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技術 掘削用ビット及びその製造方法

出願人 イーグル工業株式会社住友石炭鉱業株式会社北海道
発明者 酒井昌宏宮腰康樹高橋英徳鴨田秀一明石保高山紘明
出願日 1994年12月16日 (25年6ヶ月経過) 出願番号 1994-333676
公開日 1996年7月2日 (23年11ヶ月経過) 公開番号 1996-170482
状態 特許登録済
技術分野 地中削孔機 地中削孔 鍛造 粉末冶金
主要キーワード 硬度傾斜 真空焼入れ 焼結ダイ シャンク部材 黄銅ろう 傾斜組織 放電プラズマ焼結機 資源不足
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1996年7月2日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (5)

目的

製造工程数を減少させ、掘削時の耐摩耗性及び機械的強度に優れた掘削用ビットを提供する。

構成

焼結ダイ30内に頭頂部材10の先端側となる部分よりも基端側となる部分のCoバインダ含有率が高くなるような配合傾斜焼結用粉末材料11〜13を充填するか、あるいは頭頂部材10の先端側となる部分にCoをバインダとする粉末材料11を充填すると共に前記焼結ダイ内における他の部分にFe又はNiをバインダとする超硬合金焼結用の粉末材料12,13を充填し、粉末材料13にシャンク部材20を圧接させて加圧しながら焼結することによって、シャンク部材20に先端側ほど硬度が高く基端側ほど靭性が高い硬度傾斜を持つ頭頂部材10が一体に融着接合された掘削用ビットを得る。

概要

背景

この種の掘削用ビットは、典型的には図4に示すように、刃先としてのチップ1と、これを保持する基体であるシャンク2とからなる。チップ1は岩盤等の結合組織破壊を行う主体であって、硬度が非常に高いものである必要があるため超硬合金が使用され、シャンク2には炭素鋼あるいはニッケルクロムモリブデン鋼(以下、Ni−Cr−Mo鋼という)が使用されている。

上述の掘削用ビットは、従来、以下のような工程を経て製造される。
(1) まず、炭素鋼あるいはNi−Cr−Mo鋼からなる素材丸棒切削加工することによってシャンク2を切り出し、その全体の硬度及び靭性を高めるために熱処理真空焼入れ及び真空焼戻し)を行う。
(2) 次に、別に準備した超硬合金(例えばJIS H5501 G1〜3)からなるチップ1に溶融した銀ろう材あるいは黄銅ろう材3を塗布し、これをシャンク2の先端に形成された孔部2aに嵌合する。
(3) この工程による嵌合物を再度700〜900℃に加熱することによって、前記ろう材3を再溶融し、前記孔部2aとチップ1との間の隙間を埋める。
(4) 次いで、前記孔部2aからの溢出ろう材等によってチップ1及びシャンク2の表面に付着した物質を、鋼粒の高速吹き付け(ショットピーニング)によって除去する。
(5) さらに、シャンク2におけるチップ1の近傍部分を高周波焼き入れによって部分硬化させ、前記(3) の加熱工程でろう材3を再溶融させた際の熱履歴によって低下した硬度を回復させることもある。
(6) 表面の研磨塗装を行う。

概要

製造工程数を減少させ、掘削時の耐摩耗性及び機械的強度に優れた掘削用ビットを提供する。

焼結ダイ30内に頭頂部材10の先端側となる部分よりも基端側となる部分のCoバインダ含有率が高くなるような配合傾斜焼結用粉末材料11〜13を充填するか、あるいは頭頂部材10の先端側となる部分にCoをバインダとする粉末材料11を充填すると共に前記焼結ダイ内における他の部分にFe又はNiをバインダとする超硬合金焼結用の粉末材料12,13を充填し、粉末材料13にシャンク部材20を圧接させて加圧しながら焼結することによって、シャンク部材20に先端側ほど硬度が高く基端側ほど靭性が高い硬度傾斜を持つ頭頂部材10が一体に融着接合された掘削用ビットを得る。

目的

本発明は、上記のような事情のもとになされたもので、その技術的課題とするところは、製造工程数を減少させ、掘削時の耐摩耗性及び機械的強度に優れた掘削用ビットを提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
1件

