DE69422758T2

DE69422758T2 - Schleifender Werkzeugeinsatz

Info

Publication number: DE69422758T2
Application number: DE69422758T
Authority: DE
Inventors: Gary Martin Flood; David M. Johnson; Henry Samuel Marek
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Diamond Innovations Inc
Priority date: 1993-08-11
Filing date: 1994-08-01
Publication date: 2000-08-17
Anticipated expiration: 2014-08-02
Also published as: ES2141202T3; JPH07164333A; EP0638383B1; US5494477A; DE69422758D1; EP0638383A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Einsätzen von Schleifwerkzeugen und mehr im Besonderen auf solche Einsätze mit mindestens einer gewinkelten Kontur an der DiamantlSubstrat- Grenzfläche zur Schaffung einer verbesserten Haltbarkeit und verringerten Empfindlichkeit gegenüber Abspalten, Reißen und Abrieb der Diamantschicht.

Hintergrund der Erfindung

Schleifpresslinge werden in ausgedehntem Maße beim Schneiden, Fräsen, Schleifen, Bohren und anderen Schleifoperationen benutzt. Die Schleifpresslinge bestehen typischerweise aus polykristallinen Diamant- oder kubischen Bornitrid - Teilchen, die in einem kohärenten harten Konglomerat gebunden sind. Der Gehalt der Schleifpresslinge an Schleifteilchen ist hoch, und es gibt ein ausgedehntes Ausmaß der direkten Verbindung von Teilchen an Teilchen. Schleifpresslinge werden hergestellt unter Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Druckes, bei denen das Schleifteilchen, sei es Diamant oder kubisches Bornitrid, kristallographisch stabil ist.
Schleifpresslinge sind spröde, und beim Einsatz werden sie häufig durch Binden an ein Hartmetall-Substrat abgestützt. Solche abgestützten bzw. getragenen Schleifpresslinge sind im Stande der Technik als Verbund- Schleifpresslinge bekannt. Der Verbund-Schleifpressling kann als solcher in der Arbeitsoberfläche eines Schleifwerkzeuges benutzt werden. Alternativ, insbesondere beim Bohren und Bergbauoperationen, wurde es als vorteilhaft festgestellt, den Verbund-Schleifpressling an einen langgestreckten Stift aus Hartmetall zu binden, um einen Stiftschneider herzustellen. Der Stiftschneider wird dann in der Arbeitsoberfläche eines Bohrkopfes oder eines Bergwerk- Pickels bzw. -Pickhammers montiert. Die Herstellung des Verbundmaterials wird typischerweise erzielt durch Anordnen eines Hartmetall-Substrates im Behälter einer Presse. Eine Mischung aus Diamantkörnern oder Diamantkörnern und eines Katalysator - Binders wird dann auf dem Substrat angeordnet und unter Bedingungen hohen Druckes, hoher Temperatur (HPHT) zusammengepresst. Dabei wandert der Metallbinder vom Substrat und durch die Diamantkörner zur Förderung eines Sinterns der Diamantkörner. Als Ergebnis werden die Diamantkörner unter Bildung einer Diamantschicht miteinander verbunden, und diese Diamantschicht wird entlang einer konventionell planaren Grenzfläche mit dem Substrat verbunden. Der Metallbinder bleibt innerhalb von zwischen den Diamantkörnern gebildeten Poren in der Diamantschicht.
Ein in der oben beschriebenen Weise gebildetes Verbundmaterial kann Gegenstand einer Anzahl von Nachteilen sein. So sind, z. B., die Koeffizienten der Wärmeausdehnung und die elastischen Konstanten von Hartmetall und Diamant zwar dicht benachbart, aber nicht genau die gleichen. Während des Erhitzens oder Abkühlens des polykristallinen Diamantpresslings (PDC) treten thermisch induzierte Spannungen an der Grenzfläche zwischen der Diamantschicht und dem Hartmetall-Substrat auf, deren Größe von der Unterschiedlichkeit der Koeffzienten der Wärmeausdehnung und der Elastizitätskonstanten abhängt.
Ein anderer potentieller Nachteil, der betrachtet werden sollte, bezieht sich auf die Erzeugung innerer Spannungen innerhalb der Diamantschicht, die zu einem Brechen dieser Schicht führen kann. Solche Spannungen resultieren auch aus der Anwesenheit des Hartmetall-Substrates, und sie sind gemäß der Größe, Geometrie und den physikalischen Eigenschaften des Hartmetall- Substrates und der polykristallinen Diamantschicht verteilt.
Die EP-A-0133 386 schlägt einen PDC vor, bei dem der polykristalline Diamantkörper vollständig frei von Metallbindern und direkt auf einen Metallträger zu montieren ist. Das Montieren eines Diamantkörpers direkt auf Metall führt jedoch zu deutlichen Problemen hinsichtlich der Unfähigkeit des Metalles, den Diamantkörper genügend abzustützen. Die Europäische Patentanmeldung schlägt weiter die Verwendung beabstandeter Rippen auf der unteren Oberfläche der Diamantschicht vor, die in den Metallträger einzubetten sind.
