DE3883477T2

DE3883477T2 - Schleifprodukte.

Info

Publication number: DE3883477T2
Application number: DE88309468T
Authority: DE
Inventors: Henry Brooke Dyer
Original assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Current assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Priority date: 1987-10-12
Filing date: 1988-10-11
Publication date: 1993-12-23
Anticipated expiration: 2008-10-12
Also published as: ES2045137T3; EP0312281B1; CA1331520C; US4972637A; JPH01199769A; AU2365388A; EP0312281A2; AU602256B2; DE3883477D1; EP0312281A3

Description

Diese Erfindung betrifft Schleifprodukte.

Schleifcompacts werden weitläufig verwendet beim Schneiden, Mahlen, Zerkleinern, Bohren und anderen Schleifarbeiten. Die Schleifcompacts bestehen aus Teilchen polykristallinen Diamants oder kubischen Bornitrids, die in ein zusammenhängendes hartes Konglomerat eingebunden sind. Der Schleifteilchengehalt von Schleifcompacts ist hoch, und es liegt in hohein Maße Teilchen-Teilchen-Bindung vor. Schleifcompacts werden hergestellt unter Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks, bei denen die Schleifteilchen, sei es Diamant oder kubisches Bornitrid, kristallographisch stabil sind.
Schleifcompacts neigen zu Sprödigkeit, und im Gebrauch wird ihnen oft dadurch Halt gegeben, daß sie an ein Sintercarbid- Substrat gebunden sind. Solche trägergestützten Schleifcompacts sind in der Fachwelt als Verbundschleifcompacts bekannt. Der Verbundschleifcompact kann als solcher in der Arbeitsfläche eines Schleifwerkzeugs verwendet werden. Alternativ, besonders bei Bohr- und Bergbauarbeiten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Verbundschleifcompact an einen länglichen Sintercarbid-Zapfen zu binden, um etwas zu ergeben, was als Stielschneider bekannt ist. Der Stielschneider wird dann in die Arbeitsfläche einer Bohrerschneide oder eines Bergbaumeißels 'nontiert.
In neuerer Zeit wurde ein Diamant-Verbundschleifcompact am Markt eingeführt, der als "Krallen"schneider ["claw" cutter] bekannt ist. Der "Krallen"schneider weist eine Diamant- Compactschicht auf dem Sintercarbid-Substrat auf und zudem eine Reihe von im Substrat ausgebildeten Rillen unmittelbar hinter der Diamant-Compactschicht und enthaltend Diamant- Compactmaterial. Beim Gebrauch tritt Abrieb bei der Compactschicht auf, und sobald dieser Abrieb die gerillte Zone erreicht, entwickelt sich eine Rillenstruktur aus abwechselnd dicken und dünnen Riefen, die einen längeren und wirkungsvolleren Schleifvorgang gestattet.
Ein derartiges Werkzeug ist zum Beispiel beschrieben in Oil & Gas Journal, Bd. 85, Nr. 39, 28. Sept. 1987, S. 62-64, 66, 68, "Major PDC-bit improveinents in mid 1980s", womit der nächste Stand der Technik definiert ist. US-A-4 629 373 beschreibt einen Diamant-Schleifcompact mit starkeren Oberflächenunregelmäßigkeiten über wenigstens einen Teil wenigstens einer Fläche, um die Bindung dieser Oberfläche an andere Materialien wie etwa Metall mittels herkömmlicher Befestigungsmethoden zu unterstützen. Der Diamant-Schleifcompact wird als solches ohne Carbid- oder Metallunterlage verwendet.
EP-A-0 133 386 offenbart einen polykristallinen Diamantkörper mit einer Vielzahl von Oberflächen, wobei wenigstens ein Teil wenigstens einer dieser Oberflächen stärkere Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweist.
EP-A-0 177 466 beschreibt ein Schneideelement für eine Bohrerschneide, umfassend einen Körper aus hartem Material wie etwa Sintercarbid mit Streifen einer Diamantsubstanz, zum Beispiel Diamant-Compact, eingelassen in Rillen, die in einer Schneidefläche des Körpers gebildet sind.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Werkzeugeinsatz bereitgestellt, umfassend einen Schleifcompact mit flachen Hauptflächen an jeder seiner gegenüberliegenden Seiten, wobei wenigstens ein Teil der Peripherie der einen Hauptfläche eine Schneidkante für den Einsatz bildet, einen an die andere Hauptfläche gebundenen Sintercarbid-Träger, in Abständen eine Vielzahl diskreter Vertiefungen, die sich von der Compact/Carbid-Grenzfläche in den Sintercarbid-Träger erstrecken, wobei die Vertiefungen in der Masse des Einsatzes liegen und nicht an dessen Peripherie angrenzen und in einer Serie von Reihen angeordnet sind, wobei jede Vertiefung relativ zu ihrem nächsten Nachbarn in einer angrenzenden Reihe versetzt angeordnet ist und Schleifcompactmaterial enthält, das mit dem Compact (22) integriert und an den Träger (24) gebunden ist.