Aufkohlen und Oberflächenhärten von Bohrstangen für Gesteinsbohranlagen: Verfahren, Leistung und Ionenleitfaden

Bohrstangen für Gesteinsbohranlagen werden hauptsächlich anhand ihrer Oberflächenverfestigungsverfahren in zwei Typen eingeteilt: Aufkohlen und Oberflächenhärten. Diese beiden Verfahren unterscheiden sich erheblich in ihren Prozessmethoden und Leistungsmerkmalen.

I. Unterschiede in den Wärmebehandlungsprozessen

• Aufkohlen: Dieser Prozess wird typischerweise in einem Tiefofen unter kohlenstoffreicher Atmosphäre durchgeführt. Die Bohrstange wird bestimmten Temperatur- und Dauerparametern ausgesetzt, wodurch ihre Oberfläche – einschließlich des äußeren Stangenkörpers und der Innenwände der Wasserlöcher – Kohlenstoffatome absorbiert und eine hochharte, verschleißfeste Karbidschicht bildet. Anschließend erfolgt ein luftgekühltes Abschrecken und Anlassen. Die resultierende Bohrstange erreicht eine Oberflächenhärte von HRC 58–60, während der Kern eine relativ geringere Härte (ca. HRC 43) behält. Dadurch wird eine außergewöhnliche Oberflächenverschleißfestigkeit mit hoher Kernzähigkeit in Einklang gebracht.

Oberflächenhärtung: Bei dieser Methode wird hauptsächlich Hochfrequenz-Induktionserwärmung eingesetzt, um die Oberfläche der Bohrstange schnell und lokal zu erhitzen. Anschließend erfolgt das Abschrecken und Anlassen. Ziel ist es, direkt auf der Oberfläche eine gehärtete Schicht zu erzeugen, die der beim Aufkohlen ähnelt und HRC 58-60 erreicht. Insbesondere die Gewindeverbindungsbereiche, die anfällig für Spannungskonzentrationen sind und eine erhöhte Festigkeit erfordern, werden häufig zusätzlichen speziellen Wärmebehandlungen unterzogen – wie z. B. sekundärem Hochfrequenz-Abschrecken oder Induktionsanlassen – um die Leistung in diesen kritischen Bereichen zu optimieren.

II. Unterschiede in den Leistungsmerkmalen

• Zähigkeit: Oberflächengehärtete Bohrstangen gelten im Allgemeinen als zäher als aufgekohlte. Dieser Vorteil ergibt sich daraus, dass das Kernmaterial nicht aufgekohlt wird und dadurch eine höhere Plastizität erhält.

• Dauerfestigkeit und Verschleißfestigkeit: Oberflächengehärtete Bohrstangen haben jedoch typischerweise eine kürzere Dauerfestigkeit als aufgekohlte Ausführungen. Aufkohlte Bohrstangen hingegen profitieren von einer starken Haftung zwischen der aufgekohlten Schicht und dem Grundmaterial sowie einer tieferen Härtungsschicht, was zu einer besseren Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit führt. Allerdings erfordern der Aufkohlungsprozess – insbesondere die Kontrolle der Schichttiefe und des Kohlenstoffgehalts – und das damit verbundene Abschrecken mit Luftkühlung eine präzise Parametersteuerung, da Abweichungen die Qualität des Endprodukts beeinträchtigen können.

III. Anwendbare Szenarien

• Dank ihrer erhöhten Zähigkeit eignen sich oberflächengehärtete Bohrstangen besser zum Bohren in geschichteten Gesteinsformationen oder Bereichen mit ausgedehnten Brüchen. In diesen stoßbelasteten, instabilen Gesteinsumgebungen hilft die überlegene Zähigkeit, Stoßbelastungen standzuhalten und das Risiko von Sprödbrüchen zu minimieren.

• Aufgekohlte Bohrstangen mit ihrer hervorragenden Verschleißfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit eignen sich hervorragend für Tieflochbohrungen (z. B. in Tiefen über 20 Metern). In Kombination mit aufgekohlten MF-Stangen (Hohlstahl) und hochgeführten Knopfbohrern, die ein einfaches Zurückziehen ermöglichen, minimieren sie effektiv die Bohrlochabweichung, verlängern die Gesamtlebensdauer der Bohreinheit und senken die Betriebskosten für Tieflocharbeiten.