NO920643A - Hardmetall-legeme anvendt fortrinnsvis for slitende bergboring og mineralbryting - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår hardmetall ("cemented carbide")-legemer for anvendelse i verktøy for bergboring og mineralbryting. Verktøy for oppskjæring av asfalt og betong er også innbefattet.

I EP-A-182 759 er det vist hardmetall-legemer med en kjerne av fint og jevnt fordelt eta-fase innleiret i den normale alfa + beta-fasestruktur, og en omgivende overflatesone med bare alfa + beta-fase. En ytterligere betingelse er at i den indre del av overflatesonen beliggende nær kjernen er bindefase-innholdet høyere enn det nominelle innhold av bindefase. Dessuten er bindefase-innholdet i den ytterste del av overflatesonen lavere enn den nominelle og øker i retning mot kjernen opp til et maksimum beliggende i sonen uten eta-fase.

(Med nominelt bindefase-innhold menes her og i det følgende innveid mengde av bindefase).

Hardemetall-legemer ifølge EP-A-182 759 har oppvist for-bedret ytelse for alle hardmetall-kvaliteter som normalt benyttes ved bergboring, og er blitt en kommersiell suksess. På grunn av at bindefase-innholdet øker fra ytterflaten mot midten, går den høyere slitefasthet tapt forholdsvis tidlig. Hardmetall-legemer ifølge EP-A-182 759 er derfor best egnet for bergboreoperasjoner som krever seighet. Som ytterligere eksempler på.kjent teknikk kan nevnes DE-A-3 936 129 og EP-A-247 985.

Høy slitefasthet og høy borsynk er essensielle egenskaper for borkroner, og disse egenskaper blir stadig viktigere. Visse borkroner, særlig borkroner for tunneldrift ("drifting"), er utslitt når borkronens diameter har minsket med 4 - 6 mm, ettersom borehullets diameter blir for liten, slik at det blir vanskelig å lade sprengstoffet. Stiftene (knappene) i slike borkroner blir derfor sjelden omslipt ettersom borkrone-diameteren vanligvis reduseres ved omsliping. For disse borkroner er det viktig at stiftene har en 2 - 3 mm tykk, slitefast sone, slik at slitefastheten er høy og jevn under hele borkronens levetid. Borsynken avhenger av stiftens form. Stiftene er derfor som regel gitt en form som gir optimal bor synk. Når stift-formen endres på grunn av slitasje, avtar borsynken gradvis.

Normalt får man store gradienter med hensyn til binde-metallet i ovennevnte, kjente type produkter. Vanligvis inn-pakker man således hard-metall-detaljer i A1203ved sintringen, og de får derved helt andre egenskaper enn de ovenfor nevnte.

Det har nå overraskende vist seg at det er mulig å kon-trollere fremstillingsprosessen på en slik måte at det oppnås et nesten konstant innhold av bindemetall i hardmetall-legemets overflatesone. Nærmere bestemt får man ifølge oppfinnelsen et hardmetall-legeme som angitt i det etterfølgende krav, konstant hardhet og slitefasthet. Derved oppnås ytterligere forbedring ved anvendelser der høy slitefasthet er av stor betydning. Den slitefaste overflatesone i legemer ifølge oppfinnelsen slites senere enn i konvensjonelle legemer, og føl-gelig opprettholdes en høy borsynk i lang tid.

Fig. 1 viser skjematisk bindefase-fordelingen langs en linje vinkelrett på overflaten til et hardmetall-legeme ifølge oppfinnelsen. I figuren er

A - bindefase-utarmet overflatesone

A1- overflatesone med nesten konstant innhold av bindefase

B - bindefase-rik overflatesone

C - eta-fase-inneholdende kjernesone

n - nominelt bindefase-innhold

d - bindefase-innhold i overflaten

o

d - øking i bindefase-innhold i sone A1

a - bredde av bindefase-utarmet overflatesone a1- bredde av overflatesone med nesten konstant bindefase-innhold.

Den eta-fase-frie overflatesone i hardmetall-legemer ifølge oppfinnelsen er delt i to deler. I den ytterste del (sone A) er bindefase-innholdet lavere enn det nominelle (n). I den indre del (sone B) er bindefase-innholdet høyere enn det nominelle. Sone A har høyere hardhet og stivhet på grunn av det lave bindefase-innhold, mens sone C har høyere hardhet på grunn av den finfordelte eta-fase.

