DE60001030T2

DE60001030T2 - Schneidelemente und deren Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60001030T2
Application number: DE60001030T
Authority: DE
Inventors: Nigel Dennis Griffin; Malcolm Roy Taylor
Original assignee: Camco International UK Ltd
Current assignee: ReedHycalog UK Ltd
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2020-06-29
Also published as: GB0015788D0; EP1081119B1; DE60001030D1; GB2353810A; ZA200003392B; GB2353810B; EP1081119A1; US6248447B1

Description

Die Erfindung betrifft Schneidelemente und insbesondere Schneidelemente für rotierende Bohrmeißel, wie beispielsweise Blattbohrmeißel und Rollbohrkronen-Bohrmeißel. Jedoch kann die Erfindung ebenfalls auf die Herstellung von Schneidelementen für die Verwendung bei Werkzeugmaschinen und dergleichen anwendbar sein.
Wie gut bekannt ist, ist eine häufige Schneidelementform für einen rotierenden Blattbohrmeißel ein zweischichtiges oder mehrschichtiges Schneidelement, bei dem eine Planscheibe aus polykristallinem Diamanten integriert an ein Substrat aus einem weniger harten Material, wie beispielsweise Wolfiamkarbid, bondiert wird. Das Schneidelement hat üblicherweise die Form einer Platte, üblicherweise kreisförmig oder teilkreisförmig. Das Substrat des Schneidelements kann hartgelötet werden an einen Träger, üblicherweise ebenfalls aus gesintertem Wolframkarbid, der in einer Fassung im Meißelkörper aufgenommen wird, oder das Substrat selbst kann eine ausreichende axiale Länge haben, um unmittelbar in einer Fassung im Meißelkörper angebracht zu werden.
Wie gut bekannt ist, wird polykristalliner Diamant dadurch geformt, daß Diamantpulver mit einem geeigneten Bindemittelkatalysator in einer Hochdruck-Hochtemperaturpresse gesintert wird. Bisher hat der bei Schneidelementen für rotierende Bohrmeißel eingesetzte polykristalline Diamant zu drei Grundtypen gehört.
Beim häufigsten Typ, der im folgenden als "herkömmlicher" polykristalliner Diamant bezeichnet wird, ist der Bindemittelkatalysator Kobalt. Bei einem häufigen Verfahren zur Herstellung von zweischichtigen Schneidelementen wird Diamantpulver auf die Oberfläche eines vorgeformten Wolframkarbidsubstrats aufgebracht, das Kobalt enthält. Die Baugruppe wird danach in einer Presse sehr hoher Temperatur und sehr hohem Druck ausgesetzt. Während dieses Vorgangs wandert Kobalt aus dem Substrat in die Diamantschicht und wirkt als ein Bindemittelkatalysator, der bewirkt, daß sich die Diamantteilchen mit einer Diamant-Diamant-Bindung aneinander binden, und ebenfalls bewirkt, daß sich die Diamantschicht an das Substrat bindet.
Obwohl Kobalt am häufigsten als der Bindemittelkatalysator verwendet wird, kann jedes Element der Eisengruppe, wie beispielsweise Kobalt, Nickel oder Eisen, oder Legierungen derselben, eingesetzt werden.
Der Nachteil bei solchem herkömmlichen polykristallinen Diamanten ist, daß das Material jenseits von etwa 750ºC auf Grund des Vorhandenseins des metallischen Bindemittels, das eine Graphitisation des Diamanten bewirkt, nicht wärmebeständig ist. Außerdem kann der Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Diamanten und von Kobalt ebenfalls eine Beschädigung der Diamantschicht bei einer Zunahme der Temperatur über etwa 500ºC bewirken.
Um diese Probleme zu überwinden, sind sogenannte "wärmebeständige" polykristalline Diamantkomponenten hergestellt worden und werden manchmal bei Blattbohrmeißeln verwendet. Bei einem Typ eines wärmebeständigen Diamanten wird das Kobalt oder der andere Bindemittelkatalysator in einem herkömmlichen polykristallinen Diamanten nach der Formung ausgelaugt. Während dies die Hitzebeständigkeit des Diamanten auf etwa 1200ºC erhöhen kann, entfernt der Auslaugungsvorgang ebenfalls das gesinterte Karbidsubstrat, was zu ernsthaften Schwierigkeiten beim Anbringen solchen Materials auf einem Bohrmeißel führt.
Bei einer alternativen Form eines wärmebeständigen Diamanten wird Silikonkarbid als der Bindemittelkatalysator verwendet. Wieder wird die Wärmebeständigkeit des Diamanten verbessert, aber wieder treten Schwierigkeiten beim Anbringen des Materials zur Verwendung auf einem Blattbohrmeißel auf.
In jüngerer Zeit ist ein weiterer Typ von polykristallinem Diamanten verfügbar geworden, bei dem Karbonate, wie beispielsweise pulverförmige Karbonate von Mg, Ca, Sr und Ba oder zwei oder mehrere Arten dieser Karbonate, als der Bindemittelkatalysator verwendet werden, wenn das Diamanipulver gesintert wird. Polykristalline Diamantmaterialien dieser Art werden zum Beispiel in den Japanischen Offengelegten Patentveröffentlichungen Nr. 74766/1992 und 114966/1992 beschrieben.
Polykristalliner Diamant dieses Typs hat eine beträchtlich größere Verschleißfestigkeit und Härte als die bisher als Schneidelemente bei Bohrmeißeln verwendeten Typen von polykristallinem Diamanten. Das Material läßt sich schwierig in einem großtechnischen Maßstab herstellen, da viel höhere Temperaturen und Drücke zum Sintern erforderlich sind, als das bei herkömmlichem und wärmestabilem polykristallinem Diamanten der Fall ist. Ein Ergebnis dessen ist, daß die durch dieses Verfahren hergestellten Körper aus polykristallinem Diamanten kleiner sind als Elemente aus herkömmlichem polykristallinem Diamanten. Dies macht es, zusammen mit anderen Charakteristika des Materials, schwierig, Körper aus diesem Material auf eine solche Weise zusammenzufügen, daß sie als Schneidelemente bei rotierenden Bohrmeißeln verwendet werden können.
