掘削工具の製造方法及び掘削工具
【課題】上面外周側一部分にダイヤモンド焼結体で構成されたカッタを配置した切刃チップを、工具本体の取付部に強固に固定できる掘削工具の製造方法及び掘削工具を提供する。
【解決手段】工具本体の取付部３に切刃チップ１１が装着された掘削工具の製造方法であって、切刃チップ１１は超硬合金製の切刃基体１２とダイヤモンド焼結体製のカッタ１４とを有し、切刃チップ１１の上面外周の２０％以上５０％未満をカッタ１４が占め、カッタ１４と切刃基体１２とが接合される第１接合工程の後に、切刃基体１２と取付部３とが接合される第２接合工程を有し、第２接合工程において、カッタ１４の温度がダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも低く、かつ、カッタ１４と切刃基体１２との接合部分の温度が第１接合工程の接合温度よりも低く維持されるとともに、切刃基体１２と取付部３との接合部分の温度が、劣化温度よりも高くされていることを特徴とする。
【解決手段】工具本体の取付部３に切刃チップ１１が装着された掘削工具の製造方法であって、切刃チップ１１は超硬合金製の切刃基体１２とダイヤモンド焼結体製のカッタ１４とを有し、切刃チップ１１の上面外周の２０％以上５０％未満をカッタ１４が占め、カッタ１４と切刃基体１２とが接合される第１接合工程の後に、切刃基体１２と取付部３とが接合される第２接合工程を有し、第２接合工程において、カッタ１４の温度がダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも低く、かつ、カッタ１４と切刃基体１２との接合部分の温度が第１接合工程の接合温度よりも低く維持されるとともに、切刃基体１２と取付部３との接合部分の温度が、劣化温度よりも高くされていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、坑井などの掘削に使用される掘削工具の製造方法及び掘削工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
油井その他の坑井などの掘削の際に用いられる掘削工具として、合金鋼で構成され円柱状に形成された工具本体の先端側に、取付部としてタングステンカーバイト基超硬合金で構成されたポスト（以下、超硬ポストという）が所定の配列でろう付けや焼き嵌めなどによって固定され、これら超硬ポストのそれぞれに、ダイヤモンド焼結体で構成されたカッタを有する切刃チップがろう付けされたものや、取付部として工具本体の先端に形成したタングステンカーバイド合金製のマトリックス部に、上記切刃チップが直接ろう付けされたものが知られている。
上記の掘削工具は、掘削機械に取り付けられ、モーター等の回転駆動体に接続され、工具本体の回転軸回りに回転されるとともに、掘削工具先端側の被掘削材中に送り込まれることによって、工具本体先端に装着された切刃チップで被掘削材である岩盤等を掘削して穿孔加工するものである。
【０００３】
一般に、上記の掘削工具の先端部にろう付けされる切刃チップは、掘削する際の衝撃荷重に対応するために、略円形平板状に形成されており、切刃チップの上面外周がすべてＰＣＤ（多結晶ダイヤモンド）等のダイヤモンド焼結体で構成されているものが広く使用されている。このような切刃チップが超硬ポストやマトリックス部にろう付けされた掘削工具では、切刃チップの上面外周のうちの一部のみが掘削に使用され、ダイヤモンド焼結体の未使用部分が存在してしまう。
【０００４】
ダイヤモンド焼結体は、超高圧で焼結することにより製造されるためにコストが非常に高く、未使用部分のダイヤモンド焼結体を再利用することが多い。上記の掘削工具では、一度ろう付けされた切刃チップを取り外し、回転させ、再度ろう付けして使用しているが、工具本体をろう材が溶融する温度まで加熱する必要があり、切刃チップの着脱に多大な時間と労力が必要であった。また、一度使用した工具本体や超硬ポストを再利用するため、この工具本体や超硬ポストが掘削作業時に変形や破損等した場合には、切刃チップを精度良くろう付けできず、再使用できなくなるといった問題があった。
【０００５】
上記のような状況から、非特許文献１では、Ｃｏ金属を焼結助剤とする円形平板状をなすダイヤモンド焼結体から構成される切刃チップを装着した掘削工具の製作コストの低減を図るため、例えば中心角１２０°の扇形ダイヤモンド焼結体を有する切刃チップをマトリックス部に直接接合した掘削工具が開示されている。（非特許文献１参照。）
このような切刃チップが装着された掘削工具では、ダイヤモンド焼結体の未使用部分がなくなるとともに、切刃チップを着脱して使用する必要がないので、切刃チップの着脱作業をなくすことができる。また、ダイヤモンド焼結体の使用量が少ないので、この切刃チップの製造コストを低減することができる。
【非特許文献１】T.Ohno, et al.“Cost reduction of polycrystalline diamond compact bits through improved durability” Geothermics, vol.31, pp.245-262,2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、焼結助剤としてＣｏを用いた一般ダイヤモンド焼結体は、５〜６ＧＰａの高圧下で、１５００℃で３０分保持の熱処理を施して焼結したもので製造コストが高いため、その高コストを相殺できる石油井等の掘削に専ら使用されている。
上記の一般ダイヤモンド焼結体によってカッタが構成されていた場合には、ダイヤモンド焼結体が約８００℃で劣化して、その硬度が著しく低下してしまうので、ダイヤモンド焼結体部分の実質的温度を８００℃以下に維持して接合する必要がある。したがって、従来は、接合温度を８００℃以下として接合していた。
【０００７】
切刃チップを超硬ポストあるいはマトリックス部にろう付けにて接合する場合には、高融点のろう材は低融点のろう材に比べて接合強度が高いため、切刃チップと超硬ポストあるいはマトリックス部との接合強度は、ろう付け温度（接合温度）が高いほど高くなり、ろう付け温度が低いほど低くなってしまう。したがって、上述のようにろう付け温度（接合温度）を低くした場合には、掘削抵抗によって切刃チップの脱落が生じやすいといった問題があった。
また、扇形のカッタ自体を直接超硬ポストやマトリックス部にろう付けした場合には、接合面積が小さいため、強固に接合することができず、カッタが脱落及び破損してしまい、掘削工具として使用できなくなるといった問題があった。
【０００８】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、上面外周側一部分にダイヤモンド焼結体で構成されたカッタを配置した切刃チップを、工具本体の取付部に強固に固定できる掘削工具の製造方法及び掘削工具を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。
請求項１記載の掘削工具の製造方法は、円柱状の工具本体を有し、該工具本体の先端面に設けられた取付部に、円形平板状に形成された切刃チップが前記工具本体の回転方向に表面を交差させる姿勢で複数装着され、該切刃チップによって被掘削材を掘削する掘削工具の製造方法であって、前記切刃チップは、円形平板状をなす超硬合金製の切刃基体と、該切刃基体の上面の外周側一部分に形成された凹部に支持されるカッタとを有し、該カッタの上面側はダイヤモンド焼結体からなるカッタ本体とされ下面側が超硬合金からなる着座部とされるとともに、前記切刃チップの上面外周のうち前記カッタが占める割合が２０％以上５０％未満とされており、前記カッタと前記切刃基体とが接合される第１接合工程と、該第１接合工程の後に、前記切刃基体と前記取付部とが接合される第２接合工程とを有し、該第２接合工程において、前記カッタの温度が前記カッタを構成する前記ダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも低く、かつ、前記カッタと前記切刃基体との接合部分の温度が前記第１接合工程の接合温度よりも低く維持されるとともに、前記切刃基体と前記取付部との接合部分の温度が、前記劣化温度よりも高くされていることを特徴とする。
