(57)【要約】  本発明の掘削チップは、先端側に向かうに従い先細りとなる先端部を備えたチップ本体を有し、チップ本体の先端部の表面には硬質層が形成され、硬質層の最外層は７０〜９５ｖｏｌ％のｃＢＮ粒子を有するｃＢＮ焼結体であり、最外層の断面組織を観察したとき、幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有し、且つＡｌ含有量に対するＯ含有量の割合が０．１以下である結合相が隣り合うｃＢＮ粒子間に存在する。
2017183659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削工具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、
上記掘削工具の工具本体に埋設される後端部と、該掘削工具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、
上記チップ本体の先端部の表面には硬質層が形成され、
前記硬質層は、最外層と、前記最外層と前記チップ本体との間に介装される中間層とを備え、
前記最外層は、７０〜９５ｖｏｌ％の立方晶窒化ホウ素粒子と結合相とを有する立方晶窒化ホウ素焼結体であり、
前記最外層の断面組織を観察したとき、幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有し、且つＡｌ含有量に対するＯ含有量の割合（原子比）が０．１以下である結合相が隣り合う立方晶窒化ホウ素粒子間に存在することを特徴とする掘削チップ。
【請求項２】
前記最外層のビッカース硬さが３７００〜４２５０である請求項１に記載の掘削チップ。
【請求項３】
前記立方晶窒化ホウ素粒子の平均粒径は０．５〜８．０μｍである請求項１または２に記載の掘削チップ。
【請求項４】
前記最外層の断面組織を観察したとき、
隣接する立方晶窒化ホウ素粒子との間に幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相が存在する立方晶窒化ホウ素粒子の数の全立方晶窒化ホウ素粒子数に対する割合が０．４以上であり、
幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有し、且つＡｌ含有量に対するＯ含有量の割合（原子比）が０．１以下である結合相が隣接する立方晶窒化ホウ素粒子との間に存在する立方晶窒化ホウ素粒子の数の、幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相が隣接する立方晶窒化ホウ素粒子との間に存在する立方晶窒化ホウ素粒子の数に対する割合が０．５以上である請求項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】
前記中間層が３０〜７０ｖｏｌ％の立方晶窒化ホウ素粒子またはダイヤモンド粒子を含有することを特徴とする請求項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。
【請求項６】
請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の掘削チップが工具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工具。
【請求項７】
掘削工具の工具本体に埋設される後端部と、該掘削工具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、
上記チップ本体の先端部の表面には硬質層が形成され、
前記硬質層が、最外層と、前記最外層と前記チップ本体との間に介装される中間層とを備えている掘削チップの製造方法であって、
立方晶窒化ホウ素粒子の表面に前処理を行う工程と、
前記最外層の結合相の原料粉末と前記前処理した立方晶窒化ホウ素粒子とを混合して混合粉末を得る工程と、
圧力５．０ＧＰａ以上、温度１５００℃以上で前記混合粉末と前記中間層の原料粉末と前記チップ本体とを焼結する工程とを備えることを特徴とする掘削チップの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掘削工具の先端部に取り付けられて掘削を行う掘削チップ、このような掘削チップが先端部に取り付けられた掘削工具、および掘削チップの製造方法に関する。
本願は、２０１６年４月２０日に、日本に出願された特願２０１６−０８４１７６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
このような掘削チップとして、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掘削チップが知られている。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いる。【０００３】
また、掘削チップとして、露天採掘や長壁式採掘に用いられるドラム式掘削装置の回転ドラムの外周に取り付けられるピックの先端に接合された掘削チップが知られている。特許文献２には、チップ本体の略円錐状の先端部をダイヤモンドおよび／または立方晶窒化ホウ素により被覆した掘削チップが提案されている。特許文献３には、チップ本体の略円錐状の先端部を被覆する最外層が、多結晶ダイヤモンド、多結晶立方晶窒化ホウ素、単結晶ダイヤモンド、および立方晶窒化ホウ素複合材から選択されることが提案されている。【０００４】
立方晶窒化ホウ素焼結体について、特許文献４には、金属触媒を用いることにより高硬度の立方晶窒化ホウ素焼結体を製造できることが記載されている。また、特許文献５には、強度および靱性を向上するために、Ａｌ２Ｏ、ＡｌＢ２、ＡｌＮ、ＴｉＢ２、およびＴｉＮを含有する結合相を備える立方晶窒化ホウ素焼結体で構成した切削工具が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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６０５１０７９号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第２０５３１９８号明細書
【特許文献４】特許第５１８２５８２号公報
【特許文献５】特開平８−１９７３０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。また、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ない。さらに、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ダイヤモンド焼結体は使用できない。例えば、ドライ環境で行われる露天採掘のように７００℃以上の高温となる掘削条件下では、ダイヤモンドが黒鉛化して耐摩耗性が低下してしまう。【０００７】
