JP2008144541A

JP2008144541A - 掘削用ビット

Info

Publication number: JP2008144541A
Application number: JP2006335627A
Authority: JP
Inventors: Yoshimi Fukumaki; 好美服巻
Original assignee: STARLOY KK; Obayashi Corp
Current assignee: STARLOY KK; Obayashi Corp
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2008-06-26

Abstract

【課題】土木、建築等の分野で使用される掘削用ビットであって、耐衝撃性、耐摩耗性、ろう付け性等に優れた刃体を備えた掘削用ビットを提供すること。
【解決手段】鋼製シャンク（２）の先端部に超硬チップ（３）からなる刃体を固着してなる掘削用ビットであって、前記超硬チップが、互いに組成の異なる複数種の超硬チップを当該超硬チップのバインダー金属中に浸透する接合材（５）を介して接合一体化した積層超硬チップである掘削用ビット。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばシールド掘進機におけるカッタービット等の掘削用ビットに関するものである。

例えば、シールド掘進機のカッタービットは、鋼材で作られたシャンク（台金）に硬質刃体として超硬合金のチップ（以下「超硬チップ」もしくは「チップ」という）を固着したものが一般的である。シールド掘進機は、地下でのトンネル掘進等に使用されるため、そのカッタービットは、土砂等の切削性能が高いだけではなく、掘削中で破損しにくい高強度のものを使用する必要がある。これは、掘削中に刃体が欠損すると、切削性能が著しく低下するのみならず、その破片によって他の刃体も損傷するからであり、地下での掘削中は、カッタービットを容易に交換することができないので、刃体を構成する超硬チップは、優れた耐衝撃性と耐摩耗性が特に要求されるのである。

超硬合金は、高硬度の金属炭化物粒子をバインダー金属のマトリックス中に分散させたものである。この金属炭化物粒子としては、ＷＣ，ＴｉＣ，ＴａＣ等が用いられ、バインダー層を形成する金属としては、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ等が用いられるのが一般的であり、土木工事用のカッタービットに使われる超硬チップとしては、比較的靭性の高いＷＣ−Ｃｏ合金が最も広く採用されている。

一般に、超硬合金は、炭化物（ＷＣ等）の粒子が細かく、バインダー層（コバルトＣｏ層等）が少ないほど硬度が高く、耐摩耗性に優れ、逆に炭化物の粒子が粗く、バインダー層が多いほど、靭性（強度）が高く、耐衝撃性に優れる傾向がある。すなわち、超硬合金における硬度と強度とは概念的には相反するものであり、通常は、炭化物粒度とバインダー層の量を調節して、用途に応じた超硬合金チップを得ている。

上記カッタービットの切削性能と耐摩耗性は、刃体の硬度を上げることによって向上する。しかしながら、上記のとおり、硬度の高い超硬チップは、衝撃により欠損しやすいという欠点があるので、複数種の超硬チップを組み合わせる等、耐摩耗性と耐衝撃性を両立させるため種々の工夫がなされている。その例を挙げれば、下記特許文献に示すようなものがある。

特開２００６−２４１６８１号公報特許第３７８０９４１号公報特開平９−７８９８６号公報実開平５−１６８９７号公報

上記特許文献１に記載のものは、超硬合金からなる軟性チップと硬性チップとを接合材を介在して母材にろう付けしたカッタービットであり、上記接合材としては、軟性チップの超硬合金に材質が近似し、該軟性チップよりも軟性の材質からなるものが使用される。このカッタービットは、硬性チップで耐摩耗性を維持し、軟性チップで衝撃を緩衝することにより、長寿命を図るものである。

また、上記特許文献２に記載のものは、先端部に硬質のチップを備えた掘削カッタービットにおいて、前記チップは、先端部から基端部に向けて、複数段に植設されたもので、その少なくとも一部の段のチップが他の段と異なる材種及び硬度とされ、他の段とは異なる長さとされたものである。

さらに、上記特許文献３に記載のものは、シールド掘進機等のカッタービットであって、硬さ、靭性等の材質が異なる複数層の超硬チップ片を銅板を挟んでろう付けしてなる多層チップを刃体とし、これを鋼材の台金にろう付けしたものである。

また、上記特許文献４に記載のものは、トンネル掘進機のカッタビットにおいて、硬質チップと軟質チップとを交互に積層してカッタビット本体に固着したものである。

上記特許文献１に記載のものは、硬性チップと軟性チップと鋼材とをろう付けにより互いに固着一体化したものであるが、複数層のろう付けを同時に行うのは、煩雑な手間が必要であり、しかも超硬合金チップは、熱衝撃に弱いので、ろう付けによって微小な亀裂が入る恐れがある。また、ろう付けによる残留応力で、使用中に欠損しやすく、ろう材層と超硬チップとの間の剥離も生じやすいという問題点もある。

例えば、超硬チップを台金にろう付けする場合、台金と超硬チップに同じ大きさの圧縮応力と引張応力が作用するが、超硬チップの材質が軟質である場合は、これを台金と超硬チップとが分担して吸収し、残りの応力がろう層に残って釣合がとれることになる。一方、超硬チップの材質が硬質である場合は、応力の吸収が少なくなるので、超硬チップが割れることにより釣合がとれることになる。このため、硬質の超硬チップを損傷せずにろう付けするのは困難である。このような問題に対処するため、あらかじめ超硬チップを小さく分割してろう付けすることも考えられているが、この場合はろう付け部分から脱落する等の欠陥が生じやすい。このように、超硬チップのろう付けには種々の問題がある。