Die vorliegende Erfindung nimmt sich vor, diese Probleme zu überwinden und neuartige Anordnungen und Verfahren zum Zusammenfügen von polykristallinem Diamanten dieser Art auf eine Weise bereitzustellen, bei der das Material bei Schneidelementen für rotierende Bohrmeißel verwendet werden kann.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Schneidelement bereitgestellt, das wenigstens eine Einlage aus polykristallinem Diamanten von einer Art einschließt, die ein Karbonat als einen sinternden Bindemittelkatalysator enthält, wobei die Einlage wenigstens teilweise von einem Stützkörper aus polykristallinem Diamanten von einer Art umschlossen wird, die einen sinternden Bindemittelkatalysator enthält, der aus den Elementen der Eisengruppe oder Legierungen derselben gewählt wird.
Die Einlage und der Stützkörper können jedes die Form einer Platte haben, die eine vordere Fläche, eine hintere Fläche und eine Umfangsfläche hat. Vorzugsweise ist die vordere Fläche sowohl der Einlage als auch des Stützkörpers wesentlich parallel zur hinteren Fläche derselben. Vorzugsweise bildet außerdem ein Teil der Umfangsfläche der Einlage eine Fortsetzung der Umfangsfläche des Stützkörpers.
Die Dicke der Einlage zwischen der vorderen und der hinteren Fläche derselben ist wesentlich die gleiche wie die Dicke des Stützkörpers, so daß die vordere Fläche der Einlage wesentlich in einer Ebene mit der vorderen Fläche des Stützkörpers ist und die hintere Fläche der Einlage wesentlich in einer Ebene mit der hinteren Fläche des Stützkörpers ist.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird die Einlage vollständig in den Stützkörper eingebettet, so daß kein Teil der Einlage freiliegt. In diesem Fall kann die vordere Fläche der Einlage zur vorderen Fläche des Stützkörpers geneigt werden.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird eine Vielzahl von Einlagen, eingebettet in einen größeren Stützkörper, bereitgestellt.
Bei jeder der obigen Anordnungen nach der Erfindung kann die hintere Fläche des Stützkörpers an eine Fläche eines Substrats aus einem Material gebunden werden, das weniger hart ist als der Stützkörper.
Die Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zum Formen eines Schneidelements bereit, das wenigstens eine Einlage aus polykristallinem Diamanten von einer Art einschließt, die ein Karbonat als einen sinternden Bindemittelkatalysator enthält, wobei die Einlage wenigstens teilweise von einem Stützkörper aus polykristallinem Diamanten von einer Art umschlossen wird, die einen sinternden Bindemittelkatalysator enthält, der aus den Elementen der Eisengruppe oder Legierungen derselben gewählt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Vorsintern der Einlage in einer Hochdruck-Hochtemperaturpresse,
die vorgesinterte Einlage wenigstens teilweise mit einer Mischung umgeben, die Diamantpulver und einen Bindemittelkatalysator, gewählt aus den Elementen der Eisengruppe oder Legierungen derselben, einschließt, und
die vorgesinterte Einlage und die Pulvermischung in einer Presse hohem Druck und hoher Temperatur aussetzen, um die Mischung zu sintern und an die vorgeformte Einlage zu binden.
Ein alternatives Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:
Vorsintern der Einlage in einer Hochdruck-Hochtemperaturpresse,
gesondertes Vorsintern des Stützkörpers in einer Hochdruck-Hochtemperaturpresse,
Verbinden der vorgesinterten Einlage und des Stützkörpers miteinander in einer Baugruppe, bei welcher der Stützkörper wenigstens teilweise die Einlage umschließt, und
die Baugruppe in einer Presse hohem Druck und hoher Temperatur aussetzen, um die Einlage an den Stützkörper zu binden.
Ein weiteres alternatives Verfahren schließt die folgenden Schritte ein:
Bilden einer ersten Mischung, die Diamantpulver und einen pulverisierten Karbonat- Bindemittelkatalysator einschließt,
Bilden einer zweiten Mischung, die Diamantpulver und einen pulverisierten Bindemittelkatalysator, gewählt aus den Elementen der Eisengruppe oder Legierungen derselben, einschließt,
Anordnen von Körpern aus den Mischungen, so daß die zweite Mischung wenigstens teilweise die erste Mischung umschließt, und
die Mischungen in einer Presse hohem Druck und hoher Temperatur aussetzen, um die erste und die zweite Mischung zu sintern und sie aneinander zu binden.
Noch ein weiteres alternatives Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:
Vorsintern des Stützkörpers in einer Hochdruck-Hochtempemturpresse,
Bilden einer Mischung, die Diamantpulver und einen pulverisierten Karbonat- Bindemittelkatalysator einschließt,
Verbinden der Mischung mit dem vorgesinterten Stützkörper, um eine Baugruppe zu bilden, in welcher der Stützkörper die Mischung wenigstens teilweise umschließt, und
die Baugruppe in einer Presse hohem Druck und hoher Temperatur aussetzen, um die Einlage zu sintern und die Einlage an den vorgesinterten Stützkörper zu binden.
