JP7470622B2

JP7470622B2 - 削孔工具

Info

Publication number: JP7470622B2
Application number: JP2020190695A
Authority: JP
Inventors: 高志阿部; 紗也子長崎; 博士太田
Original assignee: MMC RYOTEC CORPORATION
Current assignee: MMC RYOTEC CORPORATION
Priority date: 2020-11-17
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2024-04-18
Anticipated expiration: 2040-11-17
Also published as: JP2022079856A

Description

本発明は、炭化タングステン（以下、ＷＣということがある）基超硬合金工具（であって、特に、鉱山土木用削孔工具（削岩ビットのチップ、鉱山土木用ボタンビットのゲージチップ等が該当し、以下、削孔工具という）に適用可能なものに関する。

削孔工具は、鉱山での採掘現場、トンネル工事現場で掘削のために使用される工具である。近年、削孔の効率を高めること、すなわち、削孔速度の高速化が求められるようになり、削孔速度の高速化のためにボタンビットの形状を工夫する等の提案がなされている。

例えば、特許文献１では、ドーム型のフェイス面を有し、スカート部の近くで終端する複数のフラッシング溝が軸から半径方向外向きに伸び、ゲージを円周方向に分割するように並び；少なくとも1つのブローホールがネジ穴に繋がり、前記フラッシング溝内のフロントフェイス近辺のフェイスブローとなり；前記各フラッシング溝におけるフローパスは、前記フロントフェイスから前記スカート部にかけて前記軸に対して、凸形状であって；前記フローパスは前記スカート部に向けて前記フェイスブローの領域から前記軸後方に伸びたボタンビットが記載され、該ボタンビットは削孔効率が向上しているとされている。

また、例えば、特許文献２には、削孔ビットを容器内に配置し、該容器を振動させることによって、前記削孔ビットの表面を硬化させる方法が記載され、この方法によって表面を硬化させた削孔ビットは削孔効率が高いものと推察される。

国際特許公開２０１５／１１３６９４号国際特許公開２０１３／１３５５５５号

本発明者は、岩質や機械が多様化する鉱山現場において、特に削孔径が比較的小径となっている削孔に使われるボタンビットなどは、デザインや先端削孔チップの形状に幅を持たせようとしても、設計上の自由度が効かず、一方、最適な形状を削孔条件に応じてそのつど設計していくことは限界があり、また、表面硬化処理は製作工程が煩雑となり製作費用も無視できないと認識した。

そこで、本発明は、ボタンビットの設計やボタンビットの表面硬化処理に代わり、ボタンビットによる削孔の効率を上げることを目的とするものである。

本発明の実施形態に係る削孔工具は、
Ｃｏを２．０～１５．０質量％含み、残部がＷＣおよび不可避的不純物である組成を有し、結合相を形成しているＣｏ結晶粒のうちの最密六方晶構造を有する結晶粒の面積割合につき、その表面から深さ５０μｍまでの表面領域の値（Ａ）が６０．０～１００．０面積％、その表面から５０μｍを超える内部領域の値（Ｂ）が５０．０～９５．０面積％であり、かつ、Ａ／Ｂが１．００～２.００であることを特徴とする削孔工具。

さらに、前記実施形態に係る削孔工具は、以下の各事項の一つ以上を満足してもよい。
（１）Ｃｒ_３Ｃ_２を０．２～３．５質量％および／またはＶＣを０．２～３．７質量％含有すること。
（２）前記内部領域において、ビッカース硬度が１５００Ｈｖ以上であること。

