DE3854388T2

DE3854388T2 - Beschichtete polykristalline diamantkörper, produkte und ihre herstellung.

Info

Publication number: DE3854388T2
Application number: DE3854388T
Authority: DE
Inventors: Louis Bigelow; Sy-Hwa Chen; Leo Merrill; Chien-Min Sung
Original assignee: Baker Hughes Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 1987-06-11
Filing date: 1988-06-10
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2008-06-11
Also published as: WO1988009826A1; DE3854388D1; EP0328583A1; CN1019761B; CN1034879A; EP0328583B1

Description

Gebit der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes synthetisches Diamantprodukt und ein Verfahren zur Herstellung desselben und insbesondere ein verbessertes temperaturstabiies Diamantelement, das eine Trägerstruktur sein kann und chemisch an eine solche gebunden sein kann, wie zum Beispiel ein Bohrer und ähnliches.

Hintergrund der Erfindung

Verschiedene Arten von synthetischen Diamantprodukten sind bekannt und im Handel erhältlich. Ein solches Produkt ist ein unausgelaugter polykristalliner Diamantpreßling mit einer Temperaturstabilität von bis zu ungefähr 750 Grad C, siehe US-Patente 3.745.623 und 3.608.818. Dieses synthetische Diamantprodukt wird üblicherweise durch eine Diamant- Diamant-Bindung gebildet und ist an ein Substrat gebünden, das zum Beispiel Wolframsinterhartmetall sein kann. Das Substrat wird üblicherweise vorgeformt und enthält Kobalt, das Diamantprodukt wird geformt und bei sehr hohen Temperaturen und Drücken, die üblicherweise als diamantstabiler Bereich von Druck und Temperatur bezeichnet werden, typischerweise über 50 kbar und 1.200 Grad C, an das Substrat gebunden.
Diese Produkte werden im folgenden als polykristalline Diamantprodukte (PCD) bezeichnet und sind thermisch bis zu ungefähr 750 Grad C stabil.
Eine andere Form eines PCD ist ein nicht hinterfülltes ausgelaugtes Produkt, siehe US-Patente 4.224.380 und 4.288.248, das eine Temperaturstabilität von bis zu 1.200 Grad C hat. Ein solches PCD-Produkt kann jenen relativ hohen Temperaturen standhalten, wie sie zur Bildung einer Trägermatrix mit einer Binderlegierung verwendet werden, und es wird im folgenden als "TSPCD" bezeichnet. Der Begriff "Matrixr" wird verwendet, um das Pulver- und Bindermaterial zu beschreiben, welches um das TSPCD-Element herumgegeben oder damit in Verbindung gebracht wird und welches gemäß dieser Offenbarung verarbeitet wird.
Wie im folgenden beschrieben, kann diese Matrix beispielsweise entweder durch ein hochdichtes Keramikpulver gebildet werden, das auch manchmal als "Matrixträger" bezeichnet wird und welches als Schneidkopf an einem Erdbohrer verwendet werden könnte, oder durch ein unverdichtetes Keramikpulver, welches zum Beispiel für den Körper eines Erdbohrers verwendet werden könnte. In beiden Eällen wird die endgültige Matrix durch Durchtränkung mit einer geschmolzenen Binderlegierung oder durch Festkörpersinterung gebildet.
Typische ausgelaugte TSPCD-Elemente sind jene, die unter dem Warenzeichen GEOSET erhältlich sind, während typische unausgelaugte TSPCD-Elemente unter dem Warenzeichen SYNDAX erhältlich sind. Die TSPCD-Elemente sind in vielen verschiedenen Formen und Größen erhältlich, zum Beispiel dreieckig, quadratisch, zylindrisch mit flachen Enden oder zugespitzt an einem Ende, runde Scheiben, rechteckig, oval usw. Gemäß Artikel 54(3) EPC ist EP-A 264 674 Stand der Technik, soweit es auf der Priorität von US 921 364 vom 20. Oktober 1984 beruht. Diese Bezugnahme beschreibt ein temperaturstabiles synthetisches polykristallines Diamantprodukt mit einer Temperaturstabilität von bis zu ungefähr 1200ºC, wobei die Diamanten, die durch einen Metallmatrixträger zusammengehalten werden, mit einer Dicke zwischen 1 und 10 um mit einer einheitlichen Beschichtung eines Metalls, das ein Carbidbildner ist, beschichtet sind. Diese Bezugnahme offenbart auch ein Verfahren zur Bildung solcher Diamantprodukte.
In US-A 2 210 039 ist ein Verfahren offenbart, in dem eine Masse aus Diamantstücken und Wolframmetallpulver im wesentlichen durch sich selbst erhitzt wird bei einer Temperatur, die im allgemeinen unter 1149ºC liegt und über eine Zeitdauer, die ausreicht, um einen Film oder eine Schicht zu bilden, welche Wolframmetall und Wolframcarbid enthält. In einem weiteren, getrennten Schritt wird die Hasse aus metallischen Wolframpartikeln und Diamanten, die eine Schicht aus Wolframmetall und Wolframcarbid aufweist, auf eine Temperatur von ungefähr 1149ºC in Verbindung mit einem Hartlot wie zum Beispiel Neusilber erhitzt, das eine Schmelztemperatur hat, die unter jener Temperatur liegt, so daß das Hartlot schmilzt und aufgrund der Kapillarwirkung in die Zwischenräume der Masse fließt, um so das Ganze zusammenzubinden. Dies erzeugt eine Bindung zwischen der Wolframcarbid und Wolframmetall enthaltenden Oberflächenschicht an den Diamanten und den Partikeln des Wolframmetalls und zwischen den Wolframmetallpartikeln selbst.
In WP-A 2 169 577 ist ein Schleifprodukt offenbart, das verschiedene Gruppen von Schleifpartikeln enthält - eine Gruppe von Partikeln mit größerer Härte, d.h. Diamantpartikein, eine Gruppe von anderen Partikeln ausgewählt aus Aluminiumoxid, Wolframcarbid oder Siliziumcarbid -, die von einer metallischen Matrix eines Hartlots umgeben sind. Die Diamanten und vorzugsweise auch andere Schleifpartikel sind mit einer Schicht aus Wolfram, Tantal, Niobium oder Molybdän überzogen, nachdem sie oberflächenbehandelt wurden, wobei berichtet wird, daß die Dicke einer Wolframschicht am Diamanten ungefähr 2,5 bis 25 um beträgt. Die beschichteten und unbeschichteten Schleifpartikel werden mit einem Hartlotpulver granuliert, vorzugsweise mit Bronzepulver, das einen Schmelzpunkt unter 1090ºC hat oder mit Pulver anderer Hartlotmetalle mit einem Schmelzpunkt unter 835ºC, um kleine Kugeln oder Bällchen zu formen, die innen Schleifkorn enthalten und mit einer Hülle aus Pulver bedeckt sind. Eine Hohlform wird mit diesen Kugeln oder Bällchen gefüllt, weiter pulverisiertes Hartlotpulver wird hinzugefügt und durch Durchtränkung oder Heißpressen werden die Schleifprodukte hergestellt. Das Hartlot wird erwähnt, um eine metallurgische Bindung an die Schicht der beschichteten Schleifpartikel zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Erdbohrer, der zumindest einen TSPCD gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 stark bindet, ein Verfahren zur Bildung eines temperaturstabilen Diamanten gemäß dem unabhängigen Anspruch 13 und Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs gemäß dem unabhängigen Anspruch 17 oder 18. Weitere vorteilhafte Merkmale und Aspekte der Erfindung sind aus den abhängigen Ansprüchen offensichtlich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein TSPCD-Produkt geschaffen, das fähig ist, chemisch stark an eine Trägerstruktur gebunden zu werden durch den Einsatz verhältnismäßig niedriger Temperaturen und Drücke. Im allgemeinen umfaßt das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Schritte des Beschichtens eines TSPCD-Elements mit einem carbidbildenden, feuerfesten Übergangsmetall, vorzugsweise Wolfram, Tantal oder Molybdän, und insbesondere Wolfram. Weniger vorzugsweise kann eine Doppellagenbeschichtung wie zum Beispiel Wolfram/Titan oder Wolfram/Chrom oder Nickel/Titan verwendet werden. Danach wird der beschichtete TSPCD in einem Vakuum oder einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre unter carbidbildenden Bedingungen erhitzt, um eine innere Carbidschicht an jenem Teil der Beschichtung zu bilden, die mit dem TSPCD in Verbindung steht, um die Beschichtung chemisch an den TSPCD zu binden. Die Abmessungen der carbidbildenden Schicht sollten im allgemeinen im Bereich von ungefähr 10 bis 30 um liegen.
Während der geregelten Erhitzung diffundiert Kohlenstoff vom TSPCD in die Beschichtung, um eine Carbidschicht an der Übergangsfläche zwischen der Beschichtung und dem TSPCD zu bilden, während die äußere Oberfläche der Beschichtung nichtcarbidisiert bleibt. Wenn die Erhitzung bei der carbidbildenden Temperatur zu lange dauert, diffundiert als Ergebnis dessen mehr und mehr des Kohlenstoffs vom PCD in die Beschichtung, was eine Beschädigung des TSPCD verursachen kann.
Der beschichtete TSPCD wird entweder gleichzeitig mit oder nach der Bildung der Carbidschicht an eine Trägermatrix angebaut und chemisch an sie gebunden, die zum Beispiel aus pulverförmigem Wolframcarbid gebildet und welche flüssigkeitsdurchtränkt oder festkörpergesintert sein kann.
Der Begriff "chemische Bindung" wird im folgenden verwendet, um die starken Bindungen zu bezeichnen, die zwischen dem Diamanten und der Metallbeschichtung durch das Medium der Carbidschicht an der Übergangsfläche und zwischen hier äußeren Oberfläche der Metallbeschichtung und dem Matrixträger gebildet werden. Obwohl es noch nicht ganz verstanden wird, wird doch vermutet, daß ersteres eine Verbindung von Atom zu Atom zwischen dem Kohlenstoff des Diamanten und der Carbidschicht ist. Zweiteres wird für eine metallurgische Bindung gehalten, in der die Binderlegierung, welche bei der Flüssigkeitsdurchtränkung oder bei dem Sintermaterial des Matrixträgers im Falle der Festkörpersinterung Verwendung findet, verwendet wird. Dies-steht in scharfem Gegensatz zu den mechanischen Bindungen, die in den Systemen des Standes der Technik gebildet wurden.
Im Falle von Flüssigkeitsdurchtränkung bindet sich das carbidbildende Material an die Matrix, da die Bindemittellegierung die Beschichtung ebenso wie das Matrixpulver benetzt. Das Ergebnis ist eine chemische Bindung vom TSPCD an die Beschichtung und eine metallurgische Bindung vom äußeren Oberflächenteil der Beschichtung, d.h. der nichtcarbidisierten Oberfläche, an die Matrix.
Ein Eestkörpersintervorgang (auch als Wolframpulveraktiviertes Sintern bezeichnet) umfaßt Vakuumsintern oder Sintern in einer kontrollierten Atmosphäre. Wenn durch Festkörpersintern verarbeitet, müssen die für die Beschichtung verwendeten Materialien angepaßt werden, um die unterschiedliche, aber verwandte Verarbeitung widerzuspiegeln. Da diese Art der Verarbeitung keinen Binder für die Matrixbildung verwendet, benetzt ein Teil der Beschichtung das Pulver und bindet sich während des Sinterns an das Pulver, wobei es eine chemische Bindung bildet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist ein Flußdiagramm, das die Stufen bei der Bildung eines TSPCD-Produktes gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Figur 2 ist eine Schnittansicht, die die Carbidschicht eigt, welche in der Beschichtung gemäß dieser Erfindung gebildet wird;
Figur 3 ist eine vergrößerte Bruchstückansicht, teilweise im Schnitt und teilweise im Aufriß, welche die verbesserte Bindung zwischen dem TSPCD-Element und der Trägermatrix gemäß dieser Erfindung darstellt;
Figur 4 ist eine Ansicht in der Perspektive eines TSPCD- Elementes, das an eine Trägerstruktur gemäß dieser Erfindung gebunden ist;
Die Figuren 5a-5d sind schematische Darstellungen verschiedener Strukturen und des Prüfprotokolls für die Drei- Punkt-Prüfung;
Figur 6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Stärke der Bindung und der Dicke der Beschichtung gemäß dieser Erfindung zeigt, und
Figur 7 ist ein Grundriß einer Form eines TSPCD-Produktes gemäß dieser Erfindung;
Figur 8 ist eine Schnittansicht mit Sicht entlang der Linie 8-8 in Figur 7.

