WO2016148223A1 - 掘削チップおよび掘削ビット - Google Patents
掘削チップおよび掘削ビット Download PDFInfo
- Publication number
- WO2016148223A1 WO2016148223A1 PCT/JP2016/058446 JP2016058446W WO2016148223A1 WO 2016148223 A1 WO2016148223 A1 WO 2016148223A1 JP 2016058446 W JP2016058446 W JP 2016058446W WO 2016148223 A1 WO2016148223 A1 WO 2016148223A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- tip
- boron nitride
- cubic boron
- excavation
- sintered body
- Prior art date
Links
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 94
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 94
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims abstract description 42
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 37
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 37
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 238000009412 basement excavation Methods 0.000 claims description 66
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 9
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 8
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 abstract description 16
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 88
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 41
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 23
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 18
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 18
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 10
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 8
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 7
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 3
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 3
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 238000013001 point bending Methods 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002970 Calcium lactobionate Substances 0.000 description 1
- 229910000760 Hardened steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 101000693961 Trachemys scripta 68 kDa serum albumin Proteins 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- -1 and Co Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
Definitions
- the present invention relates to a drilling tip that is attached to the tip of a drilling bit to perform drilling, and a drilling bit in which such a drilling tip is attached to the tip.
- a hard tip made of a sintered body of polycrystalline diamond harder than the tip body is provided at the tip of the base body of the tip body made of cemented carbide.
- a coating of the layer is known.
- Patent Document 1 discloses that such a polycrystalline diamond is formed on the tip portion of a chip body having a cylindrical rear end portion and a tip portion having a hemispherical shape and an outer diameter that decreases toward the tip side.
- Patent Document 2 proposes a polycrystalline diamond sintered body adjusted to a hardness by adding a carbide such as WC. Yes.
- the polycrystalline diamond sintered body has higher wear resistance than cemented carbide, it has poor fracture resistance due to its low toughness. May happen. If the hard layer is damaged and the cemented carbide substrate is exposed, the wear of the drilling tip is accelerated at a stretch and the life of the drilling bit is shortened. To do.
- the present invention has been made under such a background. It has hardness comparable to that of a polycrystalline diamond sintered body and ensures wear resistance, and has high toughness and excellent fracture resistance. In addition to providing long-life drilling tips that can be used even in mine or Ni-based mines and high-temperature drilling conditions, and can also be used effectively by re-polishing, they also have a long service life.
- An object of the present invention is to provide a drill bit capable of performing efficient drilling.
- a drilling tip which is one embodiment of the present invention (hereinafter referred to as “the drilling chip of the present invention”) is attached to the tip of a drilling bit.
- An excavation tip for excavation having a tip main body having a rear end portion embedded in the bit main body of the excavation bit and a front end portion that tapers toward the front end side protruding from the surface of the excavation bit.
- the surface of at least the tip of the chip body has a content of cubic boron nitride sintered with a catalytic metal containing Al and at least one of Co, Ni, Mn, and Fe in a range of 70 vol% to 95 vol. % Polycrystalline cubic boron nitride sintered body.
- excavation bit which is another aspect of the present invention (hereinafter referred to as “excavation bit of the present invention”) is characterized in that such an excavation tip is attached to the tip of the bit body.
- the polycrystalline cubic boron nitride sintered body having a high content of cubic boron nitride is equivalent to the Hv hardness of 3.5 GPa to 4.2 GPa of the polycrystalline diamond sintered body of the drilling tip for a mining tool. While having hardness, its toughness is higher than that of a polycrystalline diamond sintered body, and there is little possibility of sudden breakage even when excavating a cemented carbide layer. Therefore, the life of the drilling tip formed with such a polycrystalline cubic boron nitride sintered body at least at the tip of the tip body involved in drilling can be extended, and such a drilling tip is arranged at the tip. The installed excavation bit can be exchanged less frequently and can be efficiently excavated.
- such a polycrystalline cubic boron nitride sintered body has low affinity for Fe and Ni, and further has a high heat-resistant temperature of 1100 ° C., so it can cope with a wide range of excavation conditions. Furthermore, since the polycrystalline cubic boron nitride sintered body can be polished with a diamond grindstone, when it is worn to some extent and its shape is distorted, it can be re-polished before defects and the like can be used effectively.
- the content of cubic boron nitride in the polycrystalline cubic boron nitride sintered body is less than 70 vol%, the ratio of direct bonding of cubic boron nitride particles decreases, and the required hardness can be obtained. Disappear.
- the content of cubic boron nitride exceeds 95 vol%, the content of the catalytic metal is reduced and does not reach the entire sintered body, and unreacted cubic boron nitride particles are generated, resulting in uneven firing. It becomes a knot and causes premature wear due to particle dropping.
- a polycrystalline cubic boron nitride sintered body sintered with such a catalyst metal (binder) is sintered with a ceramic binder such as TiC, TiN, AlN, Al 2 O 3 used for cutting hardened steel, for example.
- a ceramic binder such as TiC, TiN, AlN, Al 2 O 3 used for cutting hardened steel, for example.
- the sintered polycrystalline cubic boron nitride sintered body although it is inferior in heat resistance, it has high wear resistance and toughness, and is particularly excellent as a drilling tip used for impact drilling.
- the polycrystalline cubic boron nitride sintered body includes a metal containing at least one of W, Mo, Cr, V, Zr, and Hf in addition to these catalyst metals in order to promote the sintering reaction.
- An additive may be added. By adding these metal additives, for example, the occurrence of abnormal grain growth during the sintering reaction can be suppressed. Further, since a metal boride is generated as a reaction product, a harder sintered body can be formed. In addition, under the same sintering conditions (pressure and temperature), the cBN particles are easily bonded to each other, and a harder sintered body can be obtained.
- the non-cubic boron nitride portion of the polycrystalline cubic boron nitride sintered body occupies 5 to 30 vol% of the polycrystalline cubic boron nitride sintered body.
- the non-cubic boron nitride portion may be composed of the above-described catalytic metal and a metal additive containing one or more of W, Mo, Cr, V, Zr and Hf.
- the content of the catalyst metal in the non-cubic boron nitride portion may be 64 wt% to 100 wt%, and the content of the metal additive in the non-cubic boron nitride portion is It may be from 0% to 36% by weight.
- the content of the catalyst metal in the non-cubic boron nitride portion is from 64 wt% to 90 wt%, and the content of the metal additive in the non-cubic boron nitride portion is from 10 wt%.
- the content of Al in the catalyst metal may be 10 wt% to 14 wt%.
- the grain size of the cubic boron nitride in the polycrystalline cubic boron nitride sintered body is in the range of 0.5 ⁇ m to 60 ⁇ m. If the particle size of the cubic boron nitride particles is smaller than 0.5 ⁇ m, it may not be possible to obtain a sintered body having a uniform microstructure, while the particle size of the cubic boron nitride particles is larger than 60 ⁇ m. And, since the specific surface area of the particles is reduced, the content of the catalytic metal is decreased, and the toughness may be lowered.
- the average particle size of the cubic boron nitride particles must be within the range of 0.5 ⁇ m to 60 ⁇ m as a whole, but the particle size distribution frequency has one peak (single peak peak). It is not necessary to show a particle size distribution), and cubic boron nitride particle powder having a plurality of particle size distribution frequency peaks (multimodal frequency particle size distribution) can also be used. In this case, since the voids can be reduced by entering the small particle diameter particles into the large particle gaps, the sintered body can be further densified.
- the sintered cubic boron nitride sintered body thus sintered has a Hv hardness in the range of 3.5 GPa to 4.4 GPa. If the Hv hardness is less than 3.5 GPa, the wear resistance may be insufficient. Conversely, if the Hv hardness exceeds 4.4 GPa, the toughness is impaired and sufficient fracture resistance cannot be obtained. There is a fear.
