DE68916572T2

DE68916572T2 - Schneidelement für Drehbohrmeissel und dessen Herstellung.

Info

Publication number: DE68916572T2
Application number: DE68916572T
Authority: DE
Inventors: John Denzil Barr; Thomas Alexander Newton
Original assignee: Camco Drilling Group Ltd
Current assignee: Camco Drilling Group Ltd
Priority date: 1988-04-05
Filing date: 1989-04-04
Publication date: 1995-01-12
Anticipated expiration: 2009-04-05
Also published as: EP0336698B1; EP0336698A2; US5025874A; GB2218134B; GB2216929B; EP0336697B1; DE68910561D1; US4995887A; EP0336698A3; GB8907557D0; GB2216929A; GB2218134A; GB8907558D0; EP0336697A3; DE68916572D1; EP0336697A2

Description

Die Erfindung betrifft Schneidelemente für Drehbohrmeißel für Bohr- und Aufschlußbohrlöcher in unterirdischen Formationen. Sie betrifft insbesondere Drehbohrmeißel, welche einen Meißelkörper besitzen, der einen Schaft zur Verbindung mit einem Bohrstrang, eine Arbeits-Endseite, an welcher eine Vielzahl von sogenannten "vorgeformten" Schneidelementen befestigt sind, und einen Durchgang zur Zuführung von Bohrfluid zu der Arbeitsseite des Meißels zum Zwecke der Kühlung und/oder Reinigung der Schneidelemente aufweist.
Jedes vorgeformte Schneidelement umfaßt eine dünne Schicht aus polykristallinem Diamant oder einem anderen superharten Material, die auf eine weniger harte Tragschicht, gewöhnlich Wolframkarbid, gebondet ist. Die zweischichtige Anordnung des Schneidelementes sorgt für einen gewissen Grad der Selbstschärfung, weil während der Funktion, die weniger harte Tragschicht leichter abgenutzt wird als die härtere Schneidschicht. Die vorgeformten Schneidelemente sind gewöhnlich am Meißelkörper durch Bonden befestigt, z. B. durch Hartlöten auf einen Träger, welcher z. B. die Form eines Zapfens aus Wolframkarbid haben kann und welcher in einer Fassung im Meißelkörper befestigt ist.
Die vorgeformten Teile werden normalerweise durch Heißpressen einer Schicht von polykristallinem Diamantmaterial und einer Schicht von Wolframkarbid in einer Hochdruck/Hochtemperaturpresse, gewöhnlich unter Verwendung eines Kobalt-Katalysators hergestellt. Verfahren zur Herstellung solcher vorgeformter Teile sind z. B. in der US-Patentbeschreibung Nr. 4 259 090 beschrieben.
Solche vorgeformten Schneidelemente haben gewöhnlich die Form einer kreisrunden Scheibe, und weitere Details bezüglich derartiger Meißel, die solche Schneidelemente verwenden, können z. B. dem US-Patent Nr. 4 505 342 entnommen werden.
Alle Schneidelemente dieses Typs werden bei ihrer Anwendung jedoch im Ergebnis von Abnutzungserscheinungen uneffektiv, und ein Meißel muß, nachdem eine unakzeptierbare Abnutzung eingetreten ist, außer Dienst gestellt werden. Normalerweise wird dieser Punkt erreicht, lange bevor die Hälfte jedes aus einer kreisrunden Scheibe bestehende Schneidelement abgenutzt ist. Mit Hinblick darauf können die Kosten für die Herstellung der Drehbohrmeißel manchmal in der Weise reduziert werden, daß Schneidelemente verwendet werden, welche nicht die Form einer vollständigen kreisrunden Scheibe sondern die Form einer halbkreisförmigen oder halben Scheibe aufweisen. Offensichtlich können zwei solcher Schneidelemente einfach dadurch hergestellt werden, daß man ein konventionelles kreisrundes Schneidelement in zwei Hälften schneidet. Diese halbkreisförmigen Schneidelemente können auf den Trägern oder direkt auf dem Meißelkörper vielfach in derselben Weise wie die kreisrunden Schneidelemente befestigt werden, und gewöhnlich bildet die runde Kante jedes halbkreisförmigen Elementes die Schneidkante, welche in die Formation während ihrer Funktion eingreift.
Wenn jedoch ein halbkreisförmiges Schneidelement auf einem Träger, wie z. B. einem Zapfen, befestigt wird, bildet das Element eine scharfe, rechtwinklige innere Kante zur Oberfläche des Trägers, auf welchem sie, gewöhnlich durch Hartlöten, befestigt ist. In diesem Bereich können während der Funktion Spannungskonzentrationen auftreten, die dazu führen, daß der Träger infolge einer Haarrißbildung, welche in diesem Bereich beginnt und sich dann durch den gesamten Träger ausbreitet, zu Bruch und Ausfall neigt.
Ein anderes Problem ist darin zu sehen, daß die Verwendung von halbkreisförmigen Schneidelementen den Oberflächenbereich jedes Elementes vermindert, mit welchem es auf den Träger oder den Meißelkörper gelötet ist. Dies vermindert den Scherwiderstand der Bondung und macht sie gegenüber Ausfall und Ablösung des Schneidelementes anfälliger.
EP-A-0104893, welche die Grundlage für den Oberbegriff des Patentanspruches 1 bildet, offenbart ein vorgeformtes Schneidelement, bei welchem die superharte Schicht einen kleineren Bereich als die Tragschicht umfaßt, und welche in einer geformten Ausnehmung in der Tragschicht aufgenommen ist. Die Tragschicht ist kreisrund und die superharte Schicht umfaßt eine Scheibe desselben Gesamtdurchmessers wie die Tragschicht von welcher aber ein sichelförmiges Kantenteil entfernt wurde. Die Vorderseite der superharten Schicht liegt in einer Ebene mit der sichelförmigen Vorderseite des Teiles der Tragschicht, welche an die Ausnehmung angrenzt. Das Herstellungsverfahren und die Zusammenfügung der superharten Schicht und der Tragschicht sind nicht im Detail beschrieben. Es ist jedoch dargestellt, daß die superharte Schicht möglicherweise auf die Tragschicht hart aufgelötet wird, indem darauf hingewiesen wird, daß die zwei Schichten getrennt vorbereitet und geformt und danach zusammengebondet werden sollen.
