Warum manche Knopfbohrer doppelt so lange halten: Es liegt nicht am Hartmetall – es liegt am Körper.

Wenn ein Fräser vorzeitig ausfällt, schaut jeder zuerst auf die Hartmetalleinsätze. Abgebrochene, flache oder fehlende Einsätze – der Schaden ist sichtbar und die Schuldfrage klar. Doch viele Fräser, die wegen Hartmetallversagens abgeschrieben werden, sind tatsächlich durch ihren eigenen Werkstoff kaputtgegangen. Der Stahlkörper, der die Einsätze hält, ist gerissen, verformt oder ermüdet, und die Einsätze – noch in einwandfreiem Zustand – wurden dabei mitgerissen.

Der Unterschied zwischen einem Bohrmeißel, der Tausende von Metern harter Gesteinsschläge übersteht, und einem, der schon beim ersten Einsatz versagt, liegt oft in einer Fertigungsentscheidung, die lange vor dem ersten Einsatz des Bohrmeißels an einer Bohranlage getroffen wurde: in der Herstellung des Bohrmeißelkörpers.

Vier Wege zu einem knackigen Körper – und warum drei davon nicht ausreichen

Es gibt vier kommerzielle Verfahren zur Herstellung eines Knopfbohrerkörpers, die trotz Verwendung des gleichen legierten Stahls zu radikal unterschiedlichen Ergebnissen führen.

Aus Stangenmaterial gefertigt.Die einfachste Methode: Man nehme einen runden Stahlstab, schneide ihn auf die gewünschte Länge zu und entferne alles, was nicht der endgültigen Form entspricht. Die Einrichtung ist kostengünstig – keine Werkzeuge, keine Schmiedeausrüstung, nur eine CNC-Drehmaschine. Das Problem ist, dass die Bearbeitung den Stahl nicht verbessert. Sie durchtrennt die beim Walzen entstandene Kornstruktur und unterbricht die inneren Fließlinien des Metalls an jeder bearbeiteten Oberfläche. Diese unterbrochenen Fließlinien werden unter Stoßbelastung zu Ausgangspunkten für Ermüdungsbrüche. Und da man etwa die Hälfte des Ausgangsmaterials abträgt, um die endgültige Form zu erhalten, ist die Materialausnutzung miserabel. Bearbeitete Bohrmeißelkörper eignen sich für sehr leichte Anwendungen, aber beim Schlagbohren in Gestein – wo der Bohrmeißelkörper bei jedem Schlag den vollen Kolbenschlag absorbiert – halten sie nicht lange.

Kaltfließpressen.Besser als spanende Bearbeitung, aber mit Einschränkungen. Beim Kaltfließpressen wird der Stahlblock bei Raumtemperatur unter extremem Druck in eine Matrize gepresst. Die Verformung verbessert die Materialdichte und verfeinert das Gefüge etwas, doch die erforderlichen Kräfte sind enorm – was bedeutet, dass die Matrizen und Pressen massiv, präzisionsgeschliffen und teuer sein müssen. Kaltfließpressen eignet sich für Bohrer mit kleinem Durchmesser und einfacher Geometrie, kann aber die komplexen Innenprofile größerer Knopfbohrer nicht bearbeiten, und der hohe Werkzeugverschleiß macht es für die Serienproduktion unwirtschaftlich.

Warmextrusion.Ein Kompromiss. Der Rohling wird auf eine mittlere Temperatur – unterhalb des Rekristallisationspunktes – erhitzt, um den Verformungswiderstand zu verringern. Die Presskräfte sind geringer als beim Kaltfließpressen, was weniger Werkzeugverschleiß und niedrigere Anlagenkosten bedeutet. Der Temperaturbereich ist jedoch eng und empfindlich. Ist es zu heiß, beginnt das Metall ungleichmäßig zu rekristallisieren. Ist es zu kalt, herrschen wieder die gleichen Kräfte wie beim Kaltfließpressen. Warmfließpressen eignet sich für leichte Bohrerkörper mit einfachen Formen, kann aber nicht die tiefen, komplexen Hohlräume erzeugen, die ein moderner Knopfbohrer für eine ordnungsgemäße Spülung und den Abtransport des Bohrkleins benötigt.

Warmgesenkschmieden.Aus gutem Grund hat sich die Branche für dieses Verfahren entschieden. Der Stahlblock wird auf 1100–1250 °C erhitzt – weit über der Rekristallisationstemperatur – und unter kontrolliertem Druck in eine Präzisionsform gepresst. Das Metall fließt wie warmer Ton in jede Vertiefung der Formkavität, und nach dem Abkühlen weist es eine Kornstruktur, Dichte und innere Festigkeit auf, die durch spanende Bearbeitung oder Kaltumformung nicht erreicht werden können. Das Warmschmieden macht weltweit über 80 % der Produktion von Druckbohrkronen aus, und diese Vormachtstellung im Bereich des Schlagbohrens ist wohlverdient.

Was passiert im Inneren des Stahls bei 1200°C?

Die Transformation, die einen warmgeschmiedeten Bohrmeißelkörper einem maschinell bearbeiteten oder kaltgepressten überlegen macht, findet auf mikrostruktureller Ebene statt und ist von Bedeutung, da sie direkt darüber entscheidet, wie lange der Bohrmeißel unter Tage überlebt.

Wenn der Rohling bei 1200°C in die Schmiedepresse eintritt, geschehen drei Dinge gleichzeitig, die durch maschinelle Bearbeitung und Kaltumformung nicht nachgebildet werden können.

Erste,Innere Defekte werden zugeschweißt.Jeder Stahlblock weist mikroskopische Porosität auf – winzige Hohlräume, die vom Gießprozess übrig geblieben sind – sowie nichtmetallische Einschlüsse wie Oxid- oder Sulfidpartikel. Unter dem Druck der Schmiedepresse bei der jeweiligen Temperatur kollabieren diese Hohlräume und verschweißen sich. Die Einschlüsse werden abgeflacht und verteilt, anstatt als spannungskonzentrierende Partikel bestehen zu bleiben. Die resultierende Materialdichte ist messbar höher, und – noch wichtiger – es gibt weniger eingebaute Rissbildungsstellen, die unter zyklischer Stoßbelastung zu Brüchen führen könnten.

Zweite,Die Kornstruktur wird von Grund auf neu aufgebaut.Die grobe, unregelmäßige Kornstruktur des gewalzten oder gegossenen Rohlings wird durch die Kombination von Hitze und Verformung vollständig aufgebrochen. Beim Einfließen des Metalls in die Formkavität werden die alten Körner zerkleinert und zu feinen, gleichmäßigen, gleichachsigen Körnern umgeformt – die in allen Dimensionen annähernd gleich groß sind. Dadurch erhält der Stahl eine ausgewogene Härte und Zähigkeit, die durch Wärmebehandlung allein nicht zu erreichen ist. Ein fachgerecht warmgeschmiedeter Kolbenbolzenkörper erreicht eine Härte von HRC 35–45 und eine so hohe Schlagzähigkeit, dass er Tausende von Kolbenschlägen ohne Rissbildung übersteht.

Dies löst ein grundlegendes Materialproblem, das die Fertigung früherer Bauteile erschwerte: den Zielkonflikt zwischen hart, aber spröde, zäh, aber weich. Wärmebehandelter, bearbeiteter Stahl kann zwar hart gemacht werden, wird dann aber spröde und neigt unter Belastung zum Brechen. Oder er kann zäh gemacht werden, ist dann aber zu weich – er verschleißt schnell und verformt sich unter Last. Durch das Warmschmieden, bei dem die Kornstruktur gleichzeitig mit der Formgebung verfeinert wird, wird dieser Zielkonflikt aufgehoben. Man erhält Härte und Zähigkeit im selben Werkstoff.

Dritte,Die Metallkornströmung folgt dem Lastpfad.Bei einem bearbeiteten Bauteil verlaufen die ursprünglichen Faserrichtungen des Walzmaterials geradlinig durch das Bauteil und enden dort, wo eine bearbeitete Oberfläche sie durchschneidet. Diese Enden stellen Schwachstellen dar. Bei einem warmgeschmiedeten Bauteil richten sich die Metallkörner während der Umformung entlang der Fließrichtung aus, und das Werkzeug ist so konstruiert, dass diese Fließrichtung den Hauptlastpfaden im Betrieb folgt. Bei einem Kugelbohrer bedeutet dies, dass die Faserrichtung die inneren Spülkammern umschließt, kontinuierlich entlang des Bohrerschafts verläuft und sich an der Schulter konzentriert, wo die Stoßbelastungen vom Schaft auf die Schneidfläche übergehen. Die innere Struktur des Metalls ist auf die auftretenden Kräfte ausgerichtet, und diese Ausrichtung verlängert die Dauerfestigkeit erheblich – um 30 % oder mehr im Vergleich zu einem bearbeiteten Bohrerkörper aus demselben Material in derselben Anwendung.

Was Warmumformung an der Bohrfläche bedeutet

Für den Bohrmeister schlägt sich all diese Metallurgie in praktischen Ergebnissen nieder, die sich Schicht für Schicht zeigen.

Der Meißelkörper reißt nicht an der Schulter. Die häufigste katastrophale Versagensursache bei bearbeiteten Meißelkörpern ist ein umlaufender Riss am Übergang von Schaft zu Stirnfläche, wo die Stoßbelastung durch den Kolben konzentriert ist. Warmgeschmiedete Körper sind dem entgegenwirkend, da die Faserrichtung in diesem Bereich durchgehend ist.

Der Bohrer behält seinen Durchmesser länger. Ein geschmiedeter Körper weist eine gleichmäßige Härte und Verschleißfestigkeit auf, ohne die weichen Stellen, die sich bei bearbeiteten oder ungleichmäßig wärmebehandelten Körpern bilden können. Die Messreihe verschleißt gleichmäßig, und der Bohrer liefert vom ersten bis zum letzten Meter einen gleichbleibenden Lochdurchmesser.

Die Einsätze bleiben an ihrem Platz. Verformt sich ein Werkstück unter Belastung mikroskopisch – und jedes Werkstück verformt sich in gewissem Maße –, kann sich die Presspassung, die die Hartmetallknöpfe in ihren Aufnahmen hält, lockern. Ein geschmiedetes Werkstück mit höherer Zähigkeit und besserer Dauerfestigkeit behält seine Aufnahmeabmessungen über mehr Zyklen bei, wodurch die Einsätze fest sitzen und der Einsatzverlust verhindert wird, der einen verschlissenen Bohrer unbrauchbar macht.

Worauf Sie beim Kauf achten sollten

Nicht jedes Teil mit der Bezeichnung „"forged"“ im Datenblatt ist gleichwertig. Zwei Dinge unterscheiden hochwertige Schmiedearbeit von Massenproduktion:

Temperaturregelung.Das Schmiedetemperaturfenster für die meisten in Bohrkopfkörpern verwendeten legierten Stähle – typischerweise Nickel-Chrom-Molybdän-Sorten wie 42CrMo oder ähnliche – ist eng. Ist die Temperatur zu hoch, beschleunigt sich das Kornwachstum, was zu groben Körnern und damit zu einer geringeren Zähigkeit führt. Ist sie zu niedrig, fließt das Metall nicht richtig in die Matrize, wodurch ungefüllte Bereiche oder innere Spannungskonzentrationen an scharfen Kanten entstehen. Ein qualitativ hochwertiger Schmiedebetrieb überwacht die Rohlingtemperatur kontinuierlich und sortiert alle Rohlinge außerhalb des vorgegebenen Bereichs aus.

Zustand und Kühlung der Matrize.Schmiedewerkzeuge laufen im Dauerbetrieb bei 200–300 °C, die durch aktive Wasserkühlung im Werkzeughalter konstant gehalten werden. Steigt die Werkzeugtemperatur über diesen Bereich, erweicht der Werkzeugstahl und die Maßgenauigkeit verschlechtert sich. Fällt sie darunter, kann der Thermoschock des einlaufenden heißen Rohlings die Werkzeugoberfläche beschädigen. Eine konstante Werkzeugtemperatur gewährleistet gleichmäßige Werkzeugabmessungen, und gleichmäßige Abmessungen bedeuten, dass jedes Werkzeug die gleiche Leistung erbringt wie das vorherige.