- the fracture toughness value K I C of the polycrystalline cubic boron nitride sintered body is in the range of 7MPa ⁇ m 1/2 ⁇ 12MPa ⁇ m 1/2, the fracture toughness value K I C below the 7 MPa ⁇ m 1/2 may result in fracture resistance is insufficient, abrasion resistance fracture toughness value K I C conversely exceeds 12 MPa ⁇ m 1/2 may become insufficient .
- the excavation tip and the excavation bit of the present invention it is possible to prevent both the abrasion tip and the chipping from being suddenly broken or chipped even in the super hard rock layer by achieving both wear resistance and fracture resistance.
- it can be used under a wide range of excavation conditions, and the excavation tip can be effectively used by regrinding.
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the excavation tip of the present invention
- FIG. 2 is a cross-sectional view showing an embodiment of the excavation bit of the present invention to which the excavation tip of this embodiment is attached.
- the excavation tip of this embodiment has a tip body 1, and this tip body 1 has a base 2 made of a hard material such as a cemented carbide and the surface of at least a tip portion (upper portion in FIG. 1) of the base 2. And a hard layer 3 having a hardness (Hv hardness) higher than that of the base body 2.
- the Hv hardness can be measured by a test method defined in Japanese Industrial Standard (JIS) Z2244.
- the chip body 1 has a rear end portion (a lower portion in FIG. 1) formed in a columnar shape or a disc shape with the chip center line C as the center, and the front end portion is the rear end portion in this embodiment.
- a hemisphere having a center on the chip center line C with a radius equal to the radius of the cylinder or disk is formed, and the outer diameter from the chip center line C gradually decreases toward the tip side. . That is, the excavation tip of this embodiment is a button tip.
- the hard layer 3 has a two-layer structure including an outermost layer 4 and an intermediate layer 5 interposed between the outermost layer 4 and the substrate 2. ing.
- the preferred maximum film thickness of the outermost layer 4 is 0.3 ⁇ m to 1.5 ⁇ m, more preferably 0.4 ⁇ m to 1.3 ⁇ m.
- the preferred maximum film thickness of the intermediate layer 5 is 0.2 ⁇ m to 1.0 ⁇ m, more preferably 0.3 ⁇ m to 0.8 ⁇ m.
- the outermost layer 4 arrange
- the intermediate layer 5 is also formed of a polycrystalline cubic boron nitride sintered body sintered with the same catalyst metal, and the content of the cubic boron nitride is the content of the outermost layer 4. It may be less.
- the content of the cubic boron nitride in the intermediate layer 5 is preferably 40 vol% to 70 vol%, more preferably 45 vol% to 65 vol%.
- the grain size of the cubic boron nitride in the polycrystalline cubic boron nitride sintered body of the outermost layer 4 is in the range of 0.5 ⁇ m to 60 ⁇ m.
- the grain size of the cubic boron nitride of the intermediate layer 5 is also in the same range, but may be smaller than the grain size of the cubic boron nitride of the outermost layer 4.
- the polycrystalline cubic boron nitride sintered body of the outermost layer 4 and the intermediate layer 5 includes at least one of W, Mo, Cr, V, Zr, and Hf in addition to the above-described catalyst metal. A metal additive may be added.
- Hv hardness of polycrystalline cubic boron nitride sintered body of the outermost layer 4 formed is in the range of 3.5 GPa ⁇ 4.4 GPa
- fracture toughness value K I C is there is a 7MPa ⁇ m 1/2 ⁇ 12MPa ⁇ m in the range of 1/2.
- the three-point bending strength TRS of the outermost layer 4 was 1.2 GPa to 1.5 GPa when a TRS sample was prepared from a disk-shaped sample having the same composition as the outermost layer 4 and measured.
- Fracture toughness value K I C can be measured by the test method defined in ASTM Standard (ASTM) E399.
- an outermost layer 4 is formed by sintering from hexagonal boron nitride under ultrahigh pressure and high temperature conditions as described in, for example, Japanese Patent No. 5613970 by the inventors of the present invention. Can do.
- the chip body 1 of the excavation chip of this embodiment can be manufactured by integrally sintering the outermost layer 4, the intermediate layer 5, and the base body 2 made of cemented carbide.
- a drill bit to which such a drill tip is attached to the tip has a bit body 11 formed of a steel material or the like and having a substantially bottomed cylindrical shape centering on an axis O as shown in FIG. Is the tip (upper part in FIG. 2), and the excavation tip is attached to the tip. Also, a female threaded portion 12 is formed on the inner periphery of the cylindrical rear end (the lower portion in FIG. 2), and a drilling rod connected to the excavator is screwed into the female threaded portion 12 so as to be in the direction of the axis O. By transmitting the striking force and thrust toward the distal end side and the rotational force around the axis O, the rock mass is crushed by the excavation tip to form an excavation hole.
- the front end portion of the bit body 11 has a slightly larger outer diameter than the rear end portion, and a plurality of discharge grooves 13 extending in parallel to the axis O are spaced apart in the circumferential direction on the outer periphery of the front end portion.
- the crushed debris formed and crushed by the excavation tip is discharged to the rear end side through the discharge groove 13.
- a blow hole 14 is formed along the axis O from the bottom surface of the female screw portion 12 of the bottomed bit body 11, and the blow hole 14 is branched obliquely at the tip end portion of the bit body 11. It opens to the front end surface and ejects a fluid such as compressed air supplied through the excavating rod to promote discharge of crushed debris.
- the front end surface of the bit body 11 has a circular face surface 15 centering on an axis O perpendicular to the inner peripheral axis O, and a rear end side located on the outer periphery of the face surface 15 toward the outer periphery. And a frustoconical gauge surface 16 facing toward the surface.
- the blow hole 14 opens to the face surface 15, and the tip of the discharge groove 13 opens to the outer peripheral side of the gauge surface 16.
- a plurality of mounting holes 17 having a circular cross section are perpendicular to the face surface 15 and the gauge surface 16 so as to avoid the openings of the blow hole 14 and the discharge groove 13 respectively. Is formed.
- the excavation tip is tightly fitted or brazed by press-fitting or shrink fitting with the rear end portion of the tip body 1 being buried as shown in FIG. 2. Fixed, i.e., buried and attached. Further, the tip end portion of the chip body 1 on which the hard layer 3 is formed protrudes from the face surface 15 and the gauge surface 16, and the rock is crushed by the hitting force, thrust force, and rotational force described above.
- the outermost layer 4 of the hard layer 3 covering the surface of the tip portion of the tip body 1 involved in excavation in this way has a large content of cubic boron nitride as high as 70 vol% to 95 vol%.
- the polycrystalline cubic boron nitride sintered body is formed of an Hv hardness comparable to the polycrystalline diamond sintered body of a drilling tip for a mining tool as described above. while having a of the fracture toughness value of the polycrystalline diamond sintered body K I C: 3MPa ⁇ m 1/2 ⁇ higher than 6 MPa ⁇ m 1/2, rich in toughness.
- Hv hardness of the outermost layer 4 or below 3.5 GPa fracture toughness value K I C is 12M Abrasion resistance or above the Pa ⁇ m 1/2 may be insufficient, whereas, Hv hardness conversely or exceeded 4.4 GPa, fracture toughness value K I C is 7 MPa ⁇ m 1/2 If it falls below the range, the toughness may be impaired and sufficient fracture resistance may not be obtained. Therefore, the Hv hardness is in the range of 3.5 GPa to 4.4 GPa as in this embodiment, and the fracture toughness value K I C Desirably is in the range of 7MPa ⁇ m 1/2 ⁇ 12MPa ⁇ m 1/2.
