DE69115766T2 - Werkzeuge zum Schneidbohren von Gestein - Google Patents

Werkzeuge zum Schneidbohren von Gestein

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Bohrmeißeln und Einsätzen hierfür, genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf Bohrmeißeleinsätze fiir das Schneiden in Gestein (EP-A- 356097). Die Einsätze weisen Hartmetall (Sintercarbid) auf, welche mit einem Korpus bzw. einem Hauptteil und/oder Schichten aus Diamant und/oder kubischem Bornitrit (cBN) versehen sind.
    • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Es gibt drei Hauptgruppen von Verfahren des Gesteinsbohrens:
  • nämlich das Schlag- bzw. Hammerbohren, das unter Drehen Zerbrechen und das Schneiden.
  • Beim Hammerbohren und beim Bohren mit unter Drehen Zerbrechen in Gestein, arbeiten die Meißelköpfe bzw. -knöpfe als gesteinzerbrechende Werkzeuge im Gegensatz zum Schneiden, bei welchem die Einsätze eher als Abscherelemente wirken. Ein Gesteinsmeißel bzw. -bohrkopf besteht im allgemeinen aus einem Stahlkörper, der mit einer Anzahl von Einsätzen versehen ist, die Hartmetall aufweisen. Es existieren viele verschiedene Typen derartiger Gesteinsbohrköpfe bzw. -meißel, welche verschiedene Formen des Stahlkorpus und der Einsätze aus Hartmetall, ebenso wie verschiedene Anzahlen von Graden (Typ- und Qualitätsabstufungen) der Einsätze haben.
  • Für das Hammerbohren und für das Gesteinsbohren mit drehendem Zerbrechen, haben die Einsätze im allgemeinen eine abgerundete Form, oft in Form eines Zylinders mit einer abgerundeten Oberseite, was allgemein als "Knopf" bezeichnet wird. Für das Abscheren von Gestein sind die Einsätze mit einer Schneidkante versehen, die als Schneidelement wirkt. Es gibt bereits eine Anzahl verschiedener bei hohem Druck und hoher Temperatur gesinteter Schneidelemente, die mit polykristallinen Diamantschichten versehen sind. Diese in hohem Maße verschleißfesten Schneidwekzeuge werden hauptsächlich für Ölbohrungen verwendet.
  • Die Technik der Herstellung derartiger polykristalliner Diamantwerkzeuge unter Verwendung von hohem Druck und hoher Temperatur (HP/HT) ist in einer Anzahl von Patenten beschrieben worden, zum Beispiel in den US-Patenten Nr.2,941,248: "Hochtemperatur Hochdruckvorrichtung US-Patent Nr. 3,141,746: "Kompaktes Diamantabrasionsmittel": unter hohem Druck gebundener Korpus mit mehr als 50 Vol% Diamant und einem metallischen Bindemittel: Co, Ni, Ti, Or, Mn, Ta, etc.
  • Diese Patente offenbaren die Verwendung einer Druckes und einer Temperatur, bei welchen der Diamant die stabile Phase ist. In einigen späteren Patenten: zum Beispiel in den US- Patenten Nr.4,764,434 und 4,766,040 werden bei hohem Druck und hoher Temperatur gesinterte polykristalline Diamantwerkzeuge beschrieben. In dem erstgenannten Patent wird die Diamantschicht an einen Trägerkorpus gebunden, der eine komplexe nicht ebene Geometrie hat, und zwar mit Hilfe einer dünnen Schicht aus einem Keramikmaterial, welches mit Hilfe der PVD oder CVD Technik aufgebracht wird. Im zweiten Patent werden Temperaturbeständige, abrasive polykristalline Diamantkörper beschrieben, welche unterschiedliche Zusätze von Bindemetallen in unterschiedlichen Abständen von der Arbeitsfläche haben.
