DE2400062B2

DE2400062B2 - Bohrwerkzeug und verfahren zu seiner herstellung.

Info

Publication number: DE2400062B2
Application number: DE19742400062
Authority: DE
Original assignee: Vsjesojuznyj nautschno-issledovatelskij i proeknyj institut tugoplavkich metallov i tvjecdych splavov VNIITS, Moskau
Priority date: 1973-01-03
Filing date: 1974-01-02
Publication date: 1976-08-26
Also published as: FR2212482B1; SE389711B; US3885637A; DE2400062A1; GB1440401A; FR2212482A1; SU483863A1

Description

tränkt und erhärtet wird, dadurch gekennzeichnet, Schleifkörnern.

daß vor dem Einbringen des Gemenges, das kleine Au:, der französischen Patentschrift 14 99 456 sind

Schleifkörner enthält, eine rein metallische Schicht auch Bohrwerkzeuge bekannt, in denen die Matrize des

in die Form eingebracht und in bezug auf das mit 30 gesteinszerstörenden Organs sowohl mit kleinen, wie

kleinen Schleifkörnern versehene Gemenge so auch mit größeren Schleifkörnern imprägniert ist, wobei

angeordnet wird, daß sie die gesteinszerstörende als Schneidelemente vorwiegend die großen Schleifkör-

Oberfläche des Bohrwerkzeuges bildet, wobei ner dienen, die an der gesleinszerstörenden Oberfläche

zusätzlich größere Schleifkörner an der Grenze der des Bohrwerkzeuges angebracht sind. Die kleinen

beiden Schichten um'/2 bis-Vi ihres Volumens in der 35 Schleifkörner dienen dabei vorwiegend zur Verfesti-

mit den kleinen Schleifkorn?™ imprägnierten gung des Matrizenkörpers.

Schicht verlieft angeordnet werden und sich mit Der Hauptnachteil dieser Bohrwerkzeuge besteht

ihrem'resllichen Teil in der rein metallischen Schicht darin, daß die großen Schleifkörner stark vertieft in der

befinden. Matrize eingebettet sein müssen, um zuverlässig

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn- 40 festgehalten zu werden. Da sie mithin nur mit einer

zeichnet, daß die Dicke der rein metallischen geringen Länge über die gesteinszerstörende Oberflä-

Gemengeschicht dem Ausmaß der Eindringtiefe der ehe des Werkzeugs hervorragen, ist die Wirksamkeit

größeren Schleifkörner in dieser Schicht im des Bohrbetriebs stark vermindert,

wesentlichen gleich gehalten wird. Zur Verbesserung der gesteinszerstörenden Wirk-

I 45 samkeit wurden Versuche unternommen, die Schleifkör-

f- ner weiter aus der Matrize hervorragen zu lassen. Dabei

I kommt es jedoch zu einem vermehrten Abbrechen der

\ vorstehenden Kornlängen, so daß ein solcher Bohrer

I schnell unbrauchbar wird. Bohrer dieser Art haben j Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein 50 demgemäß auch kpine Verbreitung gefunden.

] Bohrwerkzeug mit einem Gehäuse und einem gesteins- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es. unter

\ zerstörenden Organ, das eine metallische Matrize Vermeidung der beschriebenen Nachteile ein Bohr-

j aufweist, die mit kleinen und größeren Schleifkörnern werkzeug der vorausgesetzten Art derart weiterzubil-

! imprägniert ist, wobei die gesteinszerstörende Oberflä- den, daß bei guter Lebensdauer eine erhöhte gesteins-

i ehe des Bohrwerkzeuges durch eine rein metallische 55 zerstörende Wirksamkeit erreicht werden kann.

