JP6641925B2

JP6641925B2 - 掘削チップおよび掘削ビット

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Publication number: JP6641925B2
Application number: JP2015230103A
Authority: JP
Inventors: エコワルドヨアフマディ; 松尾　俊彦; 俊彦松尾; 稚晃桜沢
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2020-02-05
Anticipated expiration: 2035-11-25
Also published as: AU2020264372A1; KR102446207B1; US20170328136A1; RU2017121909A; EP3225775A4; AU2020264372B2; US10352104B2; CA2968940A1; CN107002465B; KR20170086525A; EP3225775A1; CN107002465A; AU2015354591A1; JP2016108937A; EP3225775B1; CA2968940C

Description

本発明は、掘削ビットの先端部に取り付けられて掘削を行う掘削チップ、およびこのような掘削チップが先端部に取り付けられた掘削ビットに関する。

掘削ビットの先端部に取り付けられて掘削を行う掘削チップとしては、超硬合金よりなるチップ本体の先端部に、このチップ本体よりも硬質な多結晶ダイヤモンドの焼結体よりなる硬質層が被覆されたものが知られている。ここで、特許文献１〜５には、主に多結晶ダイヤモンド焼結体における応力の緩和を目的として硬質層を多層構造としたものが提案されている。その多層構造では、硬質層表面の最外層からチップ本体側に向けて硬度は低く、靱性は高くなるように傾斜を持たせている。

一般的に、このような多層構造の硬質層の最外層はダイヤモンド粒子に金属バインダー（金属触媒）としてＣｏ等を添加して焼結した組成の多結晶ダイヤモンド焼結体とされている。また、内側の層ではダイヤモンドの含有量を減少させて代わりにＷＣ等の金属炭化物を添加することにより、チップ本体よりも高い硬度を維持しつつ、靱性を高めている。この内側の層をさらに多層構造としたものも提案されており、内側の層になるほどダイヤモンド含有量を少なく、ＷＣ含有量を多くして硬度と靱性に傾斜を持たせている。

米国特許第４６９４９１８号明細書米国特許第８５７３３３０号明細書米国特許第８６９５７３３号明細書米国特許第８２９２００６号明細書特許第４６７６７００号公報

ところで、このような掘削チップを取り付けた掘削ビットによる掘削作業では、例えば岩盤一面に深さ数メートルの掘削孔を十数カ所掘削し、これらの掘削孔に爆薬を仕込んで発破することにより、大きな掘削孔を形成してゆく。従って、掘削作業の効率化のためには、一面に十数カ所の掘削孔を掘削する際に、途中で交換を必要とすることのない長寿命の掘削ビットが求められる。

しかしながら、上述のような多層構造の硬質層を有する掘削チップにおいては、掘削時に突発的に岩盤中の極めて硬い超硬岩等に当たって最外層の多結晶ダイヤモンド焼結体層に欠損やチッピングが生じると、硬質層の内部の硬度が低くて比較的柔らかい層が露出する。そのように硬質層の内部が露出すると、この露出した部分から急激に摩耗が進行して、その摩耗がチップ本体に達してしまい、掘削が不可能となって掘削ビットの寿命が費えてしまう。

本発明は、このような背景の下になされたもので、掘削時に万一外層に欠損やチッピングが生じても、直ちに摩耗がチップ本体に達することがなく、掘削性能を維持することが可能な掘削チップを提供する。また、このような掘削チップを取り付けた長寿命の掘削ビットを提供することを目的としている。

上記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明の一態様である掘削チップは、掘削ビットの先端部に取り付けられて掘削を行う掘削チップであって、チップ本体と、このチップ本体の先端部に被覆された該チップ本体よりも硬質なダイヤモンド焼結体よりなる硬質層とを備え、上記硬質層は、該硬質層の表面側から上記チップ本体側に向けて、少なくとも２層の高硬度層と、これらの高硬度層の間に配設された該高硬度層よりも硬度が低い低硬度層とを有し、上記硬質層の表面側から上記チップ本体側に向けて、上記高硬度層と上記低硬度層との間に、該高硬度層よりも硬度が低く上記低硬度層よりも硬度が高い中間層を配設されていることを特徴とする。