  • Eine jüngere Entwicklung auf diesem Gebiet ist die Verwendung einer oder mehrerer kontinuierlicher Schichten aus polykristallinem Diamant auf der Oberfläche des Hartmetallknopfes.
  • Das US-Patent 4,811,801 offenbart Gesteinsmeißelknöpfe, welche eine derartige polykristalline Diamantoberfläche auf der Oberseite bzw. Spitze der Hartmetallknöpfe haben, welche einen Young'schen Elastizitätsmodul zwischen 80 und 102 x 10&sup6; p.s.i., einen thermischen Expansionskoeffizienten zwischen 2,5 und 3,4 x 10&supmin;&sup6; x C &supmin;¹, eine Härte zwischen 88,1 und 91,1 HRA und eine Koerzitivkraft zwischen 85 und 160 Oe haben. Eine weitere Entwicklung wird offenbart in dem US-Patent 4,583 433, einschließlich eines Schneidrohlings für die Verwendung an einem Bohrmeißel bzw. Bohrkopf, welcher ein Substrat aus einem Hartmetall aufweist, das eine Schneidfläche mit Streifen aus polykristallinem Diamant hat, die in Nuten verteilt sind, welche in verschiedenen Mustern angeordnet sind.
  • Das US-Patent 4,784,023 offenbart ein Schneidelement, welches einen Stutzen und eine damit fest verbundenes Kompositmaterial aufweist. Das Kompositmaterial weist ein Substrat auf, welches aus Hartmetall bzw. Sintercarbid und einer an das Substrat fest gebundenen Diamantschicht gebildet wird. Die Übergangsfläche zwischen der Diamantschicht und dem Substrat wird definiert durch abwechselnde Leisten bzw Rippen aus Diamant und Hartmetall bzw. Sintercarbid, die wechselweise miteinander verzahnt sind bzw. miteinander in Einklang stehen. Die Oberfläche des Diamantkorpus ist kontinuierlich und deckt den gesamten Einsatz ab. Die Seiten bzw. Flächen des Diamantkorpus stehen nicht in direktem Kontakt mit irgendeinem Hartmetall.
  • Die europäische Patentanmeldung 0.312.281 offenbart einen Werkzeugeinsatz, der einen Korpus aus Hartmetall mit einer Schicht aus polykristallinem Diamant aufweist und zwischen der Schicht und dem Hartmetall eine Anzahl von Aussparungen, die mit abrasivem, kompakten Material gefüllt sind, das sich in den Trägerkorpus des Sintercarbids hineinerstreckt.
  • Eine weitere Entwicklung auf diesem Gebiet liegt in der Verwendung von Hartmetallkörpern, die einen unterschiedlichen Aufbau in unterschiedlichen Abständen von der Oberfläche haben.
  • Das US-Patent 4,743,51 5 offenbart Gesteinsmeißelknöpfe aus Hartmetall, welche eine Eta-Phase enthalten und von einer Oberflächenzone aus Hartmetall umgeben sind, die frei von der Eta-Phase ist und einen geringen Gehalt an Kobalt in der Oberfläche und einen höheren Gehalt an Kobalt dichter an dem Bereich mit der Eta-Phase hat.
  • Das US-Patent 4,820,482 offenbart Gesteinsmeißelknöpfe aus Hartmetall, die einen Gehalt einer Bindemittelphase in der Oberfläche haben, welcher niedriger als der nominelle Gehalt und im Zentrum höher als der nominelle Gehalt ist. Im Zentrum befindet sich eine Zone, die einen gleichmäßigen Gehalt der Bindemittelphase hat. Die Wolfram-Carbid Korngröße ist in dem gesamte Korpus gleichmäßig.
    • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bohrmeißelschneidelement aus Hartmetall bzw. Sintercarbid bereitzustellen, mit Körpern und/oder Schichten aus Diamant und/oder cBN, mit einem hohen und gleichmäßigen Unter-Druck-Setzen des Diamants oder cBN durch Sintern bei hohem Druck und hoher Temperatur in dem Bereich wo der Diamant oder cBN stabil ist.
  • Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, es zu ermöglichen, daß die Wirkung des Diamants oder cBN hinsichtlich des Widerstandes gegenüber Rißbildung, Abspanung und Verschleiß maximal zu machen.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Einsatz für einen Bohrmeißel bzw. Bohrkopf für das Schneiden in Gestein bereitgestellt, welcher einen Korpus aus Hartmetall bzw. Sintercarbid gemäß dem US-Patent 4,743,515 aufweist, der mit einer oder mehreren Körpern und/oder einer Schicht aus Diamant und/oder cBN versehen und bei hohem Druck und hoher Temperatur hergestellt ist. Das obige Schneidelement kann an verschiedene Typen von Gestein angepaßt sein, indem die Materialeigenschaften und Geometrien des Hartmetalls und/oder des Diamants oder cBN verändert werden, insbesondere hinsichtlich Härte, Elastizität und thermischer Ausdehnung, was zu einer unterschiedlichen Verschleißfestigkeit und Schlagfestigkeit der Meißel führt. Hammerschlagversuche von Einsätzen der im US-Patent 4,784,023 beschriebenen Art mit einem Subtrat aus Sinterkabit und einer an das Substrat (Fig. 1) fest gebundenen Diamantschicht ergaben eine Tendenz des Abspanens (Abreißen von Spänen) von Teilen der Diamantschicht nach einer Zahl von Schlägen.
  • Beim Verwenden eines Hartmetallkorpus, der einen mehrfachen Aufbau bzw. eine mehrfache Struktur gemäß US-Patent 4,743,515 hat, mit einer Diamantschicht (Fig. 2), hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß die Tendenz des Abspanens der Diamantschicht im Vergleich zu der entsprechenden Geometrie und Zusammensetzung ohne die Mehrfachstruktur des Hartstoffes (Fig. 1) beträchtlich vermindert ist.
  • Eine ähnliche Verbesserung wurde für Einsätze erreicht, die eine Schicht aus cBN hatten, beim Vergleich mit Hartmetallkörpern mit und ohne eine Mehrfachstruktur gemäß US- Patent 4,743 515. Die Erklärung dieses Effektes liegt darin, daß die Steigerung des Widerstandes gegen das Abspanen zu einem vorteilhaften Spannungsmuster führen könnte, welches durch den Unterschied der thermischen Ausdehnung der Diamantschicht und dem Hartmetallkorpus verursacht wird, was der Schicht eine große und gleichmäßige Druckvorspannung gibt.
    • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1 = Hartmetalleinsatz
  • 2 = Stahikorpus
  • 3 = Diamant- oder cBN-Korpus
  • 4 = Hartmetall (Sintercarbid) Co-armer Bereich
  • 5 = Hartmetall bzw. Sintercarbid: Co-reicher Bereich
  • 6 = Hartmetall bzw. Sintercarbid: Kern, welcher die Eta-Phase enthält.
  • Figur 1 zeigt einen Hartmetalleinsatz nach dem Stand der Technik, der eine Schicht aus polykristallinem Diamant aufweist.
  • Figur 2 zeigt einen Hartmetalleinsatz gemäß der Erfindung, welcher dieselbe Art einer Diamantschicht wie in Figur 1 aufweist, wobei jedoch das Hartmetall eine Eta-Phase enthält und umgeben ist von einer Oberflächenzone aus Hartmetall, welches frei von der Eta-Phase ist.
