DE69612301T2

DE69612301T2 - Gesinterte hartmetalllegierung

Info

Publication number: DE69612301T2
Application number: DE69612301T
Authority: DE
Inventors: Thomas Northrop; Thomas Peters
Original assignee: Anglo Operations Pty Ltd
Current assignee: Anglo Operations Pty Ltd
Priority date: 1995-05-11
Filing date: 1996-05-10
Publication date: 2001-07-05
Anticipated expiration: 2016-05-11
Also published as: AU5657396A; US5830256A; PL323530A1; EP0871788A1; EP0871788B1; WO1996035817A1; DE69612301D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft die Verwendung eines Sinterkarbidschneidelements für den Bergbau im weichen Gestein oder den Straßenbau.
Sinterkarbid, auch als Hartmetall bekannt, ist ein Material, das in der Schneid- und Bergbau/Bohrindustrie umfassend verwendet wird, und umfaßt eine Masse an Karbidteilchen in einer Bindemittelphase. Die Bindemittelphase ist üblicherweise ein Übergangsmetall wie Nickel, Eisen oder Kobalt.
Das Karbid wird typischerweise Wolframkarbid, Tantalkarbid, Titankarbid oder Molybdänkarbid sein. Hartmetalle werden durch Sintern einer Mischung an Karbidteilchen mit einer Bindemittelphase in Teilchenform hergestellt.
Viele Modifikationen zur Änderung der Eigenschaften von Hartmetall wurden vorgeschlagen, um seine Eigenschaften in unterschiedlichen Anwendungen zu verbessern.
In Werkstoffe und Korrosion, 37, 230-235 (1986) wird die Verwendung von Nickel zur Verbesserung der Korrosionseigenschaften von Wolframkarbid/Kobalt für Ventilteile, Dichtungsringe, Düsen und als Abriebteile für andere Anwendungen in der chemischen Industrie vorgeschlagen. In "Hard Metals and other Hard Materials", 2. Ausg. 1992 (Herausgeber International Carbide Data) S. 159, wird die Verwendung von Wolframkarbid/Kobalt mit Korngrößen bis zu 10 Mikrometer oder mehr für Gesteinsschlagbohren beschrieben.
Die Europäische Patentschrift Nr. 0 288 775 beschreibt ein Erde bearbeitendes Werkzeug, dessen Arbeitselement aus gesinterten Wolframkarbidzusammensetzungen mit verbesserten Eigenschaften hergestellt ist. Dies wird durch Verwendung von Kobaltmetall als dem Bindemittel in einem Bereich von 4,5% bis 12,0% und groben WC Körnern erreicht, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Es ist bekannt, daß Hartmetalle auf Kobaltbasis in sauren Umgebungen an Korrosionsrissen aufgrund von Beanspruchung leiden.
Während dem Bohren wird die überschüssige Energie, die erforderlich ist, um Gesteinsformationen zu schneiden/- brechen, in Hitze umgewandelt. Diese Hitze, die an der Oberfläche des Schneidelements erzeugt wird, muß schnell von den Oberflächenschichten entfernt werden, um thermischen Schaden zu vermeiden. Dieser lokale thermische Zyklus ist von der thermischen Leitfähigkeit abhängig und führt zur thermischen Ausdehnung und wechselnder Zugbeanspruchung zwischen den unterschiedlichen Temperaturfeldern in den Oberflächenschichten. Wenn die Zugfestigkeit des Basishartmetallmaterials zwischen den zwei Temperaturfeldern überschritten wird, werden thermische Risse auftreten, die als "Schlangenhaut" gut bekannt sind. Die Ausbreitung dieser thermisch induzierten Risse tritt während ausgedehntem Bohren auf, das zu frühem Bruch und verminderter Lebensdauer der Bestandteile führt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung eines gesinterten Karbidschneidelements für den Bergbau in weichem Gestein oder den Straßenbau geliefert, wie in Anspruch 1 angegeben wird. Das so erzeugte Sinterkarbid weist eine Karbidphase und eine Nickelbindemittelphase auf und ist in sauren wäßrigen Umgebungen wie jenen, die in Minen angetroffen werden, widerstandsfähiger gegen Korrosionsrisse aufgrund von Beanspruchung.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 und 2 sind optische Mikrophotographien von Nickel gebundenem Sinterkarbid und Kobalt gebundenem Sinterkarbid, jeweils in 1000facher Vergrößerung, und
Fig. 3 und 4 sind Rasterelektronenmikrophotographien der abgenützte Oberflächen von Nickel und Kobalt gebundenem Sinterkarbid.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGEN

Das Sinterkarbid, das in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet wird, weist die Verwendung von grob gekörnten Karbidteilchen und 3-12% Nickel als die Bindemittelphase auf. Es wurde nachgewiesen, daß derartige Sinterkarbide eine höhere thermische Leitfähigkeit aufweisen als ein ähnliches Sinterkarbid, das Kobalt als Bindemittelphase verwendet. Als Ergebnis wird während dem Bohren von Gesteinsformationen die Hitze, die an den Arbeitsoberflächen erzeugt wird, leichter aus der Masse der Struktur entfernt, wodurch das Auftreten von thermischen Rissen oder "Schlangenhaut" verringert wird. Diese Eigenschaft macht das Sinterkarbid gut geeignet als das Material zur Herstellung der Schneidelemente von Bergbauwerkzeugen für weiches Gestein und Straßenbauwerkzeugen. Weiches Gestein weist eine Druckfestigkeit von unter 240 MPa und im allgemeinen unter 100 MPa auf. Beispiele von derartigem Gestein sind Kohle, Sandstein, Schiefer und Pottasche.
Die Karbidteilchen sind ein grobes Korn mit einer durchschnittlichen Größe von zumindest 10 Mikrometer. Typischerweise werden die Karbidteilchen eine Größe im Bereich von 10-50 Mikrometer und vorzugsweise von 20-40 Mikrometer aufweisen.
Das Bindemittel ist Nickel und wird in der Ausgangsmischung in Teilchenform verwendet. Das Nickelpulver wird vorzugsweise ein feines Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als 5 Mikrometer, vorzugsweise 1-3 Mikrometer sein.
Alle Teilchengrößen in der Beschreibung und den Ansprüchen bedeuten durchschnittliche Teilchengrößen.
Das Sintern der Mischung zum Sinterkarbid wird unter bekannten Bedingungen stattfinden. Im allgemeinen wird die Sintertemperatur von 1300 bis 1500ºC verwendet. Das Sintern wird im allgemeinen bei einem Druck von weniger als 2 · 10&supmin;² mbar oder heiß isostatisches Sinterpressen bei einem Überdruck von 10-50 bar in Anwesenheit eines Inertgases stattfinden.
Das mit dem Verfahren der Erfindung erzeugte Sinterkarbid kann zur Herstellung eines bekannten Schneidelements für ein Bergbauwerkzeug für weiches Gestein wie eine Haue verwendet werden. Ein Beispiel eines derartigen Schneidelements wird in der Europäischen Patentschrift Nr. 0 288 775 dargestellt, die hier durch Verweis aufgenommen ist.

Beispiel 1 (nicht für Minen, Teil der Erfindung)

Eine Pulvermischung von grobkörnigem Wolframkarbid (durchschnittliche Teilchengröße von mehr als 20 Mikrometer), Nickel (z. B. äußerst feines Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 1 Mikrometer) Wolframmetall und Kohlenstoff wurden in einer Kugelmühle mit Hexan gemahlen, das 2 Gewichts% Paraffinwachs enthielt. Das Verhältnis Kugeln/Beschickung beträgt 1 : 1. Die Mahlgeschwindigkeit betrug 65 rpm und die Mahlzeit 12 Stunden. Nach dem Mahlen wurde die Pulvermischung getrocknet und granuliert. Das granulierte Pulver wurde dann auf herkömmliche Weise zu unterschiedlichen Testbestandteilen gepreßt. Die gewachsten Bestandteile wurden, sobald sie gepreßt waren, in einem kombinierten Zyklus von Entwachsen, Vorheizen, Sintern bei etwa 1380ºC gesintert. Der Sinterzyklus bezog das Sintern unter einem Druck von weniger als 2 · 10&supmin;² mbar, gefolgt von Sintern in Anwesenheit von Argon über Atmosphärendruck, typischerweise mit 45 bar Überdruck ein.
Die gesinterten Produkte wiesen die folgenden Zusammensetzungen auf:
Bestandteile Bereich in Massen%
Wolframkarbid 88% bis 97%
Nickel 12% bis 3%
Es wurde nachgewiesen, daß das gesinterte Produkt eine grobe Wolframkarbidphase aufwies (typischerweise 6-25 Mikrometer) und eine Nickelbindemittelphase.

