JPH0321716B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は油井掘削工業及び鉱業に使用されるロ
ーラービツト用の円錐カツタに関し、特に複数の
材料の組合せとした複合円錐カツタ及び複合円錐
カツタを形成する新しい方法に関する。 本明細書の説明は油及びガス工業用として製造
される３コーン回転カツタに関して行なう。しか
し、本発明は円錐回転カツタの他の型式例えば２
コーン回転カツタビツト、地質調査及び鉱業用ビ
ツト等にも適用できる。ビツト製造及び設計上大
切なことは、ビツトが所要の切削作用を行ない、
孔底に末切削の地層のリングを残さず、延済的に
許容できる岩石地層内への侵徹速度を有し、軸受
と切削構造物とは十分に耐火性であり、ビツトは
最大侵徹速度で最大の削屑を得るようにすること
である。中でも、侵徹速度と構造上の耐久性とは
使用者から見れば最も重要な関数であり、本発明
の主題である。 従来の技術 本発明による切削素子はコーン構造に一体であ
り、現在の技法ではカーバイトの切削素子をコー
ンに設けた孔に嵌入する。ビツトが回転すれば円
錐カツタ即ちコーンは孔底部上で回転し、夫々の
歯は間欠的に岩石内に侵徹して岩石を破砕、切削
或は彫りこむ。コーンの歯は互にかみ合い自己清
掃を容易にする。軽い岩石地層の場合は長い広い
間隔の鋼製の歯を使用し、容易に地層内に侵徹す
る。 現在のコーンの製造法は通常は鍛造、機械加
工、鋼の歯の表面焼入である。表面焼入は耐摩耗
層を形成し、切削素子即ち歯の摩損速度を減少
し、歯の摩耗に際して鋭い切刃となる。この製造
技法は作業者によつて著しい差異があり、表面焼
入層の厚さ及び化学組成の不正確のため必らずし
も均等でない。これは現在の製造技法が実際的及
び経済的に制御できない種々の関数が存在するた
めである。 表面硬化の現在の作業を説明する。耐摩耗合金
のロツドを高温の溶接アーク又は焔のジエツト内
に入れる。熱はロツドを溶融し鋼の歯の上に沈着
する。歯は高温であり一部溶融する。次に沈着物
を凝固させる。表面硬化合金を均等に供給し、ま
た熱を均等に供給しようとしても常に均等が得ら
れることは少なく、溶融した沈着物の凝固過程を
定める現象は制御できない。これは例えば熱を溶
融片から除く割合は均等でなく、鋼の歯の形状が
均等でないことに基く。この結果、歯の根先では
大きな質量のコーン本体が熱を急速に吸収し凝固
が急速であるのに対して、歯先端は不十分な冷却
作用のため比較的長時間高温に保つ。このため沈
着物は厚さが不均等であり、顕微鏡構造では化学
的に不均等になる。更に、重力、表面張力、外囲
の反応、例えば酸化、が複雑な役割を行ない、均
等で構造的に安定した表面硬化沈着物の形成を妨
げる。 各ビツト製造者の行なう製造方法は主作業とし
ては同様である。標準として、鋼棒を所要寸法に
切断し、加熱、鍛造して予備成形品とし、後に機
械加工して外側切削素子と内側軸受孔を形成す
る。更に研削して最終形状とし、カツタの歯の表
面硬化は何れかの溶融溶着技法によつて硬化し、
コーンの局部的な面を滲炭する。内面ラジアル軸
受は溶接沈着又は嵌入とする。最後にカツタを熱
処理し、軸受を最終加工する。 機械加工歯付きのコーン本体は通常は岩石掘削
の浸蝕、磨耗効果に耐えるために表面硬化を必要
とする。このためには広く使用される表面硬化技
法によつて行ない、例えば変態焼入、滲炭、窒
化、硬金属被覆とする。 更に、コーンの内面の大部分は硬化し、耐摩耗
耐衝撃として推力及びラジアル方向（ジヤーナル
ピンの軸線に対して）の負荷に耐える必要があ
る。このため、内面も表面硬化技法で硬化する。
ジヤーナル側では推力軸受面に接触するピン面は
通常表面硬化し、硬化したコーン、又はコーン内
の硬化したノーズボタンインサート又は滲炭工具
鋼ブツシユに接触して相対回転する。大部分のロ
ーラーコーンでは一列のキヤツプなしのボールが
ノーズピン及びローラー又はジヤーナル軸受間の
レース内を回転する。ボールは推力負荷の一部を
支持するが主機能はコーンが孔底部に押圧されな
い時にジヤーナルピン上にコーンを保持すること
にある。 主負荷はラジアル負荷であり１組の円筒ローラ
ー又はシールしたジヤーナル軸受によつて支持さ
れ、油井では主としてジヤーナル軸受を使用す
る。ジヤーナル軸受はしばしばグリース潤滑で使
用され、軸受寿命を長くするための別の支持部
材、即ち、自己潤滑浮動リング（文献(1)）、ベリ
リウム銅合金軸受に軟質金属潤滑フイルム被覆
（文献(2)(3)）、軟質金属インレイ付軸受で潤滑と熱
伝達（文献(4)）、又はアルミニウムブロンズイン
レイ、（文献(5)）をコーン内に軟質潤滑部材とし
てジヤーナルとコーンの軸受組合せに使用する。 コーンの主本体は通常は鍛造品とし、機械加工
して突出した鋭い広いチズル状の歯を切削素子と
して形成する。 近年、粉末冶金製の円錐カツタが提案された。
文献(7)(8)に示す切削素子と円錐カツタは２相以上
