NO178273B - Hardmetallinnsats for borkroner - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår fagfeltet rullemeiselkroner samt innsatser for slike. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen fagfeltet borkroner av rullemeiseltype og slagtype som omfatter innsatser med et lag av polykrystallinsk diamantmateriale på et innsatslegeme.

Rullemeisel-borkroner er viden kjent for olje-, gass- og geotermiske boreoperasjoner. Generelt omfatter rullemeisel-borkroner en hoveddel som er forbundet med en borestreng og typisk tre hule meiselruller ("cutter cones") som hver er montert på lagertapper på borkrone-hoveddelen for rotasjon om en akse på tvers av borkroneaksen. Ved bruk roteres bore-strengen og borkrone-hoveddelen i borehullet og hver rulle bringes til å rotere på sin respektive tapp idet rullen ligger an mot bunnen av borehullet som bores.

Rullemeisel-borkroner blir vanligvis delt i to kategori-er: de som brukes med slam som borefluid, og de som brukes med luft som borefluid. Selv om de er like i grunn-konstruk-sjonen har disse to typer rullemeisel-borkroner også mange konstruksjons- og fremstillingsmessige ulikheter på grunn av forskjellene med hensyn til hvorledes borkronene brukes såvel som hva slags boreutstyr som brukes med disse to borkrone-typer.

Typisk anvendes slam som borefluid ved boring i formasjoner som har en tendens til å rase inn i hullet som er ut-boret. Det vil si, vekten av slammet brukes til å holde borehullet intakt ved utligning av de geofysiske krefter som omgir borehullet. Som her anvendt er termen "slam" ment å ha en forholdsvis bred betydning innbefattende konvensjonelle boreslam, vann, saltvann, samt blandinger av disse.

På den annen side anvendes luft typisk ved boring i frakturerte formasjoner hvor slammet vil ha en tendens til å sige inn i formasjonen, og når borehullet er tilstrekkelig stabilt.

På grunn av at typisk boreslam har forholdsvis stor slipevirkning, omfatter rullemeisel-borkroner som brukes med slam vanligvis en elastomer-pakning for å beskytte lagrene mot boreslammet. Videre er slam-borkroner vanligvis konstruert for å vare meget lenger og omfatter typisk presisjons-tapplagre og et smøremiddel-reservoar med trykkompensasjons-midler.

Luft-borkroner derimot er vanligvis konstruert for kor-tere kjøretider og omfatter rullelagre uten pakninger og smøremiddel. Følgelig benyttes luft-borkroner ofte for geo-termisk boring ettersom de høye temperaturer som påtreffes ved denne type boring vanligvis vil nedbryte elastomer-pak-ningene og smøremidlene som brukes ved konstruksjon av slam-borkroner.

Ettersom tyngden av den overliggende boreslam-søyle påfører et større trykk enn en luftsøyle på bunnen av borehullet, er samvirkningen mellom skjærinnsatsene og bunnen av hullet forskjellig for innsatsene i en rullemeisel-slamkrone og innsatsene i en rullemeisel-luftkrone. Særlig blir innsatsene i en rullemeisel-slamkrone typisk utsatt for høyere dynamiske krefter på grunn av slamsøylens virkning på bore-hullbunnen. Ettersom slammet virker til å utjevne de geofysiske trykk som omgir borehullet, innbefattende hullbunnen, har dessuten slamboring typisk en lavere borsynk enn luftboring. Med identisk tyngde på borkronen og rotasjonshastighet vil følgelig innsatser på slamkroner typisk komme i berøring med fjellformasjonen flere ganger for boring av en gitt ekvi-valent strekning, enn ved luftboring. Videre strekker innsatsene i slamkroner seg typisk lenger ut fra meiselrullen for å oppnå en mer aggressiv skjærevirkning enn det som typisk finnes med luftkroner.

I motsetning til dette vil fjellet, på grunn av at bore-hullbunnen er undertrykk-utlignet ved boring med luft, ha en tendens til å eksplodere når det kommer i berøring med innsatsene. Som følge av det eksplosive forhold ved luftboring er toppbelastningen på hver innsats lavere enn ved slamboring.

Slag-rullemeiselkroner med fast hode, også kjent under betegnelsen hammerkroner, er en annen type verktøy for boring i fjell. Slag-rullemeiselkroner benyttes oftest ved boring av sprenghull for gruvedrift og konstruksjon. Andre anven-delser for slag-borkroner med fast hode innbefatter gass-, olje- og vann-boring. Slag-borkronene omfatter en hoveddel med en ende for forbindelse med en lufthammer. Hardmetallinnsatser er innleiret i den andre ende.