Gemäß der Europäischen Patentanmeldung können die Unregelmäßigkeiten in dem Diamantkörper nach der Bildung des Diamantkörpers geformt werden, z. B. durch Laser- oder elektronische Entladungs- Behandlung, oder während der Bildung des Diamantkörpers in einer Presse, z. B. durch die Verwendung einer Form mit Unregelmäßigkeiten. Bezüglich des Letzteren wird weiter vorgeschlagen, dass eine geeignete Form aus Hartmetall hergestellt werden könnte, in welchen Falle jedoch Metallbinder aus der Form in den Diamantkörper wandern würde, was dem erklärten Ziel der Schaffung einer metallfreien Diamantschicht entgegengesetzt wäre. Die Druckschrift schlägt zum Mildern dieses Problems das Eintauchen des so gebildeten Diamant/Karbid- Verbundstoffes in ein Säurebad vor, das die Karbidform lösen und allen Metallbinder aus dem Diamantkörper herauslaugen würde. Es würde sich auch ein Diamantkörper ohne Metallbinder ergeben, der direkt auf einem Metallträger montiert werden könnte. Ungeachtet irgendwelcher Vorteile, die sich aus einer solchen Struktur ergeben, bleiben noch deutliche Nachteile, wie weiter unten erläutert wird.
Zusammenfassend schlägt die Europäische Patentanmeldung die Beseitigung der Probleme, die mit der Anwesenheit eines Hartmetall-Substrates und der Anwesenheit von Metallbinder in der Diamantschicht verbunden sind, durch vollständiges Weglassen des Hartmetall-Substrates und des Metallbinders vor. Obwohl die Abwesenheit des Metallbinders die Diamantschicht thermisch stabiler macht, macht sie die Diamantschicht doch auch weniger schlagbeständig. Die Diamantschicht wird daher durch harte Schläge leichter abgespalten, eine Eigenschaft, die ernste Probleme während des Bohrens harter Substanzen, wie Gestein, mit sich bringt.
Es wird daher klar sein, dass das direkte Montieren eines Diamantkörpers auf einem Metallträger nicht das oben erwähnte Problem löst, das die Erzeugung von Spannungen an der Grenzfläche zwischen dem Diamant und Metall einschließt, das aus der sehr großen Verschiedenheit der Koeffizienten der Wärmeausdehnung zwischen Diamant und Metall resultiert. Der Wärmeausdehnungs- Koeffizient von Diamant beträgt etwa 45 · 10&supmin;&sup7; cm/cm/ºC, verglichen mit einem Koeffizienten von 150-200 · 10&supmin;&sup7; cm/cm/ºC für Stahl. Es werden daher sehr beträchtliche thermisch induzierte Spannungen an der Grenzfläche auftreten. Nachdem die Diamantabschnitte, die nicht die Rippen tragen, genügend abgeschliffen worden sind, um das Metall dahinter freizulegen, wird das Metall aufgrund seiner relativen Duktilität und geringeren Abriebs/Erosions- Beständigkeit rasch abschleifen und die Integrität der Bindung zwischen dem Diamant und dem Metallträger untergraben.
Die EP-A-0 369 582, diese Druckschrift wird als nächstkommender Stand der Technik angesehen und sie offenbart die Merkmale des Oberbegriffes von Anspruch 1, schlägt ein Verbund- Schleifprodukt vor, dessen Pressling die Form eines Ringes mit einer geringen axialen Dicke aufweist, verglichen mit der des Trägers, wobei der Querschnitt etwa die Form eines Dreiecks aufweist, um die unerwünschten Spannungen zu verringern.
Kürzlich wurden verschiedene PDC- Strukturen vorgeschlagen, bei denen die Diamant/- Karbid - Grenzfläche eine Anzahl von Rippen, Rillen und anderen Vertiefungen aufweist, um die Empfindlichkeit der Diamant/Karbid- Grenzfläche gegen mechanische und thermische Spannungen zu verringern. In der US-A-4,784,023 schließt ein PDC eine Grenzfläche mit einer Anzahl abwechselnder Rillen und Rippen ein, deren Ober- und Bodenteile im Wesentlichen parallel mit der Presslings-Oberfläche verlaufen, und deren Seiten im Wesentlichen senkrecht zur Presslings-Oberfläche liegen.