Schicht gebildet ist, welche nur von den größeren Ausgehend von der eingangs genannten Ausbildung

Schleifkörnern durchdrungen ist. Ein solches Bohrwerk- wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß

κ zeug ist aus der GB-PS 10 04 158 bekannt. vorgeschlagen, daß die größeren Schleifkörner zwi-

|§ Bei dieser bekannten Ausbildung sind die kleinen und sehen der Hälfte und zwei Dritteln ihres Volumens in

II die größeren Schleifkörner schichtenweise übereinan- 60 der mit den kleinen Schleifkörnern imprägnierten U der in jeweils einer eigenen Bindemittelschicht angeord- Schicht und mit ihrem restlichen Teil in der äußeren, j§ net. Durch eine besondere Wahl der Bindemittel soll die rein metallischen Schicht vertieft angeordnet sind. ·

Il Verschleißfestigkeit des bekannten Bohrwerkzeugs auf Es ist dabei zweckmäßig, wenn die Dicke der rein ^h"'^: diese Weise erhöht werden. Die Wirksamkeit der metallischen Schicht dem Ausmaß der Eindringtiefe der bekannten Maßnahme ergibt sich jedoch im wesentü- 65 größeren Schleifkörner in dieser Schicht im wesentlichen nur aus der Vergrößerung der Dicke der chen gleich ist.

gesteinszersiörenden Schicht, ohne diese selbst wider- Bei der Herstellung von Bohrwerkzeugen dieser Art

standsfähieer zu machen. Es muß im Gegenteil die wird gewöhnlich derart vorgegangen, daß ein metalli-

sches Gemenge, das kleine Schleifkörner enthält, in eine Form eingebracht, an ein Gehäuse des Bohrwerkzeugs angepreßt, mit einer Metallschmelze durchtränkt und erhärtet wird. Zur Herstellung eines erfindungsgemä-6en Bohrwerkzeugs wird zweckmäßigerweise dabei so vorgegangen, daß vor dem Einbringen des Gemenges, das kleine Schleifkörner enthält, eine rein metallische Schicht in die Form eingebracht und in bezug auf das mit kleinen Schleifkörnern versehene Gemenge so angeordnet wird, daß sie die gesteinszerstörende Oberfläehe des Bohrwerkzeuges bildet, wobei zusätzliche größere Schleifkörner an der Grenze der beiden Schichten um '/2 bis ²Ii ihres Volumens in der mit den kleinen Schleifkörnern imprägnierten Schicht vertieft angeordnet werden und sich mit ihrem restlichen Teil in der rein metallischen Schicht befinden.

Es ist dabei weiterhin zweckmäßig, wenn die Dicke der rein metallischen Gemengeschicht dem Ausmaß der Eindringtiefe der größeren Schleifkorner in dieser Schicht im wesentlichen gleich gehatten wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Bohrwerkzeug, und zwar eine Krone zum Kernbohren;

Fig. 2 die Einzelheit A von F i g. 1 im vergrößerten Maßstab, die die Anordnung der Schichten in der Matrize und der Schleifkörner veranschaulicht.

Die als Beispiel gewählte Krone zum Kernbohren besteht aus einem Stahlgehäuse 1, das ein gesteinszerstörendes Organ 2 trägt, welches eine Matrize darstellt, die mit Schleifkörnern imprägniert ist. Der Teil des Matrizenkörpers, der von der Schicht 3 begrenzt ist, enthält Einschlüsse aus kleinen Schleifkörnern 4, die über die ganze Schicht 3 gleichmäßig verteilt sind.

Eine Schicht 5 der Matrize, die in bezug auf die Schicht 3 aaßen liegt und die gesteinszerstörende Oberfläche 6 des Bohrwerkzeuges bildet, ist eine rein metallische Schicht ohne kleine schleifende Einschlüsse.

An der Grenze der Schichten 3 und 5 sind große Schleifkörner 7 derart angeordnet, daß sie mit '/2 bis ²h ihres Volumens in der Schicht 3 und mit dem übrigen Teil in der Schicht 5 vertieft sind.

Ah kleine und große Schleifkörner können Körner aus beliebigen Schleifmitteln, beispielsweise aus künstlichen und natürlichen Diamanten, künstlichen Werkstoffen auf Diamanienbasis und aus nichtdiamantenen Materialien wie kubisches Bornitrid und Werkstoffe auf dessen Grundlage oder ähnliche Werkstoffe verwendet werden. Die Schleifkörner können als Ein- und Polykristalle in Form von Grieß ausgebildet sein. Die Größe der kleinen Schleifkörner beträgt üblicherweise 50 bis 800 μιη und die der größeren 1 bis 2,5 mm.

