JP2016135983A - 掘削チップおよび掘削ビット - Google Patents

Abstract

【課題】硬質層が有する高い耐摩耗性を十分に生かした長寿命の掘削チップを提供する。【解決手段】本発明の掘削チップでは、掘削チップのチップ本体が、円柱状または円板状をなす後端部と、後端部よりも外径の小さな中間部と、先端側に向かうに従いチップ中心線からの外径が漸次小さくなる先端部とを有し、硬質層がチップ本体の先端部表面から中間部の外周にかけて被覆されていて、中間部における硬質層の外径が後端部の外径と等しくされている。【選択図】図１

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。

このような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には、円柱状の後端部と半球状をなして先端側に向かうに従い外径が小さくなる先端部とを有するチップ本体の上記先端部に、このような硬質層を被覆した掘削チップ、およびこのような掘削チップを、チップ本体の上記後端部がビット本体先端部に形成された取付孔に埋没するようにして取り付けた掘削ビットが提案されている。また、特許文献２には、このような多結晶ダイヤモンド焼結体の製造方法が記載されており、さらに特許文献３、４には製造装置が記載されている。

米国特許第５５７５３４２号明細書 米国特許第３１４１７４６号明細書 米国特許第３９１３２８０号明細書 米国特許第３７４５６２３号明細書

ところで、この特許文献１にも図示されているように、上述のような多結晶ダイヤモンド焼結体よりなる硬質層が被覆された掘削チップでは、この硬質層の厚さが、チップ本体の後端部がなす円柱の中心線上に位置する先端部の突端で厚く、この突端から先端部の外周側に向かうに従い薄くなるのが、このような掘削チップの製法上一般的である。ところが、その一方で、このような掘削チップを掘削ビットに取り付ける際に、チップ本体の後端部の外径が上記取付孔の内径よりも大きく形成されていた場合には、この後端部を取付孔に埋没させるために、掘削チップの外周を研磨することも一般的である。

しかしながら、そのように研磨した掘削チップでは、チップ本体先端部の外周において硬質層の厚さの薄い部分までが研磨されて硬質層が除去されてしまい、超硬合金よりなるチップ本体の表面が剥き出しとなってしまうおそれがある。そして、このような掘削チップを、チップ本体後端部が取付孔に埋没するように掘削ビットのビット本体に取り付けると、硬質層に被覆された部分だけでなく、上述のようにチップ本体表面が剥き出しとなった先端部の外周がビット本体の先端面から露出した状態となってしまう。

従って、そのような掘削チップを取り付けた掘削ビットによって掘削を行うと、掘削時に発生する破砕屑との接触により、剥き出しとなってビット本体先端面から露出したチップ本体先端部外周の表面が硬質層よりも先に摩耗してえぐれてしまい、場合によっては先端部の内周側の表面には硬質層が残ったまま、掘削チップの先端部が折損してしまう結果となる。このため、高硬度で高価な多結晶ダイヤモンド焼結体よりなる硬質層の高い耐摩耗性を十分に発揮することができないまま、掘削チップが短時間で寿命に達する。

本発明は、このような背景の下になされたもので、チップ本体後端部の外径が取付孔の内径よりも大きく形成されていた場合に掘削チップの外周を研磨しても、掘削ビットの先端面から露出する部分においてチップ本体の表面が剥き出しとなることがなく、硬質層が有する高い耐摩耗性を十分に生かした長寿命の掘削チップを提供するとともに、このような掘削チップを取り付けた、やはり寿命が長くて効率的な掘削を行うことが可能な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、このチップ本体を被覆する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、上記チップ本体は、チップ中心線を中心とした円柱状または円板状をなす後端部と、この後端部に対し上記チップ中心線方向における先端側に位置する該後端部よりも外径の小さな中間部と、この中間部に対しさらに上記チップ中心線方向における先端側に位置して先端側に向かうに従い上記チップ中心線からの外径が漸次小さくなる先端部とを有し、上記硬質層は、上記チップ本体の上記先端部表面から上記中間部の外周にかけて被覆されていて、この中間部における上記硬質層の外径が上記チップ本体の後端部の外径と等しくされていることを特徴とする。

