JP2004291037A - 超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合方法、接合構造、掘削工具の切刃片、切刃部材、及び掘削工具 - Google Patents
超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合方法、接合構造、掘削工具の切刃片、切刃部材、及び掘削工具 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合強度を高める。
【解決手段】掘削工具において切刃として用いられる切刃片を、超硬合金製の切刃基体１１（超硬合金製部材）と、切刃基体１１に支持されるダイヤモンド製部材１２と、これらの間に設けられて切刃基体１１及びダイヤモンド製部材１２とそれぞれ拡散接合される金属層１３とを有する構成とする。金属層１３を、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗのうちのいずれか一種の金属、もしくはこれらのうちの二種以上の金属の合金によって構成する。
【選択図】 図４
【解決手段】掘削工具において切刃として用いられる切刃片を、超硬合金製の切刃基体１１（超硬合金製部材）と、切刃基体１１に支持されるダイヤモンド製部材１２と、これらの間に設けられて切刃基体１１及びダイヤモンド製部材１２とそれぞれ拡散接合される金属層１３とを有する構成とする。金属層１３を、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗのうちのいずれか一種の金属、もしくはこれらのうちの二種以上の金属の合金によって構成する。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合方法、接合構造と、坑井の掘削に用いられる掘削工具の切刃片、切刃部材、及び掘削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油井その他の坑井の掘削に用いられる掘削工具としては、合金鋼製工具本体の先端面に、複数の炭化タングステン基超硬合金製ポスト（以下、超硬ポストという）が所定の配列でろう付けや焼きばめなどの手段で固着され、この超硬ポストの先方側面のそれぞれに、全体が超高圧焼結ダイヤモンド（以下、焼結ダイヤという）からなる切刃片が直接ろう付けされた構造の掘削工具が知られている。
この掘削工具は、工具本体をパイプの先端に取り付けて、工具本体に対してパイプを介して掘削方向への荷重を加えながら工具本体を回転させることで、工具本体に設けた切刃片によって掘削を行うものである。
【０００３】
ここで、ダイヤモンドは濡れ性が悪く、通常のろう材によるろう付けが困難であるので、この掘削工具では、例えばＣｕ（銅）：２０〜４０質量％、Ｔｉ（チタン）：０．５〜１０質量％を含有し、残りがＡｕ（金）と不可避不純物とからなる組成を有するＡｕ合金ろう材（融点は９４０°Ｃ）を用いて超硬ポストに対する切刃片のろう付けを行っている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−０００６８６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年は、掘削作業の省力化及び省エネ化、さらに低コスト化に対する要求が強い。例えば、石油等の採掘のための掘削作業では、一日の操業コストは５００〜２０００万円と非常に高額であることから、コスト低減のために、掘削速度を速めて掘削作業を短期間で終了させることが求められている。
【０００６】
掘削速度を速めるためには、工具本体に加える荷重を大きくしたり、工具本体の回転速度を速くすればよい。
しかし、いずれの場合にも、切刃片にはより大きな負荷が加わることになる。超硬合金製の超硬ポストと焼結ダイヤ製の切刃片とは、上記のようにろう付けによって接合されており、その接合強度はあまり高くないので、切刃片にあまり高い負荷が加わると、切刃片が超硬ポストから剥がれてしまう可能性がある。
また、あまり掘削速度を速くすると、掘削熱も大きくなるため、切刃片をろう付けしているろう材が融けて切刃片が超硬ポストから剥がれてしまう可能性がある。
このため、従来は、掘削速度をあまり速くすることができなかった。
【０００７】
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであって、接合強度をより高めた超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合方法、接合構造、掘削工具の切刃片、切刃部材、及び掘削工具を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合方法は、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との間に、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｗ（タングステン）のうちのいずれか一種の金属と不可避不純物とからなる金属箔、もしくはこれらのうちの二種以上の金属の合金と不可避不純物とからなる金属箔を挟み込み、前記超硬合金製部材及び前記ダイヤモンド製部材を、それぞれ前記金属箔と拡散接合することを特徴としている。
【０００９】
超硬合金製部材及びダイヤモンド製部材と金属箔との拡散接合は、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との間に金属箔を挟み込んだ状態で、例えば５〜６ＧＰａの超高圧下で、１４００〜１５５０°Ｃの超高温の熱処理を施すことで行われる。
ここで、金属箔を構成するＴｉ、Ｚｒ、Ｗは、いずれもダイヤモンドの焼結に用いられる触媒金属ではないので、上記の熱処理を行っても金属箔の一部のみが超硬合金製部材及びダイヤモンド製部材に拡散されることとなり、金属箔の大部分はそのまま超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との間に残留して、これらの間に金属層を形成する。また、金属箔を構成する金属または合金は、前記のように触媒金属ではないため、ダイヤモンド製部材において金属箔との接合部分近傍にのみ拡散することとなり、ダイヤモンド製部材の物性に悪影響を与えない。
【００１０】
このように拡散接合を行うことで、ダイヤモンド製部材において金属箔との接合部分近傍には、金属箔の成分が拡散された拡散層が形成されることとなり、ダイヤモンド製部材と金属箔とが強固に接合される。そして、この拡散層中には、金属箔の成分とダイヤモンド製部材の成分との化合により強固な炭化物（ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＷＣ）が形成されるので、ダイヤモンド製部材と金属箔との接合強度が著しく高められる。
また、超硬合金製部材においても、金属箔との接合部分近傍には、金属箔の成分が拡散された拡散層が形成されるので、超硬合金製部材と金属箔とが強固に接合される。
そして、金属箔を構成する金属または合金は、いずれも従来用いられているろう材よりも融点が高いので、この接合方法によって得られる接合構造は、従来のろう付けによる接合構造よりも高い耐熱性を有している。
【００１１】