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請求項1

岩盤又は地山に対する掘削主体となる頭頂部材及び機器への取付部であるシャンク部材からなり、前記頭頂部材は前記シャンク部材に一体的に融着接合されると共に、このシャンク部材側の基端から先端へ向けて硬度が高くなる硬度傾斜を与えた超硬合金からなることを特徴とする掘削用ビット

請求項2

頭頂部材成形用焼結ダイ内に前記頭頂部材の先端側となる部分よりも基端側となる部分のバインダ材含有率が高くなるような配合傾斜で超硬合金焼結用の粉末材料充填し、この充填された粉末材料の基端に鋼材からなるシャンク部材を圧接させて前記粉末材料を加圧しながら焼結することによって頭頂部材を成形すると共にこの頭頂部材を前記シャンク部材に融着接合させることを特徴とする請求項1に記載の掘削用ビットの製造方法。

請求項3

頭頂部材成形用の焼結ダイ内における前記頭頂部材の先端側となる部分にCoをバインダとする超硬合金焼結用の粉末材料を充填し、頭頂部材成形用の焼結ダイ内における他の部分にFe又はNiをバインダとする超硬合金焼結用の粉末材料を充填し、この充填された粉末材料の基端に鋼材からなるシャンク部材を圧接させて前記粉末材料を加圧しながら焼結することによって頭頂部材を成形すると共にこの頭頂部材を前記シャンク部材に融着接合させることを特徴とする請求項1に記載の掘削用ビットの製造方法。

技術分野

(4)頭頂部材の超硬合金にCo,Fe,Niによる材料傾斜を与えて硬度傾斜させたことによって、Coの配合傾斜により硬度傾斜させる場合に比較して安価に製造することができる。

背景技術

0001

本発明は、例えば掘削装置の先端に設けられて岩盤又は地山等の掘削に用いられるビット及びその製造方法に関する。

0002

この種の掘削用ビットは、典型的には図4に示すように、刃先としてのチップ1と、これを保持する基体であるシャンク2とからなる。チップ1は岩盤等の結合組織破壊を行う主体であって、硬度が非常に高いものである必要があるため超硬合金が使用され、シャンク2には炭素鋼あるいはニッケルクロムモリブデン鋼(以下、Ni−Cr−Mo鋼という)が使用されている。

発明が解決しようとする課題

0003

上述の掘削用ビットは、従来、以下のような工程を経て製造される。
(1) まず、炭素鋼あるいはNi−Cr−Mo鋼からなる素材丸棒切削加工することによってシャンク2を切り出し、その全体の硬度及び靭性を高めるために熱処理真空焼入れ及び真空焼戻し)を行う。
(2) 次に、別に準備した超硬合金(例えばJIS H5501 G1〜3)からなるチップ1に溶融した銀ろう材あるいは黄銅ろう材3を塗布し、これをシャンク2の先端に形成された孔部2aに嵌合する。
(3) この工程による嵌合物を再度700〜900℃に加熱することによって、前記ろう材3を再溶融し、前記孔部2aとチップ1との間の隙間を埋める。
(4) 次いで、前記孔部2aからの溢出ろう材等によってチップ1及びシャンク2の表面に付着した物質を、鋼粒の高速吹き付け(ショットピーニング)によって除去する。
(5) さらに、シャンク2におけるチップ1の近傍部分を高周波焼き入れによって部分硬化させ、前記(3) の加熱工程でろう材3を再溶融させた際の熱履歴によって低下した硬度を回復させることもある。
(6) 表面の研磨塗装を行う。

