DE69919955T2

DE69919955T2 - Verfahren zum Herstellen von Drehbohrmeisseln

Info

Publication number: DE69919955T2
Application number: DE69919955T
Authority: DE
Inventors: Steven Martin Standish Evans; Andrew Eastington Bell
Original assignee: Camco International UK Ltd
Current assignee: ReedHycalog UK Ltd
Priority date: 1998-10-22
Filing date: 1999-10-13
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2019-10-14
Also published as: GB9822979D0; EP0995876A2; GB2342876B; GB9924110D0; GB2342876A; DE69919955D1; EP0995876B1; US6148936A; EP0995876A3

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von Rotary-Bohrmeißeln und insbesondere Rotary-Blattbohrmeißeln der Art, die einen Meißelkörper mit einem Gewindeschaft zum Anschluss ein einen Bohrstrang und eine Vorderfläche umfasst, an der eine Vielzahl von Schneiden angebracht wird.
Die Schneiden können zum Beispiel Vorform-Schneidelemente sein, die eine Schicht aus einem superharten Material, wie beispielsweise polykristallinem Diamanten, verbunden mit einem Substrat aus einem weniger harten Material, wie beispielsweise gesintertem Wolframkarbid, umfassen. Das Substrat des Schneidelements kann, zum Beispiel durch Hartlöten, mit einem Träger verbunden werden, der ebenfalls aus gesintertem Wolframkarbid bestehen kann, wobei der Träger in eine Fassung an der Vorderfläche des Meißelkörpers hartgelötet wird. Als Alternative dazu kann das Substrat der Schneide selbst eine ausreichende Größe haben, um unmittelbar in eine Fassung im Meißelkörper hartgelötet zu werden.
Blattbohrmeißel dieser Art sind gewöhnlich von zwei Grundtypen. Der Meißelkörper kann aus Metall, üblicherweise Stahl, spanend hergestellt werden, und in diesem Fall werden die Fassungen zum Aufnehmen der Schneiden im Meißelkörper durch herkömmliche Spanverfahren hergestellt. Die vorliegende Erfindung betrifft jedoch ein alternatives Herstellungsverfahren, bei dem der Meißelkörper unter Anwendung eines Pulvermetallurgieverfahrens hergestellt wird. Bei diesem Verfahren wird ein Metalldorn innerhalb einer Graphitform, deren Innenform der gewünschten Außenform des Meißelkörpers entspricht, angeordnet. Der Raum zwischen dem Dorn und dem Innern der Form wird mit einem teilchenförmigen Matrizenformmaterial, wie beispielsweise Wolframkarbidteilchen, gefüllt, und danach wird dieses Material mit einer Bindelegierung, üblicherweise einer Kupferlegierung, infiltriert, in einem Ofen, der auf eine ausreichend hohe Temperatur gebracht wird, um die Infiltrationslegierung zu schmelzen und zu bewirken, dass sie durch die Schwerkraft nach unten durch die Matrizenformteilchen infiltriert. Der Dorn und das Matrizenmaterial werden danach auf Raumtemperatur abgekühlt, so dass das Infiltrat fest wird, um so mit den Teilchen eine massive infiltrierte Matrize zu bilden, die den Metalldorn umschließt und mit demselben verbunden ist.
Fassungen zum Aufnehmen der Schneiden werden in der Matrize durch Anbringen von Graphit-Formkernen in der Form, bevor sie mit dem Teilchenmaterial gefüllt wird, hergestellt, um so Fassungen in dem Material zu definieren, wobei die Formkerne nach dem Herstellen der Matrize aus den Fassungen entfernt werden. Als Alternative oder zusätzlich dazu können die Fassungen spanend in der Matrize hergestellt werden. Die Schneiden werden üblicherweise durch Hartlöten in den Fassungen befestigt.
Um die Schneiden an ihren Platz hartzulöten, werden die Schneiden mit einer Zufuhr von Hartlötlegierung in ihren jeweiligen Fassungen angeordnet. Danach wird der Meißelkörper mit den Schneiden an ihrem Platz in einem Ofen auf eine Temperatur erhitzt, bei der die Hartlötlegierung schmilzt und sich durch Kapillarwirkung zwischen den Innenflächen der Fassungen und den Außenflächen der Schneiden verteilt, wobei ein geeignetes Flussmittel verwendet wird, um diesen Vorgang zu erleichtern.
Während des Vorgangs des Hartlötens der Schneiden an den Meißelkörper muss der Meißelkörper auf eine Temperatur erhitzt werden, die üblicherweise im Bereich von 500° bis 750° liegt, und bei den bisher bei der Herstellung der Meißelkörper von Rotary-Blattbohrmeißeln verwendeten Stählen hat der während des Infiltrierens der Matrize und während des Hartlötens des Schneiden in ihrer Position eingesetzte Erhitzungs- und Abkühlungszyklus die Wirkung, die Härte und die Festigkeit des Stahls zu verringern. Angesichts dessen ist es allgemeine Praxis, den Stahldorn eines Matrizenbohrers in zwei Teilen herzustellen. Ein erster Teil wird innerhalb der Form angebracht, so dass die massive infiltrierte Matrize damit verbunden werden kann, und der zweite Teil des Dorns, der den Gewindeschaft bereitstellt, wird anschließend an den ersten Teil geschweißt, nachdem die Matrize hergestellt worden ist und nachdem die Schneiden in die Fassungen in der Matrize hartgelötet worden sind. Die Härte und die Festigkeit des Teils des Dorns, der den Gewindeschaft bereitstellt, werden daher weder durch das Hartlötverfahren noch durch den Erhitzungs- und Abkühlungszyklus des Infiltrationsverfahrens verringert.
