DE69616534T2

DE69616534T2 - MATRIX FOR A HARD COMPOSITE MATERIAL

Info

Publication number: DE69616534T2
Application number: DE69616534T
Authority: DE
Inventors: E. Kelley; R. Peterson; E. Silvis; J. Terry
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 1995-02-01
Filing date: 1996-01-30
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2016-01-31
Also published as: BR9607548A; EP0820533B1; RU2141001C1; DE69616534D1; CA2203882C; WO1996023907A1; AU698687B2; CN1172506A; AU5021196A; EP0820533A1; DE820533T1; CA2203882A1

Description

BACKGROUND OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung einer Matrix für einen harten Verbundstoff, wobei der harte Verbundstoff als Schneidwerkzeug oder als Verschleißelement nützlich sein kann. Überdies betrifft die Erfindung einen Diamantverbundstoff mit einer Matrix, die aus Teilchen auf Carbidbasis besteht, die durch ein Durchsetzungsmetall aneinander gebunden sind, wobei ein oder mehrere diskrete Elemente auf Diamantbasis darin gehalten werden. Es sollte selbstverständlich sein, daß das Element auf Diamantbasis einen Einzeldiamantverbundstoff oder polykristallinen Diamantverbundstoff mit einem Substrat mit einer Schicht aus polykristallinem Diamant darauf umfassen könnte. Einige Arten von Wolframcarbid, die zur Verwendung in Matrixwerkzeugen geeignet sind, umfassen ein makrokristallines Wolframcarbid, ein zerkleinertes, gesintertes, makrokristallines Wolframcarbidhartmetall mit einem Bindermetall und ein zerkleinertes Guß-Wolframcarbid.The invention relates to a method of forming a matrix for a hard composite, where the hard composite may be useful as a cutting tool or as a wear element. Moreover, the invention relates to a diamond composite having a matrix consisting of carbide-based particles bonded together by an interpenetrating metal with one or more discrete diamond-based elements held therein. It should be understood that the diamond-based element could comprise a single diamond composite or a polycrystalline diamond composite having a substrate with a layer of polycrystalline diamond thereon. Some types of tungsten carbide suitable for use in matrix tools include a macrocrystalline tungsten carbide, a crushed, sintered, macrocrystalline tungsten carbide cemented carbide with a binder metal, and a crushed cast tungsten carbide.

Mit Bezug auf das makrokristalline Wolframcarbid ist dieses Material im wesentlichen stöchiometrisches WC, das größtenteils in Form von Einkristallen vorliegt. Einige große Kristalle von makrokristallinem Wolframcarbid sind Doppelkristalle. Das US-Patent Nr. 3 379 503, McKenna, PROCESS FOR PREPARING TUNGSTEN MONOCARBIDE, das auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Patentanmeldung übertragen wurde, offenbart ein Verfahren zur Herstellung von makrokristallinem Wolframcarbid. Das US-Patent Nr. 4 834 963, Terry et al., MACROCRYSTALLINE TUNGSTEN MONOCARBDE POWDER AND PROCESS FOR PRODUCING, das auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Patentanmeldung übertragen wurde, offenbart auch ein Verfahren zur Herstellung von makrokristallinem Wolframcarbid.With respect to macrocrystalline tungsten carbide, this material is essentially stoichiometric WC, which is mostly in the form of single crystals. Some large crystals of macrocrystalline tungsten carbide are double crystals. U.S. Patent No. 3,379,503, McKenna, PROCESS FOR PREPARING TUNGSTEN MONOCARBIDE, assigned to the assignee of the present application, discloses a process for preparing macrocrystalline tungsten carbide. U.S. Patent No. 4,834,963, Terry et al., MACROCRYSTALLINE TUNGSTEN MONOCARBDE POWDER AND PROCESS FOR PRODUCING, assigned to the assignee of the present application, also discloses a process for preparing macrocrystalline tungsten carbide.

Mit Bezug auf das zerkleinerte, gesinterte, makrokristalline Wolframcarbidhartmetall umfaßt dieses Material kleine Teilchen von Wolframcarbid, die in einer Metallmatrix aneinander gebunden sind. Für dieses Material, wie in dieser Patentanmeldung verwendet, wird das zerkleinerte, gesinterte, makrokristalline Wolframcarbidhartmetall mit einem Binder (entweder Kobalt oder Nickel) durch Zusammenmischen von WC-Teilchen, Co- oder Ni- Pulver und einem Schmiermittel hergestellt. Dieses Gemisch wird pelletisiert, gesintert, gekühlt und dann zerkleinert. Die Pelletisierung verwendet keinen Druck, sondern statt dessen bewirken während des Vermischens der WC-Teilchen und des Kobalts die Schaufeln des Mischers, daß sich das Gemisch aus WC und Kobalt (oder Nickel) zu Pellets zusammenballt.With reference to crushed, sintered, macrocrystalline tungsten carbide cemented carbide, this material comprises small particles of tungsten carbide bonded together in a metal matrix. For this Material as used in this patent application, the crushed, sintered, macrocrystalline cemented tungsten carbide with a binder (either cobalt or nickel) is prepared by mixing together WC particles, Co or Ni powder and a lubricant. This mixture is pelletized, sintered, cooled and then crushed. Pelletization does not use pressure, but instead, as the WC particles and cobalt are mixed, the blades of the mixer cause the WC and cobalt (or nickel) mixture to clump together into pellets.

Mit Bezug auf zerkleinertes Guß-Wolframcarbid bildet Wolfram zwei Carbide; nämlich WC und W&sub2;C. Es kann ein kontinuierlicher Bereich von Zusammensetzungen dazwischen vorliegen. Ein eutektisches Gemisch ist etwa 4,5 Gew.-% Kohlenstoff. Guß-Wolframcarbid, das kommerziell als Matrixpulver verwendet wird, weist typischerweise einen hypoeutektischen Kohlenstoffgehalt von etwa 4 Gew.-% auf. Guß-Wolframcarbid läßt man typischerweise aus dem geschmolzenen Zustand erstarren und es wird zur gewünschten Teilchengröße zerkleinert.With respect to crushed cast tungsten carbide, tungsten forms two carbides; namely WC and W2C. There can be a continuous range of compositions between them. A eutectic mixture is about 4.5 wt.% carbon. Cast tungsten carbide used commercially as a matrix powder typically has a hypoeutectic carbon content of about 4 wt.%. Cast tungsten carbide is typically allowed to solidify from the molten state and crushed to the desired particle size.

In der Vergangenheit bestanden harte Verbundstoffe aus einer Matrix und diskreten harten Elementen, die darin gehalten wurden. In dem typischen Fall umfaßte die Matrix Teilchen auf Carbidbasis, die durch ein Durchsetzungsmetall aneinander gebunden waren, und die harten Elemente umfaßten ein Material auf Diamantbasis.In the past, hard composites consisted of a matrix and discrete hard elements held within it. In the typical case, the matrix comprised carbide-based particles bonded together by an interpenetrating metal and the hard elements comprised a diamond-based material.

Mit Bezug auf die Teilchen auf Carbidbasis enthält ein Beispiel der Komponente auf Carbidbasis etwa 67,10 Gew.-% makrokristallines Wolframcarbid mit der folgenden Größenverteilung: zwischen 18,0 und 22,0 Gew.-% der makrokristallinen Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -80 +120 mesh (die Korngröße wird gemäß ASTM-Standard E-11-70 hergestellt und entspricht mehr als 125 Mikrometern und weniger als oder gleich 177 Mikrometern) auf, zwischen 25,0 und 30,0 Gew.-% der makrokristallinen Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -120 +170 mesh (mehr als 88 Mikrometern und weniger als oder gleich 125 Mikrometern) auf, zwischen 29,0 Gew.-% und 33,0 Gew.-% der makrokristallinen Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -170 +230 mesh (mehr als 63 Mikrometern und weniger als oder gleich 88 Mikrometern) auf, zwischen 18,0 Gew.-% und 22,0 Gew.-% der makrokristallinen Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -230 +325 mesh (mehr als 44 Mikrometern und weniger als oder gleich 63 Mikrometern) auf, und bis zu 5,0 Gew.-% der makrokristallinen Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern) auf. Die Matrix enthält ferner etwa 30,90 Gew.-% zerkleinerte Guß-Wolframcarbidteilchen mit einer Größe von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern), 1,00 Gew.-% Eisen, das einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser zwischen 3 Mikrometern und 5 Mikrometern aufweist, und 1,00 Gew.-% Stahl der Klasse 4600 mit einer Teilchengröße von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern).With respect to the carbide-based particles, an example of the carbide-based component contains about 67.10 wt.% macrocrystalline tungsten carbide having the following size distribution: between 18.0 and 22.0 wt.% of the macrocrystalline tungsten carbide particles have a size of -80 +120 mesh (the grain size is manufactured according to ASTM Standard E-11-70 and corresponds to greater than 125 microns and less than or equal to 177 microns), between 25.0 and 30.0 wt.% of the macrocrystalline tungsten carbide particles have a size of -120 +170 mesh (greater than 88 microns and less than or equal to 125 microns), between 29.0 Between 18.0 wt.% and 22.0 wt.% of the macrocrystalline tungsten carbide particles have a size of -230 +325 mesh (greater than 44 microns and less than or equal to 63 microns), and up to 5.0 wt.% of the macrocrystalline tungsten carbide particles have a size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns). The matrix further contains about 30.90 wt.% crushed cast tungsten carbide particles having a size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns), 1.00 wt.% iron having an average particle diameter between 3 microns and 5 microns, and 1.00 wt.% grade 4600 steel having a particle size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns).

Der Stahl der Klasse 4600 weist die folgende nominale Zusammensetzung (Gew.-%) auf: 1,57 Gew.-% Nickel; 0,38 Gew.-% Mangan; 0,32 Gew.-% Silizium; 0,29 Gew.-% Molybdän; 0,06 Gew.-% Kohlenstoff; und als Rest Eisen.Grade 4600 steel has the following nominal composition (wt%): 1.57 wt% nickel; 0.38 wt% manganese; 0.32 wt% silicon; 0.29 wt% molybdenum; 0.06 wt% carbon; and the balance iron.

Ein weiteres Beispiel der Komponente auf Carbidbasis umfaßt etwa 65 Gew.- % makrokristallines Wolframcarbid mit einer Teilchengröße von -80 +325 mesh (mehr als 44 Mikrometern und weniger als oder gleich 177 Mikrometern), 27,6 Gew.-% zu einer durchschnittlichen Teilchengröße von 4 bis 6 Mikrometern drahtgewalztes Wolframcarbid, wobei hochfeine Stoffe entfernt wurden, 2,8 Gew.-% Wolfram mit einer Teilchengröße von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern), 2,8 Gew.-% Stahl der Klasse 4600 mit einer Teilchengröße von -140 mesh (weniger als oder gleich 105 Mikrometern) und 1,8 Gew.-% Eisen mit einer Teilchengröße von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern).Another example of the carbide-based component comprises about 65 wt.% macrocrystalline tungsten carbide having a particle size of -80 +325 mesh (greater than 44 microns and less than or equal to 177 microns), 27.6 wt.% tungsten carbide wire rolled to an average particle size of 4 to 6 microns with superfines removed, 2.8 wt.% tungsten having a particle size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns), 2.8 wt.% grade 4600 steel having a particle size of -140 mesh (less than or equal to 105 microns), and 1.8 wt.% iron having a particle size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns).

