Warum manche Gesteinsbohrwerkzeuge scharf und robust bleiben: Der unsichtbare Wärmebehandlungsschritt
Zwei Bohrgestänge können aus dem gleichen Stahl gefertigt sein und sich dennoch unter Tage sehr unterschiedlich verhalten.
Das eine Material übersteht Hunderte von Löchern. Das andere verschleißt schnell, bekommt Risse oder bricht bei Stößen. Der Unterschied ist im Katalog nicht immer erkennbar und lässt sich nicht allein durch die Stahlsorte erklären.
Oft ist die Wärmebehandlung der entscheidende Faktor.
Bei Gesteinsbohrgestängen, Schaftadaptern, Bohrmeißelkörpern und anderen Schlagwerkzeugen bestimmt die Wärmebehandlung das Verhältnis von Oberflächenhärte zu innerer Zähigkeit des Stahls. Dieses Gleichgewicht sorgt dafür, dass ein Werkzeug verschleißfest ist, ohne dabei gefährlich spröde zu werden.
Härte allein genügt nicht.
Ein Gesteinsbohrwerkzeug arbeitet unter schwierigen Bedingungen. Es ist wiederholten Stößen, Vibrationen, Reibung, Biegungen und dem Kontakt mit abrasivem Gestein ausgesetzt.
Eine weiche Oberfläche verschleißt schnell. Ein Werkzeug mit unzureichender Härte kann seine Geometrie verlieren, die Bohrleistung verringern und die Verbindung zwischen Stange und Bohrer beschädigen.
Doch die extreme Härte des gesamten Werkzeugs birgt ein weiteres Problem. Zu harter Stahl kann spröde werden. Bei wiederholter Belastung kann er absplittern oder brechen, anstatt die Last aufzunehmen.
Das Ziel ist nicht überall maximale Härte.
Ziel ist eine harte, verschleißfeste Arbeitsfläche, die von einem robusteren Kern getragen wird.
Durch Abschrecken entsteht die harte Struktur.
Das Abschrecken ist der Arbeitsschritt, der zur Erhöhung der Härte des Stahls dient.
Der Stahl wird auf eine kontrollierte Temperatur erhitzt und anschließend in einem definierten Prozess rasch abgekühlt. Dadurch verändert sich die innere Struktur des Materials und es entsteht eine härtere Oberfläche, die abrasivem Verschleiß widersteht.
Bei Bohrstangen oder Schaftadaptern kann eine ordnungsgemäße Abschreckung die Haltbarkeit des Werkzeugs verbessern:
Wiederholter Kolbenaufprall
Abrieb durch Gesteinsstaub
Kontaktverschleiß an der Kegel- oder Gewindeöffnung
Lokale Deformation
Hochfrequente Bohrzyklen
Der Prozess muss sorgfältig gesteuert werden. Zu schnelles, zu langsames oder ungleichmäßiges Abkühlen kann zu Verformungen, Eigenspannungen oder ungleichmäßiger Härte innerhalb des Bauteils führen.
Deshalb kann ein fertiges Werkzeug nicht allein anhand seines Oberflächenbildes beurteilt werden.
Durch das Härten wird verhindert, dass der Kern brüchig wird.
Durch das Abschrecken wird die Härte erhöht, es können jedoch auch innere Spannungen im Stahl entstehen. Wird das Werkzeug in diesem Zustand sofort verwendet, kann das gehärtete Gefüge für das Schlagbohren zu spröde sein.
Nach dem Abschrecken erfolgt das Anlassen, um innere Spannungen abzubauen und die Zähigkeit zu verbessern.
Hier entwickelt das Werkzeug die oft als „außen hart, innen robust“ beschriebene Balance. Die Oberfläche ist verschleißfest, während der Kern Stöße absorbieren kann, ohne leicht zu brechen.
Ein gut gehärtetes Werkzeug muss nicht weich sein. Es muss ausreichend zäh sein, um der Stoßwelle standzuhalten, die sich während jedes Bohrvorgangs durch den Stahl ausbreitet.
Dies ist besonders wichtig für:
Verlängerungsbohrstangen
Integrierte Bohrgestänge
Schaftadapter
Kopplungskomponenten
DTH-Hammerteile
Schlagbohrkronenkörper
Aufkohlen und der Härtegradient
Bei einigen Bohrkomponenten werden Aufkohlungs- oder ähnliche Oberflächenhärtungsverfahren eingesetzt. Beim Aufkohlen wird Kohlenstoff in die äußere Schicht des Stahls eingebracht. Dadurch kann die Oberfläche gehärtet werden, während der kohlenstoffärmere Kern eine höhere Zähigkeit beibehält.
Das Ergebnis ist nicht einfach ein Härtewert. Es ist ein Härtegradient von der Oberfläche zum Kern hin.
Für Käufer wirft dies einige nützliche Fragen auf:
Wie tief ist die gehärtete Schicht?
Ist die Härte rund um das Bauteil gleichmäßig?
Behält der Kern noch genügend Festigkeit?
Wurde das Bauteil während der Behandlung verformt?
Ist das Verfahren für die tatsächlichen Belastungs- und Verschleißbedingungen geeignet?