また、立方晶窒化ホウ素焼結体は、Ｆｅ系やＮｉ系の鉱山では親和性が低いものの、ダイヤモンドと比較して硬さが劣る。特許文献４に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体においては、上述のような７００℃以上の高温となる掘削条件下では、金属の結合相と立方晶窒化ホウ素焼結体との熱膨張係数差によってクラックが発生し易い。さらに、特許文献５に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体は硬さが比較的低く、耐摩耗性と耐欠損性が不十分であるため、掘削工具への適用は困難であった。また、このような立方晶窒化ホウ素焼結体において、硬さを向上するために、焼結体に含有される立方晶窒化ホウ素粒子の量を増加させた場合、立方晶窒化ホウ素粒子同士が接触し、結合相と十分に反応できない未焼結部分が増加する。そのため、立方晶窒化ホウ素粒子の含有量に応じた硬さが得られないという問題があった。【０００８】
本発明は、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、Ｆｅ系やＮｉ系の鉱山や高温の掘削条件下でも使用可能な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掘削工具、および掘削チップの製造方法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】
【０００９】
上記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明の掘削チップは、掘削工具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、上記掘削工具の工具本体に埋設される後端部と、該掘削工具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、上記チップ本体の先端部の表面には硬質層が形成され、前記硬質層は、最外層と、前記最外層と前記チップ本体との間に介装される中間層とを備え、前記最外層は、７０〜９５ｖｏｌ％の立方晶窒化ホウ素粒子と結合相とを有する立方晶窒化ホウ素焼結体であり、前記最外層の断面組織を観察したとき、幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有し、且つＡｌ含有量に対するＯ含有量の割合（原子比）が０．１以下である結合相が隣り合う立方晶窒化ホウ素粒子間に存在することを特徴とする。【００１０】
本発明の掘削チップにおいて、前記最外層のビッカース硬さが３７００〜４２５０であることが好ましい。また、前記立方晶窒化ホウ素粒子の平均粒径は０．５〜８．０μｍであることが好ましい。【００１１】
前記最外層の断面組織を観察したとき、隣接する立方晶窒化ホウ素粒子との間に幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相が存在する立方晶窒化ホウ素粒子の数の全立方晶窒化ホウ素粒子数に対する割合が０．４以上であり、幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有し、且つＡｌ含有量に対するＯ含有量の割合（原子比）が０．１以下である結合相が隣接する立方晶窒化ホウ素粒子との間に存在する立方晶窒化ホウ素粒子の数の、幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相が隣接する立方晶窒化ホウ素粒子との間に存在する立方晶窒化ホウ素粒子の数に対する割合が０．５以上であることが好ましい。【００１２】
前記中間層が３０〜７０ｖｏｌ％の立方晶窒化ホウ素粒子またはダイヤモンド粒子を含有することが好ましい。【００１３】
また、本発明の掘削ビットは、上述の掘削チップが工具本体の先端部に取り付けられていることを特徴とする。【００１４】
また、本発明の掘削チップの製造方法は、掘削工具の工具本体に埋設される後端部と、該掘削工具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、上記チップ本体の先端部の表面には硬質層が形成され、前記硬質層が、最外層と、前記最外層と前記チップ本体との間に介装される中間層とを備えている掘削チップの製造方法であって、立方晶窒化ホウ素粒子の表面に前処理を行う工程と、前記最外層の結合相の原料粉末と前記前処理した立方晶窒化ホウ素粒子とを混合して混合粉末を得る工程と、圧力５．０ＧＰａ以上、温度１５００℃以上で前記混合粉末と前記中間層の原料粉末と前記チップ本体とを焼結する工程とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の掘削チップは、多結晶ダイヤモンド焼結体に匹敵する硬さを有し、Ｆｅ系やＮｉ系の鉱山や高温の掘削条件下でも使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本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掘削ビットを示す断面図である。
【図３】掘削チップの先端部を被覆する最外層の断面における隣り合う２つの立方晶窒化ホウ素粒子の界面を示す、ＳＴＥＭ（走査透過電子顕微鏡）で撮影されたＨＡＡＤＦ（高角散乱環状暗視野）像（８００００倍）である。
【図４】図３の視野におけるＢマッピング像の二値化像である。
【図５】図３の視野におけるＮマッピング像の二値化像である。
【図６】図３の視野におけるＡｌマッピング像の二値化像である。
【図７】図４〜６においてＢとＮとＡｌとが重なる領域を示す図である。
【図８】図７のＢとＮとＡｌとが重なる領域（島）を画像処理により楕円近似した状態を示す図である。
【図９】図８において、各楕円の短軸の中点を直線でつないだ多角線からなる界面概形線を描画した図である。
【図１０】図７のＢとＮとＡｌとが重なる領域に界面概形線を描画した図、および界面概形線から得られた立方晶窒化ホウ素粒子間の結合相の幅を示す部分拡大図である。
【図１１】図６に界面概形線を中心とした３０ｎｍ幅の測定領域を描画した図である。
【図１２】図３の視野におけるＯマッピング像の二値化像に測定領域を描画した図である。
【図１３】隣接する立方晶窒化ホウ素粒子との間に幅１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の結合相が存在する立方晶窒化ホウ素粒子数の全立方晶窒化ホウ素粒子数に対する割合の測定方法を示す模式図である。
【図１４】立方晶窒化ホウ素粒子の含有量とビッカース硬さＨｖとの関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は本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発明の掘削工具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（ビッカース硬さ）の高い硬質層３とを備えている。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
このような掘削チップが先端部に取り付けられる掘削工具の一実施形態である掘削ビットは、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（不図示）がこの雌ネジ部１２にねじ込まれる。掘削ロッドから雌ネジ部１２を介して軸線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。
【００２１】
