SE532704C2

SE532704C2 - Förfarande för att öka segheten av stift för ett bergborrverktyg.

Info

Publication number: SE532704C2
Application number: SE0800721A
Authority: SE
Inventors: Jimmy Carlsson; Goeran Stenberg; Mattias Rehnstroem
Original assignee: Atlas Copco Secoroc Ab
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2010-03-23
Also published as: PL2260171T3; CA2720063C; AU2009232420B2; EP2260171A1; US20110000717A1; EP2260171B1; ZA201006375B; SE0800721L; EP2260171A4; US9242336B2; KR20100134707A; WO2009123543A1; AU2009232420A1; CL2009000787A1; CN101983274B; KR101543820B1; RU2010144546A; CA2720063A1; CN101983274A; RU2488681C2

Description

25 30 EEE ?Ü4 2 berg används därför ett mjukare kompositmaterial i borrstiften, exempelvis med en större medelkornstorlek på hårdfasen och/eller med högre halt bindefas. l dessa fall slits tyvärr borrstiften snabbare och borrverktyget får kortare livslängd. Ett annat exempel när man måste byta till mjukare borrstift är vid borrning ijärnmalm.

US patent nr. 7 258 833 beskriver en metod som ökar segheten och ythårdheten av volframkarbidkomponenter. Patentförfattarna hävdar att metoden förhindrar sprickbildning och/eller söndersprickning av komponenterna och ökar deras nötningshàllfasthet. Vidare hävdar patentförfattarna att metoden väsentligt ökar ythårdheten hos behandlade komponenter.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNlNGEN Ett ändamål med föreliggande uppﬁnning är att tillhandahålla ett förbättrat stift för ett bergborrverktyg.

Detta ändamål uppnås med ett stift enligt krav 1, varvid stiftet har en borryta som är anordnad att komma i kontakt med materialet som skall borras. Ett längsgående tvärsnitt (10t) av stiftet (10) uppvisar följande förhållande mellan den totala Palmqvistsprickiängden vid olika djup Lmt(djup) under borrytan och den totala Palmqvistspricklängden vid 5,0 mm djup Lt°,(5,0), d.v.s. Lf°1(djup)lLm,(5,O) om stiftet (10) har en längd (L) pä 10 mm eller större, varvid ett stifts längd är det största avståndet i en riktning som är koaxiell eller parallell med stiftets längsgående axiella centrumlinje (C). Ovan nämnda tvärsnitt uppvisar även följande förhållande mellan hårdhet vid olika djup H(djup) och hårdheten vid 5,0 mm H(5,0), d.v.s. H(djup)/H(5,0). Egenskaperna är uppmätta väsentligen längs eller maximalt DI4, helst maximalt D/6, från stiftets längsgående axiella centrumlinje (C) varvid D är stiftets diameter, d v s det största avstånd som är vinkelrätt i förhållande till stiftets längsgående axiella centrumlinje (C) och som kan mätas på stiftet. Tvärsnittsplanets normal skall vara vinkelrät (ortogonal) eller väsentligen vinkelrät mot stiftets längsgående axiella centrumlinje, se Fig. 1. Stiftets egenskaper vid 5,0 mm djup anses vara samma som i stiftets huvudmassa. x. i Lil lïï' FÜÅ 3 D' . . ”pd Lerum-pi I Lmism Hidrup) I Hism [mm "“ e' mon x1oo borrytan (10b)] 40, 0,3 max max 104 företrädesvis max 20 52, 0,5 max max 104 företrädesvis max 32 75. 1,0 max max 104 företrädesvis max 56 max 94 2,0 Max 104 företrädesvis max 80 5,0 100 100 Ett längsgående tvärsnitt (10t) av stiftet (10) genom borrytan (10b) uppvisar följande förhållanden L,°,(d1up)lL,°.(3,5) och H(djup)/H(3,5) vid de specificerade djupen, där 5 H(djup)/H(3,5) mäts enligt en Vickersprovning och L,°,(djup)/Lt0,(3,5) mäts enligt den i detta dokument beskrivna Palmqvistmetoden, väsentligen längs stiftets längsgående axiella centrumlinje (C): di” Lmidiup) I Larsa) Hidiupi I Hiv-ß) [mm “"°'°' x1oo x1oo borrytan (10b)] 40, 0,3 max max 104 företrädesvis max 20 52, 0,5 max max 104 företrädesvis max 32 75, 1,0 max max 104 företrädesvis max 56 94 2,0 max Max 104 företrädesvis max 80 3,5 100 100 10 om stiftet (10) har en längd (L) mindre än 10 mm och varvid stiftets egenskaper vid 3,5 mm djup anses vara samma som i stiftets huvudmassa. 10 15 20 25 30 533 ?Ü4 4 Palmqvlstspricklängden är omvänd proportionell med stiftets kritiska brottseghet. Ju kortare Palmqvistspricklängden är, desto segare är stiftmaterialet. Ett stift som uppvisar en Palmqvistspricklängd och en hårdhet enligt tabellen ovan blir således segare ju närmare borrytan man kommer, fast dess hårdhet ökar inte väsentligen, ju närmare borrytan man kommer. I Segare stift medför färre stiftbrott och en längre livslängd vid borrning. Detta medför följaktligen att produkter, stift, bergborrverktyg, stiftborrkronor och bergborrmaskiner blir marknadsmässiga för borrning i flera material d.v.s. antalet olika bergformationer där stiften kan användas ökar. Detta gäller särskilt för borming i hårt material, såsom borrning i kvartsit. Vidare erhålles bättre egenskaper vid borrning i exempelvis järnmalm, där en typ av borrverktyg med mejselliknandeskär (skärborrkronor) ofta används idag istället för stift. Sådana stiftborrkronor är billigare att tillverka än skärborrkronor och har nästan dubbelt så hög borrhastighet (s.k. borrsjunk) som skärborrkronor. såsom l bergformationerna nämnda ovan kan man med ett behandlingsförfarande enligt den föreliggande uppﬁnningen välja ett hårdare stift som nöts (förlorar sin ursprungsform) långsammare och på så vis öka verktygets livslängd.

