JP7335959B2 - トンネルボーリングマシン用のディスクカッター及びその製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、トンネルボーリングマシン（ｔｕｎｎｅｌ ｂｏｒｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ又はＴＢＭ）用のディスクカッターと、その製造方法と、に関する。

カッティングディスクは、岩石をカットするために、トンネルボーリングマシンにおいて使用されており、トンネルの掘削において、異なるタイプの岩石層をカットするために使用される。典型的には、カッティングディスクは硬化スチール製である。しかし、カットする岩石層が非常に硬い場合には、カッティングディスクが急速に摩耗する。この問題を克服するための試みとして、焼結炭化物などの、高い耐摩耗性を有する材料製のカッティングパート（単数又は複数）が、スチール製ディスクボディに機械的に取り付けられている。カッティングパートは、ボタン、摩耗パッド、又は連続するリングの形態であり得る。焼結炭化物製カッティングパートは、スチール製ディスクボディに、圧入を介して機械的に結合されているか、又は、ろう付けされている。ＵＳ４００４６４５Ａ１及びＵＳ４７９３４２７Ａ１は、カッティングパートがディスクボディに機械的に取り付けられている例を示す。

しかし、特に、硬い岩石層、又は、摩耗が進みやすい岩石層のカッティングに対して、ディスクカッターの回転と共に、ディスクのカッティングパートに大きな力が生じる、という問題が依然として残っている。この大きな力は、カッティングパート上に、及び、カッティングパートとディスクボディとの間のジョイント上に、非常に大きなストレスを引き起こす。これらの力は、カッティングパート（単数又は複数）のねじれ、破損、又は急速な摩耗を引き起こし得るなど、好ましくない。焼結炭化物製カッティングパートは、スチール製カッティングパートよりも高価なため、追加的コストを補うために、性能における改善が必要である。したがって、カッティングディスクが、ディスクボディとカッティングパートとの間のジョイントにて通常より早くその機能を停止するようであれば、焼結炭化物をカッティングパート（単数又は複数）として使用することは、とてつもなく高価なものとなる。より硬く、耐摩耗性がより高いカッティングパートを有するディスクカッターが必要とされている。カッティングパート（単数又は複数）と、ディスクボディと、それらの間のジョイントは十分に強く、高い負荷にさらされてもそれに耐え、ＴＢＭアプリケーションに対するディスクカッターのサイズ要件及び組成要件を依然として満たすことが求められる。

ボタンなどの個別のカッティングパートを有するディスクカッターは現在、カッティングパート（単数又は複数）とディスクボディとの間の接触面積が非常に広い設計に限定されている。カッティングパートが複数のボタンである場合は、カッティングパートのサイズとジョイント設計との間にトレードオフの関係がある。これは、カッターパート（単数又は複数）をディスクボディに機械的に結合する現在既知の方法では、ジョイントに割れ目又は分離が生じ得る。その結果として、カッティングディスクが、通常より早くその機能を停止する。したがって、解消すべき問題とは、ディスクボディとカッティングパート（単数又は複数）との間のジョイントの機械的強度が高いディスクカッターをいかにして形成し、ディスクカッターの稼働寿命をいかに伸ばすか、ということである。

現在の設計に伴う別の問題とは、カッティングパート（単数又は複数）を保持するためには、比較的多くの量のスチールがディスクボディに必要であるため、その結果として、粉砕された岩石の破片をカット後に集めるために利用可能なスペースが限られる、ということである。これは結果的に、ドリルビットのヘッドに生じる回転力及びストレスが大きくなり、遂にはその寿命を短くする。したがって、解消すべきさらなる問題とは、カッターパート（単数又は複数）とディスクボディとの間のジョイントが強固なディスクカッターを、ディスクボディのサイズを大きくすることなく、いかに形成するか、ということである。

本開示はしたがって、トンネルボーリングマシンにおいて使用されるカッティングユニット用のディスクカッターに関する。このディスクカッターは、
第１の側面と、第１の側面に対して実質的に向かい合って配置された第２の側面と、半径方向の周辺部と、を有する金属合金又は金属マトリックス複合材料製の環状のディスクボディと、
ディスクボディの半径方向の周辺部に載置されて、それを実質的に取り囲み、そこから外向きに突き出て、マイニング作業中に岩石とかみ合う、少なくとも１つの金属合金、金属マトリックス複合材料、又は焼結炭化物製カッティングパートと、
を含み、
少なくとも１つのカッティングパートは、ディスクボディに使用される材料よりも高い耐摩耗性を有する材料製であり、
少なくとも１つのディスクボディと少なくとも１つのカッティングパートとの間に、金属中間層があり、それらの元素が拡散結合を形成することを特徴とする。

本発明の利点は、耐摩耗性が高いエッジと、少なくとも１つのディスクボディと少なくとも１つのカッティングパートとの間の、強度が高い機械的ジョイントと、を有するカッティングディスクが形成される、ということである。ジョイントの機械的強度の改善は、トンネルボーリングマシンにおけるカッティングディスクの寿命を改善する。カッティングディスクとカッティングパートとの間のジョイントの強度が改善されると、これら２つの部品間の接触面積を広げる必要がなくなる。したがって、さらなる利点とは、カッティングパートの体積の、ディスクボディの体積に比較しての比率を上げることができ、これにより、ディスクカッターのカッティング効率を改善する、ということである。カッティングパートとディスクボディとの間のジョイントの強度を上げることにより、より高い荷重を適用することができ、また、ディスクカッターの侵入深さを増やしつつ、寿命を伸ばすことができる。これは、ディスクカッターの修理又は交換に必要な停止回数が少なくて済み、より長い連続カッティングが可能となり、収益性における増加を最終的にもたらす、ということを意味する。

