SE518810C2 - Hårdmetallkropp med förbättrade högtemperatur- och termomekaniska egenskaper - Google Patents

Description

20 25 30 35 | | . . u 518 810 =;_ 2 Det är välkänt att bindemetallen i hårdmetall d v s kobolt, (nickel, järn) har en låg termisk ledningsförmåga och en hög termisk utvidgningskoefficient. Därför skall kobolthalten hållas låg. Å andra sidan har en hårdmetall med hög kobolthalt en bättre hållfasthet, TRS och brottseghet, vilket även är nödvändigt ur mekanisk synpunkt, speciellt när höga påkänningar och laster anbringas hårdmetallspetsen när den träffar bergytan vid hög hastighet eller från maskinvibrationer under hårda skär- betingelser. Även känt är att en grövre kornstorlek hos WC-fasen är fördelaktig för prestandan av hårdmetallen under betingelser nämnda ovan, på grund av den ökade brottsegheten och böjhållfastheten i jämförelse med mer finkorniga hårdmetallsorter.

En tendens vid tillverkning av verktyg för skärande/fräsande bergavverkning har därför varit att både sänka kobolthalten i kombination med ökning av kornstorleken och på så sätt åstadkomma både en rimlig mekanisk styrka såväl som acceptabla förslitnings- egenskaper vid hög temperatur. En större kornstorlek än 8-10 pm vid ner till 6-8% Co är inte möjligt att åstadkomma med konventionella metoder på grund av svårigheten att tillverka grova WC-kristaller och på grund av den nedmalningstid i kulkvarnarna som behövs för den nödvändiga blandningen av Co och WC och för att undvika oönskad porositet. Sådan malning medför en snabb reduktion av WC kornstorleken och en mycket ojämn kornstorleksfördelning efter sintringen. Under sintringen upplöses små korn och utfälls på redan stora korn vid de höga temperaturer som behövs för att åstadkomma den önskade medelkornstorleken. Kornstorlekar mellan 1- 50 pm kan ofta påträffas. Sintringstemperaturer från 1450 till 1550 oC används ofta, vilket även behövs för att minska risken för oacceptabelt hög porositet på grund av den låga Co-halten. En oacceptabelt hög porositetsnivå kommer oundvikligen även att bli resultatet av en alltför kort maltid och/eller sänkning av kobolthalten under 8 vikt-%. Den vida kornstorleksfördelningen för grovkorniga, konventionellt framställda hårdmetaller är i själva verket skadlig för hårdmetallens prestanda. Grupper av små korn av omkring 1-3 pm såväl som enstaka abnormt stora korn runt 30-60 pm är sprödare än omgivande struktur och verkar som startpunkter för sprickor av typen termiska utmattningssprickor eller sprickor från mekanisk överbelastning. 10 15 20 25 30 35 40 11518 810 3 Hårdmetall tillverkas med pulvermetallurgiska metoder bestående av våtmalning av en pulverblandning innehållande pulverformiga hårdämnen och bindefas, torkning av den malda blandningen till ett pulver med goda flödesegenskaper, pressning av det torkade pulvret till kroppar av önskad form och slutligen sintring.

Den intensiva malningsoperationen utförs i kvarnar av olika storlekar med användning av hårdmetallmalkroppar. Det är allmänt känt att malning är nödvändig för att erhålla en likformig fördelning av bindefasen i den malda blandningen. Det anses även att den intensiva malningen skapar en reaktivitet hos blandningen som ytterligare främjar bildandet av en tät struktur under sintring. Maltiden är av storleksordningen åtskilliga timmar upp till dagar.

Mikrostrukturen efter sintring i ett material tillverkat av ett malt pulver kännetecknas av hexagonala skarpa WC-korn med en ganska bred WC-kornstorleksfördelning ofta innehållande relativt stora korn, som är ett resultat av upplösning av de finare kornen, rekristallisation och korntillväxt under sintringscykeln.

Den kornstorlek som nämns i det här patentet är alltid Jeffries kornstorlek för WC mätt på foton tagna på uppslipningar av den sintrade hårdmetallkroppen.