Ein weiteres Beispiel einer teilchenförmigen Komponente auf Carbidbasis umfaßt 68 Gew.-% makrokristallines Wolframcarbid mit einer Größe von -80 +325 mesh (mehr als 44 Mikrometern und weniger als oder gleich 177 Mikrometern); 15 Gew.-% makrokristallines Wolframcarbid mit einer Größe von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern); 15 Gew.-% zerkleinertes Guß-Wolframcarbid mit einer Größe von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern); und 2 Gew.-% Nickel mit einer Größe von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern). Dieses Nickel ist INCO Typ 123 von der International Nickel Company und ist ein mit ausgeprägten Dornen bedecktes regelmäßiges geformtes Pulver. Die chemische Analyse und die physikalischen Eigenschaften, die aus der kommerziellen Literatur erhältlich sind, offenbaren folgendes: Die chemische Analyse zeigt eine Zusammensetzung aus: 0,1 max. Kohlenstoff, 0,15 max. Sauerstoff, 0,001 max. Schwefel, 0,01 max. Eisen und als Rest Nickel. Die durchschnittliche Teilchengröße beträgt 3-7 Mikrometer (Fisher- Siebdurchgangsgröße), die Schüttdichte beträgt 1,8-2,7 Gramm/cm³ und die spezifische Oberfläche beträgt 0,34-0,44 m²/g.Another example of a carbide-based particulate component comprises 68 wt.% macrocrystalline tungsten carbide having a size of -80 +325 mesh (greater than 44 micrometers and less than or equal to 177 micrometers); 15 wt.% macrocrystalline tungsten carbide having a size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns); 15 wt.% crushed cast tungsten carbide having a size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns); and 2 wt.% nickel having a size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns). This nickel is INCO Type 123 from the International Nickel Company and is a regular shaped powder covered with pronounced spikes. Chemical analysis and physical properties available from the commercial literature reveal the following: Chemical analysis shows a composition of: 0.1 max. carbon, 0.15 max. oxygen, 0.001 max. sulfur, 0.01 max. iron and the balance nickel. The average particle size is 3-7 micrometers (Fisher sieve pass size), the bulk density is 1.8-2.7 grams/cm³ and the specific surface area is 0.34-0.44 m²/g.

Ein weiteres Beispiel einer teilchenförmigen Komponente auf Carbidbasis umfaßt 64 Gew.-% makrokristallines Wolframcarbid mit einer Größe von -80 +325 mesh (mehr als 44 Mikrometern und weniger als oder gleich 177 Mikrometern); 14 Gew.-% makrokristallines Wolframcarbid mit einer Größe von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern); 14 Gew.-% zerkleinertes Guß-Wolframcarbid mit einer Größe von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern); und 8 Gew.-% Nickel mit einer Größe von -200 mesh (weniger als oder gleich 74 Mikrometern).Another example of a carbide-based particulate component comprises 64 wt.% macrocrystalline tungsten carbide having a size of -80 +325 mesh (greater than 44 microns and less than or equal to 177 microns); 14 wt.% macrocrystalline tungsten carbide having a size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns); 14 wt.% crushed cast tungsten carbide having a size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns); and 8 wt.% nickel having a size of -200 mesh (less than or equal to 74 microns).

Noch ein weiteres Beispiel einer teilchenförmigen Komponente umfaßt 67,0 Gew.-% zerkleinertes Guß-Wolframcarbid mit einer Teilchengrößenverteilung wie folgt: zwischen 18,0 und 22,0 Gew.-% der zerkleinerten Guß- Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -80 +120 mesh (mehr als 125 Mikrometern und weniger als oder gleich 177 Mikrometern) auf, zwischen 25,0 und 30,0 Gew.-% der zerkleinerten Guß-Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -120 +170 mesh (mehr als 88 Mikrometern und weniger als oder gleich 125 Mikrometern) auf, zwischen 29,0 Gew.-% und 33,0 Gew.-% der zerkleinerten Guß-Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -170 +230 mesh (mehr als 63 Mikrometern und weniger als oder gleich 88 Mikrometern) auf, zwischen 18,0 Gew.-% und 22,0 Gew.-% der zerkleinerten Guß- Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -230 +325 mesh (mehr als 44 Mikrometern und weniger als oder gleich 63 Mikrometern) auf, und bis zu 5,0 Gew.-% der zerkleinerten Guß-Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von - 325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern) auf. Die Komponente weist ferner 31,0 Gew.-% zerkleinertes Guß-Wolframcarbid mit einer Teilchengröße von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern), 1,0 Gew.-% Eisen mit einer Teilchengröße von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern) und 1,0 Gew.-% Stahl 4600 mit einer Teilchengröße von -325 mesh (weniger als I oder gleich 44 Mikrometern) auf.Yet another example of a particulate component comprises 67.0 wt.% of crushed cast tungsten carbide having a particle size distribution as follows: between 18.0 and 22.0 wt.% of the crushed cast tungsten carbide particles have a size of -80 +120 mesh (greater than 125 micrometers and less than or equal to 177 micrometers), between 25.0 and 30.0 wt.% of the crushed cast tungsten carbide particles have a size of -120 +170 mesh (greater than 88 micrometers and less than or equal to 125 micrometers), between 29.0 wt.% and 33.0 wt.% of the crushed cast tungsten carbide particles have a size of -170 +230 mesh (greater than 63 micrometers and less than or equal to 88 micrometers) between 18.0 wt. % and 22.0 wt. % of the crushed cast tungsten carbide particles have a size of -230 +325 mesh (greater than 44 microns and less than or equal to 63 microns), and up to 5.0 wt. % of the crushed cast tungsten carbide particles have a size of - 325 mesh (less than or equal to 44 microns). The component further comprises 31.0 wt. % crushed cast tungsten carbide having a particle size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns), 1.0 wt. % iron having a particle size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns), and 1.0 wt. % 4600 steel having a particle size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns).

Ein Beispiel eines geeigneten Durchsetzungsstoffs umfaßt 63-67 Gew.-% Kupfer, 14-16 Gew.-% Nickel und 19-21 Gew.-% Zink. Dieses Material weist ein spezifisches Gewicht von 8,5 g/cm³ auf und weist einen Schmelzpunkt von 1100ºF auf. Dieser Durchsetzungsstoff wird in Körnchen von 1/32 Inch mal 5/16 Inch verwendet. Diese Legierung ist als MACROFIL 65 vom Rechtsnachfolger des Anmelders gekennzeichnet und diese Bezeichnung wird in dieser Anmeldung verwendet.An example of a suitable penetrant comprises 63-67 wt.% copper, 14-16 wt.% nickel, and 19-21 wt.% zinc. This material has a specific gravity of 8.5 g/cc and has a melting point of 1100°F. This penetrant is used in 1/32 inch by 5/16 inch granules. This alloy is designated MACROFIL 65 by the assignee of the applicant and this designation is used in this application.

Ein weiteres Beispiel eines geeigneten Durchsetzungsstoffs weist eine nominale Zusammensetzung von 52,7 Gew.-% Kupfer, 24,0 Gew.-% Mangan, 15,0 Gew.-% Nickel, 8,0 Gew.-% Zink, 0,15 Gew.-% Bor und 0,15 Gew.-% Silizium mit Spuren von Blei, Zinn und Eisen auf. Dieser Durchsetzungsstoff wird von Belmont Metals Inc., 330 Belmont Avenue, Brooklyn, New York 11207, unter der Namensbezeichnung "VIRGIN Binder 4537D" in Brocken von 1 Inch mal ¹/&sub2; Inch mal ¹/&sub2; Inch vertrieben. Diese Legierung ist als MACROFIL 53 vom Rechtsnachfolger des Anmelders gekennzeichnet und diese Bezeichnung wird in dieser Anmeldung verwendet.Another example of a suitable enforcing agent has a nominal composition of 52.7 wt.% copper, 24.0 wt.% manganese, 15.0 wt.% nickel, 8.0 wt.% zinc, 0.15 wt.% boron, and 0.15 wt.% silicon, with traces of lead, tin, and iron. This enforcing agent is sold by Belmont Metals Inc., 330 Belmont Avenue, Brooklyn, New York 11207, under the name "VIRGIN Binder 4537D" in 1 inch by ½ inch by ½ inch chunks. This alloy is identified as MACROFIL 53 by the assignee of the applicant, and this designation is used in this application.

WO-A-92/14853 offenbart ein Verfahren zur Bildung eines Makroverbundstoffs mit verbesserter Temperaturwechselbeständigkeit mit den Schritten des Vermischens eines Werkzeugstahl-Mikroverbundstoff- Legierungspulvers und eines Carbid-Mikroverbundstoff-Pulvers, um eine Pulvermasse in einer Weise zu bilden, daß die Pulver in dieser Masse im allgemeinen gut verteilt sind, und des Erhitzens eines hermetisch abgedichteten Teils der Masse, bis die Masse zu einem Makroverbundstoff mit einer Werkzeugstahlmatrix und in der Matrix verteilten Carbidinseln diffusionsverbunden ist. Das Carbid kann eine Wolframcarbidmischkeramik mit einer Teilchengröße von 50 bis 100 Mikrometern sein.WO-A-92/14853 discloses a process for forming a macrocomposite with improved thermal shock resistance comprising the steps of mixing a tool steel microcomposite alloy powder and a carbide microcomposite powder to form a forming a powder mass in such a way that the powders are generally well distributed throughout the mass, and heating a hermetically sealed portion of the mass until the mass is diffusion bonded to form a macrocomposite having a tool steel matrix and carbide islands distributed throughout the matrix. The carbide may be a tungsten carbide mixed ceramic having a particle size of 50 to 100 micrometers.

FR-A-1320270 offenbart ein Verfahren zur Bildung einer Matrix durch Erhitzen eines Matrixpulvers in Gegenwart eines Durchsetzungsstoffs, wobei das Matrixpulver aus Wolframcarbidhartmetallteilchen mit einer Teilchengröße zwischen 1,27 und 6,35 mm und einem Pulvergemisch aus Wolframcarbid und Nickel besteht, wobei das Pulver eine Teilchengröße von weniger als 149 Mikrometern, vorzugsweise weniger als 89 Mikrometern, aufweist. Der Durchsetzungsstoff ist eine Cu-Ni-Legierung.FR-A-1320270 discloses a method for forming a matrix by heating a matrix powder in the presence of an enforcer, the matrix powder consisting of tungsten carbide cemented carbide particles having a particle size between 1.27 and 6.35 mm and a powder mixture of tungsten carbide and nickel, the powder having a particle size of less than 149 micrometers, preferably less than 89 micrometers. The enforcer is a Cu-Ni alloy.

Obwohl die früheren Matrizes für einen harten Verbundstoff in zufriedenstellender Weise gearbeitet haben, wäre es erwünscht, eine verbesserte Matrix für einen harten Verbundstoff mit verbesserten Eigenschaften bereitzustellen. Diese Eigenschaften umfassen Schlagfestigkeit, Biegebruchfestigkeit, Härte, Abriebfestigkeit und Erosionsbeständigkeit. Es wäre auch erwünscht, einen verbesserten harten Verbundstoff bereitzustellen, der das verbesserte Matrixmaterial verwendet. Es wäre noch weiter erwünscht, ein Werkzeugelement bereitzustellen, das einen Werkzeugschaft umfaßt, an dem der verbesserte harte Verbundstoff befestigt ist, wobei das Werkzeugelement beispielsweise in Verbindung mit einem Ölbohrloch-Bohrmeißel verwendet werden könnte.Although the previous hard composite matrices have performed satisfactorily, it would be desirable to provide an improved hard composite matrix having improved properties. These properties include impact strength, flexural strength, hardness, abrasion resistance and erosion resistance. It would also be desirable to provide an improved hard composite using the improved matrix material. It would be even further desirable to provide a tool element comprising a tool shank having the improved hard composite attached thereto, which tool element could be used in conjunction with, for example, an oil well drill bit.

