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Dokumentenidentifikation DE60312388T2 15.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001581662
Titel Herstellungsverfahren eines Verbundwerkstoffes
Anmelder Element Six (PTY) Ltd., Springs, ZA
Erfinder SIGALAS, Iakovos, 2195 Linden, ZA;
DAVIES, Geoffrey John, 2194 Randburg, ZA;
MASETE, Mosimanegape Stephen, 2091 Johannesburg, ZA;
CHAPMAN, Raymond Albert, 2001 Johannesburg, ZA
Vertreter Kutzenberger & Wolff, 50668 Köln
DE-Aktenzeichen 60312388
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 29.10.2003
EP-Aktenzeichen 037697182
WO-Anmeldetag 29.10.2003
PCT-Aktenzeichen PCT/IB03/04788
WO-Veröffentlichungsnummer 2004040029
WO-Veröffentlichungsdatum 13.05.2004
EP-Offenlegungsdatum 05.10.2005
EP date of grant 07.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2007
IPC-Hauptklasse C22C 26/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse B22F 7/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B01J 3/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B24D 3/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   E21B 10/56(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs und zur Herstellung eines Werkzeugbauteils.

Werkzeugbauteile, bei denen Kompaktdiamanten (polykristalline Diamanten), auch PKD genannt, und Kompaktdiamanten aus kubischem Bornitrid, auch PKB genannt, eingesetzt werden, werden weithin beim Bohren, Mahlen, Fräsen und bei anderen ähnlichen Schleifanwendungen verwendet. Das Werkzeugbauteil umfasst allgemein eine PKD- oder PKB-Schicht, die an einer Stütze – gewöhnlich aus zementierten Carbiden – haftet. Die PKD- oder PKB-Schicht könnte eine scharfe Schneidkante oder einen scharfen Bearbeitungspunkt oder eine Schneid- oder Schleiffläche darstellen.

PKD-Fräser sind gut bekannt und werden bei der Bohrtechnologie weithin als Fräselement in Bohrern verwendet, die bei der Kernbohrung, Öl- und Gasbohrung und in anderen ähnlichen Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Diese Art von Fräsvorrichtungen beinhalten gewöhnlich einen PKD-Tisch, der aus einem Hartmetallsubstrat durch einen Sinterprozess mit Hochtemperatur und Hochdruck geformt wurde. Das Substrat wird dann entweder auf einer länglichen Stütze gelötet, oder es wird direkt in einem Zwischenraum des Bohrers auf so eine Weise gelötet, dass der PKD-Tisch der Oberfläche zum Fräsen ausgesetzt wird.

Es ist bekannt, dass PKD-Fräsvorrichtungen aufgrund der Fehlanpassung der Eigenschaften des PKD mit denen des Substrats inhärente Restspannungen haben. Die relevanten Eigenschaften in diesem Kontext sind der thermische Expansionskoeffizient und die elastischen Module sowie die Komprimierbarkeit der beiden Werkstoffe. Diese Spannungen sind besonders an der Schnittstelle ausgeprägt, obwohl sie aber hauptsächlich in der ganzen Fräsvorrichtung vorhanden sind. Gewöhnlich sind die Spannungen gewöhnlich innerhalb der PKD-Schicht zusammendrückend und innerhalb des Substrats zugbelastbar. Innerhalb der PKD-Schicht bestehen jedoch Zugspannungen, besonders in Fällen, bei denen eine nicht planare Schnittstelle verwendet wird. Diese Spannungen können sich während des Gesteinsbohrverfahrens mit den aufgetragenen Spannungen kombinieren und den Bruch der Fräsvorrichtung verursachen.

Außerdem ist bekannt, dass sich diese Arten von Spannungen während des Lötverfahrens, das zum Befestigen der Fräsvorrichtung am Bohrer eingesetzt wird, noch erhöhen. Diese Erhöhung der Spannung kann auch ohne Auftragen einer externen Spannung einen Bruch der PKD-Schicht oder des Substrats verursachen.

