DE69327291T2

DE69327291T2 - Schneidelement für Drehbohr-Fräsmeissel

Info

Publication number: DE69327291T2
Application number: DE69327291T
Authority: DE
Inventors: Nigel Dennis Griffin
Original assignee: Camco Drilling Group Ltd
Current assignee: Camco Drilling Group Ltd
Priority date: 1992-10-07
Filing date: 1993-10-06
Publication date: 2000-06-29
Anticipated expiration: 2013-10-07
Also published as: EP0592210A2; GB2271369B; EP0592210B1; GB2271369A; DE69327291D1; US5348109A; EP0592210A3; GB9320543D0

Description

Die Erfindung betrifft Schneidbaugruppen und Schneidelemente für Rotarybohrblattmeißel für eine Verwendung beim Bohren oder Kernbohren in unterirdischen Formationen.
Derartige Rotarybohrmeißel sind von einer Beschaffenheit, die aufweist: einen Meißelkörper mit einem Schaft für eine Verbindung mit einem Bohrgestänge; eine Vielzahl von Schneidbaugruppen, die auf der Oberfläche des Meißelkörpers montiert sind: und einen Durchgang im Meißelkörper für das Zuführen von Bohrflüssigkeit zur Oberfläche des Meißels für ein Reinigen und/oder Kühlen der Schneidwerkzeuge. Jede Schneidbaugruppe weist ein Vorformschneidelement auf, das am Meißelkörper montiert ist oder, was üblicher ist, an einem Halter, der dann am Meißelkörper montiert wird.
Eine übliche Form des Vorformschneidelementes weist eine Platte auf, beispielsweise eine kreisförmige, die einen dünnen, superharten Schneidtisch aus polykristallinem Diamant aufweist, der an einen dickeren Träger aus einem Material gebunden ist, das weniger hart ist als der polykristalline Diamant. Das Vorformschneidelement wird danach auf den Halter montiert, beispielsweise mittels eines Verfahrens, das als "LS-Verbinden" bekannt ist.
Der Halter, der im allgemeinen normalerweise eine zylindrische Form aufweist, wird in einer Buchse in der Oberfläche des Meißelkörpers aufgenommen. Der Meißelkörper selbst kann aus Metall, im allgemeinen Stahl, gefertigt werden, oder kann geformt werden, indem ein Pulvermetallurgieverfahren angewandt wird.
Bei bekannten Schneidbaugruppen dieser Ausführung war es üblich, daß der Träger des Schneidelementes und der Halter selbst aus gesintertem Wolframkarbid gebildet werden, das Eigenschaften aufweist, die es für diesen Zweck besonders geeignet machen. Daher zeigt es eine hohe Steifigkeit, eine hohe Beständigkeit gegen Erosion, der derartige Halter beim Gebrauch ausgesetzt sind, und eine Warmfestigkeit. Der Ausdehnungskoeffizient von Wolframkarbid liegt ebenfalls ausreichend nahe beim Ausdehnungskoeffizienten des polykristallinen Diamant, um die Restspannungen zu verringern, die auftreten können, wenn die zwei Materialien miteinander verbunden werden.
Einige der anderen Eigenschaften des gesinterten Wolframkarbides zeigen jedoch gewisse Nachteile. Beispielsweise zeigt gesintertes Wolframkarbid eine niedrige Zähfestigkeit (d. h., es ist vergleichsweise spröde), und das kann zu einem Versagen derartiger Schneidbaugruppen beim Gebrauch im Ergebnis der Stoßkräfte auf die Baugruppe führen. Nach einer längeren Benutzung eines Rotarybohrmeißels entwickelt sich ebenfalls eine große Verschleißfläche am Träger und Halter hinter dem Diamanttisch und drückt auf die zu bohrende Formation. Infolge der hohen Verschleißfestigkeit von Wolframkarbid führt das zu einer hohen Wärmeerzeugung infolge Reibung mit einer daraus folgenden Überhitzung und einem vorzeitigen Versagen des polykristallinen Diamanttisches des Vorformschneidelementes. Die Kombination von niedriger Zähfestigkeit und starker Wärmeerzeugung kann ebenfalls eine Wärmerißbildung beim Wolframkarbidhaltermaterial mit einem resultierenden vorzeitigen Versagen des Meißels hervorrufen. Die "Wärmerißbildung" ist im Fachgebiet ein Begriff, der sich auf die Haarrißbildung der Verschleißfläche bezieht, die sich im Halter infolge der Erwärmung durch Scheuern bei diskontinuierlichem Abschrecken durch die Bohrflüssigkeit entwickelt.
Dementsprechend können Vorteile zu verzeichnen sein, wenn für den Träger und/oder den Halter ein Material verwendet wird, das weniger verschleißfest ist als das normalerweise eingesetzte Wolframkarbid. Beispielsweise wurde in unserer Britischen Patentbeschreibung Nr. 2216577 die Verwendung eines Materials für den Halter einer derartigen Schneidbaugruppe vorgeschlagen, das mindestens einen Anteil des Wolframmetalls enthält. Unsere Britische Patentbeschreibung Nr. 2228031 offenbart die Verwendung eines Trägers in einem Schneidelement, der mindestens einen Anteil des Wolframmetalls enthält.
