JPH0222025B2

JPH0222025B2 -

Info

Publication number: JPH0222025B2
Application number: JP56178397A
Authority: JP
Inventors: Juichiro Kono; Akio Hara
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1981-11-09
Filing date: 1981-11-09
Publication date: 1990-05-17
Also published as: JPS5879881A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はダイヤモンドを主体とする硬質焼結体
と支持部材とからなる複合硬質焼結体の改良に関
し、特に石油、地熱など地殻資源利用のための掘
削作業に用いるビツト用複合ダイヤモンド焼結体
の改良に関するものである。

石油、天然ガス、地熱などの地下資源利用のた
め石油井、地熱井の掘削が行なわれている。掘削
にはドリルビツトと称する掘削用具が用いられ、
この刃先材料として超硬合金が主に用いられてき
た。しかしながら、地層の中でも比較的軟質の堆
積層では超硬合金製ドリルビツトで充分な掘削能
率、ビツト寿命が得られるが、硬質の堆積層や火
成岩ではビツト寿命が非常に短かく、殆んど掘削
できない場合もあるのが実情であつた。

近年、このような硬質地層掘削用のビツト刃先
材料としてダイヤモンド粒子を超高圧下で焼結し
た多結晶焼結ダイヤモンドが開発され使用され始
めている。多結晶ダイヤモンドは最初、金属材料
切削用工具として開発され、第１図に示すような
多結晶ダイヤモンド層１が超硬合金２に接合され
た形のものが使用されており、掘削用のものも、
第１図とほぼ同じ形のものが使用されている。

しかしながら掘削用途では、通常の金属切削と
異なり、掘削時に非常に大きな衝撃が刃先に加わ
ると共に、地層が硬質である場合には刃先に対す
る摩耗作用も非常に厳しい。この内、掘削時の衝
撃が大きいのが特に問題で、このため刃先の焼結
ダイヤモンド層が大きく欠損してしまい使用に耐
えなくなつてしまうのがこれまでの焼結ダイヤモ
ンド刃先の最大の欠点であつた。

本発明はこのような従来の複合ダイヤモンド焼
結体の欠点を改良し、大きな衝撃の加わる掘削用
途でも大きく欠損しないビツト用複合ダイヤモン
ド焼結体を提供するものである。

本発明はダイヤモンドを60％容量％以上含むダ
イヤモンド焼結体と該ダイヤモンド焼結体の表面
に支持部材が結合されている複合ダイヤモンド焼
結体において、ダイヤモンド焼結体の上下両面全
面に支持部材が直接あるいは中間接合層を介して
結合されており、該支持部材の内、一方が周期律
表4a、5a、6a族元素の炭化物あるいはこれらの
相互固溶体炭化物を鉄族金属で結合した超硬合金
よりなり、他方が周期律表4a、5a、6a族の金属、
Mn、Fe、Co、Ni、Cuまたはこれらの合金であ
ることを特徴とするビツト用複合ダイヤモンド焼
結体に関するものであり、この構造の一例第２図
ａに示すが、ダイヤモンド焼結体１、下部支持部
材２、上部支持部材３からなる円柱状である。支
持部材としては周期律表第4a、第5a、第6a族元
素炭化物、またはこれらの相互固溶体炭化物を鉄
族金属で結合した超硬合金、あるいは周期律表第
4a、第5a、第6a族の金属、Mn、Fe、Co、Ni、
Cuまたはこれらの合金が用いられる。超硬合金
としては炭化タングステンを５〜15重量％のコバ
ルトで結合したもの等が好適である。

下部支持部材はダイヤモンド焼結体を支持補強
する作用とダイヤモンド焼結体をビツト本体に埋
め込み固着する際のビツト本体との結合部として
の作用を果すが、この内ダイヤモンド焼結体を支
持補強する作用から考えて、剛性強度の高い超硬
合金が望ましい。一方、上部支持部材は後述する
ようにビツトとして使用時にダイヤモンド焼結体
部の亀裂が進展するのを防止する作用を果すこと
から、強度・剛性よりもダイヤモンド焼結体との
接着強度、および靭性が高いものが望ましい。こ
の点からすると上部支持部材は金属あるいは合金
が望ましい。