ここで、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材とは熱収縮率が異なるが、これらの間には金属層が形成されており、この金属層が応力緩衝材として作用するので、上記熱処理後に常温常圧下に戻す際に、超硬合金製部材及びダイヤモンド製部材内に蓄えられた応力が金属層によって吸収されることとなり、ダイヤモンド製部材に応力が集中しにくくなってダイヤモンド製部材にクラック等が生じにくく、また超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との剥離が生じにくい。
【００１２】
本発明にかかる超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合構造は、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との間に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗのうちのいずれか一種の金属と不可避不純物とからなる金属層、もしくはこれらのうちの二種以上の金属の合金と不可避不純物とからなる金属層が設けられ、前記超硬合金製部材及び前記ダイヤモンド製部材が、それぞれ前記金属層と拡散接合されていることを特徴としている。
この超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合構造では、従来のろう付けによる接合構造に比べて、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合強度が著しく向上する。
また、この接合構造では、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材とを接合する金属層が、従来用いられているろう材よりも融点の高い金属または合金によって構成されているので、従来の接合構造よりも高い耐熱性を有している。
【００１３】
本発明にかかる掘削工具の切刃片は、掘削工具の工具本体の先端面に設けられるポストに対して装着されて前記掘削工具における切刃を構成する切刃片であって、前記ポストとの接合部を構成する超硬合金製の切刃基体と、該切刃基体に支持されるダイヤモンド製部材とを有し、前記切刃基体と前記ダイヤモンド製部材との間には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗのうちのいずれか一種の金属と不可避不純物とからなる金属層、もしくはこれらのうちの二種以上の金属の合金と不可避不純物とからなる金属層が設けられ、前記切刃基体及び前記ダイヤモンド製部材が、それぞれ前記金属層と拡散接合されていることを特徴としている。
【００１４】
このように構成される掘削工具の切刃片においては、切刃基体とダイヤモンド製部材との間に金属層が設けられ、切刃基体とダイヤモンド製部材とが金属層に対して拡散接合されているので、切刃基体に対するダイヤモンド製部材の接合強度が著しく高い。また、金属層は高融点金属または高融点金属の合金からなるので、接合構造の耐熱性が高い。
【００１５】
この掘削工具の切刃片において、ダイヤモンド製部材を、結合材として炭酸マグネシウム（以下、ＭｇＣＯ３で示す）を用いた高耐熱性焼結ダイヤモンドによって構成してもよい。
ここで、高耐熱性焼結ダイヤモンドとは、ダイヤモンド粉を、結合材として例えばＭｇＣＯ３を用いて７〜８ＧＰａの超高圧下で、１８００〜２４００°Ｃの超高温の熱処理を施して焼結したものである。
この場合には、ダイヤモンド製部材がより耐熱性の優れた高耐熱性ダイヤモンドによって構成されるので、より高負荷条件での掘削を行うことができる。
【００１６】
本発明にかかる切刃部材は、掘削工具の工具本体の先端面に設けられる切刃部材であって、前記工具本体に装着される超硬合金製のポストと、該ポストに対して装着されて前記掘削工具における切刃を構成するダイヤモンド製の切刃片とを有し、前記ポストと前記切刃片との間には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗのうちのいずれか一種の金属と不可避不純物とからなる金属層、もしくはこれらのうちの二種以上の金属の合金と不可避不純物とからなる金属層が設けられ、前記ポスト及び前記切刃片が、それぞれ前記金属層と拡散接合されていることを特徴としている。
このように構成される掘削工具の切刃部材においては、超硬合金製のポストとダイヤモンド製の切刃片との接合強度が著しく高く、また接合構造の耐熱性も高い。
【００１７】
本発明にかかる切刃部材は、掘削工具の工具本体の先端面に設けられる切刃部材であって、前記工具本体に装着されるポストと、該ポストに対して装着されて前記掘削工具における切刃を構成する切刃片とを有しており、該切刃片が、請求項３または４に記載の切刃片とされていることを特徴としている。
このように構成される掘削工具の切刃部材においては、超硬合金製の切刃基体に対するダイヤモンド製部材の接合強度が著しく高く、また接合構造の耐熱性も高い切刃片が切刃として用いられる。
【００１８】
本発明にかかる掘削工具は、工具本体の先端面に、切刃片をポストに装着してなる切刃部材が装着される掘削工具であって、前記切刃片として請求項３または４に記載の切刃片を用いるか、もしくは前記切刃部材として請求項５または６に記載の切刃部材を用いることを特徴としている。
このように構成される掘削工具においては、超硬合金製の切刃基体に対するダイヤモンド製部材の接合強度が著しく高く、また接合構造の耐熱性も高い切刃片、または超硬合金製のポストとダイヤモンド製の切刃片との接合強度が著しく高く、また接合構造の耐熱性も高い切刃部材を用いて掘削が行われる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図を用いて説明する。本実施の形態では、本発明にかかる超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合方法、接合構造を、掘削工具の切刃片に適用している。
ここで、図１は、本実施の形態にかかる掘削工具の構成を概略的に示す斜視図であり、図２は本実施の形態にかかる掘削工具を構成する切刃部材の構成を概略的に示す側面図、図３は本実施の形態にかかる切刃片の構成を概略的に示す斜視図、図４は本実施の形態にかかる切刃片の構造を示す断面図である。
【００２０】
本実施形態にかかる掘削工具１は、ＪＩＳ・ＳＣＨ４１５に規定される合金鋼等からなる略円盤形状の工具本体２と、工具本体２の先端面に所定の配列で複数設けられる切刃部材３とを有している。切刃部材３は、工具本体２に対して、ろう付けや焼きばめなどの手段で装着されるものである。
切刃部材３は、柱状をなす超硬合金製の超硬ポスト６と、この超硬ポスト６において掘削方向を向く側面にろう付け等によって装着される切刃片７とを有している。本実施の形態では、超硬ポスト６は、一般的な炭化タングステン基超硬合金によって構成されている。
【００２１】
切刃片７は、超硬ポスト６との接合部を構成する超硬合金製の切刃基体１１と、切刃基体１１に支持されるダイヤモンド製部材１２とを有しており、これら切刃基体１１とダイヤモンド製部材１２との間には金属層１３が設けられており、切刃基体１１及びダイヤモンド製部材１２は、それぞれ金属層１３に対して拡散接合されている。
【００２２】
切刃基体１１は、略円板形状に形成されており、その一面は超硬ポスト６にろう付けされるろう付け面とされ、またこの一面に対向する他面側（すなわち掘削方向を向く面側）には切り欠き状の凹部が形成されており、この凹部がダイヤモンド製部材１２を装着するための取付座１１ａとされている。この取付座１１ａは、ダイヤモンド製部材１２の外形と同形状とされており、切刃片７において掘削作業時に磨耗が生じやすい領域に設けられている。本実施の形態では、取付座１１ａは、平面視扇型とされている。
