DE3915898A1 - Bohrspitze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Schneidwerkzeuge für die Bohr-, Bergbau- und Bauindustrien. Insbesondere bezieht sich auf Verbesserungen an abriebfesten Einsätzen, die an der Stirnfläche solch eines Werkzeugs eingesetzt werden und die aus Partikeln aus Karbid oder eines anderen hochabriebstarkem Material bestehen, die in einem Bindemittel aus Kobalt oder einem weniger abrieb­ starken, jedoch zäheren Material gesintert werden.

Bei der Erstellung von Öl- und Gasbohrungen werden Bohrspitzen am unteren Ende eines Bohrstranges verwendet, um durch Stein oder andere harte Formationen zu schneiden. Diese Spitzen können z.B. vom dreikegeligen oder vom Perkussionstyp sein und Einsätze aus abriebfestem Material haben, die an den Schneidflächen der Spitze durch preß­ sitz oder durch Einzementieren einegesetzt werden, so daß ihre äußeren Enden über die Stirnfläche des Bohrkörpers vorstehen, um die Abriebflächen der Bohrspitze zu bilden.

Die Einsätze sind in verschiedenen Graden in Abhängigkeit von den Partikelgrößen und/oder der chemischen Zusammen­ setzung erhältlich, so daß der Benutzer in der Lage ist, zwischen relativ harten, jedoch brüchigeren oder weniger harten, aber zäheren Einsätzen zu wählen. Die Abriebflächen der äußeren Enden der Einsätze sind so geformt, daß sie eine Spitze bilden. Diese Flächen können verrundet oder konisch sein, wobei sich die Spitze in der Mitte des äußeren Endes des Einsatzes befindet, oder können in Abhängigkeit von der Verwendung der Bohrspitze längs gegenüberliegender Seiten einer Spitze, die sich seitlich über ihr äußeres Ende erstreckt, flach sein.

Wenn der Einsatz abgenutzt wird, bildet die Spitze Ab­ flachungen, die die Abriebflächen des Einsatzes abstumpfen. Die Schneidgeschwindigkeit des Einsatzes wird daher verringert und es kann erforderlich sein, die Spitze vorzeitig zu entfernen, damit die Einsätze ersetzt oder wieder geschärft werden können. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Einsatz dieser Art zu schaffen, der einen solchen Aufbau hat, daß das Bestreben zur Abstumpfung bei der Abnutzung geringer ist, so daß er während seiner gesamten Lebensdauer maximale Schneidgeschwindigkeit hat und nicht ersetzt oder wieder geschärft werden muß.

Obwohl es erwünscht ist, die Einsätze aus hartem Material herzustellen, um ihre Schneidgeschwindigkeit zu erhöhen, kann es die ergebende Brüchigkeit erfordern, daß sie kürzer als erwünscht sind.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen Einsatz mit einem solchen Aufbau zu schaffen, daß er eine höhere Bohrgeschwindigkeit hat, daß er jedoch trotzdem eine beträchtliche Länge und Festigkeit hat, um seine Lebensdauer zu verlängern.