SUMMARY OF THE INVENTION

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Matrixpulver für einen harten Verbundstoff bereitzustellen, mit einem oder mehreren diskreten harten Elementen, die in einer Matrix gehalten werden, welche aus Teilchen auf Carbidbasis besteht, die durch ein Durchsetzungsmetall aneinander gebunden sind, wobei die Matrix verbesserte Gesamteigenschaften aufweist. Es wird in Erwägung gezogen, daß der harte Verbundstoff in Schneid- und Bohranwendungen verwendet werden könnte, und daß das Matrixpulver und der Durchsetzungsstoff ohne das harte Element in Verschleißanwendungen verwendet werden könnte.It is an object of the invention to provide an improved matrix powder for a hard composite having one or more discrete hard elements held in a matrix consisting of carbide-based particles bonded together by an interpenetrating metal. wherein the matrix has improved overall properties. It is contemplated that the hard composite could be used in cutting and drilling applications and that the matrix powder and the enforcer without the hard element could be used in wear applications.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten harten Verbundstoff mit einer Vielzahl von diskreten harten Elementen, wie z. B. Verbundstoffelementen aus Diamant oder polykristallinem Diamant, die in einer Matrix gehalten werden, welche aus Teilchen auf Carbidbasis besteht, die durch ein Durchsetzungsmetall aneinander gebunden sind, welcher eine verbesserte Schlagfestigkeit aufweist, bereitzustellen.It is a further object of the invention to provide an improved hard composite having a plurality of discrete hard elements, such as diamond or polycrystalline diamond composite elements, held in a matrix consisting of carbide-based particles bonded together by an interpenetrating metal, which has improved impact resistance.

Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten harten Verbundstoff mit einer Vielzahl von diskreten harten Elementen, wie z. B. Verbundstoffelementen aus Diamant oder polykristallinem Diamant, die in einer Matrix gehalten werden, welche aus Teilchen auf Carbidbasis besteht, die durch ein Durchsetzungsmetall aneinander gebunden sind, welcher eine verbesserte Biegebruchfestigkeit aufweist, bereitzustellen.It is yet another object of the invention to provide an improved hard composite having a plurality of discrete hard elements, such as diamond or polycrystalline diamond composite elements, held in a matrix consisting of carbide-based particles bonded together by an interpenetrating metal having improved flexural rupture strength.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten harten Verbundstoff mit einer Vielzahl von diskreten harten Elementen, wie z. B. Verbundstoffelementen aus Diamant oder polykristallinem Diamant, die in einer Matrix gehalten werden, welche aus Teilchen auf Carbidbasis besteht, die durch ein Durchsetzungsmetall aneinander gebunden sind, welcher eine verbesserte Härte aufweist, bereitzustellen.It is an object of the invention to provide an improved hard composite having a plurality of discrete hard elements, such as composite elements of diamond or polycrystalline diamond, held in a matrix consisting of carbide-based particles bonded together by an interpenetrating metal, which has improved hardness.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten harten Verbundstoff mit einer Vielzahl von diskreten harten Elementen, wie z. B. Verbundstoffelementen aus Diamant oder polykristallinem Diamant, die in einer Matrix gehalten werden, welche aus Teilchen auf Carbidbasis besteht, die durch ein Durchsetzungsmetall aneinander gebunden sind, welcher verbesserte Erosionsbeständigkeitseigenschaften aufweist, bereitzustellen.It is a further object of the invention to provide an improved hard composite having a plurality of discrete hard elements, such as diamond or polycrystalline diamond composite elements, held in a matrix consisting of carbide-based particles bonded together by an interpenetrating metal, which has improved erosion resistance properties.

In einer Form davon ist die Erfindung ein Verfahren zur Bildung einer Matrix für einen harten Verbundstoff, wobei das Verfahren die Schritte des Erwärmens eines Matrixpulvers in Gegenwart eines Durchsetzungsstoffs umfaßt. Das Matrixpulver umfaßt mindestens 25 Gew.-% zerkleinerte, gesinterte Wolframcarbidhartmetallteilchen mit einer Teilchengröße von -80 +400 mesh (mehr als 37 Mikrometern und weniger als oder gleich 177 Mikrometern). Die Zusammensetzung des zerkleinerten, gesinterten Wolframcarbidhartmetalls umfaßt zwischen etwa 5 Gew.-% und etwa 20 Gew.-% Bindermetall und zwischen etwa 80 Gew.-% und etwa 95 Gew.-% Wolframcarbid.In one form thereof, the invention is a method of forming a matrix for a hard composite, the method comprising the steps of heating a matrix powder in the presence of an agglomerant. The matrix powder comprises at least 25 wt.% crushed, sintered tungsten carbide particles having a particle size of -80 +400 mesh (greater than 37 microns and less than or equal to 177 microns). The composition of the crushed, sintered tungsten carbide comprises between about 5 wt.% and about 20 wt.% binder metal and between about 80 wt.% and about 95 wt.% tungsten carbide.

In noch einer weiteren Form derselben ist die Erfindung ein Diamantverbundstoff-Element, das einen Träger und einen am Träger befestigten Diamantverbundstoff umfaßt. Der Diamantverbundstoff umfaßt eine Matrix, die eine Teilchenmasse enthält, die durch einen Durchsetzungsstoff zusammengehalten wird. Die Teilchenmasse wird durch Erwärmen eines Pulvergemisches in Gegenwart eines Durchsetzungsstoffs gebildet. Das Pulvergemisch umfaßt mindestens 25 Gew.-% zerkleinerte, gesinterte Wolframcarbidhartmetallteilchen mit einer Teilchengröße von -80 +400 mesh (mehr als 37 Mikrometern und weniger als oder gleich 177 Mikrometern). Die Zusammensetzung des zerkleinerten, gesinterten Wolframcarbidhartmetalls umfaßt zwischen etwa S Gew.-% und etwa 20 Gew.-% Bindermetall und zwischen etwa 80 Gew.-% und etwa 95 Gew.-% Wolframcarbid.In yet another form thereof, the invention is a diamond composite element comprising a support and a diamond composite secured to the support. The diamond composite comprises a matrix containing a mass of particles held together by an enforcer. The mass of particles is formed by heating a powder mixture in the presence of an enforcer. The powder mixture comprises at least 25% by weight of crushed, sintered cemented tungsten carbide particles having a particle size of -80 +400 mesh (greater than 37 micrometers and less than or equal to 177 micrometers). The composition of the crushed, sintered cemented tungsten carbide comprises between about 5% by weight and about 20% by weight binder metal and between about 80% by weight and about 95% by weight tungsten carbide.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Das folgende ist eine kurze Beschreibung der Zeichnungen, die einen Teil dieser Patentanmeldung bilden:The following is a brief description of the drawings that form a part of this patent application:

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht der Vorrichtung, die zur Herstellung eines Produkts mit einem Werkzeugschaft, an den eine Ausführungsform der diskrete Diamanten gebunden ist, verwendet wird; undFig. 1 is a schematic view of the apparatus used to manufacture a product having a tool shank to which an embodiment of the discrete diamonds is bonded; and

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht der Vorrichtung, die zur Herstellung eines Produkts mit einem Werkzeugschaft, an den eine weitere Ausführungsform des Diamantverbundstoffs gebunden ist, verwendet wird; undFig. 2 is a schematic view of the apparatus used to manufacture a product having a tool shank to which another embodiment of the diamond composite is bonded; and

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Werkzeugbohrmeißels, der die vorliegende Erfindung beinhaltet.Figure 3 is a perspective view of a tool bit incorporating the present invention.

DETAILED DESCRIPTION OF SPECIFIC EMBODIMENTS

Mit Bezug auf Fig. 1 ist eine Skizze der Vorrichtung dargestellt, die zur Herstellung eines Produkts unter Verwendung des Diamanten als Teil der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Das typische Produkt ist ein Bohrkopf. Wie ersichtlich wird, weist der Bohrkopf einen Schaft auf. Schneidelemente wie z. B. die diskreten Diamanten werden an den Meißelkopf mit der Metallmatrix gebunden. Obwohl das Verfahren, durch das der Schaft am Bohrseil befestigt wird, variieren kann, besteht ein übliches Verfahren darin, Gewinde an dem Schaft vorzusehen, so daß der Schaft mit einer Gewindebohrung im Bohrseil in Gewindeeingriff steht. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Schaft an das Bohrseil zu schweißen.Referring to Figure 1, there is shown a sketch of the apparatus used to manufacture a product using the diamond as part of the present invention. The typical product is a drill bit. As can be seen, the drill bit has a shank. Cutting elements such as the discrete diamonds are bonded to the bit head with the metal matrix. Although the method by which the shank is attached to the drill wire can vary, a common method is to provide threads on the shank so that the shank threadably engages a threaded hole in the drill wire. Another possibility is to weld the shank to the drill wire.

Die Produktionsvorrichtung umfaßt eine Form aus Kohlenstoff, wie z. B. Graphit, die insgesamt mit 10 bezeichnet ist, mit einer Bodenwand 12 und einer aufrechtstehenden Wand 14. Die Form 10 legt darin ein Volumen fest. Die Vorrichtung umfaßt ferner ein oberes Element 16, das über die Öffnung der Form 10 paßt. Es sollte selbstverständlich sein, daß die Verwendung des oberen Elements 16 in Abhängigkeit von dem Grad an Atmosphärensteuerung, die man wünscht, wahlfrei ist.The production apparatus includes a mold made of carbon, such as graphite, generally designated 10, having a bottom wall 12 and an upstanding wall 14. The mold 10 defines a volume therein. The apparatus further includes an upper member 16 which fits over the opening of the mold 10. It should be understood that the use of the upper member 16 is optional depending on the degree of atmosphere control desired.

Ein Stahlschaft 24 wird innerhalb der Form angeordnet, bevor das Pulver in diese geschüttet wird. Ein Teil des Stahlschafts 24 befindet sich innerhalb des Pulvergemisches 22 und ein weiterer Teil des Stahlschafts 24 liegt außerhalb des Gemisches 22. Der Schaft 24 weist Gewinde 25 an einem Ende desselben und Nuten 25A am anderen Ende desselben auf.A steel shaft 24 is placed inside the mold before the powder is poured into it. A portion of the steel shaft 24 is inside the powder mixture 22 and another portion of the steel shaft 24 is outside the mixture 22. The shaft 24 has threads 25 at one end thereof and grooves 25A at the other end thereof.

