DE1558979B1 - Meisselrolle fuer einen Gesteinsbohrer mit Massteil,Hartmetallauflage fuer das Massteil und Schweissstab zum Auftragen des Hartmetallauftrags - Google Patents

Meisselrolle fuer einen Gesteinsbohrer mit Massteil,Hartmetallauflage fuer das Massteil und Schweissstab zum Auftragen des Hartmetallauftrags

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DE1558979B1 DE19671558979D DE1558979DA DE1558979B1 DE 1558979 B1 DE1558979 B1 DE 1558979B1 DE 19671558979 D DE19671558979 D DE 19671558979D DE 1558979D A DE1558979D A DE 1558979DA DE 1558979 B1 DE1558979 B1 DE 1558979B1
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White Anderson Davoe
Wisler Allen Edward
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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Meißelrolle für einen Gesteinsbohrer mit einem mit einer Hartmetallauflage versehenen Maßteil, eine Hartmetallauflage für daß Maßteil einer solchen und einer doppelt-kegelstumpfförmig ausgebildeten Meißelrolle sowie einen mit Hartmetallauftragsmaterial gefüllten rohrförmigen Schweißstab zum Auftragen eines Hartmetallauftrags auf eine Meißelrolle.
  • Übliche Meißelrollen von Gesteinsbohrern haben im allgemeinen die Form eines doppelt-kegelstumpfförmigen Körpers, dessen innere Fläche ein Lager bildet, während die äußere Fläche die Schneidvorrichtung aufweist. Die Meißelrolle sitzt auf einem Lagerstift, der sich unter einem Winkel nach unten und vom Umfang des Bohrkopfes in Richtung auf dessen Mitte und damit in Richtung auf die Mitte der Bohrung erstreckt, so daß der unterste Abschnitt der konischen Fläche, die zumeist größer ist als die andere konische Fläche, im wesentlichen waagerecht auf dem Boden aufliegt und diesen bei Belastung und Drehung des Gesteinsbohrers abträgt. Die Bewegung ist im allgemeinen so, als ob der Gesteinsbohrer auf diese konische Hauptfläche aufgelegt und ohne Behinderung gedreht würde, obwohl bei manchen Konstruktionen die Mittellinie des Lagerstifts geringfügig gegenüber der Mitte des Gesteinsbohrers versetzt ist, um ein gewisses Gleiten und Schaben zu erreichen. Das Gleiten und Schaben wird zusätzlich verstärkt, indem man den Gesteinsbohrer so ausführt, daß die vorn liegende Spitze der konischen Fläche seitlich der Achse des Gesteinsbohrers liegt.
  • Diese größere äußere konische Fläche endet außen in einem Ring mit maximalem Durchmesser (gemessen in bezug auf die Achse der Meißelrolle), der im allgemeinen als »Maßpunkt« (gage point) bezeichnet wird, an dem diese größere konische Fläche mit der zweiten und kleineren konischen Fläche zusammentrifft. Die zweite konische Fläche erstreckt sich vom »Maßpunkt« aus in entgegengesetzter Richtung wie die erste konische Fläche nach innen in Richtung auf die Achse der Meißelrolle und endet an der Außenkante einer ringförmigen, das offene Ende der Meißelrolle umgebenden Fläche. Die Meißelrolle ist so konstruiert, daß, wenn sie auf ihrem Lagerstift an einem vertikal angeordneten Gesteinsbohrer sitzt; der Abschnitt der kleineren konischen Fläche, der von der Achse des Gesteinsbohrers am weitesten entfernt ist, ebenfalls vertikal verläuft und von dieser Achse um den vollen Radius der gewünschten Bohrung entfernt ist, wenn man von Verschleiß absieht. Da es die Hauptaufgabe dieser kleineren kegelstumpfförmigen oder konischen Fläche ist, das richtige Maß der Bohrung zu gewährleisten, wird diese Fläche der Meißelrolle auch als »Maßfläche« bezeichnet.
