SE513740C2 - Slitstark hårmetallkropp främst för användning vid bergborrning och mineralbrytning - Google Patents

Description

N Ü 20 25 30 35 513 740 Z En viktig begränsning i de ovan nämnda patenten avseende tidigare känd teknik är seghetsegenskaperna för den koboltrika zonen. Under värmebehandlingsprocessen efter sintringen omvandlas n-fasen till WC-Co vilket ger upphov till en struktur med såväl fina som grova WC-korn. Finkornig WC i en koboltrik grundmassa medför lågt motstånd mot plastisk deformation i samtliga tillämpningar där stora krafter och höga temperaturer förekommer såsom i berg- och kolbrytning och varmbearbetning. I dessa typer av tillämpningar föreligger en betydande risk för skada för hela verktyget beroende på plastisk deformation.

En ytterligare nackdel med strukturen enligt känd teknik är närvaron av både fina och grova WC-korn i den koboltrika zonen och i n-faskärnan, vilket medför ringa motstånd mot spricktill- växt.

Helt överraskande har det nu visat sig att det är möjligt att kontrollera tillverkningsprocessen på ett sådant sätt att såväl fina som abnormt grova korn kan undvikas i både den ko- boltrika zonen och i den n-fasinnehållande kärnan.

Fig l visar i l200x förstoring mikrostrukturen i den ko- boltrika zonen enligt känd teknik.

Fig 2 visar i l200x förstoring mikrostrukturen i den n-fas- innehållande kärnan enligt känd teknik.

Pig 3 visar i l200x förstoring mikrostrukturen i den ko- boltrika zonen enligt uppfinningen.

Pig 4 visar i l200x förstoring mikrostrukturen i den n-fas- innehållande kärnan enligt uppfinningen.

Enligt den föreliggande uppfinningen används ett pulver som inte har malts mekaniskt på konventionellt sätt. Helt överras- kande har det visat sig att bildningen av fina och abnormt gro- va korn vid upplösning av n-fasen härigenom kan undvikas.

Bergborrstift enligt uppfinningen har en kärna innehållande åtminstone 2 vol-% företrädesvis åtminstone 5 vol-%, n-fas men allra mest 60 vol-%, företrädesvis allra mest 35 vol-%. n-fasen skall vara finkornig med en kornstorlek av 0.5 - lO pm, före- trädesvis l - 5 pm, och vara jämnt fördelad i grundmassan av normal WC-Co-struktur. Bredden på n-faskärnan skall vara 10 - 95 %, företrädesvis 25 - 75 % av hårdmetallkroppens tvärsnitt.

N 15 20 25 30 35 513 740 '3 Bindefashalten i den n-fasfria zonen ökar i riktning mot n- faskärnan upp till ett maximum, vanligtvis vid n-faskärnan, på åtminstone 1.2 gånger, företrädesvis åtminstone 1.4 gånger, jämfört med bindefashalten i centrum av q-faskärnan.

WC-kornstorleksfördelningen kännetecknas av att korn mindre än 0.4x medelkornstorleken år mindre än 5% i antal och korn större än 2.5x medelkornstorleken är mindre än 5% av totala antalet korn.

Koboltandelen i n-fasen kan helt eller delvis ersättas av åtminstone en av metallerna järn eller nickel, dvs n-fasen kan själv innehålla en eller en kombination av flera av jàrngruppens metaller.

Upp till 15 vikt-% wolfram i a-fasen kan ersättas av en eller flera av de metalliska karbidbildarna Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr och Mo.

Enligt föreliggande uppfinningsmetod tillverkas en hàrdmei tallkropp medels pulvermetallurgiska processer såsom blandning, pressning och sintring varvid ett pulver med understökiometrisk kolhalt sintras till en n-fasinnehållande kropp som efter sintring undergår en delvis uppkolande värmebehandling varvid en n-fasinnehållande kärna erhålles omgiven av en n-fasfri ytzon. Qenom att utgå från ett pulver i vilket WC-kornen på förhand är belagda med bindefas, företrädesvis genom att använda den ovan nämnda SOL-GEL- tekniken, kan den konventionella malningen ersättas av blandning med pressmedel och eventuellt ytterligare WC- eller Co-pulver för att erhålla den önskade sammansättningen.

Exempel_l I en kolgruva i Sydafrika utfördes ett prov med kolbryt- ningsverktyg enligt följande: Flöts: kornigt kol, övre delen av flötsen innehåller grov- korniga sandstenslinser. Sandstensgolv.

Maskin: Voest Alpine AM.

Skärhastighet: 2 m/s Matningshastighet: 80 mm/varv 10 ß 20 25 30 35 513 740 e Hàrdmetallsort: Variant A, stift tillverkade av konventionellt malt WC-Co- pulver.

Variant B, stift tillverkade av WC-Co-pulver som framtagits genom att belägga WC-kornen med kobolt medelst SOL-GEL-metoden såsom beskrivet i ovan nämnd svensk patentansökan.

Kobolthalten var 10 vikt-%, båda varianterna.

WC-medelkornstorleken 3.5 pm i Samtliga stift sintrades och värmebehandlades så att den yttre zonen med låg kobolthalt, den koboltrika zonen och den n-fasinnehàllande zonen erhölls.

