JPH059649A - 超硬合金体及びその製造方法 - Google Patents

超硬合金体及びその製造方法

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JPH059649A
JPH059649A JP4030830A JP3083092A JPH059649A JP H059649 A JPH059649 A JP H059649A JP 4030830 A JP4030830 A JP 4030830A JP 3083092 A JP3083092 A JP 3083092A JP H059649 A JPH059649 A JP H059649A
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JP4030830A
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Erik Torbjorn Hartzell
トルブイエールン ハルトセル エリク
Jan Akerman
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Udo Karl Reinhold Fischer
カール ラインホルト フイツシヤー ウド
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Sandvik AB
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 削岩や鉱物の掘削のために好ましく用いられ
る、耐摩耗性が高く速い貫入速度が長時間維持される超
硬合金体を提供する。 【構成】 本発明の超硬合金体は、η相含有超硬合金の
心部Ｃとこれを取囲むη相のない表面帯域Ａ及びＢから
構成され、結合剤含有量が外側の表面帯域Ａでは公称量
ｎより少なく、且つ更にその外側部分Ａ1 では一定又は
ほとんど一定であり、そして内側の表面帯域Ｂで公称量
ｎより多い。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、削岩や鉱物の掘削用の
道具類において有用な超硬合金体に関する。アスファル
トやコンクリートを切削するための道具類も包含され
る。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】欧州特
許出願公開第１８２７５９号明細書には、標準のα＋β
相構造中に埋め込まれた微細で一様に分布するη相の心
部を有し、そして周囲のα＋β相だけの表面帯域を有す
る超硬合金体が開示される。追加の条件は、心部の近く
に位置する表面帯域のうちの内側部分では結合剤相含有
量が結合剤相の公称含有量よりも多いことである。更
に、表面帯域の最も外側の部分における結合剤相含有量
は公称よりも少なくて、心部に向かう方向にη相のない
帯域に見られる最大値に至るまで増加する。（「公称」
とは、この明細書においては重量測定された結合剤相の
量を意味する。）
【０００３】上述の欧州特許出願公開明細書による超硬
合金体は、削岩に標準的に用いられる全ての超硬合金グ
レードについて性能を向上させており、商業的に成功を
収めている。結合剤相含有量は外側表面から中心へ向か
って増加することから、向上した耐摩耗性は比較的早く
失われる。従って欧州特許出願公開第１８２７５９号明
細書による超硬合金体は、靱性を要求する削岩作業に最
もよく適している。
【０００４】高い耐摩耗性と速い貫入速度は、ビットに
とって本質的な特性であり、これらの特性はますます重
要性が増大している。一定のビット類、詳しく言えばひ
押掘削用のビット類は、ビットの直径が４〜６mm減少す
ると、摩耗してドリル穴の直径が余りに小さくなるので
発破剤を入れるのが難しくなる。従ってそのようなビッ
トにおけるボタンは、再研磨すると通常ビット径が減少
するので、再研磨されることはまれである。これらのビ
ットについては、耐摩耗性が高く且つビットの全寿命を
通して均一であるように２〜３mmの厚さの耐摩耗帯域を
有することが重要である。貫入速度はボタンの形状に依
存する。従って、ボタンには一般に、最適な貫入速度を
与える形状が与えられる。ボタン形状が摩耗によって変
