KR20170086525A - 굴삭 팁 및 굴삭 비트 - Google Patents

Abstract

본 발명의 굴삭 팁은, 굴삭 비트의 선단부에 장착되어 굴삭을 실시하는 굴삭 팁으로서, 팁 본체와, 이 팁 본체의 적어도 선단부에 피복된 팁 본체보다 경질인 다이아몬드 소결체로 이루어지는 경질층을 구비하고, 이 경질층은, 경질층의 표면측에서부터 팁 본체측을 향하여, 적어도 2 층의 고경도층과, 이들 고경도층 사이에 배치 형성된 고경도층보다 경도가 낮은 저경도층을 가지고 있다.

Description

굴삭 팁 및 굴삭 비트{DRILL TIP AND DRILL BIT}

본 발명은, 굴삭 비트의 선단부에 장착되어 굴삭을 실시하는 굴삭 팁, 및 이와 같은 굴삭 팁이 선단부에 장착된 굴삭 비트에 관한 것이다.

본원은 2014년 11월 27일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2014-240087호, 및 2015년 11월 25일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2015-230103호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

굴삭 비트의 선단부에 장착되어 굴삭을 실시하는 굴삭 팁으로는, 초경 합금으로 이루어지는 팁 본체의 선단부에, 이 팁 본체보다 경질인 다결정 다이아몬드의 소결체로 이루어지는 경질층이 피복된 것이 알려져 있다. 여기에서, 특허문헌 1 ∼ 5 에는, 주로 다결정 다이아몬드 소결체에 있어서의 응력의 완화를 목적으로 하여 경질층을 다층 구조로 한 것이 제안되어 있다. 그 다층 구조에서는, 경질층 표면의 최외층에서부터 팁 본체측을 향하여 경도는 낮아지고, 인성은 높아지도록 경사를 갖게 하고 있다.

일반적으로, 이와 같은 다층 구조의 경질층의 최외층은, 다이아몬드 입자에 금속 바인더 (금속 촉매) 로서 Co 등을 첨가하여 소결한 조성의 다결정 다이아몬드 소결체로 되어 있다. 또, 내측의 층에서는 다이아몬드의 함유량을 감소시키고 대신에 WC 등의 금속 탄화물을 첨가함으로써, 팁 본체보다 높은 경도를 유지하면서 인성을 높이고 있다. 이 내측의 층을 더욱 다층 구조로 한 것도 제안되어 있으며, 내측의 층이 될수록 다이아몬드 함유량을 적게 하고, WC 함유량을 많게 하여 경도와 인성에 경사를 갖게 하고 있다.

미국 특허 제4694918호 명세서 미국 특허 제8573330호 명세서 미국 특허 제8695733호 명세서 미국 특허 제8292006호 명세서 일본 특허공보 제4676700호

그런데, 이와 같은 굴삭 팁을 장착한 굴삭 비트에 의한 굴삭 작업에서는, 예를 들어 암반 1 면에 깊이 수 미터의 굴삭공을 수십 군데 굴삭하고, 이들 굴삭공에 폭약을 넣어 발파함으로써 큰 굴삭공을 형성해 간다. 따라서, 굴삭 작업의 효율화를 위해서는, 1 면에 수십 군데의 굴삭공을 굴삭할 때, 도중에 교환을 필요로 하는 경우가 없는 장수명의 굴삭 비트가 요구된다.

그러나, 상기 서술한 바와 같은 다층 구조의 경질층을 갖는 굴삭 팁에 있어서는, 굴삭시에 돌발적으로 암반 중의 매우 단단한 초경암 등에 부딪혀 최외층의 다결정 다이아몬드 소결체층에 결손이나 치핑이 생기면, 경질층의 내부의 경도가 낮아서 비교적 유연한 층이 노출된다. 그와 같이 경질층의 내부가 노출되면, 이 노출된 부분에서부터 급격하게 마모가 진행되어, 그 마모가 팁 본체에 이르게 되고, 굴삭이 불가능해져 굴삭 비트의 수명이 줄게 된다.

본 발명은, 이와 같은 배경하에 이루어진 것으로, 굴삭시에 만일 외층에 결손이나 치핑이 생겨도, 바로 마모가 팁 본체에 이르지 않고, 굴삭 성능을 유지하는 것이 가능한 굴삭 팁을 제공한다. 또, 이와 같은 굴삭 팁을 장착한 장수명의 굴삭 비트를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 과제를 해결하여 이와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 양태인 굴삭 팁은, 굴삭 비트의 선단부에 장착되어 굴삭을 실시하는 굴삭 팁으로서, 팁 본체와, 이 팁 본체의 선단부에 피복된 그 팁 본체보다 경질인 다이아몬드 소결체로 이루어지는 경질층을 구비하고, 상기 경질층은, 그 경질층의 표면측에서부터 상기 팁 본체측을 향하여, 적어도 2 층의 고경도층과, 이들 고경도층 사이에 배치 형성된 그 고경도층보다 경도가 낮은 저경도층을 가지고 있는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 굴삭 팁에 있어서는, 팁 본체의 선단부에 피복된 다이아몬드 소결체로 이루어지는 경질층이, 이 경질층의 표면측에서부터 팁 본체측을 향하여, 즉 그 경질층의 외층측에서부터 내측을 향하여, 적어도 2 층의 고경도층과, 이들 고경도층 사이에 배치 형성된 고경도층보다 경도가 낮은 저경도층을 가지고 있기 때문에, 굴삭시에 외층측의 고경도층에 결손이나 치핑이 생겨 내부가 노출되고, 이 노출된 부분에서부터 내측의 저경도층이 마모되어도, 이 저경도층의 내측에 위치하는 팁 본체측의 고경도층에 의해 마모의 진행을 억제할 수 있다.