- the polycrystalline cubic boron nitride sintered body has a low affinity for Fe and Ni, and therefore, stable drilling can be performed over a long period of time in Fe-based and Ni-based mines as well. Furthermore, since the heat resistant temperature is 1100 ° C., which is higher than that of the polycrystalline diamond sintered body, it can be used even under excavation conditions exposed to high temperatures. Moreover, since the polycrystalline cubic boron nitride sintered body can be polished with a diamond grindstone, it can be effectively used by repolishing.
- the content of cubic boron nitride in the polycrystalline cubic boron nitride sintered body in the outermost layer 4 is less than 70 vol%, the ratio of direct bonding of cubic boron nitride particles is reduced, and the above-mentioned carbide The required Hv hardness in the rock layer cannot be obtained. Further, when the content of cubic boron nitride in the outermost layer 4 exceeds 95 vol%, the content of the catalytic metal is relatively reduced and unreacted cubic boron nitride particles are generated without reaching the entire sintered body. As a result, a non-uniform sintered body is formed, and such unreacted cubic boron nitride particles fall off and the outermost layer 4 is prematurely worn.
- the polycrystalline cubic boron nitride sintered body sintered with such a metal binder is: Since it has high wear resistance and toughness compared to a polycrystalline cubic boron nitride sintered body sintered with a ceramic binder such as TiC, TiN, AlN, Al 2 O 3 , the above-mentioned drilling tip particularly used for blow drilling Such an effect can be reliably produced.
- a metal additive containing at least one of W, Mo, Cr, V, Zr, and Hf is added, the polycrystalline cubic boron nitride sintered body is sintered. The reaction can be promoted.
- the cubic boron nitride particles in the polycrystalline cubic boron nitride sintered body of the outermost layer 4 of the hard layer 3 have a particle diameter in the range of 0.5 ⁇ m to 60 ⁇ m, the uniform A sintered body having a fine microstructure can be formed, and toughness can be ensured with certainty. That is, if the particle size of the cubic boron nitride particles of the outermost layer 4 is smaller than 0.5 ⁇ m, the structure structure of the sintered body may be uneven and the hardness and toughness may be partially biased. When the cubic boron nitride particles have a particle size larger than 60 ⁇ m, the specific surface area of the particles is reduced, so that the content of the catalytic metal is reduced and the toughness may be lowered.
- the hard layer 3 has a two-layer structure including the outermost layer 4 and the intermediate layer 5.
- the hard layer 3 may have a single-layer structure including only the outermost layer 4, or may have three or more layers.
- a multilayer structure may be used.
- the layer having a cubic boron nitride content of less than 70 vol%, such as the intermediate layer 5 of the above embodiment, is the outermost layer 4 and the substrate.
- the fracture toughness value K I C together is the content of cubic boron nitride of the intermediate layer 5 gradually decreases Hv hardness toward the substrate 2 from the outermost layer 4 is reduced Is desirable to be large.
- the thickness of the hard layer 3 on the chip center line C ensures a certain excavation length. Therefore, the thickness is desirably 0.8 mm or more.
- the residual stress in the hard layer 3 due to the difference in shrinkage from the cemented carbide during sintering it is desirably 2 mm or less.
- the entire chip body 1 is formed of a polycrystalline cubic boron nitride sintered body similar to the outermost layer 4. May be.
- fracture toughness value K I C of the polycrystalline cubic boron nitride sintered body is preferably set to 10 MPa ⁇ m 1/2 or more .
- the three-point bending strength TRS is 1.3 GPa or more in a large excavation tip in which the outer diameter of the chip body 1 is 16 mm or more and the length in the chip center line C direction is 20 mm or more.
- the tip part of tip body 1 makes a bullet-like shape.
- the so-called ballistic type excavation tip and the rear end side of the tip portion have a conical surface and reduce in diameter toward the tip side, and the tip has a smaller radius than the columnar rear end portion of the tip body 1. It is also possible to apply the present invention to a so-called spike type excavation tip having a spherical shape.
- the cubic boron nitride (cBN) content of the polycrystalline cubic boron nitride sintered body, the type of the catalytic metal, and the hard layer with the composition changed WC: 94 wt%, Co-sintered together with a substrate made of 6 wt% Co hard metal, sintered together under the conditions of sintering pressure 5.8 GPa, sintering temperature 1600 ° C., sintering time 30 minutes, radius 5.5 mm, length in the chip center line direction Ten button chips with a thickness of 16 mm were manufactured.
- Example 1 has a cubic boron nitride particle size of 60 ⁇ m or more in the polycrystalline cubic boron nitride sintered body, and Example 10 has a particle size of 0.5 ⁇ m or less.
- Button chip (Comparative Example 3) made of a cemented carbide of WC: 94 wt% and Co 6 wt%, which is the same as the substrate, and a polycrystalline cubic boron nitride sintered body having two hard layers, but the outermost cubic boron nitride ( cBN) Button chip with less than 70 vol% content (Comparative Example 4), Button chip with outermost cubic boron nitride content greater than 95 vol% (Comparative Example 5), Ceramic binder instead of catalyst metal (TiC) Sintered button chip (Comparative Example 6) and a polycrystalline cubic boron nitride sintered body having a single hard layer, and the content of cubic boron nitride in the outermost layer exceeds 95 vol% And button tip (Comparative Example 3)
- each of the excavation tips of Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 7 is combined with two on the face surface and five on the gauge surface of the bit body having a bit diameter of 45 mm as shown in FIG. 14 types of drill bits with 7 attachments were manufactured. Then, with these excavation bits, the excavation work for excavating a plurality of 4 m excavation holes in a mine with an average uniaxial compressive strength of 200 MPa made of a hard rock layer is performed, and the total excavation length until the excavation tip reaches the end of its life. (M) was measured, and the chip breakage state when the excavation chip reached the end of its life was confirmed.
- Excavation conditions were as follows: the excavator was model number H205D manufactured by TAMROCK, the striking pressure was 160 bar, the feed pressure was 80 bar, the rotational pressure was 55 bar, water was supplied from the blow hole, and the water pressure was 18 bar.
- the composition of the hard layer of the excavation tip with its outermost layer Hv hardness and fracture toughness value K I C, in Table 1 for Examples 1-4, in Table 2 for Examples 5-11 Comparative Examples 1 to 7 are shown in Table 3, respectively.
- the hard layer is a polycrystalline diamond sintered body and the drilling bit of Comparative Example 1 having a long drilling distance is 176 m.
- the excavation length was not as long as 100 m.
- Comparative Examples 4 to 6 in which the hard layer is a polycrystalline cubic boron nitride sintered body since the cubic boron nitride content of the polycrystalline cubic boron nitride sintered body is small, wear occurs.
- Comparative Example 5 and Comparative Example 7 in which the content of cubic boron nitride is excessively large, the catalyst metal is insufficient and the structure is uneven, so that the cubic boron nitride particles fall off and also cause early wear. It was happening. Moreover, chipping also occurred in Comparative Example 7 in which the cubic boron nitride particles had a large particle size. Further, in Comparative Example 6 in which a polycrystalline cubic boron nitride sintered body was sintered with a ceramic binder instead of a metal catalyst, the lifetime was reached by chipping. In Comparative Example 6, the excavation length until the lifetime was 20 m, but there are two possible reasons for this.
- the first reason is that in Comparative Example 6, the polycrystalline cubic boron nitride sintered body is sintered with a ceramic binder instead of the metal catalyst.
- the second reason is that in Comparative Example 6, no intermediate layer is provided. In this case, the outermost layer having a significantly different coefficient of thermal expansion is directly provided on the tip of the excavation tip body. Therefore, a large stress is generated at the interface between the tip and the outermost layer due to heat generated during excavation, which causes chipping.
- Example 9 the particle size of cubic boron nitride particles in the polycrystalline cubic boron nitride sintered body was 60 ⁇ m or more and Example 10 in which the particle size was 0.5 ⁇ m or less, and the excavation length did not reach 200 m.