In der Erfindung werden verschiedene Lösungen zum Modifizieren der Restspannungen in PKD-Fräsern vorgeschlagen, um solche Ausfälle zu verhindern. Zum Beispiel wird vorgeschlagen, dass eine Konfiguration des Diamanttisches und/oder des Carbidsubstrats auf eine bestimmte Weise die Spannung so verteilen könnte, dass die Zugspannungen reduziert werden, wie im U.S.-Pat. Nr. 5,351,772 von Smith und U.S.-Pat. Nr. 4,255,165 von Dennis beschrieben. Weitere Konfigurationen für Fräsvorrichtungen, die die Restspannungen reduzieren, werden im U.S.-Pat. Nr. 5,049,164 von Horton, im U.S.-Pat. Nr. 5,176,720 von Martell et al., im U.S.-Pat. Nr. 5,304,342 von Hall und im U.S.-Pat. Nr. 4,398,952 von Drake beschrieben. Verfahren zum Entlasten der Restspannungen durch Rückenschliff des Substrats, Ausglühen oder durch Variieren der Eigenschaften des Substrats werden im U.S.-Pat. Nr. 6,220,375 beschrieben.

Im U.S.-Pat. Nr. 4,604,106 von Hall et al. wird die Verwendung von vorzementierten Carbidpartikeln in einer PKD-Matrix, um eine graduierte Schnittstelle zwischen dem PKD-Tisch und dem Carbidsubstrat herzustellen, beschrieben. Außerdem wird ein ähnlicher Werkstoff im U.S.-Pat. Nr. 4,525,178 beschrieben. Obwohl dieser Ansatz eine wirksame Graduierung der Eigenschaften ermöglicht, erfordert er die Vorbereitung von Carbidpartikeln durch Zerkleinerung, was ein teures Verfahren sein könnte. Außerdem ist bekannt, dass sich solche Materialien abspalten, da die willkürliche Disposition der vorzementierten Carbidpartikel in der PKD-Matrix die Möglichkeit beinhaltet, dass sich verschiedene Agglomerate im Körper des Werkstoffs bilden, wodurch sich seine Fehlerstelle vergrößert und infolgedessen seine Stärke reduziert.

Im U.S.-Pat. Nr. 5,370,195 werden Bohrereinsätze beschrieben, die eine Reihe von Schichten aufweisen, die zwischen dem Substrat und der äußeren PKD-Schicht positioniert sind. Diese Zwischenschichten sind im Wesentlichen Diamant-Carbid-Verbundschichten. Jede Verbundschicht wurde aus einzelnen Diamantkristallen, die mit Wolframcarbid-, Titancarbid- oder Titancarbonitridpartikeln vermischt wurden, hergestellt. Diese Arten von Werkstoffen sind zur Bewältigung der Restspannungen in den Bohrereinsätzen nützlich, besitzen aber aufgrund der schlechten Adhäsion der Diamantpartikel an den verwendeten Bindemittelphasen eine minderwertige Stärke und Belastbarkeit.

Die Verwendung von Schnittstellen als Mittel zur Bewältigung der Restspannungen in einem PKD-Fräser erfordert, dass der Schnittstellenwerkstoff eine gute Verschleißfestigkeit hat, die der Verschleißfestigkeit der PKD-Schicht entspricht oder etwas minderwertiger als sie ist, und der Verschleißfestigkeit des Carbidsubstrats entspricht oder besser als sie ist. Diese Ausführungsform würde sicherstellen, dass während des Fräsvorgangs eine Lippe unter dem PKD-Tisch geformt wird, wobei die Konzentration der Spannung am Bearbeitungspunkt berücksichtigt und somit eine Fraktur des Gesteins, das geschnitten wird, sichergestellt wird. Wenn die Verschleißfestigkeit der Zwischenschicht geringer als die Verschleißfestigkeit der Carbidstütze ist, ist der Verschleiß der Zwischenschicht übermäßig, und die PKD-Lippe würde während des Fräsvorgangs ihre Stütze verlieren und abbrechen. Wenn die Verschleißfestigkeit der Zwischenschicht zu hoch ist, ist die Lippe, die sich bei der Verwendung bildet, zu niedrig, und die Schneidwirkung wird nicht effektiv verbessert. Wenn die Verschleißfestigkeit der Zwischenschicht zu niedrig ist, ist die Lippe, die sich entwickelt, zu tief, und die PKD-Schicht erhält keine ausreichende Stütze, weshalb die Schnittkante vorzeitig ausfällt. Deshalb besteht eine optimale Beziehung zwischen der Verschleißfestigkeit des PKD, der Zwischenschicht und dem Substrat.