【００１０】
上記の構成の掘削工具の製造方法では、カッタと切刃基体とを接合する第１接合工程の後に切刃基体と取付部を接合する第２接合工程を有し、この第２接合工程において、カッタ部分の温度がカッタを構成するダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも低い温度に維持されているので、この第２接合工程でのカッタの劣化が防止される。
また、カッタと切刃基体との接合部分の温度が第１接合工程の接合温度よりも低い温度に維持されているので、カッタと切刃基体との接合部分の接合強度が低下することが防止される。
さらに、切刃基体と取付部との接合部分の温度が、ダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも高くされているので、切刃基体と取付部とを強固に固定できる。
また、切刃チップの上面外周のうちカッタが占める割合が２０％以上５０％未満とされているので、切刃チップのうち切刃基体が占める割合が大きく、カッタが切刃基体によって支持される。
なお、カッタと切刃基体とを接合する第１接合工程における接合方法については、特に制限はなく、ダイヤモンド焼結体が実質的に劣化しないように接合されていればよい。
【００１１】
請求項２に記載の掘削工具の製造方法は、前記第２接合工程において、前記カッタの温度を前記ダイヤモンド焼結体の前記劣化温度よりも低く、かつ、前記カッタと前記切刃基体との接合部分の温度を前記第１接合工程の接合温度よりも低く維持する手段として熱交換器を使用し、前記切刃基体と前記取付部との接合部分の温度を前記劣化温度よりも高くする手段として局所加熱手段を使用することを特徴とする。
この掘削工具の製造方法では、熱交換器によってカッタ及びカッタと切刃基体との接合部分の温度が低く維持されているので、カッタの劣化やカッタと切刃基体との接合部分の接合強度の低下が防止される。また、局所加熱手段によって切刃基体と取付部との接合部分の温度がダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも高くされる。
【００１２】
請求項３に記載の掘削工具は、円柱状の工具本体を有し、該工具本体の先端面に設けられた取付部に、円形平板状に形成された切刃チップが前記工具本体の回転方向に表面を交差させる姿勢で複数装着され、該切刃チップによって被掘削材を掘削する掘削工具であって、前記切刃チップは、円形平板状をなす超硬合金製の切刃基体と、該切刃基体の上面の外周側一部分に形成された凹部に支持されるカッタとを有し、該カッタの上面側はダイヤモンド焼結体からなるカッタ本体とされ下面側が超硬合金からなる着座部とされるとともに、前記切刃チップの上面外周のうち前記カッタが占める割合が２０％以上５０％未満とされており、前記カッタと前記切刃基体との間に第１接合層が形成され、前記切刃基体と前記取付部との間には、前記カッタと前記切刃基体との間に第１接合層が形成され、前記切刃基体と前記取付部との間には、第２接合層が形成され、該第２接合層は、前記ダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも高い温度にて形成されることを特徴とする。
【００１３】
上記の構成の掘削工具は、切刃基体と取付部との間の第２接合層が、カッタを構成するダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも高い温度にて形成されるので、切刃基体と取付部とが高い接合強度で接合される。
また、カッタの下面側に超硬合金からなる着座部が設けられているので、切刃基体とカッタとの接合が同じ超硬合金同士となる。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、第２接合工程において、切刃基体と工具本体とがダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも高温で接合され、切刃チップが工具本体に強固に固定されているので、被掘削材掘削時の衝撃力による切刃チップの脱落を防止することができる。
また、第２接合工程においてカッタが劣化することが防止されているので、カッタの硬度が著しく低下することが防止され、このカッタを掘削に使用できる。また、カッタと切刃基体との接合部分の接合強度の低下が防止されているので、掘削抵抗によってカッタが切刃基体から外れてしまうことを防止できる。
【００１５】
また、切刃チップの上面外周のうちカッタが占める割合が２０％以上５０％未満とされているので、温度を低く維持する部分の体積が小さく、カッタの温度を確実にダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも低く維持することができる。
また、切刃チップのうちの切刃基体が占める割合が大きくされているが、切刃基体を構成する超硬合金の熱伝導率は、カッタを構成するダイヤモンド焼結体の熱伝導率よりも著しく小さいので、切刃基体と取付部との接合部分を加熱した際の熱がカッタにまで伝わることが抑えられ、カッタの温度をダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも低く維持することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、熱交換器と局所加熱手段によって、カッタの劣化やカッタと切刃基体との接合部分の接合強度低下が防止されるとともに、切刃基体と取付部との接合部分の温度がダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも高くされるので、カッタが劣化することなく切刃チップを取付部に強固に固定することができ、被掘削材掘削時の衝撃力による切刃チップの脱落を確実に防止することができる。
また、切刃チップの上面外周のうちカッタが占める割合が２０％以上５０％未満とされているので、第２接合工程で使用される熱交換器を小さく構成することができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、切刃基体と取付部とが高い接合強度で接合されているので、掘削抵抗によって切刃チップが工具本体から脱落しない掘削工具を提供することができる。また、切刃基体とカッタとの接合が同じ超硬合金同士となるので、切刃基体とカッタとの接合強度をより高くすることができる。
また、切刃チップの上面外周のうちダイヤモンド焼結体で構成されたカッタの占める割合が２０％以上５０％未満とされているので、高価なダイヤモンド焼結体部分が少なく、切刃チップの製造コストを低減することができる。また、掘削作業において、カッタの未使用部分がなくなるので、この切刃チップを再利用する必要がない。
【００１８】
したがって、本発明によれば、上面外周側一部分にダイヤモンド焼結体で構成されたカッタを配置した切刃チップを、工具本体の取付部に強固に固定できる掘削工具の製造方法及び掘削工具を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の実施形態である掘削工具を、図２に、掘削工具の先端部に具備される超硬ポストと切刃チップを示す。
【００２０】
掘削工具１は、例えばＪＩＳ・ＳＣＨ４１５に規定される合金鋼等からなり外形が円柱状に形成された工具本体２と、工具本体２の先端面に所定の配列で複数設けられた超硬ポスト３とを有する。本実施形態においては、図１に示すように、径方向に等間隔で４つ、周方向に等間隔で４つ配置されている。この超硬ポスト３が取付部とされ、工具本体２に対してろう付けや焼き嵌めなどの手段によって装着されている。
【００２１】