Das Vorhandensein von Wolframmetall im Halter oder Träger, das, wie in früheren Anmeldungen beschrieben, ein Zusatz zum Wolframkarbid sein oder vollständig das Wolframkarbid ersetzen kann, zeigt die Wirkung des Verringerns der Verschleißfestigkeit des Halters oder Trägers, um so die zusätzliche Wärme zu verringern, die durch Reiben der Verschleißfläche auf der zu bohrenden Formation erzeugt wird. Außerdem kann das wolframhaltige Material noch fester sein als gesintertes Wolframkarbid, wenn es dem freitragenden Biegen und Scherkräften einen Widerstand entgegensetzt, denen die Schneidbaugruppen beim Gebrauch ausgesetzt sein können.
Es ist jedoch wünschenswert, daß die Verschleißfestigkeit des Halters und des Trägers verringert werden sollten, ohne daß ihre Erosionsbeständigkeit bedeutend verringert wird. Beim Gebrauch werden die Schneidbaugruppen einer wesentlichen erodierenden Wirkung der Bohrflüssigkeit ausgesetzt, die über die Schneidbaugruppen kontinuierlich während des Bohrens strömt. Die vorhandenen Schneidbaugruppen, wo der Halter und der Träger gesintertes Wolframkarbid aufweisen, zeigen eine beträchtliche Beständigkeit bei einer derartigen Erosion. Die Verwendung von Wolframmetall (oder einem anderen Material mit niedrigerer Verschleißfestigkeit als Wolframkarbid) im Halter oder Träger neigt jedoch dazu, die Erosionsbeständigkeit zu verringern, und das kann den Umfang einschränken, in dem derartige Materialien eingesetzt werden können.
Die vorliegende Erfindung ist so ausgerichtet, daß sie eine Form des Schneidelementes und der Schneidbaugruppe bereitstellt, wo die Verschleißfestigkeit des Elementes oder der Baugruppe verringert wird, ohne daß ihre Erosionsbeständigkeit ebenfalls bedeutend verringert wird.
Entsprechend einem Aspekt der Erfindung wird ein Vorformschneidelement für einen Rotarybohrmeißel bereitgestellt, das einen dünnen, superharten Schneidtisch aus polykristallinem Diamantmaterial aufweist, der eine vordere Schneidfläche und eine Schneidkante begrenzt, gebunden an einen weniger harten Träger, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aufweist: mindestens einen ersten Abschnitt mit hoher Erosionsbeständigkeit; und einen zweiten Abschnitt mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit, wobei der Abschnitt mit hoher Erosionsbeständigkeit mindestens die Hälfte der ausgesetzten Umfangsfläche des Trägers bildet, und wobei der Abschnitt mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit mindestens einen Teil aufweist, der angrenzend an die Schneidkante des superharten Schneidtisches angeordnet ist.
Obgleich man sich nur auf den ersten und zweiten Abschnitt des Trägers bezieht, wird erkannt werden, daß der Träger ebenfalls weitere Abschnitte umfassen könnte, die die Eigenschaften des ersten und/oder zweiten Abschnittes oder andere Eigenschaften aufweisen.
Normalerweise wird der Abschnitt mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit ebenfalls eine niedrigere Verschleißfestigkeit aufweisen. Da dieser Abschnitt mindestens einen Teil davon angrenzend an die Schneidkante aufweist, da das Schneidelement verwendet wird und sich eine Verschleißfläche entwickelt, wird die Verschleißfläche vollständig oder hauptsächlich in dem Abschnitt mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit gebildet. Daher wird, wie es vorangehend erklärt wird, das die zusätzliche Wärme verringern, die durch Reiben der Verschleißfläche auf der zu bohrenden Formation erzeugt wird. Gleichzeitig wird der Abschnitt mit hoher Erosionsbeständigkeit außerhalb der Verschleißfläche der erodierenden Wirkung des Stromes der Bohrflüssigkeit über das Schneidelement widerstehen.
Vorzugsweise stellt der Abschnitt des Trägers mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit einen Teil der ausgesetzten Umfangsfläche des Trägers angrenzend an die Schneidkante bereit. Alternativ oder zusätzlich kann ein Teil der oder die gesamte ausgesetzte Umfangsfläche des Trägers angrenzend an die Schneidkante anfangs durch eine dünne Schicht des Abschnittes mit hoher Erosionsbeständigkeit bereitgestellt werden, wobei sich die Schicht beim Gebrauch des Schneidelementes abnutzt, um die zu bohrende Formation einer Oberfläche des Abschnittes mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit auszusetzen.
Ein Schneidelement entsprechend der Erfindung kann ebenfalls in Übereinstimmung mit der Erfindung bei Anwendung von bekannten Verbindungsverfahren auf einem Halter montiert werden. Die Erfindung umfaßt jedoch innerhalb ihres Bereiches Anordnungen, bei denen der Träger des Schneidelementes eine derartige Größe und Form aufweist, daß er direkt auf den Meißelkörper montiert werden kann, ohne daß er zuerst auf einen vorgeformten Halter montiert wird.