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いる。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いる。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を通してビット本体１１の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が形成されている。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の先端面に開口している。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ブロー孔１４から噴出させることにより、破砕屑の排出を促進する。
【００２２】
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。
【００２３】
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、推力および回転力により岩盤を破砕する。
【００２４】
次に、この硬質層３の最外層４の構成について図３〜図１３を用いて説明する。最外層４は、主結合相がセラミックスの立方晶窒化ホウ素焼結体（以下、「ｃＢＮ焼結体」ともいう）からなる。このｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ焼結体全体に対する含有量が７０〜９５ｖｏｌ％の立方晶窒化ホウ素粒子（以下、「ｃＢＮ粒子」ともいう）と、各ｃＢＮ粒子を互いに結合する結合相とを備える。また、最外層４の任意の断面を観察したとき、この断面組織において、隣り合うｃＢＮ粒子の間に幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の結合相が存在する。この結合相は、少なくともＡｌ（アルミニウム）、Ｂ（ホウ素）、Ｎ（窒素）を含み、かつ、該結合相中のＡｌ含有量に対するＯ（酸素）含有量の割合（Ｏ／Ａｌ）が０．１以下（但し、上記断面上の面積比から算出される原子比）となっている。なお、Ａｌ含有量に対するＯ含有量の割合の下限値は０である。
【００２５】
上記の結合相は酸化物が少なく、強固にｃＢＮ粒子を結合する。また、上記の結合相を有するｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ粒子同士が接触して結合相と十分反応できない未焼結部分が少ない。そのため、このようなｃＢＮ焼結体は高い硬度を有する。このようなｃＢＮ焼結体で上記最外層４を形成することにより、掘削チップに多結晶ダイヤモンド焼結体に匹敵する硬さを付与でき、掘削チップの耐摩耗性を確保できる。一方、幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であってＡｌ、Ｂ、Ｎを含有し、且つＡｌ含有量に対するＯ含有量の割合（原子比）が０．１以下である結合相が隣り合うｃＢＮ粒子間に存在しない場合、ｃＢＮ粒子を十分に結合できず、最外層４の硬さが低くなったり、結合相内部を起点とした破壊が生じやすくなったりする。
【００２６】
なお、ｃＢＮ焼結体中に形成される結合相のうち、隣接するｃＢＮ粒子の間に存在する幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の結合相以外の結合相の構成は主結合相がセラミックスであれば特に限定されないが、Ｔｉの窒化物、炭化物、炭窒化物、ホウ化物、Ａｌの窒化物、ホウ化物、酸化物およびこれらの２種以上の固溶体の中から選ばれる１種または２種以上と不可避不純物とで構成されることが好ましい。
【００２７】
最外層４のビッカース硬さは、３７００〜４２５０であることが好ましい。ビッカース硬さが３７００未満の場合、最外層４に十分な耐摩耗性を付与することが難しい。また、ビッカース硬さが４２５０超の場合、最外層４が欠損し易くなる。
【００２８】
最外層４におけるｃＢＮ粒子の含有量は７０〜９５ｖｏｌ％となっているので、上述の断面組織を形成でき、最外層４のビッカース硬さを上記範囲とすることができる。ｃＢＮ粒子の含有量が７０ｖｏｌ％未満の場合、ｃＢＮ粒子の量が少ないので、最外層４のビッカース硬さを３７００以上とすることができない。また、ｃＢＮ粒子の間に幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の結合相を形成することが難しくなる。さらに、ｃＢＮ粒子間において、結合相中のＡｌ、Ｂ、Ｎを含む化合物がそれ以外の結合相成分（例えば、ＴｉやＴａの化合物やＡｌのホウ化物）よりも相対的に少なくなる。そのため、均一に焼結することができず、また上記の効果を発揮する組織を得ることができない。すなわち、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含む結合相に比べ、このＴｉ化合物やＡｌホウ化物はｃＢＮ粒子との付着強度が低いので、Ｔｉ化合物やＡｌホウ化物とｃＢＮ粒子との界面がクラックの起点となりやすい。その結果、耐欠損性が低下する。一方、ｃＢＮ粒子の含有量が９５ｖｏｌ％を超える場合には、焼結体中にクラックの起点となる空隙が生成しやすくなり、耐欠損性が低下する。ｃＢＮ粒子の含有量は、好ましくは７０〜９２ｖｏｌ％であり、より好ましくは７５〜９０ｖｏｌ％であるがこれに限定されない。
【００２９】
ｃＢＮ粒子の平均粒径は０．５〜８．０μｍであることが好ましい。このようなｃＢＮ粒子がｃＢＮ焼結体内に分散することにより、最外層４に高い耐欠損性を付与することができる。具体的には、掘削時に最外層４表面からｃＢＮ粒子が脱落することにより生じる凹凸を起点としたチッピングの発生を抑制することができる。それに加え、掘削時に最外層４に加わる応力により引き起こされるｃＢＮ粒子と結合相との界面から進展するクラック、またはｃＢＮ粒子を貫通して進展するクラックの伝播を、ｃＢＮ焼結体中に分散したｃＢＮ粒子により抑制することができる。ｃＢＮ粒子の平均粒径は０．５〜３．０μｍであることがより好ましいが、これに限定されない。
【００３０】
一辺がｃＢＮ粒子の平均粒径の５倍である視野を一視野として、最外層４の任意の断面を５視野以上観察したとき、隣り合うｃＢＮ粒子の間に幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有し、且つＡｌ含有量に対するＯ含有量の割合Ｏ／Ａｌが０．１以下である結合相が、観察された全視野数の６０％以上の視野で観察されることが望ましい。このような結合相が多いことは、隣り合うｃＢＮ粒子が結合相により強固に結合したネットワークが多いことを意味する。したがって、このような結合相が観察される視野数が多いほど、最外層４の硬さが優れる。このような結合相が観察される視野数は全視野数の８０％以上であることがより好ましく、１００％である（全視野で観察される）ことがさらに好ましい。
【００３１】
