EP2984287A2 - Annular tool - Google Patents

Annular tool

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EP2984287A2
EP2984287A2 EP14723967.7A EP14723967A EP2984287A2 EP 2984287 A2 EP2984287 A2 EP 2984287A2 EP 14723967 A EP14723967 A EP 14723967A EP 2984287 A2 EP2984287 A2 EP 2984287A2
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EP
European Patent Office
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tool
hard material
material particles
melt
elements
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14723967.7A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Bernhard Feistritzer
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Individual
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Publication date
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    • C22C29/00Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH DRILLING; MINING
    • E21CMINING OR QUARRYING
    • E21C25/00Cutting machines, i.e. for making slits approximately parallel or perpendicular to the seam
    • E21C25/16Machines slitting solely by one or more rotating saws, cutting discs, or wheels
    • E21C25/18Saws; Discs; Wheels
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    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
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    • B22D13/04Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force of shallow solid or hollow bodies, e.g. wheels or rings, in moulds rotating around their axis of symmetry
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    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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    • E21BEARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F2005/002Tools other than cutting tools

Definitions

  • the invention relates to an annular Tool with at least one radially outward working area with high wear resistance and an achs legislativeren clamping part, in particular a Roller chisel or cutting ring for rock, in particular for Tunnel boring machines.
  • the invention relates to a Method for producing annular tools with at least one radially outward working area and an achs legislativeren clamping part, in particular roller bits or cutting rings for rock, in particular for Tunnel boring machines, formed from 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 in a mixed form of the elements of the groups 4 and / or 5 of the periodic table are stored.
  • hard material particles such as carbides and / or nitrides and / or carbonitrides and / or borides, optionally in a mixed form of the elements of the groups 4 and / or 5 of the periodic table are stored.
  • Drilling rigs for rock formations or rock and The like are mostly for larger diameter with annular tools equipped, which have an outward working area and Roll under pressure on the rock bottom and thereby a removal or a Break out of this effect.
  • tunnel boring machines have a large size dish-shaped tool holder in which a variety of so-called Roller bits or cutting rings are mounted rotatably mounted.
  • the tool holder is rotated and pressed with high force to the mountains, the same arranged on different radii of the roller bit in the respective areas of rock are effectively breaking and the eroded Rock or the so-called cuttings discharged behind the tool holder becomes.
  • the mechanical requirements should be annular tool with a tapered, radially outward facing Work area, in this particular a high wear resistance as well have high hardness and high toughness of the material.
  • the tool raw part is on an axis Shrunk, whereby tensile stresses inevitably arise in the clamping area, which in the heavy, the hard rock breaking operation, each one for it required compressive stresses of the material are superimposed and no in the Substantially stationary loads of the tool material result.
  • Roller bits should therefore have a workspace highest possible wear resistance and a clamping range with sufficient high toughness and high toughness and overall a superior Break resistance of the material with changing mechanical stress, because a failure of a tool costly repairs with a Standstill of the drill caused.
  • the cutting rings usually consist of a Tool steel.
  • the shaping is generally done via a Forging process, the desired material properties by a subsequent heat treatment can be achieved.
  • the person skilled in the art is aware that a maximum wear resistance of tool steels only with a high Hardness of the structure is achievable. Here must be accepted that with increasing hardness decreases the toughness of the structure.
  • To achieve the for Tool steels best properties in terms of hard use as Cutting ring, must be a compromise between highest wear resistance and high tenacity.
  • DE 10 2005 039 036 B3 describes, for example, a steel roller chisel, which in the work area having welded segments, said carbide particles of Contain tungsten carbide.
  • JP 2000001733 A is a similar cutting ring known, which has a on the outer periphery of a base body of ductile iron has applied carbide ring.
  • JP 59144568 A is a Manufacturing process for cutting rings described in which a melt, which contains tungsten carbide-based cemented carbide particles, into a rotating one Mold is poured, whereupon the hard metal particles in the outdoor area focus on the cast body.
  • This method has the disadvantage that the the melt added hard metal particles partially through the melt be dissolved and in the solidification unwanted, brittle structural components can form in the structure of the tool. Also, the minimum size is the added carbide particles limited by the dissolution process.
  • the invention sets itself the goal of a generic, annular tool to create, which in the hard, rock breaking operation allows an increased service life.
  • the above aim is a generic, To create a ring-shaped tool, which in the hard, rock-breaking operation An increased service life is achieved by the tool off a material consisting of an iron-based matrix alloy with is formed in this embedded hard material particles.
  • the hard material particles can be made of carbide, nitride, oxide or boride, but also as compounds this, such as carbonitride, carboboride or oxicarbonitride with Boron, be formed. Depending on the application, it may be advantageous that mixtures of these different types of hard materials in the tool are included.
  • the metal content in the hard material particles comes essentially from Groups 4 and 5 of the Periodic Table (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta), wherein also here only single elements from these groups or mixtures of these in may be contained in the hard materials.
  • Groups 4 and 5 of the Periodic Table Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta
  • tungsten carbide e.g., tungsten carbide
  • hard materials used during the Solidification of an iron base melt and during the further cooling of the be formed or eliminated from this resulting workpiece preferably Form eutectic microstructures or segregate at grain boundaries.
  • the thus formed hard materials the toughness of the structure can be clearly reduce.
  • the advantage of the low solubility of the above hard materials in one Iron meltdown lies in the fact that on the one hand large amounts of this Hard materials may be contained as solid particles in the melt, wherein on the other hand, in the solidification of the melt and in the further cooling of the Workpiece only small amounts of additional hard particles in the structure be formed or excreted. These small amounts of brittle Hard materials affect the toughness of the structure only to a small extent negative. These can increase the toughness but even if the excreted particles are sufficiently fine to grain growth of the matrix during a heat treatment decrease.
  • both a minimum share of Hard material ponds are present in the structure, as well as the hard material particles in such a way be distributed inhomogenously in the cutting ring, that a high proportion of these in the located radially outward working area of the roller bit.
  • sufficient volume fraction of the wear-resistant Working range of about 8 volume% (vol%) has a hard material content of at least 5 vol .-%, in each case based on the entire workpiece, as suitable proved. At least 8% by volume of hard particles are necessary if heavy Working conditions are provided for the cutting ring.
