NO180690B - Belagt hardmetall-legeme for fjellboring - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et belagt hardmetall-legeme for fjellboring, med et substrat inneholdende minst ett metallkarbid og et bindemetall, og som i det minste delvis er dekket av et belegg omfattende minst ett diamant- eller cBN-lag avsatt ved CVD- eller PVD-metoder.

Det er gjort store anstrengelser for å bedre både slitefastheten og seigheten ved legemer av hardmetall (engelsk: cemented carbide). Slitefastheten er viktig for å hindre at hardmetall-legemene (også kalt innsatsene) rett og slett skal slites bort under fjellboring. Seighet er viktig for å unngå at innsatsene brekker av på grunn av de høye støtbelastninger som forekommer ved boring.

I EP-A-0 182 759 er det vist at en øket fasthet ble oppnådd i sintrete legemer av hardmetall som anvendes i verktøy for fjellboring, men også i slitedeler ved fremstilling av nevnte sinterlegeme, slik at dets kjerne omfatter en finkornet etafase, M6C (f. eks. Co3W3<C>) og/eller M12<C> (f. eks. Co6Wc) , innleiret i normal alfa-(WC) + beta (Co-bindefase)-konstruksjon samtidig som sinterlegemet har en omsluttende overflatesone som bare består av alfa- + betafase. Videre har nevnte overflatesone en ytre del med lavt innhold av betafase (bindefase), og en indre del - mellom ytterdelen og den etafase-inneholdende kjerne - som har et høyere innhold av bindefase.

I europeisk patentsøknad EP-A-0 247 985 er det vist at ovennevnte konstruksjon av skjæreverktøy-innsåtser av hardmetall har oppvist sterkt forbedrete skjæreegenskaper i sponfraskillende maskineri, fresing og dreiing, sammenliknet med konvensjonelle hardmetall-skjæreinnsatser. Innsatser ifølge nevnte publikasjon kan videre være belagt med ett eller flere slitefaste lag. Slike lag kan innbefatte diamant og/eller kubisk bornitrid (cBN).

Diamant og kubisk bornitrid-belegg kan påføres på hardmetall -legemer ved sintring i området med høy temperatur og høyt trykk, hvor diamant eller cBN er stabil. Slike belegg betegnes ofte som høytrykksbelegg.

En annen, nyere utvikling av hardmetall-legemer for fjellboring og sponfraskillende maskineri har vært bruken av diamantbelegg avsatt ved hjelp av CVD- eller PVD-teknikk ved lavt trykk på slike legemer. Denne lavtrykk-syntese av diamantbelegg fra dampfase under anvendelse av en gassblanding av hydrogen og et hydrokarbon ble først rapportert i 1977 av Derjaguin og hans samarbeidere i Moskva. Deres oppdagelser ble senere bekreftet av en gruppe japanske vitenskapsmenn, og deres første publikasjoner i 1982-3 markerte begynnelsen av en intens, verdensomspennende forskningsinnsats i CVD-diamantsyn-teser. Det er nå blitt vist at diamantbelegg av høy kvalitet kan dyrkes på et stort område av substrater ved hjelp av flere forskjellige avsetningsteknikker. Veksthastigheten, mikro-strukturen og egenskapene til diamantbelegget kan reguleres ved å variere prosess-parametrene, særlig ved bruk av forskjellige gassblandinger som kan innbefatte forbindelser inneholdende oksygen, nitrogen, bor og/eller halogener, men også forskjellige inerte gasstilsetninger. Mengden av papirer, patenter og patentsøknader innen angjeldende område kan telles i tusener. US-patent nr. 4 707 384 er et forholdsvis gammelt patent som dessuten inneholder en referanseliste over tidlige-re arbeid i CVD-diamant. Noen av de senere patentpublikasjo-ner er US 4 731 296 og EP 272 418 for bare å nevne noen få. CVD-diamantavsetningsprosessen og den resulterende be-leggadhesjon blir begge sterkt påvirket av substratets over-flatekarakteristika. Dannelse av hulrom og diamantfritt materiale ved belegg/substrat-grenseflaten kombinert med høye trykkspenninger i belegget, antas å være hovedgrunnen til dårlig adhesjon. Dannelse av høye gjenværende spenninger (trykk) skyldes delvis den lavere varmeutvidelseskoeffisient hos diamant.

