary loads of the tool material.

Rollenmeißel sollen also einen Arbeitsbereich mit höchstmöglichem Verschleißwiderstand und einen Spannbereich mit ausreichend hoher Härte sowie hoher Zähigkeit aufweisen und insgesamt eine überragende Bruchsicherheit des Materials bei wechselnder mechanischer Beanspruchung haben, weil ein Ausfall eines Werkzeuges aufwändige Instandsetzungsarbeiten mit einem Stillstand der Bohrmaschine verursacht.Roller bits should thus have a working range with the highest possible wear resistance and a clamping range with sufficiently high hardness and high toughness and overall superior breaking resistance of the material with varying mechanical stress, because a failure of a tool causes costly repair work with a standstill of the drill.

Die Schneidringe bestehen in der Regel aus einem Werkzeugstahl. Die Formgebung erfolgt im Allgemeinen über einen Schmiedeprozess, wobei die gewünschten Werkstoffeigenschaften durch eine anschließende Wärmebehandlung erreicht werden. Dem Fachmann ist bekannt, dass eine größtmögliche Verschleißfestigkeit bei Werkzeugstählen nur mit einer hohen Härte des Gefüges erreichbar ist. Hier muss in Kauf genommen werden, dass mit steigender Härte die Zähigkeit des Gefüges sinkt. Zur Erreichung der für Werkzeugstähle besten Eigenschaften in Hinsicht auf den harten Einsatz als Schneidring, muss ein Kompromiss zwischen höchster Verschleißfestigkeit und hoher Zähigkeit eingegangen werden.The cutting rings are usually made of a tool steel. The shaping is generally carried out by a forging process, wherein the desired material properties are achieved by a subsequent heat treatment. It is known to the person skilled in the art that the greatest possible wear resistance in tool steels can only be achieved with a high degree of hardness of the structure. Here it must be accepted that with increasing hardness the tenacity of the structure decreases. In order to achieve the best properties for tool steels in terms of hard use as a cutting ring, a compromise between maximum wear resistance and high toughness must be compromised.

Es wurden verschiedene Versuche unternommen, durch Kombination von extrem verschleißfesten Werkstoffen mit festen aber zähen Werkstoffen die Standzeit der Schneidringe zu verlängern. DE 10 2005 039 036 B3 beschreibt zum Beispiel einen Rollenmeißel aus Stahl, welcher im Arbeitsbereich aufgeschweißte Segmente aufweist, wobei diese Hartmetallteilchen aus Wolframkarbid enthalten. Aus JP 2000001733 A ist ein ähnlicher Schneidring bekannt, welcher einen am Außenumfang auf einen Grundkörper aus Sphäroguss aufgebrachten Hartmetallring besitzt. Des weiteren sind aus den Schriften JP 2007138437 A , GB 1188305 , GB 1379151 , DE10300624A1 und DE 101 61 825 A1 Schneidringe für Tunnelbohrmaschinen bekannt, welche am Außenumfang angeordnete Segmente, oder auch zylinderförmige sowie sonst speziell geformte Teile aus Hartmetall besitzen, welche durch Einlöten, Einpressen oder Eingießen mit dem Grundkörper verbunden werden. Auch wird in CA 2 512 737 A1 ein Schneidring beschrieben, bei welchem Segmente aus Hartmetall zwischen zwei Scheiben axial eingespannt werden. Alle diese bekannten Lösungsversuche beinhalten entweder eine sehr aufwändige und schwierige Herstellung oder führen zum Beispiel durch hohe thermische Spannungen beim Einsatz oder durch das Erweichen des Lotes zum frühzeitigen Ausfall der Schneidringe im Einsatz. In JP 59144568 A ist ein Herstellungsverfahren für Schneidringe beschrieben, bei welchem eine Schmelze, welche Hartmetallteilchen auf Wolframkarbidbasis enthält, in eine rotierende Kokille eingegossen wird, worauf sich die Hartmetallteilchen im Außenbereich des Gusskörpers konzentrieren. Dieses Verfahren besitzt den Nachteil, dass die der Schmelze zugegebenen Hartmetallteilchen teilweise durch die Schmelze aufgelöst werden und bei der Erstarrung ungewünschte, spröde Gefügebestandteile im Gefüge des Werkzeuges bilden können. Auch ist die minimale Größe der zugefügten Hartmetallteilchen durch den Auflösungsprozess begrenzt.Various attempts have been made to extend the life of the cutting rings by combining extremely wear resistant materials with tough but tough materials. DE 10 2005 039 036 B3 describes, for example, a steel roller chisel having segments welded in the work area, these tungsten carbide hard metal particles containing. Out JP 2000001733 A a similar cutting ring is known, which has a hard metal ring applied on the outer circumference on a base body made of ductile iron. Furthermore, from the scriptures JP 2007138437 A . GB 1188305 . GB 1379151 . DE10300624A1 and DE 101 61 825 A1 Cutting rings for tunnel boring machines known which have arranged on the outer circumference segments, or even cylindrical and otherwise specially shaped parts made of hard metal, which are connected by soldering, pressing or pouring with the body. Also will be in CA 2 512 737 A1 a cutting ring described in which segments of hard metal between two discs are axially clamped. All of these known approaches to solutions involve either a very complex and difficult production or lead for example by high thermal stresses during use or by the softening of the solder for premature failure of the cutting rings in use. In JP 59144568 A A method of manufacturing cutting rings is described in which a melt containing tungsten carbide-based cemented carbide particles is poured into a rotating mold, whereupon the cemented carbide particles concentrate in the exterior of the casting. This method has the disadvantage that the hard metal particles added to the melt are partially dissolved by the melt and, during solidification, can form undesirable, brittle microstructural constituents in the microstructure of the tool. Also, the minimum size of the added cemented carbide particles is limited by the dissolution process.

Zielsetzung der ErfindungObject of the invention

Die Erfindung setzt sich zum Ziel, ein gattungsgemäßes, ringförmiges Werkzeug zu schaffen, welches im harten, Fels brechenden Betrieb eine erhöhte Einsatzdauer ermöglicht.The invention has for its object to provide a generic, annular tool, which allows an increased operating time in hard, rock-breaking operation.

Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Herstellung von ringförmigen Werkzeugen anzugeben, welche den jeweiligen Beanspruchungen entsprechend eine optimale Werkstoffstruktur aufweisen. Furthermore, it is an object of the invention to provide a method of the type mentioned for the production of annular tools, which according to the respective stresses have an optimal material structure.

