NO892661L - Fremgangsmaate ved paafoering av hardt belegg, stav for slikpaafoering, fremgangsmaate ved fremstilling av stav og borekrone med hardt belegg. - Google Patents

Abstract

En stav for påføring av hardt belegg fremstilles ved blanding av partikler av wolframkarbid, partikler av et metallbindemiddel og et midlertidig organisk bindemiddel. Blandingen presses, fortrinnsvis ved ekstrudering, til stavform. Det organiske bindemiddel fjernes, og staven oppvarmes til tilstrekkelig temperatur til å sintre metallpartiklene sammen uten smelting, slik at staven får en porøsitet i området fra 5 - 20 %. Staven kan benyttes for å danne hardt belegg på en metallflate, og erstatter konvensjonelle rørformede staver. Teknikken muliggjør at det kan benyttes en høy andel av wolframkarbid i forhold til metallgrunnmassen, og bevirker en ensartet fordeling av karbidpartikler i det harde belegg.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en stav av slitesterkt hardt belegg for påføring på sliteflater eller skjæreflater, slik som tennene på borkroner for boring av oljebrønner eller lignende. Oppfinnelsen angår dessuten en fremgangsmåte for fremstilling av en slik stav.

Borkroner for boring av oljebrønner, og andre produkter, har ofte en ståldel som er belagt med et lag av et hardt belegg, for å motstå slitasje eller å danne en skjæreflate som kan arbeide i sten. Vanlige harde belegg omfatter vanligvis partikler av wolframkarbid som er festet til stålet ved hjelp av en metall-legering. Karbidpartiklene suspender.es i en grunnmasse av metall som danner et lag på flaten. De fleste harde belegg på borkroner for sten benytter stål som grunnmassen, selv om andre metaller også kan benyttes.

Det er vanlig at materiale i det harde belegg bare kalles karbid, uten å angi at det er wolframkarbid. Små mengder tantalkarbid og titankarbid (TIC/TAC) kan være til stede sammen med wolframkarbid. Det vil forstås at det her med benevnelsen karbid menes wolframkarbid, med eller uten små mengder av tantalkarbid eller titankarbid.

En vanlig teknikk for påføring av hardt belegg på stålflaten er ved sveising med oksygen og acetylen eller atomert hydrogen. En sveisestav er dannet av et rør av en myk stålplate som omgir et fyllmateriale som primært er karbidpartikler. Fyllmateriale kan også omfatte antioksydasjonsmiddel for stålet, flussmiddel og et harpiksbindemiddel. Ved bruk av en slik rørformet stav legeres antioksydasjons-middelet med det myke stålet i røret og danner en grunnmasse av en stållegering. Det har vært ønskelig å benytte TIG-sveising for påføring av hardt belegg, men dette har ikke vært gjennomførlig med eksisterende materialer.

Sveisestaver lages også ved smelting av bindmetallet i en grafittform sammen med karbidpartiklene, for å danne et støpt produkt. Det kan benyttes en stållegering eller et lodde-metall som bindemiddel.

Det harde belegg påføres ved smelting av en denne av staven på overflaten som skal belegges. Stålrøret eller den støpte grunnmassen smelter og sveises eller loddes til det underliggende stålet, og danner en grunnmasse for karbidpartiklene .

Tre typer av wolframkarbid har vært benyttet i harde belegg. Muligens er det mest vanlige støpt karbid som er knust. Wolfram danner to karbider, WC og W2C, og det kan være et hovedsakelig kontinuerlig område av sammensetninger mellom disse. Støpt karbid er vanligvis en eutektisk blanding av WC og W2C, og er understøkiometrisk, dvs at den har mindre karbon enn den mer ønskelige WC-typen av wolframkarbid. Støpt karbid fryses fra smeltet tilstand og oppdeles til den ønskede partikkelstørrelse.

En annen type wolframkarbid er det såkalte makrokrystallinske wolframkarbid. Dette materiale er hovedsakelig støkiometrisk WC i form av enkeltkrystaller. Det meste av det makrokrystallinske wolframkarbid er i form av enkeltkrystaller. Når større partikler undersøkes, finnes det at de er dannet noen dobbeltkrystaller av WC. Mikrokrystallinsk WC er ønskelig pga sin styrke og stabilitet.

Den tredje typen wolframkarbid som benyttes i harde belegg omfatter sintret wolframkarbid. Sintret wolframkarbid omfatter små partikler av wolframkarbid (f. eks 1-15 um) som er sammenføyd med kobolt. Sintret wolframkarbid lagres ved å blande pulver av wolframkarbid og kobolt og pressing av de blandede pulver for å danne et kompakt masse, samt sintring av massen ved temperaturer nær smeltepunktet til kobolt. Massen smelter og fukter overflatene på wolframkarbidpartiklene, for å danne en komposittmasse med små eller ingen hulrom. Det resulterende, tunge, sintrede karbid kan deretter oppdeles for å danne partikler av sintret wolframkarbid til bruk i harde belegg.

