DE3884548T2 - Gesteinsbohrmeissel mit Matrixersatzmaterial. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehbohrmeißel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Ein bekannter Bohrmeißel (US-A-3757879) enthält Schichten aus verschiedenen Materialien wie Wolframkarbid, eingekapseltes Aluminiumoxyd oder mit Wolfram beschichtetes Eisen, wodurch Meißelbereiche mit unterschiedlichen Materialeigenschaften geschaffen werden. Mit Wolfram überzogenes Metallpulver wird eingesetzt, um eine bearbeitbare Schulter zu schaffen, die auf der äußeren Abschnitt des Wolframkarbidbereichs, der den Grundkörper teilweise den Grundkörper bedeckt, als Sperre und Abdeckung wirkt. Durch Einkapselung der Partikel eines Ersatzmaterials wird verhindert, daß Metallpartikel durch die Masse durchsickern und die Diamanten und das Wolframkarbidmaterial angreifen.
• Für die Herstellung von abgestuft zusammengesetzten Schneidstrukturen wie Rollenschneidkorpern oder -zähnen, die ftir den Einsatz in Tiefbaubohrwerkzeugen vorteilhaft sind, ist es bekannt (US-A-4398952), erste und zweite oder mehrere Metallpulvermischungen mit unterschiedlichen Eigenschaften zu verwenden. Durch Mischen der Pulver und durch selektive Änderung des Gemischeswährend des Einfüllens in eine Gußhohlform wird nach dem Verdichten der Pulver zu einem harten Körper eine Verbundstruktur geschaffen, die ein Gefälle an mechanischen Eigenschaften aufweist.
• EP-A-096591 beschreibt einen imprägnierten Bohrmeißel mit einer Arbeitsfläche, der in einer Matrix eingebettete Diamantpartikel aufweist, wobei die Matrix Partikel eines Abriebmittels wie Aluminiumoxid, Boronkarbid oder dergleichen enthält. Im Verlauf der Bohrung brechen mit der Zeit Abriebteilchen weg, wodurch die Matrix erodiert und so der Meißel offen gehalten wird.
• Wolframkarbid- oder andere Hartmetall-Matrixmeißel sind spröde und können reißen, wenn sie während des Bohrens Stoßkräften ausgesetzt werden. Zusätzlich können aufgrund von thermischen Belastungen durch die Hitze, die sich bei der Herstellung des Meißels oder beim Bohren entwickelt, Bruchstellen in der Form entstehen. Typischerweise entstehen solche Bruchstellen dort, wo die Schneidelemente im Matrixkörper befestigt wurden. Wenn die Schneidelemente vom Bohrmeißelkörper abgeschoren sind, gehen die teuren Diamanten auf den Schneidelementen verloren, und der Meißel könnte aufhören zu bohren. Darüber hinaus ist Wolframkarbid sehr teuer.
• Demgemäß besteht Bedarf an einem erosionsresistenten Bohrmeißel, der die Zähigkeit, die Dehnbarkeit und die Stoßfestigkeit von Stahl sowie die Härte und Erosionresistenz von Wolframkarbid oder anderen Hartmetallen an der äußeren Oberfläche aufweist.
• Gemäß der Erfindung wird dieser Bedarf durch einen Drehbohrmeißel nach Anspruch 1 befriedigt. Das mit den Partikeln des Hartmetall- Matrixmaterials durchsetzte Ersatzmaterial stattet den Meißel mit einem höheren Grad an Zähigkeit, Dehnbarkeit und Stoßfestigkeit aus. Der resultierende Meißel kann noch bedarfweise noch weiter ausgestaltet werden, um optimale Eigenschaften für bistimmte Erdformationen zu erhalten.
• Das Ersatzmaterial besteht vorzugsweise aus einer Vielzahl von Teilchen, die in der Größe variieren können. Es werden vor allem Eisen und Stahlpartikel bevorzugt, da sich herausgestellt hat, daß diese Partikel die gewünschten Matrix-Eigenschaften liefern, dabei jedoch relativ preiswert im Vergleich zu den Kosten von Wolframkarbid oder anderen Hartmetallkomponenten der Matrix sind. Kugelige oder nahezu kugelige Partikel sind bevorzugt, weil sie in der Gußform leicht eine Packung bilden, obwohl auch irregulär gestaltete Partikel eingesetzt werden können.
• Andere Ersatzmaterialien, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, enthalten andere eisenhaltige Legierungen wie Eisen-Molybdän und Eisen-Nickel, die eine erhöhte Zähigkeit und Dehnbarkeit für die Matrix ergeben. Andere Metalle, die als Ersatzmaterialien Verwendung finden können, enthalten Nickel, Kobalt, Mangan, Chrom, Vanadium und Legierungen sowie aus diesen gebildete Mischungen. Sand, Quarz, Kieselerde, keramische Materialien und kunststoffbeschichtete Mineralien können ebenso verwendet werden, entweder in kleinen Partikelgrößen oder agglomeriert durch ein Bindemittel, um größere Partikel zu bilden. In der Praxis kann das Ersatzmaterial jedes Material sein, das 1000ºC oder höhere Betriebstemperaturen, wie sie bei der Meißelherstellung auftreten, aushält und welches mit dem Hartmetall- Matrixmaterial und dem Bindemittel verträglich ist. Mit Aushalten des Schmelz prozesses ist gemeint, daß das Ersatzmaterial so lange schmelzen kann, wie sich seine Beschaffenheit nicht ändert,es nicht in die Matrix dispergiert und sich während des Kreislaufs aus Erhitzung und Kühlen nicht übermäßig ausdehnt oder schrumpft.
