JP2020076299A - 掘削チップおよび掘削ビット - Google Patents

Abstract

【課題】チップ本体と硬質層との界面の残留応力を緩和する。【解決手段】チップ中心線Ｃを中心とした円柱状または円板状をなす後端部２Ａと先端部２Ｂとを有する超硬合金よりなるチップ本体２と、先端部２Ｂを被覆する多結晶ダイヤモンド焼結体よりなる硬質層３とを備え、チップ本体２の先端部２Ｂはチップ中心線Ｃに沿った断面において表面が凸円弧状をなす凸部２ａと、凸部２ａに接する凹円弧状をなす凹部２ｂとを有し、後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）は８（ｍｍ）〜２０（ｍｍ）の範囲内、直径Ｄ（ｍｍ）に対して凸部２ａの半径ｒ１（ｍｍ）がなす比ｒ１／Ｄが０．１〜０．６５、凹部２ｂの半径ｒ２（ｍｍ）がなす比ｒ２／Ｄが０．０５〜３．０の範囲内、凸部２ａと凹部２ｂとの接点Ｐと凸部２ａの中心Ｑとを結ぶ直線Ｌがチップ中心線Ｃに対してなす角度θ（°）が２０（°）〜９０（°）の範囲内である。【選択図】図１

Description

本発明は、超硬合金よりなるチップ本体の先端部に多結晶ダイヤモンド焼結体よりなる硬質層が被覆され、掘削ビットのビット本体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ビット本体の先端部に取り付けられた掘削ビットに関するものである。

このような、超硬合金よりなるチップ本体の先端部に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は、これらチップ本体の超硬合金と硬質層の多結晶ダイヤモンド焼結体とを一体に焼結することにより製造されるが、この焼結の際に、超硬合金と多結晶ダイヤモンド焼結体との熱膨張係数の差によって互いの界面付近に残留応力が発生する。この残留応力が高い場合、打撃掘削に用いられる掘削ビットに取り付けられる掘削チップでは、掘削中の衝撃によって硬質層にクラックが発生し、掘削ビットの寿命が短くなる問題がある。

そこで、特許文献１〜３には、このような焼結後の多結晶ダイヤモンド焼結体よりなる硬質層の残留応力を緩和することが記載されている。このうち、特許文献１には、硬質層の最外層とチップ本体との間に、組成を傾斜させた中間層を介在させることが記載されている。また、特許文献２には、多結晶ダイヤモンド焼結体の熱膨張係数差に着目して、目的に応じた材種の中間層厚を規定することで残留応力を緩和することが記載されている。さらに、特許文献３には、チップ本体の形状を制御することで、掘削チップを掘削ビットに取り付ける際に必要な外周研磨工程後においてもチップ本体がむき出しにならないように硬質層の厚さを確保することにより、掘削チップの長寿命化を図ることが記載されている。

米国特許第６３１５０６５号明細書 米国特許第８８５７５４１号明細書 特開２０１６−１３５９８３号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載されたように、硬質層の最外層とチップ本体との間に中間層を介装したものでは、残留応力は緩和されても、硬質層のうち最も硬い最外層の厚さを確保することができなくなり、硬い岩質よりなる地盤の掘削に用いた場合に硬質層の摩耗の進行が速くなって超硬合金よりなるチップ本体が早期に露出し易くなり、掘削ビットの寿命が短くなる。

また、特許文献３に記載された掘削チップでは、チップ本体の後端部と先端部との間に後端部よりも外径の小さな円柱状または円板状の中間部を形成することにより、硬質層の後端側において上述のように厚さを確保するようにしている。ところが、この場合には、チップ本体の後端部の先端面と中間部の外周面との間に角度をもった隅角部が形成されるので、この隅角部に応力が集中し易くなる傾向がある。

ここで、この特許文献３に記載された掘削チップにおいて、より長寿命化を図るために硬質層を厚くした場合、中間部の外径はより小さくなるので、掘削時に過剰な負荷が作用したときに、応力が集中し易い上記隅角部を起点として中間部の超硬合金よりなるチップ本体とその外周の多結晶ダイヤモンド焼結体よりなる硬質層との界面にクラックが発生し易く、このクラックを原因とした硬質層の破壊によって掘削ビットの寿命が却って短くなるおそれがある。