Ved drift beveger lufthammeren borkronen hurtig opp og ned. Slag-borkronen banker innsatsene mot fjellet som bores, slik at det knuses ved gjentatte slag. En typisk lufthammer for slag-borkroner arbeider med ca. 2000 slag pr. minutt under omdreining med ca. 60 r/min. Trykkluft som pumpes gjennom borkronen fjerner kaks av nedbrutt stein fra hullet som bores. Noen slag-borkroner drives ved hydraulisk påvirk-ning.

En vesentlig forbedring av den forventete levetid for rullemeisel- og slag-rullemeiselkroner innebærer bruk av hardmetallinnsatser innsatt i meiselrullene for knusing av fjell på bunnen av borehullet. Naturligvis ga hardmetall i form av metallbundet metallkarbid, såsom koboltbundet wolframkarbid, bedre slitefasthet enn stål sammen med tilstrekkelig seighet til å kunne oppta de krefter som opptrer under boring. Etter innføringen av hardmetallinnsatser ved boring i fjell, er mye arbeid nedlagt i å forbedre både slitefasthet og seighet ved innsatsene. Slitefasthet er viktig for å hindre at innsatsene ganske enkelt slites bort under boring. Seighet er viktig for å unngå at innsatsene brytes løs på grunn av de høye støtbelastninger de utsettes for ved boring.

Et nylig fremskritt ved hardmetallinnsatser for rullemeisel-borkroner er bruken av et lag av polykrystallinsk diamant (PCD). Særlig har det vært fremstilt innsatser som omfatter et innsatslegeme bestående av koboltbundet wolframkarbid og et lag av polykrystallinsk diamant direkte forbundet med innsatslegemets utstikkende hodeparti. Termen polykrystallinsk diamant er den generelle betegnelse på det materiale som fremstilles ved å utsette individuelle diamantkrystaller for tilstrekkelig høyt trykk og høy temperatur til at det skjer en interkrystallinsk forbindelse mellom tilstø-tende diamantkrystaller. Naturligvis gir PCD fordelen med høyere slitefasthet. Men ettersom PCD er forholdsvis skjørt, har det forekommet enkelte problemer på grunn av avflaking eller sprekker i PCD-laget.

US-patent nr. 4 694 918 viser rullemeisel-borkroner og hardmetallinnsatser for disse, hvor hardmetallinnsatsene omfatter et innsatslegeme av metallkarbid, et ytterlag av polykrystallinsk diamant, og minst ett overgangslag av et komposittmateriale. Komposittmaterialet omfatter polykrystallinsk diamant og metallkarbidstykker. Dette overgangslag mellom det ytre lag av PCD og hodepartiet er funnet å forlen-ge PCD-rullemeiselkroneinnsatsenes forventete levetid på grunn av at forekomsten av oppsprekking og avflaking reduse-res.

Sagt i korthet er foreliggende oppfinnelse en borkrone-hardmeta11innsats som omfatter en polykrystallinsk diamantoverflate på et innsatslegeme som har et hodeparti laget av et materiale med elastisitet og varmeekspansjonsegenskaper som fordelaktig er tilpasset for bruk i tre typer rullemeiselkroner. De tre typer borkroner er en rullemeisel-borkrone innrettet for bruk med slam, en rullemeisel-borkrone innrettet for bruk med luft, og en slag-rullemeiselkrone.

Nærmere bestemt tilveiebringer oppfinnelsen en hardmetallinnsats som angitt i de etterfølgende, selvstendige krav 1 og 11. Fordelaktige utføringsformer av oppfinnelsen er angitt i de øvrige etterfølgende krav.

En har funnet at når innsatsenes hodeparti er fremstilt av et materiale som har en elastisitetsmodul og varmeutvidelseskoeffisient innenfor de respektive områder, har innsatsene større forventet levetid enn de hvor hodeparti-materialet ikke passer inn i disse områder. Særlig har en funnet at bruk av materialet innen de respektive områder har redusert forekomsten av oppsprekking og avflaking i PCD-laget. Dessuten har en funnet at forekomsten av innsatsbrudd i det store og hele også er minsket.

En har også funnet at elastisitetsmodul-verdiene kan være for høye for praktisk bruk i rullemeiselkronene ifølge oppfinnelsen. Nærmere bestemt har en funnet at over de angitte øvre grenser for elastisitetsmodulen er innsatslegemets hodeparti for skjørt til å tåle de dynamiske krefter som opptrer under boring. Med andre ord, dersom elastisitetsmodulen er for høy, er det fare for at hardmetallinnsatsene brytes av under boring. Slike brudd er særlig uheldige ved at ikke bare senkes borkronens borehastighet, men de stykker som brekker av innsatsene kan forårsake stor skade på resten av borkronen.