Resultat: Variant A: utslitna efter 3 skift och 3.5 ton/verktyg Variant B: utslitna efter 9 skift och 11.3 ton/verktyg Den huvudsakliga orsaken till dålig livslängd för variant A var plastisk deformation inom den koboltrika zonen beroende på hög temperatur i skäreggen som följd av höga skärkrafter vid brytning i sandsten i ytans botten.

Exempel 2 Bergart: Kvartsit, starkt abrasiv Maskin: Tamrock Super Drilling, Datamaxi Borrningsdata: Stöttryck: 200 bar Matningstryck: 140 bar Rotation: 130 varv/min Vattentryck: 15 bar Rpm: 200 rpm Borrkrona: 45 mm stiftborrkronor med fem periferistift, ø = 11 mm, ballistisk topp Hàldjup: 5 m Variant 1: Hàrdmetall enligt uppfinningen med 6 vikt-% Co och WC-kornstorlek 2.5 um.

Variant 2: US 4,743,515.

Variant 3: Samma som variant 1 men tillverkad enligt patent Samma som variant 1 men utan n-faskärna och med jämn koboltfördelning.

“W W Ü 20 25 30 513 740 s I denna bergart erhålles förutom kraftig förslitning även sprickbildning i slitageytan. Den slutliga skadan för kronorna är ofta stiftskador.

Resultat: Borrad längd, m Var 1 415 Var 2 330 Var 3 290 Variant 3 erhöll tidigt skador pga sprickbildning i slitage-ytan. n Variant 2 erhöll också sprickor men de stoppades delvis i den koboltrika zonen.

Variant 1 erhöll färre sprickor i slitageytan beroende på den snäva kornstorleksfördelningen i vilken den finaste WC- kornstorleksfraktionen saknas. Sprickorna avstannade i den ko- boltrika zonen.

Exempel 3 Produktionsborrning i järnmalm, magnetit.

Bergart: Magnetit, bildar reptilhud.

Maskin: Tamrock SOLO 1000 med hammare HL1500.

Stiftkronor: ø = 115 mm Hàldjup: 15 - 30 m uppåt, en ring cirka 350 - 400 m.

Borrningsdata: Stöttryck: 170 bar Matningstryck: 120 bar Vattentryck: 6 bar Rotationzcirka 70 varv/min Variant 1: WC 5 pm och 6 vikt-% Co enligt föreliggande upp- finning. ._1:m Variant 2: Samma som variant 1 men tillverkad enligt patent US 4,743,515. W Variant 3: Samma som variant 1 men utan n~faskärna och med jämn koboltfördelning.

Borrning utan slipning av stiften. 513 740 é Resultat: Variant 1: En ring, 350 m, kunde borras. Inga stiftskador.

Reptilhud pà slitageytorna som dock ej förorsakade några stift- skador. Kronorna kunde omslipas och användas för att borra yt- 5 terligare en ring av hål.

Variant 2: Bildning av reptilhud förorsakade stiftskador.

Kronan kunde ej användas efter 200 bm.

Variant 3: Som variant 2 med livslängd 195 m. 10 Exempel 4 Prov i en koppargruva.

Bergart: Biotitgnejs, glimmerskiffer.

Maskin: Bucyrus Erie med matningskraft 400 kN.

Kronor: Rullborrkronor ø=31lmm CS1 med provstiften i rad 1 15 i samtliga konytor.

Variant l: Krona med stift enligt föreliggande uppfinning.

Hårdmetall med 6 vikt-% nominell kobolthalt och WC med 5 pm kornstorlek.

Variant 2: Krona med stift med sammansättning och kornstor- 20 lek som variant l men tillverkade enligt känd teknik såsom beskriven i patent US 4,743,5l5.

Variant 3: Krona med stift utan n-faskärna och med jämn ko- boltfordelning och 9.5 vikt-% Co och 3.5 pm WC-kornstorlek.

Resultat: Variant Borrad längd, m l 2314 2 1410 3 1708 25 Variant l hade utslitna stift och lagerhaveri som slutska- da. Variant 2 hade stiftskador i rad l som slutlig skada. Vari- ant 3 hade utslitna stift och låg borrhastighet som livslängds- bestämmande faktor. 30

Claims (2)

10 IS 20 5137740 Krax

1. Hàrdmetallkropp företrädesvis för användning vid bergborrning och mineralbrytning, omfattande en hàrdmetallkärna och en ytzon omgivande kärnan varvid i vilken upp till 15 vikt-% W kan utbytas mot en eller flera av Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr och Mo, och 3-25 vikt-% bindefas baserad pà kobolt, järn och/eller nickel, där ytzonen har en yttre sàväl ytzonen som kärnan innehåller WC, del med en bindefashalt som är lägre än den nominella och en inre del som har en bindefashalt som är högre än den nominella, i vilken medelbindefashalten i den yttre delen är 0.2-0.8 av den nominella och bindefashalten i den inre delen när ett högsta värde av åtminstone 1.2 av den nominella bindefashalten, och kärnan dessutom innehåller

2. -60 vol-% n-fas med en kornstorlek av 0.5-10 pm, medan ytzonen saknar n-fas, där bredden på kärnan motsvarar 10- 95 % att WC-kornstorleksfördelningen i den koboltrika zonen av kroppens tvärsnitt, k ä n n e t e c k n a d av och i n-faskärnan är snäv varvid max. 5% av totala antalet WC-korn är mindre än O.4X medelkornstorleken och att max. 5% av totala antalet WC-korn är grövre än 2.5X medelkornstorleken.