Im U.K.-Pat. Nr. 2,326,655 wird die Verwendung von PKD-Körnchen in einer Carbidhaut beschrieben. Diese Körnchen werden dann zur Herstellung eines Werkstoffs verwendet, der eine gute Verschleißfestigkeit und Belastbarkeit hat und der als Verschleißteil oder als Schnittstellenmaterial geeignet ist. Ein solcher Werkstoff beruht auf den Zugspannungen, die in der Carbidphase erzeugt werden, um eine Rissbildung durch diese Phase zu verursachen und somit die Bruchzähigkeit des Werkstoffs zu verbessern. Um sicherzustellen, dass der Riss wirklich durch die Carbidphase verläuft, ist die gewählte Güteklasse feinkörnig und relativ spröde. Somit kann keine bedeutende Verbesserung der Belastbarkeit erzielt werden.

Im Patent US-A-331 6073 wird die Herstellung von Granulat, das WC (Wolframcarbid), Diamant und Bindemittel umfasst, beschrieben.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung wird in Anspruch 1 definiert, und die anhängenden Ansprüche umfassen die bevorzugten Ausführungsformen.

Die beschichteten Kernstücke werden im typischen Fall als Körnchen, die mit den Komponenten zur Erzeugung eines PKD- oder PKB-Werkstoffs und dem Bindemittel beschichtet sind, bereitgestellt.

Die Körnchen könnten außerdem mit einer zweiten Schicht beschichtet werden, die einen Werkstoff umfasst, der aus der Gruppe, die Carbide, Nitride, Carbonitride, zementierte Carbide, zementierte Nitride, zementierte Carbonitride und deren Mischungen enthält, gewählt wird, oder mit den Komponenten zur Erzeugung eines ultraharten Werkstoffs einer anderen Güteklasse als der Güteklasse der ersten Beschichtung

Der Verbundwerkstoff könnte ein geformter Verbundwerkstoff sein, der die Form der Oberfläche des Substrats, auf das er platziert wird, und/oder die Form einer Oberfläche der PKD- oder PKB-Werkstoffschicht erhält. In diesem Zusammenhang könnte der Verbundwerkstoff in der entsprechenden Form vorgeformt oder anderenfalls in situ geformt werden.

Der Verbundwerkstoff nimmt im typischen Fall die Form einer Bienenwabenstruktur eines harten Werkstoffs an und die Kernstücke innerhalb der Poren der Bienenwabenstruktur haften an der Bienenwabenstruktur. Die Poren der Bienenwabenstruktur könnten entweder geordnet oder willkürlich sein.

Die Komponenten, die zur Herstellung eines ultraharten PDK- oder PKB-Werkstoffs erforderlich sind, könnten eine Masse aus ultraharten Schleifmittelpartikeln umfassen und wahlweise eine zweite Phase haben, die ein/en Lösungsmittel/Katalysator oder eine Vorläufersubstanz für einen Lösungsmittel/Katalysator in Partikelform für die ultraharten Schleifmittelpartikel umfasst. Diese Art von Komponenten könnten Superlegierungen, wie zum Beispiel die Legierungen Nimonic® und Stellite®, und Hochtemperaturlötmetalle beinhalten.

Die in Schritt (iv) bzw. Schritt (v) angegebenen Sinterbedingungen sind derartig, dass die ultraharten Schleifmittelpartikel kristallografisch stabil sind.