Beispiel 2

Ein grobkörniges WC Ausgangspulver zwischen 20-40 Mikrometer wurde mit einem Nickelpulver der Korngröße 1-3 Mikrometer gemahlen. Die Mahlbedingungen waren:
Kugelmühle für 12 Stunden
Kugelgröße 14 mm
Mahlgeschwindigkeit 65 rpm
Verhältnis Kugel/Beschickung 1 : 1
Mahlmittel Hexan
Aufschlämmverhältnis 70-80%
2% Wachs als Schmiermittel beim Pressen zur Mühle zugegeben
Nach dem Mahlverfahren wurde das Pulver in der Kugelmühle unter Vakuum auf einem Wasserbad bei 75ºC getrocknet. Das getrocknete Pulver wurde gesiebt, um die mahlenden Kugeln mit 14 mm Durchmesser zu entfernen, gefolgt von Granulieren in einem Trommelgranulator zur Erhaltung einer Korngröße zwischen 90 und 350 Mikrometer.
Das granulierte Pulver wurde in einer hydraulischen Presse unter Verwendung eines Drucks zwischen 9,3 und 23 · 10&sup7; Pa auf die gewünschte Form der Schneideinsätze verdichtet.
Die gepreßten Bestandteile wurden unter Verwendung eines kombinierten Zyklus von Entwachsen, Vorheizen, Sintern bei 1450ºC und einem Argon Überdruck von typischerweise 45 bar (45 · 10&sup5; Pa) gesintert.
Die gerade gesinterten Bestandteile wurden dann zu einem EN19 Stahlkörper gelötet, um eine Werkzeughaue für Kohle zu erzeugen.
Es wurde nachgewiesen, daß das gesinterte Karbid, das durch die oben beschriebenen Beispiele erzeugt wurde, unter sauren Bedingungen, die in Minen und anderen Umgebungen angetroffen werden, widerstandsfähiger gegen Korrosionsrisse aufgrund von Beanspruchung war, eine höhere thermische Leitfähigkeit aufgrund der größeren Kornmorphologie und dem Nickelbindemittel aufweist und während dem Bohren von Gesteinsformationen weniger anfällig für "Schlangenhaut" oder thermische Risse ist als ein ähnlich gesintertes Karbid, das Kobalt als die Bindemittelphase verwendet.
Die folgende Tabelle zeigt die Vergleichswerte für gesintertes Wolframkarbid (WC) mit 9,5% Nickel und 9,5% Kobalt, die unter ähnlichen Verfahrensbedingungen erzeugt wurden, die oben beschrieben wurden.
Typische optische Mikrophotographien der Nickel gebundenen Einsätze und der Kobalt gebundenen Einsätze werden in Fig. 1 und Fig. 2 mit derselben Vergrößerung (· 1000) gezeigt.
Eine Analyse von zumindest 1000 Körnern am Leica Bildanalysator zeigte, daß das Nickel gebundene Material eine Korngröße von 7,0 Mikrometer und das Kobalt gebundene Material eine Korngröße von 5,3 Mikrometer aufwies. Der Unterschied der Korngröße wird ebenso in den aufgenommenen Härtegraden widergespiegelt.
Es war ebenso bemerkbar, daß die WC Körner in der Nickelmatrix gerundeter und in der Kobaltmatrix winkeliger sind. Der Leica Bildanalysator mißt ein Merkmal, das Rundheit genannt wird. Wenn der Rundheitsfaktor R = 1 ist, dann ist das Teilchen perfekt rund, d. h. der Abstand vom Zentrum zu jeder Kante ist der gleiche. Das WC in der Nickel gebundenen Qualität wies einen R Wert von 1,47 auf, und das WC in der Kobalt gebundenen Qualität wies einen R Wert von 1,67 auf. Das zeigt an, daß die WC Körner im Nickel gebundenen Produkt stärker gerundet sind.