最外層４の任意の断面を観察したとき、隣接するｃＢＮ粒子との間に幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相が存在するｃＢＮ粒子の数（ｑ）の全ｃＢＮ粒子の数（Ｑ）に対する割合（ｑ／Ｑ）が０．４以上であることが好ましい。それに加え、幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有し、且つＡｌ含有量に対するＯ含有量の割合Ｏ／Ａｌが０．１以下となっている結合相が隣接するｃＢＮ粒子との間に存在するｃＢＮ粒子の数（ｎ）の、幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相が隣接するｃＢＮ粒子との間に存在するｃＢＮ粒子の数（Ｎ）に対する割合（ｎ／Ｎ）が０．５以上であることが好ましい。割合ｑ／Ｑおよび割合ｎ／Ｎが多いことは、ｃＢＮ粒子が結合相により強固に結合されていることを意味する。したがって、割合ｑ／Ｑを０．４以上とし、割合ｎ／Ｎを０．５以上とすることにより、最外層４の硬さを向上できる。なお、割合ｑ／Ｑの値の上限値は好ましくは１であり、ｑ／Ｑの値は０．６以上１以下であることがより好ましい。また、割合ｎ／Ｎの値は０．６以上１以下が好ましく、０．８以上１以下がさらに好ましい。
【００３２】
なお、隣り合うｃＢＮ粒子の間に存在する幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相は、隣り合うｃＢＮ粒子の間に点在していても良く、ｃＢＮ粒子間に１つの結合相が延在していても良い（ｃＢＮ粒子が上述の結合相１つを介して他のｃＢＮ粒子と隣接していても良い）。
【００３３】
ここで、本実施形態の掘削チップの最外層４について、上記の構成を特定する手順について、以下に説明する。
【００３４】
＜ｃＢＮ粒子の平均粒径＞
ｃＢＮ粒子の平均粒径は、以下のように求めることができる。
まず、ｃＢＮ焼結体の断面組織をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察し、二次電子像を得る。二次電子像の大きさは、例えば、焼結前のｃＢＮ粒子の平均粒径が３μｍの場合、１５μｍ×１５μｍ（焼結前のｃＢＮ粒子の平均粒径の５倍角）とする。
【００３５】
次に、０を黒、２５５を白とする２５６階調のモノクロでこの二次電子像を表示する。ｃＢＮ粒子部分の画素値と結合相部分の画素値との比が２以上となる画素値の画像を用いて、ｃＢＮ粒子が黒となるように二値化処理を行う。この画像において、ｃＢＮ粒子部分や結合相部分の画素値は、０．５μｍ×０．５μｍ程度の領域内の平均値から求められる。同一画像において少なくとも３領域の画素値の平均値を求め、得られた値を各々のコントラストとすることが望ましい。これにより、ｃＢＮ粒子と結合相とを区別する。上記のような二値化処理の後、ｃＢＮ粒子同士が接触していると考えられる部分を切り離す処理を行う。例えば、画像処理操作の１つであるｗａｔｅｒｓｈｅｄ（ウォーターシェッド）を用いて、接触していると思われるｃＢＮ粒子を分離する。このように、二次電子像を二値化処理した画像から、ｃＢＮ粒子に相当する部分を画像処理により抜き出す。
【００３６】
上記の処理により抜き出されたｃＢＮ粒子に相当する部分（黒の部分）をそれぞれ粒子解析し、ｃＢＮ粒子に相当する部分の最大長をそれぞれ求める。求めた最大長を各ｃＢＮ粒子の最大長とし、それを各ｃＢＮ粒子の直径とする。各ｃＢＮ粒子を球とみなし、得られた直径から各ｃＢＮ粒子の体積を計算する。各ｃＢＮ粒子の体積を基に、ｃＢＮ粒子の粒径の積算分布を求める。詳細には、各ｃＢＮ粒子について、その体積、およびその直径以下の直径を有するｃＢＮ粒子の体積の総和を積算値として求める。各ｃＢＮ粒子について、全ｃＢＮ粒子の体積の総和に対する各ｃＢＮ粒子の上記積算値との割合である体積百分率［％］を縦軸とし、横軸を各ｃＢＮ粒子の直径［μｍ］としてグラフを描画する。体積百分率が５０％となる直径（メディアン径）を１画像におけるｃＢＮ粒子の平均粒径とする。
【００３７】
少なくとも３つの二次電子像に対し上記の処理を行うことにより求めた平均粒径の平均値を、最外層４におけるｃＢＮ粒子の平均粒径［μｍ］とする。なお、このような粒子解析を行う際には、あらかじめＳＥＭにより分かっているスケールの値を用いて、１ピクセル当たりの長さ（μｍ）を設定しておく。また、粒子解析の際、ノイズを除去するために、直径０．０２μｍより小さい領域は粒子として計算しない。
【００３８】
＜ｃＢＮ粒子の含有量＞
ｃＢＮ粒子の含有量は、最外層４の形成時にｃＢＮ粒子粉末と結合相形成用原料粉末との混合比率を調整することにより調整できる。また、この含有量は、次のように確認することもできる。すなわち、ＳＥＭを用いて最外層４の任意の断面を観察して、二次電子像を得る。得られた二次電子像内のｃＢＮ粒子に相当する部分を、上述と同様の画像処理によって抜き出す。画像解析によってｃＢＮ粒子が占める面積を算出し、１画像内のｃＢＮ粒子が占める割合を求める。少なくとも３画像を処理して求めたｃＢＮ粒子の含有量の平均値を、最外層４に占めるｃＢＮ粒子の含有量とする。なお、ｃＢＮ粒子の平均粒径の５倍の長さの一辺をもつ正方形の領域を画像処理に用いる観察領域とすることが望ましい。例えば、ｃＢＮ粒子の平均粒径３μｍの場合、１５μｍ×１５μｍ程度の視野領域が望ましい。
【００３９】
＜隣り合うｃＢＮ粒子の間に存在する幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相＞
隣り合うｃＢＮ粒子の間に幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相が存在するか否かは、次のように確認される。まず、最外層４の任意の断面を研磨し、ＳＴＥＭ（走査透過電子顕微鏡）を用いて、図３に示す隣接する２つのｃＢＮ粒子の界面を観察する。図３は、ＳＴＥＭを用いてｃＢＮ粒子とｃＢＮ粒子との界面を観察したＨＡＡＤＦ（高角散乱環状暗視野）像（８００００倍）である。観察試料の厚さは、３ｎｍ〜７０ｎｍが好ましい。３ｎｍより薄い場合、元素マッピングの際に、検出される特性Ｘ線の量が少なくなり測定に時間がかかり、また試料が損傷しやすいので好ましくない。一方、７０ｎｍより厚い場合、画像の解析が困難になるため好ましくない。観察画像のサイズを縦１５０ｎｍ×横１５０ｎｍから縦約５００ｎｍ×横約５００ｎｍ程度とし、解像度を５１２×５１２ピクセル以上とする。
【００４０】
次に、同一の観察領域について、Ｂ、Ｎ、ＡｌおよびＯの元素マッピング像（図４〜６、１２参照）を取得する。これらの元素マッピング像は、バックグラウンドを除去するために、これらの４元素の含有量の合計に対する各元素の含有量の割合（ａｔｍ％）に換算した画像である。これらの画像をもとに、以下の（ａ）〜（ｄ）の手順で、隣接するｃＢＮ粒子間に幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相が存在するか否かを確認し、当該結合相におけるＡｌとＯの占める割合を求める。
【００４１】
（ａ）ＢとＮのマッピング像（図４、５参照）から、観察している領域が、２以上のｃＢＮ粒子が存在し、観察対象となる領域であることを確認する。
（ｂ）Ａｌのマッピング像（図６）とＢのマッピング像（図４）とＮのマッピング像（図５）とを重ね合わせ、これらのマッピング像が互いに重複する領域を、ｃＢＮ粒子の間に存在し、且つＡｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相として特定する（図７）。そして、次のようにこの結合相の幅を決定する。
（ｂ１）ｃＢＮ粒子間に１つの結合相が延在している場合、すなわちＢとＮとが存在している領域と重なるＡｌの島が１個の場合、まず、Ａｌのマッピング像において、結合相に相当するＡｌの島を楕円として近似させた時の長軸を得る。詳細には、ＢとＮとが存在している領域と重なるＡｌの島を、上述のｃＢＮ粒子の平均粒径の測定の際に行った処理と同様に、画像処理にて抜き出し、抜き出した島を画像解析により楕円に近似させた場合の最大長を長軸とする。この長軸をｃＢＮ粒子間の界面概形線とする。