Formålet med oppfinnelsen er å oppnå forbedret slitefasthet og seighet ved hardmetall-legemer som anvendes for fjellboring, sammenliknet med konvensjonelle, diamantbelagte hardmetall-legemer. Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved et belagt hardmetall-legeme av den innledningsvis angitte art, ved at hardmetall-legemet har en kjerne av hardmetall inneholdende etafase og en etafase-fri overflatesone av hardmetall, idet tykkelsen av diamant- eller cBN-laget er 15 - 3 0 fim og tykkelsen av overflatesonen er minst 0,8 mm. Ifølge en foretrukket utføringsform er bindefase-innholdet i en sone nær den etafase-inneholdende kjerne høyere enn det nominelle bindefase-innhold, og ifølge en ytterligere foretrukket utførings-form er bindefase-innholdet i legemets overflate 0,1 - 0,9 av det nominelle bindefase-innhold.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til den vedlagte figur 1, som viser et tverrsnitt av et hardmetall-legeme ifølge foreliggende oppfinnelse. A betyr hardmetall omfattende alfa-, beta- og eta-fase, B (=B1 +B2) betyr hardmetall inneholdende alfa- og beta-fase, B3 er et eventuelt mellomlag og C er diamantbelegget.

Ifølge oppfinnelsen er det nå tilveiebrakt et for fjellboring beregnet, hardmetall-legeme forsynt med et mindre enn 3 mm, fortrinnsvis 3 - 300 jan, i det minste delvis dekkende belegg, C, av ett diamantlag eller flere diamantlag adskilt av lag uten diamant. Diamantlaget eller -lagene er avsatt ved lavtrykksteknikk, fortrinnsvis CVD-teknikk. Lagene uten diamant innbefatter tungtsmeltelige metaller såsom W, Ta, Zr og Mo, andre rene elementer såsom B og Si, karbider såsom WC,SiC, B4C og TaC, nitrider såsom Si3N4 og cBN, oksider og/eller borider. cBN-mellomlag påført ved hjelp av høyt trykk og høy temperatur er også innbefattet. For å øke det innerste dia-mantlagets adhesjon til substratet, kan det være ett eller flere mellomlag, B3, uten diamant, mellom substratet og diamantlaget. Det ytterste laget kan være et diamantlag eller et lag uten diamant.

Hardmetall-legemet skal ha en kjerne, A, omfattende alfa, beta, eta og eventuelt gammafase. Etafasen i kjernen skal være finfordelt, vanligvis med en kornstørrelse på 0,5 - 20 /im, fortrinnsvis 1-10 /xm, og innholdet av etafase skal være minst 2 volum-%, fortrinnsvis 10 volum-%, men høyst 60 volum-%, fortrinnsvis maksimalt 35 volum-%. Tykkelsen av etafasen inneholdende kjerne A skal være 10 - 95 %, fortrinnsvis 3 0 - 65 % av bredden av hardmetall-legemet for å gjøre det mulig å oppnå gode resultater. I en foretrukket utføringsform skal sonene som er uten etafase ha et innhold av bindefase, dvs. generelt et innhold av kobolt i sone B2 på 0,1 - 0,9, fortrinnsvis 0,2 - 0,7 av det nominelle innhold av bindefasen og bindefaseinnholdet skal øke i retning mot kjernen opp til et maksimum på minst 1,2 fortrinnsvis 1,4 - 2,5 av det nominelle innhold av bindefase. Bredden av sonen med redusert binde-faseinnhold, B2, skal være 0,2 - 0,8 fortrinnsvis 0,3 - 0,7 av bredden av sonen uten etafase (Bl og B2), men minst 0,4 mm og fortrinnsvis minst 0,8 mm.

Bindefasen i overflatesonen til hardmetall-legemet kan fjernes før diamantbelegget avsettes ved kjemisk eller elek-trolytisk etsing, ved ioneetsing, ved mekanisk behandling såsom blåsing, ved varmebehandling under svakt avkullende forhold eller i vakuum. Hardmetallet kan i tillegg inneholde <5% av andre kubiske karbider, tråder ("whiskers") av tungtsmeltelig materiale eller belagte eller ubelagte partikler av annet hardt tungtsmeltelig materiale såsom SiC, TiB2 etc. eller blandinger av disse.

Diamantlaget kan være avsatt ifølge CVD- eller PVD-metoder av kjent art, såsom varmefilament, DC, RF og MW-plasmaer, hulkatode og gnist-stråleutladninger (DC, RF og MW), flamme-brenner etc.

For å forbedre egenskapene til diamantbelegget kan im-pregner ingsmidler, (dopants) såsom bor anvendes under avset-ningen for å øke varmestabiliteten.

