EP3908703B1 - Zahn zum anbringen an eine baggerschaufel - Google Patents

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EP3908703B1
EP3908703B1 EP19832065.7A EP19832065A EP3908703B1 EP 3908703 B1 EP3908703 B1 EP 3908703B1 EP 19832065 A EP19832065 A EP 19832065A EP 3908703 B1 EP3908703 B1 EP 3908703B1
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EP
European Patent Office
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tooth
insert
metal matrix
tip
bucket
Prior art date
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EP19832065.7A
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English (en)
French (fr)
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EP3908703A1 (de
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Tomasz Kwiatkowski
Gabor MÜLLER
Viktor Raaz
Martin Schmitt
Baris Irmak
Ingo Neitemeier
Marc TIGGES
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FLSmidth AS
Original Assignee
FLSmidth AS
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Publication date
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/28—Small metalwork for digging elements, e.g. teeth scraper bits
    • E02F9/2808—Teeth
    • E02F9/285—Teeth characterised by the material used
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/06—Casting in, on, or around objects which form part of the product for manufacturing or repairing tools
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/14—Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/28—Small metalwork for digging elements, e.g. teeth scraper bits
    • E02F9/2866—Small metalwork for digging elements, e.g. teeth scraper bits for rotating digging elements
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/28—Small metalwork for digging elements, e.g. teeth scraper bits
    • E02F9/2883—Wear elements for buckets or implements in general

Definitions

  • the present invention relates to a tooth for attachment to an excavator shovel of a bucket-wheel excavator, the tooth being formed in part from a metal matrix composite material and the metal matrix composite material having an insert made of a hard material cast in a metal matrix material, the insert at least partially covering the surface of the tooth forms, and a method for producing such a tooth.
  • Digging machines such as excavators, in particular bucket-wheel excavators, are used to loosen hard materials such as rock in an open-cast mine.
  • Such bucket wheel excavators have teeth, in particular digging or cutting teeth, which are attached to the bucket. Machining hard materials often causes significant wear of excavator bucket teeth, especially the tooth tips. There is therefore a need to frequently replace such teeth, resulting in high downtime and maintenance costs.
  • the excavator teeth are among the most common wear parts on bucket wheel excavators used to extract abrasive mineral materials.
  • excavator teeth with special wear protection are used in wear-intensive excavation areas.
  • layers containing carbides are often applied to the surface of tooth tips using a welding electrode, which coat the tooth tip from all sides approximately evenly. Encasing quite complex tooth tip shapes with a weld coating is extremely time consuming and expensive, resulting in a multiple increase in the cost of manufacturing the bucket teeth.
  • This block has narrow indentations on its upper side and on its underside perpendicular to the cutting edge, into which a surface-hardening material is introduced, it being possible for the indentations on both sides to be connected to one another at the cutting edge.
  • Teeth for excavators with local reinforcements using hard material inserts are also in US 2017/233 986 A1 described. These inserts can extend in the rear area of the tooth in the form of a rod over its entire height extent or can be provided in a flat configuration at the tip of the head of the tooth, where they form partial areas of the underside as well as the cutting edge of the tooth.
  • a tooth for attachment to an excavator shovel which, in addition to several inserts made of hard materials, which extend cuboid-shaped in the front area of the tooth over its entire height, also has a wear protection layer based on a hard material, such a layer of previously applied welding beads can be obtained by melting with a torch or arc.
  • the insert made of the metal matrix composite material is arranged at least in the area of the tooth head of the excavator tooth and encloses this tooth head in the area of at least two outer surfaces.
  • these at least two outer surfaces comprise two lateral cutting surfaces and optionally a lower cutting surface of the tooth, which is also referred to herein as the central ripping surface.
  • three or more outer surfaces of the tooth head can be surrounded by the insert.
  • a special feature of the continuously working bucket wheel excavator is the essentially repetitive digging process with roughly the same material cross-sections, cutting speeds and tooth settings.
  • each excavator tooth is essentially stressed by a specific direction of movement (digging direction) and wears accordingly.
  • the shape of the tooth tip changes as a result of tooth wear, which can lead to a strong rounding of the tooth tips in the area of the cutting edges and thus to a significant increase in digging force.
  • the following geometric features of the insert cast into the excavator tooth which are preferred within the scope of embodiment variants of the present invention, are particularly advantageous.
  • the insert preferably has a material thickness of 2 mm to 25 mm in the area of the surfaces of the tooth tip or it extends over 4% to 50% of the maximum cross-sectional width, preferably it has a material thickness of 3 mm to 15 mm or extends over 6 % to 30% of the maximum cross-sectional width, it particularly preferably has a material thickness of 5 mm to 10 mm or extends over 10% to 20% of the maximum cross-sectional width.
  • the top surface of the tooth tip opposite the cutting speed is not covered with the insert.
  • the crest of the tooth preferably has a square cross-section (cut transversely to its longitudinal direction), resulting in a total of four outer surfaces. Of these four outer surfaces, two opposite surfaces are the lateral cutting surfaces, a third surface is the lower cutting surface (or middle ripper surface) and a fourth surface is the upper (posterior) surface of the tooth, this posterior surface being, for example, concavely curved.
  • This posterior surface of the crest is preferably not provided with the metal matrix composite liner, while the three remaining surfaces (the three cutting surfaces mentioned above) are provided with the metal matrix composite.
  • the insert made of the metal matrix composite material preferably has a V-shape or a trapezoidal shape in a sectional plane seen transversely to the longitudinal direction of the tooth.
  • the insert is shell-shaped, i.e. the insert surrounds a core of the excavator tooth head like a shell and with a defined material thickness, this core preferably consisting of a metallic material, in particular a cast material, which can be the metal matrix material.
  • the insert made of the metal matrix composite material has a greater material thickness in the area of the tip of the tooth head than in other areas of the tooth head.
  • the material thickness of the insert decreases from the tip of the tooth head, for example towards the tooth shank.
  • the insert made of the metal matrix composite material has a larger proportion of hard material in the area of the tip of the tooth head than in other areas of the tooth head.
  • the tip of the tooth head is the first to come into contact with the abrasive mineral substances to be removed and is therefore exposed to the greatest wear.
  • the material thickness of the insert made of the metal matrix composite material gradually decreases from the tip of the tooth tip to the end region of the tooth tip facing the tooth shank.
  • the material thickness of the insert made of the metal matrix composite material decreases continuously towards the rear end region of the tooth tip, in particular tapers out. This can reduce the likelihood of cracking in these areas.
  • the present invention proposes an alternative method to the prior art mentioned above for attaching a Tooth wear protection coating, in which before casting in the tooth mold an insert made of a metal matrix composite material is introduced in particular in the tooth tip area and then surrounded during the casting process with the metallic casting material.
  • the hard materials already contained in the metal matrix composite material or produced during the casting process such as tungsten carbide, chromium carbide, titanium carbide or the like, with a volume fraction of 20 to 80%, for example, are distributed in the cast material as a matrix and fixed after cooling.
  • At least one tooth for attaching to an excavator shovel of a bucket-wheel excavator is therefore formed from a metal matrix composite material, the metal matrix composite material having an insert made of a hard material cast into a metal matrix material.
  • the insert is a wear protection element.
  • the term "cast in” means that the insert is at least partially surrounded by the cast material, namely the metal matrix material.
  • Hard materials include, for example, ceramics, diamond, carbides or nitrides. Hard materials have in particular a hardness of 950 HV30 to 2200 HV30, preferably 1500 HV30 to 2200 HV30.
  • the metal matrix composite consists solely of one or more plies and a metal matrix material.
  • the entire tooth is formed entirely of the metal matrix composite.
  • the tooth preferably has a tooth head and a tooth shank adjoining it.
  • the toothed shaft is preferably designed in such a way that it can be connected to an excavator shovel.
  • only the tooth tip is made of the metal matrix composite material, with the tooth shaft being forged, for example.
  • the tooth tip is connected to the tooth shank by means of welding.
  • a forged tooth shank has better mechanical properties than a cast tooth shank, which means, for example, that fractures in the shank area are avoided.
  • the material to be mined with the bucket wheel excavator is, for example, hard rock, such as mineral material, ores, coal, oil sand, limestone, marl, clay, chalk, gypsum and similar raw materials.