また、切刃基体１１は、Ｃｏ（コバルト）を結合材として用いた炭化タングステン基超硬合金、すなわち一般的な超硬合金によって構成されている。本実施の形態では、切刃基体１１は、結合材であるＣｏを１０質量％含有し、残りがＷＣ（タングステンカーバイド）と不可避不純物とされた超硬合金によって構成している。超硬合金は高強度で高靭性を有しているので、超高合金製の切刃基体１１は、切刃片７において掘削作業時に加わる熱的機械的衝撃を吸収する衝撃吸収体として作用する。
【００２３】
ダイヤモンド製部材１２は、切刃片７において掘削作業時に摩耗が生じやすい領域に設けられるものである。本実施の形態では、切刃片７の前面に占めるダイヤモンド製部材１２の割合を、２５〜６０面積％としている。
ここで、ダイヤモンド製部材１２は、通常の焼結ダイヤモンド単体や、より優れた耐熱性を有する高耐熱性焼結ダイヤモンド単体によって構成されるほか、通常の焼結ダイヤモンドと高耐熱性焼結ダイヤモンドとの複合体によって構成してもよい。本実施の形態では、ダイヤモンド製部材１２は、扇型の耐熱性焼結ダイヤモンド単体によって構成されている。
【００２４】
切刃基体１１とダイヤモンド製部材１２との間に設けられる金属層１３は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗのうちのいずれか一種の金属と不可避不純物、もしくはこれらのうちの二種以上の金属の合金と不可避不純物とからなるものである。本実施の形態では、金属層１３をＴｉからなる箔によって構成しており、その厚さＤは、０．０２〜０．１ｍｍとされている。
ここで、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗはいずれも高融点金属であり（Ｔｉの融点は１７２５°Ｃ、Ｚｒの融点は１８５７°Ｃ、Ｗの融点は３３８２°Ｃ）、これらの合金の融点も同様に高い。
【００２５】
このように構成される切刃片７は、次のようにして作成される。
まず、切刃基体１１及びダイヤモンド製部材１２をそれぞれ所望の形状で製造する。
切刃基体１１は、通常の超硬合金製品と同様にして製造される。例えば、超硬合金の原料粉末を成形、焼結することによって円板型超硬合金チップを形成し、この超硬合金チップの一面側に切削加工等を施して取付座１１ａを形成するか、超硬合金の原料粉末を取付座１１ａを有する円板形状に成形して焼結することによって得られる。
【００２６】
ダイヤモンド製部材１２は、原料粉末として、平均粒径１０μｍ、純度９９．９％以上のダイヤモンド粉末と、平均粒径１０μｍ、純度９５％以上のＭｇＣＯ３粉末を用いて作製される。
まず、ＭｇＣＯ３粉末を、１００ＭＰａの圧力でプレス成形して所望の形状の圧粉体とする。続いて、この圧粉体をＴａ（タンタル）製のカプセル内に装入し、ついでこのカプセル内の圧粉体上にダイヤモンド粉末を充填する。
この状態で、カプセルをベルト型超高圧焼結装置（通常の焼結ダイヤ製造に用いられる超硬圧焼結装置）に装填して超高圧焼結を行って、４．０重量％のＭｇＣＯ３を含有した焼結ダイヤモンドのブロックを得る。
本実施の形態では、上記の超高圧焼結は、７．７Ｇｐａの圧力を加えた状態で２２５０°Ｃまで加熱して３０分間保持することで行っている。
そして、この焼結ダイヤモンドのブロックにダイヤモンド砥石による研磨を施して粗整形したのちに、さらにレーザー加工によって所望の形状のダイヤモンド片を切り出すことで、ダイヤモンド製部材１２を得る。
【００２７】
続いて、上記のようにして得た切刃基体１１とダイヤモンド製部材１２との間に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗのうちのいずれか一種の金属と不可避不純物とからなる金属箔、もしくはこれらのうちの二種以上の金属の合金と不可避不純物とからなる金属箔（厚さ０．０２〜０．１ｍｍ）を挟みこんだ状態にして、切刃基体１１の取付座１１ａにダイヤモンド製部材１２を嵌め込む。
さらに、このように仮組みした切刃基体１１、金属箔、ダイヤモンド製部材１２とを、ベルト型超高圧焼結装置に装填し、超高温高圧の熱処理を行って、これらの部材を接合して一体化させ、本発明にかかる切刃片７を得る。本実施の形態では、上記の超高温高圧の熱処理は、５．５ＧＰａの圧力を加えた状態で１５００°Ｃまで加熱して３０分間保持することで行っている。
【００２８】
この熱処理により、金属箔の成分が切刃基体１１及びダイヤモンド製部材１２にそれぞれ拡散し、切刃基体１１及びダイヤモンド製部材１２において金属箔との界面近傍には、金属箔を構成する成分が拡散してなる超高圧加熱溶融拡散層Ｓ１、Ｓ２が形成される。
ここで、金属箔を構成するＴｉ、Ｚｒ、Ｗは、いずれもダイヤモンドの焼結に用いられる触媒金属ではないので、上記の熱処理を行っても金属箔の一部のみが切刃基体１１及びダイヤモンド製部材１２に拡散されることとなり、金属箔の大部分はそのまま切刃基体１１とダイヤモンド製部材１２との間に残留して、これらの間に金属層１３を形成する。また、金属箔を構成する金属または合金は、前記のように触媒金属ではないため、ダイヤモンド製部材１２において金属箔との接合部分近傍にのみ拡散することとなり、ダイヤモンド製部材１２の物性に悪影響を与えない。
【００２９】
超高圧加熱溶融拡散層Ｓ１、Ｓ２のうち、切刃基体１１に形成される超高圧加熱溶融拡散層Ｓ１は、金属層１３との接合面から０．１〜０．５ｍｍの深さに亘って形成され、ダイヤモンド製部材１２に形成される超高圧加熱溶融拡散層Ｓ２は、金属層１３との接合面から０．０１〜０．１ｍｍの深さに亘って形成される。
この超高圧加熱溶融拡散層の存在によって、切刃基体１１及びダイヤモンド製部材１２は、それぞれ金属層１３に対して著しく強固に接合される。
特に、ダイヤモンド製部材１２の超高圧加熱溶融拡散層Ｓ１中には、金属箔の成分とダイヤモンド製部材１２の成分との化合により強固な炭化物（ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＷＣ）が形成されるので、ダイヤモンド製部材１２と金属層１３との接合強度が著しく高められる。
なお、この超高圧加熱溶融拡散層Ｓ１、Ｓ２の様子及びその形成範囲は、金属顕微鏡を用いて組織観察を行うことで調べることができる。
【００３０】
ここで、切刃基体１１とダイヤモンド製部材１２とは熱収縮率が異なるが、これらの間には金属層１３が形成されており、この金属層１３が応力緩衝材として作用するので、上記熱処理後に常温常圧下に戻す際に、切刃基体１１及びダイヤモンド製部材１２内に蓄えられた応力が金属層１３によって吸収されることとなり、ダイヤモンド製部材１２に応力が集中しにくくなってダイヤモンド製部材１２にクラック等が生じにくく、また切刃基体１１とダイヤモンド製部材１２との剥離が生じにくい。
【００３１】
このようにして得られた切刃片７は、超硬ポスト６にろう付けされて切刃部材３とされる。そして、この切刃部材３を工具本体２に装着することで、掘削工具１を得る。
【００３２】
このように構成される掘削工具１は、従来の掘削工具と同様にして掘削作業に用いられる。
この掘削工具１では、切刃片７において切刃基体１１とダイヤモンド製部材１２とが強固に接合されているので、高速掘削等の高負荷条件下での掘削を行うことが可能となる。
そして、金属層１３を構成する金属または合金の融点は、従来のろう材の融点に比べて十分に高く、切刃基体１１とダイヤモンド製部材１２との接合構造の耐熱性が従来に比べて向上しているので、従来の掘削工具ではろう材の耐熱性の問題のために不可能であった高速度で掘削を行うことができる。
