DE69921886T2

DE69921886T2 - Methode zur Behandlung vorgefertigter Formteile

Info

Publication number: DE69921886T2
Application number: DE69921886T
Authority: DE
Inventors: Nigel Dennis Whitminster Griffin
Original assignee: Camco International UK Ltd
Current assignee: ReedHycalog UK Ltd
Priority date: 1998-05-27
Filing date: 1999-05-26
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2019-05-27
Also published as: GB9811213D0; EP0962431A1; EP0962431B1; GB9912155D0; GB2337763A; GB2337763B; US6056911A; DE69921886D1

Description

Die Erfindung betrifft Vorformelemente der Ausführung, die eine Belagplatte aus polykristallinem Diamant aufweist, die mit einem Träger aus Wolframkarbidhartmetall verbunden ist.
Vorformelemente dieser Ausführung werden oftmals als Schneidelemente in Rotary-Blattmeißeln und formationseingreifende Einsätze bei Rollen- und Schlagbohrmeißeln verwendet, und die vorliegende Erfindung ist insbesondere bei der Behandlung von derartigen Vorformelementen anwendbar, bevor sie am Bohrmeißel montiert werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Elemente für diese spezielle Verwendung begrenzt. Beispielsweise können Vorformelemente der Ausführung, auf die man sich bezieht, ebenfalls in werkstückformenden Werkzeugen, Hochdruckdüsen, Drahtziehdüsen, Lagern und anderen Teilen, die einem Gleitverschleiß ausgesetzt sind, ebenso wie in Elementen verwendet werden, die Schlagbeanspruchungen ausgesetzt sind, wie es der Fall bei Stößeln, Nocken, Nockenstößeln und gleichen Vorrichtungen sein kann, bei denen eine Oberfläche mit hoher Verschleißfestigkeit erforderlich ist.
Vorformelemente der Ausführung, auf die sich die Erfindung bezieht, werden im allgemeinen hergestellt durch Vorformen eines Trägers in der geeigneten geforderten Form aus einem verdichteten Pulvermaterial, Aufbringen einer oder mehrerer Schichten von Diamantteilchen auf die Oberfläche des Trägers und danach Aussetzen des Trägers und der Diamantschicht einem sehr hohen Druck und Temperatur in einer Formpresse, so daß das Trägermaterial sintert, die Diamantteilchen sich miteinander mit einer Diamant-an-Diamant-Bindung verbinden und die Diamantschicht sich mit dem Träger verbindet. Dieses Herstellungsverfahren ist gut bekannt und wird nicht detailliert beschrieben.
In Blattmeißeln kann jedes Vorformschneidelement an einem Halter in der Form eines im allgemeinen zylindrischen Bolzens oder Säule montiert werden, der in einer Innenaussparung im Körper des Bohrmeißels aufgenommen wird. Der Halter wird oftmals aus Wolframkarbidhartmetall gebildet, wobei die Oberfläche des Trägers auf eine Oberfläche des Halters hartgelötet wird, beispielsweise mittels eines Verfahrens, das als „LS-Verbinden" bekannt ist. Bei diesem Verfahren wird die Diamantbelagschicht abgekühlt, während die Oberfläche des Trägers an dem Halter hartgelötet wird. Der Grund dafür ist, daß die Belagplatte aus polykristallinem Diamant über etwa 725°C nicht wärmebeständig ist und zu Graphitieren beginnt. Die Abkühlung der Belagplatte ist daher erforderlich, da der Hartlötvorgang anderenfalls die Temperatur des Vorformelementes über diese kritische Temperatur anheben würde.
Im Fall bestimmter Typen des Schneidwerkzeuges für Blattmeißel und ebenfalls in Einsätzen für Rollenmeißel ist der Träger des Vorformelementes von einer ausreichenden axialen Länge, damit der Träger selbst direkt innerhalb einer Innenaussparung im Meißelkörper oder in einer Rolle gesichert werden kann.
