DE112010002588B4

DE112010002588B4 - Erosionsbeständige unterirdische Bohrmeißel mit infiltrierten Metallmatrixkörpern

Info

Publication number: DE112010002588B4
Application number: DE112010002588.6T
Authority: DE
Inventors: Jonathan W. Bitler; Xin Deng
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2020-01-02
Anticipated expiration: 2030-05-13
Also published as: US20100320004A1; CN102439257B; WO2010147718A3; WO2010147718A2; DE112010002588T5; US8016057B2; CN102439257A

Abstract

Unterirdischer Bohrmeißel (50) umfassend:(a) mindestens ein Schneidelement (56) und(b) einen Meißelkörper (54) mit einer infiltrierten Metallmatrix (58), wobei die infiltrierte Metallmatrix (58) Folgendes umfasst:(i) ein Infiltrant (26) und(ii) eine Matrixpulvermischung (22) umfassend:(A) 30 bis 90 Gewichtsprozent eines ersten Komponentenpulvers (60), wobei das erste Komponentenpulver (60) aus Partikeln aus Wolframschmelzcarbid mit einer Partikelgröße von -30 (600 Mikrometern) +140 Mesh (106 Mikrometern) besteht;(B) 10 bis 70 Gewichtsprozent eines zweiten Komponentenpulvers (62), wobei das zweite Komponentenpulver (62) aus Partikeln von mindestens einem ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus makrokristallinem Wolframcarbid, aufgekohltem Wolframcarbid und Wolframcarbidhartmetall besteht; und(C) bis zu 12 Gewichtsprozent eines dritten Komponentenpulvers, wobei das dritte Komponentenpulver aus Partikeln von mindestens einem ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Übergangsmetallen, Hauptgruppenmetallen und Legierungen und Kombinationen davon besteht;wobei der Meißelkörper (54) das Schneidelement (56) trägt und die Matrixpulvermischung (22) keine Partikel des ersten Komponentenpulvers (60) mit einer Partikelgröße von -140 Mesh (106 Mikrometern) enthält und Partikel des ersten Komponentenpulvers (60) mit einer Partikelgröße von +100 Mesh (150 Mikrometern) mindestens 15 Gewichtsprozent der Matrixpulvermischung (22) ausmachen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft unterirdische Bohrmeißel. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere unterirdische Bohrmeißel, die mindestens ein Schneidelement und eine infiltrierte Metallmatrix umfassen.
Es ist wohlbekannt, bei unterirdischen Anwendungen wie etwa Bergbau und Bohren Bohrmeißel zu verwenden, zum Beispiel zum Bohren nach Gas und Öl, mit Meißelkörpern oder Abschnitten davon, die eine infiltrierte Metallmatrix umfassen. Solche Meißelkörper umfassen in der Regel ein oder mehrere Schneidelemente wie etwa Schneidkörper aus polykristallinem Diamant, die in die infiltrierte Metallmatrix eingebettet sind oder anderweitig davon getragen werden. Die Meißelkörper werden in der Regel ausgebildet, indem die Schneidelemente in einer Graphitform positioniert werden, die Form mit einer Matrixpulvermischung gefüllt wird und dann die Matrixpulvermischung mit einem Infiltrantmetall infiltriert wird.
Die folgenden Patente und veröffentlichten Patentanmeldungen betreffen oder offenbaren ein infiltriertes Matrixpulver, das sich zum Ausbilden von unterirdischen Bohrmeißelkörpern eignet: US-Patent Nr. 6,984,454 B2 an Majagi, US-Patent Nr. 5,589,268 A an Kelley et al., US-Patent Nr. 5,733,649 A an Kelley et al., US-Patent Nr. 5,733,664 A an Kelley et al., US-Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 2008/0289880 A1 an Majagi et al., US-Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 2007/0277646 A1 von Terry et al., die alle an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Patentanmeldung abgetreten sind. Die folgenden Patente und veröffentlichten Anmeldungen betreffen ebenfalls oder offenbaren ein Infiltrantmatrixpulver für Meißelkörper: US-Patent Nr. 7,475,743 B2 an Liang et al., US-Patent Nr. 7,398,840 B2 an Ladi et al., US-Patent Nr. 7,350,599 B2 an Lockwood et al., US-Patent Nr. 7,250,069 B2 an Kembaiyan et al., US-Patent Nr. 6,682,580 B2 an Findeisen et al., US-Patent Nr. 6,287,360 B1 an Kembaiyan et al., US-Patent Nr. 5,662,183 A an Fang, US-Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 2008/0017421 A1 an Lockwood, US-Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 2007/0240910 A1 an Kembaiyan et al., und US-Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 2004/0245024 A1 an Kembaiyan.
Ein Blick auf einige dieser Patente und veröffentlichten Patentanmeldungen hilft dem Leser, den Stand der Technik zu verstehen. Die US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 2007/0240910 A1 offenbart eine Zusammensetzung zum Ausbilden eines Matrixkörpers, der sphärisches gesintertes Wolframcarbid und ein Infiltrationsbindemittel einschließlich eines oder mehrerer Metalle oder Legierungen enthält. Die Zusammensetzung kann auch Wolframschmelzcarbid und/oder aufgekohltes Wolframcarbid enthalten. Die Menge an gesintertem sphärischem Wolframcarbid in der Zusammensetzung liegt bevorzugt im Bereich von etwa 30 bis etwa 90 Gewichtsprozent. Sphärisches oder zerkleinertes Schmelzcarbid kann bei Verwendung 15 bis 50 Gewichtsprozent der Zusammensetzung umfassen, und das aufgekohlte Wolframcarbid kann bei Verwendung etwa 5 bis 30 Gewichtsprozent der Zusammensetzung umfassen. Die Zusammensetzung kann auch etwa 1 bis 12 Gewichtsprozent von einem oder mehreren Metallpulvern enthalten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Eisen, Kobalt und anderen Gruppe-VIIIB-Metallen und Legierungen davon.
Das US-Patent Nr. 7,475,743 B2 offenbart einen unterirdischen Bohrmeißel, der einen Meißelkörper enthält, der aus einem infiltrierten Metallmatrixpulver ausgeformt ist, wobei die Matrixpulvermischung stöchiometrische Wolframcarbidpartikel, Wolframcarbidhartmetallpartikel, Wolframschmelzcarbidpartikel und ein Metallpulver enthält. Die stöchiometrischen Wolframcarbidpartikel können eine Partikelgröße von -325 (45 Mikrometern) +625 Mesh (20 Mikrometern) aufweisen und bis zu 30 Gewichtsprozent des Matrixpulvers umfassen. Die Wolframcarbidhartmetallpartikel können eine Partikelgröße von -170 (90 Mikrometern) +625 Mesh (20 Mikrometern) aufweisen und bis zu 40 Gewichtsprozent des Matrixpulvers ausmachen. Das Wolframschmelzcarbid kann eine Partikelgröße von -60 (250 Mikrometern) +325 Mesh (45 Mikrometern) aufweisen und bis zu 60 Gewichtsprozent des Matrixpulvers ausmachen. Das Metallpulver kann zwischen 1 und 15 Gewichtsprozent des Matrixpulvers ausmachen und kann eines oder mehrere von Nickel, Eisen, Kobalt und anderen Gruppe-VIIIB-Metallen und Legierungen davon enthalten.
Das US-Patent Nr. 6,682,580 B2 offenbart Matrixpulvermischungen, die zum Herstellen von Körpern oder Komponenten von verschleißfesten Anwendungen wie etwa Bohrmeißel verwendet werden können. Die Matrixpulvermischungen enthalten sphäroidale Hartmaterialpartikel mit einer Partikelgröße von unter 500 Mikrometern und bevorzugt im Bereich zwischen 20 und 250 Mikrometern. Die sphäroidalen Hartmaterialpartikel umfassen zwischen etwa 5 und 100 Gewichtsprozent des Matrixpulvers. Das Matrixpulver kann auch Blockhartmaterialien in dem Größenbereich zwischen 3 und 250 Mikrometern und in der Form von zerkleinerten Carbiden oder Metallpulver enthalten. Diese Blockhartmaterialien fungieren als Abstandshalter zwischen den sphärischen Hartmaterialpartikeln, um die Infiltration des Matrixpulvers zu unterstützen. Die sphärischen Hartpartikel können sphäroidale Carbide sein und sind bevorzugt sphäroidales Wolframschmelzcarbid. Sie können auch dichte gesinterte Wolframhartmetallpulver mit einer geschlossenen Porosität oder porenfreie gesinterte Wolframcarbidhartmetallpellets sein. Die sphäroidalen Carbide können auch Carbide der Metalle in der Gruppe sein bestehend aus Wolfram, Chrom, Molybdän, Vanadium und Titan. Das Metallpulver kann etwa 1 bis 12 Gewichtsprozent des Matrixpulvers umfassen und ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Kobalt, Nickel, Chrom, Wolfram, Kupfer und Legierungen und Mischungen davon.
Das US-Patent Nr. 5,733,664 A offenbart auch Matrixpulvermischungen, die sich zum Infiltriertwerden eignen, um Verschleißelementkörper oder Komponenten für verschleißfeste Anwendungen wie etwa Bohrmeißel auszuformen. Die Matrixpulvermischungen enthalten zerkleinerte gesinterte Wolframcarbidhartmetallpartikel, wobei ein Bindemetall zwischen etwa 5 und 20 Gewichtsprozent der Wolframcarbidhartmetallzusammensetzung umfasst. Das zerkleinerte gesinterte Wolframcarbidhartmetallpulver kann 50 bis 100 Gewichtsprozent des Matrixpulvers ausmachen und eine Partikelgröße von -80 (180 Mikrometern) +400 Mesh (38 Mikrometern) aufweisen. Die Matrixpulvermischung kann auch bis zu 24 Gewichtsprozent Wolframschmelzcarbid mit einer Partikelgröße von -270 Mesh (53 Mikrometern) wobei die Feinstkörner entfernt sind; bis zu 50 Gewichtsprozent Wolframcarbidpartikel mit einer Partikelgröße von -80 (180 Mikrometern) +325 Mesh (45 Mikrometern); und zwischen etwa 0,5 und 1,5 Gewichtsprozent Eisen mit einer mittleren Partikelgröße von 3-5 Mikrometern enthalten.
Wenngleich diese früheren infiltrierten Metallmatrizen auf zufriedenstellende Weise funktioniert haben, besteht immer noch eine unerfüllte Notwendigkeit für unterirdische Bohrmeißelkörper für bestimmte Anwendungen, die infiltrierte Metallmatrizen mit einer Kombination aus guter Erosionsbeständigkeit, angemessener Festigkeit und guter Wärmestabilität erfordern. Die vorliegende Erfindung behandelt diese unerfüllte Notwendigkeit.
Die vorliegende Erfindung stellt unterirdische Bohrmeißel bereit, umfassend mindestens ein Schneidelement, das von einem Meißelkörper getragen wird, mit der gewünschten Kombination aus guter Erosionsbeständigkeit, angemessener Festigkeit und guter Wärmestabilität. Der Meißelkörper umfasst eine infiltrierte Metallmatrix, die ein Infiltrant und eine Metallpulvermischung enthält. Die Metallpulvermischung umfasst 30 bis 90 Gewichtsprozent eines ersten Komponentenpulvers, 10 bis 70 Gewichtsprozent eines zweiten Komponentenpulvers und bis zu 12 Gewichtsprozent eines dritten Komponentenpulvers. Das erste Komponentenpulver besteht aus Partikeln aus Wolframschmelzcarbid mit einer Partikelgröße von +140 Mesh (106 Mikrometern). Mindestens 15 Gewichtsprozent der Matrixpulvermischung besteht aus ersten Komponentenpulverpartikeln mit einer Partikelgröße von +100 Mesh (150 Mikrometern), und die Matrixpulvermischung enthält keine Partikel des ersten Komponentenpulvers, die eine Partikelgröße unter 140 Mesh (106 Mikrometern) aufweisen. Das zweite Komponentenpulver besteht aus Partikeln aus mindestens einem ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus monokristallinem Wolframcarbid, aufgekohltem Wolframcarbid und Wolframcarbidhartmetall. Das dritte Komponentenpulver besteht aus Partikeln eines Metalls ausgewählt aus der Gruppe mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Übergangsmetallen, Hauptgruppenmetallen und Legierungen und Kombinationen davon.
Die Partikelgrößenverteilung des zweiten Komponentenpulvers ist so gewählt, dass diese Partikel auf eine Weise unter die Carbidschmelzpartikel passen, dass die Wärmestabiliät, die Zähigkeit und Festigkeit des Bohrmeißelkörpers verbessert wird. Bevorzugt liegt die Partikelgröße des zweiten Komponentenpulvers unter 80 Mesh (177 Mikrometern).
Dementsprechend betrifft ein Aspekt der vorliegenden Erfindung unterirdische Bohrmeißel umfassend mindestens ein Schneidelement zur Ineingriffnahme einer Formation, das von solchen infiltrierten Metallmatrixmeißelkörpern getragen wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft Matrixpulvermischungen zum Herstellen solcher infiltrierter Metallmatrixmeißelkörper.
Die Kritikalität der Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden durch die beigefügten Zeichnungen besser verstanden. Es versteht sich jedoch, dass die Zeichnungen nur zum Zweck der Darstellung und nicht als Definitionen der Grenzen der vorliegenden Erfindung ausgelegt werden.