I svenska patentansökningarna SE 9401078-2 och SE 9401150-9, beskrivs metoder att tillverka hàrdmetall enligt vilka malningen är väsentligen utesluten. I stället för att erhålla en likformig fördelning av bindefasen i en mald pulverblandning förbeläggs de hårda beståndsdelarna (hårdämnesfasen d v s WC-kornen) med bindefas, blandningen omröres med tillsats av pressmedel och ev ytterligare bindefas, pressas och sintras. I den förstnämnda ansökan tillverkas beläggningen med en SOL-GEL-metod och i den andra används en polyol. Med användning av dessa metoder är det möjligt att behålla samma kornstorlek och form som före sintring beroende på frånvaron av korntillväxt under sintringen.

Fig 1 visar i l2OOX förstoring mikrostrukturen av en WC-Co hàrdmetall enligt känd teknik med en medelkornstorlek av 8-9 pm.

Fig 2 visar i l2OOX förstoring mikrostrukturen av en WC-Co hàrdmetall enligt uppfinningen med en medelkornstorlek av 9-10 um.

Det har nu överraskande visat sig att med de nya processerna är det möjligt att göra hàrdmetall med ytterst grov och likformig WC-kornstorlek med utomordentliga hårdhets och seghetsegenskaper o o v n o o o» 10 15 20 25 30 35 40 1518 810 4 speciellt vid mycket höga temperaturer. Genom jetmalning, deagglomerering och fraktionssållning av normalgrov WC, och med användande enbart av själva grovfraktionen, samt därefter belägga WC med kobolt enligt SOL-GEL-teknik, har hårdmetallsorter med fullständigt likformig kornstorlek vid 13-14 och 17-20 pm framställts med porositet mindre än A02-B02 med endast 6 vikt-% Co halt. Detta är helt omöjligt med konventionella metoder.

Det har ytterligare överraskande visat sig att både mekanisk, utmattning och termiska egenskaper har väsentligen förbättrats i hårdmetall använd för skärning-fräsning av hårdare bergs- formationer, såsom sandsten och granit. Frånvaron av rekristal- liseringen av WC-kornen under sintringen, frånvaron av korn- tillväxt och upplösning eller koalescens av korn tack vare den nya tekniken, har resulterat i ett mycket starkt, homogent och kontinuerligt WC skelett med överraskande goda termiska och mekaniska egenskaper.

Kontiguiteten hos WC skelettet är mycket högre i en hårdmetall tillverkad enligt uppfinningen än för ett WC-skelett uppbyggt med konventionell process. Sorter tillverkade med konventionella processer har ej lyckats att skära i hårdare formationer såsom granit och hård sandsten, uppvisande totalt kollapsade hårdmetallytor där kobolten har smält och de mer utsträckta och hexagonala WC-kornen är krossade och hela delar av spetsen slitits bort på grund av den extrema värmen. Sprickor tillväxer ofta så snabbt att slutbrottsstadiet uppnås inom några få minuter.

Sorter enligt uppfinningen har mycket bättre klarat av att skära i hårda formationer under lång tid och uppvisar ett stabilt förslitningsmönster utan djupa sprickor. På grund av den höga kontiguiteten hos WC-skelettet, har den termiska ledningsförmågan uppmätts till 134 W/m°C, för en 6% Co sort med en jämn kornstorlek av 14 pm. Detta är verkligen överraskande högt (ett värde normalt uppgivet för ren WC), vilket innebär att dessa rundade likformiga och grova WC korn i god kontakt med varandra, totalt bestämmer värmeledningen genom hárdmetallkroppen vilket medför att själva spetsen hålls oväntat kall även vid höga friktionskrafter. De mycket få korngränserna WC/WC och WC/Co i en grovkornig sort i jämförelse med en finkornig sort måste också bidra en hel del till den utomordentliga termiska ledningsförmågan på grund av det faktum att värmeöverföringen genom en korngräns är långsammare än genom själva kornet. 10 15 20 25 30 35 1518 810 n n n - ø o n 5 Den termiska ledningsförmågan skall vara högre än 130 W/m OC för en sort med 5-7% Co. .

Kontiguiteten, C, skall vara >O,5 bestämd med linjäranalys C = NVWC/Wc ZNWC/Wc *N WC /binder där NWC/WC är antalet karbid/karbid och NWC/bindefas antalet karbid/bindefasgränser per enhetslängd av en referenslinje.

Kontiguiteten för en hårdmetall 6% Co-10 pm tillverkad enligt uppfinningen är 0,62-0,66 d v s skall vara >O.6. För en konventionellt tillverkat hårdmetall med 6% Co och 8-10 pm, är kontiguiteten endast 0,42-0,44.