För att bestämma ett materials hårdhet används en intrycksmetod, så kallad Vickersprovning (enligt standard DlN50133, ”Theory and User Information, Volume A, Users Manual 2001”). Principen i en Vickersprovning går ut på att mäta ett materials förmåga att motstå plastisk deformation och det uppmätta hårdhetsvärdet anges i enheten N/mm2. En pyramidformad diamantspets (se Fig. 3) med en toppvinkel på 136° trycks in i en plan provbit, nämligen ett längsgående tvärsnitt av ett stift, med en förutbestämd kraft (F i Newton). Längden av de två diagonalerna (DIA1 och DlA2) i intrycket mäts och medelvärdet (ßlAmedel i mm) beräknas. Hårdheten (H) kan därefter slås upp i en omräkningstabell eller beräknas med hjälp av en formel.

Vid Vickersmätning i hårda material bildas sprickor (så kallade Palmqvistsprickor) i diagonalernas förlängning, se Fig. 5. 10 15 20 25 30 532 Tfïüå 5 Stiftens kritiska brottseghet utvärderas också från intrycksmetoden med hjälp av följande formel för Palmqvistsprickor, vilken har föreslagits av W.D. Schubert et al i lntemational Journal of Refractory Metals & Hard Materials 16 (1998) 133-142: f P Km :Aw/íx --- LIOI där KK; är den kritiska brottsegheten, H är hàrdheten i (N/mmz), A är en konstant, P är belastningskraften i (N) och Lto, är den totala Palmqvistspricklängden, d.v.s. summan (i mm) av längden hos de fyra Palmqvistsprickorna (L1+L2+l_3+L.,) skapade av intrycket vid härdhetsmätningen (Palmqvistmetoden). En av Palmqvistsprickorna är visad i Fig. 5. Vid bibehållen hårdhet ger kortare Palmqvistsprickor (Ltot) högre kritisk brottseghet (Kia) och därmed ett segare material.

Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar eller består stiftet av ett kompositmaterial som innefattar en hård fas, såsom volframkarbid, niobkarbid, titankarbid, tantalkarbid, vanadinkarbid, kromkarbid, titankarbonitrid eller en blandning eller en kemisk förening av dessa material.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen innefattar stiftet en hård fas sammanbunden med en bindefas av kobolt, nickel, järn (Iàglegerade eller endast med normal föroreningsgrad) eller en blandning av eller kemiska föreningar av dessa element.

Enligt en annan utföringsform av uppﬁnningen innefattar stiftet ett kompositmaterial med en hård fas med medelkornstorlek på ca 2-3 mikrometer och med ca 6 % koboltbindefas.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen innefattar stiftet en bindefas av kobolt, nickel, järn eller en blandning av eller kemiska föreningar av dessa element, på 4-12 %.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen har hårdfasen i hàrdmetallstiftet en medelkornstorlek upp till 10 mikrometer, företrädesvis mellan 0,5 till 5,0 mikrometer och mer företrädesvis från 1,5 till 3,5 mikrometer, varvid medelkornstorleken bestäms med mikroskopisk utvärdering ifrån ett tvärsnitt av den färdiga produkten, till exempel i enlighet 10 15 20 25 30 6 med ASTM standard E112 - 96 (Reapproved 2004) ”Standard Test Methods for Determining Average Grain Size". t Enligt en ytterligare utföringsform av uppﬁnningen har stiftet en ände som är kupolformad, halvballistisk, halvsfärisk, halvcylindrisk eller av någon annan önskvärd form, vars yttre kant definierar borrytan.

Enligt en utföringsform av uppfinningen har stiftet en längd på 10 mm eller större och en diameter (D) på minst 7 mm, företrädesvis mellan 7-22 mm. Alternativet har stiftet en längd på mindre än 10 mm och en diameter (D) på minst 7 mm, företrädesvis mellan 7-22 mm.

Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar en cylindrisk del med en diameter (D) på 7 mm eller större. Enligt en annan utföringsform av uppfinningen har stiftet en massa pà 5 gram eller större. Företrädesvis stift med en diameter (D) mellan 7-22 mm och med en massa mellan 5-150 gram.

