NO165447B - Hardmetall-legeme for anvendelse ved fjellboring og skjaering av mineraler. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et hardmetall-legeme for anvendelse ved fjellboring og skjæring av mineraler, omfattende en hardmetallkjerne og en yttersone av hardmetall som omgir kjernen, hvorunder både yttersonen og kjernen inneholder WC (alfa-fase) og et bindemiddel (betafase) som er basert på minst ett av elementene, kobolt, nikkel og jern, og kjernen dertil inneholder eta-fase og yttersonen er fri for eta-fase.

Opp til nå har det vært alminnelig akseptert at sementert karbid for det ovenfor nevnte formål skal ha en to-fase sammensetning, dvs. bestå av jevnt fordelt WC (alfa-fase) og kobolt (beta-fase). Nærvær av fritt karbon eller mellomfaser såsom Mg-karbid, W3Co3C (eta-fase) - på grunn av høye eller henholds-

vis lave innhold av karbon - har vært ansett som skadelige for produktene av ekspertene.

Praktisk erfaring har bekreftet den ovenfor nevnte

oppfatning, spesielt vedrørende lavkarbonfaser såsom eta-fase,

hvor fasen har vært fordelt i hele det sementerte legemet eller befunnet seg på overflaten. Grunnen til de negative resultater er de sprøere egenskapene til eta-fasen, dvs. mikrosprekker,

som starter i overflaten, begynner ofte i eta-fasen og det sementerte karbidbelegget vil lett brekke.

Ved slagfjellboring er det to typer verktøy, slike med

herdede innsatser og verktøy med innpressede dopper. Et ønske er å øke slitasjestyrken til det sementerte karbid som normalt oppnås ved å nedsette koboltinnholdet. Sementert karbid med et lavt koboltinnhold betyr imidlertid at fjellboringsinnsatser ikke kan herdes på grunn av risikoen for brudd som følge av herdepåkjenninger. Nåtildags brukes doppbitt i stor grad, ved hvilke et lavt koboltinnhold kan brukes. Ved tilpasningen av doppene dannes ofte et gap i toppdelen av kontaktflaten mellom dopp og stål i bittet på grunn av hullboringen. Dette gap vokser når bittet brukes, og det fører til slutt til brudd,

hvilket kan skje relativt nær bunnsidene av doppen.

Det er nå imidlertid overraskende funnet at en betydelig styrkeforbedring kan oppnås ved et hardmetall-legeme av den innledningsvis nevnte art hvor, i den ytre sonens indre del som ligger nær kjernen som inneholder eta-fase, er innholdet av bindemiddelfase større enn det nominelle innholdet, og at innholdet av bindemiddel-fase stiger i yttersonen gradvis opp til minst 1,2 ganger, fortrinnsvis 1,4 - 2,5 ganger, sammenlignet med bindemiddelfasens nominelle innhold ved grensen mot etafasekjernen.

Med eta-fase menes lavkarbonfaser med W-C-Co-system, slik som MgC- og M-^C-karbider °9 kappafaser med den tilnærmede formel M4C.

Det er nødvendig at overflatesonen er fullstendig fri for eta-fase for å bibeholde de utmerkede sprekkstyrkeegenskapene til det WC-Co sementerte karbid. Sonen som er fri for eta-fase kan f.eks. være fremstilt ved tilsetning at karbon ved høy temperatur til sementerte karbidlegemer med gjennomgående eta-fase. Ved å variere tid og temperatur, kan en sone som er fri for eta-fase med ønsket tykkelse oppnås.

Legemets høyere styrke kan forklares som følger. Etafasekjernen har høyere stivhet enn det WC-Co sementerte karbid, hvilket betyr at legemet utsettes for mindre elastisk deforma-sjon som fører til mindre strekkspenninger i den kritiske overflatesone når legemet er belastet under boring. Følgen er at oppfinnelsen er spesielt egnet for legemer såsom dopper hvor forholdet mellom høyden og den maksimale bredden er større enn 0,75 fortrinnsvis større enn 1,25.