Jedes der obigen Verfahren kann den weiteren Schritt einschließen, die Einlage und den Stützkörper, entweder vorgesintert oder als eine Mischung, die Diamantpulver und Bindemittelkatalysator einschließt, auf ein vorgeformtes Substrat aufzubringen, bevor die gesamte Baugruppe in einer Presse hohem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt wird, so daß die Einlage und der Stützkörper an das Substrat gebunden werden.
Bei Verfahren, bei denen der Stützkörper gesintert wird, während er in Kontakt mit dem Substrat ist, statt vorgesintert zu werden, kann der notwendige Bindemittelkatalysator aus der Eisengruppe vom Substrat abgeleitet werden, statt mit dem auf das Substrat aufgebrachten Diamantpulver gemischt zu werden, oder zusätzlich dazu.
Dementsprechend stellt die Erfindung außerdem ein Verfahren bereit, das die folgenden Schritte umfaßt:
Vorsintern der Einlage in einer Hochdruck-Hochtemperaturpresse,
Vorformen eines Substrats, das einen sinternden Bindemittelkatalysator, gewählt aus den Elementen der Eisengruppe oder Legierungen derselben, enthält,
Bilden einer Baugruppe durch das Aufbringen der vorgesinterten Einlage und eines Körpers einschließlich von Diamantpulver auf eine Fläche des Substrats in einer solchen Weise, daß das Diamantpulver wenigstens teilweise die Einlage umschließt, und
die Baugruppe in einer Presse hohem Druck und hoher Temperatur aussetzen, um zu bewirken, daß etwas von dem im Substrat enthaltenen sinternden Bindemittelkatalysator aus dem Substrat in den Körper aus Diamantpulver wandert, wodurch das Diamantpulver gesintert und sowohl an das Substrat als auch an die Einlage gebunden wird und die Einlage ebenfalls an das Substrat gebunden wird.
Ein weiteres Verfahren schließt die folgenden Schritte ein:
Bilden einer Mischung, die Diamantpulver und einen pulverisierten Karbonat- Bindemittelkatalysator einschließt,
Vorformen eines Substrats, das einen sintemden Bindemittelkatalysator, gewählt aus den Elementen der Eisengruppe oder Legierungen derselben, enthält,
Bilden einer Baugruppe durch das Aufbringen eines Körpers aus der Mischung und eines Körpers einschließlich von Diamantpulver auf die Fläche des Substrats in einer solchen Weise, daß der Körper einschließlich des Diamantpulvers wenigstens teilweise den Körper aus der Mischung umschließt, und
die Baugruppe in einer Presse hohem Druck und hoher Temperatur aussetzen, um die Mischung zu sintern und sie an das Substrat zu binden und um zu bewirken, daß etwas von dem im Substrat enthaltenen sintemden Bindemittelkatalysator aus dem Substrat in den Körper aus Diamantpulver wandert, wodurch das Diamantpulver gesintert und sowohl an das Substrat als auch an die gesinterte Mischung gebunden wird.
Bei jedem der Verfahren nach der Erfindung können die Mischungen oder Körper aus Pulver, aus denen die Einlage oder der Stützkörper gesintert werden, zusätzlich zu dem notwendigen Diamantpulver und dem sintemden Bindemittelkatalysator weitere Zusatzstoffe in Pulverform einschließen.
Das Folgende ist eine detailliertere Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung als Beispiel, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der vorderen Fläche eines typischen Blattbohrmeißels der allgemeinen Art ist, bei der Schneidelemente nach der vorliegenden Erfindung angewendet werden können,
Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines typischen Schneidelements aus polykristallinem Diamanten nach dem bekannten technischen Stand ist,
Fig. 3 eine Draufsicht einer Schneidelementform nach der vorliegenden Erfindung ist,
Fig. 4 ein Schnitt längs der Linie 4-4 von Fig. 3 ist,
Fig. 5 ein ähnlicher Schnitt einer alternativen Anordnung ist,
Fig. 6 eine Schnittansicht einer weiteren Schneidelementform nach der Erfindung, angebracht auf einem Bohrmeißel, ist und
Fig. 7 bis 9 Schnitte durch weitere Schneidelementformen nach der vorliegenden Erfindung sind. Mit Bezug auf Fig. 1 umfaßt der Bohrmeißel einen Meißelkörper, auf dem vier primäre Blätter 1 und vier sekundäre Blätter 2 geformt werden. Die Blätter verlaufen allgemein in Radialrichtung im Verhältnis zur Meißelachse.
Die Vorderkanten der sekundären Blätter werden wesentlich mit gleichem Zwischenraum zueinander angeordnet, aber die Vorderkante jedes sekundären Blatts liegt näher zum zugeordneten vorhergehenden primären Blatt als zum folgenden primären Blatt.
Primäre Bohrkronen 3 werden nebeneinander mit Zwischenraum längs jedes primären Blatts 1 angeordnet, und sekundäre Bohrkronen 4 werden nebeneinander mit Zwischenraum längs jedes sekundären Blatts 2 angeordnet. Jede sekundäre Bohrkrone 4 befindet sich in Radialrichtung im gleichen Abstand von der Meißelachse wie eine zugeordnete der primären Bohrkronen auf dem vorhergehenden primären Blatt.
Jede Bohrkrone 3, 4 ist allgemein zylindrisch und hat einen kreisförmigen Querschnitt und umfaßt eine vordere Planscheibe aus polykristallinem Diamanten, bondiert an ein zylindrisches Substrat aus gesintertem Wolframkarbid. Jede Bohrkrone wird innerhalb einer teilzylindrischen Tasche in ihrem jeweiligen Blatt aufgenommen.
Die primären Bohrkronen 3 werden in einer allgemein spiralförmigen Konfiguration über den Bohrmeißel angeordnet, um so ein Schneidprofil zu bilden, das über die Gesamtheit der Sohle des zu bohrenden Bohrlochs streicht. Die drei äußersten Bohrkronen 3 auf jedem primären Blatt 1 werden mit Stützansätzen 5 versehen, die auf dem gleichen primären Blatt rückwärts von den primären Bohrkronen angebracht werden. Die Stützansätze können die Form von zylindrischen Ansätzen aus Wolframkarbid haben, in die Teilchen aus synthetischem oder natürlichem Diamanten eingebettet werden.