Föreliggande uppfinning avser även ett behandlingsförfarande för att öka segheten av stift för ett bergborrverktyg utan att väsentligen öka ythårdheten av nämnda stift. Experiment har visat att detta uppnåtts genom att stöta stiften tillverkade av volframkarbid med 6% _ kobolt med en medelkornstorlek på 2,5 mikrometer mot varandra. Dessa stift uppvisar egenskaper enligt tabellen pà sidan 2. Dessa egenskaper specificeras i krav 1, Om energin vid krocken är låg, under 35 mJ påverkas stiften marginellt d.v.s. endast en marginell minskning av den totala Palmqvistspricklängden (LM) som funktion av djupet, erhålles. Om stötenergin blir för hög, över 175 mJ, erhålls både en ökad hårdhet i ytregionen och en ökad seghet. Stötar i energiområdet 35-175 mJ, företrädesvis 35-100 mJ ger stift med ökad kritisk brottseghet och marginellt ökad eller bibehållen hårdhet.

Den totala energin (E) innan stiften stöter ihop beräknas enligt någon av följande formler, (se Fig. 8): E = mgh eller E = mv2/2 10 15 20 25 30 (fl till! Fall 7 Där m är stiftets massa (i kg), g är gravitationskonstanten 9,81 m/sz, h är fallhöjden och v är stiftets hastighet (i m/s) innan det stötslknådas ihop med ett annat stift under behandlingsförfarandet.

Behandlingsförfarandet kan automatiseras på ett antal olika sätt t ex med ett löpande band som transporterar stift upp till en bestämd höjd för att sedan falla på en bädd av stift, genom att rotera en trumma med ett varvtal som ger stiften en fallhöjd som ger upphov till rätt behandlingsenergi, genom att vibrationstrumla eller centrifugaltrumla stiften så att de erhåller rätt behandlingsenergi.

Nedan följer tre exempel på hur produktegenskaperna som nämns i krav 1 kan uppnås. i) Rotationstrumling En rotationstrumma (med horisontell axel); cylindrisk eller màngkantig, fylls till 1-75%, företrädesvis 15-50% med detaljer som avses att bli behandlade. Trummans diameter och rotationshastighet är av stor vikt för processen, medan dess längd är av mindre betydelse.

Innan processtart laddas detaljerna tillsammans med vatten och en tillsats, såsom rengöringsmedel och/eller pH-justerande medel, enbart rent vatten kan också förekomma, så också enbart luft. Inget abrasivt (slipande) medium tillsätts.

I processen sätts trumman i sådan rotation att detaljerna som är i trumman följer med i rotationen upp till en viss nivå, där de släpper ytterväggen och följer i en kaströrelse först upp och sen ner i en bädd av andra detaljer. Rotationshastigheten och trummans diameter i kombination med fyllnadsgraden bestämmer höjden h som ingår i ekvationen E = mgh, beskrivet ovan. Individuella massan på detaljerna, trummans diameter och fyllnadsgrad vet man och därför beräknas rotationshastigheten så att önskad fallhöjd h uppnås. På detta sätt kan en energinivå bestämmas för en godtycklig kollision mellan detaljer. Tiden avgör sedan hur många sådana kollisioner som sker. Processtiden är vanligtvis mellan 0,5 - 16 timmar eller mer, företrädesvis 1,5 - 6 timmar.

Nedan följer några varvtal och trumdiametrar som ger produkterna de egenskaper som nämns i krav 1. 10 15 20 25 30 35 8 ø = 190 mm och 20-100 rpm. Detta ger fallhöjder på 80-120mm och rörelseenergi innan stöt på ca 35-120 mJ för stiftmassor i intervallet 47-150 gram. ø = 300 mm och 15-75 rpm, Detta ger fallhöjder på 125-190 mm och rörelseenergi innan stötenergier på ca 40-135 mJ för stiftmassori intervallet 20-110 gram. ø = 600 mm och 10-55 rpm. Detta ger fallhöjder på 250-380mm och rörelseenergi innan stöt på ca 35-150 mJ för stiftmassor i intervallet 10-40 gram.

Stift enligt den föreliggande uppfinningen har tillhandahållits genom att använda en rotationstrumlingsmaskin under följande förhållanden: Diameter = 190 mm, fyllnadsgrad = 33 %, rotationshastighet = 75 rpm, stiftmassa = 74,8 g och behandlingstiden = 2 timmar. Se resultat, med avseende på seghets- och hårdhetsegenskaper i Fig. 6 och Fig 7 (kurvor benämnda "rotation”). Trumman var invändigt försedd med 4 st tvärgàende vingar 5 mm höga.

Det skall tilläggas att vid rotationstrumling tillkommer på grund av rotationshastigheten en sidohastighet (vx, Fig 8) men inom de givna varvtal och fallhöjder är dess bidrag till rörelseenergi innan stöt lägre än 10%.

Stift enligt den föreliggande uppfinningen med en diameter på 14,5 mm och 15,8 mm eller en massa på 48 respektive 63 gram har tillhandahållits genom att använda en sådan rotationstrumlingsmaskin med en trumma med en diameter på 190 mm (och med invändiga vingar på 5 mm) under följande förhållanden: - 44 RPM, 30% fyllnadsgrad, stiftmassa 62,8 g, trumlingstiden 8 timmar, motsvara en stötenergi på 54 mJ - 44 RPM, 30% fyllnadsgrad, stiftmassa 47,8 g, trumlingstiden 16 timmar, motsvarar stötenergi på 45 mJ - 44 RPM, 50% fyllnadsgrad, stiftmassa 62,6 g, trumlingstiden 12 timmar,motsvarar en stötenergi pà 60 mJ - 44 RPM, 30% fyllnadsgrad, stiftmassa 62,8 g, trumlingstiden 12 timmar, motsvara en stötenergi på 54 mJ - 44 RPM, 30% fyllnadsgrad, stiftmassa 62,8 g, trumlingstiden 16 timmar. Motsvara en stötenergi på 54 mJ 10 15 20 25 30 35 533 Tfü-fl 9 - 75 RPM, 33% fyllnadsgrad, stiftmassa 47,8 g, trumlingstiden 2 timmar. Motsvara en stötenergi på 57 mJ - 75 RPM, 33% fyllnadsgrad, stiftmassa 47,8 g, trumlingstiden 4 timmar. Motsvara en stötenergi på 57 mJ ii) Vibrationstrumling Vibrationstrumling är en process där detaljer som ska behandlas laddas i ett tjäderupphängt kärl. En elmotor, som sitter centralt monterad ihop med kärlet roterar i bestämd hastighet, här kallat frekvens. Elmotorn har en vikt osymmetriskt monterad på sin axel, vilket ger en obalans som skapar en vibrationsrörelse i det kärl där behandling av detaljer sker.