1 ist eine schematische Ansicht einer Baugruppe, die zum Herstellen eines unterirdischen Bohrmeißels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
2 ist eine schematische Ansicht einer Baugruppe, die zum Herstellen eines unterirdischen Bohrmeißels gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
3 ist eine isometrische Ansicht eines unterirdischen Bohrmeißels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Mikroaufnahme der Mikrostruktur einer infiltrierten Metallmatrix gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5, die eine graphische Darstellung der Biegefestigkeit über den Erosionswiderstandsdaten von Tabelle 3 zeigt, wobei die Ergebnisse der Beispiele der vorliegenden Erfindung durch rautenförmige Markierungen angegeben sind, während jene der Vergleichsproben durch quadratische Markierungen angegeben sind.

In diesem Abschnitt werden einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit einem Detail beschrieben, das für einen Fachmann ausreicht, um die vorliegende Erfindung zu praktizieren. Es versteht sich jedoch, dass die Tatsache, dass hierin eine begrenzte Anzahl von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben ist, in keinerlei Weise den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt, beschränkt.
Insofern ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung die Partikelgröße der verschiedenen Pulverkomponenten der Matrixpulver ist, die zum Ausformen der unterirdischen Bohrmeißelkörper verwendet werden, ist es notwendig, ein Mittel zum Beschreiben jener Partikelgrößen zu haben. Die Mesh-Größe ist ein zweckmäßiges Mittel zum Beschreiben der Partikelgrößen eines Pulvers, und sie wird hierin für diesen Zweck bezüglich der Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendet. Mesh-Größen werden manchmal auch als „Siebgrößen“ oder „Korngrößen“ bezeichnet. Der numerische Abschnitt der Mesh-Größe bezieht sich auf die Anzahl quadratischer Öffnungen pro linearem Inch (2,54 cm) des Mesh in einer Richtung parallel zu den Seiten der quadratischen Öffnungen. Beispielsweise bezieht sich 100 Mesh auf ein Gitter mit 100 Öffnungen pro linearem Inch (2,54 cm). Da die Länge einer Seite einer Öffnung in dem Gitter von der Dicke der Fäden, die das Gitter ausmachen, abhängt, wurden verschiedene Normen eingeführt, um die Fadendicke und dadurch die seitliche Länge der Öffnungen zu steuern. Mesh-Größen auf der Basis von ASTM Standard E 11-70 (1995), d.h. US-Mesh-Größen, werden hierin verwendet. Um dem Leser beim besseren Visualisieren der Mesh-Größe zu helfen, ist die seitliche Nennlänge der Gitteröffnung hier in Klammern in Mikrometern angegeben, gefolgt von dem Mesh-Größenwert. Von Pulver, das durch ein Gitter mit einer bestimmten Mesh-Größe hindurchgeht, wird gesagt, dass es diese Mesh-Größe besitzt. Beispielsweise wird gesagt, dass Pulver, das durch ein Gitter mit einer Mesh-Größe 100 hindurchgeht, ein Pulver von 100 Mesh (150 Mikrometern) ist. Dies kann auch dadurch ausgedrückt werden, dass ein Minuszeichen (-) vor der Mesh-Größennummer platziert wird. Beispielsweise geht Pulver mit -100 Mesh (150 Mikrometern) durch ein Gitter mit 100 Mesh (150 Mikrometern). Ein Pluszeichen (+), das vor der Mesh-Größennummer platziert wird, wird verwendet, um anzugeben, dass das Pulver zu grob ist, um durch ein Gitter dieser Mesh-Größe hindurchzugehen. Beispielsweise geht ein Pulver von + 100 Mesh (150 Mikrometern) nicht durch ein Gitter mit 100 Mesh (150 Mikrometern) hindurch. Manchmal werden zwei Mesh-Größen Seite an Seite angegeben, um die Partikelgröße eines Pulvers besser zu beschreiben. Gemäß dieser Konvention wird ein Minuszeichen (-) vor der ersten Mesh-Größennummer platziert (und das Wort „Mesh“ neben dieser Nummer entfällt), um anzuzeigen, dass das Pulver klein genug ist, um durch ein Gitter mit dieser Mesh-Größe hindurchzugehen, und ein positives Vorzeichen (+) wird vor der zweiten Mesh-Größe platziert, um anzuzeigen, dass das Pulver zu grob ist, um durch ein Gitter mit dieser Mesh-Größe hindurchzugehen. Somit ist eine als -100 Mesh (150 Mikrometer) + 325 Mesh (45 Mikrometer) beschriebene Pulverprobe ausreichend fein, um durch ein Sieb mit 100 Mesh hindurchzugehen, und zu grob, um durch ein Gitter mit 325 Mesh (45 Mikrometern) hindurchzugehen.
Unterirdische Bohrmeißel
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Schemadiagramm einer Baugruppe 10 gezeigt, mit der ein unterirdischer Bohrmeißel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird. Der Bohrmeißel weist einen Schaft 24 auf. Fräserelemente wie etwa diskrete Schneidelemente 20 sind über die Metallmatrix des Bohrmeißelkörpers an den resultierenden Bohrmeißel gebondet. Wenngleich das Verfahren, durch das ein Bohrmeißelschaft an einen Bohrstrang angebracht ist, variieren kann, besteht ein übliches Verfahren darin, Gewinde an dem Schaft vorzusehen, sodass der Schaft eine Gewindebohrung in dem Bohrstrang gewindemäßig in Eingriff nimmt. Ein anderer Weg besteht darin, den Schaft an den Bohrstrang zu schweißen.
Die Baugruppe 10 enthält eine Graphitform 11 mit einer Bodenwand 12 und einer hoch stehenden Wand 14. Die Form 11 definiert darin ein Volumen. Die Baugruppe 10 enthält weiterhin ein oberes Glied 16 zum Schließen der Öffnung der Form 11. Die Verwendung des oberen Glieds 16 ist je nach dem Grad an atmosphärischer Steuerung, die man über den Inhalt der Form 11 während der Wärmeverarbeitung haben möchte, optional.
Der Stahlschaft 24 wird in der Form 11 positioniert, bevor die Matrixpulvermischung 22 dort hinein gegossen wird. Ein Abschnitt des Stahlschafts 24 befindet sich innerhalb der Matrixpulvermischung 22, und ein anderer Abschnitt des Stahlschafts 24 befindet sich außerhalb der Matrixpulvermischung 22. Der Schaft 24 weist Gewinde 25 an einem Ende davon auf und Nuten 25A an dem anderen Ende davon.
Mehrere diskrete Schneidelemente 20 sind so positioniert, dass sie sich in die untere und aufrechte Formwand 12, 14 erstrecken, um an ausgewählten Positionen an der Oberfläche des resultierenden Bohrmeißels zu sein. Die Matrixpulvermischung 22 wird so in die Form 11 gegossen, dass sie die Abschnitte der Schneidelemente 20 umgeben, die sich in den Hohlraum der Form 11 erstrecken. Es versteht sich, dass zusätzlich zu dem Einsetzen der Schneidelemente 20 in die Wände der Form 11 oder stattdessen Schneidelemente 20 mit der Matrixpulvermischung 22 in Mengen bis zu etwa 20 Volumenprozent beigemischt werden können. Die Zusammensetzung der Matrixpulvermischung 22 wird hier später erörtert.