0004

しかしながら、上記従来技術による掘削用ビットの製造方法によれば、以下に列挙するような問題がある。

0005

a.上述のような多くの工程を必要とするので作業が煩雑であり、とくに(2)(3)の工程によるろう付け熟練を要する作業であるため、品質のばらつきが大きくなることが避けられない。
b.チップ1とシャンク2の孔部2aとの間の隙間には、ろう材3が完全に充填される必要があるが、チップ1の圧入嵌合の際に閉じ込められる空気等によって、チップ1と前記孔部2aとの間にある程度の空隙が発生することは避けられず、実際に製品を切断してその断面を観察してみると、ろう材3は70〜80%程度しか充填されておらず、したがって接合強度のばらつきが大きく、掘削時に、チップ1に対する保持強度不足によって破損される恐れがある。
c.チップ1を空気中で加熱するので、これを構成する超硬合金の組織熱劣化を起こし(η相の発生)、耐摩耗性の低下を招来する。
d.ろう付けによってチップを保持した構造のビットは、過酷な条件で使用されると、ビットの表面温度摩擦熱によって700〜800℃に上昇して、ろう材3の軟化温度域あるいは融点温度に達してしまうことがあり、このためチップ1に対するシャンク2の保持能力が低下し、チップ1が脱落してしまうことがある。また、製造上の制約によりシャンク2の硬度の上限はHR C45〜50程度に過ぎず、使用時にはその支持肩部2bも地山の土石に接触されるから、この部分の摩耗によってもチップ1に対する支持強度が低下する。
e.チップ1ばかりでなくシャンク2の支持肩部2bも摩耗するので、ある程度摩耗が進行したらビット全体を交換する必要があり、不経済である。
f.土石や岩盤を破砕するチップの掘削性能は、硬度が高ければ高いほど優れているが、一方、その先端から基端に至る軸方向においては、振動、衝撃等に対する耐負荷特性(靭性)が求められ、一般には、硬度と靭性は反比例する。従来の製造方法では、チップ全体を物性の均一なバルク材として製作せざるを得ないため、掘削対象地盤等の質によっては、硬度のみを重視したチップは前記負荷によって破壊されてしまうことがある。したがって、このような地盤を掘削対象とする場合には、硬度を低くして靭性を向上させたチップを選定したものを用いる必要があり、煩雑な対応を余儀なくされている。

課題を解決するための手段

0006

本発明は、上記のような事情のもとになされたもので、その技術的課題とするところは、製造工程数を減少させ、掘削時の耐摩耗性及び機械的強度に優れた掘削用ビットを提供することにある。

0007

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、本発明に係る掘削用ビットは、岩盤又は地山に対する掘削主体となる頭頂部材及び機器への取付部であるシャンク部材からなり、前記頭頂部材は、シャンク部材に一体的に融着接合されると共に、このシャンク部材側の基端から先端へ向けて硬度が高くなる硬度傾斜を与えた超硬合金からなるものである。

0008

また、上記掘削用ビットを得るための手段として、本発明に係る掘削用ビットの製造方法は、頭頂部材成形用焼結ダイ内に前記頭頂部材の先端側となる部分よりも基端側となる部分のバインダ含有率が高くなるような配合傾斜で超硬合金焼結用の粉末材料を充填するか、あるいは前記焼結ダイ内における前記頭頂部材の先端側となる部分にCoをバインダとする超硬合金焼結用の粉末材料を充填すると共に前記焼結ダイ内における他の部分にFe又はNiをバインダとする超硬合金焼結用の粉末材料を充填し、この充填された粉末材料の基端に鋼材からなるシャンク部材を圧接させて前記粉末材料を加圧しながら焼結することによって頭頂部材を成形すると共にこの頭頂部材を前記シャンク部材に融着接合させるものである。

0009

本発明の掘削用ビットは、掘削主体となる頭頂部材の硬度が、先端側ほど高くなる硬度傾斜が与えられているので、シャンク部材と融着接合された基端側ほど靭性が高くなっており、掘削に必要な硬度及び耐負荷特性を兼ね備えたものである。頭頂部材はその基端がシャンク部材と融着接合されているため、ろう付けの場合のように掘削による発熱程度の温度で融着接合状態が破壊されてしまうようなことはなく、摩耗によって頭頂部材とシャンク部材との融着接合強度が低下することもない。