このように構成された掘削チップにおいては、チップ本体の先端部に被覆されたダイヤモンド焼結体よりなる硬質層が、この硬質層の表面側からチップ本体側に向けて、すなわち該硬質層の外層側から内側に向けて、少なくとも２層の高硬度層と、これらの高硬度層の間に配設された高硬度層よりも硬度が低い低硬度層とを有しているので、掘削時に外層側の高硬度層に欠損やチッピングが生じて内部が露出し、この露出した部分から内側の低硬度層が摩耗しても、この低硬度層の内側に位置するチップ本体側の高硬度層によって摩耗の進行を抑えることができる。
さらに、上記高硬度層と上記低硬度層との間に、中間層を設けることによって外層側の高硬度層の応力緩和を維持しつつ、高硬度層に欠損等が生じた際でも摩耗が低硬度層に至るまでの掘削性能を確保することができる。

このため、上記構成の掘削チップによれば、硬質層に生じた摩耗が急激に進行してチップ本体に達するのを防ぐことができ、内側の高硬度層によって掘削チップの掘削性能を維持することができる。従って、このような掘削チップを先端部に取り付けた本発明の掘削ビットにおいては、その寿命の延長を図ることができて、多数の掘削孔を掘削する途中で掘削チップを交換する必要がなくなり、掘削作業の効率化を促すことが可能となる。

また、硬質層に、該硬質層の表面側から上記チップ本体側に向けて、それぞれ複数層ずつの上記高硬度層と上記中間層と上記低硬度層とを、上記高硬度層、上記中間層、上記低硬度層、上記高硬度層、上記中間層、上記低硬度層の順に配設することにより、内側の高硬度層に対しても、そのさらに内側に配設される、高硬度層よりは硬度が低く、靱性は高くなる低硬度層によって応力の緩和を図ることができる。さらに、３層以上の高硬度層と中間層と低硬度層とを配設すれば、高硬度層の層数に応じて掘削チップの寿命を延長することができる。

ここで、上記高硬度層の厚さは、上記低硬度層の厚さの１／２以上で該低硬度層の厚さ以下の範囲とされるのが望ましい。高硬度層の厚さを低硬度層の厚さの１／２以上とすることにより、相対的に低硬度層を高硬度層の２倍以上の厚さとすることができるので、外層の高硬度層に欠損等が生じたときに摩耗が内側の高硬度層に達するまでの掘削長や時間を確保することができる。ただし、高硬度層の厚さが低硬度層の厚さよりも厚いと、高硬度層の応力を十分に緩和することができなくなるおそれがある。

また、具体的に、個々の上記高硬度層の厚さと上記低硬度層の厚さは、それぞれ最も薄い部分で１５０μｍ以上であり、最も厚い部分で８００μｍ以下とされているのが望ましい。高硬度層および低硬度層ともに、最も薄い部分の厚さが１５０μｍ未満の場合には、層を均一に形成することが困難となって十分な耐摩耗性を得ることができなくなるおそれがある。一方、最も厚い部分の厚さが８００μｍを上回る場合には、この部分で外層の高硬度層が欠損してその内側の低硬度層が摩耗したときに、硬質層の表面が大きく剥がれ落ち、掘削チップ先端部の形状が歪になって所望の掘削性能を得ることができなくなるおそれがある。

なお、上述のように高硬度層はダイヤモンド粒子にＣｏ等の金属バインダー（金属触媒）を添加して焼結した多結晶ダイヤモンド焼結体の層とするとともに、低硬度層はダイヤモンド粒子の含有量を減少させて金属炭化物または金属窒化物等の粒子を添加したダイヤモンド焼結体よりなる層としてもよい。また、高硬度層と低硬度層をいずれもダイヤモンド粒子と金属バインダーおよび金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物等の添加粒子を含有して焼結したダイヤモンド焼結体層として、高硬度層と低硬度層でダイヤモンド粒子の含有量や粒径、金属バインダーや金属炭化物等の添加粒子の含有量、種類、組成比等を調整して硬度を低くしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、掘削時に突発的に岩盤中の極めて硬い超硬岩等に掘削チップが当たって硬質層外層の高硬度層に欠損やチッピングが生じ、露出した部分から内側の低硬度層に摩耗が進行しても、一気に摩耗がチップ本体まで達するのを防いで掘削性能を維持することができ、掘削ビットの寿命を延長して効率的な掘削作業を図ることができる。