本発明は、このような背景の下になされたもので、超硬合金よりなるチップ本体の先端部に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において、チップ本体と硬質層との界面の残留応力を緩和して硬質層のクラックの発生を防ぐことを可能とし、耐衝撃性や耐摩耗性も向上させることが可能な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、この後端部から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する超硬合金よりなるチップ本体と、このチップ本体の上記先端部を被覆する多結晶ダイヤモンド焼結体よりなる硬質層とを備え、上記チップ本体の先端部は、上記チップ中心線に沿った断面において表面が先端側に凸となる凸円弧状をなす凸部と、上記チップ中心線に沿った断面において表面が上記凸部の断面の凸円弧に接する凹円弧状をなして上記チップ本体の後端側に向かうに従い外周側に延びる凹部とを有し、上記チップ本体の後端部の直径Ｄ（ｍｍ）は、８（ｍｍ）〜２０（ｍｍ）の範囲内であり、このチップ本体の後端部の直径Ｄ（ｍｍ）に対して、上記断面における上記凸部の凸円弧の半径ｒ１（ｍｍ）がなす比ｒ１／Ｄが０．１〜０．６５の範囲内であるとともに、上記断面における上記凹部の凹円弧の半径ｒ２（ｍｍ）がなす比ｒ２／Ｄが０．０５〜３．０の範囲内であり、さらに上記断面における上記凸部と上記凹部との接点と上記凸部の凸円弧の中心とを結ぶ直線が上記チップ中心線に対してなす角度θ（°）が２０（°）〜９０（°）の範囲内であ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。

上記構成の掘削チップにおいては、チップ本体の先端部が、チップ中心線に沿った断面において表面が先端側に凸となる凸円弧状をなす凸部と、チップ中心線に沿った断面において表面が凸部の断面の凸円弧に接する凹円弧状をなしてチップ本体の後端側に向かうに従い外周側に延びる凹部とを有しており、角度をもって交差する隅角部が形成されることがないので、焼結時の残留応力を緩和することができ、このような隅角部が硬質層のクラックの起点となることがない。

ここで、チップ本体の後端部の直径Ｄ（ｍｍ）が８（ｍｍ）よりも小さいと、硬質層とチップ本体との界面の残留応力を緩和させることはできても、衝撃負荷がより高い条件下で掘削に使用した場合に、チップ本体に単位面積当たりに作用する衝撃負荷が大きくなるため、チップ本体を起点とした破損が生じ易くなり、掘削ビットの寿命が短くなるおそれがある。一方、チップ本体の後端部の直径Ｄ（ｍｍ）が２０（ｍｍ）よりも大きいと、硬質層と接するチップ本体の面積に対して硬質層の体積が大きくなり、硬質層とチップ本体との界面に生じる残留応力を緩和させることができなくなって、焼結後にクラックを生じるおそれがある。

そして、このように８（ｍｍ）〜２０（ｍｍ）の範囲内であるチップ本体の後端部の直径Ｄ（ｍｍ）に対して、上記断面における凸部の凸円弧の半径ｒ１（ｍｍ）がなす比ｒ１／Ｄが０．１〜０．６５の範囲内であるとともに、上記断面における凹部の凹円弧の半径ｒ２（ｍｍ）がなす比ｒ２／Ｄが０．０５〜３．０の範囲内であり、さらに上記断面における凸部と凹部との接点と凸部の凸円弧の中心とを結ぶ直線がチップ中心線に対してなす角度θ（°）が２０（°）〜９０（°）の範囲内であるので、硬質層とチップ本体との界面への残留応力を一層確実に緩和することができるとともに、硬質層に十分な厚さを確保して、長寿命化を図ることが可能となる。なお、チップ中心線に沿った断面とは、チップ中心線からの距離が０．１（ｍｍ）以内の範囲でチップ中心線に沿った断面であればよい。
硬質層は特に限定しないが、ビッカース硬さ４０００ＨＶ以上、厚み１．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下が好ましい。ここで、硬質層とは多結晶ダイヤモンド焼結体部を意味し、この多結晶ダイヤモンド焼結体層が組成の異なる２層以上の層で構成される場合は、最外周に位置する層を硬質層とする。また、その硬質層のビッカース硬さについて、その上限値について制限はないが、工業上製作可能なものの数値として、８０００ＨＶ以下とする。
なお、ビッカース硬さは、荷重５ｋｇにて１０点測定を行い、平均値を硬質層のビッカース硬さとした。硬質層の厚みは、チップ中心線に沿って切断したチップ断面において、チップ中心線Ｃに沿って光学顕微鏡を用いて観察像を取得し、測長により得られる値を厚みとした。

すなわち、上記比ｒ１／Ｄが０．１未満であると、硬質層の厚さに対して凸部の半径が小さくなりすぎて凸部の曲率は大きくなり、特に凸部の先端部において残留応力が集中し易くなって硬質層にクラックが生じるおそれがある。一方、上記比ｒ１／Ｄが０．６５を超えると、凸部の外周部において硬質層の厚さが薄くなり、掘削時の凸部の外周部の摩耗が先端部に比べて速くなって超硬合金よりなるチップ本体の凸部が露出し易くなり、掘削ビットの寿命が短くなるおそれがある。