- the excavation length longer than those of Comparative Examples 1 to 7 is still obtained.
- the present invention it is possible to prevent accidental chipping and chipping from occurring in a drilling tip even in a cemented rock layer by achieving both wear resistance and chipping resistance. It can be used under excavation conditions, and the excavation tip can be effectively used by re-polishing.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Earth Drilling (AREA)
Abstract
掘削ビットの先端部に取り付けられて掘削を行う掘削チップであって、掘削ビットのビット本体に埋設される後端部と、掘削ビットの表面から突出する先端側に向かうに従い先細りとなる先端部とを備えたチップ本体（１）を有し、チップ本体（１）の少なくとも先端部の表面は、Ａｌと、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅのうち少なくとも１種とを含む触媒金属により焼結した立方晶窒化ホウ素の含有量が７０ｖｏｌ％～９５ｖｏｌ％の多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体（４）により形成されている。
Description
本願発明は、掘削ビットの先端部に取り付けられて掘削を行う掘削チップ、およびこのような掘削チップが先端部に取り付けられた掘削ビットに関するものである。
本願は、２０１５年３月１９日に日本に出願された特願２０１５－０５６１０６号及び２０１６年３月１６日に日本に出願された特願２０１６－０５１７８８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２０１５年３月１９日に日本に出願された特願２０１５－０５６１０６号及び２０１６年３月１６日に日本に出願された特願２０１６－０５１７８８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
このような掘削チップとしては、打撃掘削用ビットの長寿命化を図るため、超硬合金よりなるチップ本体の基体先端部に、このチップ本体よりも硬質な多結晶ダイヤモンドの焼結体よりなる硬質層が被覆されたものが知られている。例えば、特許文献１には、円柱状の後端部と半球状をなして先端側に向かうに従い外径が小さくなる先端部とを有するチップ本体の上記先端部に、このような多結晶ダイヤモンド焼結体の硬質層を多層に被覆した掘削チップが提案されており、また特許文献２には、多結晶ダイヤモンド焼結体にＷＣ等の炭化物を添加して硬さを調整したものが提案されている。
しかしながら、多結晶ダイヤモンド焼結体は超硬合金に比べて耐摩耗性は高いものの、靱性が低いために耐欠損性に乏しく、超硬岩層の掘削においては突発的な硬質層のチッピングや欠損が起きることがある。硬質層が欠損して超硬合金製の基体が露出すると、掘削チップの摩耗が一気に促進されて掘削ビットの寿命が短くなり、頻繁に掘削ビットを交換しなければならなくなって作業効率が著しく低下する。
また、特許文献２に記載されているように多結晶ダイヤモンド焼結体に炭化物や窒化物を添加して硬さを調整し、靱性を高める方法では、ダイヤモンド粒子間の結合が減ることにより靱性は向上しても硬さが損なわれる傾向がある。さらに、ダイヤモンド焼結体は、Ｆｅ系やＮｉ系の鉱山では親和性が高くて使用することができず、また耐熱温度も７００℃程度であるのでこれより高温に晒される条件では使用できない。さらにまた、高硬度であるがために、硬質層がある程度摩耗した掘削チップを再研磨して有効利用を図ることも困難である。
本願発明は、このような背景の下になされたもので、多結晶ダイヤモンド焼結体に匹敵する硬さを有して耐摩耗性を確保しつつ、高靱性で耐欠損性に優れ、またＦｅ系やＮｉ系の鉱山や高温の掘削条件下でも使用可能で、さらに再研磨による有効利用も可能な長寿命の掘削チップを提供するとともに、このような掘削チップを取り付けた、やはり寿命が長くて効率的な掘削を行うことが可能な掘削ビットを提供することを目的としている。
上記課題を解決して、このような目的を達成するために、本願発明の一態様である掘削チップ（以下、「本願発明の掘削チップ」と称する）は、掘削ビットの先端部に取り付けられて掘削を行う掘削チップであって、上記掘削ビットのビット本体に埋設される後端部と、該掘削ビットの表面から突出する先端側に向かうに従い先細りとなる先端部とを備えたチップ本体を有し、上記チップ本体の少なくとも上記先端部の表面は、Ａｌと、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅのうち少なくとも１種とを含む触媒金属により焼結した立方晶窒化ホウ素の含有量が７０ｖｏｌ％～９５ｖｏｌ％の多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体により形成されていることを特徴とする。
また、本願発明の他態様である掘削ビット（以下、「本願発明の掘削ビット」と称する）は、このような掘削チップがビット本体の先端部に取り付けられていることを特徴とする。
このように立方晶窒化ホウ素の含有量の多い多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体は、鉱山工具用の掘削チップの多結晶ダイヤモンド焼結体のＨｖ硬さ３．５ＧＰａ～４．２ＧＰａと同等の硬さを有する一方で、靱性は多結晶ダイヤモンド焼結体よりも高く、超硬岩層の掘削でも突発的な欠損を生じるおそれが少ない。従って、このような多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体を掘削に関与するチップ本体の少なくとも先端部に形成した掘削チップでは寿命の延長を図ることができ、そのような掘削チップを先端部に配設した掘削ビットは交換頻度が減って効率的な掘削作業を行うことが可能となる。
また、このような多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体はＦｅやＮｉに対する親和性が低く、さらに耐熱温度も１１００℃と高いので、広汎な掘削条件に対応することができる。さらにまた、多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体はダイヤモンド砥石によって研磨が可能であるので、ある程度摩耗が生じて形状が歪んだときには欠損等を生じる前に再研磨して有効利用することができる。
ここで、多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体における立方晶窒化ホウ素の含有量が７０ｖｏｌ％を下回ると、立方晶窒化ホウ素粒子の直接結合の割合が低下し、必要な硬さを得ることができなくなる。逆に、立方晶窒化ホウ素の含有量が９５ｖｏｌ％を上回ると、触媒金属の含有量が少なくなって焼結体全体に行き渡らず、未反応な立方晶窒化ホウ素粒子が発生して不均一な焼結体となり、粒子の脱落による早期摩耗を生じてしまう。
また、上記触媒金属のうちＡｌは必須であり、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅは少なくとも１種が含まれていればよい。このような触媒金属（バインダー）により焼結した多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体は、例えば焼き入れ鋼等の切削に使用されるＴｉＣ、ＴｉＮ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスバインダーにより焼結した多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体と比べ、耐熱性には劣るものの耐摩耗性と靱性が高く、特に打撃掘削に用いられる掘削チップとして優れている。
なお、上記多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体には、これらの触媒金属に加えて、焼結反応の促進のためにＷ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆのうち少なくとも１種を含む金属添加物が添加されていてもよい。
これら金属添加物の添加により、例えば焼結反応時の異常粒成長の発生の抑制することができるようになる。また、反応生成物として金属ホウ化物が生成されるので、より硬い焼結体ができるようになる。また、同一焼結条件（圧力・温度）において、ｃＢＮ粒子同士の結合がしやすくなり、より硬い焼結体を得ることができるようになる。
上記多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体の非立方晶窒化ホウ素部分は、上記多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体の５～３０ｖｏｌ％を占める。この非立方晶窒化ホウ素部分は、上記触媒金属とＷ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ及びＨｆの１種以上を含む金属添加物からなってもよい。また、上記非立方晶窒化ホウ素部分中における、上記触媒金属の含有率は６４重量％から１００重量％であってもよく、上記非立方晶窒化ホウ素部分中における、上記金属添加物の含有率は０重量％から３６重量％であってもよい。