Detaljerna behandlas genom att de kastas mot varandra och den sökta energin uppnås.

Vid för låg massa (<30 g för stift) på detaljer måste de blandas med tyngre detaljer (s.k. dummies), för att rätt energinivå ska uppträda i kollisionerna. Vid behandling av detaljer med stor massa kan det omvänt vara fördelaktigt att blanda med små ”dummies” för att minska energin och förhindra kantskador på detaljerna. Lämpligtvis bör nämnda ”dummies” vara tillverkade av samma kompositmaterial som de behandlade detaljerna.

En typisk vibrationstrumlingsmaskin laddas med detaljer genom laddningsluckan i den övre delen av maskinen. Typisk Iaddningsvikt är 20 - 50 kg (d v s den totala vikten av stiften). Efter laddning tillsätts vatten och en tillsats, såsom rengöringsmedel och/eller pH- justerande medel, enbart rent vatten kan också förekomma. Inget abrasivt (slipande) medium tillsätts. Enbart luft som media fungerar också.

Maskinen har ett styrsystem som är helautomatiskt, det innebär att: man väljer ett program och startar maskinen. Effekt och behandlingstiden är programmerad i respektive program. När behandlingen är klar, startar ett sköljprogram och därefter ett torkprogram.

Stift enligt den föreliggande uppfinningen har tillhandahållits genom att använda en vibrationstrumlingsmaskin (Reni Cirillo) under följande förhållanden: - Kärlets volym 25 liter - Motoreffekt 0,75 kW - Frekvens 30 Hz (inställd effekt = 100%) 10 15 20 25 30 35 532 754 10 - 10 st stift med massa 10 g blandade med 418 st stift med massa 47,6 g, d v s en Iaddningsvikt pà 20 kg (d v s den totala vikten av stiften), trumlingstid 4 timmar.

- Se resultat, med avseende på seghets- och hårdhetsegenskaperi Fig. 6 och Fig 7 (kurvor benämnda ”vibration”). iii) Centrifugalmaskin l denna process laddas detaljerna uppifrån, ned i en vertikal trumma med roterande bottenskiva. När bottenskivan sätts i rotation slungas detaljerna ut mot periferin och trycks mot innerväggen av trumman. Under arbetsgång trycks detaljerna utåt radiellt runt trummans vägg och i centrum gàr det att se botten. Trummans roterande botten är så utformad att den uttryckta massan med hjälp av den höga rotationen rör sig uppåt längs innerväggen på trumman. Med rätt volym av detaljer i trumman skapas en välvande rörelse där detaljerna som är längst upp trycks undan nedifrån och faller ned mot centrum. Detaljema roterar runt med hög rotationshastighet samtidigt som de skruvar/välver runt och byter position kontinueriigt med varandra.

Under processen tillsätts vätska kontinuerligt, vanligtvis vatten och en tillsats (compound), såsom rengöringsmedel och/eller pH-justerande medel, enbart rent vatten kan också förekomma. Inget abrasivt (slipande) medium tillsätts. vätskan trycks ut i spalten som finns mellan trummans vägg och den roterande bottenskivan. Enbart luft som media kan också användas.

I den här processen framkallas energin av den höga rotationen som gör att en stor del av den laddade volymen agerar som tryckande massa på en liten del av den laddade volymen, nämligen de detaljer som är ytterst mot trummans innervägg får störst tryckbelastning. l och med den välvande rörelsen har man en kontinuerlig omrörning, detta medför att alla detaljer blir behandlade av varandra lika mycket.

Stift enligt den föreliggande uppfinningen har tillhandahållits genom att använda centrifugalmaskin (ERBA TURBO - 60) under följande förhållanden: - Volym: 60 liter, ø = 500 mm, höjd = 360 mm - Rotationshastighet: 250 rpm.

- Stiftmassa = 11,3 g, total massa = 100 kg, vilket ger en volym på ca 10 liter, behandlingstid 3 timmar. 10 15 20 25 30 35 532 704 11 - Se resultat, med avseende på seghets- och hårdhetsegenskaper i Fig. 6 och Fig. 7 (kurvor benämnda ”centrifugal”).

Ovan nämnda exempel visar hur standardmaskiner avsedda för ett visst ändamål kan användas för ett annat. Det finns många olika tillverkare av respektive maskin och det ﬁnns även andra typer av maskiner och metoder som går att nyttja för att uppnå önskvärd energinivå, enligt den föreliggande uppﬁnningen.