• Obgleich das Ersatzmaterial in einem Mengenanteil von weniger als 10% des totalen Matrixvolumens zugesetzt werden kann, um nur geringfügige Anderungen der Matrixeigenschaften zu bewirken, wird das Ersatzmaterial vorzugsweise in einem Anteil zwischen 50% bis 80% des Volumens des totalen Matrixvolumens zugesetzt. Durch den Einsatz von kugeligen Partikeln mit unterschiedlichen Durchmessern eine optimale Packungsdichte in der Gußform erreichbar. Durch Verwendung von Partikel sowohl mit großem als auch mit kleinem Durchmesser kann das Ersatzmaterial mit dem kleinen Durchmesser in die vom Material mit dem großen Durchmesser gebildeten Zwischenräume gepackt werden.
• Beim Ausführen der vorliegenden Erfindung kann ein teures Hartmetall wie Wolframkarbid durch ein weniger teures Ersatzmaterial ersetzt werden, ohne daß die Festigkeitseigenschaften des fertiggestellten Meißels nachteilig beeinflußt werden. In der Tat schafft die Verwendung von Eisen, Stahl oder daraus gebildeten Legierungen als Ersatzmaterialien einen fertigen Meißel mit erhöhter Zähigkeit und Dehnbarkeit sowie Stoßfestigkeit. Weiterhin kann durch die Verwendung von solchen Ersatzmaterialien das erforderliche Grundkörpermatrial reduziert werden, wobei der erwünschte Grad an Zähigkeit, Dehnbarkeit und Stoßfestigkeit erhalten bleibt.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung:
• In der Zeichnung zeigen:
• Fig. 1 eine Ansicht eines Drehbohrmeißels gemäß der vorliegenden Erfindung teilweise im Aufriß und teilweise als Schnitt,
• Fig. 2 eine Ansicht ähnlich in Fig. 1 eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung,
• Fig. 3 eine Teilansicht einer Gußform für einen Drehbohrmeißel gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Gußform verschiedene Materialien enthält, die zur Herstellung des Meißels verwendet werden,
• Fig. 4 zeigt eine Kurve, in der die Belastung gegen die Verformung für ein Muster eines Meißelkörpers, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, aufgetragen ist.
• Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand einer einer typischen Ausbildung eines Drehbohrmeißels für Erdbohrungen erläutet. Der Fachmann erkennt, daß die Konfiguration der Schneidelemente entlang der äußeren Fläche der Matrix in Abhängigkeit vom gewünschten Endeinsatz des Meißels variieren kann. Obgleich die Erfindung in Verbindung mit einem Voll-Drehbohrmatrixmeißel illustriert ist, ergibt sich für den Fachmann, daß die Erfindung auch für Meißel vom Kernbohrkronentyp zur Entnahme von Kernproben aus einer Erdformation anwendbar ist.
• In Fig. 1 weist der Drehbohrmeißel einen rohrförmigen Grundkörper 10 aus Stahl auf, der an einen oberen Zapfen 11 angeschweißt ist (die Schweißnaht ist nicht dargestellt), welcher wiederum in ein Gegengewinde 12 eingeschraubt wird, die das untere Ende des Bohrsstranges 13 bildet. Eine Matrixkrone aus Hartmetall- Matrixmaterial 14 wie metallgebundenes Wolframkarbid weist eine obere Kalibrierzone 15 auf, die in einen Frontbereich 16 übergeht. Dieser erstreckt sich über den rohrförmigen Grundkörper 10, der im Inneren einen integralen Bereich 17 aufweist. Das Ersatzmaterial D ist in der Form kugeliger Partikeln mit einem relativ großen Durchmesser dargestellt, das überall die Matrix durchsetzt. Es ist selbstverständlich, daß das Ersatzmaterial D vielfältige Formen annehmen kann, einschließlich massiver und hohlförmiger Kugeln, Zylinder, Drahtstücke sowie ungleichmäßige Formen.
• Üblicherweise kann Flüssigkeit, die durch den Bohrstrang und in den rohrförmigen Grundkörper abwärts gepumpt wird, in den inneren Matrixbereich 17 fließen, wo sie durch eine Vielzahl von Düsen oder Austrittsöffnungen 18 in den Bodenbereich des Bohrloches ausfließt. Diese Flüssigkeit transportiert die Späne vom Bohrmeißel in seitlicher Richtung nach außen über die Frontfläche des Meißels und aufwärts durch eine Vielzahl von im Abstand angeordneten vertikalen Durchlässen (nicht gezeigt).
• Derartige Durchlässe sind üblicherweise im Kalibrierbereich angeordnet und fördern die Späne und die Flüssigkeit in den Ringraum, der den rohrförmigen Grundkörper 10 und den Bohrstrang 13 umgibt, und von dort zum oberen Ende des Bohrloches. Eine Anzahl von Flüssigkeitsdurchlässen weist eine vergrößerte Abmessung auf, um als Sammelkanäle zu fungieren, durch welche der Strom der Bohrflüssigkeit und Spänen leichter aufwärts fließen kann. Derartige Flüssigkeitsdurchlässe sind im Stand der Technik üblich. Diamanten 21 können bedarfsweise in den Stabilisatorbereich 15 eingebettet sein, um den Verschleiß im letzten Bereich der Matrix zu reduzieren.