また、上記非立方晶窒化ホウ素部分中における、上記触媒金属の含有率は６４重量％から９０重量％とし、上記非立方晶窒化ホウ素部分中における、上記金属添加物の含有率は１０重量％から３６重量％とし、上記触媒金属中のＡｌの含有率が１０重量％～１４重量％としてもよい。
触媒金属と金属添加物とを適切な含有量で併用することで、必要とされる焼結条件が緩和され、また、多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体の硬さが向上する。
Ａｌ含有量が少なすぎるとｃＢＮ粒子表面に多く存在する酸素が除去しきれず、ｃＢＮ粒子同士の結合が阻害される。一方、Ａｌ含有量が多すぎると、ＡｌＢ２、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３のような反応生成物がｃＢＮ粒界に多く生成され、硬さの低いセラミックスバインダーｃＢＮ焼結体となってしまう。
これら金属添加物の添加により、例えば焼結反応時の異常粒成長の発生の抑制することができるようになる。また、反応生成物として金属ホウ化物が生成されるので、より硬い焼結体ができるようになる。また、同一焼結条件（圧力・温度）において、ｃＢＮ粒子同士の結合がしやすくなり、より硬い焼結体を得ることができるようになる。
上記多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体の非立方晶窒化ホウ素部分は、上記多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体の５～３０ｖｏｌ％を占める。この非立方晶窒化ホウ素部分は、上記触媒金属とＷ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ及びＨｆの１種以上を含む金属添加物からなってもよい。また、上記非立方晶窒化ホウ素部分中における、上記触媒金属の含有率は６４重量％から１００重量％であってもよく、上記非立方晶窒化ホウ素部分中における、上記金属添加物の含有率は０重量％から３６重量％であってもよい。
また、上記非立方晶窒化ホウ素部分中における、上記触媒金属の含有率は６４重量％から９０重量％とし、上記非立方晶窒化ホウ素部分中における、上記金属添加物の含有率は１０重量％から３６重量％とし、上記触媒金属中のＡｌの含有率が１０重量％～１４重量％としてもよい。
触媒金属と金属添加物とを適切な含有量で併用することで、必要とされる焼結条件が緩和され、また、多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体の硬さが向上する。
Ａｌ含有量が少なすぎるとｃＢＮ粒子表面に多く存在する酸素が除去しきれず、ｃＢＮ粒子同士の結合が阻害される。一方、Ａｌ含有量が多すぎると、ＡｌＢ２、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３のような反応生成物がｃＢＮ粒界に多く生成され、硬さの低いセラミックスバインダーｃＢＮ焼結体となってしまう。
さらに、上記多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体における立方晶窒化ホウ素の粒径は０．５μｍ～６０μｍの範囲内であることが望ましい。立方晶窒化ホウ素粒子の粒径は０．５μｍよりも小さいと、均一な微細組織を有する焼結体を得ることができなくなるおそれがある一方、立方晶窒化ホウ素粒子の粒径が６０μｍよりも大きいと、粒子の比表面面積が減少するために触媒金属の含有量が少なくなり、靱性の低下を招くおそれがある。なお、立方晶窒化ホウ素粒子の粉末の平均粒径は、全体として０．５μｍ～６０μｍの範囲内であることは必要であるが、粒径分布度数のピークが一つである（単峰ピークの粒度分布を示す）必要はなく、複数の粒径分布度数ピーク（多峰性の頻度粒度分布）を備えた立方晶窒化ホウ素粒子粉末を用いることもできる。この場合、粒径の大きな粒子間隙に粒径の小さい粒子が入り込むことによって、空隙を少なくすることができるため、焼結体のより一層の高密度化が図られる。
さらにまた、こうして焼結された多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体のＨｖ硬さは、３．５ＧＰａ～４．４ＧＰａの範囲内であることが望ましい。Ｈｖ硬さが３．５ＧＰａを下回ると耐摩耗性が不十分となるおそれがあり、逆にＨｖ硬さが４．４ＧＰａを上回ると靱性が損なわれて十分な耐欠損性を得ることができなくなるおそれがある。
同様に、上記多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体の破壊靱性値ＫＩＣは７ＭＰａ・ｍ１／２～１２ＭＰａ・ｍ１／２の範囲内であることが望ましく、破壊靱性値ＫＩＣが７ＭＰａ・ｍ１／２を下回ると耐欠損性が不十分となるおそれがあり、逆に破壊靱性値ＫＩＣが１２ＭＰａ・ｍ１／２を上回ると耐摩耗性が不十分となるおそれがある。
以上説明したように、本願発明の掘削チップおよび掘削ビットによれば、耐摩耗性と耐欠損性の両立を図って超硬岩層でも掘削チップに突発的な欠損やチッピングが生じるのを防ぐことができるとともに、また広汎な掘削条件下での使用が可能であり、しかも再研磨による掘削チップの有効利用を図ることができる。
図１は本願発明の掘削チップの一実施形態を示す断面図であり、図２はこの実施形態の掘削チップを取り付けた本願発明の掘削ビットの一実施形態を示す断面図である。本実施形態の掘削チップはチップ本体１を有しており、このチップ本体１は超硬合金等の硬質材料よりなる基体２と、この基体２の少なくとも先端部（図１における上側部分）の表面を被覆する、基体２よりも硬度（Ｈｖ硬さ）の高い硬質層３とを備えている。
Ｈｖ硬さは、日本工業規格（ＪＩＳ）Ｚ２２４４で定められる試験方法によって測定することができる。
Ｈｖ硬さは、日本工業規格（ＪＩＳ）Ｚ２２４４で定められる試験方法によって測定することができる。
チップ本体１は、その後端部（図１において下側部分）がチップ中心線Ｃを中心とした円柱状または円板状をなしているとともに、先端部は、本実施形態では後端部がなす円柱または円板の半径と等しい半径でチップ中心線Ｃ上に中心を有する半球状をなしていて、先端側に向かうに従いチップ中心線Ｃからの外径が漸次小さくなる先細り形状に形成されている。すなわち、本実施形態の掘削チップはボタンチップである。
本実施形態では、図１に示すようにチップ本体１の先端部だけに硬質層３が被覆されており、この硬質層３を含めたチップ本体１の先端部が上述のような半球状をなすように形成されている。また、本実施形態では、図１に示すように硬質層３が、最外層４と、この最外層４と基体２との間に介装される中間層５とを備えた２層構造とされている。
必須な構成ではないが、上記最外層４の好ましい最大膜厚は０．３μｍ～１．５μｍであり、より好ましくは０．４μｍ～１．３μｍである。
同様に、必須な構成ではないが、上記中間層５の好ましい最大膜厚は０．２μｍ～１．０μｍであり、より好ましくは０．３μｍ～０．８μｍである。
必須な構成ではないが、上記最外層４の好ましい最大膜厚は０．３μｍ～１．５μｍであり、より好ましくは０．４μｍ～１．３μｍである。
同様に、必須な構成ではないが、上記中間層５の好ましい最大膜厚は０．２μｍ～１．０μｍであり、より好ましくは０．３μｍ～０．８μｍである。
そして、このような硬質層３のうちチップ本体１の先端部の表面に配置される最外層４は、Ａｌと、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅのうち少なくとも１種とを含む触媒金属により焼結した立方晶窒化ホウ素の含有量が７０ｖｏｌ％～９５ｖｏｌ％の多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体により形成されている。なお、本実施形態では、中間層５も同様の触媒金属により焼結した多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体により形成されているが、その立方晶窒化ホウ素の含有量は最外層４の含有量より少なくてもよい。
必須な構成ではないが、中間層５の好ましい立方晶窒化ホウ素の含有量は、４０ｖｏｌ％～７０ｖｏｌ％であり、より好ましくは４５ｖｏｌ％～６５ｖｏｌ％である。
必須な構成ではないが、中間層５の好ましい立方晶窒化ホウ素の含有量は、４０ｖｏｌ％～７０ｖｏｌ％であり、より好ましくは４５ｖｏｌ％～６５ｖｏｌ％である。
さらに、最外層４の多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体における立方晶窒化ホウ素の粒径は０．５μｍ～６０μｍの範囲内とされている。中間層５の立方晶窒化ホウ素の粒径も同様の範囲内とされているが、最外層４の立方晶窒化ホウ素の粒径より小さくてもよい。さらにまた、これら最外層４と中間層５の多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体には、上述した触媒金属に加えて、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆのうち少なくとも１種を含む金属添加物が添加されていてもよい。
