(57)【要約】  本発明は、地面穿孔用ビットのためのビット本体を形成するための組成物と方法に関する。ビット本体は硬質粒子を含んでいてもよく、この硬質粒子は少なくとも一つの炭化物、窒化物、ホウ化物、および酸化物およびこれらの固溶体を含み、またビット本体は硬質粒子を結合する結合剤を含む。結合剤は、コバルト、ニッケル、および鉄から選択される少なくとも一つの金属を含んでいてもよく、そして場合によって、３０〜６０質量パーセントの範囲の遷移金属炭化物、１０質量パーセント以下のホウ素、２０質量パーセント以下のケイ素、２０質量パーセント以下のクロム、および２５質量パーセント以下のマンガンから選択される少なくとも一つの融点低下成分を含み、ここでその質量パーセントは結合剤の総質量に基づく。さらに、硬質粒子は、（i）鋳造炭化物（WC+W2C）の粒子、（ii）チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、およびタングステンの炭化物から選択される遷移金属炭化物の粒子、および（iii）焼結炭化物合金の粒子、のうちの少なくとも一つを含んでいてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、およびこれらの固溶体のうちの少なくとも一つを含む硬質粒子、および
コバルト、ニッケル、鉄およびこれらの合金から選択される少なくとも一つの金属を含む結合剤、
を含む本体材料を含んでいるビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項２】
結合剤はさらに、結合剤の総質量に基づいて６０質量パーセント以下の遷移金属炭化物、ホウ化物、またはケイ化物、５０質量パーセント以下の遷移金属、１０質量パーセント以下のホウ素、２０質量パーセント以下のケイ素、２０質量パーセント以下のクロム、および２５質量パーセント以下のマンガンのうちの少なくとも一つから選択される少なくとも一つの融点低下成分を含む、請求項１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項３】
融点低下成分は、３０〜６０質量パーセントの範囲で存在する炭化タングステン、３０〜５５質量パーセントの範囲で存在するタングステン、１.５〜４質量パーセントの範囲で存在する炭素、１〜１０質量パーセントの範囲で存在するホウ素、２〜２０質量パーセントの範囲で存在するケイ素、２〜２０質量パーセントの範囲で存在するクロム、および１０〜２５質量パーセントの範囲で存在するマンガンのうちの少なくとも一つである、請求項２に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項４】
硬質粒子は、個々の単結晶、多結晶粒子として、固溶体として、２又はそれを超える相を含む多結晶粒子として、および結合剤を含む焼結した細粒、結合剤を含まない焼結した細粒のうちの少なくとも一つである、請求項１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項５】
硬質粒子は、炭化チタン、炭化クロム、炭化バナジウム、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化タンタル、炭化モリブデン、炭化ニオブ、および炭化タングステンから選択される少なくとも一つの遷移金属炭化物を含む、請求項１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項６】
融点低下成分は、結合剤の総質量に基づいて３０〜６０質量パーセントの範囲で存在する炭化タングステン、ホウ化物、およびケイ化物のうちの少なくとも一つである、請求項２に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項７】
結合剤は、結合剤の総質量に基づいて４０〜５０質量パーセントの炭化タングステンと４０〜６０質量パーセントの鉄、コバルト、およびニッケルのうちの少なくとも一つを含む、請求項２に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項８】
結合剤は、結合剤の総質量に基づいて４０〜５０質量パーセントの炭化タングステンと４０〜６０質量パーセントのコバルトを含む、請求項７に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項９】
結合剤はさらに、結合剤の総質量に基づいて１０質量パーセント以下のホウ素とケイ素のうちの少なくとも一つを含む、請求項８に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項１０】
融点低下成分は、結合剤の総質量に基づいて２〜２０質量パーセントの範囲で存在するケイ素である、請求項２に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項１１】
結合剤は、結合剤の総質量に基づいて４０〜５０質量パーセントの炭化タングステンと４０〜６０質量パーセントのニッケルを含む、請求項７に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項１２】
結合剤はさらに、結合剤の総質量に基づいて１０質量パーセント以下のホウ素を含む、請求項１１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項１３】
結合剤は、結合剤の総質量に基づいて少なくとも８０質量パーセントのニッケル、鉄、およびコバルトのうちの少なくとも一つを含む、請求項２に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項１４】
結合剤はさらに、結合剤の総質量に基づいて２０質量パーセント以下のケイ素を含む、請求項１３に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項１５】
結合剤はさらに、結合剤の総質量に基づいて１０質量パーセント以下のホウ素を含む、請求項１３に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項１６】
結合剤は、結合剤の総質量に基づいて９０〜９９質量パーセントのニッケルと１〜１０質量パーセントのホウ素を含む、請求項２に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項１７】
結合剤は、結合剤の総質量に基づいて９０〜９９質量パーセントのコバルトと１〜１０質量パーセントのホウ素を含む、請求項２に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項１８】
結合剤は、結合剤の総質量に基づいて６０質量パーセント以下の融点低下成分を含む、請求項２に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項１９】
融点低下成分は、炭化タングステン、クロム、ホウ素、炭素、およびケイ素のうちの少なくとも一つである、請求項１８に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項２０】
融点低下成分は、炭化タングステン、ホウ素、およびケイ素のうちの一つである、請求項１８に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項２１】
炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、およびこれらの固溶体のうちの少なくとも一つを含む硬質粒子、および
１０５０℃〜１３５０℃の範囲の融点を有する結合剤、
を含む地面穿孔用ビットのためのビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項２２】
硬質粒子は、個々の単結晶として、多結晶粒子として、固溶体として、２又はそれを超える相を含む多結晶粒子として、または結合剤を添加しているかまたは添加していない焼結した細粒として存在する、請求項２１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項２３】
炭化物は、炭化チタン、炭化クロム、炭化バナジウム、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化タンタル、炭化モリブデン、炭化ニオブ、および炭化タングステンから選択される少なくとも一つの遷移金属炭化物である、請求項２１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項２４】
硬質粒子の遷移金属炭化物は炭化タングステンである、請求項２３に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項２５】
結合剤は鉄、コバルトおよびニッケルのうちの少なくとも一つを含む合金である、請求項２１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項２６】
結合剤はさらに、炭化チタン、炭化タンタル、炭化ニオブ、炭化クロム、炭化モリブデン、炭化ホウ素、炭化炭素、炭化ケイ素、および炭化ルテニウムから選択される少なくとも一つの遷移金属炭化物を含む、請求項２４に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項２７】
