DE3734354C2 - Gewindekupplung für Bohrgestänge von Schlagbohrmaschinen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gewindekupplung für Bohrgestänge von Schlagbohrmaschinen, genauer gesagt den Teil einer Bohrstange, der aus einer Stange oder einer Muffe besteht, und der mit einem Gewindeabschnitt für einen Eingriff in eine andere mit einem entsprechenden Gegengewinde versehenen Bohr­ stange vorgesehen ist.

Verschiedene Typen von Gewindekupplungen für Schlagbohrmaschinen sind bekannt, bei denen die Flankenwinkel und Steigungswinkel der Gewinde variiert wurden, um die Schraubverbindung bezüglich jener Schlagkräfte, die auf die Schraubenverbindungen einwirken, zu optimieren. Es ist jedoch noch immer ein Problem, daß wegen jener erhöhten Schlagkräfte, die in modernen Bohrmaschinen angewendet werden, ein zu schneller Verschleiß eintritt. Die Hauptgründe für zu schnellen Verschleiß solcher Schraubverbin­ dungen sind Pittingverschleiß infolge örtlichen Erhitzens unter Bildung von Reibungsmartensit.

Aus dem US-Patent Nr. 4,468,309 ist eine Rohrverbindung mit einem konischen Gewinde bekannt, bei welcher mindestens eines der Gewinde durch Ionenplattierung beschichtet ist, wobei vor­ zugsweise eine untere harte Schicht kontinuierlich in eine Schicht aus weicherem Material übergeht. Die Grenzfläche zwi­ schen dem Grundmaterial und der unteren Beschichtungslage bildet dabei unvermeidlich einen sprunghaften Übergang, wobei die Haftung zwischen den Atomen der Materialien über die Grenzfläche hinweg weniger fest ist als innerhalb der jeweiligen Schichten. In dem US-Patent 4,474,651 wird eine konische Gewindeverbindung zwischen Rohren und Rohrmuffen beschrieben, bei welcher die Gewindebereiche galvanisch beschichtet sind, um eine dichte und verschleißfreie Gewindeverbindung für Ölförderrohre herzustel­ len. Die Bindung einer galvanisch aufgebrachten Schicht an das Grundmaterial ist noch weniger fest als im Falle der Ionenplat­ tierung.

Wenn Beschichtungen der vorstehend erwähnten Art für die Gewin­ deverbindung von Muffen und Stangen eines Schlagbohrgestänges verwendet werden, so tritt im Gebrauch eine übermäßige Erwärmung durch Reibung auf, die zu martensitischen Umwandlungen im Stahl­ gefüge der Bohrstangen und/oder der Muffe führt.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, Gewindekupplungen für Bohrgestänge von Schlagbohrmaschinen der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchen im Gebrauch ein geringeres Maß an Reibungswärme entsteht, so daß die Versprödung des Gestänges im Gewindebereich und damit ein frühzeitiger Bruch im allgemeinen vermieden wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Gewinde mit einer Verschleißbeschichtung versehen ist, die aus einem metallischen Material besteht, welches weicher ist als das der Stange und welches schmelzmetallurgisch auf die Stange aufgebracht ist. Ein geeignetes Verschleißbeschichtungsmaterial ist ein im Handel erhältliches Bronzematerial, wie beispielsweise Kupferbronze oder Aluminiumbronze.

Die Erfindung wird nun weiter im einzelnen in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben, in welcher

Fig. 1 eine geschnittene Längsdarstellung einer herkömmlichen Gewindekupplung ist,

Fig. 2 ein vergrößerter Längsschnitt der Gewindekupplung von Fig. 1 ist,

Fig. 3 ein teilweise vergrößerter Axialschnitt der auf der Bohrstange nach der vorliegenden Erfindung aufge­ brachten Verschleißbeschichtung ist,

Fig. 4 ein vergrößerter Schnitt der Verschleißbeschichtung gemäß Fig. 3 ist,

Fig. 5 ein Axialschnitt einer Bohrstange nach einer alterna­ tiven Ausführungsform der Erfindung ist,

Fig. 6 ein vergrößerter Axialschnitt der auf der Bohrstange gemäß Fig. 5 aufgebrachten Verschleißbeschichtung ist,

Fig. 7 eine Verbindungshülse ist, die mit einer Verschleiß­ beschichtung nach der Erfindung versehen ist, und

Fig. 8 ein vergrößerter Schnitt der Verschleißbeschichtung gemäß Fig. 7 ist.