Das oben genannte Ziel ein gattungsgemäßes, ringförmiges Werkzeug zu schaffen, welches im harten, Fels brechenden Betrieb eine erhöhte Einsatzdauer ermöglicht, wird erreicht, indem das Werkzeug aus einem Werkstoff besteht, welcher aus einer Matrixlegierung auf Eisenbasis mit in dieser eingelagerten Hartstoffteilchen gebildet ist. Die Hartstoffteilchen können dabei aus Karbid, Nitrid, Oxid oder Borid, aber auch als Verbindungen dieser, wie zum Beispiel als Karbonitrid, Karboborid oder Oxikarbonitrid mit Boranteil, ausgebildet sein. Je nach Anwendungsfall kann es von Vorteil sein, dass Mischungen dieser verschiedenen Arten von Hartstoffen im Werkzeug enthalten sind. Der Metallanteil in den Hartstoffteilchen kommt im Wesentlichen aus den Gruppen 4 und 5 des Periodensystems (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta), wobei auch hier nur einzelne Elemente aus diesen Gruppen oder auch Mischungen dieser in den Hartstoffen enthalten sein können. Gegenüber den vielfach in der Eisenmetallurgie verwendeten Hartstoffen, deren metallische Anteile aus der Gruppe 6 des Periodensystems kommen (z.B. Wolframkarbid), besitzen Hartstoffe aus Metallen der Gruppen 4 und 5 den Vorteil, dass diese bei in der Praxis gängigen Schmelz- und Gießtemperaturen von Eisenbasislegierungen mit bis zu 1650°C nur eine geringe Löslichkeit in einer Eisenbasisschmelze aufweisen. The above-mentioned object to provide a generic, annular tool, which allows in hard, rock-breaking operation an increased service life, is achieved by the tool consists of a material which is formed from an iron-based matrix alloy with embedded therein hard material particles. The hard material particles may be formed of carbide, nitride, oxide or boride, but also as compounds of these, such as carbonitride, carboboride or Oxikarbonitrid with boron content. Depending on the application, it may be advantageous that mixtures of these different types of hard materials are included in the tool. The metal content in the hard material particles essentially comes from groups 4 and 5 of the periodic table (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta), whereby here too only individual elements from these groups or mixtures thereof can be contained in the hard materials. Compared with the hard materials used in iron metallurgy, the metallic components of which come from Group 6 of the Periodic Table (eg tungsten carbide), have hard metals from Group 4 and 5 metals the advantage that this is common in practice melting and casting temperatures of iron-based alloys up to 1650 ° C have only a low solubility in a molten iron melt.

Es ist bekannt, dass Hartstoffe, die während der Erstarrung einer Eisenbasisschmelze und während der weiteren Abkühlung des daraus entstandenen Werkstücks gebildet bzw. ausgeschieden werden, bevorzugt eutektische Gefügestrukturen bilden oder sich an Korngrenzen ausscheiden. Die so ausgebildeten Hartstoffe können die Zähigkeit des Gefüges deutlich verringern. Der Vorteil der geringen Löslichkeit obiger Hartstoffe in einer Eisenbasisschmelze liegt nun darin, dass einerseits große Mengen dieser Hartstoffe als feste Partikel in der Schmelze enthalten sein können, wobei andererseits bei der Erstarrung der Schmelze und bei der weiteren Abkühlung des Werkstücks nur noch geringe Mengen an zusätzlichen Hartstoffteilchen im Gefüge gebildet bzw. ausgeschieden werden. Diese geringen Mengen an spröden Hartstoffen beeinflussen die Zähigkeit des Gefüges nur in einem geringen Maß negativ. Diese können die Zähigkeit aber sogar erhöhen, wenn die ausgeschiedenen Teilchen ausreichend fein sind, um ein Kornwachstum der Matrix während einer Wärmebehandlung zu verringern. It is known that hard materials which are formed or precipitated during the solidification of an iron base melt and during the further cooling of the resulting workpiece preferably form eutectic microstructures or precipitate at grain boundaries. The hard materials thus formed can significantly reduce the toughness of the structure. The advantage of the low solubility of the above hard materials in a molten iron melt lies in the fact that on the one hand large amounts of these hard materials may be contained as solid particles in the melt, on the other hand, only a small amount of additional amounts in the solidification of the melt and in the further cooling of the workpiece Hard material particles are formed or eliminated in the microstructure. These small amounts of brittle hard materials negatively affect the toughness of the structure only to a small extent. However, these can increase toughness even when the precipitated particles are sufficiently fine to reduce grain growth of the matrix during heat treatment.

Um eine hohe Verschleißfestigkeit und lange Einsatzzeit der Rollenmeißel zu erreichen, soll sowohl ein Mindestanteil von Hartstoffteichen im Gefüge vorliegen, als auch die Hartstoffteilchen derart inhomogen im Schneidring verteilt sein, dass sich ein hoher Anteil dieser im radial nach außen gerichteten Arbeitsbereich des Rollenmeißels befindet. Für einen als ausreichend angesehenen Volumenanteil des verschleißfesten Arbeitsbereiches von etwa 8 Volums-% (Vol-%), hat sich ein Hartstoffanteil von mindestens 5 Vol.-%, jeweils bezogen auf das gesamte Werkstück, als geeignet erwiesen. Mindestens 8 Vol-% Hartstoffteilchen sind notwendig, wenn schwere Arbeitsbedingungen für den Schneidring vorgesehen sind. Die mögliche Einsatzzeit der Rollenmeißel kann mit größerem Volumsanteil des Arbeitsbereiches erhöht werden. So kann der Anteil des Arbeitsbereiches bis auf etwa 25 Vol-% und darüber vergrößert werden, um lange Einsatzzeiten bei gleichzeitig schwierigen Einsatzbedingungen zu ermöglichen. In order to achieve a high wear resistance and long service life of the roller bits, both a minimum proportion of hard particles in the structure should be present as well as the hard particles are distributed inhomogeneous in the cutting ring so that there is a high proportion of these radially outwardly directed working area of the roller bit. For a volume fraction of the wear-resistant working range of about 8% by volume (% by volume) considered sufficient, a proportion of hard material of at least 5% by volume, based in each case on the entire workpiece, has proven suitable. At least 8% by volume of hard material particles are necessary if heavy working conditions are foreseen for the cutting ring. The possible service life of the roller bits can be increased with a larger volume proportion of the work area. Thus, the proportion of the work area can be increased to about 25% by volume and above, to allow long operating times in difficult operating conditions.

Die gewünschte Verteilung der Hartstoffteichen im Schneidring wird erreicht, wenn deren Dichte höher als die Dichte der Schmelze ist und diese sich damit im Schleudergussprozess nach außen bewegen. Versuche haben ergeben, dass bereits gute Ergebnisse erzielt werden, wenn die Dichte der Hartstoffteilchen bei Raumtemperatur größer als 7400kg/m3 beträgt. Eine gewünschte, hohe Konzentration der Hartstoffteichen im Arbeitsbereich wird erreicht, wenn diese bei Raumtemperatur eine Dichte größer als 7600 kg/m3 aufweisen. Hartstoffe mit dieser Dichte sind zum Beispiel Karbide, Nitride und Karbonitride von Niob, welche sich in Versuchen bewährt haben. Es hat sich auch gezeigt, dass ein geringer Zusatz von Vanadin zu diesen Niobhartstoffen das Wachstum und die Eigenschaften der Teilchen günstig beeinflussen können, jedoch mit Zusatz von Vanadin die Dichte der Teilchen abnimmt. Ein Verhältniss von Nb Atom-%/V Atom-% > 5 sollte bei Niob-Vanadin-Mischkarbiden, welche gegebenenfalls auch Karbonitride sein können, jedenfalls eingehalten werden. Höhere Konzentrationen dieser Teilchen im Arbeitsbereich werden mit einem Verhältnis Nb Atom-%/V Atom-% > 10 erreicht. The desired distribution of the hard material ponds in the cutting ring is achieved if their density is higher than the density of the melt and they move outward in the centrifugal casting process. Experiments have shown that good results are already achieved if the density of the hard material particles at room temperature is greater than 7400 kg / m 3 . A desired, high concentration of hard material ponds in the working area is achieved if they have a density greater than 7600 kg / m 3 at room temperature. Hard materials with this density are, for example, carbides, nitrides and carbonitrides of niobium, which have proven themselves in tests. It has also been shown that a slight addition of vanadium to these niobium hard materials can favorably influence the growth and the properties of the particles, but with the addition of vanadium the density of the particles decreases. A ratio of Nb atom -% / V atomic%> 5 should in any case be complied with for niobium-vanadium mixed carbides, which may optionally also be carbonitrides. Higher concentrations of these particles in the working range are achieved with a ratio Nb atom% / V atom%> 10.

