Schneid- und Bohrelemente

Beschreibung

[0001] Für das vibrationsfreie Bohren und Schneiden in natürlichem Gestein, wie Felsformationen oder in Baustoffen, wie Beton und Ziegel werden Werkzeuge benutzt, deren Schneiden mit Hartstoffen wie Karbiden, Nitriden, Karbid-Nitrid-Mischphasen, Diamant und ähnlichen besetzt sind. Als Hartstoffe werden häufig Stoffe wie natürlicher, synthetischer oder polykristalliner Diamant, B₄C, SiC, TiC, BN, TiN, Al₂0₃, Zr0₂, Hartmetall usw. verwendet. Dabei werden meist Diamant oder Hartmetall für Beton und Hartgestein-Bearbeitung, für weichere Baustoffe SiC, Al₂0₃ usw. eingesetzt. Häufig sind die abrasiv wirkenden feinen Partikel dieser Materialien in eine Matrix eingebettet. Diese abrasive Teilchen enthaltenden Matrizes werden nachfolgend, unabhängig davon, ob sie auf Trägern wie Bohrschäften, Scheiben und dergleichen angeordnet sind oder auch nicht, als Schneid- und Bohrelemente bezeichnet. Die Schneid- und Bohrelemente können je nach dem Schneid- bzw. Bohrzweck unterschiedliche Formen aufweisen. Z.B. die Form von Hohlbohrkronen, von Ringen, Stiften, Platten, Segmenten und anderen einfachen und komplexen Formkörpern, bei Trennscheiben zB Segment-, Ring- oder Scheibenform, die Form von Bohr-Schneidköpfen, Platten, Zylindern und dergleichen.

[0002] Die Matrixwerkstoffe sind ebenso wie die darin eingelagerten, abrasiven Partikel bzw. Teile einem Verschleissprozess unterworfen, wobei der Verschleiss von den jeweiligen Bearbeitungsbedingungen, namentlich der Härte des zu schneidenden oder zu bohrenden Materials abhängt. Um nun die Bohrwerkzeuge und damit vor allen Dingen die Schneid- und Bohrelemente den Anforderngen unterschiedlicher Verwendungszwecke anzupassen, wäre eine Vielzahl unterschiedlicher Matrixwerkstoffe erforderlich. Dies ist für die Praxis aus naheliegenden Gründen wenig wünschenswert und kaum durchführbar. Die Suche nach einem universell brauchbaren Matrixwerkstoff blieb, bisher insbesondere auch bei Berücksichtigung wirtschaftlicher Gesichtspunkte, ohne Erfolg.

[0003] Überraschenderweise wurde nun eine Lösung gefunden, die das Problem mit einem Matrix-Werkstoff einheitlicher stofflicher Zusammensetzung löst.

[0004] Die erfindungsgemässe Lösung besteht in der Verwendung von durch Auslagerung auf verschiedene Härten bzw. Festigkeiten härtbaren Kupferlegierungen als Matrizes zur Herstellung von in der Matrix mit abrasiven Teilchen beladenen Formkörpern als Bohr- und Schneidelemente für Bohr- und Schneidzwecke.

[0005] Der besondere Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass durch Verwendung von nur einer Cu-Legierung auf der Hersteller-, gegebenenfalls auch Verwenderseite durch eine dem spezifischen Verwendungszweck angepasste Wärmebehandlung, namentlich isotherme Alterung, also Auslagerung, mit abrasiven Teilchen besetzte Matrixwerkstoffe mit der jeweils erforderlichen Härte herstellbar sind. Auf diesem Weg gelingt es, unter Verwendung einer einzigen Matrix-Zusammensetzung den jeweiligen Anwendungserfordernissen entsprechende Schneid-Bohrelemente herzustellen bzw. bereitzuhalten. Die Formkörper können von der eingangs beispielhaft beschriebenen Art sein.

[0006] Die Einstellung unterschiedlicher Härten und Festigkeiten bei Kupferlegierungen durch Auslagerung ist bekannt (Heubner und Wassermann, Z. Metallkunde, 1962, 152; Werkstoffhandbuch Nichteisenmetalle, VDI-Verlag; Niedriglegierte Kupferlegierungen, Deutsches Kupferinstitut; Non-Ferrous Metals and Alloys, V. Sedlacek, Verlag Elsevier; U. Zwickler, Z. Metallkunde, 1962, S. 709: Untersuchungen über das Ausscheidungsverhalten übersättigter Kupfer-Titan-Mischkristalle). Bevorzugt für den vorliegenden Verwendungszweck sind insbesondere Kupferlegierungen wie Kupfer-Berylliumlegierungen mit ca. 1 bis 2 Gew.-% Be, auch mit geringen Anteilen, Kobalt, z.B. CuBe2, CuBe2Co, Kupfer-Titanlegierung mit ca. 1 bis 6 Gew.-% Ti, z.B. CuTi4, Kupfer-Chromlegierungen mit bis zu 1 Gew.-% Cr, auch mit Anteilen Zirkon, zB CuCr, CuCrZr, Kupfer-Nickel-Siliziumlegierungen mit ca 1 - 5 Gew.-% Ni und bis zu 1,5 Gew.-% Silizium, zB CuNi3Si, CuNi3Sil, Kupfer-Mangan-Nickellegierungen mit ca. 20 Gew.-% Mn und 20 Gew.-% Ni, zB CuMn20Ni20 und dergleichen.

