Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Stäbe aus verschleißfester
Panzerung oder Hartmetall zur Anwendung für das Abtragen oder Schrämen von
Oberflächen, wie zum Beispiel Zähne an Bohrmeißeln zum Bohren von
Erdölbohrungen oder dergleichen.
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Bohrmeißel zum Bohren von Erdölbohrungen und andere Erzeugnisse haben
oft einen Stahlkörper, der mit einer Schicht aus oberflächenhartem
Material umkleidet oder beschichtet ist, um der Abnutzung zu
widerstehen oder eine Schneidfläche vorzusehen, die Gestein abträgt.
Konventionelle Panzerungen oder Hartmetallauflagen enthalten meistens
Partikel aus Wolframkarbid, die durch eine Metallegierung an dem Stahl
gebunden sind. In Wirklichkeit werden die Karbidpartikel in eine
Metallmatrix suspendiert, die eine Schicht auf der Oberfläche bildet.
Die meisten Panzerungen auf Rollenbohrkronen verwenden Stahl als
Matrix, obwohl anderes "Hartlot" ebenfalls benutzt werden kann.
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Es ist allgemein üblich, das Material in der Panzerung nur als
"Karbid" zu bezeichnen, ohne es als Wolframkarbid zu kennzeichnen, das
Metallkarbid, das beim Aufbringen von Verschleißschutz hauptsächlich
verwendet wird. Neben dem Wolframkarbid können kleine Mengen von
Tantalkarbid und Titankarbid (TIC/TAC) vorhanden sein. Es ist
verständlich, daß bei der hier verwendeten Bezugnahme nur auf "Karbid"
Wolframkarbid mit oder ohne TIC/TAC gemeint ist.
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Ein typisches Verfahren zum Aufbringen einer Panzerung oder
Hartmetallauflage auf eine Stahloberfläche ist das Autogen- oder
Arcatomschweißen. Ein Schweißstab oder -stange wird aus einem Rohr aus
Weichstahlblech gebildet, das ein Füllmaterial umgibt, das hauptsächlich
aus Karbidpartikeln besteht. Das Füllmaterial kann auch
Desoxydationsmittel für den Stahl, Schmelzmittel und ein Harzbindemittel enthalten.
Wenn solch ein Rohr-Stab verwendet wird, schmilzt das
Desoxydationsmittel mit dem Weichstahl des Rohres, um eine legierte Stahlmatrix zu
bilden. Es bestand zwar der Wunsch, das WIG-Schweißen zum Aufbringen
der Panzerung anzuwenden, jedoch war das mit den vorhandenen
Materialien technisch nicht ausführbar.
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Schweißstäbe werden auch durch Schmelzen des Trägermetalls zusammen
nit den Karbidpartikeln in einer Graphitgießform hergestellt, um ein
"Guß"-Erzeugnis zu erhalten. Es können legierte Stahl- oder
Hartlotträger verwendet werden.
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Die Panzerung wird durch Schmelzen eines Endes des Stabes auf der mit
dem Hartmetall zu bestückenden Oberfläche aufgebracht. Das Stahlrohr
oder die Gußmatrix schmilzt, um an den Stahlträgermaterial verschweißt
oder hartgelötet zu werden und die Matrix für die Karbidpartikel zu
erstellen.
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Es wurden drei Arten von Wolframkarbid für das Bestücken mit
Hartmetall verwendet. Das vielleicht gebräuchlichste ist zerkleinertes
Gußkarbid. Wolfram bildet zwei Karbide, WC und W&sub2;C und dazwischen kann
eine im wesentlichen fortlaufende Reihe von Zusammensetzungen liegen.
Gußkarbid ist normalerweise eine eutektische Mischung aus WC- und W&sub2;C-
Bestandteilen und ist als solche substöchiometrisch, das heißt, es hat
weniger Karbon als die mehr erwünschte WC-form des Wolframkarbids.
Gußkarbid wird aus dem geschmolzenen Zustand verfestigt und in die
gewünschte Partikelgröße zerkleinert.
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Eine andere Art des Wolframkarbids ist das sogenannte makrokristalline
Wolframkarbid. Dieses Material ist im wesentlichen stöchiometrisches
WC in der Form einzelner Kristalle. Das meiste makrokristalline
Wolframkarbid liegt in der Form von Einzelkristallen vor. Beim
Untersuchen größerer Partikelgrößen wurde gefunden, daß einige Bikristalle
von WC gebildet wurden. Makrokristallines WC ist wegen seiner Härte
und Stabilität wünschenswert.
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Die dritte Art des beim Hartmetallbeschichten verwendeten
Wolframkarbids umfaßt Wolframsinterkarbid, manchmal auch als Wolframhartmetall
bezeichnet. Wolframsinterkarbid enthält kleine Partikel von
Wolframkarbid (d.h., 1 bis 15 um), die mit Kobalt verbunden sind.
Wolframsinterkarbid wird durch Mischen von Wolframkarbid mit Kobaltpulvern,
Pressen des vermischten Pulvers zu einem Grünling und "Sintern" des
Verbundstoffes bei nahe dem Schmelzpunkt des Kobalts gelegenen
Temperaturen hergestellt. Die Matrix schmilzt und benetzt die Oberflächen
der Wolframkarbidpartikel, um einen Verbundstoff mit kleinem, wenn
überhaupt einem, leeren Zwischenraum zu bilden. Das entstehende dichte
Sinterkarbid kann dann zerkleinert werden, um Partikel aus
Wolramsinterkarbid zur Verwendung beim Hartmetallbeschichten zu bilden.