Diese und andere Aufgaben werden gemäß den gezeigten Ausführungsformen der Erfindung durch einen Einsatz erfüllt, der innere und äußere Körper mit Abriebflächen hat, die so geformt sind, daß sie die Spitze am äußeren Ende des inneren Körpers bilden, und die dahingehend unterschiedliche Grade haben, daß ihre Partikelgrößen und/oder ihre chemische Zusammensetzungen so sind, daß der innere Körper härter, jedoch weniger zäh als der äußere Körper ist. Der äußere Körper, der einer geringeren Abnutzung ausgesetzt ist, nutzt sich daher mit einer größeren Geschwindigkeit ab als der innere Körper, so daß die ursprüngliche Kontur ihre Abriebflächen bei der Abnutzung aufrechterhalten bleiben, und die Abriebflächen daher nicht zum Abstumpfen tendieren. Die Wahrscheinlichkeit ist daher geringer, daß die Einsätze ersetzt oder wieder geschärft werden müssen. Da der innere Körper aus härterem Material von dem äußeren Körper aus zäherem Material umgeben ist, das als Puffer oder Unterstützung für den inneren Körper wirkt, kann der Einsatz länger sein, und der innere Körper kann aus einem härteren Material als üblich bei weniger Bruchgefahr hergestellt werden. Insbesondere werden die Körper gesondert voneinander gesintert, so daß keine Gefahr der Wanderung von Kobalt von einem zum anderen trotz der erheblichen Abweichungen der Sintertemperaturen besteht, wenn die Körper von stark unterschiedlichen Graden sind, und werden dann miteinander durch eine dünne Schicht aus Lötmaterial verlötet, dessen Löttemperatur geringer als die Sintertemperatur beider Körper ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 13 beispielsweise erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 teilweise im Schnitt eine Aufsicht einer dreikegeligen Bohrspitze mit meißelartigen Einsätzen an den Schneidflächen des Kegels, bei der die inneren Enden der Einsätze in Bohrungen der Kegelfläche sitzen,

Fig. 2 eine Aufsicht einer Perkussionsbohrspitze mit Bodeneinsätzen an der Stirnfläche des Bohrspitzen­ körpers,

Fig. 3 einen Längsschnitt eines Bodeneinsatzes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine Endansicht des Einsatzes längs der Linien 4-4 in Fig. 3,

Fig. 5 eine Aufsicht des inneren und äußeren Körpers des Einsatzes nach der Sinterung, jedoch vor dem Zusammenbau zum Löten miteinander,

Fig. 6 einen Längsschnitt eines meißelartigen Einsatzes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 einen Längsschnitt des Einsatzes der Fig. 6 längs der Linien 7-7 in Fig. 6,

Fig. 8 eine Endansicht des Einsatzes längs der Linien 8-8 in Fig. 6,

Fig. 9 eine Aufsicht des inneren und äußeren Körpers des Einsatzes nach dem Sintern, jedoch vor dem Zusammenbau zum Verlöten,

Fig. 10 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Einsatzes gemäß der Erfindung,

Fig. 11 eine Ansicht von unten des Einsatzes der Fig. 10,

Fig. 12 eine Aufsicht des Einsatzes der Fig. 10 und

Fig. 13 eine Aufsicht des inneren und äußeren Körpers des Einsatzes vor dem Zusammenbau zum Verlöten.

Die in Fig. 1 gezeigte Bohrspitze besteht aus einem Bohr­ körper 21 mit einem Gewinde 23 an seinem oberen Ende zur Verbindung mit dem unteren Ende eines Bohrgestänges sowie mit von seinem unteren Ende ausgehenden Vorsprüngen 22. Die Vorsprünge tragen drei Rollenkegel 24, die zur Drehung um ihre Achsen bei Drehung mit dem Bohrkörper abstandsgleich angeordnet sind. Wie durch einen Teilschnitt in Fig. 1 gezeigt ist, sind Reihen von meißelähnlichen Einsätzen 25 an der Schneidfläche jedes Kegels eingesetzt, deren jeweiliges inneres Ende mit Preßsitz in einer Bohrung im Kegel aufgenommen ist, so daß sein äußeres Ende in einer Stellung ist, in der es in den Boden des Bohrlochs schneidet, wenn die Bohrspitze zusammen mit dem Bohr­ strang gedreht wird, und deren Spitzen an ihren äußeren Enden sich in einer Richtung erstrecken, die etwa quer zur Drehrichtung des Bohrkörpers verläuft.

Bei einer in Fig. 2 gezeigten Bohrspitze 26 vom Perkussions­ typ sind Bohreinsätze an der Stirnfläche des unteren Endes der Bohrspitze 26 wie durch Preßsitz in Bohrungen am unteren Ende des Bohrkörpers angeordnet, wie durch einen Teilschnitt in Fig. 1 gezeigt ist. Die Einsätze 27 unter­ scheiden sich von den Einsätzen 25 dadurch, daß ihre Spitzen zentral zu ihren äußeren Enden angeordnet sind, so daß sie in den Bohrungen im Bohrkörper drehmäßig nicht orientiert zu werden brauchen.