Årsaken til de forbedrete egenskaper ved det diamantbelagte, hardmetall-legeme ifølge oppfinnelsen antas å være et gunstig spenningsforhold som følge av den etafase-inneholdende kjerne og bindefase-fordelingen i sonen uten etafase. Dette gunstige spenningsmønster skyldes det lavere innhold av bindefase i den ytre del av sonen uten etafaser i forhold til den indre del som vil føre til dannelse av trykkspenninger i hardmetallet i sonen nærmest belegg-grenseflaten. Dette har en positiv virkning på fastheten og seigheten til komposittlege-met og den reduserte varmeutvidelseskoeffisient i hardmetal-lets overflatesone som følge av dets høye innhold av harde bestanddeler fører også til en forbedret varmetilpasning mellom belegget og hardmetall-legemet. En økning av varmesjokk-

fastheten oppnås også, hvilket minsker faren for dannelse og vekst av varmesprekker. Dette kan forklares ved de forskjellige nivåer av varmeutvidelse av de to soner i delen uten etafase. Den ytre bindefase-fattige sone har en mindre varmeutvidelse enn den indre som er rik på bindefase.

Verktøy ifølge oppfinnelsen kan anvendes for slag-, rota-sjon-, knusende og skjærende fjellboring. Verktøy for skjæ-ring i asfalt er også innbefattet. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen det fagområde som gjelder borkroner av rullekjegle-typen og av slagboringstypen. Oppfinnelsen er spesielt an-vendbar i verktøy for olje- og gassboring, geotermisk boring, ledehull-boring, sprenghull-boring etc. såvel som i borkroner for boring i olje- og gass-forekomster, metandrenering etc.

Oppfinnelsen er blitt beskrevet i forbindelse med diamantbelegg, men oppfinnelsen kan også anvendes på cBN-belegg avsatt ved CVD- eller PVD-metoder.

Eksempel 1

Et diamantbelegg ble avsatt direkte på hardmetallknapper for slag-fjellboring under anvendelse av en varmfilament-kantalreaktor utstyrt med en ytterligere varmeovn. Den nominelle sammensetning av hardmetallet var 6%Co og 94% WC og med en etafase-inneholdende kjerne omgitt av en overflatesone fri for etafase med et koboltinnhold (3%) ved overflaten og et høyere Co-innhold i en sone nær etafase-kjernen. For sammenlikningens skyld ble knapper med den samme nominelle sammensetning med homogen struktur og uten etafase også belagt. Avsetningsforholdene var som følger:

Et vel-fasettert, krystallinsk belegg av 25-30 /tm tykkelse ble oppnådd.

Eksempel 2

Et diamantbelegg ble avsatt på knapper for slag-fjellboring i henhold til Eksempel 1, men med et 4 /zm belegg av wolfram som et mellomlag. Wolframlaget ble avsatt under anvendelse av standard CVD-teknikk under anvendelse av en gassblanding av WF6, H2 og Ar. Diamant-avsetningsforhold var i dette eksempel:

Et diamantbelegg på 20 - 25 /im tykkelse ble oppnådd.

Eksempel 3

Ved en slagboringstest i et kvartsitt-brudd ble borsynk-hastigheten og levetiden til borkroner med knapper ifølge oppfinnelsen sammenliknet med borkroner av kjent type. Borkronen hadde en spesiell og sterk konstruksjon for bruk i meget hardt fjell (Heavy Duty Design) med seks knapper på omkretsen i henhold til det følgende:

Testdata:

RESULTATER

Gjennomsnittlig levetid for krone C var begrenset på grunn av for tidlig avflaking.

Eksempel 4

Et diamantbelegg ble avsatt direkte på knapper for rota-sjonsknusende fjellboring. Knappenes nominelle sammensetning har 10 vekt% Co og 90 vekt% WC og med en etafase-inneholdende kjerne omgitt av en overflatesone fri for etafase med et lavt koboltinnhold (5 vekt%) ved overflaten og et høyere Co-innhold i en sone nær etafase-kjernen. For sammenlikningens skyld ble knapper med samme nominelle sammensetning med homogen struktur og uten etafase også belagt. Knappene ble forbehandlet ved neddykking i en 1 /nn diamant-ultralydoppslemming i 3 0 minutter med sikte på å bedre kjernedannelse under diamantavsetning.

En 1,5 kW mikrobølge-CVD-plasmareaktor ble brukt med et uavhengig oppvarmingstrinn. Avsetningsforholdene var som følger:

Et mikrokrystallinsk belegg på 18 - 24 /xm tykkelse ble oppnådd. Råman-spektroskopi avslørte at belegget hadde en sterk 1332 cm-l-topp til tross for dens mikrokrystallinske utseende.

Eksempel 5

En slitasjetest ble utført med rullemeisel-borkroner i en dagbrudd-koppergruve. Rullemeiselkronene var av typen 9 7/8" CS med sfæriske knapper. Diameteren til alle knappene var 12 mm. For én rullemeiselkrone ble knappene ifølge oppfinnelsen plassert i hver tredje posisjon av knappene i rad 1. Tre typer rullemeiselkroner ble anvendt i testen: Krone A: Knapper ifølge Eksempel 4 ble plassert som ovenfor angitt og i de øvrige posisjoner i rad 1 ble ubelagte knapper tilsvarende Eksempel 4 plassert. I alle andre posisjoner ble sammenlikningsknapper ifølge Eksempel 4 plassert.