  • the possible Operating time of the roller chisel can with larger volume portion of the Work area are increased. So the percentage of the work area can be up about 25% by volume and above are increased to long use times at the same time to enable difficult conditions of use.
  • the desired distribution of the hard material ponds in the Cutting ring is achieved if its density is higher than the density of the melt is and they move outward in the centrifugal casting process. tries have shown that good results are already achieved when the density of the Hard material particles at room temperature is greater than 7400kg / m3. A desired, high concentration of hard material ponds in the work area is achieved when at room temperature a density greater than 7600 kg / m3 exhibit. Hard materials with this density are, for example, carbides, nitrides and Carbonitrides of niobium, which have been proven in experiments.
  • a ratio of Nb Atomic% / V atomic%> 5 should be used for niobium-vanadium mixed carbides optionally carbonitrides may be, at least be respected. Higher concentrations of these particles in the work area are combined with a Ratio Nb atomic% / V atomic%> 10 achieved.
  • the Wear resistance of a structure not only on the hardness of the matrix and the embedded hard material particles, as well as their ratio depends, but also depends on the size distribution of the hard material particles.
  • all structural constituents are understood as a matrix which does not correspond to the above-mentioned hard material particles are. If the hard particles are too small, so These can be in the furious wear as whole particles from the matrix be removed without increasing the wear resistance especially. Are the However, if particles are too large, these can be under the high pressure load during of the rock breaking mission break and thereby also the Do not increase wear resistance sufficiently.
  • the Roller Chisel has been shown to give the best results if at least 60% by volume, preferably at least 75% by volume of the hard material particles are formed with a size of less than 70 ⁇ m.
  • the properties of the matrix are crucial importance to a high To achieve wear resistance in the working area of the roller chisel.
  • the properties of the matrix are crucial to a sufficient toughness of the structure both in the work area, as well as in the Clamping range, to allow.
  • the properties of the matrix will be above all by their chemical composition and by a possible heat treatment founded. Carbon is the most important alloying element and influences before In particular, the hardenability of the steel, with about 0.28% C as the lower limit for a sufficient hardenability of the steel is considered for the present application becomes. At a carbon content of over 1.2% in the matrix, a Carbide network form in the structure, which reduces its toughness.
  • Silicon increases the strength and the wear resistance but also the Castability of the melt, but should not exceed 2% in the matrix.
  • Manganese sets the critical cooling rate for the formation of martensite and, with a sufficient amount of up to 2%, allows the air to be hardened Cutting rings.
  • the solubility of Carbon in austenite can be significantly increased and the conversion properties austenite may be affected by cooling or mechanical stress.
  • the carbon content in the matrix can also reach up to 2.3%.
  • chromium Like manganese, chromium also increases the hardenability of steel and forms secondary and tertiary carbides, which are excreted from the austenite and increase the wear resistance, too high chromium contents too lead a chromium carbide network in the structure.
  • the chromium content should therefore not higher than 6.0%.
  • Nickel also favors like manganese and chromium the martensite formation and additionally increases the toughness of the matrix. For nickel a content of 2.5% appears as the upper limit in the matrix to reach the necessary properties as sufficient.
  • To set a low Critical cooling rate has a combination of Mn, Cr and Ni reinforced. Molybdenum increases the strength of the matrix up to about 2.2% increases the wear resistance through the formation of carbides.
  • Tungsten forms together with Nb and V mixed carbides as well as mixed nitrides and can thus increase the density increase these hard substances.
  • the content of W in the melt is so to adjust that after the ejection of the primary formed hard materials in the matrix only has a content of max. 1.5% is included, otherwise together with Mo can form a network of W-Mo mixed carbides.
  • For this Reason should also be 1.5xMo + W not more than 3.5%. Due to the high affinity of Nb and V to C and N remain of these in the matrix only small amounts from below max. 0.8% back.
  • Cobalt can increase the heat resistance for cutting rings which are subject to particularly high loads up to a content of 3% in be included in the matrix.
  • the melt is often Al added, which is still partially dissolved in the matrix after solidification can stay. Higher levels of Al can increase the density of the melt reduced and thus increases the density difference to the hard particles become.
  • An Al content of up to 3% in the matrix is possible.
  • a base composition for the matrix are suitable especially the alloys of alloyed tool steels, as specified in the standard DIN 10020 are described. It can both cold work steel, hot work steel and high speed steels used as the base composition for the matrix become. To avoid eutectic carbides, it is in the High speed steels partly necessary, the carbon content compared to the Standard composition to reduce.
  • these matrix alloys can by a suitable heat treatment, which generally consists of a hardening process and a start-up process, the trouble-free use of the Cutting rings required hardness of at least 44HRC can be achieved. It has demonstrated that a particularly good wear resistance is achieved when the Matrix of the cutting rings has a hardness of 50HRC and above. This hardness is needed when in hard, especially weary rock formations is bored.
  • the heat treatment of the cutting rings is always on the special Application to adapt the application to a balance between To achieve hardness and toughness of the structure.
  • Manganese hard steels are characterized by a corresponding Heat treatment characterized by making their structure of a metastable, very tough Austenite exists. By compressive stress of the surface, the metastable Turning austenite into a hard and wear-resistant martensite, which makes you obtains a hard surface and tough core component. Depending on the proportion of Mn and C in the steel and their quantitative ratio to each other, can Conversion behavior can be influenced.
  • the composition of Matrix alloy can also be adjusted so that the surface or the entire tool body by cooling below room temperature, preferably by means of liquid nitrogen, at least partly in martensite can be converted.
  • chisel or similar annular tools which at least one radially outward directed work area and an axis closer clamping part included, and off 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 in Mixed form of the elements of groups 4 and / or 5 of the periodic table embedded are to be manufactured, in which in a first step one Base alloy, for example, in an induction furnace, melted and on a Temperature is heated from 1350 ° C to 1630 ° C. This base melt serves most alloying elements for the later finished alloy in the To introduce melt.
  • the base melt can vary depending on the desired Matrix composition and depending on the choice of execution of the following second step, the following composition in wt .-%:
  • Hafnium (Hf) to 1.0
  • Tantalum (Ta) to 5.0
  • 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.