好適な実施形態では、金属中間層は本質的に、ニッケル、ニッケル合金、銅、又は銅合金を含む。この利点は、ディスクボディと少なくとも１つのカッティングパートとの間に、より強い拡散結合が形成される、ということである。

好適な実施形態では、金属中間層は本質的に、銅及びニッケルからなる合金を含む。この利点は、ディスクボディと少なくとも１つのカッティングパートとの間に、より強い拡散結合が形成される、ということである。金属中間層は、金属中間層における、対象とする処理温度での、炭素に対する溶解性が低いことにより、ディスクボディと少なくとも１つのカッティングパートとの間の炭素の拡散が少なくなる、ということに寄与する。したがって、金属中間層は、ディスクボディにおける金属合金又は金属マトリックス合金と、カッティングパートにおける金属合金、金属マトリックス複合材料（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ又はＭＭＣ）、又は焼結炭化物と、の間の炭素原子のマイグレーションに対する、マイグレーションバリヤ、又は、チョークとして、これら２つの部品間の拡散結合の延性を損なうことなく作用する。

好適な実施形態では、金属中間層は、約５μｍから約５００μｍの厚さを有する。この範囲内の厚さを有する金属中間層は、有効性及び製造のし易さの双方について好適である。

好適な実施形態では、少なくとも１つのカッティングパートは、焼結炭化物を含む。焼結炭化物は耐摩耗性が高いために、これは好適である。

本開示の１つの態様によると、少なくとも１つのカッティングパートは、複数のボタン又は複数の摩耗パッドの形態である。これらのタイプのカッティングパートは、点荷重が増え、作業中の転がり抵抗が好ましく低いために、好適である。

本開示の１つの態様によると、少なくとも１つのカッティングパートは、連続するリングの形態である。これは、連続するカッティングエッジを好適に提供する。

本開示の１つの態様によると、ディスクボディは、少なくとも２つの層を含む。これは、連続するリングをしっかりと固定できる、という利便を提供する。

本開示の１つの態様によると、ディスクボディは、第１の層と、第２の層と、を含み、第１の層は、第２の層よりも高い耐摩耗性を有する金属又は金属マトリックス複合材料を含む。これは、ディスクカッターの、岩石にさらされる側に、耐摩耗性のグレードがより高い材料を使用でき、そうでない側に、耐摩耗性のグレードがより低い材料を使用できる、という利点を提供する。熱間等静圧圧縮成形（ｈｏｔ ｉｓｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｉｎｇ又はＨＩＰ）の後には、少なくとも２つの層が共に結合され、単一のボディを形成する。

本開示は、トンネルボーリングマシンにおいて使用されるカッティングユニット用のディスクカッターを製造する方法にさらに関連する。ディスクカッターは、第１の側面と、第１の側面に対して実質的に向かい合って配置された第２の側面と、半径方向の周辺部と、を有する金属合金又は金属マトリックス複合材料製の環状のディスクボディと、ディスクボディの半径方向の周辺部に載置されて、それを実質的に取り囲み、そこから外向きに突き出て、作業中に岩石とかみ合う、少なくとも１つの金属合金、金属マトリックス複合材料、又は焼結炭化物製カッティングパートと、を含む。
この方法は、
ａ）金属合金製の少なくとも１つのディスクボディ、又は、金属マトリックス複合材料製の少なくとも１つのディスクボディと、少なくとも１つの金属合金製カッティングパート、又は、少なくとも１つの金属マトリックス複合材料製カッティングパート、又は、少なくとも１つの焼結炭化物製カッティングパートと、を提供することと、
ｂ）ディスクボディのそれぞれの表面（単数又は複数）のそれぞれと、少なくとも１つのカッティングパートの表面のそれぞれと、の間に金属中間層を配置することと、
ｃ）少なくとも１つのディスクボディと、少なくとも１つのカッティングパートと、を共に組み付けることと、
ｄ）少なくとも１つのディスクボディと、少なくとも１つのカッティングパートと、をカプセルに入れることと、
ｅ）オプションで、カプセルから空気を排出することと、
ｆ）カプセルを密封することと、
ｇ）カプセルを、約１０００℃超の所定の温度及び約３００バールから約１５００バールの所定の圧力に所定の期間さらすことと、
を含む。

本方法の利点は、ディスクカッターと少なくとも１つのカッティングパートとの間のジョイントの機械的強度が改善され、これが、トンネルボーリングマシンにおけるカッティングディスクの寿命を伸ばす、ということである。

好適な実施形態では、金属中間層は本質的に、ニッケル、ニッケル合金、銅、又は銅合金を含む。この利点は、ディスクボディと少なくとも１つのカッティングパートとの間に、より強い拡散結合が形成される、ということである。

好適な実施形態では、金属中間層は本質的に、銅及びニッケルからなる合金により形成される。この利点は、ディスクボディと少なくとも１つのカッティングパートとの間に、より強い拡散結合が形成される、ということである。

本開示の１つの態様によると、金属中間層は、箔又は粉末から形成される。

本開示の１つの態様によると、金属中間層は、電解めっきにより形成される。

好適な実施形態では、少なくとも１つのカッティングパートの表面（単数又は複数）に、又は、少なくとも１つの環状のボディの表面（単数又は複数）と少なくとも１つのカッティングパートの表面（単数又は複数）との双方に、溝が加えられる。これは、カッティングディスクと少なくとも１つのカッティングパートとの間の表面接触面積を広げ、ジョイントの強度を上げる、という利点を提供する。