Die US-A-4,972,637 schafft einen PDC mit einer Grenzfläche, die diskrete beabstandete Ausnehmungen enthält, die sich in die Hartmetallschicht erstrecken, wobei die Ausnehmungen Schleifmaterial (z. B. Diamant) enthalten und in einer Serie von Reihen angeordnet sind, wobei jede Ausnehmung mit Bezug auf ihren nächsten Nachbarn in einer benachbarten Reihe gestaffelt ist. Es wird in der '637-PS versichert, dass in dem Maße, in dem der Abrieb die Diamant/Karbid- Grenzflädie erreicht, die mit Diamant gefüllten Ausnehmungen weniger rasch abschleifen als das Hartmetall und daher als Schneidrippen oder -vorsprünge wirken. Wenn der PDC auf einem Stiftschneider montiert ist, wie in Fig. 5 der '637-PS gezeigt, dann legt die Abriebsebene 38 Karbidregionen 42 frei, die rascher abschleifen als das Diamantmaterial in den Ausnehmungen 18. Als eine Folge entwickeln sich Vertiefungen in diesen Regionen zwischen den mit Diamant gefüllten Ausnehmungen. Die '637-PS versichert, dass diese Ausnehmungsregionen, die zusätzliche Kanten des Diamantmaterials freilegen, die Schneidwirkung des PDC fördern.
Die US-A-5,007,207 präsentiert eine alternative PDC- Struktur mit einer Anzahl von Ausnehmungen in der Karbidschicht, die jeweils mit Diamant gefüllt sind und ein spiralförmiges oder konzentrisches kreisfbrmiges Muster bilden, wenn man auf den scheibenförmigen Pressling herabschaut. Die '207- Struktur unterscheidet sich daher dadurch von der '637- Struktur, dass die '207- Struktur anstelle der Verwendung einer großen Anzahl diskreter Ausnehmungen nur eine oder wenige langgestreckte Ausnehmungen benutzt, die ein spiralförmiges oder konzentrisches kreisförmiges Muster bilden. Fig. 5 in der '207-PS zeigt die Abriebsebene, die sich entwickelt, wenn der PDC auf einem Stiftschneider montiert und benutzt wird. Wie bei der '637-PS, erzeugt der Abriebsprozess Vertiefungen in dem Karbidmaterial zwischen den mit Diamant gefüllten Ausnehmungen. Wie die '207-PS versichert auch die '637-PS, dass diese Vertiefungen, die sich während des Abriebsprozesses entwickeln, die Schneidwirkung verbessern.
Während die vorerwähnten PSn eine erwünschte Schneidwirkung im Gestein versichern, ist es auch sehr erwünscht, die Empfindlichkeit der Diamantschicht gegen Bruch und Abspalten zu minimieren, die sich teilweise aus inneren Restspannungen ergibt.
Es wäre daher sehr erwünscht, einen polykristallinen Diamantpressling zu schaffen, der eine erhöhte Beständigkeit gegen Diamant -Abspaltbrüche aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft einen polykristallinen Pressling mit einer verlängerten brauchbaren Lebensdauer.
Die vorliegende Erfindung schafft auch einen polykristallinen Diamantpressling mit einer Diamantschicht, die derart gebildet ist, dass das Abspalten und Reißen der Diamantschicht beim Abrieb des Presslings verringert sind.
Weiter schafft die vorliegende Erfindung einen PDC, bei dem die Karbidschicht eine verstärkte mechanische Abstützung für die Diamantschicht bildet, während der Pressling dem Abrieb unterliegt.
Die Erfindung schafft auch einen PDC, bei dem die DiamantlKarbid- Grenzfläche so entworfen ist, dass an der Stelle, an der das Abspalten oder die Schichttrennung normalerweise auftritt, restliche Zugspannungen verringert sind.
Gemäß der Erfindung wird ein schleifender Werkzeugeinsatz geschaffen, umfassend:
ein Substrat
eine zusammenhängende Schleifschicht mit einer Peripherie, die eine Schneidoberfläche bildet, wobei die Schleifschicht integral auf dem Substrat ausgebildet ist und eine Grenzfläche dazwischen bildet, dadurch gekennzeichnet, dass
die Grenzfläche mindestens eine abgeschrägte Region einschließt, die sich von der Schneidoberfläche zu einer im Wesentlichen planaren Region erstreckt, so dass die Schleifschicht an der Schneidoberfläche dicker ist als in Regionen unmittelbar und radial innerhalb der Schneidoberfläche.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines PDC mit einer einzelnen nach außen geneigten winkelförmigen Kontur in der Nähe der Schneidkante,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines PDC mit einem nach außen geneigten Muster an seiner Peripherie und einem nach innen geneigten Muster in seinem Zentrum,
Fig. 3 Drauf und Querschnittsansichten eines PDC mit einer einzelnen geneigten Kante der Ebene an der Grenzfläche gemäß der Erfindung und
Fig. 4 Drauf und Querschnittsansichten eines PDC mit einer geneigten konzentrischen Kontur, die die Oberfläche des Presslings schneidet.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein beispielhaftes Querschnittsprofil eines PDC gemäß der Erfindung. Der PDC 10 schließt ein Substrat 11, das vorzugsweise aus einem Hartmetall zusammengesetzt ist, und eine Schleifschicht 12 ein, die vorzugsweise aus polykristallinem Diamant zusammengesetzt ist. Die Schleifschicht 12 ist integral mit dem Substrat 11 verbunden und beim typischen Herstellungsverfahren wird sie darauf durch HPHT- Behandlung gebildet.