Die Partikel im Kernstück und, soweit zutreffend, in der Beschichtung, werden in einem geeigneten Bindemittel, wie zum Beispiel einem organischen Bindemittel, bereitgestellt. Dieses Bindemittel wird vorzugsweise vor dem Sintern gemäß Schritt (iv) bzw. (v) entfernt. Beispiele geeigneter Bindemittel sind u. a. Kampfer, Methylzellulose und Polyethylenglykol, aber nicht darauf beschränkt

Die Vielzahl der Körnchen könnte verfestigt werden, indem zum Beispiel in einem engen Raum, wie einer Pressform, ein Druck auf die Körnchen aufgetragen wird. Der verfestigte Verbundwerkstoff ist ein im Grünzustand befindliches Produkt, das kohärent ist, das aber auch zum Beispiel durch Schneiden getrennt werden kann. Ein Stück, das vom verfestigten oder kohärenten Verbundwerkstoff getrennt und entfernt werden kann, besitzt eine Flexibilität und könnte auf Oberflächen aufgetragen werden, die flach oder profiliert sind, d. h. sie könnten eine gebogene Oberfläche haben. Die Pressform zum Verfestigen der Körnchen könnte mit einem oder beiden Presswerkzeugen bereitgestellt werden, die so profiliert sind, dass das im Grünzustand befindliche Produkt mindestens eine Oberfläche mit einer Form hat, die auf das Substrat abgestimmt ist, auf die es platziert werden soll. In diesem Fall stellt die Verbundschicht eine Arbeitsfläche oder eine Schnittkante dar. Die andere Fläche davon könnte auch profiliert sein, um eine weitere Schicht aufzunehmen, wie zum Beispiel eine Schicht eines ultraharten Werkstoffs oder eine andere Schicht eines ähnlichen Verbundwerkstoffs, der jedoch zum Beispiel bezüglich des ultraharten Werkstoffinhalts oder der Güteklasse des ultraharten Werkstoffs eine andere Zusammensetzung hat und eine Arbeitsfläche oder Schnittkante darstellt. In diesem Fall stellt der Verbundwerkstoff eine Zwischenschicht zwischen dem Substrat und der Schneidschicht dar. Um eine Graduierung der Eigenschaften zu ermöglichen, könnten mehrere Zwischenschichten eines Verbundwerkstoffs mit verschiedenen Zusammensetzungen bereitgestellt werden.

Wenn die Kernstücke des Verbundwerkstoffs aus Carbidpartikeln geformt wurden, sind diese im typischen Fall Wolframcarbidpartikel, Titancarbidpartikel, Tantalcarbidpartikel oder Molybdäncarbidpartikel. Das Metallbindemittel könnte ein beliebiges Metallbindemittel sein, das in dieser Erfindung als Eisen, Nickel, Kobalt oder Legierung, die eine oder mehrere dieser Metalle enthält, bekannt ist.

Das Substrat ist im typischen Fall ein zementiertes Carbidsubstrat.

Die Körnchen könnten hergestellt werden, indem ein Kernstück gefertigt und dieses Kernstück dann mit einem ultraharten Material bei Vorhandensein eines organischen Bindemittels hergestellt wird. Die Beschichtung könnte durch Verflüssigen der Kernstücke und durch Aufsprühen der Beschichtung oder durch Palettisieren in einem Behälter erfolgen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird jetzt nur aufgrund eines Beispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei

1 ein Querschnitt durch ein Körnchen ist, das zum Erzeugen eines Verbundwerkstoffs der Erfindung verwendet wird;

2 & 3 schematische Darstellungen der Verfestigung von Körnchen sind, um einen Verbundwerkstoff der Erfindung herzustellen;

4 ein Querschnitt durch ein alternatives Körnchen ist, das zum Erzeugen eines Verbundwerkstoffs der Erfindung dient;

5 eine Explosionszeichnung im Querschnitt durch ein Werkzeugbauteil der Erfindung ist;

6 ein Foto von ungleichmäßig beschichteten Körnchen der Erfindung ist;

7 ein Foto eines Verbundwerkstoffs der Erfindung ist, das WC-Körnchen umfasst, die in einer Diamantmatrix verteilt sind;

8 eine SEM eines Verbundwerkstoffs der Erfindung ist, der WC-Körnchen umfasst, die in einer Diamantmatrix verteilt sind;

9 ein Foto einer ersten Ausführungsform eines Werkzeugbauteils der Erfindung ist;