Die Erfindung stellt ebenfalls in einem zweiten Aspekt eine Schneidbaugruppe für einen Rotarybohrmeißel bereit, die ein Vorformschneidelement irgendeiner der Ausführungen aufweist, worauf man sich vorangehend bezogen hat, und das an einem Halter montiert wird. In diesem Fall kann der Halter ebenfalls aufweisen: einen ersten Abschnitt mit hoher Erosionsbeständigkeit: und einen zweiten Abschnitt mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit, wobei der Abschnitt mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit in der Nähe der Schneidkante des Schneidelementes angeordnet ist, so daß sich beim Gebrauch, wenn sich die Verschleißfläche in den Halter hinein erstreckt, eine derartige Verschleißfläche in den Abschnitt des Halters mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit hinein erstrecken wird.
Allgemein gesagt, eine erosionsbeständige äußere Schicht eines Halters oder Trägers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt ebenfalls wahrscheinlich eine größere Verschleißfestigkeit als das wolframhaltige Material, aus dem der Hauptkörper des Halters oder Trägers besteht. Diese größere Verschleißfestigkeit ist jedoch nur bei jenem Teil des Halters oder Trägers bedeutend, der auf die zu bohrende Formation während des Betriebes des Bohrmeißels drückt. Um die erforderliche Erosionsbeständigkeit bereitzustellen, muß die erosionsbeständige Schicht nur von sehr geringer Dicke sein, beispielsweise etwa 5 um, und diese Schicht wird durch Scheuern während des anfänglichen Betriebes des Bohrmeißels schnell abgenutzt werden, so daß bis zu dem Zeitpunkt, zu dem sich die Verschleißfläche entwickelt hat, der wolframhaltige Hauptkörper des Halters oder Trägers ausgesetzt wird und auf die Formation hinter der Diamantschicht drückt, wodurch sich die Vorteile der niedrigen Verschleißfestigkeit in diesem Bereich ergeben, wohingegen die übrige ausgesetzte Oberfläche des Halters und Trägers die erosionsbeständige Schicht intakt halten wird, wodurch die wünschenswerte Beständigkeit gegen Erosion, die durch die Bohrflüssigkeit hervorgerufen wird, bewirkt wird.
Obgleich es im allgemeinen zweckmäßig sein wird, die erosionsbeständige Oberflächenschicht über der gesamten äußeren Oberfläche des Halters und/oder Trägers bereitzustellen, umfaßt die Erfindung innerhalb ihres Bereiches Anordnungen, bei denen nur ausgewählte Bereiche der äußeren Oberfläche erosionsbeständig ausgeführt sind. Beispielsweise, da der Halter normalerweise in einer Buchse innerhalb des Meißelkörpers aufgenommen wird, wird der Abschnitt des Halters, der durch den Meißelkörper abgedeckt wird, auf jeden Fall vor Erosion geschützt, und es kann daher nur erforderlich sein, jene Abschnitte der Oberfläche des Halters erosionsbeständig zu machen, die nicht durch das Material des Meißelkörpers abgedeckt sind. Um den Anteil des Halters, der der Erosion durch die Bohrflüssigkeit ausgesetzt ist, zu minimieren, ist es dementsprechend wünschenswert, daß so viel vom Halter wie möglich durch den Meißelkörper abgedeckt wird, und vorzugsweise, daß im wesentlichen der gesamte Halter durch den Meißelkörper abgedeckt wird. Ein derartiges Abdecken der Halter wird in unserer Britischen Patentbeschreibung Nr. 2151283 beschrieben, die sich jedoch auf das Abdecken von Haltern aus Stahl bezieht, die besonders für eine Erosion anfällig sind.
In Schneidelementen oder Haltern entsprechend der Erfindung kann der Abschnitt mit hoher Erosionsbeständigkeit aus gesintertem Wolframkarbid hergestellt werden, beispielsweise Wolframkarbid, das etwa 10% Kobalt enthält. Der Abschnitt mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit kann ebenfalls aus gesintertem Wolframkarbid hergestellt werden, aber einer Form eines derartigen Karbides mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit. Beispielsweise kann es einen höheren Anteil an Kobalt, wie beispielsweise etwa 20%, oder ein anderes Zusatzmittel enthalten, das seine Erosionsbeständigkeit verringert.
Alternativ oder zusätzlich kann der Abschnitt mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit hergestellt werden, indem das Wolframkarbid teilweise oder vollständig durch Wolframmetall ersetzt wird, wie in den früheren Patentbeschreibungen beschrieben wird, auf die man sich vorangehend bezieht.
