FI100997B - Kovametallikappale edullisesti käytettäväksi abrasiiviseen kallioporau kseen ja mineraalien leikkaamiseen - Google Patents

Description

100997

Kovametallikappale edullisesti käytettäväksi abrasiiviseen kallioporaukseen ja mineraalien leikkaamiseen

Keksintö koskee kovametallikappale!ta, joita käyte-5 tään kallioporauksessa ja mineraalien leikkaamisessa käy tettävissä työkaluissa. Näihin kuuluvat myös asfaltin ja betonin leikkaamisessa käytettävät työkalut.

Tarkemmin sanottuna keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen kovametallikappale. 10 Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 6 johdanto- osan mukainen menetelmä kovametallikappaleen valmistamiseksi .

EP-patentissa 182 759 esitetään kovametallikappalei-ta, joissa on normaaliin alfa-beetta-faasirakenteen sisään 15 suljettuna hieno ja tasaisesti jakautunut etafaasiydin, ja ympäröivä pintavyöhyke, jossa on vain alfa-beetta-faasi. Lisäehtona on, että ytimen lähellä sijaitsevan pintavyöhyk-keen sisäosassa sideainefaasipitoisuus on suurempi kuin sideainefaasin nimellispitoisuus. Lisäksi pintavyöhykkeen 20 uloimmassa osassa oleva sideainefaasipitoisuus on nimellis tä alhaisempi ja se suurenee ytimeen päin ollakseen suurin etafaasittomalla vyöhykkeellä. (Tässä yhteydessä nimellisellä sideainefaasipitoisuudella tarkoitetaan nyt ja tästä eteenpäin sideainefaasin painomäärää).

25 EP-patentin 182 759 mukaiset kovametallikappaleet ovat osoittaneet suorituskyvyn kasvua kaikissa kallioporauksessa normaalisti käytetyissä kovametalliasteissa ja ne ovat menestyneet kaupallisesti. Johtuen siitä, että sideainefaasipitoisuus suurenee ulkopinnasta keskustaan päin 30 mentäessä, parantunut kulutuskestävyys häviää melko var hain. EP-A-182 759 mukaiset kovametallikappaleet sopivat siksi parhaiten sitkeyttä vaativiin kallioporauksiin.

Suuri kulutuskestävyys ja erinomainen sisääntunkeu-tumisnopeus ovat ao. kappaleiden olennaisia ominaisuuksia 35 ja tällaiset ominaisuudet tulevat entistä tärkeämmiksi.

Tietyt kappaleet, erityisesti kappaleet, jotka on tarkoi- 2 100997 tettu peränajoon, kuluvat loppuun, kun kappaleen halkaisija on alle 4-6 mm, koska porausaukon halkaisijasta tulee liian pieni, jolloin räjähdysainetta on vaikea panostaa. Tällaisten kappaleiden metallihelmiä saadaan harvoin jauhe-5 tuiksi uudelleen, koska kappaleen halkaisija pienenee uu delleen jauhatuksessa. Näissä kappaleissa on tärkeää, että helmissä on 2 - 3 mm paksu kulutusta kestävä vyöhyke, niin että kulutuskestävyys on suuri ja tasainen kappaleen koko käyttöajan. Kun kuluminen muuttaa helmen muotoa, sisääntun-10 keutumisnopeus pienenee vähitellen.

Nyt on yllättäen osoittautunut mahdolliseksi säätää valmistusprosessia siten, että sideainemetallin lähes va-kiopitoisuus saadaan kappaleen pintavyöhykkeeseen ja tästä seurauksena vakiokovuus ja -kulutuskestävyys. Tällöin pa-15 rannetaan lisää sovelluksia, joissa suuri kulutuskestävyys on hyvin tärkeä. Keksinnön mukaisissa kappaleissa kulutusta kestävä pintavyöhyke kuluu hitaammin kuin tavanomaisissa kappaleissa ja sen takia suuri sisääntunkeutumisnopeus säilyy pitkän aikaa.

20 Tarkemmin sanottuna keksinnön mukaiselle kovametal- likappaleelle on tunnusomaista se, mitä on sanottu itsenäisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön mukaisen kovametallikappaleen edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten patenttivaatimusten 2-5 kohteena.