Der Meißelkörper wird mit einem Mitteldurchgang (nicht gezeigt) geformt, der durch Nebendurchgänge mit Düsen 6 verbunden wird, die an der Oberfläche des Meißlelkörpers angebracht werden. Durch die Innendurchgänge wird den Düsen 6 Spülschlamm unter Druck zugeführt und fließt durch die Räume 7 zwischen aneinandergrenzenden Blättern, um die Bohrkronen zu kühlen und zu reinigen. Die Räume 7 führen zu Abfallschlitzen 8, durch die der Spülschlamm nach oben durch den Ringspalt zwischen dem Bohrstrang und der umgebenden Formation fließt. Die Abfallschlitze 8 werden durch Kalibrierklötze 9 getrennt, die an der Seitenwand des Bohrlochs anliegen und mit Auflager- oder Abriebeinlagen (nicht gezeigt) geformt werden. Dies ist nur ein Beispiel eines rotierenden Blattbohrmeißels, und es werden viele andere Konstruktionen verwendet und werden Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sein.
Der Meißelkörper und die Blätter können spanend aus Metall, üblicherweise Stahl, hergestellt werden, der bestückt werden kann. Als Alternative dazu kann der Meißelkörper oder ein Teil desselben unter Anwendung eines Pulvermetallurgieverfahrens aus Matrizenmaterial geformt werden. Die Verfahren zur Herstellung von Bohrmeißeln dieses allgemeinen Typs sind auf dem Gebiet gut bekannt und werden nicht im Detail beschrieben.
Fig. 2 zeigt ein typisches Schneidelement nach dem bekannten technischen Stand, bei dem normalerweise herkömmlicher polykristalliner Diamant verwendet wird. Der polykristalline Diamant umfaßt die Planscheibe 15 eines zweischichtigen, kreisförmigen zylindrischen Schneidelements 16 von allgemein plattenartiger Form. Die Diamantplanscheibe 15 wird integriert an ein beträchtlich dickeres Substrat 17 aus gesintertem Wolfiamkarbid bondiert.
Wie zuvor erwähnt, werden solche Vorform-Schneidelemente dadurch hergestellt, daß auf die Oberfläche des Substrats 17 eine Schicht Diamantpulver aufgebracht wird, wonach das Substrat und die Diamantschicht in einer Presse extrem hohem Druck und extrem hoher Temperatur ausgesetzt werden. Während des Formungsprozesses wandert Kobalt aus dem Substrat 17 in die Diamantschicht und wirkt als ein Katalysator, was zu einer Bindung der Diamantteilchen aneinander und an das Substrat führt.
Fig. 3 und 4 zeigen eine Schneidelementform nach der vorliegenden Erfindung. Wie bei der Anordnung nach dem bekannten technischen Stand umfaßt das Schneidelement eine Planscheibe 18 aus polykristallinem Diamanten, bondiert an ein Substrat 19. Nach der vorliegenden Erfindung schließt die Planscheibe 18 jedoch eine allgemein kreisförmige Einlage 20 ein, die polykristallinen Diamanten der Art umfaßt, von der zuvor erwähnt wurde, daß sie ein Karbonat als den Bindemittellcatalysator enthält. Der Karbonat-Bindemittelkatalysator kann typischerweise ein pulverförmiges Karbonat von Mg, Ca, Sr und Ba oder Kombinationen von zwei oder mehreren dieser pulverförmigen Karbonate umfassen.
Die Einlage 20 wird teilweise durch einen Körper 21 aus herkömmlichem polykristallinem Diamanten umschlossen, das heißt, polykristallinem Diamanten, bei dem der Bindemittelkatalysator Kobalt oder ein anderes Element der Eisengruppe, wie beispielsweise Eisen oder Nickel oder eine Legierung derselben, umfaßt.
Der umschließende Körper 21 ist allgemein halbmondförmig und dehnt sich gemeinsam mit dem Substrat 19 aus. Die Einlage 20 hat eine Umfangsfläche 22, die kreisförmig ist und von der ein Abschnitt 23 eine Fortsetzung des Außenumfangs 24 des umschließenden Körpers 21 bildet und folglich am Rand der Diamantplatte freiliegt, um so die Schneidkante des Schneidelements zu bilden. Bei der Anwendung wird daher das Schneidelement so auf dem Bohrmeißel ausgerichtet, daß der Abschnitt 23 auf die zu schneidende Formation wirkt.
Das in Fig. 3 und 4 gezeigte Schneidelement kann nach der Erfindung auf eine Zahl von unterschiedlichen Weisen hergestellt werden.
Bei einem bevorzugten Verfahren wird die Einlage 20 vorgesintert. Das heißt, die Einlage wird durch Mischen von pulverisiertem Diamanten mit dem gewünschten Karbonat-Bindemittelkatalysator, ebenfalls in pulverisierter Form, vorgeformt, und die Mischung wird in eine entsprechend geformte Hülle gepackt und wird danach in einer Presse extrem hohem Druck und extrem hoher Temperatur ausgesetzt. Typischerweise beträgt der Druck wenigstens 7,7 GPa und die Temperatur 2000ºC. Dieses Sintern bindet die Diamantteilchen mit Diamant-Diamant-Bindung zusammen, um eine extrem harte und verschleißfeste Einlage zu erzeugen.
Danach wird die vorgeformte Einlage 20 in der entsprechenden Position auf der oberen Fläche des Vorformsubstrats 19, beispielsweise aus Wolframkarbid, das einen Kobalt-Bindemittelkatalysator enthält, angebracht, und danach wird um die Einlage 20 eine Schicht aus Diamantpulver auf die obere Fläche des Substrats 19 aufgebracht, in der in Fig. 3 und 4 gezeigten Konfiguration, wobei sich die gesamte Baugruppe in einer geeignet geformten Hülle befindet. Die Baugruppe wird danach in einer Presse hoher Temperatur und hohem Druck ausgesetzt, wobei die Größenordnung von Temperatur und Druck die ist, die normalerweise bei der Herstellung von herkömmlichem polykristallinem Diamanten angewendet wird. Während dieses Prozesses wandert Kobalt aus dem Substrat 19 in das Diamantpulver und wirkt als ein Bindemittelkatalysator, um eine Diamant-Diamant-Bindung in der Schicht zu bewirken, um so den Körper 21 aus polykristallinem Diamanten zu erzeugen, und dient ebenfalls dazu, die Diamantschicht 21 an das Substrat zu binden. Der Sinterungsprozeß dient außerdem dazu, die Einlage 20 an das Substrat 19 und ebenfalls an die umschließende Schicht aus herkömmlichem polykristallinem Diamanten zu binden.
