JP6149486B2 - 掘削チップ及びこれを用いた掘削工具 - Google Patents
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Description
すなわち、ボタンチップ等の掘削チップは、そのチップ本体が円柱状をなしているとともに、該チップ本体の先端部は、先端側へ向けて縮径する半球状等に形成されている。このような掘削チップは、チップ本体の軸方向に沿ってプレス成型されるが、該チップ本体の先端部は上記した形状によりプレス圧が分散されやすく、内部に空隙(ポア)が生じやすかった。このようなポアは、特に打撃工具である掘削工具の掘削チップにとって、チップ破壊の起点となりやすく、該掘削チップの耐欠損性を低下させてしまうことから好ましくない。
すなわち、本発明の掘削チップは、WC及びCoを含んで作製された柱状のチップ本体を有し、前記チップ本体の軸方向に沿う先端部は、先端側へ向かうに従い縮径するように形成され、前記チップ本体の先端部には、Coを主成分とし、長さが5〜25μmとされたバインダープールが複数設けられ、前記先端部の単位面積あたりに含まれる前記バインダープールの数が、該先端部における外面近傍よりもそのチップ内側で少なくされ、前記チップ本体の先端部の外面には、先端側へ向けて凸となる断面凸曲線状の刃先面が形成され、前記刃先面の曲率半径Rの、前記チップ本体の外径Dに対する比R/Dが、0.45〜0.55の範囲内とされ、前記バインダープールは、前記チップ本体の先端部の外面からチップ内側へ向けた0.1D〜0.15Dmm以下の範囲では、顕微鏡視野における単位面積800μm×1000μmあたりに20〜200個形成されていることを特徴とする。
また、本発明の掘削チップは、WC及びCoを含んで作製された柱状のチップ本体を有し、前記チップ本体の軸方向に沿う先端部は、先端側へ向かうに従い縮径するように形成され、前記チップ本体の先端部には、Coを主成分とし、長さが5〜25μmとされたバインダープールが複数設けられ、前記先端部の単位面積あたりに含まれる前記バインダープールの数が、該先端部における外面近傍よりもそのチップ内側で少なくされ、前記チップ本体の先端部の外面には、先端側へ向けて凸となる断面凸曲線状の刃先面が形成され、前記刃先面の曲率半径Rの、前記チップ本体の外径Dに対する比R/Dが、0.30〜0.40の範囲内とされ、前記バインダープールは、前記チップ本体の先端部の外面からチップ内側へ向けた0.1D〜0.15Dmm以下の範囲では、顕微鏡視野における単位面積800μm×1000μmあたりに20〜250個形成されていることを特徴とする。
また、本発明の掘削チップは、WC及びCoを含んで作製された柱状のチップ本体を有し、前記チップ本体の軸方向に沿う先端部は、先端側へ向かうに従い縮径するように形成され、前記チップ本体の先端部には、Coを主成分とし、長さが5〜25μmとされたバインダープールが複数設けられ、前記先端部の単位面積あたりに含まれる前記バインダープールの数が、該先端部における外面近傍よりもそのチップ内側で少なくされ、前記チップ本体の先端部の外面には、先端側へ向けて凸となる断面凸曲線状の刃先面が形成され、前記刃先面の曲率半径Rの、前記チップ本体の外径Dに対する比R/Dが、0.20〜0.30の範囲内とされ、前記バインダープールは、前記チップ本体の先端部の外面からチップ内側へ向けた0.1D〜0.15Dmm以下の範囲では、顕微鏡視野における単位面積800μm×1000μmあたりに30〜300個形成されていることを特徴とする。
また本発明は、工具軸線回りに回転される工具本体と、前記工具本体の工具先端面に突設された複数の掘削チップと、を備えた掘削工具であって、前記掘削チップとして、上述の掘削チップを用いたことを特徴とする。
具体的に、このような掘削チップは下記のように作製される。すなわち、原料作製工程及びプレス成型工程を経て、チップ本体の先端部内にポアが複数形成された状態で、一次焼結を行った後、シンターHIP(S−HIP)処理又はHIP処理を施すことにより、結合相である軟質のCoを、液状にし又は塑性変形させて、上記ポアをつぶすように該ポア内に移動(充満)させる。これにより、チップ本体内においてポアは消失し、該ポアに代わって、長さが5〜25μmとされた上記バインダープールが複数形成されることになる。
