NO180692B - Sementert karbidlegeme - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår sementerte karbidlegemer for anvendelse i verktøy for boring i fjell, for mineralskjæring og i verktøy for veiplanering.

I EP-A-182 759 er det beskrevet sementerte karbidlegemer med en kjerne av finkornet og ensartet fordelt eta-fase inn-leiret i den normale alfa- + beta-fasestruktur og en omgiven-de overflatesone med bare alfa- + beta-fase. (Alfa = wolframkarbid, beta = bindefase, for eksempel Co og eta = MgC, M-L2<*-> og andre karbider, for eksempel W^Co-jC) . En ytter-ligere tilstand er at i den indre del av overflatesonen som befinner seg tett ved kjernen er Co-innholdet høyere enn det nominelle innhold av Co (med nominell menes her og i det følgende innveiet mengde av Co). I tillegg er Co-innholdet i den ytterste delen av overflatesonen lavere enn det nominelle og øker i retning mot kjernen opp mot et maksimum som befinner seg i den sone som er fri for eta-fase. Sonene som er fri for eta-fase kan for eksempel dannes ved tilsetning av karbon ved høy temperatur til overflatesonen av et legeme med gjennomgående eta-fase.

Sementerte karbidlegemer ifølge den nevnte patentsøknad har gitt positiv ytelsesøkning for alle sementerte karbid-kvaliteter som normalt anvendes ved fjellboring. Ved boring under slike betingelser at det ytterste sjikt av det sementerte karbid suksessivt slites og slipes bort, eksponeres kjernen som inneholder eta-fasen og som her er betegnet eta-fase-kjernen. Ved dette økes risikoen for avskalling og brudd på grunn av eta-fasens sprøhet.

Det er nå overraskende blitt funnet at det er mulig å oppnå et øket Co-innhold i den ytre sone av eta-fase-kjernen og på denne måte i betydelig grad øke det sementerte karbids seighet.

Figur 1 viser skjematisk Co-fordelingen langs en linje loddrett på overflaten av et sementert karbid-legeme ifølge oppfinnelsen, hvor

1 - nominelt Co-innhold

2 - overflatesone fri for eta-fase og

3 - eta-fase-kjerne.

I et sementert karbidlegeme ifølge oppfinnelsen øker Co-innholdet i sonen som er fri for eta-fase fra overflaten og mot eta-fase-kjernen. I den ytterste del er Co-innholdet lavere enn den nominelle. Co-innholdet øker til et maksimum i den ytre sone av eta-fase-kjernen og avtar så. Co-innholdet i den indre part av kjernen er ofte nær det nominelle.

Co-innholdet i den ytre del av sonen som er fri for eta-fase skal være 0,2-0,8, fortrinnsvis 0,3-0,7 ganger det nominelle. Vidden av den del av overflatesonen med lavere Co-innhold enn det nominelle skal være minst 50% av vidden av overflatesonen, men minst 0,5 mm. I en foretrukket utførelse er Co-innholdet av hele den eta-fase-fri overflatesone lavere enn det nominelle.

Det maksimale innhold av Co i den ytre sone av eta-fase-kj ernen skal det være minst 1,2, fortrinnsvis minst 1,4 ganger Co-innholdet i det indre av kjernen. Eta-fasen skal inneholde minst 2 volum%, fortrinnsvis minst 5 volum% eta-fase men høyest 60 volum%, fortrinnsvis høyest 35 volum%. Eta-fasen skal ha en kornstørrelse på 0,5-10 fxm, fortrinnsvis 1-5 xxm og være ensartet fordelt i mat riksen av den normale WC-Co-struktur. Tykkelsen av eta-fase-kjernen skal være 10-95%, fortrinnsvis 25-75% av tverrsnittet av det sementerte karbidlegeme.