超硬ポスト３は、図２に示すように柱状に形成されており、タングステンカーバイド基超硬合金によって構成されている。超硬ポスト３の上部には、超硬ポスト３の上方に向かうに従い、該超硬ポスト３の径方向内側に近づく傾斜面が設けられており、この傾斜面が、切刃チップ１１の取付面３Ａとされている。そして、超硬ポスト３は、超硬ポスト３の軸線Ｍが工具本体２の回転軸Ｌと平行するように、かつ、取付面３Ａが工具本体２の回転方向Ｔ前方側を向くように取り付けられている。
【００２２】
図３、図４に、上記の超硬ポスト３に装着される切刃基体及び切刃チップを示す。
切刃チップ１１は、超硬合金からなる切刃基体１２と、この切刃基体１２の凹部１３に支持されるカッタ１４とを具備しており、切刃チップ１１全体として略一定厚みの円形平板状をなしている。
切刃基体１２は、図３に示すように円形平板状に形成されており、その下面１２Ａが超硬ポスト３の取付面３Ａとろう付けされるろう付け面で、この下面１２Ａに対向する上面１２Ｂが、掘削方向を向く面である。
【００２３】
この上面１２Ｂの外周一部分には、カッタ１４を支持するための凹部１３が形成され、この凹部１３は、カッタ１４の外形と同形状で、本実施形態では、平面視において切刃基体１２の中心を同じく中心とする扇形とされており、凹部１３の底面は、切刃基体１２の下面１２Ａ及び上面１２Ｂと平行となるように形成されている。この凹部１３は、焼結成形された円形平板状の超硬合金材を放電加工することによって形成される。
【００２４】
そして、この凹部１３は、外周側に向けて漸次間隔が広がるＶ字状をなす一対の支持面１３Ａ、１３Ｂを有しており、これら支持面１３Ａ、１３Ｂがカッタ１４に加わる掘削時の衝撃力を受けることになる。凹部１３がこのようなクサビ形状の支持面１３Ａ、１３Ｂを有していることにより、カッタ１４に加わる衝撃力が切刃基体１２において広く分散され、切刃チップ１１の衝撃力に対する強度が増すことになる。
【００２５】
また、切刃基体１２は、一般的な超硬合金、例えば結合材としてＣｏを用いたタングステンカーバイド基超硬合金によって一体に形成されている。本実施形態においては、切刃基体１２は、結合材であるＣｏを９．５質量％含有し、残りがタングステンカーバイドと不可避不純物からなる超硬合金によって一体に形成されている。上記の超硬合金は、次のように製造される。原料粉末として、９．５質量％のＣｏ粉末と、０．５質量％のＴｉＣと、平均粒径３μｍのＷＣ粉末とを用いる。これらの原料粉末をボールミルで８４時間湿式混合し、乾燥後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中で１４００℃で１時間の焼結を行うことで上記の超硬合金が得られる。
上記の超硬合金は高い強度と高い靱性を有しており、この切刃基体１２は、掘削作業時に切刃チップ１１に加わる熱的衝撃及び機械的衝撃を吸収する衝撃吸収体となる。
【００２６】
カッタ１４は、切刃チップ１１において掘削作業時に被掘削材と接触する部分に設けられるものであり、本実施形態においては、切刃チップ１１の上面外周のうちの１／４を占めるように配置されている。すなわち、カッタ１４は、図３に示すように上面視して扇形に形成され、この扇形の２つの直線がなす角度が９０°となっている。
【００２７】
そして、カッタ１４の下面側は着座部１５で、この着座部１５は、切刃基体１２と略同じ材質の超硬合金によって構成されている。
一方、カッタ１４の上面側はカッタ本体１６で、このカッタ本体１６は、焼結助剤としてＣｏを用いた一般ダイヤモンド焼結体で構成されている。
【００２８】
上記のカッタ１４は、次のように製造される。原料粉末として平均粒径２５μｍのダイヤモンド粉末を、円板状に形成されたコバルト（Ｃｏ）を結合材とするタングステンカーバイド基超硬合金母材の上に成形し、この成形体を超高圧・高温発生装置を用いてダイヤモンド安定領域（５．５ＧＰａ、１５００℃、３０分間保持）まで、加圧、加熱する。この超高圧・高温処理の際に、超硬合金側のＣｏがダイヤモンド粉末側に溶浸し、最終的にダイヤモンドと超硬合金とが一体成形された円形平板状の焼結体を得る。
【００２９】
その後、この焼結体に、ダイヤモンド砥石による研磨を施して粗加工してから、さらにレーザー加工又はワイヤー放電加工によって所望の形状に切り出すことにより、扇形のカッタ１４を得ることができる。ここで、カッタ１４は、超硬合金からなる着座部１５とダイヤモンド焼結体からなるカッタ本体１６とを具備することになる。また、本実施形態では、カッタ１４が扇形に形成され、扇形の２つの直線がなす角度が９０°となっているので、円形平板状の焼結体を１／４に切断することにより、一個の焼結体から４つのカッタ１４を作成することができる。
【００３０】
次に、上記の切刃基体１２とカッタ１４とを接合する方法及び切刃基体１２と超硬ポスト３とを接合する方法について説明する。
まず、第１接合工程として、切刃基体１２の凹部１３とカッタ１４の着座部１５とを銀ろう材を使用してろう付けする。この銀ろう材の組成は、Ａｇ４５％、Ｃｕ１５％、Ｚｎ１６％、Ｃｄ２４％であり、融点は６０５℃から６２０℃である。この銀ろう材を使用して、６５０℃でろう付けする。この第１接合工程によって、切刃基体１２の凹部１３とカッタ１４の着座部１５との間に銀ろう材からなる第１接合層２１が形成される。
【００３１】
次に、第２接合工程として、超硬ポスト３の取付面３Ａと切刃基体１２の下面１２Ａとを接合するが、この第２接合工程が本発明に係る部分である。
図５、図６に第２接合工程の説明図を示す。まず、切刃基体１２と超硬ポスト３の取付面３Ａとの間にＴｉ活性ろう材を配置する。このＴｉ活性ろう材の組成は、Ａｇ７０％、Ｃｕ２８％、Ｔｉ２％であり、融点は７８０℃から８００℃である。
熱交換器３１を、切刃チップ１１の側面のうちカッタ１４が配置された部分に配備し、局所加熱手段として誘導加熱コイル３２を切刃基体１２と超硬ポスト３の取付面３Ａとの間のＴｉ活性ろう材の近傍に配備する。
【００３２】
そして、誘導加熱コイル３２によって切刃基体１２と超硬ポスト３の取付面３Ａとの間に配置されたＴｉ活性ろう材を局部的に加熱するとともに、熱交換器３１によってカッタ本体１６及び第１接合層２１とを冷却することにより、切刃基体１２と超硬ポスト３の取付面３Ａとの間の部分は８５０℃まで加熱されて切刃基体１２と超硬ポスト３の取付面３Ａとがろう付けされるとともに、カッタ本体１６及び第１接合層２１部分が６００℃以下に保持される。この第２接合工程によって、超硬ポスト３の取付面３Ａと切刃基体１２の下面１２Ａとの間にＴｉ活性ろう材からなる第２接合層２２が形成される。
【００３３】
このとき、超硬ポスト３の取付面３Ａは、図１及び図２に示すように、工具本体２の回転方向Ｔ前方側に向くとともに超硬ポスト３の上方に向かうに従い超硬ポスト３の径方向内側に後退するように傾斜しているので、切刃基体１２は工具本体２の回転方向Ｔ前方側を向くとともに、掘削工具１先端側に向かうに従い回転方向Ｔの後方側に後退するように配置される。また、切刃基体１２の凹部１３が、掘削工具１の先端側に向くようにろう付けされている。さらに、第１接合工程にて、切刃基体１２の凹部１３が、掘削工具１の先端側に向くようにろう付けされているので、ダイヤモンド焼結体からなるカッタ本体１６が掘削工具１の先端側に向くように配置される。
【００３４】
上記の構成の掘削工具１は、掘削機械に取り付けられ、モーター等の回転駆動体に接続され、工具本体２の回転軸Ｌ回りに回転されるとともに、掘削工具１先端側の被掘削材中に送り込まれることによって、工具本体２先端部の超硬ポスト３に装着された切刃チップ１１で被掘削材である岩盤等を掘削して穿孔加工するものである。ここで、上記の掘削工具１では、ダイヤモンド焼結体からなるカッタ本体１６が、掘削工具１の先端部に向けて配置されているので、このカッタ本体１６によって被掘削材が掘削される。
【００３５】