Mit Bezug auf den Inhalt der Form sind eine Vielzahl von diskreten Diamanten 20 in ausgewählten Positionen innerhalb der Form angeordnet, so daß sie sich in ausgewählten Positionen auf der Oberfläche des fertiggestellten Produkts befinden. Das Matrixpulver 22 ist ein Pulver auf Carbidbasis, das in die Form 10 geschüttet wird, so daß es zu den Diamanten 20 benachbart ist. Die Zusammensetzung des Matrixpulvers 22 wird nachstehend dargelegt.With respect to the contents of the mold, a plurality of discrete diamonds 20 are arranged in selected positions within the mold so that they are located in selected positions on the surface of the finished product. The matrix powder 22 is a carbide-based powder which is poured into the mold 10 so that it is adjacent to the diamonds 20. The composition of the matrix powder 22 is set forth below.

Wenn die Diamanten 20 einmal gesetzt wurden und das Matrixpulver 22 in die Form geschüttet wurde, wird eine Durchsetzungslegierung 26 benachbart zu dem Pulvergemisch 22 in der Form 10 angeordnet. Dann wird der Deckel 16 über der Form angeordnet und die Form wird in einen Ofen gestellt und auf ungefähr 2200 ºF (1177ºC) erwärmt, so daß der Durchsetzungsstoff 26 schmilzt und die Pulvermasse durchsetzt. Das Ergebnis ist ein Endprodukt, in dem der Durchsetzungsstoff das Pulver zusammenbindet, die Matrix die Diamante darin hält und der Verbundstoff an den Stahlschaft gebunden ist.Once the diamonds 20 have been set and the matrix powder 22 has been poured into the mold, an enforcing alloy 26 is placed adjacent to the powder mixture 22 in the mold 10. The lid 16 is then placed over the mold and the mold is placed in a furnace and heated to approximately 2200°F (1177°C) so that the enforcing alloy 26 melts and enforces the powder mass. The result is a final product in which the enforcing alloy binds the powder together, the matrix holds the diamonds therein, and the composite is bonded to the steel shaft.

Mit Bezug auf Fig. 2 ist eine Skizze der Vorrichtung dargestellt, die zur Herstellung einer zweiten Art Produkt unter Verwendung der Diamantverbundstoffe als Teil der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Vorrichtung umfaßt eine Form aus Kohlenstoff, wie z. B. Graphit, die insgesamt mit 30 bezeichnet ist, mit einer Bodenwand 32 und einer aufrechtstehenden Wand 34. Die Form 30 legt darin ein Volumen fest. Die Vorrichtung umfaßt ferner ein oberes Element 36, das über die Öffnung der Form 30 paßt. Es sollte selbstverständlich sein, daß die Verwendung des oberen Elements 36 in Abhängigkeit von dem Grad an Atmosphärensteuerung, den man wünscht, wahlfrei ist.Referring to Figure 2, there is shown a sketch of the apparatus used to produce a second type of product using the diamond composites as part of the present invention. The apparatus includes a mold made of carbon, such as graphite, indicated generally at 30, having a bottom wall 32 and an upstanding wall 34. The mold 30 defines a volume therein. The apparatus further includes an upper member 36 which fits over the opening of the mold 30. It should be understood that the use of the upper member 36 is optional depending on the degree of atmosphere control desired.

Ein Stahlschaft 42 wird innerhalb der Form angeordnet, bevor das Pulvergemisch in diese geschüttet wird. Ein Teil des Stahlschafts 42 befindet sich innerhalb des Pulvergemisches 40 und ein weiterer Teil des Stahlschafts 42 liegt außerhalb des Gemisches. Der Schaft 42 weist Nuten 43 an dem Ende auf, das sich innerhalb des Pulvergemisches befindet.A steel shaft 42 is placed inside the mold before the powder mixture is poured into it. A portion of the steel shaft 42 is inside the powder mixture 40 and another portion of the steel shaft 42 is outside the mixture. The shaft 42 has grooves 43 on the end that is inside the powder mixture.

Mit Bezug auf den Inhalt der Form 30 sind eine Vielzahl von Kohlenstoff- (Graphit) Rohlingen 38 in ausgewählten Positionen innerhalb der Form angeordnet, so daß sie sich in ausgewählten Positionen auf der Oberfläche des fertiggestellten Produkts befinden. Das Matrixpulver 40 ist ein Pulver auf Carbidbasis, das in die Form 30 geschüttet wird, so daß es zu den Kohlenstoff- (Graphit) Rohlingen 38 benachbart ist. Die Zusammensetzung des Matrixpulvers 40 wird nachstehend dargelegt.With respect to the contents of the mold 30, a plurality of carbon (graphite) blanks 38 are arranged in selected positions within the mold so that they are in selected positions on the surface of the finished product. The matrix powder 40 is a carbide-based powder that is poured into the mold 30 so that it is adjacent to the carbon (graphite) blanks 38. The composition of the matrix powder 40 is set forth below.

Wenn die Kohlenstoff (Graphit) Rohlinge 38 einmal gesetzt wurden und das Matrixpulver 40 in die Form 30 geschüttet wurde, wird eine Durchsetzungslegierung 44 benachbart zum Pulvergemisch in der Form angeordnet. Dann wird der Deckel 36 über der Form angeordnet und die Form wird in einen Ofen gestellt und auf ungefähr 2200ºF (1177ºC) erwärmt, so daß der Durchsetzungsstoff schmilzt und die Pulvermasse durchsetzt. Das Ergebnis ist ein Zwischenprodukt, in dem der Durchsetzungsstoff das Pulver zusammenbindet, wobei auch die Pulvermasse an den Stahlschaft gebunden wird und die Kohlenstoff- (Graphit) Rohlinge Aussparungen in der Oberfläche der durchsetzten Masse festlegen.Once the carbon (graphite) blanks 38 have been set and the matrix powder 40 has been poured into the mold 30, an enforcing alloy 44 is placed adjacent to the powder mixture in the mold. Then the lid 36 is placed over the mold and the mold is placed in a furnace and heated to approximately 2200ºF (1177ºC) so that the enforcing alloy melts and enforces the powder mass. The result is an intermediate product in which the enforcing alloy binds the powder together, also binding the powder mass to the steel shaft and the carbon (graphite) blanks define recesses in the surface of the enforcing alloy.

Die Kohlenstoff- (Graphit) Rohlinge werden aus der gebundenen Masse entfernt und ein Diamantverbundstoff-Einsatz mit einer Form wie jener des Kohlenstoff- (Graphit) Rohlings wird in die Aussparung hartgelötet, um das Endprodukt zu bilden. Typischerweise weist der Diamantverbundstoff-Bohrkopf eine Schicht von diskreten Diamanten entlang der Seite auf.The carbon (graphite) blanks are removed from the bonded mass and a diamond composite insert with a shape similar to that of the carbon (graphite) blank is brazed into the recess to form the final product. Typically, the diamond composite bit has a layer of discrete diamonds along the side.

Mit Bezug auf Fig. 3 ist darin ein Teil eines Werkzeugs dargestellt, das insgesamt mit 50 bezeichnet ist. Das Werkzeug 50 weist eine nach vorn gewandte Oberfläche auf, an die diskrete Diamantelemente 52 gebunden sind.Referring to Fig. 3, there is shown a portion of a tool generally designated 50. The tool 50 has a forward facing surface to which discrete diamond elements 52 are bonded.

COMPARISON EXAMPLES

Die folgenden Vergleichsbeispiele wurden durchgeführt und getestet und die Testergebnisse werden nachstehend dargestellt.The following comparative examples were conducted and tested and the test results are presented below.

Vergleichsbeispiel A umfaßt ein Pulvermatrixgemisch mit einer Zusammensetzung und Größenverteilung wie folgt: etwa 67,10 Gew.-% makrokristallines Wolframcarbid mit der folgenden Größenverteilung: zwischen 18,0 und 22,0 Gew.-% der makrokristallinen Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -80 +120 mesh (mehr als 125 Mikrometern und weniger als oder gleich 177 Mikrometern) auf, zwischen 25,0 und 30,0 Gew.-% der makrokristallinen Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -120 +170 mesh (mehr als 88 Mikrometern und weniger als oder gleich 125 Mikrometern) auf, zwischen 29,0 Gew.-% und 33,0 Gew.-% der makrokristallinen Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -170 + 230 mesh (mehr als 63 Mikrometern und weniger als oder gleich 88 Mikrometern) auf, zwischen 18,0 Gew.-% und 22,0 Gew.-% der makrokristallinen Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -230 + 325 mesh (mehr als 44 Mikrometern und weniger als oder gleich 63 Mikrometern) auf; und bis zu 5,0 Gew.-% der makrokristallinen Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern) auf. Die Matrix enthält ferner etwa 30,9 Gew.-% zerkleinerte Guß-Wolframcarbidteilchen mit einer Größe von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern), 1,00 Gew.-% Eisen und dieses weist einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser zwischen 3 Mikrometern und 5 Mikrometern auf, und 1,00 Gew.-% Stahl der Klasse 4600 mit einer Teilchengröße von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern). Der Stahl der Klasse 4600 weist die folgende nominale Zusammensetzung (Gew.-%) auf: 1,57 Gew.-% Nickel; 0,38 Gew.-% Mangan; 0,32 Gew.-% Silizium; 0,29 Gew.-% Molybdän; 0,06 Gew.-% Kohlenstoff; und als Rest Eisen.Comparative Example A comprises a powder matrix mixture having a composition and size distribution as follows: about 67.10 wt.% macrocrystalline tungsten carbide having the following size distribution: between 18.0 and 22.0 wt.% of the macrocrystalline tungsten carbide particles have a size of -80 +120 mesh (greater than 125 micrometers and less than or equal to 177 micrometers), between 25.0 and 30.0 wt.% of the macrocrystalline tungsten carbide particles have a size of -120 +170 mesh (greater than 88 micrometers and less than or equal to 125 micrometers), between 29.0 wt.% and 33.0 wt.% of the macrocrystalline tungsten carbide particles have a size of -170 + 230 mesh (greater than 63 micrometers and less than or equal to 88 micrometers), between 18.0 wt.% and 22.0 wt.% of the macrocrystalline tungsten carbide particles have a size of -230 + 325 mesh (greater than 44 microns and less than or equal to 63 microns); and up to 5.0 wt.% of the macrocrystalline tungsten carbide particles have a size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns). The matrix further contains about 30.9 wt.% crushed cast tungsten carbide particles having a size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns), 1.00 wt.% iron having an average particle diameter between 3 microns and 5 microns, and 1.00 wt.% grade 4600 steel having a particle size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns). The grade 4600 steel has the following nominal composition (wt%): 1.57 wt% nickel; 0.38 wt% manganese; 0.32 wt% silicon; 0.29 wt% molybdenum; 0.06 wt% carbon; and the balance iron.

Der Durchsetzungsstoff war MACROFIL 53. Die Zusammensetzung des MACROFIL 53 ist vorstehend dargelegt. Dieses Pulvergemisch wurde zusammen mit dem Durchsetzungsstoff MACROFIL 53 in eine Form gegeben und auf etwa 2200ºF (1177ºC) erwärmt, bis der Durchsetzungsstoff die Pulvermasse angemessen durchsetzt hatte, um sie zusammenzubinden. Die Masse ließ man dann abkühlen.The penetrant was MACROFIL 53. The composition of MACROFIL 53 is set forth above. This powder mixture was placed in a mold together with the MACROFIL 53 penetrant and heated to about 2200ºF (1177ºC) until the penetrant had adequately penetrated the powder mass to bind it together. The mass was then allowed to cool.

