DE102018122536A1

DE102018122536A1 - Dünnwandige erdbohrwerkzeuge und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE102018122536A1
Application number: DE102018122536.9A
Authority: DE
Inventors: Paul D. Prichard; John BROSNAHAN; Roger Stark
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2017-10-06
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2019-04-11
Anticipated expiration: 2038-09-15
Also published as: US20190106941A1; CN109630027B; DE102018122536B4; CN109630027A; US10662716B2

Abstract

Es werden Erdbohrwerkzeuge unter Verwendung von Sintercarbidzusammensetzungen in Verbindung mit dünnwandiger Bauweise beschrieben. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Erdbohrwerkzeug einen Bohrmeißel, der einen Schneidabschnitt und einen Körperabschnitt umfasst, wobei der Körperabschnitt einen Sintercarbidmantel mit einer Wanddicke von 5 Prozent bis 25 Prozent des Bohrmeißeldurchmessers umfasst.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Erdbohrwerkzeuge und insbesondere Bohrmeißel mit dünnwandiger Bauweise.
HINTERGRUND
Erdbohrwerkzeuge für die Öl- und Gassuche werden typischerweise hergestellt, indem ein Formwerkzeug aus Graphit maschinell bearbeitet und das Formwerkzeug mit Wolframcarbid(WC)-Pulver gefüllt wird. Eine Legierung mit niedrigerem Schmelzpunkt (oft kupferbasiert) wird als infiltrierendes Metallbindemittel über das WC-Pulver gelegt. Das Formwerkzeug wird in einen Vakuumofen gegeben, der das Infiltriermittel schmilzt, um den Hohlraum zwischen den WC-Teilchen durch Kapillarkraft zu füllen, wodurch die WC-Teilchen aneinander gebunden werden und eine hartmetallverstärkte Verbundstruktur in der Form eines Erdbohrwerkzeugs erzeugt wird. Dieses Verfahren ist auf grobkörniges Wolframcarbid mit einem begrenzten Volumenanteil (bis zu 60 Volumenprozent) und auf Infiltrationsmittel mit niedrigem Schmelzpunkt beschränkt. Die infiltrierten WC-Materialien auf Kupferbasis haben schlechtere mechanische und Verschleißeigenschaften im Vergleich zu WC-Co-Qualitäten, die eine feinere Korngröße, einen höheren WC-Gehalt und viel stärkere Cobalt-, Nickel- oder Eisenmetallbindemittel aufweisen. Die derzeitige Technik der Graphitformwerkzeugbearbeitung, der Kerneinsätze und des Infiltrationsprozesses ist ein zeitaufwändiges und teures Verfahren mit geometrischer Beschränkung. Zusätzlich wird für die massive Carbidstruktur eine übermäßige Menge an WC verwendet, was zu einem erhöhten Gewicht des Bohrwerkzeugs führt.
KURZDARSTELLUNG
In einem Aspekt werden hierin Erdbohrwerkzeuge beschrieben, die Sintercarbidzusammensetzungen in Verbindung mit dünnwandiger Bauweise verwenden. Kurz gesagt umfasst ein Erdbohrwerkzeug einen Bohrmeißel, der einen Schneidabschnitt und einen Körperabschnitt umfasst, wobei der Körperabschnitt einen Sintercarbidmantel mit einer Wanddicke von 5 Prozent bis 25 Prozent des Bohrmeißeldurchmessers umfasst. In einigen Ausführungsformen weist der Sintercarbidmantel eine Dicke von 10 Prozent bis 20 Prozent des Bohrmeißeldurchmessers auf.
In einem anderen Aspekt werden Verfahren zur Herstellung von Erdbohrwerkzeugen bereitgestellt. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Bohrmeißels eines Erdbohrwerkzeugs ein Verfestigen eines Pulvers geeigneter Güte in Form des Bohrmeißels über eine additive Herstellungstechnik, wobei der Bohrmeißel einen Schneidabschnitt und einen Körperabschnitt umfasst, wobei der Körperabschnitt einen Sintercarbidmantel mit einer Wanddicke von 5 Prozent bis 25 Prozent des Bohrmeißeldurchmessers aufweist. Das Pulver geeigneter Güte kann Hartmetall und metallisches Bindemittel umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst das Pulver geeigneter Güte Sintercarbidteilchen.
Diese und weitere Ausführungsformen werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung näher beschrieben.
Figurenliste

