DE69215668T2 - Verbundwerkstoff zum schneiden mit einem substrat aus sinterkarbid und mit einerdiamantschicht - Google Patents

Verbundwerkstoff zum schneiden mit einem substrat aus sinterkarbid und mit einerdiamantschicht

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Schneidelemente insbesondere des Typs, bei dem zur Ausbildung eines Verbundkörpers eine Diamantschicht auf ein Carbidsubstrat geklebt und der Verbundkörper dann auf einen tragenden Stutzen geklebt ist.
  • Eine Art eines Schneidelements, das man beim Rotationsbohren in Erdformationen verwendet, weist einen Schleifverbundkörper bzw. -preßling auf, der auf ein Carbidsubstrat (bspw. aus Wolframcarbid) geklebt ist und einen Metall-Bindemittel (bspw. Cobalt) enthält; das Substrat ist mit dem Stutzen hartverlölet. Die Montage des Schneidelements in einem Bohrmeißel erfolgt durch Einpressen oder sonstiges Festlegen des Stutzens in Bohrungen im Meißel.
  • Zur Herstellung des Verbundkörpers wird typischerweise ein Sintercarbid-Substrat in ein Pressengesenk eingesetzt, auf das Substrat ein Gemisch aus polykristallinen Diamantkörnern und katalytisch wirkendem Bindemittel aufgetragen und die Schichtung dann unter sehr hohem Druck und bei sehr hoher Temperatur verpreßt. Hierbei wandert das Metall-Bindemittel aus dem Substrat zwischen die Diamantkörner und fördert deren Versinterung. Dadurch werden die Damantkörner miteinander zu einer Diamantschicht und diese entlang einer ebenen Grenzfläche mit dem Substrat verbunden. Das Metall- Beindemittel verbleibt in der Diamantschicht in den Zwischenräumen zwischen den Diamantkörnern.
  • Ein so ausgebildeter Verbundkörper kann eine Anzahl von Nachteilen zeigen. Bspw. sind die Wärmeausdehnungsbeiwerte des Sintercarbids und des Diamants fast, aber nur fast gleich. Beim Erwärmen und Abküheln des Verbunds treten daher an der Grenzfläche zwichen der Diamantschicht und des Sintercarbidsubstrats Wärmespannungen in einer Stärke auf, die von der Ungleichheit dieser Beiwerte abhängt. Ein weiterer zu berücksichtigender potentieller Nachteil betrifft das Entstehen von Spannungen innerhalb der Diamantschicht, die diese zerreißen können.
  • Diese Nachteile wurden erheblich mit einem Schneidelement abgeschwächt, wie es in der US-PS 4 784 023 (erteilt am 15. Novembe 1988) offenbart ist. Dieses Schneidelement (in den Fig. 5 und 6 der Zeichnung abgebildet) weist ein Sintercarbid-Substrat mit einer Oberfläche auf, in die abwechselnde Rippen 2 und nuten 3 eingeformt sind. Jede Nut wird von einem Paar gegenüberliegender Seitenflächen 4 gebildet, die eine Grundfläche 5 verbindet. Beim Ausbilden der Diamantschicht 6 auf der Oberfläche des Substrats füllen Diamantteilchen die Nuten, so daß die endgültige Diamantschicht abwwechselnde Rippen und Nuten enthäölt, die mit den Nuten bzw. Rippen des Substrats verkämmt sind. Diese verkämmten Nuten und Rippen sind über die gesamte Grenzfläche zwischen der Diamantschicht und dem Substrat verteilt.
  • Dieses Schneidelement schwächt die oben erwähnten Nachteile erheblich ab. So ist das Metall-Bindemittel sehr gleichmäßig über die Rippen der Diamantschicht verteilt und wirkt so dem Entstehen von Spannungskonzentrationen entgegen. Das Metall-Bindemittel in der Diamantschicht erteilt dieser den höchstmöglichen Schlagwiderstand und schwächt die Bildung von Rissen infolge einer Rückwandlung der Diamantkörner. Weiterhin minimieren die Bereiche aus abwechselnden Diamant- und Sintercarbid-Rippen die Wärmespannungen zwischen der Diamant- und der Sintercarbid-Schicht, indem sie eine Spannungsabstufung an der Grenzfläche bewirken.