Fig. 1 und 2 zeigen die Schneidkante 25 und die vorgesehene Abriebsebene 16. Bei der Anwendung hängen die Kante 25 und die Ebene 16 natürlich von der Art und Weise ab, in der der PDC 10 auf einem Stiftschneider oder einer anderen Trägereinrichtung montiert ist.
Wie in Fig. 2 gezeigt, umfasst das Querschnittsprofil der Grenze zwischen Substrat 11 und Schleifschicht 12 des PDC 10a eine Vielzahl geneigter Oberflächen einschließlich nach außen geneigter Oberflächen 14 und nach innen geneigter Oberflächen 15.
In jeder der Ausführungsformen ist die Oberfläche 14 nach außen und unten zur Schneidkante 25 hin geneigt, und sie hat einen Winkel zwischen etwa 10 und etwa 50º und mehr, vorzugsweise zwischen etwa 25 und 45º, bezüglich der oberen Oberfläche der Schleifschicht 12.
Bei der Verwendung schreitet die Abriebsebene 16 (die die Schneidwirkung schaffende Oberfläche repräsentiert) beim Abrieb des PDC 10 langsam in Richtung des Zentrums des Presslings fort. Bis die Abriebsebene 16 die erste geneigte Oberfläche 14 erreicht, schneidet sie nur die Schleifschicht 12, was zu ausgezeichneten Schneid- und Abriebs - Eigenschaften führt. Verglichen mit der Abriebsschicht 12, schleift sich die Substratschicht 11 relativ rasch ab. Nachdem die Abriebsebene 16 unterhalb der ersten geneigten Oberfläche 14 abgefallen ist, erodiert das Substratmaterial 11, das die Abriebsebene 16 schneidet, rascher, und es bildet sich eine Diamantlippe gemäß einem akzeptierten Verstehen des Fachmannes für typische PDC- Abriebscharakteristika.
Während des Bohrens erfährt der PDC 10 sehr hohe Spannungen in der Schleif oder Diamantschicht 12, insbesondere nahe der Grenzfläche zum Substrat 11. Solche Spannungen, von denen einige oben diskutiert wurden, führen zum Brechen und Abspalten der Diamantschicht. Diese Anwendungs- Spannungen treten statistisch und intermittierend während des Bohrens auf. Sie variieren in Größe und Richtung gemäß den lokalisierten Kontaktdynamiken mit der Gesteinsoberfläche und Gesteinsteilchen im Loch. Während Vorkommnissen, die durch hohe Zugspannung charakterisiert sind, können sich Risse in der Diamantschicht bilden. Diese Risse, die wiederholt hohen Spannungen ausgesetzt sind, können sich unter Bildung von Brüchen und Abspaltungen der Diamantschicht fortsetzen. Eine dafür besonders empfindliche Region ist die an oder sehr nahe der Diamant/Karbid- Grenzfläche in der Diamantschicht. Diese Region leidet bei PDC's, die nicht gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind, an vorher vorhandenen hohen Zug- Restspannungen, die oben diskutiert wurden.
Vorteilhafterweise verringert das in Fig. 1 abgebildete Querschnittsprofil die Rest- Zugspannungen der Diamant- oder Schleifschicht 12 in genau der Region, wo das Abspalten oder die Schichttrennung am häufigsten auftritt, selbst während sich die Abriebsebene in den Pressling hinein fortbewegt.
Es gibt viele Wege, auf denen das in Fig. 1 gezeigte winkelirmige Querschnittsprofil in einem für die Industrie geeigneten, scheibenförmigen Schleifpressling verwirklicht werden kann. Fig. 2 zeigt eine solche Ausführungsform. Fig. 4 zeigt Drauf und Querschnittsansichten von zwei anderen solchen beispielhaften Ausführungsformen.
Fig. 3 zeigt einen PDC 10b, bei dem die obere Kante 15 der Kontur linear verläuft und eine Sehne des kreisförmigen Presslings bildet. In diesem Falle ist die geneigte Kontur eine Ebene, die sich von der Schneidkante 25 zur oberen Kante 15 erstreckt.
Fig. 4 zeigt einen PDC 10d mit einer geneigten konzentrischen Kontur gemäß der Erfindung, bei dem die geneigte Grenzfläche die obere Oberfläche schneidet, was zu einer oberen Zone führt, die aus Substrat 11 besteht, die außerhalb des brauchbaren Abschnittes des Presslings liegt.
Andere Ausführungsformen, wie solche auf der Grundlage eines spiralförmigen Musters von Neigungen, sind auch möglich. Während die Erfindung unter Bezugnahme auf die derzeit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte klar sein, dass der Umfang der Erfindung nur gemäß den folgenden Ansprüchen beschränkt sein soll.