の混合とした粉末金属製とし、圧縮強化技法によ
つて組成は表面から中心に次第に変化する。この
複合構造はほゞ連続した機械的性質の勾配を有す
る。文献(6)はこれに対して一体のコア部材を有す
るドリルビツトコールを提案し、軸受は粉末を圧
縮強化した部分的に密度の高いコーン本体に硬質
金属を加熱スプレーによつて被覆する。複合コー
ンを高温等静圧プレスする。３層は一体に接合さ
れ、ドリルビツトは優れた機械的性質を有し、更
に摩耗及び破損に対して高い抵抗力を有すると記
述する。 上述した通り、機械加工した歯のカツタは焼入
可能金属の一体部材から加工される。しかし、コ
ーンの各部は異なる性質を必要とし、同じ材料を
使用して熱処理を変えただけでは好適な各部性質
を得られない。別の材料はしばしば溶接沈着によ
つて形成し、非均等の厚さと分析成分の不安定な
層となる。このため、現状の機械加工歯のコーン
製造技法は工業的各種性質の妥協的組合せとな
る。 現在の技法の他の問題点は大きな労務費であ
り、切削素子と軸受を含む全内外面の形は１個の
鍛造品から機械加工と研削によつて形成する。こ
の加工研削作業とこれに伴なう検査とは製造時間
を長くし、製造費を著しく高価する。 コーンの面を処理して所要の局部的性質を与え
ることができる。しかし、この処理は長時間であ
り不十分であり、コーンの全体の性質との妥協と
なる。 更に機械加工歯の表面硬化は上述した通り、均
等でない沈着となる。自己研ぎ効果は歯の一側の
みが硬化した時に有効であるため、不均等の時は
効果が少なく、更に沈着した合金がノツチ状に鍛
造コーン本体に入つて強度を害する。 近年の粉末冶金法による円錐カツタの製法は
種々の欠点がある。文献(7)に示す組成の勾配によ
る特性の勾配は複雑で製造困難であり、実際上反
対の効果を生じ、勾配内部で性質の劣化部分を生
ずる。組成の勾配は結局両端に存在する合金の連
続拡散である。拡散とは冶金部間で多く使用さ
れ、高硬度高カーバイド含有合金が異なる純粋の
組成の合金に溶融溶接する場合に大きな問題点を
生ずる。拡散した部分は両合金間の部分であり、
両合金の混合によつて生じ、高脆性低強度の層を
生ずる。これが文献(6)の円錐カツタに伴なう危険
である。 既知の技法に比較して、本発明は上述の危険の
ため故意に合金の勾配を避ける。これは異なる材
料の個別の層を形成し、短時間の高温プレス技法
を使用するため、原子の拡散は介面のみに限定さ
れて強固な冶金接合を形成するが、過度の混合即
ち拡散は生じない。 文献(6)に記す粉末冶金カツタは高温スプレー技
法を使用して粉末を施して表面層を形成する。こ
の技法は酸化物を合金層内と合金層とコーン本体
の介面に生じさせ、構造物を弱くする。本発明は
層の被着は室温での塗装、スプレー又は浸漬によ
る粉末金属のスラリーの被着であり、優れた品質
の円錐カツタとなる。 更に、文献(6)はコーンの軸受部分として１個の
一体の金属部材を使用する。ラジアル軸受は軟質
で可撓性を必要とするが、推力軸受及び球軸受に
使用する合金は面の剛性が大きくコーンとジヤー
ナルピンとの間の間隙の増大を防ぐ必要がある。
このため単一金属は両所要性質の妥協となる。公
差の厳密な維持は特に封入潤滑剤で軸受を保護す
る場合に必要である。使用間の間隙の増大はシー
ル寿命を短くする。本発明はコーン内面の両軸受
面は異なる材料とする。 発明の解決すべき問題点 本発明は回転カツタの製造方法を提供し、各種
コーン面に対する個別の表面硬化又は変性処理を
省略して簡単な低温度での塗装、スラリー浸漬又
はスプレー、又はインサート作業とする。所要の
局部性質は選択した粉末又は成形したインサート
によつて行ない、熱処理ではないため、外来の摩
耗、衝撃又は単純負荷の要求に適合する正確な手
段として特性変化を広く選択可能とする。 問題点を解決するための手段 本発明の過程には低温形成粉末のほゞ等静圧の
高温プレスを含む。米国特許3356496号、3689258
号参照。この基本過程はほゞ完成形状の部品を数
分間等静圧高温プレスし、既知の高温等静圧プレ
ス（HIP）法によつて形成したと同程度の特性を
有し、既知の方法に必要とする長い−サイクルは
省略する。 本発明によるローラービツトカツタは中空内部
を有し、軸線を形成する強靭金属製且つ破断抵抗
性のほゞ円錐形のコアと、コア内面に取付け軸線
を中心として延長しコアを回転支持する環状金属
のラジアル軸受層と、コア外面の耐摩耗金属外層
と、コアと一体としてコアから突出し少なくとも
一部が軸線を中心として互に離れた複数の金属の
歯と、ビツトカツタの軸線を中心とする回転間硬
い切刃を形成するように各歯に設けた耐衝撃耐摩
耗層とを備える。 好適な実施例によつて、耐衝撃耐摩耗金属内層
をコア内面に設け、軸線方向推力軸受とする。コ
ア外層はコアの歯間を覆う。各歯の層はタングス
テンカーバイドとする。少なくとも１層、好適な
例ではすべての層を圧縮強化粉末金属とする。 別の実施例によつて、コアを鋼合金とし、Ｃ、
