(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱部と掘削を行なうための刃先部とを含み、第１の組成の超硬合金からなるインサートチップ基材と、
前記インサートチップ基材の前記刃先部の表面積の８０％以上を覆うように、前記第１の組成とは異なる組成の超硬合金からなる被覆層を２以上重ねて形成された被覆超硬合金層とを備え、
前記刃先部の先端において前記被覆層の各層の厚みが０．１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であり、前記被覆超硬合金層全体の厚みが１ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、前記被覆層のうちインサートチップとしての最表面に露出する最表面超硬合金層は、他の前記被覆層および前記インサートチップ基材の硬度より高い硬度を有する、石油掘削用トリコンビットのインサートチップ。
【請求項２】
前記被覆超硬合金層は、前記刃先部の全体を覆っている、請求項１に記載の石油掘削用トリコンビットのインサートチップ。
【請求項３】
前記２以上の被覆層のうち前記最表面超硬合金層以外のいずれか１層である欠損防止層は、前記最表面超硬合金層に比べて、組成中のＣｏの量が多くなっているか、または、ＷＣの粒度が粗くなっている、請求項１または２に記載の石油掘削用トリコンビットのインサートチップ。
【請求項４】
前記２以上の被覆層のうち前記最表面超硬合金層以外のいずれか１層である欠損防止層は、前記インサートチップ基材に比べて、組成中のＣｏの量が多くなっている、請求項１または２に記載の石油掘削用トリコンビットのインサートチップ。
【請求項５】
前記欠損防止層には、前記インサートチップの垂直断面組織において半径方向に細長く伸び、インサートチップ半径方向の長さ／インサートチップ軸方向の長さの比が３以上１００以下の形態のＣｏ粒子である特殊Ｃｏ粒子が含まれ、前記欠損防止層に含まれるＣｏ粒子のうち、前記特殊Ｃｏ粒子が５体積％以上を占める、請求項４に記載の石油掘削用トリコンビットのインサートチップ。
【請求項６】
前記最表面超硬合金層に含まれるＷＣの平均粒度が１μｍ以下である、請求項１から５のいずれかに記載の石油掘削用トリコンビットのインサートチップ。
【請求項７】
前記最表面超硬合金層に圧縮残留応力が含まれる、請求項１から６のいずれかに記載の石油掘削用トリコンビットのインサートチップ。
【請求項８】
前記最表面超硬合金層に含まれる圧縮残留応力が、０．０５ＧＰａ以上０．８０ＧＰａ以下である、請求項１から７のいずれかに記載の石油掘削用トリコンビットのインサートチップ。
【請求項９】
前記被覆層のうち前記最表面超硬合金層のみにダイヤモンド粒子が含まれており、前記ダイヤモンド粒子の粒径は、１０μｍ以上１００μｍ以下であり、前記最表面超硬合金層におけるダイヤモンド粒子の割合が５体積％以上４０体積％以下である、請求項１から８のいずれかに記載の石油掘削用トリコンビットのインサートチップ。
【請求項１０】
前記ダイヤモンド粒子は、高融点金属およびセラミックスのうち少なくとも一方によって１μｍ以下の厚みで被覆された、請求項９に記載の石油掘削用トリコンビットのインサートチップ。
【請求項１１】
前記最表面超硬合金層の硬度がマイクロビッカース硬度で１５ＧＰａ以上である、請求項１から１０のいずれかに記載の石油掘削用トリコンビットのインサートチップ。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載の石油掘削用トリコンビットのインサートチップを刃先に備えた石油掘削用トリコンビット。
【請求項１３】
ダイの中にインサートチップ基材を挿入する挿入工程と、
前記インサートチップ基材の上に、焼結後に所望の厚みの被覆層になるように超硬合金組成の粉末を積層する積層工程と、
前記ダイの中に、インサートチップの刃先の凸形状に対応した形状が凹状にくり抜かれているパンチを挿入し、２０ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下で加圧しながら前記パンチの温度が１５００℃以上１８００℃以下になるように制御しつつ、通電加圧焼結を行なう焼結工程とを含む、石油掘削用トリコンビットのインサートチップの製造方法。
【請求項１４】
前記焼結工程は、５分間以上２０分間以下に渡って焼結を行なう、請求項１３に記載の石油掘削用トリコンビットのインサートチップの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石油の掘削に用いる工具であるトリコンビット（以下、「石油掘削用トリコンビット」という。）の刃（歯）に使用されるインサートチップおよびその製造方法に関するものである。インサートチップとは、具体的には、坑井を垂直方向に掘削するインナーチップ、坑井半径方向に掘削するゲージパッドなどをいう。さらにこのインサートチップを備えた石油掘削用トリコンビットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
石油などの掘削においては、トリコンビットと呼ばれる工具が用いられる。トリコンビットは地中の岩盤を掘削するものであるから、その刃先には、耐摩耗性が良いＷＣ−Ｃｏ系の超硬合金製のインサートチップが一般に使用されている。
【０００３】