EP-A-0135423, welche die Grundlage für den Oberbegriff des Patentanspruches 12 bildet, offenbart ein Herstellungsverfahren für zwei Schneidelemente, bei denen zuerst eine mehrschichtige Zwischenstruktur in einer Hochdruck/Hochtemperaturpresse geformt wird und dann die Zwischenstruktur in zwei Teile zerschnitten wird. Die Zwischenstruktur umfaßt eine Mittelschicht aus Wolframkarbid, auf deren sich gegenüberliegende Seiten dünne Schichten aus polykristallinem Diamant gebondet werden. Der nachfolgende Schnitt durchdringt nur die weniger harte Wolframkarbidschicht und ist so geneigt, daß zwei Schneidelemente entstehen, bei welchen die Tragschicht in der Dicke variiert.
Eine der Aufgaben der Erfindung ist es, ein vorgeformtes Schneidelement und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Elementes zu entwickeln, mit welchem die gegebenen Kostenvorteile der aus halben Scheiben bestehenden Schneidelemente beibehalten werden, bei welchen aber die oben beschriebenen Probleme überwunden werden.
Obgleich, wie vorstehend erwähnt, die vorgeformten Schneidelemente der Art, auf welche sich die vorliegende Erfindung bezieht, gewöhnlich zwei Schichten umfaßt, sind auch vorgeformte Elemente, die aus mehr als zwei Schichten bestehen, bekannt, und die Erfindung ist auch auf solche Elemente anwendbar. Insbesondere die gleichzeitig schwebende britische Patentanmeldung Nr. 8807875-3 beschreibt Schneidelemente, auf welche eine weitere Vorderschicht aus weniger hartem Material, gewöhnlich wiederum Wolframkarbid, auf die Vorderseite der Diamantschicht gebondet ist, und diese sich über zumindest den größeren Teil von dieser erstreckt. Weil das weniger harte Material der weiteren Schicht eine bessere Spannungsfestigkeit aufweist als die Diamantschicht, kann dies das Schneidelement in die Lage versetzen, der Spannungsbeanspruchung besser zu widerstehen und ermöglicht es so, einen positiveren hinteren Schneidwinkel der Diainantschicht anzuwenden.
Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Herstellung von vorgeformten Schneidelementen vor.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein vorgeformtes Schneidelement für einen Drehbohrmeißel geschaffen, der eine Schicht aus superhartem Material mit einer Vorderseite und einer Rückseite aufweist, wobei die Rückseite der superharten Schicht auf die Vorderseite einer Tragschicht aus weniger hartem Material gebondet ist und diese Schichten während der Bildung zweier Schichten in einer Hochdruck/Hochtemperaturpresse zusammengebondet werden, und die Tragschicht eine Rückseite aufweist, deren Fläche wesentlich größer als die Rückseite der superharten Schicht ist, die superharte Schicht nur mit einem Teil der Vorderseite der Tragschicht verbunden ist, so daß die Vorderseite einen anderen Teil hat, welcher frei von der superharten Schicht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite der superharten Schicht in einer anderen Ebene als der andere Teil der Vorderseite der Tragschicht angeordnet ist, um so eine Stufe entlang wenigstens eines Teils der Verbindung zwischen der superharten Schicht und dem anderen Teil der Vorderseite der Tragschicht zu bilden.
Die superharte Schicht besteht vorzugsweise aus polykristallinem Diamantmaterial und die Tragschicht besteht vorzugsweise aus Wolframkarbid.
Weil die Rückseite der Tragschicht, welche in Funktion auf einen Träger gebondet ist, eine größere Fläche umfaßt als die Diamantschicht, sollte die Tragschicht fertig geformt, dimensioniert und angeordnet werden, um die Spannungskonzentration und das Risiko der Spannungsrißbildung, welches sonst an der Verbindung zwischen der Tragschicht und der Oberfläche des Trägers besteht, zu vermeiden. Weil jedoch die Diamantschicht insgesamt in der Fläche kleiner als die Tragschicht ist, kann das Schneidelement mit geringeren Kosten als konventionelle Schneidelemente, bei denen die Diamantschicht mit der Tragschicht übereinstimmt, hergestellt werden, insbesondere wenn das im folgenden beschriebene Verfahren angewendet wird.
Wie vorstehend erwähnt, werden die erfindungsgemäßen vorgeformten Schneidelemente durch Heißpressen der Schicht aus polykristallinem Diamantmaterial und der Schicht aus Wolframkarbid in einer Hochdruck/Hochtemperaturpresse hergestellt. Dementsprechend bezieht sich das "Bonden" der superharten oder Diamantschicht auf die Tragschicht entsprechend des oben genannten Standes der Technik nur auf den Fall, bei dem die superharte Schicht auf die Tragschicht während der Bildung der beiden Schichten in solch einer Presse durchgeführt wird. Es ist nicht beabsichtigt, die Anordnungen abzudecken, bei denen eine vorgeformte Diamant- oder andere superharte Schicht nachfolgend auf einer getrennt vorgeformten Tragschicht, z. B. durch Hartlöten, befestigt wird.