De rørformede staver som benyttes i stor utstrekning har imidlertid visse ulemper. Staven er laget ved forming av et rør rundt en pulverblanding og oppdeling av røret samt kniping av endene for å innesperre pulverblandingen. Det kan også benyttes et termoherdende harpiks-bindemiddel for å holde granulatsblandingen på plass. Dette er ikke alltid tilfredsstillende, og noe av beleggproduktet kan lekke ut av endene til røret. Dessuten smelter de sammenklemte endene av røret under sveising, og noe av granulatblandingen kan komme ujevnt ut.

Av slike grunner, og ettersom den rørformede staven ikke er homogen, skjer det ofte en uensartet fordeling av karbidpartikler i grunnmassen som smeltes på overflaten. Slik uens-artethet kan medføre sviktende slitestyrke. Dessuten kan det inntreffe at stålet i røret ikke blander seg ensartet med legeringsbestanddelene i pulveret inne i røret, og sammensetningen av grunnmassen kan bli uensartet. Utvalget av legeringer som kan benyttes i grunnmassen er begrenset av utvalget av platelegeringer for dannelse av rørene. Generelt er det nødvendig å benytte en plate av bløtt stål i røret, og det må tilstrebes å oppnå legering av pulvrene som inngår i karbidet inne i røret.

Sveisestaver for harde belegg som er laget ved støping av bindemiddelet sammen med karbidpartiklene medfører en annen type problemer. De høye temperaturer ved støpingen medfører oppløsning av noe av karbidet i grunnmassen. Dette endrer sammensetningen av grunnmassen og eroderer karbidpartiklene. Det høye karboninnholdet i grunnmassen kan særlig skape problemer fordi det gjør grunnmassen sprø. Det er nylig funnet at det er ønskelig å øke mengden av karbid i forhold til bindemiddelet eller grunnmassen, for øket slitestyrke ved noen anvendelser. Det er grenser for den andel av karbid som kan benyttes i et rør, ettersom det er visse minstetykkelser av plate som kan benyttes for å danne røret og fremdeles gjøre dette stabilt.

Det er derfor ønskelig å komme frem til en sveisestav for 'hardt belegg som kan ha hvilken som helst legeringssammen-setning i grunnmassen for karbidpartiklene og som kan fordele karbidpartiklene jevnt gjennom hele grunnmassen. Det er ønskelig at sveisestaven kan fremstilles uten det kostbare valseutstyr som kreves for fremstilling av en rørformet stav. Det er ønskelig å komme frem til et hardt belegg som har et høyere karbidinnhold og et lavere grunnmasseinnhold enn hva som kan oppnås med en rørformet stav.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er det kommet frem til en stav for påføring av et hardt belegg på en flate, omfattende partikler av wolframkarbid og en grunnmasse av metallpartikler som er sintret sammen tilstrekkelig til å holde wolframkarbidpartiklene sammen til en fast stav, men som er sintret under smeltetemperaturen til metallet. En slik stav har f. eks 5 - 20 % porøsitet.

s

Fortrinnsvis lages en slik stav for dannelse av et hardt belegg ved å blande partikler av wolframkarbid, partikler av metallbindemiddel og et midlertidig organisk bindemiddel, og at blandingen presses eller ekstruderes til stavform. Staven oppvarmes deretter for å fjerne det organiske bindemiddel og å sintre partiklene av metallbindemiddel sammen uten

smelting.

En borkrone for boring av oljebrønner kan ha tenner som er påført et hardt belegg ved bruk av en slik stav. Dette muliggjør at konsentrasjonen av karbid er høyere enn hva som rimeligvis kan oppnås med en rørformet stav, og en ensartet fordeling av karbid i grunnmassen som sveises til tennene på borkronen øker slitestyrken.

Det er også overraskende funnet at staven kan benyttes for påføring av hardt belegg ved TIG-sveising, mens den rør- formede stav ikke kan benyttes uten uønsket oppløsning av karbidpartikler. TIG-sveising er ønskelig fordi den muliggjør en sveis med bedre kvalitet, og teknikken kan enklere automatiseres.

Trekk og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den følgende beskrivelse, under henvisning til de vedføyde tegninger. Fig. 1 viser i perspektiv en fortannet borkrone som er påført et hardt belegg ved hjelp av en sveisestav konstruert i henhold til den foreliggende oppfinnelse . Fig. 2 viser et snitt gjennom en del av en tann på en slik

borkrone.