上記の掘削工具１の切刃基体１２と超硬ポスト３とを接合する第２接合工程では、熱交換器３１によってカッタ本体１６及び第１接合層２１部分が６００℃以下に保持され、誘導加熱コイル３２によって切刃基体１２と超硬ポスト３の取付面３Ａとの間の部分が８５０℃まで加熱されて切刃基体１２と超硬ポスト３の取付面３ＡとがＴｉ活性ろう材によってろう付けされるので、カッタ本体１６の劣化や第１接合層２１の接合強度の低下を防止できるとともに、切刃基体１２と超硬ポスト３との接合強度を高くでき、掘削時の掘削抵抗によって切刃チップ１１が超硬ポスト３から脱落したり破損したりすることを防止できる。
【００３６】
また、上記の第２接合工程においては、カッタ１４の温度及び第１接合層２１の温度を低く維持するための熱交換器３１が必要であるが、本実施形態では、カッタ１４が切刃チップ１１の上面外周の１／４を占めるように配置されているので、熱交換器３１の大きさを小さくすることができるとともに、温度を低く維持する部分の体積が小さいので、確実に温度を６００℃以下に維持できる。
また、熱伝導率の低い超硬合金製の切刃基体１２によってカッタ１４の側面と底面とが支持されているので、誘導加熱コイル３２によって第２接合層２２部分を加熱した際に、この第２接合層２２部分からカッタ１４にまで熱が伝わることが防止され、カッタ１４の温度上昇を抑えることができる。
【００３７】
また、第１接合工程では、切刃基体１２の凹部１３とカッタ１４の着座部１５とが略同じ材質の超硬合金で構成され、同種材料同士での接合となるので、接合強度を高くでき、掘削抵抗によってカッタ１４が切刃基体１２から脱落することを防止できる。また、ダイヤモンド焼結体からなるカッタ本体１６が切刃チップ１１の上面外周の１／４を占めるように配置されているので、高価なダイヤモンド焼結体の使用量が少なく切刃チップ１１の製造コストを低減できる。
【００３８】
なお、本実施形態においては、カッタ本体１６を、コバルト（Ｃｏ）を焼結助剤として使用した一般ダイヤモンド焼結体で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、例えば焼結助剤としてＳｉＣ等のセラミックスを用いたダイヤモンド焼結体で構成したものや、焼結助剤として使用したＣｏを化学的処理により除去したダイヤモンド焼結体で構成されたものであっても良い。
また、取付部として超硬ポスト３を設け、この超硬ポスト３に切刃チップ１１を装着しているが、これに限定されることはなく、例えば取付部として超硬合金製のマトリックス部を設け、切刃チップ１１をマトリックス部に直接接合したものであっても良い。
【００３９】
また、カッタ１４が切刃チップ１１の上面外周の１／４（２５％）を占める切刃チップ１１で説明したが、これに限定されることはなく、例えば、上面外周の１／３（３３％）を占めるものであっても良い。上面外周の１／３を占めるものでは、円形平板状の焼結体から３つのカッタを作成することができる。
また、カッタ１４及び切刃基体１２の凹部１３が、扇形のもので説明したが、切刃チップ１１の上面の外周側一部にカッタ本体１６が配置されていれば良く、切刃基体１２の凹部１３の部分が例えば三日月状に形成されていても良い。
【００４０】
また、切刃チップ１１が円周方向で４つ、径方向に４つ配置された掘削工具１で説明したが、これに限定されることはなく、例えば、工具本体２が円筒状に形成され、この工具本体２の先端部に切刃チップ１１が装着されたコアビット等の掘削工具であっても良い。また、切刃チップ１１の配置は、掘削工具の形状・サイズ、切刃チップのサイズ及び被掘削材の材質などを考慮して決定することが好ましい。
【００４１】
さらに、第２接合工程において、熱交換器３１をカッタ１４の側面に配置したもので説明したが、これに限定されることはなく、例えば図７に示すように、熱交換器３１をカッタ１４の上部に配置してもよい。
また、局所加熱手段として誘導加熱コイル３２を用いて説明したが、他の局所加熱手段、例えばレーザー加熱装置や抵抗加熱装置等であってもよい。
【００４２】
また、第１接合工程において、ろう付け温度６５０℃で接合するものとして説明したが、第１接合工程における接合方法については特に制限はなく、ダイヤモンド焼結体で構成されたカッタ１４が実質的に劣化しないように接合されていればよい。例えば、第２接合工程で用いた熱交換器３１及び局所加熱手段を用いて、ダイヤモンド焼結体を劣化温度以下に維持したままで、接合部分のみを局所加熱して接合してもよい。
【００４３】
また、第１接合層２１を銀ろう材で構成したもので説明したが、第１接合層２１の材質や構造に制限はない。
また、第２接合層２２をＴｉ活性ろう材で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、カッタ本体１６を構成するダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも高い温度で形成される接合層であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態である掘削工具の先端部の斜視図である。
【図２】図１の掘削工具の先端部に設けられた超硬ポスト及び切刃チップの側面図である。
【図３】図２の超硬ポストにろう付けされる切刃基体の説明図である。
【図４】図１の掘削工具に装着される切刃チップの説明図である。
【図５】第２接合工程の説明図（側面図）である。
【図６】第２接合工程の説明図（上面図）である。
【図７】本発明の他の実施形態における第２接合工程の説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 掘削工具
２ 工具本体
３ 超硬ポスト（取付部）
１１ 切刃チップ
１２ 切刃基体
１３ 凹部
１４ カッタ
１５ 着座部
１６ カッタ本体
２１ 第１接合層
２２ 第２接合層
３１ 熱交換器
３２ 誘導加熱コイル（局所加熱手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、坑井などの掘削に使用される掘削工具の製造方法及び掘削工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
油井その他の坑井などの掘削の際に用いられる掘削工具として、合金鋼で構成され円柱状に形成された工具本体の先端側に、取付部としてタングステンカーバイト基超硬合金で構成されたポスト（以下、超硬ポストという）が所定の配列でろう付けや焼き嵌めなどによって固定され、これら超硬ポストのそれぞれに、ダイヤモンド焼結体で構成されたカッタを有する切刃チップがろう付けされたものや、取付部として工具本体の先端に形成したタングステンカーバイド合金製のマトリックス部に、上記切刃チップが直接ろう付けされたものが知られている。
上記の掘削工具は、掘削機械に取り付けられ、モーター等の回転駆動体に接続され、工具本体の回転軸回りに回転されるとともに、掘削工具先端側の被掘削材中に送り込まれることによって、工具本体先端に装着された切刃チップで被掘削材である岩盤等を掘削して穿孔加工するものである。
【０００３】
一般に、上記の掘削工具の先端部にろう付けされる切刃チップは、掘削する際の衝撃荷重に対応するために、略円形平板状に形成されており、切刃チップの上面外周がすべてＰＣＤ（多結晶ダイヤモンド）等のダイヤモンド焼結体で構成されているものが広く使用されている。このような切刃チップが超硬ポストやマトリックス部にろう付けされた掘削工具では、切刃チップの上面外周のうちの一部のみが掘削に使用され、ダイヤモンド焼結体の未使用部分が存在してしまう。
【０００４】
ダイヤモンド焼結体は、超高圧で焼結することにより製造されるためにコストが非常に高く、未使用部分のダイヤモンド焼結体を再利用することが多い。上記の掘削工具では、一度ろう付けされた切刃チップを取り外し、回転させ、再度ろう付けして使用しているが、工具本体をろう材が溶融する温度まで加熱する必要があり、切刃チップの着脱に多大な時間と労力が必要であった。また、一度使用した工具本体や超硬ポストを再利用するため、この工具本体や超硬ポストが掘削作業時に変形や破損等した場合には、切刃チップを精度良くろう付けできず、再使用できなくなるといった問題があった。