• Die Schneidelemente 22 sind in Sockeln 23 in der Matrix 14 angeordnet und können in jedem gewünschten Muster, durch das eine effektive Schneidwirkung erzielt wird, verteilt werden. Abhängig vom verwendeten Typ der Diamanten können die Sockel 23 während der Herstellung in der Matrix vorgeformt werden. Falls die Sockel 23 vorgeformt werden, können die Schneidelemente 22 darin in einem separaten Vorgang nach dem Formen des Meißels angebracht werden. Wenn andererseits natürliche Diamanten oder polykristalline synthetische Diamanten, die die bei der Herstellung auftretenden Verarbeitungstemperaturen aushalten können, verwendet werden, können die Diamanten direkt in die Gußform positioniert und dort mit üblichen Klebemitteln befestigt werden, bevor das Matrixmaterial in die Gußform eingebracht wird. Diese letztere Methode beseitigt die Notwendigkeit eines gesonderten Arbeitsschrittes für die Anbringung der Schneidelemente nach der Formgebung.
• Die Bohrflüssigkeit fließt abwärts durch den Bohrstrang 13 in den Innenbereich 17 der Matrixmeißelkrone 14, wobei die Flüssigkeit Düsen 18, die vollständig in die Matrix eingeformt sind, durchströmt und dann von der Frontfläche des Meißels auf den Boden des Bohrlochs übergeht. Die Düsen 18 können kreisförmig oder rechteckig im Querschnitt ausgebildet sein. Ein rechteckiger Querschnitt bewirkt, daß die aus jeder Düse ausfließende Flüssigkeit einen breiteren Bereich der Frontfläche des Meißels überstreicht und die Späne gegen die Kalibrierzone 15 des Meißels drängt, wodurch die Schneidelemente 22 gereinigt und gekühlt werden.
• In Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung illustriert, wobei gleiche Bezugszahlen gleiche Teile repräsentieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat das Ersatzmaterial D die Form von Pulver, welches überall in der Matrix 14 verteilt ist. Vorzugsweise weist das Ersatzmaterial zumindest eine Größe von 0,00254 cm (Maschenweite 400) auf. Es hat sich herausgestellt, daß sehr fein pulverisiertes Material (z. B. weniger als 0,00854 cm (0,001 Zoll) im Durchmesser) wie Eisen während der Herstellung sintern und schrumpfen kann.
• Es ist unerwünscht, daß das Pulver während der Wärmebearbeitung wesentlich schrumpft. Es ist wünschenswert, daß das Bindemittel das Ersatzmaterial im wesentlichen gänzlich durchsetzt und die Matrix und das Ersatzmaterial zu einer einheitlichen, festen Masse verbindet. Partikel mit Größen kleiner als 0,00254 cm können in geringeren Mengen als Beimischung zu größeren Partikeln verwendet werden; hierdurch wird die Packungsdichte der Partikel gesteigert.
• Fig. 3 illustriert ein bevorzugtes metallurgisches Verfahren zur Herstellung des Dehrbohrmeißels gemäß der Erfindung. Eine hohle Gußform 30 wird mit der Gestalt der Meißelform hergestellt. Die Gußform 30 kann aus jedem Material, z. B. aus Graphit, bestehen, welches 1000º C und höhere Verfahrenstemperaturen aushalten kann.
• Falls Schneidelemente aus natürlichen Diamanten oder synthetische polykrialline Diamanten, welche die Verfahrenstemperaturen aushalten können, verwendet werden, werden sie üblicherweise auf der inneren Oberfläche der Gußform 30 vor der Befüllen der Gußform angebracht. Die Schneidelemente 21 (nicht gezeigt) und 22 können kurzzeitig mit üblichen Klebemitteln, die während des Prozesses verdampfen, befestigt werden. Während des Infiltrieren werden die Schneidelemente in der Matrix während der Ausbildung des Meißelkörpers festgelegt.
• Falls andere Typen von Schneidelementen eingesetzt werden, wird die Gußform alternativ so gestaltet, daß sie vorgeformte Sockel in der Matrix 14 erzeugt, an welchen die Schneidelemente nach der Ausbildung des Meißelkörpers befestigt werden können. Diese Elemente können durch jedes übliche Mittel, z.B. durch Hartlötung, befestigt werden. Die Schneidelemente können zusätzlich auf Stifter)montiert werden, die in die Sockel passen, und die Stifte dann in diesen befestigt werden.