結合剤は、ケイ素、遷移金属炭化物、およびホウ素のうちの少なくとも一つを含む、請求項２１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項２８】
組成物中の遷移金属炭化物の濃度は３０〜９９容量％の範囲である、請求項２１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項２９】
組成物中の遷移金属炭化物の濃度は４５〜８５容量％の範囲である、請求項２１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項３０】
少なくとも一つの焼結炭化物合金のインサートをさらに含む、請求項２０に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項３１】
焼結炭化物合金のインサートは少なくとも一つのカッターポケットを含む、請求項３０に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項３２】
硬質粒子は、マクロ結晶炭化タングステン、共晶炭化タングステン、焼結した遷移金属炭化物、粉砕して焼結した金属炭化物のうちの少なくとも一つを含む、請求項２１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項３３】
硬質粒子は不整形状、扁長、扁円、および球形のうちの１以上のものである、請求項３２に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項３４】
遷移金属炭化物からなる硬質粒子、および
ニッケル、鉄、およびコバルトのうちの少なくとも一つを含んでいて１３５０℃未満の融点を有する結合剤、
を含むビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項３５】
遷移金属炭化物は、炭化チタン、炭化クロム、炭化バナジウム、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化タンタル、炭化モリブデン、炭化ニオブ、および炭化タングステンから選択される少なくとも一つの遷移金属である、請求項３４に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項３６】
遷移金属炭化物は炭化タングステンである、請求項３５に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項３７】
結合剤は鉄、コバルトおよびニッケルのうちの少なくとも一つを含む合金である、請求項３４に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項３８】
結合剤はさらに、遷移金属炭化物、タングステン、炭素、ホウ素、ケイ素、クロム、マンガン、銀、アルミニウム、銅、スズ、および亜鉛のうちの少なくとも一つを、ニッケル、鉄、およびコバルトのうちの少なくとも一つの融点を低下させる濃度で含む、請求項３７に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項３９】
結合剤は炭化タングステン、ホウ素、ケイ素、クロム、およびマンガンのうちの少なくとも一つを含む、請求項３８に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項４０】
結合剤は組成物の２０容量パーセントよりも多く含まれている、請求項１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項４１】
結合剤は組成物の２０〜６０容量パーセントの範囲で含まれている、請求項４０に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項４２】
結合剤は組成物の２０〜５０容量パーセントの範囲で含まれている、請求項４０に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項４３】
結合剤は組成物の２５〜４０容量パーセントの範囲で含まれている、請求項４０に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項４４】
結合剤は、遷移金属炭化物、遷移元素、炭素、ホウ素、ケイ素、クロム、マンガン、銀、アルミニウム、銅、スズ、レニウム、ルテニウム、および亜鉛のうちの少なくとも一つを含む、請求項１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項４５】
結合剤はコバルトとニッケルのうちの少なくとも一つを含む、請求項１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項４６】
硬質粒子は炭化タングステンを含んでいる結晶を含み、そして結合剤はコバルトを含む、請求項１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項４７】
炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、およびこれらの固溶体のうちの少なくとも一つを含む硬質粒子を含む本体材料、
コバルト、ニッケル、鉄、およびこれらの合金のうちの少なくとも一つを含む結合剤、および
合金鋼の軸部、
を含むビット本体。
【請求項４８】
３００ksiよりも大きな横破断強度を有する本体材料を含むビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項４９】
炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、およびこれらの固溶体のうちの少なくとも一つを含む硬質粒子、および
コバルト、ニッケル、鉄およびこれらの合金から選択される少なくとも一つの金属を含む結合剤、
を含む、請求項４８に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項５０】
２８０ksiよりも大きな横破断強度および５５(１０)６psiよりも大きなヤング率を有する本体材料を含むビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項５１】
炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、およびこれらの固溶体のうちの少なくとも一つを含む硬質粒子、および
コバルト、ニッケル、鉄およびこれらの合金から選択される少なくとも一つの金属を含む結合剤、
を含む、請求項５０に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項５２】
６０×１０６psiよりも大きなヤング率を有する本体材料を含む、請求項５１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項５３】
炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、およびこれらの固溶体のうちの少なくとも一つを含む硬質粒子、および
コバルト、ニッケル、鉄およびこれらの合金から選択される少なくとも一つの金属を含む結合剤、
を含む、請求項５２に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項５４】
１０×１０６サイクルにおいて８５ksiよりも大きな耐疲労性を有する本体材料を含むビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項５５】
炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、およびこれらの固溶体のうちの少なくとも一つを含む硬質粒子、および
コバルト、ニッケル、鉄およびこれらの合金から選択される少なくとも一つの金属を含む結合剤、
を含む、請求項５４に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項５６】
５０ksiよりも大きな耐疲労性および５５(１０)６psiよりも大きなヤング率を有する本体材料を含むビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項５７】
炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物、およびこれらの固溶体のうちの少なくとも一つを含む硬質粒子、および
コバルト、ニッケル、鉄およびこれらの合金から選択される少なくとも一つの金属を含む結合剤、
を含む、請求項５６に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項５８】
異なる組成を有する少なくとも二つの領域を含む、請求項１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項５９】
一つの領域が少なくとも一つの他の領域よりも高い靭性を有する、請求項５８に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項６０】