  • Figuren 3-30 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Hartmetall gemäß der vorliegenden Erfindung, das heißt mit verschiedenen Körpern aus Diamant oder cBN in der Oberfläche versehen. Die Einsätze gemäß den Figuren 5-30 können auch mit zumindest einer Schicht aus Diamant und/oder cBN versehen werden, welche teilweise oder vollständig den Einsatz abdeckt. Der Kern des Hartmetalleinsatzes enthält in allen Fällen die Eta-Phase, umgeben von einem Oberflächenbereich aus Hartmetall, welches frei von der Eta-Phase ist
    • GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Das Gesteinsschneidelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit einem oder mehreren Körpern und/oder einer Beschichtung aus einer oder mehreren Schichten aus Diamant und/oder cBN versehen. Die Beschichtung kann unterschiedliche Formen haben und kann beispielsweise eine vollständige Abdeckschicht oben auf der Oberseite bzw. Spitze des Einsatzes aus Hartmetall sein oder kann Streifen verschiedener Formen und Muster auf der Oberseite des Hartmetalleinsatzes haben. Jeder Streifen weist eine Arbeitsfläche auf, die an der Oberfläche des Hartmetalleinsatzes offen liegt. Die Streifen können sich in Richtung eines umlaufenden Randes des Einsatzes erstrecken und können kurz vor einem solchen Rand enden oder können sich vollständig bis zu diesem hin erstrecken. Die Streifen können vorgesehen werden ohne einander zu schneiden oder können miteinander verbunden sein, zum Beispiel an ihren Enden, um ein wellenartiges Muster oder beispielsweise Rauten zu bilden. Ein äußerer gekrümmter Streifen kann die äußeren Enden anderer Streifen miteinander verbinden, um eine verlängerte Schneidkante für die Verwendung in weicheren Gesteinsformationen zu bilden. Die Streifen können aus zwei Sätzen von Streifen bestehen, wobei jeder Satz sich in Richtung auf einen anderen Abschnitt des umlaufenden Randes bzw. der umlaufenden Kante erstreckt. Die Streifen eines Satzes können von den Streifen des anderen Satzes durch einen zentralen Bereich der Schneidfläche getrennt bzw. beabstandet sein.
  • Die Körper aus Diamant und/oder cBN können in regelmäßiger Form oder unregelmäßig auf der Oberseite des Einsatzes angeordnet sein. Unterschiedliche Größen und Formen der Körper können miteinander gemischt werden. Auch andere Modifikationen sind für die Fachleute offensichtlich. Der Diamant oder das cBN kann thermisch stabil oder thermisch instabil sein.
  • Der Diamant und/oder das cBN kann beispielsweise an Ort und Stelle in Nuten ge sintert werden.
  • Die Nuten können eine Tiefe im Bereich von 0,2 bis 3,5 mm und eine Breite im Bereich von 0,2 bis 4 mm haben. Die Nuten können hinterschnittene Bereiche aufweisen, um die Stabilität der Diamant- oder cBN-Streifen zu fördern. Der Schneideinsatz ist vorzugsweise an einem Halter hartgelötet, wie zum Beispiel einem Hartmetallstutzen, und der Stutzen ist vorzugsweise durch Presspassung in einem Bohrmeißel bzw. Bohrkopf befestigt. Hartlöten reicht jedoch oft aus. Die Körper oder Schichten aus Diamant oder cBN sollen der Art des Gesteins und dem Bohrverfahren durch Variation der Korngröße des zugeführten Diamant- oder cBN-Lagermaterials und durch die Menge des Bindemetalls angepaßt sein.
  • Die Korngröße des Diamant oder cBN soll zwischen 3 und 500 Mikrometer, vorzugs weise zwischen 10 und 1 50 Mikrometer liegen. Der Diamant oder das cBN kann aus nur einer nominellen Korngröße oder aus einer Mischung von Größen bestehen, wie zum Beispiel aus einer Mischung von 80 Vol.% von 40 Mikrometern und 20 Vol.% von 10 Mikrometern. Unterschiedliche Typen von Katalysatormetallen können verwendet werden, wie zum Beispiel Co, Ni, Mo, Ti, Zr, W, Si, Ta, Fe, Cr, Al, Mg, Cu etc., oder Legierungen zwischen diesen. Die Menge des Katalysatormetalls sollte zwischen 1 und 40 Vol% liegen, vorzugsweise zwischen 3 und 30 Vol%.