Krone B: Sammenlikningsknapper ifølge Eksempel 4 i alle posisjoner.

Krone C: Ubelagte knapper svarende til Eksempel 4 i rad 1 og sammenlikningsknapper ifølge Eksempel 4 i alle øvrige rader. Slitasjen ble målt på alle knapper etter 800 BM. Boredataene var som følger:

Resultater:

Det fremgår klart at knappenes slitefasthet er vesentlig forbedret ved anvendelse av diamantbelagt hardmetall ifølge oppfinnelsen.

Eksempel 6

Et diamantbelegg ble avsatt direkte på knapper for asfaltskjæring. Knappenes nominelle sammensetning var 10 % Co og 90 % WC og med en etafase-inneholdende kjerne omgitt av en overflatesone fri for etafase med et lavt kobolt-innhold (5%) ved overflaten og et høyere Co-innhold nær etafase-kjernen. For sammenlikningens skyld ble knapper med den samme nominelle sammensetning med homogen struktur og uten etafase også belagt . Knappene ble forbehandlet ved neddykking i en 1 /xm diamant ultralydoppslemming i 30 minutter for å bedre kjernedannelse eller diamantavsetning. En 1,5 kW mikrobølge-plasma-reaktor basert på CVD-teknikk ble brukt med et uavhengig oppvarmingstrinn. Avsetningsforholdene var som følger:

Et vakkert fasettert, krystallinsk belegg på 15 - 18 fim tykkelse ble oppnådd. Råman-spektroskopi viste at belegget hadde en sterk 1332 cm-1 topp til tross for den høye metankonsentra-sjon som ble brukt. Oksygentilsetningen hadde også en positiv virkning på veksthastigheten. Belegget festet godt til substratet .

Eksempel 7

Ved en test for utprøving av skjæreevne-slitasjeegenska-per i forbindelse med veibygging, ble 800 m<2> asfalt freset opp uten forvarming. Testen ble utført med tre forskjellige kvaliteter av skjærspisser under følgende forhold: Maskin: Arrow CP 2000 veihøvel-maskin. Maskinen var fire- hjuls-drevet, hydraulisk og utstyrt med automatisk reguleringssystem for skjæredybden.

Data for skjæretrommelen:

Under testen var 60 verktøy av totalt 166 verktøy rundt trommelen test-varianter. 20 verktøy av hver kvalitet ble parvis anbrakt jevnt fordelt rundt trommelen.

Alle spissene hadde en høyde på 17 mm og en diameter på 16 mm. Dersom testspiss eller normalspiss sviktet, ble verktøyet straks erstattet av et standardverktøy av konvensjonell kvalitet .

Resultater

Resultatene ved type 1 var ujevne fordi åtte av verktøyene hadde uskadete diamantlag. To hadde mistet spissene som følge av slitasje på stållegemet. De øvrige verktøy var delvis dekket med diamant etter testen. Uten tvil har skjærspissene ifølge oppfinnelsen vist de beste resultater.

Eksempel 8

Et diamantbelegg ble avsatt på hardmetallknapper anvendt for slag-fjellboring med en etafase-kjerne under anvendelse av de i Eksempel 1 beskrevne forsøksbetingelser, med det unntak at WF6 ble innført i reaktoren i 15 min. etter 8, 16, 24 og 32 timer ved en konsentrasjon på 1,6%. Dette resulterte i godt f ast sit tende diamantbelegg av 35-40 /im tykkelse med fire tynne grensesjikt av WC-WCX og en minsket kornstørrelse sammenliknet med Eksempel 1.

Claims (3)

1. Belagt hardmetall-legeme for fjellboring, med et substrat inneholdende minst ett metallkarbid og et bindemetall, og som i det minste delvis er dekket av et belegg omfattende minst ett diamant- eller cBN-lag avsatt ved CVD- eller PVD-metoder, karakterisert ved at hardmetall-legemet har en kjerne av hardmetall inneholdende etafase og en etafase-fri overflatesone av hardmetall, idet tykkelsen av diamant- eller cBN-laget er 15 - 3 0 /im og tykkelsen av overflatesonen er minst 0,8 mm.

2. Hardmetall-legeme ifølge krav 1, karakterisert ved at bindefase-innholdet i en sone nær den etafase-inneholdende kjerne er høyere enn det nominelle bindefase-innhold.

3. Hardmetall-legeme ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at bindefase-innholdet i legemets overflate er 0,1 - 0,9 av det nominelle bindefase-innhold.