Videre har en funnet at de oppfinneriske områder av elastisitetsmodul og varmeutvidelseskoeffisient for hardmetallinnsatsene er forskjellige for de som anvendes i rullemeisel-borkroner innrettet for boring med slam og de som anvendes i rullemeisel-borkroner innrettet for boring med luft. Forskjellen mellom disse områder antas å skyldes forskjellen mellom de krefter som virker på en slamkroneinnsats og de som virker på en luftkroneinnsats. De oppfinneriske områder av elastisitetsmodul og varmeutvidelseskoeffisient for innsatser som anvendes i slag-rullemeiselkroner er funnet å være identiske med områdene for rullemeisel-borkroner som anvendes med luft.

Disse og andre formål, fordeler og trekk ved foreliggende oppfinnelse vil bedre forstås ved studering av følgende detaljerte beskrivelse av de foretrukne utføringsformer i tilknytning til de medfølgende tegninger. Figur 1 er et sideriss av en rullemeisel-borkrone innrettet til å bore med slam. Figur 2 viser et utsnitt av en slik rullemeiselkrone. Figur 3 er et snitt gjennom en hardmetallinnsats for bruk i rullemeiselkronen på figur 1. Figur 3a er et snitt gjennom en alternativ hardmetallinnsats for bruk i rullemeiselkronen på figur 1. Figur 4 er et snitt gjennom en kaliberinnsats for bruk i rullemeiselkronen på figur 1. Figur 5 viser et utsnitt av en rullemeisel-borkrone innrettet til å bore med luft. Figur 6 er et snitt gjennom en hardmetallinnsats for bruk i rullemeiselkronen på figur 5. Figur 7 er et snitt gjennom en kaliber-hardmetallinnsats for bruk i rullemeiselkronen på figur 5. Figur 8 er et utsnitt av en slag-rullemeiselkrone. Figur 9 er et snitt gjennom en hardmetallinnsats for bruk i rullemeisel-borkronen på figur 7.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er valget av elastisitets- og varmeutvidelsesegenskapene til materialet i innsatslegemets hodeparti funnet å være viktig for minsking av sprekking og avskalling i PCD-laget til en PCD-belagt hardmetallinnsats for en rullemeiselkrone.

Uten at man ønsker å være bundet av noen spesiell teori, antas det nå at det gode resultat oppfinnelsen har vist seg å medføre kan forklares ut fra følgende teori. Det antas nå at avskalling og oppsprekking i PCD-laget i en viss utstrekning har forbindelse med en uensartethet mellom PCD-lagets egenskaper og egenskapene til materialet direkte under PCD-laget. Konvensjonelt har dette materiale vært koboltbundet wolframkarbid.

En egenskap som varierer mellom PCD-laget og det koboltbundne karbid er elastisitetsmodulen. Således er elastisitetsmodulen hos diamant typisk mellom 910 og 1050 x IO<6> kPa, mens elastisitetsmodulen hos metallkarbid varierer fra 525 x 10 kPa for et 14 vekt-% koboltbundet wolframkarbid til 693 x IO<6> for et 6 vekt-% koboltbundet wolframkarbid.

I betraktning av denne uensartethet går nå teorien ut på at noe PCD-oppsprekking og -avskalling skyldes at hardmetallet umiddelbart under PCD-laget ved belastning deformeres utover PCD-lagets elastisitetsgrense. Følgelig skapes tilstrekkelig tøyning i PCD-laget til å bevirke oppsprekking og avskalling.

En annen egenskap hvor det er en stor forskjell mellom PCD og hardmetall er deres varmeutvidelseskoeffisient. PCD har typisk en varmeutvidelseskoeffisient på mellom 2,29 og 3,14 x 10"<6>/°C. Avhengig av graden av hardmetall varierer varmeutvidelseskoeffisienten mellom 2,5 og 6,0 10"<6>/°C.

Det antas nå at denne forskjell i varmeutvidelse likele-des kan forårsake oppsprekking og avskalling i PCD-laget. Særlig under dannelse av PCD-laget utsettes hardmetallinnsatsen for temperaturer typisk mellom 1300 og 1500°C. Under av-kjøling av innsatsen kan forskjellen i varmeutvidelse mellom de to materialer bevirke tøyning mellom diamantholdige lag som i sin tur kan føre til tidlig driftsbrudd av innsatsen på grunn av oppsprekking eller avskalling i PCD-laget.

I lys av ovenstående går teorien ut på at forekomsten av oppsprekking og avskalling kan minskes ved å bruke et materiale i rullemeisel-borkroneinnsatsens hodeparti, som har en elastisitetsmodul og en varmeutvidelseskoeffisient innenfor de angitte områder. Med andre ord antar man at minsking av ulikheten mellom PCD-materiallaget og det underliggende hodeparti er årsaken til den forlengelse av PCD-materiallagets varighet man har observert under felt-utprøving.