トリコンビット用のインサートチップは、大別して、坑井垂直掘削用のインナーチップと、径方向掘削用のゲージパッドとの２種類がある。インナーチップの模式図を図９に示し、ゲージパッドの模式図を図１０に示す。
【０００４】
近年、石油採掘のための掘削深度がますます深くなり、それに伴い岩盤そのものも難掘削となっている。そのため、トリコンビットの刃先であるインサートチップの摩耗が早まったり、インサートチップが欠損したりすることがあり、その結果、トリコンビットの寿命が短くなるという問題が生じている。しかも、地下数千ｍで寿命を迎えたトリコンビットを引き上げ、さらに掘削を進めるために新品のトリコンビットに付け替える作業には莫大な費用がかかる。このような背景からインサートチップのさらなる高寿命化が要求されている。
【０００５】
このような環境では、インサートチップの耐摩耗性と耐欠損性との両特性を向上させる必要がある。超硬合金は一般に、Ｃｏ量を減らせば硬度が高くなり耐摩耗性が上がる一方、硬脆性が増すため、耐欠損性が低下する性質を持っている。すなわち、耐摩耗性と耐欠損性は相反する特性といえる。
【０００６】
インサートチップの高寿命化という要求に関連する技術としては、これまでにも、種々の技術が公知となっている。これらの技術について、以下説明する。
【０００７】
特開平５−２０９４８８号公報では、超硬合金の焼結条件を工夫することで、頂面に露出したη（イータ）相コアと、η相コアを包囲するように形成された、Ｃｏ量が多い表面域とを備えた岩石掘削用ボタンが開示されている。この技術では、η相コアが初期から岩石に当接するように露出していることによって摩滅が抑制される一方、表面域にはＣｏ量が多く含まれていることによって耐欠損性が高いものとなっている。しかし、この技術の問題点は、脆化相であるη相を含んだ超硬合金組成であることが必須である点である。一般にη相が超硬合金に含まれるとその相を起点に欠損しやすくなるため、信頼性低下につながる。
【０００８】
特開平７−１５０８７８号公報では、インサートの基材を焼結炭化タングステンとし、インサートの刃先部先端の最表面に多結晶ダイヤモンド層を被覆し、基材の焼結炭化タングステンと多結晶ダイヤモンド層との間に、焼結炭化タングステンと多結晶ダイヤモンドとの複合材料層を中間層として介在させることによって、最表面の多結晶ダイヤモンド層の耐剥離性を向上させる技術が開示されている。しかし、この技術では、多結晶ダイヤモンドそのものの靭性が低いことから、最表面の多結晶ダイヤモンド層にクラックが発生し、それを起点に欠損してしまうという問題がある。
【０００９】
同様に、特開平１１−１２０９０号公報では、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長法）を用いて超硬合金製の掘削ビット表面にダイヤモンドを被覆するという技術が提案されている。しかし、ダイヤモンドと超硬合金では熱膨張率が異なることから、剥離の問題が生じるおそれがある。
【００１０】
特開平８−１７０４８２号公報では、インサートチップ基材側から先端側にいくに従って超硬合金の硬度が順に高くなる硬度傾斜を与えた掘削用ビットが提案されている。ところで、トリコンビットは、インサートチップが嵌合されているコーン部が回転するだけでなく、コーン部を保持するボディ自体も回転しながら掘削を行うものである。したがって、インサートチップの刃先先端のみならず刃先側面部も掘削に関与する。特開平８−１７０４８２号公報の技術をトリコンビットのインサートチップに適用すると、組成の異なる超硬合金が積層体となって接合されているだけなので、刃先の側面部に硬度の低い、つまり耐摩耗性の低い超硬合金が露出した状態となる。したがって、この部位が優先的に摩耗し、短寿命になるという問題がある。
【００１１】
特表平１０−５１１４３２号公報には、刃先部分において基材とは異なる超硬合金が１層被覆されたインサートチップが提案されている。基材よりもＣｏ量の少ない超硬合金層で被覆し、インサートチップの耐摩耗性を向上させ、基材で耐欠損性を担うものである。しかし、超硬合金は、Ｃｏ量を減らせば熱膨張係数が小さくなることが知られている。つまり、基材と、基材を被覆する超硬合金層とのＣｏ量差が大きすぎると、被覆する超硬合金層が剥離したり、クラックが生じたりするという問題がある。よって、この技術においては、被覆される超硬合金層においては、基材に比べて大きくＣｏ量の差をつけることはできず、耐摩耗性を上げることにはおのずと限界があった。
【００１２】
以上のように、掘削用のインサートチップないし掘削用ビットに関しては、種々の研究がなされているが、残念ながら掘削深度の深いところに存在する難掘削岩の掘削にも適した、耐摩耗性と耐欠損性を両立させたインサートチップ、とりわけ石油掘削用トリコンビットのインサートチップは得られていない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、耐摩耗性と耐欠損性を両立させた石油掘削用トリコンビットのインサートチップおよびその製造方法を提供することを目的とする。また、掘削深度の深いところに存在する難掘削岩の掘削にも適した石油掘削用トリコンビットを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に基づく石油掘削用トリコンビットのインサートチップは、円柱部と掘削を行なうための刃先部とを含み、第１の組成の超硬合金からなるインサートチップ基材と、上記インサートチップ基材の上記刃先部の表面積の８０％以上を覆うように、上記第１の組成とは異なる組成の超硬合金からなる被覆層を２以上重ねて形成された被覆超硬合金層とを備え、上記刃先部の先端において上記被覆層の各層の厚みが０．１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であり、上記被覆超硬合金層全体の厚みが１ｍｍ以上５ｍｍ以下であり、上記被覆層のうちインサートチップとしての最表面に露出する最表面超硬合金層は、他の上記被覆層および上記インサートチップ基材の硬度より高い硬度を有する。この構成を採用することにより、最表面超硬合金層によって高い耐摩耗性を実現しながら、他の被覆層やインサートチップ基材によって耐欠損性を高めることができる。さらに、中間層で熱応力が緩和されるため、被覆層の剥離やクラックを防止することができる。
