DE102010017059A1 - Method for manufacturing main body of drilling head by infiltration of matrix material-powder discharge with inflitrant, involves arranging forming section in cavity of infiltration mold - Google Patents

Method for manufacturing main body of drilling head by infiltration of matrix material-powder discharge with inflitrant, involves arranging forming section in cavity of infiltration mold Download PDF

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Michael Wilfert
Robert König
Rudolf Grau
Rodrigue Ngoumeni Yappi
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Abstract

The method involves arranging a forming section in a cavity of an infiltration mold. The forming section is manufactured from a sintered ceramic that is non-oxidic ceramic mixer. The sintered ceramic has boron nitride, aluminum nitride, titanium diboride, tungsten or boron oxide. An independent claim is also included for an infiltration forming section with a casing outer surface.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hauptkörpers eines Bohrkopfes durch Infiltrieren einer Matrixmaterial-Pulverschüttung mit einem Infiltranten gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Infiltrationsform gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6 und ein Infiltrationsformgebungsteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Desweiteren betrifft die Erfindung die Verwendung eines Formgebungsteils zur Herstellung einer Aussparung in einem Körper beim Herstellen des Körpers via Infiltrieren einer Matrixmaterial-Pulverschüttung mit einem Infiltranten.The invention relates to a method for producing a main body of a drill head by infiltrating a matrix material powder bed with an infiltrant according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to an infiltration mold according to the preamble of claim 6 and an infiltration molding according to the preamble of claim 7. Furthermore The invention relates to the use of a shaping member for producing a recess in a body during manufacture of the body via infiltration of a matrix material powder bed with an infiltrant.

Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Infiltrationsform gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6 und ein Infiltrationsformgebungsteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7 sind z. B. aus US 5,662,183 bekannt (siehe dort z. B. 3).A method according to the preamble of claim 1, an infiltration mold according to the preamble of claim 6 and an infiltration molding member according to the preamble of claim 7 are e.g. B. off US 5,662,183 known (see there eg 3 ).

US 5,662,183 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Hauptkörpers eines sog. PDC-Bohrkopfes durch Infiltrieren eines in eine Infiltrationsform eingebrachten Matrixmaterials, z. B. Wolframcarbid, mit einem Infiltranten, z. B. einer Bindemittellegierung, z. B. einer Kupferlegierung. Auf den derart gefertigten Hauptkörper werden anschließend sog. PKD-Schneidelemente aufgelötet. Insbesondere werden die Schneidelemente in entsprechend geformte Taschen bzw. Vertiefungen eingelötet, die in der Außenfläche des Hauptkörpers ausgebildet sind. Zur Ausbildung dieser Taschen werden vor dem Einfüllen des Matrixmaterials sog. Formgebungsteile bzw. Platzhalter in der Infiltrationsform angeordnet, welche während des Infiltrationsprozesses vorbestimmte Bereiche des Forminnenraums von Matrixmaterial freihalten und dadurch die Ausbildung der Taschen auf der Hauptkörper-Außenfläche ermöglichen. US 5,662,183 discloses a method of making a main body of a so-called PDC drill head by infiltrating a matrix material introduced into an infiltrant form, e.g. Tungsten carbide, with an infiltrant, e.g. B. a binder alloy, z. B. a copper alloy. Subsequently, so-called PCD cutting elements are soldered onto the main body produced in this way. In particular, the cutting elements are soldered into correspondingly shaped pockets or recesses which are formed in the outer surface of the main body. To form these pockets so-called. Forming parts or placeholders are placed in the infiltration mold before filling the matrix material, which keep during the infiltration process predetermined areas of the mold interior of matrix material and thereby allow the formation of the pockets on the main body outer surface.

Diese Formgebungsteile sind nach dem Stand der Technik zylinderförmig ausgebildet und bestehen aus Graphit (ebenso wie die Infiltrationsform). Sobald der durch Infiltrieren des Matrixmaterials geformte Hauptkörper ausreichend abgekühlt ist, werden die Infiltrationsform und die Formgebungsteile getrennt und zerlegt (z. B. zerschlagen), um den Bohrkopf-Hauptkörper freizulegen. An der Bohrkopf-Hauptkörper-Außenfläche anhaftende Graphitrückstände, insbesondere in den Taschen anhaftende Graphitrückstände der Formgebungsteile, werden in einem aufwendigen mechanischen Nachbearbeitungsprozess entfernt. Anschließend werden die Schneidelemente in die Taschen eingelötet. Die mechanische Nachbearbeitung der Taschen ist erforderlich, weil Graphit der Formgebungsteile mit dem Infiltranten reagiert bzw. sich mit diesem verbindet, so dass der aus der Form entnommene Bohrkopf-Hauptkörper an seiner Außenfläche und insbesondere in den Taschen Graphitanbackungen aufweist. Um eine stabile Anbringung und exakte Positionierung der Schneidkörper auf dem Bohrkopf-Hauptkörper zu ermöglichen, müssen die Taschen jedoch eine gewisse Oberflächengüte aufweisen, um den Lötspalt exakt einstellen zu können. Pro Tasche kann eine Nachbearbeitungszeit von mehreren Minuten anfallen, wobei an einem herkömmlichen PDC-Bohrkopf mehr als 100 Schneidkörper angeordnet sein können, so dass insgesamt ein erheblicher Aufwand an mechanischer Nachbearbeitung erforderlich sein kann. Ein weiteres Problem der im Stand der Technik verwendeten Graphitzylinder stellt die Staubentwicklung während der mechanischen Nachbearbeitung dar, welche entsprechende Maßnahmen erfordert, um den Schutz und die Sicherheit des Personals sicherzustellen. Zudem löst sich der Kohlenstoff des Graphits in gewissen Infiltranten und geht somit in das infiltrierte Matrixmaterial über, was zu unerwünschten Reaktionen führen kann:
Zudem ist es bekannt, die Platzhalter zur Ausbildung der Aussparungen als keramische Grünkörper auszubilden, d. h. als durch Kaltpressen von Partikelmaterial hergestellte Körper. Z. B. kann für einen solchen Grünkörper Siliziumcarbid verwendet werden. Nach der Entformung des Bohrkopf-Hauptkörpers durch Zerschlagen der Graphitform und Pulverisierung des Grünkörpers können an der Bohrkopf-Hauptkörper-Außenseite anhaftende Reste der Grünlingsmasse mittels Sandstrahlens entfernt werden, wodurch die für die Nachbearbeitung erforderliche Zeitspanne gegenüber der Verwendung von Graphitzylindern verkürzt werden kann. Jedoch werden bei Entformung und Nachbearbeitung gesundheitsgefährdende, Siliziumkarbid enthaltende Stäube freigesetzt, die aufwendig entsorgt werden müssen und eine potentielle Gefährdung des Personals darstellen.
These shaping parts are cylindrical in the prior art and made of graphite (as well as the infiltration). Once the main body formed by infiltrating the matrix material is sufficiently cooled, the infiltrant mold and forming members are separated and disassembled (eg, broken) to expose the drill head main body. Graphite residues adhering to the drill head main body outer surface, in particular graphite residues of the shaping parts adhering in the pockets, are removed in a complex mechanical reworking process. Subsequently, the cutting elements are soldered into the pockets. Mechanical reworking of the pockets is required because graphite of the forming members reacts with the infiltrant, so that the drill head main body removed from the mold has graphite cakes on its outer surface, and particularly in the pockets. However, in order to allow a stable attachment and exact positioning of the cutting body on the drill head main body, the pockets must have a certain surface quality in order to adjust the soldering gap exactly. Each bag may require a post-processing time of several minutes, wherein more than 100 cutting bodies can be arranged on a conventional PDC-drilling head, so that overall a considerable amount of mechanical post-processing may be required. Another problem of the graphite cylinders used in the prior art is the dust development during mechanical finishing, which requires appropriate measures to ensure the protection and safety of the personnel. In addition, the carbon of the graphite dissolves in certain infiltrants and thus passes into the infiltrated matrix material, which can lead to undesirable reactions:
In addition, it is known to form the placeholders for the formation of the recesses as ceramic green bodies, ie as body produced by cold pressing of particulate material. For example, silicon carbide can be used for such a green body. After demolding the drill head main body by crushing the graphite mold and pulverizing the green body, remnants of the green body mass adhering to the drill head main body exterior can be removed by sandblasting, whereby the time required for post-processing can be shortened over the use of graphite cylinders. However, during demoulding and reworking, hazardous dusts containing silicon carbide are released, which must be disposed of in a complicated manner and pose a potential hazard for the personnel.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Hauptkörpers eines Bohrkopfes durch Infiltrieren einer Matrixmaterial-Pulverschüttung mit einem Infiltranten anzugeben, mit dem ein Bohrkopf-Hauptkörper herstellbar ist, dessen Entformung und Nachbearbeitung vereinfacht ist. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Infiltrationsformgebungsteil und eine Infiltrationsform mit einem solchen Infiltrationsformgebungsteil bereitzustellen, wobei das Infiltrationsformgebungsteil die Ausbildung von Aussparungen in der Außenfläche des Bohrkopf-Hauptkörpers ohne das Erfordernis einer aufwendigen Entformung und Nachbearbeitung ermöglicht.It is an object of the invention to provide a method for producing a main body of a drill head by infiltrating a matrix material powder bed with an infiltrant, with which a drill head main body can be produced, the demolding and reworking is simplified. Further, it is an object of the invention to provide an infiltration molding member and an infiltrating mold with such an infiltration molding member, wherein the infiltration molding member enables the formation of recesses in the outer surface of the drill head main body without the need for elaborate demolding and reworking.