Dem Fachmann ist bekannt, dass die Verschleißfestigkeit eines Gefüges nicht nur von der Härte der Matrix und der eingelagerten Hartstoffteilchen, sowie von deren Mengenverhältnis abhängig ist, sondern auch von der Größenverteilung der Hartstoffteilchen abhängt. Im Folgenden werden alle Gefügebestandteile als Matrix verstanden, die nicht die oben genannten Hartstoffteilchen sind. Sind die Hartstoffteilchen zu klein, so können diese im furchenden Verschleiß als ganze Teilchen aus der Matrix abgetragen werden, ohne die Verschleißfestigkeit besonders zu erhöhen. Sind die Teilchen jedoch zu groß, können diese unter der hohen Druckbelastung während des Fels brechenden Einsatzes brechen und dadurch ebenfalls die Verschleißfestigkeit nicht ausreichend erhöhen. Im vorliegenden Fall der Rollenmeißel hat sich gezeigt, dass beste Ergebnisse erzielt werden können, wenn mindestens 60 Vol-%, bevorzugt mindestens 75 Vol-% der Hartstoffteilchen mit einer Größe von kleiner als 70µm ausgeformt sind.It is known to the person skilled in the art that the wear resistance of a microstructure depends not only on the hardness of the matrix and the embedded hard material particles, but also on their quantitative ratio, but also on the size distribution of the hard material particles. In the following, all structural constituents are understood as a matrix, which are not the above-mentioned hard material particles. If the particles of hard material are too small, they can be removed from the matrix in the form of entire particles as a result of their fearsome wear, without particularly increasing the wear resistance. However, if the particles are too large, they may break under the high pressure load during the rock-breaking operation and thereby also not increase the wear resistance sufficiently. In the present case the roller chisel has It has been shown that best results can be achieved if at least 60% by volume, preferably at least 75% by volume, of the hard material particles having a size of less than 70 μm are formed.

Neben den Eigenschaften der Hartstoffteilchen sind auch die Eigenschaften der Matrix von entscheidender Bedeutung um eine hohe Verschleißfestigkeit im Arbeitsbereich der Rollenmeißel zu erreichen. Insbesondere sind die Eigenschaften der Matrix entscheidend, um eine ausreichende Zähigkeit des Gefüges sowohl im Arbeitsbereich, als auch im Spannbereich, zu ermöglichen. Die Eigenschaften der Matrix werden vor allem durch deren chemische Zusammensetzung und durch eine mögliche Wärmebehandlung begründet. Kohlenstoff ist das wichtigste Legierungselement und beeinflusst vor allem die Härtbarkeit des Stahls, wobei etwa 0,28% C als untere Grenze für eine ausreichende Härtbarkeit des Stahls für den vorliegenden Einsatzzweck angesehen wird. Bei einem Kohlenstoffgehalt von über 1,2% in der Matrix kann sich ein Karbidnetzwerk im Gefüge ausbilden, welches die Zähigkeit desselben reduziert. Silizium erhöht die Festigkeit und die Verschleißbeständigkeit aber auch die Gießbarkeit der Schmelze, sollte jedoch 2% in der Matrix nicht überschreiten. Mangan setzt die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit zur Bildung des Martensits herab und ermöglicht bei ausreichender Menge von bis zu 2% eine Lufthärtung der Schneidringe. Durch höhere Mangangehalte bis zu 25% kann die Löslichkeit von Kohlenstoff im Austenit deutlich erhöht werden und die Umwandlungseigenschaften des Austenits bei Abkühlung oder mechanischer Beanspruchung beeinflusst werden. Bei Mangangehalten bis 25% kann der Kohlenstoffanteil in der Matrix auch bis zu 2,3% betragen. Wie Mangan erhöht auch Chrom die Härtbarkeit des Stahls und bildet sekundäre und tertiäre Karbide, welche aus dem Austenit ausgeschieden werden und die Verschleißfestigkeit erhöhen, wobei zu hohe Chromgehalte zu einem Chromkarbidnetzwerk im Gefüge führen. Der Chromgehalt sollte deshalb nicht höher als 6,0% liegen. Nickel begünstigt ebenfalls wie Mangan und Chrom die Martensitbildung und erhöht zusätzlich die Zähigkeit der Matrix. Für Nickel erscheint ein Gehalt von 2,5% als obere Grenze in der Matrix zur Erreichung der notwendigen Eigenschaften als ausreichend. Zur Einstellung einer geringen kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit hat sich eine Kombination von Mn, Cr und Ni bewehrt. Molybdän erhöht bis zu etwa 2,2% die Festigkeit der Matrix und erhöht durch die Bildung von Karbiden die Verschleißfestigkeit. Wolfram bildet zusammen mit Nb und V Mischkarbide sowie Mischnitride und kann damit die Dichte dieser Hartstoffe erhöhen. Der Gehalt an W in der Schmelze ist jedoch so einzustellen, dass nach dem Ausschleudern der primär gebildeten Hartstoffe in der Matrix nur mehr eine Gehalt von max. 1,5% enthalten ist, da ansonsten zusammen mit Mo ein Netzwerk aus W-Mo-Mischkarbiden entstehen kann. Aus diesem Grund soll auch 1,5 × Mo + W nicht mehr als 3,5% betragen. Durch die hohe Affinität von Nb und V zu C bzw. N bleiben von diesen in der Matrix nur geringe Mengen von unter max. 0,8% zurück. So wie Nb und V verbleiben auch von Ti, Zr, Hf und Ta nur geringen Mengen in der Matrix. Kobalt kann zur Erhöhung der Warmfestigkeit bei besonders hoch beanspruchten Schneidringen bis zu einem Gehalt von 3% in der Matrix enthalten sein. Zur Desoxidation wird der Schmelze oft Al hinzugefügt, welches nach der Erstarrung noch teilweise in der Matrix gelöst bleiben kann. Durch höhere Gehalte an Al kann die Dichte der Schmelze herabgesetzt und damit der Dichteunterschied zu den Hartstoffteilchen erhöht werden. Ein Al-Anteil von bis zu 3% in der Matrix ist möglich.In addition to the properties of the hard material particles, the properties of the matrix are of crucial importance in order to achieve high wear resistance in the working area of the roller bits. In particular, the properties of the matrix are crucial in order to allow a sufficient toughness of the structure both in the working area, as well as in the clamping area. The properties of the matrix are mainly based on their chemical composition and possible heat treatment. Carbon is the most important alloying element and above all affects the hardenability of the steel, with about 0.28% C being considered as the lower limit for sufficient hardenability of the steel for the present application. With a carbon content of more than 1.2% in the matrix, a carbide network can form in the structure which reduces its toughness. Silicon increases the strength and wear resistance as well as the castability of the melt, but should not exceed 2% in the matrix. Manganese reduces the critical cooling rate to form the martensite and, with a sufficient amount of up to 2%, enables air-hardening of the cutting rings. Higher manganese contents of up to 25% can significantly increase the solubility of carbon in austenite and influence the transformation properties of the austenite during cooling or mechanical stress. With manganese contents up to 25%, the carbon content in the matrix can also be up to 2.3%. Like manganese, chromium also increases the hardenability of the steel and forms secondary and tertiary carbides which are precipitated from the austenite and increase wear resistance, with excessive chromium contents resulting in a chromium carbide network in the structure. The chromium content should therefore not be higher than 6.0%. Like manganese and chromium, nickel also promotes martensite formation and, in addition, increases the toughness of the matrix. For nickel, a content of 2.5% appears as an upper limit in the matrix to achieve the necessary properties as sufficient. To set a low critical cooling rate, a combination of Mn, Cr and Ni has been demonstrated. Molybdenum increases the strength of the matrix up to about 2.2% and increases the wear resistance through the formation of carbides. Tungsten forms together with Nb and V mixed carbides and mixed nitrides and can thus increase the density of these hard materials. However, the content of W in the melt is adjusted so that after ejection of the primary hard materials formed in the matrix only a content of max. 1.5%, since otherwise a network of W-Mo mixed carbides may be formed together with Mo. For this reason, 1.5 × Mo + W should not exceed 3.5%. Due to the high affinity of Nb and V to C or N of these in the matrix remain only small amounts of less than max. 0.8% back. Like Nb and V, Ti, Zr, Hf, and Ta also remain low in the matrix. Cobalt may be included in the matrix to increase the high temperature strength of highly stressed cutting rings up to a content of 3%. For the deoxidation of the melt is often added to Al, which can remain partially dissolved in the matrix after solidification. Higher levels of Al can reduce the density of the melt and thus increase the density difference to the hard material particles. An Al content of up to 3% in the matrix is possible.