【００１５】
上記発明において好ましくは、上記被覆超硬合金層は、上記刃先部の全体を覆っている。この構成を採用することにより、より確実に耐摩耗性を高めることが出来る。
【００１６】
上記発明において好ましくは、上記２以上の被覆層のうち上記最表面超硬合金層以外のいずれか１層である欠損防止層は、上記最表面超硬合金層に比べて組成中のＣｏ量が多くなっているかもしくはＷＣの粒度が粗くなっている。さらに好ましくは、この欠陥防止層は、上記インサートチップ基材に比べて、組成中のＣｏの量が多くなっている。この構成を採用することにより、耐欠損性が向上する。欠損防止層も被覆層であるので厚み２．５ｍｍ以下と薄いため、インサートチップ基材そのものにＣｏの量の多い超硬合金を使う場合に比べて耐塑性変形性に優れたものとできる。
【００１７】
上記発明において好ましくは、上記欠損防止層には、上記インサートチップの垂直断面組織において半径方向に細長く伸び、インサートチップ半径方向の長さ／インサートチップ軸方向の長さの比が３以上１００以下の形態のＣｏ粒子である特殊Ｃｏ粒子が含まれ、上記欠損防止層に含まれるＣｏ粒子のうち、上記特殊Ｃｏ粒子が５体積％以上を占める。この構成を採用することにより、代わりに球状のＣｏ粒子が含まれる場合に比べて亀裂の進展を抑制し、耐欠損性を向上させることができる。
【００１８】
上記発明において好ましくは、上記最表面超硬合金層に含まれるＷＣの平均粒度が１μｍ以下である。この構成を採用することにより、ＷＣの粒子が脱落することを防止でき、ＷＣの１粒子当たりの表面積を増加させ、Ｃｏとの密着性を高めることができる。
【００１９】
上記発明において好ましくは、上記最表面超硬合金層に圧縮残留応力が含まれる。この構成を採用することにより、熱亀裂を防止でき、耐欠損性を高めることができる。
【００２０】
上記発明において好ましくは、上記最表面超硬合金層に含まれる圧縮残留応力が、０．０５ＧＰａ以上０．８０ＧＰａ以下である。この構成を採用することにより、自ら破壊することなく、熱亀裂の発生を防止する効果を発揮できる。
【００２１】
上記発明において好ましくは、上記被覆層のうち上記最表面超硬合金層のみにダイヤモンド粒子が含まれており、上記ダイヤモンド粒子の粒径は、１０μｍ以上１００μｍ以下であり、上記最表面超硬合金層におけるダイヤモンド粒子の割合が５体積％以上４０体積％以下である。この構成を採用することにより、ダイヤモンド粒子が脱落しやすくならない範囲内で、耐摩耗性を超硬合金に比べて高めることができる。
【００２２】
上記発明において好ましくは、上記ダイヤモンド粒子は、高融点金属およびセラミックスのうち少なくとも一方によって１μｍ以下の厚みで被覆されている。この構成を採用することにより、ダイヤモンド粒子と超硬合金との濡れ性を高めることができ、密着性を高めることができる。
【００２３】
上記発明において好ましくは、上記最表面超硬合金層の硬度がマイクロビッカース硬度で１５ＧＰａ以上である。この構成を採用することにより、２層目以下の層によって耐欠損性を維持したまま、最表面超硬合金層によって耐摩耗性を高めることができる。
【００２４】
上記目的を達成するため、本発明に基づく石油掘削用トリコンビットは、上述のいずれかの石油掘削用トリコンビットのインサートチップを刃先に備える。この構成を採用することにより、刃先に配置された「石油掘削用トリコンビットのインサートチップ」は、最表面超硬合金層によって高い耐摩耗性を実現しながら、他の被覆層やインサートチップ基材によって耐欠損性を高めたものとなっているので、掘削深度の深いところに存在する難掘削岩の掘削に対しても掘削性能が高く寿命の長い石油掘削用トリコンビットとすることができる。
【００２５】
上記目的を達成するため、本発明に基づく石油掘削用トリコンビットのインサートチップの製造方法は、ダイの中にインサートチップ基材を挿入する挿入工程と、上記インサートチップ基材の上に、焼結後に所望の厚みの被覆層になるように超硬合金組成の粉末を積層する積層工程と、上記ダイの中に、インサートチップの刃先の凸形状に対応した形状が凹状にくり抜かれているパンチを挿入し、２０ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下で加圧しながら上記パンチの温度が１５００℃以上１８００℃以下になるように制御しつつ、通電加圧焼結を行なう焼結工程とを含む。この方法を採用することにより、超硬合金層に巣を生じさせることなく、かつ、型を破損することなく、かつ、Ｃｏがしみ出すことなく、石油掘削用トリコンビットのインサートチップを製作することができる。
【００２６】