0010

本発明の掘削用ビットの製造方法によれば、頭頂部材成形用の焼結ダイ内に、頭頂部材の先端側となる部分よりも基端側となる部分のバインダの含有率が高くなるような配合傾斜をもって超硬合金焼結用の粉末材料を充填し、加圧しながら焼結を行うことによって、先端側の硬度が高く、基端側の硬度が低くなると共に靭性が高くなる硬度傾斜を有する頭頂部材が得られる。この時の焼結法としては、例えば公知の放電プラズマ焼結法によることが好ましい。また、前記焼結ダイ内における頭頂部材の先端側となる部分にはCoをバインダとする粉末材料を充填し、他の部分にはFe又はNiをバインダとする粉末材料を充填して焼結を行うことによっても、先端側の硬度が高く、基端側の硬度が低くなると共に靭性が高くなる硬度傾斜を有する頭頂部材が得られる。前記焼結に際しては、前記焼結ダイに充填された粉末材料の基端に鋼材からなるシャンク部材を圧接させることによって、前記粉末材料の焼結による頭頂部材の成形と同時に前記シャンク部材との融着接合が行われ、すなわち頭頂部材とシャンク部材が一体化された掘削用ビットが得られる。

0011

図1は、本発明に係る掘削用ビットの好適な一実施例を一部切断して示すもので、すなわちこの掘削用ビットは、超硬合金からなり岩盤又は地山に対する掘削部となる頭頂部材10と、この頭頂部材10の基端に一体的に融着接合され図示されていない地盤掘削装置等に取り付けられるシャンク部材20とからなる。なお、図1参照符号Wは頭頂部材10の基端とシャンク部材20との融着接合層を示す。頭頂部材10は略円錐形を呈するものであって、最も硬度が高い先端側部分10aと、最も硬度が低い基端側部分10cと、その中間の硬度の中腹部分10bからなる硬度傾斜が与えられている。

0012

上述の構造を有する掘削用ビットの製造においては、まず図2(A)に示すように、頭頂部材10と対応する円錐状に凹んだ成形面31を有するカーボン製焼結ダイ30内の底部に、第一層目の粉末材料11としてCoが10〜15%配合されたWC−Co粉末を充填し、その上であって前記焼結ダイ30内の中腹部に、第二層目の粉末材料12としてCoが20〜25%配合されたWC−Co粉末を充填し、更にその上であって前記焼結ダイ30内の上部に、第三層目の粉末材料13としてCoが40〜45%配合されたWC−Co粉末を充填し、これによって、前記頭頂部材10の先端側となる部分よりも基端側となる部分のCoバインダ含有率が高くなるような配合傾斜を与える。次に、図2(B)に示すように、前記頭頂部材10の基端側部分10cとなる前記第三層目の粉末材料13の上面に、Ni−Cr−Mo鋼、工具鋼ダイス鋼又は炭素鋼の棒材から切り出し切削加工したシャンク部材20の先端面21を接触させ、この状態で前記焼結ダイ30内の粉末材料11〜13を上下から加圧しながら放電プラズマ焼結機電極間に挟んでパルス電圧印加する。

0013

この放電プラズマ焼結法によると、パルス電圧が印加された時の粉末材料11〜13の各粒子の互いの接触部に極めて高温放電プラズマが生じると共に、放電によって各粒子が瞬時に加熱され、互いに融着状態となって焼結される。この時、電界によるイオン高速移動により材質拡散が行われるので、第一層目の粉末材料11が焼結された先端側部分10aと、それよりもCoの配合の多い第二層目の粉末材料12が焼結された中腹部分10bと、更にそれよりもCoの配合の多い第三層目の粉末材料13が焼結された基端側部分10cの間で、連続的に材質が変化する傾斜拡散結合組織を有する頭頂部材10が得られる。そして、WC−Coの超硬合金はCoの配合率が高いほど硬度が低くかつ靭性が高くなることから、焼結された頭頂部材10は先端側部分10aへ向けて硬度が高く、基端側部分10cへ向けて靭性が高くなる硬度傾斜を有するものとなる。焼結条件としては、焼結温度1,000〜1,200℃、圧力100〜300kg、放電時間1〜5分で十分な硬度と強度が発現される。

0014

また、基端側部分10cとなる第三層目の粉末材料13の各粒子とこれに圧接したシャンク部材20の先端面21との接触面においても、上記と同様の作用によって融着接合が行われ、連続的な傾斜拡散結合組織による融着接合層Wが形成される。また、超硬合金からなる頭頂部材10の焼結工程と、この頭頂部材10とシャンク部材20との融着接合工程が同時に行われるのに加え、放電プラズマ焼結法では、通常の焼結法のような、予め焼結用粉末材料を所定の形状に圧縮成形するといった予備成形工程が不要であるため、工程数を削減して製造コストを低減することができる。