本発明の掘削チップの一実施形態を示す断面図である。図１に示す実施形態の掘削チップを先端部に取り付けた本発明の掘削ビットの一実施形態を示す断面図である。

図１は本発明の掘削チップ１の一実施形態を示す断面図である。図２はこの実施形態の掘削チップ１を取り付けた本発明の掘削ビットの一実施形態を示す断面図である。本実施形態の掘削チップ１は、超硬合金等の硬質材料よりなるチップ本体２と、このチップ本体２の先端部（図１において上側部分）に被覆された、チップ本体２よりも硬質のダイヤモンド焼結体よりなる硬質層３とを備えている。

チップ本体２は、その後端部（図１において下側部分）がチップ中心線Ｃを中心とした円柱状をなしているとともに、先端部は、後端部がなす円柱の半径と等しい半径でチップ中心線Ｃ上に中心を有する半球状をなして、先端側に向かうに従いチップ中心線Ｃからの外径が漸次小さくなるように形成されている。すなわち、本実施形態の掘削チップ１はボタンチップとされている。

このような掘削チップ１が先端部に取り付けられる掘削ビットは、鋼材等により形成されて図２に示すように軸線Ｏを中心とした概略有底円筒状をなすビット本体１１を有し、その有底部が先端部（図２において上側部分）とされて掘削チップ１が取り付けられる。
また、円筒状の後端部（図２において下側部分）の内周には雌ネジ部１２が形成され、掘削装置に連結された掘削ロッドがこの雌ネジ部１２にねじ込まれて軸線Ｏ方向先端側に向けての打撃力と推力、および軸線Ｏ回りの回転力が伝達される。これにより、掘削チップ１によって岩盤を破砕して掘削孔を形成する。

ビット本体１１の先端部は後端部よりも僅かに外径が大径とされており、この先端部の外周には軸線Ｏに平行に延びる排出溝１３が周方向に間隔をあけて複数形成されて、上記掘削チップ１により岩盤が破砕されて生成された破砕屑がこの排出溝１３を通して後端側に排出される。また、有底とされたビット本体１１の雌ネジ部１２底面からは軸線Ｏに沿ってブロー孔１４が形成されている。このブロー孔１４はビット本体１１先端部において斜めに分岐してビット本体１１の先端面に開口し、上記掘削ロッドを介して供給される圧縮空気のような流体を噴出して破砕屑の排出を促進する。

さらに、ビット本体１１の先端面は、内周側の軸線Ｏに垂直な軸線Ｏを中心とした円形のフェイス面１５と、このフェイス面１５の外周に位置して外周側に向かうに従い後端側に向かう円錐台面状のゲージ面１６とを備えている。ブロー孔１４はフェイス面１５に開口するとともに、排出溝１３の先端はゲージ面１６に開口している。

そして、これらフェイス面１５とゲージ面１６には、それぞれブロー孔１４と排出溝１３の開口部を避けるようにして、断面円形の複数の取付孔１７が形成されている。上記掘削チップ１は、その円柱状の後端部がこれらの取付孔１７に圧入や焼き嵌め等によって締まり嵌めされたり、ロウ付けされたりすることにより固定され、チップ中心線Ｃがフェイス面１５とゲージ面１６に垂直となるように取り付けられる。

このようにして掘削ビットの先端部に取り付けられる掘削チップ１においては、その先端部に被覆された上記硬質層３が、該硬質層３の表面側からチップ本体２側に向けて、少なくとも２層の高硬度層４と、これらの高硬度層４の間に配設された高硬度層４よりも硬度が低い低硬度層５とを有している。さらに、本実施形態では、チップ本体２側の高硬度層４とチップ本体２との間にも低硬度層５が配設されていて、それぞれ複数層の２層ずつの高硬度層４と低硬度層５とが、この順に硬質層３の表面からチップ本体２の表面に向けて交互に配設されている。

このうち、高硬度層４は、ダイヤモンド粒子にＣｏ、Ｎｉ、あるいはＦｅ−Ｎｉ合金等の金属バインダー（金属触媒）を添加しただけで焼結した多結晶ダイヤモンド焼結体の層とする。一方、低硬度層５は、高硬度層４に対してダイヤモンド粒子の含有量を減少させるとともに、ＷＣ、ＴａＣ、ＴｉＣ等の金属炭化物粒子、ＴｉＮ、ｃＢＮ等の金属窒化物粒子、あるいはＴｉＣＮ等の金属炭窒化物粒子と、上述のような金属バインダーとを添加して焼結した焼結体層とする。これにより、高硬度層４よりも低硬度層５の硬度を低くすることができる。このように作製した場合には、高硬度層４のビッカース硬さは２５００〜４０００程度、低硬度層５のビッカース硬さは１５００〜２５００程度の範囲となる。