  • the Zulegieren of Carbon, nitrogen and boron can be absorbed by solids 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.
  • nitrogen and boron content of the added component or Components very large quantities of these may be necessary to the desired carbon, nitrogen and boron content in the finished melt to reach.
  • the amount of added carbon, nitrogen and boron carriers can thus be significantly larger than the amount of base melt, which the alloying element proportions in the base melt assume very high contents can, e.g. Niobium up to 35% by weight.
  • the melting of one of the elements of the 4th and / or main group rich alloy with low levels of carbon, Nitrogen and boron has the advantage that the ferroalloys, over which In general, the elements of the 4th and 5th group are alloyed quickly dissolve. At too high levels of carbon, nitrogen and boron in the Melt can build up on the surface of the ferroalloys used form a hard material layer, which greatly hinders the resolution. It has in experiments showed that the proportion of carbon in the base melt in the above case should be less than 0.6 wt .-%.
  • the Adjust composition of the base melt so that these elements does not contain to the formation of 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 oxicarbonitrides with Borane parts, at least one of the elements or in mixed form of the elements of Groups 4 and 5 of the periodic table.
  • the homogeneous distribution of Hard material particles in the base melt can by mechanical methods, for Example by stirring, or by the injection of gases in the bottom Supported area of the melting vessel.
  • the formed or introduced hard material particles may be advantageous for example, to prevent oxidation of constituents in the melt, the process steps 1 and / or 2 in the whole or even partially under a protective gas atmosphere or under reduced ambient pressure perform.
  • the matrix melt with the contained therein Hard material particles are poured in a third step into a rotating mold and allowed to freeze.
  • the hard particles migrate outside in the later work area of the roller chisel, where they have an Hard materials form very rich microstructure.
  • the hard particles form very rich microstructure.
  • the Indoors a microstructure, which only small contents at the primary has excreted or introduced hard materials.
  • the resulting Proportion of hard materials in the outdoor area is mainly due to the Process parameters rotational 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 certainly.
  • the speed should be the Mold and thus acting on the melt and on the hard particles
  • Centrifugal acceleration should be as high as possible. Centrifugal accelerations from 700 m / s2 and above, measured on the outside diameter of the casting, have become proven.
  • a high density difference between the hard material particles and the Melting can be done mainly by high levels of niobium, tantalum and hafnium in the hard materials are achieved.
  • step precipitated or added hard material particles should have a density greater than that of the matrix melt in a Temperature 50 ° C above its liquidus temperature.
  • the migration of the hard particles to the outside requires depending on the dimension of the casting different time and Achieving a maximum possible concentration of hard materials in the outer structure should be the time between the pouring of the melt into the mold and the solidification of the melt should be as large as possible.
  • Preheat the mold on Several 100 ° C can bring slight advantages here.
  • the strong Solidification rate be reduced when the mold as a whole or in parts facing the casting from a material exists, which conducts the heat only very bad.
  • Quartz sand and molded materials based on aluminum silicate ceramics Also a ceramic or ceramic based heat insulating coating Carbon base on the inside of the mold brings advantages here.
  • a Heat treatment of the ring follows.
  • This can, in the case of a Matrix composition similar to a tool steel, from a hardening process and at least one starting process exist.
  • a matrix composition Similar to a manganese-hard steel is generally carried out after an annealing treatment a rapid cooling to reach a metastable, austenitic structure.
  • the heat treatment follows the mechanical finishing of the Cutting ring by e.g. Turning and / or grinding.
  • the invention is based on a described example.
  • 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 in an induction oven melted, brought to a temperature of 1590 ° C, at this temperature for Held for 5 minutes and then at constant temperature with petroleum coke on brought a carbon content of 2.35%. After carburizing, the Temperature of the finished melt 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, into which a core of bound Silica was inserted. This core was previously used on the inside surface 1mm thick zirconia-based sizing coated.
  • the casting was added about 800 ° C taken from the mold and after a balancing phase of 60min in Stove in this cooled to room temperature, then preprocessed and through Hardening and tempering twice to a hardness of 53 HRC in the clamping range brought.
  • FIG. 1 shows an example of a cutaway annular roller chisel 1 with the cross-section 2.
  • the with hard particles Enriched part 3 includes the lying on the outer diameter of the ring 1 Work area 4.
  • the clamping area 5 is located on the inner diameter of the ring 1 and contains only a small proportion of hard materials.
  • FIG. 2 shows by way of example the microstructure in FIG Work area 4, where the hard particles bright and the matrix dark are shown.
  • the hard material content is about 20%.
  • FIG. 3 shows, for comparison, the microstructure in FIG Clamping range 5 with only a small amount of hard materials.

Abstract

The invention relates to an annular tool (1) having at least one working region (4) oriented radially outward and having 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, made of a material which is formed from an iron-based alloy as matrix having incorporated hard material particles, wherein the hard material particles are formed from carbide and/or nitride and/or oxide and/or boride, possibly as carbonitride or oxycarbonitride having a boron component of at least one of the elements, or in mixed form of the elements from groups 4 and 5 of the periodic system, and have a density at room temperature of more than 7400 kg/m3, preferably of more than 7600 kg/m3. The invention further relates to methods for the production thereof.

Description

    RINGFÖRMIGES WERKZEUG RINGTONED TOOL
  • 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 outward working area with high wear resistance and an achsnäheren clamping part, in particular a Roller chisel or cutting ring for rock, in particular for Tunnel boring machines.
  • Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung von ringförmigen Werkzeugen mit mindestens einem radial nach außen gerichteten Arbeitsbereich und einem achsnäheren Spannteil, insbesondere Rollenmeißel bzw. Schneidringe für Gestein, insbesondere für Tunnelbohrmaschinen, gebildet 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. Furthermore, the invention relates to a Method for producing annular tools with at least one radially outward working area and an achsnäheren clamping part, in particular roller bits or cutting rings for rock, in particular for Tunnel boring machines, formed from 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 in a mixed form of the elements of the groups 4 and / or 5 of the periodic table are stored.