  • Die richtige Ausbildung der Maßfläche und die Schneidenanordnung der dieser benachbarten Fußzähne, also der äußersten Zähne, die sich zum Maßpunkt hin erstrecken und den Boden der Bohrung unmittelbar neben der Seitenwand der Bohrung abtragen, ist seit langer Zeit eines der schwierigsten i Probleme für die Gesteinsbohrer konstruierenden Ingenieure und Metallurgen gewesen. Die Meißelrolle ist einer maximalen Abriebberührung mit der am Umfang der Bohrung zu bohrenden Gesteinsformation ausgesetzt und muß an dieser Stelle die i größte Gesteinsmenge abtragen, da die Meißelrolle am »Maßpunkt« über den größten Durchmesser wandert und die Gesteinsformation an der Verbindungsstelle zwischen Boden und Seitenwand am festesten ist. Bei einigen harten, einen sehr hohen Verschleiß hervorrufenden Gesteinsformationen, beispielsweise bei sandigem Kalkstein und sandigem Schiefer, wird die Maßfläche durch Abrieb so schnell abgetragen, daß der Gesteinsbohrer Untermaß bekommt und aus der Bohrung herausgezogen werden muß, bevor seine Schneidflächen abgestumpft sind. Das gleiche tritt bei vielen anderen Bohrwerkzeugteilen auf, die der Verschleißbeanspruchung solcher Gesteinsformationen aufgesetzt sind.
  • Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten haben Metallurgen seit Beginn des Rotationsbohrens nach einem geeigneten zähen und verschleißfesten Material gesucht. Im Vergleich mit Metallkarbiden haben die härtesten Metallegierungen einen geringen Verschleißwiderstand, so daß sie bereits seit den Jahren 1927 und 1928 durch Karbide ersetzt worden sind. Insbesondere ist Wolframkarbid seit dieser Zeit für Einzelteile und auch als Bewehrung oder Hartmetallauflage für viele Erdbohrgeräte verwendet worden.
  • Wolframkarbid wird in zwei grundsätzlich verschiedenen Arten verwendet: als gegossene Hartlegierung und als Sinterhartmetall. Gegossenes Wolframkarbid ist im wesentlichen ein aus Wolframmonokarbid WC und Wolframbikarbid W2C bestehendes Eutektikum, während gesintertes Wolframkarbid im wesentlichen reines Wolframmonokarbid WC ist. Bei dem gegossenen Karbid hält kein zusätzliches Material die Teilchen eines Korns zusammen, während bei gesinterten Wolframkarbidkörnern jedes Teilchen von einem Bindemittel der Eisengruppe umgeben ist. Das Bindemittel ist dabei in einer kontinuierlichen Phase und verbindet die einzelnen Teilchen miteinander. Das typische Bindemittel ist Xobalt, das üblicherweise in einer Menge von 3 bis 1511/o des Gesamtgewichts des Korns zugegeben wird.
  • Gegossenes Karbid ist härter als Sinterkarbid und verhindert den Verschleiß besser als gesintertes Material, wenn es die ausgeübten Stöße ohne abzubröckeln aufnehmen kann. Zur Bewehrung der Maßflächen von Rollenmeißeln ist von Anfang an ausschließlich gegossenes Wolframkarbid verwendet worden. So ist es aus der deutschen Patentschrift 1066162 bekannt, daß der Maßteil von Meißelrollen eine Hartmetallauflage aus gegossenem Wolframkarbid in einer Stahlmatrix aufweisen kann. Es hat sich jedoch gezeigt, daß Hartmetallauflagen aus gegossenem Karbid vorzeitig abbröckeln, wenn Gesteinsformationen und Bohrverhältnisse auftreten, bei denen die Maßfläche stoßartig belastet wird.
  • Gesintertes Karbid ist zäher als gegossenes Karbid und übersteht wiederholte Stöße und Schläge, ohne dabei leicht zu brechen oder zu zerbröckeln. Aus diesem Grunde wird gesintertes Wolframkarbid beispielsweise für Karbideinlagen für Bohrmeißelschneiden und Einsätze für die Schneiden von Kronenmeißeln verwendet.
  • Aus der britischen Patentschrift 1004158 ist es bekannt, als Überzug für die am Rollenkörper der Meißelrollen ansitzenden Zähne Wolframkarbid-Sinterteilchen zu verwenden. Die Hartmetallauflage auf den Schneidzähnen, welche als Stahlmatrix für die Sinterteilchen dient, besteht dort aus hochkohlenstoffhaltigem Stahl. Dieser Überzug ist jedoch für Maßteile nicht verwendbar, da er einem zu starken Verschleiß unterliegt, der an einem Maßteil nicht toleriert werden kann, weil sonst die Bohrung nicht exakt und voll maßgerecht ausgeführt werden könnte.
