EP1754855A1 - Werkzeug, insbesondere für Tunnelbohrmaschinen - Google Patents

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EP1754855A1
EP1754855A1 EP06017238A EP06017238A EP1754855A1 EP 1754855 A1 EP1754855 A1 EP 1754855A1 EP 06017238 A EP06017238 A EP 06017238A EP 06017238 A EP06017238 A EP 06017238A EP 1754855 A1 EP1754855 A1 EP 1754855A1
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EP
European Patent Office
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tool
hard metal
metal particles
cutting
carrier body
Prior art date
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Application number
EP06017238A
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English (en)
French (fr)
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EP1754855B1 (de
Inventor
Fred Dipl.-Ing. Gutberlet
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Hochtief Solutions AG
Original Assignee
Hochtief Solutions AG
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Publication date
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21C—MINING OR QUARRYING
    • E21C25/00—Cutting machines, i.e. for making slits approximately parallel or perpendicular to the seam
    • E21C25/16—Machines slitting solely by one or more rotating saws, cutting discs, or wheels
    • E21C25/18—Saws; Discs; Wheels
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/08—Roller bits
    • E21B10/12—Roller bits with discs cutters
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts

Definitions

  • the invention relates to a tool, in particular for tunnel boring machines, with a carrier body and with a cutting element connected to the carrier body.
  • the tool is, in particular, a roller chisel in which the cutting element is a cutting ring circulating over the circumference of the carrier body.
  • Such roller bits are also referred to as a disc chisel.
  • the tool can also be a stationary tool.
  • Roller bits are the main cutting tools of a cutting wheel of a tunnel boring machine (TBM).
  • TBM tunnel boring machine
  • the roller bits generally have a cylindrical carrier body and over the circumference of this carrier body of the cutting ring runs around.
  • the cutting ring is usually made of a hard material and in practice, in particular cutting rings made of alloyed steels with high carbon content, but also cutting rings with carbide inserts.
  • Known from practice cutting rings are subject to an undesirably high wear, so that the relevant roller bits must be replaced after relatively short periods of time.
  • Such an exchange of tools is very expensive and it must be taken in particular disadvantageous tunneling interruptions in the tunneling of the tunnel boring machine in purchasing.
  • the invention is based on the technical problem of specifying a tool of the type mentioned, whose cutting element has a high resistance and a relatively low wear and thus achieves a long service life.
  • the invention teaches a tool, in particular for tunnel boring machines, with a carrier body and a The cutting element connected to the carrier body, wherein the cutting element consists of a steel matrix and distributed therein hard metal particles and wherein the hard metal particles to at least 70 vol .-% of, tungsten carbide and additionally consist of a binder.
  • the hard metal particles consist of at least 70% by volume of tungsten carbide and the remainder consists exclusively of at least one binder.
  • the cemented carbide particles comprise 90% tungsten carbide by volume, they consist of 10% by volume binder.
  • hard metal particles are meant in the context of the invention, moreover, defined particles which consist of a different material than the steel matrix of the cutting element.
  • the tool according to the invention is a roller bit, in particular for tunnel boring machines, wherein the cutting element is a circumferential over the circumference of the carrier body cutting ring.
  • the cutting ring surrounds the carrier body annular or with a circular cross-section.
  • the cutting ring consists of a plurality of cutting ring segments arranged one behind the other along the cutting ring or over the circumference of the carrier body. It is expediently to curved cutting ring segments that complement each other on the carrier body to the cutting ring.
  • a gap or gap is provided between two cutting ring segments.
  • the length of a cutting ring segment preferably corresponds to 1/5 to 1/15, preferably 1/8 to 1/12 of the circumference of the cutting ring. According to one preferred embodiment corresponds to the length of a cutting ring segment 1/10 or in about 1/10 of the circumference of the cutting ring. It should also be noted that in particular roller bits are used with roller bit diameters of 10 to 20 inches, having the aforementioned cutting ring segments.
  • the cutting ring is welded onto the carrier body or the cutting ring segments are welded onto the carrier body.
  • the support body is expediently made of steel or of a steel alloy, which does not differ significantly from the common steel alloys that are currently used.
  • the steel matrix of the cutting ring or the cutting ring segments is welded to the carrier body.
  • the welding of the cutting ring and the cutting ring segments with the carrier body is essential and advantageous in the context of the invention. As a result, a very strong composite of the cutting ring according to the invention or, the cutting ring segments according to the invention with the carrier body is achieved.
  • a cutting ring segment ceremonisch doendes carrier body side two in cross-section (transversely to the longitudinal direction of the cutting ring segment) obliquely to the center of the cutting ring segment and the carrier body toward each other welding surfaces.
  • a cutting ring segment expediently has a triangular or approximately triangular tulip-shaped carrier body-side section or welding section. The triangle tip is arranged carrier body side.
  • the support body section assigned to the cutting-ring segment to be welded on then likewise has two welding surfaces tapered toward one another in cross-section obliquely to the center of the carrier body and towards the cutting-ring segment.
  • this carrier body section a triangular-shaped in cross-section or approximately triangular or tulip-shaped cutting ring segment-side section or welding section.
  • the triangle tip is in this case arranged on the cutting-ring segment side.
  • the cutting-edge segment and assigned carrier-body section are then welded in such a way that the two triangular tips lie opposite one another.
  • the triangle tips can be formed flattened.
  • the triangle sides can also be formed more or less curved, so that in particular the already mentioned tulip-shaped cross-section can result.
  • a wedge-shaped welding gap is formed, into which the weld seam is introduced.
  • the root layer is welded through during welding in the region of the triangle tips.
  • the tool is a stationary tool, in particular for tunnel boring machines.
  • Standing tool means in particular a tool in which the cutting elements are not arranged over the circumference or over the outer circumference of a rotating disk-shaped or cylindrical carrier body.
  • the cutting element of a stationary tool is preferably designed as a linear cutting bar or as a substantially linear cutting bar. In principle, however, different geometrical configurations are conceivable for the cutting element.