Zu diesem Zweck stellt die Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Infiltrationsform gemäß Anspruch 6 und ein Infiltrationsformgebungsteil gemäß Anspruch 7 bereit. Anspruch 9 beschreibt die Verwendung eines Formgebungsteils zur Herstellung einer Aussparung in einem Körper beim Herstellen des Körpers via Infiltrieren einer Matrixmaterial-Pulverschüttung mit einem Infiltranten. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.To this end, the invention provides a method according to claim 1, an infiltrating mold according to claim 6 and an infiltration molding member according to claim 7. Claim 9 describes the use of a shaping part for producing a recess in a body during manufacture of the body via infiltration of a matrix material. Powder bed with an infiltrant. Further embodiments are described in the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Hauptkörpers eines Bohrkopfes durch Infiltrieren einer in eine Kavität einer Infiltrationsform eingebrachten Matrixmaterial-Pulverschüttung mit einem Infiltranten wird in der Kavität der Infiltrationsform zumindest ein Formgebungsteil angeordnet, welches aus einer gesinterten Keramik hergestellt ist. Nach dem Infiltrieren der Matrixmaterial-Pulverschüttung mit dem Infiltranten wird das Formgebungsteil von dem von der infiltrierten Matrixmaterial-Pulverschüttung gebildeten Hauptkörper entfernt, so dass in dem Hauptkörper eine Aussparung zur Aufnahme eines Schneidelements ausgebildet wird.In the method according to the invention for producing a main body of a drill head by infiltrating a matrix material powder bed with an infiltrant introduced into a cavity of an infiltration mold, at least one molding part made of a sintered ceramic is arranged in the cavity of the infiltration mold. After infiltrating the matrix material powder bed with the infiltrant, the forming member is removed from the main body formed by the infiltrated matrix material powder bed so that a recess for receiving a cutting element is formed in the main body.

Der Bohrkopf kann z. B. ein Bohrkopf mit fixierten Schneidelementen sein (im Englischen „fixed cutter drill bit”). Z. B. kann der Bohrkopf ein sog. PDC-Bohrkopf sein (im Englischen „polycrystalline diamond compact drill bit”), d. h. ein mit mehreren PKD-Schneidelementen (PKD für polykristalliner Diamant) besetzter Bohrkopf.The drill head can z. B. a drill head with fixed cutting elements (in English "fixed cutter drill bit"). For example, the drill bit may be a so-called PDC drill bit. H. a drill head with multiple PCD (polycrystalline diamond PCD) cutting elements.

Als Matrixpulver kann z. B. ein Hartstoffpulver oder ein Hartstoffpulvergemisch verwendet werden. Häufig wird ein pulverförmiges Carbid oder ein Gemisch enthaltend pulverförmiges Carbid verwendet, wobei als Carbid überwiegend Wolframcarbid eingesetzt wird. Das eingesetzte Hartstoffpulver sowie die verwendete Körnung des Hartstoffpulvers bestimmen (zusammen mit dem verwendeten Infiltranten) die mechanischen Eigenschaften des Bohrkopf-Hauptkörpers, wie z. B. das Verschleißverhalten im Bohrloch. Das Matrixpulver kann zudem Additive enthalten, z. B. Additive zur Veränderung/Einstellung der Eigenschaften des Bohrkopf-Hauptkörpers oder Additive zur Verbesserung der Benetzbarkeit des Matrixpulvers durch den Infiltranten. Ein solches Additiv kann z. B. Nickel sein, das z. B. bis zu 10 Gew.-% des Matrixpulvers ausmachen kann.As a matrix powder can, for. B. a hard material powder or a hard material powder mixture can be used. Frequently, a powdered carbide or a mixture containing powdered carbide is used, wherein as carbide predominantly tungsten carbide is used. The hard material powder used and the grain size of the hard material powder used (together with the infiltrant used) determine the mechanical properties of the drill head main body, such. B. the wear behavior in the borehole. The matrix powder may also contain additives, for. B. additives for changing / adjusting the properties of the drill head main body or additives for improving the wettability of the matrix powder by the infiltrant. Such an additive may, for. B. nickel, the z. B. up to 10 wt .-% of the matrix powder can make up.

Als Infiltrant bzw. Bindemittel für das Matrixmaterial kann z. B. ein geeignetes Metall oder eine geeignete Metalllegierung verwendet werden, z. B. eine Infiltrationslegierung auf Cu-Basis. Eine typische Infiltrationslegierung auf Cu-Basis hat den Namen MF53 und besteht aus 25 Gew.-% Mn, 15 Gew.-% Ni, 8 Gew.-% Zn, Rest Cu. Das Schmelzintervall dieser Cu-Legierung liegt bei 952–1071°C. Weitere mögliche Infiltranten sind z. B. in US 5,662,183 beschrieben, z. B. ein Infiltrant, der u. a. zumindest 60 Gew.-% Ni und zumindest 8 Gew.-% Co enthält.As an infiltrant or binder for the matrix material may, for. As a suitable metal or a suitable metal alloy are used, for. B. an infiltration alloy based on Cu. A typical Cu-based infiltration alloy has the name MF53 and consists of 25% by weight of Mn, 15% by weight of Ni, 8% by weight Zn, balance Cu. The melting interval of this Cu alloy is 952-1071 ° C. Other possible infiltrants are z. In US 5,662,183 described, for. As an infiltrant containing, inter alia, at least 60 wt .-% Ni and at least 8 wt .-% Co.

Die Infiltrationsform kann z. B. aus Graphit hergestellt sein.The infiltration can z. B. made of graphite.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung eines bestimmten Matrixmaterials oder eines bestimmten Infiltranten eingeschränkt. Ebenso kann die Infiltrationsform aus einem anderen als dem genannten Material hergestellt sein. Zudem sollen von der Erfindung auch solche Fälle umfasst sein, bei denen sowohl die Infiltrationsform als auch das mindestens eine Formgebungsteil aus einer gesinterten Keramik hergestellt sind. Dabei können die Infiltrationsform und das mindestens eine Formgebungsteil entweder als separate Teile oder einstückig ausgebildet sein.However, the invention is not limited to the use of a particular matrix material or infiltrant. Likewise, the infiltration can be made of a material other than said material. In addition, the invention should also encompass such cases in which both the infiltration form and the at least one shaping part are made from a sintered ceramic. In this case, the infiltration form and the at least one shaping part can be formed either as separate parts or in one piece.

Zur Ausbildung von im Innern des Bohrkopfes verlaufenden Kanälen für die Spülflüssigkeit können z. B. ein oder mehrere verlorene Kerne aus Gusssand verwendet werden.To form running in the interior of the drill head channels for the washing liquid z. B. one or more lost cores made of cast sand can be used.

In der erfindungsgemäßen Infiltrationsform ist eine Kavität zur Aufnahme einer Matrixmaterial-Pulverschüttung ausgebildet, in der zumindest ein aus einer gesinterten Keramik hergestelltes Formgebungsteil angeordnet ist (z. B. ist das zumindest eine Formgebungsteil teilweise in einer von der Wandfläche der Kavität ausgebildeten Vertiefung aufgenommen), von dem beim Herstellen eines BohrkopfHauptkörpers via Infiltrieren einer Matrixmaterial-Pulverschüttung mit einem Infiltranten eine Aussparung zur Aufnahme eines Schneidelements in dem Hauptkörper ausgebildet wird (insb. eine zumindest teilweise ausgebildete zylinderförmige Aussparung in der Außenfläche des Hauptkörpers).In the infiltration mold according to the invention, a cavity for receiving a matrix material powder bed is arranged, in which at least one shaping part made of a sintered ceramic is arranged (eg, the at least one shaping part is partially accommodated in a depression formed by the wall surface of the cavity), wherein a recess for receiving a cutting element is formed in the main body (particularly an at least partially formed cylindrical recess in the outer surface of the main body) when forming a drill head main body by infiltrating a matrix material powder bed with an infiltrant.

Das erfindungsgemäße Infiltrationsformgebungsteil ist aus einer gesinterten Keramik hergestellt und derart ausgebildet, dass von dem Infiltrationsformgebungsteil beim Herstellen eines Bohrkopf-Hauptkörpers via Infiltrieren einer Matrixmaterial-Pulverschüttung mit einem Infiltranten eine Aussparung zur Aufnahme eines Schneidelements in dem Bohrkopf-Hauptkörper ausgebildet wird.The infiltration molding member of the present invention is made of a sintered ceramic and formed to form a recess for receiving a cutting element in the drill head main body from the infiltration molding member by producing a drill head main body by infiltrating a matrix material powder bed with an infiltrant.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird zur Ausbildung einer Aussparung in einem Körper beim Herstellen des Körpers via Infiltrieren einer Matrixmaterial-Pulverschüttung mit einem Infiltranten ein Formgebungsteil verwendet, das aus einer gesinterten Keramik hergestellt ist. Der Körper kann z. B. ein Hauptkörper eines Bohrkopfes sein. Jedoch ist die Verwendung des gesinterten Formgebungsteils nicht auf die Ausbildung von Aussparungen bei der Herstellung eines Bohrkopf-Hauptkörpers eingeschränkt. Vielmehr kann das gesinterte Formgebungsteil auch zur Ausbildung von Aussparungen bei der Herstellung anderer Formkörper verwendet werden.According to another aspect of the invention, to form a recess in a body during manufacture of the body by infiltrating a matrix material powder bed with an infiltrant, a forming member made of a sintered ceramic is used. The body can z. B. be a main body of a drill head. However, the use of the sintered forming member is not limited to the formation of recesses in the production of a drill head main body. Rather, the sintered shaping part can also be used to form recesses in the production of other shaped bodies.

