DE1583757C - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer gesinterten Diamantbohrkrone - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer gesinterten Diamantbohrkrone sowie eine nach dem Verfahren hergestellte Diamantbohrkrone.

Diamantbohrkronen werden im Rahmen der Durchführung von auf Erdöl oder andere Produkte gerichteten Such- und/oder Förderbohrungen in Untergrundgesteinsformationen zum Drehbohren verwendet, wobei die Bohrkrone in axialer Richtung belastet und um ihre Mittelachse gedreht wird, so daß .die Diamanten auf das Gestein schürfend einwirken. Bohrkronen dieser Art sind insbesondere zum Bohren durch tiefe, schleifend wirkende, harte Gesteinsschichten geeignet, da ihre Haltbarkeit beim Bohren durch solche Formationen größer ist als die Haltbarkeit jeder anderen Art von Gesteinsbohrern, beispielsweise auch eines Rollmeißels. Folglich muß die Diamantbohrkrone weniger oft als eine andere Bohrkrone ersetzt werden. Die vergleichsweise hohen Material- und Herstellungskosten der Diamantbohrkrone werden durch den Vorteil der Verringerung der Austauschzeit der verbrauchten Bohrkronen bald aufgewogen. ·<

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die mittels der bekannten Diamantbohrkronen erzielten Bohrergebnisse hinter den Erwartungen zurückbleiben, die sich auf einen Einsatz der Diamanten in Gesteinsformationen gründen. Bei den bekannten Diamantbohrkronen sind die Diamanten nämlich einer Beschädigung ausgesetzt, so daß die Betriebszeit dieser Bohrkronen relativ niedrig ist.

Es wurde nunmehr festgestellt, daß verbesserte Ergebnisse mit Diamantbohrkronen erzielt werden können, wenn die Diamanten mit größerer Genauigkeit als bisher in den Bohrkronen angeordnet werden. Die bei der von Hand vorgenommene Herstellung der Graphitformen erhaltenen Toleranzen bei der Anordnung der Diamanten wurden bisher als zweckentsprechend angesehen, und die Anstrengungen zur Verbesserung der mit Diamantbohrkronen erzielten Ergebnisse richteten sich auf die Art, in der die Diamanten auf der Oberfläche der Bohrkrone gruppiert wurden und auf die Anordnung der Spülkanäle auf dieser Oberfläche unter Berücksichtigung der Anordnung der Diamanten.

Die vorerwähnte Herstellung der Graphitformen von Hand umfaßt das teilweise Füllen eines becherförmigen Behälters mit einer Mischung aus Graphitteilchen und Flüssigkeit, das teilweise Eindrücken eines Modells in diese Mischung sowie das Auffüllen des Ringraums zwischen der Behälterwand und dem Modell mit einer weiteren Menge dieser Mischung, die durch Fingerdruck verdichtet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer gesinterten Diamantbohrkronc zu schallen, das darauf ausgerichtet ist, eine möglichst genaue Anordnung der Diamanten in dem gesinterten Bohrkronenkörper sicherzustellen, um die während des Bohrens auf die Bohrkrone wirkende Belastung möglichst gleichmäßig auf alle Diamanten zu verteilen. Dadurch wird zugleich eine Dianianlbohrkrone geschaffen, die mit einer besonders kleinen Zahl von Diamanten zur Ausübung der erforderlichen Schleifwirkung auskommt, wobei die Diamantbohrkrone in geringerem Maße als bisher einer Zerstörung oder Beschädigung der Diamanten infolge einer Überbelastung unterworfen ist.

ist das Verfahren /um Herstellen einer gesinterten Diamantbohrkrone, bei dem eine Graphitform mit einem der herzustellenden Bohrkrone entsprechenden Hohlraum gebildet wird, die Diamanten auf zur Achse der Graphitform konzentrischen Kreisen in dieser angeordnet werden, die Graphitform mit einer pulverförmigen Sintermasse gefüllt und eine entsprechende Menge eines Bindemittels auf die Masse aufgebracht wird, die Graphitform mit dem Inhalt der Sintertemperatur ausgesetzt

ίο und die fertiggesinterte Diamantbohrkrone der Form entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Graphitform eine Mischung von Graphitteilchen und Flüssigkeit in eine becherförmige, biegsame Membrane eingebracht und ein Modell der Bohrkrone durch eine angepaßte Aussparung einer die becherförmige Membrane abdeckenden Platte in die Mischung eingeführt wird, ein Teil der Flüssigkeit aus der Mischung durch Aufbringen eines gleichmäßig auf die Außenseite der Membrane wirkenden Flüssigkeitsdrucks ausgepreßt und dieser Flüssigkeitsdruck anschließend auf Atmosphärendruck reduziert wird, das Modell durch die Aussparung zurückgezogen, die Graphitform aus der Membrane entnommen und die in die Graphitform gefüllte Sintermasse ohne Preßdruck gesintert wird.