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Obwohl sie in breitem Umfang genutzt werden, haben Rohrstäbe bestimmte
Mängel. Der Rohrstab wird durch Ausbilden eines Rohres um ein
Pulvergemisch, gleichmäßiges Zerschneiden des Rohres und Bördeln seiner
Enden, um das Pulvergemisch an seinem Platz zu halten, hergestellt. Auch
kann ein duroplastischer Binder verwendet werden, um die granulare
Mischung festzuhalten. Das ist nicht immer zufriedenstellend und
einige der Hartmetallauflageprodukte können aus den Enden des Rohres
auslaufen. Beim Schweißen wird außerdem das gebördelte Ende des Rohres
geschmolzen und Teile der granularen Mischung können ungleichmäßig
herauskommen.
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Aus diesen Gründen und weil der Rohrstab innen nicht homogen ist,
erfolgt oft eine ungleichmäßige Verteilung der Karbidpartikel in der auf
der Oberfläche geschmolzenen Matrix. Solche Ungleichmäßigkeit kann zu
einer fehlerhaften Verschleißfestigkeit führen. Desweiteren kann sich
der Stahl des Rohres nicht gleichmäßig mit den Legierungsbestandteilen
in dem Pulver innerhalb des Rohres mischen und die Zusammensetzung der
Matrix ungleichmäßig sein. Die Zahl der für die Matrix verfügbaren
Legierungen ist durch die Verfügbarkeit von Blechlegierungen zum
Ausbilden der Rohre begrenzt. Allgemein gesagt, ist es notwendig,
Weichstahlbleche für das Rohr zu verwenden und zu versuchen, das
Zusammenschmelzen durch Pulver zu erhalten, das mit dem Karbid in Inneren des
Rohres eingeschlossen ist.
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Schweißstäbe zum Hartmetallbeschichten, die durch Gießen des
Trägermetalls mit den Karbidpartikeln hergestellt werden, haben einen anderen
Problembereich. Die hohen Temperaturen beim Gießen führen zur
Auflösung von Teilen des Karbids in der Matrix. Das verändert die
Zusammensetzung der Matrix und wäscht die Karbidpartikel aus. Der hohe
Kohlenstoffgehalt der Matrix kann besonders störend sein, wenn er die Matrix
spröde macht.
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Kürzlich wurde gefunden, daß es wünschenswert ist, die Menge des
Karbids in bezug auf das Trägermetall oder die Matrix für eine verstärkte
Verschleißfestigkeit in einigen Anwendungsfällen zu erhöhen. Es gibt
Begrenzungen für die Menge des durch ein Rohr aufbringbaren Karbids,
da es bestimmte minimale Dicken des Bleches gibt, das für die
Herstellung des Rohres verwendet werden kann und noch die Ganzheit des Rohres
erhält.
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Es ist deshalb wünschenswert, einen Schweißstab zur Oberflächenhärtung
zur Verfügung zu stellen, der jede gewünschte
Legierungszusammensetzung der Matrix für die Karbidpartikel haben kann und der die
Karbidpartikel über die Matrix gleichmäßig anlagern kann. Es ist
wünschenswert, daß der Schweißstab ohne teure Rollen und Walzausrüstung, die
für das Herstellen der Rohrstäbe erforderlich sind, hergestellt werden
kann. Es ist wünschenswert, eine Panzerung oder Hartmetallauflage zur
Verfügung zu stellen, die einen höheren Karbidgehalt und niedrigeren
Matrixgehalt als eine einfach mit dem Rohrstab erhältliche hat.
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Die US-Patentbeschreibung 3 109 917 offenbart Stäbe zum Aufbringen
einer Hartmetallauflage auf eine Oberfläche.
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Die Stäbe bestehen aus Partikeln von Wolframkarbid, die durch eine
Metallmatrix verbunden sind und dann bei einer Temperatur im Bereich
von 900-1300ºC gesintert werden.
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Obwohl die durch solch einen Stab hergestellte Hartmetallauflage auf
der Oberfläche gut ist, ist noch Raum für eine bedeutende
Verbesserung.
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Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein
Stab zum Aufbringen einer Panzerung auf eine Oberfläche vorgesehen,
wobei der Stab Partikel aus Wolframkarbid und Partikel einer
Metallmatrix aufweist, welche zusammengesintert sind, um die Partikel in
einem festen Stab zu binden, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wolframkarbidpartikel eine Mischung aus gesinterten Wolframkarbidpartikeln
und Einkristallmonowolframkarbidpartikeln aufweisen, wobei die
Partikelgröße der gesinterten Wolframkarbidpartikel zwei- bis fünfmal
größer als die Partikelgröße der Einkristallmonowolframkarbidpartikel ist
und wobei die Partikel der Metallmatrix entweder aus
Stahllegierungspartikeln oder aus reinen Kohlenstoffpartikeln und einer Mischung von
unterschiedlichen Metallpartikeln zur Bildung einer Stahllegierung
beim Schmelzen bestehen.
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Wunschgemäß wird eine Rollenbohrkrone zum Bohren von Erdölbohrungen
mit unter Verwendung eines solchen Stabes hartmetallbeschichteten
Zähnen hergestellt.
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Folglich sieht ein zweiter Aspekt der Erfindung eine Rollenbohrkrone
vor mit: einem Rollenbohrkronenkörper mit Mitteln am einen Ende zur
Kopplung der Krone an ein Bohrgestänge; und mindestens einem
Schneidkonus, der zur Rotation am gegenüberliegenden Ende des Körpers
befestigt ist; wobei ein derartiger Schneidkonus einen Stahlkörper mit
mehreren von diesem emprragenden Zähnen aufweist und mindestens ein
Abschnitt der Zähne eine Abnutzungsfläche besitzt, die mit einer
Panzerschicht beschichtet ist, die durch Auftragen von Material von einem
Stab der in der entsprechend dem ersten Aspekt der Erfindung erwähnten
Art hergestellt wird, wobei die Panzerzusammensetzung mindestens 70
Gew.-% der Mischung aus Wolframkarbidpartikeln und einen Rest aus
Legierungsstahl aufweist, welcher die Wolframkarbidpartikel aneinander
und an den Stahlkörper bindet, wobei die Wolframkarbidpartikel
gleichmäßig in der Matrix des Legierungsstahles verteilt sind.
