Wenn Hartgestein zuerst Ihren Hartmetallbohrer bricht: Überlegungen zum Design kleiner Bohrer

In extrem hartem, zähem Gestein kann ein Bohrmeißel versagen, noch bevor die Bohrmannschaft richtig im Bohrloch angekommen ist.

Die ersten Stöße treffen ein. Ein Hartmetalleinsatz wird von einer punktuellen Last getroffen. Ein kleiner Riss bildet sich. Dann bricht eine Ecke ab, ein Einsatz splittert ab oder der Bohrer verliert seine Schneide lange vor dem Zeitpunkt, an dem normaler Verschleiß ihn hätte auswechseln sollen.

Dies ist nicht immer ein Problem der Materialqualität.

Es könnte sich um ein Geometrieproblem handeln.

Bei kleinen und mittelgroßen Gesteinsbohrkronen, die in extrem harten und abrasiven Gesteinsformationen eingesetzt werden, liegt es nahe, mehr Hartmetalleinsätze zu verwenden oder die Schlagkraft jedes einzelnen Einsatzes zu reduzieren. Das kann unter bestimmten Bedingungen funktionieren. In sehr hartem Gestein kann es jedoch vorkommen, dass ein kleiner Hartmetalleinsatz nicht über den erforderlichen Querschnitt und das nötige Volumen verfügt, um wiederholten, konzentrierten Schlägen standzuhalten.

In solchen Fällen lautet die Frage nicht: „Wie können wir die Last auf mehr Einsätze verteilen?“, sondern eher: „Wie kann jeder Einsatz mehr Last tragen, ohne zu brechen?“

Das ist die Idee hinter der Belastbarkeit eines einzelnen Einsatzes.

Warum extrem hartes Gestein frühzeitig bricht

Hartes Gestein ist nicht immer dasselbe wie zähes Gestein.

Stark abrasive Gesteine ​​führen zu schnellem Hartmetallverschleiß. Zähe Gesteine ​​hingegen widerstehen Brüchen und können hohe Stoßbelastungen auf den Bohrmeißel zurückführen. Treten beide Bedingungen gleichzeitig auf, steht der Bohrmeißel vor einer schwierigen Herausforderung: Das Hartmetall muss dem Absplittern unter Stoßbelastung widerstehen und gleichzeitig Härte und Verschleißfestigkeit beibehalten.

Zu Beginn jedes Aufpralls berührt der Bohrmeißel den Bohrlochgrund nicht perfekt gleichmäßig. Der erste Kontakt erfolgt möglicherweise nur an einem Teil der Schneidfläche. Die entstehende Spannungswelle breitet sich dann durch das Werkzeug aus und zerkleinert das Gestein unterhalb des Einsatzes oder der Schneide. In sehr hartem Gestein kann die Kontaktspannung rasch ansteigen, bevor sich die Last gleichmäßig verteilt.

Deshalb kommt es bei ungeeigneten Bohrmeißelkonstruktionen häufig zu frühzeitigem Bruch der Einsätze. Das Gestein gibt nicht ausreichend nach, um die maximale Belastung des ersten Einsatzes beim Kontakt zu reduzieren.

Ein Bohrer kann bereits nach kurzer Strecke abgebrochene Hartmetallteile aufweisen, selbst wenn Bohrgerät, Luftdruck und Bedienungspraxis ansonsten angemessen sind.

Das Prinzip der Einzelladung

Hartmetall ist hart und verschleißfest, aber dennoch ein spröder Werkstoff. Seine Beständigkeit gegen Schlagbeanspruchung hängt teils von seinen Materialeigenschaften, teils von der Geometrie des jeweiligen Einsatzes ab.

Ein größerer Hartmetalleinsatz weist im Allgemeinen einen größeren tragenden Querschnitt und ein größeres Volumen auf, um punktuellen Stößen besser standzuhalten. Vereinfacht ausgedrückt: Ein dickerer oder größerer Einsatz kann oft eine höhere Stoßbelastung absorbieren, bevor er bricht.

Das heißt nicht, dass „größer immer besser“ ist. Ein überdimensionierter Einsatz kann andere Kompromisse im Design nach sich ziehen. Wenn jedoch frühes Ausbrechen die vorherrschende Ausfallursache ist, kann die Vergrößerung der effektiven Größe jedes tragenden Hartmetallelements sinnvoller sein als die bloße Erhöhung der Anzahl kleiner Elemente.