  • the cutting element of a stationary tool is welded to a carrier body.
  • the carrier body expediently consists of a common steel or of a common steel alloy.
  • the steel matrix of the cutting element of the stationary tool is welded to the carrier body.
  • the welding is carried out as described above for welding the cutting ring or for welding the cutting ring segments.
  • the steel matrix of the cutting element of the tool according to the invention is expediently a high-alloyed steel.
  • the steel matrix of the cutting element expediently contains 0.34 to 0.39 wt .-%, preferably 0.34 to 0.38 wt .-% and preferably 0.35 to 0.37 wt .-% carbon and expediently 0.85 to 1.80 wt .-%, preferably 0.9 to 1.75 wt .-% and preferably 0.95 to 1.70 wt .-% chromium.
  • the steel matrix preferably contains 1.0 to 1.7 wt .-%, preferably 1.1 to 1.65 wt .-% and preferably 1.15 to 1.60 wt .-% silicon and 1.2 to 4, 0 wt .-%, preferably 1.25 to 3.95 wt .-% and preferably 1.35 to 3.90 wt .-% nickel.
  • this steel matrix advantageously contains 0.18 to 0.33 wt .-%, preferably 0.20 to 0.31 wt .-% and preferably 0.21 to 0.30 wt .-% molybdenum and suitably 0.38 to 1 , 65 wt .-%, preferably 0.40 to 1.60 wt .-% and preferably 0.43 to 1.55 wt .-% manganese.
  • this steel matrix expediently contains 0.02 to 0.18% by weight, preferably 0.02 to 0.16% by weight and preferably 0.03 to 0.15% by weight of aluminum and more preferably 0.01 to 0 , 05 wt .-%, preferably 0.01 to 0.04 wt .-% and preferably 0.01 to 0.03 wt .-% vanadium.
  • the remainder of the steel matrix consists of iron and the weight percentages for carbon, chromium, silicon, nickel, molybdenum, manganese, aluminum, vanadium and iron must add up to 100 wt.% For a specific composition of the steel matrix.
  • the steel matrix contains the weight percentages given above for carbon, molybdenum and vanadium, and this steel matrix expediently contains 0.8 to 1.2 wt.%, Preferably 0.8 to 1.1 Wt .-%, preferably 0.9 to 1.05 wt .-% chromium and expediently 1.3 to 1.8 wt .-%, preferably 1.4 to 1.7 wt .-% and preferably 1.5 bis 1.6 wt .-% silicon and further advantageously 1.2 to 2.0 wt .-%, preferably 1.2 to 1.9 wt .-%, preferably 1.3 to 1.75 wt .-% nickel.
  • the steel matrix after this first Embodiment further preferably contains 1.1 to 1.8 wt.%, Preferably 1.2 to 1.7 wt .-%, preferably 1.3 to 1.6 wt .-% manganese and 0.01 to 0.08 wt %, preferably 0.02 to 0.07 wt .-%, preferably 0.03 to 0.06 wt .-% aluminum and the remainder of the steel matrix of this first embodiment is made of iron.
  • the wt .-% - have to add in each case to 100 wt .-%.
  • the steel matrix also contains the weight percentages given above for carbon, molybdenum and vanadium, and 1.3 to 1.9% by weight, preferably 1.45 to 1.8% by weight. %, preferably 1.55 to 1.75 wt .-% chromium and further 0.8 to 1.4 wt .-%, preferably 0.9 to 1.3 wt .-%, preferably 1.05 to 1.25 Wt .-% silicon.
  • the steel matrix according to this second embodiment contains 3.5 to 4.2 wt .-%, preferably 3.6 to 4.1 wt .-%, preferably 3.75 to 4.0 wt .-% nickel and 0.25 to 0.65 wt .-%, preferably 0.3 to 0.6 wt .-%, preferably 0.35 to 0.55 wt .-% manganese.
  • the steel matrix of the second embodiment contains 0.1 to 0.18 wt%, preferably 0.11 to 0.17 wt%, preferably 0.12 to 0.16 wt% of aluminum and the remainder of the steel matrix consists of iron. It goes without saying that the percentages by weight also have to add up to 100% by weight here.
  • the hardness of the steel matrix of the cutting element is preferably 450 to 600 HV.
  • Hardness of the steel matrix here means the hardness of the steel matrix alone, d. H. without carbide particles.
  • a very preferred embodiment is characterized in that the steel matrix of the cutting element is cast with the hard metal particles. According to this embodiment, the production of the cutting element thus takes place by casting.
  • the carbide particles are poured into the steel matrix as it were.
  • According to a preferred embodiment takes place casting the steel matrix with the proviso that hard metal particles are present only or mainly in the wear surfaces of the steel matrix of the cutting element.
  • the proportion of hard metal particles in the cutting element is more than 25% by volume, preferably more than 30% by volume and preferably more than 35% by volume.
  • the remainder of the cutting element is in each case formed by the steel matrix. More preferably, more than 40% by volume, preferably more than 50% by volume, of hard metal particles are contained in the half of the cutting element facing away from the carrier body or in the weld seam facing away from it.
  • the hard metal particles to at least 80 vol .-%, preferably at least 85 vol .-% and preferably at least 87 vol .-% of tungsten carbide, balance binder.
  • Remaining binder means that the remaining vol, -% - content of at least one binder is formed.
  • the hard metal particles from 90 vol .-% or from about 90 vol .-% tungsten carbide they consist of 10 vol .-% or about 10 vol .-% of at least one Binder.
  • the term tungsten carbide according to one embodiment of the invention means only actual tungsten carbide having the chemical formula WC. According to another embodiment of the invention, the term tungsten carbide also means tungsten carbide (WSC, WC / W 2 C).
  • the binder for the cemented carbide particles is cobalt or substantially cobalt.
  • the hard metal particles are introduced as hard metal granules in the steel matrix of the cutting elements, preferably poured.