Der Körper aus Diamantpulver, der den Körper 21 aus herkömmlichem polykristallinem Diamanten bildet, kann nur aus Diamant bestehen. Er kann jedoch außerdem einen Anteil von anderen pulverisierten Zusatzstoffen einschließen. Zum Beispiel kann er pulverisiertes Kobalt oder einen anderen Bindemittelkatalysator einschließen, um den Bindemittelkatalysator zu ergänzen, der aus dem Substrat auswandert.
Beim vollendeten Bestandteil hält der umschließende Körper 21 aus herkömmlichem polykristallinem Diamanten die Einlage 20 mechanisch, zusätzlich zur Bindung der Einlage an das Substrat und den umschließenden Körper.
Obwohl Wolframkarbid häufig für das Material des Substrats verwendet wird, wird es sich für Fachleute auf dem Gebiet verstehen, daß andere Materialien, wie beispielsweise Wolfram-Wolframkarbid- Verbundstoffe, verwendet werden können. Andere Elemente der Eisengruppe oder Legierungen derselben können ebenfalls als der Bindemittelkatalysator verwendet werden.
Bei einem zweiten Verfahren zur Herstellung des Schneidelements werden sowohl die Einlage 20 als auch der halbmondförmige umschließende Körper 21 in gesonderten Prozessen vorgesintert, bevor sie zum Zusammenbondieren in der Presse auf das Substrat 19 aufgebracht werden. In diesem Fall muß zum Vorsintern des halbmondförmigen Körpers 21 der pulverisierte Diamant, aus dem er geformt wird, mit pulverisiertem Kobalt oder einem anderen Metall der Eisengruppe gemischt werden, das als der Bindemittelkatalysator wirken soll, da das Substrat während des Vorsinterns nicht vorhanden ist, um die Kobaltmigration in das Diamantpulver zu gewährleisten.
Bei einem dritten, alternativen, Verfahren werden die beiden Materialkörper 20 und 21 als Pulver auf das Vorformsubstrat 19 aufgebracht und werden gleichzeitig in einem einzigen Preßvorgang gesintert und an das Substrat 19 gebunden. In diesem Fall wird selbstverständlich der Körper aus Diamanipulver, der die Einlage 20 bilden soll, mit dem entsprechenden Karbonat-Bindemittelkatalysator gemischt, während das Diamantpulver, das den umschließenden Körper 21 bilden soll, entweder mit einem pulverisierten Kobalt- oder anderen Eisengruppenkatalysator gemischt wird und/oder seinen Bindemittelkatalysator durch Migration des Materials aus dem Substrat 19 ableitet.
Bei einem vierten Verfahren nach der Erfindung wird nur der halbmondförmige umschließende Körper 21 vorgesintert. Danach wird die Einlage 20 dadurch geformt, daß die kreisförmige Öffnung im umschließenden Körper 21 mit einer pulverisierten Mischung gefüllt wird, die Diamanten und Karbonat- Bindemittelkatalysator einschließt, bevor die gesamte Baugruppe in der Presse hohem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt wird, um so das Material zu sintern, das die Einlage 20 bilden soll, und es an den vorgeformten umschließenden Körper 21 und das Substrat 19 zu bondieren. Der Körper 21 kann allein in der erforderlichen Halbmondform vorgesintert und anschließend für den zweiten Preßvorgang auf das Substrat 19 aufgebracht werden, oder er kann gesintert werden, während er bereits auf das Substrat 19 aufgebracht ist, um so die Kobaltmigration aus dem Substrat als den Bindemittelkatalysator zu verwenden.
Fig. 5 zeigt eine alternative Schneidelementform nach der Erfindung, bei der die Einlage 25, die einen Karbonat-Bindemittelkatalysator enthält, vollständig in den umschließenden Körper 26 aus herkömmlichem polykristallinem Diamanten unter Verwendung eines Eisengruppen- Bindemittelkatalysators eingebettet wird. In diesem Fall kann das Schneidelement in der Praxis nur durch das erste oben angeführte Verfahren hergestellt werden, durch das die Einlage 25 vorgesintert und in eine Schicht von Diamantpulver eingebettet wird, die danach in einem anschließenden Preßvorgang gesintert und an das Substrat 27 bondiert wird.
Fig. 6 zeigt eine modifizierte Version des in Fig. 5 gezeigten Schneidelements, wobei das Schneidelement auf einem Bohrmeißel 28 angebracht und im Eingriff mit der Formation 29 gezeigt wird. In diesem Fall wird die Vorderfläche 30 der Einlage 31 zur Vorderfläche 32 des umschließenden Körpers 33 aus herkömmlichem polykristallinem Diamanten geneigt. Während der anfänglichen Verwendung der Bohrkrone wird der effektive negative Spitzenanschnittwinkel der Bohrkrone durch den Winkel der Vorderfläche 32 des Bohrkronenteils aus herkömmlichem polykristallinem Diamanten bestimmt. Wenn sich diese Schicht abnutzt, wird die Einlage 31 freigelegt und greift unmittelbar mit der Formation 29 ineinander. Auf Grund des Winkelunterschieds zwischen der Vorderfläche der Einlage 31 und der Schicht 32 aus herkömmlichem Diamanten arbeitet die Einlage 31 mit einem größeren negativen Spitzenanschnittwinkel an der Formation, was zu der Zeit den Bedingungen angemessener sein kann.
