DE3347501C3 - Bohrwerkzeug mit Hartmetalleinsatzkörper, Herstellverfahren für Hartmetalleinsatzkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bohrwerkzeug mit einem reib- und schlagbelastbaren Hartmetalleinsatzkörper mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Hartmetalleinsatzkör­ pers für den Einsatz in Bohrwerkzeugen, mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 5.

Ein bekanntes Bohrwerkzeug der eingangs genannten Art - DE-OS 32 08 282 - zeigt einen flachköpfigen Bohrer, des­ sen Schneidkante aus Hartmetallsegmenten verschiedener Hartmetalle aufgebaut ist. Dabei wird die Verteilung der Hartmetallsorten hinsichtlich der Bohrerlängsachse radial nach außen gesehen in symmetrischer Weise vorgenommen. Das bedeutet, daß die Bohrfläche senkrecht zur Bohrerlängsach­ se gesehen in Kreisringen von unterschiedlich beschaffe­ nen Hartmetallen bearbeitet wird. Die dort vorgesehene Schrägstellung der Materialsegmente abweichend aus der je­ weiligen Tangentialen verhindert nicht - wie die Zeich­ nung erkennen läßt - daß kreisförmige Segmente des zu boh­ renden Gutes jeweils nur von einer bestimmten Hartmetall­ sorte erfaßt werden. Dies wird als nachteilig angesehen.

Die Herstellung dieses bekannten Hartmetalleinsatzkörpers soll derart erfolgen, daß zwischen den einzelnen Schich­ ten von Hartmetallen keinerlei Zwischenschichten abwei­ chender Materialien vorgesehen sein sollen. Dadurch soll sich eine ununterbrochen zusammenhängende Verbindung zwi­ schen den einzelnen Schichten an ihrer gemeinsamen Berüh­ rungsfläche ergeben. Dabei dürften nur bestimmte Material­ paarungen angesprochen sein.

Es ist weiterhin bekannt - DE-PS 21 27 162 -, eine Beschich­ tung der Schneidkanten mit dünnen Schichten aus harten Grundbestandteilen zu versehen, beispielsweise Karbiden aufgebracht auf gesintertes Hartmetall. Das Aufbringen dieser mehrfachen Schichten wird vorzugsweise durch Nie­ derschlag aus einer gasförmigen Phase vorgenommen, weiter­ hin auch durch Aufdampfen und elektrolythisches Aufbringen.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren - US-PS 43 98 952 - werden kontinuierlich sich ändernde Schichteigenschaften dadurch erzielt, daß man die für die Sinterung vorgesehenen Werkstoffschichten mit Bindemitteln derart mischt, daß ein fließender Übergang der Materialeigenschaften erreicht werden soll. Das Aufbringen dieser mehrfachen Schichten wird vorzugsweise durch Niederschlag aus einer gasförmigen Phase vorgenommen, weiterhin auch durch Aufdampfen und elektrolytisches Aufbringen.

Bei einem weiterhin bekannten Verfahren - US-PS 43 98 952 - sollen kontinuierlich sich ändernde Schichteigenschaften dadurch erreicht werden, daß man die für die Sinterung vorgesehenen Werkstoffschichten mit Bindemitteln derart mischt, daß ein fließender Übergang der Materialeigen­ schaften erreicht werden soll.

Schließlich ist es bekannt - DEGUSSA-Schrift "Technik die verbindet" Nr. 30, Titel: Löten von Hartmetallen (Ausgabe März 1982, Seiten 236 und 237) - Hartmetalleinsätze durch Löten und eventuell auch mittels Verwendung von Lötfolien nachträglich aneinander zu befestigen. Dabei wird aus­ schließlich auf das nachträgliche Einlöten bzw. Zusammen­ löten von Hartmetallkörpern Bezug genommen, der Sinter­ vorgang wird nicht angesprochen. Es wird vielmehr, wie auch in der vorerwähnten US-PS 43 98 952 zum Ausdruck ge­ bracht, ein allmählicher Übergang in der Konsistenz ange­ strebt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrwerk­ zeug mit einem Hartmetalleinsatzkörper der eingangs ge­ nannten Art zu schaffen, der gleichzeitig verschiedenen Belastungen, wie Reibungs- und Schlagbelastungen wider­ steht und für beide Fälle optimale Standzeiten aufweist, der hinsichtlich der abzutragenden Bohrfläche gleichmäßig belastet arbeitet und eine schnelle Abnutzung des Bohr­ werkzeuges verhindert, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Hartmetalleinsatzkörpers zur Verfügung zu stellen, der die vorerwähnten Eigenschaften aufweist und sich für den Einsatz in einem Bohrwerkzeug eignet.