  • the insert comprises, for example, a hard material from the list below, including diamond, tungsten carbide, titanium carbide, boron carbide, niobium carbide, chromium carbide, vanadium carbide, silicon carbide, zirconium carbide, tantalum carbide, boron nitride, silicon nitride, titanium nitride, and/or ceramics, such as aluminum and/or zirconium oxide, or a mixture of these materials.
  • a hard material from the list below, including diamond, tungsten carbide, titanium carbide, boron carbide, niobium carbide, chromium carbide, vanadium carbide, silicon carbide, zirconium carbide, tantalum carbide, boron nitride, silicon nitride, titanium nitride, and/or ceramics, such as aluminum and/or zirconium oxide, or a mixture of these materials.
  • the insert comprises a hard material from the list below, including diamond, tungsten carbide, titanium carbide, boron carbide, niobium carbide, chromium carbide, vanadium carbide, silicon carbide, zirconium carbide, tantalum carbide, boron nitride, silicon nitride, titanium nitride, or ceramics, such as aluminum and/or zirconium oxide, or a mixture of these materials.
  • a hard material from the list below, including diamond, tungsten carbide, titanium carbide, boron carbide, niobium carbide, chromium carbide, vanadium carbide, silicon carbide, zirconium carbide, tantalum carbide, boron nitride, silicon nitride, titanium nitride, or ceramics, such as aluminum and/or zirconium oxide, or a mixture of these materials.
  • the insert comprises about 20% to 80%, preferably 30% to 75%, most preferably 45% - 55% tungsten carbide, with the remainder of the insert being primarily carbon with a balance.
  • the insert comprises about 20% to 80%, preferably 30% to 75%, most preferably 45% - 55% titanium carbide, the remaining component of the insert being mainly carbon with a balance.
  • the above figures are percentages by volume.
  • the insert has in particular a porous structure, with the insert having a plurality of pores which are, for example, uniformly distributed and/or formed.
  • the pores are honeycombed.
  • the insert is preferably formed in one piece.
  • the tooth is preferably formed in one piece and manufactured by a casting process.
  • a metal matrix composite material is to be understood as meaning a material made from a metal matrix material such as steel, in which the insert made from a hard material is cast.
  • the metal matrix material is for example a steel with a hardness of about 200-600 HB, in particular 350-500 HB, preferably 450 HB (Brinell) and for example an elongation at break of greater than or equal to 1-15%, in particular 2-8%.
  • the formation of the tooth from a metal matrix composite material offers the advantage of simple manufacturability and a high level of protection against wear, which results from the inlay formed from a hard material.
  • the insert is made from a powdered and/or granular mixture of, for example, a hard material or tungsten, chromium, niobium, vanadium, boron, titanium, silicon, tantalum or a mixture of these elements by heating.
  • the insert is made from a powdered mixture of tungsten, chromium, niobium, vanadium, boron, titanium, silicon, tantalum or a mixture of these elements by heating. It is also conceivable to produce the insert from a granular mixture of tungsten, chromium, niobium, vanadium, boron, titanium, silicon, tantalum or from a mixture of these elements by heating.
  • the powdered material of one or a mixture of two or more elements selected from tungsten, chromium, niobium, vanadium, boron, titanium, silicon or tantalum is preferably mixed with an additive/reactant such as carbon and/or nitrogen and formed into the insert ,
  • an additive/reactant such as carbon and/or nitrogen
  • a precursor of the insert is pressed, glued or sintered.
  • the inlay is then placed in a mold that corresponds to the negative mold of the tooth and the metal matrix material, in particular hot, is poured over it, so that the inlay is surrounded by the metal matrix material and the metal matrix material at least partially infiltrates the inlay, so that the metal matrix material penetrates the pores of the porous inlay reached and filled in.
  • the heat acting on the pressed, bonded or sintered materials during the casting process causes a reaction between the various elements and their reactants, so that, for example, wear-resistant carbides and nitrides such as tungsten carbide, titanium carbide, boron carbide, niobium carbide, chromium carbide, vanadium carbide, silicon carbide, tantalum carbide , boron nitride, titanium nitride, silicon nitride and/or a mixture of these develop.
  • the carbides and nitrides form the liner within the metal matrix material in this embodiment.
  • the insert consists, for example, of a powdered and/or granular mixture of particles (grains), in particular hard materials comprising ceramics such as aluminum and zirconium oxide or hard metal, preferably carbides and nitrides such as tungsten carbide, titanium carbide, boron carbide, niobium carbide, chromium carbide , Vanadium carbide, silicon carbide, zirconium carbide, tantalum carbide, boron nitride, silicon nitride and/or titanium nitride, or a mixture of these compounds, the mixture being mixed, for example with a binder, heated, in particular gassed, and baked.
  • ceramics such as aluminum and zirconium oxide or hard metal
  • carbides and nitrides such as tungsten carbide, titanium carbide, boron carbide, niobium carbide, chromium carbide , Vanadium carbide, silicon carbide, zirconium carbide, tantalum carbide
  • the mixture is preferably heated in a flexible mold, for example, which corresponds to the negative mold of the insert.
  • the insert is produced by pressing, gluing or sintering the aforementioned powdery material and is placed in the mold that corresponds to the negative shape of the tooth.
  • granular tungsten carbide, titanium carbide or niobium carbide is mixed with a binder, heated, in particular gassed, and baked. In the mold, the insert is then surrounded and at least partially infiltrated by the metal matrix material.
  • a porous structure of the insert is not to be understood as meaning that it necessarily has pores filled with air; rather, the pores are ideally all, realistically for the most part, filled with the metal matrix material, which penetrates into the porous structure of the hard material during the manufacturing process described above .
  • the insert forms at least partially or completely the surface of the tooth.
  • the inlay is at least partially covered with the metal matrix material at the surface of the tooth.
  • the metal matrix material is preferably a more ductile, softer material than the liner material, therefore the metal matrix material wears faster than the liner Deposit and is washed out, for example, from the pores arranged on the surface of the tooth.
  • the tooth is produced partially or completely by a casting process.
  • a casting process Preferably, only the tip of the tooth is produced by a casting process.
  • the insert is positioned in a mold that has the negative shape of the tooth.
  • the metal matrix material is then poured into the mold so that it infiltrates the pores of the insert and at least partially or completely encloses the insert with the metal matrix material.
  • the casting process represents a particularly simple way of producing the tooth, with the insert being able to be placed easily at any point within the mold and thus protection against wear being able to be achieved at any point on the tooth.
  • the tooth has a plurality of inserts.
  • the plurality of inserts includes a plurality of particles, in particular hard material particles.
  • An insert formed from a particle is preferably from 0.2 microns to 6 microns in size, the particles being made, for example, by carburizing tungsten with carbon.
  • Each insert preferably consists of exactly one particle, with the inserts being arranged randomly in the matrix material.
  • the tooth has exactly one inlay.
  • three liners are placed within the tooth, preferably extending along the surface of the tooth. A plurality of deposits offers the possibility of arranging them where the wear is greatest.
  • the remaining areas of the tooth can be cast with the less expensive metal matrix material.
  • the insert has a thickness of about 5 mm to about 50 mm, preferably about 5 mm to about 25 mm. The insert preferably extends over the entire width of the tooth head.
  • the insert extends at least partially or completely in the longitudinal direction of the tooth along the surface.
  • the insert extends completely over the entire length of the tooth head.
  • the tooth preferably has only one inlay, which represents the simplest and most cost-effective embodiment of the tooth.
  • the tooth has a tooth tip, with the insert being arranged in the tooth tip.
  • the head of the tooth preferably has a cutting surface which ensures improved removal of the material.
  • the tooth tip preferably points in the direction of rotation of the excavator bucket of the bucket wheel excavator and comes into contact with the material during the excavation process.
  • the tooth preferably has a tooth shank with a fastening area at one end and the tip of the tooth at its opposite end.
  • the tooth shank preferably includes means for attaching the tooth to an excavator bucket.
  • only the head of the tooth has an insert, with the tooth shank being formed exclusively from the matrix material.
  • the tooth tip and the tooth shaft are designed in one piece, preferably cast. A two-part design is also conceivable.