I denne beskrivelse og de etterfølgende krav er elastisitetsmodulen uttrykt som en Youngs-modulus med SI-enheter. Disse verdier er bestemt ved direkte strekklapp-måling av spenning-deformasjonskurvens stigning. Alternativt kan Youngs modul måles ved hjelp av dynamisk eksitering, med ultralyd-frekvens, av lengdesvingninger i en prøvestav, og bestemmelse av resonans-frekvensen ved dens egensvingninger. Elastisitetsmodulen til metallkarbider avtar generelt med økende koboltinnhold.

Materialet i hodepartiet er fortrinnsvis et metallbundet karbid, helst et koboltbundet karbid. Når koboltbundet karbid anvendes er det funnet ønskelig å velge en spesiell kva-litet som har en koersivitet og hardhet med spesielle områder.

Det skal bemerkes at termen "koersivitet" som anvendt i beskrivelsen og de medfølgende krav, er ment å angi den koersive kraft som måler størrelsen av mot-magnetisme som er nød-vendig for å minske remanensinduksjonen til null etter at en prøve er fjernet fra et magnetfelt der den var fullstendig mettet. Enhetene ved denne måling er ørsted (0e). Koersivi-tetsverdien oppnås ved å anbringe en prøve i et likestrøm-magnetfelt og magnetisiere den til metning. Feltet snues og den koersive feltstyrke som er nødvendig for avmagnetisering av prøven måles. Spesielt ble koersiviteten til metallkarbider i forsøkene for foreliggende oppfinnelse bestemt med et Forster-Koerzimat, Modell 1,095.

Koersiviteten til metallbundne metallkarbider er direkte relatert til volumandelen av metallkarbid, urenheter, porøsi-tet, karbidets eta-fase, indre spenninger og karboninnhold. Generelt har finkornete metallkarbider med et lavt metall-bindstoffinnhold de høyeste koersivitetsverdier. På den annen side har grovkornete metallkarbider med et høyt metall-bindstoffinnhold de laveste koersivitetsverdier.

Det skal videre bemerkes at termen "hardhet" som anvendt i beskrivelsen og de medfølgende krav, er ment å angi

Rockwell A-hardhet som uttrykkes med enheten Ra. Rockwell A-hardhet bestemmes ved ASTM B294-76.

Generelt er hardhet hos de metallbundne karbider relatert til kornstørrelse og bindstoffinnhold. Karbider med større kornstørrelser har en lavere hardhet enn finkornete materialer. Videre vil hardheten avta med økende bindstoffinnhold.

Disse to egenskaper, koersivitet og hardhet, er av føl-gende grunner av verdi for angivelse av forskjellige kvaliteter av metallbundne karbider. Koersivitet er en lett målbar egenskap som gjenspeiler en kombinasjon av forskjellige vari-able innen metallkarbidet. Som ovenfor omtalt er koersivitet relatert til volumandelen av metallkarbid, urenheter, porøsi-tet, eta-fase, og karboninnhold. Følgelig avslører koersivi-tetsverdien til et metallkarbid meget om dets mikrostruktur.

Hardhet er på den annen side et mål for metallkarbidets makroskopiske egenskap. Selv om koersiviteten og hardheten til en viss grad står i forhold til hverandre, er hardhet også relatert til elastisitetsmodulen og lar seg lett måle.

På figur 1 og 2 er det vist en rullemeisel-borkrone 15 som er innrettet til å anvendes med slam som borefluid. Borkronen 15 omfatter en hoveddel 10 av stål og en gjenget ende 12 for tilkopling til en borestreng (ikke vist). Tre meiselruller 11 er dreibart montert på akseltapper 16 på borkrone-hoveddelen. Et antall hardmetallinnsatser 13 er anbragt i rader i utsparinger i hver rulle. Som det fremgår er rullene 11 anbragt i vinkel på tvers av borkronens akse 14.

Når borkronen roteres vil følgelig hver rulle rotere om sin akse for å bringe innsatsene 13 i anlegg mot bunnen av hullet.

En annen rad med innsatser 17 er anbragt i en kaliberrad på hver rulle. Disse innsatser har den viktige oppgave å ligge an mot hull-siden for å opprettholde hullets diameter eller "kaliber" ("gage"). På grunn av deres plassering på rullen er disse kaliberrad-innsatser 17 typisk utsatt for sterkere slipende slitasje. Det er kjent innen boreindu-strien at når kaliberradinnsatsene blir for slitt blir hullets diameter mindre etterhvert som borkronen fortsetter å bore. Dette forhold er meget skadelig fordi den neste borkronen som sendes ned i hullet må rømme ut hulldiameteren før den når bunnen av hullet. Dessuten forkortes den forventete levetid for tetning- og lagersystemet når hullets diameter ikke opprettholdes. Av disse grunner er det særlig fordelaktig å innbefatte hardmetallinnsatsen ifølge foreliggende oppfinnelse i meiselrullenes kaliberrad.