Die Vorrichtung zum Herstellen der Graphitform umfaßt ein nach oben offenes Gehäuse, mit dessen Rand eine die Gehäusewandung bedeckende becherförmige flexible Membrane abdichtend verbunden ist, und eine an eine Druckquelle angeschlossene Verbindungsleitung, die in die Gehäusekammer mündet. Eine derartige Vorrichtung ist bereits aus der Gießereitechnik bekannt, wo sie zum Verdichten von in Formkästen eingefülltem Formsand dient. Diese bekannte Vorrichtung kann jedoch nicht für die Herstellung von Graphitformen verwendet werden, die beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Diamantbohrkronen benötigt werden. Erfin-

- dungsgemäß ist die bekannte Vorrichtung weitergebildet und dadurch gekennzeichnet, daß an der offenen Seite des Gehäuses eine Platte mit einer Aussparung angebracht ist, die dem Querschnitt des Bohrkronenmodells entspricht und kleiner als der. Öffnungsquerschnitt des Gehäuses ist.

Bei dieser erfindungsgemäßen Ausbildung wird das Modell durch die Aussparung in die Gehäusekammer eingeführt, wobei der Aussparungsrand das Modell mit engem Sitz umschließt. Vor der Einführung des Modells wird die becherförmige Membrane teilweise mit einer Mischung aus Graphitteilchen und Flüssigkeit gefüllt. Da die becherförmige Membrane die gesamte Oberfläche des Modells umgibt, soweit dieses in die Gehäusekammer eingeführt ist, ist die Verdichtung der Mischung im wesentlichen über die gesamte Oberfläche des Modells konstant, wenn der Druck auf der Außenseite der becherförmigen Membrane erhöht wird. Dementsprechend wird die Ausdehnung der Graphitform nach der Druckentlastung und nach dem Entfernen des Modells für alle Teile der Graphitform im wesentlichen gleich sein, so daß die Abmessungsunterschiede zwischen der Graphitform und den entsprechenden Abmessungen des Modells im wesentlichen gleich sein werden.

Ferner verwenden die bekannten Vorrichtungen Membranen, mit denen nur ein einseitig gerichteter Druck auf das zu formende Material ausgeübt werden kann. Daher ist die Materialverdiciitung über die Oberfläche'des. Modells ungleichmäßig, so daß nach

der Druckentlastung und dem Entfernen des Modells die Ausdehnung der Form in der Richtung größer ist, in der der Druck wirksam war. Dementsprechend führt eine solche nicht gleichförmige Ausdehnung j über die Oberfläche der Form zu Unterschieden zwi- ^! sehen der Form und dem Modell, die nicht über die gesamte Oberfläche des Modells gleich sind, wie es bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Fall ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich sicherstellen, daß die Abstände zwischen der zentralen Bohrkronenachse der Diamantbohrkrone und den wirksamen Spitzen der Diamanten, die auf gemeinsamen, konzentrischen Kreisen angeordnet sind, um höchstens 0,1 mm differieren, wobei die Messung senkrecht zu dem von der Bohrkrone geschnittenen Bodenprofil erfolgt.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an Hand schematischer Zeichnungen von zwei Ausführungsbeispielen der Diamantbohrkrone sowie einem Ausführungsbeispiel für die zur Herstellung verwendete Vorrichtung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die schneidende Kopfseite der gesinterten erfindungsgemäßen Diamantbohrkrone in Richtung von Pfeil I in F i g. 2,

F i g. 2 einen Querschnitt dieser Bohrkrone nach der Linie H-II in Fig. 1,

F i g. 3 Querschnitte von kammartigen Erhebungen der Bohrkrone in vergrößertem Maßstab,

F i g. 4 ähnliche Querschnitte wie F i g. 3, aber mit kammartigen Erhebungen verschiedenartiger Form, und

Fi g. 5 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung einer Graphitform der Bohrkrone, die beim Sintervorgang verwendet werden soll.

Wie F i g. 2 zeigt, enthält die Bohrkrone 1 einen Schaft 2, der mit einer Verbindungseinrichtung, wie z. B. einem Schraubengewinde, versehen ist, um die Bohrkrone über ein Rohrverbindungsstück (nicht dargestellt) mit dem Bohrgestänge zu verbinden. Der Schaft 2 ist mit der gesinterten Masse 4 verbunden, welche mit kammartigen Erhebungen 5 (F i g. 1) — die sternförmig in bezug auf die Mittelachse der Bohrkrone angeordnet sind — versehen ist. Im Sinterkörper 4 ist ein Kanal 6 vorgesehen, der eine Verbindung zum Hohlraum 7 des Schaftes 2 herstellt, wodurch ein Ausströmen der Bohrflüssigkeit aus dem Bohrgestänge zur Unterseite der Bohrkrone 1 während des Bohrens ermöglicht wird.

Die Diamanten 8 werden derart in die kammartigen Erhebungen eingesetzt, daß die Diamanten auf Kreisen verlegt sind, die ihren Mittelpunkt in der Mittelachse der Bohrkrone haben. Vorzugsweise bildet jeder Diamant 8 zusammen mit Diamanten 8 in anderen kammartigen Erhebungen 5 einen Satz von Diamanten, die auf einem gemeinsamen Kreis angeordnet sind. Fig. 3 zeigt z. B. Querschnitte von drei kammartigen Erhebungen 5, deren Diamanten einem gemeinsamen Kreis angehören.