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Überraschend wurde auch gefunden, daß der neue Stab auch zum
Aufbringen von Hartmetallauflagen durch WIG-Schweißen (Wolfram-Inertgas-
Schweißen) verwendet werden kann, bei dem die bisherigen Stabrohre
nicht ohne übermäßiges Lösen der Karbidpartikel verwendet werden
konnten. Das WIG-Schweißen ist wünschenswert, da ein Schweißen mit
besserer Qualität möglich ist und das Verfahren leichter automatisiert
werden kann.
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Nachfolgend werden Stäbe zum Aufbringen von Panzerungen oder
Hartmetallauflagen und Rollenbohrkronen mit gehärteten Abnutzungsflächen,
beides Ausführungen der Erfindung, durch ein Beispiel unter Bezugnahme
auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Rollenbohrkrone mit
gefrästem Zahn ist, der mit einem erfindungsgemäßen Schweißstab
hartmetallbeschichtet ist;
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Fig. 2 eine Teilschnittansicht eines typischen Zahnes auf einer
solchen Rollenbohrkrone ist;
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Fig. 3 eine isometrische Ansicht eines stranggepreßten
Hartmetallauflagestabes
ist;
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Fig. 4 eine Fotografie der Oberfläche einer Schweißraupe einer
Hartmetallauflage ist, die durch eine Azetylen-Sauerstoff-Flamme
aufgebracht wurde;
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Fig. 5 eine Fotografie der Oberfläche einer Schweißraupe einer
Hartmetallauflage ist, die durch Wolfram-Inertgas-Schweißen aufgebracht
wurde;
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Fig. 6 eine mikroskopische Aufnahme einer Hartmetallauflage ist, die
von einem nach dem Stand der Technik bekannten Rohrstab durch
Azetylen-Sauerstoff-Schweißen aufgebracht wurde;
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Fig. 7 eine mikroskopische Aufnahme einer Hartmetallauflage ist, die
von einem nach dem Stand der Technik bekannten Rohrstab durch WIG-
Schweißen aufgebracht wurde;
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Fig. 8 eine mikroskopische Aufnahme einer Hartmetallauflage ist, die
von einem nach dem Stand der Technik bekannten Rohrstab durch
Azetylen-Sauerstoff-Schweißen aufgebracht wurde;
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Fig. 9 eine mikroskopische Aufnahme einer Hartmetallauflage ist, die
von einem nach dem Stand der Technik bekannten Rohrstab durch WIG-
Schweißen aufgebracht wurde;
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Fig. 10 eine mikroskopische Aufnahme einer Hartmetallauflage ist, die
von einem stranggepreßten Stab durch Azetylen-Sauerstoff-Schweißen
aufgebracht wurde;
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Fig. 11 eine mikroskopische Aufnahme einer Hartmetallauflage ist, die
von einem stranggepreßten Stab durch WIG-Schweißen aufgebracht wurde;
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Ein typischer, gefräster Zahn einer Rollenbohrkrone umfaßt einen
dicken
Stahlkörper 10 mit einem Gewindestift 11 an einem Ende zur
Verbindung mit einem herkömmlichen Bohrgestänge. An dem gegenüberliegenden
Ende des Körpers sind drei Schneidkonusse 12 zum Gesteinsbohren beim
Herstellen einer Erdölbohrung oder dergleichen angeordnet. Jeder
Schneidkonus ist an einem Zapfen (verdeckt) drehbar befestigt, der
sich an einem der drei von dem Körper der Rollenbohrkrone nach unten
erstreckenden Schenkel 13 diagonal nach innen erstreckt.
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Wenn die Rollenbohrkrone durch das Bohrgestänge, an dem sie befestigt
ist, rotiert wird, drehen sich die Schneidkonusse wirksam auf dem
Grund des zu bohrenden Bohrloches. Die Konusse sind so geformt und
montiert, daß, wenn sie sich drehen, Zähne 14 an den Konusses das
Gestein auf dem Grund des Bohrloches ausmeißeln, abspalten, zerkleinern,
abschleifen und/oder abtragen. Flüssigkeitsdüsen 15 leiten
Bohrflüssigkeit in das Bohrloch, um die beim Bohren erzeugten Gesteinspartikel
wegzuleiten.
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Solch eine Rollenbohrkrone ist üblich und lediglich repräsentativ für
verschiedene, in einer Rollenbohrkrone verwendbare Anordnungen. Zum
Beispiel sind die meisten Rollenbohrkronen von der gezeigten Art mit
drei Konussen. Es sind jedoch auch Kronen mit einem, zwei oder vier
Konussen bekannt. Die Anordnung der Zähne an den Konussen ist nur eine
von vielen möglichen Varianten. Es ist eine große Vielfalt von Zähnen
und Konusgestaltungen bekannt und sie bilden keinen speziellen Teil
dieser Erfindung.
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Die typischen Zähne auf solch einem Konus sind meistens dreieckig in
einem in einer radialen Ebene des Konus liegenden Querschnitt. Solch
ein Zahn hat eine Führungsschneidfläche 16 und eine hintere
Schneidfläche 17, die in einem langgestreckten Zahnkopf 18 zusammenstoßen.