Die Schraubverbindung, die in Fig. 1 gezeigt ist, besitzt zwei mit Außengewinde versehene Endabschnitte zweier Bohr­ stangen 10 und 11, die durch eine mit Innengewinde versehene Verbindungshülse 12 zusammengehalten werden. Beide Bohrstan­ gen 10 und 11 und die Muffe 12 bestehen aus gehärtetem Stahl.

Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform sind die oberen Abschnitte 13 und die unteren Abschnitte 14 sanft abgerundet, während die dazwischenliegenden Druckflanken des Gewindes teilweise gerade sind. Die Muffe 12 ist in ähnlicher Weise mit sanft gerundeten Oberabschnitten 16 und Grundabschnit­ ten 17 und teilweise geraden Gewindeflanken 18 dazwischen versehen. Die Gewinde stoßen nur entlang der Gewindeflanken­ abschnitte 15 bzw. 18 aneinander. Die Übergangsbereiche zwischen den Gewindeflanken und den Bergen und Tälern der Stange 10 und der Muffe 12 sind sanft abgerundet, um Bereiche für Er­ mündungsrisse auszuschalten. Der Flankenwinkel der Gewindeflan­ ken 15 und 18, der bezüglich der Bohrachse gemessen wird, liegt normalerweise im Bereich von 25 bis 40°, während gleichzei­ tig die Gewindesteigungen bei 6,5 bis 9° liegen.

Gemäß der Erfindung ist der Gewindeabschnitt der Stangen 10, 11 mit einer Verschleißbeschichtung in der Form einer Schicht 19 versehen, die metallurgisch an die Stange 10, 11 gebunden ist. Diese Verschleißbeschichtung 19 soll aus einem metalli­ schen Material bestehen, das weicher als das Material ist, aus welchem die Gewindestange hergestellt wurde. Es ist die Absicht, daß eine solche Schicht eine bestimmte Schmierwir­ kung für den Stahl ergibt. Als ein geeignetes Material für eine solche Verschleißbeschichtung kann Kupferbronze oder Aluminiumbronze erwähnt werden, obwohl auch andere weichere Materialien als Stahl verwendet werden könnten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verschleißbeschichtung 19 als eine entlang dem gesamten Gewindeabschnitt und im wesentlichen konstanter Schichtdicke kontinuierlich aufgebrachte Schicht vorgesehen. Unter Be­ rücksichtigung der Tatsache, daß bei solchen Gewindeverbin­ dungen nur eine der Gewindeflanken in Kontakt zum anderen Gewinde kommt, wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist es auch mög­ lich, die Schicht 20 auf den Gewindeabschnitt in einem Spi­ ralmuster aufzubringen, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist. In einem solchen Fall sollte diese Schicht 20 so aufgebracht werden, daß sie die gesamte anliegende Gewindeflanke und auch einen wesentlichen Abschnitt des Bodenbereiches des Gewindes bedeckt, wie in Fig. 6 gezeigt ist, während die nichtanliegen­ den Gewindeflanken vollständig frei von einer solchen Schicht sein könnte.

Gemäß einer anderen möglichen Ausführungsform der Erfindung könnte die Verschleißbeschichtung als eine zusammenhängende Schicht entlang dem gesamten Gewindeabschnitt vorgesehen sein, deren Dicke jedoch derart variieren könnte, daß eine dickere Schicht entlang den anliegenden Flankenabschnitten des Gewindes vorgesehen wird, während eine dünnere Schicht entlang dem Restbereich des Gewindes vorgesehen ist.

Gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung könn­ te eine erste Schicht entlang dem Gewindeabschnitt vorgese­ hen sein, über welcher eine zweite Schicht 19, 20 aufge­ bracht wird. Als geeignetes Material für diese erste Schicht könnte ein Material auf Nickelbasis oder ein Material auf Kobaltbasis verwendet werden. Der Zweck einer solchen Aus­ führungsform wäre der, das Eindiffundieren von Kupfer in den Stahl in Verbindung mit der Härtung zu verhindern. Eine Zwischen­ schicht eines Materials auf Nickelbasis könnte auch verwen­ det werden, um eine verbesserte Bindung zwischen der äußeren Verschleißbeschichtung und der Bohrstange zu erhalten.