Das gleiche Prinzip gilt für Meißel- und Kreuzmeißel. In extrem hartem Gestein kann eine dickere Hartmetallklinge oder eine stärkere Schneide besser halten als eine dünne Schneide, die für weicheres Gestein konzipiert ist.

Das Konstruktionsziel besteht darin, jedem kritischen Bauteil genügend Tragfähigkeit für die tatsächlich auftretende Last zu verleihen.

Warum mehr Knöpfe manchmal alles nur noch schlimmer machen können

Moderne Knopfbohrer verwenden oft mehrere Hartmetallknöpfe, um die Last zu verteilen und die Schneidleistung zu verbessern. In vielen Bohrsituationen funktioniert dies hervorragend.

Aber jedes einzelne Stück hat eine begrenzte Gesichtsfläche.

Werden zusätzliche Druckpunkte hinzugefügt, ohne die Gesamtform der Schlagfläche zu verändern, verteilt sich die verfügbare Aufprallenergie auf mehr Kontaktpunkte. Die einzelnen Druckpunkte können kleiner oder enger beieinander liegen. Der Spülraum kann sich verringern. Das Zerkleinerungsmuster kann sich verändern.

In extrem hartem und zähem Untergrund kann ein kleiner Knopf beim ersten Kontakt dennoch einer starken lokalen Belastung ausgesetzt sein. Ist sein Querschnitt zu klein, kann er absplittern, bevor sich die Belastung über die Oberfläche verteilen kann.

Aus diesem Grund gibt es keinen einzigen Bohrstil, der für jede Felsformation optimal ist.

Ein Knopfbohrer mit mehreren Einsätzen kann in einer Anwendung eine gute Wahl sein. Ein Meißel-, Kreuz-, Dreiflügel- oder Hochleistungs-Mischbohrer kann in einer anderen Anwendung widerstandsfähiger sein. Die richtige Lösung hängt von der Gesteinsfestigkeit, -zähigkeit und -abrasivität, der Bohrenergie, dem Bohrlochdurchmesser, den Spülbedingungen und dem im Feld beobachteten Bruchmuster ab.

Stärken Sie sowohl den Körper als auch das Karbid.

Hartmetalleinsätze funktionieren nicht allein. Der Stahlkörper muss sie stützen.

Beim Hartgesteinsbohren müssen die Stahlflügel oder -körper um die Wendeschneidplatten herum ausreichend dick und fest sein, um das Hartmetall sicher zu halten. Wenn sich der Körper zu stark durchbiegt, Risse in der Nähe des Wendeschneidplattensitzes entstehen oder der Halt durch Verschleiß nachlässt, kann selbst hochwertiges Hartmetall vorzeitig versagen.

Eine robuste Bohrerkonstruktion kann daher Folgendes umfassen:

• Größere oder dickere Hartmetalleinsätze

• Verstärkte Stahlflügel um die Schneidekante

• Robustere Sitzflächengeometrie

• Kontrollierte Kantenfasen zur Reduzierung von Eckenausbrüchen

• Ein Gesichtsprofil, das die exzentrische Wirkung reduziert

• Wärmebehandlung, die auf das erforderliche Gleichgewicht von Festigkeit und Zähigkeit abgestimmt ist

Der Stahlkörper muss ausreichend stabil sein, um den Einsatz zu halten, aber nicht so spröde, dass er bei wiederholter Belastung bricht. Dieses Gleichgewicht ist einer der wichtigsten Aspekte bei der Bohrerherstellung.

Das Spülen bleibt wichtig, aber Prioritäten können sich ändern

Eine effiziente Bohrgutabfuhr ist in der Regel unerlässlich für produktives Bohren. Unzureichende Spülung führt zu erneuter Zerkleinerung, Hitzeentwicklung und vermeidbarem Verschleiß.

Extrem harte Gesteinsformationen können jedoch die Prioritäten bei der Konstruktion verändern.