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugeinsatzes bereitgestellt, umfassend die Schritte der Bereitstellung eines Sintercarbid-Trägers mit einer flachen Hauptfläche an jeder seiner gegenüberliegenden Seiten, wobei die eine flache Hauptfläche in Abständen eine Vielzahl diskreter Vertiefungen darin gebildet aufweist, die durch Abscheiden einer Schicht aus compactbildendem Material auf der mit Vertiefungen versehenen flachen Hauptfläche ein nichtgebundenes Aggregat bilden, so daß das Material jede Vertiefung ausfüllt und eine Schicht auf der Oberfläche bildet, und Einwirken von Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks auf das nichtgebundene Aggregat, die geeignet sind, aus dem schleifcompactbildenden Material einen Schleifcompact zu erzeugen.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 zeigt im Schnitt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkzeugeinsatzes;
Figur 2 zeigt eine Ansichtlängs der Linie 2-2 von Figur 1;
Figur 3 zeigt eine teilweise freigelegte, perspektivische Ansicht des mit Hilfe des Verfahrens hergestellten Werkzeugeinsatzes;
Figur 4 zeigt den Werkzeugeinsatz von Figur 3, der an einen länglichen Zapfen gebunden ist, um einen Stielschneider zu bilden;
Figur 5 zeigt den Stielschneider von Figur 4, nachdem er zum Bohren oder zu einer ähnlichen Arbeit verwendet wurde;
Figur 6 zeigt im Schnitt eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkzeugeinsatzes;
Figur 7 zeigt eine Ansichtlängs der Linie 7-7 von Figur 6; und
Figur 8 zeigt eine perspektivische Ansicht des mit Hilfe des Verfahrens von Fign. 6 und 7 hergestellten Werkzeugeinsatzes.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Vertiefungen können irgendeine aus einer Vielzahl von Formen annehmen. Sie können zum Beispiel kreisförmig, rechteckig oder dreieckig im Grundriß sein. Beim Gebrauch tritt Abrieb der Compact-Schneidkante auf, und sobald dieser Abrieb die Compact/Carbid-Grenzfläche erreicht, nutzen sich die compactgefüllten Vertiefungen weniger schnell ab als der Sintercarbid und wirken praktisch als Schneideriefen oder -vorsprünge.
Die Vertiefungen sind diskret und weisen vorzugsweise eine Querschnittsfläche in der Größenordnung von 1 bis 8 mm² auf.
Eine jede Vertiefung hat typischerweise einen Abstand in der Größenordnung von 1 bis 3 mm von ihrem nächsten Nachbarn. Die Vertiefungen erstrecken sich in den Sintercarbid-Träger, aber im allgemeinen nicht völlig durch den Träger hindurch. Typischerweise erstrecken sich die Vertiefungen zu einer Tiefe von 1 bis 3 mm von der Compact/Carbid-Grenzfläche in den Sintercarbid-Träger.
Eine jede Vertiefung enthält Schleifcompactmaterial. Dieses Schleifcompactmaterial ist integriert mit der Schleifcompactschicht, die den Sintercarbid-Träger bedeckt. Auch ist es an den Sintercarbid-Träger gebunden. Einige oder alle Vertiefungen können neben dein Compact relativ große ultraharte Schleifteilchen enthalten. Bei diesen ultraharten Schleifteilchen handelt es sich typischerweise um Diamant oder kubisches Bornitrid, und sie sind beträchtlich größer als die zur Herstellung des Schleifcompacts verwendeten Teilchen. Typischerweise liegen die großen Teilchen in der Größenordnung von 0,5 mm oder größer. Vorzugsweise sind die ultraharten Schleifteilchen, sofern verwendet, vom gleichen Typ wie die zur Herstellung des Schleifcompacts verwendeten.
Mit compactbildendem Material, wie hierin verwendet, ist Material gemeint, das einen Schleifcompact bilden kann, wenn es compactbildenden Bedingungen von Temperatur und Druck ausgesetzt wird. Im Falle von Diamant kann es sich bei diesem Material um Diamantteilchen alleine oder im Gemisch mit einer geeigneten zweiten Phase handeln. Die zweite Phase, sofern verwendet, besteht stets aus Diamant-Katalysator oder enthält diesen. In gleicher Weise handelt es sich im Falle von Schleifcompacts aus kubischem Bornitrid bei diesem Material um Teilchen kubischen Bornitrids alleine oder im Gemisch mit einer geeigneten zweiten Phase. Die zweite Phase kann aus einem Katalysator aus kubischem Bornitrid bestehen oder diesen enthalten. Schleifcompacts sowie zu deren Herstellung verwendete Materialien sind wohlbekannt und sind in der Patentliteratur umfangreich beschrieben.