Bei jeder der vorangehenden Anordnungen kann die höhere Erosionsbeständigkeit der Oberfläche des Trägers oder Halters durch Einsatzhärtung oder Oberflächenhärtung der Oberfläche bis zu einer vorgegebenen Tiefe bewirkt werden. Wie gut bekannt ist, besteht die Einsatzhärtung darin, den Kohlenstoffgehalt in der Oberfläche eines Metalls durch Erwärmen in einem kohlenstoffreichen Material anzureichern. Im vorliegenden Fall entwickelt die Einsatzhärtung eine Oberflächenschicht aus Wolframkarbid. Verschiedene Einsatzhärtungsverfahren können angewandt werden, aber derartige Verfahren sind gut bekannt und werden daher nicht detailliert beschrieben.
Bei einer alternativen Anordnung entsprechend der Erfindung kann die höhere Erosionsbeständigkeit durch Aufbringung einer erosionsbeständigen Beschichtung auf die Oberfläche eines vorgeformten Trägers oder Halters bewirkt werden. Wiederum ist die Aufbringung von harten, erosionsbeständigen Beschichtungen auf Materialien gut bekannt. Beispielsweise ist die Aufbringung einer erosionsbeständigen Beschichtung auf die Oberfläche eines Meißelkörpers um die Schneidbaugruppen herum bekannt, und gleiche Verfahren können gemäß der vorliegenden Erfindung angewandt werden, um eine erosionsbeständige Beschichtung auf dem Träger oder Halter selbst bereitzustellen. Beispielsweise kann die Beschichtung in der Form einer aufgespritzten Schicht aus Wolframkarbid vorliegen. Weitere Oberflächenhärtungsverfahren werden in unseren Britischen Patentanmeldungen Nr. 2190024 und 2211874 beschrieben.
Wie gut bekannt ist, werden Träger und Halter für Schneidbaugruppen oftmals mittels eines Formverfahrens, wie beispielsweise eines Sinter- oder Infiltrationsverfahrens, oder durch Heißpressen hergestellt. Bei einem weiteren alternativen Verfahren für das Bewirken einer höheren Erosionsbeständigkeit auf der Oberfläche des wolframhaltigen Trägers oder Halters kann das durch differentielles Formen einer Oberflächenschicht des Trägers oder Halters erreicht werden, d. h., indem im Körper des Materials, aus dem der Träger oder Halter geformt wird, eine äußere Schicht des Materials eingeschlossen wird, die von dem Material abweicht, aus dem der Hauptkörper des Trägers oder Halters gebildet wird, wobei das Material der äußeren Schicht so ist, daß es im fertigen Träger oder Halter eine äußere Schicht mit höherer Erosionsbeständigkeit bewirkt. Beispielsweise kann die äußere Schicht aus Wolframkarbid hergestellt werden, oder sie kann eine Mischung aus Wolframmetall mit einem hohen Anteil von Wolframkarbid aufweisen.
Folgendes ist eine detailliertere Beschreibung der Ausführungen der Erfindung, bei der man sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, die zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines typischen Bohrmeißels, der Schneidelemente und Schneidbaugruppen entsprechend der Erfindung enthält:
Fig. 2 eine Stirnseitenansicht des in Fig. 1 gezeigten Bohrmeißels;
Fig. 3 eine Seitenansicht einer typischen Schneidbaugruppe entsprechend der Erfindung;
Fig. 4 eine grafische Hinteransicht eines Schneidelementes entsprechend der Erfindung;
Fig. 5 eine Schnittdarstellung längs der Linie 5-5 in Fig. 4;
Fig. 6 und 7 gleiche Ansichten wie Fig. 4 von alternativen Ausführungen der Erfindung.
Fig. 1 und 2 zeigen einen typischen Bohrmeißel für eine Vollbohrung, der Schneidelemente und Schneidbaugruppen entsprechend der vorliegenden Erfindung einschließt. Der Meißelkörper 10 wird aus Stahl gefertigt und weist einen Gewindeschaft 11 an einem Ende für eine Verbindung mit dem Bohrgestänge auf. Die wirksame Stirnfläche 12 des Bohrkörpers ist mit einer Anzahl von Flügeln 13 ausgebildet, die sich vom mittleren Bereich des Meißels aus strahlenförmig erstrecken, und die Flügel tragen Schneidbaugruppen 14, die mit Abstand voneinander über deren Länge angeordnet sind. Der Meißel weist einen Meßabschnitt auf, der Stoßeinrichtungen 16 umfaßt, die die Wände des Bohrloches berühren, um den Meißel im Bohrloch zu stabilisieren. Ein mittlerer Durchgang (nicht gezeigt) im Meißelkörper und Schaft liefert Bohrflüssigkeit durch Düsen 17 in die Stirnfläche 12 in bekannter Weise.
Wie detaillierter in Fig. 3 gezeigt wird, weist jede Schneidbaugruppe 14 ein Vorformschneidelement 18 auf, das an einem Halter 19 in der Form eines Bolzens montiert ist, der in einer Buchse im Meißelkörper angeordnet ist. Jedes Vorformschneidelement liegt in der Form einer kreisförmigen Platte vor, die eine dünne Belagschicht 20 aus polykristallinem Diamantmaterial aufweist, gebunden an einen weniger harten Träger 21, wobei beide Schichten eine gleichmäßige Dicke aufweisen. Die Hinterfläche des Trägers wird beispielsweise mittels eines Verfahrens, das als LS-Verbinden bekannt ist, mit einer geeignet orientierten Oberfläche auf dem Bolzen verbunden.