わると、貫入速度はどんどん低下する。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用効果】驚くべきこ
とに、製造プロセスを超硬合金体の表面帯域においてほ
とんど一定の結合剤金属含有量が得られるように制御
し、結果として一定の硬度及び耐摩耗性とすることが可
能である、ということが分った。それによって、耐摩耗
性の高いことが大変に重要である用途において更に一層
の向上が得られる。本発明に従う超硬合金体における耐
摩耗性表面帯域は、通常の超硬合金体におけるよりもゆ
っくりと摩耗し、それゆえに速い貫入速度が長時間維持
される。
【０００６】図１は、本発明による超硬合金体の表面に
垂直な線に沿った結合剤相の分布を模式的に示してい
る。この図のグラフにおいて、Ａは結合剤相の減少した
表面帯域であり、Ａ1 は結合剤相含有量がほとんど一定
である表面帯域であり、Ｂは結合剤相に富む表面帯域で
あり、Ｃはη相を含有している心部であり、ｎは公称の
結合剤相含有量であり、ｄ0 は表面における結合剤相含
有量であり、ｄは帯域Ａ 1 における結合剤相含有量の増
加量であり、ａは上記の結合剤相の減少した表面帯域の
幅であり、ａ1は上記の結合剤相含有量がほとんど一定
である表面帯域の幅である。
【０００７】本発明に従う超硬合金体においてη相のな
い表面帯域は二つの部分に分けられる。一番外側の部分
（帯域Ａ）では、結合剤相含有量は公称量（ｎ）よりも
少ない。内側の部分（帯域Ｂ）では、結合剤相含有量は
公称量よりも多い。帯域Ａは、結合剤相含有量が少ない
ことから硬度及び剛性がより高く、それに対して帯域Ｃ
は、η相が微細に分散しているため硬度がより高い。
【０００８】帯域Ａでは、結合剤相の平均含有量は公称
の結合剤相含有量の０．２〜０．８倍、好ましくは０．
３〜０．７倍であるべきである。帯域Ａの外側部分の結
合剤相含有量は、ほとんど一定であるべきである。表面
に対して垂直な線に沿った結合剤相含有量の相対的な増
加量又は減少量ｄ／（ｄ0 ・ａ1 ）は、２０％／mm以下
であるべきであり、好ましくは１０％／mm以下であるべ
きである。結合剤相含有量が一定又はほとんど一定であ
るこの外側帯域の幅ａ1 は、帯域Ａの幅ａの少なくとも
５０％、好ましくは少なくとも７０％、最も好ましくは
少なくとも８０％であるべきであるが、少なくとも１mm
であるべきである。帯域Ｂにおいては、結合剤相含有量
は公称よりも多くて、公称結合剤含有量の少なくとも
１．２倍、好ましくは１．６〜３倍の最高値に達する。
【０００９】帯域Ｃは、少なくとも２体積％のη相、好
ましくは少なくとも５体積％のη相を含有すべきである
けれども、このη相含有量は最高で６０体積％、好まし
くは最高で３５体積％であるべきである。η相は、０．
５〜１０μｍ、好ましくは１〜５μｍの粒子寸法の細か
い粒子にされるべきであり、且つ標準のＷＣ−Ｃｏ構造
のマトリックス中に一様に分布すべきである。帯域Ｃの
幅は、超硬合金体の断面の１０〜９５％、好ましくは２
５〜７５％であるべきである。
【００１０】本発明は、結合剤相含有量が３重量％のグ
レードから２５重量％のグレードまでの、好ましくは衝
撃式の掘削については結合剤相含有量が５〜１０重量％
であり、回転破砕式の掘削については結合剤相含有量が
１０〜２５重量％であり、また岩石の切断については結
合剤相含有量が６〜１３重量％であって、ＷＣの粒子の
大きさが１．５μｍから８μｍまで、好ましくは２μｍ
から５μｍまでいろいろであることができる、削岩のた
めに標準的に用いられる全ての超硬合金グレードについ
て利用することができる。それは、再研磨されないビッ
ト、例えば、結合剤相含有量が一定である帯域が摩滅す
る前にビットが廃棄の直径に達しているひ押掘削用の掘
削ビットに特に適している。本発明に従うボタンにおけ
る帯域Ａと残りの帯域とでの結合剤相含有量の大きな
差、そしてそれによる熱膨張率の差の結果として、ボタ
ンの表面での圧縮応力が大きくなり、このことから、欧
州特許出願公開第１８２７５９号明細書と比べて先に述
べた耐摩耗性の向上と同時に靱性特性が驚くほど良好に
なる。
【００１１】結合剤相においては、Ｃｏを部分的に又は
完全にＮｉ及び／又はＦｅで置換することができる。こ
