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Dokumentenidentifikation DE69215712T2 03.04.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0500514
Titel Sinterkarbidkörper, insbesondere zum Bohren in und Abtragen von abrasivem Gestein
Anmelder Sandvik AB, Sandviken, SE
Erfinder Hartzell, Torbjörn, S-113 43 Stockholm, SE;
Akerman, Jan, S-113 54 Stockholm, SE;
Fischer, Udo, S-162 34 Vällingby, SE
Vertreter Dr. Weber, Dipl.-Phys. Seiffert, Dr. Lieke, 65189 Wiesbaden
DE-Aktenzeichen 69215712
Vertragsstaaten AT, CH, DE, FR, GB, IT, LI, LU, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 17.02.1992
EP-Aktenzeichen 928500354
EP-Offenlegungsdatum 26.08.1992
EP date of grant 11.12.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse C22C 29/08

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft Sintercarbidkörper, die in Werkzeugen zum Gesteinsbohren und Mineralienschneiden geeignet sind. Werkzeuge zum Schneiden von Asphalt und Beton sind auch eingeschlossen.

In der EP-A-182 759 sind Sintercarbidkörper mit einem Kern von feiner und gleichmäßig verteilter eta-Phase, die in der normalen alpha- + beta-Phasenstruktur eingebettet ist, und mit einer umgebenden Oberflächenzone mit alpha- + beta-Phase alleine beschrieben. Eine zusätzliche Bedingung besteht darin, daß in dem inneren Teil der Oberflächenzone, der nahe dem Kern liegt, der Bindephasengehalt höher als der nominale Gehalt der Bindephase ist. Außerdem ist der Bindephasengehalt in dem äußersten Teil der Oberflächenzone niedriger als der nominale und nimmt in der Richtung zum Kern bis zu einem Maximum in der von eta- Phase freien Zone zu. (Unter nominalem Bindephasengehalt versteht man hier und nachfolgend die eingewogene Menge an Bindephase)

Sintercarbidkörper nach der EP-A-182 759 zeigten erhöhte Leistung für alle Sintercarbidqualitäten, die normalerweise beim Gesteinsbohren verwendet werden und gewerblich erfolgreich waren. Infolge der Tatsache, daß der Bindephasengehalt von der äußersten Oberfläche zum Mittelpunkt zunimmt, geht die verbesserte Verschleißbeständigkeit relativ frühzeitig verloren. Sintercarbidkörper nach der EP-A-182 759 sind daher am besten für Zähigkeit verlangendes Gesteinsbohren geeignet.

Hohe Verschleißbeständigkeit und hohe Eindringgeschwindigkeit sind wesentliche Eigenschaften für Meißel, und diese Eigenschaften bekommen mehr und mehr Bedeutung. Bestimmte Meißel, insbesondere Meißel für Vortrieb, sind verschlissen, wenn der Durchmesser des Meißels 4 bis 6 mm abgenommen hat, da der Durchmesser des Bohrloches zu klein wird, was eine Einführung des Strahlputzmittels schwierig macht. Knöpfe in solchen Meißeln werden daher selten nachgeschliffen, da gewöhnlich der Meißeldurchmesser beim Nachschleifen abnimmt. Für diese Meißel ist es wichtig, daß die Knöpfe eine 2 bis 3 mm dicke verschleißbeständige Zone haben, so daß die Verschleißbeständigkeit während der gesamten Standzeit des Meißels hoch und gleichmäßig ist. Die Eindringungsgeschwindigkeit hängt von der Form des Knopfes ab. Regelmäßig bekommen daher die Knöpfe eine Form, die eine optimale Eindringungsgeschwindigkeit ergibt. Wenn die Form des Knopfes durch Verschleiß sich ändert, nimmt die Eindringungsgeschwindigkeit allmählich ab.

Es wurde nunmehr überraschenderweise festgestellt, daß es möglich ist, das Herstellungsverfahren in solcher Weise zu steuern, daß ein fast konstanter Gehalt an Bindemetall in der Oberflächenzone des Körpers und als Ergebnis hiervon eine konstante Härte und Verschleißbeständigkeit erhalten wird. Dadurch bekommt man eine weitere Verbesserung bei Anwendungen, wo hohe Verschleißbeständigkeit von großer Bedeutung ist. Die verschleißbeständige Oberflächenzone von Körpern nach der Erfindung wird langsamer verschlissen als in herkömmlichen Körpern, und daher wird während langer Zeit eine hohe Eindringgeschwindigkeit bewahrt.

