DE112016001868T5

DE112016001868T5 - Meißel und Stahl für Meißel

Info

Publication number: DE112016001868T5
Application number: DE112016001868.1T
Authority: DE
Inventors: Eiji Amada; Akihiro Ochiai; Norimasa Tsunekage; Yuko Nagaki
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2015-04-21
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2018-01-04
Also published as: KR20170125976A; US20180087137A1; CN107532256A; US11186901B2; WO2016170866A1; KR102054293B1; JP6055577B1; JPWO2016170866A1

Abstract

Geschaffen werden ein Meißel und ein Stahl für einen Meißel mit verbesserter Lebensdauer. Ein Stahl, der einen Meißel (10) gemäß der vorliegenden Erfindung bildet, enthält: 0,40 Masse-% oder mehr und 0,45 Masse-% oder weniger Kohlenstoff, 0,50 Masse-% oder mehr und 0,80 Masse-% oder weniger Silizium, 1,00 Masse-% oder mehr und 1,30 Masse-% oder weniger Mangan, 0,001 Masse-% oder mehr und 0,005 Masse-% oder weniger Schwefel, 2,90 Masse-% oder mehr und 3,80 Masse-% oder weniger Chrom sowie 0,20 Masse-% oder mehr und 0,40 Masse-% oder weniger Molybdän, wobei der Rest aus Eisen und einer unvermeidbaren Verunreinigung besteht, und der Stahl einen idealkritischen Durchmesser DI, definiert durch Gleichung (1), von 600 oder mehr hat: DI = 7·(%C)1/2·(1 + 0.64·%Si)·(1 + 4.1·%Mn)·(1 + 2.83·%P)·(1 – 0.62·%S)·(1 + 2.33·%Cr)·(1 + 3.14·%Mo)(1).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Meißel und einen Stahl für einen Meißel.
Technischer Hintergrund
Ein Hydraulikhammer wird an dem vorderen Ende eines Stiels einer Arbeitsmaschine angebracht und zum Brechen von Steinen, Beton, Ofenwänden, Schlacke von der Stahlherstellung usw. eingesetzt. Der Hydraulikhammer weist einen Meißel auf, der von einem Kolben axial angetrieben wird und Steine oder dergleichen bricht. Um Abrieb zu reduzieren, der durch Kontakt mit harten Steinen oder dergleichen verursacht wird, ist hohe Abriebfestigkeit für ein Material (Stahl) erforderlich, das den Meißel bildet. Der Meißel, der ein stangenförmiges Element ist, kann durch einen Aufschlag, der beim Brechen von Steinen oder dergleichen erzeugt wird, beschädigt werden. Um Schäden zu vermeiden, ist auch hohe Zähigkeit für den Stahl erforderlich, der den Meißel bildet. Es ist ein Stahl für einen Meißel vorgeschlagen worden, dessen Zusammensetzung so angepasst worden ist, dass hohe Abriebfestigkeit und Zähigkeit erreicht werden (siehe beispielsweise die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H5-214485 (Patentdokument 1), die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H8-199287 (Patentdokument 2) sowie die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H11-131193 (Patentdokument 3)).
Liste der Anführungen
Patentdokumente

Patentdokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H5-214485
Patentdokument 2: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H8-199287
Patentdokument 3: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H11-131193

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Hydraulikhämmer werden unter zunehmend harten Bedingungen eingesetzt, und Verbesserung der Lebensdauer von Meißeln ist erforderlich. So wird ein Stahl für einen Meißel benötigt, mit dem Lebensdauer des Meißels weiter verbessert werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um diese Anforderung zu erfüllen, und ihre Aufgabe besteht darin, einen Stahl für einen Meißel sowie einen Meißel zu schaffen, mit denen bessere Lebensdauer erzielt werden kann.
Lösung des Problems
Ein Stahl für einen Meißel gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Stahl, der als ein Material eingesetzt wird, das einen Meißel bildet. Der Stahl für einen Meißel enthält 0,40 Masse-% oder mehr und 0,45 Masse-% oder weniger Kohlenstoff, 0,50 Masse-% oder mehr und 0,80 Masse-% oder weniger Silizium, 1,00 Masse-% oder mehr und 1,30 Masse-% oder weniger Mangan, 0,001 Masse-% oder mehr und 0,005 Masse-% oder weniger Schwefel, 2,90 Masse-% oder mehr und 3,80 Masse-% oder weniger Chrom sowie 0,20 Masse-% oder mehr und 0,40 Masse-% oder weniger Molybdän, wobei der Rest aus Eisen und einer unvermeidbaren Verunreinigung besteht. Ein idealkritischer Durchmesser DI, definiert durch Gleichung (1), beträgt 600 oder mehr: DI = 7·(%C)^1/2·(1 + 0.64·%Si)·(1 + 4.1%Mn)·(1 + 2.83·%P)·(1 – 0.62·%S)·(1 + 2.33·%Cr)·(1 + 3.14·%Mo) (1).