Der metallische Teil der Matrize kann aus Nickel mit Eisen und Wolframkarbid oder aus Wolframkarbid mit Kobalt bestehen.

Oberhalb der Schicht 3 befindet sich eine Schicht 8, die an das Gehäuse 1 des Bohrwerkzeuges anschließt, das gleichfalls nur aus Metall besieht, was zur Einsparung von Schleifmitteln geschieht, da die Schicht 8 sich praktisch an der Zerstörung des Gesteines nicht beteiligt.

Die großen Schleifkörner dienen als Schneidelemente und die kleinen vorwiegend zur Verfestigung des Matrizenkörpers. Die Summendicke der Schichten 3 und 5 ist praktisch der Eindringtiefe der größeren Schleifkörner 7 in denselben gleich. Eine Vergrößerung Hpi- Dirken dieser Schichten wäre nicht sinnvoll.

Praktisch beträgt bei einer Größe der großen Schleifkörner 7 von 1 bis 2,0 mm die Dicke der Schicht 3 von 1,0 mm bis 1,8 mm und die Dicke der Schicht 5 von 0,3 bis 0.6 mm.

Das Bohrwerkzeug gemäß der Erfindung wird auf die folgende Weise hergestellt.

Auf den Boden einer Graphitform wird das Metallgemenge ohne schleifende Einschlüsse aufgegeben, und zwar in Form einer Schicht von 0,3 bis 0,6 mm je nach der Größe der großen Schleifkörner, wonach eine Verdichtung derselben vorgenommen wird.

In diese Gemengeschicht werden große Diamantkörner eingelegt, wobei sie nach bekannten Verfahren in die ganze Dicke dieser Schicht vertieft werden.

Hiernach wird oberhalb der Schicht 5 die Schicht 3 des metallischen Gemenges aufgeschüttet, das kleine' Schleifkörner enthält.

Die Konzentration der Schleifkörner in dem metallischen Gemenge wird nach üblichen Normen bemessen und beträgt 50 bis 150%. Nach dem Aufschütten der Schicht 3 wird diese ebenfalls verdichtet. Der übrige Teil der Graphitform wird bis zur erforderlichen Höhe mit nur metallischem Gemenge aufgefüllt.

Das auf diese Weise erhaltene Gemenge wird an das Gehäuse 1 des Bohrwerkzeuges angepreßt, und zwar üblicherweise mit einer Anpreßkraft von bis zu 50 bis 60 kp/cm².

Während die vorstehend beschriebene Reihenfolge der Herstellung bevorzugt wird, ist es aber durchaus möglich, die Gemengeschichten auch in der umgekehrten Reihenfolge aufzugeben, wenn das oben angegebene Maßverhältr.is eingehalten wird.

In diesem Fall erfolgt das Einschütten des Gemenges seitens des Kronengehäuses, wobei begonnen wird mit der Schicht des metallischen Gemenges, das keine Schleifmittel enthält. Es folgt die Schicht des Gemenges, das Einschlüsse von kleinen Schleifkörnern enthält. Danach werden die großen Schleifkörner in die ganze Dicke der Schichten 3 und 5 eingebracht, worauf erneut das Aufschütten einer Schicht nur metallischen Gemenges erfolgt.

Da die Dicke der aufgeschütteten Schichten in der beschriebenen Weise von der Größe der großen Schleifkörner abhängt, findet die vorgeschriebene Vertiefung in jeder der zwei Schichten statt.

Nach dem Anpressen erfolgt die Durchtränkung aller Gemengeschichten, die sich nach wie vor in der Graphitform befinden, mit einer Metallschmelze. Meist werden hierzu Schmelzen von Kupfer, von Kupfer und Nickel, von Kupfer, Nickel und Zink, von Kupfer und Silber und dergl. genommen. Die Zusammensetzungen dieser Schmelzen sind allgemein bekannt.