  • Die SU-A-994-676 zeigt einen Diamant-Ringmeißel für geologische Bohrarbeiten. Er setzt sich aus einzelnen diamantarmierten Arbeitssegmenten zusammen, die gleichmäßig über den Ringkörper des Meißels verteilt sind. Zwischen nebeneinanderliegenden Segmenten befinden sich elastische Elemente, die die Segmente in Umfangsrichtung geringfügig auslenkbar machen, um beim Bohren auftretende Stöße und Schläge aufzufangen. Die Grenzfläche zwischen einem Arbeiselement und dessen Diamantschicht ist mit verkämmten Rippen gefüllt, die konzentrisch um die Achse des Diamant-Ringmeißels verlaufen.
  • Die SU-A-l 657 594 zeigt eine ringförmige Diamant-Bohrkrone, bei der die ringförmige Grenzfläche zwischen dem Körper 1 und dem diamanthaltigen Grundkörper 2 wiederum mit den bekannten verkämmten Rippen ausgefüllt ist.
  • Trotz der oben beschriebenen, mit dem Schneidelement der US-PS 4 784 023 erreichbaren Vorteile hat man bestimmte Nachteile beobachtet. Bspw. tritt infolge des Schnitts der Seiten- mit der Grundfläche 4, 5 der Nuten im Substrat der sogen. Kerbeffekt auf, d.h. eine Neigung zur beginnenden Bildung von Rissen 7 in der Nähe der Schnittlinie unter der beim Schneiden auftretenden Schnittbelastung. Diese Risse können sich seitlich fortpflanzen und schließlich zum stückweisen Wegbrechen des Substrats und der Diamantschicht vom Schneidelement führen, so daß die Nutzungsdauer des Schneidelements sich verkürzt. Ein Unterdrücken dieser Neigung zur Rißbildung und -fortpflanzung daher wäre wünschenswert.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein schleifendes Verbund-Bohrelement zum Aufsetzen auf einen Meißel zum Bohren in unterirdischen Formationen mit einem Substrat aus Sinterkarbid mit einer Oberfläche, in der eine Vielzahl beabstandeter Rippen bzw. Leisten zwischen sich Nuten belassen. Die Rippen liegen radial einwärts des Außenrandes des Substrats. Eine zentrierte Diamantschicht ist mit der genannten Oberfläche verklebt und ist dicker als die Nuten tief sind. Die Diamantschicht setzt sich aus einer im wesentlichen gleichmäßige Verteilung von Diamantteilchen einer Korngröße im Bereich von etwa 25 bis 75 um zusammen. Die Diamantschicht füllt die Nuten aus, um Diamantleisten bzw. -rippen zu bilden, die mit den Rippen des Substrats verkämmt sind. Die Diamantschicht weist einen allgemein kreisförmigen Ringbereich auf, der die Vielzahl von Leisten umgibt und zu einer Tiefe von mindestens der der Nuten hinabreicht, um als radiale Verstärkung gegen die Bildung und Fortpflanzung von Rissen zu wirken, die dazu neigen, im Substrat in der Nähe der Leisten aufzutreten.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Verbundkörpers in der Ebene 1-1 der Fig. 2;
  • Fig. 2 ist eine Draufsicht des in der Fig. 1 abgebildeten Verbundkörpers;
  • Fig. 3 ist eine Perspektivdarstellung eines erfindungsgemäßen Verbundkörpers;
  • Fig. 4 ist ein Seitenriß eines Schneidelements auf einem Stutzen, der einen erfindungsgemäßen Verbundkörper trägt;
  • Fig. 5 ist eine Perspektivdarstellung eines bekannten Substrats; und
  • Fig. 6 ist ein Schnitt durch einen bekannten Verbundkörper mit dem Substrat der Fig. 5.
    • Ausführliche Bechreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
  • Ein erfindungsgemäßer Verbund- bzw. Preßkörper 10 weist ein Substrat 12 aus Sintercarbid sowie eine mit diesem verklebte Diamantschicht 14 auf. Die Diamantschicht kann bspw. polykristallinen Diamant aufweisen.
  • Das Sintercarbid-Substrat 12 hat eine kreiszylindrische Gestalt und hat eine erste Oberfläche 16, die im wesentlichen ebenflächig ist, sowie eine zweite Oberfläche 18, in der eine Vielzahl beabstandeter paralleler Leisten bzw. Rippen 22 ausgebildet sind. Zwischen nebeneinanderliegenden Rippen befinden sich jeweils die parallelen Nuten 24.