Figur 1 zeigt schematisch die Bindephasenverteilung entlang einer Linie senkrecht zu der Oberfläche eines Sintercarbidkörpers nach der Erfindung. In der Figur ist

A - an Bindephase verarmte Oberflächenzone,

A&sub1; - Oberflächenzone mit fast konstantem Gehalt an Bindephase,

B - an Bindephase reiche Oberflächenzone

C - eta-Phase enthaltender Kern

n - nominaler Bindephasengehalt

d&sub0; - Bindephasengehalt in der Oberfläche

d - Zunahme des Bindephasengehaltes in der Zone A&sub1;

a - Breite der an Bindephase verarmten Oberflächenzone

a&sub1; - Breite der Oberflächenzone mit fast konstantem Bindephasengehalt

Die an eta-Phase freie Oberflächenzone in Sintercarbidkörpern nach der Erfindung wird in zwei Teile geteilt. In dem äußersten Teil (Zone A) ist der Bindephasengehalt geringer als der nominale (n). In dem innersten Teil (Zone 8) ist der Bindephasengehalt höher als der nominale. Die Zone A hat eine höhere Härte und Steifigkeit infolge des niedrigen Bindephasengehaltes, während die Zone C eine höhere Härte infolge der fein dispergierten eta-Phase hat.

In der Zone A soll der mittlere Bindephasengehalt 0,2 bis 0,8, vorzugsweise 0,3 bis 0,7 des nominalen Bindephasengehaltes sein. Der Bindephasengehalt in dem äußersten Teil der Zone A soll fast konstant sein. Die relative Zunahme oder Abnahme des Bindephasengehaltes entlang einer Linie senkrecht zu der Oberfläche, d/(d&sub0; a&sub1;), soll nicht größer als 20% / mm, vorzugsweise nicht größer als 10% /mm sein. Die Breite a&sub1; dieser äußeren Zone mit konstantem oder fast konstantem Bindephasengehalt soll 50%, vorzugsweise 70%, am meisten bevorzugt 80% der Breite a der Zone A, jedoch wenigstens 1 mm sein. In der Zone B ist der Bindephasengehalt höher als der nominale und erreicht einen höchsten Wert von wenigstens 1,2, vorzugsweise 1,6 bis 3 des nominalen Bindephasengehaltes.

Die Zone C soll wenigstens zwei Volumen-%, vorzugsweise wenigstens 5 Volumen-% eta-Phase, aber höchstens 60 Volumen-%, vorzugsweise höchstens 35 Volumen-% enthalten. Die eta-Phase soll feinkörnig mit einer Korngröße von 0,5 bis 10µm, vorzugsweise 1 bis 5 µm, und gleichmäßig in der Matrix der normalen WC-Co-Struktur verteilt sein. Die Breite der Zone C soll 10 bis 95%, vorzugsweise 25 bis 75% des Querschnittes des Sintercarbidkörpers sein.

Die Erfindung kann für alle Sintercarbidqualitäten verwendet werden, die normalerweise zum Gesteinsbohren benutzt werden, angefangen von Qualitäten mit drei Gew.-% Bindephase bis zu Qualitäten mit 25 Gew.-% Bindephase, vorzugsweise mit 5 bis 10 Gew.-% Bindephase für Schlagbohren, 10 bis 25 Gew.-% für rotierendes Brechbohren und 6 bis 13 Gew.-% für Gesteinsschneiden, wobei die Korngröße von WC von 1,5 µm bis zu 8 µm, vorzugsweise von 2 bis 5µm variieren kann. Sie ist besonders geeignet für Meißel, die nicht nachgeschliffen werden, z. B. für Bohrmeißel für Vorschub, wo der Meißel den Abraumdurchmesser erreicht hat, bevor die Zone mit konstantem Bindephasengehalt wegverschlissen ist. Der große Unterschied im Bindephasengehalt und des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Zone A und den restlichen Zonen in einem Knopf nach der Erfindung führt zu hohen Kompressionsspannungen in der Oberfläche der Knöpfe, was zu außergewöhnlich guten Zähigkeitseigenschaften parallel zu den bisher erwähnten Verbesserungen der Verschleißbeständigkeit im Vergleich mit der EP-A-182 759 führt.