また、本発明の掘削ビットは、このような掘削チップがビット本体の先端部に取り付けられた掘削ビットであって、上記ビット本体の先端部には取付孔が形成されており、上記掘削チップは、上記チップ本体の後端部と、上記中間部のうち上記硬質層により被覆された部分の少なくとも一部とを上記取付孔内に埋没させて取り付けられていることを特徴とする。

本発明の掘削チップにおいては、チップ本体の円柱状または円板状の後端部と先端側に向かうに従い外径が小さくなる先端部との間に、後端部よりは外径が小さな中間部が備えられており、先端部はこの中間部から先端側に向かうに従い外径が漸次小さくなる。そして、硬質層は、この先端部から中間部の外周にかけて被覆されていて、この中間部における硬質層の外径がチップ本体の後端部の外径と等しくされているので、チップ本体後端部の外径が取付孔の内径よりも大きい場合に掘削チップの外周を研磨したときでも、後端部と中間部との外径の差の厚さの硬質層が中間部の外周に被覆されたまま残される。

従って、本発明の掘削ビットのように、このような掘削チップを、チップ本体の後端部と、上記中間部のうち上記硬質層により被覆された部分の少なくとも一部とを取付孔内に埋没させて取り付けることにより、硬質層よりは低硬度のチップ本体の表面が剥き出しとなってビット本体の先端面から露出してしまうのを防ぐことができ、剥き出しとなったチップ本体表面から破砕屑との接触によって摩耗が進行して掘削チップの先端部が折損するような事態を防止することができる。このため、ダイヤモンド焼結体よりなる硬質層の耐摩耗性を十分に発揮して寿命の長い掘削チップおよび掘削ビットを提供し、効率的な掘削を行うことが可能となる。

ここで、上記中間部は、後端部よりも外径が小さければ、先端側に向かうに従い外径が小さくなる例えば円錐台状のものであったり、また先端部が半球状の場合にはこの先端部に滑らかに連なる外周面が曲面状のものであったりしてもよい。一方、後端部と同様に上記チップ中心線を中心とした円柱状または円板状とすることにより、硬質層が被覆された状態における硬質層のチップ中心線に垂直な径方向の層厚を該チップ中心線方向に亙って一定とすることができる。このため、掘削ビットにおいて、この中間部のうち硬質層により被覆された部分がどこまで取付孔に埋没していても、ビット本体先端面から露出した部分の掘削チップに十分な耐摩耗性を確保することができる。したがって、上記中間部は、上記後端部よりも外径の小さな上記チップ中心線を中心とした円柱状または円板状をなしていることが好ましい。

なお、上記中間部の外周に被覆された上記硬質層の上記チップ中心線方向における幅は１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内とされるのが望ましい。この幅が１ｍｍ未満であると、掘削チップが取付孔に浅く埋没して取り付けられた場合や取付孔の開口部が掘削中に摩耗した場合にチップ本体の表面が剥き出しとなってしまうおそれがある。その一方で、この硬質層の幅が５ｍｍを上回ると、掘削チップの外径が取付孔の内径より大きかった場合、所定の外径に研磨するのに多くの時間と労力を要する。さらに、上記中間部の外周に被覆された上記硬質層の層厚が３００μｍ〜１２００μｍの範囲内とされるのが望ましい。

また、上記中間部に被覆された上記硬質層のうち上記取付孔内に埋没した部分の上記チップ中心線方向における幅が０．５ｍｍ〜４．５ｍｍであることが好ましい。さらに、上記掘削ビットにおいて、上記中間部に被覆された上記硬質層のうち上記取付孔内に埋没していない部分の上記チップ中心線方向における幅が０．５ｍｍ〜１．０ｍｍであることが好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、掘削チップを掘削ビットの先端面に取り付けたときに、掘削ビットの先端面から露出する部分において低高度のチップ本体の表面が剥き出しとなるのを防ぐことができる。その結果、耐摩耗性の高い硬質層によって掘削チップおよび掘削ビットの寿命を延長して効率的な掘削を行うことが可能となる。

本発明の掘削チップの一実施形態を示す断面図である（破線は、チップ本体の先端部と中間部との境界である。）。 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２に示す実施形態において掘削チップが取り付けられた部分を示す拡大断面図である（破線は、チップ本体の先端部と中間部との境界である。）。