Fig. 3 viser en ekstrudert stav for påføring av hardt

belegg.

Fig. 4 er et foto av overflaten til en sveis av hardt

belegg påført med en oksygenacetylenflamme.

Fig. 5 er et foto av overflaten til en sveis av hardt

belegg påført ved TIG-sveising.

Fig. 6 er et fotomikrogram av et hardt belegg påført med en rørformet stav av kjent type ved oksygenacetylensveising. Fig. 7 er et fotomikrogram av et hardt belegg påført med en rørformet stav av kjent type ved TIG-sveising. Fig. 8 er et fotomikrogram av et hardt belegg påført med en rørformet stav av kjent type ved oksygenacetylensveising. Fig. 9 er et fotomikrogram av et hardt belegg påført med

en rørformet stav av kjent type ved TIG-sveising.

Fig. 10 er et fotomikrogram av et hardt belegg påført med

en ekstrudert stav ved oksygenacetylensveising.

Fig. 11 er et fotomikrogram av et hardt belegg påført med

en ekstrudert stav ved TIG-sveising.

Et eksempel på en fortannet borkrone omfatter en hoveddel 10 av stål, med en gjenget tapp 11 på en ende for tilkobling til en konvensjonell borestreng. På den motsatte ende av hoveddelen er det tre skjærekonuser 12 for boring i fjell, for dannelse av en oljebrønn eller lignende. Hver av skjærekonusene er roterbart lagret på en tapp som rager diagonalt innover på et av de tre ben 13 som rager nedover fra hoveddelen til borkronen.

Når borkronen roteres av borestrengen som den er festet til ruller skjærekonusene på bunnen av hullet som bores. Konusene er slik utformet og lagret at når de ruller vil tennene 14 på konusene skrape, skave, knuse og/eller erodere fjellet i bunnen av hullet. Fluiddyser 15 leder boreslam inn i hullet for å føre bort stenpartiklene som dannes ved boringen.

En slik borkrone er konvensjonell og utgjør et eksempel på forskjellige arrangementer som kan benyttes for en borkrone. F. eks er de fleste borkroner av den viste typen med tre konuser. Det er imidlertid også kjent borkroner med 1, 2 og 4 konuser. Arrangementet av tenner på konusene er bare en av mange mulige varianter. Det er kjent et stort utvalg av geometrier for tenner og konuser. Og disse utgjør ikke noe vesentlig ved denne oppfinnelse.

Tenner på en slik konus kan f. eks være hovedsakelig trekantet i tverrsnitt, sett i et radialplan gjennom konusen. En slik tann har en fremre flanke 16 og en bakre flanke 17 som møter hverandre langs en langstrakt topp 18. Flankene på tennene er dekket med et hardt belegg 19. Det er også mulig å belegge bare den fremre flaten på hver tann med et hardt belegg, slik at forskjellig erosjon mellom det slitesterke, harde belegg på den fremre flanken på en tann og det mindre slitesterke stål på den bakre flaten på tannen søker å holde toppen på tannen forholdsvist skarp, for øket inntrengning i fjellet som bores.

En slik konstruksjon av en borkrone er velkjent og utgjør ikke noe vesentlig ved denne oppfinnelse, som angår det harde beleggmateriale som benyttes for å oppnå en høy andel av ~ karbid som er jevnt fordelt i grunnmassen av metall på tennene til en skjærekonus.

Det harde belegg påføres tennene og den dimensjonsbestemmende flaten ved sveising med en stav i form av en ensartet blanding av partikler av wolframkarbid og partikler av metallgrunnmasse som er sintret sammen tilstrekkelig til å danne en stiv stav med en viss styrke, men som ikke er fullstendig sintret, dvs at staven har en viss gjenværende porøsitet.

Det harde beleggmateriale er påført flatene på tannen ved oppvarming av flaten til en sveisetemperatur med en brenner for oksygenacetylen eller atomært hydrogen. Når en passende temperatur er oppnådd smeltes grunnmassemetallet i sveisestaven på flaten på tannen. Tykkelsen til det harde belegg kan f. eks være omtrent 1,6 - 2,4 mm.

Sveisestaven lages ved blanding av wolframkarbidpartikler med partikler med metall for å danne grunnmassen i det harde belegg, et midlertidig, organisk bindemiddel og, om ønskelig, et løsemiddel for bindemiddelet. Disse materialer blandes omhyggelig, slik at hver av de enkelte partikler påføres en belegg av bindemiddel. Det eventuelle løsemiddel kan deretter fordampes.

Partikkelblandingen anbringes i en konvensjonell ekstruder, der den presses gjennom en sirkelformet åpning i en ekstrude-ringsdyse. Det ekstruderte materiale er i form av en sammenhengende stav som oppdeles i ønskede lengder. Staven er ganske svak, ettersom partiklene bare holdes sammen av det organiske bindemiddel.