Es wäre wünschenswert, diese Notwendigkeit, nach dem Herstellen der Matrize einen gesonderten Schaftteil an den Dorn zu schweißen, zu vermeiden, da dies nicht nur die Kosten des Herstellungsverfahrens erhöht, sondern die Notwendigkeit, die Teile zusammenzuschweißen, die Konstruktion des Meißelkörpers beeinträchtigen kann. Zum Beispiel muss der Meißelkörper von ausreichender Länge und so geformt sein, dass er einen Bereich bereitstellt, an dem die zwei Teile zusammengeschweißt werden können. Dementsprechend könnte ein einteiliger Dorn von kürzerer Länge sein als ein zweiteiliger Körper, und dies kann Vorteile haben, insbesondere, wenn der Bohrmeißel für die Verwendung in lenkbaren Bohrsystemen bestimmt ist.
Es ist klar, dass die Notwendigkeit, nach dem Herstellen der Matrize einen gesonderten Schaftteil an den Dorn des Meißels zu schweißen, vermieden werden könnte, falls der Dorn aus einem Material herzustellen wäre, dessen Härte und Festigkeit während des beim Hartlöten der Schneiden an den Bohrmeißel eingesetzten Erhitzungs- und Abkühlungszyklus' nicht verringert würden. Dies würde ermöglichen, dass der Dorn in einem Stück hergestellt wird, einschließlich eines Abschnitts zum Bereitstellen des Gewindeschafts des Bohrmeißels.
Eine Art von Material, die für diesen Zweck verwendet werden könnte, ist eine Ausscheidungshärtungslegierung, wie beispielsweise ein ausscheidungshärtender Stahl oder rostfreier Stahl. Es ist ein Charakteristikum einer Ausscheidungshärtungslegierung, dass sie aushärtet, wenn sie einem geeigneten Erhitzungs- und Abkühlungszyklus ausgesetzt wird, und daher ist es möglich, den Erhitzung- und Abkühlungszyklus, dem der Bohrmeißel während des Hartlötens der Schneiden an den Bohrmeißel ausgesetzt wird, auf eine solche Weise zu steuern, dass die Legierung des Dorns ausgehärtet wird.
Jedoch haben Legierungen dieser Art andere thermische Eigenschaften als die um den Dorn beim Herstellen des Matrizenbohrmeißels geformte Matrize, und ein Ergebnis dieser Fehlanpassung von thermischen Eigenschaften kann eine Neigung der Matrize sein, entweder während des Abkühlens der Matrize und des Dorns anschließend an das Infiltrieren der Matrize oder in dem nachfolgenden Erhitzungs- und Abkühlungszyklus zum Hartlöten der Schneiden an den Meißelkörper zu zerspringen.
Die vorliegende Erfindung nimmt sich vor, dieses Problem zu überwinden, während sie noch ermöglicht, dass der Dorn einen Abschnitt einschließt, um den Gewindeschaft des Bohrmeißels bereitzustellen, ohne die Notwendigkeit, einen solchen Abschnitt nach der Herstellung des Matrizenmeißels an den Dorn zu schweißen.
WO 98/13159 beschreibt einen Rotary-Bohrmeißel, hergestellt unter Verwendung eines zweiteiligen Dorns, mit dem ein Matrizenformmaterial durch Infiltrieren mit einem Bindemittel verbunden wird.
Nach der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Herstellen eines Rotary-Bohrmeißels von der Art, die einen Meißellkörper mit einem Gewindeanschlussbereich zum Anschluss an einen Bohrstrang und eine Vorderfläche hat, an der Schneiden angebracht werden, wobei das Verfahren den Schritt einschließt, einen Metalldorn innerhalb einer Form anzuordnen, die Form um wenigstens einen Teil des Dorns mit teilchenförmigem Matrizenformmaterial zu füllen, das Material bei einer erhöhten Temperatur mit einer geschmolzenen Bindelegierung zu infiltrieren und das Material, die Bindelegierung und den Dorn abzukühlen, um eine massive, an den Dorn gebundene, infiltrierte Matrize herzustellen, wobei der Dorn in wenigstens zwei Teilen hergestellt wird und einen äußeren Teil, umschlossen von einem Hauptkörper aus dem Matrizenformmaterial, und einen inneren Teil einschließt, der mit dem äußeren Teil des Dorns ineinandergreift und außer Kontakt mit dem Hauptkörper aus Matrizenformmaterial ist, und dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem inneren und dem äußeren Teil des Dorns eine Hartlötfuge bereitgestellt wird, die während des Infiltrierens des Matrizenformmaterials bei einer erhöhten Temperatur mit einer geschmolzenen Hartlötlegierung gefüllt wird, um so den inneren Teil an den äußeren Teil hartzulöten.
Durch das Herstellen des Dorns in zwei Teilen auf diese Weise kann der innere Teil des Dorns solche Eigenschaften haben, dass seine Festigkeit und Härte bei dem Infiltrationsverfahren und dem anschließenden Erhitzungs- und Abkühlungszyklus zum Hartlöten der Schneiden an den Bohrmeißel nicht verringert werden. Dies festigt nicht nur den Bohrmeißel als Ganzes, sondern ermöglicht außerdem, dass der innere Teil des Dorns einen Abschnitt einschließt, um den Gewindeanschlussbereich des Bohrmeißels bereitzustellen, da der innere Teil des Dorns eine ausreichende Festigkeit und Härte für diesen Zweck haben wird. Gleichzeitig kann der äußere Teil des Dorns aus einem Material gewählt werden, das thermische Eigenschaften näher an denen des Matrizenhauptkörpers hat, was folglich die Neigung der Matrize, unter thermischer Beanspruchung zu zerspringen, verringert oder beseitigt.