【０００５】
上記のような状況から、非特許文献１では、Ｃｏ金属を焼結助剤とする円形平板状をなすダイヤモンド焼結体から構成される切刃チップを装着した掘削工具の製作コストの低減を図るため、例えば中心角１２０°の扇形ダイヤモンド焼結体を有する切刃チップをマトリックス部に直接接合した掘削工具が開示されている。（非特許文献１参照。）
このような切刃チップが装着された掘削工具では、ダイヤモンド焼結体の未使用部分がなくなるとともに、切刃チップを着脱して使用する必要がないので、切刃チップの着脱作業をなくすことができる。また、ダイヤモンド焼結体の使用量が少ないので、この切刃チップの製造コストを低減することができる。
【非特許文献１】T.Ohno, et al.“Cost reduction of polycrystalline diamond compact bits through improved durability” Geothermics, vol.31, pp.245-262,2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、焼結助剤としてＣｏを用いた一般ダイヤモンド焼結体は、５〜６ＧＰａの高圧下で、１５００℃で３０分保持の熱処理を施して焼結したもので製造コストが高いため、その高コストを相殺できる石油井等の掘削に専ら使用されている。
上記の一般ダイヤモンド焼結体によってカッタが構成されていた場合には、ダイヤモンド焼結体が約８００℃で劣化して、その硬度が著しく低下してしまうので、ダイヤモンド焼結体部分の実質的温度を８００℃以下に維持して接合する必要がある。したがって、従来は、接合温度を８００℃以下として接合していた。
【０００７】
切刃チップを超硬ポストあるいはマトリックス部にろう付けにて接合する場合には、高融点のろう材は低融点のろう材に比べて接合強度が高いため、切刃チップと超硬ポストあるいはマトリックス部との接合強度は、ろう付け温度（接合温度）が高いほど高くなり、ろう付け温度が低いほど低くなってしまう。したがって、上述のようにろう付け温度（接合温度）を低くした場合には、掘削抵抗によって切刃チップの脱落が生じやすいといった問題があった。
また、扇形のカッタ自体を直接超硬ポストやマトリックス部にろう付けした場合には、接合面積が小さいため、強固に接合することができず、カッタが脱落及び破損してしまい、掘削工具として使用できなくなるといった問題があった。
【０００８】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、上面外周側一部分にダイヤモンド焼結体で構成されたカッタを配置した切刃チップを、工具本体の取付部に強固に固定できる掘削工具の製造方法及び掘削工具を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。
請求項１記載の掘削工具の製造方法は、円柱状の工具本体を有し、該工具本体の先端面に設けられた取付部に、円形平板状に形成された切刃チップが前記工具本体の回転方向に表面を交差させる姿勢で複数装着され、該切刃チップによって被掘削材を掘削する掘削工具の製造方法であって、前記切刃チップは、円形平板状をなす超硬合金製の切刃基体と、該切刃基体の上面の外周側一部分に形成された凹部に支持されるカッタとを有し、該カッタの上面側はダイヤモンド焼結体からなるカッタ本体とされ下面側が超硬合金からなる着座部とされるとともに、前記切刃チップの上面外周のうち前記カッタが占める割合が２０％以上５０％未満とされており、前記カッタと前記切刃基体とが接合される第１接合工程と、該第１接合工程の後に、前記切刃基体と前記取付部とが接合される第２接合工程とを有し、該第２接合工程において、前記カッタの温度が前記カッタを構成する前記ダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも低く、かつ、前記カッタと前記切刃基体との接合部分の温度が前記第１接合工程の接合温度よりも低く維持されるとともに、前記切刃基体と前記取付部との接合部分の温度が、前記劣化温度よりも高くされていることを特徴とする。
【００１０】
上記の構成の掘削工具の製造方法では、カッタと切刃基体とを接合する第１接合工程の後に切刃基体と取付部を接合する第２接合工程を有し、この第２接合工程において、カッタ部分の温度がカッタを構成するダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも低い温度に維持されているので、この第２接合工程でのカッタの劣化が防止される。
また、カッタと切刃基体との接合部分の温度が第１接合工程の接合温度よりも低い温度に維持されているので、カッタと切刃基体との接合部分の接合強度が低下することが防止される。
さらに、切刃基体と取付部との接合部分の温度が、ダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも高くされているので、切刃基体と取付部とを強固に固定できる。
また、切刃チップの上面外周のうちカッタが占める割合が２０％以上５０％未満とされているので、切刃チップのうち切刃基体が占める割合が大きく、カッタが切刃基体によって支持される。
なお、カッタと切刃基体とを接合する第１接合工程における接合方法については、特に制限はなく、ダイヤモンド焼結体が実質的に劣化しないように接合されていればよい。
【００１１】
請求項２に記載の掘削工具の製造方法は、前記第２接合工程において、前記カッタの温度を前記ダイヤモンド焼結体の前記劣化温度よりも低く、かつ、前記カッタと前記切刃基体との接合部分の温度を前記第１接合工程の接合温度よりも低く維持する手段として熱交換器を使用し、前記切刃基体と前記取付部との接合部分の温度を前記劣化温度よりも高くする手段として局所加熱手段を使用することを特徴とする。
この掘削工具の製造方法では、熱交換器によってカッタ及びカッタと切刃基体との接合部分の温度が低く維持されているので、カッタの劣化やカッタと切刃基体との接合部分の接合強度の低下が防止される。また、局所加熱手段によって切刃基体と取付部との接合部分の温度がダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも高くされる。
【００１２】
請求項３に記載の掘削工具は、円柱状の工具本体を有し、該工具本体の先端面に設けられた取付部に、円形平板状に形成された切刃チップが前記工具本体の回転方向に表面を交差させる姿勢で複数装着され、該切刃チップによって被掘削材を掘削する掘削工具であって、前記切刃チップは、円形平板状をなす超硬合金製の切刃基体と、該切刃基体の上面の外周側一部分に形成された凹部に支持されるカッタとを有し、該カッタの上面側はダイヤモンド焼結体からなるカッタ本体とされ下面側が超硬合金からなる着座部とされるとともに、前記切刃チップの上面外周のうち前記カッタが占める割合が２０％以上５０％未満とされており、前記カッタと前記切刃基体との間に第１接合層が形成され、前記切刃基体と前記取付部との間には、前記カッタと前記切刃基体との間に第１接合層が形成され、前記切刃基体と前記取付部との間には、第２接合層が形成され、該第２接合層は、前記ダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも高い温度にて形成されることを特徴とする。
【００１３】
上記の構成の掘削工具は、切刃基体と取付部との間の第２接合層が、カッタを構成するダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも高い温度にて形成されるので、切刃基体と取付部とが高い接合強度で接合される。