25 Kuviossa 1 esitetään kaaviomaisesti sideainejakauma pitkin kovametallikappaleen pintaan nähden kohtisuoraa linjaa myöten keksinnön mukaisesti. Kuviossa A - sideainefaasiton pintavyöhyke A1 - pintavyöhyke, jossa on lähes vakio sideainefaasipi-30 toisuus B = runsaan sideainefaasin sisältävä pintavyöhyke C -= etafaasia sisältävä ydin n = nimellinen sideainefaasipitoisuus dQ - pinnassa oleva sideainefaasipitoisuus 35 d vyöhykkeen sideainefaasipitoisuuden kasvu 3 100997 a - sideainefaasittoman pintavyöhykkeen leveys a1 * lähes vakion sldealnefaaslpltolsuuden omaavan pintavyöhykkeen leveys

Keksinnön mukaisten kovametallikappaleiden etafaa-5 siton pintavyöhyke jaetaan kahteen osaan. Uloimmassa osassa (A-vyöhyke) sideainefaasipitoisuus on pienempi kuin nimel-lisosassa (n). Sisäosassa (B) sideainefaasipitoisuus on A-vyöhyke on kovempaa ja jäykempää johtuen alhaisesta side-ainefaasipitoisuudesta, kun taas C-vyöhyke on kovempaa joh-10 tuen hienojakoisesta etafaasista.

A-vyöhykkeellä sideainefaasin keskimääräisen pitoisuuden Pitää olla 0,2 - 0,8, edullisesti 0,3 - 0,7, nimellisestä sideainefaasipitoisuudesta. A-vyöhykkeen ulko-osan sideainefaasipitoisuuden pitää olla lähes vakio. Sideaine-15 f aasipitoisuuden suhteellinen suureneminen tai pieneneminen pitkin pintaa vasten kohtisuoraa linjaa pitkin, d/id^a^ ei saa olla yli 20 %/mm, edullisesti ei yli 10 %/mm. Tämän ulomman vyöhykkeen leveyden a, jolla on vakio tai lähes vakio sideainefaasipitoisuus, pitää olla 50 %, edullisesti 20 70 %, edullisimmin 80 % leveydestä a, vyöhykkeestä A, kui tenkin vähintään 1 mm. B-vyöhykkeellä sideainefaasipitoisuus on nimellistä suurempi ja saa suurimmaksi arvokseen ainakin 1,2, edullisesti 1,6 - 3 nimellisestä side ainef aasipitoisuudesta .

25 C-vyöhykkeen pitää käsittää ainakin 2 tilavuus-%, edullisesti ainakin 5 tilavuus-% etafaasista, mutta enimmillään 60 tilavuus-%, edullisesti enimmillään 35 tilavuus-%. Etafaasin pitää olla hienorakeista raekoon ollessa 0,5 - 10 pm, edullisesti 1 - 5 pm ja sen pitää olla tasai-30 sesti jakaantuneena normaalin WC-Co-rakenteen matriisiin.

C-vyöhykkeen leveyden pitää olla 10 - 95 %, edullisesti 25 - 75 % kovametallikappaleen poikkileikkauksesta.

Keksintöä voidaan käyttää kaikissa kovametalilasteissa, joita normaalisti käytetään kallioporauksessa al-35 käen 3 painoprosenttisesta sideainefaasista aina 25 paino- prosenttiseen sideainefaasiin läpiporauksessa, 10 - 25 pai- 4 100997 no-% pyörömurskausporauksessa ja 6 - 12 paino-% kallioleikkauksissa ja silloin kun WC:n raekoko voi vaihdella 1,5 -8 pm, edullisesti 2 - 5 pm. Tämä sopii varsin hyvin silloin, kun kyseessä ovat kappaleet, joita ei jauheta uudel-5 leen, esim. porauskappaleiksi peränäjoa varten, kun kappa leessa on saavutettu palan halkaisija ennen kuin vakio si-deainefaasipitoisuusvyöhyke on kulunut loppuun. Side-ainefaasipitoisuudessa vallitseva suuri ero ja sillä läm-pölaajenemiskertoimella vyöhykkeen A ja muiden vyöhykkei-10 den kesken jossain keksinnön mukaisessa metallihelmessä saadaan aikaan suuria puristusjännityksiä metallihelmien pintaan, millä saadaan erityisen hyvät sitkeysominaisuudet sen seikan lisäksi, mitä on aiemmin mainittu parannuksina kulumiskestävyydessä verrattuna EP-patenttiin 182 759.

15 Sideaine£aasissa Co voidaan korvata osittain tai kokonaan Ni:llä nikkelillä ja/tai raudalla Fe. Tällöin Co-osuus etafaasissa on osittain tai kokonaan korvattu jollakin metalleista Fe ja/tai Ni, eli etafaasi voi itse sisältää yhden tai useamman rautaryhmän metalleista yhdistelmä-20 nä. Jopa 15 paino-% tungstenia alfa-faasissa voidaan kor vata yhdellä tai useammalla kovametallin muodostusaineella Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr ja Mo.