[0007] Für die Auslagerung, also die isothermische Alterung, werden Temperaturen im Bereich von 200 bis 600°C, insbesondere 300 bis 550°C bevorzugt. Die Dauer der Behandlung beträgt im allgemeinen 5 bis 120 Minuten oder auch mehr.

[0008] Die Einbettung der abrasiven Teilchen, wie zuvor definiert, oder von Gemischen hiervon erfolgt in bekannter Weise. Dies kann zB durch Sintern, Heisspressen (Drucksintern) oder durch ein anderes hierfür geeignetes Verfahren geschehen.

[0009] Als eingelagertes, abrasives Teilchen steht Diamant im Vordergrund. Es können jedoch auch andere Hartstoffe eingelagert sein.

[0010] Gegenstand der Erfindung sind auch abrasive Stoffe, namentlich Diamant eingebettet enthaltende Matrizes, also derartige Schneid- und Trennelemente, sowie mit solchen Schneid- und Trennelementen bestückte Werkzeuge, wobei die Schneid- und Trennelemente herstellbar sind nach einem der vorgenannten Verwendungsverfahren.

[0011] Die gehärteten Matrixwerkstoffe können Härten von beispielsweise 100 HV bis in den Bereich von beispielsweise 350 HV oder sogar mehr aufweisen.

[0012] Die nachfolgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung:

Beispiel 1

Fertigungsablauf:

Heisspressen

[0013] 

1. Pulvermischen:
Matrixwerkstoff CuTi₄-Pulver mit Diamanten als Hartstoff

2. Heisspressen: (Drucksintern)

- Druck:

ca. 200 - 300 bar

- Temperatur:

ca. 750° - 850°C

3. Ausscheidungshärten:

• Lösungsglühen: ca. 700° - 1000°C, ca. 10 bis 60 min.
• Dieser Vorgang kann mit dem Heisspressprozess durchgeführt werden.
• Auslagern: Je nach dem Matrixwerkstoff muss der Temperatur-Zeitverlauf gewählt werden - ca. 200° - 600°C / 5 - 120 min.
  CuTi4

  Variante 1:

  550°C, 10 min --> 300 HV (Härte)

  Variante 2:

  360°C, 10 min --> 200 HV

Beispiel 2

Fertigungsablauf:

Konventionelle Sintertechnik

[0014] 

1. Pulvermischen:
Matrixwerkstoff CuTi4-Pulver mit Diamanten als Hartstoffe und Gleitmittelzugabe (Presshilfsmittel)

2. Kaltpressen:

• Füllen der Form
• Pressen (ca 4 - 7 t/cm²⁾
• Freilegen des Grünlings

3. Sintern:
Zwischen 800 und 1200°C im Vakuum- oder Schutzgasofen

4. Ausscheidungshärten:

• Lösungsglühen: 700 bis 1000°C, ca 10 bis 60 min.
  Dieser Vorgang kann mit dem Sinterprozess durchgeführt werden.
• Auslagern: Je nach dem Matrixwerkstoff muss die Temperatur/Zeit gewählt werden
  CuTi₄

  Variante 1:

  550°C, 10 min --> 300 HV (Härte)

  Variante 2:

  360°C, 10 min --> 200 HV (Literaturangaben)

Ansprüche

1. Verwendung von durch Auslagerung härtbaren Cu-Legierungen als Matrixwerkstoff zur Herstellung von im Matrixwerkstoff abrasiven Teilchen aufweisenden Formkörpem für Bohr- und Schneidzwecke.

2. Verwendung gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kupferlegierungen Legierungen der Zusammensetzung Cu-Ti mit 1 bis 6 Gew.-% Titan, Cu-Be mit 1 bis 2 Gew.-% Be und gegebenenfalls geringen Anteilen Kobalt, Cu-Cr mit bis zu 1 Gew.-% Cr und gegebenenfalls Anteilen an Zirkon, Cu-Ni-Si mit 1 bis 5 Gew.-% Ni und bis zu 1,5 Gew.-% Si oder Cu-Mn-Ni mit ca. 20 Gew.-% Mn und 20 Gew.-% Ni verwendet werden.

3. Verwendung gemäss einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslagerungen im Bereich von 200° bis 600°C erfolgen.

4. Formkörper als Elemente für Bohr- und Schneidzwecke mit einer abrasive Teilchen enthaltenden, gehärteten Cu-Legierungs-Matrix, herstellbar nach einem Verwendungsverfahren gemäss einem der vorhergehenden Patentansprüche.