  • Stand der Technik State 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 mostly for larger diameter with annular tools equipped, which have an outward working area and Roll under pressure on the rock bottom and thereby a removal or a Break out of this effect.
  • 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. For example, tunnel boring machines have a large size dish-shaped tool holder in which a variety of so-called Roller bits or cutting rings are mounted rotatably mounted. When driving The tool holder is rotated and pressed with high force to the mountains, the same arranged on different radii of the roller bit in the respective areas of rock are effectively breaking and the eroded Rock or the so-called cuttings discharged behind the tool holder becomes.
  • 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. The mechanical requirements should be annular tool with a tapered, radially outward facing Work area, in this particular a high wear resistance as well have 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 on an axis Shrunk, whereby tensile stresses inevitably arise in the clamping area, which in the heavy, the hard rock breaking operation, each one for it required compressive stresses of the material are superimposed and no in the Substantially stationary loads of the tool material result.
  • 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 therefore have a workspace highest possible wear resistance and a clamping range with sufficient high toughness and high toughness and overall a superior Break resistance of the material with changing mechanical stress, because a failure of a tool costly repairs with a Standstill of the drill caused.
  • 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 usually consist of a Tool steel. The shaping is generally done via a Forging process, the desired material properties by a subsequent heat treatment can be achieved. The person skilled in the art is aware that a maximum wear resistance of tool steels only with a high Hardness of the structure is achievable. Here must be accepted that with increasing hardness decreases the toughness of the structure. To achieve the for Tool steels best properties in terms of hard use as Cutting ring, must be a compromise between highest wear resistance and high tenacity.
  • 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 by Combination of extremely wear-resistant materials with solid but tough Materials to extend the life of the cutting rings. DE 10 2005 039 036 B3 describes, for example, a steel roller chisel, which in the work area having welded segments, said carbide particles of Contain tungsten carbide. From JP 2000001733 A is a similar cutting ring known, which has a on the outer periphery of a base body of ductile iron has applied carbide ring. Furthermore, from the writings JP 2007138437 A, GB 1188305, GB 1379151, DE10300624A1 and DE 101 61 825 A1 Cutting rings for tunnel boring machines known, which arranged on the outer circumference Segments, or cylindrical or otherwise specially shaped parts Have carbide, which by soldering, pressing or pouring with the Basic body to be connected. Also in CA 2 512 737 A1 a cutting ring described in which segments of hard metal between two discs axially be clamped. All of these known approaches involve either a very elaborate and difficult production or perform for example high thermal stresses when using or by softening the solder to early failure of the cutting rings in use. In JP 59144568 A is a Manufacturing process for cutting rings described in which a melt, which contains tungsten carbide-based cemented carbide particles, into a rotating one Mold is poured, whereupon the hard metal particles in the outdoor area focus on the cast body. This method has the disadvantage that the the melt added hard metal particles partially through the melt be dissolved and in the solidification unwanted, brittle structural components can form in the structure of the tool. Also, the minimum size is the added carbide particles limited by the dissolution process.
  • Zielsetzung der Erfindung Object 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 sets itself the goal of a generic, annular tool to create, which in the hard, rock breaking operation allows an increased service life.
  • 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 the object of the invention to provide a Method of the type mentioned for the production of annular Specify tools that correspond to the respective stresses a have 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 aim is a generic, To create a ring-shaped tool, which in the hard, rock-breaking operation An increased service life is achieved by the tool off a material consisting of an iron-based matrix alloy with is formed in this embedded hard material particles. The hard material particles can be made of carbide, nitride, oxide or boride, but also as compounds this, such as carbonitride, carboboride or oxicarbonitride with Boron, be formed. Depending on the application, it may be advantageous that mixtures of these different types of hard materials in the tool are included. The metal content in the hard material particles comes essentially from Groups 4 and 5 of the Periodic Table (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta), wherein also here only single elements from these groups or mixtures of these in may be contained in the hard materials. Compared to the many in the Eisenmetallurgie used hard materials whose metallic components from the Group 6 of the Periodic Table (e.g., tungsten carbide) have hard materials from metals of groups 4 and 5 the advantage that these in practice common 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 used during the Solidification of an iron base melt and during the further cooling of the be formed or eliminated from this resulting workpiece, preferably Form eutectic microstructures or segregate at grain boundaries. The thus formed hard materials, the toughness of the structure can be clearly reduce. The advantage of the low solubility of the above hard materials in one Iron meltdown lies in the fact that on the one hand large amounts of this Hard materials may be contained as solid particles in the melt, wherein on the other hand, in the solidification of the melt and in the further cooling of the Workpiece only small amounts of additional hard particles in the structure be formed or excreted. These small amounts of brittle Hard materials affect the toughness of the structure only to a small extent negative. These can increase the toughness but even if the excreted particles are sufficiently fine to grain growth of the matrix during a heat treatment decrease.
  • 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. To be highly resistant to wear and long To achieve the service life of the roller chisel, both a minimum share of Hard material ponds are present in the structure, as well as the hard material particles in such a way be distributed inhomogenously in the cutting ring, that a high proportion of these in the located radially outward working area of the roller bit. For considered as sufficient volume fraction of the wear-resistant Working range of about 8 volume% (vol%), has a hard material content of at least 5 vol .-%, in each case based on the entire workpiece, as suitable proved. At least 8% by volume of hard particles are necessary if heavy Working conditions are provided for the cutting ring. The possible Operating time of the roller chisel can with larger volume portion of the Work area are increased. So the percentage of the work area can be up about 25% by volume and above are increased to long use times at the same time to enable difficult conditions of use.
  • 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 its density is higher than the density of the melt is and they move outward in the centrifugal casting process. tries have shown that good results are already achieved when the density of the Hard material particles at room temperature is greater than 7400kg / m³. A desired, high concentration of hard material ponds in the work area is achieved when at room temperature a density greater than 7600 kg / m³ exhibit. Hard materials with this density are, for example, carbides, nitrides and Carbonitrides of niobium, which have been proven in experiments. It has too shown that a slight addition of vanadium to these niobium hardstocks the However, growth and the properties of the particles can have a favorable influence with the addition of vanadium the density of the particles decreases. A ratio of Nb Atomic% / V atomic%> 5 should be used for niobium-vanadium mixed carbides optionally carbonitrides may be, at least be respected. Higher concentrations of these particles in the work area are combined with a Ratio Nb atomic% / V atomic%> 10 achieved.