【００３３】
ここで、高速掘削を行うと、切刃片７に極めて高い熱的機械的衝撃が付加されるようになる。切刃片７として用いられるダイヤモンド製部材１２自体は著しく硬質であるが、その反面、脆いものであるために、強い衝撃を受けると微小欠けが生じやすい。ダイヤモンド部材１２では、微小欠けが生じることによって磨耗の進行が著しく促進されることとなり、この結果比較的短時間で使用寿命に至ることとなる。
【００３４】
本発明者らの研究により、掘削工具１における切刃部材３の装着位置の関係から、切刃部材３を構成する切刃片７には、掘削による摩耗が切刃片前面全体に亘って進行するのではなく、切刃片前面の特定個所が局部的に摩耗し、残りの部分の摩耗はこの局部的な摩耗に追従する僅かなものに過ぎないこと、並びにこの局所的な摩耗が生じる領域の大きさが切刃片前面の２５面積％以下であることが判明した。
そこで、本実施の形態では、耐磨耗性に優れるダイヤモンド製部材１２を、切刃片７において局所的な摩耗が生じる領域に位置させて設け、他の部分は衝撃吸収性能を有する超高合金製の切刃基体１１によって構成した。これにより、切刃片７の局所的な摩耗を生じにくくしつつ、掘削時に切刃片７に加わる熱的機械的衝撃を切刃基体１１によって吸収させて衝撃によるダイヤモンド製部材１２の微小欠けを生じにくくすることができ、切刃片７の寿命が向上した。
【００３５】
ここで、切刃片前面に占めるダイヤモンド製部材１２の割合が２５面積％未満になると、超硬合金製の切刃基体１１が直接掘削に関与するようになり、切刃基体１１の摩耗が進行してしまう。一方、前記割合が６０面積％を超えると、相対的に衝撃吸収部として作用する切刃基体１１の占める割合が少なくなりすぎて、高速回転操業で発生するきわめて高い熱的機械的衝撃を十分に吸収することができず、この結果特にダイヤモンド製部材１２における微小欠けの発生が急激に増加するようになる。このため、切刃片７の前面に占めるダイヤモンド製部材１２の割合は、２５〜６０面積％とすることが好ましく、３０〜４５面積％とすることがより好ましい。
【００３６】
なお、上記実施の形態では、切刃片７を、扇形の取付座１１ａを有する切刃基体１１と、耐熱性焼結ダイヤモンドからなる扇形のダイヤモンド製部材１２とを有する構成としたが、これに限られることなく、切刃片７を構成する部材は他の任意形状とすることができる。
例えば、図５（ａ）に示すように、切刃片７は、単に板状の切刃基体１１と板状のダイヤモンド製部材１２とを金属層１３を介して接合した構成としてもよい。さらに、図５（ｂ）に示すように、ダイヤモンド製部材１２は、その一部を高耐熱焼結ダイヤモンドからなる高耐熱ダイヤ部１２ａとし、残りの部分を通常の焼結ダイヤモンドからなる焼結ダイヤ部１２ｂとした構成としてもよく、図５（ｃ）に示すように、焼結ダイヤ部１２ｂ中に高耐熱ダイヤ部１２ａを埋め込んだ構成としてもよい。
【００３７】
また、上記実施の形態では、本発明にかかる超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合方法及び接合構造を、掘削工具１の切刃片７に適用した例を示したが、これに限られることなく、例えば、図６に示すように、切刃片として全体が通常の焼結ダイヤモンドまたは高耐熱ダイヤモンドによって構成される切刃片７ａを用いる場合には、本発明を、切刃部材３における超硬ポスト６と切刃片７ａとの接合に適用してもよい。
【００３８】
また、本発明にかかる超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合方法及び接合構造は、上記の例にのみ適用範囲が限定されるものではなく、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材とが接合されるものであれば、任意のものに適用することができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明にかかる超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合方法、接合構造によれば、超硬合金製部材及びダイヤモンド製部材とが、これらの間に設けられた前記組成の金属層に拡散接合されるので、従来のろう付けによる接合構造に比べて、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合強度が著しく向上する。
特にダイヤモンド製部材に形成される拡散層中には、金属層の成分とダイヤモンド製部材の成分との化合により強固な炭化物（ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＷＣ）が形成されるので、ダイヤモンド製部材と金属層との接合強度が著しく高められる。
そして、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材とを接合する金属層が高融点金属またはその合金によって構成されているので、この接続構造では従来よりも高い耐熱性を持たせることができる。
【００４０】
また、本発明にかかる掘削工具の切刃片によれば、切刃片を構成する切刃基体とダイヤモンド製部材との接合強度が著しく高められていて高負荷にも耐えられ、また耐熱性も向上しているので、この切刃片を用いた掘削工具、またはこの切刃片を有する切刃部材を用いる掘削工具では、従来よりも高速で掘削を行うことが可能となる。
【００４１】
また、本発明にかかる切刃部材によれば、切刃片とポストとの接合強度が著しく高められていて高負荷にも耐えられ、また耐熱性も向上しているので、この切刃部材を用いた掘削工具では、従来よりも高速で掘削を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかる掘削工具の構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１に示す掘削工具を構成する切刃部材の構成を概略的に示す側面図である。
【図３】図２に示す切刃片の構成を概略的に示す斜視図である。
【図４】図３に示す切刃片の構造を示す断面図である。
【図５】本発明にかかる切刃片の他の実施形態例を示す縦断面図である。
【図６】本発明にかかる切刃部材の他の実施形態例を示す側面図である。
【符号の説明】
１ 掘削工具 ２ 工具本体
３ 切刃部材 ６ 超硬ポスト（超硬合金製部材）
７ 切刃片 １１ 切刃基体（超硬合金製部材）
１２ ダイヤモンド製部材 １３ 金属層（金属箔）
【発明の属する技術分野】
本発明は、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合方法、接合構造と、坑井の掘削に用いられる掘削工具の切刃片、切刃部材、及び掘削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油井その他の坑井の掘削に用いられる掘削工具としては、合金鋼製工具本体の先端面に、複数の炭化タングステン基超硬合金製ポスト（以下、超硬ポストという）が所定の配列でろう付けや焼きばめなどの手段で固着され、この超硬ポストの先方側面のそれぞれに、全体が超高圧焼結ダイヤモンド（以下、焼結ダイヤという）からなる切刃片が直接ろう付けされた構造の掘削工具が知られている。
この掘削工具は、工具本体をパイプの先端に取り付けて、工具本体に対してパイプを介して掘削方向への荷重を加えながら工具本体を回転させることで、工具本体に設けた切刃片によって掘削を行うものである。