Das aus einer gesinterten Keramik hergestellte Formgebungsteil hat zumindest gegenüber den aus einer Grünlingsmasse hergestellten Formgebungsteilen des Stands der Technik eine erhöhte mechanische Stabilität, so dass das Formgebungsteil leicht von dem aus dem infiltrierten Matrixmaterial gebildeten Körper entfernbar ist, z. B. durch leichtes/sanftes Rütteln des Formgebungsteils. Das gesinterte Formgebungsteil kann aufgrund seiner hohen mechanischen Stabilität dabei als Ganzes, d. h. ohne eine Zerstörung des Formgebungsteils, von dem gefertigten Körper entfernt werden, so dass es zur Herstellung eines weiteren Körpers wieder verwendbar ist. Das erfindungsgemäße Formgebungsteil muss weder zerschlagen werden (wie dies bei den Graphitzylindern des Stands der Technik üblich ist), noch muss es pulverisiert werden (wie es bei den Grünlingszylindern der Fall ist). Zudem sichert die vergleichsweise hohe Abriebfestigkeit der gesinterten Keramik eine hohe Oberflächengüte der auszubildenden Aussparungen und verhindert eine Verschleppung von Material des Formgebungsteils in Form von Abrieb in das Matrixmaterial und somit den zu fertigenden Bohrkopf-Hauptkörper, so dass das erfindungsgemäße Formgebungsteil in Infiltrationsprozessen verwendet werden kann, bei denen abrasive Materialen eingesetzt werden. Auf Grund der thermischen Stabilität der gesinterten Keramik bei den üblichen Infiltrationstemperaturen sind eine Zersetzung des Materials des Formgebungsteils durch thermische Einflüsse und/oder Reaktionen mit der Umgebung (insbesondere mit dem Matrixmaterial und dem Infiltranten), welche die Eigenschaften des zu fertigenden Körpers beeinflussen können, ausgeschlossen bzw. stark reduziert. Ferner wirkt sich die thermische Stabilität positiv auf die Lebensdauer des Formgebungsteils aus.The molding member made of a sintered ceramic has at least one of those made of a green compact Shaping parts of the prior art increased mechanical stability, so that the shaping member is easily removable from the body formed from the infiltrated matrix material, for. B. by gentle / gentle shaking of the shaping part. Due to its high mechanical stability, the sintered shaping part can thereby be removed as a whole, ie without destruction of the shaping part, from the manufactured body, so that it can be reused to produce a further body. The forming member of the invention need not be crushed (as is common in the prior art graphite cylinders), nor does it need to be pulverized (as is the case with green compacts). In addition, the comparatively high abrasion resistance of the sintered ceramic ensures a high surface quality of the recesses to be formed and prevents carryover of material of the shaping part in the form of abrasion into the matrix material and thus the drill head main body to be manufactured, so that the shaping part according to the invention can be used in infiltration processes, where abrasive materials are used. Due to the thermal stability of the sintered ceramic at the usual infiltration temperatures decomposition of the material of the shaping part by thermal influences and / or reactions with the environment (in particular with the matrix material and the infiltrant), which can influence the properties of the body to be manufactured excluded or greatly reduced. Furthermore, the thermal stability has a positive effect on the life of the shaping part.

Zudem kann aufgrund der Ausbildung des erfindungsgemäßen Formgebungsteils als gesinterte Keramik durch geeignete Auswahl der Komponenten der zu sinternden Ausgangspulvermischung die chemische Stabilität des Formgebungsteils gezielt eingestellt werden. Dadurch können Reaktionen des Materials des Formgebungsteils mit dem Matrixmaterial und/oder dem Infiltranten (und mit dem Material der Infiltrationsform) im Wesentlichen vermieden werden. Z. B. können der Ausgangspulvermischung eine oder mehrere Pulverkomponenten beigemengt werden, die bzgl. des Infiltranten eine schlechte Benetzbarkeit aufweisen, so dass die gesinterte Keramik von dem Infiltranten schlecht benetzt wird. Eine solche Komponente kann z. B. Bornitrid (BN) und/oder Aluminiumnitrid (AlN) sein. Die schlechte Benetzbarkeit begünstigt eine stoffliche Trennung von Formgebungsteil und Infiltranten und reduziert die Ausbildung eines Verbunds zwischen Formgebungsteil und Infiltranten, der zu einem erhöhten Aufwand beim Entformen des Körpers sowie zu geometrischen Ungenauigkeiten des entformten Körpers und damit zu einer aufwendigen Nachbearbeitung führen würde.In addition, due to the formation of the molding part according to the invention as a sintered ceramic by suitable selection of the components of the starting powder mixture to be sintered, the chemical stability of the shaping part can be adjusted specifically. As a result, reactions of the material of the shaping part with the matrix material and / or the infiltrant (and with the material of the infiltration form) can be substantially avoided. For example, the starting powder mixture may be admixed with one or more powder components which have poor wettability with respect to the infiltrant, such that the sintered ceramic is poorly wetted by the infiltrant. Such a component may, for. B. boron nitride (BN) and / or aluminum nitride (AlN). The poor wettability favors a physical separation of the molding part and infiltrants and reduces the formation of a bond between the molding part and infiltrants, which would lead to increased effort during removal of the body and geometric inaccuracies of the demolded body and thus to a costly rework.

Im Folgenden wird das Formgebungsteil näher beschrieben. Die in diesem Zusammenhang gemachten Angaben betreffen sowohl das erfindungsgemäße Verfahren als auch die erfindungsgemäße Infiltrationsform, das erfindungsgemäße Infiltrationsformgebungsteil und die erfindungsgemäße Verwendung.In the following, the shaping part will be described in more detail. The statements made in this connection relate both to the method according to the invention and to the infiltration form according to the invention, to the infiltration molding part according to the invention and to the use according to the invention.

Das Formgebungsteil kann z. B. eine zumindest teilweise ausgebildete im Wesentlichen zylinderförmige (z. B. kreiszylinderförmige) Mantelaußenfläche haben. Der Radius der Mantelaußenfläche ist z. B. kleiner gleich 2 cm, z. B. kleiner gleich 1,5 cm, z. B. 2,5 mm bis 1,5 cm. Z. B. hat das Formgebungsteil eine im Wesentlichen zylindrische Form, z. B. eine im Wesentlichen kreiszylindrische Form. Mehrere erfindungsgemäße Formgebungsteile können entweder einzeln vorgesehen sein oder miteinander verbunden sein. In letzterem Fall können z. B. von einem einstückig ausgebildeten Sinterteil/Sinterkörper mehrere Formgebungsteile ausgebildet sein. Das Formgebungsteil kann z. B. in die Wandfläche der Kavität eingesetzt sein/werden, so dass es gegenüber den benachbarten Wandflächenabschnitten eine Erhöhung ausbildet, die komplementär ist zu der zu bildenden Vertiefung. Diese Erhöhung kann z. B. zylinderförmig sein, mit einer zumindest teilweise ausgebildeten kreisförmigen Querschnittsfläche oder einer Kreissektor-Querschnittsfläche.The shaping part can, for. B. have an at least partially formed substantially cylindrical (eg., Circular cylindrical) outer shell surface. The radius of the outer shell surface is z. B. less than 2 cm, z. B. less than or equal to 1.5 cm, z. B. 2.5 mm to 1.5 cm. For example, the forming member has a substantially cylindrical shape, e.g. B. a substantially circular cylindrical shape. Several shaping parts according to the invention can either be provided individually or connected to one another. In the latter case, for. B. be formed by an integrally formed sintered body / sintered body several shaping parts. The shaping part can, for. B. in the wall surface of the cavity / be used, so that it forms an increase relative to the adjacent wall surface portions, which is complementary to the recess to be formed. This increase can z. B. be cylindrical, with an at least partially formed circular cross-sectional area or a circular sector cross-sectional area.

Z. B. ist das Formgebungsteil aus einem Material hergestellt, das von dem Infiltranten im Wesentlichen nicht infiltrierbar ist.For example, the forming member is made of a material that is substantially non-infiltratable by the infiltrant.

Z. B. ist die gesinterte Keramik eine Mischkeramik, z. B. eine nicht-oxydische Mischkeramik, d. h. eine Mischkeramik, die überwiegend aus nicht-oxydischen Komponenten besteht.For example, the sintered ceramic is a mixed ceramic, e.g. B. a non-oxide mixed ceramic, d. H. a mixed ceramic, which consists mainly of non-oxidic components.

Die gesinterte Keramik besteht z. B. aus oder enthält Bornitrid (BN) und/oder Aluminiumnitrid (AlN). Sowohl Bornitrid als auch Aluminiumnitrid weisen eine schlechte Benetzbarkeit durch die üblicherweise verwendeten Infiltranten (in der Regel eine geschmolzene Metalllegierung) auf. Aluminiumnitrid weist zudem eine zweckmäßige mechanische Festigkeit auf. Gemäß einer Ausführungsform besteht die gesinterte Keramik daher im Wesentlichen aus AlN. Gemäß einer anderen Ausführungsform besteht die gesinterte Keramik im Wesentlichen aus einem Gemisch von AlN und BN. Enthält die Keramik neben AlN und/oder BN andere Komponenten, so sind AlN und/oder BN insgesamt z. B. zumindest zu 20 Gew.-% enthalten (z. B. zu 20–90 Gew.-%, z. B. zu 20–80 Gew.-%, z. B. zu 20–60 Gew.-%). Die mittlere Korngröße von BN und/oder AlN kann z. B. 2 bis 15 μm, z. B. 4 bis 10 μm, betragen.The sintered ceramic is z. B. from or contains boron nitride (BN) and / or aluminum nitride (AlN). Both boron nitride and aluminum nitride have poor wettability by the commonly used infiltrants (typically a molten metal alloy). Aluminum nitride also has a useful mechanical strength. Therefore, according to one embodiment, the sintered ceramic consists essentially of AlN. According to another embodiment, the sintered ceramic consists essentially of a mixture of AlN and BN. If the ceramic contains other components in addition to AlN and / or BN, then AlN and / or BN are altogether z. At least 20% by weight (eg to 20-90% by weight, eg to 20-80% by weight, eg to 20-60% by weight) , The average grain size of BN and / or AlN can be z. B. 2 to 15 microns, z. B. 4 to 10 microns, amount.

Z. B. kann die gesinterte Keramik eine oder mehrere Komponenten enthalten, welche ausgewählt sind aus der Gruppe, die aus Titandiborid, Wolfram und Aluminiumnitrid besteht. Diese Komponenten verleihen der Keramik eine zweckmäßige mechanische Festigkeit.For example, the sintered ceramic may contain one or more components which are selected from the group consisting of titanium diboride, tungsten and aluminum nitride. These components impart appropriate mechanical strength to the ceramic.

Z. B. enthält die Keramik zum einen mindestens eine benetzungshemmende Komponente (BN und AlN) und zum anderen mindestens eine festigkeitsfördernde Komponente (AlN, TiB2 und W), z. B. zu jeweils 20 bis 80 Gew.-%, z. B. 20–60 Gew.-%.For example, the ceramic contains on the one hand at least one wetting-inhibiting component (BN and AlN) and on the other hand at least one strength-promoting component (AlN, TiB 2 and W), for. B. to each 20 to 80 wt .-%, z. B. 20-60 wt .-%.