Oppfinnelsen kan anvendes for alle kvaliteter av sementert karbid som normalt anvendes for fjellboring, fra kvaliteter med 3 vekt% Co og opp til kvaliteter med 25 vekt% Co, fortrinnsvis med 5-10 vekt% Co for slagboring, 10-25 vekt% for rotasjonsknusende boring og 6-13 vekt% for rotasjonsbo-ring, idet kornstørrelsen for WC kan variere fra 1,5 /xm opp til 8 /xm, fortrinnsvis 2-5 /xm. Den er spesielt egnet for borekroner som gjenslipes, for laboratorie-borekroner og for borekroner som anvendes nede i hull hvor eta-fase-kjernen kommer i kontakt med berget og aktivt tar del i boringen.

I bindefasen kan Co erstattes delvis eller helt av Ni og/eller Fe. I dette tilfelle er Co-fraksjonen i eta-fasen delvis eller fullstendig erstattet av noen av metallene Fe og Ni, dvs. eta-fasen i seg selv kan bestå av ett eller flere av metallene fra jerngruppen i kombinasjon.

Opp til 15 vekt% av wolfram i alfa-fasen kan erstattes av ett eller flere av metallkarbid-dannerne Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr og Mo.

Oppfinnelsen omfatter således et sementert karbidlegeme, fortrinnsvis for anvendelse ved fjellboring og mineralskjæring, omfattende en sementert karbidkjerne og en overflatesone som omgir kjernen, idet både overflatesonen og kjernen inneholder WC, idet opptil 15 vekt% W kan være erstattet av én eller flere av Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr og Mo, og en bindefase basert på 3-25 vekt% Co, som delvis eller helt kan være erstattet av Fe eller Ni, og hvor kjernen i tillegg inneholder 2-60 voluml eta-fase-partikler med en kornstørrelse på 0,5-10 / xm og overf latesonen er fri for eta-fase, idet vidden av kjernen er 10-95% av legemets tverrsnitt, karakterisert ved at bindefase-innholdet øker i overflatesonen, fra overflaten og i retning av kjernen, fra lavere enn nominelt og opp til et maksimum på innersiden av den ytre del av den eta-fase-holdige kjernen på minst 1,2 ganger Co-innholdet i den indre del av denne kjernen, idet vidden av den eta-fase- frie overflatesone med lavere Co-innhold enn det nominelle er minst 50% av vidden av sonen som er fri for eta-fase, men minst 0,5 mm, og at Co-innholdet i den ytre del av denne sone er 0,2-0,8 av det nominelle.

Sementerte karbidlegemer ifølge oppfinnelsen fremstilles ved hjelp av pulvermetallurgiske metoder: maling, pressing og sintring. Med utgangspunkt i pulver med substøkiometrisk innhold av karbon oppnås et eta-fase-holdig sementert karbid under sintringen. Dette gis etter sintringen en karburi-serende varmebehandling ved høy temperatur (ca. 1450°C) etterfulgt av hurtig avkjøling (> 100°C/min.).

Eksempel 1

Det ble presset hardmetallknapper (buttons) under anvendelse av et WC med 6 vekt% Co-pulver med 0,2 vekt% støkio-metrisk karboninnhold (5,6 vekt% i stedet for 5,8 vekt%).

Det ble foretatt en standard sintring ved 1450°C. Etter sintringen var knappenes diameter 12 mm. Knappene ble så varmebehandlet i en ovn med en atmosfære av C0/H2 ved 1450°C i 4 timer. Knappene ble hurtig avkjølt i strømmende hydro-gen.

De på denne måte fremstilte knapper omfattet en 3 mm bred overflatesone fri for eta-fase og en kjerne med en diameter på 6 mm som inneholdt fint dispergert eta-fase. Co-innholdet ved overflaten ble funnet å være 3 vekt%. 2,2 mm fra overflaten var Co-innholdet 6 vekt% og like innenfor eta-fase-kjernen 10 vekt%.

Eksempel 2

Forsøksboring med 76 mm borekroner.