Vergleichsbeispiel B umfaßt ein Pulvermatrixgemisch mit einer Zusammensetzung und Größenverteilung wie folgt: etwa 68 Gew.-% makrokristallines Wolframcarbid mit einer Größe von -80 +325 mesh (mehr als 44 Mikrometern und weniger als oder gleich 177 Mikrometern); 15 Gew.-% makrokristallines Wolframcarbid mit einer Größe von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern); 15 Gew.-% zerkleinertes Guß-Wolframcarbid mit einer Größe von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern); und 2 Gew.-% Nickel mit einer Größe von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern). Dieses Nickel ist INCO Typ 123 von der International Nickel Company und ist ein mit ausgeprägten Dornen bedecktes regelmäßiges geformtes Pulver. Die chemische Analyse und die physikalischen Eigenschaften, die aus der kommerziellen Literatur erhältlich sind, offenbaren folgendes: Die chemische Analyse zeigt eine Zusammensetzung aus: 0,1 max. Kohlenstoff, 0,15 max. Sauerstoff, 0,001 max. Schwefel, 0,01 max. Eisen und als Rest Nickel. Die durchschnittliche Teilchengröße beträgt 3-7 Mikrometer (Fisher- Siebdurchgangsgröße), die Schüttdichte beträgt 1,8-2,7 Gramm/cm³ und die spezifische Oberfläche beträgt 0,34-0,44 m²/g.Comparative Example B comprises a powder matrix mixture having a composition and size distribution as follows: about 68 wt.% macrocrystalline tungsten carbide having a size of -80 +325 mesh (greater than 44 microns and less than or equal to 177 microns); 15 wt.% macrocrystalline tungsten carbide having a size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns); 15 wt.% crushed cast tungsten carbide having a size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns); and 2 wt.% nickel having a size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns). This nickel is INCO Type 123 from the International Nickel Company and is a regular shaped powder covered with distinct spikes. The chemical analysis and physical properties available from the commercial literature reveal the following: The chemical analysis shows a composition of: 0.1 max. carbon, 0.15 max. oxygen, 0.001 max. sulfur, 0.01 max. iron and the balance nickel. The average particle size is 3-7 microns (Fisher sieve pass size), the bulk density is 1.8-2.7 grams/cm3 and the specific surface area is 0.34-0.44 m2/g.

Vergleichsbeispiel C umfaßt ein Pulvermatrixgemisch mit einer Zusammensetzung und Größenverteilung wie folgt: etwa 67,0 Gew.-% zerkleinertes Guß-Wolframcarbid mit einer Teilchengrößenverteilung wie folgt: zwischen 18,0 und 22,0 Gew.-% der zerkleinerten Guß-Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -80 +120 mesh (mehr als 125 Mikrometern und weniger als oder gleich 177 Mikrometern) auf, zwischen 25,0 und 30,0 Gew.-% der zerkleinerten Guß-Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -120 +170 mesh (mehr als 88 Mikrometern und weniger als oder gleich 125 Mikrometern) auf, zwischen 29,0 Gew.-% und 33,0 Gew.-% der zerkleinerten Guß- Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -170 +230 mesh (mehr als 63 Mikrometern und weniger als oder gleich 88 Mikrometern) auf, zwischen 18,0 Gew.-% und 22,0 Gew.-% der zerkleinerten Guß-Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -230 +325 mesh (mehr als 44 Mikrometern und weniger als oder gleich 63 Mikrometern) auf und bis zu 5,0 Gew.-% der zerkleinerten Guß- Wolframcarbidteilchen weisen eine Größe von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern) auf. Die Komponente weist ferner 31,0 Gew.-% zerkleinertes Guß-Wolframcarbid mit einer Teilchengröße von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern), 1,0 Gew.-% Eisen mit einer Teilchengröße von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern), und 1,0 Gew.-% Stahl 4600 mit einer Teilchengröße von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern) auf.Comparative Example C comprises a powder matrix mixture having a composition and size distribution as follows: about 67.0 wt.% of crushed cast tungsten carbide having a particle size distribution as follows: between 18.0 and 22.0 wt.% of the crushed cast tungsten carbide particles have a size of -80 +120 mesh (greater than 125 microns and less than or equal to 177 microns), between 25.0 and 30.0 wt.% of the crushed cast tungsten carbide particles have a size of -120 +170 mesh (greater than 88 microns and less than or equal to 125 microns), between 29.0 wt.% and 33.0 wt.% of the crushed cast tungsten carbide particles have a size of -170 +230 mesh (greater than 63 microns and less than or equal to 88 microns), between 18.0 wt.% and 22.0 wt.% of the crushed cast tungsten carbide particles have a size of -230 +325 mesh (greater than 44 microns and less than or equal to 63 microns), and up to 5.0 wt.% of the crushed cast tungsten carbide particles have a size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns). The component further comprises 31.0 wt.% crushed cast tungsten carbide having a particle size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns), 1.0 wt.% iron having a particle size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns), and 1.0 wt.% 4600 steel having a particle size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns).

Vergleichsbeispiel D umfaßt ein Pulvermatrixgemisch mit einer Zusammensetzung und Größenverteilung wie folgt: etwa 64 Gew.-% makrokristallines Wolframcarbid mit einer Größe von -80 +325 mesh (mehr als 44 Mikrometern und weniger als oder gleich 177 Mikrometern); 14 Gew.-% makrokristallines Wolframcarbid mit einer Größe von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern); 14 Gew.-% zerkleinertes Guß-Wolframcarbid mit einer Größe von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern); und 8 Gew.-% Nickel mit einer Größe von -200 mesh (weniger als oder gleich 74 Mikrometern). Dieses Nickel ist INCO Typ 123 von der International Nickel Company und ist ein mit ausgeprägten Dornen bedecktes regelmäßiges geformtes Pulver. Die chemische Analyse und die physikalischen Eigenschaften, die aus der kommerziellen Literatur erhältlich sind, offenbaren folgendes: Die chemische Analyse zeigt eine Zusammensetzung aus: 0,1 max. Kohlenstoff, 0,15 max. Sauerstoff, 0,001 max. Schwefel, 0,01 max. Eisen und als Rest Nickel. Die durchschnittliche Teilchengröße beträgt 3-7 Mikrometer (Fisher- Siebdurchgangsgröße), die Schüttdichte beträgt 1,8-2,7 Gramm/cm³ und die spezifische Oberfläche beträgt 0,34-0,44 m²/g.Comparative Example D comprises a powder matrix mixture having a composition and size distribution as follows: about 64 wt.% macrocrystalline tungsten carbide having a size of -80 +325 mesh (greater than 44 microns and less than or equal to 177 microns); 14 wt.% macrocrystalline tungsten carbide having a size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns); 14 wt.% crushed cast tungsten carbide having a size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns); and 8 wt.% nickel having a size of -200 mesh (less than or equal to 74 microns). This nickel is INCO Type 123 from the International Nickel Company and is a regular shaped Powder. Chemical analysis and physical properties available from commercial literature reveal the following: Chemical analysis shows a composition of: 0.1 max. carbon, 0.15 max. oxygen, 0.001 max. sulfur, 0.01 max. iron and the balance nickel. The average particle size is 3-7 microns (Fisher sieve pass size), the bulk density is 1.8-2.7 grams/cm3 and the specific surface area is 0.34-0.44 m2/g.

Actual examples

Die folgenden eigentlichen Beispiele der vorliegenden Erfindung wurden durchgeführt und getestet und die Testergebnisse sind ebenfalls nachstehend dargelegt.The following actual examples of the present invention were conducted and tested and the test results are also set forth below.

Example No. 1

Beispiel Nr. 1 umfaßt ein Pulvermatrixgemisch mit einer Zusammensetzung und Größenverteilung wie folgt: 100 Gew.-% zerkleinerte, gesinterte, makrokristalline Wolframcarbidhartmetallteilchen mit einer Teilchengröße von -140 +325 mesh (mehr als 44 Mikrometern und weniger als oder gleich 105 Mikrometern). Die Zusammensetzung des makrokristallinen Wolframcarbidhartmetalls umfaßt 13 Gew.-% Kobalt und 87 Gew.-% makrokristallines Wolframcarbid, wobei das makrokristalline Wolframcarbid eine durchschnittliche Teilchengröße zwischen etwa 5 Mikrometern und etwa 25 Mikrometern aufweist.Example No. 1 comprises a powder matrix mixture having a composition and size distribution as follows: 100 wt.% crushed, sintered, macrocrystalline cemented tungsten carbide particles having a particle size of -140 +325 mesh (greater than 44 micrometers and less than or equal to 105 micrometers). The composition of the macrocrystalline cemented tungsten carbide comprises 13 wt.% cobalt and 87 wt.% macrocrystalline tungsten carbide, wherein the macrocrystalline tungsten carbide has an average particle size between about 5 micrometers and about 25 micrometers.

Der Durchsetzungsstoff war MACROFIL 53. Die Zusammensetzung des MACROFIL 53 ist vorstehend dargelegt. Dieses Pulvergemisch wurde zusammen mit dem Durchsetzungsstoff MACROFIL 53 in eine Form gegeben und auf etwa 2200ºF (1177ºC) erwärmt, bis der Durchsetzungsstoff die Pulvermasse angemessen durchsetzt hatte, um sie zusammenzubinden. Die Masse ließ man dann abkühlen.The penetrant was MACROFIL 53. The composition of MACROFIL 53 is set out above. This powder mixture was mixed together with MACROFIL 53 permeating agent and heated to about 2200ºF (1177ºC) until the permeating agent had sufficiently permeated the powder mass to bind it together. The mass was then allowed to cool.

Example No. 2

Beispiel Nr. 2 umfaßt ein Pulvergemisch mit folgendem: 100 Gew.-% zerkleinerte, gesinterte, makrokristalline Wolframcarbidhartmetallteilchen mit einer Teilchengröße von -140 +270 mesh (mehr als 63 Mikrometern und weniger als oder gleich 105 Mikrometern). Die Zusammensetzung des makrokristallinen Wolframcarbidhartmetalls umfaßt 6 Gew.-% Kobalt und 94 Gew.-% makrokristallines Wolframcarbid, wobei das Wolframcarbid eine durchschnittliche Teilchengröße zwischen etwa 5 Mikrometern und etwa 25 Mikrometern aufweist.Example No. 2 comprises a powder mixture comprising: 100 wt.% crushed, sintered, macrocrystalline cemented tungsten carbide particles having a particle size of -140 +270 mesh (greater than 63 micrometers and less than or equal to 105 micrometers). The composition of the macrocrystalline cemented tungsten carbide comprises 6 wt.% cobalt and 94 wt.% macrocrystalline tungsten carbide, wherein the tungsten carbide has an average particle size between about 5 micrometers and about 25 micrometers.