Die Entwickler der vorliegenden Erfindung haben Untersuchungen hinsichtlich der Möglichkeit angestellt, die Lebensdauer eines Meißels zu verbessern. Sie haben sich dabei auf ein Phänomen dahingehend konzentriert, dass ein Meißel durch Rissbildung wie auch durch Abrieb und Bruch aufgrund von Kontakt mit Steinen oder dergleichen beschädigt wird. Rissbildung unterscheidet sich von Bruch, bei dem ein Meißel durch einen Aufschlag beschädigt wird, und ist ein Schaden, bei dem das vordere Ende eines Meißels und seine Umgebung brüchig werden. Im Unterschied zur Bruch stellt Rissbildung keinen Schaden in einem derartigen Ausmaß dar, dass ein Meißel sofort unbrauchbar wird, sie bewirkt jedoch, dass ein Meißel im Wesentlichen in dem gleichen Maß wie in dem Zustand beschädigt wird, in dem am vorderen Ende des Meißels schneller Abrieb auftritt. Den Untersuchungen der Erfinder zufolge sind Rissbildung und Abrieb dieser Art kausale Faktoren für Beschädigung eines Meißels, der unter rauen Einsatzbedingungen eingesetzt wird.
Bei einem Meißel, der unter harten Bedingungen eingesetzt wird, steigt die Temperatur des vorderen Endes des Meißels beim Brechen von Steinen oder dergleichen auf ungefähr 600°C. Abriebfestigkeit kann dabei durch Erhöhen der Härte verbessert werden. Die Härte eines Stahls nimmt mit zunehmender Temperatur ab. So kann Abrieb des Meißels eingeschränkt werden, indem die Härte bei einer hohen Temperatur von ungefähr 600°C erhöht wird. Im Allgemeinen besteht zwischen der Härte eines Stahls bei einer hohen Temperatur und der Härte eines bei dieser hohen Temperatur angelassenen Stahls eine direkte Beziehung. So kann die Abriebfestigkeit eines Materials für einen unter harten Bedingungen einzusetzenden Meißel auf Basis einer Härte bei Raumtemperatur nach Anlassen bei einer hohen Temperatur (600°C) bewertet werden.
Rissbildung tritt jedoch auch bei einer relativ niedrigen Temperatur auf, bei der die Kerbschlagzähigkeit eines Meißels abnimmt. Bei einem unter rauen Bedingungen einzusetzenden Meißel tritt Rissbildung in einem Zustand auf, in dem das vordere Ende des Meißels beim Einsatz eine hohe Temperatur (600°C) erreicht, vorübergehend abgekühlt wird und dann erneut eingesetzt wird. So kann die Rissbeständigkeit eines Materials für einen unter rauen Bedingungen einzusetzenden Meißel auf Basis einer Kerbschlagzähigkeit bei Raumtemperatur nach Anlassen bei einer hohen Temperatur (600°C) bewertet werden.
Des Weiteren ist auch Härteverteilung in einer radialen Richtung wichtig für einen unter rauen Bedingungen einzusetzenden Meißel. Insbesondere bei einem großen Meißel (z. B. einem Meißel, dessen Durchmesser 150 mm überschreitet) kann es aufgrund eines Verhältnisses zur Härtbarkeit eines den Meißel bildenden Stahls schwierig sein, den Meißel durch Härten von einem Oberflächenabschnitt zu einem Kernabschnitt (einem radial mittigen Abschnitt) ausreichend hart zu machen. Wenn ein durch Härten ausreichend hart gemachter Bereich auf einen Oberflächenabschnitt beschränkt ist, ist ein mittels Härten nicht ausreichend hart gemachter Abschnitt beispielsweise Abrieb des Oberflächenabschnitts ausgesetzt. In diesem Fall kommt es zu schnellem Abrieb. Daher ist es bei einem Stahl für einen Meißel, der ein unter rauen Bedingungen einzusetzender Meißel ist, auch wichtig, ausreichende Härtbarkeit zu erzielen.
Das heißt, Untersuchungen durch die Erfinder zufolge ist es möglich, einen Stahl für einen Meißel zu schaffen, der vorteilhaft als ein Material für den Einsatz unter rauen Bedingungen geeignet ist, indem eine Kerbschlagzähigkeit erhöht wird und gleichzeitig hohe Härte bei Raumtemperatur nach Anlassen bei einer hohen Temperatur (600°C) beibehalten wird und auch ausreichende Härtbarkeit hergestellt wird.
Basierend auf den oben beschriebenen Erkenntnissen haben die Erfinder unter Berücksichtigung von Abriebfestigkeit, Rissbeständigkeit und Härte in einem Kernabschnitt, die für einen Meißel unter realen Einsatzbedingungen erforderlich sind, eine Härte von 32 HRC oder mehr sowie eine Kerbschlagzähigkeit von 80 J/cm² oder mehr nach Anlassen bei 600°C und eine Härte von 45 HRC in dem Kernabschnitt nach Anlassen bei 210°C als Sollwerte festgelegt. Es wurden Zusammensetzungen eines Stahls geprüft, mit denen der Sollwert erreicht werden konnte. Als Ergebnis stellte sich heraus, dass mit einem Stahl, der die oben beschriebene Zusammensetzung hat, der Sollwert erreicht werden kann, woraus die vorliegende Erfindung resultierte. Das heißt, eine Härte eines Kernabschnitts von 45 HRC oder mehr kann erreicht werden, indem ein Prozess des Abschreckens und Anlassens bei einem Stahl durchgeführt wird, der auf die oben beschriebene Zusammensetzung aus Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Schwefel, Chrom, Molybdän und Phosphor, der als Verunreinigung enthalten ist, eingestellt ist. Mit Blick auf Einsatzbedingungen können in einem Zustand, in dem weiteres Anlassen bei 600°C durchlaufen wird, eine Härte bei Raumtemperatur von 32 HRC oder mehr und eine Kerbschlagzähigkeit von 80 J/cm² oder mehr erreicht werden. So kann mit dem Stahl für einen Meißel gemäß der vorliegenden Erfindung die Lebensdauer verbessert werden.