Bei den zuvor beschriebenen Anordnungen ist die Diamantplanscheibe, welche die Einlage und den umschließenden Körper umfaßt, als bondiert an ein Substrat beschrieben worden. Es sind jedoch ebenfalls Anordnungen möglich, bei denen die Diamantplatte nicht integriert an ein Substrat bondiert wird, sondern nur als polykristallinem Diamanten besteht.
Fig. 7 zeigt eine solche Anordnung. In diesem Fall ist die Einlage 34 aus polykristallinem Diamanten unter Verwendung eines Karbonat-Bindemittelkatalysators von geringerer Dicke als der Körper 35 aus herkömmlichem polykristallinem Diamanten, um sich so nur teilweise durch die Dicke der umschließenden Schicht zu erstrecken. Wie bei den vorherigen Anordnungen kann die Einlage 34 allgemein von kreisförmiger Gestalt sein und sich in einer entsprechend geformten Aussparung im umschließenden Körper 35 befinden, wobei die Vorderfläche 36 der Einlage in einer Ebene mit der Vorderfläche 37 des umschließenden Körpers liegt und ein Teil der Umfangsfläche 38 der Einlage eine Fortsetzung der Umfangsfläche 39 des umschließenden Körpers bildet.
Obwohl die Einlagen als von wesentlich kreisförmiger Gestalt beschrieben worden sind, können sie jede andere geeignete Gestalt haben.
Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Zahl von kleineren Körpern 40 aus polykristallinem Diamanten unter Verwendung eines Karbonat-Bindemittelkatalysators innerhalb und auf der Oberfläche eines größeren Körpers 41 aus herkömmlichem polykristallinem Diamanten unter Verwendung eines Einsengruppenkatalysators eingebettet werden.
Bei Anordnungen, bei denen der Stützkörper aus herkömmlichem polykristallinem Diamanten nicht an ein Substrat bondiert wird, wie zum Beispiel in Fig. 7 gezeigt, muß der Körper aus Diamantpulver, der dieses Material bildet, aus einer Mischung gesintert werden, die ebenfalls, in pulverisierter Form, den notwendigen Bindemittelkatalysator einschließt, ausgewählt aus Elementen der Eisengruppe oder Legierungen derselben, da es in diesem Fall kein Substrat gibt, aus dem der Bindemittelkatalysator in den Körper aus Diamantpulver wandern kann. Der Körper 35 aus herkömmlichem polykristallinem Diamanten kann gesondert vorgesintert werden oder kann zur gleichen Zeit gesintert werden, zu der er in der Presse an die Einlage 34 bondiert wird. Ähnlich kann die Einlage 34 gesondert vorgesintert oder zur gleichen Zeit gesintert werden, zu der sie an den Körper 35 aus herkömmlichem polykristallinem Diamanten bondiert wird. Folglich kann der Bestandteil von Fig. 7 durch eines von vier Verfahren geformt werden, die wesentlich den vier in Bezug auf Fig. 3 und 4 beschriebenen Verfahren entsprechen, außer daß in jedem Fall das Substrat weggelassen wird.
Bei Anordnungen, bei denen der Körper aus polykristallinem Diamanten nicht integriert an ein Substrat bondiert wird, kann das Schneidelement nach der Formung durch Hartlöten auf einem Substrat oder Träger oder unmittelbar auf dem Meißelkörper angebracht werden.
Da polykristalliner Diamant normalerweise nicht durch Hartlotlegierung benetzt werden kann, wird das Schneidelement dann vorzugsweise vor dem Hartlötvorgang mit einem metallischen Überzug geformt. Zum Beispiel kann die Oberfläche des Schneidelements durch ein bekanntes Verfahren behandelt werden, das Karbid auf der Oberfläche des Elements erzeugt, um so das Hartlöten zu ermöglichen.
Eine weitere Schneidelementform nach der Erfindung wird in Fig. 9 gezeigt. In diesem Fall wird der Körper 42 aus polykristallinem Diamanten, der einen Karbonat-Bindemittelkatalysator enthält, unmittelbar an ein Substrat 43 bondiert, ohne vollständig oder teilweise durch herkömmlichen polykristallinen Diamanten umschlossen zu werden. Die Bindung wird dadurch bewirkt, daß die Einlage auf die Vorderfläche 44 des Substrats aufgebracht und die Baugruppe in einer Presse sehr hohem Druck und sehr hoher Temperatur ausgesetzt wird.
In diesem Fall kann die Einlage 42 vorgesintert und als fester Körper auf das vorgeformte Substrat aufgebracht werden oder kann auf die Oberfläche des Substrats als eine Schicht aus Diamantpulver aufgebracht werden, die das entsprechende Karbonatpulver enthält, so daß das Sintern der Einlage 42 zur gleichen Zeit geschieht, zu der die Einlage an das Substrat 43 bondiert wird.
Bei den oben speziell beschriebenen Anordnungen wird eine ebene Grenzfläche zwischen der Einlage und dem umschließenden Körper und zwischen jedem dieser zwei Bestandteile und dem Substrat gezeigt. Wie gut bekannt ist, kann die Bindung zwischen den Bestandteilen eines zweischichtigen oder mehrschichtigen Elements aus polykristallinem Diamanten durch das Bereitstellen einer nicht-ebenen, konfigurierten Grenzfläche zwischen den Bestandteilen, d. h. bei der die bondierten Flächen der Bestandteile mit ineinandergreifenden Vorsprüngen und Aussparungen geformt werden, verbessert werden. Bei den Elementen nach der vorliegenden Erfindung können daher solche konfigurierten Grenzflächen zwischen der Einlage und dem umschließenden Körper aus herkömmlichem polykristallinem Diamanten und/oder, in Fällen, in denen das Element ein Substrat einschließt, zwischen einem Bestandteil und dem Substrat bereitgestellt werden.