さらに、高硬度層４と低硬度層５を、いずれもダイヤモンド粒子と、上述のような金属バインダーおよび金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物等の添加物粒子とを含有して焼結した焼結体層としてもよい。このうち低硬度層５おいては、ダイヤモンド粒子の含有量や粒径を小さくしたり、金属炭化物等の添加物粒子の含有量、種類、組成比等を調整したりすることにより、高硬度層４よりも硬度を低くすることもできる。なお、このような硬質層３がチップ本体２の先端部に被覆された掘削チップ１の焼結は、基本的にダイヤモンド安定領域で行われ、例えば特許文献１〜５に記載されたような公知の焼結方法によって可能である。

このような構成の掘削チップ１および該掘削チップ１を先端部に取り付けた掘削ビットでは、掘削チップ１が掘削時に突発的に岩盤中の極めて硬い超硬岩等に当たった場合に、チップ本体２の少なくとも先端部に被覆された硬質層３のうち最外層の第１の高硬度層４に欠損やチッピングが生じて硬質層３の内部が露出する。これにより内側の低硬度層５が摩耗するが、この低硬度層５のさらに内側には低硬度層５よりも高硬度となる第２の高硬度層４が配設されているので、摩耗がチップ本体２に達するまで急激に進行するのを、この第２の高硬度層４によって抑制することができる。

従って、摩耗の進行によって第１、第２の高硬度層４の間の低硬度層５が摩滅した後でも、硬質層３のチップ本体２側すなわち内側の第２の高硬度層４によって掘削を続行することができるので、掘削性能を維持することが可能となる。このため、そのような掘削チップ１を先端部に取り付けた掘削ビットによれば、当該掘削ビットの寿命を延長させることができ、岩盤一面に数メートルの掘削孔を十数カ所形成するような場合でも、途中で掘削ビットを交換する必要がなくなって効率的な掘削作業を行うことが可能となる。

また、これら第１、第２の高硬度層４の間には、これらの高硬度層４より硬度が低い反面、靱性は高い低硬度層５が介装されているので、特に高硬度層４がダイヤモンド粒子に金属バインダーのみを添加して焼結した多結晶ダイヤモンド焼結体である場合でも、高硬度層４に生じる残留応力の緩和を図ることができる。しかも、本実施形態では、高硬度層４と低硬度層５とがそれぞれ複数層（２層）ずつ、硬質層３の表面側からチップ本体２側に向けて交互に配設されている。そのため、内側の第２の高硬度層４の応力も、その内側すなわち第２の高硬度層４とチップ本体２との間に介装される低硬度層５により緩和することができる。

なお、本実施形態では、このように２層ずつの高硬度層４と低硬度層５とが硬質層３の表面側からチップ本体２側に向けて交互に配設されているが、硬質層３においては少なくとも、２層の高硬度層４と、その間に配設される１層の低硬度層５とが備えられていればよい。すなわち、最もチップ本体２側の第２の高硬度層４はチップ本体２の先端部表面に直接被覆されたものであってもよい。また、３層以上の高硬度層４が低硬度層５を間にして交互に配設されていてもよく、例えば同数の高硬度層４と低硬度層５とが交互に積層された偶数層の硬質層３であってもよく、最外層と最内層が高硬度層４で各高硬度層４の間に低硬度層５が配設された奇数層の硬質層３であってもよい。硬質層３には、硬質層３の表面側からチップ本体２側に向けて、２〜６層ずつの高硬度層４と低硬度層５とが交互に配設されてもよい。また、高硬度層と低硬度層との合計層数は、４層以上１２層以下としてもよい。

本実施形態では、硬質層３の表面側からチップ本体２側に向けて高硬度層４から低硬度層５の間に、硬度が高硬度層４よりも低く低硬度層５よりは高い図示されていない中間層を配設する。例えば、高硬度層４がダイヤモンド粒子に金属バインダーのみを添加して焼結した多結晶ダイヤモンド焼結体層である場合に、この高硬度層４と低硬度層５の間に、ダイヤモンド粒子の含有量や粒径、金属バインダーや金属炭化物等の添加粒子の含有量、種類、組成比等を調整することにより、硬度を低硬度層５よりも高く、高硬度層４よりは低くした中間層を配設する。