Varmhårdhetsmätningar har överraskande visat att från 400 OC är minskningen i hårdhet med ökande temperatur mycket långsammare för en likformig och mycket grov hårdmetallstruktur, i jämförelse med en sort med finare eller mer ojämn kornstorlek. En sort med 6% Co och 2 pm kornstorlek med en hårdhet av 1480 HV3 vid rumstemperatur jämfördes med en 6% Co sort och 10 pm kornstorlek med en rumstemperatur hårdhet av 1000 HV3. Vid 800 OC hade den finkorniga sorten en hårdhet av 600 HV3 och sorten enligt uppfinningen hade nästan samma eller 570 HV3.

Hållfasthetsvärdena, t ex TRS-värdet, är upp till 20% högre och med en tredjedel så stor spridning för en kropp tillverkad enligt uppfinningen i jämförelse med en konventionellt tillverkad med samma sammansättning och medelkornstorlek.

Enligt uppfinningen föreligger nu en hårdmetallsort för bergborrning med 96-88 % WC, företrädesvis 95-91 vikt-% WC med en bindefas bestående av endast kobolt eller kobolt + Ni, med maximalt 25% av bindefasen av Ni, möjligen med små tillsatser av sällsynta jordartsmetaller, till exempel Ce och Y, upp till max 2% av den totala sammansättningen. WC-kornen är rundade på grund av processen med beläggning av WC med kobolt, och inte rekristal- liserade eller genom korntillväxt uppvisande ofta mycket skarpa hörn som konventionellt mald WC uppvisar. Medelkornstorlek skall vara 7-30 pm, företrädesvis 10-20 pm. För att erhålla en hårdmetall med ovannämnda goda termomekaniska egenskaper skall kontiguiteten vara över 0,5 och därför skall kornstorleks-fördelningsbandet vara mycket smalt. Den maximala kornstorleken får aldrig överskrida 2 gånger medelvärdet, ej heller får mer än 2 % av kornen i strukturen vara under halva medelkornstorleken. 10 15 20 25 30 35 40 518 810 6 I en föredragen utföringsform användbar vid skärning av hårda berg såsom tunnelfräsning med s k roadheaders, eller kolbrytning där hård sandsten i tak och golv även måste skäras, är en hårdmetall med en bindefashalt av 6-8% och en medelkornstorlek av 12-18 um fördelaktig.

I en annan föredragen utföringsform användbar för slående eller roterande borrning i extremt "reptilhuds"bildande berg, är en hårdmetall med 5-6 % bindefas och 8-10 pm medelkornstorlek lämplig.

Enligt framställninsförfarandet för föreliggande uppfinning tillverkas hårdmetall för bergborrningtillämpningar med jetmalning/fraktionering av en WC-pulverråvara till ett WC-pulver med snäv kornstorleksfördelning varvid de fina och grova kornen elimineras. Detta WC pulver beläggs sedan med Co enligt en av de ovannämnda patentansökningarna. WC-pulvret våtblandas försiktigt till en slurry, möjligen med mer Co + ev tillsatser av andra legeringselement för att erhålla den önskade slutsammansättningen och därtill pressmedel. För att undvika sedimentering av de grova WC-partiklarna tillsätts dessutom förtjockare enligt Svensk patentansökan 9602598-6. Blandningen skall vara sådan att en likformig blandning uppnås utan malning d V s ingen reduktion i kornstorlek skall äga rum. Slurryn torkas sedan med spraytorkning.

Från det spraytorkade pulvret pressas hårdmetallkroppar som sintras enligt standardförfarande.

Exempel 1 I en kolgruva i Witbankområdet i Sydafrika genomfördes ett prov med koniska s.k. pointattackverktyg i en kontinuerlig operation: Maskin: 1.6 m Skärhastighet: 3 m/s. Vattenkylning: 20 bar bakifrån genom Joy Continuos Miner HM. Trumvidd: 6 m Dia: verktygshållaren.

Verktyg: Skaft: 2525 mm. Hårdmetall 16 mm diameter med konisk topp.

Flöts: Abrasivt kol med hög pyrithalt. Sandstenstak. Kolflötshöjd: 3,8 m.