이 때문에, 상기 구성의 굴삭 팁에 의하면, 경질층에 생긴 마모가 급격하게 진행되어 팁 본체에 이르는 것을 방지할 수 있고, 내측의 고경도층에 의해 굴삭 팁의 굴삭 성능을 유지할 수 있다. 따라서, 이와 같은 굴삭 팁을 선단부에 장착한 본 발명의 굴삭 비트에 있어서는, 그 수명의 연장을 도모할 수 있어, 다수의 굴삭공을 굴삭하는 도중에 굴삭 팁을 교환할 필요가 없어져, 굴삭 작업의 효율화를 촉구하는 것이 가능해진다.

또, 경질층에, 그 경질층의 표면측에서부터 상기 팁 본체측을 향하여, 각각 복수 층씩의 상기 고경도층과 상기 저경도층을 교대로 배치 형성함으로써, 내측의 고경도층에 대해서도, 그 더욱 내측에 배치 형성되는, 고경도층보다는 경도가 낮고, 인성은 높아지는 저경도층에 의해 응력의 완화를 도모할 수 있다. 또한, 3 층 이상의 고경도층을 저경도층과 교대로 배치 형성하면, 고경도층의 층수에 따라 굴삭 팁의 수명을 연장할 수 있다.

여기에서, 상기 고경도층의 두께는, 상기 저경도층의 두께의 1/2 이상이고 그 저경도층의 두께 이하의 범위가 되는 것이 바람직하다. 고경도층의 두께를 저경도층의 두께의 1/2 이상으로 함으로써, 상대적으로 저경도층을 고경도층의 2 배 이상의 두께로 할 수 있기 때문에, 외층의 고경도층에 결손 등이 생겼을 때에 마모가 내측의 고경도층에 이를 때까지의 굴삭 길이나 시간을 확보할 수 있다. 단, 고경도층의 두께가 저경도층의 두께보다 두꺼우면, 고경도층의 응력을 충분히 완화할 수 없게 될 우려가 있다.

또, 구체적으로, 개개의 상기 고경도층의 두께와 상기 저경도층의 두께는, 각각 가장 얇은 부분에서 150 ㎛ 이상이고, 가장 두꺼운 부분에서 800 ㎛ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다. 고경도층 및 저경도층 모두 가장 얇은 부분의 두께가 150 ㎛ 미만인 경우에는, 층을 균일하게 형성하는 것이 곤란해져 충분한 내마모성을 얻을 수 없게 될 우려가 있다. 한편, 가장 두꺼운 부분의 두께가 800 ㎛ 를 상회하는 경우에는, 이 부분에서 외층의 고경도층이 결손되어 그 내측의 저경도층이 마모되었을 때, 경질층의 표면이 크게 벗겨져 떨어져, 굴삭 팁 선단부의 형상이 변형되어 원하는 굴삭 성능을 얻을 수 없게 될 우려가 있다.

또한, 상기 서술한 바와 같이 고경도층은 다이아몬드 입자에 Co 등의 금속 바인더 (금속 촉매) 를 첨가하여 소결한 다결정 다이아몬드 소결체의 층으로 함과 함께, 저경도층은 다이아몬드 입자의 함유량을 감소시켜 금속 탄화물 또는 금속 질화물 등의 입자를 첨가한 다이아몬드 소결체로 이루어지는 층으로 해도 된다. 또, 고경도층과 저경도층을 모두 다이아몬드 입자와 금속 바인더 및 금속 탄화물, 금속 질화물, 금속 탄질화물 등의 첨가 입자를 함유하여 소결한 다이아몬드 소결체층으로 하여, 고경도층과 저경도층에서 다이아몬드 입자의 함유량이나 입경, 금속 바인더나 금속 탄화물 등의 첨가 입자의 함유량, 종류, 조성비 등을 조정하여 경도를 낮게 해도 된다.

또한, 이와 같이 경도를 조정함으로써, 상기 경질층의 표면측에서부터 상기 팁 본체측을 향하여, 상기 고경도층과 상기 저경도층 사이에, 그 고경도층보다 경도가 낮고 상기 저경도층보다 경도가 높은 중간층을 배치 형성하도록 해도 된다. 이와 같은 중간층을 형성함으로써 외층측의 고경도층의 응력 완화를 유지하면서, 고경도층에 결손 등이 생겼을 때에도 마모가 저경도층에 이를 때까지의 굴삭 성능을 확보할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 굴삭시에 돌발적으로 암반 중의 매우 단단한 초경암 등에 굴삭 팁이 부딪혀 경질층 외층의 고경도층에 결손이나 치핑이 생기고, 노출된 부분에서부터 내측의 저경도층으로 마모가 진행되어도, 단번에 마모가 팁 본체까지 이르는 것을 방지하여 굴삭 성능을 유지할 수 있고, 굴삭 비트의 수명을 연장하여 효율적인 굴삭 작업을 도모할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 굴삭 팁의 일 실시형태를 나타내는 단면도이다.
도 2 는 도 1 에 나타내는 실시형태의 굴삭 팁을 선단부에 장착한 본 발명의 굴삭 비트의 일 실시형태를 나타내는 단면도이다.