なお、本実施形態では、こうして形成された最外層４の多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体のＨｖ硬さは、３．５ＧＰａ～４．４ＧＰａの範囲内とされ、破壊靱性値ＫＩＣは７ＭＰａ・ｍ１／２～１２ＭＰａ・ｍ１／２の範囲内とされている。さらに、最外層４の三点曲げ強度ＴＲＳは、最外層４と同等の組成を有する円板状のサンプルからＴＲＳ用の試料を作成して測定したところ、１．２ＧＰａ～１．５ＧＰａであった。
破壊靱性値ＫＩＣは、ＡＳＴＭ規格（ＡＳＴＭ）Ｅ３９９で定められる試験方法によって測定することができる。
破壊靱性値ＫＩＣは、ＡＳＴＭ規格（ＡＳＴＭ）Ｅ３９９で定められる試験方法によって測定することができる。
また、このような最外層４は、例えば本願発明の発明者等による特許第５６１３９７０号公報に記載されているように、六方晶窒化ホウ素から超高圧高温条件下で焼結することにより形成することができる。さらに、この最外層４と中間層５および超硬合金よりなる基体２を一体に焼結することにより、本実施形態の掘削チップのチップ本体１を製造することができる。
このような掘削チップが先端部に取り付けられる掘削ビットは、鋼材等により形成されて図２に示すように軸線Ｏを中心とした概略有底円筒状をなすビット本体１１を有し、その有底部が先端部（図２において上側部分）とされて、この先端部に掘削チップが取り付けられる。また、円筒状の後端部（図２において下側部分）の内周には雌ネジ部１２が形成され、掘削装置に連結された掘削ロッドがこの雌ネジ部１２にねじ込まれて軸線Ｏ方向先端側に向けての打撃力と推力、および軸線Ｏ回りの回転力が伝達されることにより、掘削チップによって岩盤を破砕して掘削孔を形成する。
ビット本体１１の先端部は後端部よりも僅かに外径が大径とされており、この先端部の外周には軸線Ｏに平行に延びる排出溝１３が周方向に間隔をあけて複数条形成されて、上記掘削チップにより岩盤が破砕されて生成された破砕屑がこの排出溝１３を通して後端側に排出される。また、有底とされたビット本体１１の雌ネジ部１２底面からは軸線Ｏに沿ってブロー孔１４が形成され、このブロー孔１４はビット本体１１先端部において斜めに分岐してビット本体１１の先端面に開口し、上記掘削ロッドを介して供給される圧縮空気のような流体を噴出して破砕屑の排出を促進する。
さらに、ビット本体１１の先端面は、内周側の軸線Ｏに垂直な軸線Ｏを中心とした円形のフェイス面１５と、このフェイス面１５の外周に位置して外周側に向かうに従い後端側に向かう円錐台面状のゲージ面１６とを備えている。ブロー孔１４はフェイス面１５に開口するとともに、排出溝１３の先端はゲージ面１６の外周側に開口している。また、これらフェイス面１５とゲージ面１６には、それぞれブロー孔１４と排出溝１３の開口部を避けるようにして、断面円形の複数の取付孔１７がフェイス面１５とゲージ面１６に対して垂直に形成されている。
このような取付孔１７に、上記掘削チップは、図２に示すようにチップ本体１の上記後端部が埋没させられた状態で圧入や焼き嵌め等によって締まり嵌めされたり、ロウ付けされたりすることにより固定され、すなわち埋設されて取り付けられる。さらに、硬質層３が形成されたチップ本体１の先端部がフェイス面１５およびゲージ面１６から突出して、上述した打撃力と推力および回転力により岩盤を破砕する。
そして、上記構成の掘削チップでは、こうして掘削に関与するチップ本体１の先端部の表面を被覆する硬質層３の最外層４が、立方晶窒化ホウ素の含有量が７０ｖｏｌ％～９５ｖｏｌ％と多い多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体により形成されており、このような多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体は、上述したように鉱山工具用の掘削チップの多結晶ダイヤモンド焼結体に匹敵するＨｖ硬さを有する一方で、同多結晶ダイヤモンド焼結体の破壊靱性値ＫＩＣ：３ＭＰａ・ｍ１／２～６ＭＰａ・ｍ１／２よりも高く、靱性に富んでいる。
従って、超硬岩層を掘削する場合でも、掘削チップに突発的な欠損やチッピングを生じるおそれが少なくて寿命が長く、長期に亙って安定した掘削を行うことができる。このため、そのような掘削チップを先端部に取り付けた掘削ビットでは、掘削チップの損傷による掘削ビットの交換頻度が減って、交換作業に要する時間や労力を低減することができ、効率的な掘削作業を行うことが可能となる。
ここで、最外層４のＨｖ硬さが３．５ＧＰａを下回ったり、破壊靱性値ＫＩＣが１２Ｍ
Ｐａ・ｍ１／２を上回ったりすると耐摩耗性が不十分となるおそれがある、一方、逆にＨｖ硬さが４．４ＧＰａを上回ったり、破壊靱性値ＫＩＣが７ＭＰａ・ｍ１／２を下回った
りすると靱性が損なわれて十分な耐欠損性を得ることができなくなるおそれがあるので、本実施形態のようにＨｖ硬さは３．５ＧＰａ～４．４ＧＰａの範囲内、破壊靱性値ＫＩＣ
は７ＭＰａ・ｍ１／２～１２ＭＰａ・ｍ１／２の範囲内とされるのが望ましい。
Ｐａ・ｍ１／２を上回ったりすると耐摩耗性が不十分となるおそれがある、一方、逆にＨｖ硬さが４．４ＧＰａを上回ったり、破壊靱性値ＫＩＣが７ＭＰａ・ｍ１／２を下回った
りすると靱性が損なわれて十分な耐欠損性を得ることができなくなるおそれがあるので、本実施形態のようにＨｖ硬さは３．５ＧＰａ～４．４ＧＰａの範囲内、破壊靱性値ＫＩＣ
は７ＭＰａ・ｍ１／２～１２ＭＰａ・ｍ１／２の範囲内とされるのが望ましい。
また、多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体はＦｅやＮｉに対する親和性が低く、このためＦｅ系やＮｉ系の鉱山でも同様に安定した掘削を長期に亙って行うことができる。さらに、耐熱温度が１１００℃と多結晶ダイヤモンド焼結体に比べて高いので、高温に晒される掘削条件下でも使用することができる。しかも、多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体はダイヤモンド砥石によって研磨が可能であるので、再研磨により有効利用を図ることもできる。
なお、最外層４における多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体の立方晶窒化ホウ素の含有量が７０ｖｏｌ％を下回ると、立方晶窒化ホウ素粒子の直接結合の割合が低下して上述のような超硬岩層における必要なＨｖ硬さを得ることができなくなる。また、最外層４の立方晶窒化ホウ素の含有量が９５ｖｏｌ％を上回ると、相対的に触媒金属の含有量が少なくなって焼結体全体に行き渡らずに未反応な立方晶窒化ホウ素粒子が発生して不均一な焼結体となってしまい、このような未反応の立方晶窒化ホウ素粒子が脱落して最外層４に早期摩耗が生じてしまう。
さらに、触媒金属として、Ａｌ（必須）と、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅは少なくとも１種とが含まれており、このような金属バインダーにより焼結した多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体は、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスバインダーにより焼結した多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体と比べて耐摩耗性と靱性が高いので、特に打撃掘削に用いられる掘削チップとして上述のような効果を確実に奏することができる。また、これらの触媒金属に加えて、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆのうち少なくとも１種を含む金属添加物が添加されていれば、多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体の焼結反応を促進することができる。
さらにまた、本実施形態では、硬質層３の最外層４の多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体における立方晶窒化ホウ素粒子の粒径が０．５μｍ～６０μｍの範囲内とされているので、均一な微細組織の焼結体を形成することができるとともに、靱性も確実に確保することができる。すなわち、最外層４の立方晶窒化ホウ素粒子の粒径が０．５μｍより小さいと、焼結体の組織構造が不均一となって部分的に硬さや靱性に偏りが生じるおそれがあり、逆に立方晶窒化ホウ素粒子の粒径が６０μｍよりも大きいと、粒子の比表面面積が減少するために触媒金属の含有量が少なくなって靱性の低下を招くおそれがある。
なお、本実施形態では、硬質層３が最外層４と中間層５とを備えた２層構造とされているが、最外層４だけの単層構造であってもよく、また３層以上の多層構造でもよい。ただし、このように硬質層３を３層以上の多層構造とした場合には、上記実施形態の中間層５のような立方晶窒化ホウ素の含有量が７０ｖｏｌ％未満の層が最外層４と基体２との間に介装されるのが望ましく、最外層４から基体２に向かうに従い中間層５の立方晶窒化ホウ素の含有量が漸減してＨｖ硬さが小さくなるとともに破壊靱性値ＫＩＣが大きくなるのが望ましい。さらに、本実施形態のように超硬合金等の基体２の先端部に硬質層３を形成する場合には、チップ中心線Ｃ上における硬質層３の厚さは、ある程度の掘削長を確保するために０．８ｍｍ以上とされるのが望ましく、ただし焼結時の超硬合金との収縮率の違いによる硬質層３内の残留応力を考慮すると２ｍｍ以下とされるのが望ましい。