Es wird erkannt, daß die Zeichnungen nur ein Beispiel von vielen möglichen Variationen der Ausführung des Meißels und der Schneidbaugruppe veranschaulichen, bei denen die Erfindung anwendbar ist, und viele andere Anordnungen sind möglich. Beispielsweise kann der Meißelkörper, anstatt daß er aus Stahl gefertigt wird, aus einer Wolframkarbidgrundmasse geformt werden, die mit einer Bindemittellegierung infiltriert ist. Anstatt daß das Schneidelement eine Vorform aus zwei Schichten ist, die einen Diamanttisch und einen weniger harten Träger aufweist, kann es ebenfalls eine Platte aus thermisch beständigem polykristallinem Diamantmaterial aufweisen, die auf einem Halter montiert ist. Anstelle der gezeigten Anordnung kann der Halter in der Form eines im allgemeinen zylindrischen Bolzens vorliegen, wobei das kreisförmige Schneidelement auf eine Stirnfläche des Bolzens montiert und im allgemeinen koaxial damit ist.
Bei einer weiteren Alternative kann der Träger 21 eine ausreichende axiale Länge so aufweisen, daß er selbst einen koaxialen Bolzen bildet, der direkt in einer Buchse im Meißelkörper aufgenommen werden kann, wodurch es unnötig wird, das Schneidelement auf einem separat vorgeformten Halter zu montieren.
Die Schneidkante des Schneidelementes, die in Fig. 3 mit 22 angegeben wird, weist jenen Abschnitt des Schneidelementes zwischen der Schneidfläche 23 und der Umfangsfläche 24 des Diamanttisches auf, der mit der Oberfläche der zu bohrenden Formation in Eingriff kommt. Während das Bohren fortschreitet, bildet sich eine Verschleißfläche längs der Schneidkante und erstreckt sich in den Träger 21 hinein und nach einem beträchtlichen Verschleiß sogar in das Material des Halters 19.
In Fig. 4 bis 7 wird der Schneidtisch aus polykristallinem Diamant mit 20 angezeigt, wobei die Schneidkante mit 22 und der weniger harte Träger im allgemeinen mit 21 gezeigt wird.
In der Ausführung der Fig. 4 weist der Träger 21 zwei im allgemeinen halbkreisförmige Hälften auf, wobei die Hälfte 25 angrenzend an die Schneidkante 22 eine niedrige Erosionsbeständigkeit aufweist und die Hälfte 26 weiter weg von der Schneidkante 22 eine hohe Erosionsbeständigkeit.
Bei der Ausführung der Fig. 6 weist der Abschnitt mit niedriger Erosionsbeständigkeit einen Körper des Materials 27 auf, der in einem Hauptkörper 28 mit hoher Erosionsbeständigkeit eingebettet ist, wobei ein Abschnitt des Körpers 27 längs des Umfanges des Trägers 21 angrenzend an die Schneidkante 22 ausgesetzt wird.
In der Ausführung der Fig. 7 ist ebenfalls ein Körper 29 mit niedriger Erosionsbeständigkeit innerhalb eines Hauptkörpers 30 mit hoher Erosionsbeständigkeit eingebettet. In diesem Fall ist der Körper 29 mit niedriger Erosionsbeständigkeit im allgemeinen kreisförmig, so daß anfangs nur ein kleiner Abschnitt des Körpers 29 am Umfang des Trägers 21 angrenzend an die Schneidkante 22 ausgesetzt wird, wobei der Rest des Körpers 29 längs der Schneidkante durch dünne Schichten 31 des Materials mit hoher Erosionsbeständigkeit überzogen wird. Da sich die Verschleißfläche durch die Scheuerwirkung der Formation entwickelt, werden die dünnen Schichten 31 in zunehmendem Maß abgenutzt, so daß das Material mit niedriger Erosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit der Formation ausgesetzt wird.
Die Erfindung umfaßt innerhalb ihres Bereiches Anordnungen, wo der Körper mit niedriger Erosionsbeständigkeit vollständig im Hauptteil des Trägers eingebettet ist, so daß anfangs der Abschnitt 30 mit hoher Erosionsbeständigkeit die gesamte Umfangsfläche des Trägers bereitstellt, wobei das Material mit niedriger Erosionsbeständigkeit erst der Formation ausgesetzt wird, während sich die Verschleißfläche entwickelt.
Bei Anwendung der Ausführungen entsprechend der Erfindung wird die Verschleißfläche hauptsächlich im Körper 25. 27 oder 29 des Materials mit niedriger Erosionsbeständigkeit gebildet, während mindestens die Hälfte des Restes des Trägers und vorzugsweise der größte Teil des Trägers, wie in Fig. 6 und 7, eine Oberfläche mit hoher Erosionsbeständigkeit der Scheuerwirkung der Bohrflüssigkeit präsentiert, die über das Schneidelement strömt.
Die Erfindung umfaßt innerhalb ihres Bereiches Anordnungen, wo der Halter, mit dem das Schneidelement verbunden ist, beispielsweise durch Hartlöten, ebenfalls eine Konstruktion aufweist, die der gleicht, die in Fig. 4 bis 7 gezeigt wird, oder anderweitig in Übereinstimmung mit der Erfindung ist, um so eine gleiche Wirkung zu bewirken, wenn sich die Verschleißfläche in das Material des Halters hinein erstreckt.