また、上記比ｒ２／Ｄが０．０５未満であると、やはり硬質層の厚さに対して凹部の半径が小さくなりすぎて凹部の曲率は大きくなり、凹部において残留応力が集中し易くなって硬質層にクラックが生じるおそれがある。一方、上記比ｒ２／Ｄが３．０を超えると、凹部における硬質層の厚さが薄くなり、掘削チップの側面における凹部に被覆された硬質層の掘削時の摩耗が凸部に比べて速くなって超硬合金よりなるチップ本体が露出し易くなり、掘削ビットの寿命が短くなるおそれがある。

さらに、上記断面における凸部と凹部との接点と凸部の凸円弧の中心とを結ぶ直線がチップ中心線に対してなす角度θ（°）が２０（°）未満であると、凸部の先端部に比べて外周部の硬質層の厚さが薄くなり、この凸部の外周部における掘削時の硬質層の摩耗が先端部に比べて速くなってしまってチップ本体が露出し易くなり、掘削ビットの寿命が短くなるおそれがある。一方、上記断面における凸部と凹部との接点と凸部の凸円弧の中心とを結ぶ直線がチップ中心線に対してなす角度θ（°）が９０（°）を超えると、凹部の半径ｒ２を小さくせざるを得なくなって曲率は大きくなり、凸部との接点近傍において残留応力が集中し易くなって衝撃的負荷が作用した際に硬質層の破壊の起点となるおそれがある。

なお、特に上記チップ本体の後端部の直径Ｄ（ｍｍ）は１４（ｍｍ）〜２０（ｍｍ）である場合には、このチップ本体の後端部の直径Ｄ（ｍｍ）に対して、上記断面における上記凸部の凸円弧の半径ｒ１（ｍｍ）がなす比ｒ１／Ｄが０．１８〜０．４５の範囲内であってもよい。

さらに、上記チップ本体の後端部と上記凹部との間には、上記チップ中心線に沿った断面において表面が凸となる凸円弧状をなす接続部を有していてもよく、これにより焼結時の残留応力を一層緩和することができる。なお、このような断面凸円弧状の接続部を設ける場合には、チップ本体の後端部の直径Ｄ（ｍｍ）に対して、上記断面における上記接続部の凸円弧の半径ｒ３（ｍｍ）がなす比ｒ３／Ｄが０．０５〜０．２の範囲内であることが望ましい。

すなわち、上記直径Ｄ（ｍｍ）に対して接続部の断面の凸円弧の半径ｒ３（ｍｍ）がなす比ｒ３／Ｄが０．０５未満であると、接続部の半径が小さくなりすぎて曲率は大きくなり、焼結時の残留応力や掘削負荷による応力が集中し易くなって硬質層のクラックを防止する効果が損なわれるおそれがある。一方、上記比ｒ３／Ｄが０．２を超えると、接続部の後端側における硬質層の厚さが薄くなり、掘削時の硬質層の摩耗の進行が速くなってチップ本体が露出し易くなり、掘削ビットの寿命が短くなるおそれがある。

上記掘削チップにおいて、硬質層は、ダイヤモンド粒子の含有量が互いに異なる複数のダイヤモンド焼結体層を含む多層構造である構成としてもよい。この構成によれば、硬質層を構成する各ダイヤモンド焼結体層において、ダイヤモンド粒子の含有量および層厚を調整できる。この調整により、硬質層の最表層の硬さを維持したまま、焼結時の残留応力を低減することも可能である。例えば、少なくとも２層以上の構造の場合、最表層のダイヤモンド粒子の含有量は６５ｖｏｌ％以上９５ｖｏｌ％以下、最表層と超硬合金の間の層のダイヤモンド粒子の含有量は６０ｖｏｌ％より少ない構成であることが望ましい。３層構造の場合、最表層に接する層のダイヤモンド粒子の含有量は６０ｖｏｌ％より少なく３５ｖｏｌ％より多く、超硬合金に接する層のダイヤモンド粒子の含有量は５０ｖｏｌ％以下２０ｖｏｌ％以上とし、最表層から超硬合金にかけての各層のダイヤモンド粒子の含有量は少なくなる構成とすることが焼結時の残留応力低減には好ましい。

以上説明したように、本発明の掘削チップおよび掘削ビットによれば、焼結時の残留応力を緩和することができるとともに、掘削時の硬質層の摩耗によるチップ本体の露出を防ぐことができ、耐衝撃性や耐摩耗性を向上させて掘削チップおよび掘削ビットの寿命を延長することにより、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第１の実施形態を示すチップ中心線に沿った断面図である。 図１に示す実施形態の掘削チップをビット本体の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ビット本体の軸線に沿った断面図である。 本発明の掘削チップの第２の実施形態を示すチップ中心線に沿った断面図である。 本発明の掘削チップの第３の実施形態を示すチップ中心線に沿った断面図である。 本発明の掘削チップの第４の実施形態を示すチップ中心線に沿った断面図である。 本発明の掘削チップの第５の実施形態を示すチップ中心線に沿った断面図である。