一方、こうして硬質層３を基体２に被覆してチップ本体１の先端部に形成するのに代えて、チップ本体１全体を最外層４と同様の多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体によって形成してもよい。ただし、この場合には、チップ本体１の割れ等を防止するために、多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体の破壊靱性値ＫＩＣは１０ＭＰａ・ｍ１／２以上に設定されるのが望ましい。さらにまた、チップ本体１の外径が１６ｍｍ以上、チップ中心線Ｃ方向の長さが２０ｍｍ以上となるような大きな掘削チップでは、三点曲げ強度ＴＲＳは１．３ＧＰａ以上であるのが望ましい。
また、本実施形態では、上述のようにチップ本体１の先端部が半球状をなすボタンタイプの掘削チップに本願発明を適用した場合について説明したが、チップ本体１の先端部が砲弾状をなす、いわゆるバリスティックタイプの掘削チップや、先端部の後端側が円錐面状をなして先端側に向かうに従い縮径するとともに、その先端がチップ本体１の円柱状の後端部よりも小さな半径の球面状をなす、いわゆるスパイクタイプの掘削チップに本願発明を適用することも可能である。
次に、本願発明の掘削チップおよび掘削ビットの実施例を挙げて、本願発明の効果について実証する。本実施例では、上記実施形態に基づき、多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）含有量、触媒金属の種類、組成を変化させた硬質層を、ＷＣ：９４ｗｔ％、Ｃｏ６ｗｔ％の超硬合金よりなる基体とともに、焼結圧力５．８ＧＰａ、焼結温度１６００℃、焼結時間３０分の条件下で一体に焼結して半径５．５ｍｍ、チップ中心線方向の長さ１６ｍｍの１０種のボタンチップを製造した。なお、チップ本体先端部がなす半球の半径は５．７５ｍｍであった。また、硬質層のチップ中心線方向の厚さは１．５ｍｍである。なお、実施例１、２、５、６、９、１０、１１は硬質層すべてが最外層となる単層のものであり、実施例３、４、７、８は図１に示した実施形態と同様に硬質層が最外層と中間層とを有するものである。さらに、実施例９は多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体における立方晶窒化ホウ素の粒径が６０μｍ以上のもの、実施例１０は０．５μｍ以下のものである。
また、これら実施例１～１１に対する比較例として、硬質層が単層の多結晶ダイヤモンド焼結体よりなり、ダイヤモンド含有量が異なる２種のボタンチップ（比較例１、２）、チップ本体全体が基体と同じＷＣ：９４ｗｔ％、Ｃｏ６ｗｔ％の超硬合金よりなるボタンチップ（比較例３）、硬質層が２層の多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体で、ただし最外層の立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）含有量が７０ｖｏｌ％を下回るボタンチップ（比較例４）、最外層の立方晶窒化ホウ素含有量が９５ｖｏｌ％を上回るボタンチップ（比較例５）、触媒金属に代えてセラミックスバインダー（ＴｉＣ）により焼結したボタンチップ（比較例６）、および硬質層が単層の多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体で最外層の立方晶窒化ホウ素含有量が９５ｖｏｌ％を上回り、かつ立方晶窒化ホウ素の粒径が６０μｍを上回るボタンチップ（比較例７）も、実施例１～１１と同じ寸法で製造した。なお、硬質層のチップ中心線方向の厚さは比較例３を除いて実施例１～１１と同じく１．５ｍｍである。
さらに、これら実施例１～１１および比較例１～７の掘削チップをそれぞれ１種ずつ、図２に示したようなビット径４５ｍｍのビット本体におけるフェイス面に２つ、ゲージ面に５つの合わせて７つ取り付けた１４種の掘削ビットを製造した。そして、これらの掘削ビットにより、超硬岩層よりなる平均一軸圧縮強度２００ＭＰａの鉱山に１つの掘削長が４ｍの掘削孔を複数掘削する掘削作業を行い、掘削チップが寿命に至るまでのトータル掘削長（ｍ）を測定するとともに、掘削チップが寿命に達したときのチップ破損状態を確認した。
なお、掘削条件は、掘削装置がＴＡＭＲＯＣＫ社製型番Ｈ２０５Ｄ、打撃圧力は１６０ｂａｒ、フィード（送り）圧力は８０ｂａｒ、回転圧力は５５ｂａｒ、ブロー孔からは水を供給してその水圧は１８ｂａｒであった。この結果を、各掘削チップの硬質層の組成とその最外層のＨｖ硬さおよび破壊靱性値ＫＩＣとともに、実施例１～４については表１に、実施例５～１１については表２に、比較例１～７については表３に、それぞれ示す。
この結果より、比較例１～７の掘削チップを取り付けた掘削ビットでは、硬質層が多結晶ダイヤモンド焼結体であって掘削距離の長い比較例１でも１７６ｍであり、比較例２ともどもチッピングにより寿命となっており、比較例３～７では掘削長が１００ｍにも遠く及ばなかった。このうち、硬質層が多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体である比較例４～６でも、比較例４では多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体の立方晶窒化ホウ素含有量が少ないために摩耗が著しく、逆に立方晶窒化ホウ素含有量が多すぎる比較例５や比較例７では触媒金属が不足して不均一な組織となっていたため、立方晶窒化ホウ素粒子が脱落してやはり早期の摩耗を生じていた。しかも、立方晶窒化ホウ素粒子の粒径が大きい比較例７ではチッピングも生じていた。さらに、多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体を金属触媒の代わりにセラミックスバインダーで焼結した比較例６でもチッピングにより寿命に達していた。この比較例６では、寿命までの掘削長は２０ｍであったが、これには二つの理由が考えられる。一つ目の理由は、比較例６では、多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体が金属触媒の代わりにセラミックスバインダーで焼結されていることである。二つ目の理由は、比較例６では中間層が設けられていないことである。この場合、掘削チップ本体の先端部上に、熱膨張率が大きく異なる最外層が直接設けられる。そのため、掘削時に発生する熱により先端部と最外層との界面に大きな応力が発生しチッピング発生の原因となる。
これに対して、実施例１～８、１１の掘削チップを取り付けた掘削ビットでは、摩耗状態がいずれも正常摩耗であり、掘削長が最も短い実施例８でも２００ｍ以上の掘削が可能で、実施例２、４、６では３００ｍ以上の掘削が可能であった。また、多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体における立方晶窒化ホウ素粒子の粒径が６０μｍ以上の実施例９と０．５μｍ以下の実施例１０ではチッピングが認められ、掘削長は２００ｍに達しなかったが、それでも比較例１～７よりは長い掘削長が得られている。
以上説明したように、本願発明によれば、耐摩耗性と耐欠損性の両立を図って超硬岩層でも掘削チップに突発的な欠損やチッピングが生じるのを防ぐことができるとともに、また広汎な掘削条件下での使用が可能であり、しかも再研磨による掘削チップの有効利用を図ることができる。
１ チップ本体
２ 基体
３ 硬質層
４ 最外層
５ 中間層
１１ ビット本体
Ｃ チップ中心線
Ｏ ビット本体１１の軸線
２ 基体
３ 硬質層
４ 最外層
５ 中間層
１１ ビット本体
Ｃ チップ中心線
Ｏ ビット本体１１の軸線
Claims (6)
- 掘削ビットの先端部に取り付けられて掘削を行う掘削チップであって、
上記掘削ビットのビット本体に埋設される後端部と、該掘削ビットの表面から突出する先端側に向かうに従い先細りとなる先端部とを備えたチップ本体を有し、
上記チップ本体の少なくとも上記先端部の表面は、Ａｌと、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅのうち少なくとも１種とを含む触媒金属により焼結した立方晶窒化ホウ素の含有量が７０ｖｏｌ％～９５ｖｏｌ％の多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体により形成されていることを特徴とする掘削チップ。 - 上記多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体における立方晶窒化ホウ素の粒径が０．５μｍ～６０μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の掘削チップ。
- 上記多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体には、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆのうち少なくとも１種を含む金属添加物が添加されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の掘削チップ。
- 上記多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体のＨｖ硬さが３．５ＧＰａ～４．４ＧＰａの範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の掘削チップ。