Dementsprechend kann der innere Teil des Dorns aus einer Ausscheidungshärtungslegierung hergestellt werden, wobei das Verfahren den Schritt einschließt, den Dorn auf eine Weise einem Erhitzungs- und Abkühlungszyklus zu unterwerfen, dass die Ausscheidungshärtung der Legierung bewirkt wird, aus welcher der innere Teil hergestellt wird. Zum Beispiel kann der Erhitzungs- und Abkühlungszyklus der beim Infiltrationsverfahren und/oder bei einem Verfahren zum anschließenden Hartlöten von Schneiden an den Meißelkörper angewendete sein. Die Legierung kann ein ausscheidungshärtender Stahl sein. Zum Beispiel kann sie ein martensitischer oder ein semiaustenitischer Stahl sein. Sie kann ein rostfreier Stahl sein. Jedoch ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von Stahl oder rostfreiem Stahl für den inneren Teil des Dorns begrenzt, und die Verwendung von anderen Legierungen und insbesondere Ausscheidungshärtungslegierungen, zum Beispiel Legierungen auf Nickelbasis, wird erwogen. Der äußere Teil des Dorns kann aus einer nicht ausscheidungshärtenden Legierung hergestellt werden.
Wie gut bekannt ist, ist eine Ausscheidungshärtungslegierung eine Legierung, in der sehr feine Teilchen von Bestandteilen der Legierung dazu veranlasst werden können, sich aus der Ausgangslegierung auszuscheiden, d.h., sich herauszulösen und zu wachsen, um so die Legierung zu härten und zu festigen. Eine solche Ausscheidung kann dadurch bewirkt werden, dass die Legierung einem gesteuerten Erhitzungs- und Abkühlungszyklus unterworfen wird.
Das Herauslösen und Wachsen von Präzipitaten („Ausscheidung") ist ein Diffusionsvorgang, d.h., es wird durch Zeit und Temperatur gesteuert. Eine gewisse Schwellenmenge an Energie ist erforderlich, um das Herauslösen auszulösen. Bei einigen Legierungen gibt es bei Raumtemperatur ausreichend Energie, um das Herauslösen, wenn auch mit einer sehr langsamen Geschwindigkeit, auszulösen. Bei den meisten Legierungen jedoch sind eine erhöhte Temperatur und eine Mindestzeit bei dieser Temperatur erforderlich, um das Herauslösen auszulösen.
Die Größe der Niederschläge ist entscheidend für den erreichten Grad an Härte, Festigkeit und Streckbarkeit. Die Ausscheidungshärtungswirkung erwächst daraus, dass die Niederschläge eine örtliche Verwerfung des Kristallgitters verursachen. Die größte Härte (und die niedrigste Streckbarkeit) wird erreicht, wenn die Niederschläge zahlreich und außerordentlich klein sind. Wenn die Temperatur über eine Schwellentemperatur gesteigert wird, werden größere und weniger Teilchen ausgeschieden, und im Ergebnis dessen nimmt die Härte ab und die Streckbarkeit nimmt zu. Wenn die Temperatur weiter erhöht wird, kommt ein Punkt, an dem die Teilchen zu wenige und zu groß sind, um nennenswert zur Härte/Festigkeit der Legierung beizutragen.
Eine „Lösungs"-Hitzebehandlung, bei der die Legierung auf eine noch höhere Temperatur gebracht wird, bewirkt, dass die meisten der vorhandenen Niederschläge dadurch „gelöst" werden, dass sie wieder in die feste Lösung aufgenommen werden. Ein anschließendes Abkühlen auf Raumtemperatur neigt dazu, die Ausscheidungshärtungselemente in der festen Lösung festzuhalten. Je schneller die Abkühlungsgeschwindigkeit ist, desto größer ist diese Neigung. Je langsamer die Abkühlungsgeschwindigkeit ist, desto mehr Möglichkeiten bestehen, während des Abkühlungszyklus' Niederschläge herauszulösen und wachsen zu lassen. Die während des Abkühlungszyklus' von der höheren Temperatur erzeugten Niederschläge neigen dazu, weniger nutzbringend beim Steigern der Härte/-Festigkeit zu sein als jene, die durch ein anschließendes, gesondertes Ausscheidungshärtungsglühen erzeugt werden.
Das Hauptziel ist nach der Erfindung daher, die Legierung, aus welcher der innere Teil des Dorns hergestellt wird, einer Kombination von Zeit und Temperatur zu unterwerfen, die eine Ausscheidungshärtung verursacht und die optimale Härte- und Streckbarkeitskombination veranlasst. In der Theorie kann dies dadurch erreicht werden, dass erst alle Niederschläge bei einer hohen „Lösungsglühtemperatur" in Lösung genommen werden, gefolgt von einem schnellen Abkühlen auf Raumtemperatur, gefolgt von einem schnellen Erhitzen auf eine niedrigere Ausscheidungshärtungstemperatur und Halten bei dieser Temperatur für eine vorgeschriebene Zeit, gefolgt von einem raschen Abkühlen zurück auf Raumtemperatur. Die Ausscheidungshärtung kann ebenfalls durch Ausführen ausschließlich des letzteren Ausscheidungshärtungsschritts bewirkt werden.