Vorformelemente, die in Bohrmeißeln verwendet werden, werden hohen Temperaturen und starken Beanspruchungen ausgesetzt, wenn der Bohrmeißel unten in einem Bohrloch eingesetzt wird. Es wird ermittelt, daß im Ergebnis derartiger Bedingungen eine Rißbildung des Trägers auftreten kann. Ebenfalls können ein Abplatzen und ein Abblättern der Belagplatte aus polykristallinem Diamant auftreten, d.h., die Ablösung und der Verlust des Diamanten von der Belagplatte, insbesondere im Ergebnis des Versagens der Grenzfläche zwischen der Diamantplatte und dem Träger. Das kann ebenfalls bei Vorformelementen auftreten, die für andere Zwecke verwendet werden, und insbesondere, wo die Elemente sich wiederholenden Schlagbeanspruchungen ausgesetzt werden, wie beispielsweise in Stößel- und Nockenmechanismen. Man glaubt, daß die Neigung zum Auftreten einer Rißbildung, eines Abplatzens und Abblätterns teilweise von den Restspannungen abhängig ist, die im Vorformelement am Ende des Vorganges des Bildens des Elementes und des Einpassens dieses in den Meißelkörper verbleiben. Es ist daher eine übliche Praxis, die Vorformelemente nach der Bildung in der Presse und vor dem Montieren am Meißelkörper mittels Wärme zu behandeln, um einige der Restspannungen im Element abzubauen und dadurch die Neigung der Elemente zur Rißbildung oder zum Abblättern bei Benutzung zu verringern.
Ein übliches Verfahren der Wärmebehandlung, das so ausgelegt ist, daß ein Wärmespannungsabbau erreicht wird, ist das Halten der Vorformelemente auf Temperaturen von bis zu 500°C über eine beträchtliche längere Zeitdauer, beispielsweise bis zu 48 Stunden. Während man glaubt, daß das einen gewissen Spannungsabbaueffekt hat, kann jedoch dennoch eine anschließende Rißbildung und ein Abblättern der Vorformelemente in der Folge auftreten.
Das EP 0589641 beschreibt ein Wärmebehandlungsverfahren für Bauteile, auf denen eine Diamantschicht bei Anwendung eines CVD-Verfahrens abgelegt wurde. Das Wärmebehandlungsverfahren schließt das Halten der Bauteile auf erhöhten Temperaturen über eine relativ lange Zeitdauer ein.
Die vorliegende Erfindung stellt eine neue Form der Wärmebehandlung für Vorformelemente bereit, die nicht nur eine effektivere Handhabung der Wärmespannung erreichen kann, sondern die ebenfalls den Zeitzyklus für die Fertigung eines jeden Elementes verringert und daher ermöglicht, daß der Ausstoß erhöht wird.
Entsprechend einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Behandlung eines Vorformelementes mit einer Belagplatte aus polykristallinem Diamant bereitgestellt, die mit einem Träger aus Wolframkarbidhartmetall verbunden ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

(a) Erwärmen des Elementes auf eine Durchwärmtemperatur im Bereich von 550 bis 700°C;
(b) Aufrechterhalten der Temperatur des Elementes im Bereich über eine Zeitdauer von mindestens einer Stunde; und
(c) Abkühlen des Elementes auf Umgebungstemperatur, wobei die Temperatur allmählich über eine Zeitdauer von drei bis vier Stunden verringert wird.

Wie es vorangehend erwähnt wird, weist der Träger Wolframkarbidhartmetall auf, d.h., Wolframkarbidteilchen in einer Bindemittelphase, und man glaubt, daß das Verfahren der Erfindung, wo die Temperatur des Elementes über 550°C über mindestens eine Stunde gehalten wird, bewirkt, daß stabile Phasen innerhalb der Bindemittelphase des Karbidträgers ausfällen. Daher soll die Wirkung des Verfahrens, das wirksam ein Stabilisierungsryklus ist, innere Spannungen im Element abbauen, um zu verhindern, daß derartige innere Spannungen eine Rißbildung im Träger hervorrufen, d.h., es härtet das Trägermaterial.
Beim Schritt (a) kann die Temperatur des Elementes auf einen Wert im Bereich von 550 bis 625°C, und vorzugsweise im Bereich von 575 bis 620°C, angehoben werden. Bei einer am meisten bevorzugten Ausführung wird die Temperatur des Elementes auf etwa 600°C angehoben.
Die Temperatur des Elementes kann im Bereich über eine Zeitdauer von etwa einer Stunde oder über eine Zeitdauer von mindestens zwei Stunden in Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Vorformelementes aufrechterhalten werden. Wie es erklärt wird, kann in einigen Fällen die Temperatur des Elementes im Bereich über eine Zeitdauer bis zu 18 Stunden oder bis zu 36 Stunden aufrechterhalten werden.