Slike staver legges på trau av grafitt og oppvarmes i en vakuumovn. Den første oppvarming bevirker fordampning av bindemiddelet, som kondenserer på kaldere partier av ovnen og kan gjenvinnes. Stavene holdes på en høyeste temperatur i en tilstrekkelig tid til at metallpartiklene sintres eller sammenføyes ved diffusjon, for å danne en metallgrunnmasse med en tilstrekkelig styrke til å holde på wolframkarbidpartiklene og ikke briste under håndtering.

Den høyeste sintringstemperaturen er under smeltetemperaturen til metallet eller eventuelle legeringer som dette kan danne med wolframkarbidet. Ved å holdes godt under smeltetemperaturen oppnår det sintrede produkt ikke 100 % av den teoretiske densitet. Dvs at produktet blir noe porøst. En porøsitet i området fra omtrent 5 - 20 % foretrekkes. Porøsiteten er i og for seg ikke ønskelig, selv om den muliggjør utslipp av gasser under sveising. Den er istedet en følge av at det skal unngås smelting av grunnmassemetallet under sintring. Teknikken for å lage sveisestavene er analog med teknikken for å lage sintrede wolframkarbidstaver, med det unntak av at den høyeste temperatur ikke er så nær smeltetemperaturen til grunnmassen at det skjer en konsolide-ring til nesten 100 % av teoretisk densitet.

Det er viktig å unngå smelting av grunnmassen, ettersom dette kan bevirke legering mellom grunnmassemetallet og wolframkarbidpartiklene. Dette gjelder særlig når grunnmassemetallet er stål, som har høy affinitet til karbidet. Slik legering minsker mengden av gjenværende karbid i staven for dannelse av et hardt belegg, og minsker styrken til grunnmassen. Det foretrekkes således bare å sintre staven tilstrekkelig til å oppnå styrke for håndtering før bruken av sveisestaven. Den gjenværende porøsitet er i området fra 5 - 20 %.

Som tidligere nevnt finnes det mange typer wolframkarbidpartikler til bruk ved utøvelse av denne oppfinnelse. Karbidpartiklene i sveisestaven kan således være sintret wolframkarbid (WC sintret f. eks med kobolt), mikrokrystallinsk wolframkarbid, WC-partikler eller støpt karbid. Det kan være ønskelig å benytte "sfæriske" støpte karbidpartikler og sintrede karbid-pellets i slitesterke, harde belegg. Blandingen av partikler ekstruderes gjennom en dyse har wolframkarbidpartiklene en tendens til å skrape og erodere dysen. Sfæriske partikler bevirker mindre slik abrasjon og mindre dyseslitasje.

For påføring av hardt belegg på tennene til borkroner foretrekkes harde, slitesterke grunnmassemetaller med høyt smeltepunkt. Stål er særlig foretrukket for legering med det underliggende stålet i tennene, for oppnåelse av maksimal motstandsevne mot avskaving eller avskalling. Pulveret i grunnmassen kan være vanlig karbonstål eller en hvilken som helst av et stort utvalg av stållegeringer. Slike legeringer kan dannes ved å blande pulver med forskjellig sammensetning, men det foretrekkes å benytte legerte pulver. I praksis kan hvilken som helst legering forstøves for å danne sfæriske partikler med ensartet størrelse, egnet til bruk for utøvelse av oppfinnelsen. Mange slike legeringer er handelsvare.

Alternativt kan det benyttes loddelegeringer med høyt smeltepunkt. F. eks er American Welding Society BNi-serier av nikkelbaserte metall-legeringer med loddetemperaturer fra omtrent 900 - 1200°C særlig egnet.

En passende sammensetning omfatter vanlig karbonstålpartikler blandet med omtrent 4 % antioksydasjonsmiddel eller flussmiddel. Et passende antioksydasjonsmiddel er silisiummangan som leveres av Kennametal, Inc, Fallon, Nevada. Den nominelle sammensetning av silisiummanganet er 65 - 68 % mangan,

15 - 18 % silisium, maksimalt 2 % karbon, maksimalt 0,05 %

svovel, maksimalt 0,35 % fosfor, og resten jern. Ved smelting av sveisestaven legeres silisiummanganet med karbonstålet og danner en stållegering. Sintring av en slik stav utføres ved en temperatur som er lavere enn den eutektiske temperatur til en mangansilisiumjernlegering.