Claims

1. Schneidelement, das wenigstens eine Einlage (20, 25, 31, 34, 40) aus polykristallinem Diamanten von einer Art einschließt, die ein Karbonat als einen sinternden Bindemittelkatalysator enthält, wobei die Einlage (20, 25, 31, 34, 40) wenigstens teilweise von einem Stützkörper (21, 26, 33, 35, 41) aus polykristallinem Diamanten von einer Art umschlossen wird, die einen sinternden Bindemittelkatalysator enthält, der aus den Elementen der Eisengruppe oder Legierungen derselben gewählt wird.

2. Schneidelement nach Anspruch 1, bei dem die Einlage (20, 25, 31, 34, 40) und der Stützkörper (21, 26, 33, 35, 41) jeder in der Form einer Platte sind, die eine vordere Fläche, eine hintere Fläche und eine Umfangsfläche hat.

3. Schneidelement nach Anspruch 2, bei dem die vordere Fläche sowohl der Einlage (20, 25, 34) als auch des Stützkörpers (21, 26, 35) wesentlich parallel zur hinteren Fläche derselben ist.

4. Schneidelement nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem ein Teil der Umfangsfläche der Einlage (20, 34) eine Fortsetzung der Umfangsfläche des Stützkörpers (21, 35) bildet.

5. Schneidelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die vordere Fläche der Einlage (20, 25, 34) wesentlich in einer Ebene mit der vorderen Fläche des Stützkörpers (21, 26, 35) ist.

6. Schneidelement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die hintere Fläche der Einlage (20, 25, 34) wesentlich in einer Ebene mit der hinteren Fläche des Stützkörpers (21, 26, 35) ist.

7. Schneidelement nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem die Dicke der Einlage (20, 34) zwischen der vorderen und der hinteren Fläche derselben wesentlich die gleiche ist wie die Dicke des Stützkörpers (21, 35).

8. Schneidelement nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem die Umfangsfläche der Einlage (20, 25, 31, 34) wenigstens teilweise kreisförmig ist.

9. Schneidelement nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem die Umfangsfläche des Stützkörpers (21, 26, 33, 35, 41) wenigstens teilweise kreisförmig ist.

10. Schneidelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Abschnitt der Einlage (20, 34, 40) an einer Fläche des Stützkörpers (21, 35, 41) freiliegt.

11. Schneidelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Einlage (25, 31) vollständig in den Stützkörper (26, 33) eingebettet ist, so daß kein Teil der Einlage (25, 31) freiliegt.

12. Schneidelement nach Anspruch 11, wenn Anspruch 11 entweder unmittelbar oder mittelbar von Anspruch 2 abhängt, bei dem die vordere Fläche der Einlage (31) zur vorderen Fläche des Stützkörpers (33) geneigt ist.

13. Schneidelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Vielzahl von Einlagen (40), eingebettet in einen größeren Stützkörper (41), bereitgestellt werden.

14. Schneidelement nach einem der Ansprüche 2 bis 13, bei dem die hintere Fläche des Stützkörpers (21, 26, 33) an eine Fläche eines Substrats (19, 27) aus einem Material gebunden ist, das weniger hart ist als der Stützkörper.

15. Schneidelement nach Anspruch 14, bei dem die Einlage (20, 25, 31) und der Stützkörper (21, 26, 33) einen kombinierten Körper bilden, der sich wesentlich gemeinsam mit dem Substrat (19, 27) erstreckt.

16. Schneidelement nach Anspruch 14, bei dem die hintere Fläche der Einlage (20) in einer Ebene mit der hinteren Fläche des Stützkörpers (21) liegt und außerdem an die Fläche des Substrats (19) gebunden ist.

17. Verfahren zum Formen eines Schneidelements des in Anspruch 1 beanspruchten Typs, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Vorsintern der Einlage (20, 25, 31, 34, 40) in einer Hochdruck-Hochtemperaturpresse, die vorgesinterte Einlage (20, 25, 31, 34, 40) wenigstens teilweise mit einer Mischung umgeben, die Diamanipulver und einen Bindemittelkatalysator, gewählt aus den Elementen der Eisengruppe oder Legierungen derselben, einschließt, und

die vorgesinterte Einlage (20, 25, 31, 34, 40) und die Pulvermischung in einer Presse hohem Druck und hoher Temperatur aussetzen, um die Mischung zu sintern und an die vorgeformte Einlage zu binden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, das den weiteren Schritt einschließt, die Einlage (20, 25, 31, 34, 40) und die Mischung, die Diamantpulver und Bindemittelkatalysator einschließt, auf ein vorgeformtes Substrat (19, 27) aufzubringen, bevor die Einlage (20, 25, 31, 34, 40), die Mischung und das Substrat (19, 27) in einer Presse hohem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt werden, so daß die Einlage (20, 25, 31, 34, 40) und der Stützkörper (21, 26, 33, 35, 41) an das Substrat (19, 27) gebunden werden.