上記発明において好ましくは、上記焼結工程は、５分間以上２０分間以下に渡って焼結を行なう。この方法を採用することにより、超硬合金を緻密にし、かつ、ＷＣ粒子の異常粒成長することなく、石油掘削用トリコンビットのインサートチップを製作することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
石油掘削用トリコンビット（以下、単に「トリコンビット」という。）に用いられるインサートチップには、大別して、坑井垂直掘削用のインナーチップと、径方向掘削用のゲージパッドとの２種類があることは既に述べたとおりである。インナーチップ（図９）も、ゲージパッド（図１０）も、それぞれ、外観上おおまかに各部位を分類すると、トリコンビットのボディないしコーン部に嵌合するための円柱部１と掘削を行なうための刃先部２とから構成されている。
【００２８】
（構成）
本発明に基づく実施の形態１におけるインサートチップの例として、インナーチップを図１に示し、ゲージパッドを図２に示す。インナーチップ、ゲージパッドのいずれも、単一組成の超硬合金からなるインサートチップ基材１０の刃先部２に、インサートチップ基材１０とは異なる組成の超硬合金からなる被覆層１１，１２，１３が２層以上積層されてなる被覆超硬合金層２０が、インサートチップ基材１０の刃先部２全体を鋳ぐるむように形成されている。これらのインサートチップにおいて、被覆層１１，１２，１３の各層の厚みは、インサートチップの刃先先端部３で０．１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下である。また、被覆超硬合金層２０としての合計厚みは、１ｍｍ以上５ｍｍ以下である。さらに、被覆層１１，１２，１３のうち最表面にある被覆層（以下、「最表面超硬合金層」という。）である被覆層１１の材料は、すべての被覆層およびインサートチップ基材の中で最も硬度が高いものとなっている。
【００２９】
（作用・効果）
本実施の形態におけるインサートチップにおいては、超硬合金の被覆層１１，１２，１３が刃先先端部３のみならず刃先部２全体を鋳ぐるむように被覆されている。これは、トリコンビットによる掘削中にはトリコンビットのコーン部が回転することから、コーン部に嵌合されているインサートチップは、刃先先端部３のみならず刃先側面部４も掘削に寄与するためである。実用性を考慮すると、少なくとも刃先部２の表面積のうち８０％以上が被覆されていることが好ましく、中でも上述のように刃先部２全体が被覆されていることが好ましい。
【００３０】
また、最表面超硬合金層である被覆層１１の組成は、耐摩耗性を維持するために、インサートチップ基材１０に比べてＣｏ量の少ない組成となっている。この場合、被覆層１１を直接インサートチップ基材１０に被覆すると、熱膨張係数の差が大きくなり、それに伴い熱応力が発生し、被覆層１１の剥離やクラック発生といった問題を生じるおそれがある。この問題を回避するために、徐々にＣｏ量を変化させ熱応力を緩和させる中間層を設けるという考え方に基づき、超硬合金からなる被覆層１２，１３を介在させている。この例では、２層を介在させているが、インサートチップ基材１０と最表面超硬合金層との間に介在させる中間層としての被覆層の数は、２層に限らず、１層であっても、３層以上であってもよい。
【００３１】
しかし、これらの超硬合金の被覆層１１，１２，１３の合計厚みは１ｍｍ以下になると耐摩耗性の効果がなくなり、逆に５ｍｍ以上になると耐欠損性が低下するため、好ましくない。超硬合金からなる各被覆層の厚みは、０．１ｍｍ未満であると、最表面超硬合金層では耐摩耗性が低下するという問題が生じ、中間層では熱応力の緩和効果が薄れる。逆に、各被覆層の厚みが２．５ｍｍ以上あると最表面層では耐欠損性が低下する問題が起こる。このことから、各被覆層の厚みは０．１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下が好ましい。
【００３２】
なお、上述のような構成とすると、最表面超硬合金層の硬度は、マイクロビッカース硬度で１５ＧＰａとすることが可能となる。従来から１５ＧＰａ以上の超硬合金が難掘削岩に対して優れた耐摩耗性を発揮することは知られていたが、超硬合金を１５ＧＰａ以上にすると相対的に超硬合金の耐欠損性が劣る。そのため、難掘削岩の掘削に関しては実用化は困難であった。しかし、本実施の形態のようにインサートチップの最表面のごく薄い部分だけを１５ＧＰａ以上の超硬合金層とすることで、この超硬合金層で耐摩耗性を維持し、その下の層やインサートチップ基材で耐欠損性を補うことができ、難掘削岩、とりわけ花崗岩の掘削に対して、耐摩耗性に優れたインサートチップを実現できるということがわかった。
【００３３】
（実施の形態２）
本発明に基づく実施の形態２における、インサートチップについて説明する。掘削時の掘進率（単位時間あたりの掘削距離）を上げたい場合、インサートチップの耐欠損性を高める必要がある。これに対して、本発明に基づくインサートチップにおいて耐欠損性を高めることを目的にインサートチップ基材１０にＣｏ量の多い超硬合金組成を採用することも考えられる。しかし、そうすると、地熱等の影響でインサートチップが塑性変形を起こしてしまう場合がある。
【００３４】
（構成）
そこで、本発明に基づく実施の形態２におけるインサートチップでは、超硬合金からなる複数の被覆層のうち最表面超硬合金層以外から選ばれた少なくとも１層が、インサートチップ基材１０よりＣｏ量が多いもの（以下、この層を「欠損防止層」という。）となっている。インサートチップとしての外観は、図１、図２に示したものと同じである。したがって、この場合、欠損防止層は、被覆層１２か被覆層１３のいずれかということになる。他の構成は、実施の形態１で説明したものと同じである。