また、カッタの下面側に超硬合金からなる着座部が設けられているので、切刃基体とカッタとの接合が同じ超硬合金同士となる。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、第２接合工程において、切刃基体と工具本体とがダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも高温で接合され、切刃チップが工具本体に強固に固定されているので、被掘削材掘削時の衝撃力による切刃チップの脱落を防止することができる。
また、第２接合工程においてカッタが劣化することが防止されているので、カッタの硬度が著しく低下することが防止され、このカッタを掘削に使用できる。また、カッタと切刃基体との接合部分の接合強度の低下が防止されているので、掘削抵抗によってカッタが切刃基体から外れてしまうことを防止できる。
【００１５】
また、切刃チップの上面外周のうちカッタが占める割合が２０％以上５０％未満とされているので、温度を低く維持する部分の体積が小さく、カッタの温度を確実にダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも低く維持することができる。
また、切刃チップのうちの切刃基体が占める割合が大きくされているが、切刃基体を構成する超硬合金の熱伝導率は、カッタを構成するダイヤモンド焼結体の熱伝導率よりも著しく小さいので、切刃基体と取付部との接合部分を加熱した際の熱がカッタにまで伝わることが抑えられ、カッタの温度をダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも低く維持することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、熱交換器と局所加熱手段によって、カッタの劣化やカッタと切刃基体との接合部分の接合強度低下が防止されるとともに、切刃基体と取付部との接合部分の温度がダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも高くされるので、カッタが劣化することなく切刃チップを取付部に強固に固定することができ、被掘削材掘削時の衝撃力による切刃チップの脱落を確実に防止することができる。
また、切刃チップの上面外周のうちカッタが占める割合が２０％以上５０％未満とされているので、第２接合工程で使用される熱交換器を小さく構成することができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、切刃基体と取付部とが高い接合強度で接合されているので、掘削抵抗によって切刃チップが工具本体から脱落しない掘削工具を提供することができる。また、切刃基体とカッタとの接合が同じ超硬合金同士となるので、切刃基体とカッタとの接合強度をより高くすることができる。
また、切刃チップの上面外周のうちダイヤモンド焼結体で構成されたカッタの占める割合が２０％以上５０％未満とされているので、高価なダイヤモンド焼結体部分が少なく、切刃チップの製造コストを低減することができる。また、掘削作業において、カッタの未使用部分がなくなるので、この切刃チップを再利用する必要がない。
【００１８】
したがって、本発明によれば、上面外周側一部分にダイヤモンド焼結体で構成されたカッタを配置した切刃チップを、工具本体の取付部に強固に固定できる掘削工具の製造方法及び掘削工具を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
図１に、本発明の実施形態である掘削工具を、図２に、掘削工具の先端部に具備される超硬ポストと切刃チップを示す。
【００２０】
掘削工具１は、例えばＪＩＳ・ＳＣＨ４１５に規定される合金鋼等からなり外形が円柱状に形成された工具本体２と、工具本体２の先端面に所定の配列で複数設けられた超硬ポスト３とを有する。本実施形態においては、図１に示すように、径方向に等間隔で４つ、周方向に等間隔で４つ配置されている。この超硬ポスト３が取付部とされ、工具本体２に対してろう付けや焼き嵌めなどの手段によって装着されている。
【００２１】
超硬ポスト３は、図２に示すように柱状に形成されており、タングステンカーバイド基超硬合金によって構成されている。超硬ポスト３の上部には、超硬ポスト３の上方に向かうに従い、該超硬ポスト３の径方向内側に近づく傾斜面が設けられており、この傾斜面が、切刃チップ１１の取付面３Ａとされている。そして、超硬ポスト３は、超硬ポスト３の軸線Ｍが工具本体２の回転軸Ｌと平行するように、かつ、取付面３Ａが工具本体２の回転方向Ｔ前方側を向くように取り付けられている。
【００２２】
図３、図４に、上記の超硬ポスト３に装着される切刃基体及び切刃チップを示す。
切刃チップ１１は、超硬合金からなる切刃基体１２と、この切刃基体１２の凹部１３に支持されるカッタ１４とを具備しており、切刃チップ１１全体として略一定厚みの円形平板状をなしている。
切刃基体１２は、図３に示すように円形平板状に形成されており、その下面１２Ａが超硬ポスト３の取付面３Ａとろう付けされるろう付け面で、この下面１２Ａに対向する上面１２Ｂが、掘削方向を向く面である。
【００２３】
この上面１２Ｂの外周一部分には、カッタ１４を支持するための凹部１３が形成され、この凹部１３は、カッタ１４の外形と同形状で、本実施形態では、平面視において切刃基体１２の中心を同じく中心とする扇形とされており、凹部１３の底面は、切刃基体１２の下面１２Ａ及び上面１２Ｂと平行となるように形成されている。この凹部１３は、焼結成形された円形平板状の超硬合金材を放電加工することによって形成される。
【００２４】
そして、この凹部１３は、外周側に向けて漸次間隔が広がるＶ字状をなす一対の支持面１３Ａ、１３Ｂを有しており、これら支持面１３Ａ、１３Ｂがカッタ１４に加わる掘削時の衝撃力を受けることになる。凹部１３がこのようなクサビ形状の支持面１３Ａ、１３Ｂを有していることにより、カッタ１４に加わる衝撃力が切刃基体１２において広く分散され、切刃チップ１１の衝撃力に対する強度が増すことになる。
【００２５】
また、切刃基体１２は、一般的な超硬合金、例えば結合材としてＣｏを用いたタングステンカーバイド基超硬合金によって一体に形成されている。本実施形態においては、切刃基体１２は、結合材であるＣｏを９．５質量％含有し、残りがタングステンカーバイドと不可避不純物からなる超硬合金によって一体に形成されている。上記の超硬合金は、次のように製造される。原料粉末として、９．５質量％のＣｏ粉末と、０．５質量％のＴｉＣと、平均粒径３μｍのＷＣ粉末とを用いる。これらの原料粉末をボールミルで８４時間湿式混合し、乾燥後、１００ＭＰａの圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中で１４００℃で１時間の焼結を行うことで上記の超硬合金が得られる。
上記の超硬合金は高い強度と高い靱性を有しており、この切刃基体１２は、掘削作業時に切刃チップ１１に加わる熱的衝撃及び機械的衝撃を吸収する衝撃吸収体となる。
【００２６】
カッタ１４は、切刃チップ１１において掘削作業時に被掘削材と接触する部分に設けられるものであり、本実施形態においては、切刃チップ１１の上面外周のうちの１／４を占めるように配置されている。すなわち、カッタ１４は、図３に示すように上面視して扇形に形成され、この扇形の２つの直線がなす角度が９０°となっている。
【００２７】
そして、カッタ１４の下面側は着座部１５で、この着座部１５は、切刃基体１２と略同じ材質の超硬合金によって構成されている。
一方、カッタ１４の上面側はカッタ本体１６で、このカッタ本体１６は、焼結助剤としてＣｏを用いた一般ダイヤモンド焼結体で構成されている。
【００２８】
上記のカッタ１４は、次のように製造される。原料粉末として平均粒径２５μｍのダイヤモンド粉末を、円板状に形成されたコバルト（Ｃｏ）を結合材とするタングステンカーバイド基超硬合金母材の上に成形し、この成形体を超高圧・高温発生装置を用いてダイヤモンド安定領域（５．５ＧＰａ、１５００℃、３０分間保持）まで、加圧、加熱する。この超高圧・高温処理の際に、超硬合金側のＣｏがダイヤモンド粉末側に溶浸し、最終的にダイヤモンドと超硬合金とが一体成形された円形平板状の焼結体を得る。