尚、本明細書でいう「長さが5〜25μm」とは、例えば、光学顕微鏡等による顕微鏡視野(対象物の平面視又は断面視)におけるバインダープール(又はポア)の大きさ(最大長さ)を指している。
そして、例えば光学顕微鏡等の顕微鏡視野における単位面積あたりに含まれるバインダープールの数が、チップ本体の先端部における外面近傍よりもそのチップ内側で少なくされているので(つまり前記外面近傍においてバインダープールの数が最大となっているので)、上述した衝撃吸収部及びクラック進展抑止部としての作用が外面近傍で高められるとともに、衝撃やクラックの進展がチップ内側に伝わることが顕著に抑制されて、掘削チップの耐欠損性が大幅に向上される。
また上記したように、掘削チップの各形状(比R/D)に応じて、該掘削チップ先端部の顕微鏡視野における単位面積あたりのバインダープール数が適宜設定されることにより、上述した効果がより顕著に得られることとなる。
具体的に、バインダープール数が上記範囲に満たない場合、掘削チップ全体が均質な組織となる為、破壊靱性値(通称:K1C)のバラつきは少なくなる。つまり局所的にみても均質な硬度を得る事ができ、耐摩耗性については安定化する。しかしながら、打撃工具である掘削工具の掘削チップにおいては、上記範囲に満たない場合は十分な耐欠損性を得る事が難しく、上記範囲に達していることによって、不均一な組織が掘削チップの耐欠損性を向上させるのに有利にはたらくようになっている。
一方、バインダープール数が上記範囲を超える場合、掘削チップの外面(表面)に析出するバインダープールが多くなり、掘削時に該バインダープールが剥離(脱落)する量が増え、WCを保持する力も衰えて結果的に耐摩耗性が低下するおそれがある。
従って、バインダープール数の上記範囲が、このバランスを両立させられる好ましい範囲である。
また上記添加材には、チップ製造時においてWCの粒子成長を抑制する作用があり、また結合相の合金組織を種々の目的に応じ強化させ得る作用もあって、チップ硬度をさらに高めることが可能になるとともに、耐摩耗性が顕著に向上される。
特に、添加材としてCrを用いた場合には、WCの粒子成長を抑制する作用や、Coとともに合金を形成することで結合相の強度を向上させる作用がより顕著に得られることから、好ましい。
特に、岩石等の地盤に対して打撃力、推力及び回転力により掘削孔を削孔するような建設工具(掘削工具)においては、耐摩耗性と耐欠損性を高い水準で維持できる上記構成の掘削チップが有効である。
本実施形態の掘削工具は、工具軸線回りに回転される柱状の工具本体(不図示)と、該工具本体の工具先端面に突設された複数の掘削チップ1と、を有しており、前記掘削チップ1に特別な構成を備えている。
ここで、本明細書においては、掘削チップ1において、チップ本体2の軸O方向に沿う刃先部4側(図1(a)〜(c)における上側)を先端側、軸O方向に沿う刃先部4とは反対側(図1(a)〜(c)における下側)を基端側という。また、軸O方向に直交する方向を径方向といい、軸O回りに周回する方向を周方向という。
具体的に、図1(a)における刃先部4は、先端側へ向けて凸となる半球状をなしており、該刃先部4の外面には、半球面状の刃先面4aが形成されている。
また、図1(b)における刃先部4は、その縦断面が先端側へ向けて凸となる放物線状又は半楕円形状をなしており、該刃先部4の外面には、凸曲面状の刃先面4aが形成されている。
また、図1(c)における刃先部4は、概略円錐状又は切頭円錐状をなすように形成されており、該刃先部4の外面には、稜線部5から先端側へ向かうに従い漸次径方向の内側へ向けて傾斜するテーパ面4bと、該テーパ面4bの先端側に配置されるとともに先端側へ向けて凸となる半球面状の刃先面4aと、が形成されている。
一方、刃先部4の刃先面4aの曲率半径Rについては、図1(a)、(b)、(c)の順に小さくされている。
本実施形態の掘削チップ1は、原料作製工程、プレス成型工程、焼結工程を経て作製されている。また、前記焼結工程には、一次焼結工程及びシンターHIP(S−HIP)処理工程又はHIP処理工程が含まれる。
図2に示されるように、プレス成型工程に用いられるプレス成型機10は、円柱孔状の貫通孔が形成されたダイ11と、ダイ11の前記貫通孔に上方から挿入される上パンチ12と、下方から挿入される下パンチ13と、を備えている。これら上パンチ12及び下パンチ13は、プレス成型で得られる圧粉体(チップ本体2)の軸Oに同軸とされた前記貫通孔の中心軸方向に沿って、互いに進退移動(接近離間)可能とされている。