の結果、η相中のＣｏ分はいくらかの金属Ｆｅ及び／又
はＮｉで部分的に又は完全に置換され、すなわちη相そ
れ自体は鉄族金属のうちの１種又は２種以上を組み合わ
せたものを含有することができる。α相中のタングステ
ンの１５重量％までは、金属炭化物を生成するＴｉ，Ｚ
ｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ及びＭｏのうちの１種
又は２種以上で置換することができる。
【００１２】本発明による超硬合金体は、粉末冶金法に
従って、すなわちミリングし、圧縮し、そして焼結し
て、製造される。炭素含有量が化学量論的な量より少な
い粉末から出発することによって、焼結を行う間にη相
含有超硬合金が得られる。これは、焼結後に、例えばカ
ーボンブラック中に詰めて、強力に浸炭熱処理を施され
る。これは、全部の熱処理時間中にボタン表面へ炭素を
運ぶのが炭素のボタン中への拡散速度よりも多くなるよ
うに、炉の雰囲気における炭素活動度（ｃａｒｂｏｎ
ａｃｔｉｖｉｔｙ）ａc が１に近く、好ましくは少なく
とも０．８であるべきことを意味する。
【００１３】
【実施例】例１ ６重量％のＣｏ粉末を含有し、炭素含有量が化学量論上
の量より０．２重量％少ない（５．８重量％でなく５．
６重量％）ＷＣを使用して、ボタンを圧縮成形した。こ
れらを標準の条件下に１４５０℃で焼結した。焼結後の
ボタンの長さは１６mm、直径は１０mmであった。次いで
これらのボタンをカーボンブラック中に詰め、１４００
℃の炉で３時間熱処理した。
【００１４】こうして製造したボタンは、η相のない幅
２mmの表面帯域と、微細に分散したη相を含有する直径
６mmの心部とを含んでいた。Ｃｏ含有量は、表面で３重
量％、表面から１．６mmのところで３．５重量％、そし
てη相含有心部のちょっと外側で１４重量％であること
が分かった。Ｃｏ含有量の多い帯域の幅は約０．４mm８
あった。
【００１５】例２ ・岩石：レプタイトの条痕を有する苛酷な摩耗性花コウ
岩、圧縮強さ２８００〜３１００bar 。
【００１６】・削岩機：Ａｔｌａｓ Ｃｏｐｃｏ社製１
０３８ＨＤ、ヘビードリフター装置用の油圧機械。送り
込み圧力８５bar 、回転圧力４５bar 、回転数２００rp
m 。
【００１７】・ビット：直径１０mm及び長さ１６mmの周
囲ボタンを有する４５mmの二翼式ボタンビット。試料当
り１０個のビットを試験した。廃棄直径は４１mmであっ
た。
【００１８】・超硬合金グレード：炭化タングステン
（ＷＣ）９４重量％及びコバルト（Ｃｏ）６重量％、粒
子寸法２．５μｍ。
【００１９】・試験試料： 試料１：η相含有心部の直径が４mmで、η相のない表面
帯域の幅が３mmであって低Ｃｏ含有量部分の幅が２．２
mmである、本発明によるボタン。 試料２：直径６mmのη相含有心部と、η相がなくてＣｏ
勾配のある２mmの表面帯域とを含んでなる、欧州特許出
願公開第１８２７５９号明細書によるボタン。 試料３：η相がない標準構造を有するボタン。
【００２０】これらのビットを、等しい掘削条件が得ら
れるように深さ５ｍの穴を七つ掘るのに使用して交換し
た。ビットは、ビットの直径が４１mm未満に減少したら
直ちに試験を取りやめて、掘削した長さを記録した。
【００２１】結果は次に示す通りであった。 試 料 寿命長さ（ｍ） 平 均 最 大 最 小 １ ４５１ ５４３ ３９８ ２ ３２５ ４０３ ２８６ ３ ２３１ ２６３ ２０１
【００２２】例３ 非常に硬質の石英を含有している珪岩採石場において６
４mmのベンチ掘削ビットで試験掘削を行った。試料１に
は本発明による超硬合金ボタンを取付け、試料２には欧
州特許出願公開第１８２７５９号明細書によるボタンを
取付け、そして試料３には市場で普通に入手可能なＷＣ
−Ｃｏグレードのボタンを取付けた。本発明によるボタ
ンも欧州特許出願公開第１８２７５９号明細書によるボ
タンも、低Ｃｏ含有量の幅２．５mmの表面帯域を含んで
いた。
【００２３】試験データは次に示す通りであった。 掘削リグ：ＣＯＰ１０３６掘削機を備えたＲＯＣ７１２ 送り込み圧力：８０bar 衝撃圧力：１９０bar 穴深さ：１２ｍ 空気フラッシング：５bar ビット数：５