Die Verschleißbeschichtung 19, 20 wird vorzugsweise auf der Bohrstange durch Pulveraufsprühen in der Hitze aufgebracht. In einem solchen Fall muß die Stange zunächst auf eine be­ stimmte Temperatur erhitzt werden, die für Heißbesprühen et­ wa 300 bis 400°C beträgt. In Verbindung mit diesem Sprühen steigt die Temperatur der Stange. Die Stange läßt man dann abkühlen, wonach sie einer Drehoperation unterzogen wird, die dazu bestimmt ist, den gewünschten Gewindeendumriß zu ergeben. Bei Aufbringung der Beschichtung in einem Spiralmu­ ster wird die Schicht zunächst durch Aufsprühen in der Hitze aufgebracht, wonach diese Schicht von den nichtanliegenden Flankenabschnitten des Gewindes abgenommen wird. Die Ver­ schleißbeschichtung 19 kann auch nach anderen Methoden, wie durch Hartlöten oder durch MIG-, TIG- oder Elektrodenbogen- Schweißmethoden aufgebracht werden.

Außer auf Bohrstangen mit Außengewinde oder Innengewinde an beiden Enden kann eine Verschleißbeschichtung nach der Erfin­ dung auch auf einer Bohrstange mit Außengewinde an einem ih­ rer Enden und einem Innengewinde an ihrem anderen Ende auf­ gebracht werden. Eine solche Verschleißbeschichtung kann auch auf einem Adapter mit einem Keilwellenabschnitt am einen En­ de und einem Gewindeabschnitt am anderen Ende aufgebracht werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Ver­ schleißbeschichtung auf einer Bohrstange aufgebracht, deren Gewindeabschnitt gerade Berge (Spitzen), gerade Täler (Bö­ den) und gerade Gewindeflankenabschnitte dazwischen einschließt, wobei sanft gekrümmte Abschnitte als Übergänge zwischen den Bergen, Gewindeflanken und Tälern vorgesehen sind.

Die Schichtdicke dieser Verschleißbeschichtung 19, 20 sollte normalerweise geringer als 4 mm sein. Dieser empfohlene Wert sollte für Stangen mit einem Gewindedurchmesser im Bereich von 32 bis 45 mm ausgewählt werden. Für grobere Abmessungen solcher Gewindestangen könnte die Dicke dieser Verschleiß­ beschichtung etwas größer sein.

Claims (10)

1. Gewindekupplung für Bohrgestänge von Schlagbohrmaschinen, mit mindestens einer mit einem Gewindeabschnitt oder einer Gewindemuffe versehenen Bohrstange dadurch gekennzeichnet, daß das Gewinde mit einer Verschleißbeschichtung in Form einer Schicht versehen ist, die schmelzmetallurgisch auf die Stange aufgebracht ist, wobei die Beschichtung aus einem metallischen Material besteht, das weicher als jenes der Bohrstange ist.

2. Bohrstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange aus Stahl besteht und daß die Verschleißbe­ schichtung aus einem Bronzematerial besteht.

3. Bohrstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißbeschichtung als eine kontinuierlich über den gesamten Gewindeabschnitt mit im wesentlichen kon­ stanter Schichtdicke aufgebrachte Schicht vorgesehen ist.

4. Bohrstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißbeschichtung als eine diskontinuierliche Schicht derart vorgesehen ist, daß nur die sich berühren­ den Flanken mit ihr bedeckt sind.

5. Bohrstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange ein Außengewinde am einen Ende und ein Innenge­ winde am anderen Ende hat.

6. Bohrstange nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine größere Dicke an den sich berührenden Flanken und ihren benachbarten Böden oder Tälern als auf den restlichen Teilen des Gewindes hat.

7. Bohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenschicht auf Nickelbasis zwischen der Stange (10, 11) und der äußeren Verschleißbe­ schichtung (19, 20) aufgebracht ist.

8. Bohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenschicht auf Kobaltbasis zwischen der Stange (10, 11) und der äußeren Verschleißbe­ schichtung (19, 20) aufgebracht ist.

9. Bohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißbeschichtung (19, 20) auf einem Gewindeabschnitt aufgebracht ist, der aus Gewindeflankenabschnitten besteht, die um 25° bis 40° zu der Bohrerachse geneigt sind und deren Gewindesteigungs­ winkel 6,5 bis 9° beträgt.

10. Bohrstange nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißbeschichtung (19, 20) auf einem Gewinde­ abschnitt mit geraden Bergabschnitten (Spitzenabschnit­ ten), Talabschnitten (Grundabschnitten) und Gewindeflan­ kenabschnitten aufgebracht ist, wobei sanft gekrümmte Abschnitte als Übergänge zwischen den Bergen, Tälern und Flanken vorgesehen sind.