For å oppnå høy densitet for karbidet i metallgrunnmassen er det ønskelig å benytte en blanding av partikkelstørrelser for å oppnå høy blandingsdensitet. To eller tre størrelser av partikler kan blandes sammen. Blandingen kan omfatte partikler av en enkelt type karbid eller av forskjellige typer. F. eks kan en blanding av forholdvist store partikler av sintret overflatekarbid og forholdsvis små partikler av enkrystallinsk mono-wolframkarbid bevirke utmerket slitestyrke for tennene på en borkrone.

En sammensetning til bruk i et hardt belegg på tennene på en borkrone omfatter f. eks som en type karbid sintret wolframkarbid med kornstørrelse på 1,27 - 0,84 mm. Kornstørrelsen til wolframkarbidet i partiklene av sintret wolframkarbid er i området fra omtrent 1 - 15 um. Bindemiddelinnholdet i slikt sintret wolframkarbid er fortrinnsvis kobolt i området fra 6-8 vekt%.

Det sintrede wolframkarbid blandes med enkeltkrystall WC, fortrinnsvis i området fra 0,63 - 0,31 mm.

Forholdet mellom partikkelstørrelsen til de store partikler av sintret wolframkarbid og de små partikler av monokrystal-linsk karbid kan være i området fra 2 - 5. Et større forhold er mindre ønskelig ettersom de små partiklene kan bli så små at det inntreffer for stor oppløsning i grunnmassen av legert stål. Et størrelsesforhold på 3 foretrekkes.

Et annet eksempel på en sammensetning av hardt belegg på tennene til en borkrone omfatter sintret wolframkarbid med kornstørrelse på 0,31 - 0,12 mm blandet med enkeltkrystall-mono-wolframkarbid med kornstørrelse i området fra 0,12 - 0,08 mm. Generelt er et hardt belegg med større partikler sterkere og mer motstandsdyktig mot å briste, mens de mindre partikler medfører at det harde belegg blir mer slitesterkt.

Vektforholdet mellom det sintrede wolframkarbid med stor partikkelstørrelse og enkeltkrystall-WC med mindre partikkel-størrelse er i området fra 35:65 til 80:20, og fortrinnsvis i området fra 60:40 til 80:20. I en særlig foretrukket utførelse er andelen av sintret wolframkarbid med store partikler 7 5 vekt% og andelen av enkeltkrystall-WC med mindre partikler er 25 %. En vesentlig andel av det sintrede karbid foretrekkes for å oppnå øket styrke for det harde belegg. Den høye blandingsdensiteten til de forholdsvis store partikler av sintret wolframkarbid og de forholdsvis små enkeltkrystall-karbidpartikler er egnet til å motstå antatte slitasjemekanismer fra harde beleggmaterialer. En postulert slitasjemekanisme omfatter "ekstrudering" eller flytning og slitasje på bindemiddelet som fester karbidpartiklene til det underliggende materialet. Slitasje på grunnmassen gjør at karbidpartikler blottlegges og mister understøttelse, slik at de kan briste. En måte å øke slitestyrken til bindemiddelet på er å gjøre dette sterkere og hardere. Et bindemiddel av stållegering bevirker en slik hardhet og styrke, mens det har tilstrekkelig seighet til å holde det harde belegg intakt.

En annen måte å øke slitestyrken til bindemiddelet på er å minske den midlere avstand mellom partiklene, slik at laget av bindemiddel er tynnere. Dette kan gjøres ved å benytte mindre partikler, men dette kan minske skjæreevnen til tennene på skjærekonusen. Den høye blandingsdensiteten og den høye andel av karbid i forhold til bindemiddel i de ekstruderte staver minsker også den større avstand mellom partiklene eller tykkelsen til bindemiddelet som kan utsettes for deformasjon og slitasje.

Generelt bør andelen av karbid i forhold til stål i det harde belegg være størst mulig for å oppnå best slitstyrke. F. eks bør karbidet utgjøre fra 60 - 80 % av sammensetningen, mens stålet utgjør de øvrige 20 - 40 %. Et foretrukket område er fra 70 - 75 % karbid. Dette gjelder særlig i de ekstruderte staver, ettersom andelen av grunnmasse kan være større i rørformede staver, samtidig med at det opprettholdes en tilstrekkelig styrke for håndtering.

Partiklene av bindemiddel eller grunnmassemetall er fortrinnsvis 1/3 av størrelsen til karbidpartiklene. F. eks kan partikkelstørrelsen være i området 0,25 - 0,12 mm, eller mindre.

Det midlertidige organiske bindemiddel kan være hvilket som helst av mange sammensetninger som kan fordampes fra blandingen før sintringen, for å unngå forurensning. Forskjellige parafinvokser kan benyttes. Polyetylenglykol med en molekylvekt på omtrent 1.000 er passende. Andre hydrokarbonsmøre-midler som vanligvis benyttes for pressing eller ekstrudering av blandinger innen pulvermetallurgi kan benyttes. Løsemidler slik som heksan, heptan eller lignende kan også inngå i sammensetningen for å bevirke ensartet blanding.