  • 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. The person skilled in the art is aware that the Wear resistance of a structure not only on the hardness of the matrix and the embedded hard material particles, as well as their ratio depends, but also depends on the size distribution of the hard material particles. in the In the following, all structural constituents are understood as a matrix which does not correspond to the above-mentioned hard material particles are. If the hard particles are too small, so These can be in the furious wear as whole particles from the matrix be removed without increasing the wear resistance especially. Are the However, if particles are too large, these can be under the high pressure load during of the rock breaking mission break and thereby also the Do not increase wear resistance sufficiently. In the present case the Roller Chisel has been shown to give the best results if at least 60% by volume, preferably at least 75% by volume of the hard material particles are formed with a size of less than 70μm.
  • 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 1,5xMo+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. Besides the properties of the hard material particles are Also, the properties of the matrix of crucial importance to a high To achieve wear resistance in the working area of the roller chisel. In particular, the properties of the matrix are crucial to a sufficient toughness of the structure both in the work area, as well as in the Clamping range, to allow. The properties of the matrix will be above all by their chemical composition and by a possible heat treatment founded. Carbon is the most important alloying element and influences before In particular, the hardenability of the steel, with about 0.28% C as the lower limit for a sufficient hardenability of the steel is considered for the present application becomes. At a carbon content of over 1.2% in the matrix, a Carbide network form in the structure, which reduces its toughness. Silicon increases the strength and the wear resistance but also the Castability of the melt, but should not exceed 2% in the matrix. Manganese sets the critical cooling rate for the formation of martensite and, with a sufficient amount of up to 2%, allows the air to be hardened Cutting rings. By higher manganese contents up to 25%, the solubility of Carbon in austenite can be significantly increased and the conversion properties austenite may be affected by cooling or mechanical stress. With manganese contents up to 25%, the carbon content in the matrix can also reach up to 2.3%. Like manganese, chromium also increases the hardenability of steel and forms secondary and tertiary carbides, which are excreted from the austenite and increase the wear resistance, too high chromium contents too lead a chromium carbide network in the structure. The chromium content should therefore not higher than 6.0%. Nickel also favors like manganese and chromium the martensite formation and additionally increases the toughness of the matrix. For nickel a content of 2.5% appears as the upper limit in the matrix to reach the necessary properties as sufficient. To set a low Critical cooling rate has a combination of Mn, Cr and Ni reinforced. Molybdenum increases the strength of the matrix up to about 2.2% increases the wear resistance through the formation of carbides. Tungsten forms together with Nb and V mixed carbides as well as mixed nitrides and can thus increase the density increase these hard substances. However, the content of W in the melt is so to adjust that after the ejection of the primary formed hard materials in the matrix only has a content of max. 1.5% is included, otherwise together with Mo can form a network of W-Mo mixed carbides. For this Reason should also be 1.5xMo + W not more than 3.5%. Due to the high affinity of Nb and V to C and N remain of these in the matrix only small amounts from below max. 0.8% back.
  • 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. Like Nb and V, Ti, Zr, Hf and Ta remain as well only small amounts in the matrix. Cobalt can increase the heat resistance for cutting rings which are subject to particularly high loads up to a content of 3% in be included in the matrix. For deoxidation, the melt is often Al added, which is still partially dissolved in the matrix after solidification can stay. Higher levels of Al can increase the density of the melt reduced and thus increases the density difference to the hard particles become. 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 suitable especially the alloys of alloyed tool steels, as specified in the standard DIN 10020 are described. It can both cold work steel, hot work steel and high speed steels used as the base composition for the matrix become. To avoid eutectic carbides, it is in the High speed steels partly necessary, the carbon content compared to the Standard composition to reduce. With these matrix alloys can by a suitable heat treatment, which generally consists of a hardening process and a start-up process, the trouble-free use of the Cutting rings required hardness of at least 44HRC can be achieved. It has demonstrated that a particularly good wear resistance is achieved when the Matrix of the cutting rings has a hardness of 50HRC and above. This hardness is needed when in hard, especially weary rock formations is bored. The heat treatment of the cutting rings is always on the special Application to adapt the application to a balance between To achieve 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. Is the matrix composition according to a Manganese steel, so the advantage of a particularly tough and can impact-resistant basic structure together with a pressure-hardening and thus wear-resistant surface can be used. In 'Houdremont, Handbook of the Special steel customer, Springer publishing house, 1956 'and other Literaturen become Such manganese hard steels, which also invented Hadfield steels called austenitic manganese tool steels according to their structure, described. These steels have a manganese content of about 8% by weight to 15% % By weight, exceptionally 6 to 25% by weight, and a carbon content of about 0.8 to 2.3 wt .-%. The ratio of wt.% Mn to wt.% C is included about 10: 1. Manganese hard steels are characterized by a corresponding Heat treatment characterized by making their structure of a metastable, very tough Austenite exists. By compressive stress of the surface, the metastable Turning austenite into a hard and wear-resistant martensite, which makes you obtains a hard surface and tough core component. Depending on the proportion of Mn and C in the steel and their quantitative ratio to each other, can Conversion behavior can be influenced.
  • 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. To form the hard, martensitic surface alone the load during the use can be sufficient. Is that enough Pressure load during use is not sufficient to get the needed conversion of the To cause structure in the surface, so can be cured Surface area for example by hammering or another mechanical Treatment should be cured before use. The composition of Matrix alloy can also be adjusted so that the surface or the entire tool body by cooling below room temperature, preferably by means of liquid nitrogen, at least partly in martensite can be converted.
  • 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. It can be described above chisel or similar annular tools, which at least one radially outward directed work area and an axis closer clamping part included, and off 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 in Mixed form of the elements of groups 4 and / or 5 of the periodic table embedded are to be manufactured, in which in a first step one Base alloy, for example, in an induction furnace, melted and on a Temperature is heated from 1350 ° C to 1630 ° C. This base melt serves most alloying elements for the later finished alloy in the To introduce melt.