Wie aus der folgenden Beschreibung des Verfahrens zur Herstellung der erlindungsgeniäßcn Bohrkrone zu ersehen ist, werden die Diamanten bei der Herstellung der Bohrkrone am Boden von in der Graphitform vorgesehenen Kanälen angeordnet; die Form wird nachfolgend mit einer Piilvermasse gefüllt, die sich nach Zugabe eines Bindemittels zum Sintern zu einem einzigen Körper bei einer uedgiieten Temperatur eignet. Auf diese Weise werden die Diamanten 8, wie F i g. 3 zeigt, den unteren Rand der kammartigen Erhebungen 5 berühren.

Während des Einsatzes einer Bohrkrone, welche die Diamanten 8 in kammartigen Erhebungen 5 nach den Fig. 1 bis 3 angeordnet aufweist, wird jeder Satz der Diamanten, die sich auf einem gemeinsamen Kreis befinden, das Gestein entlang einer gemeinsamen Spur bearbeiten. Eine gleichmäßige Verteilung ίο der Belastung der Diamanten, die gleichmäßig entlang eines gemeinsamen Kreises verteilt sind, ist nur dann möglich, wenn die Abstände U zwischen der Achse A-A der Bohrkrone und den schneidenden Spitzen der Diamanten, die einem gemeinsamen Kreis angehören, deren Messung senkrecht zum Bodenprofil B. P. — das von der Bohrkrone durchschnitten werden soll — erfolgt, gleich sind. Dies war bei der Arbeitsweise der bisher angewendeten Verfahren zur Herstellung von Bohrkronen nicht möglich. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden jedoch diese Abstände D nur innerhalb einer äußerst kleinen Fehlergrenze variieren. Tatsächlich werden die Abweichungen höchstens 0,1 mm betragen.

Aus diesem Grunde werden die in den erfmdungsgemäßen Bohrkronen entlang eines gemeinsamen Kreises gleichmäßig verteilten und somit in einer Spür schneidenden Diamanten im wesentlichen gleichmäßig belastet sein. Folglich wird keine Überbelastung der Diamanten auftreten. Diese Überbelastung würde normalerweise ein aufeinanderfolgendes Brechen der Diamanten verursachen, es sei denn, daß man die Gesamtbelastung der Bohrkrone verringert, was jedoch wieder ein Herabsetzen des Eindringungsgrades der Bohrkrone bewirken würde. Bei Verwendung der Bohrkrone gemäß vorliegender Erfindung wird jedoch die Belastung gleichmäßig auf alle in der Bohrkrone angeordneten Diamanten verteilt, was eine maximale Belastung eines jeden der vorliegenden Diamanten zuläßt. Auf diese Weise kann ein bedeutender Eindringungsgrad mit einer Mindestanzahl von Diamanten erhalten werden.

Die Anzahl der Diamanten, die einem gemeinsamen Kreis angehören, braucht nicht der Anzahl der kammartigen Erhebungen gleich zu sein. In einer Bohrkrone, die neun kammartige Erhebungen aufweist, können die Diamanten z. B. auf gemeinsame Kreise gesetzt werden, die drei oder.neun Diamanten enthalten.

Wenn möglich, werden die Diamanten gleichmäßig über den gemeinsamen Kreis verteilt, oder sie werden in Gruppen angeordnet über den gemeinsamen Kreis aufgeteilt, um für eine ausgewogene Anordnung zu sorgen. In der Bohrkrone, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, variieren die Abstände zwischen den entsprechenden Punkten der kammartigen Erhebungen der Bohrkrone, in welchen die Diamanten verlegt sind und der Achse A-A der Bohrkrone um höchstens 0,05 mm, wenn senkrecht zum Bohrprofil B. P., das durch die Bohrkrone geschnitten werden soll, gemessen wird.

Der Eindringungsgrad kann weiterhin verbessert werden, indem die Diamanten 10 in einer in Fig. angezeigten Weise angeordnet werden. Es werden kammartige Erhebungen 11 angewendet, welche an Stelle flacher Oberseiten solche aufweisen, die aus einer Fläche 12 und einer Fläche 13, die in einem stumpfen Winkel zur Fläche 12 angeordnet ist, bestehen. Wenn die Kanäle in der Graphitform Boden-

flächen 12 und 13 aufweisen, die mit den Flächen, welche in F i g. 4 gezeigt sind, identisch sind, werden die Diamanten 10, welche in diese Kanäle gelegt werden — vorausgesetzt, daß sie weder zu groß noch zu klein sind —, beide Flächen 12 und 13 in jeder kammartigen Erhebung berühren. Folglich wird die auf der Fläche 12 liegende Berührungsstelle 14 weniger schnell abstumpfen als die Berührungsstelle 9 in der in F i g. 3 gezeigten Konstruktion. Die Breite der Flächen 12 wird im Verhältnis zu den Abmessungen der verwendeten Diamanten 8 gewählt. Aus diesem Grunde müssen alle Diamanten innerhalb einer bestimmten Größe liegen. Wenn die Abmessungen eines Diamanten zu groß sind, so wird der Diamant keinen Berührungspunkt mit der Fläche 12 aufweisen, wie dies durch den Diamanten 10' in der kammartigen Erhebung 11' gezeigt wird. Gewünschtenfalls können die Seitenwände der kammartigen Erhebungen 5 in der in den F i g. 3 und 4 durch die strichlierte Linie gezeigten Art und Weise gestaltet sein.