Innholdet av bindemiddelfase bør være lite i den ytre del av sonen som er fri for eta-fase, dvs. lavere enn nominelt innhold av bindemiddelfase. Man har også funnet at innholdet av bindemiddelfase, dvs. innholdet av kobolt, bør være betydelig høyere, dvs. høyere enn den nominelle i den indre del av sonen som er fri for eta-fase. Den koboltrike sone fører til kompre-sjonsspenninger i overflatesonen og har også positive virkninger på styrke og seighet. Resultatet er et verktøy med større slitasjebestandighet og som tåler høyere belastninger og som også kan herdes.

Ettersom boringen skrider frem, får doppene en økende slitasjeflate, som igjen gir opphav til en øket mekanisk spenning. Kontaktflaten mellom sementert karbid og fjell øker, kreftene blir snart meget store på doppene og risikoen for brudd øker. Dopper med eta-fasekjernene ifølge oppfinnelsen kan ha betydelig større slitasjeflater sammenlignet med vanlige dopper på grunn av den vesentlige økede stivhet og styrke. (Grunnen til å slipe vanlige doppere er blant annet å fjerne slitasjeflater for å nedsette spenningen, dvs. risikoen for brudd. Nysliping kunne således unngås i øket utstrekning ved å anvende dopper ifølge oppfinnelsen.)

Sementert karbid inneholdende etafase har generelt større hårdhet enn tilsvarende materiale med samme sammensetning, men som er fri for etafase. Som det vil fremgå fra de følgende eksempler, kan etafasekjernens forbedrende virkning ikke forklares ved større hårdhet, dvs. en øket slitasjebestandighet. WC-Co-varianten med en hårdhet som svarer til etafasevarianten har i alle de viste eksempler dårligere virkning.

Etafasen bør være finkornet med en kornstørrelse på 0,5-10 ym, fortrinnsvis 1-5 ym, og jevnt fordelt i matrissen den normale WC-Co-struktur i midten av det sementerte karbidlegemet. Man har funnet at tykkelsen til etafasekjernen bør være 10-95%, fortrinnsvis 30-65% av bredden til det sementerte karbidlegemet for å kunne oppnå gode resultater.

Kjernen bør inneholde minst 2 volum%, fortrinnsvis minst 10 volum% etafase, fordi man ellers ikke ville oppnå noen virkning, men maksimalt 60 volum%, fortrinnsvis maksimalt 35 volum%.

I sonen uten etafaseinnhold av bindemiddelfasen, dvs. generelt koboltinnhold, skal det i overflaten være 0,1-0,9, fortrinnsvis 0,2-0,7 av det nominelle innhold bindemiddelfase. Det skal gradvis øke opptil minst 1,2, fortrinnsvis 1,4-2,5 av det nominelle innhold av bindemiddelfase i grenseområdet nær etafasekjernen. Bredden til sonen med lite bindemiddelfase bør være 0,2-0,8, fortrinnsvis 0,3-0,7 av bredden til sonen som er fri for etafase, men minst. 0,4 mm og fortrinnsvis minst 0,8 mm bred.

Den positive virkningsøkning bemerkes ved alle sementerte karbidkvaliteter som normalt brukes for det ovenfor nevnte formål, fra kvaliteter med 3 vekt% kobolt opptil kvaliteter med 35 vekt% kobolt, fortrinnsvis 5-10 vekt% kobolt for slagstein-boring, 6-25 vekt% kobolt for roterende-knusende fjellboring og 6-13 % kobolt for mineralverktøy. Kornstørrelsen av WC kan variere fra 1,5 ym opp til 8 ym, fortrinnsvis 2-5 ym.