Hinsichtlich des Bohrwerkzeuges mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 wird diese Aufgabe erfin­ dungsgemäß durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst; hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung eines Hartme­ talleinsatzkörpers, der sich für dieses Bohr­ werkzeug eignet, mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 5 wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Der erfindungsgemäße Hartmetalleinsatzkörper weist somit eine Bearbeitungsfläche auf, die radial nach außen aufein­ anderfolgend Werkstoffe unterschiedlicher Konsistenz zur Verfügung stellt und dafür sorgt, daß jeder der Werkstof­ fe jeden Teilbereich der Bohrfläche erfaßt, dergestalt, daß wenigstens einmal pro Bohrerumdrehung der Werkstoff der einen Konsistenz und der Werkstoff der anderen Konsis­ tenz über diese Fläche geführt wird. Damit ist ein gleich­ mäßiger Fortschritt des Bohrvorganges gewährleistet.

Erfindungsgemäß ist der eindeutig begrenzte Übergang zwi­ schen den Materialschichten des Einsatzkörpers besonders vorteilhaft, weil dadurch beim Bohren eine Kantenwirkung zwischen "hart" und "weich" bzw. "zäh" entsteht, die bei Abnutzung der Schneide noch zunimmt. Bei der erfindungsge­ mäßen Ausgestaltung des Hartmetalleinsatzkörpers entsteht bei der Abnutzung darüber heraus eine asymmetrische Wel­ lenform der Schneide, welche den Bohrfortschritt ebenfalls nachhaltig unterstützt. Außerdem stützen sich die verschiedenen Schichten des Einsatzkörpers zur Verminde­ rung von Ausbrüchen gegenseitig ab, sofern diese entspre­ chend dünn gewählt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von Hartmetalleinsatzkörpern für den Einsatz in dem vorgeschilderten Bohrwerkzeug. Die Eigenschaften einer klaren Begrenzung des Überganges zwi­ schen den unterschiedlichen Materialschichten des Hartme­ talleinsatzkörpers lassen sich auch bei anderen Bearbei­ tungsvorgängen entsprechend vorteilhaft auswerten. Dabei ist von besonderer Bedeutung, bereits die Pulveranteile der verschiedenen Materialien vor dem Sintern in der ge­ lehrten Weise zu trennen und damit die Verbesserung der Bindung zwischen den Pulveranteilen während des Sinterns auszunutzen und das Herstellungsverfahren nachhaltig zu ver­ einfachen.

Die erfindungsgemäß abwechselnd vorgesehenen Schichten aus Hartmetallkörper-Abschnitten sind hinsichtlich ihrer Charak­ terisierung als "hart" einerseits und "zäh" andererseits in übergeordnetem Sinn auch als solche zu verstehen, die sich durch voneinander abweichende Materialeigenschaften unter­ scheiden. So können die Abschnitte aus grundsätzlich physikalisch anderen Ausgangswerkstoffen bestehen, die vor­ genannten Materialeigenschaften lassen sich aber auch durch unterschiedliche Behandlung ein- und desselben Werkstoffes erzielen. Je nach Verwendungszweck des Hartmetallkörpers können die Materialschichten in bezug auf ihre Widerstands­ fähigkeit modifiziert und optimiert werden.

Als bevorzugte Herstellung von Hartmetalleinsatzkörpern nach der Erfindung soll derart vorgegangen werden, daß die ab­ wechselnde Schichtung vom Hartmetallkörpereinsatz-Ab­ schnitten verschiedener Zusammensetzung bereits bei den feinstgemahlenen pulverförmigen Ausgangsstoffen vorgenommen wird, die anschließend gesintert und damit zu einem zusammen­ hängenden Körper verbunden werden.