Die Schneidflächen der Zähne sind mit einer Panzerung oder
Hartmetallauflage 19 überzogen. Manchmal ist nur die Führungsschneidfläche jedes
Zahnes mit einer Panzerung überzogen, so daß unterschiedliches
Auskolken zwischen der abnutzungsbeständigen Panzerung auf der vorderen
Schneidfläche eines Zahnes und dem weniger abnutzungsbeständigen Stahl
auf der hinteren Fläche des Zahnes dazu führt, den Zahnkopf des Zahnes
für ein verbessertes Eindringen in das zu bohrende Gestein relativ
scharf zu erhalten.
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Solch ein Aufbau einer Rollenbohrkrone mit gefrästen Zähnen ist
allgemein bekannt und bildet keinen speziellen Teil dieser Erfindung, die
sich auf das zum Erreichen eines hohen Anteils an gleichmäßig in der
Metallmatrix auf den Zähnen einer Rollenbohrkrone mit gefrästen Zähnen
verteiltem Karbid verwendete Material der Panzerung bezieht.
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Die Panzerung oder Hartmetallauflage wird auf die Zahn- und
Rundmeißeloberfläche aufgebracht durch Schweißen mit einem Stab in der Form
einer gleichmäßigen Mischung aus Wolframkarbidpartikeln und Partikeln
einer Metallmatrix, die so ausreichend zusammengesintert sind, um
einen festen Stab mit beträchtlicher Festigkeit zu bilden, aber nicht
vollständig gesintert sind; das heißt, der Stab behält etwas
Porosität.
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Die Panzerung oder Hartmetallauflage wurde auf die Oberflächen des
Zahnes durch Erwärmen der Oberfläche auf eine Schweißtemperatur durch
einen Azetylen-Sauerstoff- oder Arcatom-Brenner aufgebracht. Wenn eine
geeignete Temperatur erreicht ist, wird die Metallmatrix in dem
Schweißstab auf die Oberfläche des Zahnes geschmolzen. In einer
typischen Ausführung beträgt die Dicke der Hartmetallauflage ungefähr 1.6
bis 2.4 mm.
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Der Schweißstab wird durch Mischen der gewünschten
Wolframkarbidpartikel mit Metallpartikeln zum Ausbilden der Matrix für die
Hartmetallauflage einem temporären organischen Bindemittel und, falls gewünscht,
mit einem Lösungsmittel für das Bindemittel hergestellt. Diese
Materialien werden kräftig gemischt, so daß die einzelnen Partikel jeweils
eine Bindemittelschicht erhalten. Das Lösungsmittel, falls vorhanden,
kann dann verdampft werden.
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Die Partikelmischung wird in eine herkömmliche Strangpresse gefüllt,
wo sie durch eine runde Öffnung einer Preßmatrize gepreßt wird. Das
stranggepreßte Material liegt in der Form eines zusammenhängenden
"grünen" Stabes vor, der in die gewünschten Längen geschnitten wird.
Die grüne Stab ist ziemlich labil, da die Partikel nur durch das
organische Bindemittel zusammengehalten werden.
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Solche Stäbe werden auf Graphittrockenbleche gelegt und in einem
Vakuumofen erwärmt. Die Anfangswärme bewirkt das Verdampfen des
Bindemittels, das an Kühlvorrichtungen des Ofens kondensiert und
zurückgewonnen werden kann. Die Stäbe werden für einen solchen Zeitraum auf einer
maximalen Temperatur gehalten, der ausreichend ist, daß die
Metallpartikel sintern oder sich miteinander durch Diffusion verbinden, um eine
Metallmatrix mit solcher Festigkeit zu bilden, die ausreichend ist, um
die Wolframkarbidpartikel festzuhalten und nicht während der
Handhabung zu zerbrechen.
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Die maximale Sintertemperatur liegt unter der Schmelztemperatur des
Metalls oder aller Legierungen, die es mit dem Wolframkarbid bilden
kann. Durch das richtige Verbleiben unter der Schmelztemperatur
erreicht das gesinterte Produkt nicht 100% der theoretischen Dichte.
Das heißt, das Produkt behält etwas Porosität. Eine Porosität im
Bereich von ungefähr 5 bis 20% ist erforderlich. Die Porosität ist
nicht ein Erfordernis per se, obwohl sie das Entgasen während des
Schweißens erlaubt. Es ist statt dessen eine Folge des Verhinderns des
Schmelzens der Metallmatrix während des Sinterns. Das Verfahren zum
Herstellen der Schweißstäbe ist analog zum Verfahren zum Herstellen
von Wolframsinterkarbidstäben, außer daß die maximale Temperatur nicht
so nahe an der Schmelztemperatur der Matrix liegt, so daß eine
Verfestigung auf nahezu 100% der theoretischen Dichte eintritt.
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Es ist wichtig, das Schmelzen der Matrix zu verhindern, da dieses das
Vermischen zwischen der Metallmatrix und den Wolframkarbidpartikeln
verursachen kann. Dieses ist besonders zutreffend, wenn die
Metallmatrix
Stahl ist, der eine starke Affinität zu dem Karbid besitzt.
Solche Vermischung reduziert die Menge des in dem Stab verbleibenden
Karbids zum Ausbilden einer Panzerung oder Hartmetallauflage und die
Härte der Matrix. Der Stab wird nur soweit gesintert, bis eine
Festigkeit erhalten wird, die ausreichend ist, den Schweißstab zur
Vorbereitung der Benutzung zu handhaben. Die zurückbleibende Porosität liegt
im Bereich von 5 bis 20%.