Werte aus Feldversuchen

Hauen, die die Einsätze verwenden, die aus dem WC hergestellt werden, das mit 9,5% Nickel gebunden ist, wurden in der Goedehoop Kohlengrube Feldversuchen unterworfen. Standardkobalthauen wurden ebenso auf der gleichen Trommel an einer kontinuierlichen Tunnekvortriebsmaschine JOY 12 HM21 geprüft. Die Kohlengrube verwendet die Strecken- und Pfeilerbergbaumethode, bei der Richtstollen mit 6,5 Meter Breite und 4,0 Meter Höhe mit einer kontinuierlichen Tunnelvortriebsmaschine geschnitten werden.
Die 56 Hauen auf der Trommel wurden durch 28 Nickel gebundene Hauen und 28 Kobalt gebundene Standardhauen ersetzt, die auf zufällige Weise angeordnet wurden. Jede Haue wurde beziffert, so daß eine Aufnahme der Kohleförderung, die pro Haue geschnitten wurde, überprüft werden konnte.
Im Durchschnitt schnitten die Nickel gebundenen Hauen 45,5 Tonnen Kohle pro Haue im Vergleich zu den 38,6 Tonnen pro Haue der Standardkobaltqualität. Dies ist eine Verbesserung um 17.8%.
Die Abnützungsmechanismen der Nickel gebundenen und Kobalt gebundenen WC Hauen wurden sowohl optisch als auch mit dem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Makroskopisch waren die abgenützten Oberflächen der zwei Hartmetallqualitäten sehr ähnlich.
Die Abnützung schritt mit radial gleichmäßiger Abnützung des Einsatzes fort, gefolgt von der Entwicklung von abgenützten Flächen, und größere Stücke werden dann durch Bruch und Abrieb von der Oberfläche abgenützt. Das ist sowohl für die Nickel gebundenen als auch die Kobalt gebundenen Hauen die makroskopische Art des Schadens.
Im mikroskopischen Maßstab wurde nachgewiesen, daß die abgenützte Oberfläche des Kobalt gebundenen WC sich von jener des Nickel darin unterschied, daß es weniger Verluste der WC Körner gab. Im Fall des Kobalt gebundenen WC scheint es, daß die WC Körner brechen, bevor sie an der Oberfläche abgenützt werden.
Typische Rasterelektronenmikrophotographien mit den gleichen Vergrößerungen zeigen den Unterschied zwischen den abgenützten Oberflächen der Nickel und Kobalt gebundenen Hauen - siehe Fig. 3 und 4. Die Kobalt gebundene, abgenützte Oberfläche zeigt WC Körner, die zahlreiche Risse enthalten, die auf der abgenützten Oberfläche der Nickel gebundenen, abgenützten Oberfläche nicht ersichtlich sind.

Claims

1. Verwendung eines Sinterkarbidschneidelements für den Bergbau im weichen Gestein oder den Straßenbau, das aus einem grobkörnigen Wolframkarbid in einem Nickelbindemittel besteht, wobei das Nickelbindemittel aus 3-12 Massen% des Sinterkarbids besteht.

2. Verwendung eines Sinterkarbidschneidelements für den Bergbau im weichen Gestein oder den Straßenbau entsprechend Anspruch 1, wobei das Sinterkarbid durch Mahlen einer Mischung an grobkörnigem Wolframkarbid mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von zumindest 10 Mikrometer und einem Bindemittel, das aus Nickel in Teilchenform besteht, und dann Sintern der Mischung erzeugt wurde, wobei das gesinterte Produkt 3 -12 Massen% Nickel aufweist.

3. Verwendung wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei die grobkörnigen Wolframkarbidteilchen vor dem Mahlen eine durchschnittliche Teilchengröße von 10 bis 50 Mikrometer aufweisen.

4. Verwendung wie in Anspruch 2 beansprucht, wobei die grobkörnigen Wolframkarbidteilchen vor dem Mahlen eine durchschnittliche Teilchengröße von 20-40 Mikrometer aufweisen.

5. Verwendung wie in einem der Ansprüche 2 bis 4 beansprucht, wobei das Nickelbindemittel vor dem Mahlen eine Teilchengröße von weniger als 5 Mikrometer aufweist.

6. Verwendung wie in Anspruch 5 beansprucht, wobei das Nickelbindemittel vor dem Mahlen eine Teilchengröße im Bereich von 1 bis 3 Mikrometer aufweist.

7. Verwendung wie in einem der Ansprüche 2 bis 6 beansprucht, wobei das Sintern der Mischung bei einer Temperatur im Bereich von 1300-1500ºC stattfindet.

8. Verwendung eines Sinterkarbidschneidelements für den Bergbau im weichen Gestein oder den Straßenbau entsprechend Anspruch 1, wobei das Wolframkarbid eine Teilchengröße im Bereich von 6 bis 25 Mikrometer aufweist.