図１は、ＴＢＭに使用するディスクカッターの斜視図である。 図２は、ＴＢＭに使用するディスクカッターの断面図である。 図３は、ディスクボディの周辺部にドリル加工されたリセスを有するディスクカッターの斜視図であり、ここでは、少なくとも１つのカッティングパートが複数のボタンである。 図４は、２つの層を有するディスクカッターの斜視図であり、ここでは、少なくとも１つのカッティングパートが複数のボタンである。 図５は、隣り合う摩耗パッドの近い側同士が接触するよう配置された摩耗パッド付きディスクカッターの斜視図である。 図６は、隣り合う摩耗パッド間にギャップがあるよう配置された摩耗パッド付きディスクカッターの斜視図である。 図７は、摩耗パッドを挿入するための溝付きディスクカッターの斜視図である。 図８は、連続するリングを間にはさむ２つの層を有するディスクカッターの斜視図である。 図９は、連続するリングを間にはさむ２つの層を有するディスクカッターの断面図である。 図１０は、対称的に連続するリング付きディスクカッターの斜視図である。 図１１は、非対称的に連続するリング付きディスクカッターの斜視図である。 図１２は、方法のフローチャートである。 図１３は、表面上に溝を有するカッティングパートの断面図である。

図１及び図２は、トンネルボーリングマシンにおいて使用されるカッティングユニット用のディスクカッター（１０）に関する、本開示の１つの態様を示す。
ディスクカッター（１０）は、
第１の側面１４と、第１の側面１４に対して実質的に向かい合って配置された第２の側面１６と、半径方向の周辺部１８と、を有する金属合金又は金属マトリックス複合材料製の環状のディスクボディ１２と、
ディスクボディ１０の半径方向の周辺部に載置されて、それを実質的に取り囲み、そこから外向きに突き出て、作業中に岩石とかみ合う、少なくとも１つの金属合金、金属マトリックス複合材料、又は焼結炭化物製カッティングパート２０と、
を含み、
少なくとも１つのカッティングパート２０は、ディスクボディ１２に使用される材料よりも高い耐摩耗性を有する材料製であり、
少なくとも１つのディスクボディ１２と少なくとも１つのカッティングパート２０との間に、金属中間層２２があり、それらの元素が拡散結合を形成することを特徴とする。

ディスクカッター１０は、トンネルの表面から、岩石などの材料を掘削するために使用される。ディスクカッター１０が回転すると、カッティングパート２０がトンネル面に押し付けられ、トンネル面の材料を断片にする、破砕する、又はばらばらにする。これらの破片は、ＴＢＭによって運ばれる。

１つの実施形態では、ディスクボディ１２は金属合金、好適には、スチール合金製である。スチールのグレードは、作られる製品の機能的要件にしたがって選択されてよい。例えば、これらに限定されないが、ステンレススチール、カーボンスチール、フェライトスチール、及びマルテンサイトスチールが挙げられる。金属合金は、鍛造体及び／又は鋳造体であってよい。ディスクボディに選択される金属合金の硬度と靭性との間には、トレードオフの関係が常にある。金属合金は、特定のアプリケーションに適切な、これらの性状のバランスを有するよう選択されなければならない。

１つの実施形態では、ディスクボディ１２は、金属マトリックス複合材料（ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ又はＭＭＣ）製である。金属マトリックス複合材料は、少なくとも２つの構成成分を含む複合材料である。構成成分の１つは金属であり、もう１つは、異なる金属、又は、セラミック、炭化物、若しくは、ＭＭＣの補強部を形成する他のタイプの無機コンパウンドなどの別の材料である。上記又は下記に画定するような、本方法の１つの実施形態によると、少なくとも１つの金属マトリックス複合材料（ＭＭＣ）体は、炭化チタン、炭化タンタル、炭化ニオビウム、及び／又は炭化タングステンから選択された硬質相粒子と、コバルト、ニッケル、及び／又は鉄から選択された結合金属相と、からなる。さらに別の実施形態によると、少なくとも１つのＭＭＣ体は、炭化タングステンの硬質相粒子と、コバルト又はニッケル又は鉄又はそれらの混合物の金属バインダーと、からなる。

１つの実施形態では、少なくとも１つのカッティングパートは、焼結炭化物を含む。焼結炭化物は、金属バインダー内に炭化物粒子を含む。１つの実施形態によると、焼結炭化物製カッティングパートは、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン、炭化タンタル、炭化ニオビウム、炭化タングステン、又はそれらの混合物から選択された硬質相と、コバルト、ニッケル、鉄、又はそれらの混合物から選択された結合金属相と、からなる。典型的には、焼結炭化物における５０重量％を超える炭化物粒子が、７５重量％から９９重量％、好適には、９４重量％から８２重量％などの炭化タングステン（ＷＣ）である。１つの実施形態によると、焼結炭化物製カッティングパート２０は、７５重量％を超える炭化タングステンを含む硬質相と、コバルトの結合金属相と、からなる。焼結炭化物製カッティングパート２０は、粉末、プリ焼結された粉末、又は焼結体のいずれであってよい。焼結炭化物製カッティングパート２０は、硬質相と金属バインダーとの粉末混合物をモールドし、その粉末混合物を素地に圧縮することにより製造されてよい。この素地は続いて、本方法において使用されるカッティングパート２０に焼結又はプリ焼結されてよい。