  • Es sind wiederholt Versuche zur Anwendung gesinterter Karbide als Hartmetallauflagen für Maßteile gemacht worden, wobei diese Karbide teils als Einlagen in die Maßfläche und teils als durch Schweißen in Aussparungen der Maßfläche aufgetragene Hartmetallauflagen verwendet wurden. Bis jetzt sind solche Versuche fehlgeschlagen oder wenig erfolgversprechend ausgefallen, da das Karbid abbröckelt, bricht, Risse bekommt oder aus anderen Gründen eher als eine vergleichbare, mit gegossenem Karbid bewehrte Maßfläche ausfällt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meißelrolle der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der die Hartmetallauflage einmal so verschleißfest ist, wie es bei Verwendung von gegossenem Karbid der Fall ist, bei der aber auch bei stoßartiger Belastung, wie sie bei bestimmten Gesteinsformationen und unter gewissen Bohrverhältnissen auftreten, kein Abbröckeln der Hartmetallauflage zu befürchten ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Hartmetallauflage des Maßteils aus in einer Stahlmatrix verteilten Wolframkarbid-Sinterteilchen besteht.
  • Durch die erfindungsgemäße Bewehrung der Maßfläche werden die Mängel der bekannten Hartmetallauflage vermieden, obwohl es noch nicht klar ist, warum gemäß der vorliegenden Erfindung Sinterhartmetallauflagen mit hervorragenden Eigenschaften erreicht werden, während andere Versuche fehlschlugen. Ein Grund dafür könnte in der Beschaffenheit der Matrix liegen, auf die bisher nicht eingegangen wurde. Unter Matrix ist dabei das die Karbidkörner unmittelbar umgebende Material zu verstehen, das während des Schweißens geschmolzen ist und sich dann wieder verfestigt hat. Die Matrix umfaßt den während des Schweißens geschmolzenen Teil der Werkzeugoberfläche so wie jedes andere zusammen mit den Karbidkörnern zugegebene Material umfaßt aber nicht das Kobalt oder ein anderes, die Teilchen der einzelnen Körner umgebendes und sie zusammenhaltendes Bindemittel. Bis zu einem gewissen Grad ist Wolframkarbid in verschiedenen 4 Arten einer Stahlmatrix lösbar, und es ist nicht erwünscht, daß zuviel Karbid in die Matrix eintritt und die Größe der Karbidkörner in der abgekühlten und geschliffenen Hartmetallauflage verkleinert.
  • Vorzugsweise werden die Wolframkarbid-Sinterteilchen in abgerundeten, klumpenartigen Formen und im wesentlichen ohne Anteil an Splittern und scharfkantigen Teilchen verwendet. Weitere Vorteile werden durch eine Hartmetallauflage für den Maßteil erreicht, bei der der Anteil der Wolframkarbid-Sinterteilchen etwa 60 bis 70 Gewichtsprozent ausmacht und das restliche Bindemetall aus im wesentlichen kohlenstoffarmem Stahl mit etwa 1 Gewichtsprozent Mangan und etwa 0,25 Gewichtsprozent Molybdän besteht.
  • Im folgenden Teil der Beschreibung werden einige Ausführungsformen der Erfindung an Hand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigt F i g. 1 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen, mit drei konischen Meißelrollen versehenen Rollenmeißels mit einer bevorzugten, den Durchmesser der Bohrung bestimmenden Hartmetallauflage, wobei der Rollenmeißel am untersten Teil eines Bohrstranges auf dem Grunde einer vertikal verlaufenden Bohrung gezeigt ist und sein oberes Ende ein wenig vom Beobachter weg geneigt ist, F i g. 2 eine Teilansicht der Oberfläche des Maßteils eines Bohrwerkzeugs des in F i g. 1 gezeigten Gesteinsbohrers, in der die Oberfläche des Maßteils poliert und geäzt ist, um die Einzelheiten der Hartmetallauflage sichtbar zu machen, F i g. 3 eine Schnittansicht nach der in F i g. 2 gezeigten Linie 3--3, F i g. 4 die in F i g. 3 gezeigte Anordnung vor dem Auftragen der Hartmetallauflage, F i g. 5 eine perspektivische Ansicht eines abgenutzten Gesteinsbohrers, der ebenso wie der in F i g. 1 gezeigte Gesteinsbohrer gemäß der Erfindung mit einer Hartmetallauflage am Maßteil versehen war und dann so lange zum Gesteinsbohren verwendet wurde, bis sein Grundkörper vollkommen stumpf wurde, während das Maßteil seinen richtigen Durchmesser beibehielt und weiterhin arbeitsfähig blieb, F i g. 6 einen anderen Gesteinsbohrer, der dem in F i g. 1 gezeigten im wesentlichen entspricht, abgesehen davon, daß die Fläche des Maßteils mit einer Hartmetallauflage aus bekanntem, gegossenem Wolframkarbid versehen war und für etwa die gleiche Bohrlänge und im wesentlichen die gleiche Gesteinsformation wie der in F i g. 5 gezeigte Gesteinsbohrer verwendet wurde, bis er nicht mehr brauchbar war, wobei zwar etwas von dem Grundschneidenkörper übrigblieb, aber das Maßteil so abgerundet und verkleinert wurde, daß es nicht mehr benutzt werden konnte, F i g. 7 und 8 perspektivische Teilansichten anderer Hartmetallauflagen für das Maßteil und andere Zahnformen, F i g. 9 und 10 Schnitte durch die in den F i g. 7 und 8 gezeigten Hartmetallauflagen nach den Pfeilen 9 bzw. 10, F i g. 11 eine perspektivische Teilansicht einer anderen Hartmetallauflage für das Maßteil mit einer Zahnanordnung, und F i g. 12 einen Schnitt nach der Linie 12-12 der Fig. 11.