Beim Erwärmungsschritt (a) wird die Temperatur des Elementes vorzugsweise allmählich auf eine Durchwärmtemperatur über eine Zeitdauer im Bereich von einer halben bis zu einundeinerhalben Stunde, typischerweise über eine Zeitdauer von etwa einer Stunde, angehoben.
Die Schritte (a) und (b) werden vorzugsweise in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bewirkt.
Beim Schritt des Abkühlens (c) darf sich das Element allmählich auf etwa 200°C abkühlen, wobei es danach abgeschreckt wird, um es auf Umgebungstemperatur zu bringen.
Das Verfahren kann bei Vorformelementen für Rotary-Blattmeißel angewandt werden, wo die Belagplatte des Vorformelementes eine im allgemeinen flache Vorderfläche, eine Umfangsfläche und eine Hinterfläche aufweist, die mit der Vorderfläche des Trägers verbunden ist.
Das Verfahren ist ebenfalls bei Einsätzen für Rollenmeißel anwendbar, wo die Belagplatte des Vorformelementes eine im allgemeinen konvex gewölbte Vorderfläche und eine im allgemeinen konkave Hinterfläche aufweist, die mit einer im allgemeinen konvex gewölbten Vorderfläche des Trägers verbunden ist. In diesem Fall kann die Belagplatte des Vorformelementes oftmals eine Vielzahl von Schichten aus polykristallinem Diamant aufweisen.
Das Verfahren entsprechend diesem ersten Aspekt der Erfindung wird die Neigung des Trägers zur Rißbildung verringern, und es kann ebenfalls die Wirkung zeigen, daß dem Abblättern entgegengewirkt wird. In einigen Fällen kann jedoch sowohl der Neigung zur Rißbildung als auch zum Abblättern weiter entgegengewirkt werden, indem das Element einem zweiten Blitzerwärmungsschritt unterworfen wird.
Das Verfahren kann daher die folgenden zusätzlichen Schritte aufweisen:

(d) Erwärmen des Elementes auf eine Temperatur über 725°C;
(e) Aufrechterhalten der Temperatur des Elementes über 725°C über eine Zeitdauer, die nicht fünf Sekunden übersteigt; und
(f) Abkühlen des Elementes auf Umgebungstemperatur.

Es wird bemerkt werden, daß bei diesem zweiten Schritt der Wärmebehandlung das Element auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher ist als die Temperatur, bei der der polykristalline Diamant normalerweise zu Graphitieren beginnt. Entsprechend diesem Aspekt der Erfindung wird die Temperatur jedoch über diese kritische Temperatur über nur eine sehr kurze Zeitdauer, nicht mehr als fünf Sekunden, angehoben, und es wird ermittelt, daß die Aktivierungsenergie, die sich aus einem derartigen zeitweiligen Überhitzen der Diamantschicht ergibt, unzureichend ist, um eine Graphitierung des Diamanten einzuleiten, aber ausreichend ist, um eine Restspannung im Element durch plastische Verformung abzubauen. Das härtet in starkem Maß das Material.
Die ersten Schritte (a), (b) und (c) der Wärmebehandlung können irgendwelche der Parameter aufweisen, auf die man sich vorangehend bezieht. Die Schritte (d) und (e) können ebenfalls in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bewirkt werden.
Vorzugsweise wird beim Schritt (d) das Element auf eine Temperatur über 750°C erwärmt. Die Temperatur, auf die das Element erwärmt wird, liegt vorzugsweise unterhalb etwa 850°C.
Beim Schritt (e) wird die Temperatur des Elementes vorzugsweise über 725°C über eine Zeitdauer von etwa vier Sekunden gehalten.
