Warum Hartmetall-Bohrzähne unter extremen Bodenbedingungen länger halten

Die harte Realität: Warum herkömmliche Bohrzähne versagen bei Abrasivem und intermittierendem Gestein

Standard-Bohrzähne brechen häufig vollständig zusammen, wenn sie durch besonders harte Gesteinsformationen mit vielen Feuersteinanteilen oder zementierten Gesteinsschichten arbeiten. Das Problem entsteht durch diese winzigen Feuersteinpartikel, die auf der Mineralhärteskala – der sogenannten Mohs-Skala – einen Härtegrad von etwa 7 bis 9 aufweisen. Diese kleinen Partikel wirken auf mikroskopischer Ebene wie Schleifpapier und verschleißen Bohrzähne aus Schnellarbeitsstahl (HSS) und gewöhnlichem Werkzeugstahl deutlich schneller als erwartet. Feldberichten zufolge erfolgt der Verschleiß unter diesen Bedingungen etwa dreimal so schnell, und viele Zähne zeigen bereits nach nur vierzig Betriebsstunden deutliche Beschädigungen. Was verursacht diesen beschleunigten Abbau tatsächlich? Es stellt sich heraus, dass Quarzpartikel in den weicheren Bereichen des Metalls stecken bleiben und dauerhafte Rillen einkarren, die letztendlich die gesamte Struktur schwächen. Bohroperatoren beobachten dieses Phänomen immer wieder – mit der Folge unerwarteter Ausfallzeiten und kostspieliger Austauschmaßnahmen.

Beschleunigte Verschleißmuster in feuersteinreichen Konglomeraten und zementierten Schichten

Mikroskopische Analysen zeigen drei dominierende Versagensmechanismen in diesen Formationen:

• Oberflächliche Mikrozerspanung : Feuerstein-Scherben ritzen bei jedem Betriebszyklus 0,2–0,5 mm tiefe Furchen ein
• Sprödbruch : Zementierte Schichten verursachen Abplatzungen an den Grenzen von Hartmetalleinschlüssen
• Thermische Ermüdung : Reibungstemperaturen über 600 °C führen zu Phasenumwandlungen im Stahl

Diese Mechanismen reduzieren die Lebensdauer der Zähne insgesamt um 68 % im Vergleich zum Bohren homogener Gesteine, was durch ISO-13314-Druckversagenstests bestätigt wurde.

Einschränkungen von Schnellarbeitsstahl- (HSS-) und Werkzeugstahlzähnen unter zyklischer Kombination aus Schlag- und Abrasionsbeanspruchung

Wenn Schlagkräfte (≥ 15 kN) mit abrasiver Abnutzung kombiniert werden, weisen herkömmliche Zähne kritische Schwachstellen auf:

Diese Synergie führt zu vorzeitigem Zahnbruch an Spannungskonzentrationsstellen, insbesondere dort, wo der Kobaltbindemittelanteil in Wolframcarbid-Verbundwerkstoffen um mehr als 40 % abnimmt.

Zellstoff Carbid-Bohrzähne Haltbarkeit: Wie die Mikrostruktur die Leistung bestimmt

WC-Korngröße und Kobaltbindemittelgehalt: Ausgewogenes Verhältnis von Härte (HRA 92–94) und Bruchzähigkeit (12 MPa·m)

Was Hartmetall-Bohrzähne (WC) so widerstandsfähig macht, beginnt bereits auf mikroskopischer Ebene. Wenn Hersteller die WC-Korngröße auf unter etwa 1 Mikrometer begrenzen und sie mit rund 6 bis 12 Prozent Kobalt als Bindemittel mischen, entsteht ein Werkstoff mit einer Härte nach Rockwell A von 92 bis 94. Diese feinkörnige Struktur verhindert, dass Risse sich zu leicht ausbreiten, und gewährleistet gleichzeitig eine Bruchzähigkeit von deutlich über 12 MPa·√m. Wenn Bohrer durch rauhe Bodenverhältnisse arbeiten, tragen diese kleinen Körner dazu bei, dass sich bei wiederholter Belastung des Bohrkopfs keine Mikrorisse bilden. Gleichzeitig nimmt die elastische Kobaltkomponente Stoßenergie auf, wodurch ein plötzliches Zerbrechen des gesamten Werkzeugs verhindert wird. Prüflabore bewerten die Wirksamkeit dieser Eigenschaften mittels Scherversuchen nach ASTM B771. Die besten Zusammensetzungen zeigen dabei ein gleichmäßiges Verschleißverhalten über die Oberfläche hinweg – statt nach Tausenden von Belastungszyklen im praktischen Einsatz größere Stücke abzubrechen.