ここで使用される「拡散結合（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｂｏｎｄ）」又は「拡散結合すること（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｂｏｎｄｉｎｇ）」という用語は、同様の材料及び同様でない材料同士を結合できる固体プロセスである、拡散結合プロセスを通して得られる結合を指す。これは、固体拡散の原理にて作用する。ここでは、２つの固体の材料表面の原子が、高温度及び高圧力下にて時間をかけて共に混ざりあう。「実質的に取り囲む（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ｅｎｃｉｒｃｌｉｎｇ）」という用語は、カッティングパート（単数又は複数）が、ディスクボディ１２の周辺エッジ１８周囲のリングの形態であることを意味する。

１つの実施形態では、金属中間層２２は本質的に、ニッケル、ニッケル合金、銅、又は銅合金を含む。ニッケル合金は、少なくとも５０重量％のニッケルを有するものとして画定される。銅合金は、少なくとも５０重量％の銅を有するものとして画定される。

１つの実施形態では、金属中間層２２は本質的に、銅及びニッケルからなる合金を含む。ディスクボディ１２における金属合金又はＭＭＣと、カッティングパート２０における金属合金、ＭＭＣ、又は焼結炭化物と、の間には、炭素活量において差が生じる。なぜなら、焼結炭化物を含むボディは、高い炭素活量を有することとなり、焼結炭化物から金属への炭素のマイグレーションを引き起こす力を生成するからである。しかし、本質的に銅及びニッケルからなる合金を含む金属中間層２２を、ディスクボディの少なくとも１つの表面、及び／又は、ＨＩＰを行う少なくとも１つのカッティングパート、の間に、又は、これらの上に導入することにより、上記の問題が緩和される、ということが、実験により驚くほど示された。これらの実験は、次のことを示した：金属中間層２２は、金属中間層２２における、対象とする処理温度での、炭素に対する溶解性が低いことにより、ディスクボディ１２と少なくとも１つのカッティングパート２０との間の炭素の拡散が少なくなる、ということに寄与する。したがって、金属中間層２２は、ディスクボディ１２における金属合金又は金属マトリックス合金と、カッティングパート２０における金属合金、ＭＭＣ、又は焼結炭化物と、の間の炭素原子のマイグレーションに対する、マイグレーションバリヤ、又は、チョークとして、これら２つの部品間の拡散結合の延性を損なうことなく作用する。これは、少なくとも１つのカッティングパート２０が作業中に割れ、コンポーネントの機能が停止するリスクが減る、ということを意味する。

１つの実施形態では、中間層２２における銅含有量は、２５重量％から９８重量％、好適には、３０重量％から９０重量％、最も好適には、５０重量％から９０重量％、である。オプションで、レアアース元素が添加され得る。

１つの実施形態では、金属中間層２２は、約５μｍから約５００μｍ、好適には、約５０μｍから約５００μｍ、の厚さを有する。

１つの実施形態では、少なくとも１つのカッティングパート２０は、複数のボタン２６又は複数の摩耗パッド４０の形態である。

図３は、１つの実施形態を示す。ここでは、少なくとも１つのカッティングパート２０は、ボタン２６の形態である。好適には、ボタン２６の少なくともいくつかは、ドーム形のカッティング面２８、好適には、実質的に半球状のカッティング面と、円筒状のマウンティングパート３０と、を有する。１つの実施形態では、ディスクボディ１２は、ディスクボディ１２の半径方向の周辺表面１８内に孔あけされた、複数のボタンリセス２４を含む。金属中間層２２がまず、ボタンリセス２４のそれぞれ内に、及び／又は、ボタン２６のマウンティングパート３０のそれぞれ上に配置される。続いて、ボタン２６が、金属中間層２２の上部のボタンリセス２４のそれぞれ内に配置される。典型的には、ボタン２６は、焼結炭化物製である。使用されるボタンリセス２４及びボタン２６の数は、アプリケーションにしたがって選択される。ボタン２６は、トンネルボーリングマシン（図示せず）のカッティングヘッドが回転するとともに、岩石を削るよう配置される。典型的には、ディスクカッター１０は、ボタンリセス２４及びボタン２６をそれぞれ、３０個から５０個含む。好適な実施形態では、各ドーム形のカッティング面２８は、周辺表面１８の直近に置かれる。典型的には、ディスクカッターが大径であれば、より多くのボタン２６が使用される。つまり、ボタン２６の各円筒状のマウンティングパート３０は、周辺表面１８を超えて突き出ないが、その代わりに、その各ボタンリセス２４内に配置される。好適な実施形態では、ドーム形のカッティング面２８が円筒状のマウンティングパート３０と合う位置を画定するエッジ３２が、周辺表面１８と実質的に一致する。好適な実施形態では、各円筒状のマウンティングパート３０は、その各リセス２４を実質的に埋める。図４は、代替例を示す。ここでは、ディスクボディ１２の第１の層３４と、ディスクボディ１２の第２の層３６と、の間にボタン２６を挿入することにより、ボタン２６が固定され得る。第１の層３４及び第２の層３６には、ボタン２６を保持するリセス２４が形成される。金属中間層２２がまず、ボタンリセス２４のそれぞれ内に、及び／又は、ボタン２６のマウンティングパート３０のそれぞれ上に配置される。続いて、ＨＩＰが行われる前に、第１の層３４及び第２の層３６が、それらの間のボタン２６と共に組み付けられる。