도 1 은 본 발명의 굴삭 팁 (1) 의 일 실시형태를 나타내는 단면도이다. 도 2 는 이 실시형태의 굴삭 팁 (1) 을 장착한 본 발명의 굴삭 비트의 일 실시형태를 나타내는 단면도이다. 본 실시형태의 굴삭 팁 (1) 은, 초경 합금 등의 경질 재료로 이루어지는 팁 본체 (2) 와, 이 팁 본체 (2) 의 선단부 (도 1 에 있어서 상측 부분) 에 피복된, 팁 본체 (2) 보다 경질인 다이아몬드 소결체로 이루어지는 경질층 (3) 을 구비하고 있다.

팁 본체 (2) 는, 그 후단부 (도 1 에 있어서 하측 부분) 가 팁 중심선 (C) 을 중심으로 한 원기둥상을 이루고 있음과 함께, 선단부는, 후단부가 이루는 원기둥의 반경과 동일한 반경이고 팁 중심선 (C) 상에 중심을 갖는 반구상을 이루며, 선단측을 향함에 따라 팁 중심선 (C) 으로부터의 외경이 점차 작아지도록 형성되어 있다. 즉, 본 실시형태의 굴삭 팁 (1) 은, 버튼 팁으로 되어 있다.

이와 같은 굴삭 팁 (1) 이 선단부에 장착되는 굴삭 비트는, 강재 등에 의해 형성되어 도 2 에 나타내는 바와 같이 축선 (O) 을 중심으로 한 개략 바닥이 있는 원통상을 이루는 비트 본체 (11) 를 갖고, 그 유저부 (有底部) 가 선단부 (도 2 에 있어서 상측 부분) 가 되어 굴삭 팁 (1) 이 장착된다.

또, 원통상의 후단부 (도 2 에 있어서 하측 부분) 의 내주에는 암나사부 (12) 가 형성되어, 굴삭 장치에 연결된 굴삭 로드가 이 암나사부 (12) 에 돌려 넣어져 축선 (O) 방향의 선단측을 향한 타격력과 추력, 및 축선 (O) 둘레의 회전력이 전달된다. 이로써, 굴삭 팁 (1) 에 의해 암반을 파쇄하여 굴삭공을 형성한다.

비트 본체 (11) 의 선단부는 후단부보다 약간 외경이 대경으로 되어 있고, 이 선단부의 외주에는 축선 (O) 에 평행하게 연장되는 배출홈 (13) 이 둘레 방향으로 간격을 두고 복수 형성되어서, 상기 굴삭 팁 (1) 에 의해 암반이 파쇄되어 생성된 파쇄 부스러기가 이 배출홈 (13) 을 통하여 후단측으로 배출된다. 또, 바닥이 있게 형성된 비트 본체 (11) 의 암나사부 (12) 바닥면으로부터는 축선 (O) 을 따라 블로공 (14) 이 형성되어 있다. 이 블로공 (14) 은 비트 본체 (11) 선단부에서 비스듬하게 분기되어 비트 본체 (11) 의 선단면으로 개구되고, 상기 굴삭 로드를 개재하여 공급되는 압축 공기와 같은 유체를 분출하여 파쇄 부스러기의 배출을 촉진한다.

또한, 비트 본체 (11) 의 선단면은, 내주측의 축선 (O) 에 수직인 축선 (O) 을 중심으로 한 원형의 페이스면 (15) 과, 이 페이스면 (15) 의 외주에 위치하며 외주측으로 향함에 따라 후단측으로 향하는 원뿔대면상의 게이지면 (16) 을 구비하고 있다. 블로공 (14) 은 페이스면 (15) 으로 개구됨과 함께, 배출홈 (13) 의 선단은 게이지면 (16) 으로 개구되어 있다.

그리고, 이들 페이스면 (15) 과 게이지면 (16) 에는, 각각 블로공 (14) 과 배출홈 (13) 의 개구부를 피하도록 하여, 단면이 원형인 복수의 장착공 (17) 이 형성되어 있다. 상기 굴삭 팁 (1) 은, 그 원기둥상의 후단부가 이들 장착공 (17) 에 압입이나 수축 끼워맞춤 등에 의해 억지 끼워맞춤되거나, 브레이징되거나 함으로써 고정되고, 팁 중심선 (C) 이 페이스면 (15) 과 게이지면 (16) 에 수직이 되도록 장착된다.

이와 같이 하여 굴삭 비트의 선단부에 장착되는 굴삭 팁 (1) 에 있어서는, 그 선단부에 피복된 상기 경질층 (3) 이, 그 경질층 (3) 의 표면측에서부터 팁 본체 (2) 측을 향하여, 적어도 2 층의 고경도층 (4) 과, 이들 고경도층 (4) 사이에 배치 형성된 고경도층 (4) 보다 경도가 낮은 저경도층 (5) 을 가지고 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 팁 본체 (2) 측의 고경도층 (4) 과 팁 본체 (2) 사이에도 저경도층 (5) 이 배치 형성되어 있어, 각각 복수 층인 2 층씩의 고경도층 (4) 과 저경도층 (5) 이, 이 순서로 경질층 (3) 의 표면에서부터 팁 본체 (2) 의 표면을 향하여 교대로 배치 형성되어 있다.