' Variant A: 8% Co och 8-10 pm WC kornstorlek med bred kornstorleksfördelning, konventionellt tillverkad med malning av WC och Co pulver i en kulkvarn tillsammans med pressmedel och mal- vätska och sedan spraytorkad. Se struktur foto i figur 1. 54 hållare med omväxlande verktyg från variant 1) och 2). 10 15 20 25 30 35 40 518 810 7 Variant B: 8% Co och 10 um WC kornstorlek, tillverkad enligt SE 9401078-2, där ett deagglomererat och sållat WC~pulver belagts med Co och försiktigt blandats med malvätska + pressmedel och förtjockare och sedan spraytorkats, allt enligt uppfinningen. Se strukturfoto i figur 2.

Hårdmetallkroppar tillverkades från båda varianterna och löddes in i verktygen med J&M's S-brons på samma gång.

Resultat: Efter att brutit en 6 m vid och 14 m djup sektion eller 520 ton kol märktes häftiga vibrationer och skakningar i maskinen på grund av stora steninneslutningar i toppen av flötsen, och taknivàn sänktes med 200 mm. Maskinen stoppades och verktygen inspekterades.

Variant A: 11 verktyg med skadad hårdmetall. 6 verktyg var utslitna. Ersatta 17 verktyg.

Fyra hårdmetallskador.

Ersatta sju verktyg.

Variant B: Tre utslitna verktyg.

Efter två skift togs alla verktyg ut. 1300 ton kol hade brutits totalt och provet stoppades.

Variant A: Sju verktyg med hàrdmetallbrott. 16 verktyg var utslitna. Fyra verktyg var fortfarande OK.

Variant B: Två verktyg med hårdmetallbrott. utslitna.

Tio verktyg var 15 verktyg fortfarande OK.

Variant A: 14 ton kol/verktyg producerades.

Variant B: 24 ton kol/verktyg producerades.

Exempel 2 I en testrigg vid Voest-Alpines verkstäder och utvecklingslaboratorium i_Zeltweg i Österrike genomfördes ett prov i granitblock. En bom med skärhuvud från en Alpine Miner ER 85 användes med endast ett verktyg som skar i en sten (lxlxl m3),som rördes 90° mot skärriktningen.

Maskinparametrar: Skärhastighet: 1.37 m/s Skärdjup: 10 mm Mätning: 20 mm Max kraft: 20 ton.

Sten: Granit med en tryckhållfasthet av 138 MPa.

Kvartshalt: 58 % 3.8.

Verktyg: 1500 mm lång pointattackverktyg med stegat skaft 30- 35 mm.

Cherchar skärbarhetsindex: 10 15 20 25 30 35 40 i 518 810 8 Hårdmetall Inlödda runda koniska stift 35 mm långa, 25 mm Vikt: 185 g.

Variant 1: 6 % Co, 9-10 pm kornstorlek, Konventionellt diameter. tillverkad. Hårdhet: 1080 HV3 Variant 2: % Co, 9-10 pm kornstorlek, också konventionellt tillverkad Hårdhet: 980 HV3 Variant 3: 6% Co, 14-15 pm helt jämn kornstorlek. Denna sort tillverkad med metoden beskriven i exempel 1 d v s enligt uppfinningen. Hårdhet 980 HV3.

Tre verktyg per variant provades upp till 100 m totalt fräst längd i stenen. Kylning med vattenmunstycke bakifrån. Vattentryck 100 bar. Verktygsrotation: 10°/varv.

Resultat: Variant Fräst Förslitning, Anmärkning längd, m mm/m g/m 1 200 0,18 0,39 Två verktyg med trasig spets efter 50 m. 2 240 0,23 0,58 En trasig (40 m), Två verktyg utslitna. 3 300 0,07 0,18 Alla verktyg lätt slitna men intakta.

Det utomordentliga resultatet i exempel 2 beror på att hårdmetallen av variant 3 arbetade vid lägre temperaturer beroende på den högre termiska ledningsförmågan, vilket resulterade i en bättre hårdhet och slitstyrka. TRS-värdet för variant 3 var 2850 +l0O N/mm2 som är överraskande högre än det för variant 2 med samma hårdhet. Detta bidrar naturligtvis även till det bättre resultatet för hårdmetallen tillverkad enligt uppfinningen. TRS för variant 2: 25oo+25o N/mm2. variant 1: 24oo+36o N/mm2.

Exempel 3 Kronor för slående rör borrning med två slags hårdmetallstift tillverkades och provades i LKABS järnmalmsgruva i Kiruna.