Wie zuvor erwähnt, kann der notwendige Erhitzungs- und Abkühlungszyklus zum Bewirken der Ausscheidungshärtung des inneren Teils des Dorns durch eine geeignete Steuerung der Erhitzungs- und Abkühlungszyklen erreicht werden, denen der Meißelkörper während der Herstellung unterworfen wird. Zum Beispiel kann der Erhitzungs- und Abkühlungszyklus, dem der Meißelkörper während des Infiltrationsverfahrens unterworfen wird, gesteuert werden, um so ein vorbereitendes „Lösungsglühen" vor der durch das Steuern des Erhitzungs- und Abkühlungszyklus', dem der Meißelkörper während des Hartlötens der Schneiden an den Meißelkörper ausgesetzt wird, bewirkten Ausscheidungshärtung zu bewirken. Jedoch schließt die Erfindung Verfahren nicht aus, bei denen die Ausscheidungshärtung des inneren Teils des Dorns durch einen gesonderten Erhitzungs- und Abkühlungszyklus erreicht wird, der nicht in Verbindung mit den normalen Herstellungsphasen des Meißelkörpers verbunden ist.
Der äußere Teil des Dorns kann aus einem nicht korrosionsbeständigen Stahl hergestellt werden. Der Stahl kann einer sein, der als „unlegierter Kohlenstoffstahl" bekann ist. Zum Beispiel kann er ein Stahl einer Güte sein, die als EN8 identifiziert wird und einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,36 % bis 0,44 hat. Andere geeignete Stahlgüten werden als AISI1018, AISI1019, AISI1020, AISI1021 und AISI1022, die einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,15 % bis 0,23 % haben.
Die Hartlötlegierung kann einen Teil der Bindelegierung umfassen, die das Matrizenformmaterial infiltriert, kann aber ebenfalls eine andere Legierung umfassen, die der Hartlötfuge gesondert zugeführt wird.
Das um den Dorn gefüllte Matrizenformmaterial kann, zusätzlich zu dem Hauptkörper aus Matrizenformmaterial einen Abschnitt einschließen, der eine Fläche des inneren Teils des Dorns in Eingriff nimmt. Zum Beispiel kann der innere Teil des Dorns einen inneren Durchgang einschließen, der mit Matrizenformmaterial ausgekleidet wird.
Bei jeder der obigen Anordnungen ist der innere Teil des Dorns vorzugsweise koaxial mit dem äußeren Teil des Dorns. Zum Beispiel kann der innere Abschnitt einen zylindrischen Abschnitt haben, der innerhalb einer zylindrischen Ausrichtungsfassung im äußeren Teil in Eingriff ist.
Das Verfahren kann den weiteren Schritt einschließen, einen integralen Abschnitt des inneren Teils des Dorns maschinell zu bearbeiten, um den Gewindeanschlussbereich des Bohrmeißels zu bilden. Als Alternative dazu kann nach dem Herstellen der massiven infiltrierten Matrize ein gesondert geformtes Element am inneren Teil des Dorns angeschweißt oder auf andere Weise befestigt werden, um den Gewindeanschlussbereich des Bohrmeißels zu bilden.
Der Gewindeanschlussbereich des Bohrmeißels kann durch einen Außenschraubgewindezapfen, der einen Teil des Bohrmeißels bildet, definiert werden. Als Alternative dazu kann der Gewindeanschlussbereich durch einen Innenschraubgewindeteil des Bohrmeißels, zum Beispiel in der Form eines sogenannten Gewindebuchsenanschlusses, definiert werden.
Die Erfindung stellt ebenfalls einen Rotary-Bohrmeißel bereit, der einen Meißelkörper mit einem Gewindeanschlussbereich zum Anschluss an einen Bohrstrang und eine Vorderfläche hat, an der Schneiden angebracht werden, wobei der Meißelkörper einen Metalldorn umfasst, um einen Teil von dessen Außenfläche ein Hauptkörper aus massivem infiltriertem Matrizenmaterial geformt wird, wobei der Dorn einen inneren Teil, aus einer Legierung hergestellt, die ausscheidungsgehärtet worden ist, und einen äußeren Teil umfasst, aus einer Legierung hergestellt, die nicht ausscheidungsgehärtet worden ist, wobei der innere und der äußere Teil aneinander hartgelötet werden.
Das Folgende ist eine detailliertere Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung als Beispiel, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 ein schematischer Schnitt durch einen Bohrmeißel mit Matrizenkörper nach dem bekannten technischen Stand ist,
2 schematisch das Herstellungsverfahren des Bohrmeißels von 1 nach dem bekannten technischen Stand zeigt,
3 schematisch die Herstellung eines Bohrmeißels mit Matrizenkörper durch ein Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zeigt,
4 ein schematischer Schnitt durch einen Rotary-Blattbohrmeißel nach der vorliegenden Erfindung ist und
5 und 6 Ansichten ähnlich 3 und 4 sind, die eine alternative Auslegung eines Bohrmeißels illustrieren.
1 zeigt einen Bohrmeißel mit Matrizenkörper nach dem bekannten technischen Stand. Der Hauptkörper des Bohrmeißels umfasst einen vorderen Teil 10 und einen Anschlussbereich in der Form eines Schaftteils l2. Der vordere Teil 10 schließt einen Stahldorn 14 mit einem Mitteldurchgang 16 ein. Der untere Abschnitt des Dorns 14 wird von einem Körper 18 aus einem massiven infiltrierten Matrizenmaterial umschlossen, der die Vorderfläche des Bohrmeißels definiert und eine Zahl von hochstehenden Blättern 20 bereitstellt, die sich von der Rotationsmittelachse 22 des Meißels weg nach außen erstrecken. Auf eine bekannte Weise werden nebeneinander längs jedes Blatts 20 Schneiden 24 angebracht. Der Durchgang 16 in dem Dorn 14 wird außerdem mit einer massiven infiltrierten Matrize ausgekleidet, und der Durchgang steht durch eine Zlh1 von Nebendurchgängen 26 mit Düsen (nicht gezeigt) in Verbindung, die zwischen den Blättern 20 in der Vorderfläche des Meißelkörpers angebracht werden.