Die Erfindung ist nicht auf die Bohrkrone, die in den F i g. 1 bis 4 der Zeichnungen gezeigt wurde, beschränkt, und es sind mannigfache Abänderungen möglich. So ist es nicht notwendig, daß die kammartigen Erhebungen 5 oder 11 sternförmig in bezug auf die Achse der Bohrkrone angeordnet sind, wie dies in Fi g. 1 gezeigt wird, sondern sie können auch so verlegt sein, daß sie bei der Ansicht aus Richtung des Pfeiles I einen gemeinsamen Kreis berühren, der seinen Mittelpunkt in der Achse der Bohrkrone hat. Die kammartigen Erhebungen können auch in einer Projektion rechtwinklig zur Achse der Bohrkrone gebogen sein. In einer anderen Ausführungsform können die kammartigen Erhebungen mehr oder weniger konzentrisch im Hinblick auf die Achse der Bohrkrone angeordnet sein.

Obwohl in Fig. 1 gezeigt wird, daß der Spülkanal 6 bezüglich der Mittelachse der Bohrkrone 1 konzentrisch angeordnet ist, kann dieser Kanal ebenso auch exzentrisch angeordnet sein, was z. B. dann erwünscht sein wird, wenn in dem Gestein, das gebohrt wurde, kein Kern zurückgelassen werden soll.

Die Gestaltung der Teile des Bohrkronenkörpers, die zwischen den kammartigen Erhebungen 5 liegen, kann in jeder passenden Weise erfolgen, vorausgesetzt, daß sie sowohl zur Führung der Spülflüssigkeit aus der öffnung 6 zu den Seiten des Bohrkronenkörpers und entlang der Diamanten 8 geeignet ist als auch eine leichte Entfernung der durch die Diamanten 8 geschnittenen Splitter ermöglicht.

Weiterhin ist die Erfindung nicht auf die Form des Schaftes 2 beschränkt, der zur Verbindung der Bohrkrone mit dem Bohrgestänge über ein Rohrverbindungsstück verwendet wird. Gewünschtenfalls kann der Schaft 2 eine zylindrische Form haben. Bei einer anderen Art sind mehrere kleine Zylinder im Kronenkörper 4 eingebaut, weiche Zylinder mit mit Schraubengewinden versehenen öffnungen ausgestattet sind, um einen Flansch daran mittels Bolzen zu verbinden. Der Flansch kann mit Einrichtungen versehen sein, um diesen mit dem Bohrgestänge, dem Verbindungsstück zwischen Bohrkrone und Bohrrohr oder einem Rohrverbindungsstück zu koppeln, oder er kann einen Teil der letzteren Mittel darstellen.

Das Verfahren zur Herstellung einer gesinterten Diamantbohrkrone wird nachstehend näher beschrieben. Um die erforderliche Genauigkeit in der Anordnung der Diamanten zu erhalten, wurde eine spezielle Methode der Formenherstellung entwickelt, mit der eine Graphitform erhalten wird, in der die Bohrkrone gesintert werden kann. Eine Vorrichtung, in welcher eine solche Methode ausgeführt werden kann, ist aus F i g. 5 der Zeichnung ersichtlich. Die Formenherstellungsvorrichtung umfaßt ein Gehäuse 21, das einen becherförmig ausgebildeten Innenteil besitzt, welcher an seiner Oberseite offen ist. Eine Platte 22, die mit einer Aussparung 23 versehen ist, ist auf der ίο Oberseite des Gehäuses angeordnet und wird durch das Gehäuse 21 zentriert und unterstützt. Ein Ring 24 ist mit dem Gehäuse 21 durch geeignete Mittel, wie z. B. Bolzen, verbunden, um eine biegsame Membrane 26 (welche z. B. aus Gummi hergestellt ist) am Gehäuse 21 zu befestigen.

Auf dem Gehäuse 21 und der Platte 22 ist ein Briickenteil 27 mittels Bolzen 28 (von denen nur einer dargestellt ist) montiert, die in einen Flansch 29 des Brückenteiles 27 und der senkrechten Wand des Gehäuses 21 eingebaut werden.

Ein Rundstab 30 ist mit einem Flansch 31 versehen, an dem ein Modell 32 der herzustellenden Bohrkrone durch Bolzen 33 verbunden wird. Der Rundstab 30 ist im Briickenteil 27 verschiebbar ange-

»5 ordnet, wobei dessen Verdrehung durch eine durch einen Bolzen 35 mit dem Flansch 31 verbundene Führungsbacke 34 verhindert wird. Die Führungsbacke 34 arbeitet zusammen mit einem Führungsteil 36, der durch Bolzen 37 mit dem Briickenteil 27 verbunden ist.