Optimiertes WC/Co-Verhältnis von 94/6 Gew.-% für schwierigen Untergrund: Druckfestigkeit von 6 GPa und Widerstand gegen Mikro-Pflügen

Unter wirklich schwierigen Bohrbedingungen bietet die Mischung aus 94/6 Gewichtsprozent Wolframcarbid/Kobalt erhebliche mechanische Vorteile. Die Druckfestigkeit liegt deutlich über 6 GPa – ein entscheidender Faktor beim Durchbohren harter, kieselerdig verfestigter Konglomeratformationen. Durch den geringeren Kobaltanteil in der Matrix verringert sich das Risiko einer plastischen Verformung, wenn die Bohrzähne auf Gestein treffen; gleichzeitig bleibt die Struktur jedoch ausreichend stabil. Untersuchungen von Materialwissenschaftlern zeigen, dass diese spezielle Zusammensetzung den mikroskopischen Pflügerverschleiß signifikant reduziert. Mittels Rasterelektronenmikroskopie konnten sie nachweisen, dass die Verformungstiefe nach 120 Stunden kontinuierlichen Betriebs im quarzreichen Untergrund unter 0,3 mm liegt. Zudem weist die Struktur einen beeindruckenden Elastizitätsmodul von über 500 GPa auf, sodass die Schneiden ihre Form stabil behalten. Dadurch schneidet das Werkzeug auch dann noch mit konstanter Leistung, wenn Standardwerkstoffe unter vergleichbaren Bedingungen bereits rasch versagen.

Praxisnahe Validierung: Feldbelege für eine verlängerte Standzeit

Wenn es darum geht, die Leistungsfähigkeit von Materialien zu demonstrieren, sind echte Feldtests unschlagbar. Ein aktuelles Infrastrukturprojekt im Vereinigten Königreich bietet hierfür ein anschauliches Beispiel: Dort musste durch hartes, zementiertes Konglomeratgestein gebohrt werden. Hochfeste Hartmetall-Bohrer aus Wolframcarbid hielten bei diesen Arbeiten etwa dreimal so lange (ca. 3,2-mal) wie herkömmliche Schnellarbeitsstahl-Bohrer. Wir haben diese Ergebnisse zudem gemäß der Norm ISO 513 validiert, was uns zusätzliches Vertrauen in ihre Aussagekraft verlieh. Langlebigere Bohrer bedeuten weniger Wechsel über die Zeit hinweg und reduzieren so die Ausfallzeiten von Maschinen bei Arbeiten unter rauen geologischen Bedingungen. Der besondere Wert dieser Erkenntnis liegt darin, dass sie die Beobachtungen aus Laboruntersuchungen mit den tatsächlichen Gegebenheiten vor Ort verknüpft. Bohroperateure, die in abrasiven und stark schlagbeanspruchten Umgebungen arbeiten, verfügen nun über fundierte Nachweise dafür, dass Wolframcarbid eine deutlich höhere Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß und mechanische Beanspruchung aufweist als herkömmliche Alternativen.

Britisches Infrastrukturprojekt: 3,2-mal längere Lebensdauer im Vergleich zu Schnellarbeitsstahl (HSS) in zementiertem Konglomerat (Prüfung gemäß ISO 513)

Über einen Zeitraum von zwölf Monaten verfolgten Forscher die Entwicklung des Verschleißes an Geräten, die durch felsige Gesteinsformationen mit hohem Feuersteinanteil arbeiteten. Hartmetallzähne behielten ihre Form deutlich über 420 Betriebsstunden hinweg, während Zähne aus Schnellarbeitsstahl (HSS) unter vergleichbaren Bedingungen bereits nach rund 130 Stunden ausgetauscht werden mussten. Die Untersuchung der Oberflächen mittels Rasterelektronenmikroskopie zeigte überraschend geringe Schäden durch Mikro-Pflügen, obwohl diese Materialien einer Quarzbelastung von über 60 % ausgesetzt waren. Um die Leistung korrekt zu bewerten, analysierte das Team sowohl den Gewichtsverlust über die Zeit als auch die Schneidleistung gemäß den branchenüblichen ISO-513-Richtlinien. Diese Ergebnisse deuten auf erhebliche Unterschiede in der Materialhaltbarkeit bei abrasiven geologischen Herausforderungen hin.