Beim Abkühlen an der Luft auf die Umgebungstemperatur erfolgt die Verbindung des Slahlgehäuses mit der Matrize des gesteinszerstörenden Organs. Darauf folgt die erforderliche mechanische Bearbeitung des Bohrwerkzeuges, und das Werkzeug ist einsatzbereit.

Das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Bohrwerkzeug hat gegenüber den bekannten Bohrwerkzeugen vor allem folgende Vorteile: Bei gleichen Betriebsbedingungen wird der Verbrauch an Schleifmitteln pro Bohrfortschriltseinheit dank einer besseren Ausnutzung der großen Schleifkörner um 30 bis 50% gesenkt, deren Arbeitswirkung in der letzten Arbeilsstufe, wenn die metallische Schutzschicht 5 bereits zerstört ist, durch die Wirkung der bloßgelegten kleinen Schleifteilchen unterstützt wird, die sich in der Schicht 3 befinden.

Nachstehend werden Beispiele von erfindungsgemäßen Bohrwerkzeugen-angeführt.

Beispiel 1

■„ In diesem und den nachfolgenden Beispielen besteht das Werkzeuggehäuse wie üblich aus Stahl: .
,: Das Matrizenmetall ist Wolframkarbid und Kupfer.
; Als große*undkleine^: Schleifkörner sindi Körner.von natürlichen Diamanten genommen.

Die Größe der kleinen Schleifkörner beträgt 150 bis 250 μίτι.

Die Größe der großen Schleif körner beträgt 1,5 bis 2,0 mm.

Die Dicke der mit den kleinen Schleifkörnern imprägnierten Schicht 3 schwankt im Bereich von 0,8 bis 1,3 mm.

Die Dicke der metallischen Schicht 5, die sich an der gesteinszerstörenden Oberfläche des Bohrwerkzeuges befindet, schwankt im Bereich von 0,4 bis 0,7 mm. Die Eindringtiefe der großen Schleifkörner in jeder der Schichten 3 und 5 der Matrize schwankt im Bereich von ^!/2 bis ²h ihres Volumens.

Die Herstellung erfolgte wie vorstehend beschrieben unter Einhaltung der jeweiligen Dicken der Gemengeschichten 3 und 5, deren Größe der Dicke der entsprechenden Schichten in der Matrize des fertigen Bohrwerkzeuges gleich ist. Dies gilt für alle Beispiele.

In diesem und den nachfolgenden Beispielen wurde die Durchtränkung des Gemenges mit einer Kupferschmelze durchgeführt.

Bei Erprobungen in Gesteinen mittlerer Härte kennzeichnete sich das hergestellte Werkzeug durch einen Verbrauch an Schleifmitteln von 0,26 Karat je Meter Bohrfortschritt.

Beispiel 2

Als kleine und große Schleifkörner wurden Körner

von künstlichen polykristallinen Diamanten genommen.

Die Größe der kleinen Schleifkörner betrug 300 bis 400 μιη. Die Größe der großen Schleifkörner betrug 1,5 bis 2,0 mm.

Die Dicke der mit den kleinen Schleifkörnern imprägnierten Schicht 3 schwankt im Bereich von 0,8 bis 1,5 mm.

Die Dicke der metallischen Schicht 5< die sich an der gesteinszerstörenden Oberfläche des Bohrwerkzeuges befindet, schwankt im Bereich von 0,3 bis 0,7 mm.

Die Eindringtiefe der größen SchleifkÖrner in jeder ίο der Schichten 3 und 5 der Matrize schwankt im Bereich von '/2 bis ²Ii ihres Volumens.

Bei Erprobungen kennzeichnete sich das hergestellte Bohrwerkzeug durch einen Verbrauch an Schleifmitteln von 0,21 Karat je Meter Bohrfortschritt beim Arbeiten in Gesteinen mittlerer Härte.

Beispiel 3

Als kleine SchleifkÖrner wurden Körner von gegossenem Wolframkarbid genommen.