Eine flache oder ungleichmäßige Härtungsschicht kann sich schnell abnutzen. Eine übermäßig harte oder schlecht gestützte Oberfläche kann reißen. Das Verfahren muss auf die Bauteilkonstruktion und die Verwendung des Werkzeugs abgestimmt sein.
Durch Wärmebehandlung lässt sich eine fehlerhafte Werkzeugkonstruktion nicht beheben.
Die Wärmebehandlung ist wichtig, aber sie ist kein Ersatz für eine korrekte Konstruktion.
Ein Bohrgestänge kann dennoch versagen, wenn:
Das Gewinde passt nicht zum Gesteinsbohrer
Die Stange wird während des Betriebs verbogen.
Die Führungsbuchse ist stark verschlissen.
Das Bit wird über seine Verschleißgrenze hinaus verwendet.
Spülen reicht nicht aus
Der Bohrwinkel führt zu übermäßiger Biegung.
Das Werkzeug wurde mit übermäßiger Kraft zusammengebaut.
Die Stahlsorte ist für die Anwendung ungeeignet.
Das stärkste wärmebehandelte Werkzeug hält nicht lange, wenn das Bohrsystem falsch ausgerichtet oder außerhalb seiner vorgesehenen Bedingungen betrieben wird.
Deshalb hängt die Werkzeugstandzeit von der Gesamtheit der Faktoren Stahlsorte, Geometrie, Wärmebehandlung, Bearbeitungsgenauigkeit, Bohrausrüstung und Bedienererfahrung ab.
Wie man ein Wärmebehandlungsproblem erkennt
Anhand der Feldsymptome lassen sich zwar nicht alle metallurgischen Probleme aufdecken, doch bestimmte Muster verdienen eine genauere Untersuchung.
Wenn sich die Oberfläche ungewöhnlich schnell abnutzt, kann das Gehäuse zu weich, zu flach oder ungleichmäßig sein.
Wenn das Werkzeug unter normaler Belastung absplittert oder plötzlich bricht, können übermäßige Härte, Eigenspannungen, mangelhafte Anlassung oder eine betriebliche Überlastung die Ursache sein.
Weist nur ein Bereich ungewöhnlichen Verschleiß auf, überprüfen Sie die Ausrichtung, die Kühlung, die Bearbeitungsqualität und die Konsistenz der lokalen Wärmebehandlung.
Bei wiederholten Ausfällen sollten Sie nicht einfach mehr von demselben Teil bestellen. Dokumentieren Sie, wo der Ausfall aufgetreten ist, wie lange das Werkzeug im Einsatz war, welches Gestein gebohrt wurde und ob es sich um Verschleiß, Verbiegung, Rissbildung oder Gewindebeschädigung handelte.
Diese Informationen helfen dabei, ein Materialproblem von einem Geräte- oder Betriebsproblem zu unterscheiden.
Was sollten Käufer einen Lieferanten fragen?
Beim Kauf von Gesteinsbohrwerkzeugen sollten Sie mehr fragen als nur: „Aus welchem Stahl ist das Werkzeug gefertigt?“
Eine praktische Lieferanten-Checkliste umfasst:
Welche Stahlsorte wird für das Bauteil verwendet?
Welches Wärmebehandlungsverfahren wird angewendet?
Wird die Oberflächenhärte geprüft?
Wird die Kernzähigkeit bzw. Härte geprüft?
Wird die Tiefe der gehärteten Schicht kontrolliert?
Wie wird Dimensionsverzerrung gemessen?
Werden Stichproben aus jeder Produktionscharge geprüft?
Passt das Produkt zum vorgesehenen Gestein und zur vorgesehenen Bohrausrüstung?
Zuverlässige Hersteller sollten in der Lage sein, ihren Qualitätskontrollprozess zu erläutern, ohne sich hinter einer einzigen Härtezahl zu verstecken.
Das sichtbare Ergebnis ist eine längere Werkzeugstandzeit.
Eine gute Wärmebehandlung ist nach Verlassen des Werks nicht mehr sichtbar, ihre Auswirkungen werden aber am Einsatzort deutlich.
Die Stange behält ihre Form. Der Schaftadapter hält das Gewinde. Der Bohrkopf ist verformungsbeständig. Das Werkzeug übersteht wiederholte Stöße ohne vorzeitige Risse, und die Bohrmannschaft muss weniger Zeit mit dem Austausch von Teilen verbringen.
Gaea Rock liefert Gesteinsbohrgestänge, Schaftadapter, Bohrmeißel, DTH-Hämmer, DTH-Meißel und zugehörige Bohrwerkzeuge. Korrekte Wärmebehandlung, präzise Bearbeitung und optimale Abstimmung auf das Bohrsystem sind unerlässlich für einen zuverlässigen Betrieb im Bergbau, in Steinbrüchen, im Tunnelbau und im Bauwesen.
Die richtige Frage ist nicht einfach, ob ein Werkzeug schwierig ist.
Es geht darum, ob das Werkzeug dort hart ist, wo es Verschleiß widerstehen muss, robust dort, wo es Stöße absorbieren muss, und ob es während der gesamten Produktionscharge gleichbleibend ist.