Als Basiszusammensetzung für die Matrix eignen sich besonders die Legierungen der legierten Werkzeugstähle, wie sie in der Norm DIN 10020 beschrieben sind. Es können sowohl Kaltarbeitsstähle, Warmarbeitsstähle und Schnellarbeitsstähle als Basiszusammensetzung für die Matrix verwendet werden. Zur Vermeidung von eutektischen Karbiden ist es bei den Schnellarbeitstählen zum Teil notwendig, den Kohlenstoffgehalt gegenüber der Normzusammensetzung zu reduzieren. Mit diesen Matrixlegierungen kann durch eine geeignete Wärmebehandlung, welche im Allgemeinen aus einem Härtevorgang und einem Anlassvorgang besteht, die für einen störungsfreien Einsatz der Schneidringe benötigte Härte von mindestens 44HRC erreicht werden. Es hat sich gezeigt, dass eine besonders gute Verschleißfestigkeit erreicht wird, wenn die Matrix der Schneidringe eine Härte von 50HRC und darüber aufweist. Diese Härte wird benötigt, wenn in harten, besonders verschleißenden Gesteinsformationen gebohrt wird. Die Wärmebehandlung der Schneidringe ist immer auf den besonderen Einsatzfall der Anwendung anzupassen, um ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Härte und Zähigkeit des Gefüges zu erreichen. As a base composition for the matrix are particularly the alloys of alloyed tool steels, as described in the Standard DIN 10020 are described. Both cold work tool steels, hot work tool steels and high speed steels can be used as the base composition for the matrix. To avoid eutectic carbides, it is sometimes necessary to reduce the carbon content of the high-speed steels compared to the standard composition. With these matrix alloys, by a suitable heat treatment, which generally consists of a hardening process and a tempering process, the hardness required for a trouble-free use of the cutting rings of at least 44HRC can be achieved. It has been found that a particularly good wear resistance is achieved if the matrix of the cutting rings has a hardness of 50HRC and above. This hardness is required when drilling in hard, particularly abrasive rock formations. The heat treatment of the cutting rings must always be adapted to the particular application of the application in order to achieve a balance between hardness and toughness of the structure.

Wird die Matrixzusammensetzung entsprechend eines Manganhartstahls gewählt, so kann der Vorteil eines besonders zähen und schlagfesten Grundgefüges zusammen mit einer durch Druck verfestigenden und damit verschleißfesten Oberfläche genutzt werden. In „Houdremont, Handbuch der Sonderstahlkunde, Springer Verlag, 1956“ und anderen Literaturen werden derartige Manganhartstähle, die nach ihrem Erfinder auch Hadfield-Stähle genannt werden und nach ihrem Gefüge Austenitische Manganwerkzeugstähle sind, beschrieben. Diese Stähle besitzen einen Mangangehalt von etwa 8 Gew.-% bis 15 Gew-%, in Ausnahmefällen 6 bis 25 Gew.-%, und einem Kohlenstoffgehahalt von etwa 0,8 bis 2,3 Gew.-%. Das Verhältnis von Gew.-% Mn zu Gew.-% C liegt bei etwa 10:1. Manganhartstähle zeichnen sich nach einer entsprechenden Wärmebehandlung dadurch aus, dass ihr Gefüge aus einem metastabilen, sehr zähen Austenit besteht. Durch Druckbeanspruchung der Oberfläche kann der metastabile Austenit in einen harten und verschleißfesten Martensit umwandeln, wodurch man einen Bauteil mit harter Oberfläche und zähem Kern erhält. Je nach Anteil von Mn und C im Stahl und deren Mengenverhältnis zueinander, kann das Umwandlungsverhalten beeinflusst werden. Zur Bildung der harten, martensitischen Oberfläche kann alleine die Belastung während des Einsatzes ausreichen. Reicht die Druckbelastung während des Einsatzes nicht aus, um die benötigte Umwandlung des Gefüges im Bereich der Oberfläche hervorzurufen, so kann der zu härtende Oberflächenbereich zum Beispiel durch Hämmern oder eine andere mechanische Behandlung bereits vor dem Einsatz gehärtet werden. Die Zusammensetzung der Matrixlegierung kann auch so eingestellt werden, dass die Oberfläche oder der gesamte Werkzeugkörper durch eine Abkühlung unterhalb der Raumtemperatur, vorzugsweise mittels flüssigem Stickstoff, wenigstens teilweise in Martensit umgewandelt werden kann.If the matrix composition is selected according to a manganese-hard steel, the advantage of a particularly tough and impact-resistant basic structure together with a pressure-hardening and therefore wear-resistant surface can be utilized. In "Houdremont, Handbuch der Sonderstahlkunde, Springer Verlag, 1956" and other literatures, such manganese hard steels, which according to their inventor are also called Hadfield steels and whose structure is austenitic manganese tool steels, are described. These steels have a manganese content of about 8 wt% to 15 wt%, exceptionally 6 to 25 wt%, and a carbon content of about 0.8 to 2.3 wt%. The ratio of wt% Mn to wt% C is about 10: 1. Manganese hard steels are characterized by a corresponding heat treatment in that their structure of a metastable, very tough austenite. By compressing the surface, the metastable austenite can be transformed into a hard and wear-resistant martensite, yielding a hard-surfaced, tough-core component. Depending on the proportion of Mn and C in the steel and their quantitative ratio to each other, the conversion behavior can be influenced. For the formation of the hard, martensitic surface alone, the stress during use may be sufficient. If the pressure load during use is insufficient to cause the required transformation of the microstructure in the area of the surface, then the surface area to be hardened can be hardened, for example by hammering or another mechanical treatment, before use. The composition of the matrix alloy can also be adjusted so that the surface or the entire tool body can be at least partially converted into martensite by a cooling below room temperature, preferably by means of liquid nitrogen.