（ｂ２）また、結合相がｃＢＮ粒子間に点在する場合、すなわちＢとＮとが存在している領域と重なるＡｌの島が２個以上に分かれている場合は、ＢとＮとが存在する領域に重なるＡｌの各島を、上述のｃＢＮ粒子の平均粒径の測定の際に行った処理と同様に、画像処理により抜き出す（図７）。次いで、画像処理により抜き出した各島を楕円近似する（図８）。そして、各楕円の短軸を求める。各短軸における中点を求め、隣り合う各中点を直線でつないだ多角線Ｔを描く。この多角線ＴをｃＢＮ粒子の界面概形線とする（図９、図１０）。
（ｂ３）Ａｌのマッピング像において、上記（ｂ１）または（ｂ２）で得た界面概形線と重なるＡｌの島の、界面概形線に垂直な方向における幅を測定する（図１０）。少なくとも３ヶ所について、Ａｌの島の幅を測定する。詳細には、Ａｌの島が３つ以上存在する場合は、少なくとも３つのＡｌの島について最大幅を測定する。測定した幅の平均値を、隣り合うｃＢＮ粒子の間に存在する結合相の幅とする。Ａｌの島が２個以下の場合は、Ａｌの島の最大幅を測定する。その幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下である場合、ｃＢＮ粒子の間に存在するＡｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相の幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であると見なす。
【００４２】
（ｃ）次に、該結合相に含まれるＡｌの含有量とＯの含有量とを以下のように求める。まず、ＡｌとＯのマッピング像を二値化処理した画像（図１１、１２）を用いて、上記（ｂ）で確認した界面概形線を中心とした幅３０ｎｍの測定領域Ｍを決定する。この領域Ｍは、界面概形線との距離が１５ｎｍであり界面概形線に平行かつ合同な２本の線と、その端部を結ぶ２本の直線に囲まれた領域である。Ａｌのマッピング像を二値化処理した画像から、この領域ＭにおけるＢとＮとＡｌとが重なる部分のＡｌの面積を求める。Ｏについても同様にして、上記領域ＭにおけるＯの面積を求める。このように求めた領域ＭにおけるＡｌの面積に対するＯの面積の割合（面積％）を、当該結合相中のＡｌ含有量に対するＯ含有量の割合Ｏ／Ａｌ（原子比）とする。
【００４３】
＜隣接するｃＢＮ粒子との間に幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相が存在するｃＢＮ粒子の割合（ｑ／Ｑ）＞
隣接するｃＢＮ粒子との間に幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相が存在するｃＢＮ粒子の数（ｑ）の全ｃＢＮ粒子の数（Ｑ）に対する割合（ｑ／Ｑ）は、次のように測定できる。まず、最外層４の任意の断面において、図１３の模式図に示すように、一辺の長さＬがｃＢＮ粒子１０の平均粒径の５倍である正方形領域を一つの測定視野範囲Ａと定める。例えば、ｃＢＮ粒子の平均粒径が１μｍの場合には、５μｍ×５μｍの正方形の領域を一つの測定視野範囲とする。
【００４４】
次いで、正方形をなす測定視野範囲Ａの頂部から対角線Ｄを引き、該対角線Ｄと重なるｃＢＮ粒子１０の数Ｑ１をカウントする。また、対角線Ｄ上に存在する個々のｃＢＮ粒子１０について、隣接するｃＢＮ粒子１０との間に幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相２０が存在するか否かを、上述の方法により特定する。そして、隣接するｃＢＮ粒子１０との間に幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相２０が存在すると特定されたｃＢＮ粒子１０の数ｑ１をカウントする。得られたｃＢＮ粒子１０の数ｑ１、Ｑ１からｑ１／Ｑ１の値を算出する。少なくとも５視野についてｑ１／Ｑ１を算出し、これらの平均値を上記割合ｑ／Ｑとする。
【００４５】
＜幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有し、Ａｌ含有量に対するＯ含有量の割合が０．１以下の結合相が隣接するｃＢＮ粒子との間に存在するｃＢＮ粒子の割合（ｎ／Ｎ）＞
幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有し、Ａｌ含有量に対するＯ含有量の割合Ｏ／Ａｌが０．１以下の結合相が隣接するｃＢＮ粒子との間に存在するｃＢＮ粒子の数（ｎ）の、幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相が隣接するｃＢＮ粒子との間に存在するｃＢＮ粒子の数（Ｎ）に対する割合（ｎ／Ｎ）は次のように測定できる。まず、図１３の模式図において、上述のように、対角線Ｄと重なるｃＢＮ粒子１０のうち、隣接するｃＢＮ粒子１０との間に幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相２０が存在するｃＢＮ粒子１０を特定し、その数Ｎ１をカウントする。次いで、これらのｃＢＮ粒子１０のうち、幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相２０におけるＡｌ含有量に対するＯ含有量の割合Ｏ／Ａｌが０．１以下となっているｃＢＮ粒子１０を、上述の方法により特定し、その数ｎ１をカウントする。得られたｃＢＮ粒子１０の数ｎ１、Ｎ１からｎ１／Ｎ１の値を算出する。少なくとも５視野についてｎ１／Ｎ１を算出し、これらの平均値を上記割合ｎ／Ｎとする。
【００４６】
以上のような最外層４と基体２との間には、少なくとも１層の中間層５が設けられている。これにより、最外層４の剥離を防止できる。すなわち、上述のｃＢＮ焼結体からなる最外層４を基体２に直接形成した場合、超硬合金等の硬質材料からなる基体２と最外層４との収縮率の違いにより、焼結後に応力が残留し、基体２と最外層４との界面にクラックが生じる。本実施形態では、最外層４と基体２との間に中間層５を設けているので、中間層５が応力緩和層として機能する。その結果、クラックの発生を抑制でき、最外層４の剥離を防止できる。
【００４７】
中間層５の構成は、その硬さ（ビッカース硬さ）が最外層４より小さく基体２より大きいこと以外は特に限定されない。例えば、中間層５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ｃＢＮ焼結体であってもよい。また、上記金属触媒に、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。さらに、中間層５をダイヤモンド、コバルト、および炭化タングステンからなる多結晶ダイヤモンド焼結体で構成することもできる。
【００４８】
ここで、中間層５は、３０〜７０ｖｏｌ％のｃＢＮ粒子またはダイヤモンド粒子を含有していることが好ましい。硬質粒子であるｃＢＮ粒子またはダイヤモンド粒子の含有量が３０ｖｏｌ％以下の場合は硬さが基体２より小さくなる。また、７０ｖｏｌ％以上の場合は最外層４と同等の硬さとなる。そのため、応力緩和層として機能するためには、中間層５におけるｃＢＮ粒子またはダイヤモンド粒子の含有量を３０〜７０ｖｏｌ％とすることが好ましい。
【００４９】