【００２４】結果は次に示す通りであった。 再研磨の 再研磨の 寿 命 試 料 間隔（ｍ） 回 数 （ｍ） 指 数 １ ４８ ３ １８９ １４５ ２ ３６ ４ １５７ １２０ ３ ２４ ５ １３０ １００
【００２５】例４ 試験現場：露天掘り鉄鉱石鉱山。ローラービットで掘
削。 掘削機：Ｇａｒｄｎｅｒ Ｄｅｎｖｅｒ ＧＤ−１０
０。 送り込み圧力：４０トン。 回転数：８０rpm 。 岩石の種数：石英及びスレートの条痕を有する磁鉄鉱。 掘削ビット：１２−１／４″ＣＳ−２
【００２６】試料は次の通りであった。 試料１：本発明に従う超硬合金ボタンを有するビット
（たがね形状）。公称Ｃｏ含有量は１０重量％、そして
ボタンの直径は１４mm、長さは２１mmであった。帯域Ａ
は３mm、帯域Ｂは２mmであった。 試料２：η相のない表面帯域が２．５mmであり、公称Ｃ
ｏ含有量が１０重量％である、従来技術による超硬合金
ボタン。 試料３：Ｃｏ含有量１０重量％の慣用グレードの超硬合
金ボタン。
【００２７】結果は次の通りであった。 寿命長さ 貫入速度 試 料 （ｍ） （ｍ／ｈ） １ ３０５０ ２１．２ ２ ２５８３ １６．３ ３ １８６８ １５．３
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超硬合金体の結合剤相分布を模式
的に示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウド カール ラインホルト フイツシヤ ー スウエーデン国，エス−162 34 ベーリ ングビイ，フリヘレガタン 66

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＷＣのα相とＣｏ，Ｆｅ及びＮｉのうち
    の少なくとも一つに基づく結合剤相とを含み、且つ、外
    側部分Ａの結合剤相含有量が公称含有量よりも少ない表
    面帯域Ａ及びＢによって取囲まれたη相含有超硬合金の
    心部Ｃを含んでなる、削岩及び鉱物の掘削に好ましく用
    いるための超硬合金体であって、帯域Ａのうちの外側部
    分における結合剤相含有量が、ほとんど一定であり、最
    高で２０％／mmの割合で相対的に増加又は減少すること
    を特徴とする超硬合金体。
  2. 【請求項２】 結合剤相含有量が一定又はほとんど一定
    である前記η相のない表面帯域の幅が帯域Ａ全体の幅の
    少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７０％である
    が、少なくとも０．８mmであることを特徴とする、請求
    項１記載の超硬合金体。
  3. 【請求項３】 前記η相のない帯域の外側部分の結合剤
    相含有量が公称の結合剤相含有量の０．２〜０．８倍、
    好ましくは０．３〜０．７倍であることを特徴とする、
    請求項１又は２記載の超硬合金体。
  4. 【請求項４】 前記η相のない帯域の内側部分Ｂの結合
    剤相含有量が公称含有量よりも多いことを特徴とする、
    請求項１から３までのいずれか一つに記載の超硬合金
    体。
  5. 【請求項５】 帯域Ｂにおける結合剤相含有量が公称の
    結合剤相含有量の少なくとも１．２倍、好ましくは１．
    ６〜３倍の最高値に達することを特徴とする、請求項１
    から４までのいずれか一つに記載の超硬合金体。
  6. 【請求項６】 ミリングし、圧縮し、そして焼結して、
    炭素含有量が化学量論的な量より少ない粉末を焼結して
    η相含有体とし、これを焼結後に部分的に浸炭熱処理し
    て、η相のない表面帯域に取り囲まれたη相含有心部が
    得られるような粉末治金法により、請求項１から５まで
    のいずれか一つに記載の超硬合金体を製造する方法であ
    って、浸炭処理を１に近く、好ましくは少なくとも０．
    ８の炭素活動度（ｃａｒｂｏｎ ａｃｔｉｖｉｔｙ）で
    行うことを特徴とする製造方法。
JP4030830A 1991-02-18 1992-02-18 超硬合金体及びその製造方法 Pending JPH059649A (ja)

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