代替的に、少なくとも１つのカッティングパート２０は、摩耗パッド４０の形態である。好適には、摩耗パッド４０は、焼結炭化物製である。使用される摩耗パッド４０の数は、アプリケーションにしたがって選択される。摩耗パッド４０は、トンネルボーリングマシン（図示せず）のカッティングヘッドが回転するとともに、岩石を削るよう配置される。典型的には、摩耗パッド４０の形状は、図５に示すようなものである。つまり、リングから半径方向にカットされたウェッジと見なすことができる。摩耗パッドは、岩石と接触するカッティングエッジ５２と、ディスクボディ１２と結合するマウンティングパート５４と、を有し、その最大径部において球状又は円錐状のいずれかとなっていてよい。使用される摩耗パッド４０の数は、ディスクカッターの所与のサイズに対して、及び、特定のアプリケーションに対して、最適化される。図５は、１つの実施形態を示す。ここでは、摩耗パッド４０は、隣り合う摩耗パッド４０の近い側３８が互いに接触するよう配置される。その結果として、ＨＩＰプロセス中に、隣り合う摩耗パッド４０間に結合が形成される。したがって、連続するカッティングエッジが形成される。図６は、代替例を示す。ここでは、隣り合う摩耗パッド４０のそれぞれの間に、ギャップ５０が残され得る。したがって、セグメント化されたカッティングエッジが形成され、カッティングディスクが回転するとともに、岩石上に点荷重効果が形成される。図７は、周辺エッジ１８が形成された外周溝４４がディスクボディに形成されており、ディスクカッターが構成されていることを示す。まず、ディスクボディ１２内の外周溝４４、及び／又は、摩耗パッド４０のそれぞれのマウンティングパート５４上に、金属中間層２２が配置される。摩耗パッド４０は、ディスクボディ１２内に形成された外周溝４４内に挿入されてよい。代替的に、隣り合う摩耗パッド４０のそれぞれの間にギャップが残されている場合は、ディスクボディ１２の周辺エッジ１８内に、摩耗パッドを挿入するためのリセスが形成され得る。代替的に、摩耗パッド４０を、ディスクボディ１２の第１の層３４と、ディスクボディ１２の第２の層３６と、の間に挿入することにより、摩耗パッド４０が固定され得る。これは、摩耗パッド４０の代わりにボタン２６が用いられている、図４に示すそれと同様である。ディスクボディ１２の第１の層３４及び第２の層３６には、摩耗パッド４０を保持するためのリセス４６が形成される。隣り合う摩耗パッド４０のそれぞれの間にギャップが残されている場合は、ギャップを埋める金属合金又はＭＭＣの量が多くなり、したがって、ＨＩＰプロセス後に、一体となったユニットが形成されるよう、ディスクボディの第１の層３４及び／又は第２の層３６の少なくとも１つが形成される。同様に、金属中間層２２は、ＨＩＰプロセスの前に、ディスクボディ１２と摩耗パッド４０との間に配置される。

図８は、１つの実施形態を示す。ここでは、少なくとも１つのカッティングパート２０は、連続するリング６０の形態である。連続するリングは好適には、焼結炭化物製である。連続するリング６０は、鋭い周辺カッティングエッジ６４と、サポートパート６６と、を含み、その最大径部において球状又は円錐状のいずれかとなっていてよい。図８は、サポートパート６６が、ディスクボディ１２の外周溝６２内に入れられていることを示す。図８及び図９は、連続するリング６０を、ディスクボディ１２の第１の層３４と、ディスクボディ１２の第２の層３６と、の間に、連続するリング６０とディスクボディ１２との間に配置される金属中間層２２と共に挿入することにより、連続するリング６０が固定されていることを示す。金属中間層２２の断面図を、図８に拡大して示す。第１の層３４及び／又は第２の層３６の少なくとも１つには、連続するリング６０を保持するための、連続するリセス６２が形成されている。ＨＩＰプロセス後、第１の層３４と、第２の層３６と、連続するリング６０と、が結合し、スムーズでとぎれのないカッティングエッジを有する、一体となったディスクカッター１０を形成する。連続するリング６０はまた、いずれの他の好適な方法により、ＨＩＰ処理の前に、機械的にロックされ得る。連続するリング６０の断面図は、図１０に示すような対称的なもの、又は、図１１に示すような非対称的なもの、であり得る。カッティングエッジの最終的なプロファイルは、図１０に示すようなスムーズなもの、又は、図１１に示すような、「はめば歯車」形状を形成するような波状のもの、のどちらかであってよい。図１１は、連続するリング６０の異なるプロファイルを開示する。

１つの実施形態では、ディスクボディ１２は、各層が、異なるタイプの金属合金又は金属マトリックス合金を有する、少なくとも２つの層を含む。上述するように、ディスクカッターは、ディスクカッター１０の第２の側面１６を形成する第１の層３４と、ディスクカッター１０の第１の側面１４を形成する第２の層３６と、を含んでよい。第１の層３４及び第２の層３６は、異なる材料製であり得る。例えば、耐摩耗性のグレードがより高い金属合金又はＭＭＣを、ディスクカッター１０の、より高い摩耗率にさらされる側に使用することができ、摩耗にさらされることが少ない側を、耐摩耗性のグレードがより低い金属合金又はＭＭＣ製とすることができる。