  • Die Rippen laufen kurz vor dem Außenrand des Substrats aus, so daß die Rippengruppe vollständig von einem Bodenbereich 20 der Oberfläche 18 umgeben ist. Jede Nut wird von zwei parallelen Seitenflächen 26 der zugehörigen Rippen 22 sowie einem gekrümmten Boden 23 gebildet.
  • Der Verbundkörper wird typischerweise hergestellt, indem man zunächst das Substrat 12 mit glatter Ober- und Unterseite sintert. Sodann werden in der Oberfläche 18 die Rippen 22 auf geeignete Weise eingeschnitten bzw. eingeätzt. Die Rippen können, wie dargestellt, parallele Seitenflächen 26 haben, so daß ihre Breite über die gesamte Länge und Tiefe konstant ist. Alternativ können die Seitenflächen zu einer Schwalbenschwanzgestalt geneigt sein. Dann wird das mit den Vertiefungen versehene Substrat in eine herkömmliche Presse eingesetzt und werden Körner von polykristallinem Diamant auf seine Oberfläche bis über die Rippen 22 hinaus aufgetragen. Man setzt nun die Diamantkörner und das Sintercarbid-Substrat einem sehr hohen Druck bei sehr hoher Temperatur aus, so daß die Diamantkörner sich miteinander und mit dem Sintercarbid-Substrat verbinden. Die Grundlagen dieses Preßschritts sind bspw. in der US-PS 3 767 371 (Wentfort, Jr.) beschrieben.
  • Das Diamantmaterial füllt die Nulen 24 und den Bereich um die Rippen 22 herum vollständig aus. Folglich bildet das Diamantmaterial in den Nuten 24 seinerseits Rippen bzw. Leisten, die mit den Rippen bzw. Leisten 22 des Substrats verkämmt sind. Die diesem Vorgang durch das Vorhandensein der Rippen 22 und Nuten 24 zuzuschreibenden Vorteile sind in der US-PS 4 784 023 erläutert.
  • Bspw. wandert beim Aufbringen von Wärme und Druck in der Presse das bindende Metall (bspw. Cobalt) aus dem Sintercarbid aus und diffundiert flüssig durch den Diamant. Dabei sintert das Cobalt die Diamantkörner und besetzt die Poren zwischen ihnen. Wie sich herausgestellt hat, fördert das Vorliegen der Rippen und Nuten eine gleichmäßigere Verteilung des Metallbindemittels in den Rippen der Diamantschicht. In dieser Hinsicht ist einzusehen, daß das Vorhandensein der Rippen und Nuten den Gesamt-Flächeninhalt der Grenzfläche zwischen dem Diamant und dem Sintercarbid und damit auch der Fläche vergrößert, über die Cobalt auswandem kann. Weiterhin wird die vom Cobalt zurückzulegende Entfernung verringert, da die Sintercarbid-Rippen tief in die Diamantschicht hinein vorstehen. Weiterhin kann das Cobalt in drei Richtungen - anstatt nur einer - durch die Diamantrippen fließen, so daß das Metall-Bindemittel sich gleichmäßiger durch die gesamte Diarnantschicht verteilt. Aus den bereits diskutierten Gründen wirkt diese gleichmäßige verteilung der Bildung von Spannungsspitzen in der Diamantschicht beim Erwärmen oder Abkühlen des Verbundkörpers entgegen, da die - an sich regellos gerichteten - Spannungen einander eher entgegenwirken und damit aufheben.
  • Ebenso ist einzusehen, daß ein erfindungsgemäß ausgebildeter Verbundkörper die zwischen dem Diamant und dem Sinterkarbid auftretenden Wärmespannungen minimiert. Bei einem Verbundkörper nach dem Stand der Technik, bei dem die Grenzfläche zwischen der Diamantschicht und dem Substrat ebenflächig ist, führt die Unterschiedlichkeit der Wärmeausdehnungsbeiwerte zwischen dessen beiden Bestandteilen zu Spannungen entlang der Grenzfläche Der erfindungsgemäße Verbundkörper kann jedoch als drei Zonen - d.h. eine Zone aus Diamant, eine Zone aus Sinterkarbid sowie eine Zwischenzone aus den Diamant- und Carbidrippen - aufweisend betrachtet werden. Diese Diamant/Carbid-Zwischenzone hat foglich einen Wärmeausdehnungsbeiwert etwa in der Mitte zwischen denen der Diamant- und der Sintercarbidzone allein. Die Zwischenzone wirkt folglich als Puffer- bzw. als Zwischenzone mit allmählichem Spannungsübergang, um die zwischen der Diamant- und der Sintercarbidzone auftretenden Spannungen zu minimieren.