Gemäß einer Ausführungsform ist die gesinterte Keramik aus einer Pulvermischung hergestellt, die folgende Komponenten enthält (oder alternativ aus den folgenden Komponenten besteht):

  • – 20 bis 60 Gew.-% Bornitrid oder Aluminiumnitrid oder ein Gemisch aus Bornitrid und Aluminiumnitrid,
  • – 15 bis 60 Gew.-% Titandiborid,
  • – 0,1–5 Gew.-% Boroxid,
  • – 0,1–10 Gew.-% einer sauerstoffhaltigen Verbindung, die geeignet ist, mit dem Boroxid eine Borat-Bindephase zu bilden, und
  • – optional 5 bis 20 Gew.-% Wolfram.
According to one embodiment, the sintered ceramic is made from a powder mixture containing the following components (or alternatively consisting of the following components):
  • 20 to 60% by weight boron nitride or aluminum nitride or a mixture of boron nitride and aluminum nitride,
  • From 15 to 60% by weight of titanium diboride,
  • 0.1 to 5% by weight boron oxide,
  • 0.1-10% by weight of an oxygen-containing compound capable of forming a borate binder phase with the boric oxide, and
  • - Optionally 5 to 20 wt .-% tungsten.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:In the following the invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the drawing. In the drawing show:

1 einen PDC-Bohrkopf, 1 a PDC drill head,

die 2A2C drei separate erfindungsgemäße Formgebungsteile in schematischer Darstellung, die in einer Infiltrationsform angeordnet sind,the 2A - 2C three separate shaping parts according to the invention in a schematic representation, which are arranged in an infiltration form,

die 3A und 3B ein einstückig gesintertes Keramik-Einsatzelement in schematischer Darstellung, das in einer Infiltrationsform angeordnet ist und von dem drei miteinander verbundene erfindungsgemäße Formgebungsteile ausgebildet sind, undthe 3A and 3B a one-piece sintered ceramic insert element in a schematic representation, which is arranged in an infiltrating mold and of which three interconnected inventive shaping parts are formed, and

4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines PDC-Bohrkopfes wie er in 1 gezeigt ist. 4 a schematic representation of an apparatus for producing a PDC drill head as in 1 is shown.

1 zeigt einen sog. PDC-Bohrkopf 1 (oft auch als Bohrkopf mit fixierten Schneidelementen bezeichnet; im Englischen: „fixed-cutter drill bit”) wie er bei Tiefbohrungen verwendet wird, z. B. bei Bohrungen zur Erschließung von Erdöl- und Erdgaslagerstätten. Der PDC-Bohrkopf 1 hat einen Hauptkörper 3. Der Hauptkörper 3 bildet mehrere finnenförmige Schneiden 5 aus (in dem gezeigten Beispiel 8 Schneiden). Jede Schneide 5 ist mit mehreren Schneidelementen bzw. Schneidkörpern 7 versehen. Hierzu sind auf der Außenseite einer jeden Schneide 5 mehrere Aussparungen 6 ausgebildet, von denen Taschen zur Aufnahme der Schneidkörper 7 gebildet sind. Die Schneidkörper 7 sind z. B. auf den Hauptkörper 3 bzw. in die Taschen 6 gelötet. Die Schneidkörper 7 haben eine im Wesentlichen kreiszylindrische Form (z. B. mit einem Durchmesser von ca. 2–4 cm) und sind als sog. PKD-Schneidkörper (PKD = polykristalliner Diamant) ausgebildet. Der Radius der Schneidkörper 7 entspricht im Wesentlichen dem Radius der Wandfläche der Vertiefungen 6, wobei die Vertiefungen 6 zylinderförmig ausgebildet sind, mit einer Querschnittsfläche, die einen Teil der Querschnittsfläche der Schneidkörper 7 ausbildet. Die PKD-Schneidkörper 7 weisen ein im Wesentlichen kreiszylindrisches Substrat 9 auf, das z. B. aus Wolframcarbid oder einem anderen geeigneten Hartmetall gefertigt ist und das als Träger für eine Schicht 11 aus polykristallinem Diamant dient, die auf die Stirnseite des Substrats 9 aufgebracht ist. Der Hauptkörper 3 ist mit einem in 1 nicht gezeigten Stahlschaft verbunden (hierzu ist der Stahlschaft während der unten beschriebenen Herstellung des Hauptkörpers 3 in der Matrixmaterial-Pulverschüttung angeordnet). Der Stahlschaft ist mit einem Gewinde versehen. Über den Stahlschaft kann der Bohrkopf 1 mit dem Bohrstrang verbunden und über diesen angetrieben werden. 1 shows a so-called. PDC drill head 1 (often referred to as a drill head with fixed cutting elements, in English: "fixed-cutter drill bit") as it is used in deep drilling, z. For example, in drilling for the development of oil and gas deposits. The PDC drill head 1 has a main body 3 , The main body 3 forms several fin-shaped cutting edges 5 off (in the example shown 8th To cut). Every cutting edge 5 is with several cutting elements or cutting bodies 7 Mistake. These are on the outside of each cutting edge 5 several recesses 6 formed, of which pockets for receiving the cutting body 7 are formed. The cutting body 7 are z. B. on the main body 3 or in the pockets 6 soldered. The cutting body 7 have a substantially circular cylindrical shape (eg., With a diameter of about 2-4 cm) and are designed as so-called. PCD cutting body (PKD = polycrystalline diamond). The radius of the cutting body 7 essentially corresponds to the radius of the wall surface of the recesses 6 , where the depressions 6 are cylindrical, with a cross-sectional area which forms part of the cross-sectional area of the cutting body 7 formed. The PCD cutting bodies 7 have a substantially circular cylindrical substrate 9 on, the z. B. made of tungsten carbide or other suitable carbide and that as a support for a layer 11 made of polycrystalline diamond, which faces the front of the substrate 9 is applied. The main body 3 is with an in 1 Not shown steel shank connected (this is the steel shaft during the production of the main body described below 3 arranged in the matrix material powder bed). The steel shaft is threaded. About the steel shaft, the drill head 1 connected to the drill string and driven over this.

Der Hauptkörper 3 (einschließlich der Schneiden 5) des Bohrkopfes 1 wird durch Infiltration eines sog. Matrixpulvers mit einem Infiltranten hergestellt. Die PKD-Schneidkörper 7 werden in der Regel erst nachträglich auf den Hauptkörper 3 aufgebracht, und zwar durch Einsetzen und Einlöten der Schneidkörper 7 in die durch die Aussparungen 6 auf der Außenfläche des Hauptkörpers 3 gebildeten Taschen. Zur Ausbildung der Aussparungen 6 in der Außenfläche des Hauptkörpers 3 werden bei dem Infiltrationsprozess als Platzhalter dienende Formgebungsteile verwendet, die vor dem Einbringen des Matrixpulvers in die Infiltrationsform eingebracht werden und so den für die Vertiefungen benötigen Raum von Matrixmaterial freihalten.The main body 3 (including the cutting 5 ) of the drill head 1 is prepared by infiltration of a so-called matrix powder with an infiltrant. The PCD cutting bodies 7 are usually added later on the main body 3 applied, by inserting and soldering the cutting body 7 in through the recesses 6 on the outer surface of the main body 3 formed pockets. To form the recesses 6 in the outer surface of the main body 3 For example, in the infiltration process, dummy formative members are used which are introduced into the infiltrant mold prior to introduction of the matrix powder, thus freeing the space of matrix material needed for the wells.

Anders als im Stand der Technik, wo Formgebungsteile aus Graphit oder einer Siliziumcarbid-Grünlingsmasse eingesetzt werden, werden gemäß der Erfindung Formgebungsteile aus einer gesinterten Keramik verwendet.Unlike in the prior art, where molding parts made of graphite or a silicon carbide green body mass are used, according to the invention molding parts made of a sintered ceramic are used.

Die 2A2C zeigen eine erste Ausführungsform dreier erfindungsgemäßer Formgebungsteile 20. Gemäß dieser Ausführungsform ist für jede zu bildende Aussparung 6 genau ein Formgebungsteil 20 bereitgestellt. Die Formgebungsteile 20 haben gemäß dieser Ausführungsform eine im Wesentlichen kreiszylindrische Form. Gemäß dieser Ausführungsform sind die Formgebungsteile 20 einstückig ausgebildet (alternativ können die Formgebungsteile 20 mehrteilig ausgebildet sein, wobei die einstückige Ausbildung bevorzugt ist). In der Wandfläche der von der Infiltrationsform 22 gebildeten Kavität 23 sind zylindrische Vertiefungen mit einer Kreissegment-Querschnittsfläche (z. B. halbkreiszylindrische Vertiefungen) zur teilweisen Aufnahme der Formgebungsteile 20 ausgebildet. Die Formgebungsteile 20 sind mit einem geeigneten Haftmittel 26 in den zylindrischen Vertiefungen fixiert. Die in den Vertiefungen aufgenommenen Formgebungsteile 20 bilden gegenüber den benachbarten Wandflächenabschnitten der Kavität 23 eine zylindrische Erhöhung aus, deren Querschnittsfläche sich aus der Kreiszylinder-Querschnittsfläche des Formgebungsteils abzüglich der in der Vertiefung aufgenommenen Kreissegmentfläche ergibt. Anders ausgedrückt hat die von dem Formgebungsteil 20 gebildete Erhöhung eine teilweise ausgebildete im Wesentlichen kreiszylinderförmige Mantelaußenfläche. Die von diesen Erhöhungen gebildeten Vertiefungen 6 in der Bohrkopf-Hauptkörper-Außenfläche sind komplementär zu den beschriebenen Erhöhungen, d. h. die Vertiefungen 6 haben eine teilweise ausgebildete im Wesentlichen kreiszylindrische Form (vgl. 1). Der Radius der Vertiefungen 6 entspricht im Wesentlichen dem Radius der Formgebungsteile 20 bzw. dem Radius der von den Formgebungsteilen 20 gebildeten Erhöhungen (und auch im Wesentlichen dem Radius der Schneidelemente bzw. des Substrats davon). Der Radius der Vertiefungen 6 bzw. der Erhöhungen kann z. B. kleiner gleich 2 cm sein, z. B. kleiner gleich 1,5 cm, z. B. 2,5 mm bis 1,5 cm. In den 2B und 2C bezeichnet das Bezugszeichen 24 die Matrixmaterial-Pulverschüttung.The 2A - 2C show a first embodiment of three inventive molding parts 20 , According to this embodiment, for each recess to be formed 6 exactly one shaping part 20 provided. The shaping parts 20 have according to this embodiment, a substantially circular cylindrical shape. According to this embodiment, the shaping parts 20 integrally formed (alternatively, the shaping parts 20 be formed in several parts, wherein the one-piece design is preferred). In the wall surface of the infiltration form 22 formed cavity 23 are cylindrical wells with a Circular segment cross-sectional area (eg semicircular cylindrical depressions) for partially accommodating the shaping parts 20 educated. The shaping parts 20 are with a suitable adhesive 26 fixed in the cylindrical recesses. The shaping parts received in the recesses 20 form opposite the adjacent wall surface portions of the cavity 23 a cylindrical elevation, the cross-sectional area of which results from the circular cylinder cross-sectional area of the shaping part minus the circular segment area received in the recess. In other words, that of the molding part 20 formed elevation a partially formed substantially circular cylindrical shell outer surface. The depressions formed by these elevations 6 in the drill head main body outer surface are complementary to the described elevations, ie the depressions 6 have a partially formed substantially circular cylindrical shape (see. 1 ). The radius of the depressions 6 corresponds essentially to the radius of the shaping parts 20 or the radius of the shaping parts 20 formed elevations (and also substantially the radius of the cutting elements or the substrate thereof). The radius of the depressions 6 or the increases may, for. B. less than 2 cm, z. B. less than or equal to 1.5 cm, z. B. 2.5 mm to 1.5 cm. In the 2 B and 2C denotes the reference numeral 24 the matrix material powder bed.