【００２９】
その後、この焼結体に、ダイヤモンド砥石による研磨を施して粗加工してから、さらにレーザー加工又はワイヤー放電加工によって所望の形状に切り出すことにより、扇形のカッタ１４を得ることができる。ここで、カッタ１４は、超硬合金からなる着座部１５とダイヤモンド焼結体からなるカッタ本体１６とを具備することになる。また、本実施形態では、カッタ１４が扇形に形成され、扇形の２つの直線がなす角度が９０°となっているので、円形平板状の焼結体を１／４に切断することにより、一個の焼結体から４つのカッタ１４を作成することができる。
【００３０】
次に、上記の切刃基体１２とカッタ１４とを接合する方法及び切刃基体１２と超硬ポスト３とを接合する方法について説明する。
まず、第１接合工程として、切刃基体１２の凹部１３とカッタ１４の着座部１５とを銀ろう材を使用してろう付けする。この銀ろう材の組成は、Ａｇ４５％、Ｃｕ１５％、Ｚｎ１６％、Ｃｄ２４％であり、融点は６０５℃から６２０℃である。この銀ろう材を使用して、６５０℃でろう付けする。この第１接合工程によって、切刃基体１２の凹部１３とカッタ１４の着座部１５との間に銀ろう材からなる第１接合層２１が形成される。
【００３１】
次に、第２接合工程として、超硬ポスト３の取付面３Ａと切刃基体１２の下面１２Ａとを接合するが、この第２接合工程が本発明に係る部分である。
図５、図６に第２接合工程の説明図を示す。まず、切刃基体１２と超硬ポスト３の取付面３Ａとの間にＴｉ活性ろう材を配置する。このＴｉ活性ろう材の組成は、Ａｇ７０％、Ｃｕ２８％、Ｔｉ２％であり、融点は７８０℃から８００℃である。
熱交換器３１を、切刃チップ１１の側面のうちカッタ１４が配置された部分に配備し、局所加熱手段として誘導加熱コイル３２を切刃基体１２と超硬ポスト３の取付面３Ａとの間のＴｉ活性ろう材の近傍に配備する。
【００３２】
そして、誘導加熱コイル３２によって切刃基体１２と超硬ポスト３の取付面３Ａとの間に配置されたＴｉ活性ろう材を局部的に加熱するとともに、熱交換器３１によってカッタ本体１６及び第１接合層２１とを冷却することにより、切刃基体１２と超硬ポスト３の取付面３Ａとの間の部分は８５０℃まで加熱されて切刃基体１２と超硬ポスト３の取付面３Ａとがろう付けされるとともに、カッタ本体１６及び第１接合層２１部分が６００℃以下に保持される。この第２接合工程によって、超硬ポスト３の取付面３Ａと切刃基体１２の下面１２Ａとの間にＴｉ活性ろう材からなる第２接合層２２が形成される。
【００３３】
このとき、超硬ポスト３の取付面３Ａは、図１及び図２に示すように、工具本体２の回転方向Ｔ前方側に向くとともに超硬ポスト３の上方に向かうに従い超硬ポスト３の径方向内側に後退するように傾斜しているので、切刃基体１２は工具本体２の回転方向Ｔ前方側を向くとともに、掘削工具１先端側に向かうに従い回転方向Ｔの後方側に後退するように配置される。また、切刃基体１２の凹部１３が、掘削工具１の先端側に向くようにろう付けされている。さらに、第１接合工程にて、切刃基体１２の凹部１３が、掘削工具１の先端側に向くようにろう付けされているので、ダイヤモンド焼結体からなるカッタ本体１６が掘削工具１の先端側に向くように配置される。
【００３４】
上記の構成の掘削工具１は、掘削機械に取り付けられ、モーター等の回転駆動体に接続され、工具本体２の回転軸Ｌ回りに回転されるとともに、掘削工具１先端側の被掘削材中に送り込まれることによって、工具本体２先端部の超硬ポスト３に装着された切刃チップ１１で被掘削材である岩盤等を掘削して穿孔加工するものである。ここで、上記の掘削工具１では、ダイヤモンド焼結体からなるカッタ本体１６が、掘削工具１の先端部に向けて配置されているので、このカッタ本体１６によって被掘削材が掘削される。
【００３５】
上記の掘削工具１の切刃基体１２と超硬ポスト３とを接合する第２接合工程では、熱交換器３１によってカッタ本体１６及び第１接合層２１部分が６００℃以下に保持され、誘導加熱コイル３２によって切刃基体１２と超硬ポスト３の取付面３Ａとの間の部分が８５０℃まで加熱されて切刃基体１２と超硬ポスト３の取付面３ＡとがＴｉ活性ろう材によってろう付けされるので、カッタ本体１６の劣化や第１接合層２１の接合強度の低下を防止できるとともに、切刃基体１２と超硬ポスト３との接合強度を高くでき、掘削時の掘削抵抗によって切刃チップ１１が超硬ポスト３から脱落したり破損したりすることを防止できる。
【００３６】
また、上記の第２接合工程においては、カッタ１４の温度及び第１接合層２１の温度を低く維持するための熱交換器３１が必要であるが、本実施形態では、カッタ１４が切刃チップ１１の上面外周の１／４を占めるように配置されているので、熱交換器３１の大きさを小さくすることができるとともに、温度を低く維持する部分の体積が小さいので、確実に温度を６００℃以下に維持できる。
また、熱伝導率の低い超硬合金製の切刃基体１２によってカッタ１４の側面と底面とが支持されているので、誘導加熱コイル３２によって第２接合層２２部分を加熱した際に、この第２接合層２２部分からカッタ１４にまで熱が伝わることが防止され、カッタ１４の温度上昇を抑えることができる。
【００３７】
また、第１接合工程では、切刃基体１２の凹部１３とカッタ１４の着座部１５とが略同じ材質の超硬合金で構成され、同種材料同士での接合となるので、接合強度を高くでき、掘削抵抗によってカッタ１４が切刃基体１２から脱落することを防止できる。また、ダイヤモンド焼結体からなるカッタ本体１６が切刃チップ１１の上面外周の１／４を占めるように配置されているので、高価なダイヤモンド焼結体の使用量が少なく切刃チップ１１の製造コストを低減できる。
【００３８】
なお、本実施形態においては、カッタ本体１６を、コバルト（Ｃｏ）を焼結助剤として使用した一般ダイヤモンド焼結体で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、例えば焼結助剤としてＳｉＣ等のセラミックスを用いたダイヤモンド焼結体で構成したものや、焼結助剤として使用したＣｏを化学的処理により除去したダイヤモンド焼結体で構成されたものであっても良い。
また、取付部として超硬ポスト３を設け、この超硬ポスト３に切刃チップ１１を装着しているが、これに限定されることはなく、例えば取付部として超硬合金製のマトリックス部を設け、切刃チップ１１をマトリックス部に直接接合したものであっても良い。
【００３９】
また、カッタ１４が切刃チップ１１の上面外周の１／４（２５％）を占める切刃チップ１１で説明したが、これに限定されることはなく、例えば、上面外周の１／３（３３％）を占めるものであっても良い。上面外周の１／３を占めるものでは、円形平板状の焼結体から３つのカッタを作成することができる。
また、カッタ１４及び切刃基体１２の凹部１３が、扇形のもので説明したが、切刃チップ１１の上面の外周側一部にカッタ本体１６が配置されていれば良く、切刃基体１２の凹部１３の部分が例えば三日月状に形成されていても良い。
【００４０】
また、切刃チップ１１が円周方向で４つ、径方向に４つ配置された掘削工具１で説明したが、これに限定されることはなく、例えば、工具本体２が円筒状に形成され、この工具本体２の先端部に切刃チップ１１が装着されたコアビット等の掘削工具であっても良い。また、切刃チップ１１の配置は、掘削工具の形状・サイズ、切刃チップのサイズ及び被掘削材の材質などを考慮して決定することが好ましい。
【００４１】
さらに、第２接合工程において、熱交換器３１をカッタ１４の側面に配置したもので説明したが、これに限定されることはなく、例えば図７に示すように、熱交換器３１をカッタ１４の上部に配置してもよい。
また、局所加熱手段として誘導加熱コイル３２を用いて説明したが、他の局所加熱手段、例えばレーザー加熱装置や抵抗加熱装置等であってもよい。
【００４２】