  • F i g. 1 zeigt einen typischen, mit drei Meißelrollen versehenen Gesteinsbohrer 1 mit einem Außendurchmesser von 200 mm, der von der Patentinhaberin hergestellt ist. Der Gesteinsbohrer ist an einem Bund 2 des Bohrgestänges befestigt und darin mittels eines üblichen konischen, nicht gezeigten, aus dem Bohrerkörper 3 nach oben vorstehenden Schaftes eingeschraubt. Drei Schenkel 4 sind gleichmäßig am Umfang des Bohrerkörpers 3 verteilt und erstrecken sich von diesem Körper aus nach unten. Von jedem Schenkel 4 geht ein in den Zeichnungen nicht sichtbarer Lagerstift aus, der nach unten und in Richtung auf die Achse des Gesteinsbohrers gerichtet ist. Zwischen zwei benachbarten Schenkeln ist je ein Ansatz 6 vorgesehen, in den eine Durchflußdüse 7 eingeschraubt ist. Ferner ist in den Zeichnungen eine belüftete Kompensatorkappe 8 und ein mit einem Stopfen versehener Durchlaß 9 zu sehen, der zur Schmiermittelversorgung des Gesteinsbohrers dient. Der Boden und die Seitenwände der Bodenformation, in die die Bohrung eingebracht wird, sind mit »B« und »S« bezeichnet. Auf jedem Lagerstift ist eine konische Meißelrolle 11 drehbar gelagert. Die einzelnen Meißelrollen weisen gefräste, mit länglichen Kopfflächen 13 versehene Stahlzähne 12 und Fußzähne 14 auf, von denen jeweils zwei über an ihren hinteren Enden angeordnete Stege 15 miteinander verbunden sind. Die hinteren Enden der Fußzähne und die Stege 15 werden von Nuten 16 unterbrochen und bilden die Oberfläche des Maßteils oder die Maßfläche des Gesteinsbohrers.
  • Die Maßfläche ist in den F i g. 2, 3 und 4 in vergrößerter Form teilweise dargestellt. Aus diesen Zeichnungen erkennt man, daß in den Stegen 15 eine Anzahl von mit Hartmetall ausgefüllten Aussparungen 17 und 13 vorgesehen sind, die durch in Umfangsrichtung verlaufende Rippen 19 voneinander getrennt werden. Jede Aussparung hat einen Bodenabschnitt 21 und wenigstens eine Seitenwand 22. Die Aussparung 18 hat an ihrer Maßfläche bei 23 keine Rippe. Beim Vergleich, der F i g. 3 mit der die Aussparungen 17 vor dem Auftragen der Hartmetallauflage zeigenden F i g. 4 erkennt man, daß die Umrisse der Aussparung geändert und abgerundet werden, wenn die Hartmetallauflage 20 durch Schweißen in die Aussparungen eingebracht wird. Ein Teil des Metalls des Gesteinsbohrers wird geschmolzen und verbindet sich mit der zugefügten Metallmatrix und bildet ein die Körner 25 des gesinterten Wolframkarbids umgebendes Netzwerk aus Matrixmetall 24.