0015

なお、第一層目の粉末材料11としてCoが10%配合されたWC−Co粉末を充填し、第二層目の粉末材料12としてCoが20%配合されたWC−Co粉末を充填し、第三層目の粉末材料13としてCoが40%配合されたWC−Co粉末を充填し、上述の条件で焼結したところ、頭頂部材10のビッカース硬度は先端側部分10aにおいてHv1,250〜1,300、中腹部分10bにおいてHv800〜900、基端側部分10cにおいてHv220〜500であり、かつその硬度変化が連続的であった。

0016

一般に、超硬合金とはWC−Co合金をいい、WC粒子間をCoをバインダとして結合した組成を有するが、Coの代わりにFe又はNi等をバインダとして用いることもできる。例えば、第一層目の粉末材料11としてWC−Coを用い、第二層目の粉末材料12としてWC−Niを用い、第三層目の粉末材料13としてWC−Feを用いるといった適宜組み合わせによる材料傾斜を与えることによって、各層間で互いに材質の補完が行われるので、図3(A)に示すCoの配合傾斜を与えて焼結した頭頂部材と、図3(B)に示すCo,Ni,Feによる材料傾斜を与えて焼結した頭頂部材との比較から明らかなように、目的に応じた硬度傾斜が得られる。また、Coは近年世界的に資源不足の傾向にあり、市況も高騰しているため、上記のような材料傾斜によって硬度傾斜を与えることによってCoの使用量を低減させることは、製造コストの低減に大いに寄与するものである。

0017

このようにして製作された掘削用ビットは、高硬度による耐摩耗性の向上及び強靭性による耐負荷特性の向上といった相矛盾する要求を有効に解決することができる。すなわち、優れた耐摩耗性を必要とする頭頂部材10は、その先端側部分10aで最も硬度が高く、基端側部分10cへ向かって靭性が高くなる。このため、優れた掘削性能と、振動、衝撃等に対する優れた耐負荷特性とを兼ね備えており、頭頂部材10とシャンク部材20は融着接合されて連続した傾斜組織を有するため、掘削時の振動や衝撃等の負荷によって頭頂部材10がシャンク部材20から分離されてしまうこともない。

0018

また、頭頂部材10は、図4の従来例におけるチップ1及びこれを支持するシャンク2の支持肩部2bを含む部分をなすものであって、岩盤又は地山との接触面全体を担うため、シャンク部材20は摩耗されない。このため、摩耗による頭頂部材10の脱落といった事態も生じ得ない。

図面の簡単な説明

0019

本発明によると、次のような効果を奏することができる。
(1)超硬合金からなる頭頂部材の焼結工程と、この頭頂部材とシャンク部材との融着接合工程が同時に行われるので、工程数が減少し、ろう付のような人手による熟練作業を必要としないので、製造コストを低減すると共に品質を均一化することができる。
(2) 頭頂部材とシャンク部材の間に、ろう付けの場合のような空隙が発生せず、しかも頭頂部材とシャンク部材の接合部は融着による連続した拡散結合組織が形成されるので、掘削時の摩擦熱によって前記接合部が軟化又は溶融して頭頂部材が脱落したりすることがない。
(3) 頭頂部材は硬度と靭性を機能傾斜させた連続組織からなるため、掘削対象の岩盤又は地山の質によって硬度の高いものを選定したり靭性の高いものを選定するといった煩雑な対応が不要である。

--

0020

図1本発明に係る掘削用ビットの好適な一実施例を一部切断した断面と共に示す側面図である。
図2上記掘削用ビットの製造方法の一実施例を示す説明図である。
図3上記実施例において、Coの配合傾斜を与えて焼結した頭頂部材と、Co,Ni,Feによる材料傾斜を与えて焼結した頭頂部材との機能を比較した説明図である。
図4従来の掘削用ビットの一例を一部切断した断面と共に示す側面図である。

0021

10頭頂部材
10a 先端側部分
10c基端側部分
11〜13粉末材料
20シャンク部材
30 焼結ダイ

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