  • the insert preferably at least partially forms the surface of the tooth tip and extends in particular along the entire surface of the tooth tip.
  • One or more inserts are preferably arranged in the tooth head.
  • the tooth tip has a cutting surface which comes into contact with the material when it is being removed and in particular cuts it.
  • the insert at least partially forms the cutting surface.
  • the tooth head preferably has a multiplicity of cutting surfaces, for example three cutting surfaces.
  • the insert preferably extends completely along the entire cutting surface of the tooth tip.
  • the insert has a V-shaped cross section and is shell-shaped.
  • all of the outer surfaces of the tooth tip are cutting surfaces and the insert is, for example, sleeve-shaped so that it extends along the outer surfaces of the tooth tip.
  • the inlay is preferably formed in one piece and the tooth has, in particular, exactly one inlay.
  • the core of the tooth is formed solely of the metal matrix material, with the inlay being located only at the portions of the surface of the tooth.
  • a plurality of inserts are arranged on each cutting surface of the tooth.
  • the inserts are preferably designed in the form of plates and are in particular arranged next to one another.
  • the tooth tip has a plurality of cutting surfaces, at least one cutting surface being formed largely from the metal matrix material.
  • a large part is understood to mean, for example, more than 60% to 95%, preferably 70% to 90%, in particular 80%.
  • at least one cutting surface or several outer surfaces are not additionally provided with an insert, which in particular extends completely along the cutting surfaces.
  • the subject matter of the present invention is also an excavator shovel for attachment to a bucket wheel frame of a bucket wheel excavator, which has at least one tooth of the type described above.
  • each bucket has a plurality of teeth as described above.
  • at least one tooth or each tooth of an excavator shovel has an insert embedded in matrix material.
  • the subject matter of the present invention is also a method for producing a device according to the invention
  • the insert is produced before positioning from a powdered and/or granular mixture of a hard material, for example by means of gluing, pressing or sintering.
  • the tooth has a tooth tip and a tooth shank, with the tooth tip being produced by casting and the tooth shank being forged, with the tooth tip then being connected, preferably welded, to the tooth shank.
  • FIG. 1 shows a bucket wheel 10, for example, of a bucket wheel excavator for mining bulk material or a bridge bucket wheel device for reloading bulk material, in particular in an opencast mine or a storage yard.
  • Such paddle wheels are preferably used for mining or reloading minerals, ores, sand, clay, gravel, oil sand, coal or other granular materials.
  • the impeller 10 of 1 has an impeller frame 18 which is essentially ring-shaped and has, by way of example, a plurality of segments in the form of part circular rings.
  • a plurality of buckets 12 are attached to bucket wheel frame 18 .
  • This shows, for example, in 1 impeller 10 shown has eight blades 12 which are spaced evenly from one another on the outer circumference of the impeller frame 18 . Each blade 12 may be attached to the blade wheel frame 18 for rotation about a pivot axis.
  • the impeller 10 rotates about the central axis of the impeller frame.
  • the direction of rotation is clockwise as an example.
  • Each bucket 12 preferably has a plurality of bucket teeth 20 in the front area on the cutting edge 14 of the bucket 12, where this bucket 12 engages in the material to be removed.
  • One of these teeth 20 attached to the excavator bucket 12 is shown in detail in FIGS Figures 2 to 4 shown, to which reference is made below.
  • the Figures 2 to 4 show a tooth 20 for attachment to an excavator bucket, not shown.
  • the tooth 20 comprises a tooth tip 22 and a tooth shank 24, the tooth tip 22 being formed in one piece with the tooth shank 24, for example. It is also conceivable for the tooth shaft 24 and the tooth head 22 to be in the form of separate components and then to be connected to one another, for example by welding.
  • the tooth shank 24 preferably connects directly to the tooth tip 22 and serves in particular to fasten the tooth 20 to an excavator shovel 12 of a bucket-wheel excavator.
  • the tip of the tooth 22 forms the front end of the tooth 20 which, when the tooth 20 is in operation, points in the direction of rotation of the bucket wheel 10 .
  • the tip of the tooth 22 is tooth-shaped and tapers towards the tip of the tooth 20 .
  • the tooth head 22 has, for example, a triangular or quadrangular shape cross-sectional area.
  • the tooth tip 22 has four outer surfaces, namely two mutually opposite, lateral cutting surfaces 26, an upper surface which is arranged in opposition to the cutting speed and is therefore referred to herein as the rear surface 28, and a lower surface, which is referred to herein as the central ripping surface 30 will.
  • the toothed shaft 24 has, for example, two legs 32, 34 which extend parallel to one another. Each of the legs 32, 34 has bores 36, 38 which are in particular aligned opposite the respective bores 36, 38 of the other leg 32, 34.
  • the bores 36, 38 are used to accommodate fasteners, not shown, for fastening the tooth 20 to an excavator shovel 12.
  • the tooth 20 has a stop 40 on the end region of the tooth shaft 24, which serves to position the tooth 20 on the excavator shovel 12 and in the case of a tooth 20 mounted on an excavator shovel 12, it rests against the latter, in particular on the cutting edge 14 of the excavator shovel 12.
  • the toothed shaft 24 is preferably attached to the cutting edge 14 of the excavator bucket 12 .
  • the tooth 20 is formed from a metal matrix composite material, the metal matrix composite material having an insert 44 made of a hard material cast in a metal matrix material 42 .
  • the insert is preferably formed from a hard material and has a porous structure.
  • the hard material includes, for example, tungsten carbide, ceramics such as aluminum oxide and zirconium oxide, titanium carbide, boron carbide, niobium carbide or chromium carbide or a mixture of these materials.
  • the metal matrix material 42 comprises a more ductile material than the liner 44 such as steel and is cast into the liner 44 .
  • the metal matrix material 42 infiltrates the inlay 44 in particular, with a cohesive, firm connection being produced between the inlays 44 made of a hard material and the metal matrix material 42 .
  • the tooth 20 is produced by a casting process and is in particular formed in one piece.
  • the at least one insert 44 is made from a powdery and/or granular mixture of particles (grains) comprising tungsten carbide, ceramics such as aluminum oxide and zirconium oxide, titanium carbide, Boron carbide, niobium carbide or chromium carbide or made from a mixture of these materials, the mixture being mixed, for example with a binder, heated, in particular gassed, and baked.
  • the mixture is heated in a flexible mold, for example, which corresponds to the negative mold of the insert 44 .
  • the mixture then cools and hardens into a highly wear-resistant body with a porous structure.
  • the insert 44 is placed in a mold that corresponds to the negative mold of the tooth 20 .
  • the metal matrix material 42 is then poured into the mold so that it infiltrates the liner 44 and at least partially or completely encloses it.
  • the insert 44 is in the embodiment of 2 designed in such a way that it extends over the entire cutting surface of the tooth 20 (see also figure 4 ).
  • the insert 44 preferably at least partially forms the lateral cutting surfaces 26 and the central ripping surface 30 on the underside of the tooth head 22 and is designed in one piece. It is also conceivable that the insert is made up of several segments that are arranged next to one another.
  • the liner 44 is cast in the metal matrix material 42 so that it preferentially infiltrates the liner.
  • the entire tooth 20 is formed from the metal matrix composite.
  • the rear surface 28 of the tooth tip 22 does not have an inlay 44 , for example, with only the upper ends of the inserts 44 of the cutting surfaces 26 forming part of the rear surface 28 of the tooth tip 22 .
  • Rear surface 28 is formed largely or entirely from metal matrix material 42 . During operation of the tooth 20, this therefore wears out faster than the insert 44, so that the tooth shape of the tooth 20 becomes sharper.
  • the insert 44 extends over the entire surface of the cutting surfaces 26 and the central rib surface 30 on the underside of the tooth and is preferably cupped and formed in one piece.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zahn zum Anbringen an eine Baggerschaufel eines Schaufelradbaggers, wobei der Zahn teilweise aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff ausgebildet ist und der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine in ein Metallmatrixmaterial eingegossene Einlage aus einem Hartstoff aufweist, wobei die Einlage zumindest teilweise die Oberfläche des Zahns ausbildet, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Zahns.