Experiment har visat att en energi (E) på 35-175 mJ krävs för att stift tillverkade av volframkarbid med 6% kobolt med en medelkornstorlek på 2,5 um skall uppvisa de önskvärda egenskaperna enligt tabellen på sid 2. Dessa egenskaper specificeras i krav 1.

Det bör noteras att formlerna för beräkningen av nämnda energi (E) är mycket mer komplex än den som anges ovan och att ovan nämnda sätt att beräkna energin är väldigt förenklat eftersom det inte tar någon hänsyn till faktorer såsom media och friktion bland annat. Även om ekvationen är förenklad, baseras denna uppfinning på insikten att konventionella maskiner kan användas för att öka segheten av stift för en bergborrmaskin utan att väsentligen öka ythàrdheten av nämnda stift, om dessa maskiner opereras på ett visst sätt. nämligen om den totala uppkomna energin (E) innan stiften stöter ihop ligger mellan 35-175 mJ. Det är känt att nämnda energi (E) är en funktion av en maskins diameter, rotationshastighet, massa och fyllnadsgrad. En fackman kan således bestämma hur en viss maskin skall opereras för att kunna tillhandahålla stift enligt den föreliggande uppfinningen antingen genom beräkningar eller genom att utföra experiment eller följa exempel angivna i föreliggande uppfinning.

Enligt en utföringsform av uppfinningen avlägsnas de fragment som kommer ifrån stiften under behandlingen, antingen kontinuerligt periodiskt. Detta medför att stiftfragmenten inte kan skada stiften under trumllngen. Stiftfragment kan avlägsnas genom att tappa ur behandlingsvätska från maskinen och på så vis transportera bort stiftfragment med vattnet. Dessutom kan stiften sköljas, exempelvis under ett vibrationstrumlingssteg, för att transportera bort stiftfragment. Alternativt kan stiftfragment avlägsnas med konstant filtrering av processvattnet, magnetisk avskilining eller genom att använda en silfälla. eller 10 15 20 25 30 35 532 -FÜÅ 12 Enligt en utföringsform av uppﬁnningen ökas behandlingsenergin genom att öka behandlingshastigheten under behandlingsförfarandet, antingen kontinuerligt eller stegvis.

Låg seghet ger ett sprödare stift. Allt eftersom stiften blir segare under behandlingen, tål de att utsättas för mer kraftfull behandling och därmed kan behandlingshastighetenl- energin ökas under förfarandet.

Vidare utföringsformer av förfarandet enligt uppﬁnningen anges i de beroende förfarandekraven.

Stiften kan givetvis sllpas till en förbestämd storlek före och/eller efter dem har utsatts för ett förfarande enligt den föreliggande uppﬁnningen.

Föreliggande uppfinning avser dessutom ett bergborrverktyg som innefattar åtminstone ett stift enligt någon utföringsform av uppfinningen. Bergborrverktyget är särskilt, fast inte uteslutande avsett för borrning i malm eller i hårt material såsom kvartsit.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följande, kommer föreliggande uppﬁnning att beskrivas mera i detalj med hänvisning till de bifogade schematiska ritningarna, i vilka: Figur 1 visar ett stift enligt en utföringsform av uppfinningen och ett längsgående tvärsnitt Figur2 visar några typiska bergborrverktyg, sänkborrkronor där föreliggande uppfinning kan appliceras.

Figur 3 visar en spets som används vid intrycksmetoden.

Figur4 visar intrycken som görs i ett polerat längsgående tvärsnitt ifrån stiftmaterialet: intryckens avstånd ifrån borrytan är angivna l mm. där DlA1 och D|A2 i respektive intryck används för att bestämma materialets hårdhet.

Figurö Visar en bild av en Palmqvistspricka, LX, där x representerar de 4 olika hörnen på intrycket och LX Palmqvistsprickorna L1, Lz, La och L4. representerar de individuella 10 15 20 25 30 35 532 'Füfl 13 Figur 6 Visar förhållandet mellan den totala Palmqvístspricklängden vid olika djup L1°,(djup) och den totala Palmqvístsprícklängden vid 5,0 mm djup Lw,(5,0) d-V-S- (Ltot(dJ'UP)/|-rol(5,Û)) X 100. rotationstrumling, för tre olika behandlingsmetoder, vibrationstrumling och centrifugaltrumling enligt parametrar i föreliggande uppfinning.

Figur 7 Visar det procentuella förhållandet mellan hårdhet vid olika djup (H(djup)) och hårdheten vid 5,0 mm H(5,0), d.v.s. (H(djup)/H(5,0)) x 100, för tre olika behandlingsmetoder, rotationstrumling, vibrationstrumling och centrifugaltrumling enligt parametrar i föreliggande uppfinning.

Figur8 Visar fallhöjden h och hastigheten v före stöt och därmed hur energin beräknas för en rotationstrumlingsmaskin.

Figur9 Visar det procentuella förhållandet (L,0.(djup)/Lt°t(5,0) x 100) som stift tillverkade med föreliggande uppﬁnning uppvisar.

Det bör noteras att ritningarna inte nödvändigtvis är skalenliga och att dimensionerna av vissa särdrag kan ha överdrivits för klarhetens skull.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Figur 1 visar ett stift 10 inbäddat l ett borrhuvud av ett bergborrverktyg 12. Stiften 10 har en cylinderliknande del 10a med en diameter D pà exempelvis 16 mm, och en ur borrhuvudet uppskjutande kupolformad ändproﬁlform 10p vars ytterkant definierar en borryta 10b. Ändprofilen 10p kan dock vara halvballistisk, halvsfärisk, halvcylindrisk eller av någon annan önskvärd form.