Analyse der Ausfallmodi: Unterscheidung dominanter Verschleißmechanismen in gemischten Gesteinsformationen

Ermüdungsverschleiß vs. abrasiver Verschleiß: Belege aus der REM-Analyse abgenutzter Zahnflächen bei Kies–lehmartigem Sand

Die Betrachtung von Hartmetall-Bohrzähnen mittels Rasterelektronenmikroskopie zeigt deutliche Versagensmerkmale, wenn sie unter gemischten geologischen Bedingungen eingesetzt werden – beispielsweise in Gebieten mit sowohl Kieseln als auch tonigen Sanden. Beim Bohren durch sandige Schichten, die Quarzpartikel enthalten, tritt abrasiver Verschleiß auf, der sich als parallele Mikrokratzer darstellt und im Laufe der Zeit die Hartmetallkanten allmählich abträgt. Andererseits erzeugen wiederholte Stöße gegen Kiesel suboberflächliche Mikrorisse, die schließlich zu Absplitterungsbrüchen führen. Diese Brüche zeigen sich in REM-Querschnitten als verzweigte Muster, die sich von Punkten ausgehend ausbreiten, an denen sich Spannungen konzentrieren. Unsere Feldversuche zeigen, dass Tonmatrizen den Schlagverschleiß um rund 40 Prozent erhöhen, weil sich die Energieübertragung in feuchteren Schichten anders vollzieht als in trockenen. Silikatische Sande hingegen sind hauptsächlich für den abrasiven Verschleiß verantwortlich. Das Verständnis dieser unterschiedlichen Versagensmechanismen hilft Ingenieuren dabei, geeignete Werkstoffe für spezifische Anwendungen auszuwählen. Durch den Einsatz speziell formulierter Hartmetallsorten lässt sich das Auftreten von Brüchen in hochbeanspruchten Bereichen verhindern, während Materialien mit feinkörnigerer Gefügestruktur sich besser gegen abrasive Kräfte behaupten. Solches detaillierte Wissen über das Versagen von Werkstoffen unter verschiedenen Belastungen hat zu erheblichen Verbesserungen bei der Werkzeugkonstruktion geführt und damit die nutzbare Lebensdauer von Werkzeugen in anspruchsvollen Bohrumgebungen verlängert.

FAQ

Warum versagen herkömmliche Bohrkrone bei abrasiven Gesteinen? Herkömmliche Bohrkrone versagen aufgrund schnellen Verschleißes durch Feuersteinpartikel, oberflächliche Mikrozerspanung, spröden Bruch und thermische Ermüdung beim Betrieb in abrasiven Gesteinsformationen.

Wie verbessert Hartmetall die Leistung von Bohrkronen? Hartmetall-Bohrkrone, optimiert mit einer bestimmten WC-Korngröße und einem spezifischen Kobalt-Bindemittelanteil, bieten überlegene Härte, Bruchzähigkeit und Verschleißfestigkeit und halten daher länger unter anspruchsvollen Bedingungen.

Welche Vorteile bietet der Einsatz von Hartmetall-Bohrkronen in Feldanwendungen? Hartmetall-Bohrkrone gewährleisten eine verlängerte Einsatzdauer und reduzieren dadurch den Austauschbedarf sowie Ausfallzeiten unter harten geologischen Bedingungen – dies wurde durch Feldtests bestätigt und entspricht den ISO-Normen.

Welche Versagensarten treten bei Hartmetall-Bohrkronen häufig auf? Zu den Ausfallmodi zählen Schlagermüdung und abrasiver Verschleiß, die mithilfe von REM analysiert werden können, um das Verständnis zu vertiefen und geeignete Materialien für unterschiedliche Gesteinsarten auszuwählen.