• Aufgrund der hohen Geschwindigkeit und der erosiven Flüssigkeit, die typischerweise dem Drehbohrmeißel entgegentreten können, kann ein hochgradig erosionsresistentes Matrixmaterial 14' bedarfsweise um die Stirnfläche der Gußform herum plaziert werden. So können z. B. die pulverigen Materialien, aus denen das Matrixmaterial 14' gebildet ist, als "feuchte Mischung" der Gußform zugeführt werden. Hierbei handelt es sich um ein Gemisch des pulverigen Materials in einem Trägermatrial, wie flüssigem Kohlenwasserstoff, der während des Hochtemperaturverfahrens verdampft. Die feuchte Mischung kann entlang der Seiten und dem Boden der Gußform eingebracht werden, wo sie dann verbleibt. Das Matrixmaterial 14' kann aus dem gleichen Hartmetall-Material, z.B. Wolframkarbid, wie die Matrix 14 bestehen. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, kann die Verteilung der Pulverkorngröße des Matrixmaterials 14' variiert werden, um die Gerüstdichte des Materials zu steigern und auf diese Weise seine Härte und Erosionsresistenz zu erhöhen.
• Nach dem Anbringen des optionalen Matrixmaterials 14' um die Stirnfläche der Gußform herum wird der Stahlgrundkörper 10 partiell in die Gußform 30 abgesenkt, wie das gezeigt ist. Üblicherweise werden auch die Teile, die die innen befindlichen Flüssigkeitsdurchlässe und Düsen im fertiggestellten Meißel ausbilden werden, zu diesem Zeitpunkt in die Gußform 30 eingesetzt. Dann wird das Ersatzmaterial D zugefügt. Das Ersatzmaterial kann jedes Material sein, das eine andere Zusammensetzung als das Matrixmaterial 14 hat und das den hohen Verfahrenstemperaturen standhalten kann. Vorzugsweise ist das Ersatzmaterial weniger teuer als das Matrixmaterial 14 und auch zäher und stärker dehnbar (weniger spröde) als Hartmetall-Verbindungen, die als Matrix 14 verwendet werden. Außerdem sollte das Ersatzmaterial D mit dem Matrixmaterial und dem Bindemittel verträglich sein.
• In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Ersatzmaterial D aus einer Gruppe ausgewählt, die Eisen, Stahl, eisenhaltige Legierungen, Nickel Kobalt, Mangan, Chrom, Vanadium und aus diesen gebildete Metallegierungen, Sand, Quarz, Kieselerde, keramische Materialien, kunststoffbeschichtete Mineralien und daraus gebildete Mischungen enthält. Das Ersatzmaterial hat vorzugsweise die Form diskreter partikel, wobei es bevorzugterweise die Form von nahezu kugeligen Partikeln aufweist. Solche kugeligen Partikel sind in der Gußform einfacher zu packen. Die Partikelgrößen können in einem weiten Bereich von 0,00254 cm (Maschenweite 400) bis zu 0,635 cm (0,25 Zoll) im Durchmesser variieren. Partikel kleiner als 0,00254 cm (Maschenweite 400) sind nicht wünschenswert, da sie zum gegenseitigen Sintern tendieren und bei Erhitzen schrumpfen. Partikel größer als 0,635 cm (0,25 Zoll), sind möglich, wobei obere Grenze der Partikelgröße sich durch die Größe der Partikel ergibt, die noch wirksam in der Gußform 30 gepackt werden können.
• Wird Ersatzmaterial D mit relativ großen Partikelgrößen verwendet, dann kann das trockene, pulverige Hartmetall-Matrixmaterial 14 in die Gußform um das Ersatzmaterial herum gegossen werden. Wird Ersatzmaterial mit relativ kleinen partikeln verwendet, kann es wünschenswert sein, das Ersatzmaterial und das Hartmetall-Matrixmaterial 14 vor dem Gießen der Mischung in die Gußform 30 vorzumischen.
• An diesem Punkt des Verfahrens ist es wunschenswert, die Gußform leicht zu schütteln, um sicherzustellen, daß das Matrixmaterial 14 und das Ersatzmaterial mit den Partikeln D vollständig gepackt wird und durchsetzt ist, alle Lücken ausgefüllt worden sind und das Matrixmaterial 14 voneinander getrennte Partikel des Ersatzmaterials aufweist. Durch das Schütteln wird die Ausbildung von ausreichenden Bindungen zwischen dem Bindemittel, der Matrix und den Ersatzpartikeln während des Erhitzen unterstützt.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nimmt das Ersatzmaterial D etwa 50% bis 80% des Volumens ein, daß das Matrixmaterial 14 sonst einnehmen würde. Der Einsatz von Partikeln des Ersatzmaterials mit unterschiedlichen Durchmessern erlaubt eine sehr effektive Packung des Ersatzmaterials (die kleineren Partikel besetzen die Zwischenräume zwischen den größeren Partikeln) und einen höheren Grad des Ersatzes von Matrixmaterial.
• In einigen Fällen kann das Ersatzmaterial D weniger dicht als das Bindemittel 34 sein, welches es durchsetzt. In diesen Fällen wird bevorzugterweise ein Bund 32 aus einem dichten Metalls wie Wolfram angebracht, um das Ersatzmaterial zu halten, wie in Fig. 3 gezeigt. Der Bund 32 kann durch Gießen von Wolfram-Metallpulver über das Ersatzmaterial D und das Matrixmaterial 14 gebildet werden.
• Das Bindemittel 34, vorzugsweise in der Form von Kügelchen oder anderen kleinen Teilchen, wird dann über den Bund 32 gegossen und füllt die Gußform 30 aus. Die erforderliche Menge an Bindemittel 34 sollte so berechnet werden, daß sich ein geringer Überschuß an Bindemittel ergibt, um alle Zwischenräume zwischen den Teilchen des Ersatzmaterials und des Hartmetall-Matrixmaterials vollständig auszufüllen. Das Bindemittel 34 ist vorzugsweise eine auf Kupfer basierende Legierung, wie sie im Stand der Technik üblich ist.