Enligt en utföringsform av uppfinningen har stiftet 10 en diameter (D) på 7 mm eller större, eller med massa på 5 gram eller större och det innefattar en hàrdmetall, med volframkarbidkorn med medelkornstorlek på 2,5 mlkrometer och 6 % bindefas av kobolt eller volframkarbidkorn sammanbundna med en bindefas av 3-12 % kobolt, företrädesvis 6-6,5 % kobolt med en medelkornstorlek upp till 10 mlkrometer, företrädesvis mellan 0,5 till 5,0 mlkrometer och mer företrädesvis från 1,5 till 3,5 mikrometer. 10 15 20 25 30 35 533 704 14 Lt°,(djup) och H(djup) har uppmätts vid olika djup, väsentligen längs stiftets axiella centrumlinje (C) på det längsgående tvärsnittet (10t), d v s maximalt D/4, ifrån stiftets längsgående axiella centrumlinje (C), se Fig. 1. Till exempel, om ett stift har en diameter på 16 mm mäts Palmqvistsprickorna och hårdheten på ett längsgående tvärsnitt som ligger förskjutet max 4,0 mm, från ett annat längsgående plan innehållande stiftets längsgående axiella centrumlinje (C). Tvärsnittsplanets normal skall vara vinkelrät (ortogonal) eller väsentligen vinkelrät mot stiftets längsgående axiella centrumlinje.

Figur 2 visar några typiska bergborrverldyg 12, nämligen sänkborrkronor med stift 10 enligt där föreliggande uppﬁnning kan appliceras.

Figur 3 visar en pyramidformad diamantspets 14 från sidan och underifrån, vilken diamantspets 14 används i en Vickersprovning för att mäta hårdhet. En serie med Vickersintryck utföres enligt mönster i Fig. 4 genom att en Vickers pyramidformad diamantspets 14 med diagonalerna d1 och dz och med en toppvinkel på 136° belastas med 30 kg (HV30) (F=300N). Spetsen 14 trycks in i stiftets tvärsnitt ovanifràn med en penetreringshastighet exempelvis mellan 0,001 till 0,02 mm/s i 30 sekunder vid vissa bestämda djup under stiftets borryta 10b. Därefter avlägsnas spetsen 14, beroende på materialets hårdhet kommer ett pyramidformat avtryck bildas på provytan med diagonalerna DlA1 och DlA2 . De två diagonalema i intrycket mäts och medelvärdet ((DlA + DlA2)/2) i mm beräknas, varvid stiftets hårdhet (H) då kan beräknas eller slås upp i en omräkningstabell. För att förbereda ett stift 10 för mätning, ingjuts och grovslipas stiftet så att ett längsgående tvärsnitt skapas. Stiftet grovslipas ner så att maximalt D/4 avstånd återstår till stiftets längsgående axiella centrumlinje (C). Den skapade tvärsnittsytan (10t) poleras seden i omgångar med finare och finare slipmedium, så den blir fri från repor. l det sista slipsteget används vanligen en 3 mikrometers diamantsuspension för att minska kvarvarande spänningar.

Figur 4 visar de intryck (16) som lämnas i stiftets tvärsnitt (10t) utförda parallellt med stiftets längsgående axiella centrumlinje (C). På grund av stiftets sprödhet, uppstår så kallade Palmqvistsprickor (18) vid ändarna av intrycken (16). Ett hårdhetsvärde H(djup) kan beräknas och Liot(djup) kan beräknas från varje intryck (16), vilket gör det möjligt att jämföra skillnader i stiftets seghet och hårdhet vid varje mätpunkt, d v s vid ett djup på 0,3, 0,5, 1,0, 2,0 och 5,0 mm under borrytan (10b). Ett första intryck görs även vid 4,0 mm under borrytan (10b) för att minimera fel vid mätningen. 10 15 20 25 30 35 53.? Füëi 15 Figur 5 visar en bild av en Palmqvistspricka (18) i stiftets tvärsnitt (10t) som den ser ut under ett optiskt mikroskop med 500x förstoring. Den totala Palmqvistspricklängden L,,,,(djup) mäts från hörnet av intrycket (16) i en riktning som sammanfaller med intrycksdiagonalen. Palmqvistspricklängden L,.,((djup) ger en indikation om ett stifts kritiska brottseghet, ju kortare L,,,,(djup) och därmed lägre Lm(djup)l L,°,(5,0), desto segare stift.

Det bör noteras att den totala Palmqvistspricklängden som anges i krav 1 avser summan av alla fyra Palmqvistsprickor d.v.s. (L,,,,= L1+L2+L3+L4).

Figur 6 visar resultaten av mätningar av den totala Palmqvistspricklängden L,.,j(djup) för tre olika behandlingsmetoder, rotationstrumling, vibrationstrumling och centrifugaltrumling enligt parametrar i förliggande uppfinning. I Fig. 6 visas hur kvoten (L,°,(djup)/ L,.,,(5,0) x 100) varierar med djup under borrytan 10b, (d v s 0,0 mm under borrytan), varvid L,<,,(djup) anges som en % av L(,,,(5,0) d.v.s. den totala Palmqvistspricklängden uppmätt vid 5,0 mm djup och varvid ett stifts egenskaper vid 5,0 mm djup anses vara samma som i stiftets huvudmassa. Fig. 6 visar att stiften blir segare ju närmare borrytan 10b man kommer.