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り、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り、図３はこの実施形態の掘削ビットにおいて掘削チップ１が取り付けられた部分を示す拡大断面図である。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の表面を被覆する、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および図３において下側部分）２Ａがチップ中心線Ｃを中心とした円柱状または円板状をなしているとともに、先端部（図１および図３において上側部分）２Ｂは、本実施形態では後端部２Ａがなす円柱または円板の半径よりも僅かに小さ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いて、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。なお、先端部２Ｂのチップ中心線Ｃ方向における後端の半径は、後端部２Ａの半径よりも、後述する層厚Ｔ以上小さい値とすることが好ましい。

そして、これら後端部２Ａと先端部２Ｂとの間には、後端部２Ａがなす円柱または円板の外径よりも僅かに小さな外径の中間部２Ｃが形成されている。チップ本体２は、これら後端部２Ａ、先端部２Ｂ、および中間部２Ｃが上述の超硬合金のような硬質材料によって一体に形成されている。また、チップ本体２のチップ中心線Ｃに垂直な断面は後端部２Ａ、先端部２Ｂ、及び中間部２Ｃのいずれにおいてもチップ中心線Ｃを中心とする円形状となっている。

ここで、本実施形態では、中間部２Ｃは後端部２Ａと同じくチップ中心線Ｃを中心とした円柱状または円板状をなしていて、後端部２Ａと同軸で外径が小さくなるように形成されている。後端部２Ａと中間部２Ｃとの境界位置に相当する後端部２Ａの上端部には、チップ中心線Ｃの先端側（図１、３の上側）を向く環状の平面であるテーブル面２Ｄが形成されている。このようなテーブル面２Ｄを設けることにより、中間部２Ｃ全体に亘って十分な層厚の硬質層３を形成できる。なお、テーブル面はチップ中心線Ｃに垂直な面とする必要はなく、例えば、径方向に対し０〜４５°（好ましくは０〜３０°）傾斜していても良い。また、テーブル面２Ｄと中間部２Ｃの外周面とが曲面や傾斜面によって接続されていても良い。言い換えると、チップ本体２のチップ中心線Ｃを通る断面において、テーブル面２Ｄの内周端と中間部２Ｃの外周面の後端とが直角に接続している必要はなく、円弧や直線等により接続されていても良い。さらに、チップ本体２のチップ中心線Ｃを通る断面において、後端部２Ａの外周面の先端と中間部の外周面の後端とが凹曲線により接続されていても良い。すなわち、テーブル面２Ｄが環状の曲面であっても良い。

さらに、本実施形態では、先端部２Ｂがなす半球の半径は中間部２Ｃがなす円柱または円板の半径と等しくされていて、先端部２Ｂの表面がなす半球面は中間部２Ｃの外周面がなす円筒面に滑らかに連なるように形成されている。

このようなチップ本体２の表面に被覆される上記硬質層３は、先端部２Ｂから中間部２Ｃの外周にかけて、先端部２Ｂの表面がなす半球面と、中間部２Ｃの外周面がなす円筒面だけに被覆されており、後端部２Ａの外周面やチップ本体２の後端面には被覆されていない。本実施形態では、中間部２Ｃの外周面の全面に亙って硬質層３が被覆されている。そして、この硬質層３は、中間部２Ｃの外周面に被覆された部分の該硬質層３表面のチップ中心線Ｃからの半径が、後端部２Ａの外周面のチップ中心線Ｃからの半径と等しくされている。すなわち、中間部２Ｃにおける硬質層３の外径がチップ本体２の後端部２Ａの外径と等しくされている。

なお、硬質層３は、そのダイヤモンド焼結体を構成するダイヤモンド粒子の粒径や粒径ごとの含有量、バインダー金属の組成や含有量、あるいはダイヤモンド粒子以外の添加粒子の組成や含有量が１種とされた単層の硬質層でもよく、またはこれらの要素が異なる図１および図３に示したような２層の硬質層、もしくは３層以上の多層構造の硬質層であってもよい。なお、硬質層３が複数層で構成される場合は、図１、３に示すように、先端部２Ｂを被覆する最外層と中間部を被覆する最外層とが一つの層で構成されることが好ましい。このような硬質層３がチップ本体２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、特許文献２に記載されたような公知の焼結方法、特許文献３、４に記載された装置によって可能である。