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Für hartmetallbeschichtete Zähne von Rollenbohrkronen werden harte,
abnutzungsbeständige Metallmatrizen mit hohem Schmelzpunkt bevorzugt.
Insbesondere wird Stahl zum Zusammenschmelzen mit der
Stahlträgerschicht der Zähne für einen maximalen Widerstand gegen Abbrechen oder
Zersplittern bevorzugt. Das Matrixpulver kann reiner Kohlenstoffstahl
oder einer von vielen legierten Stählen sein. Solche Legierungen
können durch Mischen von Pulvern mit unterschiedlicher Zusammensetzung
gebildet werden, obwohl es bevorzugt wird, Legierungspulver zu
verwenden. Im Grunde genommen kann jede Legierung atomisiert werden, um
kugelförmige Partikel von einheitlicher Größe zu bilden, die zur
Anwendung bei der praktischen Ausführung dieser Erfindung geeignet sind.
Viele solcher Legierungen sind im Handel erhältlich.
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Alternativ kann Hartlot mit hohem Schmelzpunkt verwendet werden. Zum
Beispiel sind die BNi-Serien, Zusatzwerkstofflegierungen auf
Nickelbasis, der American Welding Society, die Hartlöttemperaturen von
ungefähr 900 bis 1200ºC haben, besonders geeignet.
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Eine geeignete Zusammensetzung enthält reine Kohlenstoffstahlpartikel,
die mit ungefähr 4% eines Desoxydationsmittels oder "Flußmittels"
vermischt sind. Ein geeignetes Desoxydationsmittel ist Mangansilizium,
das von der Fa. Kennametal, Inc., Fallon, Nevada erhältlich ist. Die
nominale Zusammensetzung von Mangansilizium ist 65 bis 68% Mangan, 15
bis 18% Silicon, maximal 2% Kohlenstoff, maximal 0.05 Schwefel,
maximal 0.35 Phosphor und ein Ausgleich an Eisen. Beim Schmelzen des
Schweißstabes schmilzt das Mangansilizium mit dem reinen
Kohlenstoffstahl
zusammen, um eine Stahllegierung zu bilden. Das Sintern solch
eines Stabes erfolgt bei einer Temperatur, die niedriger ist als die
eutektische Temperatur einer Mangan/Silizium/Eisen-Legierung.
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Um eine hohe Dichte des Karbids in der Metallmatrix zu erhalten, ist
es notwendig, eine Mischung aus speziellen Korngrößen für eine hohe
Packungsdichte zu verwenden. Die Mischung aus relativ größeren
Partikeln von gesintertem Wolframkarbid und relativ kleineren Partikeln von
Einkristallmonowolframkarbid ergeben eine sehr gute
Abnutzungswiderstandsfähigkeit auf den Zähnen einer Rollenbohrkrone.
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Eine typische Zusammensetzung zum Hartmetallbeschichten von Zähnen an
einer Rollenbohrkrone verwendet als eine Art des Karbids gesintertes
Wolframkarbid von 0.8 bis 0.6 mm (20 bis 30 Maschenweite). Die
Korngröße der Wolframkarbidkörner in den Partikeln des
Wolframsinterkarbids liegt im Bereich von ungefähr einem bis fünfzehn Mikrometern. Der
Bindemittelgehalt in solch einem Wolframsinterkarbid ist vorzugsweise
Kobalt in der Größenordnung von 6 bis 8 Gew.-%.
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Das Wolframsinterkarbid ist mit Einzelkristall-WC vermischt,
vorzugsweise in der Größe von 0.4 bis 18 mm (40 bis 80 Maschenweite).
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Das Verhältnis der Partikelanzahl der größeren Partikel des
Wolframsinterkarbids zum kleineren Einzelkristallkarbid kann im Bereich von
zwei bis vier liegen. Ein größeres Verhältnis ist weniger
wünschenswert, da die kleineren Partikel so klein sein können, daß eine
übermäßige Lösung in der legierten Stahlmatrix auftreten kann. Ein
Größenverhältnis von drei wird bevorzugt.
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Eine andere typische Zusammensetzung für Hartmetallauflagen von Zähnen
an einer Rollenbohrkrone verwendet Wolframsinterkarbid von 0.18 bis
0.075 mm (80 bis 200 Maschenweite), das mit
Einzelkristallmonowolframkarbid in der Größe von 0.075 bis 0.0142 mm (200 bis 325 Maschenweite)
vermischt ist. Allgemein gesagt, ist die Hartmetallauflage mit
größeren
Partikeln härter und widerstandsfähiger gegen Brechen, während die
kleineren Partikel zu einer größeren Abnutzungswiderstandsfähigkeit
der Hartmetallauflage führen.
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Das Gewichtsverhältnis des Wolframsinterkarbids von größerer
Partikelkorngröße zum Einkristall-WC von kleinerer Partikelgröße liegt in dem
Bereich von 35:65 bis 80:20, und vorzugsweise im Bereich von 60:40 bis
80:20. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt der
Anteil von Wolframsinterkarbid mit größerer Korngröße 75 Gew.-% und des
Einzelkristall-WC mit kleinerer Korngröße 25 Gew.-%. Für eine
verbesserte Härte der Hartmetallauflage wird ein wesentlicher Anteil des
Sinterkarbids bevorzugt.
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Die hohe Packungsdichte der relativ größeren
Wolframsinterkarbidpartikel und der relativ kleineren Einzelkristallkarbidpartikel ist
geeignet, einem angenommenen Verschleißvorgang für
Hartmetallauflagematerialien zu widerstehen. Ein angenommener Verschleißvorgang umfaßt das
"Strangpressen" oder Strecken und nachfolgende Verschleißen der
Metallträgerphase, die die Karbidpartikel mit dem Substrat verbindet.