In Fällen, in denen die aneinander angrenzenden verschiedenen Materialien während des Sintervorganges bei ca. 1400 bis 1500°C schlechte Verbindungseigenschaften zeigen oder für den Fall, daß die Werkstoffspannungen infolge unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten zu groß sind, wird zwischen zwei Materialsorten eine vorzugsweise sehr dünne Grenzschicht an­ geordnet, welche aus einer dritten Werkstoffsorte besteht, die mit den benachbarten Materialien gute oder doch bessere Verbindungen einzugehen in der Lage ist.

Eine weitere Möglichkeit, Werkstoffschichten bzw. Abschnitte verschiedener Zusammensetzung beim Sintern zu einem Körper zusammenzufügen, besteht darin, das pulverförmige Ausgangs­ material durch dünne zusammenhängende Materialschichten, wie z. B. Folien, voneinander zu trennen und gleichzeitig schicht- bzw. abschnittsweise nebeneinander anzuordnen. Der Werkstoff für die Zwischenfolienlagen besteht dabei aus solchen Stoffen, die bei der hohen Sintertemperatur ver­ brennen oder verdampfen bzw. mit den angrenzenden Hartmetall­ molukülen eine chemische oder andere innige Verbindung ein­ gehen. Die für eine derartige Verwendung in Frage kommenden Folien können dabei nicht nur aus brennbaren Werkstoffen, wie z. B. Zell- oder Kunststoff, sondern auch aus sehr dünnen Metallfolien bestehen. Dabei werden dann vorzugsweise solche Metallfolien herangezogen, die sich bei der Erhitzung auf die Sintertemperatur verflüssigen und nach dem Abkühlen ge­ wissermaßen eine Hartlötung der angrenzenden Material­ schichten bewirken.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung wiederge­ gebenen Ausführungsbeispiele nachstehend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Spitze eines Steinbohrers, welcher mit einem Hartmetalleinsatzkörper bestückt ist;

Fig. 2 eine vergleichbare Bohrerspitze mit einer abweichen­ den Werkstoffstruktur des Hartmetalleinsatzkörpers;

Fig. 3 einen Hartmetalleinsatzkörper mit unebenem Struktur­ verlauf;

Fig. 4 ein Hartmetalleinsatzplättchen für Bohrer oder ähn­ liche Werkzeuge mit Materialschichten verschiedener Dicke.

Die Figuren sind überwiegend in perspektivischer Ansicht dargestellt. In Fig. 1 ist der Hartmetalleinsatzkörper 1 vorzugsweise im Hartlötverfahren in einer Ausnehmung der Bohrerspitze 2 befestigt. Erfindungsgemäß weist der Hart­ metalleinsatzkörper 1 eine geschichtete Materialstruktur auf, wobei in diesem Falle die Werkstoffschichten unterschied­ licher Zusammensetzung bzw. unterschiedlicher Härte- oder Zähigkeitsgrade parallel zur Oberfläche des Einsatzkörpers verlaufen. Die in der Zeichnung schraffiert dargestellten Materialabschnitte 3 und 4 stellen beispielsweise Werkstoff­ schichten dar, die gegenüber den Materialsektionen 5 und 6 einen besonders ausgeprägten Härtegrad aufweisen. Die schraffiert gezeichneten Werkstoffsektionen sind somit härter und widerstandsfähiger gegen Reibungsbelastung als die nicht schraffiert dargestellten Raumteile 5 und 6. Die Raumteile 5 und 6 hingegen sind wiederum von besonde­ rer Zähigkeit in ihrer Materialeigenschaft und widerste­ hen daher besonders gut einer Schlag- oder Stoßbelastung. Wird eine derart ausgelegte Steinbohrerspitze beispielswei­ se beim Hammer- oder Schlagbohren eingesetzt, so bewirken die neben den harten Schichten 3 und 4 befindlichen zähen Werkstoffschichten 5 und 6, daß die harten Sektionen bei starker Schlagbelastung nicht ausbrechen können. In der Praxis wird die Dicke der einzelnen Schichten dabei so ge­ wählt, daß ein Optimum an Standzeit für das betreffende Werkzeug erreicht wird. Das gilt auch für die Lage der einzelnen Raumteile verschiedener Zusammensetzung in be­ zug auf die Schneide des jeweiligen Werkzeuges oder der­ gleichen.