Es können oben beschriebene Rollenmeißel oder ähnliche ringförmige Werkzeuge, welche mindestens einen radial nach außen gerichteten Arbeitsbereich und einen achsnäheren Spannteil enthalten, und aus einer Eisenbasislegierung als Matrix, in welcher Hartstoffteilchen, wie Karbide und/oder Nitride und/oder Karbonitride und/oder Boride, gegebenenfalls in Mischform der Elemente der Gruppen 4 und/oder 5 des Periodensystems eingelagert sind, bestehen hergestellt werden, in dem in einem ersten Schritt eine Basislegierung, zum Beispiel in einem Induktionsofen, erschmolzen und auf eine Temperatur von 1350°C bis 1630°C erwärmt wird. Diese Basisschmelze dient dazu, die meisten Legierungselemente für die spätere fertige Legierung in die Schmelze einzubringen. Die Basisschmelze kann je nach gewünschter Matrixzusammensetzung und je nach Wahl der Ausführung des darauf folgenden zweiten Schritts folgende Zusammensetzung in Gew.-% aufweisen: Kohlenstoff (C) bis 2.5 Silicium (Si) 0.01 bis 3.0 Mangan (Mn) 0.05 bis 28.0 Chrom (Cr) bis 9.0 Nickel (Ni) bis 4.3 Molybdän (Mo) bis 3.5 Wolfram (W) bis 2.2 (1.5 × Mo + W) bis 5.1 Vanadin (V) bis 6.0 Niob (Nb) bis 35.0 Aluminium (Al) bis 3.5 gegebenenfalls Titan (Ti) bis 2.0 Zirkon (Zr) bis 3.0 Hafnium (Hf) bis 1.0 Tantal (Ta) bis 5.0 Kobalt (Co) bis 3.5 Eisen (Fe) und Verunreinigungselemente als Rest.Roller bits or similar annular tools described above, which contain at least one radially outwardly directed working area and an axially closer clamping part, and of an iron-based alloy as a matrix, in which hard material particles, such as carbides and / or nitrides and / or carbonitrides and / or borides, optionally incorporated in a mixed form of the elements of groups 4 and / or 5 of the periodic table, are made in which in a first step, a base alloy, for example in an induction furnace, melted and heated to a temperature of 1350 ° C to 1630 ° C. becomes. This base melt is used to bring most of the alloying elements for the subsequent finished alloy in the melt. Depending on the desired matrix composition and, depending on the choice of execution of the subsequent second step, the base melt may have the following composition in% by weight: Carbon (C) to 2.5 Silicon (Si) 12:01 to 3.0 Manganese (Mn) 12:05 to 28.0 Chrome (Cr) to 9.0 Nickel (Ni) to 4.3 Molybdenum (Mo) to 3.5 Tungsten (W) to 2.2 (1.5 × Mo + W) to 5.1 Vanadin (V) to 6.0 Niobium (Nb) to 35.0 Aluminum (Al) to 3.5 possibly Titanium (Ti) to 2.0 Zircon (Zr) to 3.0 Hafnium (Hf) to 1.0 Tantalum (Ta) to 5.0 Cobalt (Co) to 3.5 Iron (Fe) and impurity elements as rest.

Sind in der Basisschmelze bereits die metallischen Anteile der später zu bildenden Hartstoffteilchen enthalten (Elemente aus den Gruppen 4 und 5) und wird gleichzeitig der Anteil an C, N und B möglichst gering gehalten, so werden in einem zweiten Schritt Kohlenstoff und/oder Stickstoff und/oder Bor in die Basisschmelze eingebracht, worauf sich diese Elemente mit den bereits in der Basisschmelze befindlichen Elementen der Gruppe 4 und/oder 5 des Periodensystems zu Hartstoffteilchen, welche eine höhere Dichte als die Schmelze besitzen, verbinden. Die gebildeten Hartstoffe besitzen die Struktur Mx(C + N + B)y, wobei der Summenanteil aus Kohlenstoff, Stickstoff und Bor in den gebildeten Hartstoffen zwischen 0.4 und 0.55 Atomanteile beträgt, bzw. das Verhältnis x:y liegt zwischen 1.5 und 0.8. Die Menge an zulegiertem Kohlenstoff ist derart zu wählen, dass in der Restschmelze ein Kohlenstoffgehalt von 0.3 bis 2.3 Gew-% C verbleibt. Damit steht bei der nachträglichen Wärmebehandlung ausreichend Kohlenstoff für die Bildung von Martensit in der Matrix zur Verfügung. Die Menge der anderen Legierungselemente, ausgenommen die der 4. und 5. Gruppe, richtet sich nach den gewünschten Eigenschaften der die Hartstoffteilchen umgebenden Matrix, wobei die Ausbildung eines eutektischen Karbidnetzwerks zur Erreichung einer möglichst hohen Zähigkeit vermieden werden soll. Besonderes Augenmerk ist hier auch auf die Wärmebehandlungseigenschaften der Matrix zu legen.If the metallic constituents of the hard material particles to be formed later are already contained in the base melt (elements from groups 4 and 5) and at the same time the proportion of C, N and B is kept as low as possible, in a second step carbon and / or nitrogen and Boron or introduced into the base melt, whereupon these elements with the already in the base melt elements of Group 4 and / or 5 of the Periodic Table to Hardstoffteilchen, which have a higher density than the melt connect. The hard materials formed have the structure M x (C + N + B) y , wherein the sum of carbon, nitrogen and boron in the hard materials formed is between 0.4 and 0.55 atomic components, or the ratio x: y is between 1.5 and 0.8. The amount of alloyed carbon is to be selected such that a carbon content of 0.3 to 2.3 wt% C remains in the residual melt. This provides sufficient carbon for the formation of martensite in the matrix during the subsequent heat treatment. The amount of the other alloying elements, except those of the 4th and 5th group, depends on the desired properties of the matrix surrounding the hard material particles, wherein the formation of a eutectic carbide network to achieve the highest possible toughness should be avoided. Particular attention should be paid here to the heat treatment properties of the matrix.

Eine rasche Bildung der Hartstoffe bei gleichzeitig geringem Verschleiß des Schmelzgefäßes ergibt sich, wenn die Temperatur der Basisschmelze zwischen 1550°C und 1630°C gehalten wird. Das Zulegieren von Kohlenstoff, Stickstoff und Bor kann durch feste Stoffe wie zum Beispiel Koks, Ferrochrom mit hohem Kohlenstoffgehalt, Siliziumkarbid, Ferrostickstoff und Ferrobor oder durch Zugabe von Kohlenstoff und/oder Stickstoff und/oder Bor enthaltenden Schmelzen oder Gase erfolgen. Diese Komponente oder Komponenten kann oder können auch andere Legierungselemente enthalten. Je nach Kohlenstoff-, Stickstoff- und Borgehalt der zugefügten Komponente oder Komponenten, können sehr große Mengen von diesen notwendig sein, um den gewünschten Kohlenstoff-, Stickstoff- und Boranteil in der fertigen Schmelze zu erreichen. Die Menge der zugefügten Kohlenstoff-, Stickstoff- und Borträger kann damit auch deutlich größer sein, als die Menge der Basisschmelze, womit die Legierungselementanteile in der Basisschmelze sehr hohe Gehalte annehmen können, z.B. Niob bis zu 35 Gew-%. A rapid formation of hard materials with low wear of the melting vessel is obtained when the temperature of the base melt is maintained between 1550 ° C and 1630 ° C. The alloying of carbon, nitrogen and boron can be carried out by solid substances such as coke, high carbon ferrochrome, silicon carbide, ferro-nitrogen and ferroboron or by addition of carbon and / or nitrogen and / or boron-containing melts or gases. This component or components may or may also contain other alloying elements. Depending on the carbon, nitrogen and boron content of the added component or components, very large amounts of these may be necessary to achieve the desired carbon, nitrogen and boron levels in the final melt. The amount The added carbon, nitrogen and boron carriers can thus be significantly greater than the amount of base melt, with which the alloying element shares in the base melt can assume very high levels, eg niobium up to 35% by weight.