이 중에서, 고경도층 (4) 은, 다이아몬드 입자에 Co, Ni, 혹은 Fe-Ni 합금 등의 금속 바인더 (금속 촉매) 를 첨가하기만 한 상태에서 소결한 다결정 다이아몬드 소결체의 층으로 한다. 한편, 저경도층 (5) 은, 고경도층 (4) 에 비해 다이아몬드 입자의 함유량을 감소시킴과 함께, WC, TaC, TiC 등의 금속 탄화물 입자, TiN, cBN 등의 금속 질화물 입자, 혹은 TiCN 등의 금속 탄질화물 입자와, 상기 서술한 바와 같은 금속 바인더를 첨가하여 소결한 소결체층으로 한다. 이로써, 고경도층 (4) 보다 저경도층 (5) 의 경도를 낮게 할 수 있다. 이와 같이 제작한 경우에는, 고경도층 (4) 의 비커스 경도는 2500 ∼ 4000 정도, 저경도층 (5) 의 비커스 경도는 1500 ∼ 2500 정도의 범위가 된다.

또한, 고경도층 (4) 과 저경도층 (5) 을 모두 다이아몬드 입자와, 상기 서술한 바와 같은 금속 바인더 및 금속 탄화물, 금속 질화물, 금속 탄질화물 등의 첨가물 입자를 함유하여 소결한 소결체층으로 해도 된다. 이 중, 저경도층 (5) 에 있어서는, 다이아몬드 입자의 함유량이나 입경을 작게 하거나, 금속 탄화물 등의 첨가물 입자의 함유량, 종류, 조성비 등을 조정하거나 함으로써 고경도층 (4) 보다 경도를 낮게 할 수도 있다. 또한, 이와 같은 경질층 (3) 이 팁 본체 (2) 의 선단부에 피복된 굴삭 팁 (1) 의 소결은, 기본적으로 다이아몬드 안정 영역에서 실시되고, 예를 들어 특허문헌 1 ∼ 5 에 기재된 바와 같은 공지된 소결 방법에 의해서 가능하다.

이와 같은 구성의 굴삭 팁 (1) 및 그 굴삭 팁 (1) 을 선단부에 장착한 굴삭 비트에서는, 굴삭 팁 (1) 이 굴삭시에 돌발적으로 암반 중의 매우 단단한 초경암 등에 부딪힌 경우에, 팁 본체 (2) 의 적어도 선단부에 피복된 경질층 (3) 중 최외층인 제 1 고경도층 (4) 에 결손이나 치핑이 생겨 경질층 (3) 의 내부가 노출된다. 이로 인해 내측의 저경도층 (5) 이 마모되지만, 이 저경도층 (5) 의 더욱 내측에는 저경도층 (5) 보다 고경도가 되는 제 2 고경도층 (4) 이 배치 형성되어 있기 때문에, 마모가 팁 본체 (2) 에 이를 때까지 급격하게 진행되는 것을 이 제 2 고경도층 (4) 에 의해 억제할 수 있다.

따라서, 마모의 진행에 의해 제 1, 제 2 고경도층 (4) 사이의 저경도층 (5) 이 마멸된 후에도, 경질층 (3) 의 팁 본체 (2) 측, 즉 내측의 제 2 고경도층 (4) 에 의해 굴삭을 속행할 수 있기 때문에, 굴삭 성능을 유지하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 그와 같은 굴삭 팁 (1) 을 선단부에 장착한 굴삭 비트에 의하면, 당해 굴삭 비트의 수명을 연장시킬 수 있어, 암반 1 면에 수 미터의 굴삭공을 수십 군데 형성하는 경우에서도, 도중에 굴삭 비트를 교환할 필요가 없어져 효율적인 굴삭 작업을 실시하는 것이 가능해진다.

또, 이들 제 1, 제 2 고경도층 (4) 사이에는, 이들 고경도층 (4) 보다 경도가 낮은 반면, 인성은 높은 저경도층 (5) 이 사이에 끼여 장착되어 있기 때문에, 특히 고경도층 (4) 이 다이아몬드 입자에 금속 바인더만을 첨가하여 소결한 다결정 다이아몬드 소결체인 경우에서도, 고경도층 (4) 에 발생하는 잔류 응력의 완화를 도모할 수 있다. 게다가, 본 실시형태에서는, 고경도층 (4) 과 저경도층 (5) 이 각각 복수 층 (2 층) 씩, 경질층 (3) 의 표면측에서부터 팁 본체 (2) 측을 향하여 교대로 배치 형성되어 있다. 그 때문에, 내측의 제 2 고경도층 (4) 의 응력도, 그 내측 즉 제 2 고경도층 (4) 과 팁 본체 (2) 사이에 끼여 장착되는 저경도층 (5) 에 의해 완화할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 이와 같이 2 층씩의 고경도층 (4) 과 저경도층 (5) 이 경질층 (3) 의 표면측에서부터 팁 본체 (2) 측을 향하여 교대로 배치 형성되어 있지만, 경질층 (3) 에 있어서는 적어도, 2 층의 고경도층 (4) 과, 그 사이에 배치 형성되는 1 층의 저경도층 (5) 이 구비되어 있으면 된다. 즉, 가장 팁 본체 (2) 측인 제 2 고경도층 (4) 은 팁 본체 (2) 의 선단부 표면에 직접 피복된 것이어도 된다. 또, 3 층 이상의 고경도층 (4) 이 저경도층 (5) 을 사이에 두고 교대로 배치 형성되어 있어도 되어, 예를 들어 동수의 고경도층 (4) 과 저경도층 (5) 이 교대로 적층된 짝수층의 경질층 (3) 이어도 되고, 최외층과 최내층이 고경도층 (4) 이고 각 고경도층 (4) 사이에 저경도층 (5) 이 배치 형성된 홀수층의 경질층 (3) 이어도 된다. 경질층 (3) 에는, 경질층 (3) 의 표면측에서부터 팁 본체 (2) 측을 향하여 2 ∼ 6 층씩의 고경도층 (4) 과 저경도층 (5) 이 교대로 배치 형성되어도 된다. 또, 고경도층과 저경도층의 합계 층수는, 4 층 이상 12 층 이하로 해도 된다.