Mn、Si、Ni、Cr、Mo、Ｖを含む素子を合金と
する。コアを鋳過合金鋼とする。コアを超高強度
鋼とする。外層はバインダ金属内の耐火材料粒子
の複合混合物とする。この粒子のミクロ強度1000
Kg／mm²以上、溶融点1600℃以上とする。更に耐火
材料粒子はTi、Ｗ、Al、Ｖ、Zv、Cr、Mo、
Ta、Nb、Hf及びその炭化物、酸化物、窒化物、
硼化物から成る群から選択する。他の例として、
外層は最初は粉末状の工具鋼とする。外層を表面
硬化合金でする。外層を耐摩耗金属間レーブス相
（Lavesphase）材料とする。 作 用 本発明によつて、均等で構造的に安定し耐摩耗
性層をコーンの所要部分に設け、円錐カツタの切
削作用を良くし、長い使用時間と最大侵徹速度を
得る。 本発明によつてドリルビツトコーンの労務費を
減少し、高温度短時間の圧縮強化過程によつて粉
末又は粉末と実体部品の組合せとした複合構造を
得る。 本発明によつて、コーンの各部の材料の選択の
自由度は大となり、短時間高温度圧縮強化過程は
コーンと各部の有効特性に悪影響を生じない。か
くして鋼歯設計の円錐カツタに現在まで使用され
なかつた複数の材料と材料の組合せが使用でき、
既知の長時間高温度の処理作業に伴う悪い副作用
は生じない。 本発明の目的と利点とを明らかにするための例
示とした実施例並びに図面について説明する。 実施例 第２図に示す本発明ローラービツトカツタ１０
には強靭な金属のほゞ円錐形の破断に耐えるコア
１１を有する。コアは中空内部１２を有し、回転
中央軸線１３を形成する。コアの底部にテーパ部
１４を設け、更に軸線１３に同心の複数の部分１
２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを有する。環状の
金属の半径方向のスリーブ型軸受層１５をコアの
内面部分１２ａを取付けてコアの回転支持とす
る。層１５はコアの環状面１１ａに取付け、軸線
１３を中心として延長する。層１５は後述の通り
軸受合金とする。 コアの内面部分１２ｂ〜１２ｅに衝撃及び摩耗
に耐える金属内層１６を取付け、端面１６ａ等を
推力軸受とする。複数の硬質金属の歯１７をコア
によつて支持し、例えば歯の根元１７ａで一体と
する。歯の外方突部１７ｂの一側には第２ａ図に
示す通り衝撃び摩耗に耐える層１７ｃを設けて、
ビツトカツタが軸線１３を中心として回転する時
に硬い切刃１７ｄを形成する。少なくとも一部の
歯は軸線１３を中心として延長し、層１７ｃは同
じ回転方向に面する。１枚の歯１７′はコアの外
方端の軸線１３上にある。この歯は離れている。 耐摩耗外側金属層１９はコア外面上に取付け、
この面及び歯１７間に完全に延長する。 本発明の重要な特長によつて、層１５，１６，
１９の少なくとも一層は本質的に強化粉末金属と
し、好適な例では３層共に強化粉末金属とする。
各種プレス技法によつて第２図に示す表面層を施
すことができる。上述した通り、表面層１５，１
６，１９はコア１１の内面部分とは全く異なる特
性とする必要がある。同様に層１６，１９は層１
５とは異なり、層１６は層１９とは異なる。各層
とコア部材１１とは別々に製造し又は粉末混合物
として施して冷間プレスする。従つて、第３図の
矢印で示す通り、各種の処理過程がある。第３図
の円内の数字は第１表に示す処理工程の番号に対
応する。図中の各連続経路はNo.１工程から始まり
No.15工程で終り別の処理過程を示し、これに従つ
て一体焼結複合円錐カツタを出産できる。 第１表 処理過程中に含まれる主処理工程は次の通りで
ある。 １ 粉末を混合調整。 ２ 予じめ成形したコア部材１１に歯１７を含み
粉末を冷間プレス。 ３ 予じめ成形したコア部材１１に所要密度より
低い密度の粉末を冷間プレス後焼結又は高温プ
レスする。焼結又は高温プレスは好適な温度範
囲1800〓〜1250〓（約982℃〜677℃）とする。
焼結の場合の標準焼結時間は温度に応じて0.5
〜４時間とする。 ４ 所要密度コア部材１１を鍛造又は鋳造する。 ５ 粉末硬金属材料被覆１９を施す。即ち、塗
装、スラリー浸漬又は冷間スプレーを行なう。
硬質金属粉に焼散性有機結合剤と輝発性溶剤と
の混合物を使用する。 ６ タングステンカーバイドのインサート１７Ｃ
を歯面に置く。 ７ 推力軸受合金粉末層１６を施す。即ち、塗
装、スラリー浸漬、又は冷間スプレーを行な
い、上述の工程５の合金とバインダの混合物を
使用。 ８ 粉末ラジアル軸受合金１５をコア部材内に施
す。塗装、スラリー浸漬又は冷間スプレーを行
ない、上述の工程５の合金とバインダの混合物
を使用。 ９ 粉末ラジアル軸受合金１５をコア部材に施
す。即ち塗装、スラリー浸漬又は冷間スプレー
を行ない、上述の工程５の合金とバインダの混
合物を使用。 10 鍛造、鋳造又は焼結粉末金属ラジアル軸受合
金１５をコア部材内に施す。 11 粉末層１５，１６及び又は１９をベーク又は
乾燥してバインダを除く。乾燥は例えば室温に
一夜放置する。スラリーを施した層が厚い時は
非酸化雰囲気で70〜300〓（約21〜149℃）で数