前記によれば、一軸圧縮強度が低い岩盤に対する削孔効率がよい削孔工具を得ることができる。

実施例のゲージチップ（バリスティックタイプ）の側面の模式図である。実施例のボタンビットの側面の模式図である。図２のボタンビットのゲージ径を説明する模式図である。

本発明者は、ＷＣとＣｏを有する削孔工具に関し、特に、Ｃｏの結晶構造の分布について、鋭意検討した。その結果、最密六方晶構造のＣｏ結晶粒の占める面積割合につき、削孔工具の表面、すなわち、被処理物である岩盤や被切削物に接する面を含む削孔工具の表面近傍領域における値（Ａ）と、削孔工具内部における値（Ｂ）が、それぞれ、所定の値であり、かつ、Ａ／Ｂが所定範囲にあるとき、一軸圧縮強度が低い岩盤に対する削孔効率が優れるという知見を得たのである。

以下では、本発明の一実施形態に係る削孔工具について説明する。
なお、本明細書および特許請求の範囲において、数値範囲を「Ｍ～Ｎ」（Ｍ、Ｎは共に数値）で表現するときは、その範囲は上限値（Ｎ）および下限値（Ｍ）を含んでおり、上限値（Ｎ）と下限値（Ｍ）の単位は同じである。

＜組成＞
まず、本実施形態に係る削孔工具の組成について説明する。

＜＜Ｃｏ＞＞
本実施形態に係る削孔工具の組成は、Ｃｏを２．０～１５．０質量％含み、残部がＷＣと不可避的不純物である。Ｃｏの含有量をこの範囲とした理由は、２．０質量％未満であると、焼結時に緻密化が進行しづらくなって内部欠陥が残りやすくなり、その結果、組織としての均一性が損われ削孔工具の機械的強度が低下し、一方、１５．０質量％を超えると、削孔工具として用いたとき、岩盤との接触による摩滅が支配的となり、硬質相の耐摩耗効果が十分に発揮されないためである。Ｃｏの含有割合は、３．０～１０．０質量％であることがより好ましい。

＜＜その他の元素＞＞
本実施形態に係る削孔工具は、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒの１種類または２種以上を含有してもよい。これらの元素は、炭化物、複合炭化物、窒化物、炭窒化物として添加されてもよい。以下、これら元素について説明する。

ＣｒとＶは、焼結時にＷＣの粒子成長を抑制する働きがあり、この抑制を行うためにＣｒ_３Ｃ_２として０．２～３．５質量％および／またはＶＣとして０．２～３．７質量％を添加してもよい。

Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉは、削孔工具の高温硬さ、クリープ強度を向上させる働きがあり、この向上を確実に行うために炭化物等として０．２～３．０質量％添加してもよい。

ＺｒとＨｆは、高温靭性、高温抗折力などの高温機械特性を向上させる働きがあり、この向上を確実に行うために炭化物等として０．２～３．０質量％添加してもよい。

＜＜不可避的不純物＞＞
本実施形態に係る削孔工具は、製造工程において不可避的に混入する元素を１．０質量％以下含有することが許容される。

＜Ｃｏ結晶粒の結晶構造の分布＞
本実施形態に係る削孔工具は、最密六方晶構造（ｈｃｐ結晶構造）を有するＣｏ結晶粒の面積割合が、その表面、すなわち、表面の黒皮の最も深い谷の部分を起点として、この起点からの深さが５０μｍまでの表面領域の値（Ａ）が６０．０～１００．０面積％、その表面から深さが５０μｍを超える内部領域の値（Ｂ）が５０．０～９５．０面積％であり、かつ、Ａ／Ｂが１．００～２．００であることが好ましい。

最密六方晶構造を有するＣｏ結晶粒の面積％と面積％の比が、この範囲を満足すると、本実施形態に係る削孔工具は、削孔工具として用いたとき、例えば、一軸圧縮強度が低い、例えば、圧縮強度が１５０ＭＰａ以下の比較的軟い岩盤において優れた削孔効率を示す。

この優れた削孔効率を示す理由は、定かではないところがあるが、次のように考えている。Ｃｏは面心立方構造（ｆｃｃ）と六方最密構造（ｈｃｐ）の２つの結晶構造を持ち相変態が生じる元素である。超硬工具において加工による歪みや衝撃などの外部応力が付加されると、面心立方構造をとるＣｏ結晶粒は最密立方晶構造に相変態が生じることは、よく知られている。このとき、Ｃｏ結晶粒内でエネルギーの消費が発生していると考えられる。