  • Zur Lösung von harten Materialien, wie beispielsweise Gestein in einem Tagebau, werden Grabmaschinen, wie Bagger, insbesondere Schaufelradbagger eingesetzt. Solche Schaufelradbagger weisen Zähne, insbesondere Grab- oder Schneidzähne auf, die an der Baggerschaufel angebracht sind. Das Bearbeiten harter Materialien verursacht häufig einen erheblichen Verschleiß der Zähne der Baggerschaufel, insbesondere der Zahnspitzen. Es besteht daher die Notwendigkeit, solche Zähne häufig auszutauschen, was zu hohen Ausfallzeiten und Wartungskosten führt.
  • Die Baggerzähne gehören zu den häufigsten Verschleißteilen von Schaufelradbaggern, die für die Gewinnung von abrasiven mineralischen Stoffen eingesetzt werden. Um die Zahnwechselhäufigkeit zu reduzieren und somit die Verfügbarkeit des Baggers zu erhöhen, werden in verschleißintensiven Abbaubereichen Baggerzähne mit speziellem Verschleißschutz verwendet. Dabei werden nach dem Stand der Technik oft auf der Oberfläche von Zahnspitzen carbidhaltige Schichten mit einer Schweißelektrode aufgetragen, die die Zahnspitze von allen Seiten etwa gleichmäßig umhüllen. Eine Umhüllung von recht komplexen Zahnspitzformen durch eine Schweißbeschichtung ist extrem zeit- und kostenaufwändig, was zu einer mehrfachen Erhöhung der Kosten für die Herstellung der Baggerzähne führt.
  • Aus der DE 20 2015 006 273 U1 ist ein Zahn zum Anbringen an eine Baggerschaufel eines Schaufelradbaggers bekannt. Üblicherweise sind die Zähne eines Schaufelradbaggers aus einem Stahl gegossen und mit einem Verschleißschutz, versehen. Dieser Verschleißschutz ist häufig sehr spröde und hält den hohen Belastungen eines Baggerprozesses nicht stand. Ein schneller Verschleiß bis hin zur Zerstörung des Baggerzahns ist die Folge. Aus US 2 608 111 A ist ein Block bekannt, von welchem Abschnitte abgetrennt werden, die als Ersatz für verschlissene Zähne mit Baggerschaufeln verschweißt werden. Dieser Block weist an seine Oberseite und an seiner Unterseite senkrecht zur Schneidkante schmale Vertiefungen auf, in die ein oberflächenhärtendes Material eingebracht wird, wobei die Vertiefungen beider Seiten an der Schneidkante miteinander verbunden sein können. Zähne für Bagger mit lokalen Verstärkungen durch Einlagen aus Hartstoffen sind ebenfalls in US 2017/233 986 A1 beschrieben. Diese Einlagen können sich im hinteren Bereich des Zahns stabförmig über dessen gesamte Höhenausdehnung erstrecken oder aber an der Spitze des Kopfes des Zahns in flacher Ausgestaltung vorgesehen sein, wo sie Teilbereiche der Unterseite wie auch der Schneidkante des Zahnes bilden. Aus US 5 375 350 A ist ein Zahn zum Anbringen an eine Baggerschaufel bekannt, welcher neben mehreren Einlagen aus Hartstoffen, die sich quaderförmig im vorderen Bereich des Zahns über dessen gesamte Höhenausdehnung erstrecken, zusätzlich auch eine Verschleißschutzschicht auf der Grundlage eines Hartstoffs aufweisen, wobei eine solche Schicht aus zuvor aufgebrachten Schweißperlen durch Schmelzen mittels Schweißbrenner oder Lichtbogen erhalten werden kann.
  • Davon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Zahn für einen Schaufelradbagger bereitzustellen, der einfach herstellbar ist und eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Zahn mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Einlage aus dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff mindestens im Bereich des Zahnkopfs des Baggerzahnes angeordnet ist und diesen Zahnkopf im Bereich mindestens zweier Außenflächen umschließt. Diese mindestens zwei Außenflächen umfassen erfindungsgemäß zwei seitliche Schneidflächen und gegebenenfalls eine untere Schneidfläche des Zahnes, welche hierin auch als mittlere Ripperfläche bezeichnet wird. Es können beispielsweise drei oder mehr Außenflächen des Zahnkopfs von der Einlage umschlossen sein.
  • Eine Besonderheit des kontinuierlich arbeitenden Schaufelradbaggers ist der im Wesentlichen sich wiederholende Grabvorgang mit in etwa gleichen Materialquerschnitten, Schnittgeschwindigkeiten und Zahneinstellungen. Jeder Baggerzahn wird bei korrekter Auslegung im Wesentlichen durch eine bestimmte Bewegungsrichtung (Grabrichtung) beansprucht und verschleißt dementsprechend. Durch den Zahnverschleiß verändert sich die Form der Zahnspitze, was zur starken Abrundung der Zahnspitzen im Bereich der Schneidkanten und somit zu einer deutlichen Grabkrafterhöhung führen kann. Um die negative Auswirkung von kontinuierlich verschleißenden Baggerzähnen auf den Baggervorgang zu verhindern, sind insbesondere die nachfolgend genannten, im Rahmen von Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung bevorzugten, geometrischen Merkmale der in den Baggerzahn eingegossenen Einlage vorteilhaft.
  • Vorzugsweise weist die Einlage im Bereich der Oberflächen des Zahnkopfs eine Materialstärke von 2 mm bis 25 mm auf oder sie erstreckt sich über 4 % bis 50 % der maximalen Querschnittsbreite, vorzugsweise weist sie eine Materialstärke von 3 mm bis 15 mm auf oder erstreckt sich über 6 % bis 30 % der maximalen Querschnittsbreite, besonders bevorzugt weist sie eine Materialstärke von 5 mm bis 10 mm auf oder erstreckt sich über 10 % bis 20 % der maximalen Querschnittsbreite.
  • Vorzugsweise ist die der Schnittgeschwindigkeit entgegengesetzte obere Fläche des Zahnkopfs, die hierin auch als hintere Flächen bezeichnet wird, nicht mit der Einlage bedeckt. Vorzugsweise hat der Zahnkopf einen viereckigen Querschnitt (quer zu seiner Längsrichtung geschnitten), so dass sich insgesamt vier Außenflächen ergeben. Von diesen vier Außenflächen sind zwei gegenüberliegende Flächen die seitlichen Schneidflächen, eine dritte Fläche ist die untere Schneidfläche (oder mittlere Ripperfläche) und eine vierte Fläche ist die obere (hintere) Fläche des Zahns, wobei diese hintere Fläche beispielsweise konkav gekrümmt ausgebildet sein kann. Diese hintere Fläche des Zahnkopfs ist vorzugsweise nicht mit der Einlage aus dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff versehen, während die drei übrigen Flächen (die drei vorgenannten Schneidflächen) mit dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff versehen sind. Vorzugsweise weist die Einlage aus dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff in einer Schnittebene quer zur Zahnlängsrichtung gesehen eine V-Form oder eine Trapezform auf.
  • Weiterhin ist die Einlage schalenförmig ausgebildet, das heißt, die Einlage umgibt hüllenartig und mit einer definierten Materialstärke einen Kern des Baggerzahnkopfs, wobei dieser Kern bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere einem Gusswerkstoff besteht, wobei es sich um das Metallmatrix-Material handeln kann.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Einlage aus dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff im Bereich der Spitze des Zahnkopfs eine größere Materialstärke auf als in anderen Bereichen des Zahnkopfs. Mit anderen Worten, bei dieser möglichen Ausführungsvariante nimmt die Materialstärke der Einlage von der Spitze des Zahnkopfs aus beispielsweise zum Zahnschaft hin ab.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Einlage aus dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff im Bereich der Spitze des Zahnkopfs einen größeren Hartstoffanteil auf als in anderen Bereichen des Zahnkopfs. Die Spitze des Zahnkopfs kommt als erste mit den abzutragenden abrasiven mineralischen Stoffen in Kontakt und ist daher dem größten Verschleiß ausgesetzt.
  • Daher kann es gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung von Vorteil sein, wenn die Materialstärke der Einlage aus dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff von der Spitze des Zahnkopfs ausgehend zu dem dem Zahnschaft zugewandten Endbereich des Zahnkopfs hin allmählich abnimmt.