Bei dem Stahl für einen Meißel beträgt ein in Gleichung (1) definierter DI-Wert 600 oder mehr. Ein Anteil eines Martensitgefüges in einem Kernabschnitt eines Stahlmaterials (Stabstahl) mit einem Durchmesser von mehr als 150 mm wird mittels Abschreckung mit Öl erzielt, und so kann eine ausreichende Härte eines Kernabschnitts selbst bei einem großen Meißel erreicht werden. Um dies zu erzielen, muss der DI-Wert 600 oder mehr betragen. DI = 7·(%C)^1/2·(1 + 0.64·%Si)·(1 + 4.1·%Mn)·(1 + 2.83·%P)·(1 – 0.62·%S)·(1 + 2.33·%Cr)·(1 + 3.14·%Mo) (1)
Bei dem Stahl für einen Meißel kann ein Wert von α, der durch Gleichung (2) definiert wird, 2,0 oder mehr und 2,4 oder weniger betragen. In diesem Fall können hohe Werte der Härte und der Kerbschlagzähigkeit nach Anlassen bei hoher Temperatur erreicht werden, und die Lebensdauer des Meißels kann weiter verbessert werden. α = 5·%C + 3·%Si + %Mo – 2·%Mn – 10·%S (2)
in den Gleichungen (1) und (2) geben %C, %Si, %Mn %P, %S, %Cr und %Mo jeweils numerische Werte an, mit denen Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Phosphor, Schwefel, Chrom und Molybdän in dem Stahl in Masse-% repräsentiert werden. Phosphor ist in dem Stahl als Verunreinigung enthalten.
Ein Meißel gemäß der vorliegenden Erfindung besteht aus einem Stahl, der 0,40 Masse-% oder mehr und 0,45 Masse-% oder weniger Kohlenstoff, 0,50 Masse-% oder mehr und 0,80 Masse-% oder weniger Silizium, 1,00 Masse-% oder mehr und 1,30 Masse-% oder weniger Mangan, 0,001 Masse-% oder mehr und 0,005 Masse-% oder weniger Schwefel, 2,90 Masse-% oder mehr und 3,80 Masse-% oder weniger Chrom sowie 0,20 Masse-% oder mehr und 0,40 Masse-% oder weniger Molybdän enthält, wobei der Rest aus Eisen und einer unvermeidbaren Verunreinigung besteht und ein idealkritischer Durchmesser DI, definiert durch Gleichung (1), 600 oder mehr beträgt.
Bei dem Meißel kann ein Wert von α, der durch Gleichung (2) definiert wird, 2,0 oder mehr und 2,4 oder weniger betragen.
Wenn der Stahl für einen Meißel gemäß der vorliegenden Erfindung als ein einen Meißel bildendes Material eingesetzt wird, können sowohl hohe Abriebfestigkeit als auch hohe Rissbeständigkeit erreicht werden. Dadurch kann ein Meißel mit hoher Lebensdauer geschaffen werden.
Bei dem Meißel kann eine Härte einer Oberfläche bei Raumtemperatur nach Erhitzen auf 600°C 32 HRC oder mehr betragen, und ein die Oberfläche einschließender Bereich kann eine Kerbschlagzähigkeit von 80 J/cm² oder mehr haben. In diesem Fall kann ein Meißel mit hoher Lebensdauer geschaffen werden.
Bei dem Meißel kann ein Kernabschnitt eine Härte von 45 HRC oder mehr haben. In diesem Fall kann ein Meißel mit höherer Lebensdauer geschaffen werden.
Im Folgenden wird beschrieben, warum die Zusammensetzung des Stahls auf den oben beschriebenen Bereich begrenzt ist.
Kohlenstoff: 0,40 Masse-% oder mehr und 0,45 Masse-% oder weniger
Kohlenstoff ist ein Element, das Härte eines Stahls erheblich beeinflusst. Wenn der Kohlenstoffgehalt weniger als 0,40 Masse-% beträgt, ist es schwierig, Härte bei hohen Temperaturen zu erreichen, die erforderlich ist, um ausreichende Abriebbeständigkeit zu erreichen. Wenn hingegen der Kohlenstoffgehalt 0,45 Masse-% überschreitet, nimmt die Zähigkeit ab, und es wird schwierig, eine Kerbschlagzähigkeit bei hohen Temperaturen zu erreichen, die erforderlich ist, um ausreichende Rissbeständigkeit zu erreichen. So muss der Kohlenstoffgehalt auf den oben beschriebenen Bereich beschränkt werden.