Genaue Beschreibung der Erfindung

Gemäß dieser Erfindung ist das Ausgangsdiamantmaterial vorzugsweise ein temperaturstabiles polykristallines Diamantmaterial, das zum Beispiel zusammengesetzt ist aus Teilchendiamantaggregaten mit Größen im Bereich von Submikrometern bis über 100 um. Der TSPCD sollte zumindest 60 Volumenprozent Diamantaggregate enthalten, und das Produkt kann ausgelaugt oder nicht ausgelaugt mit einigen Diamantbindungen oder Diamant-Metall-Diamantbindungen im Aggregat sein.
Das TSPCD-Element kann bis zu 250 um klein sein, d.h. 0,254 mm (10 mils), und bis zu einem Karat oder größer sein. Vorzugsweise hat der Ausgangs-TSPCD eine Größe von mehr als 1000 um, d.h. ein Millimeter, da Teile dieser Größe leichter handzuhaben sind.
In manchen Fällen können die kleineren Partikelgrößen des TSPCD-Materials unter 250 bis 1000 um als Grobsand mit den größeren TSPCD-Elementen verwendet werden, um einen diamantdurchdrungenen Träger zu schaffen.
Das TSPCD-Ausgangsmaterial hat vorzugsweise vorherbestimmte geometrische Formen, um die Anordnung der TSPCD-Elemente in den gewünschten Beziehungen für die Bearbeitung zu erleichtern.
Wie das Flußdiagramm in Figur 1 zeigt, wird bei der Bearbeitung gemäß dieser Erfindung das Ausgangs-TSPCD-Material 10 vorzugsweise durch Erhitzen in Wasserstoff auf ungefähr 800 bis 1000 Grad C ungefähr 10 bis 60 Minuten lang gereinigt, wie dies bei 12 gezeigt wird. Andere Reinigungsmethoden können eingesetzt werden, vorausgesetzt sie sind in der Lage, Oxidationsmittel und andere Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Danach wird das gereinigte TSPCD-Material durch eines von mehreren bekannten Verfahren mit einem Metall oberflächenbeschichtet. Ein bevorzugtes Verfahren ist das chemische Aufdampfen. Ein anderes Verfahren, das eingesetzt werden kann, ist die Abscheidung im Salzschmelzebad. Das verwendete Metall sollte ein starker Carbidbildner sein wie eines der Metalle und Legierungen aus der Gruppe IVA, Va, VIa, VIII und Mischungen daraus und Silizium. Wolfram, Tantal und Molybdän und besonders Wolfram werden bevorzugt. Die Übergangsmetalle der Gruppe IVA, Va, und VIa bilden Carbide der MC-Art, wobei M Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo und W sein kann, und M2C, wobei M V, Mo oder W sein kann.
Als eine Klasse haben diese Materialien einen Schmelzpunkt, der höher liegt als die Temperaturen, die in der darauffolgenden Bearbeitung verwendet werden; sie sind starke Carbidbildner und bilden eine starke Bindung an den Diamanten und an das Beschichtungsmaterial. Metalle wie Kobalt, Eisen und Nickel sind weniger vorzuziehen, da sie dazu neigen, den TSPCD in Kohlenstoff zurückzuwandeln und möglicherweise thermische Spannungsrisse zu erzeugen. Zirkonium und Titan können verwendet werden, aber sie sind weniger vorzuziehen, da sie bei erhöhten Temperaturen eine Volumenausdehnung haben, die größer ist als jene von Diamanten (aber kleiner als jene von Kobalt und Eisen), und weil sie im darauffolgenden Bearbeitungsvorgang in normaler Atmosphäre durch Oxidation beschädigt werden, wenn sie nicht durch eine Überbeschichtung geschützt sind. Bei derartigen doppelbeschichteten Produkten muß Vorsicht angewandt werden, um sicherzustellen, daß die carbidhaltige Beschichtung dick genug ist, um eine Durchdringung durch das umgebende Metall zu verhindern, wenn die schützende Beschichtung von der carbidbildenden Beschichtung weggeschoben oder abgelöst werden sollte.
Eine Beschichtung, die nicht chemisch an den PCD gebunden ist, bringt nicht die Vorteile dieser Erfindung mit sich. Wenn die Beschichtung zu dünn oder zu oxidationsempfindlich ist, können bei der späteren Bearbeitung in einer oxidierenden Umgebung Probleme auftreten. Bei zu dünnen Beschichtungen kann der Binder der Matrix durch die Beschichtung hindurchtreten und den PCD beschädigen. So schließt zum Beispiel das Durchtränkungsverfahren der Matrix für Erdbohrer im allgemeinen eine zwischen 10 bis 20 Minuten dauernde Verarbeitung bei ungefähr 1200 Grad C in einer Graphitform ein.
Die Basisbeschichtung wird vollständig in ein Carbid umgewandelt durch geeignetes Erhitzen auf die carbidbildende Temperatur über eine Zeitdauer, die ausreicht, um die vollständige Beschichtung in ein Carbid umzuwandeln; eine äußere Schutzschicht, zum Beispiel aus Nickel oder Kupfer, ist erforderlich, welche dick genug sein sollte, um die Carbidschicht zu schützen. Andernfalls könnte der bei der Durchtränkung verwendete Binder in die Carbidschicht eindringen und den PCD beschädigen.
Beim chemischen Aufdampfen können die Hexahalogenide, Tetrahalogenide, Pentahalogenide, z.B. die Hexa-, Tetra- und Pentaformen der Bromide, Chloride, Fluoride der erwähnten Metalle verwendet werden. Die Dickeabmessungen der Beschichtung am TSPCD können unterschiedlich sein, aber vorzugsweise hat die Beschichtung eine Dicke zwischen ungefähr 10 bis 30 um.
Von den beschriebenen carbidbildenden Materialien just Wolfram aus mehreren Gründen vorzuziehen. Es ist ein starker Carbidbildner, hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der jenem des TSPCD näher ist als die übrigen Übergangselemente, wird bei späterer Bearbeitung nicht zu sehr durch Oxidation beschädigt, und kann während der Durchtränkung von den flüssigen Binderlegierungen nicht leicht aufgelöst werden.
Wenn die Oberfläche des beschichteten TSPCD oxidiert, kann sich aufgrund des nicht-benetzenden Charakters der oxidierten Oberfläche im Hinblick auf das Bindemittel der Matrix ein Spalt zwischen dem beschichteten TSPCD und der umgebenden Matrix bilden. Das Vorhandensein eines Spaltes zwischen der Beschichtung und der umgebenden Struktur verursacht eine erhebliche Verringerung der Stärke der Bindung zwischen dem TSPCD und der Matrix.