Figur 3 viser et tverrsnitt av en av hardmetallinnsatsene 13 ifølge foreliggende oppfinnelse. Som det fremgår omfatter innsatsen 3 et innsatslegeme 31. Dette innsatslegeme omfatter et skaftparti som innføres i meiselrullen og et hodeparti som rager ut fra meiselrullen. PCD-materialet er direkte forbundet med innsatsens hodeparti.

Innsatslegemet er fortrinnsvis fremstilt i ett stykke, helst et enhetlig stykke metallbundet metallkarbid. Innsats-legemene kan imidlertid fremstilles i flere enn ett stykke. F.eks. kan det være ønskelig å sveise et konus- eller kuppelformet hodeparti på et sylindrisk skaftparti. Det kan også være ønskelig å feste et hodeparti med en ikke-plan grense-flate med skaftpartiet. F.eks. viser figur 3a et konusformet hodeparti 34 som er festet til et skaftparti 32 som omfatter et sylindrisk parti 3 6 som rager inn i en utsparing i hodepartiet. Når hodepartiet er fremstilt av et forskjellig materiale vil det fortrinnsvis ha en høyere elastisitetsmodul enn materialet i skaftpartiet. I betraktning av disse varia-sjoner skal det bemerkes at termen hodeparti, som brukt i denne beskrivelse og de medfølgende krav, angir det parti av innsatslegemet som er beliggende direkte under PCD-laget.

Hodepartiets form og størrelse kan varieres av de med vanlig dyktighet innen faget, avhengig av typen av formasjon som skal bores og andre faktorer i forbindelse med rullemeisel-borkronens spesielle konstruksjon. Som her vist er skjærinnsatsene 13 formet som en avstumpet konus eller kje-gle. Andre populære former er kuppel- og meiselformer.

PCD-laget på innsatsene er fortrinnsvis fremstilt i henhold til innholdet av US-patent nr. 4 694 918 som det herved henvises til. Ifølge dette patent er PCD-laget i virkeligheten selv delt opp i lag. PCD-laget omfatter fortrinnsvis minst ett overgangslag mellom det ytre lag 37 og innsatsens hodeparti. Helst omfatter PCD-laget to overgangslag 33 og 35 som her vist. Hvert overgangslag omfatter polykrystallinsk diamant med stykker av hardmetall fordelt i dette. Som angitt i ovennevnte patent er innleiringer eller overgangslag funnet å øke varigheten av PCD-materialet i det ytre lag.

Fremgangsmåten for fremstilling av denne polykrystallinske komposittdiamant fremgår av US-patent nr. 4 525 178 som det herved henvises til. Også US-patent nr. 4 604 106 som det herved henvises til, omhandler fremgangsmåten hvorved den polykrystallinske komposittdiamant opptas i overgangslagene.

På grunn av anvendelsen av PCD-overgangslagene foretrekkes for anvendelse med foreliggende oppfinnelse, skal det bemerkes at for enkelhets skyld er termen "polykrystallinsk diamantmateriale" her ment å omfatte polykrystallinsk diamant såvel som polykrystallinsk komposittdiamant, dvs. polykrystallinsk diamant med stykker av metallkarbid fordelt deri. Når termen "PCD-lag" anvendes, er det meningen å innbefatte det ytre lag av PCD og eventuelle overgangslag av eventuelt forekommende PCD-komposittmateriale.

Ifølge oppfinnelsen bør materialet i hodepartiet har en elastisitetsmodul på mellom 551 og 613 x IO<6> kPa og en varme-utvidelseskoef f isient på mellom 2,9 og 3,4 x 10"<6>/°C. I større grad foretrekkes at materialet i innsatslegemets hodeparti bør ha en elastisitetsmodul mellom 572 og 593 x IO<5> kPa og en varmeutvidelseskoeffisient mellom 3,0 og 3,4 x 10"<6>/°C. I den viste, foretrukne utføringsform bør det koboltbundne wolframkarbid i hodepartiet til hardmetallinnsatsen i en rullemeisel-borkrone for slamboring som vist i figur 1 og 2 ha en koersivitet mellom 85 og 120 0e og en hardhet mellom 88,1 og 89,4 Ra. I større grad foretrekkes at koersiviteten bør være mellom 95 og 105 0e; og hardheten bør være mellom 88,3 og 89,1 Ra.