Der Verschleiß der Matrix hinterläßt die Karbidpartikel ungeschützt
und trägerlos einem möglichen Bruch. Ein Weg zum Verbessern der
Verschleißfestigkeit des Metallträgers ist, ihn fester und härter zu
machen. Ein legierter Stahlträger verschafft eine solche Härte und
Festigkeit, während er eine ausreichende Zähigkeit behält, um die
Hartmetallauflage unversehrt zu halten.
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Ein anderer Weg zum Verbessern der Verschleißfestigkeit des
Metallträgers ist es, den mittleren Abstand zwischen den Partikeln zu
verkleinern, so daß die Metallträgerschicht dünner ist. Dieses kann durch
kleinere Partikel erreicht werden, jedoch kann dieses das
Schneidvermögen der Zähne an dem Schneidkonus reduzieren. Die in den
stranggepreßten Stäben mögliche hohe Packungsdichte und der hohe Anteil des
Karbids am Metallträger reduzieren auch den mittleren Abstand zwischen
den Partikeln oder die Dicke der Metallträgerphase, was der
Deformation
und dem Verschleiß unterliegt.
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Allgemein gesagt sollte der Anteil des Karbids am Stahl in der
Hartmetallauflage nach der besten Verschleißfestigkeit maximiert werden. Das
Karbid sollte zum Beispiel im Bereich von 60 bis 80% der
Zusammensetzung mit dem Stahl, der die anderen 20 bis 40% bildet, liegen. Ein
bevorzugter Bereich ist von 70 bis 75% Karbid. Dieses Erfordernis
wird in den stranggepreßten Stäben begünstigt, da der Anteil der
Matrix höher sein kann als in Rohrstäben, während noch eine genügende
Festigkeit zum Handhaben erhalten wird.
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Die Partikel des Bindemittels oder der Metallmatrix haben vorzugsweise
ungefähr 1/3 der Größe der Karbidpartikel. Eine typische Partikelgröße
liegt in dem Bereich von 0.15 bis 0.075 mm (100 bis 200 Maschenweite)
oder noch kleiner.
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Das temporäre organische Bindemittel kann eine von vielen
Zusammensetzungen sein, die vor dem Sintern aus der Mischung verdampft werden
kann, um eine zurückbleibende Kontamination zu vermeiden. Es kann eine
Vielzahl von Paraffinwachsen verwendet werden. Polyäthylenglykol mit
einer relativen Molekülmasse von ungefähr 1000 ist geeignet. Es können
andere, herkömmlich zum Pressen oder Strangpressen von pulverförmigen
metallurgischen Mischungen benutzte Kohlenwasserstoffgleitmittel
verwendet werden. Für die Gleichmäßigkeit der Mischung können auch
Lösungsmittel, wie Hexan, Heptan oder dergleichen in der Zusammensetzung
eingelagert sein.
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Herkömmliche Mischverfahren in einem Hobart-Mischer, einer Kugelmühle
oder dergleichen sind gut geeignet. Normalerweise wird die Mischung
bei einer erhöhten Temperatur zugeführt, so daß das organische
Bindemittel geschmolzen wird und alle Oberflächen des Pulvers berührt, um
dem Grünling eine vertretbare Festigkeit zu geben. Zum Beispiel kann
eine Mischung, bei der Polyäthylenglykol als Bindemittel verwendet
wird, bei ungefähr 120ºC vermischt werden. Es ist wünschenswert, die
Mischung vor dem Strangpressen unter 40ºC abzukühlen, so daß das
Polyäthylenglykol fest ist und eine vertretbare grüne Festigkeit in dem
Stab erhalten wird.
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Die Menge des organischen Bindemittels ist nicht besonders kritisch.
Bindemittel so etwa in der Größenordnung von 2 bis 5% ist
zufriedenstellend. Die verwendete Menge kann von dem einzelnen ausgewählten
Bindemittel und den Parametern der Strangpresse abhängen.
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Das Strangpressen scheint keine kritischen Parameter zu haben. Alles
was notwendig ist, ist ausreichender Druck zum Erhalten eines geraden
Stabes. Der Durchmesser der Öffnung in der Strangpreßmaschine bestimmt
die Größe des fertigen Stabes. Somit hat ein mit einem Durchmesser von
ungefähr 4.4 m stranggepreßter, grüner Stab einen Enddurchmesser von
ungefähr 4 mm nach dem Sintern.
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Die besten Parameter zum Strangpressen einer gegebenen Mischung sind
durch Probieren zu ermitteln. Die Zusammensetzung der Mischung ist von
Bedeutung. Wie oben angedeutet wurde, lassen sich kugelförmige
Partikel leichter strangpressen als eckige Partikel. Somit kann die Art der
verwendeten Karbide einen Unterschied beim Strangpressen ergeben.
Ebenso kann die Partikelgröße einen Einfluß haben als auch die Auswahl
und Konzentration eines Gleitmittels. Andere Parameter, von denen
Abweichungen beim Strangpressen abhängen, sind Druck und Temperatur.
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Routineversuche können die geeigneten Parameter bestimmen. Wenn die
Mischung zu "steif" ist, kann es möglich sein, daß das Strangpressen
nicht mit vertretbaren Drücken durchführbar ist. Umgekehrt können die
stranggepreßten Stäbe reißen, wenn die Mischung zu "weich" ist. Es
sollte beachtet werden, daß auf den Stäben manchmal geringfügige
Oberflächenrisse, die ihre Funktionstüchtigkeit nicht beeinflussen, zu
sehen sind.