Fig. 2 zeigt eine weitere Steinbohrerspitze 10, in welche ein Hartmetalleinsatzkörper 11 durch Hartlöten festgelegt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel laufen die Material­ schichten verschiedener Zusammensetzung mit ihren Schichtungs­ ebenen etwa rechtwinklig zur Seitenfläche des Einsatzkörpers 11. Auch hier sind die schraffiert dargestellten Werkstoff­ abschnitte in ihrer Eigenschaft extrem hart und die dazwi­ schenliegenden nicht schraffierten Abschnitte 13 extrem zäh ausgebildet. Beim Hammer- oder Schlagbohren mit einer solchen Bohrerspitze verhindern ebenfalls die zähen Material­ abschnitte 13, daß die besonders harten Abschnitte 12 aus­ brechen bzw. vorzeitig beschädigt werden. Die Abstände der einzelnen Werkstoffschichten werden dabei vorzugsweise derart unterschiedlich zur Bohrerlängsachse angeordnet, daß ein harter Abschnitt an der rechten Schneide bei Rota­ tion des Bohrers den Abschnitt des zähen Werkstoffes an der linken Schneide abdeckt. Auf diese Weise wird die gesamte Grundfläche des jeweiligen Bohrlochs während einer Bohrer­ umdrehung immer wenigstens einmal mit den harten Material­ abschnitten in Berührung gebracht.

In Fig. 3 ist ein weiterer Hartmetalleinsatzkörper dargestellt, welcher beispielsweise ebenfalls als Bohrerspitzeneinsatz oder als Meißeleinsatz verwendet werden kann. In diesem Falle verläuft die Schichtung der unterschiedlich zusammen­ gesetzten Raumteile innerhalb des Hartmetallkörpers nicht in flachen Ebenen, sondern ist jeweils in sich gebogen, wobei die Biegungen der Schichtungsflächen nur in eine Rich­ tung oder aber auch sphärisch ausgeführt sein können. Diese Anordnung der Materialschichtung ist für solche speziellen Fälle vorgesehen, in denen ausgeprägte Asymmetrie der Raum­ teile verschiedener Eigenschaften erforderlich ist. Auch in diesem Falle kann der Verlauf der harten, schraffiert ge­ zeichneten Materialschicht 20 und der dazwischenliegenden Materialschicht 21 in beliebiger Richtung innerhalb des Einsatzkörpers verlaufen.

In Fig. 4 sind die Schichten verschiedener Werkstoffkonsistenz innerhalb des Hartmetalleinsatzkörpers in verschiedener Dicke ausgeführt. Dabei sind die Werkstoffschichten 35, die in der Nähe der Werkzeugspitze 36 verlaufen, dünner ausgelegt als die Schichten 37 im mittleren Bereich des Hartmetallkörpers. An den äußeren Kanten des Hartmetall­ einsatzkörpers sind die Schichten 38 wiederum von ge­ ringerer Dicke, da hier im Bereich der Außenkanten wieder eine höhere Beanspruchung zu erwarten ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind die schraffiert gezeichneten Materialschichten vorzugsweise von extremer Härte, während die dazwischenliegenden Schichten 39 hinsichtlich der Materialzähigkeit optimiert sind.

Bei allen Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 4 kann das Zusammenfügen der unterschiedlichen Werkstoffsorten während des Sintervorganges erfolgen. Das bedeutet, daß die verschiedenartigen Raumteile bereits in Pulverform ge­ schichtet oder räumlich angeordnet und durch das nachfol­ gende Sinterverfahren zu einer Hartmetalleinheit zusammen­ gefügt werden. Dabei kann auch so vorgegangen werden, daß die eine Werkstoffsorte im vorgesinterten oder gepreßten Zustand in den pulverförmigen Werkstoff der anderen Werk­ stoffsorte vor dem Fertigsintern eingeführt wird. Vorge­ sinterte oder vorgepreßte Ausgangswerkstoffe können aber auch - vorzugsweise nach Aufrauhen der Oberfläche - eine weitere pulverförmige, vorgepreßte oder vorgesinterte Werkstoffschicht anderer Zusammensetzung erhalten und anschließend fertiggesintert werden.