Der Rundstab 30 kann sowohl hinsichtlich des Brückenteiles 27 als auch des Gehäuses 21, auf welchem der Briickenteil 27 montiert wurde, durch Drehung eines Mutternteiles 38 im Zusammenwirken

mit einem Schraubengewinde auf dem Brückenteil 27 in vertikaler Richtung bewegt werden. Der Mutternteil 38 ist im axialen Sinne in bezug auf den Rundstab 30 festgehalten und kann frei um diesen gedreht werden.

Auf der Innenwand des Gehäuses 21 ist ein Netzwerk niedriger Kanäle 39 angeordnet, das mindestens an einer Stelle mit einem Druckerzeuger (nicht dar- ' gestellt) verbunden ist. Schließlich führt eine Ausbohrung 40 durch die Wand des Gehäuses 21, und geeignete Rohrleitungen 41 stehen sowohl mit den Kanälen 39 als auch mit der Ausbohrung 40, die zum Druckerzeuger führt, in Verbindung.

Der Druckerzeuger (nicht dargestellt) steht mit der Ausbohrung 40 in Verbindung und ist so beschaffen, daß Drücke, die sowohl höher als auch niedriger als der Atmosphärendruck sind, erzeugt werden können.

Um in der Graphitform eine genaue negative Abbildung der herzustellenden Bohrkrone zu erhalten, wird ein Modell der Bohrkrone hergestellt, das genau die gleiche äußere Form kammartiger Erhebungen 5, des Kanals 6 wie der Bohrkrone in Fi g. 1 aufweist. Der Einfachheit halber wurde jedoch in F i g. 5 nur der Kanal 6' im Modell 32 dargestellt. Das Modell 32 wird vorzugsweise aus Metall hergestellt, welches sehr sorgfältig maschinell bearbeitet wurde. Die Abweichung in den Abständen zwischen der Achse des Modells und den Stellen auf den kammärtigen Erhebungen, wo die eine gemeinsame Spur schneidenden Diamanten verlegt sind, ist maximal 0,02 mm, senkrecht zum Bodenprofil des Modells gemessen.

In der in Fig. 5 gezeigten Lage paßt das Modell 32 genau mit seinem oberen Ende in die Aussparung

23 in der Platte 22, ohne jedoch diese Aussparung abzudichten. Um das Abfließen der Flüssigkeit zu ermöglichen, die aus der Flüssigkeit-Graphit-Mischung herausgepreßt wird, um letztlich die Graphitform 45 zu bilden, sind geeignete Kanäle und Rohrleitungen (wie 42, 43 und 44) in der Platte-22, im Modell 32 und zwischen Modell 32 und Flansch

31 vorgesehen.

Bei dem besonderen, in der Zeichnung dargestellten Modell 32 wurde der untere Innenteil konisch geformt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber nicht nur auf die Verwendung einer Modelltyp::, wie sie durch die Zeichnung wiedergegeben wird, beschränkt, sondern kann für jedes andere Modell in gleicher Weise angewendet werden. Gewünschtcnfalls können auch andere Kanäle als der Kanal 6' im Modell 32 vorgesehen sein. Diese Kanäle dienen im gesinterten Bohrkronenkörper als Spülkanäle, um den Strom der Bohrflüssigkeit an die Teile der Bohrkrone und/oder des Bohrloches zu führen, die eine solche Bohrflüssigkeit benötigen. Da die Form und Anordnung solcher Durchströmkanäle an sich bekannt sind und keinen Teil der Erfindung darstellen, werden diese Kanäle nicht ausführlich beschrieben. Es ist aber zu beachten, daß die im Modell 32 angeordneten Kanäle so ausgebildet sein sollen, daß sich das Modell nach dem Formen leicht aus der Graphitform entfernen läßt, ohne daß hierbei die Kanäle, die in der Form durch die kammartigen Erhebungen auf dem Modell

32 entstehen, beschädigt werden.

Das unter Verwendung der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung angewendete Verfahren zur Herstellung der Graphitform wird im folgenden näher beschrieben.

Nachdem der Brückenteil 27 und das Modell 32 vom Gehäuse 21 abgenommen wurden, wird der Raum innerhalb der becherförmigen biegsamen Membrane 26 teilweise mit einer im wesentlichen aus Graphitteilchcn und Flüssigkeit, wie Wasser, bestehenden Mischung gefüllt. D;inn wird der Brückenteil 27, der das Modell 32 entweder in der ausgefahrenen oder in irgendeiner anderen Lage enthält, auf das Gehäuse 21 aufgesetzt und mit diesem mittels Bolzen 28 verbunden. Wenn sich das Modell 32 nach der Montage des Brückcntcils 27 auf das Gehäuse 21-in bezug auf den Brückenteil 27 in der nicht ausgefahrenen Lage befindet, wird das Modell durch Drehen der Mutter 38 in die in Fig. 5 angegebene Lage gebracht.