【０００３】
ここで、ダイヤモンドは濡れ性が悪く、通常のろう材によるろう付けが困難であるので、この掘削工具では、例えばＣｕ（銅）：２０〜４０質量％、Ｔｉ（チタン）：０．５〜１０質量％を含有し、残りがＡｕ（金）と不可避不純物とからなる組成を有するＡｕ合金ろう材（融点は９４０°Ｃ）を用いて超硬ポストに対する切刃片のろう付けを行っている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−０００６８６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年は、掘削作業の省力化及び省エネ化、さらに低コスト化に対する要求が強い。例えば、石油等の採掘のための掘削作業では、一日の操業コストは５００〜２０００万円と非常に高額であることから、コスト低減のために、掘削速度を速めて掘削作業を短期間で終了させることが求められている。
【０００６】
掘削速度を速めるためには、工具本体に加える荷重を大きくしたり、工具本体の回転速度を速くすればよい。
しかし、いずれの場合にも、切刃片にはより大きな負荷が加わることになる。超硬合金製の超硬ポストと焼結ダイヤ製の切刃片とは、上記のようにろう付けによって接合されており、その接合強度はあまり高くないので、切刃片にあまり高い負荷が加わると、切刃片が超硬ポストから剥がれてしまう可能性がある。
また、あまり掘削速度を速くすると、掘削熱も大きくなるため、切刃片をろう付けしているろう材が融けて切刃片が超硬ポストから剥がれてしまう可能性がある。
このため、従来は、掘削速度をあまり速くすることができなかった。
【０００７】
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであって、接合強度をより高めた超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合方法、接合構造、掘削工具の切刃片、切刃部材、及び掘削工具を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合方法は、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との間に、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｗ（タングステン）のうちのいずれか一種の金属と不可避不純物とからなる金属箔、もしくはこれらのうちの二種以上の金属の合金と不可避不純物とからなる金属箔を挟み込み、前記超硬合金製部材及び前記ダイヤモンド製部材を、それぞれ前記金属箔と拡散接合することを特徴としている。
【０００９】
超硬合金製部材及びダイヤモンド製部材と金属箔との拡散接合は、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との間に金属箔を挟み込んだ状態で、例えば５〜６ＧＰａの超高圧下で、１４００〜１５５０°Ｃの超高温の熱処理を施すことで行われる。
ここで、金属箔を構成するＴｉ、Ｚｒ、Ｗは、いずれもダイヤモンドの焼結に用いられる触媒金属ではないので、上記の熱処理を行っても金属箔の一部のみが超硬合金製部材及びダイヤモンド製部材に拡散されることとなり、金属箔の大部分はそのまま超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との間に残留して、これらの間に金属層を形成する。また、金属箔を構成する金属または合金は、前記のように触媒金属ではないため、ダイヤモンド製部材において金属箔との接合部分近傍にのみ拡散することとなり、ダイヤモンド製部材の物性に悪影響を与えない。
【００１０】
このように拡散接合を行うことで、ダイヤモンド製部材において金属箔との接合部分近傍には、金属箔の成分が拡散された拡散層が形成されることとなり、ダイヤモンド製部材と金属箔とが強固に接合される。そして、この拡散層中には、金属箔の成分とダイヤモンド製部材の成分との化合により強固な炭化物（ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＷＣ）が形成されるので、ダイヤモンド製部材と金属箔との接合強度が著しく高められる。
また、超硬合金製部材においても、金属箔との接合部分近傍には、金属箔の成分が拡散された拡散層が形成されるので、超硬合金製部材と金属箔とが強固に接合される。
そして、金属箔を構成する金属または合金は、いずれも従来用いられているろう材よりも融点が高いので、この接合方法によって得られる接合構造は、従来のろう付けによる接合構造よりも高い耐熱性を有している。
【００１１】
ここで、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材とは熱収縮率が異なるが、これらの間には金属層が形成されており、この金属層が応力緩衝材として作用するので、上記熱処理後に常温常圧下に戻す際に、超硬合金製部材及びダイヤモンド製部材内に蓄えられた応力が金属層によって吸収されることとなり、ダイヤモンド製部材に応力が集中しにくくなってダイヤモンド製部材にクラック等が生じにくく、また超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との剥離が生じにくい。
【００１２】
本発明にかかる超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合構造は、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との間に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗのうちのいずれか一種の金属と不可避不純物とからなる金属層、もしくはこれらのうちの二種以上の金属の合金と不可避不純物とからなる金属層が設けられ、前記超硬合金製部材及び前記ダイヤモンド製部材が、それぞれ前記金属層と拡散接合されていることを特徴としている。
この超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合構造では、従来のろう付けによる接合構造に比べて、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合強度が著しく向上する。
また、この接合構造では、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材とを接合する金属層が、従来用いられているろう材よりも融点の高い金属または合金によって構成されているので、従来の接合構造よりも高い耐熱性を有している。
【００１３】
本発明にかかる掘削工具の切刃片は、掘削工具の工具本体の先端面に設けられるポストに対して装着されて前記掘削工具における切刃を構成する切刃片であって、前記ポストとの接合部を構成する超硬合金製の切刃基体と、該切刃基体に支持されるダイヤモンド製部材とを有し、前記切刃基体と前記ダイヤモンド製部材との間には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗのうちのいずれか一種の金属と不可避不純物とからなる金属層、もしくはこれらのうちの二種以上の金属の合金と不可避不純物とからなる金属層が設けられ、前記切刃基体及び前記ダイヤモンド製部材が、それぞれ前記金属層と拡散接合されていることを特徴としている。
【００１４】