Das Erschmelzen einer an den Elementen der 4. und/oder 5. Hauptgruppe reichen Legierung mit geringen Gehalten an Kohlenstoff, Stickstoff und Bor hat den Vorteil, dass sich die Ferrolegierungen, über welche im allgemeinen die Elemente der 4. und 5. Gruppe legiert werden, schnell auflösen. Bei zu hohen Gehalten an Kohlenstoff, Stickstoff und Bor in der Schmelze kann sich auf der Oberfläche der eingesetzten Ferrolegierungsstücke eine Hartstoffschicht bilden, welche die Auflösung stark behindert. Es hat sich in Versuchen gezeigt, dass der Anteil an Kohlenstoff in der Basisschmelze im obigen Fall kleiner als 0.6 Gew.-% sein soll.The melting of an alloy comprising elements of the 4th and / or 5th main group with low contents of carbon, nitrogen and boron has the advantage that the ferroalloys, by way of which the elements of the 4th and 5th groups are generally alloyed , dissolve quickly. If the contents of carbon, nitrogen and boron in the melt are too high, a layer of hard material can form on the surface of the ferro alloy pieces used, which severely hampers the dissolution. It has been shown in experiments that the proportion of carbon in the base melt in the above case should be less than 0.6 wt .-%.

Es ist auch möglich, im ersten Schritt die Zusammensetzung der Basisschmelze derart einzustellen, dass diese die Elemente zur Bildung der Hartstoffteilchen nicht enthält und im zweiten Schritt die Hartstoffteilchen, mittels einer festen oder flüssigen, metallischen Vorschmelze bzw. mittels einer dergleichen Mischung aus Metall und Hartstoffteilchen, zugegeben und in der Basisschmelze homogen verteilt werden. Diese Hartsoffteilchen können Karbide und/oder Nitride und/oder Oxikarbonitride und/oder Boride, gegebenenfalls als Karbonitride und/oder Oxikarbonitride mit Boranteilen, mindestens eines der Elemente oder in Mischform der Elemente der Gruppen 4 und 5 des Periodensystems sein. Die homogene Verteilung der Hartstoffteilchen in der Basisschmelze kann durch mechanische Verfahren, zum Beispiel durch Rühren, oder auch durch das Einblasen von Gasen im unteren Bereich des Schmelzgefäßes unterstützt werden. It is also possible in the first step to adjust the composition of the base melt such that it does not contain the elements for forming the hard material particles and in the second step the hard material particles, by means of a solid or liquid, metallic pre-melt or by means of a similar mixture of metal and hard material particles , added and homogeneously distributed in the base melt. These hard particles may be carbides and / or nitrides and / or oxycarbonitrides and / or borides, optionally as carbonitrides and / or oxycarbonitrides with borane moieties, at least one of the elements or in a mixed form of the elements of groups 4 and 5 of the periodic table. The homogeneous distribution of the hard material particles in the base melt can be assisted by mechanical processes, for example by stirring, or also by the injection of gases in the lower region of the melting vessel.

Je nach Schmelzenzusammensetzung und Zusammensetzung der gebildeten oder eingebrachten Hartstoffteilchen kann es von Vorteil sein, zum Beispiel um eine Oxidation von Bestandteilen in der Schmelze zu verhindern, die Verfahrensschritte 1 und/oder 2 im gesamten oder auch nur teilweise unter einer Schutzgasatmosphäre oder unter vermindertem Umgebungsdruck durchzuführen.Depending on the composition of the composition and the composition of the hard particles formed or incorporated, it may be advantageous, for example to prevent oxidation of constituents in the melt, the method steps 1 and or 2 in the whole or even partially under a protective gas atmosphere or under reduced ambient pressure.

Nach der homogenen Verteilung der Hartstoffteilchen im zweiten Schritt wird die Matrixschmelze mit den darin enthaltenen Hartstoffteilchen in einem dritten Schritt in eine rotierende Kokille gegossen und erstarren gelassen. Hervorgerufen durch die Rotationsbewegung um die Längsachse der Kokille und die dadurch auf die Schmelze und die Hartstoffteilchen wirkende Zentrifugalkraft, wandern die Hartstoffteilchen nach außen in den späteren Arbeitsbereich des Rollenmeißels, wo sie eine an Hartstoffen sehr reiche Gefügestruktur bilden. Gleichzeitig bildet sich im Innenbereich eine Gefügestruktur, welche nur geringe Gehalte an den primär ausgeschiedenen oder eingebrachten Hartstoffen besitzt. Der sich ergebende Anteil an Hartstoffen im Außenbereich wird vorwiegend durch die Verfahrensparameter Drehzahl der Kokille, dem Dichteunterschied zwischen den Hartstoffteilchen und der Schmelze, der Größenverteilung der Hartstoffteilchen und der Abkühlungsgeschwindigkeit der Schmelze in der sich drehenden Kokille bestimmt. Um eine hohe Konzentration an Hartstoffteilchen im Außenbereich und damit eine hohe Verschleißfestigkeit zu erreichen, sollte die Drehzahl der Kokille und damit die auf die Schmelze und auf die Hartstoffteilchen wirkende Zentrifugalbeschleunigung möglichst hoch sein. Zentrifugalbeschleunigungen vom 700 m/s2 und darüber, gemessen am Außendurchmesser des Gussstücks, haben sich bewährt. Ein hoher Dichteunterschied zwischen den Hartstoffteilchen und der Schmelze kann vor allem durch hohe Anteile an Niobium, Tantal und Hafnium in den Hartstoffen erreicht werden. Aus Kostengründen haben sich besonders an Niobium reiche Hartstoffe, insbesondere Niobium-Vanadin-Mischkarbide, zur Erreichung eines hohen Hartstoffanteils als günstig erwiesen. Die im zweiten Schritt ausgeschiedenen oder zugegebenen Hartstoffteilchen sollen jedenfalls eine Dichte aufweisen, die größer ist als jene der Matrixschmelze bei einer Temperatur 50°C über deren Liquidustemperatur.After the homogeneous distribution of the hard material particles in the second step, the matrix melt with the hard material particles contained therein is poured in a third step into a rotating mold and allowed to solidify. Caused by the rotational movement about the longitudinal axis of the mold and thereby acting on the melt and the hard particles centrifugal force, the hard particles migrate outward into the later work area of the roller bit, where they form a very rich in hard materials microstructure. At the same time, a microstructure forms in the interior, which has only small contents of the primary precipitated or introduced hard materials. The resulting proportion of exterior hard materials is determined predominantly by the process parameters of the speed of the mold, the density difference between the hard material particles and the melt, the size distribution of the hard material particles and the cooling rate of the melt in the rotating mold. In order to achieve a high concentration of hard material particles in the outer region and thus a high wear resistance, the speed of the mold and thus the force acting on the melt and on the hard particles centrifugal acceleration should be as high as possible. Centrifugal accelerations of 700 m / s 2 and above, measured at the outer diameter of the casting, have been proven. A high density difference between the hard material particles and the melt can be achieved above all by high proportions of niobium, tantalum and hafnium in the hard materials. For cost reasons, niobium-rich hard materials, in particular niobium-vanadium mixed carbides, have proven to be favorable for achieving a high proportion of hard material. In any case, the hard-substance particles precipitated or added in the second step should have a density which is greater than that of the matrix melt at a temperature of 50 ° C. above its liquidus temperature.