Vorzugsweise ist die Fläche der Rückseite der superharten Schicht kleiner als 75 % der Fläche der Rückseite der Tragschicht. Z. B. kann die Fläche der Rückseite der superharten Schicht im wesentlichen die halbe Fläche der Rückseite der Tragschicht einnehmen. Somit kann in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Tragschicht im wesentlichen kreisrund geformt sein, während die superharte Schicht von im wesentlichen halbkreisförmiger Gestalt ist.
Die zwei Teile der Vorderseite der Tragschicht können selbst in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein, so daß sich eine Stufe zwischen ihnen bildet, wobei die superharte Schicht auf eines der Teile gebondet ist. Vorzugsweise erstreckt sich die superharte Schicht über im wesentlichen die gesamte Vorderseite des einen Teiles der Tragschicht.
In allen erfindungsgemäßen Anordnungen ist die Oberfläche der Stufe vorzugsweise unter einem stumpfen Winkel nach beiden Flächenteilen abgewinkelt. Alternativ oder zusätzlich ist die Verbindung zwischen der Stufe und dem unteren der beiden Flächenteile konkav gekrümmt. Beide Maßnahmen können die Spannungskonzentration an der Verbindung vermindern.
Die Schneidelemente können weitere Materialschichten umfassen, die auf die superharte und/oder die Tragschicht gebondet sind. Z. B. kann, wie vorstehend erwähnt, das Schneidelement aus einer Vorderschicht aus weniger hartem Material auf eine Vorderseite einer superharten Schicht gebondet sein und sich über mindestens den größeren Teil dieser ausdehnen.
Nach einem zweiten Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von vorgeformten Schneidelementen vor, das die Verfahrensschritte des Formens in einer Hochdruck/Hochtemperaturpresse zu einer Zwischenstruktur mit einer Schicht aus superhartem Material und einer Schicht aus weniger hartem Material und dann des Schneidens der Zwischenstrukturen zur Bereitstellung von wenigstens zwei Teilen umfaßt, wobei jeder Teil eine Schicht aus superhartem Material und eine Schicht aus dem weniger harten Material umfaßt, und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zwischenstruktur eine einzige Schicht oder zwei in der gleichen Ebene liegende, im Abstand angeordnete Teil schichten des superharten Material enthält, welche zwischen zwei äußeren Schichten des weniger harten Materials befestigt sind, wobei die äußeren Schichten jeweils gegenüberliegende Außenflächen der Zwischenstruktur bereitstellen, und daß die Zwischenstruktur dann durch einen Schnitt in wenigstens zwei Teile geschnitten wird, welcher quer durch die Dicke der einzigen Schicht des superharten Materials oder quer zwischen den beiden in Abstand voneinander angeordneten Schichten des superharten Materials hindurchgeht, so daß jeder der beiden Teile einen Teil des superharten Materials und wenigstens einen Hauptteil einer jeweiligen Schicht der beiden Schichten aus weniger hartem Material umfaßt.
Das superharte Material ist wiederum vorzugsweise Polykristallines Diamantmaterial und das weniger harte Material ist vorzugsweise Wolframkarbid.
Vorzugsweise wird die Zwischenstruktur im wesentlichen symmetrisch durchschnitten, so daß die beiden Teile im wesentlichen ähnlich sind.
Im Falle, daß das superharte Material aus einer einzigen Schicht besteht, kann die Zwischenstruktur mit einem Schnitt in zwei Teile geteilt werden, welcher einen ersten Abschnitt aufweist, der im wesentlichen parallel zu einer Seite des superharten Materials verläuft, sowie einen zweiten Abschnitt, welcher quer durch die superharte Schicht verläuft und einen dritten Abschnitt, welcher im wesentlichen parallel zur anderen Seite des superharten Materials verläuft.
Die ersten und dritten Abschnitte des Schnittes können von den jeweiligen angrenzenden Seiten der superharten Schicht beabstandet sein, oder sie können sich entlang dieser Seiten erstrecken.
Der Schutzumfang der Erfindung erfaßt einen Drehbohrmeißel der Gattung, auf die zuerst Bezug genommen wurde, und der Schneidelemente aufweist, auf die oben Bezug genommen wurde, oder die durch eines der oben genannten Verfahren hergestellt wurden.
Nachstehend erfolgt eine genauere Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung, wobei auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird:
Figur 1 ist eine Seitenansicht eines typischen Drehbohrmeißels der Gattung, auf welche die Erfindung anwendbar ist, und welcher erfindungsgemäße Schneidelemente enthält,
Figur 2 ist eine Draufsicht auf die Vorderseite des in Figur 4 dargestellten Drehbohrmeißels,
Figur 3 ist eine schematische Seitenansicht eines konventionellen Aufbaues einer Schneide, die aus einem kreisförmigen Schneidelement besteht, das auf einem Zapfen befestigt ist,
Figur 4 ist eine ähnliche Ansicht einer alternativen Schneidenstruktur nach dem Stand der Technik, die ein halbkreisförmiges Schneidelement umfaßt, das auf einem Zapfen befestigt ist,
Figur 5 ist eine der Figur 4 ähnliche Ansicht und zeigt eine Schneidenstruktur nach dem Stand der Technik, nachdem diese während der Funktion abgenutzt wurde,