Die 3A und 3B zeigen eine zweite Ausführungsform dreier erfindungsgemäßer Formgebungsteile 20. Auch gemäß dieser Ausführungsform ist für jede zu bildende Aussparung 6 genau ein Formgebungsteil 20 bereitgestellt. Jedoch sind mehrere Formgebungsteile 20 (gemäß dieser Ausführungsform drei) über einen gemeinsamen Steg bzw. eine Brücke und unter Ausbildung eines einstückigen Keramik-Einsatzelements 21 miteinander verbunden. Von den miteinander verbundenen Formgebungsteilen 20 werden – wie von den im Wesentlichen kreiszylindrischen Formgebungsteilen der ersten Ausführungsform – gegenüber den benachbarten Wandflächenabschnitten der Kavität 23 zylindrische Erhöhungen ausgebildet, deren jeweilige Querschnittsfläche die Form einer teilweise ausgebildeten Kreisfläche bzw. eines Kreissektors hat. Der Radius der von den Formgebungselementen 20 gebildeten Erhöhungen kann wie bei der ersten Ausführungsform z. B. kleiner gleich 2 cm sein, z. B. kleiner gleich 1,5 cm, z. B. 2,5 mm bis 1,5 cm. Das einstückig ausgebildete Keramik-Einsatzelement 21 ist in einer entsprechenden Vertiefung in der Wandfläche der Kavität 23 aufgenommen und mit einem Haftmittel 26 in der Vertiefung fixiert. Z. B. kann die von dem Keramik-Einsatzelement 21 ausgebildete Anzahl von Formgebungsteilen 20 der Anzahl von Vertiefungen 6 entlang/auf einer der Schneiden 5 des Bohrkopf-Hauptkörpers 3 entsprechen, d. h. das Keramik-Einsatzelement 21 bildet dann die Negativstruktur aller Taschen einer Schneide 5 aus. Gemäß einer nicht gezeigten Ausführungsform ist dann je Schneide 5 des Bohrkopf-Hauptkörpers 3 genau ein Keramik-Einsatzelement 21 vorgesehen.The 3A and 3B show a second embodiment of three inventive molding parts 20 , Also according to this embodiment is for each recess to be formed 6 exactly one shaping part 20 provided. However, there are several shaping parts 20 (three according to this embodiment) via a common web or bridge and to form a one-piece ceramic insert element 21 connected with each other. From the interconnected shaping parts 20 are - as of the substantially circular cylindrical shaping parts of the first embodiment - with respect to the adjacent wall surface portions of the cavity 23 formed cylindrical elevations whose respective cross-sectional area has the shape of a partially formed circular surface or a circular sector. The radius of the forming elements 20 formed increases, as in the first embodiment z. B. less than 2 cm, z. B. less than or equal to 1.5 cm, z. B. 2.5 mm to 1.5 cm. The integrally formed ceramic insert element 21 is in a corresponding depression in the wall surface of the cavity 23 taken and with an adhesive 26 fixed in the recess. For example, that of the ceramic insert 21 formed number of shaping parts 20 the number of wells 6 along / on one of the cutting edges 5 of the drill head main body 3 correspond, ie the ceramic insert element 21 then forms the negative structure of all pockets of a cutting edge 5 out. According to an embodiment, not shown, then each cutting edge 5 of the drill head main body 3 exactly one ceramic insert element 21 intended.

Die Fertigungstechnik bietet eine Vielfalt untereinander kombinierbarer Fertigungswege, um die erfindungsgemäßen gesinterten Keramik-Formgebungsteile herzustellen. Die Auswahl der Route wird sich dabei weitgehend nach wirtschaftlichen Aspekten im Hinblick auf die Komplexität der geforderten Geometrie sowie die Losgrößen richten.The manufacturing technique provides a variety of inter-compatible manufacturing pathways to produce the sintered ceramic forming members of the present invention. The choice of the route will depend largely on economic aspects with regard to the complexity of the required geometry and batch sizes.

Z. B. kann aus einer Ausgangspulvermischung zunächst ein Grünkörper geformt werden, z. B. durch uniaxiales oder kaltisostatisches Pressen der Ausgangspulvermischung. Der Grünkörper kann z. B. endkonturnah, d. h. mit Schwundaufmass, gepresst werden. Alternativ können z. B. Blöcke (z. B. mit Abmessungen von 300 × 400 mm) gepresst werden. Ein derart gepresster Block kann entweder als Sinterhalbzeug dienen oder vor dem Sintern im Grünzustand weiter bearbeitet und in eine endkonturnahe Geometrie gebracht werden. Es ist jedoch auch möglich, ein Sinterwerkzeug direkt mit der Ausgangspulvermischung zu befüllen, so dass die Grünkörperfertigung entfallen kann.For example, from a starting powder mixture, first a green body may be formed, e.g. B. by uniaxial or cold isostatic pressing the starting powder mixture. The green body may, for. B. near-net shape, d. H. with Schwundaufmass, to be pressed. Alternatively, z. B. blocks (eg., With dimensions of 300 × 400 mm) are pressed. Such a pressed block can either serve as Sinterhalbzeug or further processed before sintering in the green state and be brought into a near-net shape geometry. However, it is also possible to fill a sintering tool directly with the starting powder mixture, so that the green body production can be omitted.

Das Sintern des Grünlings oder der direkt in das Sinterwerkzeug gefüllten Ausgangspulvermischung kann z. B. durch uniaxiales Heißpressen erfolgen. Die Sintertemperatur kann z. B. zwischen 1800 und 2000°C liegen. Bei Vorliegen eines Grünkörpers kann auch frei im Ofen gesintert werden, d. h. ohne Vorliegen eines allseitigen Formenkontakts zwischen Werkstück/Grünling und Ofen/Sinterwerkzeug. In den Grünkörper können während der Sinterung dabei Hilfselemente wie z. B. Zentrierdorne eingesetzt werden. Die Ofenumgebung kann aus verschiedensten Gasen bestehen. Die Druckverhältnisse können von einigen 10–5 bar bis zu 100 bar reichen. Ein hoher Druck kann erforderlich sein, um bei bestimmten Materialzusammensetzungen eine hinreichende Porenfreiheit zu erzielen. Typischerweise wird die Flüssigphasensinterung im Druckbereich < 1 bar, bevorzugt < 100 mbar, durchgeführt, die Beaufschlagung mit 100 bar, bevorzugt 80 bar, dient der anschließenden Nachverdichtung bei Vorliegen einer flüssigen Phase.The sintering of the green compact or of the starting powder mixture directly filled in the sintering tool can, for. B. done by uniaxial hot pressing. The sintering temperature can z. B. between 1800 and 2000 ° C. In the presence of a green body can also be sintered freely in the oven, ie without the presence of an all-round shape contact between the workpiece / green body and furnace / sintering tool. In the green body can during sintering while auxiliary elements such. B. centering mandrels are used. The furnace environment can consist of a variety of gases. The pressure conditions can range from a few 10 -5 bar up to 100 bar. High pressure may be required to achieve adequate pore-freeness for certain material compositions. Typically, the liquid phase sintering in the pressure range <1 bar, preferably <100 mbar, carried out, the application of 100 bar, preferably 80 bar, serves the subsequent densification in the presence of a liquid phase.

Beim Sintern von Blöcken können die Formgebungsteile mechanisch aus dem fertig gesinterten Block herausgearbeitet werden. Bei allen Verfahrenswegen kann je nach Anforderungen ein Nacharbeiten auf geforderte Endmaße sowie eine nötige Oberflächengüte anfallen.When sintering blocks, the shaping parts can be mechanically machined out of the finished sintered block. Depending on the requirements, reworking to the required final dimensions as well as a required surface finish may occur for all process paths.