Fig. 1 viser en dopp ifølge oppfinnelsen i lengdesnitt og tverrsnitt. På figuren angir A sementert karbid som inneholder etafase, Bl angir sementert karbid som er fri for etafase og med et høyt koboltinnhold, B2 angir sementert karbid fritt for etafase og med et lavt koboltinnhold og C angir innstøpnings-masse (bakelitt). Fig. 2 viser fordelingen av kobolt og wolfram langs en diameter av doppen i fig. 1.

Det er også funnet at koboltmengden i etafasen kan være helt eller delvis erstattet av et av metallene jern eller nikkel, dvs. selve etafasen kan bestå av et eller flere jerngruppe-metaller i kombinasjon. Også i dette tilfellet forbedres egenskapene til det sementerte karbid i en overraskende grad.

I teksten ovenfor samt i eksemplene nedenfor er de positive virkninger av etafasen i midten av sementerte karbiddopper bare vist i slike tilfeller hvor alfafasen er WC og betafasen er basert på ett eller flere av jerngruppemetallene (jern, nikkel eller kobolt). Foreløpige eksperimenter har imidlertid gitt meget lovende resultater, også når maksimalt 15 vekt% wolfram i alfafasen er erstattet med en eller flere av de metalliske karbiddannere Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr og Mo.

Teksten har bare beskjeftiget seg med sementerte karbiddopper for slagfjellboring, men det er åpenbart at oppfinnelsen kan anvendes på forskjellige typer sementerte karbidlegemer såsom fjellboringsinnsatser, slitasjedeler eller andre deler som er utsatt for slitasje.

Eksempel 1

Fra et WC-6% koboltpulver med 0,3 % substøkiometrisk karboninnhold (5,5% C istedet for 5,8 % C i vanlig sementert karbid) ble det presset dopper med en høyde på 16 mm og en diameter på 10 mm. Doppene ble forsintret i N2~gass i 1 time ved 900°C og standardsintret ved 1450°C. Etter dette ble doppene knapt pakket i fint A^O-j pulver i grafittbokser og termisk behandlet i en karboniserende atmosfære i 2 timer ved 1450°C i en "pusher" type ovn. I begynnelsestrinnet av sintringen ble det dannet en struktur av alfa+betafase og jevnt fordelt, finkornet etafase deri. Samtidig ble det i overflaten av doppene dannet en meget smal sone av ren alfa+beta-struktur fordi karbon begynner å diffundere inn i doppene og overføre etafåsene i alfa+beta-fasen. Etter to timers sintringstid hadde en tilstrekkelig mengde karbon diffundert og overført all etafasen i en bred overflatesone. Doppene som ble fremstilt på denne måten hadde etter sintringen en 2 mm overflatesone som var fri for etrfase og en kjerne med en diameter på 6 mm som inne-holdt finfordelt etafase. Koboltinnholdet ved overflaten var 4,8% og umiddelbart utenfor etafasen 10,1%. Bredden av delen med et lavt koboltinnhold var ca. 1 mm.

Eksempel 2

Fjell: Hårdtslitende granitt med små mengder leptit, kompresjonsstyrke 2800-3100 bar.

Maskin: Atlas Copco COP 10 38 HD. Hydraulisk boremaskin for tungt driftsutstyr. Fødetrykk 85 bar, rotasjonstrykk 45 bar, antall omdreininger 200 opm.

Bitt: 45 mm doppbitt. 2 Vinger med 10 mm kantdopper med høyde 16 mm, 10 bitt pr. variant.

Sementert karbidsammensetning: 94 vekt% WC og 6 vekt% kobolt. Kornstørrelse (variant 1-3) = 2,5 ym.

Forsøksvarianter:

Etafasevarianter: 1. Etafasekjerne diameter 6 mm, overflatesone fri for etafase 2 mm og med en gradient av kobolt. 2. Etafasekjerne diameter 7,5 mm, overflatesone fri for etafase 1,5 mm med en gradient av kobolt.