1 ist ein Bohrmeißel eines Erdbohrwerkzeugs gemäß einigen hierin beschriebenen Ausführungsformen.
2 ist eine perspektivische Ansicht des Inneren des Sintercarbidmantels des Bohrmeißels von 1.
3A ist ein REM-Bild von Sintercarbidteilchen gemäß einigen hier beschriebenen Ausführungsformen.
3B ist ein REM-Bild von Vergleichs-Sintercarbidteilchen.
4 zeigt Gitterstrukturen, die mit dem Sintercarbidmantel eines Bohrmeißels gemäß einigen Ausführungsformen gekoppelt sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin beschriebene Ausführungsformen werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Beispiele und deren vorherigen und folgenden Beschreibungen leichter verständlich. Hierin beschriebene Elemente, Vorrichtungen und Verfahren sind jedoch nicht auf die speziellen Ausführungsformen beschränkt, die in der ausführlichen Beschreibung und in den Beispielen vorgestellt werden. Es versteht sich, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich, ohne vom Grundgedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen.
ERDBOHRWERKZEUGE
Erdbohrwerkzeuge werden hierin unter Verwendung von Sintercarbidzusammensetzungen in Verbindung mit dünnwandiger Bauweise beschrieben. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Erdbohrwerkzeug einen Bohrmeißel, der einen Schneidabschnitt und einen Körperabschnitt umfasst, wobei der Körperabschnitt einen Sintercarbidmantel mit einer Wanddicke von 5 Prozent bis 25 Prozent des Bohrmeißeldurchmessers umfasst. Der Bohrmeißeldurchmesser ist durch den größten Durchmesser an den Schneidelementen definiert, der einen Lochdurchmesser in der Erde erzeugt. 1 veranschaulicht einen Festmesser-Bohrmeißel mit einem dünnwandigen Sintercarbidmantel, der gemäß den hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Der Bohrmeißel 10 umfasst eine Vielzahl von feststehenden Schneidmessern 11, die den Schneidabschnitt des Bohrmeißels 10 bilden. Die Schneidmesser 11 umfassen eine Vielzahl von Taschen 15 zur Aufnahme von Schneideinsätzen. Ein Körperabschnitt 12 trägt die Schneidmesser 11 und umfasst einen Sintercarbidmantel 13. 2 ist eine perspektivische Ansicht des Inneren des Sintercarbidmantels 13. Wie in 1 und 2 veranschaulicht, umfasst der Sintercarbidmantel 13 Öffnungen 14 zum Durchlassen von Fluiden, wie Schlamm oder Aufschlämmung, zu den Schneidmessern. Die Öffnungen 14 können benachbart zu den Schneidmessern 11 positioniert sein, um Fluid zu Schneideinsätzen (nicht gezeigt) zu liefern, die in Taschen 15 der Schneidmesser 11 positioniert sind. In einigen Ausführungsformen sind die Öffnungen 14 Teil einer oder mehrerer Düsenstrukturen. Außerdem kann das hohle Innere des Mantels 13 als Reservoir für Schlamm und/oder andere Fluide zur Abgabe durch die Öffnungen 14 dienen. Der Bohrmeißel weist auch Kissen 16 benachbart zum Sintercarbidmantel 13 auf, die eine radiale Anordnung aufweisen, die den feststehenden Schneidmessern 11 entspricht. Auch wenn in 1 und 2 feste Schneidmesser gezeigt sind, wird für die hier beschriebenen Bohrmeißel auch einen Schneidabschnitt vorgesehen, der Rollenmeißel umfasst.
Der Sintercarbidmantel kann eine Wanddicke von 5 bis 25 Prozent des Bohrmeißeldurchmessers aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Wanddicke des Sintercarbidmantels aus Tabelle I ausgewählt sein. TABELLE I - WANDDICKE DES SINTERCARBIDMANTELS

% des Bohrmeißeldurchmessers

5-25

5-20

5-15

5-10

10-25

10-20

15-25

15-20
In einigen Ausführungsformen weist der Sintercarbidmantel eine gleichmäßige Wanddicke oder eine im Wesentlichen gleichmäßige Wanddicke auf, deren Wert aus Tabelle I ausgewählt ist. Wenn sie im Wesentlichen gleichmäßig ist, variiert die Wanddicke am Sintercarbidmantel um weniger als 10 Prozent. In anderen Ausführungsformen weist der Sintercarbidmantel eine variable Wanddicke auf. Der Sintercarbidmantel kann beispielsweise eine variable Dicke in der vertikalen und/oder der radialen Dimension aufweisen. Wenn er eine variable Dicke aufweist, kann mindestens ein Bereich des Sintercarbidmantels eine Wanddicke aufweisen, die aus Tabelle I ausgewählt ist, während andere Bereiche Wanddickenwerte außerhalb der Parameter von Tabelle I aufweisen können. In einigen Ausführungsformen ist die Wanddicke in Bereichen des Sintercarbidmantels erhöht, die während des Betriebs des Bohrmeißels eine hohe Beanspruchung und/oder einen starken Verschleiß erfahren. Solche Bereiche umfassen Aufprallbereiche und Befestigungspunkte des Bohrmeißels an einem Legierungs- oder Stahlkörper der Erdbohrvorrichtung.
Der Bohrmeißel kann einen beliebigen gewünschten Durchmesser für Erdbohrungsanwendungen aufweisen. In einigen Ausführungsformen weist der Bohrmeißel einen Durchmesser von 100 mm bis 300 mm auf. Insbesondere kann der Bohrmeißel einen Durchmesser aufweisen, der aus Tabelle II ausgewählt ist. TABELLE II - BOHRMEIßELDURCHMESSER (MM)

100

150

200

250

300

< 100

> 300
Wie hierin beschrieben, umfasst der Mantel des Bohrmeißels Sintercarbid. Das Sintercarbid umfasst Hartmetallkörner und metallisches Bindemittel. Metallisches Bindemittel, wie Cobalt, Nickel, Eisen oder Legierungen davon, kann überall im Sintercarbid des Mantels in Mengen von 0,5 bis 30 Gewichtsprozent vorhanden sein.
Darüber hinaus umfassen geeignete Hartmetallkörner ein oder mehrere Übergangsmetalle, die aus den Gruppen IVB-VIB des Periodensystems ausgewählt sind. In einigen Ausführungsformen umfassen Hartmetallkörner beispielsweise Wolframcarbid. Wolframcarbid kann in dem Sintercarbid in einer Menge von mindestens 80 Gewichtsprozent oder mindestens 90 Gewichtsprozent vorhanden sein. In einigen Ausführungsformen ist das Wolframcarbid das einzige Hartmetall des Artikels aus Sintercarbid. Alternativ kann Hartmetall zusätzlich zu Wolframcarbid Carbide aus einem oder mehreren von Niob, Vanadium, Tantal, Chrom, Zirkonium und/oder Hafnium enthalten. Hartmetallkörner des Artikels aus Sintercarbid können eine beliebige Größe aufweisen, solange sie den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht entgegenstehen. Hartmetallkörner können zum Beispiel eine durchschnittliche Größe von 0,5 µm bis 50 µm aufweisen.
In einigen Ausführungsformen sind Hartmetallteilchen, die bei der Herstellung des Mantels eingesetzt werden, Sintercarbidteilchen. Wie hierin noch ausführlicher beschrieben wird, umfasst ein einzelnes Sintercarbidteilchen mehrere Hartmetallkörner, die in Verbindung mit metallischem Bindemittel miteinander versintert sind. Im losen Zustand können die Sintercarbidteilchen in einigen Ausführungsformen eine scheinbare Dichte von mindestens 6 g/m³ aufweisen. Wie dem Fachmann bekannt ist, ist die scheinbare Dichte die Masse einer Volumeneinheit von Pulver oder Teilchen im losen Zustand, üblicherweise ausgedrückt in g/m³. In einigen Ausführungsformen weisen Sintercarbidteilchen eine scheinbare Dichte von mindestens 7 g/cm³ auf. Die scheinbare Dichte der Sintercarbidteilchen von Pulvern geeigneter Güte, die hierin beschrieben werden, kann auch Werte aufweisen, die aus Tabelle III ausgewählt sind. TABELLE III - SCHEINBARE DICHTE VON SINTERCARBIDTEILCHEN