図１は本発明の掘削チップの第１の実施形態（後述する実施例における実施例１の掘削チップ）を示す断面図であり、図２はこの実施形態の掘削チップ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、チップ中心線Ｃを中心とした円柱状または円板状をなす後端部２Ａと、この後端部２Ａから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先端部２Ｂとが一体に形成された超硬合金よりなるチップ本体２と、このチップ本体２の上記先端部２Ｂの表面を被覆するチップ本体２よりも硬度の高い多結晶ダイヤモンド焼結体よりなる硬質層３とを備えている。

上記チップ本体２の先端部２Ｂは、図１に示すようにチップ中心線Ｃに沿った断面において表面が先端側に凸となる凸円弧状をなす凸部２ａと、同じくチップ中心線Ｃに沿った断面において表面が凸部２ａの断面の凸円弧に接点Ｐにおいて接する凹円弧状をなしてチップ本体２の後端側に向かうに従い外周側に延びる凹部２ｂとを有している。本実施形態においては、凸部２ａの表面はチップ中心線Ｃ上に中心を有する凸球面状に形成されるとともに、上記断面において凹部２ｂの表面は、チップ本体２の後端部２Ａの外周面に鈍角に交差している。

また、このチップ本体２の後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）は、８（ｍｍ）〜２０（ｍｍ）の範囲内であって、本実施形態では９（ｍｍ）とされている。そして、このチップ本体２の後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）に対して、チップ中心線Ｃに沿った上記断面における凸部２ａの凸円弧の半径ｒ１（ｍｍ）がなす比ｒ１／Ｄは０．１〜０．６５の範囲内であるとともに、上記断面における凹部２ｂの凹円弧の半径ｒ２（ｍｍ）がなす比ｒ２／Ｄは０．０５〜３．０の範囲内とされている。

ここで、チップ本体２の後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）が９（ｍｍ）である本実施形態において、凸部２ａの半径ｒ１（ｍｍ）は３（ｍｍ）とされており、上記比ｒ１／Ｄは０．３３とされている。また、凹部２ｂの半径ｒ２（ｍｍ）は４（ｍｍ）とされており、上記比ｒ２／Ｄは０．４４とされている。なお、上述のようにチップ中心線Ｃに沿った断面とは、チップ中心線Ｃからの距離が０．１（ｍｍ）以内の範囲でチップ中心線Ｃに沿った断面であればよい。

さらに、同じくチップ中心線Ｃに沿った断面において凸部２ａと凹部２ｂとの上記接点Ｐと凸部２ａの凸円弧の中心Ｑとを結ぶ直線Ｌがチップ中心線Ｃに対してなす角度θ（°）が２０（°）〜９０（°）の範囲内とされている。本実施形態では、この角度θ（°）は７０（°）とされている。

さらにまた、硬質層３は、本実施形態では単層であって、チップ本体２の後端部２Ａの先端側に連なる硬質層３の後端部３Ａは、その外周面がチップ本体２の後端部２Ａと等しい直径Ｄ（ｍｍ）のチップ中心線Ｃを中心とした円筒面状とされるとともに、硬質層３の先端部３Ｂの表面は、この後端部３Ａの外周面に滑らかに連なる上記中心Ｑを中心とした凸半球面状とされている。すなわち、本実施形態の掘削チップ１は、いわゆるボタンチップである。また、硬質層３の厚さは、少なくとも上記接点Ｐよりも先端側では略均一とされている。

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、この先端部に掘削チップ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、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、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の外周側に開口している。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。

このような取付孔１７に、上記掘削チップは、図２に示すようにチップ本体２の上記後端部２Ａが埋没させられた状態で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、すなわち埋設されて取り付けられる。さらに、硬質層３が被覆された掘削チップ１の先端部がフェイス面１５およびゲージ面１６から突出して、上述した打撃力と推力および回転力により岩盤を破砕する。

このように掘削ビットのビット本体１１に取り付けられる上記構成の掘削チップ１においては、チップ本体２の先端部２Ｂが、チップ中心線Ｃに沿った断面において表面が先端側に凸となる凸円弧状をなす凸部２ａと、同じくチップ中心線Ｃに沿った断面において表面が凸部２ａの断面の凸円弧に接する凹円弧状をなしてチップ本体２の後端側に向かうに従い外周側に延びる凹部２ｂとを有している。すなわち、特許文献３に記載された掘削チップのように角度をもって交差する隅角部がチップ本体２と硬質層３との界面に形成されることがないので、焼結時の残留応力を緩和することができ、このような隅角部が起点となって硬質層３にクラックが発生することがない。