I sone A skal det gjennomsnittlige innhold av bindefase være 0,2 - 0,8, fortrinnsvis 0,3 - 0,7 av det nominelle bindefase-innhold. Bindefase-innholdet i den ytre del av sone A skal være nesten konstant. Den relative øking eller minsking i bindefase-innhold langs en linje vinkelrett på overflaten, d/(dQ-a1) skal ikke være større enn 20%/mm, fortrinnsvis ikke større enn 10%/mm. Bredden, a1#av denne yttersone med konstant eller nesten konstant bindefase-innhold skal være 50%, fortrinnsvis 70%, helst 80% av bredden, a, av sone A, imidler-tid minst 1 mm. I sone B er bindefase-innholdet høyere enn den nominelle, og får en høyeste verdi på minst 1,2, fortrinnsvis 1,6-3 av det nominelle bindefase-innhold.

Sone C skal inneholde minst 2 volum%, fortrinnsvis minst 5 volum% eta-fase, men høyst 60 volum%, fortrinnsvis høyst 35 volum%. Eta-fasen skal være finkornet med en kornstørrelse på 0,5 - 10/im, fortrinnsvis 1-5 jum, må være jevnt fordelt i matriksen av den normale WC-Co-struktur. Bredden av sone C skal være 10 - 95%, fortrinnsvis 25 - 75% av hardmetall-legemets tverrsnitt.

Oppfinnelsen kan anvendes for alle hardmetall-kvaliteter eller -typer som normalt anvendes for bergboring, fra typer med 3 vekt% bindefase opp til typer med 25 vekt% bindefase, fortrinnsvis med 5-10 vekt% bindefase for slagboring, 10 - 25 vekt% for rotasjons-knuseboring og 6 - 13 vekt% for berg-bryting og der kornstørrelsen av WC kan variere fra 1,5/im opp til 8/xm, fortrinnsvis 2 - 5/im. Den er særlig egnet for borkroner som ikke er omslipt, f.eks. for borkroner for tunneldrift ("drifting"), hvor borkronen har nådd skrap-diameteren før sonen med konstant bindefase-innhold er slitt bort. Den store forskjell i bindefase-innhold, og. dermed varmeekspan-sjons-koeffisient, mellom sone A og de øvrige soner i en stift ifølge oppfinnelsen, fører til høye trykkspenninger i stiftenes overflate, hvilket fører til ekstraordinært gode seig-hets-egenskaper parallelt med de tidligere omtalte forbedrin-ger i slitefasthet sammenlignet med EP-A-182 759.

Bindefasen Co kan helt eller delvis erstattes av Ni og/ eller Fe. Herved er Co-fraksjonen i eta-fasen delvis eller fullstendig erstattet av enkelte av metallene Fe og/eller Ni, dvs. selve eta-fasen kan inneholde én eller flere av jern-gruppe-metallene i kombinasjon. Opp til 15 vekt% wolfram i alfa-fasen kan erstattes av én eller flere av de metalliske karbid-dannere Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr og Mo.

Hardmetall-legemer ifølge oppfinnelsen fremstilles i henhold til pulver-metallurgiske metoder: maling, pressing og sintring. Ved å gå ut fra et pulver med under-støkiometrisk innhold av karbon oppnås et eta-fase-inneholdende hardmetall under sintringen. Etter sintringen blir dette utsatt for en kraftig karburiserings-varmebehandling, f.eks. ved å pakkes i kjønrøk. Dette innebærer at karbon-aktiviteten, ac, i ovns-atmosfæren skal være nær 1, fortrinnsvis minst 0,8, slik at transporten av karbon til stiftenes overflate under hele varmebehandlingstiden er større enn karbonets diffusjonshas-tighet inn i stiftene.

Eksempel 1

Stifter ble presset under anvendelse av et WC-6 vekt% Co-pulver med 0,2 vekt% under-støkiometrisk karboninnhold (5,6 vekt% C istedenfor 5,8 vekt%). Disse ble sintret ved 1450°C under standard forhold. Etter sintring var stiftenes lengde 16 mm og diameteren var 10 mm. Stiftene ble så pakket i kjøn-røk og varmebehandlet i en ovn i 3 timer ved 1400°C.

Stiftene fremstilt på denne måte omfattet en 2 mm bred overflatesone fri for eta-fase og en kjerne med en diameter på 6 mm inneholdende fint dispergert eta-fase. Co-innholdet ved overflaten ble målt til å være 3 vekt%. 1,6 mm fra overflaten var Co-innholdet 3,5 vekt% og like utenfor eta-fase-kjernen 14 vekt%. Bredden av sonen med høyt Co-innhold var ca. 0,4 mm.

Eksempel 2

Berg : Hard slipende granitt med striper av leptitt,

trykkfasthet 2800-3100 bar.

