Wie Hohlbohrstahl für Gesteinsbohrwerkzeuge hergestellt wird

Hohlbohrstahl ist das Ausgangsmaterial für viele hydraulische Bohrgestänge, die im Bergbau, Tunnelbau, Steinbruchbetrieb und bei Baubohrungen eingesetzt werden. Obwohl er einem Stahlrohr ähnelt, muss er weitaus strengere Anforderungen erfüllen als herkömmliche Rohre.

Ein hydraulisches Bohrgestänge muss hochfrequente Stoßenergie und Rotation vom Gesteinsbohrer auf den Bohrmeißel übertragen. Gleichzeitig führt die interne Spülbohrung Luft oder Wasser zur Bohrlochwand und unterstützt so den Abtransport des Bohrkleins. Diese Kombination aus Stoßbelastung, Rotation, abrasivem Verschleiß und internem Flüssigkeitsstrom macht die Materialqualität unerlässlich.

Weist Hohlbohrstahl mangelhafte Geradheit, übermäßige Einschlüsse, schwache mechanische Eigenschaften oder ungleichmäßige Abmessungen auf, kann das fertige Bohrgestänge Ermüdungsbrüche, Gewindeschäden, unzureichende Energieübertragung oder übermäßige Bohrlochabweichungen aufweisen. Aus diesem Grund ist die Herstellung von Hohlbohrstahl ein kontrollierter metallurgischer und Walzprozess, der lange vor der Bearbeitung des Gestänges beginnt.

1. Die Rohstoffkontrolle beginnt mit der Ausschussauswahl

Die Qualität von Hohlbohrstahl beginnt mit der Auswahl des Rohmaterials. Stahlhersteller kontrollieren den im Schmelzprozess verwendeten Schrott sorgfältig. Der Schrott muss nach Art und Zusammensetzung sortiert und Materialien mit einem zu hohen Gehalt an Schwermetallen oder schädlichen Restelementen aussortiert werden.

Dies ist wichtig, da Restbestandteile die Zähigkeit, das Dauerfestigkeitsverhalten, die Schweißbarkeit, das Wärmebehandlungsverhalten und die Langzeitlebensdauer beeinträchtigen können. Selbst geringe Mengen unerwünschter Elemente können Probleme verursachen, wenn ein Bohrgestänge wiederholten Stoßbelastungen ausgesetzt ist.

Bei hochwertigem Hohlbohrstahl kontrollieren Stahlhersteller während der Produktion auch nichtmetallische Einschlüsse und den Gasgehalt. Einschlüsse sind kleine Partikel, die in der Stahlmatrix eingeschlossen sind. Sind sie zu groß oder zu zahlreich, können sie zu Spannungskonzentrationen führen und beim Bohren Risse verursachen.

Der Originalartikel nennt Referenzwerte für schwedischen Hohlbohrstahl, darunter einen Oxid-Einschluss-Wert unter 0,5 und einen Gasgehalt unter 0,056 %. Diese Werte sind als technische Richtwerte und nicht als allgemeingültige Spezifikationen zu verstehen. Jeder Hersteller muss seine eigenen Materialstandards entsprechend der Stahlsorte, dem Verwendungszweck, den Kundenanforderungen und dem jeweiligen Qualitätssicherungssystem festlegen.

2. Stahlerzeugung und -raffination

Nach der Schrottsortierung gelangt das Material in den Stahlherstellungsprozess. Für die Herstellung von legiertem Stahl wird üblicherweise das Schmelzen im Elektrolichtbogenofen eingesetzt. Der flüssige Stahl wird anschließend raffiniert, um die chemische Zusammensetzung zu verbessern und Verunreinigungen zu reduzieren.

Die Sekundärraffination kann die Pfannenofenbehandlung und die Vakuumentgasung umfassen. Die Pfannenraffination ermöglicht es dem Hersteller, die Legierungszusammensetzung, die Temperatur und den Reinheitsgrad anzupassen. Die Vakuumentgasung hilft, gelöste Gase wie Wasserstoff und Stickstoff zu entfernen, die die Stahlqualität bei zu hohen Konzentrationen mindern können.

Eine sorgfältige Steuerung des Schmelz- und Raffinationsprozesses trägt zu einer gleichmäßigeren Stahlzusammensetzung bei. Dies ist unerlässlich, da Hohlbohrstahl in späteren Bearbeitungsschritten wie Schmieden, Walzen, Zerspanen, Aufkohlen, Induktionshärten und Kugelstrahlen ein konsistentes Verhalten aufweisen muss.

Nach der Raffination wird der Stahl im Stranggießverfahren zu quadratischen Knüppeln vergossen. Der Stranggießprozess muss kontrolliert werden, um Entmischungen, innere Defekte und Oberflächenfehler zu minimieren. Der Knüppel dient als Ausgangsform für das Hohlwalzverfahren.

3. Rohlingvorbereitung und Lochen

Vor dem Walzen werden die stranggegossenen Vierkantblöcke gereinigt, um Oberflächenfehler zu entfernen. Eine saubere Blockoberfläche trägt dazu bei, dass keine Fehler in das fertige Walzmaterial gelangen.

Der Rohling durchläuft anschließend mehrere Umformungsstufen. Die allgemeine Abfolge umfasst das Vorwalzen, das Öffnen des Rohlings und das Umformen zu einem Rundrohling. Die Außenfläche kann vor dem Einbringen des Mittellochs geschält oder bearbeitet werden.