Wie die Fig. 3 bis 5 zeigen, hat jeder Bodeneinsatz 27 einen langgestreckten inneren Körper 30 mit einem zylindrischen inneren Ende, das durch Preßsitz in einer Bohrung 31 an der Stirnfläche des unteren Endes des Perkussionsbohrkörpers aufgenommen werden kann, und einen äußeren Körper 33, der festsitzend auf einem schmäleren Teil 34 des äußeren Endes des Körpers 30 aufgenommen werden kann. Der schmälere Teil des inneren Körpers ist zu seinem äußeren Ende hin leicht gekrümmt, und der äußere Körper hat etwa Trichterform mit einer gekrümmten inneren Oberfläche, die fest auf dem schmäleren Teil 34 sitzt, und einer äußeren zylindrischen Oberfläche, die eine Verlängerung der zylindrischen Oberfläche des inneren Endes des Körpers bildet. Die äußeren Enden der inneren und äußeren Körper sind um einen Mittelpunkt auf der Längsachse des Einsatzes konvex gekrümmt, um eine Abriebfläche ein­ schließlich einer Spitze 35 am Ende des inneren Körpers zu bilden, der konzentrisch im äußeren Körper angeordnet ist.

Wie die Fig. 6 bis 9 zeigen, hat der meißelartige Einsatz 25 ebenfalls einen langgestreckten inneren Körper 36 und einen äußeren Körper 37, der fest auf dem inneren Körper sitzt. Der innere Körper hat rechteckigen Querschnitt und erstreckt sich vom einen zum anderen Ende des Einsatzes. Der Außendurchmesser des inneren Endes des äußeren Körpers ist zylindrisch, so daß er in eine Bohrung 38 in der Schneidfläche der Bohrspitze paßt und damit durch Aufschrumpfen eingesetzt werden kann. Das innere Ende des inneren Körpers steht über das innere Ende des äußeren Körpers vor, um am äußeren Ende eine Spitze 39 zu bilden, und die äußeren Enden der Abriebflächen 40 und 41 der äußeren Körper sind zur Spitze hin abgeschrägt.

Der in den Fig. 10 bis 13 gezeigte Einsatz 42 ist insbe­ sondere zum Einsatz an der Stirnfläche der Kegel einer dreikegeligen Bohrspitze wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, geeignet. Der Einsatz hat einen äußeren Körper 43 mit einer äußeren zylindrischen Wand an seinem inneren Ende zur Preßsitzaufnahme in einer Bohrung in einem Bohrspitzen­ kegel, der einen inneren Körper 44 umgibt. Der innere Körper erstreckt sich durch den äußeren Körper vom einen Ende des Einsatzes zum anderen, um wie am Einsatz 27 eine Spitze 45 an seinem äußeren Ende zentral zu Einsatz zu bilden. Im Vergleich zum Einsatz 27 ist der innere Körper 44 jedoch von zylindrischer Form, um in einer zylindrischen Bohrung im äußeren Körper 43 fest­ sitzend aufgenommen zu werden, und die Außenseite des äußeren Endes des Körpers 43 hat konische Form.

Wie zuvor beschrieben, ist jeder der Körper jedes Einsatzes aus Partikeln aus Karbid oder einem anderen mehr abrieb­ starkem Material, die in Kobalt oder weniger abriebstarke, jedoch, zähere Metalle eingesetzt sind. So können die Partikel beispielsweise aus Titaniumkarbid oder Molybden­ karbid bestehen, und das Bindemittel kann Kobalt oder ein bindendes Metall aus der Eisengruppe sein, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Wie ebenfalls zuvor be­ schrieben, sind den Einsätzen dieser Art verschiedene Grade in Abhängigkeit von der Größe der Partikel und/oder der chemischen Zusammensetzung zugeordnet, d.h., den relativen Anteilen von Karbid und Bindemittel. So hat z. B. ein Grad eines Einsatzes mit kleineren Partikeln und weniger Kobalt eine höhere Abriebfestigkeit, ist jedoch weniger brüchig.