このように構成される掘削工具の切刃片においては、切刃基体とダイヤモンド製部材との間に金属層が設けられ、切刃基体とダイヤモンド製部材とが金属層に対して拡散接合されているので、切刃基体に対するダイヤモンド製部材の接合強度が著しく高い。また、金属層は高融点金属または高融点金属の合金からなるので、接合構造の耐熱性が高い。
【００１５】
この掘削工具の切刃片において、ダイヤモンド製部材を、結合材として炭酸マグネシウム（以下、ＭｇＣＯ３で示す）を用いた高耐熱性焼結ダイヤモンドによって構成してもよい。
ここで、高耐熱性焼結ダイヤモンドとは、ダイヤモンド粉を、結合材として例えばＭｇＣＯ３を用いて７〜８ＧＰａの超高圧下で、１８００〜２４００°Ｃの超高温の熱処理を施して焼結したものである。
この場合には、ダイヤモンド製部材がより耐熱性の優れた高耐熱性ダイヤモンドによって構成されるので、より高負荷条件での掘削を行うことができる。
【００１６】
本発明にかかる切刃部材は、掘削工具の工具本体の先端面に設けられる切刃部材であって、前記工具本体に装着される超硬合金製のポストと、該ポストに対して装着されて前記掘削工具における切刃を構成するダイヤモンド製の切刃片とを有し、前記ポストと前記切刃片との間には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗのうちのいずれか一種の金属と不可避不純物とからなる金属層、もしくはこれらのうちの二種以上の金属の合金と不可避不純物とからなる金属層が設けられ、前記ポスト及び前記切刃片が、それぞれ前記金属層と拡散接合されていることを特徴としている。
このように構成される掘削工具の切刃部材においては、超硬合金製のポストとダイヤモンド製の切刃片との接合強度が著しく高く、また接合構造の耐熱性も高い。
【００１７】
本発明にかかる切刃部材は、掘削工具の工具本体の先端面に設けられる切刃部材であって、前記工具本体に装着されるポストと、該ポストに対して装着されて前記掘削工具における切刃を構成する切刃片とを有しており、該切刃片が、請求項３または４に記載の切刃片とされていることを特徴としている。
このように構成される掘削工具の切刃部材においては、超硬合金製の切刃基体に対するダイヤモンド製部材の接合強度が著しく高く、また接合構造の耐熱性も高い切刃片が切刃として用いられる。
【００１８】
本発明にかかる掘削工具は、工具本体の先端面に、切刃片をポストに装着してなる切刃部材が装着される掘削工具であって、前記切刃片として請求項３または４に記載の切刃片を用いるか、もしくは前記切刃部材として請求項５または６に記載の切刃部材を用いることを特徴としている。
このように構成される掘削工具においては、超硬合金製の切刃基体に対するダイヤモンド製部材の接合強度が著しく高く、また接合構造の耐熱性も高い切刃片、または超硬合金製のポストとダイヤモンド製の切刃片との接合強度が著しく高く、また接合構造の耐熱性も高い切刃部材を用いて掘削が行われる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図を用いて説明する。本実施の形態では、本発明にかかる超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合方法、接合構造を、掘削工具の切刃片に適用している。
ここで、図１は、本実施の形態にかかる掘削工具の構成を概略的に示す斜視図であり、図２は本実施の形態にかかる掘削工具を構成する切刃部材の構成を概略的に示す側面図、図３は本実施の形態にかかる切刃片の構成を概略的に示す斜視図、図４は本実施の形態にかかる切刃片の構造を示す断面図である。
【００２０】
本実施形態にかかる掘削工具１は、ＪＩＳ・ＳＣＨ４１５に規定される合金鋼等からなる略円盤形状の工具本体２と、工具本体２の先端面に所定の配列で複数設けられる切刃部材３とを有している。切刃部材３は、工具本体２に対して、ろう付けや焼きばめなどの手段で装着されるものである。
切刃部材３は、柱状をなす超硬合金製の超硬ポスト６と、この超硬ポスト６において掘削方向を向く側面にろう付け等によって装着される切刃片７とを有している。本実施の形態では、超硬ポスト６は、一般的な炭化タングステン基超硬合金によって構成されている。
【００２１】
切刃片７は、超硬ポスト６との接合部を構成する超硬合金製の切刃基体１１と、切刃基体１１に支持されるダイヤモンド製部材１２とを有しており、これら切刃基体１１とダイヤモンド製部材１２との間には金属層１３が設けられており、切刃基体１１及びダイヤモンド製部材１２は、それぞれ金属層１３に対して拡散接合されている。
【００２２】
切刃基体１１は、略円板形状に形成されており、その一面は超硬ポスト６にろう付けされるろう付け面とされ、またこの一面に対向する他面側（すなわち掘削方向を向く面側）には切り欠き状の凹部が形成されており、この凹部がダイヤモンド製部材１２を装着するための取付座１１ａとされている。この取付座１１ａは、ダイヤモンド製部材１２の外形と同形状とされており、切刃片７において掘削作業時に磨耗が生じやすい領域に設けられている。本実施の形態では、取付座１１ａは、平面視扇型とされている。
また、切刃基体１１は、Ｃｏ（コバルト）を結合材として用いた炭化タングステン基超硬合金、すなわち一般的な超硬合金によって構成されている。本実施の形態では、切刃基体１１は、結合材であるＣｏを１０質量％含有し、残りがＷＣ（タングステンカーバイド）と不可避不純物とされた超硬合金によって構成している。超硬合金は高強度で高靭性を有しているので、超高合金製の切刃基体１１は、切刃片７において掘削作業時に加わる熱的機械的衝撃を吸収する衝撃吸収体として作用する。
【００２３】
ダイヤモンド製部材１２は、切刃片７において掘削作業時に摩耗が生じやすい領域に設けられるものである。本実施の形態では、切刃片７の前面に占めるダイヤモンド製部材１２の割合を、２５〜６０面積％としている。
ここで、ダイヤモンド製部材１２は、通常の焼結ダイヤモンド単体や、より優れた耐熱性を有する高耐熱性焼結ダイヤモンド単体によって構成されるほか、通常の焼結ダイヤモンドと高耐熱性焼結ダイヤモンドとの複合体によって構成してもよい。本実施の形態では、ダイヤモンド製部材１２は、扇型の耐熱性焼結ダイヤモンド単体によって構成されている。
【００２４】
切刃基体１１とダイヤモンド製部材１２との間に設けられる金属層１３は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗのうちのいずれか一種の金属と不可避不純物、もしくはこれらのうちの二種以上の金属の合金と不可避不純物とからなるものである。本実施の形態では、金属層１３をＴｉからなる箔によって構成しており、その厚さＤは、０．０２〜０．１ｍｍとされている。
ここで、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗはいずれも高融点金属であり（Ｔｉの融点は１７２５°Ｃ、Ｚｒの融点は１８５７°Ｃ、Ｗの融点は３３８２°Ｃ）、これらの合金の融点も同様に高い。
【００２５】
このように構成される切刃片７は、次のようにして作成される。
まず、切刃基体１１及びダイヤモンド製部材１２をそれぞれ所望の形状で製造する。
切刃基体１１は、通常の超硬合金製品と同様にして製造される。例えば、超硬合金の原料粉末を成形、焼結することによって円板型超硬合金チップを形成し、この超硬合金チップの一面側に切削加工等を施して取付座１１ａを形成するか、超硬合金の原料粉末を取付座１１ａを有する円板形状に成形して焼結することによって得られる。
【００２６】
ダイヤモンド製部材１２は、原料粉末として、平均粒径１０μｍ、純度９９．９％以上のダイヤモンド粉末と、平均粒径１０μｍ、純度９５％以上のＭｇＣＯ３粉末を用いて作製される。
