(57)【要約】【課題】高速回転操業条件ですぐれた耐微少欠け性を発揮する掘削工具の切刃片を提供する。【解決手段】合金鋼製ビット本体の先端面に複数の炭化タングステン基超硬合金製ポストが所定の配列で固着され、前記ポストの先方側面のそれぞれに切刃片がろう付け接合された構造を有する掘削工具の前記切刃片を、（ａ）切刃片前面の２５〜６０面積％を占める掘削摩耗部分と、残りの衝撃吸収部分で構成し、（ｂ）かつ上記掘削摩耗部分を結合材として炭酸マグネシウムを用いた焼結ダイヤモンドで、上記衝撃吸収部分を結合材としてＣｏを用いた炭化タングステン基超硬合金で構成すると共に、（ｃ）上記掘削摩耗部分と上記衝撃吸収部分の接合界面部に、Ｎｉ、Ｆｅ、およびＮｉ−Ｆｅ合金のうちのいずれかからなる超高圧加熱溶融拡散層を存在せしめた切刃片で構成する。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金鋼製ビット本体の先端面に複数の炭化タングステン基超硬合金製ポストが所定の配列で固着され、前記ポストの先方側面のそれぞれに切刃片がろう付け接合された構造を有する掘削工具の前記切刃片を、
（ａ）切刃片前面の２５〜６０面積％を占める掘削摩耗部分と、残りの衝撃吸収部分で構成し、
（ｂ）かつ上記掘削摩耗部分を結合材として炭酸マグネシウムを用いた焼結ダイヤモンドで、上記衝撃吸収部分を結合材としてＣｏを用いた炭化タングステン基超硬合金で構成すると共に、
（ｃ）上記掘削摩耗部分と上記衝撃吸収部分の接合界面部に、Ｎｉ、Ｆｅ、およびＮｉ−Ｆｅ合金のうちのいずれかからなる超高圧加熱溶融拡散層を存在せしめたこと、
を特徴とする高速回転操業条件ですぐれた耐微少欠け性を発揮する掘削工具の切刃片。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば石油掘削に際して、掘削工具を高速で回転させる高速回転操業条件で使用してもすぐれた耐微少欠け性を発揮する掘削工具の切刃片に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に、例えば石油などの掘削に用いられる掘削工具として、図２（ａ）および（ｂ）にそれぞれ概略斜視図および概略正面図で、さらに図３に概略斜視図で示される通り、合金鋼製ビット本体の先端面に、複数の炭化タングステン基超硬合金製ポスト（以下、超硬ポストという）が所定の配列でろう付けや焼きばめなどの手段で固着され、前記超硬ポストの先方側面のそれぞれに、全体が超高圧焼結ダイヤモンド（以下、焼結ダイヤという）からなる切刃片が、例えばＡｕ−２０〜４０％Ｃｕ−０．５〜１０％Ｔｉの組成（％は質量％を示す）を有するＡｕ合金ろう材を用いて直接ろう付けされた構造の掘削工具が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１２−６８６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年の掘削装置の高性能化はめざましく、一方掘削操業の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に対する要求も強く、これに伴ない、掘削は、例えば石油掘削の場合で、掘削工具の回転数が７０〜１５０回転／分の通常回転操業条件から、これ以上の回転速度での高速回転操業条件に移行しつつあるが、上記の切刃片全体が焼結ダイヤで構成された従来掘削工具を用いて、掘削工具の回転数が例えば５００〜１０００回転／分の高速回転操業条件で掘削を行なうと、切刃片にきわめて高い熱的機械的衝撃が付加されるようになることから、焼結ダイヤ自体著しく硬質であるが、反面きわめて脆いものであるために、切刃片には微少欠けが発生するようになり、この微少欠けが摩耗進行を著しく促進し、この結果比較的短時間で使用寿命に至るものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、掘削工具の回転数が例えば５００〜１０００回転／分に高速になっても、微少欠けが発生し難い切刃片を開発すべく研究を行なった結果、