Die Wanderung der Hartstoffteilchen nach außen benötigt je nach Abmessung des Gussstücks unterschiedliche Zeit und zur Erreichung einer maximal möglichen Konzentration an Hartstoffen im Außengefüge sollte die Zeit zwischen dem Eingusszeitpunkt der Schmelze in die Kokille und der Erstarrung der Schmelze möglichst groß sein. Das Vorwärmen der Kokille auf mehrer 100°C kann hier leichte Vorteile bringen. Besonders stark kann die Erstarrungsgeschwindigkeit herabgesetzt werden, wenn die Kokille als ganzes oder in Teilen, welche dem Gussstück zugewandt sind, aus einem Material besteht, welches die Wärme nur sehr schlecht leitet. Hier sind vor allem Quarzsand und Formstoffe auf Basis von Aluminium-Silikat-Keramik zu nennen. Auch eine Wärmeisolierende Beschichtung auf keramischer Basis oder Kohlenstoffbasis auf der Innenseite der Kokille bringt hier Vorteile. The migration of the hard material particles to the outside requires different time depending on the dimension of the casting and to achieve a maximum possible concentration of hard materials in the outer structure, the time between the time of pouring the melt into the mold and the solidification of the melt should be as large as possible. Preheating the mold to several 100 ° C can bring slight benefits here. The speed of solidification can be particularly reduced if the mold as a whole or in parts facing the casting is made of a material which conducts the heat very poorly. Above all, quartz sand and molded materials based on aluminum-silicate ceramics should be mentioned here. A heat-insulating ceramic-based or carbon-based coating on the inside of the mold also brings advantages here.

Nach dem Abguss des Rohlings kann dieser, um die Spannungen im Ring niedrig zu halten, mit einer Temperatur von bis zu 1000°C aus der Kokille entnommen werden, in einem Ofen die Temperatur über den gesamten Ring ausgeglichen und danach derart langsam abgekühlt werden, dass das Matrixgefüge bei Raumtemperatur in einem weichen Zustand vorliegt. Die Abkühlungsgeschwindigkeit richtet sich hier nach der Legierungszusammensetzung der Matrix. Wenn es die späteren Einsatzbedingungen des Rollenmeißels erfordern, z.B. das Bohren in besonders hartem Gestein, so kann nach dem Ausleeren des Rohlings aus der Kokille dieser in einem Ofen auf die geeignete Schmiedetemperatur gebracht werden und dieser danach im Gesenkschmiedeverfahren in einer oder mehreren Stufen plastisch verformt werden. Durch diesen Vorgang lässt sich die Zähigkeit des Gefüges deutlich erhöhen. An den Schmiedevorgang schließt dann die kontrollierte Abkühlung auf Raumtemperatur an. Danach kann der Rohling mechanisch durch z.B. Drehen vorbearbeitet werden, worauf eine Wärmebehandlung des Rings folgt. Diese kann, im Falle einer Matrixzusammensetzung ähnlich eines Werkzeugstahls, aus einem Härtevorgang und mindestens einem Anlassvorgang bestehen. Bei einer Matrixzusammensetzung ähnlich einem Manganhartstahl erfolgt im Allgemeinen nach einer Glühbehandlung eine rasche Abkühlung, um ein metastabiles, austenitisches Gefüge zu erreichen. Nach der Wärmebehandlung folgt die mechanische Fertigbearbeitung des Schneidringes durch z.B. Drehen und/oder Schleifen.After the blank has been cast, it can be removed from the mold at a temperature of up to 1000 ° C. in order to keep the stresses in the ring low, the temperature can be equalized over the entire ring in an oven and then cooled down so slowly that the matrix structure is in a soft state at room temperature. The cooling rate depends here on the alloy composition of the matrix. If the later conditions of use of the roller chisel require it, eg drilling into particularly hard rock, so after emptying the blank from the mold this can be brought in an oven to the appropriate forging temperature and this are then plastically deformed in the drop forging process in one or more stages. Through this process, the toughness of the structure can be significantly increased. The forging process then includes the controlled cooling to room temperature. Thereafter, the blank can be mechanically preprocessed by, for example, turning, followed by heat treatment of the ring. This may, in the case of a matrix composition similar to a tool steel, consist of a hardening process and at least one annealing process. In the case of a matrix composition similar to a manganese-hard steel, a rapid cooling generally takes place after an annealing treatment, in order to achieve a metastable, austenitic structure. After the heat treatment, the mechanical finishing of the cutting ring is followed by, for example, turning and / or grinding.

Anschließend wird die Erfindung anhand eines ausgeführten Beispiels beschrieben.Subsequently, the invention will be described with reference to an example carried out.

Eine Vorschmelze mit 0.28%C, 1.3% Si, 0.9% Mn, 1.34% Cr, 2.2%Ni, 0.1% Mo, 0.8% V und 10.0% Nb wurde in einem Induktionsofen erschmolzen, auf eine Temperatur von 1590°C gebracht, bei dieser Temperatur für 5 Minuten gehalten und dann bei gleichbleibender Temperatur mit Petrolkoks auf einen Kohlenstoffgehalt von 2.35% gebracht. Nach dem Aufkohlen wurde die Temperatur der fertigen Schmelze auf 1570°C abgesenkt, dort 3 Minuten gehalten und danach in einem Schleudergussprozess abgegossen. Als Schleudergusskokille wurde eine Stahlkokille verwendet, in welche ein Kern aus gebundenem Siliziumdioxid eingelegt wurde. Dieser Kern wurde zuvor auf der Innenfläche mit 1mm dicker Schlichte auf Zirkonoxydbasis beschichtet. Das Gussstück wurde bei ca. 800°C aus der Kokille entnommen und nach einer Ausgleichsphase von 60min im Ofen in diesem auf Raumtemperatur abgekühlt, danach vorbearbeitet und durch Härten und zweimaliges Anlassen auf eine Härte von 53 HRC im Spannbereich gebracht.A pre-melt with 0.28% C, 1.3% Si, 0.9% Mn, 1.34% Cr, 2.2% Ni, 0.1% Mo, 0.8% V and 10.0% Nb was melted in an induction furnace, brought to a temperature of 1590 ° C at maintained at this temperature for 5 minutes and then brought to a carbon content of 2.35% with petroleum coke at the same temperature. After carburizing the temperature of the finished melt was lowered to 1570 ° C, held there for 3 minutes and then poured in a centrifugal casting process. As a centrifugal casting mold, a steel mold was used, in which a core of bonded silica was inserted. This core was previously coated on the inside surface with 1mm thick zirconia base size. The casting was removed at about 800 ° C from the mold and after a compensation phase of 60min in the oven in this cooled to room temperature, then preprocessed and brought by hardening and two tempering to a hardness of 53 HRC in the clamping range.