  • a particularly preferred embodiment of the invention is characterized in that the grain size of Hard metal particles 1 to 10 mm, preferably 2 to 8 mm, preferably 2.5 to 7 mm and very preferably 3 to 6 mm.
  • the grain size of the hard metal particles is 3.5 to 5.5 mm.
  • the hardness of the hard metal particles is suitably 800 to 1800 HV, preferably 1000 to 1600 HV and preferably 1400 to 1600 HV. It is understood that the components or the composition of the hard metal particles is selected so that the above-mentioned hardnesses can be adjusted.
  • MMC Metal Matrix Composites
  • the invention is based on the finding that a tool according to the invention or the cutting element of a tool according to the invention is subject to surprisingly low wear. Accordingly, a tool change or cutting element change must be made only after relatively long periods of time and to that extent considerable advantages are achieved compared to the known from the prior art tools.
  • the invention is based in particular on the recognition that the cutting element of a tool according to the invention not only has to have a high hardness but also sufficient toughness.
  • the inventive design of the cutting elements an optimal compromise between the required hardness and the necessary toughness of the cutting element is achieved.
  • an inventively designed cutting element can bring in a surprisingly strong bond with the carrier body. This is especially true for the very preferred embodiment of the invention, in which the cutting element on the Carrier body is welded.
  • the figures relate to tools for tunnel boring machines, these tools each having a support body 1 and a welded on the support body 1 cutting element.
  • Figures 1 to 4 show a roller bit for tunnel boring machines.
  • This roller bit has a carrier body 1 and a circumferential over the circumference of the carrier body 1 cutting ring 2.
  • the cutting ring 2 consists of a steel matrix 3 and hard metal particles 4 distributed therein.
  • the hard metal particles 4 preferably consist of about 90% by volume tungsten carbide and about 10% by volume of a binder in the form of cobalt.
  • the cutting ring 2 consists of a plurality of over the circumference of the support body 1 successively arranged cutting ring segments 5.
  • Fig. 1 it was indicated that between the cutting ring segments 5 preferably gaps 6 are formed.
  • Fig. 2 shows that a cutting ring segment 5 is formed bent and is positively adapted to the circumference of the carrier body 1.
  • the length of a cutting ring segment 5 preferably corresponds to 1/10 or about 1/10 of the circumference of the cutting element 2.
  • cutting ring segments 5 are welded onto the carrier body 1.
  • 3 shows, on the one hand, a cutting ring segment 5 and, on the other hand, the correspondingly assigned section of the carrier body 1 prior to the production of the welded connection.
  • the cutting ring segment 5 shallsch spaende carrier body side has two in cross section obliquely to the center of the cutting ring segment 5 and the support body 1 towards converging welding surfaces 7, Accordingly, the section to be welded on the cutting ring segment 5 of the support body 1 schneidringsegment doctor also two in cross section obliquely to the center the carrier body 1 and the cutting ring segment 5 towards converging welding surfaces 8.
  • Cutting ring segment 5 and associated carrier body portion each have a cross-sectionally approximately triangular or tulip-shaped welding section 10, 11. They are welded together with opposite triangular tips. Between the welding surfaces 7 and 8, the weld 9 is produced. 4 shows the finished welded joint between cutting ring segment 5 and carrier body 1 with the weld seam 9 between the welding surfaces 7, 8. In the production of this welded joint, the root pass is expediently welded through in the region of the triangle tips, as indicated in FIG. 4. It should be noted, moreover, that expediently the carrier body side - triangular in cross-section in the exemplary embodiment - Welding section 10 of the cutting ring segment 5 is made of a different steel than the steel matrix 3, which receives the hard metal particles 4. It is within the scope of the invention that the welding section 10 consists of a weldable steel or of a good weldable steel.
  • hard metal particles 4 are arranged homogeneously in the outer or wear-exposed region of a cutting ring segment 5. It is then within the scope of the invention that in this area preferably more than 40 vol .-%, preferably more than 50 vol .-% of 4 Harimetallteilchen present in the cutting ring segment 5.
  • the hard metal particles 4 are arranged in a very preferred embodiment in the steel matrix 3 with the proviso that the hard metal particles 4 as possible have no direct contact with each other or that corresponding filled by the steel matrix distances between the hard metal particles 4th available.
  • the hard metal particles 4 are introduced into the steel matrix 3 with the proviso that at least 90%, preferably at least 95% of the hard metal particles 4 have no direct contact with each other.
  • FIG. 5 shows a cutting element for a stationary tool of a tunnel boring machine.
  • This cutting element is formed in the embodiment as a linear cutting bar 12.
  • This cutting bar 12 also consists of a steel matrix 3 and hard metal particles 4 distributed therein.
  • the hard metal particles 4 preferably consist of about 90% by volume tungsten carbide and about 10% by volume of a binder in the form of cobalt.
  • the hard metal particles 4 are arranged homogeneously in the outer or wear-exposed area of the cutting bar 12. Expediently more than 40% by volume, preferably more than 50% by volume, of hard metal particles 4 are present in this region. The remainder of this area consists of the steel matrix 3. Also in the exemplary embodiment according to FIG.
  • the hard metal particles 4 are preferably arranged in the steel matrix 3 with the proviso that the hard metal particles 4 have as far as possible no direct contact with each other or the corresponding distances filled by the steel matrix are present between the hard metal particles 4.
  • the hard metal particles 4 are expediently introduced into the steel matrix 3 with the proviso that at least 90%, preferably at least 95%, of the hard metal particles 4 have no direct contact with one another.