また、第１接合工程において、ろう付け温度６５０℃で接合するものとして説明したが、第１接合工程における接合方法については特に制限はなく、ダイヤモンド焼結体で構成されたカッタ１４が実質的に劣化しないように接合されていればよい。例えば、第２接合工程で用いた熱交換器３１及び局所加熱手段を用いて、ダイヤモンド焼結体を劣化温度以下に維持したままで、接合部分のみを局所加熱して接合してもよい。
【００４３】
また、第１接合層２１を銀ろう材で構成したもので説明したが、第１接合層２１の材質や構造に制限はない。
また、第２接合層２２をＴｉ活性ろう材で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、カッタ本体１６を構成するダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも高い温度で形成される接合層であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態である掘削工具の先端部の斜視図である。
【図２】図１の掘削工具の先端部に設けられた超硬ポスト及び切刃チップの側面図である。
【図３】図２の超硬ポストにろう付けされる切刃基体の説明図である。
【図４】図１の掘削工具に装着される切刃チップの説明図である。
【図５】第２接合工程の説明図（側面図）である。
【図６】第２接合工程の説明図（上面図）である。
【図７】本発明の他の実施形態における第２接合工程の説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 掘削工具
２ 工具本体
３ 超硬ポスト（取付部）
１１ 切刃チップ
１２ 切刃基体
１３ 凹部
１４ カッタ
１５ 着座部
１６ カッタ本体
２１ 第１接合層
２２ 第２接合層
３１ 熱交換器
３２ 誘導加熱コイル（局所加熱手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱状の工具本体を有し、該工具本体の先端面に設けられた取付部に、円形平板状に形成された切刃チップが前記工具本体の回転方向に表面を交差させる姿勢で複数装着され、該切刃チップによって被掘削材を掘削する掘削工具の製造方法であって、
前記切刃チップは、円形平板状をなす超硬合金製の切刃基体と、該切刃基体の上面の外周側一部分に形成された凹部に支持されるカッタとを有し、該カッタの上面側はダイヤモンド焼結体からなるカッタ本体とされ下面側が超硬合金からなる着座部とされるとともに、前記切刃チップの上面外周のうち前記カッタが占める割合が２０％以上５０％未満とされており、
前記カッタと前記切刃基体とが接合される第１接合工程と、該第１接合工程の後に、前記切刃基体と前記取付部とが接合される第２接合工程とを有し、
該第２接合工程において、前記カッタ部分の温度が前記ダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも低く、かつ、前記カッタと前記切刃基体との接合部分の温度が前記第１接合工程の接合温度よりも低く維持されるとともに、前記切刃基体と前記取付部との接合部分の温度が、前記劣化温度よりも高くされていることを特徴とする掘削工具の製造方法。
【請求項２】
前記第２接合工程において、前記カッタの温度を前記ダイヤモンド焼結体の前記劣化温度よりも低く、かつ、前記カッタと前記切刃基体との接合部分の温度を前記第１接合工程の接合温度よりも低く維持する手段として熱交換器を使用し、前記切刃基体と前記取付部との接合部分の温度を前記劣化温度よりも高くする手段として局所加熱手段を使用することを特徴とする請求項１に記載の掘削工具の製造方法。
【請求項３】
円柱状の工具本体を有し、該工具本体の先端面に設けられた取付部に、円形平板状に形成された切刃チップが前記工具本体の回転方向に表面を交差させる姿勢で複数装着され、該切刃チップによって被掘削材を掘削する掘削工具であって、
前記切刃チップは、円形平板状をなす超硬合金製の切刃基体と、該切刃基体の上面の外周側一部分に形成された凹部に支持されるカッタとを有し、該カッタの上面側はダイヤモンド焼結体からなるカッタ本体とされ下面側が超硬合金からなる着座部とされるとともに、前記切刃チップの上面外周のうち前記カッタが占める割合が２０％以上５０％未満とされており、
前記カッタと前記切刃基体との間に第１接合層が形成され、前記切刃基体と前記取付部との間には、第２接合層が形成され、
該第２接合層は、前記ダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも高い温度にて形成されることを特徴とする掘削工具。
【請求項１】
円柱状の工具本体を有し、該工具本体の先端面に設けられた取付部に、円形平板状に形成された切刃チップが前記工具本体の回転方向に表面を交差させる姿勢で複数装着され、該切刃チップによって被掘削材を掘削する掘削工具の製造方法であって、
前記切刃チップは、円形平板状をなす超硬合金製の切刃基体と、該切刃基体の上面の外周側一部分に形成された凹部に支持されるカッタとを有し、該カッタの上面側はダイヤモンド焼結体からなるカッタ本体とされ下面側が超硬合金からなる着座部とされるとともに、前記切刃チップの上面外周のうち前記カッタが占める割合が２０％以上５０％未満とされており、
前記カッタと前記切刃基体とが接合される第１接合工程と、該第１接合工程の後に、前記切刃基体と前記取付部とが接合される第２接合工程とを有し、
該第２接合工程において、前記カッタ部分の温度が前記ダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも低く、かつ、前記カッタと前記切刃基体との接合部分の温度が前記第１接合工程の接合温度よりも低く維持されるとともに、前記切刃基体と前記取付部との接合部分の温度が、前記劣化温度よりも高くされていることを特徴とする掘削工具の製造方法。
【請求項２】
前記第２接合工程において、前記カッタの温度を前記ダイヤモンド焼結体の前記劣化温度よりも低く、かつ、前記カッタと前記切刃基体との接合部分の温度を前記第１接合工程の接合温度よりも低く維持する手段として熱交換器を使用し、前記切刃基体と前記取付部との接合部分の温度を前記劣化温度よりも高くする手段として局所加熱手段を使用することを特徴とする請求項１に記載の掘削工具の製造方法。
【請求項３】
円柱状の工具本体を有し、該工具本体の先端面に設けられた取付部に、円形平板状に形成された切刃チップが前記工具本体の回転方向に表面を交差させる姿勢で複数装着され、該切刃チップによって被掘削材を掘削する掘削工具であって、
前記切刃チップは、円形平板状をなす超硬合金製の切刃基体と、該切刃基体の上面の外周側一部分に形成された凹部に支持されるカッタとを有し、該カッタの上面側はダイヤモンド焼結体からなるカッタ本体とされ下面側が超硬合金からなる着座部とされるとともに、前記切刃チップの上面外周のうち前記カッタが占める割合が２０％以上５０％未満とされており、
前記カッタと前記切刃基体との間に第１接合層が形成され、前記切刃基体と前記取付部との間には、第２接合層が形成され、
該第２接合層は、前記ダイヤモンド焼結体の劣化温度よりも高い温度にて形成されることを特徴とする掘削工具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−１５４５５７（Ｐ２００７−１５４５５７Ａ）
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３５２９１９（Ｐ２００５−３５２９１９）
【出願日】平成１７年１２月７日（２００５．１２．７）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月７日（２００５．１２．７）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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