Das Folgende ist eine detailliertere Beschreibung der Ausführungen der Erfindung, wobei man sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, die zeigen:
1 eine zeichnerische Schnittdarstellung eines typischen Vorformelementes für eine Verwendung als ein Schneidelement in einem Rotary-Blattmeißel;
2 eine grafische Darstellung, die einen typischen Stabilisierungszyklus der Wärmebehandlung entsprechend der vorliegenden Erfindung verkörpert;
3 eine grafische Darstellung, die einen Blitzerwärmungszyklus der Behandlung entsprechend der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 eine zeichnerische Schnittdarstellung eines gewölbten Vorformelementes für eine Verwendung als ein Einsatz in einem Rollenbohrmeißel;
5 eine grafische Darstellung, die einen Stabilisierungszyklus (nicht in Übereinstimmung mit der Erfindung) für die Wärmebehandlung eines Einsatzes der in 4 gezeigten Ausführung verkörpert;
6 eine grafische Darstellung, die den Anstieg des Abplatzgrenzwertes der Einsätze nach der Stabilisierung zeigt; und
7 eine grafische Darstellung, die die Veränderung der Ausfallarten der Einsätze nach der Stabilisierung veranschaulicht.
Mit Bezugnahme auf 1 weist ein typisches Vorformschneidelement für einen Rotary-Blattmeißel eine dünne Belagplatte 10 aus polykristallinem Diamant auf, die mit einem Träger 11 aus Wolframkarbidhartmetall verbunden ist. Wenn sie als Schneidwerkzeuge in Rotary-Blattmeißeln eingesetzt werden, sind derartige Elemente oftmals in der Form von kreisförmigen oder teilkreisförmigen Platten vorhanden, obgleich andere Formen möglich sind. In 1 wird die Grenzfläche 12 zwischen der Belagplatte 10 und dem Träger 11 als flach gezeigt, aber es ist ebenfalls eine übliche Praxis, den Träger 11 so vorzuformen, daß eine Grenzfläche bereitgestellt wird, die nicht eben und konfiguriert ist, um dadurch eine gewisse mechanische Verriegelung zwischen der Belagplatte und dem Träger zu bewirken. Es kann ebenfalls eine Übergangsschicht zwischen der Belagplatte und dem Träger bereitgestellt werden, wobei eine derartige Übergangsschicht Eigenschaften aufweist, die zwischen jenen der Belagplatte und des Trägers liegen. Beispielsweise ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des Trägers im wesentlichen größer als der der Belagplatte, und die Übergangsschicht wird daher normalerweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der zwischen den Koeffizienten der zwei anderen Materialien liegt, um so Spannungen zu verringern, die anderenfalls während des Erwärmens und des Abkühlens des Elementes entstehen würden.
2 zeigt einen typischen Stabilisierungserwärmungszyklus, der die Schritte (a) bis (c) der vorliegenden Erfindung aufweist.
Mit Bezugnahme auf 2 stellt die grafische Darstellung die Temperatur über der Zeit dar. Der erste Abschnitt 13 der grafischen Darstellung zeigt die allmähliche Erwärmung des Vorformelementes über eine Zeitdauer von einer Stunde, damit seine Temperatur auf etwa 600°C ansteigt. Wie durch den Abschnitt 14 der grafischen Darstellung gezeigt wird, wird das Element dann auf der Temperatur von 600°C über etwa zwei Stunden gehalten. Wie durch den Abschnitt 15 der grafischen Darstellung gezeigt wird, darf sich das Element danach allmählich auf etwa 200°C über eine Zeitdauer von etwa drei Stunden abkühlen und wird danach auf Umgebungstemperatur abgeschreckt, wie durch den Abschnitt 16 der grafischen Darstellung gezeigt wird.
Obgleich bei diesem Beispiel das Element auf einer Temperatur von etwa 600°C gehalten wird, kann ebenfalls ein Vorteil erhalten werden, indem das Element auf einer Temperatur irgendwo im Bereich von 550 bis 700°C gehalten wird, wie es vorangehend beschrieben wird.
Wie es vorangehend erwähnt wird, kann der Erwärmungs- und Abkühlungsstabilisierungszyklus, der gerade beschrieben wurde, bei der Handhabung der Spannung vorteilhaft sein, wenn er allein zur Anwendung gebracht wird. Das Element kann jedoch ebenfalls anschließend durch einen Blitzerwärmungsryklus geführt werden, wie durch die grafische Darstellung in 3 veranschaulicht wird. Bei diesem Zyklus wird das Element schnell auf eine Temperatur von über 750°C, beispielsweise etwa 850°C, erwärmt, wie es durch den Abschnitt 17 der grafischen Darstellung gezeigt wird. Es wird auf jener Temperatur über nur eine sehr kurze Zeitdauer gehalten, wie bei 18 gezeigt wird, und es wird danach schnell auf Umgebungstemperatur abgekühlt, wie bei 19 gezeigt wird. Das Erwärmen und Abkühlen ist so, daß die Zeitdauer, über die das Element bei über 750°C ist, etwa vier Sekunden beträgt, wie bei 20 in der grafischen Darstellung gezeigt wird.