このような本発明複合ダイヤモンド焼結体を掘
削ビツト刃先として用いる際は、上下両面の支持
部材のいずれかを底面としてビツト本体に埋め込
みまたは鑞付けなどにより固着する。この状態で
はダイヤモンド焼結体刃先は隠れており、支持部
材が上面に出ている。この状態で掘削を開始する
と、支持部材が超硬合金である場合には最初は支
持部材で掘削を行い、硬質岩層になると表面の超
硬合金支持部材層は摩耗して、下層のダイヤモン
ド焼結体層があらわれて、これで掘削を行うよう
になる。支持部材が4a、5a、6a族その他の金属
層である場合は金属層の摩耗が早期に生じ、すぐ
下部のダイヤモンド焼結体層があらわれる。この
様子を模式的に示したのが第２図で、第２図ａの
複合ダイヤモンド焼結体における上部支持部材３
が摩耗して、第２図ｂに示す如く下部のダイヤモ
ンド焼結体１１があらわれ、ダイヤモンド焼結体
の切刃１１が掘削作用を行うようになる。

このように、ダイヤモンド焼結体層は掘削作用
を行うに必要なだけの切刃が露出し、他の部分は
支持部材３が覆われていることになる。支持部材
３は硬質多結晶焼結体１に比べて粘いので、刃先
１１に大きな衝撃力が加わつて欠けが発生しても
亀裂は支持部材３で覆われている領域には進展せ
ず、大きな欠損によつてこのダイヤモンド焼結体
層が使用不能になつてしまうということがない。

上記の支持部材による大欠損防止効果は支持部
材とダイヤモンド焼結体とが強固に接合している
程大となるが、この点で支持部材とダイヤモンド
焼結体層が直後、接合している場合はやや問題が
ある。すなわちダイヤモンド焼結体と支持部材が
直接接合した状態でこれを焼結しようとすると、
焼結中にダイヤモンドを構成する炭素が支持部材
中に拡散し、このために界面近傍の支持部材中に
炭化物を形成するなどして界面近傍の支持部材が
脆くなり、このためダイヤモンド焼結体と支持部
材の結合強度がやや低下する。

上記の問題は、界面反応を生じさせず、かつダ
イヤモンド焼結体、支持部材相互と強固に接合す
る中間接合層を用いることにより解決される。中
間接合層としては、立方晶型窒化硼素（CBN）
の含有率が70容量％以下で残部が周期律表第4a
族のTi、Zr、Hfの炭科物、窒化物、炭窒化物あ
るいは硼化物の一種もしくはこれらの混合物また
は相互固溶体化合物を主体としたものにAlおよ
び／またはSiを0.1重量％以上含有させたものが、
比較的低温で支持部材、ダイヤモンド焼結体相方
と強固な接合を形成し、かつ耐熱性にもすぐれて
いるので、適している。

支持部材の内、ビツト本体に埋め込んだ際に切
刃側となる上部支持部材はダイヤモンド焼結体の
亀裂進展防止のためのもであるから、厚みはそれ
程必要でなく下部ダイヤモンド焼結体層の厚み
（通常0.5〜1.0mm）以下で0.005mm以上程度であれ
ばよい。上部支持部材の厚みがダイヤモンド焼結
体層の厚みを越えると、前記第２図ｂのようにダ
イヤモンド焼結体層が一部露出した状態になつた
とき、この支持部材が掘削した岩石の小片の流出
を、却つて妨げる状態になるおそれがあるからで
ある。したがつて支持部材の内少なくとも掘削に
関与する一方が、上記厚みを満たすことが必要で
ある。下部支持部材厚については0.05mm以上であ
ればよいが、強固性のためにダイヤモンド焼結体
層厚以上とするのがよい。

中間接合層はダイヤモンド焼結体層と支持部材
を強固に接合することが目的であるため、通常
0.5mm以下で充分であり、これ以上の厚みは不経
済であり、必要はない。

例１（参考例）第３図は本発明複合焼結体の第１の実施例で、
厚さ２mmのWC−10％Co超硬合金支持部材２上に
厚さ0.5mmのダイヤモンド焼結体１、更にその上
に厚さ0.3mmのWC−10％Co超硬合金支持部材３
が結合した複合ダイヤモンド焼結体となつてい
る。