Nachdem die Schneidelemente 20 gesetzt und die Matrixpulvermischung 22 in die Form 11 gegossen worden ist, wird ein fester Infiltrant 26 über der Matrixpulvermischung 22 positioniert. Das obere Glied 16 wird dann optional so positioniert, dass die Öffnung der Form 11 verschließt. Die Baugruppe 10 wird dann in einen Ofen platziert und auf eine erhöhte Temperatur erhitzt, sodass der Infiltrant 26 schmilzt und durch die Matrixpulvermischung 22 infiltriert. Die Ofenatmosphäre wird so gewählt, dass sie mit den Komponenten der Baugruppe 10 kompatibel ist, und sie umfasst in der Regel eines oder mehrere von Stickstoff, Wasserstoff, Argon und Luft. Die Baugruppe 10 wird dann abgekühlt, damit der Infiltrant 26 fest werden kann. Der verfestigte Infiltrant 26 bondet die Matrixpulvermischung 22, die Schneidelemente 20 und den Stahlschaft 24 zusammen, um einen unterirdischen Bohrmeißel auszubilden.
Unter Bezugnahme auf 2 wird ein Schemadiagramm einer Baugruppe 30 dargestellt, mit der ein unterirdischer Bohrmeißel gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird. Die Baugruppe 30 enthält eine Graphitform 31 mit einer Bodenwand 32 und einer hoch stehenden Wand 34. Die Form 31 definiert darin ein Volumen. Die Baugruppe 31 enthält weiterhin ein oberes Glied 36 zum Schließen der Öffnung der Form 31. Die Verwendung des oberen Glieds 36 ist je nach dem Grad an atmosphärischer Steuerung, die man über den Inhalt der Form 31 während der Wärmeverarbeitung haben möchte, optional.
Der Stahlschaft 42 wird in der Form 31 positioniert, bevor eine Matrixpulvermischung 40 dort hinein gegossen wird. Ein Abschnitt des Stahlschafts 42 befindet sich innerhalb der Matrixpulvermischung 40, und ein anderer Abschnitt des Stahlschafts 42 befindet sich außerhalb der Matrixpulvermischung 40. Der Schaft 42 weist Nuten 43 an dem Ende auf, das sich innerhalb der Matrixpulvermischung 40 befindet.
Mehrere Graphitrohlinge 38 werden so entlang der unteren und aufrechten Formwand 32, 34 positioniert, dass sie sich an ausgewählten Positionen auf der Oberfläche des resultierenden Bohrmeißels befinden. Die Matrixpulvermischung 40 wird so in die Form 31 gegossen, dass sie die Abschnitte der Graphitrohlinge 38 umgibt, die sich in den Hohlraum der Form 31 erstrecken. Die Zusammensetzung der Matrixpulvermischung 40 wird hier später erörtert.
Nachdem die Graphitrohlinge 38 gesetzt und die Matrixpulvermischung 40 in die Form 31 gegossen worden ist, wird ein fester Infiltrant 26 über der Matrixpulvermischung 40 positioniert. Das obere Glied 36 wird dann optional so positioniert, dass die Öffnung der Form 31 verschließt. Die Baugruppe 30 wird dann in einen Ofen platziert und auf eine erhöhte Temperatur erhitzt, sodass der Infiltrant 44 schmilzt und durch die Matrixpulvermischung 40 infiltriert. Die Ofenatmosphäre wird so gewählt, dass sie mit den Komponenten der Baugruppe 30 kompatibel ist, und sie umfasst in der Regel eines oder mehrere von Stickstoff, Wasserstoff, Argon und Luft. Die Baugruppe 30 wird dann abgekühlt, damit der Infiltrant 44 fest werden kann. Der verfestigte Infiltrant 44 bondet die Matrixpulvermischung 40, die Graphitrohlinge 38 und den Stahlschaft 42 zusammen. Die Graphitrohlinge 38 werden aus der gebondeten Masse entfernt. Schneidelemente wie etwa Diamantverbundschneidkörper, werden in die Vertiefungen hartgelötet, die durch das Entfernen der Graphitrohlinge 38 zurückgeblieben sind, um einen unterirdischen Bohrmeißel auszubilden.
Unter Bezugnahme auf 3 wird ein unterirdischer Bohrmeißel 50 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Bohrmeißel 50 kann durch einen Prozess ähnlich dem oben bezüglich 1 beschriebenen hergestellt werden. Die nach vorne gewandte Oberfläche 52 des Meißelkörpers 54 des Bohrmeißels 50 enthält Schneidelemente 56, die sich von der infiltrierten Metallmatrix 58 aus erstrecken, die sich aus dem Einfrieren eines Infiltrants in einer ganzen Matrixpulvermischung ergeben hat.
Es versteht sich, dass die unterirdischen Bohrmeißel gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf die in den vorausgegangenen Ausführungsformen beschriebenen geometrischen Designs beschränkt sind. Vielmehr beinhalten sie alle unterirdischen Bohrmeißel mit mindestens einem Schneidelement, das von einem Meißelkörper getragen wird, wobei der Meißelkörper eine infiltrierte Metallmatrix umfasst, die ein Infiltrant und eine Matrixpulvermischung umfasst, wobei die Matrixpulvermischung Folgendes umfasst: (a) etwa 30 bis etwa 90 Gewichtsprozent eines ersten Komponentenpulvers, das aus Partikeln aus Wolframschmelzcarbid mit einer Partikelgröße von -30 (600 Mikrometern) +140 (106 Mikrometern) besteht; (b) etwa 10 bis etwa 70 Gewichtsprozent eines zweiten Komponentenpulvers, das aus Partikeln von mindestens einem ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus makrokristallinem Wolframcarbid, aufgekohltem Wolframcarbid und Wolframcarbidhartmetall besteht; und (c) bis zu etwa 12 Gewichtsprozent eines dritten Komponentenpulvers, das aus Partikeln mindestens eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Übergangsmetallen, Hauptgruppenmetallen und Legierungen und Kombinationen davon besteht; wobei die Matrixpulvermischung im Wesentlichen keine Partikel des ersten Komponentenpulvers mit einer Partikelgröße von -140 Mesh (106 Mikrometern) enthält und Partikel des ersten Komponentenpulvers mit einer Partikelgröße von +100 Mesh (150 Mikrometern) mindestens 15 Gewichtsprozent der Matrixpulvermischung ausmachen.
Schneidelement
Jeder unterirdische Bohrmeißel gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein oder mehrere Schneidelemente auf. Die Schneidelemente sind bevorzugt natürlicher Diamant, polykristalliner Diamant, der an Carbidhartmetall gesintert ist, thermisch stabiler polykristalliner Diamant oder ein heiß gepresster Metallmatrixverbundwerkstoff, doch kann es sich bei ihnen um ein beliebiges in der Technik bekanntes geeignetes hartes Material handeln. Die Größe und Konfiguration jedes des Schneidelements wird so ausgewählt, dass sie für den Zweck und die Bedingungen angebracht sind, unter denen es verwendet werden soll.