Hårdmetallen hade en WC-kornstorlek av 8 pm och en kobolthalt av 6 vikt-% och en WC halt av 94 vikt-%.

Variant A: Pulver av Co, WC, pressmedel och malvätskor i önskad mängd maldes i kulkvarnar, torkades, pressades och sintrades med konventionella metoder. Hàrdmetallen hade en mikrostruktur med bred kornstorleksfördelning. 10 15 20 25 30 35 2518 810 9 Variant B: WC-pulver jetmaldes och separerades i kornstorleksintervallet 6.5-9 pm, och belades sedan med kobolt med metoden beskriven i SE 9401078-2 vilket resulterade i ett WC- pulver med 2 vikt-% kobolt. Detta pulvret blandades försiktigt utan malning med önskad mängd kobolt, förtjockare, malvätskor och pressmedel. Efter torkning pressades pulvret och sintrades vilket resulterade i en mikrostruktur med smal kornstorleksfördelning Kontiguiteten för båda varianterna bestämdes: Variant A: 0.41 0.61 Stift med en diameter av 14 mm Variant B: (periferi och front) tillverkades i båda varianterna och pressades in i fem kronor vardera. Kronorna hade flat front och en diameter av 115 mm.

Borriggen var en Tamrock SOLO 778 med en HL1000 hammare och borrparametrarna valdes till: Slagtryck: omkring 175 bar 86-88 bar 37-39 bar, 60 rpm 0.75-0.95 m/min Provet utfördes i magnetitmalm, Matningstryck: Rotationstryck: omkring.

Borrsjunkningshastighet: som förorsakar höga temperaturer och "reptilhud” p g a termisk utvidgning i slitytan på hårdmetallen.

Resultat: Variant A: Efter att ha borrat 100 m visade stiften ett termiskt sprickmönster och vid undersökning av ett tvärsnitt av en sliten yta av ett stift från en krona, hittades små sprickor som hade propagerat in i hårdmetallstiftet. Dessa sprickor förorsakar små brott i strukturen och stiften kommer att ha kortare livslängd. Medellivslängden efter omslipning varje 100 m för kronorna var 530 m.

Variant B: Efter att ha borrat 100 m visade stiften inget eller minimalt termiskt sprickmönster och tvärsnittet av mikrostrukturen var utan synliga sprickor. Endast små bitar av trasiga korn på den slitna ytan var synliga. Medellivslängden för dessa kronor efter omslipning varje 200 m var 720 m.

Claims (4)

10 15 20 25 . n.. n n rn nn on un OI II 0 ' :'nn nn- n nn n .nn n nnn H0: n nn n n n n n nn n n n u vn- v v ,. un. n nn u e n I ß 0 nl 1 n I 0 O o l U I n nn no nn uno O" ' n n n n n- n 10 Krav

1. l. En hàrdmetall för bergavverkningsändamål med 96-88 % WC, företrädesvis 95-91 vikt-% WC med en bindefas bestående av endast kobolt eller kobolt och nickel, med maximum 25% av bindefasen innehållande Ni, möjligen med små tillsatser av sällsynta jordartsmetaller, till exempel Ce och Y, upp till max 2% av den att WC-kornen är rundade och inte rekristalliserade eller uppvisande total hårdmetallsammansättning, k ä n n e t e c k n a d av, korntillväxt eller uppvisar korn med mycket skarpa hörn, medelkornstorlek 8-30 pm, företrädesvis 12-20 pm med maximal kornstorlek aldrig över två gånger medelvärdet och inte mer än 2 % av kornen i strukturen mindre än halva medelkornstorleken samt att kontiguiteten, C, skall vara >O,5 bestämd med linjäranalys = 2'NWc/Wc 2'NWc/Wc WWC/binder där NWC/WC är antalet karbid/karbid och NWC/bindefas antalet karbid/bindefasgränser per enhetslängd av en referenslinje.

2. En hàrdmetall enligt föregående krav, k ä n n e- t e c k n a d av en bindefashalt av 6-8% och en medelkornstorlek av 12-18 um.

3. En hàrdmetall enligt kraven l eller 2, n a d av en bindefashalt av 5-6 % k ä n n e t e c k- och 8-10 um medelkornstorlek.

4. En hàrdmetall enligt kraven 1 eller 2, k ä n n e t e c k- n a d av en termisk ledningsförmåga >13O W/m OC för 5-7% Co.