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Abstract

Werkzeug, insbesondere für Tunnelbohrmaschinen, mit Trägerkörper und mit einem an den Trägerkörper angeschlossenen Schneidelement, wobei das Schneidelement aus einer Stahlmatrix und darin verteilten Hartmetallteilchen besteht. Die Hartmotallteilchen bestehen zu mindestens 70 Vol.% aus Wolframcarbid und zusätzlich aus zumindest einem Bindemittel.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Werkzeug, insbesondere für Tunnelbohrmaschinen, mit Trägerkörper und mit einem an den Trägerkörper angeschlossenen Schneidelement. Bei dem Werkzeug handelt es sich insbesondere um einen Rollenmeißel, bei dem das Schneidelement ein über den Umfang des Trägerkörpers umlaufender Schneidering ist. Derartige Rollenmeißel werden auch als Diskenmeißel bezeichnet. Bei dem Werkzeug kann es sich aber auch um ein stehendes Werkzeug handeln.
  • Rollenmeißel sind die Hauptschneidwerkzeuge eines Schneidrades einer Tunnelbohrmaschine (TBM). Die Rollenmeißel weisen in der Regel einen zylinderförmigen Trägerkörper auf und über den Umfang dieses Trägerkörpers läuft der Schneidring um. Der Schneidring besteht regelmäßig aus einem harten Werkstoff und in der Praxis sind insbesondere Schneidringe aus legierten Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt bekannt, aber auch Schneideringe mit Hartmetalleinlagen. Die aus der Praxis bekannten Schneidringe unterliegen einem unerwünscht hohen Verschleiß, so dass die betreffenden Rollenmeißel nach verhältnismäßig kurzen Zeitspannen ausgetauscht werden müssen. Ein solcher Austausch von Werkzeugen ist sehr aufwendig und es müssen insbesondere nachteilhafte Vortriebsunterbrechungen beim Vortrieb der Tunnelbohrmaschine in Kauf genommen werden.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Werkzeug der eingangs genannten Art anzugeben, dessen Schneidelement eine hohe Widerstandsfähigkeit und einen relativ geringen Verschleiß aufweist und somit eine hohe Standzeit erreicht.
  • Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung ein Werkzeug, insbesondere für Tunnelbohrmaschinen, mit einem Trägerkörper und einem an den Trägerkörper angeschlossenen Schneidelement, wobei das Schneidelement aus einer Stahlmatrix und darin verteilten Hartmetallteilchen besteht
    und wobei die Hartmetallteilchen zu mindestens 70 Vol.-% aus, Wolframcarbid und zusätzlich aus einem Bindemittel bestehen.
  • Vorzugsweise bestehen dabei die Hartmetallteilchen zu mindestens 70 Vol.-% aus Wolframcarbid und der Rest besteht ausschließlich aus zumindest einem Bindemittel. Wenn also beispielsweise die Hartmetallteilchen 90 Vol.-% Wolframcarbid aufweisen, bestehen sie zu 10 Vol.-% aus Bindemittel. Mit dem Begriff Hartmetallteilchen sind im Rahmen der Erfindung im Übrigen definierte Teilchen gemeint, die aus einem anderen Material bestehen als die Stahlmatrix des Schneidelementes.
  • Nach einer sehr bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erfindungsgemäße Werkzeug ein Rollenmeißel, insbesondere für Tunnelbohrmaschinen, wobei das Schneidelement ein über den Umfang des Trägerkörpers umlaufender Schneidring ist. Der Schneidring umgibt den Trägerkörper ringförmig bzw. mit kreisförmigem Querschnitt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der Schneidring aus einer Mehrzahl von entlang des Schneidringes bzw. über den Umfang des Trägerkörpers hintereinander angeordneten Schneidringsegmenten besteht. Es handelt sich dabei zweckmäßigerweise um gebogene Schneidringsegmente, die sich auf dem Trägerkörper zum Schneidring ergänzen. Vorzugsweise ist zwischen zwei Schneidringsegmenten ein Spalt bzw. eine Lücke vorgesehen. Durch die Verwirklichung solcher Lücken zwischen den Schneidringsegmenten können insbesondere temperaturschwankungsbedingte Zwänge vermieden werden. Die Länge eines Schneidringsegmentes entspricht vorzugsweise 1/5 bis 1/15, bevorzugt 1/8 bis 1/12 des Umfanges des Schneidringes. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel entspricht die Länge eines Schneidringsegmentes 1/10 bzw. in etwa 1/10 des Umfanges des Schneidringes. Es ist noch darauf hinzuweisen, dass insbesondere Rollenmeißel mit Rollenmeißeldurchmessern von 10 bis 20 Zoll eingesetzt werden, die die vorgenannten Schneidringsegmente aufweisen.
  • Nach sehr bevorzugter Ausführungsform, der im Rahmen der Erfindung ganz besondere Bedeutung zukommt, ist der Schneidring auf den Trägerkörper aufgeschweißt bzw. sind die Schneidringsegmente auf den Trägerkörper aufgeschweißt. Der Trägerkörper besteht zweckmäßigerweise aus Stahl bzw. aus einer Stahllegierung, die sich nicht wesentlich unterscheidet von den gebräuchlichen Stahllegierungen, die zurzeit zur Anwendung kommen. Die Stahlmatrix des Schneidringes bzw. der Schneidringsegmente wird mit dem Trägerkörper verschweißt. Die Verschweißung des Schneidringes bzw. der Schneidringsegmente mit dem Trägerkörper ist im Rahmen der Erfindung wesentlich und vorteilhaft. Hierdurch wird ein sehr fester Verbund des erfindungsgemäßen Schneidringes bzw, der erfindungsgemäßen Schneidringsegmente mit dem Trägerkörper erzielt. Nach sehr bevorzugter Ausführungsform der Erfindung weist ein aufzuschweißendes Schneidringsegment trägerkörperseitig zwei im Querschnitt (quer zur Längsrichtung des Schneidringsegmentes) schräg zur Mitte des Schneidringsegmentes und zum Trägerkörper hin aufeinander zulaufende Schweißflächen auf. Zweckmäßigerweise weist ein Schneidringsegment einen im Querschnitt dreieckförmigen oder in etwa dreieckförmigen tulpenförmigen trägerkörperseitigen Abschnitt bzw. Schweißabschnitt auf. Die Dreieckspitze ist dabei trägerkörperseitig angeordnet. Vorzugsweise weist dann der dem aufzuschweißenden Schneidringsegment zugeordnete Trägerkörperabschnitt schneidringsegmentseitig ebenfalls zwei im Querschnitt schräg zur Mitte des Trägerkörpers und zum Schneidringsegment hin aufeinander zulaufende Schweißflächen auf. Zweckmäßigerweise weist dieser Trägerkörperabschnitt einen im Querschnitt dreieckförmigen oder in etwa dreieckförmigen oder tulpenförmigen schneidringsegmentseitigen Abschnitt bzw. Schweißabschnitt auf. Die Dreieckspitze ist dabei schneidringsegmentseitig angeordnet Schneideringsegment und zugeordneter Trägerkörperabschnitt werden dann so verschweißt, dass sich die beiden Dreieckspitzen gegenüberliegen. Die Dreieckspitzen können abgeflacht ausgebildet sein. Außerdem können die Dreieckseiten auch mehr oder weniger gebogen ausgebildet sein, so dass sich insbesondere der bereits genannte tulpenförmige Querschnitt ergeben kann. An den beiden Seiten der gegenüberliegenden Dreieckspitzen wird jeweils ein im Querschnitt keilförmiger Schweißspalt gebildet, in den die Schweißnaht eingebracht wird. Nach besonders bevorzugter Ausführungsform wird beim Verschweißen im Bereich der Dreieckspitzen die Wurzellage durchgeschweißt.
  • Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Werkzeug um ein stehendes Werkzeug, insbesondere für Tunnelbohrmaschinen. Stehendes Werkzeug meint dabei insbesondere ein Werkzeug, bei dem die Schneidelemente nicht über den Umfang bzw. über den Außenumfang eines rotierenden scheibenförmigen bzw. zylinderförmigen Trägerkörpers angeordnet sind. Das Schneidelement eines stehenden Werkzeuges ist vorzugsweise als lineare Schneidleiste bzw, als im Wesentlichen lineare Schneidleiste ausgebildet. Grundsätzlich sind für das Schneidelement aber unterschiedliche geometrische Ausgestaltungen denkbar. Vorzugsweise ist auch das Schneidelement eines stehenden Werkzeuges auf einen Trägerkörper aufgeschweißt. Der Trägerkörper besteht zweckmäßigerweise aus einem gebräuchlichen Stahl bzw. aus einer gebräuchlichen Stahllegierung. Die Stahlmatrix des Schneidelementes des stehenden Werkzeuges wird mit dem Trägerkörper verschweißt. Vorzugsweise erfolgt die Verschweißung dabei wie vorstehend zum Verschweißen des Schneidringes bzw. zur Verschweißung der Schneidringsegmente beschrieben.
  • Bei der Stahlmatrix des Schneidelementes des erfindungsgemäßen Werkzeuges handelt es sich zweckmäßigerweise um einen hochlegierten Stahl. Die Stahlmatrix des Schneidelementes enthält zweckmäßigerweise 0,34 bis 0,39 Gew.-%, vorzugsweise 0,34 bis 0,38 Gew.-% und bevorzugt 0,35 bis 0,37 Gew.-% Kohlenstoff sowie zweckmäßigerweise 0,85 bis 1,80 Gew.-%, vorzugsweise 0,9 bis 1,75 Gew.-% und bevorzugt 0,95 bis 1,70 Gew.-% Chrom. Fernerhin enthält die Stahlmatrix zweckmäßigerweise 1,0 bis 1,7 Gew.-%, vorzugsweise 1,1 bis 1,65 Gew.-% und bevorzugt 1,15 bis 1,60 Gew.-% Silicium sowie 1,2 bis 4,0 Gew.-%, vorzugsweise 1,25 bis 3,95 Gew.-% und bevorzugt 1,35 bis 3,90 Gew.-% Nickel. Weiterhin enthält diese Stahlmatrix zweckmäßigerweise 0,18 bis 0,33 Gew.-%, vorzugsweise 0,20 bis 0,31 Gew.-% und bevorzugt 0,21 bis 0,30 Gew.-% Molybdän sowie zweckmäßigerweise 0,38 bis 1,65 Gew.-%, vorzugweise 0,40 bis 1,60 Gew.-% und bevorzugt 0,43 bis 1,55 Gew.-% Mangan. Außerdem enthält diese Stahlmatrix zweckmäßigerweise 0,02 bis 0,18 Gew.-%, vorzugsweise 0,02 bis 0,16 Gew.-% und bevorzugt 0,03 bis 0,15 Gew.-% Aluminium sowie zweckmäßiger 0,01 bis 0,05 Gew.-%, vorzugsweise 0,01 bis 0,04 Gew.-% und bevorzugt 0,01 bis 0,03 Gew.-% Vanadium. Der Rest der Stahlmatrix besteht aus Eisen und die Gew.-%-Angaben für Kohlenstoff, Chrom, Silicium, Nickel, Molybdän, Mangan, Aluminium, Vanadium und Eisen müssen sich für eine bestimmte Zusammensetzung der Stahlmatrix zu 100 Gew.-% addieren.
  • Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Stahlmatrix die oben angegebenen Gew.-%-Werte für Kohlenstoff, Molybdän und Vanadium und diese Stahlmatrix enthält zweckmäßigerweise 0,8 bis 1,2 Gew.-%, vorzugsweise 0,8 bis 1,1 Gew.-%, bevorzugt 0,9 bis 1,05 Gew.-% Chrom sowie zweckmäßigerweise 1,3 bis 1,8 Gew.-%, vorzugsweise 1,4 bis 1,7 Gew.-% und bevorzugt 1,5 bis 1,6 Gew.-% Silicium und weiterhin zweckmäßigerweise 1,2 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise 1,2 bis 1,9 Gew.-%, bevorzugt 1,3 bis 1,75 Gew.-% Nickel. Die Stahlmatrix nach dieser ersten Ausführungsform enthält weiterhin zweckmäßigerweise 1,1 bis 1,8 Gew.%, vorzugsweise 1,2 bis 1,7 Gew.-%, bevorzugt 1,3 bis 1,6 Gew.-% Mangan sowie 0,01 bis 0,08 Gew.-%, vorzugsweise 0,02 bis 0,07 Gew.-%, bevorzugt 0,03 bis 0,06 Gew.-% Aluminium und der Rest der Stahlmatrix dieser ersten Ausführungsform besteht aus Eisen. Auch hier müssen sich die Gew.-%-Angaben jeweils zu 100 Gew.-% addieren.
  • Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Stahlmatrix ebenfalls die oben angegebenen Gew.-%-Werte für Kohlenstoff, Molybdän und Vanadium sowie 1,3 bis 1,9 Gew.-%, vorzugsweise 1,45 bis 1,8 Gew.-%, bevorzugt 1,55 bis 1,75 Gew.-% Chrom und weiterhin 0,8 bis 1,4 Gew.-%, vorzugsweise 0,9 bis 1,3 Gew.-%, bevorzugt 1,05 bis 1,25 Gew.-% Silicium. Außerdem enthält die Stahlmatrix gemäß dieser zweiten Ausführungsform 3,5 bis 4,2 Gew.-%, vorzugsweise 3,6 bis 4,1 Gew.-%, bevorzugt 3,75 bis 4,0 Gew.-% Nickel sowie 0,25 bis 0,65 Gew.-%, vorzugsweise 0,3 bis 0,6 Gew.-%, bevorzugt 0,35 bis 0,55 Gew.-% Mangan. Zusätzlich enthält die Stahlmatrix der zweiten Ausführungsform 0,1 bis 0,18 Gew.-%, vorzugsweise 0,11 bis 0,17 Gew.-%, bevorzugt 0,12 bis 0,16 Gew.-% Aluminium und der Rest der Stahlmatrix besteht aus Eisen. Es versteht sich, dass sich die Gew.%-Angaben auch hier zu 100 Gew.-% addieren müssen.
  • Die Härte der Stahlmatrix des Schneidelemenets beträgt vorzugweise 450 bis 600 HV. Härte der Stahlmatrix meint hier die Härte der Stahlmatrix allein, d. h. ohne Hartmetallteilchen.
  • Eine sehr bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlmatrix des Schneidelemenets mit den Hartmetallteilchen vergossen ist. Gemäß dieser Ausführungsform erfolgt die Herstellung des Schneidelemenets also durch Gießen. Die Hartmetallteilchen werden dabei gleichsam in die Stahlmatrix eingegossen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Gießen der Stahlmatrix mit der Maßgabe, dass Hartmetallteilchen nur oder hauptsächlich in den verschleißbeaufschlagten Oberflächen der Stahlmatrix des Schneidelemenets vorhanden sind.
  • Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der Anteil an Hartmetallteilchen im Schneidelemenet mehr als 25 Vol.-%, vorzugsweise mehr als 30 Vol.-% und bevorzugt mehr als 35 Vol.-% beträgt. Der Rest des Schneidelemenets wird dabei jeweils durch die Stahlmatrix gebildet. Vorzugsweise sind insbesondere in der trägerkörperabgewandten bzw. in der schweißnahtabgewandten Hälfte des Schneidelemenets mehr als 40 Vol.-%, bevorzugt mehr als 50 Vol.-% an Hartmetallteilchen enthalten.
  • Zweckmäßigerweise bestehen die Hartmetallteilchen zu mindestens 80 Vol.-%, vorzugsweise zu mindestens 85 Vol.-% und bevorzugt zu mindestens 87 Vol.-% aus Wolframcarbid, Rest Bindemittel. Rest Bindemittel meint dabei, dass der restliche Vol,-%-Gehalt von zumindest einem Bindemittel gebildet wird. Wenn also nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung die Hartmetallteilchen aus 90 Vol.-% bzw. aus ca. 90 Vol.-% Wolframcarbid bestehen, so bestehen sie zu 10 Vol.-% bzw. zu ca. 10 Vol.-% aus zumindest einem Bindemittel. Mit dem Begriff Wolframcarbid ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung lediglich eigentliches Wolframcarbid mit der chemischen Formel WC gemeint. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung meint der Begriff Wolframcarbid auch Wolframschmelzcarbide (WSC, WC/W2C). Vorzugsweise besteht das Bindemittel für die Hartmetallteilchen aus Kobalt oder im wesentlichen aus Kobalt.
  • Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Hartmetallteilchen als Hartmetallgranulat in die Stahlmatrix des Schneidelemenets eingebracht, vorzugsweise eingegossen werden. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße der Hartmetallteilchen 1 bis 10 mm, vorzugsweise 2 bis 8 mm, bevorzugt 2,5 bis 7 mm und sehr bevorzugt 3 bis 6 mm beträgt. Nach ganz besonders bevorzugter Ausführungsform der Erfindung beträgt die Korngröße der Hartmetallteilchen 3,5 bis 5,5 mm. Die Härte der Hartmetallteilchen beträgt zweckmäßigerweise 800 bis 1800 HV, vorzugsweise 1000 bis 1600 HV und bevorzugt 1400 bis 1600 HV. Es versteht sich, dass die Komponenten bzw. die Zusammensetzung der Hartmetallteilchen so ausgewählt wird, dass die vorstehend angegebenen Härten eingestellt werden können.