Die Weise, wie der Meißelkörper ein individuelles Schneidelement trägt, hängt von dem Design des jeweiligen Bohrmeißels und dem Design des jeweiligen Schneidelements ab. Beispielsweise können Schneidelemente direkt von dem Meißelkörper getragen werden, zum Beispiel durch Einbetten der Schneidelemente in die infiltrierte Metallmatrix des Meißelkörpers oder indem sie an dem Meißelkörper hartgelötet werden. Alternativ können die Schneidelemente indirekt von dem Meißelkörper getragen werden, zum Beispiel durch Anbringen der Schneidelemente an Schneiden, die selbst an dem Meißelkörper befestigt sind. Beispielsweise beschreibt die US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 2008/0289880 A1 von Majagi et al., die an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Patentanmeldung abgetreten ist, einen Meißelkörper, der Schneidelemente trägt, die an Schneiden befestigt sind, die wiederum an dem Meißelkörper befestigt sind.
Jede Technik oder jedes Verfahren, die in der Technik bekannt sind, können zum Befestigen individueller Schneidelemente und/oder Schneiden mit Schneidelementen an dem Bohrmeißelkörper verwendet werden, einschließlich Hartlöttechniken, Infiltrationstechniken, Pressfitting-Techniken, Aufschrumpftechniken und Schweißtechniken.
Infiltrierte Metallmatrix
Die infiltrierten Metallmatrizen von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen (i) einen Infiltranten und (ii) eine Matrixpulvermischung.
Infiltranten
Alle auf dem Gebiet der Herstellung von unterirdischen Bohrmeißeln aus infiltriertem Metallmatrixpulver und ähnlicher verschleißfester Elemente bekannten Infiltranten können bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Zu Beispielen für Infiltranten zählen Metalle und Legierungen umfassend ein oder mehr Übergangsmetallelement und Hauptgruppenelement. Kupfer, Nickel, Eisen und Kobalt können als der Hauptbestandteil des Infiltrants verwendet werden, und Elemente wie etwa Aluminium, Mangan, Chrom, Zink, Zinn, Silizium, Silber, Bor und Blei können kleinere Bestandteile sein.
Bevorzugte Infiltranten sind kupferbasierte Legierungen, die Nickel und Mangan und optional Zinn und/oder Blei enthalten. Besonders bevorzugte Infiltranten von diesem Typ sind jene, die aus der US-Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 2008/0206585 A1 von Deng et al. bekannt sind. Ein weiterer besonders bevorzugter Infiltrant ist die Legierung, die unter dem Markennamen MACROFIL 53 von dem Rechtsnachfolger dieser Anmeldung, Kennametal Inc. in Latrobe, Pennsylvania 15650 USA, und unter dem Markennamen VIRGIN-Bindemittel 453 D von Belmont Metals Inc, 330 Belmont Avenue, Brooklyn, New York 11207 USA erhältlich ist. Dieser Infiltrant weist eine Nennzusammensetzung (in Gewichtsprozent) von 53,0 Prozent Kupfer, 24,0 Prozent Mangan, 15,0 Prozent Nickel und 8,0 Prozent Zink auf. Ein weiterer besonders bevorzugter Infiltrant ist unter dem Markennamen MACROFIL 65 von dem Rechtsnachfolger dieser Anmeldung bekannt. Dieser Infiltrant weist eine Nennzusammensetzung (in Gewichtsprozent) von 65 Prozent Kupfer, 15 Prozent Nickel und 20 Prozent Zink auf. Ein weiterer bevorzugter Infiltrant weist eine Nennzusammensetzung (in Gewichtsprozent) von unter 0,2 Prozent Silizium, unter 0,2 Prozent Bor, bis zu 35 Prozent Nickel, 5-35 Prozent Mangan, bis zu 15 Prozent Zink und der Rest Kupfer auf.
Für eine beliebige besondere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Typ und Menge des Infiltrants so gewählt, dass es mit den anderen Komponenten des unterirdischen Bohrmeißels kompatibel ist, mit dem es in Betriebskontakt stehen soll. Es wird auch so ausgewählt, dass es dem Bohrmeißel die gewünschten Höhen an Festigkeit, Zähigkeit und Haltbarkeit verleiht. Die Menge an Infiltrant wird so ausgewählt, dass ausreichend Infiltrant vorliegt, um die Matrixpulvermischung vollständig zu infiltrieren. In der Regel bildet der Infiltrant zwischen etwa 20 und 40 Volumenprozent der infiltrierten Metallmatrix.
Matrixpulvermischungen
Die Matrixpulvermischungen der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen (a) etwa 30 bis 90 Gewichtsprozent eines ersten Komponentenpulvers, (b) etwa 10 bis 70 Gewichtsprozent eines zweiten Komponentenpulvers und (c) bis zu etwa 12 Gewichtsprozent eines dritten Komponentenpulvers. Die Matrixpulvermischungen werden hergestellt, indem die Komponentenpulver miteinander gemischt werden, um eine homogene Mischung zu erhalten.
Erstes Komponentenpulver
Das erste Komponentenpulver besteht aus Wolframschmelzcarbidpulver, das eine Partikelgröße von mindestens 140 Mesh (106 Mikrometern) aufweist. Das Wolframschmelzcarbid liefert dem resultierenden Bohrmeißel eine gute Erosionsbeständigkeit. Wolframschmelzcarbid besteht aus einer ungefähr eutektoiden Zusammensetzung aus Wolfram und Kohlenstoff mit einer sich schnell verfestigenden, thermodynamisch nicht im Gleichgewicht stehenden Mikrostruktur, die aus einer engen Mischung aus Wolframcarbid (WC) und Diwolframcarbid (W₂C) besteht. Der Kohlenstoffgehalt von Wolframschmelzcarbid liegt in der Regel im Bereich zwischen etwa 3,7 und 4,2 Gewichtsprozent.
Wolframschmelzcarbidpulver ist in zwei Formen erhältlich, zerkleinert und sphärisch. Wenngleich beide Formen mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, wird die zerkleinerte Form bevorzugt, da sie signifikant weniger kostet und viel weniger brüchig ist als die sphärische Form.
Die Partikelgrößen des Wolframschmelzcarbidpulvers, die in den Matrixpulvermischungen von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, lauten -30 (600 Mikrometer) +140 Mesh (106 Mikrometer) mit im Wesentlichen keinem Wolframschmelzcarbidpulver von unter 140 Mesh (106 Mikrometern) und wobei mindestens 15 Gewichtsprozent des Matrixpulvermischungsgewichts aus +100 Mesh (150 Mikrometern) Wolframschmelzcarbidpulver besteht. Der Ausdruck „im Wesentlichen kein Schmelzcarbid kleiner als X Mesh“ soll so ausgelegt sein, dass er bedeutet, dass höchstens etwa 10 Gewichtsprozent des Wolframschmelzcarbidpulvers kleiner als die angegebene Mesh-Größe sein soll. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind somit höchstens 10 Gewichtsprozent des in der Matrixpulvermischung vorliegenden Wolframschmelzcarbidpulvers kleiner als -140 Mesh (106 Mikrometer).