時間ベークし、バインダの揮発成分を完全に揮
発させる。 12 高温プレスし、複合物を所要密度即ち理論密
度の99％プラスに圧縮して円錐カツタとする。
標準の高温プレス温度範囲は1900〜2300〓（約
1038〜1260℃）とし圧力20〜50トン／in²（約３
〜8ton／cm²）を必要とする。 13 ラジアル軸受合金１５を加圧したコアに溶接
する。 14 最終仕上。内径プロフイルを研削又は加工、
軸受の仕上研削、シール座の仕上加工、検査
等。 上述の処理工程は処理作業流れの要部のみを示
す。同様の製品製造の際の処理過程で通常行なう
二次作業は簡単のため記さない。この作業には、
清掃、手による小さい欠陥の補修、酸化物等を除
去するサンドブラスト、寸法構造の検査等があ
る。 上述の処理工程は粉末金属処理の当業者にとつ
て新規である。各工程は処理の点から多くの利点
があり一部を下記に示す。 (1) 本発明複合カツタの高温プレス作業、即ち第
１表の工程12の準備のための組立作業即ち、塗
装、スプレー、取付等は室温又は室温に近い温
度で行なう。従つて、高温圧縮前の複合コーン
の熱的性質の差又は低強度末圧縮状態に伴なう
問題点は生じない。修理作業、形状寸法制御、
工程間の取扱は著しく簡単になる。 (2) 粉末状の金属又は合金又は金属複合物の表面
層の塗布を酢酸セルローズ、コーンスターチ、
各種蒸留物等の揮発性バインダを使用すること
によつて、バインダによつて強固に保持された
強い粉末層となり、全体の末圧縮コーン構造の
未圧縮状態の強度を強くする。これは表面厚さ
の制御、過程間の組立物の取扱が容易になり、
カーバイドインサートの機械的支持となる。 (3) 表面層を低温塗布によつて粉末の高温スプレ
ーに伴なう小孔を避けることができる。 (4) 上述の製造過程は完成品に近い製品となり、
既知の円錐カツタ製造に必要とする表に機械加
工を著しく減少する。 好適な円錐カツタの材料は次の通りである。 コーンの断面各部は第２図に示したが、夫々の
部分は使用間に最良の機能を得るためには異なる
工業的性質を必要とする。それ故、各部分の材料
は個別に選択する必要がある。 コア部材１１は高強度靭性を有する合金製と
し、1700〓（約950℃）以下の熱処理で所要の機
械的性質を与え、冷却応力に基く損傷を少なくす
る材料とする。この制限に適合する材料として次
の各種がある。 (1) 鉄ベース焼入級低合金鋼、C0.1〜0.65％、
Mu0.25〜2.0、Si0.15〜2.2、Ni3.75以下、Cr1.2
以下、Mo0.40以下、V0.3以下、残部鉄、他元
素総計１重量％以下。 (2) 鋳造可能合金鋼、合金元素全量８％以下、例
えばASTM−A148−80級。 (3) 超高強度鋼として次の各種がある。Ｄ−6A、
Ｈ−11、9Ni−4Co、18−Niマレージング、
300−Ｍ、4130、4330V、4340。これらの鋼は
規格的に上述(1)に記載した鋼と同じ値である。
しかし他の合金素子の含有量は高く、Cr5％以
下、Ni19％以下、Mo5％以下、V1％以下、
Co8％以下、残部鉄、他の元素合計１％以下で
ある。 (4) 鉄系粉末合金鋼、規格組成は、Fe79〜98％、
Cu0〜20、C0.4〜1.0、Ni0〜4.0。 (5) 時効硬化性マルテンサイトステンレス鋼、組
成は上述の(3)と同様であるが、Cr20％以下、
Al2.5％以下、Ti1.5％以下、Cu4.0％以下、コ
ロンビウムとタンタラムの合計0.5％以下を含
有し得る。 何れの場合にも、コア部材の機械的性質は次の
値以上とする。 抗張力 130ksi 降伏点 80ksi 伸 び ５％ 絞 り 15％ 衝撃値（アイゾツト） 10ft−lb 耐摩耗皮層１９は厚さ範囲0.01〜0.20in（約0.25
〜５mm）とし、均等とする必要はない。コーン外
層として好適な材料は下記のとおり。 (1) 耐火硬質材料の粒子をバインダ金属又は合金
内とした複合混合物とし、耐火硬質材料のミク
ロ硬度1000Kg／mm²以上（試験負荷50〜100ｇ）
市販純粋物で融点1600℃以上とし、バインダ金
属又はFe、Ni、Co又はCuベースとする。この
耐火硬質材料の例はTi、Ｗ、Al、Ｖ、Zr、Cr、
Mo、Ta、Nb、Hfの炭化物、酸化物、窒化
物、硼化物及びその溶解可能混合物である。 (2) 粉末状で市販される特別工具鋼であつて、大
量の強い炭化物形成材料、例えばTi、Ｖ、
Nb、Mo、Ｗ、Crを有し、Ｃは２重量％以上
有する。 (3) 表面硬化合金であつてFe、Ni又はCoベース
の遷移素子とし次の組成とする（重量％）。

【表】 (4) 耐摩耗金属間（レーブス相）材料でCo又は
Niを主成分とし、Mo25〜35、Cr8〜18、Si2〜
４、C0.08以下を含む。 推力軸受１６は硬度約35Rc以上の任意の金属
又は合金とし得る。好適な例では複合材料とし、
構成の一部は潤滑材料例えば二硫化モリブデン、
錫、銅、銀、鉛又はその合金又はグラハイトとす