向上した靭性を有する領域は、ブレードの内部領域、ローラーコーンの内部領域、軸部の一部、および軸部の周囲の領域のうちの少なくとも一つである、請求項５９に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項６１】
一つの領域が少なくとも一つの他の領域よりも高い耐摩耗性を有する、請求項５８に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項６２】
高い耐摩耗性を有する領域は、インサートポケットの領域、ゲージパッドの領域、ローラーコーンブレードの領域、およびクラウンの外面のうちの少なくとも一つである、請求項６１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項６３】
硬質粒子は、ビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーンの５０容量％よりも多く含まれている、請求項１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項６４】
硬質粒子は、ビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーンの６０〜８０容量％の範囲で含まれている、請求項６３に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【請求項６５】
結合剤は、ビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーンの２０〜３５容量％の範囲で含まれている、請求項１に記載のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願についてのクロス・リファレンス
本出願は、2004年５月18日に提出された米国特許出願番号10/848,437の一部係属出願であり、その米国特許出願は2004年４月28日に提出された米国仮出願番号60/556,063の優先権を請求する。
【０００２】
技術分野
本発明は、地面穿孔用ビットの改良および地面穿孔用ビットを製造する方法の改良に関する。より具体的には、本発明は、地面穿孔用ビットの本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、ローラーコーン型地面穿孔用ビットのための歯付きコーンに関し、また地面穿孔用ビットの本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、ローラーコーン型地面穿孔用ビットのための歯付きコーン（cones and teeth for roller cone earth-boring bits）を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
地面穿孔用ビットは、固定しているかまたは回転可能な切削要素を有しているだろう。固定した切削要素を有する地面穿孔用ビットは典型的に、鋼から切削加工されたビット本体（bit body）、あるいは鋳造炭化物（WC+W2C）、炭化タングステン（WC）および／または焼結炭化物合金などの硬質粒子からなる母層に例えば銅基合金などの結合剤を含浸させることによって製造されたビット本体を有する。切削性を最適にするために、ビット本体の所定の位置に幾つかの切削インサート（cutting insert）が固定される。ビット本体は、ねじを切ったピン結合部を典型的に有する鋼製の軸部（shank）に固定することができ、これにより、ビットはドリルストリングの末端部において、掘削した穴で使用されるモーターまたはドリルカラー（drill collar）の駆動軸に固定される。
【０００４】
鋼の本体からなるビットは典型的に、丸棒材から所望の形状に切削加工され、それに伴って外形と内部の特徴が付与される。ビット本体の使用面およびビット本体の表面の他の重要な領域に耐摩耗性材料を付与するために、硬化肉盛法を用いてもよい。
【０００５】
硬質粒子と結合剤からビット本体を製造するための一般的な方法においては、金型がプレス加工または切削加工されて、それによりビット本体の外表面の特徴が定められる。ビット本体の外形的特徴を作り出すかあるいは精密にするために、追加の手動プレス加工またはクレー塗り作業（clay work）も必要かもしれない。
【０００６】
金型が完成したら、鋼からなる予備成形したビットのブランク（blank）を金型の空隙部の中に配置してもよく、これによりビット本体を内部強化するとともに、製造する際のピン付属品の基体が与えられる。また、内部の流体通路、切削要素のためのポケット、隆起部、ランド、ノズル部分、ジャンクスロット、またはその他のビット本体の内部または外形の特徴を画定するためのものなど、その他の砂、黒鉛、遷移金属または高融点金属系のインサートも金型の空隙部の中に装入してもよい。完成したビットにおける切削要素、ノズル、ジャンクスロットなどの適切な位置決めを確実にするために、用いられる全てのインサートは正確な位置に置かれなければならない。
【０００７】
次いで、金型の中に所望の硬質粒子を配置することができ、そして所望の密度に押し固められる。次いで、硬質粒子に溶融した結合剤を含浸させ、これを凝固させることによって、結合剤の連続相の中に硬質粒子の不連続相を有する中実のビット本体が形成される。
【０００８】
次いで、ビット本体に地面穿孔用ビットの他の要素を組み付けることができる。例えば、ねじを切った軸部をビット本体に溶接またはその他の方法で固定することができ、そして切削要素またはインサート（典型的には焼結炭化タングステン、ダイヤモンド、または合成多結晶ダイヤモンド圧密体（polycrystalline diamond compact, PDC））が、ろう接、接着剤結合、または機械的な接合などによって切削インサートポケットの中に固定される。あるいは、熱的に安定なPDC（thermally stable PDC, TSP）が用いられる場合は、加熱して浸透させる過程でビット本体の使用面に切削インサートを接合させることができる。
【０００９】
石油やガスの探査のための回転可能な地面穿孔用ビットは一般に、ローラーコーンを組み付けたビットの一部を形成するコーン（cone）に取り付けた焼結炭化物合金の切削インサートを有するか、あるいは切削加工によってカッターに形成された刻み歯（milled teeth）を有する。刻み歯は典型的に、合金鋼の母材中にある炭化タングステンで硬化肉盛される。ローラーコーンビットのビット本体は通常、合金鋼で製造される。
【００１０】
地面穿孔用ビットは典型的にドリルストリングの末端部に固定され、その表面で回転するか、あるいはドリルストリング上のビットの直上に位置する泥用モーター（mud mortor）によって回転する。掘削流体または泥は中空のドリルストリングから送り出され、そしてビット本体に形成されたノズルから排出される。掘削流体または泥はビットをそれが回転するときに冷却および潤滑し、またビットによって切削された物質を表面へ搬送する。
【００１１】
地面穿孔用ビットのビット本体およびその他の要素は、それらが掘削穴の中の苛酷な環境において操作されるとき、多くの形態の摩耗を受ける。最も一般的な形態の摩耗は、研摩性の岩石形成物と接触することによって起こるアブレシブ摩耗である。さらに、岩石の切削物を含んだ掘削泥は、ビット上に浸蝕性摩耗を生じさせる。
【００１２】
地面穿孔用ビットの実用寿命は、PDCまたは焼結炭化物合金のインサートの摩耗特性だけに関連するのではなく、ビット本体（固定したカッタービットの場合）またはコーン（ローラーコーンビットの場合）の摩耗特性にも関連する。地面穿孔用ビットの実用寿命を延ばすための一つの方法は、強度、靭性、およびアブレシブ摩耗／浸蝕性摩耗耐性の改善された組み合わせを備えた材料で製造されたビット本体またはコーンを用いることである。
【００１３】
従って、向上した耐摩耗性、強度および靭性を有する地面穿孔用ビットのための改善されたビット本体に対する必要性が存在する。
【発明の概要】
【００１４】
本発明は、地面穿孔用ビットのためのビット本体を形成するための組成物に関する。そのビット本体は硬質粒子を含み、この硬質粒子は炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、酸化物およびこれらの固溶体のうちの少なくとも一つ、および硬質粒子を結合する結合剤を含む。硬質粒子は、チタン、クロム、バナジウム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、およびタングステンの炭化物から選択される少なくとも一つの遷移金属炭化物、またはこれらの固溶体を含んでいてもよい。硬質粒子は個々の炭化物または混合した炭化物として存在していてもよく、および／または焼結炭化物合金（cemented carbide）として存在していてもよい。結合剤の態様は、コバルト、ニッケル、鉄およびこれらの合金から選択される少なくとも一つの金属を含んでいてもよい。さらなる態様においては、結合剤はさらに、６０質量パーセント以下の遷移金属炭化物、５０質量パーセント以下の１以上の遷移元素、５質量パーセント以下の炭素、１０質量パーセント以下のホウ素、２０質量パーセント以下のケイ素、２０質量パーセント以下のクロム、および２５質量パーセント以下のマンガンから選択される少なくとも一つの融点低下成分を含んでいてもよく、ここでその質量パーセントは結合剤の総質量に基づく。一つの態様において、結合剤は４０〜５０質量パーセントの炭化タングステンと４０〜６０質量パーセントの鉄、コバルト、およびニッケルのうちの少なくとも一つを含む。本発明の目的に関して、遷移元素は、周期表のIVB族、VB族、およびVIB族に属する元素として定義される。