Vorzugsweise wird das Erwärmen im Stabilisierungszyklus und/oder Blitzerwärmungsryklus in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bewirkt. Der Blitzerwärmungsryklus, der in 3 veranschaulicht wird, kann durch eine schnelle Induktionserwärmung, durch Anwendung der Lasererwärmung oder mittels irgendeiner anderen geeigneten Erwärmungseinrichtung bewirkt werden. Die Temperatur des Elementes kann mittels einer Infrarottemperaturmeßvorrichtung ermittelt werden.
Der Blitzerwärmungsryklus kann ebenfalls beim Abbauen der Spannung im Vorformelement vorteilhaft sein, wenn er allein angewandt wird, ohne daß ihm ein Stabilisierungserwärmungszyklus vorangeht.
Die vorangehend speziell beschriebenen Verfahren wenden spezielle Parameter des Verfahrens entsprechend der Erfindung an, die als besonders wirksam bei der Verringerung der Neigung des Vorformelementes zur Rißbildung oder zum Abblättern bei der anschließenden Verwendung ermittelt werden, aber ein Vorteil in dieser Hinsicht kann ebenfalls durch Verwenden von Parametern in irgendeinem der vorangehend spezifizierten Bereiche erhalten werden.
Wie es vorangehend erwähnt wird, sind die Verfahren entsprechend der Erfindung ebenfalls bei der Wärmebehandlung von PDC-Einsätzen (polykristalline Diamantkompakteinsätze) für eine Verwendung in Rollenbohrmeißeln anwendbar. Derartige PDC-Einsätze weichen von Schneidwerkzeugen der Typen, die normalerweise in Blattmeißeln verwendet werden, darin ab, daß die Einsätze mehrere Diamantschichten verwenden, unterschiedliche Zusammensetzungen des Wolframkarbids im Träger und des polykristallinen Diamants in der Belagplatte verwenden und ebenfalls in der Form abweichen. Beispielsweise kann die Belagplatte eines PDC-verbesserten Einsatzes für einen Rollenmeißel eine im allgemeinen konvex gewölbte Vorderfläche und eine im allgemeinen konkave Hinterfläche aufweisen, die mit einer konvex gewölbten Vorderfläche des Trägers verbunden ist.
4 ist eine zeichnerische Schnittdarstellung durch ein typisches gewölbtes Vorformelement der Ausführung, bei der die vorliegende Erfindung anwendbar ist, und für eine Verwendung als ein Einsatz bei einem Rollenbohrmeißel. Der Einsatz weist eine dreischichtige Belagplatte 21 auf, die polykristallinen Diamant enthält, verbunden mit einem Träger 22 aus Wolframkarbidhartmetall. Man wird sehen, daß die Belagplatte 21 des Einsatzes eine im allgemeinen konvex gewölbte Vorderfläche 23 und eine im allgemeinen konkave Hinterfläche 24 aufweist, die mit einer im allgemeinen konvex gewölbten Vorderfläche des Trägers 22 verbunden ist.
Die Schichten in der Belagplatte 21 können aus irgendeiner geeigneten polykristallinen Diamant enthaltenden Zusammensetzung sein, wie es gut im Fachgebiet bekannt ist, und die spezielle Zusammensetzung der Schichten und die Anzahl der Schichten bilden nicht einen Teil der vorliegenden Erfindung. Bei einem speziellen Typ des Einsatzes kann die äußerste Schicht 25 jedoch einen hohen Anteil an polykristallinem Diamant aufweisen, sagen wir etwa 83 Gew.-%, wobei der Rest Wolframkarbid und Kobalt sind. Die Zwischenschicht 26 kann etwa 55% polykristallinen Diamant und 36% Wolframkarbid aufweisen, wobei der Rest Kobalt ist. Die innerste Schicht 27 der Belagplatte ist eine Übergangsschicht und kann etwa 30% polykristallinen Diamant und 62% Wolframkarbid aufweisen. Der Träger 22 weist meistens Wolframkarbid mit einem kleinen Anteil (typischerweise etwa 6 Gew.-%) eines Kolbaltbindemittels auf.