ここで、チップ本体２の後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）が８（ｍｍ）よりも小さいと、硬質層３とチップ本体２との界面の残留応力を緩和させることはできても、衝撃負荷がより高い条件下で掘削に使用した場合に、チップ本体２に単位面積当たりに作用する衝撃負荷が大きくなるため、チップ本体２を起点とした破損が生じ易くなり、掘削ビットの寿命が短くなるおそれがある。一方、チップ本体２の後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）が２０（ｍｍ）よりも大きいと、硬質層３と接するチップ本体２の面積に対して硬質層３の体積が大きくなり、硬質層３とチップ本体２との界面に生じる残留応力を緩和させることができなくなって、焼結後にクラックを生じるおそれがある。

そして、さらに上記構成の掘削チップ１では、このようにチップ本体２の後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）が８（ｍｍ）〜２０（ｍｍ）の範囲内であるのに対して、上記断面における凸部２ａの凸円弧の半径ｒ１（ｍｍ）がなす比ｒ１／Ｄが０．１〜０．６５の範囲内であるとともに、上記断面における凹部２ｂの凹円弧の半径ｒ２（ｍｍ）がなす比ｒ２／Ｄが０．０５〜３．０の範囲内であり、しかも上記断面における凸部２ａと凹部２ｂとの接点Ｐと凸部２ａの凸円弧の中心Ｑとを結ぶ直線Ｌがチップ中心線Ｃに対してなす角度θ（°）が２０（°）〜９０（°）の範囲内とされている。このため、硬質層３とチップ本体２との界面への残留応力を一層確実に緩和することができるとともに、硬質層３に十分な厚さを確保して長寿命化を図ることが可能となる。

上記比ｒ１／Ｄが０．１未満であると、硬質層３の厚さに対して凸部２ａの半径ｒ１が小さくなりすぎて凸部２ａの曲率は大きくなり、凸部２ａの先端部において残留応力が集中し易くなって硬質層３にクラックが生じ易くなるおそれがある。一方、逆に上記比ｒ１／Ｄが０．６５を超えると、凸部２ａの外周部において硬質層３の厚さが薄くなって、掘削時の凸部２ａの外周部における硬質層３の摩耗が先端部に比べて速くなり、超硬合金よりなるチップ本体２の凸部２ａが露出し易くなって、掘削ビットの寿命が短くなるおそれがある。

また、上記比ｒ２／Ｄが０．０５未満であると、やはり硬質層３の厚さに対して凹部２ｂの半径ｒ２が小さくなりすぎて凹部２ｂの曲率が大きくなり、凹部２ｂにおいて残留応力が集中し易くなって硬質層３にクラックが生じるおそれがある。一方、上記比ｒ２／Ｄが３．０を超えると、凹部２ｂにおける硬質層３の厚さが薄くなり、掘削チップ１の側面における凹部２ｂに被覆された硬質層３の掘削時の摩耗が凸部２ａに比べて速くなって超硬合金よりなるチップ本体２が露出し易くなるため、掘削ビットの寿命が短くなるおそれがある。

さらに、上記断面における凸部２ａと凹部２ｂとの接点Ｐと凸部２ａの凸円弧の中心Ｑとを結ぶ直線Ｌがチップ中心線Ｃに対してなす角度θ（°）が２０（°）未満であると、凸部２ａの先端部に比べて外周部の硬質層３の厚さが薄くなり、この凸部２ａの外周部における掘削時の硬質層３の摩耗が先端部に比べて速くなってチップ本体２が露出し易くなるため、掘削ビットの寿命が短くなるおそれがある。一方、上記断面における上記直線Ｌがチップ中心線Ｃに対してなす角度θ（°）が９０（°）を超えると、凹部２ｂの半径ｒ２を小さくせざるを得なくなって曲率が大きくなり、凸部２ａとの接点Ｐ近傍において残留応力が集中し易くなるため、衝撃的負荷が作用した際に硬質層３の破壊の起点となるおそれがある。

次に、図３は、本発明の掘削チップ１の第２の実施形態（後述する実施例における実施例２の掘削チップ）を示す断面図であり、この図３に示す第２の実施形態を初めとして、図４〜図６に示す本発明の掘削チップ１の第３〜第５の実施形態においても、図１に示した第１の実施形態の掘削チップ１と共通する部分には図１と同一の符号を配して説明を省略する。この第２の実施形態の掘削チップ１では、チップ本体２の後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）が１３（ｍｍ）、チップ本体２の先端部２Ｂの凸部２ａの半径ｒ１が４．５（ｍｍ）であって比ｒ１／Ｄが０．３５であり、凹部２ｂの半径ｒ２（ｍｍ）が６（ｍｍ）であって比ｒ２／Ｄが０．４６であり、上記直線Ｌがチップ中心線Ｃに対してなす角度θ（°）が７０（°）である。