Maskin : Atlas Copco COP 103 8 HD, en hydraulisk maskin for tungt bryteutstyr. Matetrykk 85 bar, rota-sjonstrykk 45 bar og rotasjon 200 r/min.

Borkroner : 45 mm tovingede stiftborkroner med omkrets-stiftene 10 mm i diameter og 16 mm lange. 10 borkroner pr. variant ble testet. Skrap-diameteren var 41 mm.

Hardmetalltype: 94 vekt% WC og 6 vekt% Co.

Kornstørrelse = 2,5 ptm.

Testvarianter

1. Stifter ifølge oppfinnelsen omfattende en eta-fase-kjerne med en diameter på 4 mm, en overflatesone fri fra eta-fase 3 mm bred hvor delen med lavt Co-innhold var 2,2 mm

bred.

2. Stifter inneholdene en eta-fase-kjerne med en diameter på 6 mm, en overf latesone fri for eta-fase. på 2 mm med en

Co-radient ifølge EP-A-182 759.

3. Stifter med normal struktur uten eta-fase.

Borkronene ble boret i grupper på 7 hull, dybde 5 m og de ble permutert på en slik måte at like boreforhold ble oppnådd. Borkronene ble tatt ut fra testen så. snart borkrone-diameteren falt under 41 mm og antall borede meter ble da registrert.

Resultat

Eksempel 3

Testboring med 64 mm pall-borkroner ble utført i et kvartsitt-stenbrudd inneholdende meget hard kvarts. Variant 1 var utstyrt med hardmetallstifter ifølge oppfinnelsen. Variant 2 utstyrt med stifter ifølge EP-A-182 759, og variant 3 utstyrt med en WC-Co-type som finnes i vanlig handel. Stiftene ifølge oppfinnelsen så vel som stiftene ifølge EP-A-182 759 omfatter en 2,5 mm bred overflatesone med lavt Co-innhold.

Testdata

Borerigg : ROC 712 med en COP 1036-maskin Matetrykk : 80 bar

Støttrykk : 190 bar

Hulldybde : 12 m

Luftspyling : 5 bar

Antall borkroner : 5

Resultat

Eksempel 4

Prøvested : Jernmalm-gruve - dagbrudd. Boring

med rulle-borkroner.

Boremaskin : Gardner Denver GD-100.

Matetrykk : 40 tonn.

Rotasjon : 80 r/min.

Bergart : Magnetitt med striper av kvarts og

skifer.

Borkrone : 12 1/4" CS-2.

Variant l : Borkrone med hardmetall-stifter (meiselformet) i henhold til oppfinnelsen. Det nominelle Co-innhold var 10 vekt%, stift-diameteren var 14 mm

og lengden var 21 mm. Sone A var 3

mm og sone B var 2 mm.

Variant 2 : Hardmetall-stifter i henhold til teknikkens stilling, med en overflatesone fri for eta-fase på 2,5 mm og et nominelt Co-innhold på 10

vekt%.

Variant 3 : Hardmetall-stifter av konvensjonell type med 10 vekt% Co.

Claims (1)

1. Hardmetall-legeme, fortrinnsvis for bruk ved bergboring og mineralbryting, omfattende en hardmetallkjerne og en overflatesone som omgir kjernen, idet både overflatesonen og kjernen inneholder WC, hvor opptil 15 vekt% av W kan erstattes av én eller flere av Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr og Mo, og en bindfase basert på 3 - 25 vekt% av Co, som helt eller delvis kan erstattes av Fe eller Ni, hvilken overflatesone har en ytre del med et bindefase-innhold som er lavere enn det nominelle og en indre del med et bindefase-innhold som er høyere enn det nominelle, hvor det gjennomsnittlige bindefase-innhold i ytterdelen er 0,2 - 0,8 av det nominelle og bindefase-innholdet i innerdelen når en høyeste verdi på minst 1,2 av det nominelle bindefase-innhold, og kjernen inneholder i tillegg 2

   - 60 volum% etafase med en kornstørrelsepå 0,5 - 10/zm, mens overflatesonen er fri for etafase, idet kjernens bredde er 10 - 95 % av legemets tverrsnitt,karakterisertved at overflatesonens ytterdel med et bindefase-innhold lavere enn det nominelle har et ytre parti med en bredde på minst 50 % av ytterdelens bredde, men minst 1 mm, i hvilket ytterparti den relative øking eller minsking i bindefase-innhold langs en linje vinkelrett på overflaten uttrykt som

   er høyst 0,2 / mm, hvor d = øking eller minsking i bindefase-innhold dg = bindefase-innhold i overflaten a-]_ = bredden av ytterpartiet i mm.