I den mest foretrukne utføringsform er hardmetallet koboltbundet wolframkarbid laget av Rodgers Tool Works (RTW) under betegnelsen "367". Kvalitetsbetegnelsen på dette karbid har tidligere vært kjent som TCM grade 411. Den gjennomsnittlige kornstørrelse i wolframkarbidet er tilnærmet 3 jum og koboltinnholdet er ca. 11 vekt-%. Hardheten av denne karbidkvalitet er 88,8 Ra.

Alternativt kan andre kvaliteter av koboltbundet wolframkarbid, såsom TCM 410 eller TCM 510 anvendes. Også andre typer av metallkarbider kan anvendes. F.eks. kan et tantalbundet wolframkarbid anvendes dersom det har den nød-vendige elastisitetsmodul og varmeutvidelseskoeffisient.

I ytterligere andre alternative utføringsformer kan andre materialer enn metallkarbider anvendes. F.eks. kan keramiske materialer og keramiske komposittmaterialer anvendes så lenge de har de nødvendige elastisitets- og varmeegen-skaper.

Helst er alle skjærinnsatsene 13 fremstilt i henhold til foreliggende oppfinnelse.

I alternative utføringsformer er imidlertid enten alle eller noen av innsatsene i den indre rad, som skjærer ut det sentrale parti av borehullet, konvensjonell metallkarbid, enten med eller uten et PCD-lag.

Figur 4 viser et tverrsnitt av en kaliberinnsats 17 for rullemeiselborkronen vist i figur 1 og 2. I likhet med den regulære innsats 13 omfatter kaliberinnsatsen 17 et innsatslegeme 41 med et skaftparti og et hodeparti. Som vist er imidlertid formen på hodepartiet forskjellig på kaliberinnsatsen 17. Nærmere bestemt er hodepartiet til den for tiden foretrukne kaliberinnsats kuppelformet. Kaliberinn-satsens 17 PCD-lag er delt i et ytre lag 45 av PCD og et overgangslag 43.

I samsvar med denne foretrukne utføringsform er materialet i innsatslegemets 41 hodeparti koboltbundet wolframkarbid med en koersivitet mellom 85 og 120 0e og en hardhet på mellom 88,1 og 89,4 Ra. Heller bør koersiviteten være mellom 95 og 105 0e; og hardheten bør være mellom 88,3 og 89,1 Ra.

Det mest foretrukne materiale for kaliberradens hodeparti er det samme RTW 3 67 koboltbundne wolframkarbid som er omtalt ovenfor i forbindelse med innsatsene 13 i den indre rad.

Figur 5 viser et delvis tverrsnitt av en rullemeiselbor-krone 51 for bruk med luft som borefluid. I likhet med slamkronen vist i figur 1 og 2 omfatter denne luftkrone 51 en borkrone-hoveddel 53 med en ende 55 som er innrettet til å skrues på en borestreng. En meiselrulle 57 er montert på hvert ben 59 på borkrone-hoveddelen. Flere hardmetallinnsatser 58 er anbragt i rader i meiselrullen 57. En rad kaliberinnsatser 56 er også anordnet. Som det fremgår omfatter ikke luftkronen 51 tetninger eller smøremidler slik som slamkronen.

Figur 6 viser et tverrsnitt av innsatsene 58 som anvendes i luftkronen på figur 5. Denne innsats er av samme konstruksjon som den som er vist i figur 3, bortsett fra at egenskapene til materialet i hodepartiet er forskjellig. Ifølge oppfinnelsen bør materialet for luftkronen ha en elastisitetsmodul på mellom 620 og 703 x IO<6> kPa og en varme-utvidelseskoef f isient på mellom 2,5 og 3,0 x 10"<6>/°C. ' I større grad foretrekkes at materialet i innsatslegemets hodeparti bør ha en elastisitetsmodul mellom 634 og 682 x IO"<6> kPa og en varmeutvidelseskoeffisient mellom 2,8 og 3,0 x 10-<6>/°C.

Fortrinnsvis er hodepartiet laget av et koboltbundet wolframkarbid med en koersivitet mellom 120 og 160 Oe og en hardhet på mellom 89,5 og 91,1 Ra. Helst bør koersiviteten være mellom 140 og 150 Oe, og hardheten bør være mellom 90,5 og 91,1 Ra.

I den mest foretrukne utføringsform er metallkarbidet for innsatsene i luftkronen koboltbundet wolframkarbid laget av Rodgers Tool Works under betegnelsen "374". Kvalitetsbetegnelsen på dette karbid er 406. Den gjennomsnittlige kornstørrelse av wolframkarbidet er tilnærmet 3 /im og koboltinnholdet er ca. 6 vekt-%. Hardheten av denne karbidkvalitet er 90,8 Ra.