In der Bindephase kann Co teilweise oder vollständig durch Ni und/oder Fe ersetzt werden. Hierdurch wird der Co-Anteil in der eta-Phase teilweise oder vollständig durch etwas von den Metallen Fe und/oder Ni ersetzt, d. h. die eta-Phase selbst kann ein oder mehrere der Eisengruppenmetalle kombiniert enthalten. Bis zu 15 Gew.% Wolfram in der alpha-Phase können durch eines oder mehrere der Metallcarbidbildner Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr und Mo ersetzt werden.

Sintercarbidkörper nach der Erfindung werden mit pulvermetallurgischen Methoden, Zerkleinern, Pressen und Sintern, hergestellt. Ausgehend von einem Pulver mit stöchiometrischem Kohlenstoffgehalt bekommt man eine eta-Phase, die Sintercarbid enthält, während des Sinterns. Dies geschieht nach dem Sintern mit einer heftig aufkohlenden Hitzebehandlung, z. B. durch Einpacken in Ruß. Dies bedeutet, daß die Kohlenstoffaktivität ac in der Atmosphäre des Ofens nahe 1, vorzugsweise wenigstens 5,8 sein soll, so daß der Kohlenstofftransport zu der Oberfläche der Knöpfe während der gesamten Hitzebehandlungszeit größer als die Diffusionsgeschwindigkeit von Kohlenstoff in die Knöpfe ist.

Beispiel 1

Knöpfe wurden unter Verwendung eines WC-Pulvers mit 6 Gew.-% Co mit 0,2 Gew.- % unterstöchiometrischem Kohlenstoffgehalt (5,6 Gew.-% C statt 5,8 Gew.-%) gepreßt. Diese wurden bei 1450ºC unter Standardbedingungen gesintert. Nach dem Sintern war die Länge der Knöpfe 16 mm und der Durchmesser 10 mm. Die Knöpfe wurden dann in Ruß gepackt und in einem Ofen 3 Stunden bei 1400ºC hitzebehandelt.

Die auf diese Weise hergestellten Knöpfe besaßen eine 2 mm breite Oberflächenzone frei von eta-Phase und einen Kern mit einem Durchmesser von 6 mm, der fein dispergierte eta-Phase enthielt. Der Co-Gehalt an der Oberfläche wurde als 3 Gew.-% gemessen. 1,6 mm von der Oberfläche aus war der Co-Gehalt 3,5 Gew.-% und gerade außerhalb des eta-Phasenkerns 14 Gew.-%. Die Breite der Zone mit hohem Co-Gehalt war etwa 0,4 mm.

Beispiel 2

Gestein: Harter abrasiver Granit mit Leptitstreifen, Kompressionsfestigkeit 2800 - 3100 bar

Maschine: Atlas Copco COP 1038 HD, eine hydraulische Maschine für eine schwere Vorschubeinrichtung. Vorschubdruck 85 bar, Rotationsdruck 45 bar und Rotation 200 Umdrehungen/min.

Meißel: Doppelflügelknopfmeißel von 45 mm mit dem Umfang, 10 mm Durchmesser und 16 mm Länge der Knöpfe. 10 Meißel je Variante wurden getestet. Der Abraumdurchmesser war 41 mm.

Sintercarbidqualität: 94 Gew.-% WC und 6 Gew.-% Co. Korngröße = 2,5 µm

Testvarianten:

1. Knöpfe nach der Erfindung mit einem eta-Phasenkern mit einem Durchmesser von 4 mm, einer von eta-Phase freien Oberflächenzone von 3 mm Breite, in welcher der Teil mit niedrigem Co-Gehalt 2,2 mm breit war.

2. Knöpfe mit einem eta-Phasenkern mit einem Durchmesser von 6 mm, einer von eta- Phase freien 0berflächenzone von 2 mm mit einem Co-Gradienten gemäß der EP-A- 182 759.

3. Knöpfe mit normaler Struktur ohne eta-Phase.

Die Meißel wurden in Sätze von 7 Löchern mit einer Tiefe von 5 m gebohrt und wurden in solcher Weise verändert, daß gleiche Bohrbedingungen erhalten wurden. Die Meißel wurden aus dem Test genommen, sobald der Meißeldurchmesser unter 41 mm fiel, und dann wurden die gebohrten Meter aufgezeichnet.