これと比較のため、第４図に示す厚さ２mmの
WC−10％Co超硬合金２上に厚さ0.5mmのダイヤ
モンド焼結体１が接合されたものを作成した。

これら二つの複合ダイヤモンド焼結体を比較す
るため直径100mmのフライスカツターにそれぞれ
鑞付けし、圧縮強度1500Kg／cm²の花崗岩の正面フ
ライス切削を切削速度50ｍ／分、切込み１mm、送
り0.2mm／刃で行なつたところ、第３図の本発明
焼結体は切削長200mmで刃先に小チツピングが発
生したものの、まだ切削可能であつたのに対し、
比較用焼結体は切削長50mmでダイヤモンド焼結体
層が大欠けし、使用不能となつた。

例２（参考例）第５図は本発明の複合焼結体の第２の実施例
で、厚さ２mmのWC−15％Co超硬合金支持部材２
上に厚さ0.5mmのダイヤモンド焼結体層１、更に
その上に厚さ0.2mmのWC−15％Co超硬合金支持
部材３が、それぞれダイヤモンド焼結体層との界
面に厚さ0.05mmで60容量％のCBNをTiN−20重
量％Alの結合剤で結合した中間接合層４を介し
て結合されているものである。この場合も比較の
ため第６図に示す上部0.2mmのWC−15％Co超硬
合金支持部材のない比較焼結体を作成した。

上記２つの焼結体について、例１と全く同じ花
崗岩切削テストを行つたところ、比較焼結体はや
はり切削長50ｍで切削不能となつたが、本発明焼
結体は切削長250mmでもなお継続切削可能であつ
た。

例３本例の複合焼結体は例２、第５図のものと全く
同じ構成で、上部0.2mmのWC−15％Co超硬合金
層が厚さ0.2mmのMo層になつている。この本発明
焼結体および上部Mo層のない例２、第６図のも
のと構成を同じくする比較焼結体により６枚刃の
クラウンビツトを作成し、圧縮強度1400Kg／cm²の
安山岩のドリル試験を行つた。回転数は140rpm、
ドリル穿孔速度は10cm／分、水使用の条件下であ
る。

この結果、本発明焼結体を使用したビツトは30
分のドリリング後も使用可であつたのに対し、比
較焼結体を使用したビツトは２分のドリルリング
でダイヤモンド焼結体部が大破し、使用不能とな
つた。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の複合ダイヤモンド焼結体の構造
を示す図であり、第２図は本発明の複合ダイヤモ
ンド焼結体を掘削ビツト刃先として用いた場合の
経時的変化を示す図であり、第３図、第５図は本
発明の複合ダイヤモンド焼結体の構造を示す図で
あり、第４図、第６図は第３図、第５図のもの
各々に対する比較複合ダイヤモンド焼結体の構造
を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】１ダイヤモンドを60容量％以上含むダイヤモン
ド焼結体と該ダイヤモンド焼結体の表面に支持部
材が結合されている複合ダイヤモンド焼結体にお
いて、ダイヤモンド焼結体の上下両面全面に支持
部材が直接にあるいは中間接合層を介して結合さ
れており、該支持部材の内、一方が周期律表4a、
5a、6a族元素の炭化物あるいはこれらの相互固
溶体炭化物を鉄族金属で結合した超硬合金よりな
り、他方が周期律表4a、5a、6a族の金属、Mn、
Fe、Co、Ni、Cuまたはこれらの合金であること
を特徴とするビツト用複合ダイヤモンド焼結体。２上下両面の支持部材の内一方の厚みがダイヤ
モンド焼結体層の厚みよりも小である特許請求の
範囲１記載のビツト用複合ダイヤモンド焼結体。３ダイヤモンド焼結体と支持部材との界面に中
間結合層を有し、かつ該中間接合層が70容量％未
満の立方晶型窒化硼素と残部が周期律表第4a族
のTi、Zr、Hfの炭化物、窒化物、炭窒化物ある
いは硼化物の一種もしくはこれらの混合物または
相互固溶体化合物を主体とし、Alおよび／また
はSiを0.1重量％以上含有する特許請求の範囲１
または２記載のビツト用複合ダイヤモンド焼結
体。４中間接合層の厚みが0.5mm以下である特許請
求の範囲３記載のビツト用複合ダイヤモンド焼結
体。