Häufige Ausfallarten von PDC-Bohrmeißeln und deren Ursachenanalyse
Ein PDC-Bohrmeißel (polykristalliner Diamantkompaktbohrmeißel) für den Bergbau besteht aus dem Meißelkörper, den PDC-Schneidmessern und dem Hartmetall-Schutzring. Sowohl die PDC-Schneidmesser als auch der Hartmetall-Schutzring sind mit dem Meißelkörper verlötet. Beim Bohren werden Drehmoment und Anpresskraft vom Bohrgerät über das Bohrgestänge auf den Meißel übertragen. Die PDC-Schneidmesser zerkleinern das Gestein, während der Hartmetall-Schutzring den Meißelkörper umlaufend schützt und so den Verschleiß verringert. Da der Spannungszustand an der Meißelfläche sehr komplex ist, können zahlreiche Faktoren – Formationsbedingungen, Bohrverfahren, Geräteauswahl, Bedienererfahrung und Qualitätskontrolle des Meißels selbst – die Leistung beeinflussen und verschiedene Ausfallarten hervorrufen. Basierend auf Felduntersuchungen und systematischen Analysen ausgefallener Meißel werden im Folgenden die wichtigsten Ausfallarten und ihre Ursachen zusammengefasst.
I. Versagen der PDC-Schneidwerkzeuge Die PDC-Schneidwerkzeuge sind die zentralen Gesteinsfragmentierungselemente des Meißels und können auf verschiedene Weise versagen:
Normaler Verschleiß ist der zu erwartende Materialverlust bei längerem Gesteinsschneiden. Er äußert sich als allmählicher, abrasiver Verschleiß der Diamantplatte und des Hartmetallsubstrats. Die verschlissene Oberfläche ist glatt, ohne erkennbare Risse oder Abplatzungen, und gilt als akzeptabler Verschleiß am Ende der Lebensdauer.
Schneidwerkzeugverlust (vollständige Ablösung) Unter Schneidwerkzeugverlust versteht man, dass sich ein Schneidwerkzeug vollständig vom Bohrkörper löst, die Löttasche leer lässt und zum Bohrerversagen führt.
Hauptursachen
Thermische Schäden an der Bohrkopffläche (Verbrennung): Trockenbohren oder verstopfte Kühlwasserkanäle am Bohrkopf verhindern eine ausreichende Kühlung beim Hochgeschwindigkeitsschneiden und führen zu einem raschen Temperaturanstieg an der Bohrkopffläche. Überschreitet die Temperatur die Schmelz- oder Zersetzungsgrenze des Lötmaterials, versagt die Lötverbindung und der Bohrer fällt heraus.
Unzureichende Kontrolle des Lötprozesses: Schlechte Vorreinigung, kalte oder poröse Lötverbindungen, unsachgemäße Entgasung oder unzureichende Wärmebehandlung/Einweichzeit nach dem Löten können die Festigkeit der Verbindung verringern und zum Ablösen des Schneidwerkzeugs führen.
Gegenmaßnahmen
Auf der Produktionsseite: Strenge Prozesskontrolle beim Hartlöten durchsetzen – für saubere Oberflächen, ordnungsgemäße Lötkehlen und eine gleichmäßige Wärmebehandlung nach dem Hartlöten sorgen, um robuste Verbindungen herzustellen.
Feldseitig: Nassbohren mit sauberem Wasser anwenden und Trockenbohren vermeiden; vor dem Bohren langer Löcher oder dem Hinzufügen von Bohrgestänge den Rückfluss am Bohrlochkopf überprüfen und sicherstellen, dass die Wasserdurchgänge am Bohrmeißel frei sind, um Kühlverluste zu vermeiden.
Absplitterung / Bruch des Diamanttisches Absplitterung ist ein häufig auftretender Ausfall, bei dem der Diamanttisch abblättert oder bricht; in schweren Fällen brechen Diamanttisch und Hartmetallsubstrat gemeinsam ab, was zu einem sofortigen Verlust der Schneidfähigkeit führt.
Hauptursachen
Unzureichende Schneidzähigkeit oder Haftung: Schneidwerkzeuge mit geringer Schlagfestigkeit oder schwacher Haftung zwischen Diamanttisch und Hartmetallsubstrat neigen unter Stoßbelastungen zum Ausbrechen.
Ungeeignete Bohrparameter: Übermäßiger Vorschub/Anpressdruck führt dazu, dass die Schneidwerkzeuge Belastungen ausgesetzt sind, die über ihre Festigkeitsgrenzen hinausgehen.
Schwere Formationsbedingungen: Sehr harte, stark fragmentierte Formationen erzeugen hohe Stoßbelastungen, die die Stoßfestigkeit der Schneidwerkzeuge übersteigen.
Ungeeignete Meißelkonstruktion: Wird der Grundsatz „härteres Gestein → größerer Schneid-/Spanwinkel“ nicht befolgt, kann dies dazu führen, dass die Meißel eine zu aggressive Geometrie für harte Gesteine aufweisen, was die Belastung erhöht und das Ausbrechen begünstigt.