Wenn in weiterer Folge die Matrix oder das Durchtränkungsmaterial Kupfer oder Nickel oder eine Legierung davon enthält, verursacht die Reaktion zwischen der Matrix oder dem Durchtränkungsmaterial und einer oxidationsvermeidenden Schicht aus Kupfer oder Nickel über einer oxidationsfähigen carbidbildenden Schicht keine so starke Bindung, wie dies bei einer frei liegenden äußeren Oberfläche aus Wolfram der Fall wäre.
Dennoch kann die Verwendung von Materialien wie z.B. Titan und Zirkonium annehmbar sein, sofern jene Beschichtungen dick genug sind, um in hohem Maße ungünstige Reaktionen zu verhindern, die Beschädigungen an der carbidhaltigen Schicht oder dem darunterliegenden Diamantmaterial verursachen. Mehr als ungefähr 3 um schaffen im allgemeinen eine bessere Bindung, die jedoch nicht so stark ist wie jene durch Wolfram.
An dieser Stelle der Bearbeitung sind verschiedene Bearbeitungsformen möglich, wie dies durch die gestrichelten Linien in Figur 1 angezeigt ist. Bei einer Form werden die beschichteten Teile hitzebearbeitet, wie bei 14 dargestellt, um eine relativ dünne Carbidschicht der carbidbildenden Beschichtung zu bilden. Die Carbidschicht ist dünner als die Beschichtung und beträgt in ihrer Dicke weniger als 10 um und vorzugsweise weniger als 5 um.
Die Carbidbildung kann durch kontrollierte Erhitzung auf über 900 Grad C in einem Vakuum oder einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre erfolgen. So kann zum Beispiel ein Vakuum von 1,33 10&supmin;&sup6; mbar (10 hoch minus 6 Torr) oder eine schützende Atmosphäre verwendet werden und der Teil oder die Teile ungefähr eine Stunde lang auf 1200 Grad C erhitzt werden.
Während dieses Erhitzungsvorganges, der bei carbidbildenden Zuständen vor sich geht, diffundiert ein Teil des Kohlenstoffs vom TSPCD in die Beschichtung, wo eine Diffundierung der Beschichtung in den TSPCD stattfindet, um eine relative dünne Carbidschicht an der Übergangsfläche zwischen dem TPSCD und der Beschichtung zu bilden. Das daraus entstehende TSPCD-Element ist eines, das eine äußere Oberflächenbeschichtung der Metallbeschichtung hat, die chemisch an eine dazwischenliegende Carbidschicht gebunden und wiederum chemisch an den Ausgangs-TSPCD gebunden ist. Das Vorhandensein der äußeren Metallbeschichtung ermöglicht es, daß der so gebildete Teil nach Wunsch an einen geeigneten Träger angelötet werden kann, da hier eine Metallbeschichtung vorhanden ist, die chemisch an das Carbid gebunden ist und welches wiederum chemisch an den darunterliegenden TSPCD gebunden ist.
Das derart gebildete TSPCD-Element kann in oder an eine Matrix gebunden werden, und zwar entweder durch Festkörpersintern oder Flüssigkeitsdurchtränkung, wie bei 16 in Figur 1 dargestellt.
Im Falle des Festkörpersinterns wird das beschichtete TSPCD-Element, das die beschriebene Carbidschicht hat, an einen Träger wie zum Beispiel pulverförmiges Wolfram in einem Vakuumofen bei 1,33 10&supmin;&sup6; mbar (10 hoch minus 6 Torr) bei 1200 Grad C ungefähr 1 Stunde lang gesintert. Um eine chemische Bindung bei der erwähnten Temperatur zu ermöglichen, wird dem zu sinternden pulverförmigen Material vorzugsweise ein Aktivierungsmittel beigemengt. Das entstehende Sinterprodukt hat eine Bindung zwischen dem Wolframmterial mit der Wolframbeschichtung am TSPCD, d.h. eine Wolfram-Wolfram-Metallbindung. Aus diesem Grund wird Nickel oder ein anderes Aktivierungsmittel verwendet, um eine Diffusion und chemische Bindung zu erreichen. Die mechanischen Eigenschaften dieser Bindung sind sehr stark, und das Endprodukt ist gut verwendbar, wenngleich es etwas spröde ist.
Es gibt jedoch einige Einschränkungen beim Festkörpersintern. So macht es zum Beispiel die Einschränkung des Sinterns bei einer Temperatur von weniger als 1200 Grad C schwierig, ein Material mit hoher Festigkeit und hoher Dehngrenze zu finden, das unter 1200 Grad C gesintert werden kann. Selbst wenn Materialien mit hoher Dehngrenze bei Temperaturen unter ungefähr 1200 Grad C gesintert werden können, wie dies beim Aktivierungssintern der Fall ist, kann das gesinterte Produkt eine Porosität von 5% oder mehr enthalten, die wie bereits vorher vorhandene Risse wirkt.
Zur Bildung der Matrix ist die Anwendung der Flüssigphasendurchtränkung vorzuziehen. Bei dieser Technik, die gewöhnlich in einer Graphitform durchgeführt wird, wird das beschichtete und carbidschichthaltige, thermisch stabile PCD- Element mit Matrixpulver in Verbindung gebracht und erhitzt, damit ein Metallbinder durch das Pulver fließt und das Matrixpulver zusammenbindet. In diesem Schritt wird die metallurgische Bindung zwischen der Matrix und der beschichteten und carbidhaltigen Beschichtung am TSPCD gebildet.
Das für das flüssige Durchtränkungscarbid verwendete Matrixpulver kann zum Beispiel Wolframcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid oder Siliziumcarbid sein. Das Metallbindermaterial ist vorzugsweise ein Metallbinder mit niedrigem schmelzpunkt, der in flüssigem Zustand die Beschichtung am TSPCD und die Carbidpartikel benetzen kann. Das Bindermetall hat vorzugsweise auch gute mechanische Eigenschaften wie zum Beispiel Dehnbarkeit und Festigkeit. Solche Binder sind typischerweise Hartlote auf Kupfer- oder Nickelbasis oder Kupfer- Zinn-Mangan-Nickellegierungen, wobei letzteres das bevorzugte Bindermaterial ist.
Die andere Form der Bearbeitung, wie in Figur 1 bei 20 gezeigt, umfaßt eine Anbindung des beschichteten TSPCD an eine Trägerstruktur, um eine Bildung der Carbidschicht in der Beschichtung zu bewirken und den beschichteten TSPCD an die Trägerstruktur zu binden. Bei dieser Form der Bearbeitung ist die Trägerstruktur nicht so dicht wie dies im folgenden im Hinblick auf einen verdichteten Matrixträger beschrieben wird, aber sie ist ausreichend geeignet für verschiedene Produkte wie zum Beispiel Öl- und Gasbohrer und Kernbohrer.