- 上記多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体の破壊靱性値ＫＩＣが７ＭＰａ・ｍ１／２～１２ＭＰａ・ｍ１／２の範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の掘削チップ。
- 請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の掘削チップがビット本体の先端部に取り付けられていることを特徴とする掘削ビット。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CA2979800A CA2979800C (en) | 2015-03-19 | 2016-03-17 | Drill bit insert and drill bit |
| US15/558,518 US10538971B2 (en) | 2015-03-19 | 2016-03-17 | Drill bit insert and drill bit |
| CN201680015923.1A CN107429548B (zh) | 2015-03-19 | 2016-03-17 | 挖掘刀片及挖掘钻头 |
| KR1020177025907A KR102589417B1 (ko) | 2015-03-19 | 2016-03-17 | 굴삭 팁 및 굴삭 비트 |
| AU2016234305A AU2016234305B2 (en) | 2015-03-19 | 2016-03-17 | Drill bit insert and drill bit |
| EP16765052.2A EP3272993B1 (en) | 2015-03-19 | 2016-03-17 | Drill tip and drill bit |
| ZA2017/06539A ZA201706539B (en) | 2015-03-19 | 2017-09-28 | Drill bit insert and drill bit |
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015-056106 | 2015-03-19 | ||
| JP2015056106 | 2015-03-19 | ||
| JP2016051788A JP6696242B2 (ja) | 2015-03-19 | 2016-03-16 | 掘削チップおよび掘削ビット |
| JP2016-051788 | 2016-03-16 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2016148223A1 true WO2016148223A1 (ja) | 2016-09-22 |
Family
ID=56918934
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2016/058446 WO2016148223A1 (ja) | 2015-03-19 | 2016-03-17 | 掘削チップおよび掘削ビット |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2016148223A1 (ja) |
| ZA (1) | ZA201706539B (ja) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002097884A (ja) * | 2000-07-21 | 2002-04-05 | Mitsubishi Materials Corp | ビットおよび掘削装置 |
| JP2004026555A (ja) * | 2002-06-25 | 2004-01-29 | Toshiba Tungaloy Co Ltd | 立方晶窒化ホウ素含有焼結体およびその製造方法 |
| JP2010512300A (ja) * | 2006-12-11 | 2010-04-22 | エレメント シックス （プロダクション）（プロプライエタリィ） リミテッド | 立方体窒化ホウ素成形体 |
| JP2010247262A (ja) * | 2009-04-15 | 2010-11-04 | Tungaloy Corp | 被覆ｃＢＮ焼結体 |
| JP2012206902A (ja) * | 2011-03-30 | 2012-10-25 | Mitsubishi Materials Corp | 立方晶窒化ホウ素の合成方法および立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法 |
-
2016
- 2016-03-17 WO PCT/JP2016/058446 patent/WO2016148223A1/ja active Application Filing
-
2017
- 2017-09-28 ZA ZA2017/06539A patent/ZA201706539B/en unknown
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002097884A (ja) * | 2000-07-21 | 2002-04-05 | Mitsubishi Materials Corp | ビットおよび掘削装置 |
| JP2004026555A (ja) * | 2002-06-25 | 2004-01-29 | Toshiba Tungaloy Co Ltd | 立方晶窒化ホウ素含有焼結体およびその製造方法 |
| JP2010512300A (ja) * | 2006-12-11 | 2010-04-22 | エレメント シックス （プロダクション）（プロプライエタリィ） リミテッド | 立方体窒化ホウ素成形体 |
| JP2010247262A (ja) * | 2009-04-15 | 2010-11-04 | Tungaloy Corp | 被覆ｃＢＮ焼結体 |
| JP2012206902A (ja) * | 2011-03-30 | 2012-10-25 | Mitsubishi Materials Corp | 立方晶窒化ホウ素の合成方法および立方晶窒化ホウ素焼結体の製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ZA201706539B (en) | 2022-05-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10024112B2 (en) | Superhard cutter | |
| WO2022210771A1 (ja) | 掘削チップおよび掘削工具 | |
| US20180238170A1 (en) | Asymmetric pick tool with an aspect ratio between leading and trailing edges | |
| KR102589417B1 (ko) | 굴삭 팁 및 굴삭 비트 | |
| JP6701742B2 (ja) | 掘削チップおよび掘削ビット | |
| WO2016148223A1 (ja) | 掘削チップおよび掘削ビット | |
| AU2020264372B2 (en) | Drill bit button insert and drill bit | |
| GB2572487A (en) | Polycrystalline diamond constructions | |
| WO2016084914A1 (ja) | 掘削チップおよび掘削ビット | |
| EP3859122B1 (en) | Excavating tip and excavating bit | |
| WO2016114344A1 (ja) | 掘削チップおよび掘削ビット | |
| JP2020076299A (ja) | 掘削チップおよび掘削ビット |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 16765052 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| ENP | Entry into the national phase |
Ref document number: 2979800 Country of ref document: CA Ref document number: 20177025907 Country of ref document: KR Kind code of ref document: A |
|
| WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 15558518 Country of ref document: US |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| REEP | Request for entry into the european phase |
Ref document number: 2016765052 Country of ref document: EP |
|
| ENP | Entry into the national phase |
Ref document number: 2016234305 Country of ref document: AU Date of ref document: 20160317 Kind code of ref document: A |