る。 コバルトセメントのタングステンカーバイドイ
ンサート１７Ｃは、第２図の歯１７に接合し、市
販のコバルトタングステンカーバイド組成物と
し、コバルト含量は通常５〜18％の範囲である。 軸受合金１５は別に製造したインサートとして
コーンに組込む場合には焼入鋼又は炭化、窒化、
硼化鋼とし、又は市販の非鉄系軸受合金例えばブ
ロンズとする。軸受を溶接沈着する場合にはブロ
ンズが好適である。予じめ附着させた粉末から軸
受を一体高温プレスする場合、又はインサートを
既知の粉末冶金技法で製造する時は複合構造とし
て内部に軸受に潤滑特性を附与する位相を分散さ
せた構造とする。 実施の例について説明する。 本発明ローラカツタの処理経路の例は第１表の
工程１、３、５、６、７、10、11、12、14であ
る。低合金鋼組成を混入して最終化学分析は、
Mn0.22％、Mo0.23、Ni1.84、C0.27、残部鉄で
ある。粉末に極めて少量のステアリン酸亜鉛を潤
滑のために混合して冷間プレスし、85ksiの圧力
でコア部材１１（第２図）の形状とした。この予
備成形品は2050〓（約1121℃）で１時間焼結し、
強度を増す。 スラリーは、ステライト＃１合金粉末と３重量
％の酢酸セルローズと所要粘度の混合物とするた
めの量のアセトンとを混合して準備する。ステラ
イト＃１の規格成分は重量％として、Cr30、
C2.5、Si1.0、W12.5、FeとNi夫々１％以下、残
部Coである。スラリーをコア部材の外面に塗装
用へらを使用して塗り、歯面は除く。歯は使用時
間の摩耗によつて自己研磨効果が生ずることを希
望される。歯の一側のみをスラリーで覆い、スラ
リー乾燥硬化前に0.08in（約２mm）厚さのコバル
トセメント（６％Co）タングステンカーバイド
インサート（第４ａ図）をスラリーに押付ける。
カーバイドインサート縁部の過剰スラリーを除去
し、介面をへらを使つてならす。 合金鋼粉の薄い層を同様にスラリー状として第
２図の推力軸受面１６に施す。推力軸受合金鋼は
組成上コア部材を製造する鋼と同様であるがＣ含
有量は0.8重量％とする。焼入焼戻熱処理後に推
力軸受面はコア部材より硬くなり、所要の耐摩耗
性となる。 AISI 1055炭素鋼管、厚さ0.1in（約2.5mm）をコ
ア部材のラジアル軸受部に嵌合し、コア部材に使
用した合金鋼粉のスラリーの薄い層上に係合させ
る。 上述の組立とした予備成形品をオーブン内で
100〓（約38℃）に一夜加熱乾燥し、スラリーの
すべての揮発成分を除く。これを次に約2250〓
（約1232℃）で４分以内加熱し、2250〓（約1232
℃）とした円筒ダイス内の高温セラミツク粒子内
に埋込む。40ton／in²（約6ton／cm²）の圧力を液
圧プレスによつて粒子に作用する。加圧された粒
子を予備成形品のすべての方向に圧力を作用す
る。ピーク圧力は４〜５秒内に達し、ピーク圧力
を２秒以下に保つて圧力を抜く。ダイス内容物を
取出し、新たに圧縮強化したローラービツトカツ
タから粒子を分離する。この部品が1600〓（約
871℃）以下に冷却する前に1565〓（約850℃）で
作動する炉内に入れ、１〜２時間置いた後油冷す
る。酸化を防ぐために、炉雰囲気は非酸化性分解
アンモニアから成る。硬化した部品1000〓（約
538℃）で１時間焼戻し空冷してコアに靭性を与
える。 同様に処理した引張試験棒を引張試験し、抗張
力152ksi、降伏点141ksi、伸び12％、絞り39％を
得た。同様に処理した他の試験棒は焼戻450〓
（約232℃）とし、抗張力215ksi、降伏点185ksi、
伸び７％、絞り21％を得た。明らかに、選択した
温度で焼戻を行なうことによつて圧縮強化コア部
材に所要の機械的性質を得る。 他の例として、耐摩耗外皮と推力軸受面用の粉
末スラリーとして、ステライト合金＃１の粉末に
酢酸セルローズ1.5重量％を加えて調製した。予
備成形品を100〓（約38℃）で一夜乾燥した場合
と、250〓（120℃）で２時間乾燥した場合とを他
の過程を上述と同様として比較した。両部品は完
成後の差はなかつた。 別の例として、ラジアル軸受合金をコア内壁に
ニツケル粉スラリーを介して固着した。ラジアル
軸受合金とコア部材との間の接合は別個に接合し
た場合より著しく強い。 他の関連情報を述べる。 明細書に記した複合とは、顕微鏡構造上の、及
び工業上の見地から共に使用した。即ち、個々の
微細相が他の相内に分散した時に相の複合と称
し、別の比較的大きな部分が結合又は組立によつ
て他の部分と合一した時も複合と称した。カーバ
イド粒子がコバルト内の混合物とした合金は顕微
鏡的に複合層であり、各種別の層、カーバイド又
は他のインサートから成るコーンカツタは複合部
分とする。 第１表の未圧縮とは粉末金属部品の密度が不十
分であるが取扱上破損しない強度のものを称す
る。焼結とは粉末等の材料が密に接触し加熱され
て冶金結合したものを称する。 発明の効果 本発明はドリルビツト円錐部材に対して始めて