なお、本実施形態では、中間層５が単層構造とされているが、２層以上の多層構造でもよい。ただし、中間層５を３層以上の多層構造とした場合には、最外層４側から基体２側に向かうに従い中間層５のｃＢＮ粒子またはダイヤモンド粒子の含有量が漸減してビッカース硬さが小さくなることが望ましい。
【００５０】
チップ中心線Ｃ上における最外層４の厚さは、０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすることが好ましい。最外層４の厚さが０．３ｍｍ以下の場合、掘削チップがすぐに摩滅して短寿命となる虞がある。一方、最外層４の厚さが１．５ｍｍ以上の場合、焼結時の残留応力によるクラックが発生しやすくなり、掘削時の突発欠損を招く虞がある。最外層４の厚さはより好ましくは０．４ｍｍ以上１．３ｍｍ以下である。また、チップ中心線Ｃ上における中間層５全体の厚さは、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とすることが好ましい。中間層５の厚さが０．２ｍｍ以下の場合、均一な層が形成され難く、焼結時の残留応力が吸収され難くなり、チップの応力緩和の役割が果たせなくなる虞がある。一方、中間層５の厚さが１．０ｍｍ以上の場合、硬質層３（最外層４および中間層５）全体の厚さが大きくなり、焼結時の残留応力によるクラックが発生しやすくなって、掘削時の突発欠損を招く虞がある。中間層５全体の厚さはより好ましくは０．３ｍｍ以上０．８ｍｍ以下である。
【００５１】
次に、上述の最外層４および中間層５を備える掘削チップの製造方法を説明する。
本実施形態の掘削チップの製造方法は、ｃＢＮ粒子の表面に前処理を行う工程と、最外層４の結合相の原料粉末と前処理したｃＢＮ粒子とを混合した混合粉末を得る工程と、混合粉末と中間層５の原料粉末と基体２とを焼結する工程とを備える。
【００５２】
ｃＢＮ粒子表面の前処理は、表面清浄度の高いｃＢＮ粒子を得るために、次のように行う。まず、ｃＢＮ粒子の表面に、極めて薄い膜厚のＡｌＮ膜を成膜する。成膜方法として、例えば、ＡＬＤ法（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いることができる。ＡＬＤ法はＣＶＤ法の一種であり、真空チャンバ内の基材に、原料化合物の分子を一層ごとに反応させ、Ａｒや窒素によるパージを繰り返し行うことで成膜する方法である。具体的には、まず、流動層炉内に基材となるｃＢＮ粒子を装入し、炉内を３５０℃程度に昇温する。次いで、Ａｒ＋Ａｌ（ＣＨ３）３ガス流入工程、Ａｒガスパージ工程、Ａｒ＋ＮＨ３ガス流入工程、およびＡｒガスパージ工程を１サイクルとして、このサイクルを所望のＡｌＮ膜厚になるまで繰り返し行う。例えば、３０分かけて成膜することにより、膜厚５ｎｍ程度のＡｌＮ膜を、ｃＢＮ粒子表面に被覆形成することができる。
【００５３】
次に、ＡｌＮ膜を被覆したｃＢＮ粒子を、真空下で約１０００℃で加熱する。これにより、ｃＢＮ粒子表面の酸素等の不純物元素をＡｌＮ膜中に拡散させて捕捉する。最後に、ｃＢＮ粒子をボールミル混合することにより、不純物元素を捕捉したＡｌＮ膜をｃＢＮ粒子の表面から剥離する。
【００５４】
このような前処理をｃＢＮ粒子に施すことによって、酸素等の不純物成分が表面から除去された表面清浄度の高いｃＢＮ粒子を得る。なお、ｃＢＮ粒子表面の前処理は上述の処理に限定されず、ｃＢＮ粒子表面の不純物成分を除去できる方法であれば良い。
【００５５】
次に、前処理を施したｃＢＮ粒子を最外層４の結合相の原料粉末と所定の組成となるように混合し、混合粉末を得る。最外層４の結合相の原料粉末として、ＴｉＮ粉末、Ａｌ粉末、ＴｉＡｌ３粉末、およびＡｌ２Ｏ３粉末を用いることができる。
【００５６】
その後、得られた混合粉末と中間層５の原料粉末と基体２とを、超高圧高温焼結する。このようにして、最外層４、中間層５および基体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。
【００５７】
本実施形態の製造方法によれば、最外層４のｃＢＮ粒子として前処理により表面の清浄度を高めたｃＢＮ粒子を用いると共に、これを超高圧高温焼結することにより、上述の構成を備える最外層４を形成できる。また、ダイヤモンドおよび立方晶窒化ホウ素の安定領域である圧力５．０ＧＰａ以上、温度１５００℃以上で焼結することが好ましい。これにより、最外層４と中間層５とを基体２上に同時に形成できる。なお、焼結圧力は５．５ＧＰａ以上８．０ＧＰａ以下がより好ましく、焼結温度は１６００℃以上１８００℃以下がより好ましい。なお、上記工程は原料粉末の酸化を防止するように行われることが好ましく、具体的には非酸化性の保護雰囲気下で原料粉末や成形体を取り扱うことが好ましい。
【００５８】
以上、本発明の実施形態の掘削チップ、掘削工具および掘削チップの製造方法について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。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発明を適用することも可能である。
【００５９】
また、本実施形態では掘削チップを掘削バイトに適用した場合について説明したが、本発明の掘削チップは、露天採掘や長壁式採掘に用いられるドラム式掘削装置の回転ドラムの外周に取り付けられるピックに適用することもできる。
【実施例】
【００６０】
次に、本発明の掘削チップおよび掘削ビットの実施例を挙げて、本発明の効果について実証する。【００６１】
（実施例１）
まず、実施例１として、最外層を構成するｃＢＮ焼結体の実施例を挙げて、本発明の効果について実証する。【００６２】
表１に示すメディアン径（Ｄ５０）を有するｃＢＮ粒子を基材とし、ＡＬＤ法により、ｃＢＮ粒子に表１に示される平均膜厚のＡｌＮ膜を被覆した。具体的には、まず、ｃＢＮ粒子を炉内に装入し、炉内を３５０℃に昇温した。次いで、成膜用ガスとして、Ａｌの先駆体であるＡｌ（ＣＨ３）３ガス、および、反応ガスとしてＮＨ３ガスを用いて、以下の（１）〜（４）を１サイクルとして、このサイクルをＡｌＮ膜が目標膜厚になるまで繰り返した。
（１）Ａｒ＋Ａｌ（ＣＨ３）３ガス流入工程
（２）Ａｒガスパージ工程
（３）Ａｒ＋ＮＨ３ガス流入工程
（４）Ａｒガスパージ工程
ｃＢＮ粒子をＳＥＭで観察することにより、ｃＢＮ粒子の表面に表１に示される平均膜厚のＡｌＮ膜が被覆されていることを確認した。【００６３】
次いで、ｃＢＮ粒子表面の酸素等の不純物元素をＡｌＮ膜中に拡散させるために、ＡｌＮ膜で被覆されたｃＢＮ粒子を、真空下で約１０００℃、３０分加熱処理した。加熱処理されたｃＢＮ粒子を炭化タングステン製の容器とボールを用いてボールミル混合して、ｃＢＮ粒子表面からＡｌＮ膜を剥離した。【００６４】
０．３〜０．９μｍの範囲内の平均粒径を有するＴｉＮ粉末、ＴｉＣ粉末、Ａｌ粉末、ＴｉＡｌ３粉末、およびＷＣ粉末を結合相の原料粉末として用意した。これら原料粉末の中から選ばれた複数の原料粉末と、上述のように前処理を行ったｃＢＮ粒子の粉末とを、これらの合量を１００ｖｏｌ％としたときのｃＢＮ粒子の粉末の含有量が７０〜９５ｖｏｌ％となるように配合し、湿式混合し、乾燥した。その後、油圧プレスにて成形圧１ＭＰａで直径：５０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法にプレス成形して成形体を得た。次いで、この成形体を、１Ｐａの真空雰囲気中、１０００〜１３００℃の範囲内の所定温度に３０〜６０分間保持して熱処理した後、超高圧焼結装置に装入して５．０ＧＰａ、１６００℃で３０分間超高圧高温焼結した。これにより、表２に示す本発明ｃＢＮ焼結体１〜１７を作製した。【００６５】