ただし、硬質層３による高い耐摩耗性とダイヤモンド焼結体の応力の緩和を図るため、硬質層３の最外層はその内側に隣接する層よりも硬度が高く、すなわち、この内側に隣接する層は最外層よりも低硬度であるのが望ましい。また、このような硬質層３は、上述した通り先端部２Ｂのチップ中心線Ｃ上の突端で層厚が厚く、この突端から先端部２Ｂの外周側に向かうに従い層厚が薄くなる。

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が形成されている。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とにより、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条形成されている。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は、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の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。さらにまた、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がフェイス面１５とゲージ面１６に対して垂直に形成されている。

そして、このような取付孔１７に、上記掘削チップ１は、図３に示すようにチップ本体２の後端部２Ａと、中間部２Ｃのうち硬質層３によって被覆された部分の後端部２Ａ側の少なくとも一部とを取付孔１７内に埋没させた状態で、これらが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掘削チップ１が取付孔１７に固定される。すなわち掘削チップ１は取付孔１７に埋設されて取り付けられる。

従って、中間部２Ｃの先端部２Ｂ側の残りの部分と先端部２Ｂとは、ビット本体１１の先端面、すなわち上記フェイス面１５とゲージ面１６からそれぞれ突出させられており、さらに上記チップ中心線Ｃはフェイス面１５とゲージ面１６に垂直とされる。ここで、図３では中間部２Ｃの一部が取付孔１７内に埋没しているが、中間部２Ｃの全部を埋没させてもよい。

このように、上記構成の掘削チップ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においては、掘削チップ１のチップ本体２の大径となる後端部２Ａの先端側に、この後端部２Ａよりも小径な中間部２Ｃが設けられ、この中間部２Ｃのさらに先端側に、チップ中心線Ｃからの外径が小さくなって掘削を行う先端部２Ｂが設けられていて、この先端部２Ｂと中間部２Ｃの表面に硬質層３が被覆され、中間部２Ｃ外周の硬質層３の外径は後端部２Ａと等しくされている。

このため、掘削チップ１の外径が取付孔１７の内径よりも大きかった場合に、掘削チップ１のチップ本体２における後端部２Ａの外周面と中間部２Ｃ外周の硬質層３の表面を研磨しても、研磨代が後端部２Ａと中間部２Ｃとの外径差、すなわち中間部２Ｃ外周の硬質層３の層厚の範囲内であれば、硬質層３が中間部２Ｃの外周に残される。これは、焼結した掘削チップ１の外径がそのまま取付孔１７内に埋没可能で、研磨を施さない場合でも同様である。

従って、こうして掘削チップ１の外周を研磨しても、ビット本体１１の取付孔１７にチップ本体２の後端部２Ａと中間部２Ｃの少なくとも一部とを埋没させた状態では、図３に示したように掘削チップ１は硬質層３によって被覆された部分だけがビット本体１１の先端面であるフェイス面１５やゲージ面１６から露出し、硬質層３よりも低硬度の超硬合金等からなるチップ本体２の表面が剥き出しとなることがない。

このため、掘削中の破砕屑との直接的な接触によってチップ本体２の先端部２Ｂの後端側部分や中間部２Ｃの先端側部分が摩耗してえぐれるのを防ぎ、掘削チップ１が硬質層を残したまま折損するような事態を防止することができる。従って、上記構成の掘削チップ１および掘削ビットによれば、硬質層３の耐摩耗性を十分に発揮して長期の掘削が可能となり、効率的かつ経済的掘削作業を行うことが可能となる。