Die vorliegende Erfindung eliminiert im Wesentlichen alle feinen Wolframschmelzcarbidpartikel aus der Matrixpulvermischung, weil Wolframschmelzcarbidpartikel dieser Größe thermisch weniger stabil sind als Partikel ähnlicher Größe von anderen Formen von Wolframcarbid, und zwar aufgrund der Ungleichgewichtsmikrostruktur des Wolframschmelzcarbids. Die vorliegende Erfindung begrenzt auch die maximale Partikelgröße von Wolframschmelzcarbidpartikeln, um zu vermeiden, dass die Festigkeit und Zähigkeit der infiltrierten Metallmatrix kompromittiert werden. Dementsprechend beträgt die Partikelgröße des Wolframschmelzcarbidpulvers bevorzugt -30 (600 Mikrometer) +140 Mesh (106 Mikrometer) und besonders bevorzugt -40 (425 Mikrometer) +140 Mesh (106 Mikrometer) und ganz besonders bevorzugt -60 (250 Mikrometer) +140 Mesh (106 Mikrometer).
Die Menge des ersten Komponentenpulvers in der Matrixpulvermischung liegt im Bereich von etwa 30 bis etwa 90 Gewichtsprozent. Die höheren Mengen führen zu mehr Erosionsbeständigkeit und die niedrigeren Mengen zu mehr Festigkeit und Zähigkeit für die resultierende infiltrierte Metallmatrix. Bevorzugt beträgt die Menge des ersten Komponentenpulvers in der Matrixpulvermischung mindestens etwa 50 Gewichtsprozent und beträgt besonders bevorzugt mindestens etwa 60 Gewichtsprozent.
Zweites Komponentenpulver
Das zweite Komponentenpulver der Matrixpulvermischung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht aus Partikeln, die ausgewählt sind aus mindestens einem der Gruppe bestehend aus makrokristallinem Wolframcarbid, aufgekohltem Wolframcarbid und Wolframcarbidhartmetall. Die Rolle des zweiten Komponentenpulvers besteht darin, die thermische Stabilität, Festigkeit und Zähigkeit der resultierenden infiltrierten Metallmatrix zu verbessern.
Makrokristallines Wolframcarbid ist im Wesentlichen stöchiometrisches Wolframcarbid (WC), das größtenteils in der Form von Einkristallen vorliegt. Einige große Kristalle aus makrokristallinem Wolframcarbid sind Bikristalle. Aus dem US-Patent Nr. 3,379,503 A an McKenna und US-Patent Nr. 4,834,963 A an Terry et al., die beide an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Patentanmeldung abgetreten sind, sind Verfahren zum Herstellen von makrokristallinem Wolframcarbid bekannt.
Aufgekohltes Wolframcarbid ist eine Art von Wolframcarbid, die durch Festkörperdiffusion von Kohlenstoff in Wolframpartikel bei hohen Temperaturen in einer Schutzatmosphäre hergestellt wird.
Wolframcarbidhartmetallpulver ist manchmal auch als gesintertes Wolframcarbidhartmetall bekannt. Wolframcarbidhartmetall besteht aus Wolframcarbidpartikeln, die durch eine Bindemittelphase miteinander verbunden sind, die Kobalt und/oder Nickel umfasst. Wolframcarbidhartmetallpulver ist in zwei Formen erhältlich, zerkleinert und pelletisiert (auch als sphärisch bekannt), von denen sich jedes einzelne oder beide zur Verwendung bei dem zweiten Komponentenpulver der . Matrixpulvermischung eignen.
Die Partikelgröße des zweiten Komponentenpulvers wird so gewählt, dass die Partikel aus dem zweiten Komponentenpulver auf eine Weise unter die Partikel aus dem ersten Komponentenpulver passen, dass die thermische Stabilität, die Zähigkeit und Festigkeit der resultierenden infiltrierten Metallmatrix verbessert wird. Einige bevorzugte Partikelgrößen des zweiten Komponentenpulvers sind (a) -170 Mesh (90 Mikrometer), (b) -230 Mesh (63 Mikrometer) und (c) -325 Mesh (45 Mikrometer). Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen enthält das zweite Komponentenpulver im Wesentlichen keine Partikel mit einer Partikelgröße -625 Mesh (20 Mikrometer).
Die Menge des zweiten Komponentenpulvers in der Matrixmischung liegt im Bereich von etwa 10 bis etwa 70 Gewichtsprozent. Die höheren Mengen führen zu mehr Zähigkeit und Festigkeit und die niedrigeren Mengen zu mehr Erosionsbeständigkeit in der resultierenden infiltrierten Metallmatrix. Bevorzugt werden die relativen Mengen des ersten und zweiten Komponentenpulvers so gewählt, dass das Verhältnis des Gewichts des ersten Komponentenpulvers zu dem des zweiten Komponentenpulvers im Bereich von etwa 30:70 bis etwa 85:15 liegt.
Drittes Komponentenpulver
Das dritte Komponentenpulver der Matrixpulvermischung ist ein Metallpulver. Das Metallpulver besteht aus mindestens einem ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den Übergangsmetallen, Hauptgruppenmetallen und Kombinationen und Legierungen davon. Das Metallpulver wird so gewählt, dass es die Infiltration der Matrixpulvermischung durch den Infiltranten unterstützt. Beispiele für bevorzugte Metallpulver sind Nickel, Eisen und Stahl der Sorte 4600. Der Stahl der Sorte 4600 weist eine Nennzusammensetzung (in Gewichtsprozent) von 1,57 Prozent Nickel, 0,38 Prozent Mangan, 0,32 Prozent Silizium, 0,29 Prozent Molybdän, 0,06 Prozent Kohlenstoff und der Rest Eisen auf.
Die Partikelgröße des dritten Komponentenpulvers wird derart gewählt, dass sie sich gut mit der Metallpulvermischung vermischt. Bevorzugt beträgt die Partikelgröße der dritten Komponente -230 Mesh (63 Mikrometer).
Die Menge der dritten Komponente in der Matrixpulvermischung liegt im Bereich von etwa 0 bis etwa 12 Gewichtsprozent. Bevorzugt liegt die Menge des dritten Komponentenpulvers im Bereich von etwa 1 bis etwa 4 Gewichtsprozent.
Beispiele
Beispiele 1-7
Für jedes Beispiel wurde eine Matrixpulvermischung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt, indem die in Tabelle 1 aufgeführten Komponentenpulver zu einer gleichförmigen Mischung vermischt wurden. Diese Beispiele sind in den Tabellen 1 und 3 durch die Bezeichnungen Bsp. 1 bis Bsp. 7 angegeben. Das erste Komponentenpulver („Komponentenpulver 1“) bestand aus zerkleinertem Wolframschmelzcarbid. Das zweite Komponentenpulver („Komponentenpulver 2“) bestand aus makrokristallinem Wolframcarbid. Die in jedem Beispiel verwendete Art des dritten Komponentenpulvers („Komponentenpulver 3“) ist in Tabelle 1 angegeben. Für jedes Beispiel wurde die Matrixpulvermischung in eine Graphitform gegeben und danach mit MACROFIL 53 infiltriert, um eine infiltrierte Metallmatrix herzustellen.