  • Die Art des erfindungsgemäß hergestellten Materials für das Schneidelemenet nennt man im englischsprachigen Raum "Metal Matrix Composites (MMC)". In Deutschland verwendet man den Begriff "Hartstoff-Matrix-Verbundwerkstoff". Bei einem solchen Material werden die "guten" Eigenschaften von mindestens zwei oder mehr verschiedenen Werkstoffen miteinander kombiniert.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein erfindungsgemäßes Werkzeug bzw. das Schneidelement eines erfindungsgemäßen Werkzeuges einem überraschend geringen Verschleiß unterliegt. Dementsprechend muss ein Werkzeugwechsel bzw. Schneidelementwechsel erst nach relativ langen Zeitspannen vorgenommen werden und insoweit werden beachtliche Vorteile im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Werkzeugen erzielt. Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass das Schneidelement eines erfindungsgemäßen Werkzeuges nicht nur eine hohe Härte, sondern auch eine ausreichende Zähigkeit aufweisen muss. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Schneidelemenets wird ein optimaler Kompromiss zwischen der erforderlichen Härte und der notwendigen Zähigkeit des Schneidelementes erreicht. Weiterhin lässt sich ein erfindungsgemäß ausgebildetes Schneidelement in überraschend festen Verbund mit dem Trägerkörper bringen. Das gilt insbesondere für die sehr bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der das Schneidelement auf den Trägerkörper aufgeschweißt wird. Es muss auch betont werden, dass die Herstellung des Verbundes zwischen dem erfindungsgemäßen Schneidelement und dem Trägerkörper auf einfache Weise möglich ist. Weiterhin ist hervorzuheben, dass der Trägerkörper eines erfindungsgemäßen Werkzeuges immer wieder verwendet werden kann, indem nach längerem Betrieb und entsprechendem Verschleiß ein neues Schneidelement einfach auf den Trägerkörper aufgeschweißt werden kann. Auch das ist ein beachtlicher Vorteil gegenüber bekannten Werkzeugen, die nach Auftreten von Verschleißerscheinungen in der Regel vollständig ausgewechselt werden müssen.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
    • Fig. 1
    eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeuges in Form eines Rollenmeißels,
    Fig. 2
    ein einzelnes Schneidringsegment in einer Seitenansicht,
    Fig. 3
    das Schneidringsegment gemäß Fig. 2 im Querschnitt und ein zugeordneter Trägerkörperabschnitt im Querschnitt (vor der Verschweißung),
    Fig. 4
    das Schneidringsegment und zugeordneter Trägerkörperabschnitt im Querschnitt nach der Verschweißung und
    Fig. 5
    ein Schneidelement eines stehenden Werkzeuges für eine Tunnelbohrmaschine.
  • Die Figuren betreffen Werkzeuge für Tunnelbohrmaschinen, wobei diese Werkzeuge jeweils einen Trägerkörper 1 und ein auf dem Trägerkörper 1 aufgeschweißtes Schneidelement aufweisen.
  • Die Figuren 1 bis 4 zeigen einen Rollenmeißel für Tunnelbohrmaschinen. Dieser Rollenmeißel weist einen Trägerkörper 1 und einen über den Umfang des Trägerkörpers 1 umlaufenden Schneidring 2 auf. Der Schneidring 2 besteht aus einer Stahlmatrix 3 und darin verteilten Hartmetallteilchen 4. Die Hartmetallteilchen 4 bestehen vorzugsweise zu ca. 90 Vol.-% aus Wolframcarbid sowie zu ca. 10 Vol.-% aus einem Bindemittel in Form von Kobalt.
  • Nach sehr bevorzugter Ausführungsform und im Ausführungsbeispiel besteht der Schneidring 2 aus einer Mehrzahl von über den Umfang des Trägerkörpers 1 hintereinander angeordneten Schneidringsegmenten 5. In der Fig. 1 wurde angedeutet, dass zwischen den Schneidringsegmenten 5 vorzugsweise Lücken 6 ausgebildet sind. Fig. 2 zeigt, dass ein Schneidringsegment 5 gebogen ausgebildet ist und formschlüssig an den Umfang des Trägerkörpers 1 angepasst ist. Die Länge eines Schneidringsegmentes 5 entspricht vorzugsweise 1/10 bzw. etwa 1/10 des Umfanges des Schneidelementes 2.
  • Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass Schneidringsegmente 5 auf den Trägerkörper 1 aufgeschweißt werden. Fig. 3 zeigt einerseits ein Schneidringsegment 5 und andererseits den entsprechend zugeordneten Abschnitt des Trägerkörpers 1 vor der Herstellung der Schweißverbindung. Es ist erkennbar, dass das aufzuschweißende Schneidringsegment 5 trägerkörperseitig zwei im Querschnitt schräg zur Mitte des Schneidringsegmentes 5 und zum Trägerkörper 1 hin aufeinander zulaufende Schweißflächen 7 aufweist, Dementsprechend weist der dem aufzuschweißenden Schneidringsegment 5 zugeordnete Abschnitt des Trägerkörpers 1 schneidringsegmentseitig ebenfalls zwei im Querschnitt schräg zur Mitte des Trägerkörpers 1 und zum Schneidringsegment 5 hin aufeinander zulaufende Schweißflächen 8 auf. Schneidringsegment 5 und zugeordneter Trägerkörperabschnitt haben jeweils einen im Querschnitt etwa dreieckförmigen bzw. tulpenförmigen Schweißabschnitt 10, 11. Sie werden mit gegenüberliegenden Dreieckspitzen miteinander verschweißt. Zwischen den Schweißflächen 7 und 8 wird die Schweißnaht 9 hergestellt. Fig. 4 zeigt die fertiggestellte Schweißverbindung zwischen Schneidringsegment 5 und Trägerkörper 1 mit der Schweißnaht 9 zwischen den Schweißflächen 7, 8. Bei der Herstellung dieser Schweißverbindung wird zweckmäßigerweise die Wurzellage im Bereich der Dreieckspitzen durchgeschweißt, was in Fig. 4 angedeutet wurde. Es ist im Übrigen darauf hinzuweisen, dass zweckmäßigerweise der trägerkörperseitige - im Ausführungsbeispiel im Querschnitt dreieckförmige - Schweißabschnitt 10 des Schneidringsegmentes 5 aus einem anderen Stahl besteht als die Stahlmatrix 3, die die Hartmetallteilchen 4 aufnimmt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der Schweißabschnitt 10 aus einem schweißbaren Stahl bzw. aus einem gut schweißbaren Stahl besteht.