ところで、削孔工具では、打撃装置からの打撃エネルギーを岩盤に余すところなく伝達することが削孔効率の向上には好ましいが、前述の相変態が発生すると打撃エネルギーがこの相変態のために消費されて、打撃装置から岩盤に伝わるべきエネルギーが減少してしまう。しかし、最密六方晶構造を有するＣｏ結晶粒の面積割合を本実施形態のように制御すれば高温環境（７２２Ｋ以上）に削孔工具がさらされない限り、最密六方晶構造のＣｏ結晶粒は面心立方構造への相変態をおこさず、打撃エネルギーが相変態のために消費されることなく、岩盤に伝達される。その結果、一軸圧縮が低い比較的軟らかい岩盤では打撃エネルギーの伝達が向上され、削孔効率が控除すると考えている。

ここで、最密六方晶構造を有するＣｏ結晶粒の面積割合は、削孔工具の表面に垂直な断面において複数の観察視野（例えば、３視野）を設定し、各観察視野の黒皮、塗装等の表面層に接する削孔工具本体の最も深い谷底の部分（最も削孔工具の内部にある点）を起点として深さを測定し、前記表面領域と前記内部領域における面積率を求めて、その平均値をとることによって得る。
具体的には以下の「Ｃｏ結晶粒の結晶粒界の画定と結晶構造の決定」の手順に従う。

＜Ｃｏ結晶粒の結晶粒界の画定と結晶構造の決定＞
＜＜Ｃｏ結晶粒の結晶粒界の画定＞＞
電子後方散乱回折を用いた結晶方位測定によりＣｏ結晶の結晶粒界を特定する。まず、工具表面に垂直な面（縦断面）を耐水研磨紙、ダイヤモンド砥粒を用いて機械研磨を行った後、イオンミリング装置を用いて断面イオン加工を行って、測定面を作製する。次に、結晶方位測定を、ＥＢＳＤ測定装置と、解析ソフトを用いて行う。ＥＢＳＤ測定装置の電子線の加速電圧は１５ｋＶ、測定視野は２０μｍ×３０μｍ、結晶方位測定の測定点間隔（ＳｔｅｐＳｉｚｅ）は０．０５μｍとする。ＥＢＳＤ測定装置で得られたデータを、解析ソフトを用いて処理する。

＜＜Ｃｏ結晶粒の結晶の決定＞＞
ここで、測定した結晶方位は測定面上を離散的に調べたものであり、隣接測定点間の中間までの領域をその測定結果で代表させることにより測定面全体の方位分布として求めるものである。なお、測定点で代表させた領域（以下、ピクセルということがある）として正六角形状のものが例示できる。

このピクセルのうち隣接するもの同士の間で５度以上の結晶方位の角度差がある場合、または隣接するピクセルの片方のみが最密六方晶構造または面心立方構造を示す場合は、これらピクセルの接する領域の辺を粒界とする。そして、この粒界とされた辺により囲まれた領域を１つの結晶粒と定義する。ただし、隣接するピクセル全てと５度以上の方位差がある、あるいは、隣接する最密六方晶構造を有する測定点がないような、単独に存在するピクセルは結晶粒とせず、２ピクセル以上が連結しているものを結晶粒として取り扱う。このようにして、粒界判定を行い、結晶粒を特定し、結晶粒構造毎にその結晶粒の占める面積％を算出する。

＜ビッカース硬度＞
本実施形態に係る削孔工具は、その内部領域において、ＩＳＯ６５０７、またはＡＳＴＭＥ３８５規定された方法により荷重４９０Ｎ（５０ｋｇｆ）で測定するビッカース硬度が１４００Ｈｖ以上であることが好ましい。ビッカース硬度が１５００Ｈｖ以上であると、前記削孔工具は、より一層、削孔効率に優れる。
なお、ビッカース硬度の上限値は特段の制約がないが、後述する実施例の製造法では１５５０Ｈｖ程度が上限になる。