In bezug auf die Zeichnungen, welche die bevorzugten Formen der vorliegenden Erfindung darstellen, zeigt Figur 2 das TSPCD-Element 40 mit einer Beschichtung 41 aus einem carbidbildenden Material an mindestens einer Oberfläche desselben. Nach der Bearbeitung im carbidbildenden Temperaturbereich und unter carbidbildenden Bedingungen setzt sich die Beschichtung 41 hauptsächlich aus zwei Teilen zusammen, wobei 41a die relativ dünn gebildete Carbidschicht ist, die der Oberfläche des TSPCD benachbart und an diesen chemisch gebunden ist, und wobei Teil 41b jener Teil der Schicht ist, der nicht in ein Carbid umgeformt wurde, sondern der chemisch an die Carbidschicht gebunden ist.
In Figur 3 wird der beschichtete TSPCD 50 an einen Matrixträger wie zum Beispiel einen Matrixkörperbohrer 52 angebunden. Im wesentlichen ist die gesamte Fläche 53 des dreieckigen Elementes über der Matrix. Diese Anordnung ist möglich, weil es gemäß dieser Erfindung eine metallurgische Bindung zwischen den Oberflächen des TSPCD, die mit der Matrix in Verbindung stehen, und den gegenüberliegenden Oberflächen der Matrix gibt. Während eine Hinterfüllungsstruktur 55 dargestellt ist, liegen beide Flächen 56 und die Vorderfläche 53 vollkommen frei. Auf diese Weise kann der Schneidkopf derart montiert werden, daß die gesamte Fläche vollkommen freiliegt.
Del beschichtete TSPCD 50 kann nun in einer Form in der üblicher&sub1; Weise angebunden und das Matrixpulver in die Form gegeben werden, gefolgt von einem Durchtränkungsvorgang bei erhöhter Temperatur, wobei zur selben Zeit die Carbidschicht in der Beschichtung gebildet wird und sich die Schicht metallurgisch an die Matrix anbindet, um eine starke Bindung zu bilden.
In der in Figur 4 dargestellten Form wird das beschichtete TSPCD-Element 70 als im wesentlichen fingernagelförmig dargestellt, mit einer Achsenabmessung von mehr als 13 mm und einer Querabmessung von 13 mm. Im wesentlichen liegt die gesamte Frontfläche 72 über dem Körper oder der Trägermatrix 73 frei, und die Hinterfüllung 75 ist vorgesehen, um Brüche aufgrund von Stoßbelastungen zu verhindern. Das TSPCD-Element 70 kann, wie bereits beschrieben, angebunden werden, wobei die Carbidschicht vorgeformt sein kann oder am Ort geformt werden kann, wenn der Bohrer während der Körperbildung durchtränkt wird.
Die Produkte der vorliegenden Erfindung sind viel stärker als vorangegangene Produkte, In bezug auf Figur 5a bis 5d zeigt Figur 5a schematisch eine Dreipunkt-Biegeprüfung, bei der eine Belastung an einen Teil 100 in eine Richtung wie durch die Pfeile 101 und 102 gezeigt angelegt wird, und eine Belastung in eine andere Richtung wie durch Pfeil 103 angezeigt angelegt wird. Die Kraft, die erforderlich ist, um einen Bruch durch die Verbindung 105 oder durch die verbundenen Teile 106 zu verursachen, wird gemessen und in kg/mm² (Pounds pro Quadratinch) bis zum Versagen ausgedrückt.
Figur 5b zeigt eine TSPCD-Anbindung 110 gemäß dieser Erfindung, die aus dreieckigen TSPCD-Elementen 111 besteht, welche wie dargestellt an den Verbindungen 112 durch die bereits beschriebenen Methoden miteinander verbunden sind. Der Teil 110 wurde durch das Sintern von wolframbeschichteten 3-pro-Karat-TSPCD-Elementen mit Wolframpulver gefunden, welche auf einen Volumenprozentsatz von 90% verdlchtet worden waren. Bei der Dreipunkt-Biegeprüfung war die Versagensart in der Verbindung zwischen benachbarten Elementen, wie bei 115 dargestellt. Die Belastung bis zum Versagen war 14,77 kg/mm² (21.000 psi).
Figur 5c ist in der Struktur ähnlich wie Figur 5b, aber der Teil 120 wurde aus wolframoeschichteten 3-pro-Karat- TSPCD-Elementen gebildet, die, wie beschrieben, mit Wolframcarbid unter Verwendung eines Kupferbinders flüssigkeitsdurchtränkt und wie beschrieben verarbeitet wurden. Bei der Dreipunkt-Biegeprüfung war die Versagensart durch den TSPCD wie bei 125 dargestellt, und die Belastung bis zum Versagen war 18,28 kg/mm² (26.000 psi).
Figur 5d zeigt eine mechanische Mosaikstruktur 130, die im wesentlichen gleich ist wie 120, in der aber die TSPCD- Elemente nicht beschichtet wurden und in der der Teil mit herkömmlichen Durchtränkungsmethoden mit dem gleichen Wolframcarbid und dem gleichen Binder bearbeitet wurde wie bei der Bildung von Teil 120. In der Dreipunkt-Biegeprüfung ging das Versagen durch die Verbindung, wie bei 135 gezeigt, und die Belastung bis zum Versagen war im wesentlichen null psi (1 psi 7,03 x 10&supmin;&sup4; kg/mm²).
In bezug auf Figur 6 ist die Dicke der Beschichtung in pm als Abszisse und die Stärke der Bindung in kg/mm² (tausend Pounds pro Quadratinch) als Ordinate dargestellt. Die Meßpunkte am Graphen sind tatsächliche Prüfungsergebnisse aus Proben, die erstellt und geprüft wurden. Das Prüfprotokoll umfaßte die Bindung der beschichteten Teile an eine Matrixträgerstruktur und die Verwendung eines Scherenwerkzeugs zum seitlichen Auseinanderdrücken und das Messen der Kraft bis zum Bruch. Diese Daten waren für wolframbeschichtete dreieckige 3-pro-Karat-TSPCD-Elemente, sofern nicht anders angegeben.
Meßpunkt 1 stellt eine 6 um Wolframoeschichtung und eine bindungsstärke von ungefähr 3,52 kg/mm² (5000 psi) dar. Meßpunkt 2 stellt eine 7 um Titancarbidbeschichtung mit einer Nickel-Überbeschichtung von zwischen 30 und 50 um dar.
Die Bruchart des Materials an der Linie unterhalb von Meßpunkt 1 geht durch die Beschichtung.
Meßpunkt 3 stellt eine 9 um Wolframbeschichtung mit einer Bindungsstärke von ungefähr 16,17 kg/mm² (23.000 psi) dar. Die Versagensart der Probe, die auf die Linie zwischen Meßpunkt 1 und 3 fällt, war gemischt, d.h. teilweise durch die Beschichtung und teilweise durch Bruch durch den TSPCD. Meßpunkt 4 stellt eine 15 um Wolframbeschichtung mit einer Bindungsstärke von ungefähr 19,69 kg/mm² (28.000 psi) dar, während Neßpunkt 5 eine 20 um Beschichtung und eine Bindungsstärke von ungefähr 20,39 kg/mm² (29.000 psi) darstellt. Sowohl im Fall 4 als auch im Fall 5 ging der Bruch durch den TSPCD. Es zeigt sich, daß die Kurve im Bereich nach Meßpunkt 4 flacher wird, was bedeutet, daß eine zunehmende Dicke der Beschichtung über ungefähr 20 um die Bindungsstärke nicht erheblich verbessert. Die Meßwerte zeigen, daß über ungefähr 10 um die Versagensart eher durch den TSPCD geht als durch die Beschichtung. Die Neigung der Kurve zwischen Meßpunkt 1 und Meßpunkt 3 zeigt einen erheblichen Anstieg in der Bindungsstärke über dem Bereich von 6 bis 10 um, aber der Bruch kann manchmal durch die Bindung gehen.