また図2の例では、下パンチ13の上面形状が、図1(a)に示される掘削チップ1の刃先部4形状に対応しているが、図1(b)(c)に示される他の掘削チップ1をプレス成型する場合には、各刃先部4形状に対応した下パンチ13の上面形状とされる。
具体的には、チップ本体2の先端部内に上記ポアが残るように一次焼結を行ったものに対して、S−HIP処理又はHIP処理(1250〜1400℃、1〜100MPa)を施すことで、該チップ本体2内において軟質のCoを主成分とする結合相が、液状となり又は塑性変形により、ポアをつぶすように該ポア内に移動(充満)させられる。
また、図3(c)に示されるバインダープール20からなる結合相部分は、図3(a)〜(c)に示されるポアを置換していない一般的なCo結合相部分に比べて、その形成領域(スペース)が広くなっている。バインダープール20はWCを含んでおらず、他の結合相と略同等の硬度・靱性(組成)を有している。
また図4(a)の掘削チップ1において、上記範囲T1よりもチップ内側に位置する範囲T2は、その範囲T1との境界(つまり範囲T1のチップ内側の端縁)からチップ内側へ向けた0.1D〜0.15Dmm以下の範囲であり、当該範囲T2においてバインダープール20は、顕微鏡視野における単位面積800μm×1000μmあたりに10〜150個形成されている。尚、望ましくは、上記範囲T2は、上記範囲T1との境界から深さ0.125Dmmまでの範囲内であり、この場合のバインダープール20の数は100個である。
また図4(b)の掘削チップ1において、上記範囲T1よりもチップ内側に位置する範囲T2は、その範囲T1との境界からチップ内側へ向けた0.1D〜0.15Dmm以下の範囲であり、当該範囲T2においてバインダープール20は、顕微鏡視野における単位面積800μm×1000μmあたりに10〜200個形成されている。尚、望ましくは、上記範囲T2は、上記範囲T1との境界から深さ0.125Dmmまでの範囲内であり、この場合のバインダープール20の数は100個である。
また図4(c)の掘削チップ1において、上記範囲T1よりもチップ内側に位置する範囲T2は、その範囲T1との境界からチップ内側へ向けた0.1D〜0.15Dmm以下の範囲であり、当該範囲T2においてバインダープール20は、顕微鏡視野における単位面積800μm×1000μmあたりに20〜250個形成されている。尚、望ましくは、上記範囲T2は、上記範囲T1との境界から深さ0.125Dmmまでの範囲内であり、この場合のバインダープール20の数は150個である。
そして、顕微鏡視野における単位面積あたりに含まれるバインダープール20の数が、チップ本体2の先端部における外面近傍よりもそのチップ内側で少なくされているので(つまり前記外面近傍においてバインダープール20の数が最大となっているので)、上述した衝撃吸収部及びクラック進展抑止部としての作用が外面近傍で高められるとともに、衝撃やクラックの進展がチップ内側に伝わることが顕著に抑制されて、掘削チップ1の耐欠損性が大幅に向上される。
すなわち、原料作製工程でチップ本体2の成分として添加元素や添加炭化物(添加材)が加えられることで、作製後の掘削チップ1を構成する超硬合金の結合相はCo基合金となり、その強度、耐食性等を向上させることが可能になる。
また上記添加材には、チップ製造時においてWCの粒子成長を抑制する作用があり、また結合相の合金組織を種々の目的に応じ強化させ得る作用もあって、チップ硬度をさらに高めることが可能になるとともに、耐摩耗性が顕著に向上される。
特に、添加材としてCrを用いた場合には、WCの粒子成長を抑制する作用や、Coとともに合金を形成することで結合相の強度を向上させる作用がより顕著に得られることから、好ましい。
特に、岩石等の地盤に対して打撃力、推力及び回転力により掘削孔を削孔するような建設工具(掘削工具)においては、耐摩耗性と耐欠損性を高い水準で維持できる上記構成の掘削チップ1が有効である。