Figur 6 ist eine Seitenansicht einer vorgeformten Zwischenstruktur, aus welcher erfindungsgemäß zwei Schneidelemente durch einen Schnitt entlang der strichpunktierten Linie hergestellt werden können,
Figur 7 ist eine Seitenansicht der Struktur nach Figur 6, nachdem diese in zwei Teile zerschnitten und getrennt wurde,
Figur 8 ist eine Vorderansicht eines Schneidelementes nach Figur 7, ohne daß bei diesem die vorderste Wolframkarbidschicht durch Läppen oder in anderer Weise entfernt wurde (eine genauere Beschreibung folgt),
Figur 9 ist eine perspektivische Ansicht und zeigt, wie das Schneidelement nach Figur 8 auf einem Zapfen befestigt werden kann, welcher seinerseits in einem Drehbohrmeißelkörper angeordnet ist,
Figur 10 ist eine Seitenansicht eines Schneidelementes, das entsprechend den Figuren 6 und 7 geformt wurde, bei dem aber die vorderste dünne Schicht aus Wolframkarbid, z. B. durch Läppen, entfernt wurde,
Figur 11 ist eine Seitenansicht einer weiteren Form eines erfindungsgemäßen Schneidelementes, das auf einem Zapfen befestigt ist,
Figur 12 ist eine Seitenansicht einer alternativen Form einer Zwischenstruktur, aus der zwei Schneidelemente gewonnen werden können,
Figur 13 ist eine ähnliche Ansicht einer weiteren Form einer Zwischenstruktur und
Figur 14 ist eine schematische Seitenansicht einer Schneidenstruktur unter Verwendung eines Schneidelementes, das aus einer Zwischenstruktur nach Figur 13 hergestellt wurde.
Die Figuren 1 und 2 zeigen einen gesamten Drehbohrmeißel der Gattung, auf welche die vorliegende Erfindung anwendbar ist.
Der Meißelkörper 10 ist in typischer Weise aus einer Wolframkarbidmatrix geformt, in welche eine Legierungs-Bindephase infiltriert wurde, und besitzt einen Gewindezapfen 11 an einem Ende zur Verbindung mit dem Bohrstrang.
An die Arbeitsseite des Meißelkörpers sind eine Anzahl von Schneidblättern 13 angeformt, die radial aus dem mittleren Teil des Meißels hervorstehen; die Blätter tragen Schneideinheiten 14, die über deren Länge beabstandet angeordnet sind.
Der Kaliberbereich 15 des Meißels umfaßt Stoßelemente 16, welche Kontakt zu den Wänden des Bohrloches halten, um den Meißel im Bohrloch zu stabilisieren. Ein (nicht dargestellter) Durchgang im Meißelkörper und im Schaft führt Bohrfluid durch die Düsen 17 in bekannter Weise zur Arbeitsseite 12.
Es wird darauf hingewiesen, daß dies nur ein Beispiel für viele mögliche Varianten von für die Erfindung verwendbaren Meißeltypen ist, einschließlich solcher Meißel, deren Körper aus Stahl besteht.
In solchen Bohrmeißeln umfaßt jede Schneideinheit 14 ein vorgeformtes Schneidelement, das an einem Träger in der Form eines Zapfens befestigt ist, welcher in einer Fassung im Meißelkörper angeordnet ist. Bei dem Bohrmeißel nach den Figuren 1 und 2 sind die Schneideinheiten 14 von der in Figur 9 dargestellten Art und umfassen ein vorgeformtes Schneidelement 118, das nach dem noch zu beschreibenden Verfahren hergestellt wurde, und auf einem Träger 130 in Form eines Zapfens angeordnet ist. Der Bohrmeißel kann jedoch alternativ Schneideinheiten mit Schneidelementen all der anderen erfindungsgemäßen Formen aufweisen.
Figur 3 ist eine schematische Seitenansicht einer typischen Schneideinheit nach dem Stand der Technik, welche ein Schneidelement 18 besitzt, das durch Bonden, gewöhnlich durch Hartlöten, auf die Oberfläche 19 eines im allgemeinen zylindrischen Wolframkarbidzapfens 20 aufgebracht wird, welcher in einer Fassung 21 in einem Blatt 22, die an der Arbeitsseite des Meißelkörpers angeformt ist, aufgenommen wird.
In der dargestellten Anordnung umfaßt das Schneidelement 18 eine vollkommen kreisförmige Platte oder Scheibe mit einer vorderen Schicht 23 aus polykristallinem Diamant, die die vordere Schneidseite des Elementes darstellt, welche auf eine Tragschicht 24 aus gesintertem Wolframkarbid gebondet ist.
Solche Schneideinheiten nutzen sich bei der Funktion des Meißels ab, so daß sich eine Abflachung an dem nach außen vorstehenden Teil des Schneidelementes und des Zapfens, wie dies z. B. durch die Strichpunktlinie bei 25 angedeutet ist, bildet. In der Praxis wird der Bohrmeißel unwirksam und unbenutzbar, wenn eine bestimmte Zahl von Schneideinheiten an der Oberfläche des Meißels auf eine solche Höhe abgenutzt wurden, wie sie durch die strichpunktierte Linie bei 25 angedeutet ist. Es ist jedoch ersichtlich, daß wenn dieser Punkt erreicht ist, nur ein vergleichweise kleiner Teil des Schneidelementes abgenutzt ist und der größere Teil des Schneidelementes keinen Anteil an der Schneidfunktion genommen hat.
Im Hinblick darauf wurde vorgeschlagen, Kosten zu sparen, indem halbkreisförmige Schneidelemente, welche allgemein eine halbkreisförmige Form aufwiesen, einzusetzen. Es ist einzusehen, daß zwei solche Schneidelemente gewonnen werden können, indem ein konventionelles rundes Schneidelement durch Schneiden halbiert wird, und obwohl die Kosten des Schneidvorganges in Betracht gezogen werden müssen, ist jedes so entstehende halbkreisförmige Schneidelement billiger als ein aus einer vollen Scheibe bestehendes Schneidelement.