Silizium: 0,50 Masse-% oder mehr und 0,80 Masse-% oder weniger
Silizium ist ein Element, das eine desoxidierende Wirkung beim Stahlherstellungsprozess hat und gleichzeitig beispielsweise Verbesserung der Härtbarkeit eines Stahls, Festigkeit der Matrix eines Stahls sowie Beständigkeit gegenüber Erweichung beim Anlassen bewirkt. Wenn der Siliziumgehalt weniger als 0,50 Masse-% beträgt, können diese Vorteile nicht ausreichend erzielt werden. Wenn hingegen der Siliziumgehalt 0,80 Masse-% überschreitet, neigt die Kerbschlagzähigkeit dazu, nach Anlassen bei hoher Temperatur abzunehmen. Daher muss der Siliziumgehalt in dem oben beschriebenen Bereich liegen. Der Siliziumgehalt beträgt vorzugsweise 0,60 Masse-% oder mehr.
Mangan: 1,00 Masse-% oder mehr und 1,30 Masse-% oder weniger.
Mangan ist ein Element, das Verbesserung der Härtbarkeit eines Stahls bewirkt und eine desoxidierende Wirkung beim Stahlherstellungsprozess hat. Um Härten eines Meißels von der Oberfläche bis zu einen Kernabschnitt beim Abschrecken zu ermöglichen, muss der Mangangehalt 1,00 Masse-% oder mehr betragen. Wenn jedoch der Mangangehalt 1,30 Masse-% überschreitet, kann die Segregation an der Korngrenze von Mangan ausgeprägt sein. Daher muss der Mangangehalt 1,30 Masse-% oder weniger betragen. Vorzugsweise beträgt der Mangangehalt 1,20 Masse-% oder weniger.
Schwefel: 0,001 Masse-% oder mehr und 0,005 Masse-% oder weniger.
Schwefel ist ein Element, das die Bearbeitbarkeit eines Stahls verbessert. Schwefel ist darüber hinaus ein Element, das beim Stahlherstellungsprozess beigemischt wird, selbst wenn es nicht bewusst zugesetzt wird. Wenn der Schwefelgehalt weniger als 0,001 Masse-% beträgt, nehmen die Herstellungskosten für einen Stahl zu. Den Untersuchungen der Erfinder zufolge beeinflusst jedoch bei der Zusammensetzung des Stahls für einen Meißel gemäß der vorliegenden Erfindung der Schwefelgehalt erheblich die Kerbschlagzähigkeit nach Anlassen bei hoher Temperatur, das heißt die Rissbeständigkeit. Wenn der Schwefelgehalt 0,005 Masse-% überschreitet, ist es schwierig, die Kerbschlagzähigkeit nach Anlassen bei hoher Temperatur auf 80 J/cm² oder mehr zu erhöhen. So muss der Schwefelgehalt, auch wenn ein bestimmter Grad der Abnahme der Bearbeitbarkeit zulässig ist, 0,005 Masse-% oder weniger betragen. Wenn der Schwefelgehalt auf 0,004 Masse-% oder weniger reduziert wird, kann die Kerbschlagzähigkeit nach Anlassen bei hoher Temperatur weiter erhöht werden.
Chrom: 2,90 Masse-% oder mehr und 3,80 Masse-% oder weniger
Chrom verbessert die Härtbarkeit eines Stahls. Um Härten eines Meißels von der Oberfläche bis zu einen Kernabschnitt beim Abschrecken zu ermöglichen, muss der Chromgehalt 2,90 Masse-% oder mehr betragen. Ein zu großer Zusatz an Chrom kann jedoch Härterisse bewirken. Um Härterisse zu vermeiden, muss der Chromgehalt 3,80 Masse-% oder weniger betragen. Vorzugsweise beträgt der Chromgehalt 3,60 Masse-% oder weniger.
Molybdän: 0,20 Masse-% oder mehr und 0,40 Masse-% oder weniger
Molybdän verbessert die Härtbarkeit und erhöht die Beständigkeit gegenüber Erweichen beim Anlassen. Eine Funktion von Molybdän besteht auch darin, die Sprödigkeit beim Anlassen bei hoher Temperatur zu verbessern. Wenn der Molybdängehalt weniger als 0,20 Masse-% beträgt, sind diese Vorteile unzureichend ausgeprägt. Wenn hingegen der Molybdängehalt 0,40 Masse-% überschreitet, treten die oben beschriebenen Vorteile zu ausgeprägt auf. Daher muss der Molybdängehalt in dem oben beschriebenen Bereich liegen. Wenn der Molybdängehalt auf 0,35 Masse-% oder weniger reduziert wird, können die Herstellungskosten für einen Stahl reduziert werden.
Effekte der Erfindung
Wie aus der oben stehenden Beschreibung ersichtlich wird, können mit der vorliegenden Erfindung ein Stahl für einen Meißel und ein Meißel geschaffen werden, mit denen verbesserte Lebensdauer erzielt werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht, die schematisch einen Aufbau eines Hydraulikhammers zeigt;
2 ist ein Flussdiagramm, das schematisch einen Prozess zum Herstellen eines Meißels darstellt;
3 ist ein Diagramm, dass eine Beziehung zwischen der Härte einer Probe und einer Kerbschlagzähigkeit darstellt; und
4 ist ein Diagramm, das eine Verteilung einer Härte einer Probe in einer radialen Richtung darstellt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In den folgenden Zeichnungen sind die gleichen oder entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und Beschreibung derselben wird nicht wiederholt.