Erdbohrerkörper oder Kernbohrerkörper können einer Vielzahl von Arten entsprechen, wie in der Technik bekannt ist. So können zum Beispiel Stufenmeißelkonstruktionen mit einer erheblichen Schneidkopffreilegung verwendet werden, um nur eine Variante zu nennen. Gemäß dieser Erfindung ist es nun möglich, Schneidköpfe mlt verschiedenen gewünschten Geometrien herzustellen, wie sie für wirksames Schneiden in verschiedenen Formationen benötigt werden.
Wenn ein oder mehrere TSPCDs an einen Matrixträger gebunden werden sollen, der zum Beispiel wiederum an eine Matrix eines Erdbohrerkörpers oder eines anderen Werkzeuges gebunden sein kann, ist das Pulver mit den TSPCD-Elementen vorzugsweise durch einen axialen Verdichtungsvorgang zu verdichten.
Wenn ein oder mehrere TSPCD-lemente an einen Matrixträger gebunden werden sollen, der zum Beispiel wiederum an eine Matrix eines Erdbohrerkörpers oder eines anderen Werkzeugs gebunden sein kann, sind das Pulver und die TSPCD- Elemente vorzugsweise durch einen axialen Verdichtungsvorgang zu verdichten. Nach dem Verdichten nimmt die Hinterfüllungs- oder die Trägerstruktur einen Volumenanteil an Metall und/oder Metallcarbid und/oder Schleifpartikeln (z.B. Oxiden oder nichtmetallischen Carbiden) an, der im Bereich von 40% bis 80% liegt. Es besteht auch die Möglichkeit, die verdichtete Struktur durch isostatisches Pressen weiter zu verdichten, wodurch der Volumenanteil auf ungefähr 60% bis 90% erhöht wird. Wenn die Struktur gesintert werden soll, ist isostatisches Pressen vorzuziehen.
Die Hartkeramikpulver, welche zur Bildung des Matrixträgers verwendet werden, können Metallcarbide wie z.B. Wolframcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid, Molybdäncarbid und Wolframsinterhartmetall (Wolframcarbid gesintert mit Kobalt) sein. Ersatzweise könnten sie aus anderen Hartkeramikpulvern wie z.B. Aluminiumoxid oder Titan oder Siliziumnitrit hergestellt werden. Für Anwendungen wie zum Beispiel Erdbohrer, bei denen Härte und Festigkeit wichtig sind, wird Wolframcarbid bevorzugt.
Das jeweilige verwendete Pulver und die Partikelgröße oder -größen werden mit dem gewünschten Volumenanteil des Matrixpulvers in Beziehung gesetzt, das Endprodukt, welches wiederum zur Härte (dynamische Elastizität) und Schlagbiegefestigkeit (Zähigkeit) der Hinterfüllungs- oder Trägerstruktur in Beziehung gesetzt wird. Ebenfalls zu bedenken ist die Art der Verarbeitung, z.B. Flüssigkeitsdurchtränkung oder Festkörpersintern.
Im Falle der Flüssigkeitsdurchtränkung hat das Hartkeramikpulver, zum Beispiel Wolframcarbid, eine Partikelgröße, die typischerweise unter 325 mesh (Tyler) liegt, d.h. unter 44 um (Standard), zum Beispiel 30 um. Die Größenverteilung und die Prozentverteilung können je nach Hersteller unterschiedlich sein. Gute Packungseigenschaften können durch richtige Auswahl von Partikelgrößen erzielt werden, z.B. 30 um und 6 um in einem Verhältnis 70% zu 30%.
Im Falle des Festkörpersinterns unter Verwendung von Wolframpulver, zum Beispiel, sind die Pulverpartikel vorzugsweise mit einem Metall wie z.B. Nickel beschichtet, zum Beispiel 0,35 Gewichtsprozent. Dies kann durch Vermischen von Wolframpulver mit einer Partikelgröße von 0,5 um mit einer Lösung aus Nickelnitrat in Alkohol geschehen, gefolgt von einer Erhitzung auf ungefähr 90 Grad C, um den Alkohol zu verdampfen, wobei als Ergebnis das Nickelnitrat am Wolframpulver abgelagert wird. Das nickelnitratbeschichtete Wolframpulver wird dann in einer reduzierenden Atmosphäre (Wasserstoff) 3 Stunden lang auf 800 Grad C erhitzt, um die Nitrate zu entfernen. Das bearbeitete Wolframpulver wurde dann 24 Stunden lang mit Wolframstäben als Zerkleinerungsmittel in der Kugelmühle zerkleinert und dann auf 74 um (200 mesh) gesiebt. Der Zweck des Nickels liegt darin, als Diffusionsaktivierungsmittel für Wolfram zu wirken. Andere Bindermaterialien, die verwendet werden können, sind Tantal, Molybdän und die Legierungen auf Nickelbasis, Kupfer- Nickellegierungen und Legierungen auf Kobaltbasis.
Wenn das Pulver verdichtet werden soll, ist es vorzugsweise mit einem Kurzzeitbindermaterial zu mischen, welches zur Beschichtung des Pulvermaterials verwendet wird, um eine kurzzeitige Klebverbindung zwischen den Pulverpartikeln während der ersten Verdichtungsstufe zu bewirken. Da dieser Kurzzeitbinder durch den kalten Isostatischen Preßvorgang im bearbeiteten Produkt verbleibt, sollte es vorzugsweise in einem relativ geringen Volumenprozentsatz vorhanden sein. Wenn der Volumenprozentsatz zu hoch ist, kann dadurch die Erreichung höherer Pulvervolumenprozentsätze im Endprodukt verhindert werden. Verschiedene organische polymere oder harzartige Binder, die bei erhöhter Temperatur leicht verdampfen, oder harzartige Binder, die bei erhöhter Temperatur leicht verdampfen, können verwendet werden. Ein bevorzugtes Material ist Paraffin, das sich in einer organischen Lösung leicht auflöst. Die Menge an Paraffin im Verhältnis zum Wolframcarbid ist ungefähr 2 Gewichtsprozent.
Bei verdichteten Strukturen ist es auch wünschenswert, ein Schmiermittel zu verwenden, das bei erhöhten Temperaturen vollständig verdampft, um eine Pulverbewegung während verschiedener Preßvorgänge zu ermöglichen, besonders während des wahlweisen isostatischen Kaltpreßvorgangs. Ein solches Material ist Mineralöl, das auch mit dem Kurzzeitbinder aufgelöst werden kann, um das Pulver zu beschichten. Eine typische brauchbare Menge ist 20 Gramm Paraffin pro 1000 Gramm Gußcarbid in 0,2 Gramm Glyzerin pro 1000 Gramm Gußcarbid.