  • Zusätzlich können andere Hartmaterialien, vorzugsweise weniger als 50 Vol%, hinzugefügt werden, zum Beispiel: Diamant, cBN, B&sub4;C, TiB&sub2;, SiC, ZrC, WC, TiN, ZrB, ZrN, TiC, (Ta, Nb)C, Cr-Carbide, AlN, Si&sub3;N&sub4;, AlB&sub2;, etc., ebenso wie Whisker aus B&sub4;C, SiC, TiN, Si&sub3;N 84, etc. (siehe US-Patent 4,766,040).
  • Die Körper aus Diamant oder cBN können unterschiedliche Mengen von Katalysatormetall in verschiedenen Abständen von der Arbeitsfläche haben, gemäß US-Patent 4,766,040.
  • Der Grad des Hartmetalls soll im Hinblick auf die Gesteinsart und die Bohrverfahren ausgewählt werden. Es ist wichtig einen Grad auszuwählen, der im Vergleich zu dem Diamant- oder cBN-Korpus oder der -Beschichtung eine ausreichende Verschleißfestigkeit hat. Der Gehalt an Katalysatorphase soll zwischen 3 und 35 Gewichts%, vorzugsweise 5 bis 25 Gewichts% für schneidende Gesteinsbohrschneidelemente betragen und die Korngröße des Hartmetalls soll zumindest 1 Mikrometer, vorzugsweise 2 bis 6 Mikrometer betragen.
  • Der Hartmetalleinsatz soll einen Kern haben, der Eta-Phase enthält. Die Größe dieses Kerns soll zwischen 10 und 95%, vorzugsweise 30 bis 65% der Gesamtmenge an Hartmetall in dem Einsatz ausmachen.
  • Der Kern sollte zumindest 2 Vol%, vorzugsweise zumindest 10 Vol% Eta-Phase höchstens jedoch 60 Vol% und vorzugsweise höchstens 35 Vol% enthalten.
  • In dem Bereich, der von Eta-Phase frei ist, sollte der Gehalt der Bindemittelphase, das heißt im allgemeinen der Gehalt an Kobalt, in der Oberfläche 0,1 - 0,9, vorzugsweise das 0,2 - 0,7-fache des nominellen Gehaltes an Bindemittelphase enthalten, und der Gehalt an Bindemittelphase soll in Richtung auf den Kern bis zu einem Maximalwert vom zumindest 1,2, vorzugsweise 1,4 bis 2,5-fachen des nominellen Gehaltes an Bindemittelphase ansteigen. Die Breite des an Bindemittelphase armen Bereiche sollte 0,2 - 0,8, vorzugsweise 0,3 - 0,7 mal der Breite des von Eta-Phase freien Bereiches betragen, zumindest jedoch 0,4 mm und vorzugsweise mindestens 0,8 mm breit sein. Die Körper aus polykritallienem Diamant können sich über einen kürzeren oder längeren Abstand in den Hartmetallkorpus hineinerstrecken und der Diamant- oder cBN-Korpus kann mit allen drei beschriebenen Bereichen in Kontakt stehen, steht jedoch vorzugsweise nur mit der kobaltarmen Zone in Kontakt.
  • In einer Ausführungsform bestehen die Diamant- oder cBN-Körper aus vorgefertigen und gesinterten Körpern, in welchen das Katalysatormetall durch Säuren extrahiert worden ist.
  • Die Körper oder Schichten werden durch die HP/HT-Technik aufgebracht.
  • Die HP/HT-Technik ergibt eine vorteilhafte Spannungsverteilung und eine bessere thermische Stabilität wegen der Abwesenheit des Bindemetalls in dem Diamant oder cBN.