In den runden Rohling wird eine zentrale Bohrung eingebracht und ein Dorn aus hochfestem legiertem Stahl eingesetzt. Der Dorn spielt eine entscheidende Rolle, da er die innere Spülbohrung für das anschließende Walzen vorgibt.

Die Genauigkeit dieses Arbeitsschritts ist entscheidend. Das Bohrloch muss zentriert und gleichmäßig sein, während der umgebende Stahl eine ausreichende Wandstärke und strukturelle Integrität aufweisen muss. Ein nicht zentriertes Bohrloch kann zu ungleichmäßiger Wandstärke, Unwucht während der Rotation und einer verminderten Dauerfestigkeit des fertigen Bohrgestänges führen.

4. Spezialisiertes Hohlstahlwalzen

Nach dem Einsetzen des Dorns wird der Rohling erneut erhitzt und in einem speziellen Hohlwalzwerk gewalzt. Durch diesen Walzprozess wird der Außendurchmesser reduziert, das gewünschte Profil geformt und die innere Spülbohrung um den Dorn herum gestaltet.

Hohlbohrstahl kann je nach Bohrgestängekonstruktion in verschiedenen Außenprofilen hergestellt werden. Gängige Formen sind rund, sechseckig und andere spezielle Geometrien. Das endgültige Profil muss Maßtoleranzen erfüllen, die die spätere Bearbeitung und die Konstruktion von Verbindungen ermöglichen.

Der Stahl wird anschließend kontrolliert abgekühlt, häufig mithilfe eines Stufenkühlbetts. Die Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst das Mikrogefüge, die Eigenspannungen, die Geradheit und die mechanischen Eigenschaften. Die kontrollierte Abkühlung ist daher Bestandteil des gesamten Qualitätssicherungssystems und nicht nur eine Wartezeit.

Nach dem Abkühlen zieht eine Hydraulikanlage den Dorn aus dem Stahl. Anschließend durchläuft das Produkt die Online-Prüfung, das Ablängen und die Präzisionsbearbeitung.

5. Prüf- und Maßanforderungen

Fertig bearbeiteter Hohlbohrstahl wird vor der Lieferung an einen Bohrstangenhersteller geprüft. Wichtige Prüfverfahren umfassen unter anderem:

• Außendurchmesser und Profilabmessungen

• Innendurchmesser der Spülbohrung und Konzentrizität

• Geradheit

• Oberflächenqualität

• Gleichmäßigkeit der Wandstärke

• Mechanische Eigenschaften

• Entkohlung an äußeren und inneren Oberflächen

• Einschlussgrad und Materialreinheit

Die Entkohlung verdient besondere Beachtung. Sie tritt auf, wenn beim Erhitzen Kohlenstoff von der Stahloberfläche verloren geht. Übermäßige Entkohlung kann die Oberflächenhärte verringern und die Verschleißfestigkeit des Materials nach der Wärmebehandlung schwächen.

Bei Anwendungen mit Bohrgestänge müssen sowohl die Außenfläche als auch die Innenwand des Spüllochs den Anforderungen an eine kontrollierte Entkohlung genügen. Die Innenwand ist besonders wichtig, da sie im Betrieb Hochgeschwindigkeits-Spülmedien und abrasivem Bohrklein ausgesetzt ist.

6. Korrosionsschutz und Lieferung

Nach der Bearbeitung kann der Hohlbohrstahl mit einem Korrosionsschutzmittel beschichtet werden. Die Spülbohrung kann zudem mit einem Schutzstopfen aus Kunststoff versehen werden, um Verunreinigungen und das Eindringen von Feuchtigkeit während Transport und Lagerung zu verhindern.

Diese Vorsichtsmaßnahmen tragen dazu bei, die Materialqualität vor der Herstellung der Bohrgestänge zu erhalten. Korrosion, Schmutz oder Feuchtigkeit im Spülloch können später zu Verarbeitungsproblemen führen und die Zuverlässigkeit des Endprodukts beeinträchtigen.

Anschließend wird der Hohlstahl an Bohrstangenhersteller geliefert, wo er weitere Bearbeitungsschritte wie Richten, Gewindeherstellung, Reibschweißen oder gegebenenfalls Endformung, maschinelle Bearbeitung, Wärmebehandlung, Kugelstrahlen, Endkontrolle und Verpackung durchläuft.

Warum die Qualität von Hohlbohrstahl im Feld entscheidend ist

Hochwertiger Hohlbohrstahl ermöglicht die Herstellung von Bohrgestängen mit verbesserter Dauerfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Maßgenauigkeit. Dies hilft Bauunternehmen, geradere Bohrlöcher zu bohren, eine gleichbleibende Bohrgeschwindigkeit zu erzielen und Ausfallzeiten durch Gestängebrüche zu reduzieren.

Die endgültige Leistungsfähigkeit eines hydraulischen Bohrgestänges hängt von der gesamten Fertigungskette ab. Sorgfältige Bearbeitung und Wärmebehandlung können eine mangelhafte Stahlreinheit, schwache mechanische Eigenschaften oder eine ungleichmäßige Geometrie des Ausgangsmaterials nicht vollständig kompensieren.

Aus diesem Grund behandeln zuverlässige Hersteller von Gesteinsbohrwerkzeugen Hohlbohrstahl als strategischen Werkstoff und nicht als Massenware. Durch die Kontrolle von Metallurgie, Walzen, Prüfung und Endbearbeitung schaffen sie eine solide Grundlage für zuverlässige Bohrergebnisse.