Example No. 3

Beispiel Nr. 3 umfaßt ein Pulvergemisch, das die folgende Zusammensetzung und Teilchengrößenverteilung aufweist:Example No. 3 comprises a powder mixture having the following composition and particle size distribution:

(a) etwa 50,25 Gew.-% des Gemisches sind makrokristalline Wolframcarbidteilchen mit einer Teilchengröße von -80 + 325 mesh (mehr als 44 Mikrometern und weniger als oder gleich 177 Mikrometern); und(a) about 50.25% by weight of the mixture is macrocrystalline tungsten carbide particles having a particle size of -80 + 325 mesh (greater than 44 micrometers and less than or equal to 177 micrometers); and

(b) etwa 25,00 Gew.-% des Gemisches sind zerkleinerte, gesinterte, makrokristalline Wolframcarbidhartmetallteilchen mit einer Größe von -120 mesh (weniger als oder gleich 125 Mikrometern), und weisen die folgende Zusammensetzung auf: etwa 6 Gew.-% Kobalt, maximal 1 Gew.-% Eisen, maximal 1,0 Gew.-% Tantal, maximal 1,0 Gew.-% Titan, maximal 0,5 Gew.-% Niob, maximal 0,5 Gew.-% andere Unreinheiten und zum Rest makrokristallines Wolframcarbid mit einer durchschnittlichen Teilchengröße zwischen etwa 5 Mikrometern und etwa 25 Mikrometern; und(b) about 25.00% by weight of the mixture is crushed, sintered, macrocrystalline tungsten carbide cemented carbide particles having a size of -120 mesh (less than or equal to 125 micrometers), and having the following Composition: about 6 wt.% cobalt, maximum 1 wt.% iron, maximum 1.0 wt.% tantalum, maximum 1.0 wt.% titanium, maximum 0.5 wt.% niobium, maximum 0.5 wt.% other impurities and the balance macrocrystalline tungsten carbide with an average particle size between about 5 micrometers and about 25 micrometers; and

(c) etwa 23,25 Gew.-% des Gemisches ist Guß-Wolframcarbid mit einer Teilchengröße von -270 mesh (weniger als oder gleich 53 Mikrometern), wobei feinste Stoffe entfernt sind;(c) about 23.25% by weight of the mixture is cast tungsten carbide having a particle size of -270 mesh (less than or equal to 53 micrometers) with fines removed;

(d) etwa 0,75 Gew.-% des Gemisches ist Stahl der Klasse 4600 mit einer Teilchengröße von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern); und(d) about 0.75% by weight of the mixture is grade 4600 steel with a particle size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns); and

(e) etwa 0,75 Gew.-% des Gemisches ist Eisen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 3-5 Mikrometern.(e) about 0.75% by weight of the mixture is iron with an average particle size of 3-5 microns.

Dieses Pulvergemisch wurde zusammen mit dem Durchsetzungsstoff MACROFIL 53 in eine Form gegeben und auf etwa 2200ºF (1177ºC) erwärmt, bis der Durchsetzungsstoff die Pulvermasse angemessen durchsetzte, um sie zusammenzubinden. Die Masse ließ man dann abkühlen.This powder mixture was placed in a mold along with the MACROFIL 53 penetrant and heated to about 2200ºF (1177ºC) until the penetrant adequately penetrated the powder mass to bind it together. The mass was then allowed to cool.

Example No. 4

Beispiel Nr. 4 umfaßt ein Pulvergemisch, das die folgende Zusammensetzung und Teilchengrößenverteilung aufweist:Example No. 4 comprises a powder mixture having the following composition and particle size distribution:

(a) etwa 33,50 Gew.-% des Gemisches sind makrokristalline Wolframcarbidteilchen mit einer Teilchengröße von -80 + 325 mesh (mehr als 44 Mikrometern und weniger als oder gleich 177 Mikrometern);(a) about 33.50 wt.% of the mixture is macrocrystalline tungsten carbide particles having a particle size of -80 + 325 mesh (greater than 44 micrometers and less than or equal to 177 micrometers);

(b) etwa 50,00 Gew.-% des Gemisches sind zerkleinerte, gesinterte, makrokristalline Wolframcarbidhartmetallteilchen mit einer Größe von -120 mesh (weniger als oder gleich 125 Mikrometern) und mit der folgenden Zusammensetzung: etwa 6 Gew.-% Kobalt, maximal 1 Gew.-% Eisen, maximal 1,0 Gew.-% Tantal, maximal 1,0 Gew.-% Titan, maximal 0,5 Gew.-% Niob, maximal 0,5 Gew.-% andere Unreinheiten und zum Rest makrokristallines Wolframcarbid mit einer durchschnittlichen Teilchengröße zwischen etwa 5 Mikrometern und etwa 25 Mikrometern;(b) about 50.00% by weight of the mixture is crushed, sintered, macrocrystalline tungsten carbide cemented carbide particles having a size of -120 mesh (less than or equal to 125 micrometers) and having the following composition: about 6% by weight cobalt, maximum 1% by weight iron, maximum 1.0% by weight tantalum, maximum 1.0% by weight titanium, maximum 0.5% by weight niobium, a maximum of 0.5% by weight of other impurities and the remainder macrocrystalline tungsten carbide with an average particle size between about 5 micrometers and about 25 micrometers;

(c) etwa 15,50 Gew.-% des Gemisches ist Guß-Wolframcarbid mit einer Teilchengröße von -270 mesh (weniger als oder gleich 53 Mikrometern), wobei die feinsten Stoffe entfernt sind;(c) about 15.50% by weight of the mixture is cast tungsten carbide having a particle size of -270 mesh (less than or equal to 53 micrometers) with the finest particles removed;

(d) etwa 0,50 Gew.-% des Gemisches ist Stahl der Klasse 4600 mit einer Teilchengröße von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern); und(d) about 0.50% by weight of the mixture is grade 4600 steel with a particle size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns); and

(e) etwa 0,50 Gew.-% des Gemisches ist Eisen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 3-5 Mikrometern.(e) about 0.50% by weight of the mixture is iron with an average particle size of 3-5 microns.

Dieses Pulvergemisch wurde zusammen mit einem Durchsetzungsstoff MACROFIL 53 in eine Form gegeben und wurde auf etwa 2200ºF (1177ºC) erwärmt, bis der Durchsetzungsstoff die Pulvermasse angemessen durchsetzte, um sie zusammenzubinden. Die Masse ließ man dann abkühlen.This powder mixture was placed in a mold along with an entraining agent, MACROFIL 53, and was heated to about 2200ºF (1177ºC) until the entraining agent adequately permeated the powder mass to bind it together. The mass was then allowed to cool.

Example No. 5

Beispiel Nr. 5 umfaßt ein Pulvergemisch mit der folgenden Zusammensetzung und Teilchengrößenverteilung:Example No. 5 comprises a powder mixture having the following composition and particle size distribution:

(a) etwa 16,75 Gew.-% des Gemisches sind makrokristalline Wolframcarbidteilchen mit einer Teilchengröße von -80 +325 mesh (mehr als 44 Mikrometern und weniger als oder gleich 177 Mikrometern);(a) about 16.75% by weight of the mixture is macrocrystalline tungsten carbide particles having a particle size of -80 +325 mesh (greater than 44 micrometers and less than or equal to 177 micrometers);

(b) etwa 75,00 Gew.-% des Gemisches sind zerkleinerte, gesinterte, makrokristalline Wolframcarbidhartmetallteilchen mit einer Teilchengröße von - 120 mesh (weniger als oder gleich 125 Mikrometern), und mit der folgenden Zusammensetzung: etwa 6 Gew.-% Kobalt, maximal 1 Gew.-% Eisen, maximal 1,0 Gew.-% Tantal, maximal 1,0 Gew.-% Titan, maximal 0,5 Gew.-% Niob, maximal 0,5 Gew.-% andere Unreinheiten und zum Rest makrokristallines Wolframcarbid mit einer durchschnittlichen Teilchengröße zwischen etwa 5 Mikrometern und etwa 25 Mikrometern;(b) about 75.00% by weight of the mixture is crushed, sintered, macrocrystalline tungsten carbide cemented carbide particles having a particle size of - 120 mesh (less than or equal to 125 micrometers), and having the following composition: about 6% by weight cobalt, a maximum of 1% by weight iron, a maximum of 1.0% by weight tantalum, a maximum of 1.0% by weight titanium, a maximum of 0.5% by weight niobium, a maximum of 0.5% by weight other impurities and the balance macrocrystalline Tungsten carbide having an average particle size between about 5 micrometers and about 25 micrometers;

(c) etwa 7,75 Gew.-% des Gemisches ist Guß-Wolframcarbid mit einer Teilchengröße von -270 mesh (weniger als oder gleich 53 Mikrometern), wobei feinste Stoffe entfernt sind;(c) about 7.75% by weight of the mixture is cast tungsten carbide having a particle size of -270 mesh (less than or equal to 53 micrometers) with fines removed;

(d) etwa 0,25 Gew.-% des Gemisches ist Stahl der Klasse 4600 mit einer Teilchengröße von -325 mesh (weniger als oder gleich 44 Mikrometern); und(d) about 0.25% by weight of the mixture is grade 4600 steel with a particle size of -325 mesh (less than or equal to 44 microns); and

(e) etwa 0,25 Gew.-% des Gemisches ist Eisen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 3-5 Mikrometern.(e) about 0.25% by weight of the mixture is iron with an average particle size of 3-5 microns.

Dieses Pulvergemisch wurde zusammen mit einem Durchsetzungsstoff MACROFIL 53 in eine Form gegeben und wurde auf etwa 1177ºC (2200ºF) erwärmt, bis der Durchsetzungsstoff die Pulvermasse angemessen durchsetzt hatte, um sie zusammenzubinden. Die Masse ließ man dann abkühlen.This powder mixture was placed in a mold together with an entraining agent, MACROFIL 53, and was heated to about 1177ºC (2200ºF) until the entraining agent had adequately penetrated the powder mass to bind it together. The mass was then allowed to cool.

Example No. 6

Beispiel Nr. 6 umfaßt ein Pulvergemisch mit der folgenden Zusammensetzung und Teilchengrößenverteilung:Example No. 6 comprises a powder mixture having the following composition and particle size distribution:

(a) etwa 100 Gew.-% des Gemisches sind zerkleinerte, gesinterte, makrokristalline Wolframcarbidhartmetallteilchen mit einer Teilchengröße von - 120 mesh (weniger als oder gleich 125 Mikrometern) und mit der folgenden Zusammensetzung: etwa 6 Gew.-% Kobalt, maximal 1 Gew.-% Eisen, maximal 1,0 Gew.-% Tantal, maximal 1,0 Gew.-% Titan, maximal 0,5 Gew.-% Niob, maximal 0,5 Gew.-% andere Unreinheiten und zum Rest makrokristallines Wolframcarbid mit einer durchschnittlichen Teilchengröße zwischen etwa 5 Mikrometern und etwa 25 Mikrometern.(a) about 100% by weight of the mixture is crushed, sintered, macrocrystalline tungsten carbide cemented carbide particles having a particle size of -120 mesh (less than or equal to 125 micrometers) and having the following composition: about 6% by weight cobalt, a maximum of 1% by weight iron, a maximum of 1.0% by weight tantalum, a maximum of 1.0% by weight titanium, a maximum of 0.5% by weight niobium, a maximum of 0.5% by weight other impurities, and the balance macrocrystalline tungsten carbide having an average particle size between about 5 micrometers and about 25 micrometers.

Dieses Pulvergemisch wurde zusammen mit einem Durchsetzungsstoff MACROFIL 53 in eine Form gegeben und auf etwa 1177ºC (2200ºF) erwärmt, bis der Durchsetzungsstoff die Pulvermasse angemessen durchsetzt hatte, um sie zusammenzubinden. Die Masse ließ man dann abkühlen.This powder mixture was placed in a mold together with a MACROFIL 53 penetrant and heated to about 1177ºC (2200ºF), until the permeating agent had sufficiently penetrated the powder mass to bind it together. The mass was then allowed to cool.