  • Außerdem ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung von Vorteil, wenn die Materialstärke der Einlage aus dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff zum hinteren Endbereich des Zahnkopfs hin kontinuierlich ohne Kerbbildung abnimmt, insbesondere ausläuft. Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit der Rissbildung in diesen Bereichen reduziert werden.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt ein gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik alternatives Verfahren zur Anbringung einer Zahnverschleißschutzbeschichtung vor, bei dem vor dem Gießen in die Zahngussform eine Einlage aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff insbesondere im Zahnkopfbereich eingebracht und dann beim Gießvorgang mit dem metallischen Gusswerkstoff umschlossen wird. Die in dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff bereits enthaltenen oder beim Gießvorgang entstehenden Hartstoffe, wie beispielsweise Wolframcarbid, Chromcarbid, Titancarbid oder dergleichen, mit einem Volumenanteil von beispielsweise 20 bis 80 %, werden dabei in dem Gusswerkstoff als Matrix verteilt und nach dem Abkühlen fixiert.
  • Mindestens ein Zahn zum Anbringen an eine Baggerschaufel eines Schaufelradbaggers ist somit gemäß einer bevorzugten Variante der vorliegenden Erfindung aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff ausgebildet, wobei der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine in ein Metallmatrixmaterial eingegossene Einlage aus einem Hartstoff aufweist. Bei der Einlage handelt es sich um ein Verschleißschutzelement. Unter dem Begriff "eingegossen" ist zu verstehen, dass die Einlage zumindest teilweise mit dem Gusswerkstoff, nämlich dem Metallmatrixmaterial, umschlossen ist.
  • Hartstoffe umfassen beispielsweise Keramik, Diamant, Carbide oder Nitride. Hartstoffe weisen insbesondere eine Härte von 950 HV30 bis 2200 HV30, vorzugsweise 1500 HV30 bis 2200 HV30 auf.
  • Vorzugsweise besteht der Metallmatrix-Verbundwerkstoff ausschließlich aus einer oder mehreren Einlagen und einem Metallmatrixmaterial. Insbesondere ist der gesamte Zahn vollständig aus dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff ausgebildet. Der Zahn weist vorzugsweise einen Zahnkopf und einen sich daran anschließenden Zahnschaft auf. Der Zahnschaft ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass er mit einer Baggerschaufel verbindbar ist. Insbesondere ist ausschließlich der Zahnkopf aus dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff ausgebildet, wobei der Zahnschaft beispielsweise geschmiedet ist. Insbesondere ist der Zahnkopf mit dem Zahnschaft mittels Schweißen verbunden. Ein geschmiedeter Zahnschaft weist bessere mechanische Eigenschaften als ein gegossener Zahnschaft auf, wodurch beispielsweise Brüche im Schaftbereich vermieden werden.
  • Bei dem mit dem Schaufelradbagger abzubauenden Material handelt es sich beispielweise um Hartgestein, wie mineralisches Material, Erze, Kohle, Ölsand, Kalkstein, Mergel, Ton, Kreide, Gips und ähnliche Rohstoffe.
  • Die Einlage umfasst beispielsweise einen Hartstoff aus der nachfolgenden Aufzählung umfassend Diamant, Wolframcarbid, Titancarbid, Borcarbid, Niobcarbid, Chromcarbid Vanadiumcarbid, Siliciumcarbid, Zirconiumcarbid, Tantalcarbid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Titannitrid, und/oder Keramik, wie beispielsweise Aluminium- und/ oder Zirconiumoxid, oder eine Mischung aus diesen Werkstoffen. Beispielsweise umfasst die Einlage einen Hartstoff aus der nachfolgenden Aufzählung umfassend Diamant, Wolframcarbid, Titancarbid, Borcarbid, Niobcarbid, Chromcarbid Vanadiumcarbid, Siliciumcarbid, Zirconiumcarbid, Tantalcarbid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Titannitrid, oder Keramik, wie beispielsweise Aluminium- und/ oder Zirconiumoxid, oder eine Mischung aus diesen Werkstoffen.
  • Vorzugsweise umfasst die Einlage etwa 20 % bis 80 %, vorzugsweise 30 % bis 75 %, höchst vorzugsweise 45 % - 55 % Wolframcarbid, wobei der restliche Bestandteil der Einlage hauptsächlich Kohlenstoff mit einem Rest ist.
  • Es ist ebenfalls denkbar, dass die Einlage etwa 20 % bis 80 %, vorzugsweise 30 % bis 75 %, höchstvorzugsweise 45 % - 55 % Titancarbid umfasst, wobei der restliche Bestandteil der Einlage hauptsächlich Kohlenstoff mit einem Rest ist. Bei den vorangehenden Angaben handelt es sich um Volumenprozente.
  • Die Einlage weist insbesondere eine poröse Struktur auf, wobei die Einlage eine Mehrzahl von Poren aufweist, die beispielsweise gleichmäßig verteilt und/oder ausgebildet sind. Beispielsweise sind die Poren wabenförmig ausgebildet. Die Einlage ist vorzugsweise einstückig ausgebildet. Der Zahn ist vorzugsweise einstückig ausgebildet und durch ein Gießverfahren hergestellt.
  • Unter einen Metallmatrix-Verbundwerkstoff ist ein Werkstoff aus einem Metallmatrixmaterial wie beispielsweise Stahl zu verstehen, in den die Einlage aus einem Hartstoff eingegossen ist. Bei dem Metallmatrixmaterial handelt es sich beispielsweise um einen Stahl mit einer Härte von etwa 200-600 HB, insbesondere 350-500 HB, vorzugsweise 450 HB (Brinell) und beispielsweise einer Bruchdehnung von größer oder gleich 1-15 %, insbesondere 2-8 %.
  • Die Ausbildung des Zahns aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff bietet den Vorteil einer einfachen Herstellbarkeit und eines hohen Verschleißschutzes, der aus der aus einem Hartstoff ausgebildeten Einlage resultiert.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Einlage aus einem pulverförmigen und/ oder körnigen Gemisch aus beispielsweise einem Hartstoff oder Wolfram, Chrom, Niob Vanadium, Bor, Titan, Silicium Tantal oder aus einer Mischung aus diesen Elementen mittels Erhitzen hergestellt. Beispielsweise wird die Einlage aus einem pulverförmigen Gemisch aus Wolfram, Chrom, Niob Vanadium, Bor, Titan, Silicium Tantal oder aus einer Mischung aus diesen Elementen mittels Erhitzen hergestellt. Es ist ebenfalls denkbar die Einlage aus einem körnigen Gemisch aus Wolfram, Chrom, Niob Vanadium, Bor, Titan, Silicium Tantal oder aus einer Mischung aus diesen Elementen mittels Erhitzen herzustellen.
  • Das pulverförmige Material aus einem oder einer Mischung aus zwei oder mehreren Elementen ausgewählt aus Wolfram, Chrom, Niob, Vanadium, Bor, Titan, Silicium oder Tantal wird vorzugsweise mit einem Zuschlagsstoff/Reaktionspartner wie beispielsweise mit Kohlenstoff und/oder Stickstoff vermischt und zu der Einlage, vorzugsweise einer Vorstufe der Einlage gepresst, geklebt oder gesintert wird. Die Einlage wird anschließend in einer Gussform, die der Negativform des Zahns entspricht, platziert und mit dem insbesondere heißen Metallmatrixmaterial übergossen, sodass die Einlage von dem Metallmatrixmaterial umschlossen wird und das Metallmatrixmaterial zumindest teilweise die Einlage infiltriert, sodass das Metallmatrixmaterial in die Poren der porösen Einlage gelangt und diese ausfüllt. Die bei dem Gussprozess auf die gepressten, geklebten oder gesinterten Materialien wirkende Wärme sorgt für eine Reaktion zwischen den verschiedenen Elementen und ihren Reaktionspartnern, so dass beispielsweise verschleißbeständige Carbide und Nitride, wie Wolframcarbid, Titancarbid, Borcarbid, Niobcarbid, Chromcarbid, Vanadiumcarbid, Siliciumcarbid, Tantalcarbid, Bornitrid, Titannitrid, Siliciumnitrid und/oder eine Mischung aus diesen entstehen. Die Carbide und Nitride bilden in dieser Ausführungsform die Einlage innerhalb des Metallmatrixmaterials.