Eine Mikroaufnahme der Mikrostruktur der infiltrierten Metallmatrix von Beispiel 1 erscheint in 4. Die zweiphasige Mikrostruktur der zerkleinerten Wolframschmelzcarbidpartikel des Komponentenpulvers 1, zum Beispiel Partikel 60, unterscheiden jene Partikel von den makrokristallinen Wolframcarbidpartikeln des Komponentenpulvers 2, zum Beispiel Partikel 62, die eine einphasige Mikrostruktur aufweisen. Das Bindemittelmaterial 64, das die zerkleinerten Wolframschmelzcarbidpartikel und die makrokristallinen Wolframcarbidpartikel umgibt, besteht aus dem Infiltrant MACROFIL 53 in Kombination mit dem Nickelpulver des dritten Komponentenpulvers. TABELLE 1 Beispiele der Matrixpulvermischungen der vorliegenden Erfindung

Beispiel -ID	Komponentenpulver 1		Komponentenpulver 2		Komponentenpulver 3
Beispiel -ID	Gew.-% Größe	Mesh-	Gew.-% Größe	Mesh-	Gew.-%	Art
Bsp. 1	23	-60+80	25	-80+325	4	Nickel
Bsp. 1	23	-80+120	25	-325
Bsp. 2	38	-60+80	20	-325	4	Nickel
Bsp. 2	38	-80+140
Bsp. 3	10	-60+80	43	-120+325	2	Nickel
Bsp. 3	20	-80+120	25	-325
Bsp. 4	20	-60+80	25	-120+325	2	Nickel
Bsp. 4	28	-80+120	25	-325
Bsp. 5	23	-60+80	25	-120+325	2	Nickel
Bsp. 5	25	-80+120	25	-325
Bsp. 6	30	-60+80	23	-325	2	Nickel
Bsp. 6	45	-80+140
Bsp. 7	30	-60+80	15	-230+325	2	Nickel
Bsp. 7	45	-80+140	8	-325