Der Sintercarbid-Träger kann die Form einer Scheibe aufweisen. Alternativ kann der Sintercarbid-Träger eine Scheibe sein, in deren einer flachen Hauptfläche eine Hauptvertiefung oder ein Hohlraum gebildet ist. Die diskreten, voneinander abgesetzten Vertiefungen sirid in der Grundfläche des Hohlraums ausgebildet.
Bei dem Sintercarbid kann es sich um irgendeinen in der Fachwelt bekannten handeln, vorzugsweise aber um Wolframcarbid.
Der Fachwelt wohlbekannt sind die Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks, die zur Erzeugung des Schleifcompacts aus dem schleifcompactbildenden Material erforderlich sind. Typischerweise wird bei diesen Bedingungen ein Druck im Bereich von 50-70 kbar und gleichzeitig eine Temperatur im Bereich von 1450-1600ºC über einen Zeitraum von 10-30 min angewandt.
Unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Die Abbildungen 1 bis 3 zeigen eine erste Ausführungsform. In diesen Abbildungen ist ein Körper 10 aus Sintercarbid gezeigt, der einen im Grundriß kreisförmigen Hohlraum 12 in einer flachen Hauptfläche 14 ausgebildet aufweist. Die Grundfläche 16 des Hohlraums weist darin ausgebildet eine Vielzahl kleiner voneinander abgesetzter Vertiefungen 18 auf. Wie in Abbildung 2 gezeigt, sind die Vertiefungen diskret und im Grundriß rechteckig und bedecken die gesamte Grundfläche 16.
Auf der Grundfläche 16 befindet sich eine Masse 20 aus feinen Diamantteilchen, d.h., bis zu einer Größe von 100 u. Diese feinen Diamantteilchen füllen jede Vertiefung 18 sowie den Hohlraum 12.
Die beladene Scheibe 10 wurde in eine Kapsel gegeben, die in die Reaktionszone einer herkömmlichen Hochtemperatur/- Hochdruck-Apparatur gebracht wurde. Der Inhalt der Kapsel wurde einem Druck von 55 kbar und gleichzeitig einer Temperatur von 1500ºC ausgesetzt, und diese verschärften Bedingungen wurden für eine Dauer von 15 min aufrechterhalten. Dies ergab eine Diamantschicht 20, die einen Diamant-Compact bildete, das an die Carbid-Basis 10 gebunden war. Auch eine jede Vertiefung 18 wurde mit Diamant-Compact gefüllt, der mit der Schicht 20 integriert und an den Carbid-Körper 10 gebunden war.
Das Produkt wurde aus der Reaktionskapsel genommen, und die Seiten der Scheibe wurden entfernt, wie durch die gestrichelten Linien in Abbildung 1 gezeigt ist. Nach Entfernen der Seiten war das resultierende Produkt ein Werkzeugeinsatz wie in Abbildung 3 gezeigt. Der Werkzeugeinsatz bestand aus einer an den Sintercarbid-Träger 24 gebundenen Diamant- Schleifcompactschicht 22. Die Peripherie 26 der Compactschicht 22 ergibt die Schneidkante für den Einsatz. Aus dieser Abbildung und Abbildung 2 ist zu erkennen, daß die Vertiefungen 18 in Reihen angeordnet sind, wobei jede Vertiefung bezüglich ihres nächsten Nachbarn in einer angrenzenden Reihe versetzt angeordnet ist. Eine jede Vertiefung erstreckt sich von der Carbid/Compact-Grenzfläche 28 in den Carbid-Träger 24. Eine jede Vertiefung ist mit Diamant- Compactmaterial 30 gefüllt, das mit der Compactschicht 22 integriert und an den Carbid-Träger 24 gebunden ist.
Der Werkzeugeinsatz von Abbildung 3 ist typischerweise an einen Sintercarbid-Zapfen gebunden, um einen Stielschneider 32 zu bilden. Ein solcher Stielschneider und sein Abnutzungsmuster beim Gebrauch ist in den Abbildungen 4 und 5 gezeigt. Aus diesen Abbildungen ist zu erkennen, daß der Werkzeugeinsatz von Abbildung 3, umfassend die an den Sintercarbid-Träger 24 gebundene Diamant-Schleifcompactschicht 22, über den Carbid-Träger 24 an einen länglichen Sintercarbid-Zapfen 34 gebunden ist. Die Oberkante 36 der Compactschicht 22 ergibt die Schneidkante für den Stielschneider.