In der gesinterten Keramik sind einzelne Partikel/Teilchen des Ausgangspulvergemisches über zwischen den Partikeln ausgebildete Sinterbrücken bzw. Sinterhälse und ggf. über eine Bindephase zusammengehalten. Die Bindephase kann zum Beispiel sauerstoffhaltig sein, z. B. eine Erdalkaliborat-Bindephase sein.In the sintered ceramic, individual particles / particles of the starting powder mixture are over formed between the particles sintered bridges or sintered necks and possibly held together via a binder phase. The binder phase may be oxygenated, e.g. B. be an alkaline earth borate binder phase.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die erfindungsgemäßen Formgebungsteile durch Formen eines Grünlings aus einer Pulvermischung und durch anschließendes Sintern des Grünlings bei einer Temperatur von ca. 1900°C und einem maximalen Druck von 100–200 bar gebildet, wobei die Pulvermischung aufweist:

  • – 15 bis 60 Gew.-% (z. B. 15 bis 50 Gew.-%, z. B. 30 bis 50 Gew.-%) Titandiborid (TiB2) mit einer mittleren Korngröße, von 2 bis 100 μm (z. B. 4 bis 20 μm, z. B. 4–7 μm) als eine erste Hauptkomponente,
  • – 20 bis 60 Gew.-% (z. B. 45 bis 55 Gew.-%) Bornitrid (BN) mit einer mittleren Korngröße von 2 bis 15' μm (z. B. 4 bis 10 μm) als eine zweite Hauptkomponente,
  • – wobei das Bornitrid teilweise durch Aluminiumnitrid ersetzt sein kann,
  • – wobei das Bornitrid und/oder das Titandiborid Boroxid (B2O3) als Verunreinigungen enthalten (insgesamt 0,1 bis 5 Gew.-%),
  • – 0,01 bis 10 Gew.-% (z. B. 0,1–8 Gew.-%, z. B. 1–6 Gew.-%) einer sauerstoffhaltigen Verbindung bzw. eines Gemischs aus sauerstoffhaltigen Verbindungen, welche(s) geeignet ist,
während des Heißpressens zusammen mit dem Boroxid eine Borat-Bindephase auszubilden. Die mittlere Korngröße der sauerstoffhaltigen Verbindung(en) kann z. B. 0,01 bis 10 μm betragen, z. B. 0,1 bis 5 μm. Die sauerstoffhaltige Verbindung bzw. das Gemisch kann zum Beispiel ausgewählt sein aus der Gruppe, welche besteht aus Oxiden, Carbonaten oder Hydroxiden der Alkalimetalle und Erdalkalimetalle, Übergangsmetalle der 4. bis 12. Gruppe, Metalle und Halbmetalle der 13. und 14. Hauptgruppe und des Phosphors (Polyphosphat Na(PO3)x).According to one embodiment, the shaping parts according to the invention are formed by molding a green body from a powder mixture and then sintering the green body at a temperature of about 1900 ° C. and a maximum pressure of 100-200 bar, the powder mixture comprising:
  • 15 to 60% by weight (eg 15 to 50% by weight, eg 30 to 50% by weight) of titanium diboride (TiB 2 ) having an average particle size of 2 to 100 μm (z B. 4 to 20 microns, for example 4-7 microns) as a first main component,
  • From 20 to 60% by weight (eg 45 to 55% by weight) of boron nitride (BN) having an average particle size of 2 to 15 μm (for example 4 to 10 μm) as a second main component,
  • Wherein the boron nitride may be partially replaced by aluminum nitride,
  • Wherein the boron nitride and / or the titanium diboride contain boron oxide (B 2 O 3 ) as impurities (in total from 0.1 to 5% by weight),
  • 0.01 to 10% by weight (eg 0.1-8% by weight, eg 1-6% by weight) of an oxygen-containing compound or of a mixture of oxygen-containing compounds which ( s) is suitable,
form a borate binder phase during hot pressing together with the boron oxide. The mean grain size of the oxygen-containing compound (s) may, for. B. 0.01 to 10 microns, z. B. 0.1 to 5 microns. The oxygen-containing compound or mixture may be selected, for example, from the group consisting of oxides, carbonates or hydroxides of the alkali metals and alkaline earth metals, transition metals of the 4th to 12th group, metals and semimetals of the 13th and 14th main group and Phosphorus (polyphosphate Na (PO 3 ) x).

Insbesondere kann die sauerstoffhaltige Verbindung z. B. ein Oxid des Natriums, Kaliums, Calciums, Magnesiums, Zinks, Strontiums, Eisens, Aluminiums, Titans oder Zirkoniums sowie eine Kombination aus zumindest zwei dieser Oxide sein. Z. B. kann die sauerstoffhaltige Verbindung Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid und/oder Titanoxid und/oder Aluminiumoxid sein, z. B. Calciumoxid und/oder Titanoxid.

  • – wobei die Mischung optional 5 bis 20 Gew.-% (z. B. 7 bis 20 Gew.-%, z. B. 10 bis 20 Gew.-%) Wolfram mit einer mittleren Korngröße von kleiner gleich 20 μm (z. B. 0,4 bis 20 μm) enthalten kann, und
  • – wobei optional sauerstoffhaltige Komponenten wie z. B. ZrO2 sowie Verunreinigungen (wie z. B. bis zu 1 Gew.-% Eisen) in der Pulvermischung enthalten sein können.
In particular, the oxygen-containing compound z. Example, an oxide of sodium, potassium, calcium, magnesium, zinc, strontium, iron, aluminum, titanium or zirconium and a combination of at least two of these oxides. For example, the oxygen-containing compound may be calcium oxide and / or magnesium oxide and / or titanium oxide and / or aluminum oxide, e.g. For example, calcium oxide and / or titanium oxide.
  • - wherein the mixture optionally 5 to 20 wt .-% (eg 7 to 20 wt .-%, eg 10 to 20 wt .-%) of tungsten having a mean grain size of less than or equal to 20 microns (z. B. 0.4 to 20 microns), and
  • - Where optionally oxygen-containing components such. ZrO 2 and impurities (such as up to 1 wt .-% iron) may be included in the powder mixture.

In der durch Sintern dieser Pulvermischung hergestellten Keramik sind einzelne Partikel des Ausgangspulvergemisches über zwischen den Partikeln ausgebildeten Sinterbrücken verbunden. Ferner sind die Partikel über die Borat-Bindephase zusammengehalten.In the ceramic produced by sintering of this powder mixture, individual particles of the starting powder mixture are connected via sintered bridges formed between the particles. Furthermore, the particles are held together via the borate binder phase.

Das Bornitrid trägt vor allem zu einer schlechten Benetzbarkeit des Formgebungsteils durch den Infiltranten bei, wohingegen Titandiborid v. a. zur Erzielung einer zweckmäßigen mechanischen Festigkeit des Formgebungsteils zugegeben wird. Das optional zugegebene Aluminiumnitrid und/oder Wolfram verleihen der Keramik jeweils mechanische Festigkeit. Aluminiumnitrid wird zudem von Metallschmelzen schlecht benetzt.The boron nitride mainly contributes to poor wettability of the shaping part by the infiltrant, whereas titanium diboride v. a. is added to obtain an appropriate mechanical strength of the shaping part. The optionally added aluminum nitride and / or tungsten impart mechanical strength to the ceramic, respectively. Aluminum nitride is also poorly wetted by metal melts.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zur Herstellung eines Hauptkörpers 3 eines PDC-Bohrkopfes 1 wie er in 1 gezeigt ist. 4 shows a schematic representation of a device 100 for producing a main body 3 a PDC drill head 1 as he in 1 is shown.

Die Vorrichtung 100 weist eine Infiltrationsform 22 auf, die aus Graphit hergestellt ist. Die Infiltrationsform 22 kann zum Beispiel aus mehreren Teilen bestehen. Die einzelnen Teile können z. B. mittels Fräsens eines Graphitblocks hergestellt werden. Die Infiltrationsform 22 ist als Einwegform ausgebildet, die beim Entformen des Bohrkopf Hauptkörpers 3 zerlegt wird, z. B. zerschlagen wird. Von der Infiltrationsform 22 wird eine Kavität 23 ausgebildet, deren Wandfläche komplementär zu der Bohrkopf-Hauptkörper-Außenfläche ausgebildet ist. Die Infiltrationsform 22 ist in einem wiederverwendbaren Rahmen 36 aufgenommen, der ebenfalls aus Graphit hergestellt ist.The device 100 has an infiltration form 22 on, which is made of graphite. The infiltration form 22 can consist of several parts, for example. The individual parts can z. B. be made by milling a graphite block. The infiltration form 22 is designed as a disposable mold, the demolding of the drill head main body 3 is decomposed, for. B. is smashed. From the infiltration form 22 becomes a cavity 23 formed, the wall surface is formed complementary to the drill head main body outer surface. The infiltration form 22 is in a reusable frame 36 taken, which is also made of graphite.

Vor dem Einfüllendes Matrixpulvers 24 werden mehrere erfindungsgemäße Formgebungsteile 20 in der Kavität 23 platziert (in 4 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich drei Formgebungsteile 20 gezeigt), und zwar an denjenigen Stellen, an denen auf dem Bohrkopf-Hauptkörper Vertiefungen 6 ausgebildet werden sollen. Die Formgebungsteile 20 sind in Vertiefungen aufgenommen, die in der Wandfläche der Kavität 23 ausgebildet sind. Die Formgebungsteile 20 können z. B. in die Vertiefungen eingelegt oder eingepresst werden. Falls erforderlich, können die Formgebungsteile 20 mit einem geeigneten Klebemittel in den Vertiefungen fixiert werden. Die in die Wandfläche der Kavität 23 eingesetzten Formgebungsteile 20 können auch als Infiltrationsform-Einsätze oder Wandflächen-Einsätze bezeichnet werden, die einen Teil der die Pulverschüttung umgebenden Wandfläche ausbilden. Die Formgebungsteile 20 halten den Platz frei, der für die an der Außenfläche des Bohrkopf-Hauptträgers 3 ausgebildeten Taschen zur Aufnahme der Schneidelemente 7 benötigt wird. Daher können die Formgebungsteile 20 auch als Taschen-Platzhalter oder Schneidelement-Platzhalter bezeichnet werden. Jedes Formgebungsteil 20 hat eine kreiszylinderförmige Mantelaußenfläche, dessen Radius im Wesentlichen dem des Schneidelements 7 entspricht.Before filling the matrix powder 24 be several inventive molding parts 20 in the cavity 23 placed (in 4 For reasons of clarity, only three shaping parts are used 20 shown), at those locations where on the drill head main body depressions 6 to be trained. The shaping parts 20 are housed in depressions that are in the wall surface of the cavity 23 are formed. The shaping parts 20 can z. B. inserted or pressed into the wells. If necessary, the shaping parts 20 be fixed in the wells with a suitable adhesive. The in the wall surface of the cavity 23 used shaping parts 20 may also be referred to as infiltrating mold inserts or wall panels which form part of the wall surface surrounding the powder bed. The shaping parts 20 keep the space free for the on the outside surface of the drill head main carrier 3 formed pockets for receiving the cutting elements 7 is needed. Therefore, the shaping parts 20 Also referred to as a pocket placeholder or cutting element placeholder. Every molding part 20 has a circular cylindrical shell outer surface whose radius is substantially that of the cutting element 7 equivalent.