本発明の別の態様は、トンネルボーリングマシンにおいて使用されるカッティングユニット用のディスクカッター１０を製造する方法であって、
第１の側面１４と、第１の側面１４に対して実質的に向かい合って配置された第２の側面１６と、半径方向の周辺部１８と、を有する金属合金又は金属マトリックス複合材料製の環状のディスクボディ１２と、
ディスクボディ１２の半径方向の周辺部１８に載置されて、それを実質的に取り囲み、そこから外向きに突き出て、カッティング作業中に岩石とかみ合う、少なくとも１つの金属合金、金属マトリックス複合材料、又は焼結炭化物製カッティングパート２０と、
を含むディスクカッター１０を製造する方法であって、
ａ）金属合金製の少なくとも１つの環状のディスクボディ１２、又は、金属マトリックス複合材料製の少なくとも１つの環状のボディ１２と、少なくとも１つの金属合金製カッティングパート２０、又は、少なくとも１つの金属マトリックス複合材料製カッティングパート２０、又は、少なくとも１つの焼結炭化物製カッティングパート２０と、を提供することと、
ｂ）ディスクボディ１２のそれぞれの表面（単数又は複数）のそれぞれと、カッティングパート２０の表面（単数又は複数）のそれぞれと、の間に金属中間層２２を配置することと、
ｃ）少なくとも１つのディスクボディ１２と、少なくとも１つのカッティングパート２０と、を共に組み付けることと、
ｄ）少なくとも１つの環状のディスクボディ１２と、少なくとも１つのカッティングパート２０と、をカプセルに入れることと、
ｅ）オプションで、カプセルから空気を排出することと、
ｆ）カプセルを密封することと、
ｇ）カプセルを、約１０００℃超の所定の温度及び約３００バールから約１５００バールの所定の圧力に所定の期間さらすことと、
を含む方法である。

上記のステップｄ）からｇ）は、熱間等静圧圧縮成形（ｈｏｔ ｉｓｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｉｎｇ又はＨＩＰ）プロセスを説明する。ＨＩＰは、個々のコンポーネントのニアネットシェイプ（ｎｅａｒ ｎｅｔ ｓｈａｐｅ）製造に非常に適した方法である。ＨＩＰでは、コンポーネントの最終形状を画定するカプセルに金属粉末が満たされ、このカプセルが高温度及び高圧力にさらされる。これにより、金属粉末の粒子が冶金学的に結合し、ボイドが塞がれ、材料が一体化される。この方法の主な利点は、各コンポーネントが、鋳造材料と同等の、又は、これよりも高い強度を有する最終形状、又は、ほぼ最終形状に作られる、ということである。トンネルボーリングマシンにおけるディスクカッター１０として使用するために、少なくとも１つのカッティングパート２０を、ディスクボディ１２に接合するために、ＨＩＰ方法を使用することの具体的な利点は、より高い耐摩耗性と、ジョイントのより高いインテグリティと、が達成される、ということである。図１２は、この方法のフローチャートを示す。

本ＨＩＰプロセスでは、カプセルが、高温度及び高圧力の圧力容器内にて一定の期間さらされると、金属合金又は金属マトリックス複合材料製ディスクボディ１２と、少なくとも１つの金属合金、金属マトリックス複合材料、又は焼結炭化物製カッティングパート２０と、の拡散結合が生じる。カプセルは、溶接を用いて密封される金属カプセルであってよい。代替的に、カプセルは、ガラス体により形成されてよい。このＨＩＰ処理中、ディスクボディ１２と、カッティングパート２０と、金属中間層２２と、が一体化され、拡散結合が形成される。保持時間が終わると、容器内の温度、そしてその結果として、一体化されたボディの温度も、室温に戻る。拡散結合は、金属中間層２２の元素と、ディスクボディ１２及び少なくとも１つのカッティングパート２０の元素と、により形成される。

所定の期間中に適用される所定の温度は、もちろん、その意図的な制御、又は、意図しない変動のいずれかにより、その期間中に若干変動する。この温度は、ディスクボディと、少なくとも１つのカッティングパートと、の間の、合理的な期間内の、十分な程度の拡散結合を保証するよう、十分に高いものでなければならない。本方法によると、所定の温度は、約１１００から約１２００℃など、約１０００℃を超える。

当該所定の期間中に適用される所定の圧力は、その意図的な制御の結果、又は、プロセスに関連するその意図しない変動の結果のいずれにより、変動する場合がある。所定の圧力は、拡散結合するディスクボディ及び少なくとも１つのカッティングパートの性状に依存する。

高温度及び高圧力が適用される期間は、もちろん、ディスクボディ１２の具体的なジオメトリに対して選択された温度及び圧力にて達成される拡散結合のレートによって決まり、もちろん、拡散結合する少なくとも１つのカッティングパート２０の性状によって決まる。所定の期間は、３０分から１０時間などに広がる。

本方法の１つの実施形態では、少なくとも１つのカッティングパート２０は、焼結炭化物を含む。別の実施形態では、焼結炭化物は、炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン、炭化タンタル、炭化ニオビウム、炭化タングステン、又はそれらの混合物を含む硬質相と、コバルト、ニッケル、鉄、又はそれらの混合物から選択された結合金属相と、からなる。