• Die Gußform 30 wird dann in einen Brennofen gegeben, der bis über den Schmelzpunkt des Bindemittels 34 erhitzt wird, typischerweise auf etwa von 1100ºC. Das flüssige Bindemittel passiert den pulverigen Bund 32 und durchsetzt vollständig das Ersatzmaterial D, das Matrixmaterial 14 und das Matrixmaterial 14'. Die Materialien werden zu einem harten Körper verfestigt, der mit dem Stahlgrundkörper 10 gebunden ist. Nach Abkühlen wird der Bohrmeißel aus der Gußforrn entfernt, und ein Teil des Bundes 32 wird entfernt. Der Grundkörper 10 aus Stahl wird dann an einen oberen Körper oder Schaft angeschweißt oder auf andere Art befestigt, wobei dieser als Gewindezapfen ausgebildet sein kann, der dann in das Gegengewinde 12 des untersten Bohrrohrabschnitts am Ende des Bohrstrags 13 eingeschraubt wird. Die Schneidelemente 21 und 22, soweit sie nicht zuvor in der Gußform angeordnet wurden, können zu diesem Zeitpunkt befestigt werden.
• Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung besteht das Ersatzmaterial D aus Metallpulver wie Eisen, Stahl oder daraus gebildeten Legierungen, die das Matrixmaterial 14 in der Gußform 30 vollständig ersetzen. Bei dieser alternativen Ausführungsform ist ein Matrixmaterial 14' erforderlich, das eine erosionsresistente Oberfläche für den Meißel schafft. Das Bindemittell 34 durchsetzt sowohl das Ersatzmaterial D und das Matrixmaterial 14'. Die Pulvergröße ist 0,00254 cm (Maschenweite 400) oder größer, so daß ein Einsickern des Bindemittels ohne wesentliches Schrumpfen des Metallpulvers stattfinden kann. Gleichwohl können kleine Mengen Pulver mit Abmessungen kleiner als 0,00254 cm (Maschenweite 400) eingesetz werden, um Zwischenräume zwischen den größeren Partikeln auszufüllen, ohne daß irgendwelche Sinterprobleme auftreten.
• Etwas überraschend hat sich herausgestellt, daß das teurere Hartmetall-Matrixmaterial durch weniger teures Ersatzmaterial substituiert werden kann, ohne daß hierdurch schädliche Schrumpfungen in der Gußform auftreten. Zusätzlich ergibt sich, daß bei Verwendung von Ersatzmaterial vorzugsweise aus Eisen oder Stahl der resultierende Meißel zäher, weniger sprode und stärker stoßresistent ist als früher verwendete Hartmetall-Matrixbohrmeißeln.
• Damit die Erfindung leichter verständlich ist, wird auf die folgenden Beispiele Bezug genommen, welche dazu dienen, die Erfindung zu illustrieren, die aber nicht als Eingrenzung ihres Anwendungsbereichs zu verstehen sind.
Beispiel 1.
• Um einen Vergleich der Dehnbarkeit eines nach der vorliegenden Erfindung gefertigten Meißelkörpers gegenüber einem konventionellen Hartmetall-Matrixmeißel vornehmen zu können, wurde ein Muster angefertigt. Das Muster war ein Zylinder mit einem Durchmesser von 3,175 cm (1,25 Zoll) und mit einer Länge von 6,357 cm (2,5 Zoll). Das Muster wurde in einer Graphitgußform gefertigt. Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 0,635 cm (0,25 Zoll) wurden in die Gußform eingebracht,und trockenes Pulver aus Wolframkarbid wurde über die Kugeln gegossen. Es wurde gemessen, daß die Kugeln ungefähr 66% des Volumens in der Gußform einnehmen, welches sonst von dem Wolframkarbidpulver eingenommen worden wäre.
• Ein Bindemittel aus einer Kupferlegierung in Form von Kügelchen wurde in die Gußform über den Kugeln und dem Wolframkarbid eingebracht. Das Muster wurde dann in einem Brennofen erhitzt, um das Bindemittel zu schmelzen, so daß es in die Matrix aus Kugeln und Wolframkarbid eindringen konnte. Nach dem Auskühlen wurde das Muster an einer Ingstrom-Testmaschine getestet. Das Muster wurde verschiedenen Belastungen ausgesetzt, um die in Fig. 4 dargestellte Belastungs-Verformungs-Kurve zu entwickeln.
• Wie der Graph veranschaulicht, wurde bei dem Muster ein Elastizitätsmodul von 30,4 x 10 gemessen. Der Elastitzitätsmodul ist ein Maß für die Steifheit eines Matrials und wird aus der Steigung des Graphen in der Belastungs-Verformungs-Kurve berechnet. Die Bruchgrenze (die erforderliche Kraft zur Erzeugung von Frakturen) des Musters wurde bei 6,964 kg/cm² (9,89 x 10&sup4; psi) gemessen. Das Poisson-Verhältnis betrug 0,29.
• Ein Vergleich zeigt, daß ein Hartmetall-Matrixmuster, hergestellt unter Verwendung des gleichen Wolframkarbidpulvers und des gleichen Bindemittels aus einer Kupferlegierung, aber ohne Ersatzmaterial, ein Elastizitätsmodul von 15 x 10&sup6; aufweist. Damit hat ein gemäß der vorliegenden Erfindung gefertigtes Muster ungefähr die doppelte Steifheit einer Wolframkarbid-Matrix.