なお、中間部２Ｃに被覆された硬質層３のうち取付孔１７内に埋没した部分のチップ中心線Ｃ方向における幅Ｓが０．５ｍｍ〜４．５ｍｍであることが好ましい。幅Ｓを０．５ｍｍ以上とすることにより、掘削中にフェイス面１５又はゲージ面１６の取付孔１７の開口部の周辺が掘削屑等により摩耗して、掘削チップ１の埋没していた部分が露出しても、硬質層３が露出するので、チップ本体２の表面が剥き出しになることがない。そのため、掘削チップ１が折損することを防止できるので、先端部２Ｂを被覆する硬質層３の耐摩耗性を十分に発揮して長期の掘削が可能となる。一方、幅Ｓが４．５ｍｍを超えると、硬質層３の領域が増加し、掘削チップ１の外周を研磨する場合に多くの時間と労力を要するので好ましくない。

また、中間部２Ｃに被覆された硬質層３のうち、取付孔１７内に埋没していない部分のチップ中心線方向における幅Ｌ（当該硬質層３のフェイス面１５およびゲージ面１６から先端部２Ｂと中間部２Ｃとの境界までの突き出し長さ）は０．５ｍｍ〜１．０ｍｍであることが好ましい。幅Ｌを０．５ｍｍ以上とすることで、掘削チップ１は硬質層３によって被覆された部分だけがビット本体１１の先端面であるフェイス面１５やゲージ面１６から露出し、硬質層３よりも低硬度の超硬合金等からなるチップ本体２の表面が剥き出しとなることがない。そのため、掘削チップ１が折損することを防止できるので、先端部２Ｂを被覆する硬質層３の耐摩耗性を十分に発揮して長期の掘削が可能となる。一方、幅Ｌが１．０ｍｍを超えると、硬質層３の領域が増加し、掘削チップ１の外周を研磨する場合に多くの時間と労力を要するので好ましくない。

また、本実施形態の掘削チップ１では、チップ本体２の中間部２Ｃが、後端部２Ａがなす円柱または円板の中心線であるチップ中心線Ｃを中心とした円柱状または円板状とされていて、これら後端部２Ａと中間部２Ｃとが同軸でチップ本体２の先端側に向けて一段縮径する多段円柱状あるいは多段円板状をなしている。このため、中間部２Ｃの外周における硬質層３の層厚をチップ中心線Ｃ方向に一定とすることができるので、掘削チップ１が取付孔１７内のどの位置まで埋没していても、チップ本体２の中間部２Ｃがフェイス面１５やゲージ面１６から突出している部分では、その外周の硬質層３の層厚を一定とすることができ、この部分における耐摩耗性を十分に確保することが可能となる。

ただし、このように中間部２Ｃを円柱状または円板状に形成することなく、例えば先端側に向かうに従い外径が漸次小さくなるチップ中心線Ｃを中心とした円錐台状に形成したり、あるいは同様に先端側に向かうに従い外径が漸次小さくなるにしてもチップ中心線Ｃに沿った外周面の断面が凸曲線状や凹曲線状をなすような形状であってもよい。これらの場合でも、硬質層３の層厚は先端側に向かうに従い厚くなるので、チップ本体２の中間部２Ｃがフェイス面１５やゲージ面１６から突出している部分における硬質層３の耐摩耗性を十分に確保することができる。

なお、こうして中間部２Ｃの外周に被覆された硬質層３の図１に符号Ｗで示すチップ中心線Ｃ方向における幅（本実施形態では、図１および図３に破線で示す先端部２Ｂと中間部２Ｃとの境界と、後端部２Ａと中間部２Ｃとの境界との間の、中間部２Ｃのチップ中心線Ｃ方向の幅）が小さすぎると、掘削チップ１が取付孔１７に浅く埋没して取り付けられたり、あるいはビット本体１１における取付孔１７の開口部周辺が掘削中に摩耗したりした場合に、チップ本体２の表面が剥き出しとなってしまうおそれがある（上記幅Ｓが十分に確保できないおそれがある）。その一方で、この硬質層３の幅Ｗが大きすぎると、掘削チップ１の外周を研磨する場合に多くの時間と労力を要する。そのため、この幅Ｗは１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内とされるのが望ましく、２．０ｍｍ〜４．０ｍｍの範囲内とされることがより望ましい。