In der Folge wird eine Flüssigkeit, vor allem öl, unter Druck aus einem geeigneten Druckerzeuger (nicht dargestellt) über die Rohrleitungen 40, 41 zu den in der Innenwand des Gehäuses 21 angeordneten Kanälen 39 geliefert. Durch das Netzwerk der Kanäle 39 wird, die Flüssigkeit von Anfang an über die Oberfläche der Membrane 26 verteilt, wobei Druckkräfte auf die innerhalb der Membrane befindliche Graphit-Flüssigkcits-Misclumg ausgeübt werden. Dadurch wird ein Teil der Flüssigkeit aus der Mischung verdrängt und über die Leitungen 42, 43 und 44 und den engen Spalt zwischen der Wand der Aussparung 23 und dem Modell 32 zum Abfließen gebracht. Der enge Spalt läßt den Durchzug von Wasser und Luft zu. verhindert aber den. Durchtritt von Graphitteilchen. Dadurch wird die Mischung verdichtet.

Der Druck, der auf die Außenseite der Membrane 26 ausgeübt wird, soll so gleichmäßig wie möglich sein. Wird eine Pumpe zur Erhöhung des Flüssigkeitsdruckes verwendet, so muß dafür gesorgt werden, daß die Druckänderungen relativ klein sind und nur etwa 5% des Durchschnittsdruckes betragen. Es wird jedoch bevorzugt, ein aus einer Gasflasche stammcndes Druckgas als Druckerzeuger zu verwenden. Gcwünschtenfalls kann das Gas direkt dem Raum zwischen Membrane 26 und dem Gehäuse 21 zugeführt werden, oder es wird in einen Flüssigkeitsbehälter geleitet, der an seinem unteren Ende über eine Rohrleitung mit dem genannten Raum in Verbindung steht.

Wenn die Druckschwankungen zu groß sind, dann werden die Graphitteilchen nicht gleichmäßig zusammengedrückt, was sich in Abweichungen in der Form in bezug auf das Modell 32 auswirkt; solche Abweichungen beeinflussen die Lebensdauer der in dieser Form gesinterten Bohrkrone ungünstig.

Es wurde gefunden, daß die gleichmäßigste Struktur der Graphitform erhalten wird, wenn der Druck-

ao anstieg, der der Druckperiode des Verfahrens vorangeht, sehr schnell, vorzugsweise innerhalb einiger Sekunden, erfolgt.

Die Dauer der Periode, während der die Form Druckkräften ausgesetzt ist. wird experimentell für jede Mischung bestimmt. Die Druckperiode ist zu Ende, nachdem eine maximale Verdichtung der Mischung erreicht wurde und keine Flüssigkeit mehr aus den obengenannten Rohrleitungen 42, 43 und 44 und dem engen Spalt zwischen der Aussparung 23 und dem Modell 32 entweicht.

Danach wird der Druck von der Außenseite der becherförmigen Membrane 26 entfernt und das Modell 32 sorgfältig durch Drehen der Mutter 38 aus der Aussparung 23 gehoben und herausgezogen. Dies ist nur dann möglich, wenn die Teile des Modells 32 so entworfen wurden, daß sie nach unten leicht konisch verlaufen. Diese Teile lösen sich während der Aufwärtsbewegung des Modells leicht selbst von den entsprechenden Teilen der Form, ohne daß diese beschädigt werden.

Nachdem das Modell 32 durch die Aussparung 23 gehoben wurde, werden der Brückenteil 27 und die Platte 22 abgenommen, worauf dann die Graphitform 45 aus dem Gehäuse 21 entfernt wird, was z. B.

durch Lösen des Ringes 24 und das Herausheben der Membrane 26 zusammen mit der Form 45 aus dem Gehäuse 21 oder durch Umkehrung des Gehäuses 21 mit der Form oder durch Einspritzen einer Flüssigkeit über die Ausbohrung 40 erfolgen kann.

Das restliche Wasser, das nicht durch die Druckbehandlung der Form entfernt werden konnte, wird nun daraus entfernt, indem z. B. die Form bei Zimmertemperatur getrocknet oder einem mäßigen Erhitzen ausgesetzt wird.

Danach ist die Form für den Sintcrvorgang fertig. Schließlich werden die Diamanten sorgfältig entlang von Kreisen in die Kanäle, die durch die kammartigen Erhebungen des Modells 32 in der Form gebildet wurden, gesetzt. Dank des crfindurigsgemäßen Formenherslellungsvcrfahrens ist die Form ein sehr genaues Negativ des Modells 32.

Durch Anwendung kleinerer Mengen eines Haftmittels werden die Diamanten beim Einfüllen des zum Sintern geeigneten Pulvermaterials in die Form auf ihren Plätzen festgehalten. Gewünschtenfalls wird ein Schaft, der sich zum Verbinden der gesinterten Bohrkrone mit dem Bohrgestänge usw. eignet, in die Form eingebracht (vgl. zum Beispiel F i g. 2, die die

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Lage des Schaftes 2 in bezug auf die aus einer gesinterten Masse bestehenden Bohrkrone 4 zeigt).

Der Schaft 2 kann aus einem Material bestehen, das den gleichen oder ungefähr gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das zu sinternde Pulver aufweist. Dadurch werden unerwünschte Spannungen, die bei einem Temperaturwechsel während des Sintervorganges sowohl innerhalb der Sintermasse als auch innerhalb der Form auftreten würden, verhindert. Solche Spannungen würden auch den Umriß der Bohrkrone verzerren und dadurch die Diamanten derart versetzen, daß die während des Bohrens auf der Bohrkrone liegende Belastung ungleich auf die Diamanten verteilt sein würde.