  • Dieses Muster einer Hartmetallauftragung ist im wesentlichen in der USA.-Patentschrift 2 939 684 beschrieben, und die vorliegende Erfindung betrifft lediglich die Anwendung von gesintertem Wolframkarbid und ferner ein verbessertes Matrixmetall für die Hartmetallauftragungen.
  • Die Unterschiede der Anordnung des Hartmetalls zwischen der in den F i g. 1 bis 4 dargestellten Ausführungen und den in den F i g. 7 bis 12 gezeigten Ausführungen liegen allein in der Verbindung der Fußzähne 14. In den F i g. 1 bis 4 sind die Fußzähne 14 durch von einer Spitze 13 zur nächsten verlaufende Stege 15 und durch zwischen jedem zweiten Zahn und dem in Umfangsrichtung folgenden Zahn vorgesehene Nuten 16 miteinander verbunden, während sich bei der in den F i g. 7 bis 9 gezeigten Ausführungsform nur eine Rippe 27 an der Rückseite der Fußzähne 14 etwa parallel zur Spitze 13 nach außen erstreckt und der Rest der hinteren Seite des Zahns mit Aussparungen zur Aufnahme von Hartmetallauflagen 28 versehen ist. Zwischen benachbarten Zähnen besteht keine Versteifung oder Verbindung, und die benachbarten Flanken 30 und 31 benachbarter Zähne werden durch eine Lücke 32 voneinander getrennt, wobei eine schmale Hartme- ; tallauflage 29 in eine Aussparung unterhalb dieser Lücke eingebracht wird. Die schmalen Hartmetallauflagen 29 werden von den größeren, mit Hartmetallauflagen 28 versehenen Bereichen mittels Nuten getrennt. Jede Hartmetallauflage einer beliebigen Anordnung weist ein die mit Abstand voneinander angeordneten Körner 25 des gesinterten Wolframkarbids umgebendes Matrixmetall 24 auf.
  • Bei der in F i g. 8 und 10 dargestellten Ausführungsform wird ein an die Rückseite jedes Fußzahns 14 angeformter Stahlsteg 36 verwendet, der sich in beiden Richtungen von der Spitze 13 aus erstreckt und dem Zahn eine T-Form gibt. Eine Rippe 37 erstreckt sich von der einen Kante des T-Balkens nach außen und bildet eine rechtwinklig begrenzte Aussparung 38, die mit einer Hartmetallauflage 39 gefüllt wird. Zwischen zwei benachbarten Hartmetallauflagen 39 ist ein großer Zwischenraum 40 vorgesehen. Die Hartmetallauflage besteht, wie in allen anderen Ausführungsformen, aus in einer Metallmatrix 24 verteilten gesinterten Wolframkarbidkörnern 25.
  • Die in F i g. 11 und 12 gezeigte Har`unetallauflage verbindet Merkmale von mehreren Anordnungen miteinander. Jeder Fußzahn 14 ist mit einem der Zahnspitze eine T-Form gebenden Steg 43 versehen, und die Rückseiten von benachbarten Zähnen sind durch große Zwischenräume 46 voneinander getrennt. Die Rückseiten dieser Zähne werden zunächst so bearbeitet, daß in Umfangsrichtung verlaufende Aussparungen 44 und Rippen 45 entstehen und danach mit quer dazu verlaufenden Nuten 47 versehen, die vom obersten Punkt des Stegs 43 bis zur untersten Kante der untersten Rippe 45 durchlaufen. Diese Aussparungen und Nuten werden mit Hartmetallauflagen 50 gefüllt, so daß keine voneinander getrennten Hartmetallauflagen entstehen. Zwischen den Zähnen sind keine Nuten vorgesehen, und der Bereich der Hartmetallauflage in der der konischen Fläche 26 am nächsten gelegenen Aussparung 44 erstreckt sich als geschlossener Ring rund um die Meißelrolle.
  • Die in den F i g. 5 und 6 dargestellten verschlissenen Gesteinsbohrer werden nun beschrieben, wobei gleichzeitig angegeben wird, auf welche Weise sie mit der Hartmetallauflage versehen und beim Bohren verwendet wurden. Wie bereits erwähnt, wurden beide Gesteinsbohrer hergestellt wie der in den Fig.1 bis 4 dargestellte Gesteinsbohrer. Der einzige Unterschied zwischen beiden Gesteinsbohrern besteht darin, daß der in F i g. 5 gezeigte Gesteinsbohrer gemäß der Erfindung mit gesintertem Wolframkarbid versehen wurde, während der in F i g. 6 dargestellte Gesteinsbohrer mit dem herkömmlichen geschmolzenen Wolframkarbid hergestellt wurde.