また、図４に示す第３の実施形態の掘削チップ（後述する実施例における実施例１０の掘削チップ）１においては、チップ本体２の後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）が１６（ｍｍ）であり、チップ本体２の先端部２Ｂの凸部２ａの半径ｒ１が５（ｍｍ）であって比ｒ１／Ｄが０．３１であり、凹部２ｂの半径ｒ２（ｍｍ）が７．５（ｍｍ）であって比ｒ２／Ｄが０．４７であり、上記直線Ｌがチップ中心線Ｃに対してなす角度θ（°）は７０（°）である。

さらに、図５に示す第４の実施形態の掘削チップ（後述する実施例における実施例１１の掘削チップ）１においては、チップ本体２の後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）が１８（ｍｍ）であり、チップ本体２の先端部２Ｂの凸部２ａの半径ｒ１が５．５（ｍｍ）であって比ｒ１／Ｄが０．３であり、凹部２ｂの半径ｒ２（ｍｍ）が９（ｍｍ）であって比ｒ２／Ｄが０．５であり、上記直線Ｌがチップ中心線Ｃに対してなす角度θ（°）は７０（°）である。

なお、これら第３、第４の実施形態のようにチップ本体２の後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）が１４（ｍｍ）〜２０（ｍｍ）の範囲内である場合には、このチップ本体２の後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）に対して、チップ中心線Ｃに沿った断面における凸部２ａの凸円弧の半径ｒ１（ｍｍ）がなす比ｒ１／Ｄは上述のように０．１８〜０．４５の範囲内であってもよい。これにより、チップ本体２の後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）が比較的大きな掘削チップ１においても、一層確実に残留応力を緩和しつつ、摩耗によるチップ本体２の露出を抑制することができる。

さらにまた、図６に示す第５の実施形態の掘削チップ（後述する実施例における実施例６の掘削チップ）１は、チップ本体２の後端部２Ａと先端部２Ｂの凹部２ｂとの間に、チップ中心線Ｃに沿った断面において表面が凸となる凸円弧状をなす接続部２ｃを有している。ここで、この第５の実施形態のチップ本体２の後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）は第２の実施形態と同じく１３（ｍｍ）であり、チップ本体２の先端部２Ｂの凸部２ａの半径ｒ１は３．２５（ｍｍ）であって比ｒ１／Ｄが０．２５であり、凹部２ｂの半径ｒ２（ｍｍ）は７．８（ｍｍ）であって比ｒ２／Ｄが０．６であり、上記直線Ｌがチップ中心線Ｃに対してなす角度θ（°）は６０（°）である。

さらに、この第５の実施形態においては、チップ中心線Ｃに沿った断面において上記接続部２ｃがなす凸円弧の半径ｒ３（ｍｍ）がチップ本体２の後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）に対してなす比ｒ３／Ｄは０．０５〜０．２の範囲内とされている。本実施形態では、半径ｒ３（ｍｍ）は１．３（ｍｍ）とされており、従って直径Ｄ（ｍｍ）に対してなす比ｒ３／Ｄは０．１とされている。

このような第５の実施形態の掘削チップ１によれば、この接続部２ｃにおけるチップ本体２と硬質層３との界面の残留応力を一層緩和することができる。なお、チップ本体２の後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）に対して接続部２ｃの上記断面における凸円弧の半径ｒ３（ｍｍ）がなす比ｒ３／Ｄが０．０５未満であると、接続部２ｃの半径ｒ３が小さくなりすぎて焼結時の残留応力を緩和する効果が損なわれるおそれがあり、上記比ｒ３／Ｄが０．２を超えると、接続部２ｃの後端側における硬質層３の厚さが薄くなってチップ本体２が露出し易くなるので、上記比ｒ３／Ｄは０．０５〜０．２の上述のように範囲内とされるのが望ましい。

次に、本発明の掘削チップの実施例を挙げて、本発明の効果について実証する。本実施例では、上記実施形態に基づき、チップ本体２の後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）が８（ｍｍ）〜２０（ｍｍ）の範囲内であり、このチップ本体２の後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）に対して、チップ中心線Ｃに沿った断面における凸部２ａの凸円弧の半径ｒ１（ｍｍ）がなす比ｒ１／Ｄが０．１〜０．６５の範囲内であるとともに、上記断面における凹部２ｂの凹円弧の半径ｒ２（ｍｍ）がなす比ｒ２／Ｄが０．０５〜３．０の範囲内であり、上記断面において上記直線Ｌが上記チップ中心線に対してなす角度θ（°）が２０（°）〜９０（°）の範囲内である１５種の掘削チップ１をそれぞれ複数個ずつ製造した。
いずれの掘削チップ１においても、超硬合金のチップ本体２の先端部には、ビッカース硬さ４０００ＨＶ以上、チップ中心線Ｃに沿った厚みが１．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の硬質層を形成した。