  • Weiterhin wird dafürgehalten, daß die Höhe der zwischen dem Diamant- und dem Sintercarbidbereich auftretenden Wärmespannungen von der Größe der stetigen ununterbrochenen Grenzfläche zwischen diesen Bereichen abhängt. Erfindungsgemäß ist die Grenzfläche von den Nuten zu einer Folge kleinerer Flächen unterteilt, wobei die in diesen auftretenden Spannungen nicht kumulativ wirken, so daß die Gesamtspannung weitaus niedriger ist als beim Fehlen der Rippen und Nuten, d.h. bei ebener Grenzfläche.
  • Es ist also einzusehen, daß das Metall-Bindemittel sehr gleichmäßig durch die Rippen der Diamantschicht verteilt wird, so daß dem Auftreten örtlicher Spannungspitzen entgegengewirkt wird. Weiterhin maximiert das Vorliegen des Metall-Bindemittels in der Diamantschicht deren Schlagbzw. Stoßwiderstand; auch wird die Rißbildung infolge einer Rückwandlung der Diamantkörner abgeschwächt.
  • Das Vorliegen der Zwischenzone aus miteinander abwechselnden Diamant- und Sintercarbidrippen dient dazu, als Grenzfläche mit allmählichem Spannungsübergang die Höhe von Wärmespannungen geringzuhalten. So liegt der Wärmeausdehnungsbeiwert dieser Zwischenzone etwa in der Mitte zwischen denen von Diamant und Sintercarbid. Diese Wärmeausdehnungsbeiwerte (Diamant: ca. 45 cm/cm/ºC x 10&supmin;&sup7;; Sintercarbid: ca. 60 - 65 cm/cm/ºC x 10&supmin;&sup7;) liegen eigentlich verhältnismäßig dicht beieinander. Der Wärmeausdehnungsbeiwert der Zwischenschicht beträgt ca. 52 - 5 cm/cm/ºC x 10&supmin;&sup7;, was die Höhe von Wärmespannungen auf tragbare Werte verringert.
  • Wie oben erwähnt, sind diese Vorteile in der US-PS 4 784 023 erörtert. Erfindungsgemäßg bildet die Gruppe von Rippen 22 (d.h. aus Diamant über dem Boden 20) einen allgemein kreisrunden Bereich 30 konstanter Breite W, der beim Abkühlen des Verbunds schrumpft und daher radial einwärts gegen die Rippen 22 kontrahiert, um diese zu verstärken. Diese radiale Verstärkung wirkt der Bildung und Fortpflanzung von Rissen im Carbid entgegen.
  • Diese radiale Verstärkung durch den Ringbereich 30 der Diamantschicht wirkt also der Neigung zur Rißbildung an den Rippenfüßen des Substrats 12 infolge des "Kerbeffekts" wirkungsvoll entgegen. Hierzu sollte, wie einzusehen ist, der Ringbereich 30 mindestens so tief hinabreichen wie die Nuten 24. Der Boden 20 sollte also nicht höher liegen als die Büden 23 der Nuten 24. Falls erwünscht, könnte der Boden 20 tiefer hinabreichen als der der Nuten, wie in Fig. 1 gestrichelt angedeutet. Weiterhin ist die Breite W vorzugsweise größer als die der Nuten und die der Rippen.
  • Bei dem Gemisch mit Diamantteilchen zur Ausbildung der Diamantschicht 14 handelt es sich um eine homogene Mischung aus kleinen Teilchen mit einem Korngröße im Bereich von 25 bis 75 µm, vorzugsweise etwa 40 µm. Die Verwendung eines feinteiligen Diamants (im Gegensatz zu groben Teilchen) maximiert die Schrumpfung des Diamantrings 30 beim Abkühlen und verbessert damit die Radialverstärkung der Carbidrippen. In diese Hinsicht wird in einer Schicht aus feinteiligern Diamant der Hohlraum zwischen den Teilchen maximiert. Beim Sintern wird dieser Hohlraum vom Füllmetall (bspw. Cobalt) besetzt, das aus dem Sintercarbid in die Diamantschicht auswandert. Die resultierende Diamantschicht enthält daher einen größeren Anteil Cobalt als eine Diamantschicht aus gröberen Teilchen und schrumpft beim Kühlen stärker. Die Rippen werden daher vom Ring 30 besser verstärkt.