Type berg : Diabase

Maskin : Atlas Copco Cop 1238

Påført trykk: 45 bar

Rotasjon : 35 omdreininger pr. min.

Borekronene ble utstyrt med hardmetallknapper med diameter 12 mm og med et nominelt Co-innhold på 6 vekt%.

Variant 1: Knapper ifølge oppfinnelsen med struktur iføl-ge eksempel 1. Knappene hadde en konisk topp. Variant 2: Knapper ifølge EP-A-182759 med en 3 mm tykk overflatesone fri for eta-fase og en kjerne-diameter på 6 mm. Knappene hadde en konisk

topp.

Variant 3: Konvensjonelle knapper med 6 vekt% Co og en

konisk topp.

Eksempel 3

Hardmetallknapper ifølge eksempel 1 men med et under-støkiometrisk karboninnhold på 0,24 vekt% (5,55 vekt% C) og med en sintret diameter på 11 mm ble varmebehandlet i en CO/H2 atmosfære ved 1480°C i 3 timer og så bråkjølt i olje ved 200°C. Knappene hadde etter denne behandling en 2,5 mm tykk overflatesone og en kjerne med tett, fint dispergert eta-fase sammen med WC og Co. Co-innholdet ved overflaten var 2,5 vekt% og 2,1 mm fra overflaten 6 vekt%. 0,2 mm inne i grenselinjen mellom overflatesonen og kjernen var Co-innholdet på sitt maksimale ca. 12 vekt%. I sentret av kjernen var Co-innholdet ca. 6 vekt%. Knappene som hadde en konisk topp ble krympe-tilpasset til 45 mm knapp-borekjerne av standard type.

Berg type : Bly- og tinnholdig sandsten med

striper av kvartsitt.

Maskin : Montabert HC 40.

Rigg : Jarvis Clarke

Slagtrykk : 150 bar

Påført trykk : 90 bar

Rotasjonstrykk : 80 bar

Hull-dybde : 3,5 m

Gjenslipingsfrekvens: 28 m (8 hull).

Variant 1: Knapper ifølge oppfinnelsen.

Variant 2: Knapper ifølge tidligere kjent teknikk (EP-A-182759) med diameter 11 mm og med en konisk

topp.

Variant 3: Knapper ifølge tidligere kjent teknikk med

diameter 11 mm med en sfærisk topp.

Variant 4: Konvensjonelle knapper med sfærisk topp, diameter 11 mm og homogent sementert karbid med 6 vekt% Co.

Claims (2)

1. Sementert karbidlegeme, fortrinnsvis for anvendelse ved fjellboring og mineralskjæring, omfattende en sementert karbidkjerne og en overflatesone som omgir kjernen, idet både overflatesonen og kjernen inneholder WC, idet opptil 15 vekt% W kan være erstattet av én eller flere av Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr og Mo, og en bindefase basert på 3-25 vekt% Co, som delvis eller helt kan være erstattet av Fe eller Ni, og hvor kjernen i tillegg inneholder 2-60 volum% eta-fase-partikler med en kornstørrelse på 0,5-10 /im og overf latesonen er fri for eta-fase, idet vidden av kjernen er 10-95% av legemets tverrsnitt, karakterisert ved at bindefase-innholdet øker i overflatesonen, fra overflaten og i retning av kjernen, fra lavere enn nominelt og opp til et maksimum på innersiden av den ytre del av den eta-fase-holdige kjernen på minst 1,2 ganger Co-inn<«>holdet i den indre del av denne kjernen, idet vidden av den eta-fase- frie overflatesone med lavere Co-innhold enn det nominelle er minst 50% av vidden av sonen som er fri for eta-fase, men minst 0,5 mm, og at Co-innholdet i den ytre del av denne sone er 0,2-0,8 av det nominelle.

2. Sementert karbidlegeme ifølge krav 1, karakterisert ved at bindefase-innholdet i sonen som er fri for eta-fase er lavere enn det nominelle.