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Der Stabdurchmesser und -länge sind nicht kritisch und alle
herkömmlichen
Abmessungen sind geeignet. Stäbe mit einem Durchmesser von vier
bis zehn Millimetern können leicht hergestellt und verwendet werden.
Die Stäbe müssen nicht rund sein, es können auch flache
Schweißaufträge gepreßt und gesintert werden, um Hartmetallauflagen zu bilden.
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Die stranggepreßten und geschnittenen grünen Stäbe werden auf ein
Graphittrockenblech in einem Vakuumofen gelegt. Bei einer
Stahlmatrixlegierung kann die Sintertemperatur ungefähr 1050ºC betragen, um eine
Dichte von ungefähr 95% der theoretischen Dichte zu erreichen,
beträchtlich weniger als 100%, die erreicht würden, wenn die Matrix
geschmolzen würde. Obwohl solche Schweißstäbe keinen hohen Grad an
Zähigkeit haben, sind sie ausreichend fest, um dem Herunterfallen aus
einem halben Meter Höhe oder so auf eine Betonoberfläche zu
widerstehen.
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Es war zuvor die Praxis, Hartmetallauflagen durch Schmelzen des
Rohrstabes in einer Azetylen-Sauerstoff-Flamme oder dergleichen
aufzutragen. Das Stahlrohr schmilzt und die Karbidpartikel mischen sich mit
dem geschmolzenen Metall. Da der Rohrstab innen nichthomogen ist,
können die daraus entstehenden Hartmetallauflagen an Stellen, wo keine
gute Durchmischung erreicht wurde, ebenfalls nichthomogen sein.
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Aus einigen Gründen konnten die Rohrstäbe wegen der übermäßigen Lösung
der Karbidpartikel in der Matrix nicht erfolgreich durch Wolfram-
Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen) oder Metall-Inertgas-Schweißen
(MIG-Schweißen) aufgebracht werden. Der Grund ist möglicherweise die
innere Ungleichmäßigkeit der Zusammensetzung, die das Aufrechterhalten
eines Schweißbades erfordert, das lang genug ist, das Mischen
stattfinden zu lassen. Die Zeit mit einer erhöhten Temperatur war
offensichtlich ausreichend, daß sich beträchtliche Mengen des Karbids
auflösen konnten.
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Überraschend kann der stranggepreßte und teilweise gesinterte
Hartmetallauflagestab auf eine Oberfläche durch WIG-Schweißen ohne
übermäßiges
Lösen aufgebracht werden. Es wird angenommen, daß der Grund
ein kürzerer Zeitraum bei erhöhter Temperatur ist, wenn die Matrix mit
dem Karbid in dem Stab innig vermischt ist, als wenn es in einem Rohr
der Metallmatrix eingeschlossen ist. Es wird geglaubt, daß die
gemischte Matrix leichter schmilzt als der Stahlrohrstab und weniger zum
Überhitzen tendiert. Das heißt, daß die Hartmetallauflage schneller
abkühlt. Da die Verweilzeit der Karbidpartikel in der geschmolzenen
Matrix dadurch reduziert wird, wird die Auflösung ebenfalls reduziert.
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Es ist wünschenswert, die Hartmetallauflage durch WIG-Schweißen
aufzubringen, da dieses Verfahren leichter zu automatisieren ist als das
Azetylen-Sauerstoff-Schweißen. Außerdem ist die erhaltene
Schweißnahtqualität meistens sehr gut. Die Fig. 4 und 5 sind Fotografien der
Oberflächen von Schweißraupen einer Hartmetallauflage, die durch
Azetylen-Sauerstoff-Schweißen bzw. durch WIG-Schweißen aufgebracht sind
(6.3-fach vergrößert zum Original). Obwohl diese Oberflächenqualitäten
in den entsprechenden Raupen nicht immer erreicht werden, sind sie
nicht sehr von der Regel abweichend. Die Erwünschtheit des
WIG-Schweißens ohne Hohlräume ist einleuchtend.
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Die Fig. 6 und 8 sind Beispiele von Hartmetallauflagen, die durch
Rohrstäbe gemäß dem Stand der Technik und
Azetylen-Sauerstoff-Schweißen aufgebracht wurden, die meistens als akzeptabel betrachtet werden
können. Die Fig. 7 und 9 sind Beispiele von Hartmetallauflagen, die
von den gleichen Rohrstäben wie in Fig. 6 bzw. 8, jedoch durch
Wolfram-Inertgas-Schweißen aufgebracht wurden. Der für die Schweißnähte
der Fig. 6 und 7 verwendete Rohrstab enthielt makrokristalline
Wolframkarbidpartikel von 0.184 bis 0.075 mm (80 bis 200 Maschenweite).
Der für die Schweißnähte der Fig. 8 und 9 verwendete Rohrstab enthielt
25% makrokristallines Wolframkarbid von 0.4 bis 0.18 mm (20 bis 30
Maschenweite) und 75% zerkleinertes Wolframkarbid von 0.8 bis 0.6 mm
(20 bis 30 Maschenweite). Alle mikroskopischen Aufnahmen sind 40-fach
vergrößert zum Original).
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Durch Vergleichen der Fig. 6 und 7 ist zu erkennen, daß eine
beträchtliche Menge der Karbidpartikel während des WIG-Schweißens
verlorenging. Es wird angenommen, daß diese in der legierten Stahlmatrix
gelöst sind.