또한, 경질층 (3) 의 표면측에서부터 팁 본체 (2) 측을 향하여 고경도층 (4) 에서부터 저경도층 (5) 사이에, 경도가 고경도층 (4) 보다 낮고 저경도층 (5) 보다는 높은 중간층을 배치 형성하도록 해도 된다. 예를 들어, 고경도층 (4) 이 다이아몬드 입자에 금속 바인더만을 첨가하여 소결한 다결정 다이아몬드 소결체층인 경우에, 이 고경도층 (4) 과 저경도층 (5) 사이에, 다이아몬드 입자의 함유량이나 입경, 금속 바인더나 금속 탄화물 등의 첨가 입자의 함유량, 종류, 조성비 등을 조정함으로써, 경도를 저경도층 (5) 보다 높고, 고경도층 (4) 보다는 낮게 한 중간층을 배치 형성해도 된다.

이와 같은 중간층은, 외층측의 고경도층 (4) 에 비해서는 경도가 낮고 인성을 높게 할 수 있기 때문에, 이 고경도층 (4) 의 응력을 어느 정도는 완화할 수 있다. 한편, 내층측인 저경도층 (5) 에 비해서는 높은 경도이기 때문에, 고경도층 (4) 에 결손이나 치핑이 생겼을 때에 마모가 저경도층 (5) 에 이를 때까지 굴삭 성능을 유지할 수 있어, 결과적으로 굴삭 팁 (1) 의 장수명화를 도모할 수 있다. 또한, 이 중간층 자체도, 경질층 (3) 의 표면측에서부터 팁 본체 (2) 측, 즉 외층측에서부터 내층측을 향하여 순차적으로 경도가 낮아지는 복수의 층에 의해 형성되어 있어도 된다.

여기에서, 각 고경도층 (4) 의 두께는, 저경도층 (5) 의 두께의 1/2 이상이고 저경도층 (5) 의 두께 이하의 범위가 되는 것이 바람직하다. 고경도층 (4) 의 두께가 저경도층 (5) 의 두께보다 크지 않으면, 이 저경도층 (5) 에 의해 고경도층 (4) 의 응력을 완화하기에 충분하다. 또, 고경도층 (4) 의 두께가 저경도층 (5) 의 두께의 1/2 이상이면, 상대적으로 저경도층 (5) 의 두께는 고경도층 (4) 의 두께의 2 배 이상이 되기 때문에, 한층 더 확실하게 고경도층 (4) 의 응력 완화를 도모할 수 있다. 또한, 이와 같이 저경도층 (5) 의 두께가 확보됨에 따라, 저고도라 하더라도 팁 본체 (2) 보다는 경질인 저경도층 (5) 에 의해, 그 저경도층 (5) 의 내측인 고경도층 (4) 이나 팁 본체 (2) 에 마모가 이를 때까지의 굴삭 길이나 시간을 길게 확보할 수 있다.

보다 구체적으로는, 개개의 고경도층 (4) 의 두께와 저경도층 (5) 의 두께는, 각각 가장 얇은 부분에서 150 ㎛ 이상이고, 가장 두꺼운 부분에서 800 ㎛ 이하로 되어 있는 것이 바람직하다. 이들 각 고경도층 (4) 및 저경도층 (5) 에 있어서, 가장 얇은 부분의 두께가 150 ㎛ 미만이면, 상기 서술한 바와 같이 고경도층 (4) 과 저경도층 (5) 이 다이아몬드 입자를 포함하는 소결체층인 경우에는 두께를 균일하게 하는 것이 곤란해져, 충분한 내마모성을 얻을 수 없게 될 우려가 있다. 또, 가장 두꺼운 부분의 두께가 800 ㎛ 를 상회하면, 이 가장 두꺼운 부분에서 고경도층 (4) 이 결손되어 저경도층 (5) 이 마모되었을 때에는, 경질층 (3) 의 표면이 크게 벗겨져 떨어져, 굴삭 팁 (1) 의 선단부의 형상이 변형되어 원하는 굴삭 성능을 얻을 수 없게 될 우려가 있다. 이것은, 중간층에 대해서도 마찬가지이다.

경질층 (3) 전체의 두께는, 450 ㎛ ∼ 2500 ㎛ 의 범위가 되는 것이 바람직하다. 경질층 (3) 전체의 두께가 450 ㎛ 미만이면, 층의 수가 가장 적은 2 층의 고경도층 (4) 과 1 층의 저경도층 (5) 에 의해 경질층 (3) 이 형성되어 있는 경우에서도, 어느 층에 상기 서술한 바와 같이 가장 얇은 부분의 두께가 150 ㎛ 미만인 지점이 생김과 함께, 절대적인 경질층 (3) 의 두께가 지나치게 얇아 바로 마모되어 버려, 필요한 굴삭 길이의 굴삭공을 형성할 수 없게 될 우려가 있다. 한편, 경질층 (3) 의 두께가 2500 ㎛ 를 초과하면, 고경도층 (4) 과 저경도층 (5) 이 다이아몬드 소결체층인 경우에는, 저경도층 (5) 에 의해 응력이 완화되어 있다고 하더라도, 잔류 응력에 의해 굴삭 팁 (1) 전체에 균열이 생기기 쉬워질 우려가 있다.