  • Die Basisschmelze kann je nach gewünschter Matrixzusammensetzung und je nach Wahl der Ausführung des darauf folgenden zweiten Schritts folgende Zusammensetzung in Gew.-% aufweisen: The base melt can vary depending on the desired Matrix composition and depending on the choice of execution of the following second step, the following composition in wt .-%:
  • Kohlenstoff (C) bis 2.5 Carbon (C) to 2.5
  • Silicium (Si) 0.01 bis 3.0 Silicon (Si) 0.01 to 3.0
  • Mangan (Mn) 0.05 bis 28.0 Manganese (Mn) 0.05 to 28.0
  • Chrom (Cr) bis 9.0 Chrome (Cr) to 9.0
  • Nickel (Ni) bis 4.3 Nickel (Ni) to 4.3
  • Molybdän (Mo) bis 3.5 Molybdenum (Mo) to 3.5
  • Wolfram (W) bis 2.2 Tungsten (W) to 2.2
  • (1.5xMo+W) bis 5.1 (1.5xMo + W) to 5.1
  • Vanadin (V) bis 6.0 Vanadin (V) to 6.0
  • Niob (Nb) bis 35.0 Niobium (Nb) to 35.0
  • Aluminium (Al) bis 3.5 Aluminum (Al) to 3.5
  • gegebenenfalls possibly
  • Titan (Ti) bis 2.0 Titanium (Ti) to 2.0
  • Zirkon (Zr) bis 3.0 Zircon (Zr) to 3.0
  • Hafnium (Hf) bis 1.0 Hafnium (Hf) to 1.0
  • Tantal (Ta) bis 5.0 Tantalum (Ta) to 5.0
  • Kobalt (Co) bis 3.5 Cobalt (Co) to 3.5
  • Eisen (Fe) und Verunreinigungselemente als Rest. 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 at the same time low wear of the melting vessel results when the temperature of the Base melt is maintained between 1550 ° C and 1630 ° C. The Zulegieren of Carbon, nitrogen and boron can be absorbed by solids 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 Carbon, nitrogen and boron content of the added component or Components, very large quantities of these may be necessary to the desired carbon, nitrogen and boron content in the finished melt to reach. The amount of added carbon, nitrogen and boron carriers can thus be significantly larger than the amount of base melt, which the alloying element proportions in the base melt assume very high contents can, e.g. 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 one of the elements of the 4th and / or main group rich alloy with low levels of carbon, Nitrogen and boron has the advantage that the ferroalloys, over which In general, the elements of the 4th and 5th group are alloyed quickly dissolve. At too high levels of carbon, nitrogen and boron in the Melt can build up on the surface of the ferroalloys used form a hard material layer, which greatly hinders the resolution. It has in experiments showed 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 the Adjust composition of the base melt so that these elements does not contain to the formation of 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 oxicarbonitrides with Borane parts, at least one of the elements or in mixed form of the elements of Groups 4 and 5 of the periodic table. The homogeneous distribution of Hard material particles in the base melt can by mechanical methods, for Example by stirring, or by the injection of gases in the bottom Supported area 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 the formed or introduced hard material particles may be advantageous for example, to prevent oxidation of constituents in the melt, the process steps 1 and / or 2 in the whole or even partially under a protective gas atmosphere or under reduced ambient pressure perform.
  • 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 contained therein Hard material particles are poured in a third step into a rotating mold and allowed to freeze. Caused by the rotational movement around the Longitudinal axis of the mold and thereby on the melt and the Centrifugal force acting on hard particles, the hard particles migrate outside in the later work area of the roller chisel, where they have an Hard materials form very rich microstructure. At the same time forms in the Indoors a microstructure, which only small contents at the primary has excreted or introduced hard materials. The resulting Proportion of hard materials in the outdoor area is mainly due to the Process parameters rotational 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 certainly. For a high concentration of hard particles in the outdoor area and In order to achieve high wear resistance, the speed should be the Mold and thus acting on the melt and on the hard particles Centrifugal acceleration should be as high as possible. Centrifugal accelerations from 700 m / s² and above, measured on the outside diameter of the casting, have become proven. A high density difference between the hard material particles and the Melting can be done mainly by high levels of niobium, tantalum and hafnium in the hard materials are achieved. For cost reasons, have particularly Niobium-rich hard materials, in particular niobium-vanadium mixed carbides, for Achieving a high proportion of hard material proved favorable. The second In any case, step precipitated or added hard material particles should have a density greater than that of the matrix melt in a Temperature 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 particles to the outside requires depending on the dimension of the casting different time and Achieving a maximum possible concentration of hard materials in the outer structure should be the time between the pouring of the melt into the mold and the solidification of the melt should be as large as possible. Preheat the mold on Several 100 ° C can bring slight advantages here. The strong Solidification rate be reduced when the mold as a whole or in parts facing the casting from a material exists, which conducts the heat only very bad. Here are above all Quartz sand and molded materials based on aluminum silicate ceramics. Also a ceramic or ceramic based heat insulating coating Carbon base on the inside of the mold 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 casting of the blank, this can, to the To keep stresses in the ring low, with a temperature of up to 1000 ° C be removed from the mold, in an oven, the temperature over the balanced ring and then cooled so slowly that the Matrix structure is in a soft state at room temperature. The Cooling speed depends here on the alloy composition the matrix. If it is the later conditions of use of the roller chisel require, e.g. drilling in particularly hard rock, so after the Emptying the blank from the mold of this in an oven to the appropriate Forging be brought and this then in drop forging be plastically deformed in one or more stages. Through this process the toughness of the structure can be increased significantly. To the forging process then close the controlled cooling to room temperature. After that you can the blank mechanically by e.g. Turning to be preprocessed, whereupon a Heat treatment of the ring follows. This can, in the case of a Matrix composition similar to a tool steel, from a hardening process and at least one starting process exist. For a matrix composition Similar to a manganese-hard steel is generally carried out after an annealing treatment a rapid cooling to reach a metastable, austenitic structure. After the heat treatment follows the mechanical finishing of the Cutting ring by e.g. Turning and / or grinding.