Claims

1. Schleifender Werkzeugeinsatz (10), umfassend:

ein Substrat (11)

eine zusammenhängende Schleifschicht (12) mit einer Peripherie, die eine Schneidoberfläche (25) bildet, wobei die Schleifschicht (12) integral auf dem Substrat (11) ausgebildet ist und eine Grenzfläche dazwischen bildet, dadurch gekennzeichnet, daß

die Grenzfläche mindestens eine abgeschrägte Region (14) einschließt, die sich von der Schneidoberfläche (25) zu einer im Wesentlichen planaren Region (5) erstreckt, so dass die Schleifschicht an der Schneidoberfläche dicker ist als in Regionen unmittelbar und radial innerhalb der Schneidoberfläche.

2. Werkzeugeinsatz nach Anspruch 1, worin die Schleifschicht (12) weiter eine flache obere Oberfläche umfasst, worin die abgeschrägte Region (14) zwischen etwa 10º und etwa 50º zu der flachen oberen Oberfläche geneigt ist.

3. Werkzeugeinsatz nach Anspruch 2, worin die abgeschrägte Region (14) zwischen 25º und etwa 45º zu der flachen oberen Oberfläche geneigt ist.

4. Werkzeugeinsatz nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin das Substrat aus Hartmetall hergestellt ist.

5. Werkzeugeinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Schleifschicht aus polykristallinem Diamant hergestellt ist.