Der Unterschied hinsichtlich der Erosionsbeständigkeit zwischen den Abschnitten des Trägers oder Halters kann in jeder beliebigen zweckmäßigen Weise bewirkt werden. Beispielsweise kann der Abschnitt mit hoher Erosionsbeständigkeit eine konventionelle Konstruktion zeigen, die gesintertes Wolframkarbid aufweist, das etwa 10% Kobalt enthält. Die Erosionsbeständigkeit des zweiten Abschnittes des Trägers 25. 27 oder 29 kann verringert werden, indem die Menge des Kobalts erhöht wird, beispielsweise bis zu 20%, oder indem ein bestimmtes anderes geeignetes Zusatzmittel dem Wolframkarbid zugegeben wird, um seine Erosionsbeständigkeit zu verringern. Daher kann Wolframmetall dem Wolframkarbid zugegeben werden, oder der Abschnitt mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit kann vollständig aus Wolframmetall gebildet werden. Beispielsweise kann bei einer Ausführung der Abschnitt des Trägers oder Halters mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit einen Metallgrundmasseverbundstoff aufweisen, der die folgende Zusammensetzung (Gew.-%) zeigt:
W 95%
Ni 3,5%
Fe 1,5%
Bei diesem Beispiel ist der Prozentsatz des Wolframmetalls größer als 80%, aber niedrigere Prozentsätze des Wolframmetalls können ebenfalls einen Vorteil bewirken. Vorzugsweise enthält das Material jedoch mindestens etwa 50% Wolframmetall. Niedrigere Prozentsätze des Wolframmetalls können in dem Fall geeignet sein, wo das Material des Abschnittes mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit ebenfalls Wolframkarbid umfaßt, wie beispielsweise einen Metallgrundmasseverbundstoff, der Wolframmetallteilchen und Wolframkarbidteilchen in einer Metall-Bindemittel-Phase umfaßt.
Wo das Material Wolframkarbid umfaßt, bilden das Wolframmetall und das Wolframkarbid zusammen vorzugsweise mindestens etwa 50 Gew.-% und noch besser 80 Gew.-% des Materials, aus dem der Abschnitt mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit gebildet wird.
Bei einer weiteren Ausfsührung der Erfindung, wie sie vorangehend beschrieben wird, kann die erforderliche Anordnung des Trägers oder Halters gebildet werden, indem zuerst der Träger oder Halter vollständig aus einem Material mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit gebildet wird, und indem danach der Abschnitt mit höherer Erosionsbeständigkeit durch Einsatzhärtung oder Oberflächenhärtung eines Teils oder der gesamten Umfangsfläche des Trägers oder Halters bereitgestellt wird, wobei irgendwelche gut bekannten Einsatzhärtungsverfahren zur Anwendung kommen. Eine derartige Einsatzhärtung wird bis zu einer vorgegebenen Tiefe bewirkt. Die Tiefe der Erosionsbeständigkeit kann typischerweise in der Größenordnung von 5 um liegen.
In dem Fall, wo eine derartige Oberflächenhärtung um die gesamte Umfangsfläche des Trägers oder Halters bewirkt wird, wird dann nur der Abschnitt mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit, der in diesem Fall das gesamte Innere des Trägers oder Halters aufweisen wird, der Formation ausgesetzt, da sich die Verschleißfläche entwickelt und sich der oberflächengehärtete Abschnitt in der Nähe der Schneidkante abnutzt.
Alternativ können die äußeren Oberflächen des Halters und/oder Trägers, oder mindestens deren Abschnitte, die ausgesetzt werden, wenn die Schneidbaugruppe im Meißelkörper angeordnet ist, eine erosionsbeständige Beschichtung aufweisen, die nach der Herstellung des Halters und/oder Trägers darauf aufgebracht wurde. Beispielsweise kann die Beschichtung in der Form einer aufgespritzten Schicht aus Wolframkarbid bestehen.
Alternativ kann in dem Fall, wo der Halter und/oder Träger durch ein Formverfahren, wie beispielsweise einem Sinter- oder Infiltrationsverfahren, oder Heißpressen gebildet wird, die Erosionsbeständigkeit der äußeren Oberfläche bewirkt werden, indem in dem Körper des Materials, aus dem der Halter oder Träger geformt wird, eine äußere Schicht des Materials eingeschlossen wird, dessen Zusammensetzung so ist, daß die äußere Schicht nach dem Formen eine erhöhte Erosionsbeständigkeit aufweist, wenn man mit dem wolframhaltigen Material des Hauptkörpers des Halters oder Trägers vergleicht. Beispielsweise kann, wo der Hauptkörper des Halters oder Trägers aus Wolframmetallpulver oder einer Kombination von Wolframmetall und Wolframkarbidpulver in einer Metall-Bindemittel-Phase gebildet wird, die äußere Schicht vollständig aus Wolframkarbidpulver in einer Metall-Bindemittel-Phase oder einer Mischung von Wolframmetall und Wolframkarbid gebildet werden, die einen hohen Anteil von Wolframkarbid enthält.