Die Form und Zusammensetzung des in 4 gezeigten Einsatzes sind nur als Beispiel zu sehen, und die Erfindung ist bei Rollenmeißeleinsätzen dieses allgemeinen Typs anwendbar, aber von anderen Formen des Elementes und anderen Zusammensetzungen des Trägers und der Diamantbelagplatte.
Die Unterschiede zwischen derartigen Einsätzen und Vorformschneidelementen für Rotary-Blattmeißel der in 1 gezeigten allgemeinen Ausführung beeinflussen die Entwicklung der Restspannung und reagieren potentiell auf eine Spannungsmodifizierung durch eine Wärmebehandlung nach der Herstellung. Dementsprechend können die Parameter für eine Wärmebehandlung von Rollenmeißeleinsätzen entsprechend der vorliegenden Erfindung von den speziellen Parametern abweichen, die für eine Spannungsmodifizierung in Vorformschneidelementen für Blattmeißel geeignet sind.
Insbesondere wurde ermittelt, daß PDC-Einsätze mit rundem Oberteil für Rollenmeißel, wenn sie bei 600°C über eine Stunde vakuumstabilisiert wurden, eine drastische Erhöhung des mittleren Abplatzgrenzwertes zeigen, wenn mit Einsätzen verglichen wird, die nicht so wärmebehandelt wurden.
5 zeigt einen typischen Stabilisierungserwärmungszyklus (nicht in Übereinstimmung mit der Erfindung), der für Einsätze der in 4 gezeigten Ausführung geeignet ist. Die grafische Darstellung stellt die Temperatur in °C über der Zeit in Stunden dar. Der erste Abschnitt 28 der grafischen Darstellung zeigt die allmähliche Erwärmung des Einsatzes über eine Zeitdauer von etwa 72 Minuten, um so seine Temperatur auf etwa 600°C zu erhöhen. Während dieser Zeitdauer steigt die Temperatur des Einsatzes mit etwa 8°C/min. Wie durch den Abschnitt 29 der grafischen Darstellung gezeigt wird, wird der Einsatz dann bei der Temperatur von 600°C über etwa eine Stunde gehalten. Wie durch den Abschnitt 30 der grafischen Darstellung gezeigt wird, darf sich das Element danach allmählich mit etwa 10°C/min. auf Umgebungstemperatur abkühlen.
Die gewünschten Parameter für die effektive Wärmestabilisierungsbehandlung von PDC-Einsätzen für Rollenmeißel wurden ermittelt, indem ein analytisches Testen derartiger Einsätze durchgeführt wurde, wie es beschrieben wird.
Bei einer ersten Reihe von Tests wurden 100 PDC-Einsätze mit rundem Oberteil („im gesinterten Zustand") ausgewählt, und es wurden Proben aus dieser Gruppe wahllos für die nachfolgend beschriebenen Tests ausgewählt.
Elf Einsätze aus dieser Gruppe wurden bei 600°C über eine Stunde in einem Vakuum stabilisiert. Nach der Stabilisierung wurden zehn der stabilisierten Einsätze und zehn der Einsätze im gesinterten Zustand einem Fallversuch unterzogen. Die restliche Probe wurde metallografisch mit einem Einsatz im gesinterten Zustand verglichen, wobei beide im Mittellinienschnitt an der PDC-Grenzfläche bei 1500-fach im geätzten und nicht geätzten Zustand bewertet wurden.
Bei diesen Tests zeigten die PDC-Einsätze mit rundem Oberteil, die bei 600°C über eine Stunde vakuumstabilisiert wurden, einen drastischen Anstieg des mittleren Abplatzgrenzwertes, wenn sie mit nicht stabilisierten Einsätzen verglichen werden. Wie in 6 gezeigt wird, wurde der Mindestabplatzgrenzwert verdoppelt, und die Verteilung wurde gleichermaßen verschoben, einschließlich 30% der Gesamtzahl, bei keinerlei Ausfall bei der maximalen Aufprallenergie. Außerdem verschob die Stabilisierungsbehandlung die Ausfallarten, wie in 7 gezeigt wird, von einer Grenzflächenrißbildung zu einem Fließen des Trägers.