このような中間層は、外層側の高硬度層４に対しては硬度が低くて靱性を高くすることができるため、この高硬度層４の応力をある程度は緩和することができる。その一方で、内層側の低硬度層５に対しては高い硬度であるため、高硬度層４に欠損やチッピングが生じたときに摩耗が低硬度層５に達するまで掘削性能を維持することができ、結果的に掘削チップ１の長寿命化を図ることができる。なお、この中間層自体も、硬質層３の表面側からチップ本体２側すなわち外層側から内層側に向けて順次硬度が低くなる複数の層によって形成されていてもよい。

ここで、各高硬度層４の厚さは、低硬度層５の厚さの１／２以上で低硬度層５の厚さ以下の範囲とされるのが望ましい。高硬度層４の厚さが低硬度層５の厚さよりも大きくなければ、この低硬度層５によって高硬度層４の応力を緩和するのに十分である。また、高硬度層４の厚さが低硬度層５の厚さの１／２以上であれば、相対的に低硬度層５の厚さは高硬度層４の厚さの２倍以上となるので、一層確実に高硬度層４の応力緩和を図ることができる。さらに、このように低硬度層５の厚さが確保されるのに伴い、低高度といえどもチップ本体２よりは硬質な低硬度層５により、該低硬度層５の内側の高硬度層４やチップ本体２に摩耗が達するまでの掘削長や時間を長く確保することができる。

より具体的には、個々の高硬度層４の厚さと低硬度層５の厚さは、それぞれ最も薄い部分で１５０μｍ以上であり、最も厚い部分で８００μｍ以下とされているのが望ましい。これら各高硬度層４および低硬度層５において、最も薄い部分の厚さが１５０μｍ未満であると、上述のように高硬度層４と低硬度層５がダイヤモンド粒子を含む焼結体層の場合には厚さを均一にすることが困難となり、十分な耐摩耗性を得ることができなくなるおそれがある。また、最も厚い部分の厚さが８００μｍを上回ると、この最も厚い部分で高硬度層４が欠損して低硬度層５が摩耗したときには、硬質層３の表面が大きく剥がれ落ち、掘削チップ１の先端部の形状が歪になって所望の掘削性能を得ることができなくなるおそれがある。これは、中間層についても同様である。

硬質層３の全体の厚さは、４５０μｍ〜２５００μｍの範囲とされるのが望ましい。硬質層３全体の厚さが４５０μｍ未満であると、層の数が最も少ない２層の高硬度層４と１層の低硬度層５によって硬質層３が形成されている場合でも、いずれかの層に上述のように最も薄い部分の厚さが１５０μｍ未満の箇所が生じるとともに、絶対的な硬質層３の厚さが薄すぎて直ぐに摩耗してしまい、必要な掘削長の掘削孔を形成することができなくなるおそれがある。一方、硬質層３の厚さが２５００μｍを超えると、高硬度層４と低硬度層５がダイヤモンド焼結体層の場合は、低硬度層５によって応力が緩和されているとしても、残留応力によって掘削チップ１全体に割れが生じ易くなるおそれがある。

なお、本実施形態の掘削チップ１では、上述のようにチップ本体２の先端部が半球状をなすボタンタイプの掘削チップに本発明を適用した場合について説明したが、チップ本体の先端部が砲弾状をなす、いわゆるバリスティックタイプの掘削チップや、先端部の後端側が円錐面状をなして先端側に向かうに従い縮径するとともに、その先端がチップ本体の円柱状の後端部よりも小さな半径の球面状をなす、いわゆるスパイクタイプの掘削チップに本発明を適用することも可能である。

次に、本発明の掘削チップおよび掘削ビットにおける効果について、実施例を挙げて実証する。本実施例では、先端部がなす半球の直径が１１ｍｍのボタンタイプの掘削チップを５種製造した。前記切削チップは、硬質層の高硬度層と低硬度層と（実施例３では中間層も）におけるダイヤモンド粒子と金属炭化物等の添加物粒子との粒径および体積含有率、金属バインダーの組成および添加割合、層数および各層の厚さを種々に変えて被覆した。これらを実施例１〜５とした。本実施例の焼結はすべて、特許文献１〜５に記載された方法と同様に、超高圧・高温発生装置を用いて、ダイヤモンド安定領域である、圧力５．８ＧＰａ、温度１５００℃、焼結時間１０分で行った。ただし、本発明の実施例は、実施例３のみであり、実施例１、２、４および５は、実施例と記載されているが比較例となる。