Vanlige kvaliteter 3. WC-Co-struktur uten etafase.

4. WC-Co-struktur uten etafase, men mer finkornet ca. 1,8 ym.

Fremgangsmåte:

Bittene ble boret i sett på syv hull på 5 meter og skiftet for å gi rettferdige borebetingelser. Bittene ble umiddelbart tatt ut fra prøving ved første skade på doppene og antallet borede meter ble notert.

Den beste etafasevarianten viste ca. 40% lengre levetid enn den beste vanlige kvalitet.

Eksempel 3

Fjell: Slitne granitt med kompresjonsstyrke ca. 2000 bar.

Maskin: Atlas Copco Cop 62, pneumatisk caterpillar driftsutstyr for nedhulls fjellboring. Lufttrykk 18 bar, antall omdreininger 40 opm.

Bitt: 16 5 mm nedhullsbitt med dopper diameter 14, høyde 24 mm, 5 bitt/variant. Nyslipingsmellomrom: 42 m. Hulldybde:

21 meter.

Sementert karbid sammensetning ifølge eksempel 2. Alle varianter hadde en kornstørrelse på 2,5 ym.

Forsøksvarianter:

Etafasevariant 1. 7 mm etafasekjerne og 3,5 mm overflatesone fri for etafase. Koboltinnholdet i overflaten var 3,5% og 10,5% i delen som var rik på kobolt. Bredden til delen med et lavt

koboltinnhold var 1,5 mm.

Vanlige referanse-

kvaliteter 2. WC-CO uten etafase.

3. WC-Co uten etafase, finkornet, 1,8 ym. Fremgangsmåte: Ved hver nyslipning, dvs. etter hvert annet hull, ble rekkefølgen til bittene snudd slik at like borebetingelser ble sikret. Boringen ble stoppet for hvert bitt når diameterslita-sjen ble for stor, eller når en doppskade kunne noteres. Resultat:

Eksempel 4

500 m 2Asfalt av middels sterkt slitende type ble malt uten oppvarming. Lufttemperatur 15°C. Tre varianter ble undersøkt.

Maskin: Arrow CP 2000 veiplaneringsmaskin. Hydraulisk, firehjulsdrevet maskin med automatisk skjæredybdekontroll.

Skjæretrommel: Bredde 2 m, diameter innbefattet redskap: 950 mm, periferihastighet: 3,8 m/sek., skjæredybde: 40 mm.

Utstyr: 166 redskaper jevnt fordelt rundt trommelen, hvorav 60 redskaper (20 pr. variant) hadde vanlig sementert karbid, (1) og (2), og sementert karbid ifølge oppfinnelsen (3). Undersøkelsesvariantene arbeidet i par samtidig og var jevnt fordelt rundt trommelen langs hele bredden.

Undersøkelsesvarianter:

Alle dopper hadde høyden 17 mm og diameter 16 mm.

Såsnart en prøvedopp eller en normal dopp sviktet, ble redskapen øyeblikkelig erstattet med en standard redskap.

Resultat:

Eksempel 5

Undersøkelsessted: Boring i åpen gruvesjakt med rulledopper (tre konede dopper).

Maskin: Bycyrus Erie 60 R. Tilført kraft 40 tonn ved 70

opm. Huller med dybder mellom 10 og 17 meter ble boret.

Boredopp: 31,11 cm rulledopper, to dopper pr. variant.

Stein: Hovedgangart med soner av kvarts, kompresjonsstyrke 1350-1600 kg/cm<2>.

Prøvevarianter:

1. Standard 10% kobolt, dopp diamter 14 mm og høyde 21 mm.

2. Etafasevariant 10% kobolt, dopp diameter 14 mm og høyde

21 mm med en 2 mm overflatesone fri for etafase og diameter 9 mm etafasekjerne. Gradient av kobolt 7% i overflaten og 15% i den koboltrikere del. Bredden av den koboltfattige del var 1,5

mm.