Ferner werden vor dem Einfüllen des Matrixpulvers 24 ein oder mehrere Kerne 34 in der Kavität angeordnet, von denen Kanäle für die Spülflüssigkeit ausgebildet bzw. freigehalten werden. Der mindestens eine Kern 34 kann z. B. als verlorener Kern ausgebildet sein und z. B. aus Guss-Sand gefertigt sein.Further, before filling the matrix powder 24 one or more cores 34 arranged in the cavity, of which channels are formed or kept free for the rinsing liquid. The at least one core 34 can z. B. be formed as a lost core and z. B. be made of cast sand.

Zudem wird ein Stahlschaft 32 in die Kavität 23 eingebracht. Der Stahlschaft 32 weist ein nicht gezeigtes Gewinde auf, über das der Bohrkopf 3 zum Antreiben desselben mit dem Bohrgestänge verbunden werden kann. Das Gewinde kann vor oder nach dem Infiltrieren der Matrixmaterial-Pulverschüttung 24 ausgebildet werden.In addition, a steel shaft 32 into the cavity 23 brought in. The steel shaft 32 has a thread, not shown, over which the drill head 3 for driving the same can be connected to the drill pipe. The thread may be before or after infiltration of the matrix material powder bed 24 be formed.

Nach dem Einbringen der Formgebungsteile 20, des Kerns 34 und des Stahlschafts 32 in die Kavität 23, wird die Kavität 23 mit Matrixpulver 24 gefüllt. Die von dem Matrixpulver 24 gebildete Matrixmaterial-Pulverschüttung kann z. B. aus mehreren Schichten gebildet sein, die eine unterschiedliche Zusammensetzung und/oder Korngrößenverteilung aufweisen, um dem Bohrkopf-Hauptkörper 3 entsprechende Eigenschaften zu verleihen. Die unterste Schicht 24' bildet die Stirnseite des späteren Hauptkörpers 3 aus und enthält oder besteht aus z. B. Wolframcarbid. Die unterste Schicht 24' ist aus einem besonders harten und abriebfesten Material ausgebildet. Die darüber liegende Körperschicht 24'' kann ebenfalls Wolframcarbid enthalten oder aus Wolframcarbid bestehen. Die Schulterschicht 24'' kann z. B. aus Wolfram und/oder Wolframcarbid bestehen oder Wolfram und/oder Wolframcarbid enthalten. Der Stahlschaft 32 taucht in die Schulterschicht 24'' und die Körperschicht 24'' ein.After introduction of the shaping parts 20 , the core 34 and the steel shaft 32 into the cavity 23 , the cavity becomes 23 with matrix powder 24 filled. The of the matrix powder 24 formed matrix material powder bed can, for. B. may be formed of several layers having a different composition and / or grain size distribution to the drill head main body 3 to give appropriate properties. The lowest layer 24 ' forms the front of the later main body 3 from and contains or consists of z. B. tungsten carbide. The lowest layer 24 ' is made of a particularly hard and abrasion resistant material. The overlying body layer 24 '' may also contain tungsten carbide or consist of tungsten carbide. The shoulder layer 24 '' can z. B. tungsten and / or tungsten carbide or contain tungsten and / or tungsten carbide. The steel shaft 32 dives into the shoulder layer 24 '' and the body layer 24 '' one.

Um die Matrixmaterial-Pulverschüttung 24 gleichmäßig in der Kavität 23 zu verteilen und auf ein bestimmtes Niveau zu verdichten, kann die Infiltrationsform 22 in Vibration versetzt werden.To the matrix material powder bed 24 evenly in the cavity 23 can be distributed and condensed to a certain level, the infiltration 22 be vibrated.

Oberhalb der Matrixmaterial-Pulverschüttung 24 sind Stücke 28 einer als Infiltrant dienenden Kupferlegierung angeordnet. Im geschmolzenen Zustand fließt die Kupferlegierung über ein optionales nicht gezeigtes Zuführsystem in die Kavität 23, um die Matrixmaterial-Pulverschüttung 24 zu infiltrieren und dadurch zu „verkleben”. Im nicht geschmolzenen Zustand der Kupferlegierung sind die Stücke 28 über Stopfen 30 von dem nicht gezeigten Zuführsystem und der Matrixmaterial-Pulverschüttung 24 getrennt. Die Stopfen 30 sind aus einem Material gefertigt, das einen Schmelzpunkt hat, der gleich dem der Kupferlegierung ist oder der geringfügig größer ist als der der Kupferlegierung. Alternativ können die Stücke 28 auch direkt auf die oberste Schicht der Pulverschüttung 24 aufgelegt werden. Anstatt einer Kupferlegierung kann z. B. eine Nickellegierung wie sie in US 5,662,183 beschrieben ist verwendet werden. Die aus der oben beschriebenen Pulvermischung gesinterte Keramik, aus der die Formgebungsteile 20 bestehen, ist auch gegenüber den in US 5,662,183 beschriebenen Infiltrationslegierungen chemisch beständig und wird von diesen schlecht benetzt. Gegebenenfalls kann es bei Verwendung einer solchen Legierung aber erforderlich sein, die aus Graphit hergestellte Infiltrationsform 22 bzw. deren Kavität 23 mit einer Schutzschicht zu versehen. Alternativ kann auch die Infiltrationsform 22 aus einer gesinterten Keramik hergestellt sein, z. B. aus der gleichen Keramik wie die Formgebungsteile 20. In diesem Fall können die Formgebungsteile 20 auch von der Infiltrationsform 22 gebildet sein, insbesondere von der Wandfläche der Kavität 23.Above the matrix material powder bed 24 are pieces 28 a serving as an infiltrant copper alloy arranged. In the molten state, the copper alloy flows into the cavity via an optional delivery system, not shown 23 to the matrix material powder bed 24 to infiltrate and thereby "stick together". In the unmelted state of the copper alloy are the pieces 28 over plugs 30 from the feeding system, not shown, and the matrix material powder bed 24 separated. The plugs 30 are made of a material having a melting point equal to or slightly greater than that of the copper alloy. Alternatively, the pieces can 28 also directly on the uppermost layer of the powder bed 24 be hung up. Instead of a copper alloy z. As a nickel alloy as in US 5,662,183 is described used. The ceramic sintered from the powder mixture described above, from which the shaping parts 20 exist, is also opposite to in US 5,662,183 described infiltration alloys chemically resistant and is poorly wetted by these. However, if such an alloy is used, it may be necessary to use the infiltration mold made of graphite 22 or their cavity 23 to be provided with a protective layer. Alternatively, also the infiltration form 22 be made of a sintered ceramic, z. B. from the same ceramic as the shaping parts 20 , In this case, the shaping parts 20 also of the infiltration form 22 be formed, in particular of the wall surface of the cavity 23 ,

Das Verhältnis von Matrixpulver zu Infiltrant kann z. B. wie in US 5,662,183 beschrieben eingestellt werden, z. B. circa 60 Vol.-% Matrixpulver zu circa 40 Vol.-% Infiltrant betragen.The ratio of matrix powder to infiltrant can z. B. as in US 5,662,183 be set described, for. B. about 60 vol .-% matrix powder to about 40 vol .-% infiltrant.

Die gesamte Anordnung 100 wird dann in einen Ofen gestellt und auf eine Temperatur aufgeheizt (z. B. auf eine Temperatur von ca. 1000°C), die oberhalb des Schmelzpunkts der Kupferlegierung und des Schmelzpunkts des Stopfenmaterials ist, so dass die Kupferlegierung schmilzt und über das nicht gezeigte Zuführsystem in die Kavität 23 fließt. Aufgrund der Schwerkraft und Kapillarkräfte fließt die geschmolzene Kupferlegierung nach unten und infiltriert die gesamte Pulverschüttung 24, wodurch die Partikel der Pulverschüttung 24 miteinander verbunden/verklebt werden.The whole arrangement 100 is then placed in an oven and heated to a temperature (eg, to a temperature of about 1000 ° C) that is above the melting point of the copper alloy and the melting point of the plug material, such that the copper alloy melts and over the not shown Feeding system in the cavity 23 flows. Due to gravity and capillary forces, the molten copper alloy flows down and infiltrates the entire powder bed 24 , causing the particles of powder bed 24 be connected / glued together.

Geeignete Vorrichtungen und Verfahren zum Aufheizen der Infiltrationsform, des Matrixmaterials und des Infiltranten sowie zum Abkühlen des infiltrierten Matrixmaterials sind z. B. in US 6,220,117 B1 beschrieben.Suitable devices and methods for heating the infiltration form, the matrix material and the infiltrant and for cooling the infiltrated matrix material are, for. In US 6,220,117 B1 described.