また、同じく図１に符号Ｔで示す中間部２Ｃの外周における硬質層３の層厚は、３００μｍ〜１２００μｍの範囲内とされるのが望ましく、５００μｍ〜１０００μｍの範囲内とされるのがより望ましい。この層厚Ｔが３００μｍを下回るほど薄いと、如何に硬質層３を被覆していても掘削チップ１に十分な寿命を与えることができなくなるおそれがある。その一方で、硬質層３の層厚Ｔが１２００μｍを上回るほど厚すぎると、取付孔１７内に埋没して摩耗の防止や掘削に寄与しない部分に占める硬質層３の体積が大きくなり、非経済的である。なお、中間部２Ｃに形成される硬質層３全体において、その層厚Ｔが上記の望ましい範囲内となることが好ましい。

ここで、チップ中心線Ｃ方向における中間部２Ｃと後端部２Ａとの境界である中間部２Ｃの後端の位置、および中間部２Ｃと先端部２Ｂとの境界である中間部２Ｃの先端の位置は、次のように特定される。後端部２Ａの下端面の直径をαとした場合、αの９３．３％より小さい直径を有する部分の最後端を中間部２Ｃと後端部２Ａとの境界（中間部２Ｃの後端）とする。そして、中間部２Ｃの後端の直径をβ（β≦α×０．９３３）とした場合、直径がβの９１．１％となる部分を中間部２Ｃと先端部２Ｂとの境界（中間部２Ｃの先端）とする。すなわち、先端部２Ｂの後端の直径γはγ＝β×０．９１１となる。

また、チップ中心線Ｃ方向におけるチップ本体２の全長Ｈに対する先端部２Ｂの先端から中間部２Ｃの後端までの長さｈの比ｈ／Ｈを０．４５〜０．８０とすることが好ましく、０．５０〜０．７５とすることがより好ましい。ｈ／Ｈをこの範囲に設定することにより、上述の効果をより確実に奏することができる。

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２Ｂ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いて、上述した実施形態における硬質層３の幅Ｗの相違による効果の差について、実施例を挙げて実証する。本実施例では、表１に示す、上記実施形態における硬質層３の幅Ｗ（中間層２Ｃの幅に相当）と、硬質層の厚さＴと、フェイス面１５およびゲージ面１６から先端部２Ｂと中間部２Ｃとの境界までの突き出し長さ（中間部２Ｃの突き出し長さ）Ｌとを備える６種の掘削チップ１を製造した。この掘削チップ１を、ビット本体１１の先端部に形成した取付孔１７にチップ本体２の後端部２Ａと中間部２Ｃとを埋没させて取り付けた６つの掘削ビットを製造した。これらを実施例１〜６とする。また、これら実施例１〜６に対する比較例として、幅Ｗが０ｍｍのもの、すなわちチップ本体が後端部よりも小径の中間部を備えずに後端部と同径の半径を有する半球状の先端部が後端部の先端側に直接形成されたものと、上記幅Ｗが０．５ｍｍのものも製造した。これらを比較例１、２とする。さらに、実施例１と同様の掘削チップにおいて、中間部２Ｃの外周における硬質層３の厚さＴのみを変更した２種類の掘削ビットを製造した。これらを比較例３、４とする。また、実施例２と同様の掘削チップにおいて、中間部２Ｃの突き出し長さＬを変更した２種類の掘削ビットを製造した。これらを比較例５、６とする。

なお、これら実施例１〜６および比較例１〜６の掘削ビットに取り付けた各掘削チップは、先端部２Ｂに被覆された硬質層３の外径がチップ本体２の後端部２Ａがなす円柱または円板の外径と等しい直径の半球状をなすボタンタイプの掘削チップであり、この直径は１１ｍｍであった。チップ本体２の中間部２Ｃの外周における硬質層３の厚さＴを、実施例１〜３、比較例１、２、５、６では４００μｍ、実施例４では３５０μｍ、実施例５では１１００μｍ、実施例６では６００μｍ、比較例３では１５０μｍ、比較例４では１５００μｍとした。図１に符号Ｐで示す先端部２Ｂの突端におけるチップ中心線Ｃ方向の厚さを実施例１〜３、比較例１、２、５、６では１２００μｍ、実施例４では８００μｍ、実施例５では１１５０μｍ、実施例６では１０００μｍ、比較例３では６００μｍ、比較例４では１８００μｍとした。従って、各実施例及び比較例において、チップ本体２の後端部２Ａの外径（直径）は１１ｍｍ、比較例１を除いて中間部２Ｃの外径を１０．２ｍｍ（先端部２Ｂを構成する半球の直径を１０．２ｍｍとした。また、後端部２Ａのチップ中心線Ｃ方向の長さを７．５ｍｍとした。