Figur 3 zeigt solch ein halbkreisförmiges Schneidelement 26, das auf einer Fläche 27 eines Zapfens 28 befestigt ist. Der gekrümmte Teil der peripheren Fläche 29 des halbkreisförmigen Schneidelementes befindet sich an der äußersten Stelle und bildet die Schneidkante 30, während die gerade flache Kante 31 des Schneidelementes von der zu bearbeitenden Formation am weitesten entfernt ist.
Wie aus Figur 4 zu erkennen ist, wird in dieser Anordnung eine scharfe rechtwinklige Verbindung 32 zwischen der geraden flachen Fläche 31 des halbkreisförmigen Schneidelementes und der Oberfläche 27 des Zapfens an der Schnittstelle gebildet, an der das Schneidelement auf die Oberfläche hart gelötet ist. Es hat sich herausgestellt, daß diese Anordnung zu einer Spannungskonzentration an der Verbindungsstelle 32 im Ergebnis der während der Funktion auf die Schneideinheit wirkenden Schneidkräfte führt, wie dies durch den Pfeil 33 angedeutet ist. Es hat sich gezeigt, daß diese Spannungskonzentration zu Rissen im Bereich 32 führt, und die Schneideinheiten dieser Art zeigen, infolge von Spannungsrißbildungen im Zapfen, eine Neigung zum Ausfallen, wie dies schematisch bei 34 in Figur 4 angedeutet ist.
Weiterhin ist es offensichtlich, daß der Bereich der hinteren Fläche des halbkreisförmigen Schneidelementes 26, welches auf die Fläche 27 hart gelötet ist, nur die Hälfte der Lötfläche von der Anordnung nach Figur 3 mit einer vollständigen Scheibe umfaßt. Dies vermindert die Scherfestigkeit der Bondung und erhöht die Neigung der Bondung zum Ausfall durch Abscheren infolge von Meißelbelastungskräften, wie dies bei 35 in Figur 4 angedeutet ist.
Diese Neigung zu Ausfällen durch Abscheren steigt mit der Abnutzung der Schneideinheit während der Funktion. Figur 5 zeigt die in Figur 4 dargestellte Schneideinheit, nachdem Abnutzung eingetreten ist, und es ist zu erkennen, daß diese die Fläche der Bondung zwischen dem Schneidelement 26 und der Fläche 27 vermindert, was eine weitere Minderung der Scherfestigkeit zur Folge hat.
Die Figuren 6 bis 14 zeigen verbesserte Formen des Schneidelementes und auch ein Verfahren zur Herstellung solcher Elemente, welche im Vergleich zu konventionellen, aus ganzen Scheiben bestehenden Schneidelementen, bedeutende Kostenvorteile ergeben.
Figur 6 zeigt eine Zwischenstruktur zur Anwendung bei der Herstellung von zwei erfindungsgemäßen Schneidelementen. Die Struktur hat im wesentlichen die Form einer kreisrunden Platte oder Scheibe und umf aßt eine Schicht 110 aus polykristallinem Diamant, auf deren zwei entsprechende Breitseiten etwas dickere Schichten 112 und 113 aus gesintertem Wolframkarbid gebondet sind. Eine solche Struktur kann nach einer allgemein bekannten Technologie hergestellt werden, und insbesondere in der Weise, wie die bekannten, vollkommen kreisrunden vorgeformten Schneidelemente hergestellt werden, mit der Ausnahme, daß dabei zwei Wolframkarbidschichten 112 und 114 auf den entsprechenden Seiten der polykristallinen Diamantschicht 110 statt nur einer einzigen Wolframkarbidschicht angeordnet und aufgebondet werden.
Erfindungsgemäß können zwei Schneidelemente aus der Zwischenstruktur nach Figur 6 durch Schneiden entlang der strichpunktierten Linie 116 hergestellt werden. Die zwei daraus resultierenden Schneidelemente sind in Figur 7 als entsprechende Teile 118 und 120 dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, daß die Schnittlinie 116 aus drei Abschnitten besteht: Ein erster Abschnitt 116a erstreckt sich parallel zu den Breitseiten der Schichten 110, 112 und 114 und befindet sich innerhalb der Schicht 112, mit Abstand von der gegenüberliegenden Fläche der Diamantschicht 110. Dieser Abschnitt 116a erstreckt sich mit etwas weniger als der Hälfte des gesamten Abstandes durch die Struktur. An diesem Punkt wechselt die Schneidrichtung zum Abschnitt 116b, welcher abgewinkelt ist, so daß er quer durch das vorgeformte Teil aber ebenfalls durch die Diamantschicht 110 und etwas in die Wolframkarbidschicht 114 verläuft. Das obere Ende des Abschnittes 116b des Schnittes liegt in gleicher Entfernung von der Oberseite der Struktur wie sein unteres Ende von der Unterseite. Die Spitze des Abschnittes 116b schneidet sich mit dem dritten Abschnitt 116c, welcher, wie Abschnitt 116a, sich parallel zu den Breitseiten der Schichten der Struktur, jedoch etwas beabstandet von der gegenüberliegenden Seite der Diamantschicht 110, erstreckt.
Nach dem Schneiden hat jedes der Elemente 118 und 120 eine Scheibenform, d. h. es bildet einen vollen Kreis, wenn man es von der Vorderseite oder der Rückseite betrachtet, wie dies in der Vorderansicht des Elementes 118, dargestellt in Figur 8, zu erkennen ist. Jedoch variieren die Dicke und die Zusammensetzung des Schneidelementes 118, wie dies am besten in Figur 7 zu erkennen ist. Genauer gesagt, während die hintere Fläche 122 des Elementes 118 eine plane Oberfläche besitzt, ist die Vorderfläche gestuft und umfaßt einen innersten Teil 124a, der parallel zur hinteren Fläche 122 liegt, eine abgeschrägte Stufe 124b, und eine plane Fläche 124c, die ebenfalls parallel zur hinteren Fläche 122, aber weiter entfernt von dieser liegt.