≥ 6,5 g/cm³

≥ 7,5 g/cm³

≥ 8 g/cm³

≥ 9 g/cm³

6-11 g/cm³

7-11 g/cm³

8-11 g/cm³
Die Dichte von Sintercarbidteilchen von Pulvern geeigneter Güte kann auch weniger als 6 g/cm³ betragen. Beispielsweise kann die scheinbare Dichte von Sintercarbidteilchen in einigen Ausführungsformen im Bereich von 2-6 g/cm³ liegen. Die scheinbare Dichte von Sinterteilchen kann gemäß ASTM B212 Standard Test Method for Apparent Density Free Flow Metal Powders (Standardprüfverfahren für die scheinbare Dichte von frei fließenden Metallpulvern) unter Verwendung des Hall-Flowmeter-Trichters bestimmt werden.
Zusätzlich zur scheinbaren Dichte können Sintercarbidteilchen, die bei der Mantelherstellung eingesetzt werden, eine Klopfdichte von mindestens 7 g/cm³ aufweisen. In einigen Ausführungsformen zeigen Sintercarbidteilchen eine Klopfdichte mit einem Wert, der aus Tabelle IV ausgewählt ist. TABELLE IV - KLOPFDICHTE VON SINTERCARBIDTEILCHEN

≥ 7,5 g/cm³

≥ 8 g/cm³

≥ 8,5 g/cm³

≥ 9,5 g/cm³

7-12 g/cm³

8-12 g/cm³

9-12 g/cm³
Die Klopfdichte von Sintercarbidteilchen kann gemäß ASTM B527 Standard Test Method for Tap Density of Metal Powders and Compounds (Standardprüfverfahren für die Klopfdichte von Metallpulvern und -verbindungen) bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen beträgt das Verhältnis der Klopfdichte zur scheinbaren Dichte (Hausner-Verhältnis) von Sintercarbidteilchen 1,05 bis 1,50. Das Hausner-Verhältnis von Sintercarbidteilchen beträgt in einigen Ausführungsformen 1,1 bis weniger als 1,50.
Zusätzlich zur scheinbaren Dichte und zur Klopfdichte können Sintercarbidteilchen eine durchschnittliche Einzelteilchendichte von mindestens 80 Prozent einer theoretischen Dichte aufweisen. In einigen Ausführungsformen beträgt die durchschnittliche Einzelteilchendichte der Sintercarbidteilchen mindestens 90 % oder mindestens 95 % der theoretischen Dichte. Sintercarbidteilchen können in einigen Ausführungsformen eine durchschnittliche Einzelteilchendichte von 80 bis 95 % der theoretischen Dichte aufweisen. In weiteren Ausführungsformen können Sintercarbidteilchen eine durchschnittliche Einzelteilchendichte von 90 bis 98 % der theoretischen Dichte aufweisen.
Wie hierin noch näher beschrieben wird, können die oben angegebenen scheinbaren Dichten, Klopfdichten und Einzelteilchendichten durch einen oder mehrere Sinterprozesse erreicht werden, die während der Bildung der Teilchen angewendet werden. Für die Sinterprozesse werden in einigen Ausführungsformen keine Sinterhemmstoffe verwendet, um das Aneinanderkleben oder -haften der Teilchen abzuschwächen. Die hierin beschriebenen Eigenschaften von Sintercarbidteilchen können ohne Sinterhemmstoffe erreicht werden. In einigen Ausführungsformen werden Sintercarbidteilchen durch Sintern eines Pulvers geeigneter Güte bei Temperaturen von 1100 °C bis 1400 °C für 0,5 bis 2 Stunden hergestellt, um einen Sinterkörper bereitzustellen. Der Sinterkörper wird anschließend gemahlen, um einzelne Sintercarbidteilchen bereitzustellen. In Abhängigkeit von der Morphologie und Dichte der Teilchen können die Sintercarbidteilchen zur weiteren Verdichtung weiter wärmebehandelt werden. Eine weitere Wärmebehandlung kann eine Plasmaverdichtung wie etwa Plasmakugelglühen unter Verwendung eines HF-Plasmabrenners oder DC-Plasmabrenners umfassen. Alternativ können die Sintercarbidteilchen erneut gesintert werden, um einen zweiten Körper herzustellen. Der zweite Körper wird gemahlen, um die Sintercarbidteilchen bereitzustellen. Weitere Verdichtungsbehandlungen können beliebig oft angewendet werden, um Sintercarbidteilchen gewünschte scheinbare Dichten, Klopfdichten und/oder Einzelteilchendichten zu verleihen. Die Sinterzeiten und -temperaturen können gemäß verschiedenen Überlegungen ausgewählt werden, unter anderem in Bezug auf Bindemittelgehalt der Hartmetallteilchen, die gewünschte Dichte der gesinterten Teilchen und das Sinterstadium. In einigen Ausführungsformen werden frühe Sinterschritte bei niedrigeren Temperaturen und/oder über kürzere Zeiten durchgeführt, um das Mahlen des Sinterkörpers zu erleichtern. Beispielsweise kann ein Sinterprozess in einem Anfangs- oder frühen Stadium bei Temperaturen unterhalb der Bindemittelverflüssigung angewendet werden. Sinterprozesse eines späten oder Endstadiums können höhere Temperaturen erreichen, wie etwa Temperaturen, bei denen ein Flüssigphasensintern stattfindet.
Alternativ dazu wurden Sintercarbidteilchen für nicht verwandte Anwendungen entwickelt, wie thermisches Spritzen und andere Ummantelungsanwendungen. In einigen Ausführungsformen können Sintercarbidteilchen, die im Handel für diese nicht verwandten Anwendungen verfügbar sind, im Sintercarbidmantel von Bohrmeißeln, die hierin beschrieben sind, verwendet werden. Sintercarbidteilchen, die zum Beispiel für thermische Sprüh-/Ummatelungsanwendungen entwickelt wurden, sind von der Global Tungsten and Powders Corporation unter dem Handelsnamen Powder Perfect im Handel erhältlich.
3A ist ein REM-Bild von Sintercarbidteilchen vor der Verfestigung in Form eines Mantels für den Bohrmeißel. Zwei Sinterprozesse wurden auf die Hartmetallteilchen angewendet, was zu einer scheinbaren Dichte von 7 g/cm³ und einer Klopfdichte von 8,5 g/cm³ führte. Zum Vergleich zeigt 3B ein REM-Bild von Sintercarbidteilchen mit einer scheinbaren Dichte von 4,5 g/cm³ und einer Klopfdichte von 5,5 g/cm³. Wie in 3B dargestellt ist, weisen die Sintercarbidteilchen eine erheblich höhere Porosität auf, was eine geringe Einzelteilchendichte bedingt.
Sintercarbidteilchen können im Allgemeinen eine durchschnittliche Größe von 1 µm bis 100 µm aufweisen. In einigen Ausführungsformen haben Sintercarbidteilchen eine durchschnittliche Größe, die aus Tabelle V ausgewählt ist. Tabelle V - Durchschnittliche Größe von Sintercarbidteilchen (µm)