Ergebnis:

Beispiel 3

Testbohrungen mit Batteriebohrmeißeln wurden in einer Quarzitgrube durchgeführt, die sehr harten Quarz enthielt. Variante 1 wurde mit Sintercarbidknöpfen nach der Erfindung ausgestattet, Variante 2 wurde mit Knöpfen nach der EP-A-182 759 ausgestattet, und Variante 3 wurde mit einer WC-Co-Qualität ausgestattet, die üblicherweise auf dem Markt erhältlich ist. Die Knöpfe nach der Erfindung sowie die Knöpfe nach der EP-A-182 759 umfaßten eine 2,5 mm breite Oberflächenzone mit niedrigem Co-Gehalt.

Testdaten

Bohrausstattung: ROC 712 mit einer COP 1036-Maschine

Vorschubdruck: 80 bar

Schlagdruck: 190 bar

Lochtiefe 12 m

Luftspülung: 5 bar

Anzahl der Meißel: 5

Ergebnis

Beispiel 4

Teststelle: Eisenerzmine - offene Grube. Bohren mit Walzenmeißeln

Bohrmaschine: Gardner Denver GD-100

Vorschubdruck: 40 Tonnen

Drehung: 80 Umdrehungen/min

Gesteinstype: Magnetit mit Quarzstreifen und Schiefertonstreifen

Bohrmeißel: 12 1/4 inch CS-2

Variante 1: Meißel mit Sintercarbidknöpfen (meißelförmig) nach der Erfindung. Der nominale Co-Gehalt war 10 Gew.-%, der Knopfdurchmesser war 14 mm, und die Länge war 21 mm. Zone A war 3 mm und Zone B 2 mm.

Variante 2: Sintercarbidknöpfe nach dem Stand der Technik mit einer Oberflächenzone frei von eta-Phase von 2,5 mm und einem nominalen Co-Gehalt von 10 Gew.-%.

Variante 3: Sintercarbidknöpfe herkömmlicher Qualität mit 10 Gew.-% Co.

Ergebnis


Anspruch[de]

Sintercarbidkörper, vorzugsweise für die Verwendung beim Gesteinsbohren und Mineralienschneiden, mit einem Sintercarbidkern (C) und einer Oberflächenzone (A, B), die den Kern umgibt, wobei sowohl die Oberflächenzone als auch der Kern WC enthält, worin bis zu 15 Gew.-% W durch eines oder mehrere der Elemente Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr und Mo ersetzt sein kann, und mit einer Bindephase auf der Basis von 3 bis 25 Gew.-% Co, welches teilweise oder vollständig durch Fe oder Ni ersetzt sein kann, wobei die Oberflächenzone einen äußeren Teil (A) mit einem Bindephasengehalt, der niedriger als der nominale ist, und einen inneren Teil (B) mit einem Bindephasengehalt, der höher als der nominale ist, hat, wobei der mittlere Bindephasengehalt in dem äußeren Teil 0,2 bis 0,8 des nominalen ist und der Bindephasengehalt in dem inneren Teil einen höchsten Wert von wenigstens 1,2 des nominalen Bindephasengehaltes erreicht und der Kern außerdem 2 bis 60 Vol.% eta-Phase mit einer Korngröße von 0,5 bis 10 µm enthält, während die Oberflächenzone frei von eta-Phase ist, und wobei die Breite des Kerns 10 bis 95% des Querschnitts des Körpers ausmacht, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Teil (A) der Oberflächenzone mit einem Bindephasengehalt niedriger als der nominale einen Außenabschnitt (A&sub1;) von fast konstantem Bindephasengehalt mit einer Breite von wenigstens 50% der Breite des äußeren Teils, jedoch wenigstens 1 mm, hat, wobei in diesem äußeren Teil (A&sub1;) die relative Zunahme oder Abnahme des Bindephasengehaltes entlang einer Linie senkrecht zu der Oberfläche, ausgedrückt als d/(d&sub0; a&sub1;), höchstens 0,2% /mm ist, worin d = Zunahme oder Abnahme des Bindephasengehaltes, d&sub0; = Bindephasengehalt in der Oberfläche und a&sub1; = Breite des äußeren Abschnittes in mm.







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