Ein Stahl für einen Meißel gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann als ein Material eingesetzt werden, das einen in einem Hydraulikhammer enthaltenen Meißel bildet, der als ein Beispiel beschrieben wird. 1 ist eine Schnittansicht, die schematisch einen Aufbau eines Hydraulikhammers zeigt. Ein Hydraulikhammer 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält, wie unter Bezugnahme auf 1 zu sehen ist, einen Meißel 10, einen Kolben 20 und ein Gehäuse 30.
Der Meißel 10 hat die Form einer Stange. Der Meißel 10 enthält einen zylindrischen Sockelteil 12 und einen konischen Teil 11, der mit dem Sockelteil 12 verbunden ist und dessen Querschnittsfläche vertikal zu der axialen Richtung zu dem vorderen Ende 11A hin abnimmt. Ein annähernd flacher Teil 12A, der ein flacher Teil ist, der die axiale Richtung schneidet, befindet sich an einem hinteren Ende, das dem vorderen Ende 11A in der axialen Richtung gegenüberliegt. Ein Ende des Meißels 10 nahe an dem hinteren flachen Teil 12A in der axialen Richtung ist von dem Gehäuse 30 umschlossen, und ein Ende des Meißels 10 nahe an dem vorderen Ende 11A steht von dem Gehäuse 30 vor. Eine Aussparung 12B ist in einem Bereich des Meißels 10 ausgebildet, der von dem Gehäuse 30 umschlossen ist. Ein Anschlagbolzen 50 ist in einem Bereich einer Innenumfangsfläche des Gehäuses 30 angeordnet, der der Aussparung 12B entspricht.
Der Kolben 20 hat die Form einer Stange. Der Kolben 20 ist in einem von dem Gehäuse 30 umschlossenen Bereich angeordnet. Der Kolben 20 ist koaxial zu dem Meißel 10 angeordnet. Ein vorderer flacher Teil 21, der ein die axiale Richtung schneidender flacher Teil ist, ist an dem vorderen Ende des Kolbens 20 ausgebildet. Der Meißel 10 und der Kolben 20 sind so angeordnet, dass der vordere flache Teil 21 des Kolbens 20 dem hinteren flachen Teil 12A des Meißels zugewandt ist. Der Kolben 20 wird so gehalten, dass er relativ zu dem Gehäuse 30 axial bewegt werden kann.
Der Kolben 20 bewegt sich in der axialen Richtung und schlägt auf den Meißel 10 auf, so dass eine Schlagkraft auf den Meißel 10 übertragen wird. In einer Aufschlagkammer (hit chamber) 31, die an dem Innenumfang des Gehäuses 30 ausgebildet ist, bewirkt Kontakt des vorderen flachen Teils 21 des Kolbens 20 mit dem hinteren flachen Teil 12A des Meißels 10, dass eine Schlagkraft von dem Kolben 20 auf den Meißel 10 übertragen wird. Der Meißel 10 bricht mit der übertragenen Schlagkraft Steine oder dergleichen.
Eine Kammer 32, die Hydraulik Öl zum Antreiben des Kolbens 20 aufnimmt, ist zwischen dem Kolben 20 und dem Gehäuse 30 ausgebildet. Ein Steuerventil-Mechanismus 40 ist an einer seitlichen Fläche des Gehäuses 30 angeordnet. Die Zufuhr von Hydrauliköl von dem Steuerventil-Mechanismus 40 zu der Kammer 32 bewirkt, dass der Kolben 20 in der axialen Richtung angetrieben wird und auf den Meißel 10 aufschlägt. Der Meißel 10 bricht mit der von dem Kolben 20 übertragenen Schlagkraft Steine oder dergleichen.
Wenn der so aufgebaute Meißel 10 in einer rauen Umgebung eingesetzt wird, steigt die Temperatur in der Nähe seines vorderen Endes 11A auf ungefähr 600°C. Bei dem Meißel 10, der in einer derartigen Umgebung eingesetzt wird, sind die Härte und die Kerbschlagzähigkeit nach Anlassen bei einer hohen Temperatur (600°C) erhöht und ist die Härte des Kernabschnitts nach Anlassen (nach Anlassen bei 210°C), das zum Lösen von Spannungen nach dem Abschrecken durchgeführt wird, erhöht. So können Abriebfestigkeit und Rissbeständigkeit verbessert werden, und damit kann lange Lebensdauer erreicht werden. Der Meißel 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform besteht aus einem Stahl für einen Meißel, der 0,40 Masse-% oder mehr und 0,45 Masse-% oder weniger Kohlenstoff, 0,50 Masse-% oder mehr und 0,80 Masse-% oder weniger Silizium, 1,00 Masse-% oder mehr und 1,30 Masse-% oder weniger Mangan, 0,001 Masse-% oder mehr und 0,005 Masse-% oder weniger Schwefel, 2,90 Masse-% oder mehr und 3,80 Masse-% oder weniger Chrom sowie 0,20 Masse-% oder mehr und 0,40 Masse-% oder weniger Molybdän enthält, wobei der Rest aus Eisen und einer unvermeidbaren Verunreinigung besteht und ein idealkritischer Durchmesser DI, definiert durch Gleichung (1), 600 oder mehr beträgt.