  • In den Fig. 3 und 4 ist im Übrigen erkennbar, dass Hartmetallteilchen 4 homogen in dem äußeren bzw. verschleißbeaufschlagten Bereich eines Schneidringsegmentes 5 angeordnet sind. Es liegt dann im Rahmen der Erfindung, dass in diesem Bereich vorzugsweise mehr als 40 Vol.-%, bevorzugt mehr als 50 Vol.-% Harimetallteilchen 4 in dem Schneidringsegment 5 vorliegen. Der Rest besteht dann jeweils aus der Stahlmatrix 3. Die Hartmetallteilchen 4 werden nach sehr bevorzugter Ausführungsform in der Stahlmatrix 3 mit der Maßgabe angeordnet, dass die Hartmetallteilchen 4 möglichst keinen direkten Kontakt miteinander haben bzw. dass entsprechende von der Stahlmatrix ausgefüllte Abstände zwischen den Hartmetallteilchen 4 vorhanden sind. Nach besonders bevorzugter Ausführungsform werden die Hartmetallteilchen 4 mit der Maßgabe in die Stahlmatrix 3 eingebracht, dass zumindest 90 %, vorzugsweise zumindest 95 % der Hartmetallteilchen 4 keinen direkten Kontakt miteinander haben.
  • Die Fig. 5 zeigt ein Schneidelement für ein stehendes Werkzeug einer Tunnelbohrmaschine. Dieses Schneidelement ist im Ausführungsbeispiel als lineare Schneidleiste 12 ausgebildet. Diese Schneidleiste 12 besteht ebenfalls aus einer Stahlmatrix 3 und darin verteilten Hartmetallteilchen 4. Die Hartmetallteilchen 4 bestehen vorzugsweise aus zu ca. 90 Vol.-% aus Wolframcarbid sowie zu ca. 10 Vol.-% aus einem Bindemittel in Form von Kobalt. Vorzugsweise sind auch in diesem Ausführungsbeispiel die Hartmetallteilchen 4 homogen in dem äußeren bzw. verschleißbeaufschlagtem Bereich der Schneidleiste 12 angeordnet. In diesem Bereich liegen zweckmäßigerweise mehr als 40 Vol.-%, bevorzugt mehr als 50 Vol.-% Hartmetallteilchen 4 vor. Der Rest dieses Bereiches besteht aus der Stahlmatrix 3. Auch im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 werden die Hartmetallteilchen 4 vorzugsweise in der Stahlmatrix 3 mit der Maßgabe angeordnet, dass die Hartmetallteilchen 4 möglichst keinen direkten Kontakt miteinander haben bzw, das entsprechende von der Stahlmatrix ausgefüllte Abstände zwischen den Hartmetallteilchen 4 vorhanden sind. Zweckmäßigerweise werden die Hartmetallteilchen 4 mit der Maßgabe in die Stahlmatrix 3 eingebracht, dass zumindest 90%, vorzugsweise zumindest 95% der Hartmetallteilchen 4 keinen direkten Kontakt miteinander haben.

Claims (13)

  1. Werkzeug, insbesondere für Tunnelbohrmaschinen, mit Trägerkörper (1) und mit einem an den Trägerkörper (1) angeschlossenen Schneidelement,
    wobei das Schneidelement aus einer Stahlmatrix (3) und darin verteilten Hartmetallteilchen (4) besteht
    und wobei die Hartmetallteilchen (4) zu mindestens 70 Vol.-% aus Wolframcarbid und aus zumindest einem Bindemittel bestehen.
  2. Werkzeug nach Anspruch 1, wobei das Werkzeug ein Rollenmeißel ist und wobei das Schneidelement ein über den Umfang des Trägerkörpers (1) umlaufender Schneidring (2) ist.
  3. Werkzeug nach Anspruch 2, wobei der Schneidring (2) aus einer Mehrzahl von über den Umfang des Schneidringes (2) hintereinander angeordneten Schneidringsegmenten (5) besteht.
  4. Werkzeug nach Anspruch 1, wobei das Werkzeug ein stehendes Werkzeug ist.
  5. Werkzeug nach Anspruch 4, wobei das stehende Werkzeug eine lineare Schneidleiste (12) ist.
  6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schneidelemente auf den Trägerkörper (1) aufgeschweißt sind.
  7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Stahlmatrix (3) des Schneidelementes aus 0,35 bis 0,37 Gew.-% Kohlenstoff, 0,95 bis 1,70 Gew.-% Chrom, 1,15 bis 1,60 Gew.-% Silicium, 1,35 bis 3,9 Gew.-% Nickel, 0,21 bis 0,30 Gew.-& Molybdän, 0,43 bis 1,55 Gew.-% Mangan, 0,03 bis 0,15 Gew.-% Aluminium und 0,01 bis 0,03 Gew.-% Vanadium sowie aus Eisen besteht.
  8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Stahlmatrix (3) mit den Hartmetallteilchen (4) vergossen ist.
  9. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Anteil an Hartmetallteilchen (4) im Schneidelement mehr als 25 Vol.-%, vorzugsweise mehr als 30 Vol.-% und bevorzugt mehr als 35 Vol.-% beträgt.
  10. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Hartmetaltteilchen (4) zu mindestens 80 Vol.-%, vorzugsweise zu mindestens 85 Vol.-% und bevorzugt zu mindestens 87 Vol.-% aus Wolframcarbid, Rest Bindemittel, bestehen.
  11. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Bindemittel der Hartmetallteilchen (4) aus Kobalt besteht.
  12. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Korngröße der Hartmetallteilchen (4) 1 bis 10 mm, vorzugsweise 2 bis 8 mm und bevorzugt 2,5 bis 7 mm beträgt.
  13. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Härte der Hartmetallteilchen (4) 800 bis 1800 HV, vorzugsweise 1000 bis 1600 HV, bevorzugt 1400 bis 1600 HV beträgt.
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