또한, 본 실시형태의 굴삭 팁 (1) 에서는, 상기 서술한 바와 같이 팁 본체 (2) 의 선단부가 반구상을 이루는 버튼 타입의 굴삭 팁에 본 발명을 적용한 경우에 대해서 설명하였지만, 팁 본체의 선단부가 포탄상을 이루는 이른바 발리스틱 타입의 굴삭 팁이나, 선단부의 후단측이 원뿔면상을 이루어 선단측을 향함에 따라 직경이 축소됨과 함께, 그 선단이 팁 본체의 원기둥상의 후단부보다 작은 반경의 구면상을 이루는 이른바 스파이크 타입의 굴삭 팁에 본 발명을 적용하는 것도 가능하다.

실시예

다음으로, 본 발명의 굴삭 팁 및 굴삭 비트에 있어서의 효과에 대하여, 실시예를 들어 실증한다. 본 실시예에서는, 선단부가 이루는 반구의 직경이 11 ㎜ 인 버튼 타입의 굴삭 팁을 5 종 제조하였다. 상기 절삭 팁은, 경질층인 고경도층과 저경도층 (실시예 3 에서는 중간층도) 에 있어서의 다이아몬드 입자와 금속 탄화물 등의 첨가물 입자의 입경 및 체적 함유율, 금속 바인더의 조성 및 첨가 비율, 층수 및 각 층의 두께를 여러 가지로 바꾸어 피복하였다. 이들을 실시예 1 ∼ 5 로 하였다. 본 실시예의 소결은 모두 특허문헌 1 ∼ 5 에 기재된 방법과 마찬가지로, 초고압ㆍ고온 발생 장치를 사용하여, 다이아몬드 안정 영역인, 압력 5.8 ㎬, 온도 1500 ℃, 소결 시간 10 분에서 실시하였다.

실시예 1 에서는, 고경도층을, 입경 2 ∼ 4 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 30 vol％, 입경 20 ∼ 40 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 70 vol％ 함유하고, 첨가물 입자는 함유하지 않고, Ni : 100 wt％ 의 금속 바인더를 15 vol％ (입자를 포함한 층 전체에 대한 함유율. 이하, 동일.) 함유한 혼합물에 의해 두께 200 ㎛ 로 형성하였다. 또, 저경도층을, 입경 4 ∼ 6 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 60 vol％, 첨가물 입자로서 입경 0.5 ∼ 2 ㎛ 의 TaC 입자를 40 vol％, Co : 100 wt％ 의 금속 바인더를 10 vol％ 함유한 혼합물에 의해 두께 400 ㎛ 로 형성하였다. 이들을 표면측에서부터 팁 본체측을 향하여 3 층씩 교대로 배치 형성한 경질층을 선단부에 피복하였다.

실시예 2 에서는, 고경도층을 입경 10 ∼ 20 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 100 vol％ 함유하고, 첨가물 입자는 함유하지 않고, Co : 100 wt％ 의 금속 바인더를 10 vol％ 를 함유한 혼합물에 의해 두께 150 ㎛ 로 형성하였다. 또, 저경도층을, 입경 4 ∼ 6 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 50 vol％, 첨가물 입자로서 입경 0.5 ∼ 2 ㎛ 의 WC 입자를 50 vol％, Co : 100 wt％ 의 금속 바인더를 15 vol％ 함유한 혼합물에 의해 두께 200 ㎛ 로 형성하였다. 이들을 표면측에서부터 팁 본체측을 향하여 6 층씩 교대로 배치 형성한 경질층을 선단부에 피복하였다.

실시예 3 에서는, 고경도층을, 입경 0.5 ∼ 2 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 30 vol％, 입경 4 ∼ 6 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 70 vol％ 함유하고, 첨가물 입자는 함유하지 않고, Co : 100 wt％ 의 금속 바인더를 10 vol％ 함유한 혼합물에 의해 두께 200 ㎛ 로 형성하였다. 중간층을, 입경 4 ∼ 6 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 60 vol％, 첨가물 입자로서 입경 0.5 ∼ 2 ㎛ 의 WC 입자를 40 vol％, Co : 100 wt％ 의 금속 바인더를 5 vol％ 함유한 혼합물에 의해 두께 200 ㎛ 로 형성하였다. 저경도층을, 입경 4 ∼ 6 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 20 vol％, 첨가물 입자로서 입경 0.5 ∼ 2 ㎛ 의 WC 입자를 80 vol％, Co : 100 wt％ 의 금속 바인더를 5 vol％ 함유한 혼합물에 의해 두께 200 ㎛ 로 형성하였다. 이들을 표면측에서부터 팁 본체측을 향하여 순서대로 2 층씩 배치 형성한 경질층을 선단부에 피복하였다.