Der obere Teil des Dorns 14 wird mit einer abgestuften zylindrischen Fassung 28 geformt, in der ein entsprechend geformter Vorsprung 30 am unteren Ende des Schaftteils 12 aufgenommen wird. Der Schaftteil 12 wird, wie es bei 32 gezeigt wird, an den Dorn 14 geschweißt. Der Schaftteil wird auf eine bekannte Weise mit einem verjüngten Gewindezapfen 34, mit dessen Hilfe der Meißel an einen Bohrbund am unteren Ende des Bohrstrangs angeschlossen wird, und Brecherschlitzen 36 für einen Eingriff durch ein Werkzeug während des Anschließens und Trennens des Meißels mit und von dem Bohrbund geformt.
2 zeigt schematisch die Herstellungsweise des Meißels nach dem bekannten technischen Stand von 1. Der Meißel wird in einer spanend hergestellten Graphitform 38 hergestellt, deren Innenfläche 40 in der Form wesentlich der gewünschten äußeren Konfiguration des vorderen Teils des Meißelkörpers, einschließlich der Blätter 20, entspricht.
Der Metalldorn 14, der üblicherweise aus Stahl hergestellt wird, wird innerhalb der Form 38 gestützt. Innerhalb der Form werden Formkerne 42, 44 angeordnet, um so den Mitteldurchgang im Meißelkörper und die zu den Düsen führenden Nebendurchgänge zu formen. Außerdem werden Graphit-Formkerne 46 an der Innenfläche der Form angeordnet, um die Fassungen herzustellen, in die schließlich die Schneiden hartgelötet werden.
Die Räume zwischen dem Dorn 14 und dem Innern der Form 38 werden mit einem teilchenförmigen Matrizenformmaterial, wie beispielsweise Wolframkarbidteilchen, gefüllt, wobei dieses Material ebenfalls um die Graphit-Formkerne 42, 44 und 46 gefüllt wird. Körper 48 einer Bindelegierung, üblicherweise einer Legierung auf Kupferbasis, werden danach in einer ringförmigen Kammer um das obere Ende des Dorns 14 und oberhalb des eingefüllten Matrizenformmaterials 50 angeordnet.
Die Blätter 20 des Meißels können vollständig aus einer Matrix hergestellt werden, oder Metallkerne können an jeder Blattposition in der Form angeordnet werden, so dass sie von der Matrix umschlossen werden und folglich ein Blatt bilden, das eine Matrizenschicht auf einem Metallmittelkern umfasst.
Danach wird die Form geschlossen und in einen Ofen gebracht und auf eine Temperatur erhitzt, bei der die Legierung 48 schmilzt und nach unten in die Masse des teilchenförmigen Materials 50 infiltriert. Danach wird die Form abgekühlt, so dass die Bindelegierung fest wird und die Wolframkarbidteilchen aneinander und an den Dorn 14 bindet, um so eine massive, den Dorn 14 umschließende, infiltrierte Matrize in der gewünschten Form der Außenfläche des Meißelkörpers herzustellen.
Wenn der matrizenbeschichtete Dorn aus der Form entnommen wird, werden die Formkerne 42, 44 und 46 entfernt, um so die Durchgänge im Meißelkörper und die Fassungen für die Schneiden zu definieren, und das obere Ende des Dorns 14 wird danach spanend zu der angemessenen abschließenden Form bearbeitet, wie es durch die punktierten Linien 52 in 2 angezeigt wird.
Nach dem Spanen des Dorns 14 und dem Hartlöten der Schneiden 24 in die Fassungen in den Blättern 20 wird der vorgespante Stahlschaftteil 12 an das obere Ende des Dorns 14 geschweißt.
Bei diesem Herstellungsverfahren eines Bohrmeißels nach dem bekannten technischen Stand hat der Infiltrationszyklus von Erhitzung und Erwärmung die Wirkung, die Härte und die Festigkeit des Stahldorns 14 zu verringern. Außerdem muss der Bohrmeißel, um die Schneiden 24 in ihre jeweiligen Fassungen an den Blättern 20 hartzulöten, ebenfalls einem Erhitzungs- und Abkühlungszyklus in einem Ofen unterworfen werden, was ebenfalls dazu neigt, die Härte und die Festigkeit des Dorns 14 zu verringern. Aus diesem Grund wird der Schaftabschnitt 12 des Bohrmeißels gesondert hergestellt und anschließend an den Dorn geschweißt, um zu vermeiden, dass die Härte und die Festigkeit des Schaftteils im Ergebnis der Erhitzungs- und Abkühlungszyklen ebenfalls verringert werden.
Wie es zuvor erläutert wurde, steigert die Notwendigkeit, den Schaft an den Dorn schweißen zu müssen, nicht nur die Herstellungskosten, sondern die Tatsache, dass die Bauteile auf eine solche Weise gestaltet werden müssen, dass sie zusammengeschweißt werden können, bringt eine Einschränkung für die Gestaltung des Meißels und insbesondere seiner Mindestlänge in Axialrichtung mit sich. Dementsprechend könnte der Meißel, falls ein solches Schweißen vermieden werden könnte, in der Axiallänge kürzer hergestellt werden, was für einige Verwendungen, zum Beispiel bei lenkbaren Bohrsystemen, wünschenswert sein kann.
3 illustriert ein modifiziertes Herstellungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung. Teile der Vorrichtung, die in 2 gezeigten Teilen entsprechen, haben die gleichen Referenzzahlen.
Wie bei der Anordnung nach dem bekannten technischen Stand wird ein Metalldorn 54 innerhalb einer Form 38 gestützt, Matrizenformmaterial 50 wird in die Räume zwischen dem Dorn 54 und der Innenfläche der Form 38 gefüllt und wird in einem Ofen durch eine geschmolzene Bindelegierung infiltriert, die durch Körper 48 der Legierung bereitgestellt wird, angeordnet in einer den Dorn 54 umschließenden ringförmigen Kammer.