Claims

1. Vorformschneidelement für einen Rotarybohrmeißel, das einen dünnen, superharten Schneidtisch (20) aus polykristallinem Diamantmaterial aufweist, der eine vordere Schneidfläche (23) und eine Schneidkante (22) begrenzt, gebunden an einen weniger harten Träger (21), dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aufweist: mindestens einen ersten Abschnitt (26, 28, 30) mit hoher Erosionsbeständigkeit, und einen zweiten Abschnitt (25, 27, 29) mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit, wobei der Abschnitt mit hoher Erosionsbeständigkeit mindestens die Hälfte der ausgesetzten Umfangsfläche des Trägers bildet, und wobei der Abschnitt mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit mindestens einen Teil aufweist, der angrenzend an die Schneidkante des superharten Schneidtisches angeordnet ist.

2. Schneidelement nach Anspruch 1, bei dem der Abschnitt (25, 27, 29) des Trägers mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit einen Teil der ausgesetzten Umfangsfläche des Trägers bereitstellt, der an die Schneidkante angrenzt.

3. Schneidelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem mindestens ein Teil der ausgesetzten Umfangsfläche des Trägers, der an die Schneidkante angrenzt, anfangs durch eine dünne Schicht (31) des Abschnittes (30) mit hoher Erosionsbeständigkeit bereitgestellt wird, wobei sich die Schicht bei Benutzung des Schneidelementes abnutzt, um die zu bohrende Formation einer Oberfläche des Abschnittes (29) mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit auszusetzen.

4. Schneidelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Abschnitt mit hoher Erosionsbeständigkeit aus gesintertem Wolframkarbid gebildet wird.

5. Schneidelement nach Anspruch 4, bei dem der Abschnitt mit der niedrigeren Erosionsbeständigkeit ebenfalls aus gesintertem Wolframkarbid gebildet wird, aber ein Zusatzmittel umfaßt, das seine Erosionsbeständigkeit verringert, verglichen mit der Erosionsbeständigkeit des Abschnittes mit hoher Erosionsbeständigkeit.

6. Schneidelement nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei dem der Abschnitt mit der niedrigeren Erosionsbeständigkeit durch Ersetzen des Wolframkarbids mindestens teilweise durch Wolframmetall gebildet wird.

7. Schneidelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die größere Erosionsbeständigkeit der Oberfläche des Trägers durch Einsatzhärtung der Oberfläche bis zu einer vorgegebenen Tiefe bewirkt wird.

8. Schneidelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die größere Erosionsbeständigkeit der Oberfläche des Trägers durch Aufbringung einer erosionsbeständigen Beschichtung auf die Oberfläche eines vorgeformten Trägers bewirkt wird.

9. Schneidelement nach Anspruch 8, bei dem die Beschichtung in der Form einer aufgespritzten Schicht aus Wolframkarbid besteht.

10. Schneidelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Träger mittels eines Formverfahrens gebildet wird, und bei dem die größere Erosionsbeständigkeit auf der Oberfläche des Trägers durch unterschiedliches Formen einer Oberflächenschicht des Trägers bewirkt wird, indem in einem Materialkörper, aus dem der Träger geformt wird, eine äußere Schicht des Materials eingeschlossen wird, die von dem Material abweicht, das den Hauptkörper des Trägers bildet, wobei das Material der äußeren Schicht so ist, daß im fertigen Träger eine äußere Schicht mit größerer Erosionsbeständigkeit bereitgestellt wird.