まず、ＭｇＣＯ３粉末を、１００ＭＰａの圧力でプレス成形して所望の形状の圧粉体とする。続いて、この圧粉体をＴａ（タンタル）製のカプセル内に装入し、ついでこのカプセル内の圧粉体上にダイヤモンド粉末を充填する。
この状態で、カプセルをベルト型超高圧焼結装置（通常の焼結ダイヤ製造に用いられる超硬圧焼結装置）に装填して超高圧焼結を行って、４．０重量％のＭｇＣＯ３を含有した焼結ダイヤモンドのブロックを得る。
本実施の形態では、上記の超高圧焼結は、７．７Ｇｐａの圧力を加えた状態で２２５０°Ｃまで加熱して３０分間保持することで行っている。
そして、この焼結ダイヤモンドのブロックにダイヤモンド砥石による研磨を施して粗整形したのちに、さらにレーザー加工によって所望の形状のダイヤモンド片を切り出すことで、ダイヤモンド製部材１２を得る。
【００２７】
続いて、上記のようにして得た切刃基体１１とダイヤモンド製部材１２との間に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗのうちのいずれか一種の金属と不可避不純物とからなる金属箔、もしくはこれらのうちの二種以上の金属の合金と不可避不純物とからなる金属箔（厚さ０．０２〜０．１ｍｍ）を挟みこんだ状態にして、切刃基体１１の取付座１１ａにダイヤモンド製部材１２を嵌め込む。
さらに、このように仮組みした切刃基体１１、金属箔、ダイヤモンド製部材１２とを、ベルト型超高圧焼結装置に装填し、超高温高圧の熱処理を行って、これらの部材を接合して一体化させ、本発明にかかる切刃片７を得る。本実施の形態では、上記の超高温高圧の熱処理は、５．５ＧＰａの圧力を加えた状態で１５００°Ｃまで加熱して３０分間保持することで行っている。
【００２８】
この熱処理により、金属箔の成分が切刃基体１１及びダイヤモンド製部材１２にそれぞれ拡散し、切刃基体１１及びダイヤモンド製部材１２において金属箔との界面近傍には、金属箔を構成する成分が拡散してなる超高圧加熱溶融拡散層Ｓ１、Ｓ２が形成される。
ここで、金属箔を構成するＴｉ、Ｚｒ、Ｗは、いずれもダイヤモンドの焼結に用いられる触媒金属ではないので、上記の熱処理を行っても金属箔の一部のみが切刃基体１１及びダイヤモンド製部材１２に拡散されることとなり、金属箔の大部分はそのまま切刃基体１１とダイヤモンド製部材１２との間に残留して、これらの間に金属層１３を形成する。また、金属箔を構成する金属または合金は、前記のように触媒金属ではないため、ダイヤモンド製部材１２において金属箔との接合部分近傍にのみ拡散することとなり、ダイヤモンド製部材１２の物性に悪影響を与えない。
【００２９】
超高圧加熱溶融拡散層Ｓ１、Ｓ２のうち、切刃基体１１に形成される超高圧加熱溶融拡散層Ｓ１は、金属層１３との接合面から０．１〜０．５ｍｍの深さに亘って形成され、ダイヤモンド製部材１２に形成される超高圧加熱溶融拡散層Ｓ２は、金属層１３との接合面から０．０１〜０．１ｍｍの深さに亘って形成される。
この超高圧加熱溶融拡散層の存在によって、切刃基体１１及びダイヤモンド製部材１２は、それぞれ金属層１３に対して著しく強固に接合される。
特に、ダイヤモンド製部材１２の超高圧加熱溶融拡散層Ｓ１中には、金属箔の成分とダイヤモンド製部材１２の成分との化合により強固な炭化物（ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＷＣ）が形成されるので、ダイヤモンド製部材１２と金属層１３との接合強度が著しく高められる。
なお、この超高圧加熱溶融拡散層Ｓ１、Ｓ２の様子及びその形成範囲は、金属顕微鏡を用いて組織観察を行うことで調べることができる。
【００３０】
ここで、切刃基体１１とダイヤモンド製部材１２とは熱収縮率が異なるが、これらの間には金属層１３が形成されており、この金属層１３が応力緩衝材として作用するので、上記熱処理後に常温常圧下に戻す際に、切刃基体１１及びダイヤモンド製部材１２内に蓄えられた応力が金属層１３によって吸収されることとなり、ダイヤモンド製部材１２に応力が集中しにくくなってダイヤモンド製部材１２にクラック等が生じにくく、また切刃基体１１とダイヤモンド製部材１２との剥離が生じにくい。
【００３１】
このようにして得られた切刃片７は、超硬ポスト６にろう付けされて切刃部材３とされる。そして、この切刃部材３を工具本体２に装着することで、掘削工具１を得る。
【００３２】
このように構成される掘削工具１は、従来の掘削工具と同様にして掘削作業に用いられる。
この掘削工具１では、切刃片７において切刃基体１１とダイヤモンド製部材１２とが強固に接合されているので、高速掘削等の高負荷条件下での掘削を行うことが可能となる。
そして、金属層１３を構成する金属または合金の融点は、従来のろう材の融点に比べて十分に高く、切刃基体１１とダイヤモンド製部材１２との接合構造の耐熱性が従来に比べて向上しているので、従来の掘削工具ではろう材の耐熱性の問題のために不可能であった高速度で掘削を行うことができる。
【００３３】
ここで、高速掘削を行うと、切刃片７に極めて高い熱的機械的衝撃が付加されるようになる。切刃片７として用いられるダイヤモンド製部材１２自体は著しく硬質であるが、その反面、脆いものであるために、強い衝撃を受けると微小欠けが生じやすい。ダイヤモンド部材１２では、微小欠けが生じることによって磨耗の進行が著しく促進されることとなり、この結果比較的短時間で使用寿命に至ることとなる。
【００３４】
本発明者らの研究により、掘削工具１における切刃部材３の装着位置の関係から、切刃部材３を構成する切刃片７には、掘削による摩耗が切刃片前面全体に亘って進行するのではなく、切刃片前面の特定個所が局部的に摩耗し、残りの部分の摩耗はこの局部的な摩耗に追従する僅かなものに過ぎないこと、並びにこの局所的な摩耗が生じる領域の大きさが切刃片前面の２５面積％以下であることが判明した。
そこで、本実施の形態では、耐磨耗性に優れるダイヤモンド製部材１２を、切刃片７において局所的な摩耗が生じる領域に位置させて設け、他の部分は衝撃吸収性能を有する超高合金製の切刃基体１１によって構成した。これにより、切刃片７の局所的な摩耗を生じにくくしつつ、掘削時に切刃片７に加わる熱的機械的衝撃を切刃基体１１によって吸収させて衝撃によるダイヤモンド製部材１２の微小欠けを生じにくくすることができ、切刃片７の寿命が向上した。
【００３５】
ここで、切刃片前面に占めるダイヤモンド製部材１２の割合が２５面積％未満になると、超硬合金製の切刃基体１１が直接掘削に関与するようになり、切刃基体１１の摩耗が進行してしまう。一方、前記割合が６０面積％を超えると、相対的に衝撃吸収部として作用する切刃基体１１の占める割合が少なくなりすぎて、高速回転操業で発生するきわめて高い熱的機械的衝撃を十分に吸収することができず、この結果特にダイヤモンド製部材１２における微小欠けの発生が急激に増加するようになる。このため、切刃片７の前面に占めるダイヤモンド製部材１２の割合は、２５〜６０面積％とすることが好ましく、３０〜４５面積％とすることがより好ましい。
【００３６】
なお、上記実施の形態では、切刃片７を、扇形の取付座１１ａを有する切刃基体１１と、耐熱性焼結ダイヤモンドからなる扇形のダイヤモンド製部材１２とを有する構成としたが、これに限られることなく、切刃片７を構成する部材は他の任意形状とすることができる。