また、硬質層３は図１に示したように２層構造とした。硬質層３の外層は粒径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１５vol%（粒子を含んだ層全体に対する含有率）によって形成した高硬度層とした。硬質層３の外層の平均層厚は、実施例１〜３、比較例１、２、５、６では８００μｍ、実施例４では５００μｍ、実施例５では９００μｍ、実施例６では８００μｍ、比較例３では３００μｍ、比較例４では１６００μｍとした。硬質層３の内層は粒径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%含有してＣｏ:１００wt%の金属バインダー１０vol%によって形成した低硬度層とした。硬質層３の内層の平均層厚は、実施例１〜３、比較例１、２、５、６では２００μｍ、実施例４では３５０μｍ、実施例５では２００μｍ、実施例６では３００μｍ、比較例３、４では１２０μｍとした。なお、硬質層３の外層の平均層厚は、図１に示したようにチップ中心線Ｃに沿った断面における該チップ中心線Ｃ方向の層厚と、掘削チップの先端部がなす半球の中心（図１における中間部２Ｃと先端部２Ｂとの境界を示す点線とチップ中心線Ｃとの交点）を通りチップ中心線Ｃに対して３０°と６０°の交差角で交差する２つの直線上の位置における層厚との平均値とした。また、硬質層３の内層の平均層厚は、チップ中心線方向の層厚と、掘削チップの先端部がなす半球の中心を通りチップ中心線Ｃに対して３０°と６０°の交差角で交差する２つの直線上の位置における層厚との平均値とした。

さらに、実施例１〜６および比較例１〜６の掘削ビットにおいては、このような掘削チップを、ビット径４５ｍｍのビット本体１１におけるフェイス面１５に２つ、ゲージ面１６に５つの、合わせて７つ取り付けた。なお、図３に符号Ｌで示す、フェイス面１５およびゲージ面１６からチップ本体２の先端部２Ｂと中間部２Ｃとの境界までの突き出し長さを実施例１〜３、５および比較例２〜４では１ｍｍ、実施例４では０．５ｍｍ、実施例６では０．８ｍｍ、比較例５では３ｍｍ、比較例６では０ｍｍとした。比較例１では、後端部２Ａと先端部２Ｂとの境界からチップ中心線Ｃ方向に１ｍｍだけ後端部２Ａが露出するように（フェイス面１５およびゲージ面１６から後端部２Ａと先端部２Ｂとの境界までの距離が１ｍｍとなるように）、掘削チップをビット本体１１に取り付けた。

そして、これらの掘削ビットにより、中硬岩よりなる平均一軸圧縮強度１５０ＭＰａ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距離（ｍ）を測定するとともに掘削終了時の掘削チップとビットの損傷形態を確認した。なお、掘削条件は、掘削装置がＴＡＭＲＯＣＫ社製型番Ｈ２０５Ｄ、打撃圧力は１６０ｂａｒ（１６ＭＰａ）、フィード（送り）圧力は８０ｂａｒ（８ＭＰａ）、回転圧力は５５ｂａｒ（５．５ＭＰａ）、ブロー孔からは水を供給してその水圧は１８ｂａｒ（１．８ＭＰａ）であった。この結果を表１に示す。