11. Schneidelement nach Anspruch 10, bei dem der Hauptkörper des Trägers aus Wolframmetall und die äußere Schicht mindestens teilweise aus Wolframkarbid gebildet wird.

12. Schneidbaugruppe für einen Rotarybohrmeißel, die ein Vorformschneidelement (18) aufweist, das an einem Halter (19) montiert ist, wobei das Schneidelement einen dünnen, superharten Schneidtisch (20) aus polykristallinem Diamantmaterial umfaßt, der eine vordere Schneidfläche (23) und eine Schneidkante (22) begrenzt, gebunden an einen weniger harten Träger (21), der an dem Halter montiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter aufweist: einen ersten Abschnitt mit hoher Erosions-beständigkeit; und einen zweiten Abschnitt mit niedrigerer Erosions-beständigkeit, wobei der Abschnitt mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit in der Nähe der Schneidkante des Schneidelementes angeordnet ist, so daß sich beim Gebrauch, wenn sich die Verschleißfläche in den Halter hinein erstreckt, eine derartige Verschleißfläche in den Abschnitt des Halters mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit hinein erstrecken wird.

13. Schneidbaugruppe nach Anspruch 12, bei der der Abschnitt des Halters mit hoher Erosionsbeständigkeit mindestens die Hälfte der ausgesetzten Umfangsfläche des Halters bereitstellt.

14. Schneidbaugruppe nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, bei der der Abschnitt des Halters mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit einen Teil der ausgesetzten Umfangsfläche des Halters in der Nähe der Schneidkante bereitstellt.

15. Schneidbaugruppe nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei der mindestens ein Teil der ausgesetzten Umfangsfläche des Halters in der Nähe der Schneidkante anfangs durch eine dünne Schicht des Abschnittes mit hoher Erosionsbeständigkeit bereitgestellt wird, wobei sich die Schicht bei der Benutzung des Schneidelementes abnutzt, um die zu bohrende Formation einer Oberfläche des Abschnittes mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit auszusetzen.

16. Schneidbaugruppe nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei der der Abschnitt mit hoher Erosionsbeständigkeit aus gesintertem Wolframkarbid gebildet wird.

17. Schneidbaugruppe nach Anspruch 16, bei der der Abschnitt mit der niedrigeren Erosionsbeständigkeit ebenfalls aus gesintertem Wolframkarbid gebildet wird, aber ein Zusatzmittel umfaßt, das seine Erosions-beständigkeit verringert, verglichen mit der Erosionsbeständigkeit des Abschnittes mit hoher Erosionsbeständigkeit.

18. Schneidbaugruppe nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, bei der der Abschnitt mit der niedrigeren Erosionsbeständigkeit durch Ersetzen des Wolframkarbids mindestens teilweise durch Wolframmetall gebildet wird.

19. Schneidbaugruppe nach einem der Ansprüche 12 bis 18, bei der die größere Erosionsbeständigkeit der Oberfläche des Halters durch Einsatzhärtung der Oberfläche bis zu einer vorgegebenen Tiefe bewirkt wird.

20. Schneidbaugruppe nach einem der Ansprüche 12 bis 18, bei der die größere Erosionsbeständigkeit der Oberfläche des Halters durch Aufbringung einer erosionsbeständigen Beschichtung auf die Oberfläche eines vorgeformten Halters bewirkt wird.

21. Schneidbaugruppe nach Anspruch 20, bei der die Beschichtung in der Form einer aufgespritzten Schicht aus Wolframkarbid besteht.

22. Schneidbaugruppe nach einem der Ansprüche 12 bis 18, bei der der Halter mittels eines Formverfahrens gebildet wird, und bei der die größere Erosionsbeständigkeit auf der Oberfläche des Halters durch unterschiedliches Formen einer Oberflächenschicht des Halters bewirkt wird, indem in einem Materialkörper, aus dem der Halter geformt wird, eine äußere Schicht des Materials eingeschlossen wird, die von dem Material abweicht, das den Hauptkörper des Halters bildet, wobei das Material der äußeren Schicht so ist, daß im fertigen Halter eine äußere Schicht mit größerer Erosions-beständigkeit bereitgestellt wird.

23. Schneidbaugruppe nach Anspruch 22, bei der der Hauptkörper des Halters aus Wolframmetall und die äußere Schicht mindestens teilweise aus Wolframkarbid gebildet wird.

24. Schneidbaugruppe für einen Rotarybohrmeißel nach einem der Ansprüche 12 bis 23, bei der der Träger (21) des Vorformschneidelementes (18) aufweist: einen ersten Abschnitt mit hoher Erosionsbeständigkeit; und einen zweiten Abschnitt mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit, wobei mindestens ein Teil des Abschnittes des Trägers mit niedrigerer Erosionsbeständigkeit angrenzend an die Schneidkante des Schneidelementes angeordnet ist.