Example No. 7

Beispiel Nr. 7 umfaßt ein Pulvergemisch aus 100 Gew.-% makrokristallinem i Wolframcarbidhartmetall mit einer Zusammensetzung von 10 Gew.-% Nickel und 90 Gew.-% makrokristallinem Wolframcarbid. Die Teilchengrößenverteilung des Pulvergemisches umfaßt: 0,1 Gew.-% des makrokristallinen Wolframcarbidhartmetalls mit einer Teilchengröße von -80 +120 mesh (mehr als 125 Mikrometern und weniger als oder gleich 177 Mikrometern); 11,4 Gew.-% des makrokristallinen Wolframcarbidhartmetalls mit einer Teilchengröße von -120+170 mesh (mehr als 88 Mikrometern und weniger als oder gleich 125 Mikrometern); 41,1 Gew.-% des makrokristallinen Wolframcarbidhartmetalls mit einer Teilchengröße von -170 +230 mesh (mehr als 63 Mikrometern und weniger als oder gleich 88 Mikrometern); 44,5 Gew.-% des makrokristallinen Wolframcarbidhartmetalls mit einer Teilchengröße von -230 +325 mesh (mehr als 44 Mikrometern und weniger als oder gleich 63 Mikrometern); und 2,9 Gew.-% des makrokristallinen Wolframcarbidhartmetalls mit einer Teilchengröße von -325 +400 mesh (mehr als 37 Mikrometern und weniger als oder gleich 44 Mikrometern).Example No. 7 comprises a powder mixture of 100 wt.% macrocrystalline i tungsten carbide having a composition of 10 wt.% nickel and 90 wt.% macrocrystalline tungsten carbide. The particle size distribution of the powder mixture comprises: 0.1 wt.% of the macrocrystalline tungsten carbide having a particle size of -80 +120 mesh (greater than 125 micrometers and less than or equal to 177 micrometers); 11.4 wt.% of the macrocrystalline tungsten carbide having a particle size of -120+170 mesh (greater than 88 micrometers and less than or equal to 125 micrometers); 41.1 wt.% of the macrocrystalline tungsten carbide having a particle size of -170 +230 mesh (greater than 63 micrometers and less than or equal to 88 micrometers); 44.5 wt.% of the macrocrystalline cemented tungsten carbide having a particle size of -230 +325 mesh (greater than 44 micrometers and less than or equal to 63 micrometers); and 2.9 wt.% of the macrocrystalline cemented tungsten carbide having a particle size of -325 +400 mesh (greater than 37 micrometers and less than or equal to 44 micrometers).

Examples No. 8 and 9

Beispiele Nr. 8 und 9 sind dieselben wie Beispiel Nr. 7.Examples 8 and 9 are the same as example 7.

Um das makrokristalline Wolframcarbidhartmetall für die Beispiele Nr. 7 bis 9 zu bilden, wurde makrokristallines Wolframcarbid mit 10 Gew.-% Nickel und dem Pulvergemisch vermischt, das für eine Stunde bei 1371ºC (2500ºF) gesintert wurde. Das gesinterte Material wurde dann in die in Beispielen Nr. 7 bis 9 dargelegten Teilchengrößen zerkleinert.To form the macrocrystalline tungsten carbide cemented carbide for Examples Nos. 7 to 9, macrocrystalline tungsten carbide was mixed with 10 wt.% nickel and the powder mixture was heated for one hour at 1371ºC (2500ºF) sintered. The sintered material was then crushed into the particle sizes set out in Examples Nos. 7 to 9.

Test results

Tests auf Schlagfestigkeit wurden gemäß einem Verfahren unter Verwendung einer Kerbschlagzähigkeitsmaschine durchgeführt. Die Maschine hatte einen Hammer, der, wenn er fallengelassen wurde, eine Schlagbelastungskraft auf einem Testprüfling erzeugte. Die zum Brechen des Prüflings erforderliche Belastung und die Zeit, die es brauchte, um den Prüfling zu brechen, wurden verwendet, um die Schlagfestigkeit zu berechnen. Dieser Test wurde unter Verwendung eines Dynatap-Instrument-Fallgewichtsturms durchgeführt. Dieser Test ist eine Drei-Punkt-Biegeprüfung mit hoher Dehnungsgeschwindigkeit, die die Menge an Energie mißt, die erforderlich ist, um einen Probenstift mit einem Durchmesser von einem halben Inch zu brechen.Impact strength tests were conducted according to a procedure using an impact machine. The machine had a hammer that when dropped produced an impact loading force on a test specimen. The load required to break the specimen and the time it took to break the specimen were used to calculate the impact strength. This test was conducted using a Dynatap Instrument Drop Weight Tower. This test is a three-point, high strain rate bending test that measures the amount of energy required to break a half-inch diameter specimen pin.

Tests auf die Biegebruchfestigkeit wurden gemäß einem Verfahren durchgeführt, bei dem ein zylindrischer Stift des durchsetzten Materials in einer Befestigungsvorrichtung angeordnet wurde. Eine Last wurde dann auf den Stift bis zum Bruch ausgeübt. Die Biegebruchfestigkeit wurde dann auf der Basis der tatsächlichen Last und der Abmessungen des Stiftprüflings berechnet. Tests auf die Härte wurden gemäß dem ASTM-Standard B347-85 durchgeführt.Flexural strength tests were conducted according to a procedure in which a cylindrical pin of the penetrated material was placed in a fixture. A load was then applied to the pin until failure. Flexural strength was then calculated based on the actual load and dimensions of the pin specimen. Hardness tests were conducted according to ASTM Standard B347-85.

Die Ergebnisse der Prüfung auf die Schlagfestigkeit, Biegebruchfestigkeit und Härte sind nachstehend für die sechs Beispiele und die drei Vergleichsbeispiele dargelegt.The results of the impact strength, flexural strength and hardness tests are presented below for the six examples and the three comparative examples.

Example No. 1

Schlagfestigkeit 4,728 ft·lbsImpact strength 4,728 ft·lbs

Biegebruchfestigkeit 136 ksiFlexural strength 136 ksi

Härte 29,2 Rockwell CHardness 29.2 Rockwell C

Example No. 2

Schlagfestigkeit 6,792 ft·lbsImpact strength 6,792 ft·lbs

Biegebruchfestigkeit 184 ksiFlexural strength 184 ksi

Härte 44,8 Rockwell CHardness 44.8 Rockwell C

Example No. 3

Schlagfestigkeit 3,516 ft·lbsImpact strength 3,516 ft·lbs

Biegebruchfestigkeit 105 ksiFlexural strength 105 ksi

Härte 33,6 Rockwell CHardness 33.6 Rockwell C

Example No. 4

Schlagfestigkeit 4,819 ft·lbsImpact strength 4,819 ft·lbs

Biegebruchfestigkeit 131 ksiFlexural strength 131 ksi

Härte 42,2 Rockwell CHardness 42.2 Rockwell C

Example No. 5

Schlagfestigkeit 5,222 ft·lbsImpact strength 5,222 ft·lbs

Biegebruchfestigkeit 153 ksiFlexural strength 153 ksi

Härte 44,3 Rockwell CHardness 44.3 Rockwell C

Example No. 6

Schlagfestigkeit 8,356 ft·lbsImpact strength 8,356 ft·lbs

Biegebruchfestigkeit 162 ksiFlexural strength 162 ksi

Härte 42,5 Rockwell CHardness 42.5 Rockwell C

Example No. 7

Schlagfestigkeit 9,249 ft·lbsImpact strength 9,249 ft·lbs

Biegebruchfestigkeit 216 ksiFlexural strength 216 ksi

Härte 41,7 Rockwell CHardness 41.7 Rockwell C

Example No. 8

Schlagfestigkeit 7,912 ft·lbsImpact strength 7,912 ft·lbs

Biegebruchfestigkeit 202 ksiFlexural strength 202 ksi

Härte 35,4 Rockwell CHardness 35.4 Rockwell C

Example No. 9

Schlagfestigkeit 7,421 ft·lbsImpact strength 7,421 ft·lbs

Biegebruchfestigkeit 191 ksiFlexural strength 191 ksi

Härte 36,3 Rockwell CHardness 36.3 Rockwell C

Example A

Schlagfestigkeit 2,730 ft·lbsImpact strength 2,730 ft·lbs

Biegebruchfestigkeit 116 ksiFlexural strength 116 ksi

Härte 38,3 Rockwell CHardness 38.3 Rockwell C

Example B

Schlagfestigkeit 3,094 ft·lbsImpact strength 3,094 ft·lbs

Biegebruchfestigkeit 114 ksiFlexural strength 114 ksi

Härte 31,5 Rockwell CHardness 31.5 Rockwell C

Example C

Schlagfestigkeit 2,466 ft·lbsImpact strength 2,466 ft·lbs

Biegebruchfestigkeit 96 ksiFlexural strength 96 ksi

Härte 38,7 Rockwell CHardness 38.7 Rockwell C

Example D

Schlagfestigkeit - ft·lbsImpact Strength - ft lbs

Biegebruchfestigkeit 128 ksiFlexural strength 128 ksi

Härte -- Rockwell CHardness -- Rockwell C

Die Abriebprüfung wurde gemäß dem Riley-Stoker-Verfahren (ASTM- Standard B611) unter Verwendung eines Gegengewichts von 26 kg durchgeführt. Diese Ergebnisse sind nachstehend dargelegt:The abrasion test was carried out according to the Riley-Stoker method (ASTM standard B611) using a counterweight of 26 kg. These results are presented below:

Weight loss Sample (top/bottom) *

Beispiel Nr. 1 426,5/373,9Example No. 1 426.5/373.9

Beispiel Nr. 2 373,3/298,2Example No. 2 373.3/298.2

Beispiel Nr. 3 427,6/423,5Example No. 3 427.6/423.5

Beispiel Nr. 4 394,4/387,4Example No. 4 394.4/387.4

Beispiel Nr. 5 382,7/375,1Example No. 5 382.7/375.1

Beispiel Nr. 6 339,8/374,0Example No. 6 339.8/374.0

Beispiel Nr. 7 344,8/ -Example No. 7 344.8/ -

Beispiel Nr. 8 350,4/257,2Example No. 8 350.4/257.2

Beispiel Nr. 9 357,4/331,7Example No. 9 357.4/331.7

Beispiel A 439,9/443,5Example A 439.9/443.5

Beispiel B 472, 1/466,4Example B 472, 1/466.4

Beispiel C 322,3/329,0Example C 322.3/329.0

Beispiel D 419,4/406,5Example D 419.4/406.5

* einer Münze* a coin

Die Einheiten für den Gewichtsverlust sind Gramm pro fünfzig Scheibenumdrehungen.The units for weight loss are grams per fifty disc revolutions.