Vergleichsbeispiele 1-4

Für jedes Vergleichsbeispiel wurde eine Matrixpulvermischung hergestellt, indem die in Tabelle 2 aufgeführten Komponenten zu einer gleichförmigen Mischung vermischt wurden. Die Vergleichsbeispiele sind in Tabellen 2 und 3 mit den Bezeichnungen Vergl. 1 bis Vergl. 4 bezeichnet. Das erste Komponentenpulver („Komponentenpulver 1“) bestand aus zerkleinertem Wolframschmelzcarbid. Das zweite Komponentenpulver („Komponentenpulver 2“) bestand aus makrokristallinem Wolframcarbid. Die bei jedem Beispiel verwendete Art des dritten Komponentenpulvers („Komponentenpulver 3“) ist in Tabelle 2 angegeben. Für jedes Vergleichsbeispiel wurde die Matrixpulvermischung in eine Graphitform gegeben und danach mit MACROFIL 53 infiltriert, um eine infiltrierte Metallmatrix herzustellen. Tabelle 2 Matrixpulvermischungen der Vergleichsbeispiele

Vergleichsbeispiel-ID	Komponentenpulver 1		Komponentenpulver 2		Komponentenpulver 3
Vergleichsbeispiel-ID	Gew.-%	Mesh-Größe	Gew.-%	Mesh-Größe	Gew.-%	Art
Vergl. 1	31	-325	67	-80+325	1	Eisen
					1	4600
Vergl. 2	15	-325	83	-80+325	2	Nickel
Vergl. 3	20	-80+325	41	-80+325	4	Nickel
	10	-325	25	-325
Vergl. 4	20	-60+80	54	-80+325	1	Fe
	24	-325			1	4600

Eigenschaften
Entsprechende Größenproben jedes der Materialien der infiltrierten Metallmatrizen von Beispiel 1-7 und jeder der infiltrierten Metallmatrizen der Vergleichsproben 1-4 wurden verwendet, um die Härte, die Biegefestigkeit, die Zähigkeit, die Abriebfestigkeit und die Erosionsbeständigkeit zu messen. Die Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle 3 zusammengefasst.
Die Härte wurde auf der Härteskala Rockwell C gemäß ASTM Norm B347-85 gemessen. Höhere Werte geben eine größere Härte an. Die Biegefestigkeit wurde mit einem Dreipunkte-Biegetest unter Einsatz von infiltrierten Matrixstiften mit einem Durchmesser von 0,5 Inch (1,27 cm) und einer Länge von 3 Inch (7,62 cm) gemessen. Höhere Werte geben eine höhere Festigkeit an. Die Zähigkeit wurde unter Verwendung einer modifizierten Schlagprüfung nach ASTM E23 gemessen. Höhere Werte geben eine größere Zähigkeit an. Die Verschleißfestigkeit wurde gemäß ASTM Norm B611 gemessen. Höhere Werte geben eine bessere Verschleißfestigkeit an. Die Abriebfestigkeit wurde gemäß ASTM Norm G65 gemessen. Niedrigere Werte geben eine bessere Beständigkeit gegenüber Abriebverschleiß an. Die Erosionsbeständigkeit wurde gemäß ASTM Norm G76 gemessen. Ein niedrigerer Erosionsfaktorwert gibt eine bessere Beständigkeit gegenüber Erosion an.

Die Testergebnisse zeigen, dass Beispiele der infiltrierten Metallmatrizen der vorliegenden Erfindung allgemein härter und beständiger gegenüber Verschleiß, Abrieb und Erosion sind als jene der Vergleichsproben, während sie vergleichbare Werte an Festigkeit und Schlagzähigkeit aufweisen. Dies ist auch in 5 gezeigt, die eine graphische Darstellung der Biegefestigkeit gegenüber den Erosionsbeständigkeitsdaten von Tabelle 3 zeigt, wobei die Ergebnisse der Beispiele der vorliegenden Erfindung durch rautenförmige Markierungen angegeben sind, während jene der Vergleichsproben durch quadratische Markierungen angegeben sind. Tabelle 3 Eigenschaften

ID	Härte	Biegefestigkeit		Zähigkeit		Verschleißfestigkeit	Abriebfestigkeit	Erosionsbeständigkeit
	(Rockwell C)	Biegefestigkeit		(ft-lbs)		Verschleißfestigkeit	Abriebfestigkeit	Erosionsbeständigkeit
		(ksi) (MPa)		(ft-lbs)		(krev/cm³)	(mm³)	(Erosionsfaktorwert)
				(Joule)				(Erosionsfaktorwert)
Bsp. 1	52	98	676	1,5	2,0	1,4	5,3	7,65
Bsp. 2	52	80	552	1,5	2,0	1,4	8,8	4,62
Bsp. 3	40	121	834	2,6	3,5	0,8	8,3	11,6
Bsp. 4	40	107	738	2,3	3,1	1,4	5,3	8,5
Bsp. 5	41	104	717	2,5	3,4	0,9	5,0	8,9
Bsp. 6	40	99	683	2,0	2,7	0,93	10,1	5,1
Bsp. 7	41	105	724	2,2	3,0	1,0	10,1	5,4
Vergl. 1	33	116	800	2,6	3,5	0,65	15	24,0
Vergl. 2	38	117	807	2,4	3,3	0,81	10	24,34
Vergl. 3	48	123	848	2,8	3,8	1,0	6,3	14,87
Vergl. 4	30	111	765	2,5	3,4	0,78	7,3	18,78

Wenngleich nur einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist für den Fachmann offensichtlich, dass daran viele Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen beschrieben, abzuweichen.