Keksinnön mukaiset kovametallikappaleet valmistetaan käyttämällä metallurgisia jauhemenetelmiä: jauhaminen, pu-25 ristaminen ja sintraaminen. Aloittamalla jauheesta, joka sisältää substökiometrisen pitoisuuden hiiltä, saadaan ko-vametallia sisältävä etafaasi sintrauksen aikana. Tämä tapahtuu sen jälkeen, kun sintraus on saanut voimakkaasti karburoivan lämpökäsittelyn esim. ahtamalla sisään hii-30 linokea. Tarkemmin sanottuna valmistetaan keksinnön mukai set kovametallikappaleet patenttivaatimuksen 6 tunnusmerk-kiosan mukaisesti. Tämä tarkoittaa sitä, että hiiliaktivi-teetti ac on uunin lämpötilassa lähellä arvoa 1, edullisesti ainakin 0,8, niin että hiilen meno helmien pintaan koko 35 lämpökäsittelykerran aikana on suurempi kuin hiilen dif- fuusionopeus helmiin.

5 100997

Esimerkki 1

Metallihelmet puristettiin käyttämällä WC-6 paino-% Co-jauhetta, jonka substökiömetrinen hiilipitoisuuden paino-% oli 0,1 % (5,6 paino-% C 5,8 paino-%:n asemesta). Ne 5 sintroitiin lämpötilassa 1 450 °C normaaliolosuhteissa.

Sintrauksen jälkeen helmien pituus oli 16 mm ja halkaisija 10 mm. Sitten helmet pakattiin hiilinokeen ja lämpökäsltel-tiin uunissa 3 tunnin ajan lämpötilassa 1 400 °C.

Tällä tavalla valmistetuissa metallihelmissä oli 10 2 mm leveä pintavyöhyke, jossa ei ollut etafaasia, ja 6 mm: n ydinosa, joka sisälsi hienojakoisen etaf aasin. Pinnassa olevaksi Co-pitoisuudeksi mitattiin 3 paino-%. Pinnasta 1,6 mm:n päässä Co-pitoisuus oli 3,5 paino-% ja aivan eta-faasiytimen ulkopuolella 14 paino-%. Korkean Co-pitoisuu-15 den omaavan vyöhykkeen leveys oli n. 0,4 mm.

Esimerkki 2

Kallio Kovaa abrasiivista graniittia leptiittijuo- vin, puristuslujuus 2 800 - 3 100 baaria. Kone Atlas Copco CUP 1038 HD, hydraulinen laite 20 raskaaseen peränajajalaitteistoon. Syöttö- paine 85 baaria, pyörityspaine 45 baaria ja pyörintä 200 rpm.

Kappaleet 45 mm kaksisiipiset metallihelmikappaleet, joiden kehän helmien halkaisija on 10 mm ja 25 pituus 16 mm. Testattiin 10 kappaletta muunteluosaa kohden. Kappaleen halkaisija oli 41 mm.

Kovametalliaste 94 paino-% WC ja 6 paino-% Co. Raekoko 30 2,5 pm.

Testivariantit 1. Keksinnön mukaisiin metallihelmiin kuuluu 4 mm halkaisijainen etafaasiydin, 3 mm leveä etafaasiton pinta-35 vyöhyke, jossa pienen Co-pitolsuuden omaava osuus oli 2,2 mm leveä.

100997 6 2. Metallihelmet, joiden etafaasiytImen halkaisija oli 6 mm, etafaasiton pintavyöhyke 2 mm ja Co-gradientti patentin EP-A-182 759 mukainen.

3. Tavanomaisen rakenteen omaavat metallihelmet il- 5 man etafaasia.

Kappaleet porattiin 7 reiän prosessivaiheina, joiden reikien syvyys oli 5 m, ja niitä permutoitiin siten, että saatiin yhtäläiset porausolosuhteet. Kappaleet otettiin pois testauksesta heti, kun kappaleen halkaisija meni alle 10 41 mm:n ja sen jälkeen merkittiin muistiin poratut metri- määrät .

Tulokset

Variantti Keston pituus, metrejä keskimäärin suurin pienin 15 1 451 543 398 2 325 403 286 3 231 263 201

Esimerkki 3

Testiporaus 64 mm penkkiporauskappaleilla suoritet-20 tiin kvartsiittilouhoksella, jossa esiintyi erittäin kovaa kvartsia. Variantti 1 käsitti keksinnön mukaisia kovametal-lihelmiä, variantti 2 EP-patentin 182 759 mukaisia helmiä j a variantti 3 yleisiä kaupallisia WC-Co-asteen helmiä. Keksinnön mukaisissa metallihelmissä sekä EP-patentin 182 25 759 mukaisissa helmissä oli 2,5 mm levyinen vyöhyke, jossa oli alhainen Co-pitoisuus.