  • Es ist ebenfalls denkbar, dass die Einlage beispielsweise aus einem pulverförmigen und/ oder körnigen Gemisch aus Partikeln (Körnern), insbesondere Hartstoffen umfassend Keramik, wie Aluminium- und Zirconiumoxid oder Hartmetall, vorzugsweise Carbide und Nitride wie Wolframcarbid, Titancarbid, Borcarbid, Niobcarbid, Chromcarbid, Vanadiumcarbid, Siliciumcarbid, Zirconiumcarbid, Tantalcarbid, Bornitrid, Siliciumnitrid und/oder Titannitrid, oder einer Mischung aus diesen Verbindungen hergestellt ist, wobei das Gemisch beispielsweise mit einem Bindemittel gemischt, erhitzt, insbesondere begast, und gebacken wird. Das Gemisch wird vorzugsweise in einer beispielsweise flexiblen Form erhitzt, die der Negativform der Einlage entspricht. Insbesondere wird die Einlage mittels Pressen, Kleben oder Sintern des voran genannten pulverförmigen Materials hergestellt und in die Gussform, die der Negativform des Zahns entspricht, eingelegt. Vorzugsweise wird körniges Wolframcarbid, Titancarbid oder Niobcarbid mit einem Bindemittel gemischt, erhitzt, insbesondere begast, und gebacken. In der Gussform wird die Einlage anschließend von dem Metallmatrixmaterial umschlossen und zumindest teilweise infiltriert.
  • Anschließend kühlt das Gemisch ab und härtet zu einer sehr verschleißbeständigen Einlage mit einer porösen Struktur aus. Dies bietet eine Möglichkeit der einfachen Herstellung unterschiedlicher Formen der Einlage. Unter einer porösen Struktur der Einlage ist nicht zu verstehen, dass diese zwangsläufig mit Luft gefüllte Poren aufweist, vielmehr sind die Poren idealerweise alle, realistisch zum größten Teil, mit dem Metallmatrixmetrial ausgefüllt, welches bei dem oben beschriebenen Herstellungsvorgang in die poröse Struktur des Hartstoffs eindringt.
  • Die Einlage bildet gemäß einer weiteren Ausführungsform zumindest teilweise oder vollständig die Oberfläche des Zahns aus. Insbesondere ist die Einlage an der Oberfläche des Zahns zumindest teilweise mit dem Metallmatrixmaterial bedeckt. Das Metallmatrixmaterial ist vorzugsweise ein duktilerer, weicherer Werkstoff als der Werkstoff der Einlage, weshalb das Metallmatrixmaterial schneller verschleißt als die Einlage und beispielsweise aus den an der Oberfläche des Zahns angeordneten Poren ausgewaschen wird.
  • Der Zahn ist gemäß einer weiteren Ausführungsform teilweise oder vollständig durch ein Gießverfahren hergestellt. Vorzugsweise ist ausschließlich der Zahnkopf durch ein Gießverfahren hergestellt. Bei dem Gießverfahren wird die Einlage in einer Gussform positioniert, die die Negativform des Zahns aufweist. Anschließend wird das Metallmatrixmaterial in die Gussform gegossen, so dass dieses die Poren der Einlage infiltriert und die Einlage mit dem Metallmatrixmaterial zumindest teilweise oder vollständig umschließt. Das Gießverfahren stellt eine besonders einfache Weise der Herstellung des Zahns dar, wobei die Einlage an einer beliebigen Stelle innerhalb der Gussform auf einfache Weise platziert werden kann und somit ein Verschleißschutz an beliebigen Stellen des Zahns erreicht werden kann.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Zahn eine Mehrzahl von Einlagen auf. Beispielsweise umfasst die Mehrzahl von Einlagen eine Mehrzahl von Partikeln, insbesondere Hartstoffpartikel. Eine Einlage, die aus einem Partikel ausgebildet ist, weist vorzugsweise eine Größe von 0,2 Mikrometer bis 6 Mikrometer auf, wobei die Partikel beispielsweise mittels Aufkohlung von Wolfram mit Kohlenstoff hergestellt sind. Vorzugsweise besteht jede Einlage aus genau einem Partikel, wobei die Einlagen ungeordnet in dem Matrixmaterial angeordnet sind. Es ist ebenfalls denkbar, dass der Zahn genau eine Einlage aufweist. Beispielsweise sind drei Einlagen innerhalb des Zahns angeordnet, die sich vorzugsweise entlang der Oberfläche des Zahns erstrecken. Eine Mehrzahl von Einlagen bietet die Möglichkeit, diese dort anzuordnen, wo der Verschleiß am größten ist. Die übrigen Bereiche des Zahns können mit dem kostengünstigeren Metallmatrixmaterial gegossen werden. Insbesondere weist die Einlage eine Dicke von etwa 5 mm bis etwa 50 mm, vorzugsweise etwa 5 mm bis etwa 25 mm auf. Vorzugsweise erstreckt sich die Einlage über die gesamte Breite des Zahnkopfs.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die Einlage zumindest teilweise oder vollständig in Längsrichtung des Zahns entlang der Oberfläche. Insbesondere erstreckt sich die Einlage vollständig über die gesamte Erstreckung des Zahnkopfs. Vorzugsweise weist der Zahn nur genau eine Einlage auf, was die einfachste und kostengünstigste Ausführungsform des Zahns darstellt.
  • Der Zahn weist gemäß einer weiteren Ausführungsform einen Zahnkopf auf, wobei die Einlage in dem Zahnkopf angeordnet ist. Der Zahnkopf weist vorzugsweise eine Schneidfläche auf, die für ein verbessertes Abtragen des Materials sorgt. Der Zahnkopf weist vorzugsweise in Rotationsrichtung der Baggerschaufel des Schaufelradbaggers und kommt beim Baggerprozess mit dem Material in Berührung. Vorzugsweise weist der Zahn an seinem einen Ende einen Zahnschaft mit einem Befestigungsbereich und an seinem gegenüberliegenden Ende den Zahnkopf auf. Der Zahnschaft weist vorzugsweise Mittel zum Befestigen des Zahns an einer Baggerschaufel auf. Insbesondere weist ausschließlich der Zahnkopf eine Einlage auf, wobei der Zahnschaft ausschließlich aus dem Matrixmaterial ausgebildet ist. Insbesondere sind der Zahnkopf und der Zahnschaft einteilig ausgebildet, vorzugsweise gegossen. Auch eine zweiteilige Ausbildung ist denkbar. Vorzugsweise bildet die Einlage zumindest teilweise die Oberfläche des Zahnkopfes aus und erstreckt sich insbesondere entlang der gesamten Oberfläche des Zahnkopfes. In dem Zahnkopf sind vorzugsweise eine oder mehrere Einlagen angeordnet.