比較のため、次のように、比較例ｃＢＮ焼結体１〜１０を用意した。まず、表４に示すメディアン径（Ｄ５０）を有するｃＢＮ粒子ａ〜ｉを用意した。ｃＢＮ粒子ａ、ｂ、ｅ〜ｉについては、本発明ｃＢＮ焼結体１〜１７と同様の前処理を行わなかった。ｃＢＮ粒子ｃ、ｄについては、本発明ｃＢＮ焼結体１〜１７と同様に、ｃＢＮ粒子表面に表４に示す平均膜厚を有するＡｌＮ膜を形成した後剥離する前処理を行った。【００６６】
上述の本発明ｃＢＮ焼結体１〜１７と同じ結合相の原料粉末から選ばれた複数の原料粉末とｃＢＮ粒子の粉末とを、その合量を１００ｖｏｌ％としたときのｃＢＮ粒子の粉末の含有量が５５〜９８．２ｖｏｌ％となるように配合した。次いで、上記本発明ｃＢＮ焼結体１〜１７と同様な手順で、表５に示す比較例ｃＢＮ焼結体１〜１０を製造した。【００６７】
本発明ｃＢＮ焼結体１〜１７および比較例ｃＢＮ焼結体１〜１０について、ｃＢＮ以外の結合相組織をＸＲＤ（Ｘ−ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）により確認した。また、本発明ｃＢＮ焼結体１〜１７および比較例ｃＢＮ焼結体１〜１０について、ｃＢＮ粒子の平均粒径(μｍ)、ｃＢＮ粒子の含有量（ｖｏｌ％）を、上述の方法で測定した。なお、画像処理に用いた観察領域は、１５μｍ×１５μｍとした。これらの結果を表２、５に示す。【００６８】
さらに、本発明ｃＢＮ焼結体１〜１７および比較例ｃＢＮ焼結体１〜１０の研磨面上の１０点について、荷重５ｋｇでビッカース硬さ（Ｈｖ）を測定した。これらの平均を平均ビッカース硬さとして表２、５に示す。なお、各値について１桁目を四捨五入した。また、表２、５のｃＢＮ含有量Ｃ（ｖｏｌ％）とビッカース硬さＨ（Ｈｖ）との関係をプロットしたグラフを図１４に示す。【００６９】
さらに、隣り合うｃＢＮ粒子間における幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の結合相の有無、およびこの結合相におけるＡｌ、Ｂ、Ｎの有無を上述の方法で確認すると共に、この結合相におけるＡｌ含有量に対するＯ含有量の割合Ｏ／Ａｌを上述の方法で算出した。この割合Ｏ／Ａｌは５カ所について測定し、その平均値を算出した。この結果を表２、３、５、６に示す。なお、表中の「−」は、隣り合うｃＢＮ粒子間に幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の結合相が存在したが、Ａｌ、Ｂ、Ｎ元素が重なる個所がなかったので、界面概形線を規定できず、割合Ｏ／Ａｌを算出することができなかったことを意味する。【００７０】
また、隣り合う立方晶窒化ホウ素粒子の間における幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有し、且つＡｌ含有量に対するＯ含有量の割合Ｏ／Ａｌが０．１以下である結合相の有無を、１０視野において観察した。このような結合相が観察できた視野の数を観察視野数として表３、６に示す。さらに、１０視野について、上述のように、ｃＢＮ粒子の数Ｑ１と、隣接するｃＢＮ粒子との間に幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相が存在するｃＢＮ粒子の数ｑ１（Ｎ１）と、この結合相中のＡｌ含有量に対するＯ含有量の割合Ｏ／Ａｌが０．１以下となっているｃＢＮ粒子の数ｎ１とを求めた。各視野のｑ１／Ｑ１およびｎ１／Ｎ１の平均値から、幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有する結合相が隣接するｃＢＮ粒子との間に存在するｃＢＮ粒子の割合（ｑ／Ｑ）と、幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有し、且つＡｌ含有量に対するＯ含有量の割合Ｏ／Ａｌが０．１以下である結合相が隣接するｃＢＮ粒子との間に存在するｃＢＮ粒子の割合（ｎ／Ｎ）を求めた。この結果を表３、６に示す。【００７１】
【表１】
2017183659.tif 000003
【００７２】
【表２】
2017183659.tif 000004
【００７３】
【表３】
2017183659.tif 000005
【００７４】
【表４】
2017183659.tif 000006
【００７５】
【表５】
2017183659.tif 000007
【００７６】
【表６】
2017183659.tif 000008
【００７７】
表２、３、５、６に示される結果から、本発明ｃＢＮ焼結体１〜１７は、ｃＢＮ粒子に前処理を行ったので、幅が１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有し、Ａｌ含有量に対するＯ含有量の割合（Ｏ／Ａｌ）が０．１以下と酸化物が少ない、強固な結合相がｃＢＮ粒子間に形成されていることが確認された。さらに、隣り合うｃＢＮ粒子間に幅１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、Ａｌ、Ｂ、Ｎを含有し、且つＡｌ含有量に対するＯ含有量の割合Ｏ／Ａｌが０．１以下である結合相が全観察視野数の６０％以上で観察されたので、ｃＢＮ粒子同士が接触して結合相と十分反応できない未焼結部分が少ないことが確認された。また、本発明ｃＢＮ焼結体１〜１７は、３７００超のビッカース硬さ（Ｈｖ）を有することが確認された。【００７８】
これに対して、比較例ｃＢＮ焼結体３、４は、ｃＢＮ粒子に前処理が施されたので、Ａｌ含有量に対するＯ含有量の割合（Ｏ／Ａｌ）は平均０．１以下であり酸化物は少なかった。その一方で、ｃＢＮ含有量は７０ｖｏｌ％未満または９５ｖｏｌ％超であったので、ビッカース硬さ（Ｈｖ）は低かった。また、比較例ｃＢＮ焼結体６は、ｃＢＮ粒子に前処理をしなかったので、ｃＢＮ粒子の含有量が同じ本発明ｃＢＮ焼結体８よりもビッカース硬さ（Ｈｖ）が低かった。その他の比較例ｃＢＮ焼結体１、２、５、７〜１０は、いずれも、Ａｌ含有量に対するＯ含有量の割合（Ｏ／Ａｌ）が０．１超であって、ビッカース硬さ（ＨＶ）が低かった。【００７９】
また、図１４からも分かるように、本発明ｃＢＮ焼結体１〜１７のビッカース硬さは、Ｈ＝−０．４２Ｃ２＋８１．５Ｃ（但し、Ｈはビッカース硬さ、Ｃはｖｏｌ％によるｃＢＮ含有量を示す。）で表される曲線の上方に位置した。これに対して、比較例ｃＢＮ焼結体１〜１０は全て前記曲線の下方に位置した。これらのことから、ｃＢＮ粒子の含有量が同じ場合でも、本発明ｃＢＮ焼結体のビッカース硬さが、比較例ｃＢＮ焼結体よりも高いことが明らかとなった。なお、図１４中の曲線は、経験的に得られたｃＢＮ焼結体のｃＢＮ粒子含有量とビッカース硬さとの関係を表す。【００８０】
（実施例２）
次に、実施例２として、上述のｃＢＮ焼結体を最外層に適用した掘削チップの実施例を挙げて、本発明の効果について実証する。【００８１】