Nach der vorliegenden Erfindung wird der Dorn jedoch in zwei Teilen hergestellt und umfasst einen äußeren Teil 56 und einen inneren Teil 58. Der innere Teil 58 ist zylindrisch und wird in einer entsprechenden zylindrischen Fassung 60 im äußeren Teil 56 aufgenommen. Zwischen dem inneren und dem äußeren Teil wird eine Hartlötfuge 62 gebildet, und während des Infiltrationsvorgangs infiltriert geschmolzene Legierung von den Körpern 48 in die Hartlötfuge 62, um so den inneren Teil 58 an den äußeren Teil 56 hartzulöten.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Stahl oder die andere Legierung, woraus der innere Teil 58 des Dorns hergestellt wird, eine Ausscheidungshärtungslegierung. Wie es zuvor beschrieben wurde, werden, wenn eine Ausscheidungshärtungslegierung einem entsprechend gesteuerten Erhitzungs- und Abkühlungszyklus unterworfen wird, Teilchen von Bestandteilen der Legierung ausgeschieden und verformen das Gitter der Legierung örtlich auf dem mikroskopischen Niveau, um örtliche Spannungszonen zu erzeugen und dadurch die Härte und die Festigkeit der Legierung zu steigern.
Eine geeignete Form einer Legierung zur Verwendung bei der Herstellung des inneren Teils des Dorns ist ein martensitischer Ausscheidungshärtungsstahl der Güte 17-4 PH mit der folgenden chemischen Zusammensetzung:
Das Metall kann jenes sein, das den folgenden Normen entspricht:
AMS 5622 (umgeschmolzen)
AMS 6543 QQ-S-763B
MIL-S-862B
MIL-C-24111 (Nuklear)
ASTM A564-72 Typ 630
W.1.4548
NACE MR.01.75
Während des Infiltrationsvorgangs wird der Dorn 54 auf eine Temperatur von etwa 1160°C erhitzt, bevor er auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Während des Erhitzungsteils dieses Zyklus' wird die Mehrzahl aller vorhandenen Niederschläge in der Legierung in feste Lösung aufgelöst. Während des anschließenden Abkühlens von der Infiltrationstemperatur werden als erste Phase eines Ausscheidungshärtungsvorgangs in der Lösung Niederschläge der Bestandteile der Legierung gebildet.
Wenn der Meißelkörper einem weiteren Erhitzungs- und Abkühlungszyklus ausgesetzt wird, um die Schneiden in die Fassungen in dem Matrizenteil des Meißels hartzulöten, wird die Ausscheidungshärtung abgeschlossen.
Daher wird der innere Teil 58 des Dorns im Ergebnis der Vorgänge, denen der Meißel während der Herstellung unterworfen wird, gehärtet, und seine Härte und Festigkeit werden nicht verringert, wie es bei den Dornen in Verfahren nach dem bekannten technischen Stand der Fall ist. Dies ermöglicht, dass der innere Teil 58 des Dorns integral in einem Stück mit einem Körper 64 aus dem gleichen Material hergestellt werden kann, der anschließend spanend bearbeitet werden kann, um die Brecherschlitze und den Gewindeanschlussbereich bereitzustellen, der in diesem Fall, wie es in 3 durch die punktierten Linien 66 angezeigt wird, einen Schaft mit einem Außengewindezapfen umfasst.
Der äußere Teil 56 des Dorns 54 wird vorzugsweise aus einem nicht korrosionsbeständigen Stahl hergestellt, der ein nicht ausscheidungshärtender Stahl ist und zum Beispiel ein beliebiger der zuvor erwähnten unlegierten Kohlenstoffstähle sein kann.
Die Härte und die Festigkeit des äußeren Teils 56 des Dorns werden während der Erhitzungs- und Abkühlungszyklen, denen der Meißel unterworfen wird, verringert, aber dies wird keine Rolle spielen, weil er von dem anderen Materialkörper 64, aus dem der Schaft des Bohrmeißels hergestellt wird, getrennt ist. Jedoch kann der äußere Teil 56 des Dorns thermische Eigenschaften haben, die den thermischen Eigenschaften der massiven infiltrierten Matrize näher sind als die thermischen Eigenschaften des inneren Teils 58 des Dorns. Daher wird jede Neigung der festgewordenen Matrize, während der Erhitzungs- und Abkühlungszyklen im Ergebnis einer Fehlanpassung thermischer Eigenschaften zu zerspringen, verringert oder beseitigt.
Obwohl es ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie ermöglicht, dass der Schaftabschnitt des Bohrmeißels mit einem Teil des Dorns integriert wird, und folglich die Notwendigkeit vermieden wird, den Schaft anschließend an den Dorn zu schweißen, schließt die Erfindung Anordnungen nicht aus, bei denen der Schaft anschließend an einen zweiteiligen Dorn nach der vorliegenden Erfindung geschweißt wird, da das Einschließen eines inneren Teils in den Dorn, der seine Festigkeit und Härte während der Herstellung beibehält, in jedem Fall noch die Festigkeit des fertiggestellten Bohrmeißels steigern wird, und dies ist an sich vorteilhaft.
4 zeigt einen fertiggestellten Bohrmeißel, hergestellt durch das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung. Im Vergleich mit 1 wird zu sehen sein, dass die Brecherschlitze 36 am Schaft viel näher an der Vorderfläche des Meißels liegen als bei der Anordnung nach dem bekannten technischen Stand, weil es keine Notwendigkeit gibt, den Schaft an den Dorn zu schweißen, und daher wird die Gesamtlänge des Meißels in Axialrichtung verringert.