Claims

Unterirdischer Bohrmeißel (50) umfassend: (a) mindestens ein Schneidelement (56) und (b) einen Meißelkörper (54) mit einer infiltrierten Metallmatrix (58), wobei die infiltrierte Metallmatrix (58) Folgendes umfasst: (i) ein Infiltrant (26) und (ii) eine Matrixpulvermischung (22) umfassend: (A) 30 bis 90 Gewichtsprozent eines ersten Komponentenpulvers (60), wobei das erste Komponentenpulver (60) aus Partikeln aus Wolframschmelzcarbid mit einer Partikelgröße von -30 (600 Mikrometern) +140 Mesh (106 Mikrometern) besteht; (B) 10 bis 70 Gewichtsprozent eines zweiten Komponentenpulvers (62), wobei das zweite Komponentenpulver (62) aus Partikeln von mindestens einem ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus makrokristallinem Wolframcarbid, aufgekohltem Wolframcarbid und Wolframcarbidhartmetall besteht; und (C) bis zu 12 Gewichtsprozent eines dritten Komponentenpulvers, wobei das dritte Komponentenpulver aus Partikeln von mindestens einem ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Übergangsmetallen, Hauptgruppenmetallen und Legierungen und Kombinationen davon besteht; wobei der Meißelkörper (54) das Schneidelement (56) trägt und die Matrixpulvermischung (22) keine Partikel des ersten Komponentenpulvers (60) mit einer Partikelgröße von -140 Mesh (106 Mikrometern) enthält und Partikel des ersten Komponentenpulvers (60) mit einer Partikelgröße von +100 Mesh (150 Mikrometern) mindestens 15 Gewichtsprozent der Matrixpulvermischung (22) ausmachen.
Unterirdischer Bohrmeißel (50) nach Anspruch 1, wobei das Schneidelement (56) mindestens eines umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus polykristallinem Diamant, natürlichem Diamant und thermisch stabilem polykristallinem Diamant.
Unterirdischer Bohrmeißel (50) nach Anspruch 1, wobei das erste Komponentenpulver (60) einen Partikelgrößenbereich aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus -40 (425 Mikrometern) +140 Mesh (106 Mikrometern) und -60 (250 Mikrometern) +140 Mesh (106 Mikrometern).
Unterirdischer Bohrmeißel (50) nach Anspruch 1, wobei die Partikelgröße des zweiten Komponentenpulvers (62) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus -80 Mesh (180 Mikrometern), -170 Mesh (90 Mikrometern), und -325 Mesh (45 Mikrometern).
Unterirdischer Bohrmeißel (50) nach Anspruch 1, wobei das Gewichtsverhältnis des ersten Komponentenpulvers (60) zu dem des zweiten Komponentenpulvers (62) im Bereich zwischen 30:70 bis 85:15 liegt.
Unterirdischer Bohrmeißel (50) nach Anspruch 1, wobei die Matrixpulvermischung (22) keine Partikel des zweiten Komponentenpulvers (62) mit einer Partikelgröße von -625 Mesh (20 Mikrometern) enthält.
Unterirdischer Bohrmeißel (50) nach Anspruch 1, wobei das dritte Komponentenpulver mindestens eines enthält ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Eisen, Kupfer, Stahl, und Legierungen und Kombinationen davon.
Unterirdischer Bohrmeißel (50) nach Anspruch 1, wobei die Matrixpulvermischung (22) 50 bis 90 Gewichtsprozent des ersten Komponentenpulvers (60), 9 bis 50 Gewichtsprozent des zweiten Komponentenpulvers (62) und bis zu 10 Gewichtsprozent des dritten Komponentenpulvers umfasst.
Unterirdischer Bohrmeißel (50) nach Anspruch 1, wobei die Matrixpulvermischung (22) 60 bis 90 Gewichtsprozent des ersten Komponentenpulvers (60) und 9 bis 40 Gewichtsprozent des zweiten Komponentenpulvers (62) umfasst.
Matrixpulvermischung (22) umfassend: (a) 30 bis 90 Gewichtsprozent eines ersten Komponentenpulvers (60), wobei das erste Komponentenpulver (60) aus Partikeln aus Wolframschmelzcarbid mit einer Partikelgröße von -30 (600 Mikrometern) +140 Mesh (106 Mikrometern) besteht; (b) 10 bis 70 Gewichtsprozent eines zweiten Komponentenpulvers (62), wobei das zweite Komponentenpulver (62) aus Partikeln von mindestens einem ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus makrokristallinem Wolframcarbid, aufgekohltem Wolframcarbid und Wolframcarbidhartmetall besteht; und (c) bis zu 12 Gewichtsprozent eines dritten Komponentenpulvers, wobei das dritte Komponentenpulver aus Partikeln von mindestens einem ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Übergangsmetallen, Hauptgruppenmetallen und Legierungen und Kombinationen davon besteht; wobei die Matrixpulvermischung (22) keine Partikel des ersten Komponentenpulvers (60) mit einer Partikelgröße von -140 Mesh (106 Mikrometern) enthält und Partikel des ersten Komponentenpulvers (60) mit einer Partikelgröße von +100 Mesh (150 Mikrometern) mindestens 15 Gewichtsprozent der Matrixpulvermischung (22) ausmachen.
Matrixpulvermischung (22) nach Anspruch 10, wobei das erste Komponentenpulver (60) einen Partikelgrößenbereich aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus -40 (425 Mikrometern) +140 Mesh (106 Mikrometern) und -60 (250 Mikrometern) +140 Mesh (106 Mikrometern).
Matrixpulvermischung (22) nach Anspruch 10, wobei die Partikelgröße des zweiten Komponentenpulvers (62) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus -80 Mesh (180 Mikrometern), -170 Mesh (90 Mikrometern), und -325 Mesh (45 Mikrometern).
Matrixpulvermischung (22) nach Anspruch 10, wobei das Gewichtsverhältnis des ersten Komponentenpulvers (60) zu dem des zweiten Komponentenpulvers (62) im Bereich zwischen 30:70 bis 85:15 liegt.
Matrixpulvermischung (22) nach Anspruch 10, wobei die Matrixpulvermischung (22) keine Partikel des zweiten Komponentenpulvers (62) mit einer Partikelgröße von -625 Mesh (20 Mikrometern) enthält.
Matrixpulvermischung (22) nach Anspruch 10, wobei das dritte Komponentenpulver mindestens eines enthält ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Eisen, Kupfer, Stahl, und Legierungen und Kombinationen davon.
Matrixpulvermischung (22) nach Anspruch 10, wobei die Matrixpulvermischung (22) 50 bis 90 Gewichtsprozent des ersten Komponentenpulvers (60), 9 bis 50 Gewichtsprozent des zweiten Komponentenpulvers (62) und bis zu 10 Gewichtsprozent des dritten Komponentenpulvers umfasst.
Matrixpulvermischung (22) nach Anspruch 10, wobei die Matrixpulvermischung (22) 60 bis 90 Gewichtsprozent des ersten Komponentenpulvers (60) und 9 bis 40 Gewichtsprozent des zweiten Komponentenpulvers (62) umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines unterirdischen Bohrmeißels (50) umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Matrixpulvermischung (22), umfassend: (A) 30 bis 90 Gewichtsprozent eines ersten Komponentenpulvers (60), wobei das erste Komponentenpulver (60) aus Partikeln aus Wolframschmelzcarbid mit einer Partikelgröße von -30 (600 Mikrometern) +140 Mesh (106 Mikrometern) besteht; (B) 10 bis 70 Gewichtsprozent eines zweiten Komponentenpulvers (62), wobei das zweite Komponentenpulver (62) aus Partikeln von mindestens einem ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus makrokristallinem Wolframcarbid, aufgekohltem Wolframcarbid und Wolframcarbidhartmetall besteht; und (C) bis zu 12 Gewichtsprozent eines dritten Komponentenpulvers, wobei das dritte Komponentenpulver aus Partikeln von mindestens einem ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Übergangsmetallen, Hauptgruppenmetallen und Legierungen und Kombinationen davon besteht; wobei die Matrixpulvermischung (22) keine Partikel des ersten Komponentenpulvers (60) mit einer Partikelgröße von -140 Mesh (106 Mikrometern) enthält und Partikel des ersten Komponentenpulvers (60) mit einer Partikelgröße von +100 Mesh (150 Mikrometern) mindestens 15 Gewichtsprozent der Matrixpulvermischung (22) ausmachen; c) Einschließen der Matrixpulvermischung (22) in einer Graphitform (11); d) Infiltrieren eines Infiltrants (26) in die eingeschlossene Matrixpulvermischung (22) zum Ausformen eines Meißelkörpers (54); e) Fixieren mindestens eines Schneidelements (56) an dem Meißelkörper (54).
Verfahren nach Anspruch 18, wobei Schritt (e) das Anbringen des Schneidelements (56) an einer Wand (14) der Graphitform (11) vor Schritt (b) beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei Schritt (e) das Anbringen des Schneidelements (56) an dem Meißelkörper (54) nach Schritt (d) beinhaltet.