Der Meißel 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, der aus dem oben beschriebenen Stahl besteht, hat eine Härte von 32 HRC oder mehr an der Oberfläche bei Raumtemperatur nach Erhitzen auf 600°C und eine Kerbschlagzähigkeit von 80 J/cm² oder mehr in einem Bereich, der die Oberfläche einschließt. Bei dem Meißel 10 beträgt die Härte des Kernabschnitts (Härte nach Anlassen zum Reduzieren von Spannungen nach Abschrecken) 45 HRC oder mehr. So weiß der Meißel 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform lange Lebensdauer unter harten Bedingungen auf.
Bei dem Stahl für einen Meißel, aus dem der Meißel 10 besteht, kann der Wert von α, der durch Gleichung (2) definiert wird, 2,0 oder mehr und 2,4 oder weniger betragen. In diesem Fall können hohe Werte der Härte und der Kerbschlagzähigkeit nach Anlassen bei hoher Temperatur erzielt werden, und die Lebensdauer des Meißels 10 kann weiter verbessert werden.
Bei dem Stahl für einen Meißel, aus dem der Meißel 10 besteht, beträgt der Gehalt an Phosphor, der als eine Verunreinigung enthalten ist, vorzugsweise 0,020 Masse-% oder weniger. In diesem Fall kann der Einfluss von Phosphor auf die Zähigkeit reduziert werden. Der Gehalt an Phosphor beträgt noch besser 0,015 Masse-% oder weniger. Damit kann die Kerbschlagzähigkeit nach Anlassen bei hoher Temperatur erhöht werden und kann Rissbeständigkeit des Stahls für einen Meißel weiter verbessert werden.
Im Folgenden wird ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen des Meißels 10 unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. 2 ist ein Flussdiagramm, das schematisch einen Prozess zum Herstellen eines Meißels darstellt. Bei dem Verfahren zum Herstellen des Meißels 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird ein Schritt zum Fertigen eines Stahlmaterials als Schritt (S10) durchgeführt. In diesem Schritt (S10) wird beispielsweise ein massives zylindrisches Stahlmaterial gefertigt, das die oben beschriebene Zusammensetzung des Stahls für einen Meißel hat.
Ein Bearbeitungsschritt wird als Schritt (S20) durchgeführt. In diesem Schritt (S20) wird Bearbeitung, wie beispielsweise Spanen, an dem in Schritt (S10) gefertigten Stahlmaterial durchgeführt. So wird dem Material eine grobe Form des Meißels 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform verliehen.
Anschließend wird ein Abschreck-Schritt als Schritt (S30) durchgeführt. In diesem Schritt (S30) wird der in Schritt (S20) hergestellte geformte Körper Abschrecken unterzogen. Das Abschrecken wird so durchgeführt, dass der in einem atmosphärischen Ofen auf eine Temperatur von ungefähr 870°C erhitzte geformte Körper beispielsweise Kühlen mit Öl oder Kühlen mit Wasser unterzogen wird.
Anschließend wird ein Anlass-Schritt als Schritt (S40) durchgeführt. In diesem Schritt (S40) wird Anlassen an dem in Schritt (S30) Abschrecken unterzogenen geformten Körper durchgeführt. Das Anlassen wird so durchgeführt, dass der auf 210°C in einem Heizofen erhitzte geformte Körper Kühlen mittels Luft unterzogen wird.
Ein Fertigbearbeitungs-Schritt wird als Schritt (S50) durchgeführt. In diesem Schritt (S50) wird je nach Notwendigkeit ein Fertigbearbeitungs-Prozess, wie beispielsweise Schneiden, Schleifen, Sandstrahlen oder Beschichten an dem in Schritt (S40) Anlassen unterzogenen geformten Körper durchgeführt. Mit dem oben beschriebenen Verfahren kann der Meißel 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform hergestellt werden.
Ein Stahlmaterial, das aus einem Stahl für einen Meißel besteht und die oben beschriebene Zusammensetzung hat, wird, wie oben beschrieben, verarbeitet, um einen geformten Körper herzustellen, und der geformte Körper wird der Wärmebehandlung und anschließend je nach Notwendigkeit der Fertigbearbeitungs-Behandlung unterzogen, um so den Meißel 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform herzustellen. Selbst wenn dieser Meißel 10 unter rauen Bedingungen dahingehend eingesetzt wird, dass der Meißel durch Erhitzen angelassen wird und die Temperatur an seinem hinteren Ende auf ungefähr 600°C erhöht wird, können mit dem Meißel hohe Abriebfestigkeit und hohe Rissbeständigkeit erreicht werden.
Beispiele
Es wurden Versuche durchgeführt, um Zusammensetzungen zu ermitteln, die sich für einen Stahl für einen Meißel eignen, der unter rauen Bedingungen eingesetzt werden soll. Diese Versuche wurden mit dem folgenden Verfahren durchgeführt.
Zunächst wurden Stahlmaterialien mit den in der folgenden Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen gefertigt. Die Stahlmaterialien wurden durch schnelles Abkühlen von 870°C abgeschreckt und anschließend, um sie anzulassen, auf 200°C erhitzt, um so Proben herzustellen. Angesichts der Einsatzumgebung der Meißel wurden die Proben auf 600°C erhitzt, um sie Anlassen zu unterziehen. Die Härte und die Kerbschlagzähigkeit der entstehenden Proben wurden gemessen. Die Härte wurde mit einem Rockwell-Härteprüfgerät gemessen. Die Kerbschlagzähigkeit wurde mit einem 2-mm-Kerbschlagbiegeversuch (2-mm V-notch Charpy impact test) gemessen (Form der Probe: Länge von 55 mm; quadratischer Querschnitt mit einer Seitenlänge von 10 mm; Kerbtiefe von 2 mm; Kerbwinkel von 45°; und Kerbgrund-Radius von 0,25 mm).
