WO2014165887A2 - Annular tool - Google Patents
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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.
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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
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)
- Patentansprüche claims1. 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> 105. 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 2.3Silicium (Si) 0.01 bis 2.0Silicon (Si) 0.01 to 2.0Mangan (Mn) 0.05 bis 25.0Manganese (Mn) 0.05 to 25.0Chrom (Cr) bis 6.0Chrome (Cr) to 6.0Nickel (Ni) bis 2.5Nickel (Ni) to 2.5Molybdän (Mo) bis 2.2Molybdenum (Mo) to 2.2Wolfram (W) bis 1.5Tungsten (W) to 1.5(1,5xMo+W) bis 3,5(1,5xMo + W) up to 3,5Vanadin (V) bis 0.8Vanadium (V) to 0.8Niob (Nb) bis 0.4Niobium (Nb) to 0.4Kobalt bis 3.0Cobalt to 3.0Aluminium (Al) bis 3,0Aluminum (Al) up to 3.0GegebenenfallsPossiblyTitan (Ti) bis 0.2Titanium (Ti) to 0.2Zirkon (Zr) bis 0.2Zircon (Zr) to 0.2Hafnium (Hf) bis 0.1Hafnium (Hf) to 0.1Tantal (Ta) bis 0.25Tantalum (Ta) to 0.25Eisen (Fe) und Verunreinigungselemente als RestIron (Fe) and impurity elements as restaufweist.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 .-% ofKohlenstoff (C) bis 2.5Carbon (C) to 2.5Silicium (Si) 0.01 bis 3.0Silicon (Si) 0.01 to 3.0Mangan (Mn) 0.05 bis 28.0Manganese (Mn) 0.05 to 28.0Chrom (Cr) bis 9.0Chrome (Cr) to 9.0Nickel (Ni) bis 4.3Nickel (Ni) to 4.3Molybdän (Mo) bis 3.5Molybdenum (Mo) to 3.5Wolfram (W) bis 2.2Tungsten (W) to 2.2(1.5xMo+W) bis 5.1(1.5xMo + W) to 5.1Vanadin (V) bis 6.0Vanadin (V) to 6.0Niob (Nb) bis 35.0Niobium (Nb) to 35.0Aluminium (Al) bis 3.5Aluminum (Al) to 3.5gegebenenfallspossiblyTitan (Ti) bis 2.0Titanium (Ti) to 2.0Zirkon (Zr) bis 3.0Zircon (Zr) to 3.0Hafnium (Hf) bis 1.0Hafnium (Hf) to 1.0Tantal (Ta) bis 5.0Tantalum (Ta) to 5.0Kobalt (Co) bis 3.0Cobalt (Co) to 3.0Eisen (Fe) und Verunreinigungselemente als RestIron (Fe) and impurity elements as resterschmolzen 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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