5-90

5-50

10-75

10-50

5-40

20-40

0,5-2

1-5

1-10
Sintercarbidteilchen können in einigen Ausführungsformen eine Gaußsche Teilchengrößenverteilung aufweisen. In anderen Ausführungsformen können Sintercarbidteilchen eine polydisperse, bimodale oder multimodale Teilchengrößenverteilung aufweisen. In weiteren Ausführungsformen können Sintercarbidteilchen monodispers oder im Wesentlichen monodispers sein. Wenn sie im Wesentlichen monodispers sind, liegen die Hartmetallteilchen innerhalb von ±10 Prozent oder ±5 der durchschnittlichen Teilchengröße. In einigen Ausführungsformen sind Sintercarbidteilchen kugelförmig oder im Wesentlichen kugelförmig. Alternativ dazu können Sintercarbidteilchen eine Mischung unregelmäßig geformter Teilchen mit kugelförmigen oder im Wesentlichen kugelförmigen Teilchen sein.
Sintercarbidteilchen umfassen ein oder mehrere Hartmetalle, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Carbiden von Metallen der Gruppe IVB, Carbiden von Metallen der Gruppe VB und Carbiden von Metallen der Gruppe VIB besteht. In einigen Ausführungsformen ist Wolframcarbid das einzige Hartmetall der gesinterten Teilchen. In anderen Ausführungsformen werden ein oder mehrere Carbide von Metallen der Gruppe IVB, der Gruppe VB und/oder der Gruppe VIB mit Wolframcarbid kombiniert, um gesinterte Einzelteilchen bereitzustellen. Beispielsweise können bei der Herstellung gesinterter Teilchen Chromcarbid, Titancarbid, Vanadiumcarbid, Tantalcarbid, Niobcarbid, Zirkoniumcarbid und/oder Hafniumcarbid und/oder feste Lösungen davon mit Wolframcarbid kombiniert werden. Wolframcarbid kann allgemein in einer Menge von mindestens etwa 80 oder 85 Gewichtsprozent in den gesinterten Teilchen vorhanden sein. In einigen Ausführungsformen sind Carbide von Metallen der Gruppen IVB, VB und/oder VIB außer Wolframcarbid in den gesinterten Teilchen in einer Menge von 0,1 bis 5 Gewichtsprozent vorhanden.
Sintercarbidteilchen umfassen metallisches Bindemittel. Metallisches Bindemittel für Sintercarbidteilchen kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Cobalt, Nickel und Eisen und Legierungen davon. In einigen Ausführungsformen liegt metallisches Bindemittel in den Sintercarbidteilchen in einer Menge von 0,1 bis 35 Gewichtsprozent vor. Metallisches Bindemittel kann in den Sintercarbidteilchen auch in einer Menge vorliegen, die aus Tabelle VI ausgewählt ist. Tabelle VI - Gehalt an metallischem Bindemittel (Gew.-%)