  • Die erfindungsgemäß verwendeten, gebundenen Wolframkarbidkörner können nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Ein bevorzugtes Verfahren besteht im wesentlichen darin, in Mehlform von einigen ,u vorliegendes Wolframmonokarbid und Kobalt oder ein anderes Bindemittel der Eisengruppe gemeinsam mit Wachs und Chloroäthan (1,1,1-Trichloroäthan) als Bindemittel zu vermengen, diese Masse zu Ausgangskömem zu pressen, die Körner durch Sieben auf ihre gewünschte Größe zu bringen, sie zu erhitzen und einem Vakuum auszusetzen, um das Wachs und das Bindemittel zu entfernen, und die Körner schließlich in inniger Berührung stehend miteinander zu sintern. Die entstehenden, nur locker miteinander verbundenen Körner lassen sich längs ihren ursprünglichen Umrissen leicht voneinander trennen und haben abgerundete, klumpenartige Formen. Es ist besonders vorteilhaft, daß dieses Material keine scharfen, splitterförmigen Körner aufweist, die sich viel leichter in dem Matrixmetall auflösen als klumpenförmige Körper.
  • In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung kann jedoch noch ein weiteres Verfahren zur Herstellung von gesinterten Wolframkarbidkörnern benutzt werden, das von dem beschriebenen Verfahren dadurch abweicht, daß ein großer Block von Ausgangsmaterial unter hohem Druck zusammengepreßt und dann gesintert wird. Bei diesem Verfahren haben alle Teile ihre ursprüngliche Form verloren, wenn der Block aus dem Sinterofen herauskommt. Der Block wird dann unter hohem Druck in Teile zerbrocken, die von dem Block unter Bildung neuer Trennflächen abbrechen. Diese Teile werden weiter zerkleinert und gesiebt, um einen gewünschten Korngrößenbereich zu erhalten. Vorzugsweise werden diese Teile oder Körner in einer Kugelmühle weiter behandelt, um die scharfen Ecken und Kanten abzurunden und splitterförmige, in der Matrix leicht in Lösung gehende Teile mit geringem Querschnitt auszusondern. Beispiel Die Rollenmeißel der in den F i g. 1 und 5 dargestellten Gesteinsbohrer sind nach dem Rohrverfahren mit einem hohlen Schweißstab unter Verwendung eines Sauerstoff-Azetylen-Brenners mit einer Hartmetallauflage versehen. Die Körner sind nach dem zweiten, oben beschriebenen Verfahren hergestellt, wobei als Bindemittel 6 Gewichtsprozent Kobalt verwendet wird, und haben eine Größe von etwa 0,9 bis 1,2 mm. Die Wand des Hohlstabs besteht aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (maximal 0,15 Gewichtsprozent Kohlenstoff). Ausreichende Mengen von Ferromolybdän und Ferromangan werden den den Stab ausfüllenden Wolframkarbidkörnern zugegeben, so daß die Matrix vor dem Auftragen etwa aus 1 Gewichtsprozent Mangan, 0,25 Gewichtsprozent Molybdän und Rest Stahl von niedrigem Kohlenstoffgehalt zusammengesetzt ist. Bei den Ausgangsstoffen besteht ein Verhältnis von 60 Gewichtsprozent gebundenem Wolframkarbid zu 40 Gewichtsprozent Matrixmaterial.
  • Dieses spezielle Matrixmaterial schmilzt bei etwa 14800 C (2700° F). (Das Matrixmaterial enthält auch etwa 1 Gewichtsprozent als Desoxydationsmittel zugegebenes Siliziummangan, das aber beim Schmelzen des Matrixmaterials nur in Spuren in Lösung geht. Dieses Siliziummangan ist lediglich für das Sauerstoff-Azetylen-Schweißen erforderlich und kann durch andere bekannte Flußmittel ersetzt werden.) Nach der Abkühlung wird die Hartmetallauflage, wie gezeigt, geschliffen, und die Meißelrollen werden aufgekohlt und durch eine geeignete Wärmebehandlung auf die gewünschte Härte gebracht. Die endgültige, zwischen benachbarten Wolframkärbidkörnern gemessene Härte der Matrix beträgt etwa 60 HRC.