Claims (10)

1. Drehbohrmeißel mit einem Meißelgrundkörper (10), einem mit dem Grundkörper (10) verbundenen Meißelkorper aus gebundener Matrix und mit Schneidelementen (22), die auf der Außenseite des Meißelkörpers angebracht sind, wobei der Meißelkörper aus gebundener Matrix aus Partikeln eines Hartmetall-Matrixmaterials (14) und aus Partikeln eines Ersatzmaterials (D) einer unterschiedlichen Zusammensetzung und mit gegenüber dem Hartmetall-Matrixmaterial (14) unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften gebildet ist, und wobei beide Arten von partikeln in einem Bindemittel fixiert sind, das in flüssigem Zustand in die Partikel aus Hartmetall-Matrixmaterial (14) und aus Ersatzrnaterial (D) infiltriert und anschließend verfestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß:

die Partikel aus Ersatzmaterial (D) ein größeres Maß an Zähigkeit als das Hartmetall-Matrixmaterial (14) aufweisen und von den Partikeln des Hartmetall-Matrixmaterials (14) vor der Infiltration mit Bindemittel im wesentlichen durchsetzt sind,

die Partikel aus Ersatzmaterial (D) zumindest 10% des Volumens ersetzen, welches die Partikel aus Hartmetall-Matrixmaterial anderenfalls im Meißelkörper einnehmen, und