Es ist ebenfalls zu erkennen, daß das Element 118 Teile von Gliedern der drei ursprünglichen Schichten 110, 112 und 114 erhält. Genauer gesagt umfaßt die hintere Schicht 112a des Elementes die volle Dicke der Schicht 112 in ihrem oberen Teil (der Teil, welcher in Funktion die abzutragende Formation angreift) und Teile der Schicht 112 in verminderter Dicke entlang des untersten Teiles der Stufe 124b ebenso wie entlang des Teiles 124a der vorderen Fläche. Der oberste oder äußerste Teil des Schneidelementes 118 umfaßt auch einen im allgemeinen halbkreisförmigen oder halbscheibenförmigen Teil 110a in voller Dicke der ursprünglichen Diamantschicht 110.
Über der Schicht 110a, entlang des äußersten Teiles der Vorderfläche 124c befindet sich eine dünne Schicht von Wolframkarbid 114a, die von der ursprünglichen Schicht 114 stammt.
Das Schneidelement 120 ist identisch mit dem Schneidelement 118, aber es hat (weil zuerst geschnitten) eine umgekehrte Orientierung, wobei seine verschiedenen Teile durch die Reste der drei ursprünglichen Schichten 110, 112 und 114 gebildet werden. Kurz gesagt, das Schneidelement 120 hat eine plane hintere Seite 126 und eine gestufte vordere Seite 128, entlang welcher die Dicke des Schneidelementes insgesamt variiert. Die hinterste Schicht des Elementes 120 umfaßt ein volles kreisförmiges Teil 114b der Wolframkarbidschicht 114, deren Dicke entlang des (in Funktion) innersten oder (in Figur 7) obersten Teiles des Schneidelementes vermindert ist, ein halbkreisförmiges Teil 110b in voller Dicke der ursprünglichen Diamantschicht 110, und eine dünne halbkreisförmige Schicht 112b aus der ursprünglichen Wolframkarbidschicht 112. Im weiteren beziehen sich, wenn nicht anders angegeben, die Termini, wie z. B. "äußere" oder "vordere", auf die Orientierung des Schneidelementes an einem Meißel in Funktion mit einer vorgegebenen Drehrichtung, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Wenn notwendig, können die vordersten dünnen Wolframkarbidschichten 114a und 112b der entsprechenden Schneidelemente 118 und 120, z. B. durch Läppen, entfernt werden, so daß die Diamantschichten 110a und 110b an der vordersten Seite des Schneidelementes, vom Anfang gesehen, angeordnet sind. Figur 10 zeigt das Schneidelement 118 nach solch einem Läppvorgang. In manchen Fällen ist es jedoch ratsam, die Schichten 114a und 112b an ihrem Platz zu belassen, und ihnen zu ermöglichen, daß sie allmählich während des Bohrens abgenutzt werden. Es sollte beachtet werden, daß die äußersten Teile dieser Schichten, entlang deren Krümmungen, z. B. bei 128 in den Figuren 7, 8 und 9, sich sehr rasch abnutzen, wenn das Bohren beginnt, so daß eine sehr harte Schneidkante durch die darunterliegende Diamantschicht 110a dargeboten wird.
Figur 9 zeigt das Schneidelement 118, wie es auf einem Träger in der Form eines Zapfens 130 befestigt ist, und genauer, wie es auf einer planen, abgewinkelten Fläche 132, die an der Vorderseite des Zapfens 130, nahe seinem äußersten Ende, angeformt ist. Es ist zu erkennen, daß, wenn es so angeordnet wird, die halbrunden Schichten 110a und 114a an der äußersten und vordersten Stelle angeordnet sind, und daß ihre gebogenen Flächen am freien Ende des Zapfens angeordnet sind, um die Schneidkante zu bilden.
Weil die Stufe 124b einen stumpfen Winkel zu ihrer inneren Kante mit dem innersten Teil 124a des vorderen Teiles des Schneidelementes 118 bildet, und möglicherweise auch, weil diese Kante mehr innerhalb der monolithischen Schicht 112a aus Wolframkarbid als in der Grenzfläche zwischen dem Schneidelement und der Fläche des Zapfens angeordnet ist, wird die Gefahr der Einleitung von Rißbildungen an einer solchen inneren Kante sehr vermindert. Auch weil die hintere Fläche 122 des Schneidelementes voll kreisförmig ist, ist der Bondbereich derselbe wie bei einem vergleichbaren konventionellen Schneidelement mit einer vollen Scheibe, und es ergibt sich deshalb kein Verlust an Scherfestigkeit der Bondung, wenn man es mit einem Schneidelement mit voller Scheibe vergleicht.
Weiterhin wird, obgleich die ursprüngliche Zwischenstruktur nach Figur 6 soviel Wolframkarbid wie zwei konventionelle Schneidelemente mit voller kreisförmiger Scheibe verbraucht, nur halb soviel polykristalliner Diamant verbraucht. Auch ist die axiale Länge oder Dicke der Zwischenstruktur geringer als die zusammengefaßte Dicke von zwei konventionell voll kreisförmigen Schneidelementen, und so braucht es weniger Platz in der Hochtemperatur/Hochdruckpresse, in welcher solche Elemente geformt werden. Dementsprechend ist es möglich, mehr Schneidelemente in jedem Preßzyklus herzustellen und dabei die Kosten zu reduzieren. Somit kann die Schneidelementstruktur und das beschriebene Verfahren zu deren Herstellung viel von der Kosteneffektivität bei Verwendung einfacher halbkreisförmiger Schneidelementtypen beibehalten, ohne jedoch die vorerwähnten Probleme, die mit der Anwendung solcher Schneidelemente in der Praxis verbunden sind, aufzuwerfen.
Figur 11 ist eine Seitenansicht einer alternativen Form eines Schneidelementes 134, das erfindungsgemäß hergestellt und auf einem Zapfen 136 angeordnet ist.