10 ein Foto eines Querschnitts durch das Werkzeugbauteil von 9 ist;

11 ein Foto einer zweiten Ausführungsform eines Werkzeugbauteils der Erfindung ist;

12 ein Foto eines Querschnitts durch das Werkzeugbauteil von 11 ist, und

13 & 14 Fotos von sphärischen, beschichteten Körnchen der Erfindung sind.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Unter Bezugnahme auf 1 weist ein Körnchen 10 ein Kernstück 12 und eine Beschichtung 14 auf, die das Kernstück 12 im Wesentlichen einschließt. Das abgebildete Körnchen 10 hat eine gleichmäßige Form und ist sphärisch. Das Körnchen braucht weder eine solche gleichmäßige Form zu haben noch muss es sphärisch sein. Andere Formen sind ebenfalls möglich. Der Einfachheit halber wird diese Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf Carbidpartikel beschrieben. Man muss sich jedoch bewusst sein, dass die Kernstücke ein anderes Kernstückmaterial aufweisen können, das aus der Gruppe, die Nitride, Carbonitride, zementierte Carbide, zementierte Nitride, zementierte Carbonitride und deren Mischungen enthält, gewählt wird.

Das Kernstück 12 umfasst eine Mischung aus Carbidpartikeln und Bindemittelmetall in Partikelform.

Die Beschichtung 14 umfasst ultraharte Schleifmittelpartikel, wie Diamant oder PKB und wahlweise ein Metall oder eine Vorläufersubstanz in Partikelform. Diese Art von Metall kann einen Lösemittel/Katalysator oder ein anderes Metall, das unter den angewandten Bedingungen bezüglich Temperatur und Druck sintern kann, sein.

Ein organisches Bindemittel wie eine Methylzellulose ist sowohl im Kernstück 12 als auch in der Beschichtung 14 vorhanden und verleiht dem Kernstück 12, der Beschichtung 12 und dem Körnchen 10 als Ganzes eine Kohärenz. Andere nicht beschränkende Beispiele des organischen Bindemittels beinhalten Kampfer und Polyethylenglykol.

Eine Vielzahl der Körnchen 16 wird in einen Behälter 18 gegeben, wie in 2 gezeigt. Auf die Körnchen 16 wird Ein Druck in Pfeilrichtung 20 aufgetragen, was bewirkt, dass sie in einen Verbundwerkstoff verfestigt werden, wie in 3 gezeigt. Der Verbundwerkstoff besteht aus einer Vielzahl von Kernstücken 22 in etwas, was nun eine Matrix 24 ist, die aus den Beschichtungen 14 hergestellt wurde. Obwohl die so genannte uniaxiale Verdichtung in dieser Ausführungsform beschrieben wird, kann Druck von oben und unten von den Körnchen 16 oder isostatisch aufgetragen werden.

Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung beinhaltet das Körnchen 10 eine zweite Beschichtung 26, die die Beschichtung 14 im Wesentlichen abdeckt, wie in 4 gezeigt. Die Beschichtung 26 kann aus demselben Werkstoff wie das Kernstück 12 geformt werden, oder sie kann aus demselben Material wie die Beschichtung 14 hergestellt werden, aber in einer anderen Güteklasse, um eine Graduierung der Eigenschaften zu ermöglichen.

Eine Schicht oder ein Abschnitt 28 des Verbundwerkstoffs wird an der Linie 30 entlang abgetrennt und vom Verbundwerkstoff entfernt, wie in 3 gezeigt.

Der Abschnitt bzw. die Schicht 28 besitzt eine Flexibilität und kann auf die Oberfläche 32, die in diesem Fall eine unregelmäßige Oberfläche eines Substrats 34, d. h. vorzugsweise ein zementiertes Carbidsubstrat ist, oder zwischen die Oberfläche 32 des Substrats 34 und eine Oberfläche 36, in diesem Fall eine unregelmäßige Oberfläche einer Schleifmittelschicht 38, platziert werden, wie in 5 gezeigt.