本方法の１つの実施形態では、ディスクボディ１２は、スチール製である。

１つの実施形態では、金属中間層２２は本質的に、ニッケル、ニッケル合金、銅、又は銅合金を含む。

本方法の１つの実施形態では、金属中間層２２は本質的に、銅及びニッケルからなる合金により形成される。金属中間層２２の存在により、焼結炭化物と、それを取り囲むスチール又は鋳鉄と、の間の界面における、Ｍ_６Ｃ相（イータ相としても知られる）及びＷ_２Ｃ相などの、脆い相の形成が回避される。そのような脆い相の形成を回避することは、重要である。なぜならそれらは、荷重下に容易に割れる傾向があるからである。割れは、焼結炭化物の分離を引き起こす場合がある。また、割れは、焼結炭化物製カッティングパート２０内に広がり、結果として、コンポーネントの耐摩耗性が下がり、その機能が停止する場合がある。驚くことに、ディスクボディ１２の少なくとも１つの表面、及び／又は、少なくとも１つのカッティングパート２０の間、又は、それらの上に、本質的に銅及びニッケルからなる合金により形成された金属中間層２２を導入することにより、上記の問題が緩和される、ということがわかった。金属中間層２２は、金属合金又は金属マトリックス合金と、焼結炭化物と、の間の炭素原子のマイグレーションに対する、マイグレーションバリヤ、又は、チョークとして、それらの間の拡散結合の延性を損なうことなく作用する。これは、少なくとも１つの焼結炭化物製カッティングパート２０が作業中に割れ、コンポーネントの機能が停止するリスクが減る、ということを意味する。

本方法によると、金属中間層２０は、箔又は粉末から形成されてよい。しかし、金属中間層２０のアプリケーションはまた、溶射プロセス（高速フレーム溶射（ｈｉｇｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｘｙｇｅｎ ｆｕｅｌ又はＨＶＯＦ）、プラズマ溶射、及びコールドスプレイング）などの、他の方法により行われてよい。金属中間層２０は、ディスクボディ１２の表面（単数又は複数）若しくは少なくとも１つのカッティングパート２０の表面（単数又は複数）のどちらか、又は、ディスクボディ１２の表面（単数又は複数）と少なくとも１つのカッティングパート２０の表面（単数又は複数）との双方上、又は、ディスクボディ１２の表面と少なくとも１つのカッティングパート２０との間、に適用されてよい。ＨＩＰを行う部分について、焼結炭化物製カッティングパート（単数又は複数）２０が、ディスクボディ１２の金属合金又は金属マトリックス複合材料と直接接触するエリアがない、ということが重要である。金属中間層２２は、代替的に、電解めっきにより適用されてよい。本開示によると、金属中間層２２の銅含有量は、２５重量％から９８重量％、好適には、３０重量％から９０重量％、より好適には、５０重量％から９０重量％、である。金属中間層２２の選ばれる組成は、ＨＩＰサイクルプラトー温度、及び、保持時間、同様に、結合する成分のその温度における炭素活量などの、各種のパラメータに依存する。１つの実施形態によると、金属中間層２２は、約５μｍから約５００μｍ、例えば、１００μｍから５００μｍ、の厚さを有する。金属中間層が箔の形態である場合は、この厚さは典型的には、約５０μｍから約５００μｍの間にある。金属中間層が、溶射プロセスの形態である場合は、この厚さは典型的には、５μｍから２５μｍの間にある。ここで使用される「本質的に～からなる（ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｃｏｎｓｉｓｔｓ）」という用語は、金属中間層２２がまた、不純物レベル、つまり、３重量％未満でのみ、ではあるが、銅及びニッケルではない他の元素を含んでよい、ということを指す。

図１３は、１つの実施形態を示す。ここでは、少なくとも１つのカッティングパート２０の表面において、又は、少なくとも１つのディスクボディ１２と少なくとも１つのカッティングパート２０との双方の表面において、複数の溝７０が形成されている。溝７０を含むことにより、少なくとも１つのカッティングパート２０とディスクボディ１２との間の表面積が広がり、したがって、これらの間のジョイントの強度が改善される。溝７０はまた、波又はリッジの形態であり得る。

ディスクカッター１０が形成されると、ディスクカッター１０をトンネルボーリングマシン（図示せず）に取り付けることができるよう、ディスクボディ１２にドリル孔が加工される。

上記又は下記に開示する実施形態のいずれかを、共に組み合わせることができる、ということが理解されるべきである。例えば、これらに限定されないが、本質的に、ニッケル、ニッケル合金、銅、又は銅合金のいずれかを含む、又は、本質的に、銅及びニッケルからなる合金を含む、金属中間層２２のアプリケーションは、焼結炭化物を含む少なくとも１つのカッティングパート２０と組み合わせることができる。上記又は下記の金属中間層２２のアプリケーションは、複数のボタン２６若しくは複数の摩耗パッド４０の形態、又は、連続するカッティングリング６０の形態の、少なくとも１つのカッティングパート２０と組み合わせることができる。上記又は下記の金属中間層２２のアプリケーションは、少なくとも２つの層を有するディスクボディ１２と組み合わせることができる。複数のボタン２６若しくは複数の摩耗パッド４０の形態、又は、連続するカッティングリング６０の形態の少なくとも１つのカッティングパート２０は、少なくとも２つの層を有するディスクボディ１２、及び／又は、焼結炭化物を含む少なくとも１つのカッティングパート２０と組み合わせることができる。少なくとも１つのカッティングパート２０の表面（単数又は複数）に、又は、少なくとも１つのディスクボディ１２の表面（単数又は複数）と少なくとも１つのカッティングパート２０の表面（単数又は複数）との双方に加えられ得る溝７０の追加は、上記又は下記の金属中間層２２のアプリケーションと組み合わせることができる。少なくとも１つのカッティングパート２０の表面（単数又は複数）に、又は、少なくとも１つのディスクボディ１２の表面（単数又は複数）と少なくとも１つのカッティングパート２０の表面（単数又は複数）との双方に加えられ得る溝７０の追加は、複数のボタン２６若しくは複数の摩耗パッド４０の形態、又は、連続するカッティングリング６０の形態の少なくとも１つのカッティングパート２０と組み合わせることができる。