die Partikel aus Ersatzmaterial (D) eine Größe von zumindest 0,00254 cm aufweisen.

2. Drehbohrmeißel nach Anspruch 1, bei dein die Partikel aus Ersatzmaterial (D) eine allgemein kugelige Form haben.

3. Drehbohrmeißel nach Anspruch 2, bei dein die Partikel aus Ersatzmaterial in einer Vielzahl von Durchmessern vorliegen.

4. Drehbohrmeißel nach Anspruch 3, bei dem die Partikel aus Ersatzmaterial (D) Durchmesser im Bereich von etwa 0,00254 bis etwa 0,635 cm aufweisen.

5. Drehbohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem die Partikel aus Ersatzmaterial (D) aus Stahl bestehen.

6. Drehbohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem die Partikel aus Ersatzmaterial (D) aus Eisen bestehen.

7. Drehbohrmeißel nach Anspruch 1, bei dein die Partikel aus Ersatzmaterial (D) aus der hautpsächlich aus Eisen, Stahl, Nickel und aus diesen gebildeten Legierungen oder Mischungen ausgewählt sind.

8. Drehbohrmeißel nach Anspruch 1, bei dem die Partikel aus Ersatzmaterial im wesentlichen gleichförmig in der Matrix verteilt angeordnet sind.

9. Drehbohrmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Ersatzmaterial etwa 50 bis etwa 80% des Volumens an Matrixpartikeln im Meißelkörper ersetzt.

10. Drehbohrmeißel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Meißelgrundkörper (10) aus Stahl, das Hartmetall-Matrixmaterial (14) aus Wolframkarbid und das Bindemittel aus einer Kupferlegierung besteht und bei dem das Ersatzmaterial aus der im wesentlichen aus Stahlpulver, Stahlschrot, Eisenpulver und aus diesen gebildeten Mischungen ausgewählt ist.