Nachdem die infiltrierte Pulverschüttung ausreichend abgekühlt ist, kann der von der infiltrierten Pulverschüttung gebildete Bohrkopf-Hauptkörper 3 entformt werden. Hierzu wird zunächst der Rahmen 36 von der Infiltrationsform 22 entfernt. Anschließend wird die Infiltrationsform 22 zerschlagen, und die Formgebungselemente 20 werden von der Infiltrationsform 22 und dem Bohrkopf-Hauptkörper 3 entfernt, falls erforderlich z. B. durch ein leichtes Rütteln der Formgebungselemente 20. Die Formgebungselemente 20 bleiben dabei i. d. R. als Ganzes erhalten und können in einem weiteren Infiltrationsprozess wiederverwendet werden. Beschädigte Formgebungselemente 20 sind einfach zu entsorgen, da sie im Zerstörungsfall unter Ausbildung einer sehr geringen Anzahl von Teilen brechen, wobei so gut wie kein Staub freigesetzt wird, und da in der Keramik keine toxischen Stoffe enthalten sind.After the infiltrated powder bed has cooled sufficiently, the drill head main body formed by the infiltrated powder bed may 3 be removed from the mold. For this purpose, first the frame 36 from the infiltration form 22 away. Subsequently, the infiltration form 22 smashed, and the shaping elements 20 be of the infiltration form 22 and the drill head main body 3 removed, if necessary z. B. by a slight shaking of the shaping elements 20 , The shaping elements 20 usually remain as a whole and can be reused in another infiltration process. Damaged forming elements 20 are easy to dispose of, as they break in the event of destruction to form a very small number of parts, with virtually no dust is released, and since in the ceramic no toxic substances are included.

Nach Entfernung der Formgebungsteile wurden keine nennenswerten Anbackungen/Anhaftungen von Keramikmaterial in den Taschen des Bohrkopf-Hauptkörpers und auch keine Anhaftungen von Matrixmaterial und/oder des Infiltranten an den Formgebungsteilen festgestellt.After removal of the forming members, no appreciable caking / adhesions of ceramic material in the pockets of the drill head main body and no adherence of matrix material and / or the infiltrant to the forming members were noted.

Die von den erfindungsgemäßen Formgebungselementen 20 freigehaltenen/ausgebildeten Taschen weisen eine derart hohe Oberflächengüte auf, dass die PKD-Schneideinsätze 7 i. d. R. ohne das Erfordernis einer aufwendigen Nachbearbeitung der Taschen in diese eingelötet werden können. Die Nachbearbeitung der Taschen kann somit entweder vollständig entfallen oder ist verglichen mit der im Stand der Technik erforderlichen Nachbearbeitung stark vereinfacht.The of the shaping elements according to the invention 20 kept / trained pockets have such a high surface quality that the PCD cutting inserts 7 usually without the need for elaborate post-processing of the bags can be soldered into this. The post-processing of the pockets can thus either be completely eliminated or compared to the post-processing required in the prior art greatly simplified.

Die leichte Entformbarkeit/Entfernbarkeit der Formgebungsteile 20 und der stark reduzierte Nachbearbeitungsaufwand sind zurückzuführen auf die thermische und mechanische Stabilität der Keramik, die hohe Abriebfestigkeit der Keramik gegenüber der Pulverschüttung, die chemische Stabilität gegenüber der Pulverschüttung und dem Infiltranten sowie die schlechte Benetzbarkeit der Keramik durch den Infiltranten.The easy releasability / removability of the molding parts 20 and the greatly reduced post-processing costs are attributable to the thermal and mechanical stability of the ceramic, the high abrasion resistance of the ceramic to the powder bed, the chemical stability to the powder bed and the infiltrant and the poor wettability of the ceramic by the infiltrant.

Vor dem Auflöten der Schneidelemente 7 kann der Bohrkopf-Hauptkörper zur Reduzierung von Verschleiß im Betrieb noch partiell aufgepanzert werden.Before soldering on the cutting elements 7 For example, in order to reduce wear during operation, the drill head main body can still be partially reinforced.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 5662183 [0002, 0003, 0010, 0053, 0053, 0054] US 5662183 [0002, 0003, 0010, 0053, 0053, 0054]
  • US 6220117 B1 [0056] US 6220117 B1 [0056]

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung eines Hauptkörpers (3) eines Bohrkopfes (1) durch Infiltrieren einer in eine Kavität (23) einer Infiltrationsform (22) eingebrachten Matrixmaterial-Pulverschüttung (24) mit einem Infiltranten (28), wobei in der Kavität (23) der Infiltrationsform (22) zumindest ein Formgebungsteil (20) angeordnet wird, welches, nach dem Infiltrieren der Matrixmaterial-Pulverschüttung (24) mit dem Infiltranten (28), von dem von der infiltrierten Matrixmaterial-Pulverschüttung gebildeten Hauptkörper (3) entfernt wird, so dass in dem Hauptkörper (3) eine Aussparung (6) zur Aufnahme eines Schneidelements (7) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Formgebungsteil (20) aus einer gesinterten Keramik hergestellt ist.Method for producing a main body ( 3 ) of a drill head ( 1 ) by infiltration into a cavity ( 23 ) of an infiltration ( 22 ) introduced matrix material powder bed ( 24 ) with an infiltrant ( 28 ), where in the cavity ( 23 ) of the infiltration ( 22 ) at least one shaping part ( 20 ), which, after infiltrating the matrix material powder bed ( 24 ) with the infiltrant ( 28 ), from the main body formed by the infiltrated matrix material powder bed ( 3 ) is removed so that in the main body ( 3 ) a recess ( 6 ) for receiving a cutting element ( 7 ) is formed, characterized in that the at least one shaping part ( 20 ) is made of a sintered ceramic. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gesinterte Keramik eine nicht-oxydische Mischkeramik ist.The method of claim 1, wherein the sintered ceramic is a non-oxide mixed ceramic. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die gesinterte Keramik Bornitrid und/oder Aluminiumnitrid enthält oder aus Bornitrid und/oder Aluminiumnitrid besteht.Method according to claim 1 or 2, wherein the sintered ceramic contains boron nitride and / or aluminum nitride or consists of boron nitride and / or aluminum nitride. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die gesinterte Keramik eine oder mehrere Komponenten enthält, welche ausgewählt sind aus der Gruppe, die aus Titandiborid, Wolfram und Aluminiumnitrid besteht.The method of any one of claims 1 to 3, wherein the sintered ceramic contains one or more components selected from the group consisting of titanium diboride, tungsten, and aluminum nitride. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die gesinterte Keramik aus einer Pulvermischung hergestellt ist, die folgende Komponenten enthält: – 20 bis 60 Gew.-% Bornitrid oder Aluminiumnitrid oder ein Gemisch aus Bornitrid und Aluminiumnitrid, – 15 bis 60 Gew.-% Titandiborid, – 0,1–5 Gew.-% Boroxid, – 0,1–10 Gew.-% einer sauerstoffhaltigen Verbindung, die geeignet ist, mit dem Boroxid eine Borat-Bindephase zu bilden, und – optional 5 bis 20 Gew.-% Wolfram.Method according to one of claims 1 to 4, wherein the sintered ceramic is made of a powder mixture containing the following components: 20 to 60% by weight boron nitride or aluminum nitride or a mixture of boron nitride and aluminum nitride, From 15 to 60% by weight of titanium diboride, 0.1 to 5% by weight boron oxide, 0.1-10% by weight of an oxygen-containing compound capable of forming a borate binder phase with the boric oxide, and - Optionally 5 to 20 wt .-% tungsten. Infiltrationsform (22) zur Verwendung in dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, von der eine Kavität (23) zur Aufnahme einer Matrixmaterial-Pulverschüttung (24) ausgebildet ist, in der zumindest ein Formgebungsteil (20) aufgenommen ist, von dem beim Herstellen des Hauptkörpers (3) via Infiltrieren der Matrixmaterial-Pulverschüttung (24) mit einem Infiltranten (28) eine Aussparung (6) zur Aufnahme eines Schneidelements (7) in dem Hauptkörper (3) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Formgebungsteil (20) aus einer gesinterten Keramik hergestellt ist.Infiltration form ( 22 ) for use in the method according to one of claims 1 to 5, of which a cavity ( 23 ) for receiving a matrix material powder bed ( 24 ) is formed, in the at least one shaping part ( 20 ), from which, during manufacture of the main body ( 3 ) via infiltration of the matrix material powder bed ( 24 ) with an infiltrant ( 28 ) a recess ( 6 ) for receiving a cutting element ( 7 ) in the main body ( 3 ) is formed, characterized in that the at least one shaping part ( 20 ) is made of a sintered ceramic. Infiltrationsformgebungsteil (20) zur Verwendung in dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welches derart ausgebildet ist, dass von dem Infiltrationsformgebungsteil (20) beim Herstellen des Hauptkörpers (3) via Infiltrieren einer Matrixmaterial-Pulverschüttung (24) mit einem Infiltranten (28) eine Aussparung (6) zur Aufnahme eines Schneidelements (7) in dem Hauptkörper (3) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Infiltrationsformgebungsteil (20) aus einer gesinterten Keramik hergestellt ist.Infiltration molding part ( 20 ) for use in the method according to one of claims 1 to 5, which is designed such that of the infiltration molding part ( 20 ) during manufacture of the main body ( 3 ) via infiltration of a matrix material powder bed ( 24 ) with an infiltrant ( 28 ) a recess ( 6 ) for receiving a cutting element ( 7 ) in the main body ( 3 ) is formed, characterized in that the infiltration molding part ( 20 ) is made of a sintered ceramic. Infiltrationsformgebungsteil (20) nach Anspruch 7, welches eine zumindest teilweise ausgebildete im Wesentlichen kreiszylinderförmige Mantelaußenfläche hat.Infiltration molding part ( 20 ) according to claim 7, which has an at least partially formed substantially circular cylindrical shell outer surface. Verwendung eines Formgebungsteils (20), das aus einer gesinterten Keramik hergestellt ist, zur Herstellung einer Aussparung in einem Körper beim Herstellen des Körpers via Infiltrieren einer Matrixmaterial-Pulverschüttung (24) mit einem Infiltranten (28).Use of a shaping part ( 20 ), which is made of a sintered ceramic, for producing a recess in a body in the manufacture of the body via infiltration of a matrix material powder bed ( 24 ) with an infiltrant ( 28 ). Verwendung nach Anspruch 9, wobei der Körper ein Hauptkörper (3) eines Bohrkopfes (1) ist.Use according to claim 9, wherein the body is a main body ( 3 ) of a drill head ( 1 ).
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US6220117B1 (en) 1998-08-18 2001-04-24 Baker Hughes Incorporated Methods of high temperature infiltration of drill bits and infiltrating binder

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