Wie ebenfalls zuvor erläutert, tendiert die Spitze eines jeden Einsatzes zu einem größeren Abrieb als die umgebenden Flächen, so daß ein Einsatz üblicher Konstruktion stumpf wird. Gemäß der Erfindung jedoch, haben die zuvor erwähnten Körper unterschiedliche Grade, wobei die Partikelgrößen und/oder chemische Zusammensetzung der Körper so ist, daß der inneren Körper härter und damit abriebfester, jedoch weniger zäh ist, als der äußere Körper. Damit hat, obwohl die Spitze und die umgebenden Abriebflächen des inneren Körpers eine größere Abnutzung als die Abriebflächen des äußeren Körpers erfahren, ihre größere Abriebfestigkeit die Tendenz, die ursprüngiiche Kontur der Gesamtabrieb­ flächen des Einsatzes während des Abriebs beizubehalten.

Aufgrund ihrer unterschiedlichen chemischen Zusammen­ setzungen, müssen die Körper unterschiedlicher Grade bei unterschiedlichen Temperaturen in Abhängigkeit vom Gewichtsprozentsatz von Kobalt gesindert werden. Wenn die Grade der beiden Körper stark divergieren, wie im Falle von Einsätzen der vorliegenden Erfindung, kann eine unerwünschte Wanderung von Kobalt vom einen Körper zum anderen erfolgen, wenn sie bei einer Temperatur, die höher ist, als diejenige, die zur Bildung des anderen Körpers notwendig ist, zusammen gesintert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Körper jedoch gesondert gesintert und dann wird der eine in den anderen eingesetzt, um ihre Abriebflächen in der gezeigten Weise anzuordnen. Wenn sie so angeordnet sind, werden die benachbarten Flächen der Körper bei einer Löttemperatur, die niedriger als die Sintertemperatur des Bindemittels jedes der beiden Körper ist, gelötet. Dadurch ergibt sich keine Be­ schädigung infolge der Kobaltwanderung eines der beiden gesinterten Körper, wenn sie verbunden werden. Ein geeignetes Lötmaterial kann außer der großen Gruppen, Kupfer, Silber, Bronze, Messing, gewählt werden, von denen jedes eine Löttemperatur hat, die niedriger als der Schmelzpunkt von Kobalt oder einem anderen Bindemittel ist.

Claims (3)

1. Bohrspitze mit wenigstens einer Rolle mit Hartmetall­ einsätzen, deren innere Enden in Bohrungen an der Rolle eingesetzt sind, und deren äußere Enden aus diesen Bohrungen vorstehen, gekennzeichnet durch innere und äußere Körper mit Partikeln aus Karbid oder einem anderen hochabriebstarken Material, die in einem Bindemittel aus Kobalt und einem weniger abrieb­ starken, jedoch zäheren Material gesondert gesintert und miteinander verbunden werden, wobei der äußere Körper den inneren umgibt,
daß die Körper Abriebflächen an ihren äußeren Enden haben, die so geformt sind, daß sie eine Spitze am äußeren Ende des inneren Körpers bilden, und
daß die Partikelgröße und/oder die chemische Zusammen­ setzung der Körper so ist, daß der innere Körper härter, jedoch weniger zäh als der äußere Körper ist, so daß die allgemeine Kontur ihrer Abriebflächen während der Benutzung aufrechterhalten wird.

2. Bohrspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abriebflächen der Körper eines jeden Einsatzes zur Bildung einer Spitze am inneren Körper zentral im äußeren Körper konkav gerundet sind.

3. Bohrspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abriebflächen jedes Einsatzes flache Seiten haben, die sich zu einer Spitze am inneren Körper verjüngen, die sich über das äußere Ende des Einsatzes in einer Richtung etwa quer zur Drehrichtung der Rolle erstreckt.