なお、このうち４種の掘削チップ１は、第５の実施形態のようにチップ本体２の後端部２Ａと先端部２Ｂの凹部２ｂとの間に、チップ中心線Ｃに沿った断面において表面が凸となる凸円弧状をなす接続部２ｃを有し、チップ本体の後端部の直径Ｄ（ｍｍ）に対して、上記断面における接続部２ｃの凸円弧の半径ｒ３（ｍｍ）がなす比ｒ３／Ｄは０．０５〜０．２の範囲内であった。
また、１種の掘削チップ１（実施例１４）は、ダイヤモンド粒子の含有量が互いに異なる３層構造の硬質層を有する。３層の硬質層のうち、最外周の硬質層はビッカース硬さ４０００ＨＶ以上、チップ中心線Ｃに沿った厚みが１．２ｍｍの硬質層であった。最外周の硬質層と超硬の間の２層はビッカース硬さ２８００ＨＶ以下、チップ中心線Ｃに沿った合計厚みは１．２ｍｍの層であった。
これらを、実施例１〜１５として、直径Ｄ（ｍｍ）、比ｒ１／Ｄ、角度θ（°）、比ｒ２／Ｄ、および接続部２ｃを有するものは比ｒ３／Ｄとともに表１に示す。

また、これら実施例１〜１５に対する比較例として、チップ本体２の後端部２Ａの直径Ｄ（ｍｍ）が８（ｍｍ）〜２０（ｍｍ）の範囲内であるが、上記比ｒ１／Ｄ、上記比ｒ２／Ｄ、および上記角度θ（°）のうちいずれか１つが上記実施形態の範囲外である８種の掘削チップ１をそれぞれ複数個ずつ製造した。なお、このうち３種の掘削チップ１は、チップ本体２の後端部２Ａと先端部２Ｂの凹部２ｂとの間に、チップ中心線Ｃに沿った断面において表面が凸となる凸円弧状をなす接続部２ｃを有するものとした。これらを比較例１〜８として、やはり直径Ｄ（ｍｍ）、比ｒ１／Ｄ、角度θ（°）、比ｒ２／Ｄ、および接続部２ｃを有するものは比ｒ３／Ｄとともに表２に示す。

なお、これら実施例１〜１５と比較例１〜８の掘削チップ１の凸部２ａの半径ｒ１（ｍｍ）、凹部２ｂの半径ｒ２（ｍｍ）、角度θ（°）の測定は、掘削チップ１を放電加工機によってチップ中心線Ｃから半径０．１（ｍｍ）の範囲内でチップ中心線Ｃに沿って切断し、超硬合金と多結晶ダイヤモンド焼結体との色の違いから画像解析によって界面の位置を決定して測定した。また、凸部２ａの凸円弧の中心Ｑは、こうして断面を画像解析した場合のチップ本体２の先端部２Ｂにおける凸部２ａの頂点を通り、後端部２Ａを直径方向に２等分する線上に位置するものとした。

次いで、こうして製造した複数個ずつの実施例１〜１５および比較例１〜８の掘削チップ１に対して、落錘型衝撃試験機を用いて耐衝撃性性能を測定した。この落錘型衝撃試験は、チップ本体２の先端部２Ｂを上向きにした状態で掘削チップ１を固定し、超硬合金製の錘を掘削チップ１の真上からチップ中心線Ｃに沿って落下させて衝撃を加えるものであり、錘の質量は一定として、落下させる高さを変えることにより、掘削チップ１に与えられる衝撃エネルギー（Ｊ）を制御する。

また、錘を落下させることによって衝撃を加えた後、掘削チップ１の硬質層３の表面を実体顕微鏡により観察し、硬質層３に破損が確認された場合は、その衝撃を加えたエネルギーを破損に至ったエネルギー（Ｊ）とする。なお、錘を落下させることによるエネルギーは試験開始時を１０（Ｊ）とし、硬質層３に破損が認められなかった場合は複数個の掘削チップ１で試験済みのものを未試験のものと交換し、次に１０（Ｊ）増加させたエネルギーを加えるといった試験を、破損が確認されるまで繰り返して破損に至ったエネルギー（Ｊ）を測定した。この結果を、実施例１〜１５および比較例１〜８について、表１および表２に併せて示す。