  • Die Meißelrollen des in F i g. 6 gezeigten Gesteinsbohrers werden auf die gleiche Weise hergestellt, abgesehen davon, daß gegossene Wolframkarbidkörner etwas geringerer Größe (etwa 0,35 bis etwa 0;9 mm) benutzt werden. Die Mengen der gemeinsam mit diesen Körnern die Füllung des Rohrs bildenden Pulver sind so bemessen, daß das Matrixmetall eine Zusammensetzung von 2 Gewichtsprozent Mangan, 0,5 Gewichtsprozent Molybdän und Rest Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt aufweist. Das Gewichtsverhältnis von Wolframkarbid zu dem Matrixmaterial liegt etwas höher und beträgt etwa 70:30. Das Matrixmaterial schmilzt bei 1480°C und hat nach der Aufkohlung und der Wärmebehandlung eine Härte von etwa 58 bis 62 HRC.
  • Probebohrung Die in den F i g. 5 und 6 gezeigten Gesteinsbohrer mit einem Durchmesser von 200 mm wurden mit 74 Umdrehungen pro Minute bei einer Belastung von 13,6 bis 25 to in Neumexiko in einem Bezirk eingesetzt, der für einen extrem hohen Verschleiß der Maßflächen oder des Maßteils bekannt ist. Der erfindungsgemäße Gesteinsbohrer bohrte in 20 Stunden durch 95 m Kalkstein, Karstenit und Hornstein. Nach dieser Zeit wurde er herausgezogen und sah danach so aus, wie das in F i g. 5 gezeigt ist. Die Abnutzung der Maßflächen wurde mittels einer Ringlehre mit einem Innendurchmesser von 200 mm gemessen. Die Ringlehre lag dabei dicht an den Maßflächen 20 von zwei Meißelrollen an, konnte aber nicht über die dritte Meißelrolle gestreift werden. Es wurde geschätzt, daß der Gesteinsbohrer etwa 0,4 mm Übermaß hatte. Es war also im wesentlichen keine Abnutzung der Hartmetallauflage erfolgt.
  • Anschließend wurde der mit geschmolzenem Wolframkarbid bewehrte Gesteinsbohrer in die Bohrung eingesetzt und bohrte etwa 117 m Kalkstein und Karstenit in 2011z Stunden. Danach sah dieser Gesteinsbohrer so aus, wie das in Fig. 6 gezeigt ist. Mit der gleichen Ringlehre und dem gleichen Meßverfahren, das für den erfindungsgemäßen Gesteinbohrer verwendet wurde, stellte man fest, daß dieser bekannte Gesteinsbohrer 6,35 mm Untermaß hatte. In F i g. 6 erkennt man die besonders hohe Abnutzung der Maßflächen oder des Maßteils daran, daß die Nuten 16 fas verschwunden sind und daß die Rückseiten der Zähne 14 beiderseits einer Nut diese Nut überbrücken. Bei dem in F i g. 5 dargestellten Gesteinsbohrer sind dagegen die Nuten 16 noch deutlich ausgebildet, und die Hartmetallauflagen 20 sind noch scharf und voneinander getrennt.
  • Man beachte, daß die Unterschiede im Verschleiß der unteren Schneidezähne 12 trotz ursprünglich gleicher Ausbildung auf das Fehlen von Hornsteinschlichten in der vom Gesteinsbohrer 6 gebohrten Gesteinsformation zurückzuführen sind. Hornstein ist eines der die Werkzeuge am meisten auf Verschleiß beanspruchenden und festesten bekannten Gesteine.
  • Es ist nicht beabsichtigt, das oben beschriebene Beispiel als Einschränkung zu betrachten, da verschiedene gesinterte Wolframkarbide auf die Maßflächen von Meißelrollen aufgetragen werden können, ohne von der Grundidee der Erfindung abzuweichen. Es können auch verschiedene Formen von Karbidkörnern verwendet werden, obwohl es am zweckmäßigsten erscheint, scharfe Ecken und splitterartige Formen zu vermeiden. Der Anteil des Bindemittels kann zwischen 3 bis 10 Gewichtsprozent Kobalt oder einem anderen Element der Eisengruppe liegen. Außer dem Sauerstoff-Azetylen-Schweißverfahren können verschiedene andere Verfahren, z. B. das Arcratom-Verfahren (atomares Lichtbogenschweißen) verwendet werden. Im Hinblick auf das Matrixmetall sind Hartmetallauflagen ohne Ferromangan und Ferromolybdän zufriedenstellend, aber nicht so gut wie die Matrixzusammensetzung des angegebenen Beispiels. Bei Verwendung von größeren Mengen dieser Pulver, z. B. 2 % Mangan und 0,5 % Molybdän ergab sich eine zu harte und bröckelige Matrix, die schnell zerfiel und auseinanderbrach. An Stelle von Mangan und Molybdän können verschiedene andere Matrixadditive verwendet werden, so daß das sich ergebende Matrixmetall von vergleichbarer Härte und Zähigkeit ist und daß dieses Additiv in gleicher Weise die Auflösung des Wolframkarbids in der Matrix verhindert.