Konvensjonelle blandeteknikker i en Hobart-blander, en kulemølle eller lignende er velegnet. Blandingen kan f. eks utføres ved høy temperatur, slik at det organiske bindemiddel smelter og kommer i kontakt med alle overflatene av pul-verene, for å gi blandingen rimelig styrke. F. eks kan en blanding med polyetylenglykol som bindemiddel blandes ved omtrent 120°C. Det er ønskelig å kjøle blandingen til under 40°C før ekstrudering, slik at polyetylenglykolen størkner og det oppnås en rimelig styrke i stavemnet.

Mengden av organisk bindemiddel er ikke særlig kritisk. I område 2 - 5 % bindemiddel er tilfredsstillende. Mengden som benyttes kan avhengig av hvilket bindemiddel som velges og parametrene til ekstruderingspressen.

Ekstrudering ser ikke ut til å ha kritiske parametre. Alt som trengs er tilstrekkelig trykk for å oppnå en rett stav. Diameteren til åpningen i ekstruderingsmaskinen bestemmer dimensjonen til den ferdige stav. Et stavemne som ekstruderes med en diameter på omtrent 4,4 mm har således en endelig diameter på omtrent 4 mm etter sintring.

De beste parametre for ekstrudering av en gitt blanding kan finnes ved prøving og feiling. Annerledes er det med sammensetningen av blandingen. Som nevnt ovenfor har sfæriske partikler en tendens til å ekstruderes lettere enn kantede partikler. Typen av karbider som benyttes kan således innvirke på ekstruderingen. Partikkelstørrelsen kan også ha innvirkning, og også valget og konsentrasjonen av smøre-middel. Andre parametre som innvirker på variasjoner ved ekstruderingen omfatter trykk og temperatur.

Rutineeksperimenter kan bestemme de passende parametre. Dersom blandingen er for "stiv", kan det være umulig å ekstrudere den ved rimelige trykk. Dersom derimot blandingen er for "bløt", kan de ekstruderte staver briste. Mindre overflatesprekker som ikke påvirker egenskapene til stavene forekommer av og til.

Stavens diameter og lengde er ikke kritiske, og hvilke som helst vanlige dimensjoner er velegnet. Det kan enkelt fremstilles og brukes staver med diameter fra 4-10 mm. Stavene trenger ikke å være runde, og flate puter kan også presses og sintres for å danne harde belegg.

De ekstruderte og kappede stavemner anbringes på et grafitt-trau i en vakuum ovn. Når grunnmassen er en stållegering kan sintringstemperaturen være omtrent 1.05 0°C, for oppnåelse av en densitet på omtrent 95 % av teoretisk densitet, hvilket er betydelig mindre enn 100 %, som kan oppnås dersom grunnmassen ble smeltet. Til tross for at slike sveisestaver ikke har noen høy grad av seighet, er de tilstrekkelig sterke til å tåle fall på omtrent en halv meter mot en betongflate.

Det har tidligere vært vanlig å påføre harde belegg ved smelting av den rørformede stav i en oksygen-acetylenflamme eller lignende. Stålrøret smelter og karbidpartiklene blander seg med det smeltede metall. Ettersom den rørformede stav ikke er homogen, kan det resulterende, harde belegg også bli inhomogent på steder der det ikke oppnås god sammenblanding.

Den rørformede stav kan ikke med godt resultat påføres ved TIG-sveising eller MIG-sveising, pga den for store oppløsning av karbidpartikler i grunnmassen. Dette skyldes sannsynligvis den manglende ensartethet i sammensetningen som krever opprettholdelse av et smeltebad som er tilstrekkelig langt til at sammenblanding inntreffer. Perioden med forhøyet temperatur var tilsynelatende tilstrekkelig til at betydelige mengder av karbidet ble oppløst.

Overraskende kan den ekstruderte og delvist sintrede staven påføres på en overflate ved TIG-sveising uten for høy opp-løsning. Dette antas å skyldes en kortere periode med for-høyet temperatur når grunnmassen blandes med karbidet i staven, i stedet for å være innkapslet i et rør av grunnmassemetallet. Den blandede grunnmassen antas å smelte lettere enn den rørformede staven av stål, og det er mindre tendens til overoppheting, dette betyr at det harde belegg kjølner hurtigere. Ettersom oppholdtiden for karbidpartiklene i smeltet grunnmasse derved minskes, minskes også oppløsningen.