Bei Gebrauch wird der Stielschneider in bekannter Weise in eine Bohrerschneide montiert, so daß die Schneidkante 36 freiliegt und für den Kontakt mit der zu bohrenden Oberfläche verfügbar ist. Unter den beim Bohren anzutreffenden harten Bedingungen tritt Abnutzung der Schneidkante auf, so daß sich eine Abnutzungsfläche 38 entwickelt, wie - etwas übertrieben - durch Abbildung 5 dargestellt ist. Es ist zu erkennen, daß sich die Abnutzungsfläche 38 quer über die Compactschicht 22 und quer über einen Teil 40 des Sintercarbid-Trägers 24 erstreckt. Bei auftretender Abnutzung wird das Compactmaterial in den Vertiefungen 18 freigelegt. Dieses Compactmaterial nutzt sich viel langsamer ab als das Carbid in den Bereichen 42, mit dem Ergebnis, daß sich eine Einsenkung oder flache Aushöhlung im Bereich zwischen benachbarten Compactmaterialbereichen 44 entwickelt. Diese Bereiche 44 bilden zusammen mit dem Carbid unmittelbar dahinter praktisch erweiterte Schneiderillen oder -vorsprünge 45, die die Schneidewirkung verstärken. Mit fortschreitender Abnutzung bewegen sich Schneidkante 36 (jetzt im wesentlichen planar) und Ebene 38 nach unten und legen die nächste Reihe von Compactmaterialbereichen 46 frei (gezeigt als gestrichelte Linien). Diese Bereiche 46 sind diskret und bezüglich den gerade verbrauchten Compactbreichen 44 versetzt angeordnet, womit sich im Abnutzungszustand Späne, Bruch und Splitter in diesen Bereichen 44 nicht kontinuierlich fortsetzen. Weiterhin wirken die Bereiche 46 in zu den gerade verbrauchten Bereichen 44 verschiedenen Ebenen, was die Schneidewirkung weiter verstärkt.
Unter Bezugnahme auf die Abbildungen 6 bis 8 wird nun eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Ein Körper 50 aus Sintercarbid weist einen im Grundriß kreisförmigen Hohlraum 52 auf, der in einer flachen Hauptfläche 54 ausgebildet ist. Die Grundfläche 56 des Hohlraums weist darin ausgebildet eine Vielzahl kleiner voneinander abgesetzter Vertiefungen 58 auf. In jede dieser Vertiefungen wird ein relativ großes Diamantteilchen 60 gelegt. Die Vertiefungen 58 befinden sich allesamt innerhalb der Peripherie 62 der Grundfläche 56 und bedecken diese völlig. Die Größe einer jeden Vertiefung 58 ist derart, daß das darin befindliche Diamantteilchen 60 mit recht loser Passung aufgenommen wird.
Auf der Grundfläche 56 befindet sich eine Schicht 64 aus feinen Diamantteilchen, d.h., in einer Größenordnung von 50 bis 100 u Größe. Einige dieser feinen Diamantteilchen fallen in die Vertiefungen 58 und umgeben die darin befindlichen größeren Diamantteilchen.
Die beladenen Scheibe 50 wurde in eine Kapsel gegeben, die in die Reaktionszone einer herkömmlichen Hochtemperatur/- Hochdruck-Apparatur gebracht wurde. Der Inhalt der Kapsel wurde einem Druck von 55 kbar und gleichzeitig einer Temperatur von 1500ºC ausgesetzt, und diese verschärften Bedingungen wurden für eine Dauer von 15 min aufrechterhalten. Dies ergab eine Diamantschicht 64, die einen Diamant-Compact bildete, der an den Carbid-Körper gebunden war. Jede Vertiefung 58 enthielt das von Diamant-Compact umgebene große Diamantteilchen. Der Diamant-Compact in den Vertiefungen war mit der Schicht 64 integriert und an die größeren Diamantteilchen und den Carbid-Körper gebunden.
Das Produkt wurde aus der Reaktionskapsel genommen, und die Seiten der Scheibe wurden entfernt, wie durch die gestrichelten Linien in Abbildung 6 gezeigt ist. Nach Entfernen der Seiten war das resultierende Produkt ein Werkzeugeinsatz wie in Abbildung 8 gezeigt. Aus dieser Abbildung und Abbildung 7 ist zu erkennen, daß der Werkzeugeinsatz eine an den Sintercarbid-Träger 72 gebundene Diamant-Compactschicht 70 umfaßt. Die Vertiefungen 74 enthalten jeweils ein großes Diamantteilchen und Diamant-Compactmaterial. Die Vertiefungen sind in Reihen angeordnet, wobei jede Vertiefung bezüglich ihres nächsten Nachbarn in einer angrenzenden Reihe versetzt angeordnet ist. Der Werkzeugeinsatz wird in gleicher Weise verwendet wie vorstehend unter Bezugnahme auf die Abbildungen 4 und 5 beschrieben ist.
Die erfindungsgemäßen Werkzeugeinsätze weisen gegenüber einem Werkzeugeinsatz des vor stehend beschriebenen "Krallen"schneider-Typs weitere Vorteile auf. Die versetzte Anordnung der Vertiefungen erlaubt bessere Bindung des Schleifcompacts an das Substrat und eine stärker symmetrische Wärmeverteilung beim Löten des Verbundcompacts an einen länglichen Zapfen. Der Einsatz ist stoßfester, und jegliche Verformung bei der Herstellung wird gleichmäßiger sein, was dazu führt, daß der Einsatz weniger asymmetrische Spannung in sich birgt. Die Vertiefungen befinden sich in der Hauptmasse des Produkts und laufen nicht zur Peripherie weiter, so daß die Herstellung leichter ist.