  • Die Hartmetalleinsätze werden durch metallurgische Pulvermethoden gemäß dem US- Patent 4,743,515 hergestellt. Die Löcher für die Diamant- oder cBN- körper werden vorzugsweise vor dem Sintern entweder in einem getrennten Vorgang hergestellt oder durch Zusammenpressen (Kompaktieren) in einem speziell dafür ausgelegten Werkzeug. Nachdem Sintern des Hartmetalls wird die Mischung aus Diamant- oder cBN-Pulver, Katalysatormetall und anderen Zutaten in die Löcher eines oder auf die Oberfläche des Hartmetallkörpers aufgebracht, in dünne Folien eingehüllt und bei hohem Druck von mehr als 3,5 GPA, vorzugsweise bei 6 - 7 GPA und bei einer Temperatur von mehr als 1100ºC, vorzugsweise 1700ºC für 1 - 30 Minuten, vorzugsweise etwa 3 Minuten, gesintert.
  • Der Gehalt an Bindemetall in dem Diamant- oder cBN-Koprus oder der Diamant- oder cBN-Schicht kann entweder durch vorheriges Beschichten des Einsatzes mit einer dünnen Schicht zum Beispiel aus TiN durch CVD- oder PVD- verfahren, oder durch Verwendung dünner Folien wie zum Beispiel aus Mo kontrolliert bzw. gesteuert werden, wie es in dem US- Patent 4,764,434 offenbart ist.
  • Nach dem Hochdrucksintern wird der Einsatz durch Sandstrahlen und Schleifen auf seine endgültige Form und sein endgültiges Maß gebracht.
    • BEISPIEL 1 DIAMANT
  • Unter Verwendung eine modifizierten Charpy-Pendels wurde ein Test an Diamanteneinsätzen gemäß Figur 2 mit und gemäß Figur 1 ohne Eta-Phasenkern durchgeführt. Die Diamantschicht hatte eine Dicke von 0,7 mm. Die Gesamthöhe der Einsätze betrug 3,5 mm und ihr Durchmesser 13,3 mm. Der Hammer wurde aus einer gewissen Höhe fallengelassen und nach jedem Schlag wurde das Abspanen beobachtet bzw. auf Abspanen untersucht. Die Anzahl der Schläge vor einer Spanabspaltung wurde als Maß für die Schlagfestigkeit angesehen. ERGEBNISSE Anzahl von Schlägen vor der Spanablösung Einsatz ohne Eta-Phasen kern (Fig. 1) Einsatz gemäß der Erfindung (Fig. 2)
    • BEISPIEL 2 cBN
  • Beipiel 1 wurde wiederholt, jedoch mit einer cBN Beschichtung anstelle der Diamantbeschichtung mit dem Unterschied, daß der Hammer aus einer anderen Höhe fallen gelassen wurde. ERGEBNISSE Anzahl der Schläge vor der Spanablösung Einsatz ohne Eta-Phasenkern (Fig 1) Einsatz gemäß der Erfindung (Fig. 2)

Claims (3)

1. Hartmetalleinsatz (1) für das Gesteinsbohren durch Schneiden, mit Hauptteilen und/oder einer oder mehreren Schichten (3) aus Diamant oder cBN, welche bei hohem Druck und hoher Temperatur fest aufgebracht werden, wobei der Einsatz einen mehrphasigen Aufbau mit einem Kern (6) hat, der eine Eta-Phase enthält, welche umgeben ist von einem Oberflächenbereich (4, 5), der von der Eta-Phase frei ist.
2. Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet 81 daß der Gehalt an Bindemittelphase in einem Bereich (5), der nahe dem die Eta-Phase enthaltenden Kern (6) liegt, höher ist als der normale Gehalt an Bindemittelphase.
3. Einsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Bindemittelphase in der Oberfläche (4) des Einsatzes das 0,1 bis 0,9-fache des nominellen Gehaltes an Bindemittelphase beträgt, wobei die Korngröße der harten Phase, das heißt des Diamants oder des cBN, zu 80 Vol% aus 40 Mikrometer - und zu 20 Vol-% aus 10 Mikrometer-Material besteht.
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