Tabelle 1 zeigt eine Auflistung von Werten für Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn), Phosphor (P), Schwefel (S), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Niob (Nb), Vanadium (V), Titan (Ti) und Bor (B) für jeden Stahl in Masse-%. Der Rest besteht aus Eisen und einer oder mehreren unvermeidbaren Verunreinigung/en. Obwohl Phosphor eine unvermeidbare Verunreinigung ist, ist er angesichts seines starken Einflusses auf die Kerbschlagzähigkeit in der Tabelle enthalten. Tabelle 1 zeigt darüber hinaus Werte für die Härte (HRC) und die Kerbschlagzähigkeit (J/cm²), die mit den oben beschriebenen Beispielen erreicht wurden. Tabelle 1 zeigt des Weiteren Werte des durch Gleichung (1) definierten idealkritischen Durchmessers DI. Weiterhin zeigt Tabelle 1 Werte von α, definiert durch Gleichung (2).
Tabelle 1
Die Materialien A bis E in Tabelle 1 sind Stähle für Meißel der vorliegenden Erfindung (Beispiele), und die Materialien F bis N sind Stähle, die nicht in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen (Vergleichsbeispiele). 3 zeigt Beziehungen zwischen der Härte und der Kerbschlagzähigkeit aus den Stählen hergestellter Proben. In 3 stellt die Abszisse die Härte bei Raumtemperatur nach Anlassen bei 600°C dar und stellt die Ordinate die Kerbschlagzähigkeit bei Raumtemperatur nach Anlassen bei 600°C dar. In 3 sind Datenpunkte der Proben der Beispiele als Kreise dargestellt und Datenpunkte der Proben der Vergleichsbeispiele als Rauten dargestellt.
Wie unter Bezugnahme auf Tabelle 1 und 3 zu sehen ist, erreichten die Materialien A bis E als Stähle für Meißel der vorliegenden Erfindung Härten von 32 HRC und mehr sowie Werte der Kerbschlagzähigkeit von 80 J/cm² oder mehr, die Sollwerte nach Anlassen bei 600°C sind. Die Materialien der Vergleichsbeispiele mit Werten von α außerhalb des Bereiches von einschließlich 2,0 bis einschließlich 2,4 wiesen bis auf Material F Werte der Härte und Kerbschlagzähigkeit unter den Sollwerten auf. Die Materialien der Beispiele, die Werte von α innerhalb des Bereiches von einschließlich 2,0 bis einschließlich 2,4 aufwiesen, erreichten hingegen Sollwerte sowohl bei der Härte als auch der Kerbschlagzähigkeit. Material F hatte einen DI-Wert unter einem Sollwert von 600. Material F wies unzureichende Härtbarkeit auf.
Des Weiteren wurde ein Experiment zum Prüfen einer Härte im Kernabschnitt für die Herstellung von Meißeln ausgeführt. Zunächst wurden massive zylindrische Stahlmaterialien mit einem Durchmesser von 160 mm und in 2 gezeigten Zusammensetzungen gefertigt. Die Stahlmaterialien wurden abgeschreckt und dann zum Anlassen auf 210°C erhitzt, um Proben herzustellen. Für Beispiel A wurde Abschrecken durchgeführt, indem Kühlen von 880°C mit Öl durchgeführt wurde. Für Beispiel B wurde Abschrecken ausgeführt, indem Kühlen von 880°C mit Wasser durchgeführt wurde. Für die Vergleichsbeispiele A und B wurde Abschrecken ausgeführt, indem Kühlen von 870°C mit Wasser durchgeführt wurde. Die Vergleichsbeispiele A und B haben Zusammensetzungen, die denen der Materialien N und M in Tabelle 1 gleichen. Die Zusammensetzungen der Materialien N und M entsprechend Zusammensetzungen von Stählen, die gegenwärtig als Stähle für Meißel eingesetzt werden. Tabelle 2
Anschließend wurde eine Härteverteilung in einem Querschnitt vertikal zu der axialen Richtung jeder Probe gemessen. Die Härtemessung wurde mit einem Rockwell-Härteprüfgerät ausgeführt. 4 zeigt die Messergebnisse.
In 4 stellt die Abszisse den Abstand zu der Oberfläche dar und stellt die Ordinate die Härte dar. Unter Bezugnahme auf 4 ist zu sehen, dass bei Stählen der Vergleichsbeispiele, die aktuell eingesetzte Stähle sind und DI-Werte unter 600 haben, nur Oberflächenabschnitte durch Abschrecken ausreichend gehärtet wurden, Kernabschnitte jedoch durch Abschrecken unzureichend gehärtet wurden. Die Härten in den Kernabschnitten betragen weniger als 45 HRC. Bei den Stählen der Beispiele mit DI-Werten von 600 oder mehr hingegen sind Bereiche von den Oberflächenabschnitten bis zu den Kernabschnitten durch Abschrecken ausreichend gehärtet. Obwohl Beispiel A Abschrecken mit Öl unterzogen wurde, zeigt Beispiel A eine Härteverteilung, die im Wesentlichen äquivalent zu der von Beispiel B ist, das Abschrecken mit Wasser unterzogen wurde. Die Härten in den Kernabschnitten der Beispiele A und B betragen 45 HRC oder mehr. In dem gesamten Bereich jedes Querschnitts liegt die Härte innerhalb des Bereiches von 49–54 HRC. Die Beispiele A und B weisen einheitliche Härteverteilungen auf.