Das Pulver wird in die Lösung aus dem Kurzzeitbinder und dem Schmiermittel in Hexan (für das Paraffin) feinst eingestreut, und der Binder und das Schmiermittel beschichten das Pulver, welches dann getrocknet wird und in ein Pulver nachzerkleinert wird. Andere Beschichtungsvorgänge, die dem Stand der Technik entsprechen, können angewendet werden.
Wenn das Produkt mehrere TSPCD-Elemente enthalten soll, ist vorzugsweise eine Schablone oder eine Hohlform zu verwenden, die so gruppiert ist, daß die TSPCD-Elemente im Hinblick aufeinander positioniert werden können. Der Abstand zwischen benachbarten TSPCD-Elementen kann sehr unterschiedlich sein und hängt von der Gruppierung und der Art des Endprodukts ab. Wo der Teil mehrere TSPCD-Stücke einschließt, können die Seitenflächen des TSPCD-Elements im gewünschten Abstand zueinander angeordnet werden, wie zum Beispiel in Figur 7 gezeigt, und einen Spalt von weniger als ungefähr 25 um bis 12.500 um (1 mil bis 500 mil) und vorzugsweise im Bereich von 150 bis 750 um (6 bis ungefähr 30 mil) lassen, um ein Beispiel zu nennen. Danach wird das bearbeitete Pulver in die Spalten zwischen den benachbarten TSPCD-Stücken gegeben und in Verbindung mit den Oberflächen der TSPCD-Elemente eingefüllt, um an die Matrix oder den Matrixträger gebunden zu werden.
In manchen Fällen ist es nicht notwendig, wie beschrieben einen Spalt zu bilden, da der TSPCD mit benachbarten Oberflächenteilen angebunden werden kann, die in Verbindung miteinander stehen, besonders wenn Erosion kein mögliches Problem darstellt. Wenn Flüssigkeitsdurchtränkung verwendet wird, dringt der Binder zwischen die TSPCD-Elemente ein und bindet die benachbarten beschichteten TSPCD-Elemente chemisch aneinander. Wenn Erosion ein mögliches Problem darstellt, wie dies zum Beispiel bei relativ hohen Geschwindigkeiten oder der Verwendung von Schleifmaterialien der Fall ist, ist die Verwendung eines Spaltes, in dem Pulver vorhanden ist, vorzuziehen.
Die solcherart angebundene kurzzeitige TSPCD-Pulveranbindung wird in eine Form oder eine Druckhohlform von geeigneter Struktur angebunden, die vorzugsweise die äußeren Umrisse des fertigen Teiles bestimmt. Eine Art der Durchführung besteht darin, eine Hohlform mit einem offenen Ende zu verwenden, die Hohlform umzustülpen und die kurzzeitige Anbindung von TSPCD-Elementen hinauf in den Boden der Hohlform zu verschieben, die Hohlform wieder umzudrehen, so daß die Anbindung nun am Boden der Hohlform ist und dann das bearbeitete Pulvermaterial in der benötigten Menge hinzuzufügen. Die Menge des hinzugefügten Pulvers hängt von der Dicke des Trägers oder der Hinterfüllung und dem Volumenprozentsatz des Metalls im Endprodukt ab.
Wenn die TSPCDs an einen Matrixträger gebunden werden, wird das angebundene Material in einer Druckhohlform bei einem Druck von 7,03 bis 21,09 kg/mm² (10.000 psi bis 30.000 psi) axial kaltverdichtet, um die Wolframcarbidpackungsdichte auf ungefähr 50 bis 65 Volumenprozent zu erhöhen. Durch diese Bearbeitung wird eine verdichtete Zwischensohle gebildet, die zerbrechlich ist, aber mit Vorsicht immer noch behandelt werden kann. Wenn die darauffolgende weitere Bearbeitung Festkörpersintern ist, können Drücke von ungefähr 7,03 kg/mm² (10.000 psi) angewandt werden, und das hervorgehende Produkt hat eine Packungsdichte von ungefähr 50 Volumenprozent.
Ein wahlweiser zusätzlicher Schritt ist isostatisches Kaltpressen, bei dem die verdichtete Zwischensohle zum Beispiel bei einem Druck von bis zu ungefähr 21,09 kg/mm² (30.000 psi) fünf Minuten oder länger isostatisch kaltgepreßt wird. Das isostatische Pressen erreicht typischerweise eine Wolframcarbidpackungsdichte von ungefähr 62 Volumenprozent. Im Falle des Wolframpulvers beim Festkörpersintern beträgt die Dichte ungefähr 65 Volumenprozent. Während dieses Vorgangs werden das Wolfram- oder das Carbidpulver bewegt und einheitlich zu einem dichteren Produkt verdichtet.
Figur 7 und 8 zeigen ein TSPCD-Produkt 30, welches sechs von ursprünglich getrennten TSPCD-Elementen 31a bis 31f mit im allgemeinen dreieckiger Form umfaßt. Die TSPCD-Elemente können in oder an einer Trägerstruktur, wie sie schematisch bei 32 dargestellt ist, aneinander gebunden sein, welche ein durchtränktes oder gesintertes pulverförmiges Material sein kann. Die Trägerstruktur kann verschiedene Abmessungen und verschiedene Axiallängen haben, wie dies durch die Bruchlinie 33 dargestellt ist.
Wie aus Figur 7 und 8 ersichtlich, umfassen die TSPCD- Elemente zumindest eine Seitenfläche 34a, die der Seitenfläche 34b des benachbarten TSPCD-Elements benachbart sein kann, die aber einen geringen Abstand dazu hat. Ein Schneidkopf, der nach dieser Technik geformt wird, arbeitet tatsächlich so, als wäre er aus einem einzigen großen TSPCD geformt, wodurch es möglich ist, einen großen Schneidkopf aus kleineren TSPCDS zu erzeugen.
Eine typische Bearbeitung von TSPCD-Elementen gemäß dieser Erfindung wird im folgenden typischen Beispiel dargelegt, um ein erläuterndes Ausführungsbeispiel zu geben.
Dreieckige temperaturstabile TSPCD-Elemente mit einer größe von 3 pro Karat wurden wie beschrieben mit Wolframmetall bis zu einer Dicke von ungefähr 6 um beschichtet. Die beschichteten Elemente wurden dann in einem Vakuumofen [1,33 x 10&supmin;² mbar (10 hoch minus 2 Torr, oder in einer Argonatmosphäre)] mit einer Zunahme von 2 Grad C pro Minute auf 1100 Grad C eine Stunde lang erhitzt, danach erfolgte eine Abkühlung.
Langsames Erhitzen, besonders von 900 Grad C bis 1100 Grad C, Ist wichtig, denn in dieser Phase der Erhitzung findet die Carbidbildung zwischen dem TSPCD und der Beschichtung statt. Die so gebildete Carbidschicht ist typischerweise ungefähr 3 um dick.
Wenn der Vorformling schnell auf 1000 Grad C erhitzt wird und diese Temperatur 1,5 Stunden lang gehalten wird, ist die gebildete Carbidschicht ungefähr 0,3 um dick. Erhitzen auf die carbidbildende Temperatur mit einer Zunahme von 10 Grad C pro Minute kann auch angewendet werden.