  • Der Zahnkopf weist gemäß einer weiteren Ausführungsform eine Schneidfläche auf, die beim Abtragen des Materials mit dem Material in Berührung kommt und dieses insbesondere schneidet. Die Einlage bildet zumindest teilweise die Schneidfläche aus. Vorzugsweise weist der Zahnkopf eine Vielzahl von Schneidflächen, beispielsweise drei Schneidflächen, auf. Die Einlage erstreckt sich vorzugsweise vollständig entlang der gesamten Schneidfläche des Zahnkopfes. Insbesondere weist die Einlage einen V-förmigen Querschnitt auf und ist dabei schalenförmig ausgebildet. Vorzugsweise sind alle äußeren Flächen des Zahnkopfes Schneidflächen und die Einlage ist beispielsweise hüllenförmig ausgebildet, so dass sie sich entlang der äußeren Flächen des Zahnkopfes erstreckt. Vorzugsweise ist die Einlage einstückig ausgebildet und der Zahn weist insbesondere genau eine Einlage auf. Vorzugsweise ist der Kern des Zahns ausschließlich aus dem Metallmatrixmaterial ausgebildet, wobei die Einlage lediglich an den Bereichen der Oberfläche des Zahns angeordnet ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Einlagen an jeder Schneidfläche des Zahns angeordnet. Vorzugsweise sind die Einlagen plattenförmig ausgebildet und insbesondere nebeneinander angeordnet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Zahnkopf eine Mehrzahl von Schneidflächen auf, wobei zumindest eine Schneidfläche zu einem Großteil aus dem Metallmatrixmaterial ausgebildet ist. Unter einem Großteil wird beispielsweise mehr als 60 % bis 95 %, vorzugsweise 70 % bis 90 %, insbesondere 80 % verstanden. Insbesondere sind zusätzlich zumindest eine Schneidfläche oder mehrere Außenflächen nicht mit einer Einlage versehen, die sich insbesondere vollständig entlang der Schneidflächen erstrecken. Dadurch wird eine Schneidfläche des Zahnkopfes im Betrieb des Zahns stärker verschleißen als die übrigen mit der Einlage ausgestatteten Schneidflächen, wodurch eine Schärfung des Zahns, vorzugsweise der Schneidform des Zahns erfolgt.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine Baggerschaufel zum Anbringen an einen Schaufelradrahmen eines Schaufelradbaggers, welche mindestens einen Zahn der zuvor beschriebenen Art aufweist. Vorzugsweise sind an jeder Baggerschaufel eine Mehrzahl von vorangehend beschriebenen Zähnen angebracht. Insbesondere weist zumindest ein Zahn oder jeder Zahn einer Baggerschaufel eine in Matrixmaterial eingebettete Einlage auf.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen
  • Zahns zum Anbringen an eine Baggerschaufel eines Schaufelradbaggers aufweisend die Schritte:
    • Positionieren einer Einlage aus einem Hartstoff oder Wolfram, Chrom, Niob und/oder Vanadium, Bor, Titan, Silicium und/oder Tantal und vorzugsweise einem Reaktionspartner wie beispielsweise Kohlenstoff und/oder Stickstoff, wobei die Einlage eine Mehrzahl an Poren aufweist, in einer Gussform zum Gießen des Zahns und
    • Gießen des Zahns aus einem Metallmatrixmaterial, sodass das Metallmatrixmaterial die Poren der Einlage infiltriert und die Einlage zumindest teilweise von dem Metallmatrixmaterial des Zahns umschlossen wird, wobei die Einlage schalenförmig ausgebildet ist/wird.
  • Die mit Bezug auf den Zahn beschriebenen Vorteile und Erläuterungen, treffen in verfahrensmäßiger Entsprechung auch auf das Verfahren zur Herstellung des Zahns zu.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird die Einlage vor dem Positionieren aus einem pulverförmigen und/ oder körnigem Gemisch aus einem Hartstoff beispielsweise mittels Kleben, Pressen oder Sintern hergestellt.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist der Zahn einen Zahnkopf und einen Zahnschaft auf, wobei der Zahnkopf durch Gießen hergestellt wird und der Zahnschaft geschmiedet wird, wobei der Zahnkopf anschließend mit dem Zahnschaft verbunden, vorzugsweise verschweißt, wird.
    • Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Figur 1 eine schematische Darstellung eines Schaufelrades eines Schaufelradbaggers mit einer Mehrzahl von Baggerschaufeln in einer Frontansicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • Figur 2 eine schematische Darstellung eines Zahns zum Anbringen an eine Baggerschaufel eines Schaufelradbaggers in einer Seitenansicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • Figur 3 eine Draufsicht auf den in Figur 2 dargestellten Baggerzahn;
    • Figur 4 eine schematische Teilansicht eines Baggerzahns gemäß dem Ausführungsbeispiel von Figur 2, wobei der Baggerzahn im vorderen Bereich des Zahnkopfs im Schnitt dargestellt ist.
  • Nachfolgend wird zunächst auf die Figur 1 Bezug genommen. Diese Darstellung zeigt ein Schaufelrad 10 beispielsweise eines Schaufelradbaggers zum Abbau von Schüttgut oder eines Brückenschaufelradgerätes zum Rückladen von Schüttgut, insbesondere in einem Tagebau oder einem Lagerplatz. Vorzugsweise werden solche Schaufelräder zum Abbau oder Rückladen von Mineralen, Erzen, Sand, Ton, Kies, Ölsand, Kohle oder weiteren körnigen Materialien eingesetzt. Das Schaufelrad 10 der Fig. 1 weist einen Schaufelradrahmen 18 auf, der im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist und beispielhaft mehrere teilkreisringförmige Segmente aufweist. An dem Schaufelradrahmen 18 sind eine Mehrzahl von Baggerschaufeln 12 angebracht. Beispielhaft weist das in Fig. 1 dargestellte Schaufelrad 10 acht Schaufeln 12 auf, die gleichmäßig zueinander beabstandet an dem äußeren Umfang des Schaufelradrahmens 18 angebracht sind. Jede Schaufel 12 kann um eine Schwenkachse rotierbar an dem Schaufelradrahmen 18 angebracht sein.
  • Das Schaufelrad 10 rotiert im Betrieb um die Mittelachse des Schaufelradrahmens. In dem Beispiel der Fig. 1 ist die Rotationsrichtung beispielhaft im Uhrzeigersinn angegeben. Vorzugsweise weist jede Baggerschaufel 12 jeweils mehrere Baggerzähne 20 im vorderen Bereich an der Schnittkante 14 der Schaufel 12 auf, dort wo diese Schaufel 12 in das abzutragende Material eingreift. Einer dieser an der Baggerschaufel 12 angebrachten Zähne 20 ist im Detail in den Figuren 2 bis 4 dargestellt, auf die nachfolgend Bezug genommen wird.
  • Die Figuren 2 bis 4 zeigen einen Zahn 20 zum Anbringen an eine nicht dargestellte Baggerschaufel. Der Zahn 20 umfasst einen Zahnkopf 22 und einen Zahnschaft 24, wobei der Zahnkopf 22 mit dem Zahnschaft 24 beispielhaft einstückig ausgebildet ist. Es ist ebenfalls denkbar, den Zahnschaft 24 und den Zahnkopf 22 als separate Bauteile auszubilden und anschließend miteinander zu verbinden, beispielsweise zu verschweißen. Vorzugsweise schließt sich der Zahnschaft 24 direkt an den Zahnkopf 22 an und dient insbesondere der Befestigung des Zahns 20 an einer Baggerschaufel 12 eines Schaufelradbaggers. Der Zahnkopf 22 bildet das vordere Ende des Zahns 20 aus, das im Betrieb des Zahns 20 in Rotationsrichtung des Schaufelrades 10 weist. Der Zahnkopf 22 ist zahnförmig und in Richtung der Spitze des Zahns 20 zulaufend ausgebildet. Der Zahnkopf 22 weist beispielhaft eine dreieckige oder viereckige Querschnittsfläche auf. Vorzugsweise weist der Zahnkopf 22 vier Außenflächen auf, nämlich zwei jeweils gegenüberliegende, seitliche Schneidflächen 26, eine obere Fläche, die der Schnittgeschwindigkeit entgegengesetzt angeordnet ist und daher hierin als hintere Fläche 28 bezeichnet wird, und eine untere Fläche, die hierin als mittlere Ripperfläche 30 bezeichnet wird.
  • Der Zahnschaft 24 weist beispielhaft zwei Schenkel 32, 34 auf, die sich parallel zueinander erstrecken. Jeder der Schenkel 32, 34 weist Bohrungen 36, 38 auf, die den jeweiligen Bohrungen 36, 38 des anderen Schenkels 32, 34 insbesondere fluchtend gegenüberliegen. Die Bohrungen 36, 38 dienen der Aufnahme von nicht dargestellten Befestigungsmitteln zur Befestigung des Zahns 20 an einer Baggerschaufel 12. Vorzugsweise weist der Zahn 20 an dem Endbereich des Zahnschafts 24 einen Anschlag 40 auf, der zur Positionierung des Zahns 20 an der Baggerschaufel 12 dient und bei einem an einer Baggerschaufel 12 montierten Zahn 20 an dieser, insbesondere an der Schnittkante 14 der Baggerschaufel 12, anliegt. Vorzugsweise wird der Zahnschaft 24 an der Schnittkante 14 der Baggerschaufel 12 befestigt.