例えば、図５（ａ）に示すように、切刃片７は、単に板状の切刃基体１１と板状のダイヤモンド製部材１２とを金属層１３を介して接合した構成としてもよい。さらに、図５（ｂ）に示すように、ダイヤモンド製部材１２は、その一部を高耐熱焼結ダイヤモンドからなる高耐熱ダイヤ部１２ａとし、残りの部分を通常の焼結ダイヤモンドからなる焼結ダイヤ部１２ｂとした構成としてもよく、図５（ｃ）に示すように、焼結ダイヤ部１２ｂ中に高耐熱ダイヤ部１２ａを埋め込んだ構成としてもよい。
【００３７】
また、上記実施の形態では、本発明にかかる超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合方法及び接合構造を、掘削工具１の切刃片７に適用した例を示したが、これに限られることなく、例えば、図６に示すように、切刃片として全体が通常の焼結ダイヤモンドまたは高耐熱ダイヤモンドによって構成される切刃片７ａを用いる場合には、本発明を、切刃部材３における超硬ポスト６と切刃片７ａとの接合に適用してもよい。
【００３８】
また、本発明にかかる超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合方法及び接合構造は、上記の例にのみ適用範囲が限定されるものではなく、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材とが接合されるものであれば、任意のものに適用することができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明にかかる超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合方法、接合構造によれば、超硬合金製部材及びダイヤモンド製部材とが、これらの間に設けられた前記組成の金属層に拡散接合されるので、従来のろう付けによる接合構造に比べて、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合強度が著しく向上する。
特にダイヤモンド製部材に形成される拡散層中には、金属層の成分とダイヤモンド製部材の成分との化合により強固な炭化物（ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＷＣ）が形成されるので、ダイヤモンド製部材と金属層との接合強度が著しく高められる。
そして、超硬合金製部材とダイヤモンド製部材とを接合する金属層が高融点金属またはその合金によって構成されているので、この接続構造では従来よりも高い耐熱性を持たせることができる。
【００４０】
また、本発明にかかる掘削工具の切刃片によれば、切刃片を構成する切刃基体とダイヤモンド製部材との接合強度が著しく高められていて高負荷にも耐えられ、また耐熱性も向上しているので、この切刃片を用いた掘削工具、またはこの切刃片を有する切刃部材を用いる掘削工具では、従来よりも高速で掘削を行うことが可能となる。
【００４１】
また、本発明にかかる切刃部材によれば、切刃片とポストとの接合強度が著しく高められていて高負荷にも耐えられ、また耐熱性も向上しているので、この切刃部材を用いた掘削工具では、従来よりも高速で掘削を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかる掘削工具の構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１に示す掘削工具を構成する切刃部材の構成を概略的に示す側面図である。
【図３】図２に示す切刃片の構成を概略的に示す斜視図である。
【図４】図３に示す切刃片の構造を示す断面図である。
【図５】本発明にかかる切刃片の他の実施形態例を示す縦断面図である。
【図６】本発明にかかる切刃部材の他の実施形態例を示す側面図である。
【符号の説明】
１ 掘削工具 ２ 工具本体
３ 切刃部材 ６ 超硬ポスト（超硬合金製部材）
７ 切刃片 １１ 切刃基体（超硬合金製部材）
１２ ダイヤモンド製部材 １３ 金属層（金属箔）
Claims (7)
- 超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との間に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗのうちのいずれか一種の金属と不可避不純物とからなる金属箔、もしくはこれらのうちの二種以上の金属の合金と不可避不純物とからなる金属箔を挟み込み、
前記超硬合金製部材及び前記ダイヤモンド製部材を、それぞれ前記金属箔と拡散接合することを特徴とする超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合方法。 - 超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との間に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗのうちのいずれか一種の金属と不可避不純物とからなる金属層、もしくはこれらのうちの二種以上の金属の合金と不可避不純物とからなる金属層が設けられ、
前記超硬合金製部材及び前記ダイヤモンド製部材が、それぞれ前記金属層と拡散接合されていることを特徴とする超硬合金製部材とダイヤモンド製部材との接合構造。 - 掘削工具の工具本体の先端面に設けられるポストに対して装着されて前記掘削工具における切刃を構成する切刃片であって、
前記ポストとの接合部を構成する超硬合金製の切刃基体と、
該切刃基体に支持されるダイヤモンド製部材とを有し、
前記切刃基体と前記ダイヤモンド製部材との間には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗのうちのいずれか一種の金属と不可避不純物とからなる金属層、もしくはこれらのうちの二種以上の金属の合金と不可避不純物とからなる金属層が設けられ、
前記切刃基体及び前記ダイヤモンド製部材が、それぞれ前記金属層と拡散接合されていることを特徴とする掘削工具の切刃片。 - 前記ダイヤモンド製部材が、結合材として炭酸マグネシウムを用いた高耐熱性焼結ダイヤモンドによって構成されていることを特徴とする請求項３記載の掘削工具の切刃片。
- 掘削工具の工具本体の先端面に設けられる切刃部材であって、
前記工具本体に装着される超硬合金製のポストと、
該ポストに対して装着されて前記掘削工具における切刃を構成するダイヤモンド製の切刃片とを有し、
前記ポストと前記切刃片との間には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗのうちのいずれか一種の金属と不可避不純物とからなる金属層、もしくはこれらのうちの二種以上の金属の合金と不可避不純物とからなる金属層が設けられ、
前記ポスト及び前記切刃片が、それぞれ前記金属層と拡散接合されていることを特徴とする掘削工具の切刃部材。 - 掘削工具の工具本体の先端面に設けられる切刃部材であって、
前記工具本体に装着されるポストと、
該ポストに対して装着されて前記掘削工具における切刃を構成する切刃片とを有しており、
該切刃片が、請求項３または４に記載の切刃片とされていることを特徴とする掘削工具の切刃部材。 - 工具本体の先端面に、切刃片をポストに装着してなる切刃部材が装着される掘削工具であって、
前記切刃片として請求項３または４に記載の切刃片を用いるか、もしくは前記切刃部材として請求項５または６に記載の切刃部材を用いることを特徴とする掘削工具。
Priority Applications (11)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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