Claims

1. Erdbohrer umfassend einen Körper, eine Matrix mit einer Binderlegierung oder einem Sintermaterial, die eine Einheit mit der äußeren Oberfläche zumindest eines Teiles des Körpers darstellt und diesen bildet,

und zumindest ein temperaturstabiles polykristallines syhthetisches Diamantelement mit einer Temperaturstabilität von bis zu 1200ºC, welches an die Matrix gebunden ist und eine Bohrkrone bildet,

wobei jedes temperaturstabile synthetische Diamantelement eine mittels des chemischen Aufdampfverfahrens (CVD) oder des Salzschmelzeverfahrens erhaltene Beschichtung eines carbidbildenden Metalls mit einer Dicke von 10 bis 30 um an mindestens einer Oberfläche aufweist, welche mit der Matrix in Verbindung steht, und

wobei die Beschichtung einen äußeren Metallteil aufweist, der durch eine metallurgische Bindung chemisch an die Matrix gebunden ist, und die einen inneren Carbidteil aufweist, der durch eine Verbindung von Atom zu Atom zwischen dem Kohlenstoff des Diamanten und der Carbidschicht chemisch an das Diamentelement gebunden ist.

2. Erdbohrer nach Anspruch 1, wobei der innere Carbidteil der Beschichtung eine Dicke von weniger als 10 um und vorzugsweise weniger als 5 um hat.

3. Erdbohrer nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung aus carbidbildendem, feuerfestem Übergangsmetall besteht, welches vorzugsweise Wolfram, Tantal oder Molybdän ist.

4. Erdbohrer nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung eine Doppellagenbeschichtung der Gruppe bestehend aus Wolfram/Titan, Wolfram/Chrom oder Nickel/Titan ist.