Als große SchleifkÖrner wurden Körner von polykristallinen Diamanten genommen.

Die Größe der kleinen SchleifkÖrner betrug 400 bis 500 μηη.

Die Größe der großen SchleifkÖrner betrug 1,5 bis 2,0 mm.

Die Dicke der mit den kleinen Schleifkörnern imprägnierten Schicht 3 schwankt im Bereich von 0,7 bis 1,6 mm.

Die Dicke der metallischen Schicht 5, die sich an der gesleinszerstörenden Oberfläche des Bohrwerkzeuges befindet, schwankt im Bereich von 0,4 bis 0,8 mm.

Die Eindringtiefe der großen SchleifkÖrner in jeder der Schichten 3 und 5 der Matrize schwankt im Bereich von '/2 bis ²/i ihres Volumens.

Bei Erprobungen kennzeichnete sich das hergestellte Bohrwerkzeug durch einen Verbrauch an Schleifmitteln von 0.31 Karat je Meter Bohrfortschritt beim Arbeiten in harten und stark abschleifenden Gesteinen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

jeweils äußere Schicht ein Bindemittel niedrigerer

I Patentansprüche: Schmelztemperatur aufweisen, da diese sonst nicht ohne

I Beschädigung der bereits aufgetragenen Schichten

1- 1. Bohrwerkzeug mit einem Gehäuse und einem aufgetragen werden könnten.

t gesteinszerstörenden Organ, das eine metallische 5 Da bei der bekannten Ausladung mithin im

ί Matrize aufweist, die mit kleinen und größeren wesentlichen nur aufeinanderfolgende metallische Ma-

I Schleifkörnern imprägniert ist. wobei die gesteins- trizen mit Schleifkörnern mit jeweils im wesentlichen

! . zerstörende Oberfläche des Bohrwerkzeuges durch homogener Korngröße vorliegen, gelten fur d.eseauch

j eine rein metallische Schicht gebildet ist, welche nur die Nachteile der üblichen, z. B. aus üS-Ps h, 9₃ 284

S von den größeren Schleifkörnern durchdrungen ist. io bekannten Bohrwerkzeuge: sie sind beim Bohren von

I d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t. daß die größe- sowohl wenig abschleifenden als auch starker abschlei-

I ren Schleifkörner (7) zwischen der Hälfte und zwei fenden Gesteinen wenig wirksam.

I Dritteln ihres Volumens in der mit den kleinen Bei bekannten Bohrern werden fur den Betrieb in

I Schleifkörnern (4) imprägnierten Schicht (3) und mit wenig abschleifenden Gesteinen Schleilkorner in der

1 ihrem restlichen Teil in der äußeren, rein metalli- 15 Größe von 50 bis 800 μπι verwende! und für den Betneb

f sehen Schicht^) vertieft angeordnet sind. in abschleifenden Gesteinen in der Große von 1 bis

I 2. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch 2,5 mm. Die Schleifkörner selbst bestehen aus Mono-

I gekennzeichnet, daß die Dicke der rein metallischen oder Polykristallen von Diamant oder aus anderen

k , Schicht (5) dem Ausmaß der Eindringtfefe der ScWeifwerkstoffen auf Diamantbasis oder auch aus

i größeren Schleifkörner (7) dieser Schicht im 20 kubischem Bornitrid oder Werkstoffen auf dessen

P^:; wesentlichen gleich ist. Grundlage.

i 3. Verfahren zur Herstellung eines Bohrwerkzeu- Die Hauptnachteile der beschriebenen Bohrwerkzeu-

I ges nach Anspruch 1. bei welchem ein metallisches ge sind eine in Abhängigkeit von der Betriebsweise und

I Gemenge, das kleine Schleifkörner enthält, in eine den Parametern des Gesteines mehr oder weniger

Form eingebracht, an ein Gehäuse des Bohrwerk- 25 intensive Zerstörung des Matnzenkörpers und dement-

zeuges angepreßt, mit einer Metallschmelze durch- sprechende Verluste an in der Matrize gebundenen