DE3878295T2 - Erdbearbeitungswerkzeug mit einem arbeitselement aus wolframcarbidzement-verbindungen mit verbesserten eigenschaften. - Google Patents

Erdbearbeitungswerkzeug mit einem arbeitselement aus wolframcarbidzement-verbindungen mit verbesserten eigenschaften.

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DE3878295T2 DE8888105265T DE3878295T DE3878295T2 DE 3878295 T2 DE3878295 T2 DE 3878295T2 DE 8888105265 T DE8888105265 T DE 8888105265T DE 3878295 T DE3878295 T DE 3878295T DE 3878295 T2 DE3878295 T2 DE 3878295T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Erdbearbeitungswerkzeuge und befaßt sich insbesondere mit einem solchen Werkzeug, das ein Arbeitselement aus einer grobkörnigen, kobaltarmen Wolframcarbidzusammensetzung mit verbesserten physikalischen Eigenschaften aufweist.
  • Viele Bergbau- und Bauwerkzeuge verwenden Trommeln, Schrämketten und dergleichen, auf denen eine Vielzahl von Bohrmeißeln befestigt sind. Stellvertretend für den Stand der Technik sind die in den U.S.-Patenten von Kniff (3.499.685), Engle et al (3.519.309), McKenry et al (3.720.273), Stephenson (4.216.832), Taylor et al (4.316.636) und Ojanen (4.497.520) offenbarten Bohrmeißel. Beim Betrieb dieser Werkzeuge greifen die Meißel gewaltsam in Kohle- und Gesteinsformationen ein, um diese abzubauen und zu entfernen, und sind folglich einem hohen Grad an Beanspruchung und Verschleiß unterworfen. Typischerweise hat jeder Meißel einen harten, verschleißfesten Einsatz oder eine harte, verschleißfeste Spitze, die mit der Formation in Berührung kommen. Früher waren harte Spitzen aus einer von vielen verschiedenen Sorten von Wolframcarbid- Hartmetallzusammensetzungen zusammengesetzt, wie z. B. der als K-6T und K-3560 bekannten Typen, die von der Kennametal Corporation erhältlich sind.
  • Der teuerste Teil des Bohrmeißels ist seine harte Spitze. Typischerweise resultieren über die Hälfte der Kosten des Meißels aus der Spitze. Folglich ist es in höchstem Maße wünschenswert, die Spitze so lange wie möglich benutzen zu können, d. h., ihre Standzeit zu maximieren. Ein früher Ersatz steigert die Arbeitskosten aufgrund einer erhöhten Ausfallzeit des Werkzeugs, einer Verwendung von Ersatzteilen und Wartungsarbeit. Obwohl die früher in Bergbau- und Bauanwendungen benutzten Typen von Wolframcarbid-Hartmetallzusammensetzungen, wie z. B. die obengenannten Kennametal K-6T und K-3560, sehr erfolgreich waren, besteht weiterhin ein Bedarf an Verbesserungen im Aufbau von Meißeln, der auf die Steigerung der physikalischen Eigenschaften des die Spitze bildenden Materials gerichtet ist, mit dem Ziel, die Lebensdauer des Meißels zu verlängern und dadurch Arbeitskosten zu vermindern.
  • Aus der FR-A-2 343 885 ist bekannt, daß eine Verringerung an Kobalt zu einem Ansteigen der Härte führt, aber die Druckschrift schweigt über die Wirkung einer solchen Verringerung an Kobalt auf die Verschleißfestigkeit.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Erdbearbeitungswerkzeug bereit, wie z. B. einen Bohrmeißel für den Bau oder Bergbau, das ein Arbeitselement aufweist, wie z. B. eine harte Spitze, welches aus verbesserten Wolframcarbid-Hartmetallzusammensetzungen hergestellt ist, um die vorgenannten Bedürfnisse zu befriedigen. Die Vorteile der verbesserten Wolframcarbid-Hartmetallzusammensetzungen gegenüber den herkömmlichen Kennametal K-6T- und K-3560-Zusammensetzungen sind eine verbesserte Verschleißfestigkeit und Bruchzähigkeit. Es wird nachgewiesen, daß die Bruchzähigkeit mit zunehmender Korngröße ansteigt. Es wird ebenso nachgewiesen, daß die Verschleißfestigkeit mit abnehmendem Prozentanteil an Kobalt ansteigt. Diese neuen verbesserten Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung enthalten Wolframcarbidkristalle von größerer Korngröße und niedrigere Kobaltgehalte als herkömmlich erhältlich. Bei diesen neuen verbesserten Zusammensetzungen ist eine geringe Verschlechterung der Übergangsbruchfestigkeit festzustellen, weshalb deren Verwendung auf Anwendungen beschränkt ist, bei denen Bruchzähigkeit und Verschleißfestigkeit ausschlaggebend sind.
  • Obgleich Bergbau- und Bauwerkzeuge hier als Beispiele verwendet werden, sind die Prinzipien der vorliegenden Erfindung gleichermaßen auf das Arbeitselement eines jeden Erdbearbeitungswerkzeugs anwendbar, wie z. B. auf Schneepflugscharen, Planiermaschinenschilder und dergleichen, aber nicht beschränkt auf diese.
  • Die vorliegende Erfindung ist daher auf ein Erdbearbeitungswerkzeug gerichtet, mit (a) einem gestreckten Körper; und (b) einem Arbeitselement, welches an einem vorderen Ende dieses Körpers angebracht ist, wobei das Arbeitselement aus einer Zusammensetzung aus im wesentlichen Wolframcarbid von großer Korngröße hergestellt ist und eines aus einer Mehrzahl von verschiedenen Gewichtsprozenten X Kobalt als Bindemittel und eine aus einer Mehrzahl verschiedener Härten Y der Rockwell A-Skala aufweist. Die Kobaltprozentanteile X und Härten Y der jeweiligen Zusammensetzungen sind in Gruppen gepaart und weisen Nennwerte auf, welche die Beziehung:
  • Y = 91 - 0,62X
  • erfüllen, worin X aus einem Bereich innerhalb von etwa 4,5 bis 11,5 Prozent ausgewählt ist, wobei der gewünschte Härtewert Y durch Auswahl einer geeignet groben Wolframcarbid-Korngröße erhalten wird. Die Y-Werte in diesen Gruppen aus X und Y besitzen außerdem obere und untere Grenzen, welche die jeweiligen Beziehungen:
  • Y = 91,1 - 0,57X bzw. Y = 90,9 - 0,67X
  • erfüllen, worin X aus dem vorgenannten Bereich von etwa 4,5 bis 11,5 Prozent ausgewählt ist.
  • Insbesondere weist jede Zusammensetzung eine Gruppe von Prozentwerten Kobalt X und Härtewerten Y auf, die aus einer Vielzahl folgender verschiedener Gruppen (X; Y) ausgewählt ist: (4,5 ± 0,3; 88,2 ± 0,3), (5,0 ± 0,3; 87,9 ± 0,3), (8,5 ± 0,5; 85,8 ± 0,5) und (10,5 ± 0,5; 84,5 ± 0,6).
  • Diese und weitere Vorteile und das mit der vorliegenden Erfindung Erreichte werden einen Fachmann beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung offenbart, worin eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben ist.
  • Im Verlauf der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen. In der Zeichnung zeigen:
  • Fig. 1 eine Seitenansicht eines Bohrmeißels, der in einem Block befestigt ist und eine gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaute harte Spitze aufweist; und
  • Fig. 2 ein Schaubild, welches die Beziehung zwischen der Härte der Rockwell A- Skala (Ra) und dem Gewichtsprozentanteil Kobalt der für die Bohrmeißelspitze verwendeten Zusammensetzungen darstellt, welche die verbesserten physikalischen Eigenschaften aufweisen.
  • In der folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile. In der folgenden Beschreibung werden außerdem solche Ausdrücke wie "vorder", "rückwärtig", "links", "rechts", "nach oben", "nach unten" und dergleichen als Wörter der Umgangssprache verstanden und sollen nicht als begrenzende Ausdrücke aufgefaßt werden.
  • In der Zeichnung, und insbesondere in Fig. 1, ist ein allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnetes Erdbearbeitungswerkzeug gezeigt, wie z. B. ein Bohrmeißel, das in herkömmlicher Weise an Werkzeugen (nicht gezeigt) befestigt werden kann, deren Gebrauch in Anwendungen wie z. B. dem Bergbau und im Bauwesen beabsichtigt ist. Der Bohrmeißel 10 beinhaltet ein Arbeitselement, wie z. B. einen harten zugespitzten Einsatz oder eine Spitze 12 und einen gestreckten Meißelkörper 14. Der Körper 14 besitzt ein vorderes Körperteil 16 und ein rückwärtiges Schaftteil 18, die einstückig aus Stahl aufgebaut sind. Eine zylindrische Rückhaltefeder 20, die längsgeschlitzt ist und aus elastischem Material besteht, umgreift den Schaftteil 18 des Meißels 10 und paßt den Meißel an zur Befestigung in einer Hülse 22 eines Blocks 24, der seinerseits auf einer Trommel (nicht gezeigt) befestigt ist. Die Rückhaltefeder 20 greift an der Hülse 22 fest, am Schaftteil 18 des Meißels locker an, so daß der Meißel sich während des Gebrauchs drehen kann.
  • Erfindungsgemäß wird das Arbeitselement oder die harte Spitze 12 aus einer von vier verschiedenen Wolframcarbid-Hartmetallzusammensetzungen hergestellt. Jede der Zusammensetzungen besteht im wesentlichen aus Wolframcarbid (WC) von großer oder grober Korngröße, aber mit verschiedenen Gruppen von Gewichtsprozenten X Kobalt (Co) als Binder und Härten Y der Rockwell A-Skala, welche die in Fig. 2 graphisch dargestellte Beziehung aufweisen. Die Zusammensetzungen werden mittels eines herkömmlichen Verfahrens hergestellt, welches allgemein die Schritte des Vermischens von WC und Co zusammen mit Bindemitteln umfaßt, die zur Bildung eines klassierten Pulvers zugegeben werden. Dieses Pulver wird dann zur Herstellung eines harten Einsatzes mittels herkömmlicher pulvermetallurgischer Techniken verdichtet und gesintert. Für ein tieferes Verständnis des vorstehenden Verfahrens wird auf das US-Patent Nr. 3.379.503 verwiesen. Ein verbessertes Verfahren ist in der US-A-4.834.963 mit dem Titel "MACROCRYSTALLLINE TUNGSTEN MONOCARBIDE POWDER AND PROCESS FOR PRODUCING" beschrieben.
  • Die Kobaltprozente X und Härten Y, welche die Wolframcarbid-Zusammensetzungen kennzeichnen, sind insbesondere zu Gruppen gepaart und weisen Nennwerte auf, welche die Beziehung:
  • Y = 91 - 0,62X erfüllen, worin X aus einem Bereich innerhalb von etwa 4,5 bis 11,5 Prozent ausgewählt ist. Die Y-Werte in den Gruppen aus X und Y weisen außerdem obere und untere Grenzen auf, welche die jeweiligen Beziehungen
  • Y = 91,1 - 0,57X bzw. Y = 90,9 - 0,67X
  • erfüllen, worin X aus dem vorgenannten Bereich von etwa 4,5 bis 11,5 Prozent ausgewählt ist. Diese im folgenden entwickelten mathematischen Beziehungen werden mit Hilfe des Steigungsabschnitts der Geradengleichung y = mx + b berechnet, um die im Schaubild Fig. 2 auf der Grundlage der Labortestdaten des Kobaltgehalts X und der Härte Y der Rockwell A-Skala (Ra) dargestellte obere Grenzlinie, die Nennwertlinie und die untere Grenzlinie wie folgt zu bestimmen: Tabelle I (X) Prozent Kobalt (Y) Ra Härte
  • Der "*" bezeichnet die vier Wolframcarbid-Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung, die in Tabelle I jeweils als E-972, E-973, E-951 und E-1061 bezeichnet sind. Aus Tabelle I ergibt sich, daß jede Zusammensetzung E-972, E- 973, E-951 und E-1061 eine der folgenden Gruppen (X; Y) aus Kobaltprozentwerten X und Härtewerten Y aufweist: (4,5 ± 0,3; 88,2 ± 0,3), (5,0 ± 0,3; 87,9 ± 0,3), (8,5 ± 05 85,8 ± 0,5) und (10,5 ± 0,5; 84,5 ± 0,6).
  • Die Beziehung zwischen X und Y für die obere Grenzlinie A in Fig. 2 wird wie folgt entwickelt. Die (x; y)-Koordinaten der E-972 und E-1061 Zusammensetzungen, (0,5; 11) und (6,5; 4,2), werden verwendet, um die Steigung der oberen Grenzlinie zu berechnen. Es wird darauf hingewiesen, daß diese (x; y)-Koordinaten den (X; Y)-Koordinaten der beiden gleichen Zusammensetzungen (4,5; 88,5) und (10,5; 85,1) entsprechen. Da die Gleichung für die Steigung m, m = (y'- y)/(x'-x) lautet, ist daher die Steigung = (11 - 4,2)/(0,5 - 6,5) oder -1,13. Die Geradengleichung lautet y = mx + b, worin b der y-Achsenabschnitt ist. Somit ist y = -1,113x + 11,5, da b, wie aus Fig. 2 ersichtlich, annähernd gleich 11,5 für die Linie A ist. Im Schaubild der Fig. 2 ist jedoch y mit Y und x mit X wie folgt verknüpft: y = (Y - 83)/0,5 und x = X - 4. Der Ersatz von y und x in der Geradengleichung y = -1,113x + 11,5 ergibt somit
  • (Y - 83)/0,5 = -1,13(X-4) + 11,5
  • was zur folgenden Beziehung zwischen X und Y für die obere Grenzlinie ausgeglichen wird:
  • Y = 91,1 - 0,57X.
  • Als nächstes wird die Beziehung zwischen X und Y für die untere Grenzlinie B in Fig. 2 wie folgt entwickelt. Die (x, y)-Koordinaten der E-972 und E-1061- Zusammensetzungen, (0,5; 9,8) und (6,5; 1,8) werden verwendet, um die Steigung der unteren Grenzlinie zu berechnen. Es wird darauf hingewiesen, daß diese (x; y)-Koordinaten den (X; Y)-Koordinaten der gleichen beiden Zusammensetzungen (4,5; 87,9) und (10,5; 83,9) entsprechen. Die Steigung der unteren Grenzlinie ist jetzt gleich (9,8 - 1,8)/(0,5 - 6,5) oder -1,33. Die Geradengleichung lautet y = -1,33x + 10,5, da, wie aus Fig. 2 ersichtlich, b annähernd gleich 10,5 für die Linie B ist. Der Ersatz von y und x in der Geradengleichung y = -1,33x + 10,5 ergibt jetzt
  • (Y - 83)/0,5 = -1,33(X-4) + 10,5
  • was zur folgenden Beziehung zwischen X und Y für die untere Grenzlinie gekürzt wird:
  • Y = 90,9 - 0,67X.
  • Schließlich wird die Beziehung zwischen X und Y für die Nennwertlinie C in Fig. 2 wie folgt entwickelt. Die (x; y)-Koordinaten der E-972 und E-1061 Zusammensetzungen (0,5; 10,4) und (6,5; 3) werden verwendet, um die Steigung der Nennwertlinie zu berechnen. Es wird darauf hingewiesen, daß diese (x; y)-Koordinaten den (X; Y)-Koordinaten der gleichen beiden Zusammensetzungen von (4,5; 88,2) und (10,5; 84,5) entsprechen. Die Steigung der Nennwertlinie ist jetzt gleich (10,4 - 3)/(0,5 - 6,5) oder -1,23. Die Geradengleichung lautet y = -1,23x + 11, da, wie aus Fig. 2 ersichtlich, b annähernd gleich 11 für die Linie C ist. Der Ersatz von y und x in der Geradengleichung y = -1,23x + 11 ergibt nun
  • (Y - 83)/0,5 = -1,23(X-4) + 11
  • welches zu der folgenden Beziehung zwischen X und Y für die Nennwertlinie gekürzt wird:
  • Y = 91 - 0,62X.
  • Den verschiedenen ausgewählten Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung ist gemeinsam, daß das Wolframcarbid einer jeden Zusammensetzung eine extrem grobe Korngröße aufweist. Obwohl die Korngröße hier nicht mit einer höheren Genauigkeit bestimmt wird als durch die Aussage, daß die Korngröße groß oder grob ist, ist eine präzisere Aussage nicht notwendig, da der Kobaltgehalt, bezogen auf das Gewicht, und die Härte der Zusammensetzungen gemäß der Rockwell A-Skala vorstehend genau bestimmt sind. Ein Fachmann wird leicht verstehen, wie die Korngröße der Wolframcarbid-Hartmetallzusammensetzungen im Hinblick auf die angegebenen Werte des Kobaltgehalts und der Härte der Zusammensetzungen beschaffen sein muß.
  • Die verbesserten physikalischen Eigenschaften der vier verschiedenen Zusammensetzungen sind eine erhöhte Bruchzähigkeit und eine erhöhte Verschleißfestigkeit, welche diese besonders geeignet zur Verwendung bei der Herstellung von Arbeitselementen von Meißelspitzen in Anwendungen für Bergbau- und Bauwesen sowie von Arbeitselementen anderer Erdbearbeitungswerkzeuge machen. Die Bruchzähigkeit ist mit der Harte eng verknüpft und dieser umgekehrt proportional. Der verminderte Kobaltgehalt der Zusammensetzungen bewirkt die Verminderung der Materialkosten und die Steigerung ihrer jeweiligen Härten. Da jedoch durch Steigerung der Korngröße die Härte abnimmt, wird damit die Wirkung der Verringerung des Kobaltgehalts ausgeglichen, um die gewünschte Härte zu erhalten.