Wenn das Gestein relativ feine Bohrspäne erzeugt und die Bohrgeschwindigkeit naturgemäß geringer ist, kann die Spülung weniger limitierend sein als die Standzeit des Bohrers. In diesem Fall kann es sinnvoll sein, mehr Fläche an der Bohrkopffläche und Materialstärke für die Abstützung des Bohrers zu verwenden, anstatt jeden möglichen Spülkanal maximal auszunutzen.

Das ist eine Abwägungssache, keine allgemeingültige Regel.

Der Bohrer benötigt weiterhin ausreichend Spülung. Wenn jedoch frühzeitiges Ausbrechen der Schneidplatte die Bohrer zerstört, bevor der Verschleiß zum limitierenden Faktor wird, kann eine robustere Geometrie eine bessere Leistung erbringen als eine Stirnfläche, die primär auf maximalen Spanabfluss ausgelegt ist.

Die richtige Konstruktion ergibt sich aus der Identifizierung des eigentlichen Grundes für das Versagen des aktuellen Bits.

Bei der Materialauswahl ist Ausgewogenheit gefragt, nicht Extreme.

Bei Hartmetalleinsätzen in hartem, abrasivem Gestein können die gewünschten Eigenschaften miteinander konkurrieren.

Höhere Zähigkeit verringert die Bruch- und Absplitterungsfestigkeit. Höhere Härte verbessert die Verschleißfestigkeit. Eine Erhöhung des Bindemittelanteils in einer Hartmetallsorte kann die Zähigkeit verbessern, jedoch die Härte verringern und den Verschleiß der Wendeschneidplatte in stark abrasivem Untergrund beschleunigen.

Deshalb sollte die Auswahl des Hartmetalls nicht allein auf einer einzigen Kennzahl basieren.

Eine geeignete Sorte für extrem hartes Gestein erfordert ein ausgewogenes Verhältnis von Härte, Biegefestigkeit, Zähigkeit, Dichte und Mikrostruktur. Auch die Geometrie des Einsatzes, die Befestigungsmethode und die Betriebsparameter beeinflussen das Ergebnis.

Fortschrittliche Fertigungsprozesse können die Konsistenz weiter verbessern, aber die Leistung im Feld hängt immer noch davon ab, dass das gesamte Meißeldesign auf die Formation abgestimmt ist.

Achten Sie auf die Fehlerursache, nicht nur auf die Messwerte.

Bei der Bewertung eines Gesteinsbohrers sollten Sie nicht nur die insgesamt gebohrten Meter erfassen.

Prüfen Sie, warum das Bauteil außer Betrieb genommen wurde.

Wurde der Bohrer aufgrund von normalem Verschleiß des Messdurchmessers ausgemustert? Sind die Hartmetallknöpfe abgeplatzt? Ist eine Schneide gebrochen? Ist der Stahlkörper gerissen? Sind die Gewinde beschädigt worden? Wurde der Bohrer zu heiß, weil die Späne nicht abgeführt wurden?

Anhand dieser Details erkennen Sie, was als Nächstes geändert werden muss.

Bei normalem Verschleiß kann eine härtere oder abriebfestere Ausführung Abhilfe schaffen. Bei vorzeitigem Hartmetallbruch könnten stärkere Einzeleinsätze, eine verbesserte Stützgeometrie, eine präzisere Ausrichtung oder eine andere Schneidkantenform die Lösung sein.

Ein Bohrer, der seine normale Verschleißgrenze erreicht, erfüllt in der Regel seinen Zweck. Ein Bohrer, der frühzeitig absplittert oder bricht, deutet darauf hin, dass der Lastpfad überprüft werden muss.

Das richtige Teil ist dasjenige, das normalerweise versagt.

In extrem hartem Gestein gibt es möglicherweise keinen perfekten Bohrer. Jede Konstruktion stellt einen Kompromiss zwischen Bohrgeschwindigkeit, Standzeit des Bohrkopfes, Spülwirkung, Härte des Einsatzes und Kosten dar.

Das Ziel ist jedoch klar: Der Bohrer darf nicht plötzlich versagen, weil seine Hartmetalleinsätze die Belastung nicht bewältigen können.

Ein guter Hartgesteinsbohrer zeichnet sich durch vorhersehbaren Verschleiß, ein stabiles Bohrloch und ein planmäßiges Wartungsintervall ohne vorzeitigen Ausfall des Einsatzes aus. Darin liegt sein eigentlicher Wert.