Alternativt kan andre kvaliteter av koboltbundet wolframkarbid, såsom 206 eller 208 anvendes. Også andre typer av metallkarbider kan anvendes. F.eks. kan et tantalbundet wolframkarbid anvendes dersom det innehar den nødven-dige elastisitetsmodul og varmeutvidelseskoeffisient.

I ytterligere andre alternative utføringsformer kan andre materialer enn metallkarbider anvendes. F.eks. kan keramiske materialer og keramiske komposittmaterialer anvendes så lenge de innehar de nødvendige elastisitets- og varme-egenskaper.

Figur 7 viser et tverrsnitt av en kaliberinnsats 56 for luftkronen vist i figur 5. Denne kaliberinnsats 56 er lik den som er vist i figur 4 med det unntak at metallkarbidet er det samme som det som er vist med innsatsen på figur 6.

I likhet med slamkronen foretrekkes at skjærinnsatsene 58 og kaliberinnsatsene alle er laget med det angitte metallkarbid. I alternative utføringsformer er imidlertid bare kaliberinnsatsene 56 laget slik. Figur 8 viser en del av et tverrsnitt gjennom en slagborkrone fremstilt ifølge foreliggende oppfinnelse. Borkronen 81 omfatter en hoveddel 82 av stål med en ende 83 innrettet til å skrues på en borestreng. Flere innsatser 85 er innleiret i den andre ende av stål-hoveddelen. Figur 9 viser et tverrsnitt gjennom en innsats 85 fremstilt ifølge foreliggende oppfinnelse. Innsatsen omfatter et innsatslegeme 91 med et skaftparti og et hodeparti som rager ut fra slagborkronens hoveddel. Et lag PCD 93 er forbundet med hodepartiet. Dette PCD-lag er fortrinnsvis utformet med minst ett overgangslag som ovenfor beskrevet.

Ifølge oppfinnelsen bør for slagborkronen materialet i innsatslegemets hodeparti ha en elastisitetsmodul på mellom 620 og 703 x IO<6> kPa og en varmeutvidelseskoeffisient på mellom 2,5 og 3,0 x 10"<6>/°C. I større grad foretrekkes at materialet i innsatslegemets hodeparti har en elastisitetsmodul mellom 634 og 682 x IO<6> kPa og en varmeutvidelseskoeffisient mellom 2,8 og 3,0 x 10~<6>/°C.

I samsvar med den foretrukne utføringsform ifølge foreliggende oppfinnelse er materialet i hodepartiet med koboltbundet wolframkarbid med en koersivitet mellom 120 og 160 0e og en hardhet på mellom 89,5 og 91,1 Ra. I større grad foretrekkes at koersiviteten bør være mellom 140 og 150 Oe, og at hardheten bør være mellom 90,5 og 91,1 Ra.

I den mest foretrukne utføringsform er metallkarbidet for innsatsene i slag-borkronen koboltbundet wolframkarbid laget av Rodgers Tool Works under betegnelsen "374". Kvalitetsbetegnelsen på dette karbid er 406. Den gjennomsnittlige kornstørrelse i wolframkarbidet er tilnærmet 3 ^im og koboltinnholdet er ca. 6 vekt-%. Hardheten av denne karbidkvalitet er 90,8 Ra.

Alternativt kan andre kvaliteter av koboltbundet wolframkarbid, såsom 206 eller 208 anvendes. Også andre typer av metallkarbider kan anvendes. F.eks. kan et tantalbundet wolframkarbid anvendes dersom det innehar den nødven-dige elastisitetsmodul og varmeutvidelseskoeffisient.

I ytterligere andre alternative utføringsformer kan andre materialer enn metallkarbider anvendes. F.eks. kan keramiske materialer og keramiske komposittmaterialer anvendes så lenge de innehar de nødvendige elastisitets- og varme-egenskaper.

Fortrinnsvis er alle innsatsene i slagborkronen fremstilt med koboltbundet karbid med de angitte egenskaper.

Det er således blitt beskrevet rullemeiselkrone-innsatser og tre typer rullemeiselkroner ifølge foreliggende oppfinnelse. Selv om meget av beskrivelsen omhandler bruk av koboltbundet wolframkarbid som materialet i hodepartiet, ligger andre metallkarbider, såvel som andre typer materialer innenfor rammen av foreliggende oppfinnelse. Selv om også mye av beskrivelsen omhandler bruk av innsatslegemer bestående av et enkelt stykke, kan også innsatslegemer bestående av flere stykker anvendes uten å avvike fra rammen av foreliggende oppfinnelse. Det er klart at rammen av foreliggende oppfinnelse ikke er begrenset til denne beskrivelse av de foretrukne utføringsformer. Alle modifikasjoner som en vanlig fagmann på området kan lage anses å ligge innenfor rammen av oppfinnelsen som angitt i de etterfølgende krav.