Die pulverförmige Sintermasse kann aus Wolfram und Wolframkarbid bestehen, und der Schaft 2 kann aus Wolfram hergestellt sein, und zwar entweder aus einem Wolframblock oder aus einem Wolframpulver. Der Schaft 2 kann aus Wolfram gesintert werden. Das Schraubengewinde 3 wird nach der Sinterung geschnitten.

Wenn der Schaft 2 aus Pulver gebildet wird, so kann eine Graphitform (nicht dargestellt) zur Herstellung der Außenkonturen des Schaftes verwendet werden. Das Schraubengewinde kann in der Graphitform gebildet oder später in den Schaft geschnitten werden.

Der Schaft 2 wird vorzugsweise in eine ringförmige Vertiefung des gesinterten Kronenkörpers 4 eingebaut, worauf der Schaft 2 an den Körper 4 gelötet wird.

Bevor die Form zusammen mit den Diamanten und dem Sinterpulver in den Sinterofen gebracht wird, wird eine Menge eines Bindemittels (z. B. Neusilber, wenn Wolfram und/oder Wolframkarbidpulver gesintert wird) in das Pulver eingebracht. Um ein Verziehen während des auf den Sinterprozeß folgenden Abkühlungsvorganges zu verhindern, wurde gefunden, daß die Menge des Bindemittels nicht größer als das Porenvolumen der Pulvermasse sein soll. Werden größere Mengen an Bindemittel angewendet, so bleibt das Bindemittel in flüssiger Form oben auf dem Pulver und verfestigt sich an Ort und Stelle, wodurch ein Verziehen des Bohrkronenkörpers verursacht wird, was wieder eine ungleiche Lastverteilung über die Diamanten zur Folge hat, wenn die Bohrkrone beim Bohren eines Loches durch ein Gesteinsmaterial unter Belastung gedreht wird.

Gewünschtenfalls kann die Graphitform verfestigt werden, indem sie an ihrer Außenseite z. B. durch Einlegen in einen becherförmigen Stützkörper, der aus Graphit hergestellt sein kann, unterstützt wird. Vorzugsweise wird ein Graphitbecher verwendet, der aus einem festen Graphitblock, z. B. durch Drehen auf einer Drehbank, hergestellt wurde. Wenn nötig, wird dir Außenseite der Graphitform so geformt, daß sie mit der Innenwand des becherförmig ausgebildeten Stützkörpers zusammenpaßt, was durch Abschaben des unerwünschten Graphits von der Außenseite der Form erreicht wird.

Eine Verfestigung der Form durch Einbringen von Verstärkungen in die Graphit-Flüssigkeits-Mischung, bevor diese gepreßt wird, wird nicht als vorteilhaft angesehen, weil dies Verzerrungen der Graphitform während des Herstellungsverfahrens und/oder während der Sinterung hervorrufen kann.

Die Graphitform, die eventuell durch einen becherförmigen Körper unterstützt wird und weiche Diamanten, Pulver, Bindemittel und fakultativ auch einen Schaft für Kupplungszwecke enthält, wird, nachdem sie in den Sinterofen gebracht wurde, auf die Sintertemperatur des Pulvers erhitzt, um ohne Verbrennen der Diamanten einen einheitlichen Körper herzustellen. Da solche Verfahren an sich bekannt sind, werden hier keine Einzelheiten über Sintertemperatur und Sinterzeiten für die verschiedenen zur Anwendung kommenden Sinterwerkstoffe

ίο und Bindemittel angegeben.

An Hand eines Beispiels sollen einige Details über das Formenherstellungsverfahren und über die Sinterung einer Diamantbohrkrone 6" gegeben werden. Die Bohrkrone hatte eine Form, die der Form des Modells 32 in F i g. 5 entspricht. Die Membrane hatte einen Durchmesser von etwa 210 mm, war etwa 1 mm stark und aus Gummi hergestellt. Die Abweichungen der Spitzen der kammartigen Erhebungen (F i g. 1) an konzentrischen Kreisen wurden gemessen, und die größte Abweichung in den Abständen zwischen diesen Spitzen und der Achse des Modells 32 (Fig. 5) war 0,02 mm, wenn senkrecht zum Bodenprofil gemessen wurde, das durch eine Bohrkrone gemäß Modell 32 geschnitten werden soll.

Eine Mischung aus 60% Graphitteilchen und 4O°/o Wasser wurde in die Membrane 26 eingefüllt. Danach wurde das Modell 32 in der in der Zeichnung gezeigten Lage festgemacht und öl unter Druck der Ausbohrung 40 zugeführt. Innerhalb 5 Sekunden war der Druck im Raum zwischen Membrane 26 und der Innenwand des Gehäuses 21 von 1 kp/cm² auf 30 kp/cm² gestiegen. Dieser Druck wurde 120 Minuten lang aufrechterhalten, währenddessen das Wasser aus der Mischung gepreßt und die Mischung verdichtet wurde. Danach wurde der Druck wieder auf Atmosphärendruck verringert. Dann wurde das Modell 32 von der Graphitform abgehoben, und die Platte 22 und der Ring 24 wurden entfernt, um das Herausnehmen der Form 45 aus der Vorrichtung zu ermöglichen.