実施例１では、高硬度層を、粒径２〜４μｍのダイヤモンド粒子を３０ｖｏｌ％、粒径２０〜４０μｍのダイヤモンド粒子を７０ｖｏｌ％含有し、添加物粒子は含有せずに、Ｎｉ:１００ｗｔ％の金属バインダーを１５ｖｏｌ％（粒子を含んだ層全体に対する含有率。以下、同様。）含有した混合物によって、厚さ２００μｍに形成した。また、低硬度層を、粒径４〜６μｍのダイヤモンド粒子を６０ｖｏｌ％、添加物粒子として粒径０．５〜２μｍのＴａＣ粒子を４０ｖｏｌ%、Ｃｏ:１００ｗｔ%の金属バインダーを１０ｖｏｌ%含有した混合物によって厚さ４００μｍに形成した。これらを表面側からチップ本体側に向けて３層ずつ交互に配設した硬質層を先端部に被覆した。

実施例２では、高硬度層を粒径１０〜２０μｍのダイヤモンド粒子を１００ｖｏｌ％含有し、添加物粒子は含有せずに、Ｃｏ:１００ｗｔ％の金属バインダーを１０ｖｏｌ％を含有した混合物によって、厚さ１５０μｍに形成した。また、低硬度層を、粒径４〜６μｍのダイヤモンド粒子を５０ｖｏｌ％、添加物粒子として粒径０．５〜２μｍのＷＣ粒子を５０ｖｏｌ％、Ｃｏ:１００ｗｔ％の金属バインダーを１５ｖｏｌ％含有した混合物によって厚さ２００μｍに形成した。これらを表面側からチップ本体側に向けて６層ずつ交互に配設した硬質層を先端部に被覆した。

実施例３では、高硬度層を、粒径０．５〜２μｍのダイヤモンド粒子を３０ｖｏｌ％、粒径４〜６μｍのダイヤモンド粒子を７０ｖｏｌ％含有し、添加物粒子は含有せずに、Ｃｏ:１００ｗｔ％の金属バインダーを１０ｖｏｌ％含有した混合物によって厚さ２００μｍに形成した。中間層を、粒径４〜６μｍのダイヤモンド粒子を６０ｖｏｌ％、添加物粒子として粒径０．５〜２μｍのＷＣ粒子を４０ｖｏｌ％、Ｃｏ:１００ｗｔ％の金属バインダーを５ｖｏｌ％含有した混合物によって厚さ２００μｍに形成した。低硬度層を、粒径４〜６μｍのダイヤモンド粒子を２０ｖｏｌ％、添加物粒子として粒径０．５〜２μｍのＷＣ粒子を８０ｖｏｌ％、Ｃｏ:１００ｗｔ％の金属バインダーを５ｖｏｌ％含有した混合物によって厚さ２００μｍに形成した。これらを表面側からチップ本体側に向けて順に２層ずつ配設した硬質層を先端部に被覆した。

実施例４では、高硬度層を、粒径１５〜３０μｍのダイヤモンド粒子を６５ｖｏｌ％、添加物粒子として粒径０．５〜１．３μｍのＴｉＣ粒子を３５ｖｏｌ％、Ｃｏ:１００ｗｔ％の金属バインダーを１５ｖｏｌ％含有した混合物によって厚さ４００μｍに形成した。また、低硬度層を、粒径１５〜３０μｍのダイヤモンド粒子を３０ｖｏｌ％、添加物粒子として粒径０．５〜２μｍのＴｉＣＮ粒子を７０ｖｏｌ％、Ｃｏ:１００ｗｔ％の金属バインダーを１０ｖｏｌ％含有した混合物によって厚さ８００μｍに形成した。これらを表面側からチップ本体側に向けて２層ずつ交互に配設した硬質層を先端部に被覆した。