Det er ønskelig å TIG-sveise det harde belegg, ettersom denne teknikk kan automatiseres enklere enn oksygenacetylensveising. Dessuten er den sveisekvaliteten som oppnås vanligvis bedre. Fig. 4 og 5 er fotoer av overflatene til sveisevulster av hardt belegg påført ved oksygenacetylensveising og TIG-sveising, (forstørret 6,3 ganger i origi-nalene) . Selv om disse overflatekvaliteter ikke alltid oppnås i vulstene, er de ikke særlig atypiske. Det er innlysende at TIG-sveising uten hulrom foretrekkes.

Fig. 6 og 8 viser eksempler på harde belegg påført ved bruk at kjente, rørformede staver og oksygenacetylensveising, og beleggene anses generelt som akseptable. Fig. 7 og 9 er eksempler på harde belegg påført med de samme rørformede staver som i fig. 6 og 8, men ved TIG-sveising. Den rør-formede stav som er benyttet i sveisene i fig. 5 og 7 inneholder mikrokrystallinske wolframkarbidpartikler med størrelse fra 0,31 - 012 mm. Den rørformede stav som er benyttet i sveisene i fig. 8 og 9 inneholder 25 % mikrokrystallinsk wolframkarbid med partikkelstørrelse fra 0,63 - 0,31 mm og 75 % knust, sintret wolfrmakarbid. Med partikkel-størrelse fra 1,27 - 0,84 mm. Alle fotomikrogrammene er på 40 ganger forstørrelse i den opprinnelige søknad.

Ved å sammenligne fig. 6 og 7 kan det sees at en vesentlig mengde av karbidpartiklene har forsvunnet under TIG-svei-singen. Det antas at de er oppløst i grunnmassen av stållegering.

Både av fig. 8 og 9 kan ses at det har skjedd en vesentlig oppløsning av sintrede wolframkarbidpartikler i grunnmassen av stål. Dette fremgår av den vesentlige avrunding av partiklene, og er særlig fremtredende i det harde belegg som er påført ved oksygenacetylensveising. Slik oppløsning av det sintrede karbid, inkludert de fine wolframkarbidpartikler og koboltfasen, øker legeringsinnholdet i grunnmassen og har en tendens til å gjøre denne sprø. Dette vises av den TIG-sveisede prøven, som har sprekker både gjennom karbidpartiklene og grunnmassen.

Fig. 10 og 11 er fotomikrogrammer med 50 ganger forstørrelse i den opprinnelige søknad, av harde belegg påført med en ekstrudert og sintret stav i henhold til oppfinnelsen. Staven inneholder mikrokrystallinsk wolframkarbid med kornstørrelse fra 0,63 - 031 mm. Det harde belegg i fig. 10 er påført ved oksygenacetylensveising, mens det harde belegg i fig. 11 er påført ved TIG-sveising. Det kan ikke ses noen vesentlig forskjell mellom disse mikrostrukturer.

Selv om det foretrekkes å ekstrudere stavene pga enkel og økonomisk fremstilling, er det også mulig å presse stavemnene i en hydraulisk presse på samme måte som emner presses for fremstilling av sintret wolframkarbid. En vesentlig forskjell ligger i sammensetningen av blandingen og at det unngås temperaturer i smelteområdet til grunnmassen, for å unngå metallurgisk reaksjon med karbidet som er innleiret i grunnmassen. Med pressing menes her enten pressing i en form eller ekstrudering under trykk.

Som et bestemt eksempel på fremstilling av et hardt belegg i henhold til oppfinnelsen ble det dannet en blanding med

66,5 % wolframkarbidpartikler, 3,5 % silisiummanganpartikler

og 30 vekt% partikler av karbonstål med partikkelstørrelse på 0,12 mm. Wolframkarbidpartiklene omfatter 50 % mikrokrystallinsk monowolframkarbid i området fra 0,63 - 0,42 mm og 50 % mikrokrystallinsk monowolframkarbid i området fra 1,2 - 0,84 mm.

Metallet og karbidpartiklene blandes med 3,7 % polyetylenglykol som har en molekylvekt på omtrent 1.000 og 1,8 % Protepet 1E, et hydrokarbonsmøremiddel som leveres av Witco Chemical Co., New York, New York. Heptan tilsettes for å oppløse de organiske stoffer og bidra til sammenblandingen. Sammensetningen blandes i en Hobart-blander ved omtrent 120°C. Etter sammenblanding kjøles den til lavere enn 40°C og ekstruderes med akkurat tilstrekkelig trykk til å oppnå en rett stav med diameter på 4,4 mm.

Stavene legges på grafitt-trau og oppvarmes med 20°c pr minutt til omtrent 950°C mens det skjer utpumping i en vakuumovn. De oppvarmes deretter med 5°C pr minutt til 1.070°C, og holdes på 1.070°C i 45 minutter. Ovnen kjøles til 660°C under vakuum, og fylles deretter med argon for å øke kjølingen. Etter denne sintringsbehandlingen har stavene krympet til en diameter på omtrent 4 mm, og har en porøsitet på mindre enn 5 %.