（ａ）掘削作業に際して、切刃片の掘削に伴なう摩耗は、超硬ポストのビット本体への固着配置位置関係から、切刃片の前面（掘削面）全体に亘って進行するのではなく、切刃片前面の特定箇所が局部的に摩耗し、この摩耗箇所に変動はなく、かつ摩耗範囲は切刃片前面の２５面積％以下であり、残りの部分の摩耗は前記掘削摩耗特定箇所に追従する僅かな摩耗に過ぎないこと。
（ｂ）上記の通り、切刃片における摩耗は、局部的で、かつ上記掘削摩耗は特定箇所に限られるものであるから、図１に概略斜視図で示される通り、かかる掘削摩耗特定箇所を含む切刃片前面の２５〜６０面積％、望ましくは３０〜４５面積％を占める部分（掘削摩耗部分）を耐摩耗性のすぐれた焼結ダイヤで構成し、残りの部分を高強度および高靭性を有する炭化タングステン基超硬合金（以下、超硬合金という）で構成すれば、掘削工具の高速回転操業で発生するきわめて高い熱的機械的衝撃が前記超硬合金部分（衝撃吸収部分）によって吸収されるため、前記掘削摩耗部分における前記熱的機械的衝撃が原因の微少欠けの発生が著しく抑制されるようになること。
（ｃ）上記（ｂ）の切刃片において、上記掘削摩耗部分は結合材として炭酸マグネシウム（以下、ＭｇＣＯ３で示す）を用いた焼結ダイヤで構成するのが望ましく、また上記衝撃吸収部分は結合材としてＣｏを用いた通常の超硬合金でよく、さらにこれら掘削摩耗部分と衝撃吸収部分の接合は、これら両者の接合面に、望ましくは厚さ：０．０２〜０．３ｍｍのＮｉ箔、Ｆｅ箔、およびＮｉ−Ｆｅ合金箔のうちのいずれかを挟んだ状態で超高圧加熱装置（通常の焼結ダイヤ製造に用いられる超高圧焼結装置）に装入し、５〜６ＧＰａの超高圧を付加した状態で１４００〜１５５０℃に加熱することにより行なうのが望ましく、この結果前記両者の接合面には、Ｎｉ、Ｆｅ、またはＮｉ−Ｆｅ合金の溶融拡散層が、それぞれ接合界面から、焼結ダイヤの掘削摩耗部分では０．０１〜０．０５ｍｍ、超硬合金の衝撃吸収部分では０．１〜０．５ｍｍの深さに亘って形成されるようになり、この超高圧加熱溶融拡散層の存在によって両者は著しく強固に接合するようになること。
以上（ａ）〜（ｃ）に示される研究結果を得たのである。
【０００６】
この発明は、上記の研究結果にもとづいてなされたものであって、合金鋼製ビット本体の先端面に複数の超硬ポストが所定の配列で固着され、前記超硬ポストの先方側面のそれぞれに切刃片がろう付け接合された構造を有する掘削工具の前記切刃片を、
（ａ）切刃片前面の２５〜６０面積％を占める掘削摩耗部分と、残りの衝撃吸収部分で構成し、
（ｂ）かつ前記掘削摩耗部分を結合材としてＭｇＣＯ３を用いた焼結ダイヤで、前記衝撃吸収部分を結合材としてＣｏを用いた超硬合金で構成すると共に、
（ｃ）上記掘削摩耗部分と上記衝撃吸収部分の接合界面部に、Ｎｉ、Ｆｅ、およびＮｉ−Ｆｅ合金のうちのいずれかからなる超高圧加熱溶融拡散層を存在せしめてなる、高速回転操業条件ですぐれた耐微少欠け性を発揮する掘削工具の切刃片に特徴を有するものである。
【０００７】
なお、この発明の掘削工具切刃片において、掘削摩耗部分の割合を、切刃片前面に占める割合で２５〜６０面積％としたのは、上記の通り掘削により摩耗する箇所は切刃片前面の限られた、位置移動のない固定的箇所で、その摩耗範囲も切刃片前面に占める割合で２５面積％以下であることから、その割合が２５面積％未満になると、超硬合金の衝撃吸収部分が直接掘削に関与するようになり、一方その割合が６０面積％を越えると、相対的に衝撃吸収部分の割合が少なくなり過ぎて、高速回転操業で発生するきわめて高い熱的機械的衝撃を十分に吸収することができず、この結果特に掘削摩耗部分における微少欠けの発生が急激に増加するようになる、という理由によるものであり、望ましくは３０〜４５面積％とするのがよい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の掘削工具切刃片を実施例により具体的に説明する。