Claims

1. Werkzeugeinsatz, umfassend einen Schleifcompact (22) mit flachen Hauptflächen an jeder seiner gegenüberliegenden Seiten, wobei wenigstens ein Teil der Peripherie (26) der einen Hauptfläche eine Schneidkante für den Einsatz bildet, einen an die andere Hauptfläche gebundenen Sintercarbid-Träger (24), in Abständen eine Vielzahl diskreter Vertiefungen (18), die sich von der Compact/- Carbid-Grenzfläche (28) in den Sintercarbid-Träger erstrecken, wobei die Vertiefungen in der Masse des Einsatzes liegen und nicht zu dessen Peripherie weiterlaufen und in Reihen angeordnet sind, wobei jede Vertiefung relativ zu ihrem nächsten Nachbarn in einer angrenzenden Reihe versetzt angeordnet ist und Schleifcompactmaterial (30) enthält, das mit dem Compact (22) integriert und and den Träger (24) gebunden ist.

2. Werkzeugeinsatz nach Anspruch 1, wobei wenigstens einige der Vertiefungen auch ein relativ großes ultrahartes Schleifteilchen (60) enthalten.

3. Werkzeugeinsatz nach Anspruch 2, wobei das relativ große ultraharte Schleifteilchen (60) eine Größe von wenigstens 0,5 mm aufweist.

4. Werkzeugeinsatz nach Anspruch 2 oder 3, wobei das relativ große ultraharte Schleifteilchen (60) das gleiche wie das zur Herstellung des Schleifcompacts (22) verwendete ist.

5. Werkzeugeinsatz nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schleifcompact (22) ein Diamant- Schleifcompact ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugeinsatzes nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, umfassend die Schritte der Bereitstellung eines Sintercarbid-Trägers (10) mit einer flachen Hauptfläche an jeder seiner gegenüberliegenden Seiten, wobei die eine flache Hauptfläche in Abständen eine Vielzahl diskreter Vertiefungen (18) darin gebildet aufweist, die durch Abscheiden einer Schicht aus compactbildendem Material (20) auf der mit Vertiefungen versehenen flachen Hauptfläche (16) ein nichtgebundenes Aggregat bilden, so daß das Material jede Vertiefung ausfüllt und eine Schicht auf der Oberfläche bildet, und Einwirken von Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks auf das nichtgebundene Aggregat, die geeignet sind, aus dem schleifcompactbildenden Material einen Schleifcompact zu erzeugen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei es sich bei den zur Herstellung des Schleifcompacts angewandten Bedingungen um einen Druck im Bereich von 50 bis 70 kbar und eine Temperatur im Bereich von 1450 bis 1600ºC handelt, und diese verschärften Bedingungen für eine Dauer von 10 bis 30 min aufrechterhalten werden.