5. Erdbohrer nach Anspruch 1, wobei die Matrix aus pulverförmigem Wolfram gesintert ist.

6. Erdbohrer nach Anspruch 1, wobei die Matrix ein aus der Gruppe bestehend aus Wolframcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid oder Silikoncarbid ausgewähltes Pulver und ein Metallbindemittel mit niedriger Schmelztemperatur umfaßt, welches in flüssigem Zustand die Beschichtung am synthetischen Diamantelement und die Carbidpartikel benetzen kann.

7. Erdbohrer nach Anspruch 1, wobei das Bindemittel ein Hartlot auf Kupfer- oder Nickelbasis oder eine Kupfer- Zinn-Mangan-Nickel-Legierung ist.

8. Erdbohrer nach Anspruch 1, wobei der Bohrer eine Mehrzahl von polykristallinen Diamantelementen umfaßt, die an die Matrix gebunden sind und eine Mehrzahl von Schneidköpfen bilden.

9. Erdbohrer nach Anspruch 1, wobei die Matrix einen Anteil enthält, der eine Hinterfüllung für das polykristalline synthetische Diamantenschneideelement bildet.

10. Erdbohrer nach Anspruch 1, wobei das polykristalline synthetische Diamantelement eine Frontfläche hat, die eine Schneidefläche bildet und die im wesentlichen vollständig frei liegt.

11. Erdbohrer nach Anspruch 1, wobei das carbidbildende Metall Wolfram ist und die Verbindung zwischen dem Diamantelement und der Matrix einer Belastung von mindestens 16,17 kg/mm² (23.000 psi) widerstehen kann.

12. Erdbohrer nach Anspruch 1, wobei der Bohrer eine Mehrzahl von polykristallinen synthetischen Diamantelementen einschließt, diese Elemente vorherbestimmte geometrische Formen haben, zumindest einige der Elemente nebeneinander angeordnet sind und so einen größeren Schneidkopf im Bohrer bilden.

13. Verfahren zur Herstellung eines temperaturstabilen synthetischen Diamantprodukts aus einem temperaturstabilen synthetischen Diamantelement mit einer Temperaturstabilität von bis zu 1200ºC mit einer vorherbestimmten geometrischen Form, welches folgende Schritte umfaßt:

Beschichtung der Oberfläche des synthetischen Diamantelements durch einen oxidationsbeständigen metallischen Carbidbildner zur Bildung einer Beschichtung mit einer Dicke von mehr als 10 um, und

Erhitzung des beschichteten synthetischen Diamantelements unter carbidbildenden Bedingungen, um jenen Teil der Beschichtung, die mit dem Diamantelement in Verbindung steht, in eine Carbidschicht mit einer Dicke von weniger als 10 um und vorzugsweise weniger als 5 um umzuwandeln, während die äußere Oberfläche der Beschichtung ein Metall bleibt, und

Bildung einer chemischen Bindung zwischen dem Metall und der dazwischenliegenden Carbidschicht, die chemisch an das synthetische Diamantelement gebunden ist, und

wobei das beschichtete synthetische Diamantelement mit einem Pulvermaterial zusammengesetzt und dann erhitzt wird, um die Carbidschicht zu bilden und das Pulver in eine Matrix umzuformen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die chemische Bindung zwischen der Carbidschicht und dem synthetischen Diamantelement eine Verbindung von Atom zu Atom zwischen dem Kohlenstoff des Diamanten und der Carbidschicht ist.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Beschichtung des Carbidbildners eine Dicke von > 10 um bis 30 um hat.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der metallische Carbidbildner Wolfram ist.

17. Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs, welches die folgenden Schritte umfaßt:

Beschichtung der Oberfläche einer Mehrzahl von temperaturstabilen polykristallinen synthetischen Diamantelementen mit einer Temperaturstabilität von bis zu l2ooöC durch einen oxidationsbeständigen metallischen Carbidbildner zur Bildung einer Beschichtung mit einer Dicke von mehr als 10 um und vorzugsweise > 10 bis 30 um, und

Erhitzung des beschichteten synthetischen Diamantelements unter carbidbildenden Bedingungen, um jenen Teil der Beschichtung, der mit den Diamantelementen in Verbindung steht, in eine Carbidschicht mit einer Dicke von weniger als 10 um und vorzugsweise weniger als 5 um umzuwandeln, während die äußere Oberfläche der Beschichtung Metall bleibt, und

Bildung einer chemischen Bindung zwischen der Metallbeschichtung und dem synthetischen Diamantelement,

Positionierung der Mehrzahl von beschichteten polykristallinen synthetischen Diamantelementen an vorherbestimmte Stellen innerhalb einer Form,

Auffüllen zumindest eines Teiles der Form mit einem Hartkeramikpulver, wobei das Pulver mit allen polykristallinen synthetischen Diamantelementen in Verbindung steht, und

Tränken des Pulvers mit einer flüssigen Binderlegierung zur Verbindung der Partikel des Pulvers untereinander zur Bildung einer Matrix und zur Bindung der beschichteten synthetischen Diamantelemente an die Matrix durch eine metallurgische Bindung, wobei die Metallbeschichtung an jedem synthetischen Diamantelement chemisch an das synthetische Diamantelement gebunden 20 ist.

18. Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs, welches die folgenden Schritte umfaßt:

Beschichtung der Oberfläche einer Mehrzahl von temperaturstabilen polykristallinen synthetischen Diamantelementen mit einer Temperaturstabilität von bis zu 1200ºC mit einem oxidationsbeständigen metallischen Carbidbildner zur Bildung einer Beschichtung mit einer Dicke von mehr als 10 um, vorzugsweise > 10 bis 30 um,

Auffüllen zumindest eines Teiles der Form mit einem Hartkeramikpulver, wobei das Pulver mit allen polykristallinen synthetischen Diamantelementen in Verbindung steht,

Tränken des Pulvers mit einer flüssigen Binderlegierung zur Bindung der einzelnen Partikel des Pulvers untereinander zur Bildung einer Matrix und zur Bindung der beschichteten synthetischen Diamantelemente an die Matrix durch eine metallurgische Bindung, und

die Metallbeschichtung an jedem synthetischen Diamantelement während des Tränkens des Pulvers mit der Binderlegierung an die synthetischen Diamantelemente gebunden wird, Indem eine dazwischenliegende Carbidschicht gebildet wird, die eine Dicke von weniger als 10 um, vorzugsweise weniger als 5 um, hat, während die äußere Oberfläche der Beschichtung ein Metall bleibt.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei das Metall Wolfram ist.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei zumindest einige der synthetischen Diamantelemente nebeneinander angeordnet und aneinander gebunden sind und so einen einzigen größeren Schneidkopf an dem Werkzeug bilden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei das Werkzeug ein Erdbohrer ist und die Matrix eine Einheit mit dem Körper des Bohrers darstellt und einen Teil desselben bildet.

22. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, weiters einschließend den Schritt des Verdichtens des Keramikpulvers, um bei der Durchtränkung einen Matrixträger zu bilden.