（ａ）原料粉末として、１０μｍの平均粒径を有する純度：９９．９％以上のダイヤモンド粉末、および結合材として同じく平均粒径：１０μｍを有する純度：９５％以上のＭｇＣＯ３粉末を用意し、まず前記ＭｇＣＯ３粉末を１００ＭＰａの圧力でプレス成形して、所定寸法の圧粉体とし、この圧粉体をＴａ製カプセル内に装入し、ついで前記圧粉体の上に前記ダイヤモンド粉末を充填した状態で、前記カプセルを通常のベルト型超高圧焼結装置に装填し、７．７ＧＰａの圧力で、２２５０℃の温度に加熱した後、３０分間保持の条件で超高圧焼結して、直径：１５ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法をもち、結合材として４．０質量％のＭｇＣＯ３を含有した複数個の円形焼結ダイヤ素材を形成し、これら円形焼結ダイヤ素材の上下面および外周面を、♯２００のダイヤモンド砥石で研磨して、直径：１３ｍｍ×厚さ：１ｍｍの寸法をもった円形焼結ダイヤチップとし、これらの円形焼結ダイヤチップから、レーザーを用いて切刃片前面に占める割合で、それぞれ表１に示される面積割合の掘削摩耗部分形成用扇型焼結ダイヤチップを切り出した。
（ｂ）一方、衝撃吸収部分形成用として、いずれも結合材としてＣｏ：１０質量％を含有し、残りがＷＣと不可避不純物からなる超硬合金で構成されるが、直径：１３ｍｍ×厚さ：１ｍｍの寸法をもった円形超硬合金チップと、直径：１３ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法をもった円形超硬合金チップを用意し、前記の厚さが１ｍｍの円形超硬合金チップには上記の扇型焼結ダイヤチップに相当する形状の扇型切り込みを形成した。
（ｃ）ついで、上記（ｂ）の厚さが１ｍｍの超硬合金チップの扇型切り込みに、上記（ａ）の扇型焼結ダイヤチップを表１に示される組み合わせで、いずれも０．１ｍｍの厚さを有するＮｉ箔および／またはＦｅ箔からなる金属箔を挟んで嵌め込み、これを真中にして上記（ｂ）の厚さが１．５ｍｍの円形超硬合金チップで、前記厚さが１ｍｍの扇型焼結ダイヤチップと前記厚さが１．５ｍｍの円形超硬合金チップとの接合面のいずれかに同じく前記金属箔を挟んで上下に重ね合わせた状態で、通常のベルト型超高圧焼結装置に装填し、５．５ＧＰａの圧力で、１５００℃の温度に加熱した後、３０分間保持の条件で超高圧加熱して、これらを接合して一体化し、ついで前記重ね合わせ体の金属箔を介在させない側の超硬合金部分を♯２００のダイヤモンド砥石を用いて削除して、前記扇型焼結ダイヤチップ（掘削摩耗部分）を露出させ、さらに全体に亘って研磨加工することにより、切刃片前面における測定でそれぞれ表１に示めされる割合の掘削摩耗部分（焼結ダイヤ）と残りの衝撃吸収部分（超硬合金）からなり、かつ直径：１０ｍｍ×厚さ：２ｍｍの寸法をもった本発明切刃片１〜１８、および前記掘削摩耗部分の占める割合が本発明範囲から外れた比較切刃片１〜６をそれぞれ製造した。
【０００９】
この結果得られた本発明切刃片１〜１８および比較切刃片１〜６の掘削摩耗部分と衝撃吸収部分の接合界面部を、金属顕微鏡を用いて組織観察したところ、いずれも掘削摩耗部分で接合界面から０．０１〜０．０５ｍｍの深さに亘って、また衝撃吸収部分では同じく０．１〜０．５ｍｍの深さに亘って超高圧加熱溶融拡散層の形成が観察された。
【００１０】
また、原料粉末として、平均粒径：１．５μｍのＷＣ粉末、同２．３μｍのＣｒ３　Ｃ２　粉末、同１．３μｍのＺｒＣ粉末、および同３．４μｍのＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、質量％で、Ｃｏ：９％、Ｃｒ３　Ｃ２　：０．４％、ＺｒＣ：０．２％、ＷＣ：残りの割合に配合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、０．１ＧＰａ　の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を０．１３Ｐａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結することにより、いずれも最大径：１５ｍｍ×底面径：１３ｍｍ×長さ：２０ｍｍの寸法並びに図２に示す形状を有する超硬ポストを製造した。
【００１１】
ついで、上記の本発明切刃片１８および比較切刃片１〜６のそれぞれを、質量％で、Ａｕ−３０％Ｃｕ−３％Ｔｉからなる組成および０．３５ｍｍの厚さを有するＡｕ合金ろう材を挟んで上記の超硬ポストにセットし、０．１３Ｐａの真空中、温度：１１８０℃に５分間保持の条件でろう付け接合し、このように切刃片をろう付け接合した超硬ポストを、図２に示される通りＪＩＳ・ＳＣＨ４１５に規定される合金鋼で構成されたビット本体の直径：２４０ｍｍの先端面に十字状に配列形成された深さ：８ｍｍの合計１６個の凹みのそれぞれに、Ｃｕ−４０％Ａｇ−６％Ｓｎ−２％Ｎｉからなる組成および０．３５ｍｍの厚さをもったＣｕ合金ろう材を挟んで嵌着し、Ａｒガス雰囲気中、８００℃に５分間保持の条件でろう付けすることにより掘削工具をそれぞれ製造した。
【００１２】
つぎに、この結果得られた各種の掘削工具について、
掘削材：１０５ＭＰａ　の圧縮強度および７３のショア硬さを有する泥岩、
掘削速度：５ｍ／時間、
給水量：９０リットル／分、
回転速度：１０００回転／分、
ビット荷重：１０４Ｎ／ビット、
掘削深さ：３５００ｍ、
掘削長：５０ｍ
の条件で高速回転掘削試験を行ない、切刃片の耐微少欠け性を評価する目的で、ビット本体にろう付けされた１６個の超硬ポストのうちの最外周部の４個の超硬ポストの切刃片について、それぞれの体積減少割合を画像解析装置を用いて測定し、これらの測定結果を表１に平均値で示した。
【００１３】
【表１】
2004060201.tif 000002
【００１４】
【発明の効果】
表１に示される結果から、本発明切刃片１〜１８は、いずれもすぐれた耐摩耗性が焼結ダイヤの掘削摩耗部分によって確保され、さらに掘削工具の高速回転操業で発生する著しく高い熱的機械的衝撃が超硬合金の衝撃吸収部分によって満足に緩和されることから、前記掘削摩耗部分における微少欠けの発生が十分に抑制され、すぐれた掘削性能を長期に亘って発揮するようになるのに対して、比較切刃片１〜６に見られるように、掘削摩耗部分の切刃面前面に占める割合がこの発明の範囲から外れると、衝撃吸収部分に急激な摩耗が発生したり、掘削摩耗部分に著しい微少欠けが発生するようになり、この結果摩耗進行が加速されるようになることから、比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
上述のように、この発明の掘削工具の切刃片は、通常の回転操業条件での掘削作業は勿論のこと、掘削工具の高速回転操業条件でもすぐれた耐微少欠け性を示し、長期に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮するものであるから、掘削操業の省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に対応できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明切刃片の概略斜視図である。
【図２】（ａ）は掘削工具の概略斜視図、（ｂ）は切刃片をろう付け接合してなる超硬ポストの概略正面図である。
【図３】従来切刃片の概略斜視図である。
【図１】
2004060201.tif 000003
【図２】
2004060201.tif 000004
【図３】
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