Keine mikrostrukturellen Veränderungen infolge der Wärmestabilisierungsbehandlung wurden durch die optische Metallografie ersichtlich.
EDS-röntgenchemische Analyseabtastungen, die im Trägerbereich eines PDC-Einsatzes in der Nähe der zweiten Diamantschichtgrenzfläche durchgeführt wurden, offenbarten nur Wolfram-, Kobalt- und Kohlenstoffsignale, und es wurden keine Verunreinigungselemente nachgewiesen. Röntgenbeugungsergebnisse vom gleichen Grenzflächenbereich zeigten, daß strukturelle Veränderungen in der Kobaltbindemittelphase während des Hochtemperatur/Hochdruck-Zyklusses bei der Herstellung und ebenfalls während der anschließenden Stabilisierung auftraten. Beim Träger im gesinterten Zustand weist das Kobaltbindemittel sowohl FCC(kubisch-flächenzentrierte)- als auch HCP(hexagonal dicht gepackte)-Phasen auf und reflektiert eine Gitterdilatation (Spitzenverschiebungen) infolge der Wolframlösung und Spitzenverbreiterung, die auf die Teilchengröße- und/oder Deformationsverteilung zurückgeführt werden kann.
Die Hochtemperatur/Hochdruck-Behandlung während der Herstellung der Einsätze verringert im wesentlichen den HCP-Bindemittelbestandteil im Grenzflächenbereich. Eine Stabilisierung bei 600°C über eine Stunde wandelt jedoch einiges des FCC-Kobalts in HCP um.
Zusammenfassend wurde daher ermittelt, daß die Stabilisierung der PDC-Einsätze bei 600°C über eine Stunde die Schlagfestigkeit der PDC-Einsätze drastisch erhöhte. Diese Erhöhung war mit einer Veränderung der Ausfallart von der Grenzflächenrißbildung zu einem Fließen des Trägers/peripheres Abplatzen mit oder ohne radiales Aufspalten verbunden. Die Grenzflächenausfallart wurde nur bei nicht stabilisierten Teilen beobachtet, d.h., Einsätzen, die nicht einer Wärmebehandlung entsprechend der Erfindung ausgesetzt wurden, und sie war mit niedrigen Aufprallenergien verbunden. Wenn der Ausfall durch Fließen in Teilen aus der nicht stabilisierten Gruppe auftrat, war er mit hohen Aufprallenergien verbunden. Diese Wechselbeziehungen verweisen darauf, daß die Wärmestabilisierung die Grenzflächenbereiche in einer Art und Weise beeinflußt, die den angewandten Spannungsgrenzwert für eine Rißkeimbildung erhöht.
Mögliche Mechanismen der „Grenzflächenverfestigung" umfassen eine Restspannungsumverteilung und mikrostuktruelles Härten. Metallografische Ergebnisse argumentieren gegen den letzteren Mechanismus, da keine stabilisierungsausgelöste Ausfällung oder Phasenumwandlungen in der Grenzflächenzone sichtbar waren.
Die Beutungsdaten zeigten, daß die Bindemittelphasenbeziehungen in der Zone angrenzend an die PDC-Grenzfläche durch sowohl die hohe Temperatur/hoher Druck als auch die Stabilisierungsvorgänge verändert werden.
Beim Träger im gesinterten Zustand werden sowohl die HCP- als auch (metastabile) FCC-Kobaltphase im Bindemittel verkörpert. Dieser Zustand ist bei Wolframkarbid-Kobalt-Sinterkarbiden normal, und es ist außerdem bekannt, daß eine äußere Spannung eine progressive FCC-HCP-Umwandlung mittels eines martensitischen Mechanismus auslösen kann. Die Hochtemperatur/Hochdruck-Behandlung führt zur Beibehaltung eines größeren Anteils der FCC-Bindemittelphase in dem Trägerbereich in der Nähe der Grenzfläche und zu hohen Niveaus des gelösten Wolframs. Während der Stabilisierung bei 600°C über eine Stunde wandelt sich einiges von diesem FCC-Kobalt in HCP unter dem Einfluß des Grenzflächenspannungsgefälles um, obgleich nicht auf Niveaus des Trägers im gesinterten Zustand. Unterschiede bei der Grenzflächenbindemittelphasenbeziehung und bei der Restspannungsentwicklung zwischen Prüflingen im gesinterten Zustand und stabilisierten Prüflingen können sich infolge großer Unterschiede beim externen Spannungszustand ergeben (d.h., im Zelldruckverlauf über frei).