【００１５】
基体（matrix body）を形成するための組成物の別の態様は、硬質粒子と結合剤を含むものであり、このとき結合剤は１０５０℃〜１３５０℃の範囲の融点を有する。結合剤は、鉄、コバルト、およびニッケルのうちの少なくとも一つを含む合金であってもよく、また遷移金属炭化物、遷移元素、炭素、ホウ素、ケイ素、クロム、マンガン、銀、アルミニウム、銅、スズ、および亜鉛のうちの少なくとも一つをさらに含んでいてもよい。さらに好ましくは、結合剤は、鉄、コバルト、およびニッケルのうちの少なくとも一つ、および炭化タングステン、タングステン、炭素、ホウ素、ケイ素、クロム、およびマンガンのうちの少なくとも一つを含む合金であってもよい。
【００１６】
本発明のさらなる態様は、基体を形成するための組成物であって、この組成物は、遷移金属炭化物の硬質粒子と、ニッケル、鉄、およびコバルトのうちの少なくとも一つを含んでいてそして１３５０℃未満の融点を有する結合剤とを含む。結合剤は、遷移金属炭化物、炭化タングステン、タングステン、炭素、ホウ素、ケイ素、クロム、マンガン、銀、アルミニウム、銅、スズ、および亜鉛のうちの少なくとも一つをさらに含んでいてもよい。
【００１７】
ビット本体の製造においては、硬質粒子、および場合によってはインサートを、ビット本体の金型の中に配置することができる。インサートは、本発明の物品にいかなる方法によって組み込んでもよい。例えば、金型に粉末の金属または硬質粒子を充填する前に、金型にインサートを付け加えてもよく、また存在する全てのインサートに溶融した結合剤を含浸させてもよく、これが固まることによって結合剤の連続相の中に硬質粒子の不連続相を有する中実の基体が形成される。また本発明の態様には、これらに限定されるものではないが、地面穿孔用ビットのためのビット本体、ローラーコーン、および回転式コーンドリルビットのための歯などの物品を形成する方法も含まれる。物品を形成する方法の態様は、少なくとも一つの遷移金属炭化物を含む硬質粒子の塊に、ニッケル、鉄、およびコバルトのうちの少なくとも一つを含んでいてそして１３５０℃未満の融点を有する結合剤を含浸させることを含んでいてもよい。別の態様は、少なくとも一つの遷移金属炭化物を含む硬質粒子の塊に、１０５０℃〜１３５０℃の範囲の融点を有する結合剤を含浸させることを含む方法を含む。結合剤は鉄、ニッケル、およびコバルトのうちの少なくとも一つを含んでいてもよく、このとき鉄、ニッケル、およびコバルトの総濃度は結合剤の質量に基づいて４０〜９９質量パーセントである。結合剤はさらに、選択された遷移金属炭化物、炭化タングステン、タングステン、炭素、ホウ素、ケイ素、クロム、マンガン、銀、アルミニウム、銅、スズ、および亜鉛のうちの少なくとも一つを、鉄、ニッケル、および／またはコバルトの融点を低下させるのに有効な濃度で含んでいてもよい。結合剤は共晶混合物または近共晶混合物であってもよい。結合剤の低下した融点は、硬質粒子の塊への適切な含浸を促進する。
【００１８】
本発明のさらなる態様は、地面穿孔用ビットを製造する方法であって、この方法は、鉄、ニッケル、およびコバルトのうちの少なくとも一つと遷移金属の炭化物との溶融混合物から地面穿孔用ビットを鋳造することを含む。その混合物は共晶混合物または近共晶混合物であってもよい。これらの態様においては、地面穿孔用ビットは、硬質粒子の塊への含浸を行なわずに、直接鋳造してもよい。
【００１９】
特に示さない限り、本明細書および特許請求の範囲において用いられている成分、時間、温度などの量を表わす全ての数値は、全ての場合において「約」という用語によって修正されるものと理解されるべきである。従って、反対のことを示さない限り、以下の明細書および特許請求の範囲において表わされる数値のパラメーターは、本発明によって得られると考えられる所望の特性に応じて変化しうる近似値である。少なくとも、また特許請求の範囲についての均等論の適用を制限する試みとしてではなく、各々の数値のパラメーターは、少なくとも、報告された重要な数字の数に照らして、そして通常の四捨五入のやり方を適用することによって解釈されるべきである。
【００２０】
本発明の広い範囲で示される数値範囲とパラメーターは近似値であるけれども、具体的な実施例で示される数値はできるだけ正確に報告されている。しかし、いかなる数値であっても、それぞれの試験の測定において見出される標準偏差から必然的に生じる特定の誤差を本来含んでいるだろう。
【００２１】
本発明の態様についての以下の詳細な説明を考慮することによって、読者は、上で詳説したことと本発明の利点、さらにはその他のことを認識できるであろう。読者はまた、本発明の範囲の態様を実施および／または使用することによって、本発明のそのような追加の詳細と利点を理解するであろう。
【００２２】
発明の説明
本発明の態様は、地面穿孔用ビットのためのビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、ローラーコーン型ドリルビットのための歯付きコーンを形成するための組成物、およびそのような物品のためのビット本体を製造する方法に関する。さらに、その方法は他の物品を製造するために用いることができる。本発明のビット本体の特定の態様は、少なくとも一つの不連続な硬質相と、この硬質相を結合している連続的な結合剤相を含む。本発明の組成物と方法の態様は、この組成物と方法によって製造されるビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、歯、およびコーンのための増大した実用寿命を提供し、それにより地面穿孔用ビットまたはその他の工具の実用寿命を向上させる。ビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーンの母材は、物品の各々の領域に総体的な特性を与える。
【００２３】
固定したカッターの地面穿孔用ビットの典型的なビット本体10は、図１に示される。一般に、ビット本体10は、軸部（shank）12上の連結手段11とビット本体10に組み入れられている刻みのない領域12Aを有する。軸部12、刻みのない領域12A、およびピンは、それぞれ独立して鋼の合金または少なくとも一つの不連続な硬質相と連続的な結合剤相で製造することができ、そして連結手段11、軸部12、および刻みのない領域12Aはビット本体に、ろう接、ねじによる連結、ピン、キー溝（keyway）、焼嵌め、接着剤、拡散結合、締り嵌め、またはその他のあらゆる機械的または化学的な連結（しかし、これらに限定はされない）などのあらゆる方法によって取り付けることができる。しかし、本発明の態様においては、連結手段を含めた軸部12は、合金鋼から、あるいはビット本体の他の部分と同じかまたは異なる組成の結合剤中の硬質粒子から製造することができる。従って、ビット本体10は様々な領域を有するように構成することができ、そして各々の領域は例えば、異なる濃度、組成、および結晶粒度を有する硬質粒子または結合剤を含んでいてもよい。このことにより、物品の特定の領域における特性を、特定の適用に対して望ましいものであるように適合させることができる。従って、物品の異なる領域どうしで各領域の特性または組成が急にあるいは徐々に変化しうるように、物品を設計することができる。図１の例としてのビット本体10は３つの領域を有する。例えば、上部領域13はタングステンおよび／または炭化タングステンからなる不連続な硬質相を含むことができ、中央部分14は粗い鋳造（cast）炭化タングステン（W2C、WC）、炭化タングステン、および／または焼結炭化物合金の粒子からなる不連続な硬質相を含むことができ、そして底部領域15は、これが存在する場合、微細な鋳造炭化物、炭化タングステン、および／または焼結炭化物合金の粒子からなる不連続な硬質相を含むことができる。ビット本体10はまた、ビット本体10の底部に沿ってポケット16を有し、このポケットの中に切削インサート（cutting insert）を配置することができる。ポケットは、金型によって、あるいは圧粉状態（green）または予備焼結状態（brown）のビレットを切削加工することによって、例えばビット本体を製造する間に組み込まれるインサートとして、あるいはビット本体が完成した後に、例えば上述したようにろう接またはその他の連結法によって取り付けられるインサートとして、ビット本体に直接組み込むことができる。またビット本体10は、内部の流体通路、隆起部、ランド、ノズル部分、ジャンクスロット、および地面穿孔用ビット本体のその他のあらゆる一般的な外形的特徴を有していてもよい。場合によっては、これらの外形的特徴は、ビット本体の金型上の適当な位置に配置されるインサート17のような、予備成形したインサートによって画定されてもよい。本発明の態様は、焼結炭化物合金（cemented carbide）のインサートを含むビット本体を含む。一般的なビット本体においては、硬質相の粒子は黄銅または青銅などの銅基合金の母材中で結合される。本発明のビット本体の態様は、新規な結合剤を含んでいるか、あるいは新規な結合剤を用いて製造することができ、それによって、ビット本体に改善された耐摩耗性、強度および靭���が取り込まれる。
【００２４】
結合剤中の硬質粒子の製造プロセスは典型的に、冶金粉末（典型的には微粒子状セラミックと結合剤金属）を固めることによって圧粉体状（green）のビレット（グリーンビレット）を形成することを含む。硬質の型の中での機械プレスまたは油圧プレスや湿潤バッグまたは乾燥バッグ平衡圧プレスなど、一般的な技術を用いる粉末団結プロセスを用いてもよい。次いで、グリーンビレットを予備焼結するかまたは完全に焼結することによって、粉末をさらに固めて緻密にしてもよい。予備焼結することによって、部分的な団結化と一部の緻密化だけが生じる。グリーンビレットを、最終の焼結操作において達するべき温度よりも低い温度で予備焼結することができ、これにより予備焼結されたビレット（ブラウンビレット（brown billet））が得られる。ブラウンビレットは最終の完全に焼結された物品よりも比較的低い硬度と強度を有するが、しかしグリーンビレットにおけるよりもかなり高い。製造する間に、物品をグリーンビレット、ブラウンビレットまたは完全に焼結された物品として切削加工してもよい。典型的に、グリーンビレットまたはブラウンビレットの切削加工性は、完全に焼結された物品の切削加工性よりも実質的に容易である。完全に焼結された部品を切削加工することが困難である場合、あるいはこの部品を、必要とされる寸法上の最終許容誤差を満足させるためには切削加工するよりもむしろ研削加工する必要がある場合に、グリーンビレットまたはブラウンビレットを切削加工することが有利であろう。ビレットの空孔を閉鎖するための切削剤を添加するなど、部品の切削加工性を改善させるための他の手段を用いてもよい。典型的な切削剤はポリマーである。最後に、通常の真空炉中での液相温度での焼結またはシンターヒップ炉（SinterHip furnace）中での高圧での焼結を行なうことができる。３００〜２０００psiの圧力および１３５０〜１５００℃の温度で、ビレットを過圧焼結してもよい。ビレットを予備焼結および焼結することによって、潤滑剤の除去、酸化物の還元、緻密化、および微細組織の発達がもたらされる。上述したように、焼結に続いて、ビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーンまたはコーンを、最終形状に形成するために、さらに適切に切削加工または研削加工してもよい。
【００２５】
本発明はまた、組成上で異なる特性の領域を有するビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーンまたはコーンを製造する方法を含む。その方法の態様は、金型の中の空所の第一の領域の中に第一の冶金粉末を配置し、そして金型の空所の第二の領域に第二の冶金粉末を配置することを含む。ある態様においては、金型を二つ以上の領域に分離してもよく、これは例えば、その領域を分離するために金型の空所内に紙またはポリマー材料などの物理的な仕切りを設置することによって行なわれる。冶金粉末は、団結化と焼結を行なった後に、上述したような所望の特性を有する焼結炭化物合金材料を与えるように選択されてもよい。別の態様においては、少なくとも第一の冶金粉末と第二の冶金粉末の一部は、金型の中で仕切りを設けずに、接触させて配置される。物理的な仕切りを用いずにそのような領域を形成するのを助けるために、冶金粉末とともにワックスまたはその他の結合剤を用いてもよい。
【００２６】
特性または組成において傾斜のある変化を有する物品を形成してもよく、これは例えば、金型の第一の領域に第一の冶金粉末を配置することによって行なわれる。次いで、金型の第二の部分に、第一の冶金粉末と第二の冶金粉末の混合物を含む冶金粉末を充填することができる。この混合物によれば、第一および第二の冶金粉末によって独立的に形成される物品におけるのと同じ特性の間の少なくとも一つの特性を有する物品が得られるであろう。このプロセスは、金型の中で所望の組成勾配または組成構成が完成するまで繰り返すことができ、そしてこのプロセスは、典型的には金型の領域に第二の冶金粉末を充填して終了するだろう。また、このプロセスの態様は、物理的な仕切りを用いて、あるいは用いずに、行なうことができる。追加の領域に第三の冶金粉末などの別の材料を充填してもよく、その材料は予め銅合金を含浸した物品であってもよい。次いで、金型を平衡圧的に圧縮することによって冶金粉末を固めることができ、それによりビレットが形成される。次いで、ビレットは焼結され、それによってビレットはさらに緻密化されるとともに、領域の間の自己発生的な結合が形成される。
【００２７】
上述したように、ニッケル、コバルト、鉄、およびニッケル、コバルトおよび鉄の合金など、いかなる結合剤を用いてもよい。さらに、特定の態様においては、ビット本体を製造するのに用いられる結合剤は１０５０℃〜１３５０℃の範囲の融点を有していてもよい。ここで用いるとき、融点または溶融温度とは、特定の組成物の固相線である。他の態様においては、結合剤はコバルト、鉄、およびニッケルのうちの少なくとも一つの合金を含み、このときその合金は１３５０℃未満の融点を有する。本発明の組成物の他の態様においては、組成物はコバルト、ニッケル、および鉄のうちの少なくとも一つと融点低下成分を含む。純粋なコバルト、ニッケル、および鉄は高い融点（およそ１５００℃）によって特徴づけられ、従って、硬質粒子の層（bed）を純粋な溶融したコバルト、鉄、またはニッケルで含浸することを、過剰な気孔または望ましくない相を形成することなく、実際的なやり方で達成するのは困難である。しかし、コバルト、鉄、ニッケルのうちの少なくとも一つの合金は、もしそれが十分な量の少なくとも一つの融点低下成分を含んでいるならば、用いることができる。融点低下成分は遷移金属炭化物、遷移元素、タングステン、炭素、ホウ素、ケイ素、クロム、マンガン、銀、アルミニウム、銅、スズ、亜鉛のうちの少なくとも一つであってよく、さらには他の元素も、単独でまたは組み合わせで、結合剤の融点を十分に低下させて、それによりビット本体を選ばれた方法によって形成するために結合剤を有効に用いることができるような量で添加してもよい。結合剤の特性、例えば融点、溶融粘度、および含浸距離が、過剰な量の気孔を生じさせることなくビット本体を鋳造することができるような程度である場合に、ビット本体を形成するために結合剤を効果的に用いることができる。好ましくは、融点低下成分は遷移金属炭化物、遷移金属、タングステン、炭素、ホウ素、ケイ素、クロム、およびマンガンのうちの少なくとも一つである。硬質粒子の塊に含浸させるのに有効な結合剤を得るためには、上記の融点低下成分のうちの２以上を組み合わせるのが好ましいかもしれない。例えば、タングステン単独の添加によって生じるよりも大きな融点低下を生じさせるためには、タングステンと炭素を一緒に添加してもよく、そしてそのような場合、タングステンと炭素は炭化タングステンの形で添加してもよい。その他の融点低下成分を同様なやり方で添加してもよい。
【００２８】
ビット本体を製造するのに有効な結合剤組成物が得られるようなあらゆる量で、１以上の融点低下成分を単独でまたは他の結合剤成分と組み合わせて、添加してもよい。さらに、１以上の融点低下成分は、結合剤が共晶組成物または近共晶組成物となるように添加してもよい。共晶濃度または近共晶濃度の成分を有する結合剤を用意することが、その結合剤が低い融点を有することを確実にし、このことによって、硬質粒子の層を鋳型しそして含浸を行なうことが容易になるだろう。特定の態様においては、１以上の融点低下成分は、結合剤中に総結合剤質量に基づいて以下の質量パーセントで存在するのが好ましい：タングステンは５５パーセント以下で存在してよく、炭素は４パーセント以下で存在してよく、ホウ素は１０パーセント以下で存在してよく、ケイ素は２０パーセント以下で存在してよく、クロムは２０パーセント以下で存在してよく、そしてマンガンは２５パーセント以下で存在してよい。特定の他の態様においては、１以上の融点低下成分は、結合剤中に総結合剤質量に基づいて以下の質量パーセントの１以上で存在するのが好ましいだろう：タングステンは３０〜５５パーセントで存在してよく、炭素は１.５〜４パーセントで存在してよく、ホウ素は１〜１０パーセントで存在してよく、ケイ素は２〜２０パーセントで存在してよく、クロムは２〜２０パーセントで存在してよく、そしてマンガンは１０〜２５パーセントで存在してよい。本発明の組成物の特定の他の態様においては、融点低下成分は３０〜６０質量％の範囲で存在する炭化タングステンであってもよい。特定の鋳造条件と結合剤の濃度の下では、炭化タングステンの全てまたは一部は、凝固したときに結合剤から析出し、そして硬質相を形成するだろう。この析出する硬質相は、金型中に硬質粒子として存在するあらゆる硬質相に付加されるものであろう。しかし、金型または金型の一部の中に硬質粒子が全く配置されない場合は、ビット本体またはビット本体の一部における全ての硬質相の粒子は、鋳造を行なう間に析出する炭化タングステンとして形成されるだろう。
【００２９】
本発明の物品の態様は５０％以上の容量の硬質粒子または硬質相を含んでいてもよく、特定の態様においては、硬質粒子または硬質相を物品の５０〜８０容量％含んでいるのが好ましく、より好ましくは、そのような態様について硬質相を物品の６０〜８０容量％含んでいてもよい。従って、特定の態様においては、結合剤の相を物品の５０容量％未満含んでいてもよく、あるいは好ましくは物品の２０〜５０容量％の範囲で含んでいる。特定の態様においては、結合剤を物品の２０〜４０容量％の範囲で含んでいてもよい。
【００３０】
また本発明の態様は、遷移金属炭化物を含む地面穿孔用ビットおよびその他の物品のためのビット本体も含み、このときビット本体は７５容量％を超える体積分率の炭化タングステンを含む。ここでは、本発明の方法の結果として、そのような体積分率の例えば炭化タングステンを含むビット本体を製造することができる。そのような方法について次に説明する。方法の態様は、炭化タングステンの硬質粒子の層に、コバルト、鉄、およびニッケルのうちの少なくとも一つと炭化タングステンからなる共晶組成物または近共晶組成物である結合剤を含浸させることを含む。タングステンの層に炭化タングステンとコバルト、鉄、およびニッケルのうちの少なくとも一つとからなる溶融した共晶組成物または近共晶組成物を含浸させると、本発明の方法によって、不連続な相の炭化タングステンを９５容量％以下の濃度で有するビット本体を製造することができると考えられる。それに対して、ビット本体を製造するための通常の含浸方法は、最大で約７２容量％の炭化タングステンを有するビット本体を製造するために用いることができるにすぎない。発明者らは、炭化タングステンとコバルト、鉄、およびニッケルのうちの少なくとも一つとからなる含浸した共晶組成物または近共晶組成物として用いるならば、鋳造したビット本体およびその他の物品における炭化タングステンの容量濃度は７５％〜９５％となりうるということを明らかにした。現在は、金型内への硬質粒子の充填密度の限界と硬質粒子からなる密に充填した塊に含浸させることの困難さのために、ビット本体において形成されうる硬質相の容量パーセントには限界がある。しかし、共晶組成または近共晶組成を有する含浸物質としての結合剤から炭化物を析出させることによって、これらの困難さは回避される。ビット本体の型の中で結合剤が凝固すると、冷却する間に、溶融した含浸物質からの析出によって付加的な硬質相が形成される。従って、溶融した結合剤中に溶解した炭化タングステンが無い場合に達成されうる濃度よりも高い濃度の硬質相が、ビット本体の中に形成される。共晶または近共晶での溶融結合剤または含浸物質組成物の使用により、ビット本体およびその他の物品において、これまでに得られているよりも高い容量パーセントの硬質相を得ることが可能となる。
【００３１】
ビット本体における炭化タングステンの容量パーセントは、ビット本体の中に焼結炭化物合金のインサートを組み入れることによってさらに増大するかもしれない。焼結炭化物合金のインサートは、内部の流体通路、切削要素のためのポケット、隆起部、ランド（land）、ノズル部分、ジャンクスロット、またはその他のビット本体の外形的特徴を形成するために用いることができて、あるいは単に、ビット本体または支持体の選択した位置に構造的な支持、剛性、靭性、強度、または耐摩耗性を与えるために用いることができる。一般的な焼結炭化物合金のインサートは、通常の焼結炭化物合金の技術によって製造された場合は、７０〜９９容量％の炭化タングステンを含むだろう。あらゆる公知の焼結炭化物合金をビット本体におけるインサートとして用いてもよく、それには例えば、限定するものではないが、コバルト、鉄、およびニッケルのうちの少なくとも一つからなる結合剤の中にチタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデンおよびタングステンのうちの少なくとも一つの炭化物が存在する複合材がある。当分野で知られているようなさらなる合金化添加剤が、焼結炭化物合金の中に存在していてもよい。
【００３２】
ビット本体を形成するための組成物の態様はまた、少なくとも一つの硬質粒子のタイプを含む。上述したように、ビット本体はまた、異なるタイプおよび／または濃度の硬質粒子を含んでいる様々な領域を有していてもよい。例えば、図１のビット本体10は、微細な粒子サイズを有する比較的硬くて耐摩耗性の不連続な硬質相材料からなる底の部分15と、比較的粗い粒子サイズを有する比較的靭性の高い不連続な硬質相材料からなる中央部分14を有していてもよい。いずれの部分においてもその硬質相または硬質粒子は、少なくとも一つの炭化物、窒化物、ホウ化物、酸化物、鋳造炭化物、焼結炭化物合金、これらの混合物、およびこれらの固溶体を含んでいてもよい。特定の態様においては、硬質相は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、およびタングステンのうちの少なくとも一つを含む少なくとも一つの焼結炭化物合金を含んでいてもよい。焼結炭化物合金は、限定するものではないが、不整、球形、扁円および扁長の形状などのいかなる適当な粒子サイズまたは形状を有していてもよい。
【００３３】
コバルトの結合剤中に炭化タングステンを含んでいる焼結炭化物合金のグレードは、強度、破壊靭性および耐摩耗性の商業上魅力的な組み合わせを有する。「強度」とは、材料が破断または破壊する時点での応力である。「靭性」とは、材料が破壊する前にエネルギーを吸収しそして塑性変形するための能力である。靭性は、初期から破断点までの応力-ひずみ履歴曲線の下の面積に比例する。McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms（第５版、1994）を参照されたい。「耐摩耗性」とは、材料が表面への損傷に耐える能力である。摩耗は一般に、材料と接触している表面または物質との間の相対的な動きによる材料の漸進的な（progressive）減損を意味する。Metals Handbook Desk Edition（第２版、1998）を参照されたい。「破壊靭性」とは、亀裂が伝播するのに要する亀裂先端における臨界応力であり、通常は「臨界応力強度係数（KIc）」によって特徴づけられる。
【００３４】
焼結炭化物合金の強度、靭性および耐摩耗性は、分散した硬質相の平均の粒度および通常の焼結炭化物合金中に存在する結合剤相の体積（または質量）分率と関係している。一般に、炭化タングステンの平均粒度の増大および／またはコバルト結合剤の体積分率の増大は、破壊靭性の増大をもたらすだろう。しかし、この靭性の増大は一般に耐摩耗性の低下を伴う。そのため、焼結炭化物合金の冶金研究者は、要求される用途のための設計グレードに対応しながら高い耐摩耗性と高い破壊靭性の両者を備えている焼結炭化物合金を開発することに挑戦している。
【００３５】
図１４のビット本体140は、ビット本体の中での特定の位置に耐摩耗性、靭性、または耐腐食性などの様々な特性を与えるような異なる濃度または組成の構成部分を有する各部分を有していてもよい。例えば、ドリルビット切削用インサート142の回りの領域におけるインサートポケットの領域141、ゲージパッド143、またはノズル出口の領域144、ローラーコーンブレードの領域、またはクラウン（crown）145の外面は、耐摩耗性の高い材料を含んでいてもよい。さらに、本発明のビット本体の態様は、ブレード146の内部領域、ローラーコーンの内部領域、軸またはピンの少なくとも内部領域、または軸に隣接する領域など、高い靭性を備えた領域を有していてもよい。また、ビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーンの異なる領域の特性は、例えば、より容易に切削加工される領域または耐腐食性を与えるように調整されてもよい。
【００３６】
ビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーンの態様は、通常のビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、およびコーンにおいては達成されないであろう独特な特性を有するだろう。本発明のために適した組成物の試料が、試験のために製造された。試験試料の公称組成を表１に示す。
【００３７】
【表１】
2008504467.tif 000003
【００３８】
表２からわかるように、本発明の態様は、３００ksiを超える横破断強度（transverse rupture strength, TRS）を有する本体材料を含む。鋼からなる本体材料または黄銅または青銅を含浸させた硬質粒子からなる本体材料を含む一般的なビット本体は、本発明の態様ほどに高い横破断強度を有していない。
【００３９】
図１５ａ、１５ｂおよび１５ｃは、表１に挙げた本発明の態様のために適した組成物の試料についての完全に逆転させた回転ビーム疲労データのグラフである。これからわかるように、試験試料は (１０)７サイクルにおいて１００ksiを超える完全逆転曲げ応力（fully reversed bending stress）を有する。
【００４０】
地面穿孔工具の各領域の本体材料の幾つかの特性は、工具の実用寿命に寄与する。本体材料のこれらの特性としては、限定するものではないが、強度、剛性、耐摩耗性または耐すべり摩耗性、および耐疲労性がある。ビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、またはコーンは、各々が異なる本体材料を含む一つよりも多い領域を有するだろう。強度は典型的には、横破断強度または極限引張り強度（ultimate tensile strength）として測定される。剛性はヤング率として測定することができる。本発明の態様および先行技術の銅基母材の態様の特性を、表２に挙げる。これからわかるように、本発明の態様は２５０ksiよりも大きなTRS値を有し、特定の態様においてはTRS値は３００ksiよりも大きい場合があり、４００ksiよりも大きいことさえもある。本発明の態様のヤング率は５５×１０６psiを超え、そして好ましくは、より大きな剛性を要する特定の適用については、その態様は７５×１０６psiよりも大きいヤング率を有する場合があり、９０×１０６psiよりも大きいことさえもある。有利なTRS値とヤング率の値に加えて、本発明の態様は増大した硬度さえも有する。本発明の態様は６５HRAよりも大きい硬度を有するように調整することができ、あるいは結合剤の濃度を低くすることにより、例えば、特定の態様の硬度は７５HRAよりも大きな値まで増大するかもしれず、特定の態様においては８５HRAよりも大きいことさえもある。
【００４１】
ASTM B611に従って測定して、本発明の本体材料の態様の耐すべり摩耗性（abrasion resistance）は１.０よりも大きいか、あるいは１.４よりも大きい場合がある。地面穿孔工具の特定の適用あるいは領域において、本発明の本体材料の態様は２〜１４の耐すべり摩耗性を有する場合がある。
【００４２】
本発明の態様は、ビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、およびコーンのために適用可能な特性の組み合わせをも有している本体材料を含む。例えば、本発明の態様は、４０×１０６psiよりも大きなヤング率とともに、２００ksiよりも大きいか、あるいは２５０ksiよりも大きな横破断強度を有する本体材料を含む場合がある。本発明の他の態様は、３０×１０６psiよりも大きなヤング率と組み合わせて、３０ksiよりも大きな耐疲労性を有する本体材料を含んでいてもよい。このような特性の組み合わせは、特定の適用においては、一般的なドリル用物品よりも長い実用寿命を有するであろうドリル用物品を与える。
【００４３】
【表２】
2008504467.tif 000004
【００４４】
さらに、本発明の組成物の特定の態様は、３０〜９５容量％の硬質相と５〜７０容量％の結合剤相を含んでいてもよい。ビット本体の独立した領域は、例えば３０〜９９容量％の硬質相のような、広い範囲内の硬質相濃度を有していてもよい。これは例えば、ビット本体またはその他の物品を鋳型する前に、硬質粒子を金型の中の特定の位置に様々な充填密度で配置するか、あるいは焼結炭化物合金のインサートを金型の中に置くことによって達成することができる。また、ビット本体は、金型の中に一つよりも多い結合剤を鋳型することによって形成することができる。
【００４５】
コバルト、鉄、およびニッケルのうちの少なくとも一つを含む結合剤を含むビット本体または支持体を含浸方法によって製造することに伴う困難さは、コバルト、鉄、およびニッケルの比較的高い融点から生じる。大気圧でのこれらの各々の金属の融点は、およそ１５００℃である。さらに、コバルト、鉄、およびニッケルは液体状態において炭化タングステンに対して高い溶解度を有するので、地面穿孔用ビットの本体を鋳造するときに、例えば、溶融したコバルト-タングステンまたはニッケル-タングステンの炭化物合金の早期の凝固を防ぎつつ炭化タングステン粒子の層に含浸させようとすることは、困難である。この現象は、含浸工程の間に、１４００℃を超えるような高い温度を用いた場合であっても、鋳造物の中にピンホールが形成されることにつながるだろう。
【００４６】
本発明の方法の態様は、コバルト、鉄、およびニッケルを含浸した鋳造組成物に関係する困難さを、予め合金化させたコバルト-タングステン炭化物の共晶または近共晶組成物（質量で３０〜６０％の炭化タングステンと４０〜７０％のコバルト）を用いることによって克服するだろう。例えば、およそ４３質量％の炭化タングステンの濃度を有するコバルト合金は、およそ１３００℃の融点を有する。図２を参照されたい。コバルト、鉄、およびニッケルに関連する共晶合金または近共晶合金の低い融点は、共晶組成物または近共晶組成物の無視できるほどに狭い凝固範囲に加えて、コバルト-タングステン炭化物系のダイヤモンドビット本体の製造、さらには焼結炭化物合金のコーンやローラーコーンビットの製造をかなり容易にしうる。例えば、コバルト-タングステン炭化物、ニッケル-タングステン炭化物、コバルト-ニッケル-タングステン炭化物および鉄-タングステン炭化物の合金の共晶混合物または近共晶混合物は、同等の耐すべり摩耗性や耐侵蝕性のレベルにおいて、黄銅系複合材および青銅系複合材と比較して、ずっと高い強度と靭性のレベルを示すことが期待できる。これらの合金はまた、通常の切削工具を用いて切削加工可能であることも期待できる。
【００４７】
本発明の方法の特定の態様は、硬質粒子の塊に、コバルト、鉄、およびニッケルのうちの少なくとも一つと炭化タングステンとを含む共晶組成物または近共晶組成物である結合剤を含浸させることを含み、このときその結合剤は１３５０℃未満の融点を有する。ここで用いるとき、近共晶濃度とは、組成物の主要な成分の濃度がその成分の共晶濃度の１０質量％以内であることを意味する。コバルト中の炭化タングステンの共晶濃度は、およそ４３質量パーセントである。共晶組成は周知であるか、あるいは当業者によって容易に概算される。共晶組成物または近共晶組成物の鋳造は、金型の中に硬質粒子を用いるか、あるいはこれを用いずに、行なうことができる。しかし、凝固すると同時に、その組成物は析出した硬い炭化タングステンの相と結合剤相を形成するのが好ましいだろう。結合剤はさらに、ホウ素、ケイ素、クロム、マンガン、銀、アルミニウム、銅、スズ、および亜鉛のうちの少なくとも一つのような合金化剤を含んでいてもよい。
【００４８】
本発明の態様は、一つの面として、幾つかの異なる方法を用いて共晶組成物または近共晶組成物から本体およびコーンを製造することを含んでいてもよい。これらの方法の例としては下記のものがある。
【００４９】
１．遷移金属炭化物の粒子とコバルト、鉄、およびニッケルのうちの少なくとも一つとの混合物（すなわち、焼結炭化物合金）を含む硬質粒子の層または塊に、炭化物とコバルト、鉄、およびニッケルのうちの少なくとも一つからなる共晶組成物または近共晶組成物である溶融した含浸剤を含浸させること。
【００５０】
２．遷移金属炭化物の粒子の層または塊に、炭化物とコバルト、鉄、およびニッケルのうちの少なくとも一つからなる共晶組成物または近共晶組成物である溶融した含浸剤を含浸させること。
【００５１】
３．炭化タングステンなどの炭化物とコバルト、鉄、およびニッケルのうちの少なくとも一つからなる溶融した共晶組成物または近共晶組成物を、ビット本体、ローラーコーン、またはコーンの形状のネットシェイプ（net-shape）またはニアネットシェイプに鋳造すること。
【００５２】
４．粉末状の結合剤と硬質粒子を混合し、その混合物を金型の中に配置し、結合剤の融点よりも高い温度に粉末を加熱し、そして材料を冷却することによって地面穿孔用ビット本体、ローラーコーン、またはコーンの形状に鋳造すること。このいわゆる「その場での鋳造（casting in place）」の方法は、硬質粒子の塊に含浸する能力が比較的低い結合剤の使用を可能にするかもしれない。というのは、結合剤は溶融する前に硬質粒子と混合され、従って物品を形成するのに要する含浸距離が短くなるからである。
【００５３】
本発明の特定の方法においては、硬質粒子に含浸させる工程は、じょうごに結合剤を充填し、結合剤を溶融させ、そして硬質粒子（そして場合によってはインサートも）を伴った金型の中に結合剤を導入させることを含んでいてもよい。上述の結合剤は共晶組成物または近共晶組成物であってもよく、あるいはコバルト、鉄、およびニッケルのうちの少なくとも一つおよび少なくとも一つの融点低下成分を含んでいてもよい。
【００５４】
本発明の別の方法は、金型を用意し、そしてコバルト、鉄、およびニッケルのうちの少なくとも一つと硬質相成分からなる共晶混合物または近共晶混合物を鋳造することを含む。共晶混合物が冷却するとき、混合物から硬質相が析出することによって硬質相が形成するだろう。この方法は、ローラーコーンおよび３コーン型ドリルビットにおける歯を形成するのに有用であるかもしれない。
【００５５】
本発明の別の態様は、上述したような、その場での鋳造を行なうことを含む。この態様の例は、金型を用意し、硬質粒子と結合剤の混合物を金型に添加し、そして金型を結合剤の融点よりも高い温度に加熱することを含む。この方法によって、ビット本体、ローラーコーン、および３コーン型ドリルビットのための歯のその場での鋳造が達成される。この方法は、結合剤の予想される含浸距離が、従来のやり方では硬質粒子に十分に含浸させるには不十分である場合に、好ましいかもしれない。
【００５６】
硬質粒子または硬質相は１以上の炭化物、酸化物、ホウ化物、および窒化物を含み、そして結合剤相は１以上のVIII族金属すなわちCo、Ni、および／またはFeで構成されていてもよい。硬質相の形態は、不整、等軸、または球形の粒子、繊維、ウィスカー、板状、角柱、あるいは他のあらゆる有用な形状であってもよい。特定の態様において、本発明において有用なコバルト、鉄、およびニッケルの合金は、ホウ素、クロム、ケイ素、アルミニウム、銅、マンガン、またはルテニウムなどの添加剤を合計で、延性のある連続相の２０質量％以下で含んでいてもよい。
【００５７】
添付する図２〜図８は、本発明の結合剤の態様についての示差熱分析（DTA）の結果を示すグラフである。図２は、約４５％の炭化タングステンと約５５％のコバルトを含む試料についての、アルゴン雰囲気中での１０℃/分の温度上昇速度における９００℃〜１４００℃の範囲での２サイクルDTAの結果を示すグラフである（特に示さない限り、全てのパーセントは質量パーセントで示す）。グラフは、この合金の融点がおよそ１３３９℃であることを示している。
【００５８】
図３は、約４５％の炭化タングステン、約５３％のコバルトおよび約２％のホウ素を含む試料についての、アルゴン雰囲気中での１０℃/分の温度上昇速度における９００℃〜１３００℃の範囲での２サイクルDTAの結果を示すグラフである。グラフは、この合金の融点がおよそ１１５１℃であることを示している。図２の合金のDTAと比較すると、約２％のコバルトをホウ素で置換することによって、図３における合金の融点はほぼ２００℃低下した。
【００５９】
図４は、約４５％の炭化タングステン、約５３％のニッケルおよび約２％のホウ素を含む試料についての、アルゴン雰囲気中での１０℃/分の温度上昇速度における９００℃〜１４００℃の範囲での２サイクルDTAの結果を示すグラフである。グラフは、この合金の融点がおよそ１０８９℃であることを示している。図３の合金のDTAと比較すると、コバルトをニッケルで置換することによって、図４における合金の融点はほぼ６０℃低下した。
【００６０】
図５は、約９６.３％のニッケルと約３.７％のホウ素を含む試料についての、アルゴン雰囲気中での１０℃/分の温度上昇速度における９００℃〜１２００℃の範囲での２サイクルDTAの結果を示すグラフである。グラフは、この合金の融点がおよそ１１００℃であることを示している。
【００６１】
図６は、約８８.４％のニッケルと約１１.６％のケイ素を含む試料についての、アルゴン雰囲気中での１０℃/分の温度上昇速度における９００℃〜１３００℃の範囲での２サイクルDTAの結果を示すグラフである。グラフは、この合金の融点がおよそ１１５０℃であることを示している。
【００６２】
図７は、約９６％のコバルトと約４％のホウ素を含む試料についての、アルゴン雰囲気中での１０℃/分の温度上昇速度における９００℃〜１２００℃の範囲での２サイクルDTAの結果を示すグラフである。グラフは、この合金の融点がおよそ１１００℃であることを示している。
【００６３】
図８は、約８７.５％のコバルトと約１２.５％のケイ素を含む試料についての、アルゴン雰囲気中での１０℃/分の温度上昇速度における９００℃〜１３００℃の範囲での２サイクルDTAの結果を示すグラフである。グラフは、この合金の融点がおよそ１２００℃であることを示している。
【００６４】
図９〜図１１は、本発明の方法の態様によって形成された材料の顕微鏡写真を示す。図９は、本質的にコバルトとホウ素の共晶混合物からなる結合剤を鋳造することによって製造された材料の走査型電子顕微鏡（SEM）の顕微鏡写真であり、このときホウ素は結合剤の約４質量パーセントで存在する。薄い色の相92はCo3Bであり、濃い色の相91は本質的にコバルトである。コバルトとホウ素の混合物はおよそ１２００℃に加熱することによって溶融され、次いで空気中で室温まで冷却されて凝固した。
【００６５】
図１０〜図１２は、同じ材料から製造された異なる試験片および微細組織の異なる様相のSEM顕微鏡写真である。この材料は硬質粒子に結合剤を含浸することによって形成された。硬質粒子は鋳造炭化物の凝集体（W2C、WC）であり、この材料のおよそ６０〜６５容量パーセントを構成していた。凝集体は、およそ９６質量パーセントのコバルトと４質量パーセントのホウ素を含む結合剤で含浸された。含浸温度はおよそ１２８５℃であった。
【００６６】
図１３は、鋳造炭化物粒子の塊130と焼結炭化物合金のインサート131に本質的にコバルトとホウ素からなる結合剤を含浸することによって製造された材料の顕微鏡写真である。図１３に示す材料を製造するために、硬い鋳造炭化物粒子の塊130にコバルトとホウ素を含む結合剤を含浸する前に、およそ３/４インチの直径と１.５インチの高さを有する焼結炭化物合金のインサート131を金型の中に配置した。図１３でわかると思うが、含浸した結合剤と焼結炭化物合金の結合剤が混合して、鋳造炭化物と焼結炭化物合金の炭化物の両者を結合する一つの連続的な母材132が形成された。
【００６７】
さらに、本発明の態様に表面硬化を付加してもよい。表面硬化はビット本体、ローラーコーン、インサートローラーコーン、およびコーンの増大した耐摩耗性が望まれるどこの場所にも付加してもよい。例えば、図１６に示すように、ローラーコーン160は、多数の歯161や先端部162に表面硬化部分を有していてもよい。ローラーコーンのためのビット本体はまた、全てのノズルの周囲の領域などにおいて表面硬化部分を有していてもよい。例えば、図１４を参照すると、ビット本体は、ノズル144、ゲージパッド143、およびインサートポケット141の領域において表面硬化部分を有していてもよい。典型的な表面硬化材料は、合金鋼の母材中にある炭化タングステンを含む。
【００６８】
この説明は、本発明を明瞭に理解することに関して本発明の態様を例示している、ということを理解すべきである。当業者にとって明らかであろう本発明の特定の態様であって、従って本発明のさらなる理解を促進しないであろう態様は、この説明を簡単にするために提示していない。本発明の具体例を説明したが、当業者であれば、以上の説明を考慮して、本発明の多くの修正や変形を用いうることを理解する。本発明のそのような修正や変形の全てが、以上の説明と特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図１は、地面穿孔用ビットのためのビット本体の態様の概略断面図である。
【図２】図２は、約４５％の炭化タングステンと約５５％のコバルトを含む試料についての、アルゴン雰囲気中での１０℃/分の温度上昇速度における９００℃〜１４００℃の範囲での２サイクルDTAの結果を示すグラフである。
【図３】図３は、約４５％の炭化タングステン、約５３％のコバルトおよび約２％のホウ素を含む試料についての、アルゴン雰囲気中での１０℃/分の温度上昇速度における９００℃〜１３００℃の範囲での２サイクルDTAの結果を示すグラフである。
【図４】図４は、約４５％の炭化タングステン、約５３％のニッケルおよび約２％のホウ素を含む試料についての、アルゴン雰囲気中での１０℃/分の温度上昇速度における９００℃〜１４００℃の範囲での２サイクルDTAの結果を示すグラフである。
【図５】図５は、約９６.３％のニッケルと約３.７％のホウ素を含む試料についての、アルゴン雰囲気中での１０℃/分の温度上昇速度における９００℃〜１２００℃の範囲での２サイクルDTAの結果を示すグラフである。
【図６】図６は、約８８.４％のニッケルと約１１.６％のケイ素を含む試料についての、アルゴン雰囲気中での１０℃/分の温度上昇速度における９００℃〜１３００℃の範囲での２サイクルDTAの結果を示すグラフである。
【図７】図７は、約９６％のコバルトと約４％のホウ素を含む試料についての、アルゴン雰囲気中での１０℃/分の温度上昇速度における９００℃〜１２００℃の範囲での２サイクルDTAの結果を示すグラフである。
【図８】図８は、約８７.５％のコバルトと約１２.５％のケイ素を含む試料についての、アルゴン雰囲気中での１０℃/分の温度上昇速度における９００℃〜１３００℃の範囲での２サイクルDTAの結果を示すグラフである。
【図９】図９は、硬質粒子の塊に本質的にコバルトとホウ素からなる結合剤を含浸することによって製造された材料の顕微鏡写真である。
【図１０】図１０は、硬質粒子の塊に本質的にコバルトとホウ素からなる結合剤を含浸することによって製造された材料の顕微鏡写真である。
【図１１】図１１は、硬質粒子の塊に本質的にコバルトとホウ素からなる結合剤を含浸することによって製造された材料の顕微鏡写真である。
【図１２】図１２は、硬質粒子の塊に本質的にコバルトとホウ素からなる結合剤を含浸することによって製造された材料の顕微鏡写真である。
【図１３】図１３は、鋳造炭化物粒子の塊と焼結炭化物合金のインサートに本質的にコバルトとホウ素からなる結合剤を含浸することによって製造された材料の顕微鏡写真である。
【図１４】図１４は、本発明のビット本体の態様を描写したものである。
【図１５】図１５ａ、１５ｂおよび１５ｃは、およそ２５容量％の結合剤を有するFL-25（図１５ａ）、およそ３０容量％の結合剤を有するFL-30（図１５ｂ）、およびおよそ３５容量％の結合剤を有するFL-35（図１５ｃ）を含む本発明の態様において用いることのできる組成物についての回転ビーム疲労試験（Rotating Beam Fatigue Data）のグラフである。
【図１６】図１６は、本発明のローラーコーンの態様を描写したものである。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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