次の新しい特長を得る。 (1) 複合コーンをほゞ完成品に圧縮強化するため
の高温度短時間サイクル手段は著しく時間節約
となり、複数の材料を局部要求に合せて夫々使
用可能となる。 (2) 材料層の塗布取付を室温又は室温附近で行な
い、熱的活性化工程使用に伴う熱的損傷はなく
なる。 (3) 高温、高圧、短時間処理過程は第３図に示
し、時間と温度による拡散反応はほゞ生じな
い。 (4) ロツクビツト円錐カツタに硬質耐摩耗外皮と
内面層を設け、内面層を軸受合金又は２種の異
なる合金としてラジアル及び推力軸受用とす
る。すべての層は突出歯付きの高強度、強靭コ
ア部材のほゞ全面を囲む。 (5) 上述(4)の円錐カツタの歯の一側をインサート
で覆い、コバルトセメントのタングステンカー
バイドインサートとし、外皮１９に使用したと
同様のカーバイドの多い硬質合金の薄い層を介
してコア部材１１に接合する。これを第４ａ，
４ｃ図に示し、第４ｃ図に示す通り、均等な、
硬い切刃となり、摩耗間の自己研磨特性を有す
る。これは第４ｂ，４ｄ図に示す既知の硬い面
の歯の切刃が鈍くなる欠点が生じない。 (6) 上述(5)の円錐カツタの内面軸受面に予じめ形
成加工したインサートを円錐部材の圧縮強化工
程前に取付ける。このインサートは１個以上の
部材とし、少なくとも１個はラジアル軸受部材
とする。軸受は１個又は２個以上のインサート
とし、コーンの内面設計に応じて定める。この
変型例は第５ａ〜５ｄ図に示す。第５ａ図は１
個のインサート３０とする。第５ｂ図は第２の
インサート３１がインサート３０を除く全面内
面を覆う。第５ｃ図は第３のインサート３２を
インサート３０、第２のインサート３１′と組
合せる。第５ｄ図は別の形とした第２第３のイ
ンサート３１″，３２″を設ける。 (7) 上述の(6)に示す円錐カツタは内側軸受インサ
ート３３，３４を第６図に示す通り、靭性合金
の薄い層３３ａ，３４ａを介してコア部材１１
の内面に接合することもできる。 (8) 上述の(5)に示す円錐カツタの内側軸受面に粉
末冶金的に軸受合金の層を設けることができ
る。 第１図に示すビツト本体４０はねじ部４０ａを
有し、カツタ４１をジヤーナルピン４２に球軸受
４３推力軸受４４を介して取付ける。 第１表に示す過程の工程３を第７図に示し、矢
部１００，１０１はコア部材１１の内外面に作用
する等静圧加圧を示す。歯１７はコア部材と一体
であり、同様に加圧される。圧力作用は例えばゴ
ムモールド又はセラミツク粒子とし、コア及び歯
を囲んで加圧する。第１表の工程12を第８図に示
す。第２図に示す部品を高温セラミツク粒子１０
２内に埋込み、底壁１０４、側壁１０５を有する
ダイス１０３内に収容する。プランジヤ１０６を
円筒孔１０５ａに係合させ、下方に押す。高温粒
子１０２は圧縮強化力を部品に伝達する。コア１
１のすべての部品及び取付けた層はすべて同時に
圧縮強化させ互に接合する。

【図面の簡単な説明】

第１図は回転ドリルビツトに２個の円錐カツタ
を有し、互にかみ合つて清掃を良くするものの断
面図、第２図は機械加工歯付き円錐カツタの断面
図、第２ａ図は歯のインサートに沿う拡大部分断
面図、第３図は本発明複合円錐ドリルビツトカツ
タの製造過程の各工程を示す流れ線図、第４ａ図
第４ｃ図は本発明円錐カツタ歯の使用前後の部分
拡大斜視図、第４ｂ図第４ｄ図は既知の歯の使用
前後の部分拡大斜視図、第５ａ〜５ｄ図は円錐カ
ツタ内面形成のための各種軸受インサートを示す
断面図、第６図は軸受インサートとコア部材との
間に粉末金属接合層を介在させた断面図、第７図
は静圧を示す断面図、第８図は圧縮強化プレスの
断面図である。 １１：コア、１２：中空内面、１５，３０，３
３：軸受層、１６，３１，３２，３４：内層、１
７：歯、１７ｃ：耐摩耗インサート、１９：外
皮、４０：ビツト本体、４１：カツタ、１０２：
セラミツク粒、１０３：ダイス、１０６：プラン
ジヤ。 参考文献 (1) 米国特許3984158号 1976年10月５日 (2) 〃 4074922号 1978年２月21日 (3) 〃 3721307号 1971年３月20日 (4) 〃 3235316号 1966年２月15日 (5) 〃 3995017号 1976年12月７日 (6) 〃 4365679号 1982年12月28日 (7) 〃 4368788号 1983年１月18日 (8) 〃 4372404号 1983年２月８日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a) 内部が中空とされ軸線を形成する、強靭
   な金属製且つ破断抵抗性のほゞ円錐形のコア
   と、 (b) コア内面に取付け軸線を中心として延長しコ
   アを回転支持する環状金属のラジアル軸受層
   と、 (c) コア外面の耐摩耗金属外層と、 (d) コアと一体としてコアから突出し少なくとも
   一部が軸線を中心として互いに離れた複数の金
   属の歯と、 (e) ビツトカツタの軸線を中心とする回転の間硬