Testitiedot

Kairauslaitteet ROC 712, CUP1036 kone

Syöttöpaine 80 baaria 30 Dynaaminen paine 190 baaria

Reiän syvyys 12 m

Ilmahuuhtelu 5 baaria

Kappaleiden määrä 5 35 7 100997

Tulokset

Uudelleenhie- Uudelleenhie- Työstömäärä Indeksi nonnusväli, m nonnusmäärä m 1 48 3 189 145 5 2 36 4 157 120 3 24 5 130 100

Esimerkki 4

Testauspaikka Rautamalmikaivos, avolouhos 10 Poraus valssauskappaleilla

Gardner Denver GD-100

Syöttöpaine 40 tonnia

Pyöriminen 80 rpm

Kallio Magnetiittia, kvartsijuovia ja 15 liusketta

Porauskappale 12 1/4" CS-2

Variantti 1 Kappale, jossa on keksinnön mukai sia kovametallihelmiä (taltan muotoisia). Nominaalinen Co-pitoisuus 20 10 paino-%, helmen halkaisija 14 mm ja pituus 21 mm. Vyöhyke A 3 mm, vyöhyke B 2 mm.

Variantti 2 Ennestään tunnettuja kovametalli helmiä, joiden etafaasiton pinta-25 vyöhyke oli 2, 5 mm ja nimellinen

Co-pitoisuus 10 paino-%.

Variantti 3 Tavanomaisia kovametallihelmiä, joiden Co on 10 paino-%.

30 Tulokset

Variantti Työstö, m Tunkeutumis- nopeus,m/h 1 3050 21,2 2 2583 16,3 35 3 1868 15,3

Claims (6)

1. Kovametallikappale edullisesti käytettäväksi ab-rasiiviseen kallioporaukseen ja mineraalien leikkaamiseen, 5 johon kuuluu WC- (alfa-faasi-) ja sideainefaasi perustuen ainakin yhteen seuraavista: Co, Fe ja Ni, ja johon kuuluu kovametallia sisältävä etafaasiydin C, jota pintavyöhyke ympäröi, A ja B, jossa ulomman osan A:n sideainefaasipi-toisuus on nominaalista pienempi, tunnettu siitä, 10 että sideainefaasipitoisuus A:n ulommassa osassa on lähes vakio ja kasvaa tai pienenee suhteellisesti ollen enimmillään 20 %/mm.

2. Edellisen patenttivaatimuksen mukainen kovametallikappale, tunnettu siitä, että etafaasittoman pin- 15 tavyöhykkeen leveys, jossa sideainefaasipitoisuus on vakio tai lähes vakio, on ainakin 50 %, edullisesti ainakin 70 % koko vyöhykkeen A leveydestä, kuitenkin vähintään 0,8 mm.

3. Jommankumman edeltävän patenttivaatimuksen mu- 20 kainen kovametallikappale, tunnettu siitä, että ulomman, etafaasittoman ulkovyöhykkeen sideainefaasipitoisuus on 0,2 - 0,8, edullisesti 0,3 - 0,7 nimellisestä side-ainefaasipitoisuudesta.

4. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen 25 kovametallikappale, tunnettu siitä, että etafaasit toman vyöhykkeen B sisäosassa sideainefaasipitoisuus on nimellistä suurempi.

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen kovametallikappale, tunnettu siitä, että vyöhyk- 30 keen B sideainefaasipitoisuus saavuttaa suurimman arvon, ainakin 1,2, edullisesti 1,6 - 3, nimellisestä sideaine-faasipitoisuudesta.

6. Menetelmä jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukaisen kovametallikappaleen valmistamiseksi, jolloin käy- 35 tetään metallurgisia jauhemenetelmiä kuten jyrsintää, präs- 9 100997 säystä ja sintrausta, jolloin jauhe, jonka hiilipitoisuus on substökiometrinen, sintroidaan etafaasin sisältäväksi kappaleeksi, joka sintrauksen jälkeen saa osittain karbu-roivan lämpökäsittelyn, jolloin saadaan etafaasia sisältävä 5 ydin, jota ympäröi etafaasiton pintavyöhyke, tunnet- t u siitä, että karburointi tapahtuu hiiliaktiivisuudel-la ae, 0,8, joka on lähellä l:tä, edullisesti ainakin 0,8. 10 100997