Das im Grünzustand befindliche Produkt von 5 wird in eine geeignete Kapsel zum Einführen in die Reaktionszone eines herkömmlichen Hochtemperatur-/Hochdruckapparates platziert. Das organische Bindemittel wird zuerst durch Erhitzen der Kapsel zum Ablösen des Bindemittels entfernt. Die Kapsel wird dann in die Reaktionszone eingebracht und der Inhalt der Kapsel wird erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt, so dass das ultraharte Schleifmittel nicht abgeschwächt wird. Solche Bedingungen könnten Bedingungen sein, bei denen das ultraharte Schleifmittel kristallografisch stabil ist. Das hat die Auswirkung, dass ein zementiertes Carbid aus dem Werkstoff des Kernstücks 10 und ein schleifender Kompaktdiamant aus dem Werkstoff der Beschichtung 14 hergestellt wird. Der schleifende Kompaktdiamant wird an das zementierte Carbid geklebt. Die Schicht 28 wird an die Oberfläche 32 des Substrats 34 und an die Oberfläche 36 des schleifenden Kompaktdiamanten 38 geklebt, wodurch ein Werkzeugbauteil hergestellt wird.

Obwohl die Verwendung der beschichteten Körnchen zum Formen des Verbundwerkstoffs bevorzugt wird, könnte jedes geeignete Verfahren, wie zum Beispiel ein Mischen der verschiedenen Komponenten, verwendet werden, vorausgesetzt, dass die Kernstücke in der resultierenden Matrix verteilt sind und keine Agglomerate bilden.

Die Werkzeugbauteile der Erfindung können in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, werden aber insbesondere in Anwendungsbereichen mit Bohrern, im typischen Fall mit kegelförmigen und rotierenden Bohrköpfen verwendet.

Der Verbundwerkstoff, der gemäß der Erfindung hergestellt wurde, hat mehrere Vorteile im Vergleich zu den Werkstoffen der vorherigen Erfindungen, die bereits beschrieben wurden. Die Carbidkernstücke werden über eine starke mechanische Haftungsverbindung an die PKD-Matrix geklebt, wodurch das Problem eines schwachen Haftens einzelner Diamantpartikel an einer Kobaltmatrix bewältigt wird. Aufgrund der Fehlanpassung der Eigenschaften zwischen Carbid und PKD befinden sich die Carbidkernstücke in einem Spannungszustand, während die PKD-Matrix komprimiert wird. Die Druckspannungen, denen die kontinuierliche PKD-Matrix ausgesetzt ist, erhöhen die Stärke des resultierenden Werkstoffs im Vergleich zur Stärke des herkömmlichen PKD-Werkstoffs. Die Carbidkernstücke befinden sich dann unter Spannung. Risse, die sich durch dieses Material ausbreiten, werden in diese Bereiche angezogen. Wenn die verwendete Güteklasse des Carbids eine besonders robuste Güteklasse ist, ist die Ausbreitung dieses Risses durch diese Phase energieaufwändig. Somit wird die Ausbreitung des Risses innerhalb des resultierenden Werkstoffs schwieriger, als sie innerhalb eines herkömmlichen PKD wäre. Durch Einsatz von Körnchen zur Herstellung des kombinierten Carbid-PKD-Werkstoffs werden die Gefahren des Schaffens von Agglomeraten der Carbidphase oder sehr großer kontinuierlicher PKD-Leisten hauptsächlich vermieden. Das ermöglicht eine genauere Kontrolle der Defektgröße in solchen Werkstoffen, wodurch sichergestellt wird, dass sie reproduzierbarere Eigenschaften haben.

Eine Kombination aus diesen Vorteilen ermöglicht die Herstellung eines Werkstoffs mit guter Belastbarkeit, Stärke und Verschleißfestigkeit. Diese entscheidenden Eigenschaften können so maßgeschneidert werden, dass sie zwischen denen des Substrats und der PKD liegen. Durch Variieren der Güteklasse des PKD und der Volumenfraktion dieser Komponente im Keramik-Metall-Verbund (CERMET) können die Verschleißfestigkeit, die elastischen Eigenschaften und der thermische Erweiterungskoeffizient des resultierenden Verbundstoffs entsprechend variiert werden, um dem Zweck eines spezifischen Bohrereinsatzdesigns gerecht zu werden.