   い切刃を形成するように各歯に設けた耐衝撃耐
   摩耗層とを備え、 (f) 前記軸受層および前記金属外層の少なくとも
   ひとつの層並びに前記の各歯に設けた層が本質
   的に圧縮強化粉末金属であり、 (g) 前記コアが、 (i) 以下の重量パーセントの、炭素、マンガ
   ン、ケイ素、ニツケル、クロム、モリブデン
   およびバナジウムを含む元素を合金とした
   鋼； Ｃ 0.1〜0.65 Mn 0.25〜2.0 Si 0.15〜2.2 Ni 0.01〜3.75 Cr 0.01〜1.2 M₀ 0.01〜0.40 Ｖ ０〜0.3 (ii) 鋳造合金鋼； (iii) 超高強度鋼； (iv) 以下の重量パーセントの組成を有する圧縮
   強化鉄系粉末金属； Fe 79〜98 Cu ０〜20 Ｃ 0.4〜1.0 Ni ０〜4.0 (v) 以下の合金成分を含む時効硬化性マルテン
   サイトステンレス鋼； Cr ０〜20 Al ０〜2.5 Ti ０〜1.5 Cu ０〜4.0 Cb＋Ta ０〜0.5 のいずれかから実質的に構成される、 ことを特徴とするローラービツトカツタ。 ２ 前記超高強度鋼は、Ｄ−6A、Ｈ−11、9Ni
   −4Co、18−Niマレージング、300−Ｍ、4134、
   4330V、4340からなる群から選択されるものであ
   る特許請求の範囲第１項記載のカツタ。 ３ 前記コア内面に軸線方向の推力軸受を形成す
   る耐衝撃耐摩耗金属内層を備えることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のカツタ。 ４ 前記外層は歯の間のコアを覆うことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のカツタ。 ５ 前記歯上の層は本質的にタングステンカーバ
   イドとすることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のカツタ。 ６ 前記層の少なくとも２層は本質的に圧縮強化
   粉末金属とすることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項〜第５項のいずれかに記載のカツタ。 ７ 前記層の少なくとも３層は本質的に圧縮強化
   粉末金属とすることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項〜第５項のいずれかに記載のカツタ。 ８ 前記層はすべて本質的に圧縮強化粉末金属と
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第
   ５項のいずれかに記載のカツタ。 ９ 少なくとも１枚の前記歯は円錐コア先端に近
   接することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のカツタ。 １０ 前記コアの機械的性質は、次の値以上であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第４、７又は
   ８項のいずれかに記載のカツタ。 抗張力 130ksi 降伏点 80ksi 伸 び ５％ 絞 り 15％ 衝撃値（アイゾツト） 10ft−lb １１ 前記外層はバインダ金属内の耐火材料粒子
   の複合混合物製とすることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のカツタ。 １２ 前記耐火材料粒子のミクロ硬度1000Kg／mm²
   以上、溶融点1600℃以上とすることを特徴とする
   特許請求の範囲第１１項記載のカツタ。 １３ 前記耐火材料粒子は、Ti、Ｗ、Al、Ｖ、
   Zr、Cr、Mo、Ta、Nb、Hf及びその炭化物、酸
   化物、窒化物、硼化物からなる群から選択するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１１項記載のカ
   ツタ。 １４ 前記外層は最初は粉末状とした工具鋼製と
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   のカツタ。 １５ 前記外層は次の３列の何れかから選択した
   重量％の組成を有する表面硬化合金からなること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のカツ
   タ。 【表】 １６ 前記外層は耐摩耗、金属間レーブス位相材
   料から成り、上記材料は主成分をCoとNiから成
   る群から選択し、次の重量％で示す合金元素を含
   むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   カツタ。 M₀ 25〜35 Cr ８〜18 Si ２〜４ Ｃ ０〜0.08 １７ 前記内層は、 (i) 次の３列の何れかから選択した重量％の組成