実施例５では、高硬度層を、粒径６〜１２μｍのダイヤモンド粒子を８０ｖｏｌ％、添加物粒子として粒径２〜４μｍのＷＣ粒子を２０ｖｏｌ％含有し、Ｆｅ:６９ｗｔ％、Ｎｉ:３１ｗｔ％の金属バインダーを１５ｖｏｌ％含有した混合物によって厚さ２００μｍに形成した。また、低硬度層を、粒径１５〜３０μｍのダイヤモンド粒子を４０ｖｏｌ％、添加物粒子として粒径２〜４μｍのｃＢＮ粒子を６０ｖｏｌ％、Ｃｏ:１００ｗｔ％の金属バインダーを１０ｖｏｌ％含有した混合物によって厚さ３００μｍに形成した。これらを表面側からチップ本体側に向けて２層ずつ交互に配設した硬質層を先端部に被覆した。

一方、これらの実施例１〜５に対する比較例として、２層の高硬度層の間に低硬度層を有することのない硬質層が被覆された先端部がなす半球の直径が同じく１１ｍｍのボタンタイプの掘削チップを４種製造した。これらを比較例１〜４とする。本比較例の焼成も本実施例と同様に超高圧・高温発生装置を用いて、ダイヤモンド安定領域である、圧力５．８ＧＰａ、温度１５００℃、焼結時間１０分で行った。

比較例１では、高硬度層を、粒径０．５〜２μｍのダイヤモンド粒子を３０ｖｏｌ％、粒径４〜６μｍのダイヤモンド粒子を７０ｖｏｌ％含有し、添加物粒子は含有せずに、Ｃｏ:１００ｗｔ％の金属バインダーを１０ｖｏｌ％含有した混合物によって厚さ２００μｍに形成した。また、中間層を、粒径４〜６μｍのダイヤモンド粒子を６０ｖｏｌ％、添加物粒子として粒径０．５〜２μｍのＷＣ粒子を４０ｖｏｌ％、Ｃｏ:１００ｗｔ％の金属バインダーを５ｖｏｌ％含有した混合物によって厚さ４００μｍに形成した。さらに、低硬度層を粒径４〜６μｍのダイヤモンド粒子を２０ｖｏｌ％、添加物粒子として粒径０．５〜２μｍのＷＣ粒子を８０ｖｏｌ％含有してＣｏ:１００ｗｔ％の金属バインダーを５ｖｏｌ％含有した混合物によって厚さ６００μｍに形成した。これらを表面側からチップ本体側に向けて順に１層ずつだけ配設した硬質層を先端部に被覆した。

比較例２では、硬質層を粒径０．５〜２μｍのダイヤモンド粒子を３０ｖｏｌ％、粒径４〜６μｍのダイヤモンド粒子を７０ｖｏｌ％含有し、添加物粒子は含有せずに、Ｃｏ:１００ｗｔ％の金属バインダーを１０ｖｏｌ％含有した混合物によって厚さ８００μｍの１層だけ被覆した。

比較例３では、高硬度層を粒径０．５〜２μｍのダイヤモンド粒子を３０ｖｏｌ％、粒径４〜６μｍのダイヤモンド粒子を７０ｖｏｌ％含有し、添加物粒子は含有せずに、Ｃｏ:１００ｗｔ％の金属バインダーを１０ｖｏｌ％含有した混合物によって厚さ４００μｍに形成した。また、低硬度層を粒径４〜６μｍのダイヤモンド粒子を６０ｖｏｌ％、添加物粒子として粒径０．５〜２μｍのＷＣ粒子を４０ｖｏｌ％、Ｃｏ:１００ｗｔ％の金属バインダーを５ｖｏｌ％含有した混合物によって厚さ６００μｍに形成した。これらを表面側からチップ本体側に向けて順に１層ずつだけ配設した硬質層を先端部に被覆した。

比較例４では、高硬度層を、粒径０．５〜２μｍのダイヤモンド粒子を３０ｖｏｌ％、粒径４〜６μｍのダイヤモンド粒子を７０ｖｏｌ％含有し、添加物粒子は含有せずに、Ｃｏ:１００ｗｔ％の金属バインダーを１０ｖｏｌ％含有した混合物によって厚さ４００μｍに形成した。また、低硬度層を、粒径４〜６μｍのダイヤモンド粒子を２０ｖｏｌ％、添加物粒子として粒径０．５〜２μｍのＷＣ粒子を８０ｖｏｌ％、Ｃｏ:１００ｗｔ％の金属バインダーを５ｖｏｌ％含有した混合物によって厚さ６００μｍに形成した。これらを表面側からチップ本体側に向けて順に１層ずつだけ配設した硬質層を先端部に被覆した。