Resultater:

I dette eksemplet har variantene ifølge oppfinnelsen fått lengre levetid samt større borehastighet.

Eksempel 6

I stigende boring brukes enhetsruller med sementerte karbiddopper. Dopper med etafasekjerne ble undersøkt i et 2,1 meter borehode.

Fjellets art: Gneis, kompresjonsstyrke: 262 Mpa, hårdt og slitende.

Boreenhet: Robbins 71 R

Boret lengde: 149,5 meter

Borehastighet: 0,8 m/time

En rulle var utstyrt med dopper diameter 22 mm og høyde 30 mm i en standard kvalitet med 15% kobolt og resten 2 ym WC. En prøveruller plassert diametralt på stigningsborehodet var utstyrt med dopper med etafasekjerne som følger:

15% kobolt, 2 ym WC

Overflatesone fri for etafase: 3 mm

Bredde av etafasekjerne: 16 mm

Resultater:

I rullene med standard dopper hadde 30% av doppene fått skader, mens i forsøksrullen var bare 5% av doppene ute av bruk.

Eksempel 7

Prøve med diameter 48 mm innsats dopper

Fjell: Magnetit + gangart

Boremaskin: Atlas Copco COP 10 38HD.

Stollboring

Skjæreinnsats: Høyde 21 mm, bredde 13 mm, lengde 17 mm. Sementert karbidkvalitet: 11% kobolt, 4 ym WC.

Variant 1 Overflatesone fri for etafase: 3 mm

koboltinnhold i overflaten: 8%.

Variant 2 Standard

Resultat

Den slitasjebestandige overflatesone har gitt bedre bestandighet samtidig som den totale levetid har økt 35%.

Claims (7)

1. Hardmetall-legeme for anvendelse ved fjellboring og skjæring av mineraler, omfattende en hardmetallkjerne og en yttersone av hardmetall som omgir kjernen, hvorunder både yttersonen og kjernen inneholder WC (alfa-fase) og et bindemiddel (betafase) som er basert på minst ett av elementene, kobolt, nikkel og jern, og kjernen dertil inneholder eta-fase og yttersonen er fri for eta-fase, karakterisert ved at i den ytre sonens indre del som ligger nær kjernen som inneholder eta-fase, er innholdet av bindemiddelfase større enn det nominelle innholdet, og at innholdet av bindemiddel-fase stiger i yttersonen gradvis opp til minst 1,2 ganger, fortrinnsvis 1,4 - 2,5 ganger, sammenlignet med bindemiddelfasens nominelle innhold ved grensen mot etafasekjernen.

2. Hardmetall-legeme ifølge krav 1, karakterisert ved at eta-fasens kornstørrelse er 0,5 - 10 ym, fortrinnsivs 1 - 5 pm.

3. Hardmetall-legeme ifølge krav 1 og 2, karakterisert ved at innholdet av eta-fase i kjernen er 2 - 60 volum%, fortrinnsvis 10 - 35 volum%.

4. Hardmetall ifølge krav 1-3, karakterisert ved at tykkelsen av eta-fase-kjernen er-10 - 95%, fortrinnsvis 40 - 75% av legemets diameter.

5. Hardmetall ifølge krav 1-4, karakterisert ved at i den ytterste delen av yttersonen er innholdet av bindemiddelfase mindre enn det nominelle innhold av bindemiddelfase.

6. Hardmetall ifølge krav 1-5, karakterisert ved at den ytterste bindemiddel-fattige sonens bredde er 20 - 80%, fortrinnsvis 30 - 70% av tykkelsen til sonen som er fri for eta-fase.

7. Hardmetall ifølge krav 1-6, karakterisert ved at i den ytterste binde-middelf attige sonen er innholdet av bindemiddelfase 10 - 90%, fortrinnsvis 20 - 70% av det nominelle innhold av bindemiddel-f ase.