I et annet eksempel fremstilles en blanding av 66,5 vekt% wolframkarbidpartikler, 3,5 vekt% silisiummanganpartikler og 30 vekt% partikler av loddelegering BNi2. Wolframkarbidpartiklene omfatter 5 0 vekt% mikrokrystallinsk monowolframkarbid i området fra 0,63 - 0,42 mm og 50 % knuste, sintrede karbidpartikler i området fra 1,27 - 0,84 mm. Sammensetningen ble omhyggelig blandet med 3,5 % parafinvoks og presset i en lukket form, for å danne staver med en diameter på omtrent 4,4 mm. Sintringen ble utført i en vakuumovn, men den maksimale temperatur var omtrent 600°C.

Stavene har blitt prøvet med godt resultat ved påføring av hardt belegg på tennene til en skjærekonus for en borkrone. Andre modifikasjoner og variasjoner av staver for hardt belegg vil fremgå for fagfolk på området. F. eks kan andre grunnmassesammensetninger, slik som en blanding av loddelegering og stålpartikler som ikke er egnet for rørformede staver fremstilles ved de beskrevne pulvermetallurgi-teknikker.

Claims (13)

1. Stav for påføring av hardt belegg på en overflate, omfattende partikler av wolframkarbid, karakterisert ved en grunnmasse av metallpartikler som er sammensintret tilstrekkelig til å binde wolframkarbidpartiklene sammen til en fast stav, men sintret ved en temperatur som er lavere enn smeltetemperaturen til metallet.

2. Stav som angitt i krav 1, karakterisert ved at metallpartiklene omfatter en blanding av forskjellige metaller, for dannelse av en legering etter smelting.

3. Stav som angitt i krav 1, karakterisert ved at metallpartiklene omfatter en stållegering.

4. Stav som angitt i krav 1 - 3, karakterisert ved at wolframkarbidpartiklene er valgt fra gruppen som består av sintret wolframkarbid, enkeltkrystall-mono-wolframkarbid og støpt wolframkarbid.

5. Stav som angitt i krav 4, karakterisert ved at wolframkarbidpartiklene omfatter en blanding av sintret wolframkarbid og enkeltkrystall-monowolframkarbid.

6. Stav som angitt i krav 5, karakterisert ved at partikkelstørrelsen til de sintrede wolframkarbidpartikler er fra 2 til 5 ganger større enn partikkelstørrelsen til enkeltkrystall-mono-wolf ramkarbidpartiklene .

7. Stav som angitt i krav 1-6, karakterisert ved at staven har en porøsitet i området fra 5 - 20 %.

8. Fremgangsmåte for påføring av hardt belegg på en metallflate, karakterisert ved at det sintrede metallbindemiddel i en stav i henhold til hvilke som helst av kravene 1- 7 smeltes på metalloverflaten, for dannelse av et hardt belegg festet til metalloverflaten og inneholdende wolframkarbidpartikler som er ensartet fordelt i en metallgrunnmasse.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 8, karakterisert ved at bindemiddelet smeltes ved TIG-sveising.

10. Borkrone som omfatter en hoveddel som har midler på en ende for å koble borkronen til en borestreng, samt i det minste en skjærekonus lagret for rotasjon på den motsatte enden av hoveddelen, idet konusen omfatter en ståldel med flere tenner ragende ut fra denne, karakterisert ved at i det minste et parti av tennene har en sliteflate belagt med et hardt belegg i henhold til hvilket som helst av kravene 1 - 7, idet det harde belegg omfatter i det minste 7 0 vekt% av en blanding av wolframkarbidpartikler og resten en stållegering som binder wolframkarbidpartiklene sammen og fester disse til ståldelen, idet wolframkarbidpartiklene er ensartet fordelt i grunnmassen av stållegering.

11. Fremgangsmåte for fremstilling av en stav for påføring av hardt belegg, omfattende at partikler av wolframkarbid, partikler av metallbindemiddel og et midlertidig, organisk bindemiddel blandes, at blandingen presses til stavform, og at det organiske bindemiddel fjernes, karakterisert ved at staven oppvarmes til en tilstrekkelig temperatur til å sintre partiklene av metallbindemiddel sammen uten smelting.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 11, karakterisert ved at pressingen omfatter ekstrudering av blandingen gjennom en dyse for dannelse av staven.

13. Fremgangsmåte som angitt i krav 11 eller 12, karakterisert ved at metallbindemiddelet omfatter stål og at sintringstemperaturen er lavere enn temperaturen for dannelse av eutektikum mellom stålet og karbidpartiklene.