실시예 4 에서는, 고경도층을, 입경 15 ∼ 30 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 65 vol％, 첨가물 입자로서 입경 0.5 ∼ 1.3 ㎛ 의 TiC 입자를 35 vol％, Co : 100 wt％ 의 금속 바인더를 15 vol％ 함유한 혼합물에 의해 두께 400 ㎛ 로 형성하였다. 또, 저경도층을, 입경 15 ∼ 30 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 30 vol％, 첨가물 입자로서 입경 0.5 ∼ 2 ㎛ 의 TiCN 입자를 70 vol％, Co : 100 wt％ 의 금속 바인더를 10 vol％ 함유한 혼합물에 의해 두께 800 ㎛ 로 형성하였다. 이들을 표면측에서부터 팁 본체측을 향하여 2 층씩 교대로 배치 형성한 경질층을 선단부에 피복하였다.

실시예 5 에서는, 고경도층을, 입경 6 ∼ 12 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 80 vol％, 첨가물 입자로서 입경 2 ∼ 4 ㎛ 의 WC 입자를 20 vol％ 함유하고, Fe : 69 wt％, Ni : 31 wt％ 의 금속 바인더를 15 vol％ 함유한 혼합물에 의해 두께 200 ㎛ 로 형성하였다. 또, 저경도층을, 입경 15 ∼ 30 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 40 vol％, 첨가물 입자로서 입경 2 ∼ 4 ㎛ 의 cBN 입자를 60 vol％, Co : 100 wt％ 의 금속 바인더를 10 vol％ 함유한 혼합물에 의해 두께 300 ㎛ 로 형성하였다. 이들을 표면측에서부터 팁 본체측을 향하여 2 층씩 교대로 배치 형성한 경질층을 선단부에 피복하였다.

한편, 이들 실시예 1 ∼ 5 에 대한 비교예로서, 2 층의 고경도층 사이에 저경도층을 갖지 않는 경질층이 피복된 선단부가 이루는 반구의 직경이 마찬가지로 11 ㎜ 인 버튼 타입의 굴삭 팁을 4 종 제조하였다. 이들을 비교예 1 ∼ 4 로 한다. 본 비교예의 소성도 본 실시예와 마찬가지로 초고압ㆍ고온 발생 장치를 사용하여, 다이아몬드 안정 영역인, 압력 5.8 ㎬, 온도 1500 ℃, 소결 시간 10 분에서 실시하였다.

비교예 1 에서는, 고경도층을, 입경 0.5 ∼ 2 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 30 vol％, 입경 4 ∼ 6 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 70 vol％ 함유하고, 첨가물 입자는 함유하지 않고, Co : 100 wt％ 의 금속 바인더를 10 vol％ 함유한 혼합물에 의해 두께 200 ㎛ 로 형성하였다. 또, 중간층을, 입경 4 ∼ 6 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 60 vol％, 첨가물 입자로서 입경 0.5 ∼ 2 ㎛ 의 WC 입자를 40 vol％, Co : 100 wt％ 의 금속 바인더를 5 vol％ 함유한 혼합물에 의해 두께 400 ㎛ 로 형성하였다. 또한, 저경도층을 입경 4 ∼ 6 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 20 vol％, 첨가물 입자로서 입경 0.5 ∼ 2 ㎛ 의 WC 입자를 80 vol％ 함유하고, Co : 100 wt％ 의 금속 바인더를 5 vol％ 함유한 혼합물에 의해 두께 600 ㎛ 로 형성하였다. 이들을 표면측에서부터 팁 본체측을 향하여 순서대로 1 층씩만 배치 형성한 경질층을 선단부에 피복하였다.

비교예 2 에서는, 경질층을 입경 0.5 ∼ 2 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 30 vol％, 입경 4 ∼ 6 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 70 vol％ 함유하고, 첨가물 입자는 함유하지 않고, Co : 100 wt％ 의 금속 바인더를 10 vol％ 함유한 혼합물에 의해 두께 800 ㎛ 의 1 층만 피복하였다.

비교예 3 에서는, 고경도층을 입경 0.5 ∼ 2 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 30 vol％, 입경 4 ∼ 6 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 70 vol％ 함유하고, 첨가물 입자는 함유하지 않고, Co : 100 wt％ 의 금속 바인더를 10 vol％ 함유한 혼합물에 의해 두께 400 ㎛ 로 형성하였다. 또, 저경도층을 입경 4 ∼ 6 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 60 vol％, 첨가물 입자로서 입경 0.5 ∼ 2 ㎛ 의 WC 입자를 40 vol％, Co : 100 wt％ 의 금속 바인더를 5 vol％ 함유한 혼합물에 의해 두께 600 ㎛ 로 형성하였다. 이들을 표면측에서부터 팁 본체측을 향하여 순서대로 1 층씩만 배치 형성한 경질층을 선단부에 피복하였다.

비교예 4 에서는, 고경도층을, 입경 0.5 ∼ 2 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 30 vol％, 입경 4 ∼ 6 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 70 vol％ 함유하고, 첨가물 입자는 함유하지 않고, Co : 100 wt％ 의 금속 바인더를 10 vol％ 함유한 혼합물에 의해 두께 400 ㎛ 로 형성하였다. 또, 저경도층을, 입경 4 ∼ 6 ㎛ 의 다이아몬드 입자를 20 vol％, 첨가물 입자로서 입경 0.5 ∼ 2 ㎛ 의 WC 입자를 80 vol％, Co : 100 wt％ 의 금속 바인더를 5 vol％ 함유한 혼합물에 의해 두께 600 ㎛ 로 형성하였다. 이들을 표면측에서부터 팁 본체측을 향하여 순서대로 1 층씩만 배치 형성한 경질층을 선단부에 피복하였다.