  • Anschließend wird die Erfindung anhand eines ausgeführten Beispiels beschrieben. Subsequently, the invention is based on a described example.
  • 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 in an induction oven melted, brought to a temperature of 1590 ° C, at this temperature for Held for 5 minutes and then at constant temperature with petroleum coke on brought a carbon content of 2.35%. After carburizing, the Temperature of the finished melt 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, into which a core of bound Silica was inserted. This core was previously used on the inside surface 1mm thick zirconia-based sizing coated. The casting was added about 800 ° C taken from the mold and after a balancing phase of 60min in Stove in this cooled to room temperature, then preprocessed and through Hardening and tempering twice to a hardness of 53 HRC in the clamping range brought.
  • Figur 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. FIG. 1 shows an example of a cutaway annular roller chisel 1 with the cross-section 2. The with hard particles Enriched part 3 includes the lying on the outer diameter of the ring 1 Work area 4. The clamping area 5 is located on the inner diameter of the ring 1 and contains only a small proportion of hard materials.
  • Figur 2 zeigt exemplarisch das Gefüge im Arbeitsbereich 4, wobei die Hartstoffteilchen hell und die Matrix dunkel abgebildet sind. Der Hartstoffanteil beträgt ca. 20%. FIG. 2 shows by way of example the microstructure in FIG Work area 4, where the hard particles bright and the matrix dark are shown. The hard material content is about 20%.
  • Figur 3 zeigt zum Vergleich das Gefüge im Spannbereich 5 mit einem nur geringen Anteil an Hartstoffen. FIG. 3 shows, for comparison, the microstructure in FIG Clamping range 5 with only a small amount of hard materials.

Claims (1)

  1. Patentansprüche claims
    1. 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.1. annular tool (1) having at least one radially outwardly directed working area (4) with high wear resistance and an achsnäheren clamping part (5), in particular roller bit or cutting ring for rock, in particular for tunnel boring machines, characterized in that the tool of a material consisting of 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, Groups 4 and 5 of the Periodic Table are formed and have a density at room temperature of greater than 7400 kg / m³, preferably greater than 7600 kg / m³.
    2. 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.2. Tool (1) according to claim 1, characterized in that the hard material particles to an extent of at least 5 vol .-%, in particular of more than 8 vol .-%, are present in the tool, wherein the hard material particles on the tool cross-section (2) are distributed inhomogeneous and have a higher volume in the work area (4).
    3. 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.3. Tool (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the working area (4) has a volume proportion of at least 8.0%, preferably of at least 14.0%, in particular from about 20 to 25%, of the tool (1), in which working range more than 60 vol .-%, preferably more than 75 vol .-%, the hard material particles are formed with a size of less than 70 microns.
    4. 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.4. Tool (1) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the hard material particles are formed substantially as niobium-vanadium mixed carbides, optionally with a nitrogen content, and a ratio of At .-% Nb to At .-% V greater than 5, preferably greater than 10, have.
    Nb [At.-%] / V [At.-%] > 5, vorzugsweise > 10Nb [At .-%] / V [At .-%]> 5, preferably> 10
    5. Werkzeug (1) nach einem der vorgeordneten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixlegierung eine chemische Zusammensetzung in den Grenzen von in Gew.-%5. Tool (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the matrix alloy has a chemical composition in the limits of in wt .-%
    Kohlenstoff (C) 0.28 bis 2.3Carbon (C) 0.28 to 2.3
    Silicium (Si) 0.01 bis 2.0Silicon (Si) 0.01 to 2.0
    Mangan (Mn) 0.05 bis 25.0Manganese (Mn) 0.05 to 25.0
    Chrom (Cr) bis 6.0Chrome (Cr) to 6.0
    Nickel (Ni) bis 2.5Nickel (Ni) to 2.5
    Molybdän (Mo) bis 2.2Molybdenum (Mo) to 2.2
    Wolfram (W) bis 1.5Tungsten (W) to 1.5
    (1,5xMo+W) bis 3,5(1,5xMo + W) up to 3,5
    Vanadin (V) bis 0.8Vanadium (V) to 0.8
    Niob (Nb) bis 0.4Niobium (Nb) to 0.4
    Kobalt bis 3.0Cobalt to 3.0
    Aluminium (Al) bis 3,0Aluminum (Al) up to 3.0
    GegebenenfallsPossibly
    Titan (Ti) bis 0.2Titanium (Ti) to 0.2
    Zirkon (Zr) bis 0.2Zircon (Zr) to 0.2
    Hafnium (Hf) bis 0.1Hafnium (Hf) to 0.1
    Tantal (Ta) bis 0.25Tantalum (Ta) to 0.25
    Eisen (Fe) und Verunreinigungselemente als RestIron (Fe) and impurity elements as rest
    aufweist.having.
    6. 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.6. 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 of 50 HRC and higher.
    7. 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.7. 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.
    8. Verfahren zur Herstellung von ringförmigen Werkzeugen (1) mit mindestens einem radial nach außen gerichteten Arbeitsbereich (4) und einem achsnäheren Spannteil (5), insbesondere Rollenmeißel bzw. Schneidringe für Gestein, insbesondere für Tunnelbohrmaschinen, gebildet 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, gegebenenfalls zur Herstellung eines Werkzeuges nach zumindest einem der vorgeordneten Ansprüche, wobei in einem ersten Schritt eine Basislegierung erschmolzen und auf eine Temperatur von 1350°C bis 1630°C erwärmt wird und in einem zweiten Schritt ein Zusatz oder eine Bildung in die bzw. in der Schmelze der Basislegierung von Hartstoffteilchen mit einer höheren Dichte erfolgt, worauf in einem dritten Schritt die Matrixschmelze mit den Hartstoffteilchen in einer Kokille für das ringförmige Werkzeug einer Rotationsbewegung um die Längsachse unterworfen und erstarren gelassen wird.8. Method for producing annular tools (1) with at least one radially outwardly directed working area (4) and a near-axis clamping part (5), in particular roller bits or cutting rings for Rock, in particular for tunnel boring machines, formed from a Iron-based alloy as a matrix, in which hard material particles, such as carbides and / or nitrides and / or carbonitrides and / or borides, optionally in Mixed form of the elements of groups 4 and / or 5 of the periodic table embedded are, if necessary for the production of a tool according to at least one of preceding claims, wherein in a first step, a base alloy is melted and heated to a temperature of 1350 ° C to 1630 ° C and in a second step, an addition or a formation in or in the melt the base alloy of hard particles with a higher density, whereupon, in a third step, the matrix melt with the hard material particles in a mold for the annular tool a rotational movement about the Longitudinal axis is subjected and allowed to solidify.