Das Element 134 ist anfänglich den Elementen 118 und 120 etwas ähnlich, aber in diesem Falle folgt der mittlere Teil des Schnittes, welcher die Zwischenstruktur teilt, einer im wesentlichen S-förmigen Linie, so daß die Stufe zwischen den beiden Teilen des Schneidelementes innen abgerundet ist, wie dies bei 138 angedeutet ist. Dies vermindert weiter das Risiko der Rißbildung.
In der dargestellten speziellen Konstruktion werden die Teile des Schneidelementes 134, welche über die Peripherie des Zapfens 136 in axialer Betrachtung hervorstehen, nach der Befestigung des Schneidelementes 134 auf dem Zapfen 136, z. B. durch Hartlöten, weggeschliffen; solche Teile sind in Figur 11 durch eine gestrichelte Linie bei 140 dargestellt.
Die Figuren 12 und 13 sind den Darstellungen in Figur 6 ähnlich und zeigen weitere alternative Formen von Zwischenstrukturen, aus denen zwei Schneidelemente hergestellt werden können.
In der Anordnung nach Figur 12 ist die Diamantschicht in zwei in gleicher Ebene liegende Teile 142 und 144 geteilt, wobei die zwei Teile an gegenüberliegenden Seiten einer Durchmesserlinie der Zwischenstruktur 146 zueinander beabstandet angeordnet sind, um eine längliche Lücke 148 zu bilden, welche mit Wolframkarbid gefüllt ist, die die zwei äußeren Schichten 150 und 152 miteinander verbindet. Eine solche Anordnung erleichtert das Zerschneiden der Zwischenstruktur in zwei Teile, weil die Schneidlinie 154 nicht durch das polykristalline Diamantmaterial gehen muß, sondern nur durch Wolframkarbid. Dies beschleunigt den Schneidprozeß und vermindert so dessen Kosten. In allen beschriebenen Anordnungen wird die Zwischenstruktur in zwei Teile geschnitten, wobei Technologien, z. B. die Elektronenstrahlbearbeitung, angewendet werden, welche allgemein bekannt sind, und die nicht näher beschrieben werden müssen.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann die dünne Schicht aus Wolframkarbid, welche auf der Vorderseite der Diamantschicht verbleibt, dort belassen werden, oder sie kann, z. B. durch Läppen entfernt werden. In einer weiteren Alternative kann der Schnitt jedoch so akkurat plaziert werden, daß er exakt entlang der Trennlinie zwischen der Diamantschicht und der benachbarten Wolframkarbidschicht verläuft, so daß die Diamantschicht des Schneidelementes unmittelbar durch das Schneiden freigelegt wird. Die freigelegte Oberfläche der Diamantschicht kann dann geläppt werden, obgleich in einigen Fällen, abhängig vom angewendeten Schneidverfahren und dem Herstellungsverfahren der ursprünglichen Struktur, die freigelegte Oberfläche der Diamantschicht bereits von geeigneter Qualität sein kann, so daß sich das Läppen erübrigt.
In der alternativen Anordnung nach Figur 13 umhüllt die Zwischenstruktur 164 eine einzige Diamantschicht 166 und die Struktur wird durch einen geraden Schnitt 168, der diagonal von einer äußeren Ecke der Struktur zur gegenüberliegenden äußeren Ecke verläuft, in zwei Teile geteilt, wie dies in Figur 13 zu erkennen ist. In diesem Fall ist auf jeden Teil der vorderen Fläche der Diamantschicht ein im wesentlichen keilförmiger Abschnitt aus Wolframkarbid gebondet, wie dies in Figur 13 bei 170 und 172 erkennbar ist. Dieser kann nachfolgend durch Schleifen entfernt werden, entweder ganz, so daß die vordere Seite der Diamantschicht freigelegt ist, oder bis zu den gestrichelten Linien 174 und 176 in Figur 13, so daß eine dünne Schicht aus Wolframkarbid vor der Diamantschicht verbleibt.
Obgleich, wie in Figur 13 erkennbar, die schräge Schnittlinie 168 so dargestellt ist, daß sie exakt durch die am Rande der Zwischenstruktur sich gegenüberliegenden Ecken verläuft, wird eingeschätzt, daß dies nicht wesentlich ist, und die Schnittlinie auch die sich gegenüberliegenden flachen Seiten der Zwischenstruktur, einwärts der am Rand befindlichen Ecken, oder, alternativ, nur die Randfläche der Zwischenstruktur durchschneiden kann. Wenngleich es wünschenswert ist, daß der Schnitt symmetrisch verläuft, so daß zwei im wesentlichen identische Schneidelemente entstehen, schließt die Erfindung Anordnungen nicht aus, bei denen der Schnitt nicht symmetrisch angeordnet ist, und somit zwei Schneidelemente unterschiedlicher Größe hergestellt werden.
Figur 14 ist eine schematische Seitenansicht einer Schneideinheit 178, die ein Schneidelement verwendet, welches nach dem Verfahren entsprechend Figur 13 hergestellt wurde. In diesem Fall ist das Schneidelement 180 auf einen Zapfen 182 gebondet, der in einer Fassung 184 in einem Schneidblatt 186 im Meißelkörper aufgenommen ist. Der Zapfen 182 ist so angeordnet und ausgerichtet, daß die Fläche 188, auf der das Schneidelement befestigt ist, ebenfalls so ausgerichtet ist, daß die abgewinkelte Fläche 190 des Schneidelementes 180 im wesentlichen in gleicher Ebene mit der Vorderfläche 192 des Schneidblattes 186 liegt. Eine solche Anordnung kann den Vorteil haben, daß sie zu keinen wesentlichen Unterbrechungen an der Vorderfläche des Schneidblattes führt, an der sich Abraum anhäufen kann oder welche die Erosion des Meißelkörpers begünstigt.