【００３５】
（作用・効果）
このような構成であれば、被覆層のうち少なくとも１層として、インサートチップ基材１０よりＣｏ量が多い層、すなわち、欠損防止層が存在することにより、耐欠損性が向上する。また、そのような場合、Ｃｏ量を多くした超硬合金の層は、欠損防止層の１層分だけで済む。すなわち、被覆層の厚みは元々、最大で２．５ｍｍと薄いため、そのような被覆層のうちの１層を欠損防止層としたとしても、全体の中でＣｏ量を多くした超硬合金の層の占める量を少なく抑えられる。その結果、インサートチップ基材１０にＣｏ量の多い超硬合金を使うよりも、耐塑性変形性に優れた結果をもたらす。
【００３６】
（実施の形態３）
（構成）
本発明に基づく実施の形態３におけるインサートチップについて説明する。外観は、図１、図２に示したものと同じである。このインサートチップの構成は、基本的には実施の形態２で説明したものと同じであるが、欠損防止層には、インサートチップ半径方向に細長く伸びた扁平なＣｏ粒子が存在する。本明細書で、Ｃｏ粒子の形態に関して「インサートチップ半径方向に細長く伸びた扁平なＣｏ粒子」に該当するか否かは、インサートチップの垂直断面組織においてＣｏ粒子のアスペクト比が３以上１００以下の範囲に含まれるか否かによって判別するものとする。Ｃｏ粒子のアスペクト比とは、インサートチップ半径方向の長さ／インサートチップ軸方向の長さの比である。なお、「インサートチップ半径方向に細長く伸びた扁平なＣｏ粒子」の条件に合致するＣｏ粒子を、以下、「特殊Ｃｏ粒子」というものとする。本実施の形態では、欠損防止層の材料は、特殊Ｃｏ粒子の体積が、その材料中に存在するＣｏ量の５体積％以上を占めるように調整されている。
【００３７】
（作用・効果）
本実施の形態では、特殊Ｃｏ粒子の体積が、その材料中に存在するＣｏ量の５体積％以上を占めるため、同じだけの体積のＣｏ粒子がすべて球状に存在する場合に比べて、亀裂の進展を抑制することができ、耐欠損性を大幅に向上させることができる。また、インサートチップ中を進展する亀裂は、インサートチップの軸方向に進む傾向があることから、特殊Ｃｏ粒子の存在形態は、インサートチップの垂直断面組織において半径方向に細長く延び、インサートチップの軸方向に短い形態とすることが重要である。Ｃｏ粒子のアスペクト比が３以上１００以下であることは、この効果を最も引き出すことが可能となる。アスペクト比が３未満であると球状Ｃｏとさほど差は認められず、また１００を越えると亀裂進展抵抗が薄れてしまう。
【００３８】
（実施の形態４）
（構成）
本発明に基づく実施の形態４におけるインサートチップについて説明する。外観は、図１、図２に示したものと同じである。このインサートチップの構成は、基本的には実施の形態３で説明したものと同じであるが、最表面超硬合金層は、ＷＣの平均粒度が１μｍ以下となるような超硬合金の材料が用いられている。
【００３９】
（作用・効果）
難掘削岩を掘削する場合のインサートチップの摩耗のメカニズムとしては、超硬合金のＷＣ粒子が脱落することが原因となる場合がある。これに対しては、ＷＣ粒子をできるだけ小さくし、１粒子あたりのＷＣの表面積を増加させ、Ｃｏとの密着性を高めることが有効である。すなわち、最表面超硬合金層には、ＷＣの平均粒度が１μｍ以下となるような超硬合金の材料を用いることが好ましい。このようにすれば、難掘削岩に対して非常に有効なインサートチップとなる。本実施の形態では、最表面超硬合金層においては、ＷＣの平均粒度が１μｍ以下となっているため、難掘削岩に対しても有効に掘削を行なえるインサートチップとすることができる。
【００４０】
（実施の形態５）
（構成）
本発明に基づく実施の形態５におけるインサートチップについて説明する。外観は、図１、図２に示したものと同じである。このインサートチップの構成は、基本的には実施の形態１〜４で説明したものと同じであるが、最表面超硬合金層に存在する圧縮残留応力が０．０５ＧＰａ以上０．８０ＧＰａ以下である。
【００４１】
（作用・効果）
超硬合金からなる被覆層のうち、最表面超硬合金層のＷＣ粒子に圧縮残留応力が存在することはインサートチップの耐欠損性を高める上で非常に有効である。これは、圧縮残留応力が存在すると熱亀裂の発生を防ぐ効果があるためである。ただし、ＷＣ粒子に存在する圧縮残留応力値が０．０５ＧＰａ未満であると効果を認められず、逆に０．８０ＧＰａを越えるとあまりにも圧縮残留応力が高すぎ、自ら破壊してしまうことがある。そこで、本実施の形態に示したような構成であることが好ましい。
【００４２】
（実施の形態６）
（構成）
本発明に基づく実施の形態６におけるインサートチップについて説明する。外観は、図１、図２に示したものと同じである。このインサートチップの構成は、基本的には実施の形態１〜５で説明したものと同じであるが、複数ある被覆層のうち、最表面超硬合金層のみにダイヤモンド粒子が含まれている。また、そのダイヤモンド粒子の粒径は、１０μｍ以上１００μｍ以下であり、最表面超硬合金層内におけるダイヤモンド粒子の体積の割合が５体積％以上４０体積％以下である。
【００４３】
（作用・効果）
上述の構成であれば、最表面超硬合金層に含まれるダイヤモンド粒子の存在により、耐摩耗性を大幅に向上させることができる。ここで、ダイヤモンド粒子の粒径が１０μｍ未満であると、耐摩耗性は超硬合金のみの場合とさほど変わらない。一方、１００μｍを越えると、ダイヤモンド粒子の体積当たりの超硬合金と接している表面積が少なくなり、ダイヤモンド粒子が脱落しやすくなる。結果として耐摩耗性が発揮できなくなる。また、最表面超硬合金層におけるダイヤモンド粒子の体積が５体積％未満では耐摩耗性は超硬合金とさほど変わらず、４０体積％を越えると耐欠損性が著しく低下する。したがって、本実施の形態で示した構成が好ましい。
【００４４】
（実施の形態７）
（構成）
本発明に基づく実施の形態７におけるインサートチップについて説明する。外観は、図１、図２に示したものと同じである。このインサートチップの構成は、基本的には実施の形態６で説明したものと同じであるが、最表面超硬合金層に含まれるダイヤモンド粒子が高融点金属またはセラミックスで１μｍ以下の厚みで被覆されている。
【００４５】
（作用・効果）
ダイヤモンド粒子を高融点金属またはセラミックスで被覆することは、ダイヤモンド粒子の超硬合金に対する濡れ性を高める上で非常に有効な方法である。本実施の形態におけるインサートチップにおいては、ダイヤモンド粒子が高融点金属またはセラミックスで１μｍ以下の厚みで被覆されているので、ダイヤモンド粒子と超硬合金との密着性が高くなっている。その結果、ダイヤモンド粒子が脱落しにくくなるため、好ましい。
【００４６】
（実施の形態８）
（製造方法）
本発明に基づく実施の形態８におけるインサートチップの製造方法について説明する。この製造方法は、上述の各実施の形態で示したインサートチップの製造に適用可能な製造方法である。ここでは、インナーチップを例に挙げて、説明するが、ゲージパッドについても同様に適用可能である。
【００４７】
まず、図３に示すように、焼結用黒鉛ダイ３１の中にインサートチップ基材１０を挿入する。図４に示すように、インサートチップ基材１０の上に、焼結後に所定の被覆層の厚みになるように被覆層となるべき超硬合金組成の粉末３２ａ，３２ｂ，３２ｃを積層する。その後、図５に示すように、インサートチップの刃先の凸形状に対応した形状が凹状にくり抜かれている黒鉛パンチ３３を挿入し、２０ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下で加圧しながら、黒鉛パンチ３３の温度が１５００℃以上１８００℃以下になるように制御しつつ、通電加圧焼結を行なう。こうして、上述の各実施の形態で示したようなインサートチップを得ることができる。
【００４８】
（作用・効果）
この製造方法において、加圧力が２０ＭＰａ未満であると、加圧力不足で超硬合金層に巣が生じる。また、５０ＭＰａより大きな圧力で加圧すると黒鉛型が破損する湯合がある。したがって、加圧力は２０ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下が好ましい。
【００４９】
焼結温度が１５００℃より低いと、超硬合金は焼成されない。また、１８００℃を越えると超硬合金成分であるＣｏがしみだすという問題が発生する。したがって、焼結温度は１５００℃以上１８００℃以下が好ましい。
【００５０】
よって、本実施の形態で示した条件で製造することが好ましい。
なお、焼結にかける時間は、５分から２０分が望ましい。５分未満であると超硬合金を緻密に焼成できない。また、２０分を越えると、超硬合金成分のＷＣ粒子が異常に粒成長する場合があるので好ましくない。
【００５１】
上記各実施の形態におけるインサートチップを実際に製作し、実験を行なった結果を、以下に「実施例」として、一括して説明する。
【００５２】
＜実施例１＞
（実験条件）
図６に示すようなトリコンビット用のインサートチップ基材１０を準備した。ここでは、インナーチップを例に挙げて、説明するが、ゲージパッドについても同様に適用可能である。このインサートチップ基材１０は、組成がＷＣ−２０％Ｃｏであり、ＷＣ粒度が４μｍの超硬合金からなる。このインサートチップ基材１０の刃先部２に、第１層４１、第２層４２、第３層４３を形成するための超硬合金粉末を積層し、通電加圧焼結法によりサンプルＢ〜Ｊを作製した。サンプルの断面図を図７に示す。なお、第１層〜第３層は、最外表面から内部のインサートチップ基材１０に向けて順に、第１層、第２層、‥‥と数えるものとした。
【００５３】
各サンプルは、実機評価用と合金特性評価用との、各２個ずつ作製した。積層した超硬合金組成、各層の厚み、各層の硬度および焼結条件を表１、表２に示す。
【００５４】
【表１】
0003648205.tif 000002
【００５５】
【表２】
0003648205.tif 000003
【００５６】
（評価方法）
各サンプルのうち、合金特性評価用の方は、サンプルの中心軸を通るように切断し、その断面を鏡面に仕上げた。鏡面に仕上げられた切断面の中心軸上において、光学顕微鏡を用いて、積層された超硬合金の各層、すなわち、各被覆層の厚みを測定した。さらに、切断面の中心軸上において、マイクロビッカース硬度計を用いて、積層された各被覆層の硬度を５点測定し、その平均値をその被覆層の硬度とした。
【００５７】
なお、サンプルＡはインサートチップ基材１０のまま被覆を行なわなかったものを比較対象のための試験片として用いた。
【００５８】
各サンプルのうち、実機評価用の方は、それぞれ削岩機の先端部分に圧入後、被削材を花崗岩とし、衝撃エネルギー３０Ｊ／ｓｈｏｔ、衝撃回数２０００回／分のテスト条件で５時間に渡って衝撃テストを行なった。テスト終了後に各サンプルの高さ方向の摩耗量、および、破壊や亀裂の有無を確認した。
【００５９】
（結果）
この結果を表３に示す。
【００６０】
【表３】
0003648205.tif 000004
【００６１】
＜実施例２＞
（実験条件）
実施例２としては、実施例１と同じインサートチップ基材１０を準備した。このインサートチップ基材１０の刃先部２に第１層４１から第３層４３の超硬合金粉末を積層し、通電加圧焼結法によりサンプルＫ〜Ｒを作製した。各サンプルともに実機評価用と合金特性評価用に各２個ずつ作製した。各サンプルの断面図は、図７に示したものと同じである。積層した超硬合金組成、各層の厚み、Ｃｏ量がインサートチップ基材より多い第３層日の超硬合金層における特殊Ｃｏ粒子（定義は実施の形態３を参照）の体積率およびアスペクト比を表４、表５に示す。
【００６２】
【表４】
0003648205.tif 000005
【００６３】
【表５】
0003648205.tif 000006
【００６４】
（評価方法）
各サンプルのうち、合金特性評価用の方は、サンプルの中心軸を通るように切断し、その断面を鏡面に仕上げた。鏡面に仕上げられた切断面の中心軸上において、光学顕微鏡を用いて、積層された超硬合金の各層、すなわち、各被覆層の厚みを測定した。さらに、切断面の中心軸上において、Ｃｏ量がインサートチップ基材より多い第３層目の組織を１５００倍の光学顕微鏡組織写真（視野６０μｍ×４０μｍ）として撮影した。画像処理により、特殊Ｃｏ粒子の体積率（この被覆層内部において、全てのＣｏ粒子の体積の合計のうち、特殊Ｃｏ粒子の体積の合計が占める割合）を求めた。さらに、この光学顕微鏡組織写真においては、扁平なＣｏのアスペクト比を求めた。
【００６５】
なお、サンプルＫはインサートチップ基材１０のまま被覆を行なわなかったものを比較対象のための試験片として用いた。
【００６６】
各サンプルのうち、実機評価用の方は、刃先形状が半径７ｍｍの半円球状になっていることを確認し、インサートチップの高さがもとのインサートチップ基材１０の長さと同じになるように、各サンプルの端部４９を削ることで調整した。
【００６７】
各サンプルは、それぞれ削岩機の先端部分に圧入後、被削材を花崗岩とし、衝撃エネルギー５０Ｊ／ｓｈｏｔ、衝撃回数２０００回／分のテスト条件で５時間に渡って衝撃テストを行なった。テスト終了後に各サンプルの高さ方向の摩耗量、および、破壊や亀裂の有無を確認した。
【００６８】
（結果）
この結果を表６に示す。
【００６９】
【表６】
0003648205.tif 000007
【００７０】
＜実施例３＞
（実験条件）
実施例３としては、実施例１と同じインサートチップ基材１０を準備した。このインサートチップ基材１０の刃先部２に第１層４１から第３層４３の超硬合金に対応する粉末を積層し、通電加圧焼結法によりサンプルＴ〜Ｙを作製した。各サンプルともに実機評価用と合金特性評価用に各２個ずつ作製した。各サンプルの断面図は、図７に示したものと同じである。積層した超硬合金組成、各層の厚み、最表面超硬合金層である第１層に存在する圧縮残留応力を表７、表８に示す。
【００７１】
【表７】
0003648205.tif 000008
【００７２】
【表８】
0003648205.tif 000009
【００７３】
（評価方法）
各サンプルのうち、合金特性評価用の方は、サンプルの中心軸を通るように切断し、その断面を鏡面に仕上げた。鏡面に仕上げられた切断面の中心軸上において、光学顕微鏡を用いて、積層された超硬合金の各層、すなわち、各被覆層の厚みを測定した。さらに、ＷＣ粒子の残留応力は、インサートチップの刃先項点部分４８において、Ｘ線ｓｉｎ２ψ残留応力測定法を用いた。ＷＣの測定面は（２１２）、応力算出時に必要なＷＣのヤング率およびポアソン比はそれぞれ５９０ＧＰａ、０．２２を使用した。
【００７４】
なお、サンプルＳは、インサートチップ基材１０のまま被覆を行なわなかったものを比較対象のための試験片として用いた。
【００７５】
各サンプルのうち、実機評価用の方は、刃先形状が半径７ｍｍの半円球状になっていることを確認し、インサートチップの高さがもとのインサートチップ基材１０の長さと同じになるように、各サンプルの端部４９を削ることで調整した。実機評価用の各サンプルは、それぞれ削岩機の先端部分に圧入後、被削材を花崗岩とし、衝撃エネルギー４０Ｊ／ｓｈｏｔ、衝撃回数２５００回／分のテスト条件で５時間に渡って衝撃テストを行なった。テスト終了後に各サンプルの高さ方向の摩耗量、および、破壊や亀裂の有無を確認した。
【００７６】
（結果）
この結果を表９に示す。
【００７７】
【表９】
0003648205.tif 000010
【００７８】
＜実施例４＞
（実験条件）
実施例４としては、実施例１と同じインサートチップ基材１０を準備した。このインサートチップ基材１０の刃先部２に第１層４１から第３層４３の超硬合金に対応する粉末を積層し、通電加圧焼結法によりサンプルＢＢ〜ＬＬを作製した。サンプルＤＤ〜ＬＬにおいては、第１層４１は、超硬合金粉末にダイヤモンド粒子を混合したものとした。各サンプルともに実機評価用と合金特性評価用に各２個ずつ作製した。各サンプルの断面図は、図７に示したものと同じである。積層した超硬合金組成、第１層４１に存在するダイヤモンド粒子の粒度、第１層４１中に占めるダイヤモンド粒子の体積％、ダイヤモンド粒子を被覆している材質、第２〜３層の超硬合金の組成を表１０、表１１に示す。各被覆層の厚みなどを表１２に示す。
【００７９】
【表１０】
0003648205.tif 000011
【００８０】
【表１１】
0003648205.tif 000012
【００８１】
【表１２】
0003648205.tif 000013
【００８２】
（評価方法）
各サンプルのうち、合金特性評価用の方は、サンプルの中心軸を通るように切断し、その断面を鏡面に仕上げた。鏡面に仕上げられた切断面の中心軸上において、光学顕微鏡を用いて、積層された超硬合金の各層、すなわち、各被覆層の厚みを測定した。
【００８３】
なお、サンプルＡＡは、インサートチップ基材１０のまま被覆を行なわなかったものを比較対象のための試験片として用いた。
【００８４】
各サンプルのうち、実機評価用の方は、刃先形状が半径７ｍｍの半円球状になっていることを確認し、インサートチップの高さがもとのインサートチップ基材１０の長さと同じになるように、各サンプルの端部４９を削ることで調整した。実機評価用の各サンプルは、それぞれ削岩機の先端部分に圧入後、被削材を花崗岩とし、衝撃エネルギー２５Ｊ／ｓｈｏｔ、衝撃回数２０００回／分のテスト条件で５時間に渡って衝撃テストを行なった。テスト終了後に各サンプルの高さ方向の摩耗量、および、破壊や亀裂の有無を確認した。
【００８５】
（結果）
この結果を表１３に示す。
【００８６】
【表１３】
0003648205.tif 000014
【００８７】
（実施の形態９）
（構成）
図８を参照して、本発明に基づく実施の形態９における石油掘削用トリコンビットの構成について説明する。この石油掘削用トリコンビット５０においては、図８に示すように、ボディ５１の先端部に複数のコーン部５２がそれぞれ回転可能なように取り付けられている。１つのボディ５１に取付けられているコーン部５２は通常３つであり、コーン部５２の頂点が互いに内側を向くように配置されている。各コーン部５２の外表面には複数のインサートチップ５３が刃先として挿入固定されている。インサートチップ５３は、実施の形態１〜７で説明したいずれかのインサートチップである。
【００８８】
図８に示した石油掘削用トリコンビットの構成は、あくまで一例であって、本発明の意図する石油掘削用トリコンビットは、実施の形態１〜７で説明したいずれかのインサートチップを刃先に備えていれば、コーン部の形状、個数および配置の仕方ならびにボディの形状は、図８に示したものに限らない。
【００８９】
（作用・効果）
この石油掘削用トリコンビット５０においては、刃先として配置されたインサートチップが、最表面超硬合金層によって高い耐摩耗性を実現しながら、他の被覆層やインサートチップ基材によって耐欠損性を高めたものとなっているので、掘削深度の深いところに存在する難掘削岩の掘削に対しても掘削性能が高く寿命の長い石油掘削用トリコンビットとすることができる。
【００９０】
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００９１】
【発明の効果】
本発明によれば、インサートチップの刃先部の先端において超硬合金の各被覆層を適切な厚みとし被覆層のうち最表面にある最表面超硬合金層は、他の被覆層やインサートチップ基材の硬度より高い硬度を有するため、最表面超硬合金層によって高い耐摩耗性を実現しながら、他の被覆層やインサートチップ基材によって耐欠損性を高めることができる。さらに、中間層で熱応力が緩和されるため、被覆層の剥離やクラックを防止することができる。また、このようなインサートチップを刃先に備えることで、難掘削岩の掘削にも適した石油掘削用トリコンビットを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に基づく実施の形態１におけるインサートチップの例として示すインナーチップの断面図である。
【図２】  本発明に基づく実施の形態１におけるインサートチップの例として示すゲージパッドの断面図である。
【図３】  本発明に基づく実施の形態８におけるインサートチップの製造方法の第１の工程の説明図である。
【図４】  本発明に基づく実施の形態８におけるインサートチップの製造方法の第２の工程の説明図である。
【図５】  本発明に基づく実施の形態８におけるインサートチップの製造方法の第３の工程の説明図である。
【図６】  実施例１で用いたインサートチップ基材の側面図である。
【図７】  実施例１で用いたサンプルの断面図である。
【図８】  本発明に基づく実施の形態９における石油掘削用トリコンビットの模式図である。
【図９】  従来技術に基づくインナーチップの模式図である。
【図１０】  従来技術に基づくゲージパッドの模式図である。
【符号の説明】
１  円柱部、２  刃先部、３  刃先先端部、４  刃先側面部、１０  インサートチップ基材、１１，１２，１３  被覆層、２０  被覆超硬合金層、３１  焼結用黒鉛ダイ、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ  （被覆層となる組成の超硬合金の）粉末、３３  黒鉛パンチ、４１  第１層、４２  第２層、４３  第３層、４８  刃先頂点部分、４９  端部、５０  石油掘削用トリコンビット、５１  ボディ、５２コーン部、５３  インサートチップ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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