Äußere Hindernisse: Das Auftreffen auf Anker, Felsbolzen oder Verstärkungen im Bohrloch kann plötzliche Stöße verursachen, die die Schneidwerkzeuge beschädigen.
Gegenmaßnahmen
Beachten Sie die Empfehlungen des Herstellers hinsichtlich der Betriebsparameter und stellen Sie Vorschub und Drehzahl entsprechend der Formationshärte ein.
Wählen Sie Schneidwerkzeuge und eine auf die Formation abgestimmte Meißelgeometrie: Erhöhen Sie den Schneid-/Spanwinkel in härteren Formationen, um die Angriffsaggressivität zu verringern und die Stoßbelastungen zu senken.
Verwenden Sie Schneidwerkzeuge mit höherer Schlagzähigkeit oder modifizieren Sie die äußere Form des Diamanttisches (z. B. bieten konvexe/gebogene Profile unter vergleichbaren Herstellungsbedingungen oft eine bessere Schlagfestigkeit als flache Tische).
Die Bohrlochverläufe sollten so geplant werden, dass bekannte Hindernisse wie Felsanker oder Anker vermieden werden.
Delamination zwischen Diamanttisch und Substrat Delamination ist die Ablösung des Diamanttisches vom Hartmetallsubstrat, was zum Verlust der Schneidleistung führt.
Hauptursachen
Hohe Restspannungen an der Grenzfläche und unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Diamanttisch und Hartmetallsubstrat können zu thermischen Spannungen führen. Die beim Schneiden entstehende Wärme und die schnelle Abkühlung durch die Spülflüssigkeit erzeugen ebenfalls thermische Spannungen; in Kombination mit fertigungsbedingten Restspannungen und den einwirkenden Stoßbelastungen kann dies ein Ablösen des Diamanttisches verursachen.
Gegenmaßnahmen
Bei der Fertigung sollten kompatible Löt-/Verbindungsmaterialien und Prozessparameter gewählt werden, um Eigenspannungen zu minimieren. Sinter-/Lötverfahren sollten optimiert werden, um Grenzflächenspannungen abzubauen oder auszugleichen.
Die mechanische Verzahnung lässt sich verbessern, indem die Geometrie der Substratschnittstelle neu gestaltet wird (z. B. durch gestufte oder verzahnte Schnittstellen), um die Haftfestigkeit und die strukturelle Stabilität zu erhöhen.
II. Ausfälle des Bohrkörpers Ausfälle des Bohrkörpers äußern sich typischerweise in Form von Blattbrüchen (Messflügelbrüchen). Diese Ausfälle treten hauptsächlich bei Matrixbohrkörpern (Sinterbohrkörpern) auf; Bohrkörper aus Stahl sind aufgrund der höheren Materialzähigkeit weniger anfällig für Blattbrüche.
Hauptursachen
Unsachgemäße Montage/Demontage: Matrixkronenbohrkronen werden häufig pulvermetallurgisch in einem einzigen Sinterprozess hergestellt. Obwohl Matrixmaterialien verschleißfest sind, weisen sie eine geringere Duktilität auf. Das Schlagen auf die Schneiden während der Montage oder Demontage (z. B. durch Hämmern) kann leicht zu einem Bruch der Flügel führen.
Mangelhafte Sinterkontrolle: Unvollständiges Sintern oder „kalte“ Stellen, an denen sich das Metallpulver nicht vollständig verfestigt hat, führen zu schwachen Zonen oder Einschlüssen in der Matrix, wodurch die strukturelle Festigkeit verringert und ein Bruch der Klinge während des Gebrauchs wahrscheinlich wird.
Gegenmaßnahmen
Betrieblich: Standardisieren Sie die Schmink- und Entfernvorgänge. Verwenden Sie geeignetes Werkzeug (Schraubenschlüssel, Hebezangen oder Extraktionsgeräte), um die Bits zu handhaben und einen direkten Kontakt mit den Klingen zu vermeiden.
Produktionsqualität: Strenge Kontrolle des Sinterprozesses und regelmäßige Prüfung des Metallpulver-Rohmaterials gewährleisten die Pulverqualität und vollständige Verdichtung und verhindern ungesinterte Einschlüsse und Schwachstellen.
Abschließend lässt sich sagen, dass die wirksame Vermeidung und Minderung von Ausfällen bei PDC-Bohrmeißeln eine koordinierte Steuerung von Konstruktion, Fertigung, Bohrparametern und Baustellenbetrieb erfordert. Die Abstimmung von Bohrmeißelkonstruktion und Schneidwerkzeugauswahl auf die Formationsbedingungen, die Einhaltung strenger Qualitätskontrollen beim Löten und Sintern, die Gewährleistung ausreichender Kühlung und Spülung während des Bohrens sowie die Befolgung standardisierter Handhabungsverfahren reduzieren die Ausfallraten signifikant und verlängern die Lebensdauer der Bohrmeißel.