Für die Typen des PDC-Einsatzes, die bei der vorangehenden Untersuchung getestet wurden, schienen 600°C die maximale sichere Stabilisierungstemperatur zu sein. Es schien jedoch, daß, während eine Stabilisierungsperiode von einer Stunde gute Ergebnisse brachte, eine Erwärmungsperiode von bis zu drei Stunden Dauer eine gewisse zusätzliche Rückverformung bewirken könnte.

Claims

Verfahren zur Behandlung eines Vorformelementes mit einer Belagplatte (10) aus polykristallinem Diamant, die mit einem Träger (11) aus Wolframkarbidhartmetall verbunden ist, um den Träger zu härten, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Erwärmen des Elementes auf eine Durchwärmtemperatur im Bereich von 550 bis 700°C, (b) Aufrechterhalten der Temperatur des Elementes in dem Bereich über eine Zeitdauer von mindestens einer Stunde und gekennzeichnet ist durch einen Schritt des (e) Abkühlens des Elementes auf Umgebungstemperatur, wobei die Temperatur des Elementes allmählich von der Durchwärmtemperatur über eine Zeitdauer im Bereich von drei bis vier Stunden verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem beim Schritt (a) die Temperatur des Elementes auf einen Wert im Bereich von 550 bis 625°C angehoben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem beim Schritt (a) die Temperatur des Elementes auf einen Wert im Bereich von 575 bis 620°C angehoben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem beim Schritt (a) die Temperatur des Elementes auf etwa 600 °C angehoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem beim Schritt (b) die Temperatur des Elementes in dem Bereich über eine Zeitdauer von etwa eine Stunde aufrechterhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem beim Schritt (b) die Temperatur des Elementes in dem Bereich über eine Zeitdauer von mindestens zwei Stunden aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem beim Schritt (b) die Temperatur des Elementes in dem Bereich über eine Zeitdauer von bis zu 18 Stunden aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem beim Schritt (b) die Temperatur des Elementes in dem Bereich über eine Zeitdauer von bis zu 36 Stunden aufrechterhalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem beim Erwärmungsschritt (a) die Temperatur des Elementes auf eine Durchwärmtemperatur allmählich über eine Zeitdauer im Bereich von einer halben Stunde bis anderthalb Stunden angehoben wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem beim Erwärmungsschritt (a) die Temperatur des Elementes auf die Durchwärmtemperatur allmählich über eine Zeitdauer von etwa einer Stunde angehoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens die Schritte (a) und (b) in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bewirkt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem beim Schritt (c) das Element allmählich auf etwa 200°C abkühlen darf, wobei es danach abgeschreckt wird, um es auf Umgebungstemperatur zu bringen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Belagplatte (10) des Vorformelementes eine im wesentlichen flache Vorderfläche, eine Umfangsfläche und eine Hinterfläche (12) aufweist, die mit der Vorderfläche des Trägers (11) verbunden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Belagplatte (21) des Vorformelementes eine im allgemeinen konvex gewölbte Vorderfläche (23) und eine im allgemeinen konkave Hinterfläche aufweist, die mit einer im allgemeinen konvex gewölbten Vorderfläche (24) des Trägers (22) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Belagplatte (21) des Vorformelementes eine Vielzahl von Schichten (25, 26, 27) aus polykristallinem Diamant aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das außerdem die folgenden zusätzlichen Schritte aufweist: (d) Erwärmen des Elementes auf eine Temperatur über 725°C; (e) Aufrechterhalten der Temperatur des Elementes über 725 °C über eine Zeitdauer, die nicht fünf Sekunden übersteigt; und (f) Abkühlen des Elementes auf Umgebungstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem beim Schritt (d) das Element auf eine Temperatur über 750 °C und unterhalb etwa 850°C erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem beim Schritt (e) die Temperatur des Elementes über 725°C über etwa vier Sekunden aufrechterhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem mindestens die Schritte (d) und (e) in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bewirkt werden.