    9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei im ersten Schritt eine Basislegierung mit einer chemischen Zusammensetzung in Gew.-% von9. The method according to claim 8, wherein in the first step Base alloy with a chemical composition in wt .-% of
    Kohlenstoff (C) bis 2.5Carbon (C) to 2.5
    Silicium (Si) 0.01 bis 3.0Silicon (Si) 0.01 to 3.0
    Mangan (Mn) 0.05 bis 28.0Manganese (Mn) 0.05 to 28.0
    Chrom (Cr) bis 9.0Chrome (Cr) to 9.0
    Nickel (Ni) bis 4.3Nickel (Ni) to 4.3
    Molybdän (Mo) bis 3.5Molybdenum (Mo) to 3.5
    Wolfram (W) bis 2.2Tungsten (W) to 2.2
    (1.5xMo+W) bis 5.1(1.5xMo + W) to 5.1
    Vanadin (V) bis 6.0Vanadin (V) to 6.0
    Niob (Nb) bis 35.0Niobium (Nb) to 35.0
    Aluminium (Al) bis 3.5Aluminum (Al) to 3.5
    gegebenenfallspossibly
    Titan (Ti) bis 2.0Titanium (Ti) to 2.0
    Zirkon (Zr) bis 3.0Zircon (Zr) to 3.0
    Hafnium (Hf) bis 1.0Hafnium (Hf) to 1.0
    Tantal (Ta) bis 5.0Tantalum (Ta) to 5.0
    Kobalt (Co) bis 3.0Cobalt (Co) to 3.0
    Eisen (Fe) und Verunreinigungselemente als RestIron (Fe) and impurity elements as rest
    erschmolzen wird.is melted.
    10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei im zweiten Schritt die Hartstoffteilchen, wie 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 mittels einer festen oder flüssigen, metallischen Vorschmelze bzw. mittels einer dergleichen Mischung aus Metall und Hartstoffteilchen mit einem Durchmesser der Hartstoffteilchen von kleiner als 70 µm in die flüssige Basislegierung eingebracht und in dieser homogen verteilt werden, wonach im dritten Schritt unter Rotationsbewegung in der Kokille eine Erstarrung der Mischung aus Hartstoffteilchen und einer Matrixlegierung, gebildet aus der Basislegierung und dem Metallanteil der Vorschmelze, erfolgt.10. The method according to any one of claims 8 or 9, wherein in second step, the hard material particles, such as carbides and / or nitrides and / or Oxicarbonitrides and / or borides, optionally as carbonitrides and / or Oxicarbonitrides with borane parts, at least one of the elements or in Mixed form of the elements of Groups 4 and 5 of the Periodic Table by means of a solid or liquid, metallic pre-melt or by means of a like Mixture of metal and hard particles with a diameter of Hard material particles smaller than 70 μm in the liquid base alloy be distributed and distributed homogeneously in the third step under rotation in the mold a solidification of the mixture Hard material particles and a matrix alloy formed from the base alloy and the metal portion of the pre-melt takes place.
    11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Basislegierung mit einem Kohlenstoffgehalt von unter 0.6 Gew.-% C erschmolzen und auf eine Temperatur von 1550°C bis 1630°C erwärmt wird, wonach in einem zweiten Schritt ein Zusatz der Legierungselemente Kohlenstoff und/oder Stickstoff und/oder Bor, gegebenenfalls als Vorlegierung, erfolgt und diese Elemente mit den gelösten Elementen der Gruppe 4 und/oder der Gruppe 5 des Periodensystems in der Schmelze primäre Karbide und/oder Nitride und/oder Boride und/oder Verbindungen oder Mischungen dieser bilden, wobei die sich bildenden Hartstoffteilchen einen Summenanteil aus Kohlenstoff, Stickstoff und Bor von 0.4 bis 0.55 Atomanteile und eine höhere Dichte als die Schmelze aufweisen und dass 0.3 bis 2.3 Gew.-% Kohlenstoff im Flüssigmetall verbleibt, worauf in einem dritten Schritt die Schmelze in einer Kokille für das ringförmige Werkzeug einer Rotationsbewegung um die Längsachse unterworfen und erstarren gelassen wird, und in weiteren Schritten eine Bearbeitung und eine Wärmebehandlung des Werkzeugs erfolgen.11. The method according to any one of claims 8 or 9, wherein the Base alloy having a carbon content of below 0.6 wt .-% C melted and is heated to a temperature of 1550 ° C to 1630 ° C, after which in a second step, an addition of the alloying elements carbon and / or Nitrogen and / or boron, optionally as a master alloy, takes place and these Elements with the group 4 and / or group 5 solved elements Periodic table in the melt primary carbides and / or nitrides and / or Borides and / or compounds or mixtures of these form, wherein the forming hard material particles a sum of carbon, nitrogen and Boron from 0.4 to 0.55 atomic parts and a higher density than the melt and that from 0.3 to 2.3% by weight of carbon remains in the liquid metal, whereupon, in a third step, the melt in a mold for the annular tool subjected to a rotational movement about the longitudinal axis and is frozen, and in further steps, a processing and a Heat treatment of the tool done.
    12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Elemente der Gruppen 4 und 5 des Periodensystems in ihrer jeweiligen Konzentration in der Basislegierung gewählt werden, dass die Dichte der primär ausgeschiedenen Hartstoffteilchen größer ist als jene der Schmelze bei einer Temperatur 50°C über der Liquidustemperatur.12. The method according to claim 11, wherein the elements of Groups 4 and 5 of the periodic table in their respective concentration in the Base alloy can be chosen that the density of the primary excreted Hard material particles is greater than that of the melt at a temperature of 50 ° C. above the liquidus temperature.
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