0,1-20

0,1-10

0,5-15

1-10

3-20

5-15

12-15

10-35

15-35

15-25
Ein metallisches Bindemittel für die Sintercarbidteilchen kann auch ein oder mehrere Additive, wie etwa Edelmetalladditive, enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das metallische Bindemittel ein Additiv umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Platin, Palladium, Rhenium, Rhodium und Ruthenium und Legierungen davon besteht. In anderen Ausführungsformen kann ein Additiv für das metallische Bindemittel Molybdän, Silicium oder Kombinationen davon umfassen. Ein Additiv kann im metallischen Bindemittel in jeder beliebigen Menge vorliegen, solange sie den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht entgegensteht. Zum Beispiel kann in dem metallischen Bindemittel mindestens ein Additiv in einer Menge von 0,1 bis 10 Gewichtsprozent der Sintercarbidteilchen vorhanden sein.
Der Bohrmeißelmantel kann in einigen Ausführungsformen weniger als 5 Volumenprozent Porosität oder weniger als 3 Volumenprozent Porosität aufweisen. Die Teilchenzusammensetzung, die Teilchengröße und der Gehalt an metallischem Bindemittel der Sintercarbidzusammensetzung, aus der die Bohrmeißel gebildet werden, können gemäß mehreren Betrachtungen variiert werden, einschließlich der gewünschten Zähigkeit und Verschleißfestigkeit. In einigen Ausführungsformen ist das Sintercarbid überall im Mantel gleichmäßig. Alternativ kann das Sintercarbid über eine oder mehrere Dimensionen des Mantels hinweg einen oder mehrere Gradienten aufweisen. In einigen Ausführungsformen weist das Sintercarbid über eine oder mehrere Dimensionen des Mantels hinweg eine Teilchengröße und/oder einen Gradienten des metallischen Bindemittels auf. Beispielsweise kann bzw. können die Teilchengröße und/oder der Gehalt an metallischem Bindemittel des Sintercarbids in Regionen des Mantels, die einen hohen Verschleiß erfahren, abnehmen. In anderen Ausführungsformen kann bzw. können die Teilchengröße und/oder der Bindemittelgehalt des Sintercarbids in Regionen des Mantels zunehmen, die Stöße aufnehmen müssen oder die eine größere Zähigkeit erfordern. Die Zusammensetzungsgradienten des Sintercarbids können mit den hierin beschriebenen Wanddickenvariationen kombiniert werden, um den Mantel mit den gewünschten Eigenschaften zu versehen.
In einigen Ausführungsformen sind eine oder mehrere Gitterstrukturen mit dem Sintercarbidmantel des Bohrmeißels gekoppelt. Gitterstrukturen können beliebige Konstruktionen, Merkmale und/oder Anordnungen aufweisen, um dem Sintercarbidmantel eine strukturelle Verbesserung zu verleihen. In einigen Ausführungsformen kann mindestens eine Gitterstruktur den Innendurchmesser des Sintercarbidmantels überspannen. In anderen Ausführungsformen kann ein Stützring mit dem Mantel positioniert werden, wobei sich Gitterstrukturen zwischen dem Stützring und der Innenwand des Mantels erstrecken. Der Stützring kann jede beliebige Querschnittform aufweisen, einschließlich kreisförmig, elliptisch oder mehreckig. Zusätzlich können die Gitterstrukturen jede beliebige Konfiguration aufweisen, einschließlich gerader, gekrümmter und/oder kurvförmiger Segmente, die sich zwischen dem Stützring und einer Innenwand des Mantels erstrecken. 4 veranschaulicht einen Stützring und zugehörige Gitterstrukturen gemäß einigen Ausführungsformen. Wie in 4 dargestellt, erstreckt sich ein kurvenförmiges Gitter 41 zwischen der Innenwand des Mantels 40 und dem Stützring 42.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Sintercarbidmantel ferner eine oder mehrere Rippenstrukturen an der Innenwand des Mantels. Eine Rippenstruktur kann einen kontinuierlichen Ring entlang der Innenwand des Mantels bilden. In anderen Ausführungsformen können Rippenstrukturen entlang der Innenwand des Mantels unterbrochen sein. Beispielsweise können Rippenstrukturen in verschiedenen Intervallen oder an verschiedenen Stellen entlang der Innenwand des Mantels angeordnet werden. In einigen Ausführungsformen sind Rippenstrukturen entlang der Innenwand an Stellen zwischen den Kissen angeordnet. Die Gitter- und/oder Rippenstrukturen können aus jedem beliebigen Material gebildet werden, das den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht entgegensteht. In einigen Ausführungsformen werden Gitter- und/oder Rippenstrukturen aus Sintercarbid gebildet. Das Sintercarbid der Gitter- und/oder Rippenstrukturen kann beliebige hierin beschriebene Zusammensetzungsparameter, Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen.
Die Innenfläche des Sintercarbidmantels kann auch ein Gewinde zum Eingriff mit einem Metall- oder Legierungskörper, wie beispielsweise einer Bohrsäule oder einem Bohrkopf, umfassen. In manchen Ausführungsformen ist das Gewinde aus Sintercarbid ausgebildet. Der Sintercarbidmantel des Bohrmeißels kann durch Umkehrgewinde, Hartlöten, Schrumpfpassung und/oder andere mechanische Mittel einschließlich Bolzen, Schrauben und/oder üblicher Befestigungselemente an einem Metall- oder Legierungskörper befestigt sein.
Wie wiederum in 1 dargestellt ist, umfassen die Schneidmesser 11 mehrere Taschen 15 zur Aufnahme von Schneideinsätzen. In einigen Ausführungsformen umfassen die Taschen 15 mindestens ein strukturelles Merkmal zum mechanischen Ineingriffnehmen der Schneideinsätze. Strukturelle Elemente können aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus Gewinden, Schlitzen, Flanschen, einem sich verjüngenden Taschendurchmesser und Kombinationen davon besteht. Eine mechanische Ineingriffnahme von Schneideinsätzen kann den Austausch von verschlissenen Einsätzen gegen neue Einsätze erleichtern. Die Schneideinsätze können Einsätze aus polykristallinem Diamant (PCD), Wolframcarbid-Einsätze, Wolframcarbid-Einsätze mit einer superabrasiven Oberfläche, wie natürlichem oder synthetischem Diamant, polykristallinem kubischem Bornitrid (PCBN) oder Einsätze, die aus einer Matrix aus Wolframcarbid und anderen Materialien aufgebaut sind, umfassen.
II. Verfahren zur Herstellung von Erdbohrwerkzeugen