Eine weitere Art, die Raumteile oder Schichten verschiedener Werkstoffzusammensetzung miteinander fest zu verbinden, be­ steht darin, diese durch an sich bekannte Metallklebung zusammenzufügen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß Hartmetalleinsatzkörper für Bohrwerkzeuge so ausgelegt sind, daß sie den verschiedenen Belastungen durch Reibung, Schlag, Stoß, Druck oder Biegung gleichzeitig optimal widerstehen können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Schich­ tung bzw. Raumanordnung der Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften innerhalb eines geschlossenen Einsatzkörpers derart angeordnet werden können, daß an der Stelle höchster oder einer besonderen Belastung auch die richtige Hartmetall­ sorte - und sei es in dünnster Schicht - vorgesehen sein kann. Durch die Erfindung wird somit erreicht, daß die ohne­ hin schon relativ hohen Standzeiten von Bohrwerkzeugen mit Hartmetalleinsatzkörpern noch wesent­ lich verlängert werden können. Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren der beschriebenen Hartmetalleinsatz­ körper ist ferner eine wirtschaftliche und optimale Ferti­ gung der Hartmetalleinsätze sichergestellt.

Claims (8)

1. Drehend antreibbares Bohrwerkzeug mit einem reib- und schlag­ belastbaren Hartmetalleinsatzkörper für die Bearbeitung von Gestein, Beton, Keramik und dergleichen mineralischen Materialien, der eine parallel zur Werkzeug­ drehachse verlaufende und senkrecht zu dieser von der Dreh­ achse nach außen gesehene Schichtung von Hartmetallen verschie­ dener Konsistenz, insbesondere verschiedener Härtegrade, auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtung zwei Hartmetalle unterschiedlicher Konsistenz aufweist, die abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet sind und hinsicht­ lich der Schichtungsfolge von der Drehachse aus gesehen derart asymmetrisch angeordnet sind, daß bei Rotation des Werkzeuges um die Drehachse die Schnittbahn eines harten Hartmetalleinsatz­ körper-Abschnittes (12; 20; 35, 37, 38) einer Schneidenhälfte die Schnittbahn eines demgegenüber zähen Hartmetalleinsatzkörper- Abschnittes (13; 21; 39) zu einer anderen Schneidenhälfte ab­ deckt.

2. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei dem Hartmetalleinsatz­ körper abwechselnd ein harter Abschnitt (12; 20; 35, 37, 38) und ein zäher Abschnitt (13; 21; 39) aufein­ anderfolgend angeordnet ist.

3. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Hartmetall­ einsatzkörper die Grenzschichten zwischen den einzelnen Materialschichten verschiedener Konsistenz jeweils pa­ rallel verlaufend gebogen, sphärisch oder gezackt aus­ gebildet sind.

4. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsflächen der Materialschichten (20, 21) je nach Belastungsart des Einsatzkörpers wahlwei­ se in verschiedenen Richtungen winklig zu einer vor­ handenen Schneidkante oder Schneide oder in sich ge­ bogen verlaufen.

5. Verfahren zur Herstellung eines Hartmetalleinsatzkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Hartmetallkörper aus Schichten verschieden zusammengesetzter Materialien, insbesondere verschiedender Härte- bzw. Zähigkeitsgrade besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die abwechselnde Schichtung bzw. Anordnung von Material verschiedener Zusammensetzung oder Sorte bereits bei den feinstgemahlenen pulverförmigen Ausgangsstoffen des Hartmetalls vorgenommen wird, daß bei der Schichtung der pulverförmigen Ausgangsstoffe zwischen die Material­ schichten verschiedener Zusammensetzung oder Sorte je­ weils eine Zwischenschicht eingeführt wird und daß durch anschließende Sinterung ein zusammenhängender Körper gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht derart beschaffen ist, daß sie beim Sintern infolge der Wärmezufuhr verbrennt oder verdampft und/oder mit dem angrenzenden Werkstoff eine chemische oder molekulare Verbindung eingeht.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus einem zusammenhängenden Material in Form einer Folie gebildet ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammenhängende Körper beim Fertigsintern gebildet wird.