   を有する表面硬化合金； 【表】 または、 (ii) 主成分がCoとNiから成る群から選択され、
   次の重量％で示す合金元素を含む耐摩耗、金属
   間レーブス位相材料； Mo 25〜35 Cr ８〜18 Si ２〜４ Ｃ ０〜0.08 のいずれかから構成されることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のカツタ。 １８ 前記コアと軸受層を掘削作業間回転支持す
   る取付構造物を備えることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のカツター。 １９ ローラービツトカツターの製造方法であつ
   て、 (a) 内部が中空とされ軸線を形成する強靭な金属
   製且つ破断抵抗性のほゞ円錐形のコアを設け、 (b) コア内面に取付け軸線を中心として延長しコ
   アを回転支持する環状金属のラジアル軸受層を
   設け、 (c) コア外面の耐摩耗外側金属層を設け、 (d) コアと一体としてコアから外方に延長し、少
   なくとも一部は軸線を中心として互いに離れた
   複数の金属の歯を設け、 (e) ビツトカツターの軸線を中心とする回転の間
   硬い切刃を形成するように各歯に設けた耐衝撃
   耐摩耗層を設ける工程を含み、 (f) 前記軸受層および前記金属外層の少なくとも
   ひとつの層並びに前記の各歯に設けた層が本質
   的に圧縮強化粉末金属であり、 (g) 前記コアが、 (i) 以下の重量パーセントの、炭素、マンガ
   ン、ケイ素、ニツケル、クロム、モリブデン
   およびバナジウムを含む元素を合金とした
   鋼； Ｃ 0.1〜0.65 Mn 0.25〜2.0 Si 0.15〜2.2 Ni 0.01〜3.75 Cr 0.01〜1.2 Mo 0.01〜0.40 Ｖ ０〜0.3 (ii) 鋳造合金鋼； (iii) 超高強度鋼； (iv) 以下の重量パーセントの組成を有する圧縮
   強化鉄系粉末金属； Fe 79〜98 Cu ０〜20 Ｃ 0.4〜1.0 Ni ０〜4.0 (v) 以下の合金成分を含む時効硬化性マルテン
   サイトステンレス鋼； Cr ０〜20 Al ０〜2.5 Ti ０〜1.5 Cu ０〜4.0 Cb＋Ta ０〜0.5 のいずれかから実質的に構成される、 ことを特徴とする前記方法。 ２０ 前記コア内部に軸線方向の推力軸受となる
   耐衝撃耐摩耗金属内層を設けることを特徴とする
   特許請求の範囲第１９項記載の方法。 ２１ 前記外層は歯の間のコアを覆うように被覆
   することを特徴とする特許請求の範囲第１９項記
   載の方法。 ２２ 前記歯上の層は本質的にタングステンカー
   バイドとすることを特徴とする特許請求の範囲第
   １９項記載の方法。 ２３ 前記層の少なくとも１層は層を覆う流動性
   粒状マトリクスを介して圧力を作用して雰囲気温
   度でほぼ固化する粉末金属の施工によつて形成す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１９項〜２
   ２項のいずれかに記載の方法。 ２４ 前記層の少なくとも２層は本質的に圧縮強
   化粉末とすることを特徴とする特許請求の範囲第
   １９項〜第２２項のいずれかに記載の方法。 ２５ 前記層の少なくとも３層は本質的に圧縮強
   化粉末とすることを特徴とする特許請求の範囲第
   １９項〜第２２項のいずれかに記載の方法。 ２６ 前記層はすべて本質的に圧縮強化粉末金属
   とすることを特徴とする特許請求の範囲第１９項
   〜第２２項のいずれかに記載の方法。 ２７ 前記コアの機械的性質は、抗張力130ksi、
   降伏点80ksi、伸び５％、絞り15％、衝撃値（ア
   イゾツト）10ft−lb以上とすることを特徴とする
   特許請求の範囲第１９項記載の方法。 ２８ 前記外層はバインダ金属内の耐火材料粒子
   の複合混合物からなることを特徴とする特許請求
   の範囲第１９項記載の方法。 ２９ 前記耐火材料粒子は、ミクロ硬度1000Kg／
   mm²以上、溶融点1600℃以上とすることを特徴とす
   る特許請求の範囲第２８項記載の方法。 ３０ 前記耐火材料粒子は、Ti、Ｗ、Al、Ｖ、
   Zr、Cr、Mo、Ta、Nb、Hf及びその炭化物、酸
   化物、窒化物、硼化物からなる群から選択するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２８項記載の方
   法。 ３１ 前記外層は最初は粉末状の工具鋼からなる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１９項記載の
   方法。 ３２ 前記コアと前記層とはダイス内で粒子マト
   リクスを経由する圧力の作用によつて同時に圧縮
   強化され、前記コアと前記層とは上記マトリクス
   内に予め埋込むことを特徴とする特許請求の範囲
   第２３項記載の方法。