Claims (15)

1. トンネルボーリングマシンにおいて使用されるカッティングユニット用のディスクカッター（１０）であって、
   第１の側面（１４）と、前記第１の側面（１４）に対して実質的に向かい合って配置された第２の側面（１６）と、半径方向の周辺部（１８）と、を有する金属合金又は金属マトリックス複合材料製の環状のディスクボディ（１２）と、
   前記ディスクボディ（１２）の前記半径方向の周辺部（１８）に載置されて、該周辺部（１８）を実質的に取り囲み、外向きに突き出て、作業中に岩石とかみ合う、少なくとも１つの金属合金、金属マトリックス複合材料、又は焼結炭化物製カッティングパート（２０）と、
   を含み、
   前記少なくとも１つのカッティングパート（２０）は、前記ディスクボディ（１２）に使用される前記材料よりも高い耐摩耗性を有する材料製であり、
   前記少なくとも１つのディスクボディ（１２）と前記少なくとも１つのカッティングパート（２０）の間に、金属中間層（２２）があり、前記少なくとも１つのディスクボディ（１２）を構成する元素と、前記少なくとも１つのカッティングパート（２０）を構成する元素と、前記金属中間層（２２）を構成する元素とが互いに拡散結合を形成することを特徴とする、
   ディスクカッター（１０）。
2. 前記金属中間層（２２）は本質的に、ニッケル、ニッケル合金、銅、又は銅合金を含む、請求項１に記載のディスクカッター（１０）。
3. 前記金属中間層（２２）は、本質的に銅及びニッケルからなる合金を含む、請求項１に記載のディスクカッター（１０）。
4. 前記金属中間層（２２）は、約５μｍから約５００μｍの厚さを有する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のディスクカッター（１０）。
5. 前記少なくとも１つのカッティングパート（２０）は、焼結炭化物を含む、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のディスクカッター（１０）。
6. 前記少なくとも１つのカッティングパート（２０）は、複数のボタン（２６）又は複数の摩耗パッド（４０）の形態である、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のディスクカッター（１０）。
7. 前記少なくとも１つのカッティングパート（２０）は、連続するリング（６０）の形態である、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のディスクカッター（１０）。
8. 前記ディスクボディ（１２）は、少なくとも２つの層を含む、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のディスクカッター（１０）。
9. 前記ディスクボディ（１２）は、第１の層（３４）と、第２の層（３６）とを含み、
   前記第１の層（３４）は、前記第２の層（３６）よりも高い耐摩耗性を有する金属又は金属マトリックス複合材料を含む、
   請求項８に記載のディスクカッター（１０）。
10. トンネルボーリングマシンにおいて使用されるカッティングユニット用のディスクカッター（１０）を製造する方法であって、
    第１の側面（１４）と、前記第１の側面（１４）に対して実質的に向かい合って配置された第２の側面（１６）と、半径方向の周辺部（１８）と、を有する金属合金又は金属マトリックス複合材料製の環状のディスクボディ（１２）と、
    前記ディスクボディ（１２）の前記半径方向の周辺部（１８）に載置されて、該周辺部（１８）を実質的に取り囲み、外向きに突き出て、マイニング作業中に岩石とかみ合う、少なくとも１つの金属合金、金属マトリックス複合材料、又は焼結炭化物製カッティングパート（２０）と、
    を含むディスクカッター（１０）を製造する方法であって、
    ａ）金属合金製の少なくとも１つの環状のディスクボディ（１２）、又は、金属マトリックス複合材料製の少なくとも１つの環状のディスクボディ（１２）と、少なくとも１つの金属合金製カッティングパート（２０）、又は、少なくとも１つの金属マトリックス複合材料製カッティングパート（２０）、又は、少なくとも１つの焼結炭化物製カッティングパート（２０）と、を提供することと、
    ｂ）前記ディスクボディ（１２）のそれぞれの表面（単数又は複数）のそれぞれと、前記カッティングパート（２０）の表面（単数又は複数）のそれぞれと、の間に金属中間層（２２）を配置することと、
    ｃ）前記少なくとも１つのディスクボディ（１２）と、少なくとも１つのカッティングパート（２０）と、を共に組み付けることと、
    ｄ）前記少なくとも１つのディスクボディ（１２）と、前記少なくとも１つのカッティングパート（２０）と、をカプセルに入れることと、
    ｅ）オプションで、前記カプセルから空気を排出することと、
    ｆ）前記カプセルを密封することと、
    ｇ）前記カプセルを、約１０００℃超の所定の温度及び約３００バールから約１５００バールの所定の圧力に所定の期間さらすことと、
    を含む方法。
11. 前記金属中間層（２２）は本質的に、ニッケル、ニッケル合金、銅、又は銅合金を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記金属中間層（２２）は、本質的に銅及びニッケルからなる合金により形成される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記金属中間層（２２）は、箔又は粉末から形成される、請求項１０から請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記金属中間層（２２）は、電解めっきにより形成される、請求項１０から請求項１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記少なくとも１つのカッティングパート（２０）の前記表面（単数又は複数）に、又は、前記少なくとも１つのディスクボディ（１２）の前記表面（単数又は複数）と前記少なくとも１つのカッティングパート（２０）の前記表面（単数又は複数）との双方に、溝（７０）が加えられる、請求項１０から請求項１４のいずれか一項に記載の方法。

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