Durch die oben aufgeführten Ergebnisse der Experimente wurde bestätigt, dass mit Stählen für Meißel gemäß der vorliegenden Erfindung hohe Abriebfestigkeit und Rissbeständigkeit auch beim Einsatz in einer rauen Umgebung erreicht werden konnten und diese so lange Lebensdauer aufweisen. Der Stahl für einen Meißel kann, wie unter Bezugnahme auf 1 zu sehen ist, auch als ein Stahl eingesetzt werden, der den Anschlagbolzen 50 bildet.
Es sollte klar sein, dass die hier offenbarte/n Ausführungsform und Beispiele in jeder Hinsicht veranschaulichend und nicht einschränkend sind. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Vorgaben der Patentansprüche und nicht durch die oben stehende Beschreibung definiert und soll jegliche Abwandlungen innerhalb des Schutzumfangs und der Bedeutung äquivalent zu den Vorgaben der Patentansprüche einschließen.
Ein Meißel und ein Stahl für einen Meißel gemäß der vorliegenden Erfindung können besonders vorteilhaft als ein Meißel, der in einer rauen Umgebung eingesetzt werden soll, und ein Material für einen derartigen Meißel eingesetzt werden.
Beschreibung der Bezugszeichen

1: Hydraulikhammer, 10: Meißel, 11: konischer Teil, 11A: vorderes Ende, 12: Sockelteil, 12A: hinterer flacher Teil, 1 Gehäuse, 31: 2B: Aussparung, 20: Kolben, 21: vorderer flacher Teil, 30: Gehäuse, 31: Aufschlagkammer, 32: Kühlkammer, 40: Steuerventil-Mechanismus und 50: Anschlagbolzen.

Claims

Stahl für einen Meißel, der als ein Material eingesetzt wird, das einen Meißel bildet, wobei der Stahl enthält: 0,40 Masse-% oder mehr und 0,45 Masse-% oder weniger Kohlenstoff, 0,50 Masse-% oder mehr und 0,80 Masse-% oder weniger Silizium, 1,00 Masse-% oder mehr und 1,30 Masse-% oder weniger Mangan, 0,001 Masse-% oder mehr und 0,005 Masse-% oder weniger Schwefel, 2,90 Masse-% oder mehr und 3,80 Masse-% oder weniger Chrom sowie 0,20 Masse-% oder mehr und 0,40 Masse-% oder weniger Molybdän, wobei der Rest aus Eisen und einer unvermeidbaren Verunreinigung besteht, und der Stahl einen idealkritischen Durchmesser DI, definiert durch Gleichung (1), von 600 oder mehr hat: DI = 7·(%C)^1/2·(1 + 0.64·%Si)·(1 + 4.1·%Mn)·(1 + 2.83·%P)·(1 – 0.62·%S)·(1 + 2.33·%Cr)·(1 + 3.14·%Mo) (1)
Stahl für einen Meißel nach Anspruch 1, wobei ein Wert von α, der durch Gleichung (2) definiert wird, 2,0 oder mehr und 2,4 oder weniger beträgt: α = 5·%C + 3·%Si + %Mo – 2·%Mn – 10·%S (2)
Meißel, der aus einem Stahl besteht, der enthält: 0,40 Masse-% oder mehr und 0,45 Masse-% oder weniger Kohlenstoff, 0,50 Masse-% oder mehr und 0,80 Masse-% oder weniger Silizium, 1,00 Masse-% oder mehr und 1,30 Masse-% oder weniger Mangan, 0,001 Masse-% oder mehr und 0,005 Masse-% oder weniger Schwefel, 2,90 Masse-% oder mehr und 3,80 Masse-% oder weniger Chrom sowie 0,20 Masse-% oder mehr und 0,40 Masse-% oder weniger Molybdän, wobei der Rest aus Eisen und einer unvermeidbaren Verunreinigung besteht, und der Stahl einen idealkritischen Durchmesser DI, definiert durch Gleichung (1), von 600 oder mehr hat: DI = 7·(%C)^1/2·(1 + 0.64·%Si)·(1 + 4.1·%Mn)·(1 + 2.83·%P)·(1 – 0.62·%S)·(1 + 2.33·%Cr)·(1 + 3.14·%Mo) (1)
Meißel nach Anspruch 3, wobei ein Wert von α, der durch Gleichung (2) definiert wird, 2,0 oder mehr und 2,4 oder weniger beträgt: α = 5·%C + 3·%Si + %Mo – 2·%Mn – 10·%S (2)
Meißel nach Anspruch 3 oder 4, wobei eine Härte einer Oberfläche bei Raumtemperatur nach Erhitzen auf 600°C 32 HRC oder mehr beträgt, und ein die Oberfläche einschließender Bereich eine Kerbschlagzähigkeit von 80 J/cm² oder mehr hat.
Meißel nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei ein Kernabschnitt eine Härte von 45 HRC oder mehr hat.