Claims

1. Schneideelement als vorgeformtes Element für einen Drehbohrmeissel, mit einer Schicht aus superhartem Material (110a) mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei die Rückseite der superharten Schicht an der Vorderseite einer Tragschicht (112a) aus weniger hartem Material festgemacht ist, wobei die Schichten während der Formierung der beiden Schichten in einer Hochdruck- Hochtemperatur-Presse miteinander verbunden werden, wobei die Tragschicht eine Rückseite von einer Grösse hat, welche im wesentlichen grösser als die Rückseite der superharten Schicht ist, wobei die superharte Schicht nur an einem Teil der Vorderseite der Tragschicht festgemacht ist, so dass die Vorderseite einen anderen Teil hat, welcher frei von der superharten Schicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseite der superharten Schicht (110a) in einer anderen Ebene wie der andere Teil der Vorderseite der Tragschicht (112a) angeordnet ist, um so eine Stufe (112b) entlang wenigstens eines Teils der Verbindung zwischen der superharten Schicht und dem anderen Teil der Vorderseite der Tragschicht zu bilden.

2. Schneideelement nach Anspruch 1, bei welchem die superharte Schicht (110a) aus polykristalinem Diamantmaterial und die Tragschicht (112a) aus Wolframkarbid besteht.

3. Schneideelement nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Fläche der Rückseite der superharten Schicht (110a) weniger als 75% der Fläche der Rückseite der Tragschicht (112a) beträgt.

4. Schneideelement nach Anspruch 3, bei welchem die Fläche der Rückseite der superharten Schicht (110a) im wesentlichen gleich der Hälfte der Fläche der Rückseite der Tragschicht (112a) beträgt.

5. Schneideelement nach Anspruch 4, bei welchem die Tragschicht (112a) von im wesentlichen kreisförmiger Form ist und die superharte Schicht (110a) von im wesentlichen halbkreisförmiger Form ist.

6. Schneideelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die beiden Teile der Vorderseite der Tragschicht (112a) in verschiedenen Ebenen angeordnet sind, um so eine Stufe zwischen ihnen zu bilden.

7. Schneideelement nach Anspruch 6, bei welchem die superharte Schicht (110) sich im wesentlichen quer zur Gesamtheit des einen Teiles der Vorderseite der Tragschicht (112) erstreckt.

8. Schneideelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Oberfläche der Stufe (112b) einen stumpfen Winkel mit sowohl der Vorderseite der superharten Schicht (110a) als auch dem anderen Teil der Vorderseite der Tragschicht (112a) bildet.

9. Schneideelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem die Verbindung (138) zwischen der Stufe und dem anderen Teil der Vorderseite der Tragschicht konkav gekrümmt ist.

10. Schneideelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem das Schneideelement (118) desweitern eine Vorderfläche (112a) weniger harten Materials umfasst, welche an der Vorderseite der superharten Schicht (110a) festgemacht ist und sich quer zu mindestens einem Hauptteil derselben erstreckt.

11. Drehbohrmeissel mit einem Meisselkörper (110), welcher mit einem Schaft (111) zur Verbindung mit einem Bohrgestänge versehen ist, einer Arbeitsendfläche (112), auf welcher eine Vielzahl von Schneideelementen (18) montiert sind, und einem Durchgang zur Zuführung von Bohrflüssigkeit zur Arbeitsfläche des Meissels zur Kühlung und/oder Reinigung der Schneideelemente, wobei wenigstens einige der Schneideelemente (18) jeweils in bereinstimmung mit einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgestaltet sind.

12. Verfahren zur Herstellung von Schneideelementen als vorgeformte Schneideelemente mit den Verfahrensschritten des Formens in einer Hochdruck-Hochtemperature-Presse einer zwischenstruktur, mit einer Schicht aus superhartem Material (110) und einer Schicht aus weniger hartem Material (112,114) und dann des Schneidens der Zwischenstrukturen zur Bereitsstellung von wenigstens zwei Teilen, wovon jeder eine Schicht aus superhartem Material und eine- Schicht aus dem weniger harten Material umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenstruktur eine einzige Schicht (110), oder zwei koplanare in Abstand angeordnete Teilschichten (143,144) des superharten Materials enthält, welche zwischen zwei äusseren Schichten (112,114,150,152) des weniger harten Materials festgemacht sind, wobei die äusseren Schichten jeweils gegenüberliegende Aussenflächen der Zwischenstruktur bereitstellen und, dass die Zwischenstruktur dann in wenigstens zwei Teile durch einen Schnitt (116,154) geschnitten wird, welcher quer durch die Dicke der einzigen Schicht des superharten Materials, oder quer zwischen den beiden in Abstand voneinander angeordneten Schichten superharten Materials hindurchgeht, so dass jeder der beiden Teile einen Teil des superharten Materials und wenigstens einen Hauptteil einer jeweiligen Schicht der beiden Schichten aus weniger hartem Material umfasst.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die zwischenstruktur im wesentlichen symmetrisch durchgeschnitten wird, so dass die beiden Teile (118,120) im wesentlichen ähnlich sind.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die zwischenstruktur eine einzige Schicht superharten Materials umfasst und in die beiden Teile durch einen Schnitt (116) geteilt wird, welcher einen ersten Teil (116a) hat, der im wesentlichen parallel zu einer Seite des superharten Materials (110) ist, so wie einen zweiten Teil (116b), welcher quer durch die superharte Schicht verläuft und einem dritten Teil (116), welcher im wesentlichen parallel zur anderen Seite der superharten Materials ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die ersten und dritten Teile (116a,116c) des Schnittes von den jeweiligen angrenzenden Seiten der superharten Schicht (110) getrennt sind.

16. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die ersten und zweiten Teile des Schnittes sich entlang der jeweiligen angrenzenden Seiten der superharten Schicht erstrecken.

17. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die zwischenstruktur in zwei Teile geteilt ist durch einen einzigen planaren Schnitt (168), welcher quer durch beiden äusseren Schichten des weniger harten Materials und die Schicht des superharten Materials unter einem Winkel, welcher um einen Winkel von weniger als 90º bezüglich der Hauptebene der superharten Schicht (116) geneigt ist, verläuft.