In einem anderen Aspekt werden Verfahren zur Herstellung von Erdbohrwerkzeugen bereitgestellt. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Bohrmeißels eines Erdbohrwerkzeugs ein Verfestigen eines Pulvers geeigneter Güte in Form eines Bohrmeißels über eine additive Herstellungstechnik, wobei der Bohrmeißel aus einem Schneidabschnitt und einem Körperabschnitt besteht, wobei der Körperabschnitt einen Sintercarbidmantel mit einer Wanddicke von 5 Prozent bis 25 Prozent des Bohrmeißeldurchmessers aufweist. Das Pulver geeigneter Güte kann Hartmetall und metallisches Bindemittel umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst das Pulver geeigneter Güte Sintercarbidteilchen mit einer Zusammensetzung und mit Eigenschaften, die hierin im obigen Abschnitt I beschrieben sind.
Wie hierin beschrieben, wird das Pulver geeigneter Güte durch eine oder mehrere Additivherstellungstechniken in Form eines Bohrmeißels verfestigt. Es kann jede beliebige Additivherstellungstechnik verwendet werden, die geeignet ist, um aus dem Pulver geeigneter Güte einen Bohrmeißel zu bilden. Das Pulver geeigneter Güte kann zum Beispiel durch Lasersintern gemäß einer elektronischen Datei, die die Auslegungsparameter eines Bohrmeißels detailliert darstellt, in Form des Bohrmeißels verfestigt werden. In einigen Ausführungsformen wird das Pulver geeigneter Güte zu einem Bohrmeißelgrünling verdichtet und anschließend gesintert. Zum Beispiel kann durch Binder Jetting bzw. 3D-Druck ein Bohrmeißelgrünling bereitgestellt werden, der aus Pulver geeigneter Güte besteht. Für den Binder-Jetting-Prozess wird eine elektronische Datei bereitgestellt, in der die Auslegungsparameter des Bohrmeißels detailliert dargestellt sind. Die Binder-Jetting-Vorrichtung verteilt eine Schicht aus Pulver geeigneter Güte in einem Formkasten. Ein Druckkopf bewegt sich über die Pulverschicht, wobei flüssiges Bindemittel gemäß den Auslegungsparametern für diese Schicht aufgebracht wird. Die Schicht wird getrocknet und der Formkasten wird abgesenkt. Eine neue Schicht aus Pulver geeigneter Güte wird verteilt und der Prozess wird wiederholt, bis der Grünling fertiggestellt ist. In einigen Ausführungsformen können andere 3D-Druckvorrichtungen verwendet werden, um den Grünling aus dem Pulver geeigneter Güte in Verbindung mit organischem Bindemittel aufzubauen.
Bei der Bildung des Bohrmeißelgrünlings durch eine oder mehrere Additivherstellungstechniken kann jedes beliebige organische Bindemittel verwendet werden, das den Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht entgegensteht. In einigen Ausführungsformen umfasst organisches Bindemittel ein oder mehrere polymere Materialien, wie Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polyethylenglycol (PEG) oder Mischungen davon. Organisches Bindemittel ist in einigen Ausführungsformen härtbar, was die Festigkeit des Grünlings verbessern kann. Der Bohrmeißelgrünling kann beispielsweise eine Druckfestigkeit von mindestens 10 MPa aufweisen. In einigen Ausführungsformen liegt die Druckfestigkeit des Grünbohrmeißels im Bereich von 10 bis 20 MPa. Die Druckfestigkeit des Grünlings wird gemäß ASTM E9 Standard Test Method of Compression Testing of Metallic Materials at Room Temperature (Standardprüfverführen für Druckfestigkeitsprüfungen an metallischen Werkstoffen bei Raumtemperatur) bestimmt.
In einigen Ausführungsformen kann durch selektives Lasersintern ein Bohrmeißelgrünling oder -bräunling gebildet werden. Die selektiven Lasersinterbedingungen werden gewählt, um den Bohrmeißelgrünling oder -bräunling mit niedriger Dichte bereitzustellen. Der Bohrmeißelgrünling oder -bräunling wird dann auf volle Dichte oder nahezu volle Dichte gesintert, wie unten beschrieben.
Bohrmeißelgrünlinge, die aus den hierin beschriebenen Gütepulverzusammensetzungen gebildet werden, können unter Bedingungen und für Zeitspannen gesintert werden, um gesinterte Artikel mit der gewünschten Dichte bereitzustellen. Der Grünling kann unter einer Wasserstoff- oder Argonatmosphäre bei Temperaturen von 1300 °C bis 1560 °C oder gesintert oder vakuumgesintert werden. Darüber hinaus können Sinterzeiten im Allgemeinen im Bereich von 10 Minuten bis 5 Stunden liegen. In einigen Ausführungsformen wird zusätzlich zum Sinterprozess noch ein heißisostatisches Pressen (HIP) hinzugefügt. Das heißisostatische Pressen kann als sich an das Sintern anschließender Prozess oder während des Vakuumsinterns durchgeführt werden. Heißisostatisches Pressen kann für bis zu 2 Stunden bei Drücken von 1 MPa bis 300 MPa und Temperaturen von 1300 °C bis 1560 °C angewendet werden. Die hierin beschriebenen gesinterten Bohrmeißel können Dichten von mehr als 98 % der theoretischen vollen Dichte aufweisen. Die Dichte eines gesinterten Bohrmeißels kann mindestens 99 % der theoretischen vollen Dichte betragen. Außerdem kann in einigen Ausführungsformen die Mikrostruktur des gesinterten Bohrmeißels einheitlich sein. Nicht stöchiometrische Hartmetalle, wie z. B. Eta-Phase, W₂C und/oder W₃C, können in den gesinterten Artikeln ebenfalls fehlen. Alternativ dazu können Sintercarbidbohrmeißel nicht stöchiometrische Hartmetalle in kleineren Mengen aufweisen (im Allgemeinen < 5 Gew.-% oder < 1 Gew.-%). Darüber hinaus kann ein gesinterter Bohrmeißel, der hier beschrieben ist, eine durchschnittliche Korngröße von weniger als 100 µm aufweisen. In einigen Ausführungsformen weist ein gesinterter Bohrmeißel eine durchschnittliche Korngröße von 1-50 µm oder 10-40 µm auf.
In einigen Ausführungsformen weist ein gesinterter Bohrmeißel, der gemäß den hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, weniger als 25 Prozent Schrumpfung oder weniger als 20 Prozent Schrumpfung in einer oder mehreren Dimensionen relativ zur grünen Form auf. Das lineare Schrumpfen des gesinterten Bohrmeißels in einer oder mehreren Dimensionen in Bezug auf den Grünling kann auch einen Wert haben, der aus Tabelle VII ausgewählt ist. Tabelle VII - Lineares Schrumpfen eines gesinterten Artikels