Wenn der Verbundwerkstoff der Erfindung als Zwischenschicht verwendet wird, ermöglicht er die Herstellung von Werkzeugbauteilen mit viel dickeren PKD-Schichten aufgrund der reduzierten Spannungen an der Schnittstelle zwischen der PKD-Schicht und der Zwischenschicht, im Vergleich zu den viel höheren Spannungen an der Schnittstelle zwischen der PKD-Schicht und dem Substrat eines herkömmlichen Werkzeugbauteils.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden, nicht beschränkten Beispiele ausführlicher beschrieben.

Beispiel 1

Ein Lösungsmittel-basiertes Slurry aus Wolframcarbidpulver wurde mit ca. 5 Gewichtsprozent eines organischen Bindemittels vorbereitet. Das WC-Pulver hatte eine Größe von 0 bis 5 Mikron und enthielt 11 % Kobalt. Das Slurry wurde getrocknet und mit Pistill und Mörser zerkleinert, um den Grünzustand der WC-Partikel mit einer Größe von 200 bis 300 Mikron herzustellen. Die Körnchen wurden in einen Granulierteller gegeben und gerollt, während kleine Mengen Diamantpulver mit einer Größe von 2 Mikron mit einem organischen Bindemittel hinzugefügt wurden, um eine Beschichtung zu bewirken. Das Volumen-% der WC-Körnchen zur Diamantbeschichtung, war im Verhältnis von 1:1. Die beschichteten WC-Partikel sind in 6 enthalten, wobei 40 ein WC-Kernstück und 42 die Diamantbeschichtung darstellt. Die beschichteten grünen Körnchen wurden in eine Pressform gegeben und in eine kompakte Form komprimiert. Der Kompaktdiamant ist im Foto von 7 und im SEM-Bild von 8 abgebildet, wobei die Kernstücke 40 nun in einer Diamantmatrix 42A verteilt sind, die von den Diamantbeschichtungen 42 geformt wurde. Der Kompaktdiamant wurde in eine Reaktionszelle gegeben, die ein Diamantpulverbett enthält und mit einem WC/Co-Substrat abgedeckt ist, um eine Einheit mit einer Zwischenschicht von beschichteten WC-Körnchen herzustellen. Der Kompaktdiamant wurde in einem Brennofen entgast und in eine Reaktionskapsel zur Hochtemperatur-/Hochdruckbehandlung geladen. Der resultierende komprimierte Kompaktdiamant wurde verarbeitet, gekennzeichnet und auf Verschleiß getestet, und es wurde festgestellt, dass er eine gute Belastbarkeit, Stärke und Verschleißfestigkeit besitzt. Die resultierende Zwischenschicht des Werkzeugbauteils wird im Foto von 9 und im Querschnitt des Fotos von 10 abgebildet, wobei 44 das WC-Substrat, 46 die WC-/PKD-Körnchenzwischenschicht und 48 der PKD-Tisch ist.

Beispiel 2

Es wurde dasselbe Verfahren wie in Beispiel 1 angewandt, außer dass der Kompaktdiamant nicht auf ein Diamantpulverbett platziert wurde. Das resultierende Werkzeug hatte einen WD-/PKD-Frästisch 50 auf einem WC-Substrat 52, wie im Foto von 11 und im Querschnitt im Foto von 12 gezeigt.

Beispiel 3

Im Beispiel 1 war die WC-Körnchenform unkontrolliert, was zu unregelmäßig geformten Körnchen führte. Da Körnchen eine beliebige Form haben können, wurden die WC-Körnchen von Beispiel 3 sphärisch gemacht, bevor sie mit Diamantpulver beschichtet wurden. Die sphärischen Formen wurden durch Rollen der unregelmäßig geformten Körnchen in einem Granulierer erzielt, wobei WC-Pulver zu ihrer Beschichtung hinzugefügt wurde. Die Körnchen wurden dann gesiebt, um ein Granulat einer Größe von 200 bis 300 Mikron zu erzielen. Diese Körnchen wurden dann mit Diamantpulver beschichtet, und ein Kompaktdiamant wurde geformt, wie in Beispiel 1 gezeigt. Die beschichteten Diamantkörnchen sind in den Fotos von 13 und 14 enthalten, die die WC-Körnchen 54 und die Diamantbeschichtungen 56 enthalten.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung von einem im Grünzustand befindlichen, kohärenten Verbundwerkstoff, folgende Schritte umfassend:

(i) Bereitstellen von mehreren Kernstücken aus einem Werkstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden, zementierten Carbiden, zementierten Nitriden, zementierten Carbonitriden und deren Mischungen,

(ii) Beschichten der Kernstücke mit einer Quelle für Komponenten zur Erzeugung eines PKD- oder PKB-Werkstoffs sowie mit einem geeigneten Bindemittel und

(iii) Verfestigen der beschichteten Kernstücke zur Herstellung eines im Grünzustand befindlichen, kohärenten Verbundwerkstoffs, wobei die Kernstücke in einer Matrix verteilt sind, die aus den Komponenten und dem Bindemittel gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin es sich bei dem geeigneten Bindemittel um ein organisches Bindemittel handelt. Verfahren gemäß Anspruch 2, worin das organische Bindemittel aus der Gruppe bestehend aus Campher, Methylcellulose und Polyethylenglykol ausgewählt ist. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Komponenten zur Erzeugung eines PKD- oder PKB-Werkstoffs eine Masse aus ultraharten Schleifmittelpartikel sowie gegebenenfalls eine zweite Phase umfassen, die ein(en) für die ultraharten Schleifmittelpartikel geeignetes/n Lösemittel/Katalysator oder eine Vorläufersubstanz für ein(en) Lösemittel/Katalysator in Partikelform umfasst. Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugbauteils, welches die folgenden Schritte umfasst:

(i) Bereitstellen eines Substrats,

(ii) Bereitstellen eines im Grünzustand befindlichen, kohärenten Verbundwerkstoffs gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

(iii) Aufbringen einer Schicht aus dem im Grünzustand befindlichen Verbundstoff auf das Substrat, sodass ein Bauteil ohne Bindung entsteht, und

(iv) Einwirkenlassen von Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks, die dazu geeignet sind, einen PKD- oder PKB-Werkstoff zu erzeugen, auf das Bauteil ohne Bindung.
Verfahren gemäß Anspruch 5, worin der im Grünzustand befindliche, kohärente Verbundwerkstoff gemäß Schritt (ii) oder die Schicht gemäß Schritt (iii) verfestigt wird, um vor dem Ausführen von Schritt (iv) eine verfestigte Schicht zu bilden. Verfahren gemäß Anspruch 6, worin das Bindemittel aus der verfestigten Schicht entfernt wird, bevor Schritt (iv) ausgeführt wird. Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugbauteils, welches die folgenden Schritte umfasst:

(i) Bereitstellen eines Substrats,

(ii) Bereitstellen eines im Grünzustand befindlichen, kohärenten Verbundwerkstoffs gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

(iii) Aufbringen einer Schicht aus dem im Grünzustand befindlichen, kohärenten Verbundwerkstoff auf die Oberfläche des Substrats,

(iv) Aufbringen einer Schicht aus den Komponenten zur Erzeugung eines PKD- oder PKB-Werkstoffs auf die Schicht aus dem Verbundwerkstoff, sodass ein Bauteil ohne Bindung entsteht und

(v) Einwirkenlassen von Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks auf das Bauteil ohne Bindung, um einen PKD- oder PKB-Werkstoff zu erzeugen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, worin die beschichteten Kernstücke in Form von Körnchen bereitgestellt werden, welche mit den Komponenten zur Erzeugung eines PKD- oder PKB-Werkstoffs sowie mit dem Bindemittel beschichtet sind. Verfahren gemäß Anspruch 9, worin die Körnchen darüber hinaus mit einer zweiten Beschichtung versehen werden, die einen Werkstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden, zementierten Carbiden, zementierten Nitriden, zementierten Carbonitriden und deren Mischungen oder aber Komponenten zur Erzeugung eines ultraharten Werkstoffs von einer Güteklasse umfasst, die sich von derjenigen der ersten Beschichtung unterscheidet.






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