以下に、実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

以下、実施例として、削孔工具がボタンビット（ＢＢ０３６Ａ）の削孔チップである場合を例として挙げて本発明を説明する。

図１に示すボタンビット用削孔チップを得るべく、各実施例において、１つのボタンビット当たり、６個のφ（Ｔ：直径）が１０ｍｍのバリスティックタイプ（ゲージチップ）と３個のφ（Ｔ：直径）が９ｍｍのバリスティックタイプ（フェイスチップ）を１組として、合計１０組を以下の手順により製造した。
すなわち、原料粉末の準備工程、配合・混合とプレス成形工程、焼結工程、加圧処理工程、センタレス研磨工程、バリ取り工程、冷却工程を経て製造した。

１．原料粉末の準備工程
原料粉末として、いずれも３．０μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末とＣｏ粉末、および、いずれも０．１～３．０μｍの平均粒径を有するＣｒ_３Ｃ_２粉末、ＶＣ粉末を準備した。

２．配合・混合とプレス成形工程
用意した原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、さらにパラフィンワックスを加えて、エタノールを８５％含む溶媒中で２４時間ボールミルを使って混合し、減圧乾燥した後、２０％の圧縮率となるように、圧粉体にプレス成形した。
なお、表１に示す配合割合が、ボタンビット用削孔チップの組成である。

３．焼結工程
プレス成形した圧粉体を２０Ｐａ以下の真空中で、４℃／ｍｉｎの昇温温度で１３５０～１５００℃の範囲内の所定の温度に６０分間保持して焼結し、焼結後、Ａｒガスを使用して６℃／ｍｉｎの冷却速度で５０℃まで冷却した。

４．加圧処理工程（ＨＩＰ処理およびＳ－ＨＩＰ処理）
次に、７℃／ｍｉｎの昇温温度で１３２０℃まで昇温し、９００ＭＰａの圧力で６０分間保持してＨＩＰ処理を行った。その後、６℃／ｍｉｎの冷却速度で５０℃まで冷却した。
また、ＨＩＰ処理に代えて、焼結とＨＩＰ処理を同時に行うＳ－ＨＩＰ処理を行った。Ｓ－ＨＩＰ処理は、３℃／ｍｉｎの昇温温度で１３５０～１５００℃に真空加熱した後、その到達温度域でＡｒガス雰囲気下の５ＭＰａにて９０分間の加圧をした処理を行った。その後は、表２に示すように１．０／ｍｉｎ～２．０／ｍｉｎの冷却速度で５０℃まで冷却した。

５．センタレス研磨工程
砥石として、粗研磨に＃１２０、仕上げ研磨に＃２００の砥石を用い、共に、
回転数１４００ｒｐｍ
周速１５４０ｍ／ｍｉｎ
調整車回転数２０ｒｐｍ
送り１．３３ｍ／ｍｉｎ
で研磨を行った。