実施例１と同様の前処理を行った粒径４．１μｍのｃＢＮ粒子の粉末と、結合相の原料粉末である粒径０．５μｍのＴｉＮ粉末と、粒径０．３μｍのＡｌ粉末と、粒径０．５μｍのＴｉＡｌ３粉末と、粒径０．８μｍのＷＣ粉末とを、これらの合量を１００ｖｏｌ％としたときのｃＢＮ粒子粉末の含有量が表７の割合となるように配合し、湿式混合し、乾燥した。このようにして本発明例１〜４の最外層の原料粉末を得た。粒径９．６μｍの前処理しないｃＢＮ粉末と、粒径４μｍのＷ粉末と、粒径０．９μｍのＡｌ粉末と、粒径３μｍのＣｏ粉末とを表８の割合となるように配合し、湿式混合し、乾燥した。これにより、本発明例１〜３の中間層の原料粉末を得た。また、粒径８μｍのダイヤモンド粒子と、粒径３．７μｍのＣｏ粉末と、粒径２．１μｍのＷＣ粉末とをこれらの合量を１００ｖｏｌ％としたときのダイヤモンド粒子の含有量が表８の割合となるように配合し、湿式混合し、乾燥した。これにより、本発明例４の中間層の原料粉末を得た。【００８２】
本発明例１〜４の最外層の原料粉末と中間層の原料粉末とを、ＷＣ：９４ｗｔ％、Ｃｏ：６ｗｔ％の超硬合金よりなる基体とともに、焼結圧力６．０ＧＰａ、焼結温度１６００℃、焼結時間２０分の条件下で一体に焼結した。これにより、半径５．５ｍｍ、チップ中心線方向の長さ１６ｍｍの、本発明例１〜４に係るボタンチップ（掘削チップ）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、チップ中心線方向における最外層および中間層を表７、８の層厚とした。【００８３】
また、本発明例１〜４に対する比較例として、最外層の硬質粒子をｃＢＮ粒子ではなくダイヤモンド粒子としたボタンチップ（比較例１）、最外層の結合相として金属触媒を用いたボタンチップ（比較例２）、最外層に含まれるｃＢＮ粒子の含有量を７０ｖｏｌ％未満としたボタンチップ（比較例３）、中間層を設けないボタンチップ（比較例４）、および最外層に含まれるｃＢＮ粒子の含有量を９５ｖｏｌ％超としたボタンチップ（比較例５）を製造した。比較例１〜５のボタンチップをいずれも本発明例１〜４と同じ寸法とした。【００８４】
ここで、比較例１、２のボタンチップの最外層には、前処理しない硬質粒子（ダイヤモンド粒子またはｃＢＮ粒子）を用いた。詳細には、比較例１のボタンチップは、粒径８μｍのダイヤモンド粒子と、粒径３μｍのＣｏ粉末と、粒径２．７μｍのＷＣ粉末とをこれらの合量を１００ｖｏｌ％としたときのダイヤモンド粒子の含有量が表７の割合となるように配合し、湿式混合し、乾燥した。このようにして最外層の原料粉末を得た。そして、この最外層の原料粉末と本発明例１〜４と同じ中間層の原料粉末とを、本発明例１〜４と同じ超硬合金よりなる基体とともに、焼結圧力５．４ＧＰａ、焼結温度１４５０℃、焼結時間５分の条件下で一体に焼結した。【００８５】
比較例２のボタンチップは、粒径４．１μｍの前処理していないｃＢＮ粒子粉末と、粒径１．５μｍのＷ粉末と、粒径０．３μｍのＡｌ粉末と、粒径３μｍのＣｏ粉末とをこれらの合量を１００ｖｏｌ％としたときのｃＢＮ粒子粉末の含有量が表７の割合となるように配合し、湿式混合し、乾燥した。このようにして最外層の原料粉末を得た。そして、この最外層の原料粉末と本発明例１〜４と同じ中間層の原料粉末とを、本発明例１〜４と同じ超硬合金よりなる基体とともに、焼結圧力５．０ＧＰａ、焼結温度１６００℃、焼結時間３０分の条件下で焼結した。【００８６】
比較例３、５のボタンチップは、本発明例１〜４と同様に作製した。比較例４のボタンチップは、中間層を設けないことを除いて、本発明例１〜４と同様に作製した。また、比較例１〜５のチップ中心線方向における最外層および中間層を表７、８の層厚とした。【００８７】
本発明例１〜４および比較例３〜５の前処理したｃＢＮ粒子を用いて形成した最外層のチップ中心線Ｃを通る断面について、隣り合うｃＢＮ粒子間における幅１ｎｍ以上３０ｎｍ以下の結合相の有無、この結合相におけるＡｌ、Ｂ、Ｎの有無を上述の方法で確認すると共に、この結合相におけるＡｌ含有量に対するＯ含有量の割合（Ｏ／Ａｌ）を上述の方法で算出した。この結果を、最外層のビッカース硬さとともに表７に示す。【００８８】
さらに、これら本発明例１〜４および比較例１〜５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７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、ニッケル鉱石の鉱山に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。なお、ボタンチップがチッピング等の欠損を生じることなく最外層が徐々に摩耗した場合は正常摩耗と判断した。これらの摩耗領域（摩耗量）が大きくなり、最終的にゲージ径がビット本体の外径と等しくなったときにビットが寿命に達したと判断した。一方、チップ本体が２つ以上欠損し、その影響で掘削速度が低下したときもビットが寿命に達したと判断した。【００８９】
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。この結果を表８に示す。【００９０】
【表７】
2017183659.tif 000009
【００９１】
【表８】
2017183659.tif 000010
【００９２】
硬質層が多結晶ダイヤモンド焼結体の比較例１の掘削チップを取り付けた掘削ビットでは、掘削長が１２４ｍであり、欠損により掘削チップは寿命に達した。また、金属触媒を用いて最外層のｃＢＮ焼結体を形成した比較例２の掘削チップを取り付けた掘削ビットでは、掘削長が１００ｍに及ばず、欠損により掘削チップは寿命に達した。最外層のｃＢＮ粒子の含有量が少ない比較例３の掘削チップを取り付けた掘削ビットでは、正常摩耗により掘削チップが寿命に達したものの、掘削長が１００ｍに及ばなかった。中間層を設けなかった比較例４では焼結時にクラックが発生したため、比較例４の掘削チップを用いて掘削を行うことができなかった。最外層のｃＢＮ粒子の含有量が多い比較例５では、最外層内における焼結時の不均一性を原因として焼結時にクラックが発生したため、比較例５の掘削チップを用いて掘削を行うことができなかった。【００９３】
これに対して、本発明例１〜４の掘削チップを取り付けた掘削ビットでは、掘削長が最も短い本発明例３でも４００ｍ以上の掘削が可能であった。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
以上説明したように、本発明の掘削チップは、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、Ｆｅ系やＮｉ系の鉱山や高温の掘削条件下でも使用可能である。そのため、鉱山掘削用ビット、建設掘削用ビット、石油およびガス（Ｏ＆Ｇ）掘削用ビット、および露天採掘や長壁式採掘に用いられるドラム式掘削装置のピックに好適である。
【符号の説明】
【００９５】
１  チップ本体
２  基体
３  硬質層
４  最外層
５  中間層
１０  ｃＢＮ粒子
１１  ビット本体
２０  結合相
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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【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１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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