Figur 7 visar skillnaden i ett stifts hårdhet som funktion av djup ifrån ytan, i förhållande till dess huvudmassa, för tre olika behandlingsmetoder, rotionstrumling, vibrationstrumling och centrifugaltrumling enligt parametrar i föreliggande uppfinning. I Fig. 7 visas hur förhållandet H(djup)/ H(5,0) varierar vid olika djup under borrytan 10b, (d.v.s. 0,0 mm under), varvid H(djup) anges i % av H(5,0) och varvid ett stifts egenskaper vid 5,0 mm djup anses vara desamma som i stiftets huvudmassa. Fig. 7 visar att stiften hårdhet ej är väsentligt högre ju närmare borrytan (10b) man kommer.

Figur 8 visar hur den totala uppkomna energin E innan stiften (10) stöter ihop i en rotationstrumlingsmaskin (26) beräknas. Eftersom energibidraget ifrån vx = hastigheten i x-led i exemplen är mindre än 10 % av totala stötenergin och försumbar, är den totala energin E i huvudsak lika med ett stifts potentiella energi (mgh). Där m är massan av ett stift (10) (i kg), g är gravitationskonstanten (9,81 m/sz) och h är höjden från den högsta punkt innan stiftet (10) vänder nedåt och ned till bädden (B) där det landar (i m).

Figur9 visar hur L(0((djup)/ L,°,(5,0) varierar vid olika djup (d) under borrytan (10b), se intrycksprofii i Fig. 4. Egenskaperna vid 5,0 mm djup anses vara samma som i stiftets huvudmassa. De två linjerna i Fig. 9 definierar den föreliggande uppfinningens maximala (L,°t(djup)/ L,°((5,0) x100) och den företrädesvis maximala (L,<,,(djup)l L,°((5,0) x 100). Fig. 9 10 532 ?Û4 16 visar nämligen att stiften blir segare ju närmare borrytan (10b) man kommer. Till grund för de två linjerna max och företrädesvis max, ligger ett ﬂertal uppmätta stift som har tillverkats enligt den föreliggande uppfinningen, vilka 6 st är angivna i den föreliggande uppfinningen.

Flera modiﬁeringar av uppﬁnningen skulle vara uppenbara för en fackman. Till exempel, även om kraven är inriktade på ett stift för ett bergborrverktyg, skulle ett förfarande enligt den föreliggande uppfinningen kunna användas för att öka segheten av en annan komponent för en bergborrmaskin utan att väsentligen öka dess ythårdhet.

Claims

1.7 E13 Fu 'NJ Ü -Fä 17 PATENTKRAV

1. Stift (10) för ett bergborrverktyg (12), vilket stift (10) har en borryta (10b) som verkar mot berget under borrning, kännetecknat av att ett längsgående tvärsnitt (10t) av 5 stiftet (10) genom borrytan (10b) uppvisar följande förhållanden L,°,(djup)lL,m(5,0) och H(djup)lH(5,0) vid de specificerade djupen, där H(djup)lH(5,0) mäts enligt en Vickersprovning och L,,,,(djup)/Lt°f(5,0) mäts enligt den i detta dokument beskrivna Palmqvistmetoden, väsentligen längs stiftets längsgående axiella centrumlinje (C): d' . _ ”pd Lauuupi I Larsan) Hidwm I Hem [mm “" e' x1oo x1oo borrytan (1 0b)] max 40, 0,3 max 104 företrädesvis max 20 52, 0,5 max max 104 företrädesvis max 32 75. 1,0 max max 104 företrädesvis max 56 94 2,0 max Max 104 företrädesvis max 80 5,0 100 1 00 10 om stiftet (10) har en längd (L) på 10mm eller större, och ett längsgående tvärsnitt (10t) av stiftet (10) genom borrytan (10b) uppvisar följande förhållanden L,,,,(djup)/L,°t(3,5) och H(djup)/H(3,5) vid de specificerade djupen, där H(djup)/H(3,5) mäts enligt en Vickersprovning och L,,,1(djup)/L,°.(3,5) mäts enligt den i detta dokument beskrivna 15 Palmqvistmetoden, väsentligen längs stiftets längsgående axiella centrumlinje (C): “WP Lmidiup) I Larsa) Hldiup) I Hrß-.Si [mm under X1 oo X1 00 borrytan (10b)] max 40, 0,3 _ max 104 företrädesvis max 20 max 52, 0,5 _ max 104 företrädesvis max 32 10 15 20 25 5332 7134 18 max 75, 1,0 max 104 företrädesvis max 56 max 94 2,0 Max 104 företrädesvis max 80 3,5 100 100 om stiftet (10) har en längd (L) mindre än 10 mm.

2. - Stift (10) enligt krav 1, kännetecknat av att det innefattar ett kompositmaterial som innefattar en hårdfas, såsom volframkarbid, niobkarbid, titankarbid, tantaikarbid, vanadinkarbid, kromkarbid, titankarbonitrid eller en blandning av dessa material.

3. Stift (10) enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att det innefattar en hårdfas sammanbunden med en bindefas av kobolt, nickel, järn eller en blandning av eller kemiska föreningar av dessa element.