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In den beiden Fig. 8 und 9 ist zu erkennen, daß dort eine
beträchtliche Auflösung der gesinterten Wolframkarbidpartikel in der Stahlmatrix
erfolgte. Das ist aus den rauhen Rundungen der Partikel ersichtlich,
und besonders in der durch das Azetylen-Sauerstoff-Schweißen
aufgetragenen Hartmetallauflage feststellbar. Solche Auflösung des
Sinterkarbids einschließlich der feinen Wolframkarbidpartikel und der
Kobaltsinterphase erhöht den Legierungsanteil der Matrix und läuft darauf
hinaus, sie spröde zu machen. Dieses wird durch das WIG-geschweißte
Muster deutlich, das Risse hat, die sich sowohl durch die
Karbidpartikel als auch durch die Matrix erstrecken.
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Die Fig. 10 und 11 sind zum Orignal 50-fach vergrößerte mikroskopische
Aufnahmen von Hartmetallauflagen, die von einem stranggepreßten und
gesinterten, zur Ausführung dieser Erfindung vorgesehenen Stab
aufgetragen ist. Der Stab enthielt makrokristallines Wolframkarbid von 0.4
bis 0.18 mm (40 bis 80 Maschenweite). Die Hartmetallauflage in Fig. 10
wurde durch Azetylen-Sauerstoff-Schweißen aufgetragen, während die
Hartmetallauflage in Fig. 11 durch WIG-Schweißen aufgebracht wurde. In
den Mikrostrukturen ist kein signifikanter Unterschied zu erkennen.
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Obwohl es bevorzugt wird, die Stäbe zur Erleichterung und
Wirtschaftlichkeit der Herstellung strangzupressen, ist es ebenso möglich,
stabförmige Preßlinge in einer Hydraulikpresse in der gleichen Weise, wie
das Pressen von Preßlingen zum Herstellen von Wolframsinterkarbid
erfolgt, zu pressen. Ein prinzipeller Unterschied liegt in der
Zusammensetzung der Mischung und dem bewußten Vermeiden von Temperaturen im
Schmelzbereich der Matrix, um eine metallurgische Reaktion mit dem in
der Matrix eingebetteten Karbid zu vermeiden. Das hier benutzte
"Pressen" bezieht sich entweder auf das Pressen in einer Druckgießform oder
Strangpressen unter Druck.
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In einem spezifischen Beispiel einer Hartmetallauflage, die zur
Ausführung dieser Erfindung vorgesehen ist, wurde eine Mischung aus 66,5
% Wolframkarbidpartikeln, 3,5% Mangansiliziumpartikeln und 30 Gew.-%
reinen Kohlenstoffstahlpartikeln von 0.075 mm (200 Maschenweite)
hergestellt. Die Wolframkarbidpartikel enthalten 50% makrokristallines
Monowolframkarbid in der Größe von 0.4 bis 0.6 mm (40 bis 60
Maschenweite) und 50% makrokristallines Monowolframkarbid in der Größe von
0.8 bis 0.6 mm (20 bis 30 Maschenweite).
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Die Metall- und die Karbidpartikel wurden mit 3,7% Polyäthylenglykol,
das eine relative Molekülmasse von ungefähr 1000 hat, und 1.8%
Protepet 1E, ein von Witco Chemical Co, New York, New York, erhältliches
Kohlenwasserstoffgleitmittel, gemischt. Heptane war mitenthalten, um
die organischen Bestandteile zu lösen und das Vermischen zu
unterstützen. Die Zusammensetzung wurde in einem Hobart-Mischer bei ungefähr
120ºC gemischt. Nach der gründlichen Mischung wurde sie auf weniger
als 40ºC abgekühlt und mit gerade ausreichendem Druck zum Erhalten
eines geraden Stabes von 4.4 mm Durchmesser stranggepreßt.
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Diese Stäbe wurden auf ein Graphittrockenblech gelegt und während des
Auspumpens eines Vakkumofens um 20ºC pro Minute auf ungefähr 950ºC
erwärmt. Sie wurden anschließend um 5ºC pro Minute auf 1070ºC erwärmt
und 45 Minuten bei 1070ºC gehalten. Der Ofen wurde auf 660ºC im Vakuum
gekühlt und dann wieder mit Argon gefüllt, um das Abkühlen zu
beschleunigen. Nach dieser Sinterbehandlung sind die Stäbe auf einen
Durchmesser von ungefähr 4 mm geschrumpft und haben eine restliche
Porosität von weniger als 5%.
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In einem anderen Beispiel wurde eine Mischung aus 66,5 Gew.-%
Wolframkarbidpartikeln, 3,5 Gew.-% Mangansilikonpartikeln und 30 Gew.-%
Partikeln Hartlot BNi2 hergestellt. Die Wolframkarbidpartikel
enthielten 50 Gew.-% makrokristallines Monowolframkarbid in der Größe von 0.4
bis 0.2 mm (40 bis 60 Maschenweite) und 50% zerkleinerte
Sinterkarbidpartikel in der Größe von 0.8 bis 0.6 mm (20 bis 30 Maschenweite).
Die Zusammensetzung wurde mit 3.5% Paraffinwachs gründlich gemischt
und in einer geschlossenen Druckgießform gepreßt, um Stäbe mit einem
Durchmesser von ungefähr 4.4 mm auszubilden. Das Sintern erfolgte
gleichermaßen in einem Vakuumofen, außer daß die maximale Temperatur
ungefähr 600ºC betrug.
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Die Stäbe wurden erfolgreich beim Aufbringen von Hartmetallauflagen
auf die Zähne eines Schneidkonus für eine Rollenbohrkrone getestet.
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In einer Abwandlung können andere Matrixzusammensetzungen, wie zum
Beispiel eine Mischung aus Hartlot- und Stahlpartikeln, die für
Rohrstäbe ungeeignet ist, durch die hier beschriebenen
Pulvermetallurgieverfahren hergestellt werden.