Claims (20)

1. Hardmetallinnsats for en rullemeisel-borkrone (15) innrettet til å bore med slam, omfattende: et innsatslegeme (31; 41; 3 2) med et skaftparti for innføring i en meiselrulle og et hodeparti som vil rage ut fra meiselrullen; og et lag av polykrystallinsk diamantmateriale (33, 35, 37;

43, 45; 34) direkte bundet til hodepartiet; karakterisert ved at hodepartiet omfatter et materiale med en elastisitetsmodul mellom 551 og 613 x IO<6> kPa og en varmeutvidelseskoeffisient på mellom 2,9 og 3,4 x 10"<6>/°C.

2. Hardmetallinnsats ifølge krav 1, karakterisert ved materialet i hodepartiet (34) har en elastisitetsmodul mellom 572 og 593 x IO<6> kPa.

3. Hardmetallinnsats ifølge krav 1, karakterisert ved at materialet i hodepartiet (34) har en varmeutvidelseskoeffisient mellom 3,0 og 3,4 x 10"<6>/°C.

4. Hardmetallinnsats ifølge krav 1, karakterisert ved at hodepartiet (34) omfatter metallbundet karbid.

5. Hardmetallinnsats ifølge krav 4, karakterisert ved at metallkarbidet er koboltbundet wolframkarbid med en koersivitet mellom 85 og 120 Oe og en hardhet på mellom 88,1 og 89,4 Ra.

6. Hardmetallinnsats ifølge krav 5, karakterisert ved at det koboltbundne karbid har en koersivitet.mellom 95 og 105 0e.

7. Hardmetallinnsats ifølge krav 5, karakterisert ved at det koboltbundne karbid har en hardhet på mellom 88,3 og 89,1 Ra.

8. Hardmetallinnsats ifølge krav 1, karakterisert ved at innsatslegemet (31) er et enhetlig stykke av metallbundet karbid.

9. Hardmetallinnsats ifølge krav 1, karakterisert ved at innsatslegemet (31) er laget i minst to deler (32, 34).

10. Hardmetallinnsats ifølge krav 9, karakterisert ved at hodepartiet (34) er laget av et materiale som har en høyere elastisitetsmodul enn materialet i innsatslegemets skaftparti (32).

11. Hardmetallinnsats for bruk i en rullemeisel-borkrone (51) innrettet til å bore med luft, eller i en slagborkrone (81), omfattende: et innsatslegeme (61; 71; 91) med et skaftparti for inn-føring i en meiselrulle og et hodeparti som vil rage ut fra meiselrullen; og et lag (63, 65, 67; 75, 77; 93) polykrystallinsk diamantmateriale direkte bundet til hodepartiet;karakterisert ved at hodepartiet omfatter et materiale med en elastisitetsmodul mellom 620 og 703 x IO<6> kPa og en varmeutvidelseskoeffisient på mellom 2,5 og 3,0 x 10"<6>/°C.

12. Hardmetallinnsats ifølge krav 11, karakterisert ved at materialet i hodepartiet har en elastisitetsmodul mellom 634 og 682 x IO<6> kPa.

13. Hardmetallinnsats ifølge krav 11, karakterisert ved at materialet i hodepartiet har en varmeutvidelseskoeffisient mellom 2,8 og 3,0 x 10"<6>/°C.

14. Hardmetallinnsats ifølge krav 11, karakterisert ved hodepartiet omfatter metallbundet karbid.

15. Hardmetallinnsats ifølge krav 14, karakterisert ved at metallkarbidet er koboltbundet wolframkarbid med en koersivitet mellom 120 og 160 Oe og en hardhet på mellom 89,5 og 91,1 Ra.

16. Hardmetallinnsats ifølge krav 15, karakterisert ved at det koboltbundne karbid har en koersivitet mellom 140 og 150 0e.

17. Hardmetallinnsats ifølge krav 15, karakterisert ved at det koboltbundne karbid har en hardhet på mellom 90,5 og 91,1 Ra.

18. Hardmetallinnsats ifølge krav 11, karakterisert ved at innsatslegemet er en enhetlig del av metallbundet karbid.

19. Hardmetallinnsats ifølge krav 11, karakterisert ved at innsatslegemet er laget i minst to deler.

20. Hardmetallinnsats ifølge krav 19, karakterisert ved hodepartiet er laget av et materiale som har en høyere elastisitetsmodul enn materialet i innsatslegemets skaftparti.