  • Der Zahn 20 ist aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff ausgebildet, wobei der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine in ein Metallmatrixmaterial 42 eingegossene Einlage 44 aus einem Hartstoff aufweist. Die Einlage ist vorzugsweise aus einem Hartstoff ausgebildet und weist eine poröse Struktur auf. Der Hartstoff umfasst beispielsweise Wolframcarbid, Keramik wie beispielsweise Aluminium- und Zirconiumoxid, Titancarbid, Borcarbid, Niobcarbid oder Chromcarbid oder eine Mischung aus diesen Werkstoffen. Das Metallmatrixmaterial 42 umfasst einen duktileren Werkstoff als die Einlage 44, wie beispielsweise Stahl, und ist in die Einlage 44 eingegossen. Das Metallmatrixmaterial 42 infiltriert insbesondere die Einlage 44, wobei eine stoffschlüssige, feste Verbindung zwischen den Einlagen 44 aus einem Hartstoff und dem Metallmatrixmaterial 42 hergestellt wird.
  • Der Zahn 20 ist durch ein Gießverfahren hergestellt und insbesondere einstückig ausgebildet. Beispielsweise wird die zumindest eine Einlage 44 aus einem pulverförmigen und/ oder körnigen Gemisch aus Partikeln (Körnern) umfassend Wolframcarbid, Keramik wie beispielsweise Aluminium- und Zirconiumoxid, Titancarbid, Borcarbid, Niobcarbid oder Chromcarbid oder aus einer Mischung aus diesen Werkstoffen hergestellt, wobei das Gemisch beispielsweise mit einem Bindemittel gemischt, erhitzt, insbesondere begast, und gebacken wird. Insbesondere wird das Gemisch in einer beispielsweise flexiblen Form erhitzt, die der Negativform der Einlage 44 entspricht. Anschließend kühlt das Gemisch ab und härtet zu einem sehr verschleißbeständigen Körper mit einer porösen Struktur aus. Die Einlage 44 wird zur Herstellung des Zahns 20 in einer Gussform platziert, die der Negativform des Zahns 20 entspricht. Anschließend wird das Metallmatrixmaterial 42 in die Gussform gegossen, so dass dieses die Einlage 44 infiltriert und diese zumindest teilweise oder vollständig umschließt.
  • Die Einlage 44 ist in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 derart ausgebildet, dass sie sich über die gesamte Schneidfläche des Zahns 20 erstreckt (siehe auch Figur 4). Vorzugsweise bildet die Einlage 44 zumindest teilweise die seitlichen Schneidflächen 26 und die mittlere Ripperfläche 30 an der Unterseite des Zahnkopfs 22 aus und ist einstückig ausgebildet. Es ist ebenfalls denkbar, dass die Einlage aus mehreren Segmenten ausgebildet ist, die nebeneinander angeordnet sind. Die Einlage 44 ist in das Metallmatrixmaterial 42 eingegossen, so dass dieses die Einlage vorzugsweise infiltriert. Beispielhaft ist der gesamte Zahn 20 aus dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff ausgebildet. Die hintere Fläche 28 des Zahnkopfes 22 weist beispielhaft keine Einlage 44 auf, wobei lediglich die oberen Enden der Einlagen 44 der Schneidflächen 26 einen Teil der hinteren Fläche 28 des Zahnkopfes 22 ausbilden. Die hintere Fläche 28 ist zu einem Großteil oder vollständig aus dem Metallmatrixmaterial 42 ausgebildet. Im Betrieb des Zahns 20 verschleißt diese daher schneller als die Einlage 44, so dass sich die Zahnform des Zahns 20 verschärft.
  • Fig. 4 zeigt den Zahn 20 gemäß Fig. 2 in einer Schnittansicht, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Die Einlage 44 erstreckt sich über die gesamte Fläche der Schneidflächen 26 und der mittleren Ripperfläche 30 an der Unterseite des Zahns und ist vorzugsweise schalenförmig und einstückig ausgebildet.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Schaufelrad
    12
    Baggerschaufel
    14
    Schnittkante
    18
    Schaufelradrahmen
    20
    Zahn
    22
    Zahnkopf
    24
    Zahnschaft
    26
    Schneidfläche
    28
    hintere Fläche
    30
    mittlere Ripperfläche
    32
    Schenkel
    34
    Schenkel
    36
    Bohrung
    38
    Bohrung
    40
    Anschlag
    42
    Metallmatrixmaterial
    44
    Einlage

Claims (12)

  1. Zahn (20) zum Anbringen an eine Baggerschaufel (12) eines Schaufelradbaggers, wobei der Zahn (20) teilweise aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff ausgebildet ist und der Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine in ein Metallmatrixmaterial (42) eingegossene Einlage (44) aus einem Hartstoff aufweist, wobei die Einlage (44) zumindest teilweise die Oberfläche des Zahns (20) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (44) aus dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff mindestens im Bereich des Zahnkopfs (22) angeordnet ist und diesen Zahnkopf im Bereich mindestens zweier Außenflächen (26, 30) umschließt, wobei die Einlage (44) schalenförmig ausgebildet ist und die mindestens zwei Außenflächen zwei seitliche Schneidflächen (26) oder zwei seitliche Schneidflächen (26) und eine mittlere Ripperfläche (30) umfassen.
  2. Zahn (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (44) im Bereich der Oberflächen des Zahnkopfs (22) eine Materialstärke von 2 mm bis 25 mm oder 4 % bis 50 % der maximalen Querschnittsbreite, vorzugsweise eine Materialstärke von 3 mm bis 15 mm oder 6 % bis 30 % der maximalen Querschnittsbreite, besonders bevorzugt eine Materialstärke von 5 mm bis 10 mm oder 10 bis 20 % der maximalen Querschnittsbreite aufweist.
  3. Zahn (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Schnittgeschwindigkeit entgegengesetzte hintere Fläche (28) des Zahnkopfs (22) nicht mit der Einlage (44) bedeckt ist.
  4. Zahn (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (44) in einer Schnittebene quer zur Zahnlängsrichtung gesehen eine V-Form oder eine Trapezform aufweist.
  5. Zahn (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (44) im mittleren Bereich der Spitze des Zahnkopfs (22) entlang der mittleren Ripperfläche (30) eine größere Materialstärke aufweist als in anderen Bereichen des Zahnkopfs.
  6. Zahn (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (44) im Bereich der Spitze des Zahnkopfs (22) entlang der mittleren Ripperfläche (30) einen größeren Hartstoffanteil aufweist als in anderen Bereichen des Zahnkopfs.
  7. Zahn (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstärke der Einlage (44) entlang der mittleren Ripperfläche (30) zu dem dem Zahnschaft (24) zugewandten Endbereich des Zahnkopfs (22) hin allmählich abnimmt.
  8. Zahn (20) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstärke der Einlage (44) zum hinteren Endbereich des Zahnkopfs hin kontinuierlich ohne Kerbbildung abnimmt, insbesondere ausläuft.
  9. Baggerschaufel (12) zum Anbringen an einen Schaufelradrahmen (18) eines Schaufelradbaggers, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens einen Zahn (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
  10. Verfahren zum Herstellen eines Zahns (20) nach einem der Ansprüche 1-8 zum Anbringen an eine Baggerschaufel (12) eines Schaufelradbaggers, umfassend Positionieren einer Einlage (44) aus einem Hartstoff oder Wolfram, Chrom, Niob und/oder Vanadium, Bor, Titan, Silicium und/oder Tantal, wobei die Einlage (44) eine Mehrzahl an Poren aufweist, in einer Gussform zum Gießen des Zahns (20) und
    Gießen des Zahns (20) aus einem Metallmatrixmaterial (42), sodass das Metallmatrixmaterial (42) die Poren der Einlage (44) infiltriert und die Einlage (44) zumindest teilweise von dem Metallmatrixmaterial (42) des Zahns (20) umschlossen wird, wobei die Einlage (44) schalenförmig ausgebildet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Einlage (44) vor dem Positionieren aus einem pulverförmigen und/ oder körnigem Gemisch aus einem Hartstoff mittels Erhitzen hergestellt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei der Zahn (20) einen Zahnkopf (22) und einen Zahnschaft (24) aufweist und wobei der Zahnkopf (22) durch Gießen hergestellt wird und der Zahnschaft (24) geschmiedet wird, wobei der Zahnkopf anschließend mit dem Zahnschaft (24) verbunden wird.
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