6 illustriert eine alternative Auslegung eines Rotary-Bohrmeißels, wobei 5 schematisch das Herstellungsverfahren des Bohrmeißels illustriert. Der Bohrmeißel von 6 ist dem von 4 sehr ähnlich, und es werden die gleichen Referenzzahlen verwendet, um gleiche Teile zu bezeichnen. Außerdem werden nur die bedeutenden Unterschiede zwischen dem Bohrmeißel von 6 und dem von 4 beschrieben.
Bei der Anordnung von 6 wird der äußere Teil 56 des Dorns 54 mit einer Fassung 60 versehen oder definiert dieselbe, mit einer allgemein kegelstumpfförmigen Gestalt statt mit einer allgemein zylindrischen Form wie bei dem Bohrmeißel von 4. Der innere Teil 58 hat eine allgemein kegelstumpfförmige Gestalt und wird innerhalb der Fassung 60 aufgenommen. Der innere Teil 58 hat eine röhrenförmige Gestalt, wobei die Innenfläche des inneren Abschnitts 58 mit einer Schraubgewindeformation versehen wird, durch die der Bohrmeißel auf eine Gewindebuchsenweise an einen Bohrstrang angeschlossen werden kann.
Ein weiterer Unterschied zwischen der Anordnung von 4 und der von 6 ist, dass der äußere Teil 56 des Dorns 54 für einen Bohrmeißel einer gegebenen Ausdehnung in Axialrichtung bei der Anordnung von 6 eine gesteigerte Ausdehnung in Axialrichtung, verglichen mit der von 4, haben kann und die Länge in Axialrichtung des Hauptkörpers des aus Matrizenmaterial geformten Teils des Bohrmeißels gesteigert werden kann. Die Steigerung der Länge des Hauptkörpers in Axialrichtung ermöglicht, dass die Brecherschlitze 36 in dem aus Matrizenmaterial geformten Teil des Bohrmeißels statt im äußeren Teil 56 des Dorns 54 geformt werden, und ermöglicht eine Steigerung der Kaliberlänge des Meißels, ohne die Länge des Meißels zu steigern.
Das Herstellungsverfahren des Bohrmeißels folgt dem hierin zuvor unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen Verfahren, mit der Ausnahme, dass vor dem Einbringen des Matrizenformmaterials in die Form ein Einsatz in der Form angeordnet wird, um die Brecherschlitze 36 im Bohrmeißelkörper zu formen.
Nachdem der Formvorgang abgeschlossen worden ist, wird der innere Teil 58 des Dorns 54 spannend bearbeitet, um in demselben das Schraubgewinde zu formen. Bei einer alternativen Anordnung kann ein gesondertes Bauteil, das einen Gewindebuchsenanschluss definiert, zum Beispiel durch Schweißen, am Dorn 54 befestigt werden.
Andere geeignete Formen von Ausscheidungshärtungslegierungen, die bei der Erfindung verwendet werden können, sind rostfreie Stähle der Güten 15-5 PH und 520B mit den folgenden typischen Zusammensetzungen: Güte 15-5 PH:
Das Metall kann jenes sein, das den folgenden Normen entspricht:
AMS 5669 (umgeschmolzen)
ASTM A630 Typ XM12
Güte 520B:
Das Metall kann jenes sein, das den folgenden Normen entspricht:
BS 5143
BS 5144
Es können andere firmenspezifische Güten von rostfreiem Stahl verwendet werden, wobei bis zu 3 % Molybdän, 0,15 % Kohlenstoff, 8 % Nickel und bis hinab zu 13 % Chrom zulässig sind.
Semiaustenitische ausscheidungshärtende Stähle können ebenfalls verwendet werden, einschließlich von rostfreiem Stahl der Güte 17-7 PH mit der folgenden Zusammensetzung:
Es können andere firmenspezifische Güten von semiaustenitischen rostfreien Ausscheidungshärtungsstählen verwendet werden, in Güten, die bis zu 0,2 % Kohlenstoff, 2 % Kupfer, 3 % Molybdän, 2 % Kobalt, 1,2 % Aluminium, 0,3 % Phosphor und bis hinab zu 12 % Chrom und 3,5 % Nickel zulassen. Alle Prozentsätze sind nach Gewicht.