19. Verfahren zum Formen eines Schneidelements des in Anspruch 1 beanspruchten Typs, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Vorsintern der Einlage (20, 25, 31, 34, 40) in einer Hochdruck-Hochtemperaturpresse,

Vorformen eines Substrats (19, 27), das einen sinternden Bindemittelkatalysator, gewählt aus den Elementen der Eisengruppe oder Legierungen derselben, enthält,

Bilden einer Baugruppe durch das Aufbringen der vorgesinterten Einlage (20, 25, 31, 34, 40) und eines Körpers (21, 26, 33, 35, 41) einschließlich von Diamantpulver auf eine Fläche des Substrats (19, 27) in einer solchen Weise, daß das Diamantpulver wenigstens teilweise die Einlage (20, 25, 31, 34, 40) umschließt, und

die Baugruppe in einer Presse hohem Druck und hoher Temperatur aussetzen, um zu bewirken, daß etwas von dem im Substrat (19, 27) enthaltenen sinternden Bindemittelkatalysator aus dem Substrat (19, 27) in den Körper aus Diamantpulver wandert, wodurch das Diamanipulver gesintert und sowohl an das Substrat (19, 27) als auch an die Einlage (20, 25, 31, 34, 40) gebunden wird und die Einlage ebenfalls an das Substrat (19, 27) gebunden wird.

20. Verfahren zum Formen eines Schneidelements des in Anspruch 1 beanspruchten Typs, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Vorsintern der Einlage (20, 25, 31, 34, 40) in einer Hochdruck-Hochtemperaturpresse, gesondertes Vorsintern des Stützkörpers (21, 26, 33, 35, 41) in einer Hochdruck- Hochtemperaturpresse,

Verbinden der vorgesinterten Einlage (20, 25, 31, 34, 40) und des Stützkörpers (21, 26, 33, 35, 41) miteinander in einer Baugruppe, bei welcher der Stützkörper wenigstens teilweise die Einlage umschließt, und die Baugruppe in einer Presse hohem Druck und hoher Temperatur aussetzen, um die Einlage an den Stützkörper zu binden.

21. Verfahren nach Anspruch 20, das den weiteren Schritt einschließt, die vorgesinterte Einlage und den Stützkörper auf ein vorgeformtes Substrat (19, 27) aufzubringen, bevor die Einlage, der Stützkörper und das Substrat in einer Presse hohem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt werden, so daß die Einlage und der Stützkörper an das Substrat gebunden werden.

22. Verfahren zum Formen eines Schneidelements des in Anspruch 1 beanspruchten Typs, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Bilden einer ersten Mischung, die Diamantpulver und einen pulverisierten Karbonat- Bindemittelkatalysator einschließt,

Bilden einer zweiten Mischung, die Diamantpulver und einen pulverisierten Bindemittelkatalysator, gewählt aus den Elementen der Eisengruppe oder Legierungen derselben, einschließt,

Anordnen von Körpern aus den Mischungen, so daß die zweite Mischung wenigstens teilweise die erste Mischung umschließt, und

die Mischungen in einer Presse hohem Druck und hoher Temperatur aussetzen, um die erste und die zweite Mischung zu sintern und sie aneinander zu binden.

23. Verfahren nach Anspruch 22, das den weiteren Schritt einschließt, die Mischungen aus Diamantpulver und Bindemittelkatalysator auf ein vorgeformtes Substrat aufzubringen, bevor die Mischungen und das Substrat in einer Presse hohem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt werden, so daß die Einlage und der Stützkörper, geformt aus den Mischungen, an das Substrat gebunden werden.

24. Verfahren zum Formen eines Schneidelements des in Anspruch 1 beanspruchten Typs, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Bilden einer Mischung, die Diamantpulver und einen pulverisierten Karbonat- Bindemittelkatalysator einschließt,

Vorformen eines Substrats, das einen sintemden Bindemittelkatalysator, gewählt aus den Elementen der Eisengruppe oder Legierungen derselben, enthält,

Bilden einer Baugruppe durch das Aufbringen eines Körpers aus der Mischung und eines Körpers einschließlich von Diamantpulver auf die Fläche des Substrats in einer solchen Weise, daß der Körper einschließlich des Diamantpulvers wenigstens teilweise den Körper aus der Mischung umschließt, und

die Baugruppe in einer Presse hohem Druck und hoher Temperatur aussetzen, um die Mischung zu sintern und sie an das Substrat zu binden und um zu bewirken, daß etwas von dem im Substrat enthaltenen sinternden Bindemittelkatalysator aus dem Substrat in den Körper aus Diamantpulver wandert, wodurch das Diamantpulver gesintert und sowohl an das Substrat als auch an die gesinterte Mischung gebunden wird.

25. Verfahren zum Formen eines Schneidelements des in Anspruch 1 beanspruchten Typs, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Vorsintern des Stützkörpers in einer Hochtemperatur-Hochdruckpresse,

Verbinden der Mischung mit dem vorgesinterten Stützkörper, um eine Baugruppe zu bilden, in welcher der Stützkörper die Mischung wenigstens teilweise umschließt, und

die Baugruppe in einer Presse hohem Druck und hoher Temperatur aussetzen, um die Einlage zu sintern und die Einlage an den vorgesinterten Stützkörper zu binden.

26. Verfahren nach Anspruch 25, das den weiteren Schritt einschließt, die Baugruppe auf ein vorgeformtes Substrat (19, 27) aufzubringen, bevor die Baugruppe und das Substrat in einer Presse hohem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt werden, so daß die Einlage und der Stützkörper an das Substrat gebunden werden.