  • Es scheint auch von Wichtigkeit zu sein, daß die Additive mehlförmig als Füllung in das hohle Schweißrohr eingebracht werden, in dem sie die Wolframkarbidkörner umgeben. Versuche, diese Elemente in der Rohrwand einzulagern, führten zu Hartmetallauflagen, die nicht so zufriedenstellend waren wie jene, bei denen diese Elemente als Füllmaterial beigegeben wurden. Das jedes Korn umgebende mehlförmige Pulver kann als zeitweilige Wärmesperre dienen und danach mit dem Matrixmetall in Lösung gehen, wodurch ein zeitlicher Verzug erreicht wird, bevor die Körner von geschmolzenem Metall umgeben sind. Da der Schweißer während dieser Verzögerungszeit seinen Brenner bereits auf einen anderen Bereich gerichtet hat, konnte diese Verzögerungszeit sehr wichtig sein.

Claims (5)

  1. Patentansprüche: 1. Meißelrolle für einen Gesteinsbohrer mit einem mit einer Hartmetallauflage versehenen Maßteil, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetallauflage des Maßteils aus in einer Stahlmatrix (24) verteilten Wolframkarbid-Sinterteilchen besteht.
  2. 2. Meißelrolle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wolframkarbid-Sinterteilchen in abgerundeten, klumpenartigen Formen und im wesentlichen ohne Anteil an Splittern und scharfkantigen Teilchen verwendet werden.
  3. 3. Hartmetallauflage für das Maßteil einer Meißelrolle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Wolframkarbid-Sinterteilchen etwa 60 bis 70 Gewichtsprozent ausmacht und das restliche Bindemetall aus im wesentlichen kohlenstoffarmem Stahl mit etwa 1 Gewichtsprozent Mangan und etwa 0,25 Gewichtsprozent Molybdän besteht.
  4. 4. Hartmetallauflage für das Maßteil einer doppelt-kegelstumpfförmig ausgebildeten Meißelrolle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die eine kegelstumpfförmige Fläche größer ist als das Maßteil in Form einer zweiten kegelstumpfförmigen Fläche, auf dem Boden der Bohrung abrollt und diesen abträgt, während das Maßteil mit der ersten kegelstumpfförmigen Fläche an deren Grundfläche zusammentrifft, sich entgegengesetzt zur ersten Fläche erstreckt und unmittelbar über dem Boden der Bohrung gegen die Seitenwand der Bohrung drückt, wobei die zweite kegelstumpfförmige Fläche eine Anzahl von Aussparungen aufweist, in denen sich aufgeschweißt in einer Metallmatrix verteilte verschleißfeste Teilchen befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfesten Teilchen aus Wolframmonokarbid bestehen, die durch ein Bindemittel der Eisengruppe miteinander verkittet sind, und die Metallmatrix eine Stahllegierung ist.
  5. 5. Mit Hartmetallauftragsmaterial gefüllter rohrförmiger Schweißstab zum Auftragen eines Hartmetallauftrags für eine Meißelrolle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwandung aus kohlenstoffarmem Stahl und die Füllung aus mit Ferromangan-und Ferromolybdän-Pulver überzogenen Wolframkarbid-Sinterteilchen, die etwa 60 bis 70 Gewichtsprozent des gefüllten rohrförmigen Stabs ausmachen, bestehen, wobei die Rohrwandung und das Überzugspulver das Matrixmetall bilden, welches etwa 0,25 Gewichtsprozent Molybdän und etwa 1,0 Gewichtsprozent Mangan enthält.
DE19671558979D 1967-10-27 1967-10-27 Meisselrolle fuer einen Gesteinsbohrer mit Massteil,Hartmetallauflage fuer das Massteil und Schweissstab zum Auftragen des Hartmetallauftrags Pending DE1558979B1 (de)

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