６．バリ取り工程
次に、必要に応じて以下（１）～（３）のいずれかの後加工を行った。

（１）バレル研磨
設備振動式バレル研磨機
容量２０リットル
周波数６０Ｈｚ
研磨メディア珪藻土

（２）プロファイル研磨
砥粒＃２００のダイヤモンド砥粒
周速１０００ｍ／ｍｉｎ
ストローク数９０回／ｍｉｎ
切込量０．１ｍｍ

（３）サンドブラスト
エア圧０．３～０．２ＭＰａ
ブラストガン Φ１９ｍｍ
アルミナ径４２５～３００μｍ（ＦＡ４６）
単位面積当たりの処理時間３～６ｓ／ｃｍ^２

７．冷却工程
１Ｐａ以下の真空中で、５℃／ｍｉｎの昇温温度に１１００℃まで昇温し、６０分間保持して再焼結した後、表２に示す冷却速度で５０℃まで冷却した。

このようにして、得られた実施例１～７のバリスティックタイプのチップに対して、実施例毎に１０組あるボタンビットのうち任意のボタンビットに取り付けられた１個の前記チップを取り出し、前述の方法により最密六方晶構造を有する結晶粒の面積割合を求め、結果を表２に示す。ここで、ＥＢＳＤ装置は、カールツァイス社製走査型電子顕微鏡Ｕｌｔｒａ５５、ＥＤＡＸ／ＴＳＬ社製ＯＩＭＤａｔａＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎを、解析ソフトとして、ＥＤＡＸ／ＴＳＬ社製ＯＩＭＤａｔａＡｎａｌｙｓｉｓｖｅｒ．７．３を用いた。また、ビッカース硬度も前述の方法により測定した。

これに対して、比較例１～７として、各比較例において実施例と同じ形状のφ１０ｍｍのバリスティックタイプ（ゲージチップ）６個とφ９ｍｍのバリスティックタイプ（フェイスチップ）３個を、実施例の原料粉と同じ原料粉を用い、ＨＩＰ、Ｓ－ＨＩＰ後の冷却速度を実施例のものに比して速くした点を除いて、実施例と同様の手順で比較例毎に１０組作製した。また、実施例と同様の手段により最密六方晶構造を有する結晶粒の面積割合を求めた。結果を表２に示す。

削孔試験
実施例１～７、比較例１～７のバリスティックタイプチップを図３、４に示すゲージ径Ｇが４７．０ｍｍのボタンビットのヘッドに、６個のチップ径Ｔが１０ｍｍのチップをゲージチップとして、３個のチップ径Ｔが９ｍｍのチップをフェイスチップとして、それぞれ取り付けて被試験材とし、この実施例、比較例の番号毎にそれぞれ１０個ある被削試験材に対し、以下の削孔試験を行った。

１．削孔試験装置（穿孔装置）の仕様
打撃圧１８ＭＰａ
打撃周波数６０Ｈｚ
推力０．５ＭＰａ
回転圧０．５ＭＰａ

２．削孔
削孔長さ（１回当たり）４．５ｍ
削孔径４５ｍｍ
岩盤－軸圧縮強度１３０ＭＰａ

被削試験材それぞれに対して削孔完了までに要した時間と打撃回数を測定し、実施例、比較例の各番号毎にそれぞれの平均値（１０組の試験結果の平均値）を求めた。結果を表３に示す。

表３から明らかなように、実施例１～７は、平均削孔時間が短く、かつ平均打撃回数も少ないため、効率よく削孔が行われたことがわかる。これに対して、比較例１～７は、いずれも平均削孔時間が長く、かつ平均打撃回数も多いため、効率よく削孔が行われなかったことが明らかである。
また、実施例１～７は削孔試験機からの打撃回数の削減がなされているため、削孔工具に対する疲労の蓄積が減じられ、その結果として削孔工具の長寿命化が期待できる。

１削孔チップ（ゲージチップ）
２削孔チップ（フェイスチップ）
３ボタンビット
Ｔバリスティックタイプチップのチップ径
Ｇボタンビットのゲージ径

Claims

削孔工具であって、
Ｃｏを２．０～１５．０質量％含み、残部がＷＣおよび不可避的不純物である組成を有し、結合相を形成しているＣｏ結晶粒のうちの最密六方晶構造を有する結晶粒の面積割合につき、その表面から深さ５０μｍまでの表面領域の値（Ａ）が６０．０～１００．０面積％、その表面から５０μｍを超える内部領域の値（Ｂ）が５０．０～９５．０面積％であり、かつ、Ａ／Ｂが１．００～２.００であることを特徴とする削孔工具。
Ｃｒ_３Ｃ_２を０．２～３．５質量％および／またはＶＣを０．２～３．７質量％含有することを特徴とする請求項１に記載の削孔工具。
前記内部領域のビッカース硬度が１５００Ｈｖ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の削孔工具。