このように製造した実施例１〜５と比較例１〜４の掘削チップ（ボタンチップ）を、ビット径４５ｍｍの掘削ビットのゲージ面に５つ、フェイス面に２つの合計で７つ取り付けた。これらを用いて硬岩と超硬岩とを含む平均一軸圧縮強度１８０ＭＰａの銅鉱山に、掘削長４ｍの掘削孔を掘削する掘削作業を行い、掘削チップが寿命に至るまでのトータル掘削長（ｍ）を測定するとともに掘削終了時の掘削チップの摩耗形態を確認した。なお、掘削条件は、掘削装置がＴＡＭＲＯＣＫ社製型番Ｈ２０５Ｄ、打撃圧力が１６０ｂａｒ、フィード（送り）圧力が８０ｂａｒ、回転圧力が５５ｂａｒとした。また、ブロー孔からは水を供給してその水圧は１８ｂａｒであった。この結果を表１に示す。

この結果より、比較例１〜４の掘削チップを取り付けた掘削ビットでは、最も掘削長の長い比較例１でも、掘削チップに正常摩耗以外に一部チッピングが生じ、実施例１〜５の掘削チップを取り付けた掘削ビットのおよそ１／２の掘削長で寿命に達してしまった。特に、硬質層が１層の比較例２では、層剥離により１０孔を掘削したところで寿命となり、１つの掘削ビットで岩盤の１面に十分な数の掘削孔を形成することはできなかった。

これに対して、実施例１〜５の掘削チップを取り付けた掘削ビットでは、トータル掘削長が最も短い実施例３でも略６０孔の掘削孔を形成することができ、岩盤１面に十数箇所の掘削孔を形成する場合には、略３面に対して掘削ビットを交換することなく効率的な掘削が可能であった。特に、高硬度層の層数が多い実施例２では、１００以上の掘削孔を形成することができ、極めて効率的な掘削作業が可能であった。

なお、実施例１と同じ高硬度層と低硬度層の組成で、高硬度層の厚さが１０００μｍ、低硬度層の厚さが２００μｍで、高硬度層と低硬度層が交互に２層ずつ積層された硬質層を有する掘削チップを製造しようとしたところ、高硬度層の厚さが８００μｍを越えていて硬質層における高硬度層の残留応力が高く、焼結時に高硬度層に層間クラックが発生して製造することができなかった。

以上説明したように、本発明では、掘削時に突発的に岩盤中の極めて硬い超硬岩等に掘削チップが当たって硬質層外層の高硬度層に欠損やチッピングが生じ、露出した部分から内側の低硬度層に摩耗が進行しても、一気に摩耗がチップ本体まで達するのを防いで掘削性能を維持することができ、掘削ビットの寿命を延長して効率的な掘削作業を図ることが可能となる。

１掘削チップ
２チップ本体
３硬質層
４高硬度層
５低硬度層
１１ビット本体
Ｃチップ中心線
Ｏビット本体１１の軸線

Claims

掘削ビットの先端部に取り付けられて掘削を行う掘削チップであって、
チップ本体と、このチップ本体の少なくとも先端部に被覆された該チップ本体よりも硬質なダイヤモンド焼結体よりなる硬質層とを備え、
上記硬質層は、該硬質層の表面側から上記チップ本体側に向けて、少なくとも２層の高硬度層と、これらの高硬度層の間に配設された該高硬度層よりも硬度が低い低硬度層とを有し、
上記硬質層の表面側から上記チップ本体側に向けて、上記高硬度層と上記低硬度層との間には、該高硬度層よりも硬度が低く上記低硬度層よりも硬度が高い中間層が配設されている掘削チップ。
上記硬質層には、該硬質層の表面側から上記チップ本体側に向けて、それぞれ複数層ずつの上記高硬度層と上記中間層と上記低硬度層とが、上記高硬度層、上記中間層、上記低硬度層、上記高硬度層、上記中間層、上記低硬度層の順に配設されている請求項１に記載の掘削チップ。
上記高硬度層の厚さは、上記低硬度層の厚さの１／２以上で該低硬度層の厚さ以下の範囲とされている請求項１または請求項２に記載の掘削チップ。
個々の上記高硬度層の厚さと上記低硬度層の厚さは、それぞれ最も薄い部分で１５０μｍ以上であり、最も厚い部分で８００μｍ以下とされている請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の掘削チップ。
請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の掘削チップが先端部に取り付けられている掘削ビット。