Nach dem Abheben der Graphitform wurde das in den Poren der Graphitform zurückgebliebene Wasser durch allmähliches Erhitzen der Form von Zimmertemperatur auf 120° C während eines Zeitraumes von 40 Stunden entfernt. Danach wurde die Form langsam abgekühlt. Gegebenenfalls kann die Trocknung auch im Sinterofen ausgeführt werden, indem die Form samt Diamanten, Pulver und Bindemittel langsam aufgeheizt wird.

Die in dieser bestimmten Bohrkrone verwendeten Diamanten waren zwischen V₇ und V» Karat und wurden in Kanälen der Form, die entsprechend den kammartigen Erhebungen 11 gemäß F i g. 4 gestaltet waren, angewendet. Die Breite der Flächen 12 war 0,8 mm.

Nachdem die Diamanten durch ein geeignetes Haftmittel an ihre Plätze geklebt worden waren, wurde Wolframkarbidpulver in die Form geschüttet. Nachfolgend wurden oben auf das Pulver 3 kg Neu-

silber gegeben und in inerter Atmosphäre während 2,5 Stunden auf 1120° C erhitzt. Das nachfolgende Abkühlen des gesinterten Körpers auf Zimmertemperatur dauerte 12 Stunden.
Danach wurde die gesinterte Bohrkrone auf einen Meßstand gebracht, um die größten Abweichungen in den Abständen zwischen den schneidenden Spitzen der Diamanten, die einem gemeinsamen Kreis angehören, und der Mittelachse zu bestimmen, wenn

senkrecht zum Bodenprofil, das .durch die Bohrkrone geschnitten werden soll, gemessen wird. Die größte Abweichung war 0,1 mm. Für etwa 75% der Diamanten war die Abweichung 0,05 mm oder auch weniger. S

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer gesinterten Diamantbohrkrone, bei dem eine Graphitform mit einem der herzustellenden Bohrkrone entsprechenden Hohlraum gebildet wird, die Diamanten auf zur Achse der Graphitform konzentrischen Kreisen in dieser angeordnet werden, die Graphitform mit einer pulverförmigen Sintermasse gefüllt und eine entsprechende Menge eines Bindemittels auf die Masse aufgebracht wird, die Graphitform mit dem Inhalt der Sintertemperatur ausgesetzt und die fertiggesinterte Diamantbohrkrone der Graphitform entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur ao Bildung der Graphitform eine Mischung von Graphitteilchen und Flüssigkeit in eine becherförmige, biegsame Membrane eingebracht und ein Modell der Bohrkrone durch eine angepaßte Aussparung einer die becherförmige Membrane abdeckenden Platte in die Mischung eingeführt wird, ein Teil der Flüssigkeit aus der Mischung durch Aufbringen eines gleichmäßig auf die Außenseite der Membrane wirkenden Flüssigkeitsdrucks ausgepreßt und dieser Flüssigkeitsdruck anschließend auf Atmosphärendruck reduziert wird, das Modell durch die Aussparung zurückgezogen, die Graphitform aus der Membrane entnommen und die in die Graphitform gefüllte Sintermasse ohne Preßdruck gesintert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Anordnen der Diamanten in der Graphitform diese in einen Stützkörper eingebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, daß das Bindemittel in einer Volumenmenge auf die Sintermasse aufgebracht wird, die etwa dem Volumen der Poren zwischen dem in die Graphitform gefüllten Pulver entspricht.

4. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 mit einem nach oben offenen Gehäuse, mit dessen Rand eine die Gehäusewandung bedeckende becherförmige, flexible Membrane abdichtend verbunden ist, und einer an eine Druckquelle angeschlossenen Verbindungsleitung, die in die Gehäusekammer mündet, dadurch gekennzeichnet, daß an der offenen Seite des Gehäuses (21) eine Platte (22) mit einer Aussparung (23) angebracht ist, die dem Querschnitt des Bohrkronenmodells (32) entspricht und kleiner als der Öffnungsquerschnitt des Gehäuses ist.

5. Durch Sintern gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 hergestellte Diamantbohrkrone, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht zu dem von der Bohrkrone (1) geschnittenen Bodenprofil (B. P.) gemessenen Abstände zwischen der Achse (A-A) der Bohrkrone und den schneidenden Spitzen der Diamanten (8), die auf demselben zur Achse konzentrischen Kreis liegen, um höchstens 0,1mm differieren.

6. Diamantbohrkrone nach Anspruch 5, bei der die Diamanten in kammartigen Erhebungen des Bohrkronenkörpers angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen der Achse (A-A) der Bohrkrone (1) und den auf demselben konzentrischen Kreisen liegenden Punkten der kammartigen Erhebungen (5) um höchstens 0,05 mm differieren.

7. Diamantbohrkrone nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kammartigen Erhebungen (11) zwei sich unter einem stumpfen Winkel im Bereich der Erhebungsspitze schneidende Flächen (12, 13) aufweisen, die jeder Diamant (10) gleichzeitig berührt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen