(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向先端側に向けての打撃力と推力、および上記軸線回りの回転力が伝達される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とともに、上記多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体の破壊靱性値ＫＩＣが９．８ＭＰａ・ｍ１／２〜１２ＭＰａ・ｍ１／２の範囲内であることを特徴とする掘削チップ。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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が軸線方向先端側に向けての打撃力と推力、および上記軸線回りの回転力が伝達される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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４６９４９１８号明細書
【特許文献２】米国特許第６６５１７５７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、軸線方向先端側に向けての打撃力と推力、および上記軸線回りの回転力が伝達される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とともに、上記多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体の破壊靱性値ＫＩＣが９．８ＭＰａ・ｍ１／２〜１２ＭＰａ・ｍ１／２の範囲内であることを特徴とする。
【０００８】
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軸線方向先端側に向けての打撃力と推力、および上記軸線回りの回転力が伝達される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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
さらに、本願発明の掘削チップでは、上記多結晶立方晶窒化ホウ素焼結体の破壊靱性値ＫＩＣは９．８ＭＰａ・ｍ１／２〜１２ＭＰａ・ｍ１／２の範囲内とされている。この破壊靱性値ＫＩＣが９．８ＭＰａ・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。
【発明の効果】
【００１７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本願発明の掘削チップの一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示す実施形態の掘削チップを先端部に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。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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９．８ＭＰａ・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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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１２ＭＰａ・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９．８ＭＰａ・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の範囲内とされるのが望ましく、破壊靱性値ＫＩＣは９．８ＭＰａ・ｍ１／２〜１２ＭＰａ・ｍ１／２の範囲内とされる。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【実施例】
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
ただし、破壊靱性値ＫＩＣが９．８ＭＰａ・ｍ１／２未満である実施例１、４、５、８〜１０は比較例となる。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
【表２】
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【００４６】
【表３】
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【００４７】
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。
【００４８】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
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。
【符号の説明】
【００５０】
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
【図１】
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【図２】
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