Was steckt in einem hochwertigen Bohrer: Die Metallurgie hinter der Meterzahl
Ein Bohrer sieht von außen betrachtet einfach aus: ein Stahlkörper, ein paar eingepresste Hartmetalleinsätze und ein Gewinde- oder Kegelanschluss. Doch der Unterschied zwischen einem Bohrer, der 300 Meter bohrt, und einem, der nach 80 Metern versagt, ist fast unsichtbar – er liegt in der Stahlzusammensetzung, der Wärmebehandlung und der Art der Befestigung der Einsätze im Körper.
Hier erfahren Sie, was sich tatsächlich im Inneren eines hochwertigen Bohrers befindet und wie Sie dieses Wissen beim Kauf nutzen können.
Die härtesten Arbeitsbedingungen im Ingenieurwesen
Um die Leistung des Bohrers besser zu verstehen: Er erzeugt 2.000 bis 3.000 Schläge pro Minute. Jeder Schlag hat eine Energie von 25 bis 500 Joule – im Extremfall entspricht das in etwa der Mündungsenergie eines Jagdgewehrs, die tausendfach pro Minute abgegeben wird. Gleichzeitig wird der Bohrer von Hochdruckwasser oder -luft mit abrasiven Gesteinspartikeln umspült. Er ist Zug-, Druck-, Biege- und Torsionskräften gleichzeitig ausgesetzt.
Die daraus resultierende Versagensart – Spannungsrisskorrosion – ist der Grund, warum die Standzeit eines Bohrers in Minuten bis Stunden tatsächlicher Kontaktzeit mit dem Gestein gemessen wird. Kein anderes in Serie gefertigtes Stahlbauteil ist dieser Kombination aus zyklischer Belastung, Abrieb und Korrosion ausgesetzt. Ein Bohrer ist wohl das am stärksten beanspruchte Werkzeug in der Industrie.
Deshalb ist Qualität wichtiger als der Preis. Ein Bohrer aus dem falschen Stahl oder mit falsch befestigten Einsätzen bohrt nicht nur weniger – er versagt auf eine Weise, die mehr kostet als der Bohrer selbst.
Klingenbohrer vs. Knopfbohrer: Warum Knopfbohrer gewonnen haben
Jahrzehntelang war in China der Flachbohrer – ein Meißel-, Kreuz- oder X-Bohrer mit aufgelöteten Hartmetallklingen – der dominierende Bohrer. Allein die Flachbohrer machten über 80 % der Produktion aus. Sie sind einfach, preiswert und eignen sich gut für kleine, flache Bohrungen.
Schneidklingen haben jedoch ihre Grenzen. Die Hartmetallklinge wird auf Zug beansprucht – die Aufprallkraft reißt die Klinge entlang ihres Querschnitts auseinander. Zugbelastung ist die ungünstigste Belastungsart für Hartmetall. Auch die Geometrie der Klinge begrenzt den Durchmesser: Meißelklingen erreichen maximal etwa 45 mm, Kreuzschlitzklingen etwa 64 mm und X-Schneidklingen etwa 89 mm. Jenseits dieser Durchmesser hält die Klinge der Belastung nicht stand und bricht frühzeitig.
Knopfmeißel haben die Spielregeln verändert. Anstelle einer oder zweier Klingen trägt die Stirnfläche mehrere einzelne Hartmetallknöpfe. Jeder Knopf wird primär unter Druckbelastung beansprucht – der Aufprall presst den Knopf in das Gestein und gegen den Meißelkörper. Druck ist die Stärke von Hartmetall. Die Knöpfe können frei über die Stirnfläche verteilt werden, sodass es keine Durchmesserbegrenzung und keine Bereiche gibt, in denen das Gestein nicht gebrochen wird. Mehrpunktzerkleinerung ist effizienter als das Abschaben mit einer einzelnen Klinge.
Das praktische Ergebnis: Knopfbohrer bohren schneller, haben eine längere Standzeit zwischen den Nachschliffen und eignen sich für größere Bohrlochdurchmesser. Sie haben Flachbohrer beim modernen Bohren weitgehend ersetzt, insbesondere bei mechanisierten Anwendungen und Tiefbohrungen, wo der Bohrerwechsel kostspielig ist.
Der Zusammenhang: Konisch vs. Gewinde
Knopfbohrer gibt es in zwei Verbindungsarten. Kegelbohrer werden durch Reibung auf Kegelstangen gesteckt – einfach, günstig und gut geeignet für handgeführte Bohrungen und flache Löcher. Gewindebohrer werden auf Gewindestangen geschraubt – aufwendiger in der Herstellung, aber notwendig für hydraulische Bohranlagen, wo die höhere Schlagenergie und das höhere Drehmoment eine feste Verbindung erfordern.
Gewindebohrkronen für hydraulische Großbohranlagen stellen das Premiumsegment des Marktes dar. Die Fertigungstoleranzen sind streng, und ein Ausfall hat gravierende Folgen: Versagt eine Bohrkrone mitten im Bohrloch einer Großbohranlage, kostet sie den Bohrkronenverlust, die Ausfallzeit und möglicherweise ein festsitzendes Bohrgestänge. In diesem Segment dominieren seit jeher importierte Bohrkronen von Sandvik und Atlas Copco, und hier ist die Kluft zwischen guter und durchschnittlicher Fertigung am größten.
Drei Möglichkeiten, einen Einsatz zu reparieren
Die Art und Weise, wie die Hartmetallknöpfe im Bohrkörper befestigt sind, bestimmt, wie der Bohrer versagt – und wie lange es dauert, bis es dazu kommt. Es gibt drei Methoden:
Hartlöten (Schweißen).Die älteste Methode: Loch bohren, Knopf einsetzen und mit Kupfer- oder Silberlot verlöten. Simpel, günstig und unempfindlich gegenüber Maßtoleranzen. Die Lötverbindung ist jedoch eine Schwachstelle. Sie kann unter wiederholter Belastung brechen. Das Lot kann ungleichmäßig fließen und Hohlräume hinterlassen. Gelötete Bohrer haben eine kürzere Lebensdauer und einen höheren Materialverlust. Diese Methode findet sich heute hauptsächlich noch bei kleinen, günstigen, konischen Bohrern und wird zunehmend verworfen.
Kaltpressen (Presspassung).Der Einsatzknopf ist etwas größer als die Bohrung, in die er eingesetzt wird. Eine Hydraulikpresse presst ihn hinein, und die elastische Verformung des Stahlkörpers fixiert den Knopf. Dies ist die gängigste Methode, da sie schnell und wiederholbar ist. Allerdings kann der Einpressvorgang selbst entweder den Einsatzknopf oder die Bohrungswand beschädigen – es entstehen Mikrorisse, die später zu Ausfällen führen können. Kaltgepresste Einsätze eignen sich für den normalen Gebrauch, neigen aber im Laufe der Zeit, insbesondere bei starker Belastung, zum Verlust der Einsätze.
Heißpressen (thermisch schrumpfen).Die beste Methode, die auch führende Hersteller für Premium-Bits verwenden: Der Stahlkörper wird erhitzt, wodurch sich die Einpresslöcher erweitern. Die Knöpfe lassen sich mit minimalem Kraftaufwand einsetzen. Beim Abkühlen und Zusammenziehen des Körpers werden die Knöpfe gleichmäßig fixiert. Da Knöpfe und Körper beim Einpressen nahezu keiner mechanischen Belastung ausgesetzt sind, entstehen keine Beschädigungen. Der Halt ist gleichmäßiger und zuverlässiger als beim Kaltpressen. Deshalb halten heißgepresste Bits ihre Einsätze länger, insbesondere im fortgeschrittenen Stadium, in dem kaltgepresste Bits anfangen, Knöpfe zu verlieren.
Wenn Sie hochwertige Gewindeschneidplatten kaufen, fragen Sie nach der Befestigungsmethode der Einsätze. „Heißgepresst“ ist eine tatsächliche Herstellerangabe mit realen Auswirkungen auf die Leistung, keine Marketingfloskel.
Der Stahl, der alles zusammenhält
Der Stahl des Bohrkörpers muss drei widersprüchliche Anforderungen erfüllen: Er muss hart genug sein, um abrasivem Verschleiß zu widerstehen, zäh genug, um bei Stößen nicht zu brechen, und die Einsätze über die gesamte Lebensdauer des Bohrers fest fixieren. Das ist eine anspruchsvolle Spezifikation.
Für heißgepresste Bohrer muss der Körperstahl folgende Eigenschaften aufweisen: eine Härte von 40-50 HRC nach der Wärmebehandlung, hohe Dauerfestigkeit, hohe Verschleißfestigkeit, gute thermische Stabilität (damit er sich in der Hitze des Bohrens nicht erweicht) und einen kontrollierten Wärmeausdehnungskoeffizienten (damit die Heißpressung zuverlässig funktioniert).
Die dafür notwendige Legierungsrezeptur ist ein sorgfältig abgestimmter, mittelkohlenstoffhaltiger Stahl:
Kohlenstoff (0,42–0,48 %):Verleiht Festigkeit und Härte. Zu wenig macht den Körper weich. Zu viel macht ihn widerstandsfähig gegen Stöße.
Silizium (0,15-0,30 %):Verstärkt den Stahl durch Mischkristallbildung und verbessert die Zähigkeit.
Mangan (0,60-0,90%):verbessert die Härtbarkeit und verfeinert die Kornstruktur.
Molybdän (0,90-1,10%):verhindert Anlassversprödung und verbessert die Festigkeit bei hohen Temperaturen – entscheidend, da der Bohrkörper im Betrieb heiß wird.
Chrom (0,90-1,20 %):verbessert die Härtbarkeit und Korrosionsbeständigkeit, was wichtig ist, da der Bohrer in Wasser und abrasivem Schlamm läuft.
Nickel (0,40-0,70%):Verbessert die Zähigkeit, ist aber teuer, weshalb es auf das minimal wirksame Maß beschränkt wird.
Ein aus dieser Legierung gefertigter und fachgerecht wärmebehandelter Bohrerkörper hält seine Einsätze sicher, ist verschleißfest und stoßfest. Ein Bohrerkörper aus der billigsten Legierung kann all dies nicht zuverlässig leisten.
Was das für Sie beim Kauf bedeutet
Wenn Sie das nächste Mal zwei Bohrer vergleichen, die auf dem Datenblatt identisch aussehen, denken Sie an das, was Sie nicht sehen können: die Stahlzusammensetzung, die Wärmebehandlung, die Befestigungsmethode der Wendeschneidplatte. Hier liegen die Preis- und Längenunterschiede.
Ein billiger Bohrer ist nicht billig, wenn er nach 60 Metern die Einsätze verliert. Ein hochwertiger Bohrer ist nicht teuer, wenn er 400 Meter bohrt und dann durch normalen Verschleiß ausfällt. Die Materialqualität bestimmt die Bohrleistung. Wenn Sie die inneren Werte verstehen, wissen Sie auch, wofür Sie eigentlich bezahlen.