Obwohl die spezifischen in dieser Beschreibung beschriebenen Legierungen Stahl sind und dies bevorzugt wird, schließt die vorliegende Erfindung die Verwendung von anderen Ausscheidungshärtungslegierungen beim Herstellen des inneren Teils des Dorns nicht aus.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Rotary-Bohrmeißels von der Art, die einen Meißelkörper mit einem Gewindeanschlußbereich zum Anschluss an einen Bohrstrang und eine Vorderfläche hat, an der Schneiden (24) angebracht werden, wobei das Verfahren den Schritt einschließt, einen Metalldorn (54) innerhalb einer Form (38) anzuordnen, die Form (38) um wenigstens einen Teil des Dorns (54) mit teilchenförmigem Matrizenformmaterial (50) zu füllen, das Material (50) bei einer erhöhten Temperatur mit einer geschmolzenen Bindelegierung zu infiltrieren und das Material (50), die Bindelegierung und den Dorn (54) abzukühlen, um eine massive, an den Dorn (54) gebundene, infiltrierte Matrize herzustellen, wobei der Dorn (54) in wenigstens zwei Teilen hergestellt wird und einen äußeren Teil (56), umschlossen von einem Hauptkörper aus dem Matrizenformmaterial (50), und einen inneren Teil (58) einschließt, der mit dem äußeren Teil (56) des Dorns (54) ineinandergreift und außer Kontakt mit dem Hauptkörper aus Matrizenformmaterial (50) ist, und dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem inneren und dem äußeren Teil (56, 58) des Dorns (54) eine Hartlötfuge (62) bereitgestellt wird, die während des Infiltrierens des Matrizenformmaterials (50) bei einer erhöhten Temperatur mit einer geschmolzenen Hartlötlegierung gefüllt wird, um so den inneren Teil (58) an den äußeren Teil (56) hartzulöten.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der innere Teil (58) des Dorns (54) aus einer Ausscheidungshärtungslegierung hergestellt wird, wobei das Verfahren den Schritt einschließt, den Dorn (54) auf eine Weise einem Erhitzungs- und Abkühlungszyklus zu unterwerfen, dass die Ausscheidungshärtung der Legierung bewirkt wird, aus welcher der innere Teil (58) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Erhitzungs- und Abkühlungszyklus der beim Infiltrationsverfahren angewendete ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Erhitzungs- und Abkühlungszyklus der bei einem Verfahren zum anschließenden Hartlöten von Schneiden (24) an den Meißelkörper angewendete ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Erhitzungs- und Abkühlungszyklus der sowohl beim Infiltrationsverfahren als auch bei einem Verfahren zum anschließenden Hartlöten von Schneiden (24) an den Meißellkörper angewendete ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Ausscheidungshärtungslegierung ein Ausscheidungshärtungslegierungsstahl ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Ausscheidungshärtungslegierung aus einem martensitischen und einem semiaustenitischen Stahl ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Ausscheidungshärtungslegierung ein rostfreier Stahl ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Ausscheidungshärtungslegierung eine Legierung auf Nickelbasis ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, das den Schritt einschließt, die Ausscheidungshärtungslegierung schnell auf eine Ausscheidungshärtungstemperatur zu erhitzen und für eine vorgeschriebene Zeit bei dieser Temperatur zu halten, gefolgt von einem raschen Abkühlen zurück auf Raumtemperatur.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, das die Schritte einschließt, zuerst alle Niederschläge in der Legierung bei einer hohen „Lösungsglühtemperatur" in Lösung zu nehmen, gefolgt von einem raschen Abkühlen auf Raumtemperatur, gefolgt von einem schnellen Erhitzen auf eine niedrigere Ausscheidungshärtungstemperatur und Halten bei dieser Temperatur für eine vorgeschriebene Zeit, gefolgt von einem raschen Abkühlen zurück auf Raumtemperatur.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Erhitzungs-/Abkühlungszyklus, dem der Meißelkörper während des Infiltrationsverfahrens ausgesetzt wird, gesteuert wird, um so vor der durch das Steuern des Erhitzungs-/Abkühlungszyklus', dem der Meißelkörper während des Hartlötens der Schneiden (24) an den Meißelkörper ausgesetzt wird, bewirkten Ausscheidungshärtung ein vorbereitendes „Lösungsglühen" zu bewirken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der äußere Teil (56) des Dorns (54) aus einem nicht korrosionsbeständigen Stahl hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der äußere Teil (56) des Dorns (54) aus einem unlegierten Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,36 % bis 0,44 % hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Hartlötlegierung einen Teil der Bindelegierung umfasst, die das Matrizenformmaterial (50) infiltriert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das um den Dorn (54) gefüllte Matrizenformmaterial (50), zusätzlich zu dem Hauptkörper aus Matrizenformmaterial (50), einen Abschnitt einschließt, der eine Fläche des inneren Teils (58) des Dorns (54) in Eingriff nimmt.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der innere Teil (58) des Dorns (54) einen inneren Durchgang einschließt, der mit Matrizenformmaterial ausgekleidet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der innere Teil des Dorns (54) koaxial mit dem äußeren Teil (56) des Dorns (54) ist und einen Abschnitt hat, der mit einer Ausrichtungsfassung (60) im äußeren Teil (56) ineinandergreift.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das den weiteren Schritt einschließt, einen integralen Abschnitt des inneren Teils (58) des Dorns (54) maschinell zu bearbeiten, um den Gewindeanschlussbereich des Bohrmeißels zu bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, das den weiteren Schritt einschließt, nach dem Herstellen der massiven infiltrierten Matrize ein gesondert geformtes Element am inneren Teil (58) des Dorns (54) zu befestigen, um den Gewindeanschlussbereich des Bohrmeißels bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gewindeanschlussbereich einen Außenschraubgewindezapfen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem der Gewindeanschlussbereich einen Innenschraubgewindeteil des Bohrmeißelkörpers umfasst.
Rotary-Bohrmeißel, der einen Meißelkörper mit einem Gewindeanschlussbereich zum Anschluss an einen Bohrstrang und eine Vorderfläche hat, an der Schneiden (24) angebracht werden, wobei der Meißelkörper einen Metalldorn (54) umfasst, um einen Teil von dessen Außenfläche ein Hauptkörper aus massivem infiltriertem Matrizenmaterial (50) geformt wird, wobei der Dorn (54) einen äußeren Teil (56), umschlossen von dem Hauptkörper aus massivem Matrizenmaterial (50), und einen inneren Teil (58) einschließt, der den äußeren Teil (56) in Eingriff nimmt, wobei der innere Teil (58) aus einer Legierung hergestellt wird, die ausscheidungsgehärtet worden ist, und dadurch gekennzeichnet, dass der innere und der äußere Teil (56, 58) aneinander hartgelötet werden.
Rotary-Bohrmeißel nach Anspruch 23, bei dem der innere Teil (58) des Dorns (54) außer Kontakt mit dem Hauptkörper aus massivem infiltriertem Matrizenmaterial (50) ist.
Rotary-Bohrmeißel nach Anspruch 23 oder Anspruch 24, bei dem der Gewindeanschlussbereich des Bohrmeißels mit dem inneren Teil (58) des Dorns (54) integriert ist.