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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Hartmetallauflage
des Maßteils aus in einer Stahlmatrix verteilten Wolframkarbid-Sinterteilchen besteht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.