  • In Fig. 2 ist angegeben, daß die herkömmlichen Zusammensetzungen, benannt als K-6T und K-3560, (X; Y)-Gruppenwerte von (5,7; 88,2) bzw. (9,5; 86,2) aufweisen. Diese Gruppenwerte liegen im allgemeinen über der oberen Grenzlinie A und erfüllen nicht die vorgenannten Beziehungen. Die vier Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können außerdem durch die Koerzitivkraft (C.F.) einer jeden Zusammensetzung identifiziert werden. Die C.F. ist das Magnetfeld, welches an ein magnetisches Material in einer symmetrischen, kreisförmig magnetisierten Weise angelegt werden muß, um die magnetische Induktion verschwinden zu lassen. Für die Zusammensetzung E-972 beträgt die C.F. 68 Oersted; für die Zusammensetzung E-973 beträgt die C.F. 45 bis 70 Oersted; für E-951 beträgt die C.F. 40 bis 60 Oersted; und für E-1061 beträgt die C.F. 40 bis 55 Oersted. Im Fall der herkömmlichen Zusammensetzung K-6T beträgt deren C.F. 50 bis 80 Oersted.
  • Es wird angenommen, daß die vorliegende Erfindung und viele ihrer Vorteile aufgrund der vorstehenden Beschreibung verstanden werden, und es ist offensichtlich, daß viele Änderungen in der Form, dem Aufbau und der Zusammenstellung ihrer Teile durchgeführt werden können, ohne vom Geist und vom Umfang der Erfindung abzuweichen oder alle ihre wesentlichen Vorteile zu opfern, wobei die hier vorstehend beschriebene Form nur eine bevorzugte oder beispielhafte Ausführungsform der Erfindung angibt.

Claims (8)

1. Erdbearbeitungswerkzeug mit:
(a) einem gestreckten Körper; und
(b) einem Arbeitselement, welches an einem vorderen Ende dieses Körpers angebracht und aus einer Zusammensetzung aus im wesentlichen Wolframkarbid von großer Korngröße hergestellt ist, wobei diese Zusammensetzung eines aus einer Mehrzahl verschiedener Gewichtsprozente X Kobalt als Bindemittel und eine aus einer Mehrzahl verschiedener Härten Y der Rockwell A-Skala aufweist, wobei diese Kobaltprozente X und Härten Y in Gruppen gepaart sind und Nennwerte aufweisen, welche die Beziehung:
Y = 91 - 0,62X
erfüllen, worin X aus einem Bereich innerhalb von etwa 4,5 bis 11,5 Prozent ausgewählt ist, wobei der gewünschte Härtewert Y durch Auswahl einer geeignet groben Wolframkarbid-Korngröße erhalten wird.
2. Erbearbeitungswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Y-Werte in diesen Gruppen aus X und Y obere Grenzen besitzen, welche die Beziehung:
Y = 91,1 - 0,57X
erfüllen, worin X aus dem Bereich von etwa 4,5 bis 11,5 Prozent ausgewählt ist.
3. Erdbearbeitungswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Y-Werte in diesen Gruppen aus X und Y untere Grenzen besitzen, welche die Beziehung:
Y = 90,9 - 0,67X
erfüllen, worin X aus dem Bereich von etwa 4,5 bis 11,5 Prozent ausgewählt ist.
4. Erdbearbeitungswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozentanteil Kobalt X 4,5 ± 0 3 Gew.-% und die Härte Y 88,2 ± 0,3 Rockwell A-Skala beträgt.
5. Erdbeabeitungswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kobaltprozentanteil X 5,0 ± 0,3 Gew.-% und die Härte Y 87,9 ± 0,3 Rockwell A-Skala beträgt.
6. Erdbearbeitungswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kobaltprozentanteil X 8,5 ± 0,5 Gew.-% und die Härte Y 85,8 ± 0,5 Rockwell A-Skala beträgt.
7. Erdbeareeitungswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kobaltprozentanteil X 10,5 ± 0,5 Gew.-% und die Härte Y 84,5 ± 0,6 Rockwell A-Skala beträgt.
8. Erdbearbeitungswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kobaltprozente X und die Härten Y in Gruppen (X; Y) wie folgt gepaart sind: (4,5 ± 0,3; 88,2 ± 0,3), (5,0 ± 0,3; 87,9 ± 0,3), (8,5 ± 0,5; 85,8 ± 0,5) und (10,5 ± 0,5; 84 5 ± 0,6).
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