  • Darüberhinaus weist ein feinteiliger Diamant einen höheren (größenordnungsmäßig bspw. den doppelten bis dreifachen) Abriebwiderstand und eine höhere (größenordnungsmäßig bspw. etwa die vierfache) Quer-Bruchfestigkeit auf als ein grobkörniger Diamant.
  • Schließlich hat ein erfindungsgemäßer Preßling eine Schlag- bzw. Stoßfestigkeit von etwa dem Vierfachen eines bekannten Preßlings ohne Rippen und mit einem Diamant-Teilchengröße von ca. 25 µm bzw. ewa dem Doppelten eines herkömmlichen Preßlings nach der US-PS 4 784 023 mit etwa 80 µm Diamant- Teilchengröße
  • Bei der Prüfung zeigte ein erfindungsgernäßer Preßling gegenüber einem Preßling mit Rippen nach der US-PS 4 784 023 eine signifikant höhere Anzahl von Bohrstunden und eine erheblich längere Bohrstrecke.
  • Die Höhe der Rippen kann gleich der oder höher sein als die - vom Boden 20 aus gemessene - Gesarnthöhe der Diamantschicht. Die Oberseite der Diamantschicht kann entlang des Außenrandes gefast sein, wie in den Fig. 1 und 2 bei 40 gezeigt.
  • Der Preßling 10 kann auf einen geeigneten Lagerkörper wie einen Carbidstutzen 32 (Fig. 4) mit einer zur Stutzenachse schiefwinkligen Montagefläche 34 aufgesetzt sein.

Claims (9)

1. Schleifendes Verbund-Bohrelement zum Aufsetzen auf einen Meißel zum Bohren in unterirdischen Formationen, mit einem Substrat (12) alls Sinterkarbid mit einer Oberfläche, in der eine Vielzahl beabstandeter Leisten (22) zwischen sich Nuten (21) belassen, sowie einer mit der genannten Oberfläche verklebten gesinterten Diamantschicht (14) mit einer größeren Dicke als die Tiefe der Nuten, wobei die Diamantschicht eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung von Diamantteilchen einer Korngröße im Bereich von etwa 25 bis 75 µm aufweist und die Diamantschicht (14) die Nuten (24) füllt, µm Diamantleisten zu bilden, die mit den Leisten (22) des Substrats verkämmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die verkämmten Leisten radial einwärts vom Außenumfang des Substrats (12) so angeordnet sind, daß die Diamantschicht (14) einen allgemein kreisförmigen Ringbereich (30) aufweist, der die Vielzahl verkämmter Leisten (22) umgibt und zu einer Tiefe von mindestens der der Nuten (21) hinabreicht, um als radiale Verstärkung gegen die Bildung und Fortpflanzung von Rissen zu wirken, die dazu neigen, im Substrat in der Nähe der Leisten aufzutreten.
2. Verbund-Bohrelement nach Anspruch 1, bei dem die Substrat-Oberfläche kreisförmig und der Umfangs-Ringbereich (30) der Diamantschicht (14) ringförmig sind.
3. Verbund-Bohrelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Umfangs-Ringbereich (30) der Diamantschicht (14) zu einer Tiefe im wesentlichen gleich der der Nuten (24) hinabreicht.
4. Verbund-Bohrelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Umfangs-Ringbereich (30) der Diamantschicht (14) zu einer Tiere hinabreicht, die größer ist als die der Nuten (24).
5. Verbund-Bohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die radiale Breite des Umfangs-Ringbereichs (30) der Diamantschicht (14) größer ist als die Breite der Nuten (24) und der Leisten (22).
6. Verbund-Bohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Korngröße der Diamantteilchen so gewählt ist, daß der Leerraum zwichen den Teilchen größtmöglich wird.
7. Verbund-Bohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Korngröße etwa 40 µm beträgt.
8. Verhund-Bohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Leisten (22) parallel zueinander verlaufen.
9. Verbund-Bohrelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Diamantschicht (14) auf der Oberseite entlang des Außenumfangs (40) gerast ist.
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