この表１および表２の結果より、まず直径Ｄ（ｍｍ）、比ｒ１／Ｄ、角度θ（°）、および比ｒ２／Ｄのうちいずれか１つが上記実施形態の範囲外である比較例１〜８の掘削チップ１では、破壊に至ったエネルギー（Ｊ）がいずれも４０（Ｊ）以下であり、耐衝撃性に乏しいことが分かった。

これに対して、直径Ｄ（ｍｍ）、比ｒ１／Ｄ、角度θ（°）、および比ｒ２／Ｄがいずれも上記実施形態の範囲内である実施例１〜１５の掘削チップ１では、破壊に至ったエネルギー（Ｊ）が最も小さい実施例５でも７０（Ｊ）と、比較例１〜８の約２倍であり、破壊に至ったエネルギー（Ｊ）が最も大きい実施例２では１６０（Ｊ）と、比較例１〜８の約４倍以上の耐衝撃性を得ることができた。

以上説明したように、本発明の掘削チップおよび掘削ビットによれば、焼結時の残留応力を緩和することができるとともに、掘削時の硬質層の摩耗によるチップ本体の露出を防ぐことができ、耐衝撃性や耐摩耗性を向上させて掘削チップおよび掘削ビットの寿命を延長することにより、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
２ａ 凸部
２ｂ 凹部
２ｃ 接続部
３ 硬質層
１１ ビット本体
Ｃ チップ中心線
Ｏ ビット本体１１の軸線
Ｄ チップ本体２の後端部２Ａの直径
ｒ１ チップ中心線Ｃに沿った断面において凸部２ａがなす凸円弧の半径
ｒ２ チップ中心線Ｃに沿った断面において凹部２ｂがなす凹円弧の半径
ｒ３ チップ中心線Ｃに沿った断面において接続部２ｃがなす凸円弧の半径
Ｐ チップ中心線Ｃに沿った断面における凸部２ａと凹部２ｂとの接点
Ｑ チップ中心線Ｃに沿った断面における凸部２ａがなす凸円弧の中心
Ｌ 接点Ｐと中心Ｑとを結ぶ直線
θ チップ中心線Ｃに沿った断面において直線Ｌがチップ中心線Ｃに対してなす角度

Claims (6)

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、この後端部から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する超硬合金よりなるチップ本体と、
   このチップ本体の上記先端部を被覆する多結晶ダイヤモンド焼結体よりなる硬質層とを備え、
   上記チップ本体の先端部は、上記チップ中心線に沿った断面において表面が先端側に凸となる凸円弧状をなす凸部と、上記チップ中心線に沿った断面において表面が上記凸部の断面の凸円弧に接する凹円弧状をなして上記チップ本体の後端側に向かうに従い外周側に延びる凹部とを有し、
   上記チップ本体の後端部の直径Ｄ（ｍｍ）は、８（ｍｍ）〜２０（ｍｍ）の範囲内であり、
   このチップ本体の後端部の直径Ｄ（ｍｍ）に対して、上記断面における上記凸部の凸円弧の半径ｒ１（ｍｍ）がなす比ｒ１／Ｄが０．１〜０．６５の範囲内であるとともに、上記断面における上記凹部の凹円弧の半径ｒ２（ｍｍ）がなす比ｒ２／Ｄが０．０５〜３．０の範囲内であり、
   さらに上記断面における上記凸部と上記凹部との接点と上記凸部の凸円弧の中心とを結ぶ直線が上記チップ中心線に対してなす角度θ（°）が２０（°）〜９０（°）の範囲内であることを特徴とする掘削チップ。
2. 上記チップ本体の後端部の直径Ｄ（ｍｍ）は１４（ｍｍ）〜２０（ｍｍ）であり、
   このチップ本体の後端部の直径Ｄ（ｍｍ）に対して、上記断面における上記凸部の凸円弧の半径ｒ１（ｍｍ）がなす比ｒ１／Ｄが０．１８〜０．４５の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の掘削チップ。
3. 上記チップ本体の後端部と上記凹部との間に、上記チップ中心線に沿った断面において表面が凸となる凸円弧状をなす接続部を有し、
   チップ本体の後端部の直径Ｄ（ｍｍ）に対して、上記断面における上記接続部の凸円弧の半径ｒ３（ｍｍ）がなす比ｒ３／Ｄが０．０５〜０．２の範囲内であ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. 上記硬質層の最表層のビッカース硬さが４０００ＨＶ以上であり、上記硬質層の厚さが１．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であ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. 上記硬質層は、ダイヤモンド粒子の含有量が互いに異なる複数のダイヤモンド焼結体層を含む多層構造であることを特徴とする請求項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。
6. 請求項１から請求項５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。

Images