具体的に、バインダープール20の数が上記範囲に満たない場合、掘削チップ1全体が均質な組織となる為、破壊靱性値(通称:K1C)のバラつきは少なくなる。つまり局所的にみても均質な硬度を得る事ができ、耐摩耗性については安定化する。しかしながら、打撃工具である掘削工具の掘削チップ1においては、上記範囲に満たない場合は十分な耐欠損性を得る事が難しく、上記範囲に達していることによって、不均一な組織が掘削チップ1の耐欠損性を向上させるのに有利にはたらくようになっている。
一方、バインダープール20の数が上記範囲を超える場合、掘削チップ1の外面(表面)に析出するバインダープール20が多くなり、掘削時に該バインダープール20が剥離(脱落)する量が増え、WCを保持する力も衰えて結果的に耐摩耗性が低下するおそれがある。
従って、本実施形態で説明したバインダープール20数の上記範囲が、このバランスを両立させられる好ましい範囲である。
2 チップ本体
4 刃先部(先端部)
4a 刃先面(先端部の外面)
4b テーパ面(先端部の外面)
20 バインダープール
D 掘削チップの外径
O 軸方向
R 刃先面の曲率半径
Claims (5)
- WC及びCoを含んで作製された柱状のチップ本体を有し、
前記チップ本体の軸方向に沿う先端部は、先端側へ向かうに従い縮径するように形成され、
前記チップ本体の先端部には、Coを主成分とし、長さが5〜25μmとされたバインダープールが複数設けられ、
前記先端部の単位面積あたりに含まれる前記バインダープールの数が、該先端部における外面近傍よりもそのチップ内側で少なくされ、
前記チップ本体の先端部の外面には、先端側へ向けて凸となる断面凸曲線状の刃先面が形成され、
前記刃先面の曲率半径Rの、前記チップ本体の外径Dに対する比R/Dが、0.45〜0.55の範囲内とされ、
前記バインダープールは、前記チップ本体の先端部の外面からチップ内側へ向けた0.1D〜0.15Dmm以下の範囲では、顕微鏡視野における単位面積800μm×1000μmあたりに20〜200個形成されていることを特徴とする掘削チップ。 - WC及びCoを含んで作製された柱状のチップ本体を有し、
前記チップ本体の軸方向に沿う先端部は、先端側へ向かうに従い縮径するように形成され、
前記チップ本体の先端部には、Coを主成分とし、長さが5〜25μmとされたバインダープールが複数設けられ、
前記先端部の単位面積あたりに含まれる前記バインダープールの数が、該先端部における外面近傍よりもそのチップ内側で少なくされ、
前記チップ本体の先端部の外面には、先端側へ向けて凸となる断面凸曲線状の刃先面が形成され、
前記刃先面の曲率半径Rの、前記チップ本体の外径Dに対する比R/Dが、0.30〜0.40の範囲内とされ、
前記バインダープールは、前記チップ本体の先端部の外面からチップ内側へ向けた0.1D〜0.15Dmm以下の範囲では、顕微鏡視野における単位面積800μm×1000μmあたりに20〜250個形成されていることを特徴とする掘削チップ。 - WC及びCoを含んで作製された柱状のチップ本体を有し、
前記チップ本体の軸方向に沿う先端部は、先端側へ向かうに従い縮径するように形成され、
前記チップ本体の先端部には、Coを主成分とし、長さが5〜25μmとされたバインダープールが複数設けられ、
前記先端部の単位面積あたりに含まれる前記バインダープールの数が、該先端部における外面近傍よりもそのチップ内側で少なくされ、
前記チップ本体の先端部の外面には、先端側へ向けて凸となる断面凸曲線状の刃先面が形成され、
前記刃先面の曲率半径Rの、前記チップ本体の外径Dに対する比R/Dが、0.20〜0.30の範囲内とされ、
前記バインダープールは、前記チップ本体の先端部の外面からチップ内側へ向けた0.1D〜0.15Dmm以下の範囲では、顕微鏡視野における単位面積800μm×1000μmあたりに30〜300個形成されていることを特徴とする掘削チップ。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の掘削チップであって、
前記チップ本体には、Cr、Ni、V、Ta、Nb、Ti、Zr、炭化物、複合炭化物から選択される少なくとも1種以上の添加材が含まれることを特徴とする掘削チップ。 - 工具軸線回りに回転される工具本体と、前記工具本体の工具先端面に突設された複数の掘削チップと、を備えた掘削工具であって、
前記掘削チップとして、請求項1〜4のいずれか一項に記載の掘削チップを用いたことを特徴とする掘削工具。
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