Für das Erosionsprüfverfahren bestand die Prüfung aus dem Aussetzen von Münzen, die aus dem Matrixmaterial bestanden, einem Wasser unter hohem Druck plus einem Sandschleifstrom für eine festgelegte Zeitdauer und Messen des Massenverlusts der Münze. Die Testparameter wurden folgendermaßen festgelegt:For the erosion test method, the test consisted of exposing coins made of the matrix material to a high pressure water plus a sand abrasive current for a specified period of time and measuring the loss of mass of the coin. The test parameters were set as follows:

Wasserdruck...1000 psiWater pressure...1000 psi

Sandkorngröße...ASTM 50-70 (fein)Sand grain size...ASTM 50-70 (fine)

Düsengröße...# 4-15 GradNozzle size...# 4-15 degrees

Testdauer...1 MinuteTest duration...1 minute

Auftreffwinkel...20 GradImpact angle...20 degrees

Der Versuchsaufbau bestand aus einer großen Hochdruck-Wasserpumpeinheit, einem Sandzylinder, einem auslöserbetätigten Düsenabgabesystem und den Schläuchen zum Verbinden von allen diesen miteinander. Das für die Prüfung verwendete Verfahren bestand darin, die Münze zu wiegen, sie in die Bestrahlungsbefestigungsvorrichtung zu legen, sie für eine Minute zu bestrahlen, dann sie wieder zu wiegen, um den Verlust aufgrund von Erosion zu messen. Der zum Wiegen der Münze verwendete Maßstab war eine Mettler-Waage mit einer Auflösung von 0,002 Gramm. Die Münze wurde vor jedem Wiegen gereinigt und getrocknet. Zwei Tests wurden auf jeder Seite der Münze durchgeführt.The test setup consisted of a large high pressure water pump unit, a sand cylinder, a trigger operated nozzle delivery system and the tubing to connect all of these together. The procedure used for testing was to weigh the coin, place it in the irradiation fixture, irradiate it for one minute, then weigh it again to measure the loss due to erosion. The scale used to weigh the coin was a Mettler scale with a resolution of 0.002 grams. The coin was cleaned and dried before each weighing. Two tests were performed on each side of the coin.

Die Sand- und Wasserströmungsgeschwindigkeiten wurden auch überwacht. Die Wasserströmungsgeschwindigkeit betrug während der gesamten Prüfung durchschnittlich etwa 2 Gallonen pro Minute. Die Sandströmungsgeschwindigkeit betrug durchschnittlich etwa 0,65 lbs/Minute für die Prüfung mit einer gewissen merklichen Zunahme, als die Prüfung fortschritt. Die Genauigkeit der Sandströmungsmessung betrug etwa ± 0,05 lbs/Minute. Dieses Testverfahren folgt dem ASTM-Standard G76, außer daß es einen Flüssigkeitsstrahl anstelle eines Gasstrahls verwendet.Sand and water flow rates were also monitored. The water flow rate averaged about 2 gallons per minute throughout the test. The sand flow rate averaged about 0.65 lbs/minute for the test with some noticeable increase as the test progressed. The accuracy of the sand flow measurement was about ± 0.05 lbs/minute. This test procedure follows ASTM Standard G76 except that it uses a liquid jet instead of a gas jet.

Diese Testergebnisse wurden normiert, um die Veränderungen der Sandströmung zu berücksichtigen. Der Gewichtsverlust ist in Gramm angegeben.These test results have been normalized to account for changes in sand flow. Weight loss is given in grams.

Weight loss Sample (top/bottom) *

Beispiel Nr. 1 0,25/0,19Example No. 1 0.25/0.19

Beispiel Nr. 2 0,16/0,13Example No. 2 0.16/0.13

Beispiel Nr. 3 0,12/0,16Example No. 3 0.12/0.16

Beispiel Nr. 4 0,13/0,10Example No. 4 0.13/0.10

Beispiel Nr. 5 0,11/0,13Example No. 5 0.11/0.13

Beispiel Nr. 6 0,10/0,08Example No. 6 0.10/0.08

Beispiel Nr. 7 -----------Example No. 7 -----------

Beispiel Nr. 8 0,05/0,04Example No. 8 0.05/0.04

Beispiel Nr. 9 -----------Example No. 9 -----------

Beispiel A 0,42/0,37Example A 0.42/0.37

Beispiel B 0,38/0,37Example B 0.38/0.37

Beispiel C 0,17/0,17Example C 0.17/0.17

Beispiel D 0,12/0,09Example D 0.12/0.09

* einer Münze* a coin

Claims

1. A method of forming a matrix for a hard composite, the method comprising the step of heating a matrix powder in the presence of an entraining agent, characterized in that the matrix powder comprises at least 25% by weight of crushed, sintered cemented tungsten carbide particles having a particle size of greater than 37 micrometers and less than or equal to 177 micrometers, the composition of the crushed, sintered cemented tungsten carbide comprising about 5% to about 20% by weight of binder metal and about 80% to about 95% by weight of tungsten carbide.

2. The method of claim 1, wherein the binder metal is cobalt and the crushed, sintered tungsten carbide cemented carbide is composed of about 6 wt. % to about 13 wt. % cobalt and about 87 wt. % to about 94 wt. % tungsten carbide and has a particle size of greater than 53 micrometers and less than or equal to 105 micrometers.

3. The method of claim 1, wherein the binder metal is cobalt and the crushed, sintered cemented tungsten carbide has a particle size of greater than 44 micrometers and less than or equal to 177 micrometers.

4. The method of claim 1, wherein the binder metal is cobalt and the crushed, sintered tungsten carbide cemented carbide particles are composed of about 6 wt.% cobalt, a maximum of 1 wt.% iron, a maximum of 1.0 wt.% tantalum, a maximum of 1.0 wt.% titanium, a maximum of 0.5 wt.% niobium, a maximum of 0.5 wt.% other impurities, and the balance tungsten carbide having an average particle size of about 5 micrometers to about 25 micrometers.

5. The method of claim 1, wherein the powder comprises about 100 wt.% crushed, sintered tungsten carbide cemented carbide particles and the particle size of the crushed, sintered tungsten carbide cemented carbide is greater than 44 microns and less than or equal to 177 microns.

6. The method of claim 1, wherein the binder metal comprises cobalt and wherein the matrix powder comprises:

(a) up to 2u about 50% by weight of the matrix powder is tungsten carbide particles having a particle size of greater than 44 micrometers and less than or equal to 177 micrometers;

(b) at least 25% and up to about 75% by weight of the mixture is the crushed, sintered cemented tungsten carbide particles having the composition and particle size of claim 4;

(c) up to about 24% by weight of the mixture is cast tungsten carbide having an average particle size of less than or equal to 53 micrometers; and

(d) about 0.5 to about 1.5 weight percent of the mixture is essentially iron having a particle size of about 3 micrometers to about 5 micrometers.

7. The method of claim 6, wherein the iron component comprises about 0.25 wt. % to about 0.75 wt. % of the mixture and consists of grade 4600 steel having a particle size of less than or equal to 44 microns, and about 0.25 wt. % to about 0.75 wt. % of the mixture consists of iron having a particle size of about 3 microns to about 5 microns.

8. The method of claim 6, wherein the tungsten carbide particles comprise about 50 1 weight percent of the mixture and the crushed, sintered tungsten carbide cemented carbide particles comprise about 25 weight percent of the mixture.

9. The method of claim 6, wherein the tungsten carbide particles comprise about 34 wt.% of the mixture and the crushed, sintered tungsten carbide cemented carbide particles comprise about 50 wt.% of the mixture.

10. The method of claim 6, wherein the tungsten carbide particles comprise about 17 wt.% of the mixture and the crushed, sintered tungsten carbide cemented carbide particles comprise about 75 wt.% of the mixture.

11. The method of claim 1, wherein the crushed, sintered cemented tungsten carbide particles comprise crushed, sintered, macrocrystalline cemented tungsten carbide particles.

12. The method of claim 11, wherein the matrix powder comprises about 100 wt.% crushed, sintered, macrocrystalline cemented tungsten carbide particles.

13. The method of claim 12, wherein the binder metal is cobalt.

14. The method of claim 13, wherein the crushed, sintered, macrocrystalline tungsten carbide cemented carbide particles have a particle size of greater than 44 micrometers and less than or equal to 177 micrometers.

15. The method of claim 1, wherein the binder metal is nickel and the crushed, sintered tungsten carbide cemented carbide is composed of about 6 wt. % to about 13 wt. % nickel and about 87 wt. % to about 94 wt. % tungsten carbide and has a particle size of greater than 53 micrometers and less than or equal to 105 micrometers.

16. The method of claim 1, wherein the binder metal is nickel and the crushed, cemented tungsten carbide has a particle size of greater than 44 micrometers and less than or equal to 177 micrometers.

17. The method of claim 1, wherein the binder metal is nickel and the crushed, sintered tungsten carbide cemented carbide particles are composed of about 6 wt.% nickel, a maximum of 1 wt.% iron, a maximum of 1.0 wt.% tantalum, a maximum of 1.0 wt.% titanium, a maximum of 0.5 wt.% niobium, a maximum of 0.5 wt.% other impurities, and the balance tungsten carbide having an average particle size of about 5 micrometers to about 25 micrometers.

18. The method of claim 1, wherein the binder metal is nickel and the powder comprises about 100 wt.% crushed, cemented tungsten carbide particles having a particle size of greater than 44 micrometers and less than or equal to 177 micrometers.

19. The method of claim 1, wherein the binder metal comprises nickel and wherein the matrix powder comprises:

(a) up to about 50% by weight of the matrix powder is tungsten carbide particles having a particle size of greater than 44 micrometers and less than or equal to 177 micrometers;

(b) at least 25% up to about 75% by weight of the mixture is the crushed, sintered tungsten carbide cemented carbide particles and has the following composition: about 6% by weight nickel, a maximum of 1% by weight iron, a maximum of 1.0% by weight tantalum, a maximum of 1.0% by weight titanium, a maximum of 0.5% by weight niobium, a maximum of 0.5% by weight other impurities and the balance tungsten carbide having an average particle size of about 5 micrometers to about 25 micrometers;

20. The method of claim 19, wherein the iron component comprises about 0.25% to about 0.75% by weight of the mixture and consists of grade 14600 steel having a particle size of less than or equal to 44 micrometers, and about 0.25% to about 0.75% by weight of the mixture consists of iron having a particle size of about 3 micrometers to about 5 micrometers.

21. The method of claim 19, wherein the tungsten carbide particles comprise about 50 wt.% of the mixture and the crushed, sintered tungsten carbide cemented carbide particles comprise about 25 wt.% of the mixture.

22. The method of claim 19, wherein the tungsten carbide particles comprise about 34 wt.% of the mixture and the crushed, sintered cemented tungsten carbide particles comprise about 50 wt.% of the mixture.

23. The method of claim 19, wherein the tungsten carbide particles comprise about 17 wt% of the mixture and the crushed, sintered tungsten carbide cemented carbide particles comprise about 75 wt% of the mixture.

24. The method of claim 1, wherein the penetrant comprises about 50 to 70 wt.% copper, about 10 to 20 wt.% nickel, and about 15 to 25 wt.% zinc.

25. The method of claim 24, wherein the penetrant comprises about 63 to 67 wt.% copper, about 14 to 16 wt.% nickel, and about 19 to 21 wt.% zinc.

26. The method of claim 1, wherein the penetrant comprises about 45 to 60 wt.% copper, 10 to 20 wt.% nickel, about 4 to 12 wt.% zinc, about 18 to 30 wt.% manganese, some amount of boron, and some amount of silicon.

27. The method of claim 26, wherein the enforcer comprises about 52.7 wt.% copper, about 24 wt.% manganese, about 15 wt.% nickel, about 8 wt.% zinc, about 0.15 wt.% boron, and about 0.15 wt.% silicon.

28. Diamond composite element with:

a carrier, and

a diamond composite attached to the carrier,

wherein the diamond composite comprises a matrix including a mass of particles held together by an enforcing agent, the matrix being formed by the method of any one of claims 1 to 27.