≤ 15 %

≤ 10 %

≤ 5 %

5-25 %

5-10 %

1-10 %

1-5 %
Gesinterte Bohrmeißel, die gemäß den hier beschriebenen Verfahren hergestellt werden, können kann beliebige der Zusammensetzungen, Strukturen und/oder Eigenschaften, die oben in Abschnitt I beschrieben wurden, aufweisen, einschließlich einer dünnwandigen Bauweise. In einigen Ausführungsformen hat der Sintercarbidmantel des Bohrmeißels eine Wanddicke, die aus der obigen Tabelle I ausgewählt ist. Diese und andere Ausführungsformen werden durch die folgenden nicht einschränkenden Beispiele weiter veranschaulicht.
Beispiel 1 - Bohrmeißel
Ein Bohrmeißel mit einer dünnwandigen Bauweise aus Sintercarbid wurde wie folgt hergestellt. Ein 3D-Drucksystem erzeugte einen Bohrmeißelgrünling in einem Schichtprozess unter Verwendung von iterativem Verteilen eines WC-Pulvers mit 17 % Co in einem Formkasten, gefolgt vom Aufbringen eines PVP-PEG-Bindemittels mit Polyglycolether-Lösungsmittel gemäß der Auslegung des Produkts. Sintercarbidteilchen (WC mit 17 % Co) wurden in ein Binder-Jet-System, beispielsweise ein Innovent- oder M-Flex-3D-Drucksystem von ExOne, Huntingdon, PA, geladen. Ein digitales 3D-Modell des Bohrmeißels in einem STL-Dateiformat wurde zum Drucken ausgewählt, und die geeigneten Schrumpfungsfaktoren wurden angewendet, um die Maßänderung während des Sinterns zu berücksichtigen. Das 3D-CAD-Modell wurde in 100 Mikrometer dünne Scheiben zerlegt und erzeugte für jede Schicht Druckmuster, die in nachfolgenden Schichten wieder zusammengesetzt wurden. Die Sintercarbidteilchen wurden durch ein herkömmliches Sprühtrocknungsverfahren, das zum Erzeugen kugeliger Agglomerate von WC-Co-Mischungen verwendet wurde, hergestellt. Die Teilchengrößenverteilung lag im Bereich von D10 (10 µm) bis D90 (45 µm). Die kritischen Pulverattribute wurden durch Sintern auf eine hohe Dichte (85 % bis 95 %) entwickelt, wie vorstehend in Abschnitt I beschrieben, was eine Fließfähigkeit des Pulvers und eine Bedruckbarkeit ermöglicht und die Sinterungsschrumpfung verringert. Die kritischen Prozessparameter waren Bindemittelsättigung, Drucktemperatur und Pulververteilungsgeschwindigkeit. Eine Bindemittelsättigung von 80 % bis 120 %, Drucktemperaturbereiche von 45 °C bis 55 °C und Rückstoßgeschwindigkeitsbereiche zwischen 10 mm/s und 20 mm/s. Die typische Zeit zum Drucken einer Schicht lag im Bereich von 45 bis 90 Sekunden, was sich in eine vertikale Druckgeschwindigkeit von 4 mm/h bis 8 mm/h in vertikaler Richtung übertragen lässt. Nach dem Drucken wurde der Bohrmeißelgrünling in einem Luftofen bei 200 °C gehärtet, um die Grünfestigkeit zu fördern. Der Bohrmeißelgrünling wurde aus dem Pulverauftragskasten entfernt und loses Pulver wurde durch Druckluft, Vakuum und sanftes Abbürsten entfernt. Der dünnwandige WC-17Co-Bohrermeißel wurde für 0,5-1 Stunden auf eine Graphitplatte/HIP bei 1460-1500 °C gelegt und auf 13,7 g/cm³ verfestigt, was 99,3 % der theoretischen Dichte entspricht. Der gesinterte Bohrmeißel wies eine Härte von größer oder gleich 85 HRA auf, und die mikrostrukturelle Analyse zeigte keine Eta-Phase und die Abwesenheit von übertriebenen großen Körnern. Die Geometrie des gesinterten Bohrmeißels reproduzierte im Wesentlichen den gedruckten Artikel, wenn auch mit einer kleineren Größe entsprechend den angewandten Schrumpfungsfaktoren. Der gesinterte Bohrmeißel ist in den 1-2 dargestellt.
Es wurden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die die verschiedenen Aufgaben der Erfindung erfüllen. Es versteht sich, dass diese Ausführungsformen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich, ohne vom Grundgedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Erdbohrwerkzeug, umfassend: einen Bohrmeißel, der einen Schneidabschnitt und einen Körperabschnitt umfasst, wobei der Körperabschnitt einen Sintercarbidmantel mit einer Wanddicke von 5 Prozent bis 25 Prozent des Bohrmeißeldurchmesser umfasst.
Erdbohrwerkzeug nach Anspruch 1, wobei der Sintercarbidmantel eine Wanddicke von 10 Prozent bis 20 Prozent des Bohrmeißeldurchmessers aufweist.
Erdbohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bohrmeißeldurchmesser 100 mm bis 300 mm beträgt.
Erdbohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sintercarbid des Mantels 3 Gewichtsprozent bis 30 Gewichtsprozent metallisches Bindemittel umfasst.
Erdbohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hartmetallteilchen des Mantels Wolframcarbidteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,5 µm bis 50 µm umfassen.
Erdbohrwerkzeug nach Anspruch 5, wobei die Wolframcarbidteilchen eine durchschnittliche Teilchengröße von 10 µm bis 30 µm aufweisen.
Erdbohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Arbeitsabschnitt feststehende Schneidmesser umfasst.
Erdbohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Arbeitsabschnitt Rollenmeißel umfasst.
Erdbohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wanddicke des Sintercarbidmantels in einer vertikalen Dimension des Bohrmeißels variiert.
Erdbohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sintercarbidmantel an einer Innenfläche ein Gewinde zum Eingreifen in einen Legierungskörper aufweist.
Erdbohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Arbeitsabschnitt Taschen zum Aufnehmen von Schneideinsätzen umfasst.
Erdbohrwerkzeug nach Anspruch 11, wobei die Taschen ein oder mehrere strukturelle Elemente zum mechanischen Ineingriffnehmen der Schneideinsätze umfassen.
Erdbohrwerkzeug nach Anspruch 12, wobei die strukturellen Elemente aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Gewinde, Schlitzen, Flanschen, sich verjüngenden Taschendurchmessern und Kombinationen davon besteht.
Erdbohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner eine oder mehrere Gitterstrukturen umfassend, die mit dem Sintercarbidmantel gekoppelt sind.
Erdbohrwerkzeug nach Anspruch 14, wobei die Gitterstrukturen Sintercarbid umfassen.
Erdbohrwerkzeug nach Anspruch 15, wobei sich das Sintercarbid einer Gitterstruktur vom Sintercarbid des Mantels durch mindestens eine Zusammensetzungs- oder physikalische Eigenschaft unterscheidet.
Erdbohrwerkzeug nach Anspruch 14, wobei die Wanddicke des Sintercarbidmantels 5 Prozent bis 10 Prozent des Bohrmeißeldurchmessers beträgt.
Erdbohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sintercarbidmantel ein Fluidreservoir definiert.
Erdbohrwerkzeug nach Anspruch 18, ferner Öffnungen zum Durchlassen von Fluid vom Fluidreservoir zum Schneidabschnitt umfassend.
Erdbohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sintercarbidmantel eine Porosität von weniger als 3 % aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines Bohrmeißels eines Erdbohrwerkzeugs, umfassend: Verfestigen eines Pulvers geeigneter Güte in Form des Bohrmeißels mittels einer Additivherstellungstechnik, wobei der Bohrmeißel einen Schneidabschnitt und einen Körperabschnitt umfasst, wobei der Körperabschnitt einen Sintercarbidmantel mit einer Wanddicke von 5 Prozent bis 25 Prozent des Bohrmeißeldurchmessers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Pulver geeigneter Güte Hartmetall und metallisches Bindemittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Hartmetall Wolframcarbid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Pulver geeigneter Güte Sintercarbidteilchen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Sintercarbidteilchen eine durchschnittliche Teilchengröße von 1 µm bis 40 µm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Sintercarbidteilchen eine durchschnittliche Teilchengröße von 10 µm bis 30 µm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Sintercarbidteilchen mindestens 85 % der theoretischen Dichte aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, wobei der Bohrmeißeldurchmesser 100 mm bis 300 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, wobei der Arbeitsabschnitt feststehende Schneidmesser umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29, wobei der Arbeitsabschnitt Rollenmeißel umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 30, wobei der Bohrmeißel ferner eine oder mehrere Gitterstrukturen umfasst, die mit dem Sintercarbidmantel gekoppelt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 31, wobei der Sintercarbidmantel weniger als 3 % Porosität aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 32, wobei die Pulverzusammensetzung geeigneter Güte durch ein organisches Bindemittel verfestigt und gesintert wird, um den Bohrmeißel bereitzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 33, wobei das Pulver geeigneter Güte durch Lasersintern des Pulvers geeigneter Güte in Form des Bohrmeißels verfestigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 34, wobei die Wanddicke des Sintercarbidmantels 5 Prozent bis 10 Prozent des Bohrmeißeldurchmessers beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 35, wobei die Pulverzusammensetzung geeigneter Güte durch selektives Lasersintern zu einem Bohrmeißelgrünling verdichtet wird und der Bohrmeißelgrünling gesintert wird oder gesintert und heißisostatisch gepresst wird, um den Bohrmeißel bereitzustellen, der mehr als 98 % der theoretischen Dichte aufweist.