1 zeigt exemplarisch einen aufgeschnittenen ringförmigen Rollenmeißel 1 mit dem Querschnitt 2. Der mit Hartstoffteilchen angereicherte Teil 3 beinhaltet den am Außendurchmesser des Ringes 1 liegenden Arbeitsbereich 4. Der Spannbereich 5 liegt am Innendurchmesser des Ringes 1 und enthält nur einen geringen Anteil an Hartstoffen. 1 shows an example of a cut annular roller chisel 1 with the cross section 2 , The enriched with hard particles Part 3 includes the outside diameter of the ring 1 lying work area 4 , The clamping range 5 lies on the inner diameter of the ring 1 and contains only a small proportion of hard materials.

2 zeigt exemplarisch das Gefüge im Arbeitsbereich 4, wobei die Hartstoffteilchen hell und die Matrix dunkel abgebildet sind. Der Hartstoffanteil beträgt ca. 20%. 2 shows an example of the structure in the work area 4 , where the hard material particles are bright and the matrix is darkened. The hard material content is about 20%.

3 zeigt zum Vergleich das Gefüge im Spannbereich 5 mit einem nur geringen Anteil an Hartstoffen. 3 shows for comparison the microstructure in the clamping area 5 with only a small proportion of hard materials.

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  • Norm DIN 10020 [0017] Standard DIN 10020 [0017]

Claims (7)

Ringförmiges Werkzeug (1) mit mindestens einem radial nach außen gerichteten Arbeitsbereich (4) mit hoher Verschleißfestigkeit und einem achsnäheren Spannteil (5), insbesondere Rollenmeißel bzw. Schneidring für Gestein, insbesondere für Tunnelbohrmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug aus einem Werkstoff besteht, welcher aus einer Eisenbasislegierung als Matrix mit eingelagerten Hartstoffteilchen gebildet ist, wobei die Hartstoffteilchen aus Karbid und/oder Nitrid und/oder Oxid und/oder Borid, gegebenenfalls als Karbonitrid oder Oxikarbonitrid mit Boranteil mindestens eines der Elemente, oder in Mischform der Elemente, der Gruppen 4 und 5 des Periodensystems, gebildet sind und eine Dichte bei Raumtemperatur von größer 7400 kg/m3, vorzugsweise von größer 7600 kg/m3, aufweisen.Ring-shaped tool ( 1 ) with at least one radially outwardly directed working area ( 4 ) with high wear resistance and an axially closer clamping part ( 5 ), in particular roller bit or cutting ring for rock, in particular for tunnel boring machines, characterized in that the tool consists of a material which is formed from an iron-based alloy as a matrix with embedded hard material particles, wherein the hard material particles of carbide and / or nitride and / or oxide and / or boride, optionally as carbonitride or oxycarbonitride with boron content of at least one of the elements, or in a mixed form of the elements of groups 4 and 5 of the Periodic Table, and a density at room temperature greater than 7400 kg / m 3 , preferably greater than 7600 kg / m 3 . Werkzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffteilchen in einem Ausmaß von mindestens 5 Vol.-%, insbesondere von mehr als 8 Vol.-%, im Werkzeug vorliegen, wobei die Hartstoffteilchen über den Werkzeugquerschnitt (2) inhomogen verteilt sind und im Arbeitsbereich (4) einen höheren Volumsanteil aufweisen.Tool ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the hard material particles are present in the tool to an extent of at least 5% by volume, in particular of more than 8% by volume, the hard material particles being located above the tool cross-section (FIG. 2 ) are distributed inhomogeneously and in the work area ( 4 ) have a higher volume fraction. Werkzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsbereich (4) einen Volumsanteil von mindestens 8.0 %, vorzugsweise von mindestens 14.0 %, insbesondere von etwa 20 bis 25 %, vom Werkzeug (1) aufweist, in welchem Arbeitsbereich mehr als 60 Vol.-%, vorzugsweise mehr als 75 Vol.-%, der Hartstoffteilchen mit einer Größe von kleiner 70 µm ausgeformt sind.Tool ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the working area ( 4 ) has a volume fraction of at least 8.0%, preferably of at least 14.0%, in particular of approximately 20 to 25%, of the tool ( 1 ), in which working range more than 60% by volume, preferably more than 75% by volume, of the hard material particles having a size of less than 70 μm are formed. Werkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffteilchen im Wesentlichen als Niob-Vanadin-Mischkarbide, gegebenenfalls mit einem Stickstoffanteil, ausgeformt sind und ein Verhältnis von At.-% Nb zu At.-% V von größer als 5, vorzugsweise von größer als 10, aufweisen. Nb[At.-%] / V[At.-%] > 5, vorzugsweise > 10 Tool ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the hard material particles are substantially as niobium-vanadium mixed carbides, optionally with a nitrogen content, formed and a ratio of At .-% Nb to At .-% V of greater than 5 , preferably greater than 10, have. Nb [At .-%] / V [At .-%]> 5, preferably> 10 Werkzeug (1) nach einem der vorgeordneten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixlegierung eine chemische Zusammensetzung in den Grenzen von in Gew.-% Kohlenstoff (C) 0.28 bis 2.3 Silicium (Si) 0.01 bis 2.0 Mangan (Mn) 0.05 bis 25.0 Chrom (Cr) bis 6.0 Nickel (Ni) bis 2.5 Molybdän (Mo) bis 2.2 Wolfram (W) bis 1.5 (1.5 × Mo + W) bis 3.5 Vanadin (V) bis 0.8 Niob (Nb) bis 0.4 Kobalt (Co) bis 3.0 Aluminium (Al) bis 3.0 Gegebenenfalls Titan (Ti) bis 0.2 Zirkon (Zr) bis 0.2 Hafnium (Hf) bis 0.1 Tantal (Ta) bis 0.25
Eisen (Fe) und Verunreinigungselemente als Rest aufweist.
Tool ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the matrix alloy has a chemical composition within the limits of in% by weight Carbon (C) 12:28 to 2.3 Silicon (Si) 12:01 to 2.0 Manganese (Mn) 12:05 to 25.0 Chrome (Cr) to 6.0 Nickel (Ni) to 2.5 Molybdenum (Mo) to 2.2 Tungsten (W) to 1.5 (1.5 × Mo + W) to 3.5 Vanadin (V) to 0.8 Niobium (Nb) to 0.4 Cobalt (Co) to 3.0 Aluminum (Al) to 3.0 Possibly Titanium (Ti) to 0.2 Zircon (Zr) to 0.2 Hafnium (Hf) to 0.1 Tantalum (Ta) to 0.25
Having iron (Fe) and impurity elements as the remainder.
Werkzeug (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixlegierung aus Werkzeugstahl mit einer Härte von größer 44 HRC, vorzugsweise von 50 HRC und höher, besteht.Tool ( 1 ) according to claim 5, characterized in that the matrix alloy consists of tool steel having a hardness of greater than 44 HRC, preferably 50 HRC and higher. Werkzeug (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixlegierung aus Manganhartstahl mit einer Mangankonzentration von 6 bis 25 Gew.-% Mn, vorzugsweise von 8 bis 15 Gew.-% Mn, besteht.Tool ( 1 ) according to claim 5, characterized in that the matrix alloy of manganese steel with a manganese concentration of 6 to 25 wt .-% Mn, preferably from 8 to 15 wt .-% Mn.
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