この結果より、硬質層３の幅Ｗが短いまたは０である比較例１、２の掘削チップを取り付けた掘削ビットでは、掘削距離の長い比較例２でも、掘削チップの根元（ビット本体の表面から突出した部分のビット本体表面側）から摩耗が生じてチップ本体２がえぐれしまい、トータル掘削距離が４００ｍに満たず、すなわち１００孔を掘削することができずに寿命に達してしまった。硬質層３の厚さＴが小さい比較例３の掘削チップを取り付けた掘削ビットにおいても、掘削チップの根元から摩耗が生じ、実施例１〜６と比較してトータル掘削距離が短い結果となった。硬質層３の厚さＴが大きい比較例４では、実施例１〜６と比較してトータル掘削距離が短い結果となった。中間部２Ｃの突き出し長さＬが長い比較例５では、中間部２Ｃのビット本体１１に埋め込まれた部分の長さ（図３のＳ）が短く、掘削チップの根元で折損した。また、中間部２Ｃの突き出し長さＬが０ｍｍ、すなわち先端部２Ｂのみがフェイス面１５およびゲージ面１６から突き出した比較例６では、ビット本体１１が先行して摩耗し、ビット本体１１から掘削チップが外れる結果となった。
これに対して、実施例１〜６の掘削チップを取り付けた掘削ビットでは、実施例１で一部の掘削チップに折損が生じたものの、他は正常摩耗で寿命となるまで１００孔以上の掘削が可能であった。実施例２、３では、硬質層３の厚さＴおよび中間部２Ｃの突き出し長さＬが同じで、硬質層３の幅Ｗが小さい比較例２の２〜３倍以上の寿命の延長を図ることができた。

以上説明したように、本発明によれば、掘削ビットの先端面から露出する部分において低高度のチップ本体の表面が剥き出しとなるのを防ぐことができ、耐摩耗性の高い硬質層によって掘削チップおよび掘削ビットの寿命を延長して効率的な掘削を行うことが可能となる。

１ 掘削チップ
２ チップ本体
２Ａ チップ本体２の後端部
２Ｂ チップ本体２の先端部
２Ｃ チップ本体２の中間部
２Ｄ 環状のテーブル面
３ 硬質層
１１ ビット本体
１５ ビット本体１１のフェイス面（先端面）
１６ ビット本体１１のゲージ面（先端面）
１７ 取付孔
Ｃ チップ中心線
Ｏ ビット本体１１の軸線
Ｗ 中間部２Ｃの外周における硬質層３のチップ中心線Ｃ方向の幅
Ｌ 中間部２Ｃの外周における硬質層のうち取付孔１７内に埋没していない部分のチップ中心線Ｃ方向の幅
Ｓ 中間部２Ｃの外周における硬質層のうち取付孔１７内に埋没した部分のチップ中心線Ｃ方向の幅

Claims (7)

1. 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、このチップ本体を被覆する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、
   上記チップ本体は、チップ中心線を中心とした円柱状または円板状をなす後端部と、この後端部に対し上記チップ中心線方向における先端側に位置する該後端部よりも外径の小さな中間部と、この中間部に対しさらに上記チップ中心線方向における先端側に位置して先端側に向かうに従い上記チップ中心線からの外径が漸次小さくなる先端部とを有し、
   上記硬質層は、上記チップ本体の上記先端部表面から上記中間部の外周にかけて被覆されていて、この中間部における上記硬質層の外径が上記チップ本体の後端部の外径と等しくされていることを特徴とする掘削チップ。
2. 上記中間部は、上記後端部よりも外径の小さな上記チップ中心線を中心とした円柱状または円板状をなしていることを特徴とする請求項１に記載の掘削チップ。
3. 上記中間部の外周に被覆された上記硬質層の上記チップ中心線方向における幅が１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の掘削チップ。
4. 上記中間部の外周に被覆された上記硬質層の層厚が３００μｍ〜１２００μｍの範囲内とされていることを特徴とする請求項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。
5. 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ビット本体の先端部に取り付けられた掘削ビットであって、
   上記ビット本体の先端部には取付孔が形成されており、
   上記掘削チップは、上記チップ本体の後端部と、上記中間部のうち上記硬質層により被覆された部分の少なくとも一部とを上記取付孔内に埋没させて取り付けられていることを特徴とする掘削ビット。
6. 上記中間部に被覆された上記硬質層のうち上記取付孔内に埋没した部分の上記チップ中心線方向における幅が０．５ｍｍ〜４．５ｍｍであることを特徴とする請求項５に記載の掘削ビット。
7. 上記中間部に被覆された上記硬質層のうち上記取付孔内に埋没していない部分の上記チップ中心線方向における幅が０．５ｍｍ〜１．０ｍｍであることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の掘削ビット。

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