4. Stift (10) enligt något av de föregående kraven, kännetecknat av att det innefattar kompositmaterial med en hårdfas med medelkomstorlek på ca 2-5 mikrometer och med ca 6% bindefas.

5. Stift (10) enligt krav 1-3, kännetecknat av att det har en medelkornstorlek upp till 10 mikrometer, företrädesvis mellan 0,5 till 5,0 mikrometer och mer företrädesvis från 1,5 till 3,5 mikrometer.

6. Stift (10) enligt krav 1-3 eller 5, kännetecknat av att det innefattar en bindefas av kobolt, nickel, järn eller en blandning av eller kemisk förening av dessa element, på 4-12 %.

7. Stift (10) enligt något av de föregående kraven, kännetecknat av att det uppvisar en ände som är kupolformad, halvballistisk, halvsfärisk eller halvcylindrisk, vars yttre kant definierar nämnda borryta (10b).

8. Stift (10) enligt något av de föregående kraven, kännetecknat av att det har en diameter (D) på minst 7 mm, företrädesvis mellan 7-22 mm. 10 15 20 25 30 35 19

9. Stift (10) enligt något av de föregående kraven, kännetecknat av att det innefattar en cylindrisk del (10a) med en diameter (D) på 7 mm eller större.

10. Stift (10) enligt något av de föregående kraven, kännetecknat av att det har en massa pá 5 gram eller större.

11. Förfarande för att öka segheten av stift (10) för en bergborrkrona (12) utan att väsentligen öka ythàrdheten av nämnda stift (10), kännetecknat av att förfarandet innefattar följande steg: att behandla nämnda stift (10) i en rotationstrumlingsmaskin (28), en vibrationstrumlingsmaskin eller en centrifugalmaskin, varvid den totala uppkomna energin (E) precis innan stiften (10) möts ligger mellan 35-175 mJ, företrädesvis mellan 35-150 mJ, mest företrädesvis mellan 40-100 mJ, varvid nämnda energi (E) beräknas från följande formel: E = mgh eller E = mv2/2 där m är massan av ett stift (10) i kg, v är stiftets (10) hastighet före stöt i mls, g är gravitationskonstanten (9,81 m/sz) och h är höjden (i m) från den punkt där stiftet (10) vänder nedåt och ned till bädden (B) där det landar.

12. Förfarande enligt krav 11, kännetecknat av att nämnda stift (10) behandlas utan tillsats av slipmedel.

13. Förfarande enligt krav 11 eller 12, kännetecknat av att stiftfragment från nämnda stift (10) avlägsnas under behandlingen, antingen kontinuerligt eller periodiskt.

14. Förfarande enligt något av krav 11-13, kännetecknat av att energin (E) ökas under behandlingen, antingen kontinuerligt eller stegvist.

15. Förfarande enligt något av krav 11-14, kännetecknat av att nämnda stift (10) består av ett kompositmaterial som innefattar en hàrdfas, såsom volframkarbid, niobkarbid, titankarbid, tantalkarbid, vanadinkarbid, kromkarbid, titankarbonitrld eller en blandning av dessa. 10 15 20 25 30 20

16. Förfarande enligt något av krav 11-15, kännetecknat av att nämnda stift (10) innefattar en hårdfas sammanbunden med en bindefas av kobolt, nickel, järn eller en blandning av eller kemiska föreningar av dessa element.

17. Förfarande enligt något av krav 11-16, kännetecknat av att det innefattar kompositmaterial med en hårdfas med medelkomstorlek på ca 2-3 mikrometer och med ca 6% bindefas.

18. Förfarande enligt något av krav 14-17, kännetecknat av att nämnda stift (10) har en hårdfas med en medelkornstorlek upp till 10 mikrometer, företrädesvis mellan 0,5 till 5,0 mikrometer och mer företrädesvis från 1,5 till 3,5 mikrometer.

19. Förfarande enligt något av krav 11-18, kännetecknat av att nämnda stift (10) har en ände som är kupolformad, halvballistisk, halvsfärisk eller halvcylindrisk vars yttre kant definierar nämnda borryta (10b).

20. Förfarande enligt något av krav 11-19, kännetecknat av att nämnda stift (10) har en längd på 10 mm eller större och en diameter (D) på minst 7 mm, företrädesvis mellan 7-22 mm, eller att det har en längd på mindre än 10 mm och en diameter (D) på minst 7 mm, företrädesvis mellan 7-22 mm.

21. Förfarande enligt något av krav 11-20, kännetecknat av att ythärdheten, som uppmätts vid upp till 5,0 mm under ett stift (10)s borryta (10b), blir max 4% högre än ythärdheten som uppmätts i stiftets (10) huvudmassa.

22. Förfarande enligt något av krav 11-21, kännetecknat av att nämnda stift (10) har en diameter (D) på 7 mm eller större, varvid ett stifts (10) diameter år definierat på en cylindrisk del (10a) av stiftet (10) eller med en massa pà 5 gram eller större, mest företrädesvis en diameter (D) på 7-22 mm eller med en massa mellan 5-150 gram.

23. Bergborrverktyg (12), kännetecknat av att det innefattar åtminstone ett stift (10) enligt något av krav 1-10 eller åtminstone ett stift (10) som har utsetts för ett förfarande enligt något av krav 11-22.