이와 같이 제조한 실시예 1 ∼ 5 와 비교예 1 ∼ 4 의 굴삭 팁 (버튼 팁) 을, 비트 직경 45 ㎜ 의 굴삭 비트의 게이지면에 5 개, 페이스면에 2 개의 합계로 7 개 장착하였다. 이들을 사용하여 경암과 초경암을 포함하는 평균 1 축 압축 강도 180 ㎫ 의 구리 광산에, 굴삭 길이 4 m 의 굴삭공을 굴삭하는 굴삭 작업을 실시하여, 굴삭 팁이 수명에 이를 때까지의 토털 굴삭 길이 (m) 를 측정함과 함께 굴삭 종료시의 굴삭 팁의 마모 형태를 확인하였다. 또한, 굴삭 조건은, 굴삭 장치를 TAMROCK 사 제조 형번 H205D, 타격 압력을 160 bar, 피드 (이송) 압력을 80 bar, 회전 압력을 55 bar 로 하였다. 또, 블로공으로부터는 물을 공급하며 그 수압은 18 bar 였다. 이 결과를 표 1 에 나타낸다.

이 결과로부터, 비교예 1 ∼ 4 의 굴삭 팁을 장착한 굴삭 비트에서는, 가장 굴삭 길이가 긴 비교예 1 에서도, 굴삭 팁에 정상 마모 이외에 일부 치핑이 생겨, 실시예 1 ∼ 5 의 굴삭 팁을 장착한 굴삭 비트의 대략 1/2 의 굴삭 길이에서 수명이 다하고 말았다. 특히, 경질층이 1 층인 비교예 2 에서는, 층 박리에 의해 10 구멍을 굴삭한 시점에서 수명이 다 되어, 1 개의 굴삭 비트로 암반의 1 면에 충분한 수의 굴삭공을 형성할 수 없었다.

이에 대해, 실시예 1 ∼ 5 의 굴삭 팁을 장착한 굴삭 비트에서는, 토털 굴삭 길이가 가장 짧은 실시예 3 에서도 대략 60 구멍의 굴삭공을 형성할 수 있고, 암반 1 면에 수십 군데의 굴삭공을 형성하는 경우에는, 대략 3 면에 대해 굴삭 비트를 교환하지 않고 효율적인 굴삭이 가능하였다. 특히, 고경도층의 층수가 많은 실시예 2 에서는, 100 이상의 굴삭공을 형성할 수 있어, 매우 효율적인 굴삭 작업이 가능하였다.

또한, 실시예 1 과 동일한 고경도층과 저경도층의 조성으로, 고경도층의 두께가 1000 ㎛, 저경도층의 두께가 200 ㎛ 이고, 고경도층과 저경도층이 교대로 2 층씩 적층된 경질층을 갖는 굴삭 팁을 제조하려고 한 결과, 고경도층의 두께가 800 ㎛ 를 초과하고 있어서 경질층에 있어서의 고경도층의 잔류 응력이 높아, 소결시에 고경도층에 층간 크랙이 발생하여 제조할 수 없었다.

산업상 이용가능성

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는, 굴삭시에 돌발적으로 암반 중의 매우 단단한 초경암 등에 굴삭 팁이 부딪혀 경질층 외층의 고경도층에 결손이나 치핑이 생기고, 노출된 부분에서부터 내측의 저경도층으로 마모가 진행되어도, 단번에 마모가 팁 본체까지 이르는 것을 방지하여 굴삭 성능을 유지할 수 있고, 굴삭 비트의 수명을 연장하여 효율적인 굴삭 작업을 도모하는 것이 가능해진다.

1 : 굴삭 팁
2 : 팁 본체
3 : 경질층
4 : 고경도층
5 : 저경도층
11 : 비트 본체
C : 팁 중심선
O : 비트 본체 (11) 의 축선

Claims (6)

1. 굴삭 비트의 선단부에 장착되어 굴삭을 실시하는 굴삭 팁으로서,
   팁 본체와, 이 팁 본체의 적어도 선단부에 피복된 그 팁 본체보다 경질인 다이아몬드 소결체로 이루어지는 경질층을 구비하고,
   상기 경질층은, 그 경질층의 표면측에서부터 상기 팁 본체측을 향하여, 적어도 2 층의 고경도층과, 이들 고경도층 사이에 배치 형성된 그 고경도층보다 경도가 낮은 저경도층을 가지고 있는 굴삭 팁.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 경질층에는, 그 경질층의 표면측에서부터 상기 팁 본체측을 향하여, 각각 복수 층씩의 상기 고경도층과 상기 저경도층이 교대로 배치 형성되어 있는 굴삭 팁.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 고경도층의 두께는, 상기 저경도층의 두께의 1/2 이상이고 그 저경도층의 두께 이하의 범위로 되어 있는 굴삭 팁.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   개개의 상기 고경도층의 두께와 상기 저경도층의 두께는, 각각 가장 얇은 부분에서 150 ㎛ 이상이고, 가장 두꺼운 부분에서 800 ㎛ 이하로 되어 있는 굴삭 팁.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 경질층의 표면측에서부터 상기 팁 본체측을 향하여, 상기 고경도층과 상기 저경도층 사이에는, 그 고경도층보다 경도가 낮고 상기 저경도층보다 경도가 높은 중간층이 배치 형성되어 있는 굴삭 팁.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 굴삭 팁이 선단부에 장착되어있는 굴삭 비트.

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