つぎに、上記特許文献２に記載のものは、台金にあけた穴に材種の異なる複数のチップを段状に植設したもので、段状に重ねられた各チップの端部同士がろう付けされているものである。具体的には、円形の穴に丸棒状のチップを挿入している。しかしながら、この構成では、重ねられた各チップを同芯に配置してろう付けし、さらにこれを台金の穴底にろう付けして固定するか、圧入により固定するので、煩雑な手間が必要であり、各チップをろう付けして固定する場合は、亀裂や残留応力による問題が生じるおそれもある。

上記特許文献３及び特許文献４に記載のものは、特許文献１と同様に、複数の超硬チップをろう付けにより一体化したもので、これらも特許文献１に記載のものと同様な問題点を持っている。以上の他にも、パルス通電によって複数のチップ同士を固着する方法等が考えられているが、いずれも強度的な問題があり、掘削用ビットのような厳しい使用条件には適していない。

そこで、本発明は、上記従来公知の技術を改良し、ろう付けよりも強度が優れた接合方法を採用することにより、耐摩耗性と耐衝撃性を合わせ備えた超硬チップを作製し、これを刃体とした高寿命の掘削用ビットを提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は次のような構成とした。すなわち、本発明に係る掘削用ビットは、鋼製シャンクの先端部に超硬チップを固着してなる掘削用ビットであって、前記超硬チップが、互いに組成の異なる複数種の超硬チップを当該超硬チップのバインダー金属中に浸透する接合材を介して接合一体化した積層超硬チップであることを特徴としている。

上記超硬チップとしては、ＷＣ−Ｃｏ合金を用いるのが好ましい。また、超硬チップ同士を接合する接合材としては、当該超硬合金のマトリクスを形成するバインダー金属が好ましく、なかでもコバルトを用いるのがより好ましい。

本発明に係る掘削用ビットは、その刃先に材種の異なる複数のチップを積層固着した積層超硬チップを刃体として固着したものであるから、積層するチップの材種の選択により、耐摩耗性と耐衝撃性を合わせ備えたものとすることが可能である。また、ろう付けではなく、接合材として超硬合金で使用されるバインダー金属を用いてチップ同士を固着するので、ろう付けでチップ同士を固着する場合に比べて強度的にすぐれ、残留応力による亀裂発生等の問題も生じにくい。さらに、チップ同士の固着は、電気炉等の加熱装置を用いて行うことができるので、ろう付け作業等の煩雑な手間が不要であり、安定した固着を行うことができる。

以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。図１は、掘削用ビットの１種であるカッタービットを表すもので、このビット１は、鋼材で作られたシャンク（台金）２の先端部に刃体として積層超硬チップ３が固着されている。積層超硬チップ３は、シャンク２の先端部に形成した段状の切欠凹部２ａに嵌め込んだ状態で底面と後面がシャンク２にろう付けされている。この図示例では、積層超硬チップ３が平面視で３個並べて固着されているが、これは、シャンク２にろう付けしたときの各チップの残留応力を小さくするためであり、さらに多くのチップに分割して刃体を形成してもよく、刃体の寸法が小さい場合は１個又は２個のチップで刃体を構成してもよい。

図１に示す積層超硬チップ３の材種は、いずれもＷＣ−Ｃｏ系超硬合金であり、高硬度の超硬チップ３ａと、これよりも硬度の低い超硬チップ３ｂとを重ね合わせて接合一体化した２層構造のチップである。図１の実施形態においては、掘削用ビット１の刃先部に使用される超硬チップ３ａの材種は、ＪＩＳで規定されているＥ３種等、比較的硬度の高いＷＣ−Ｃｏ系超硬合金である。また、上記刃先部の超硬チップを支持する耐衝撃用の超硬チップ３ｂの材種は、ＪＩＳで規定されているＥ５種等、比較的靭性が高いＷＣ−Ｃｏ系超硬合金である。このように、材質の異なる複数種の超硬チップを積層一体化することにより、耐摩耗性と耐衝撃性を両立させることが可能である。

図１の例では、耐摩耗性が要求される掘削用ビット１の刃先部分に高硬度のチップ３ａを使用して切削性能と耐摩耗性を良好に保つとともに、高硬度のチップだけではろう付け性や耐衝撃性が低下するので、比較的硬度の低い高靭性のチップ３ｂをビット１の基部側に用いてろう付け性と耐衝撃性を確保しているのである。逆に、上側（刃先側）の超硬チップを軟質のチップ３ｂとし、下側のチップを硬質のチップ３ａとすると、掘削開始時における衝撃に強く、掘削中に礫等に衝突した場合でも損傷しにくい。また、掘削が進行した後に衝突の危険がない作業条件において、上側のチップ３ｂが摩耗した後は、下側のチップ３ａにより長時間にわたって掘削することができる。

本発明では、上記のとおり、複数の超硬チップを重ね合わせて接合一体化する方法として、ろう付けではなく、超硬チップ同士の間に接合材５を挟んで真空炉等で加熱する方法を採用する点に特徴がある。すなわち、所望の性質を有する組成の超硬チップを複数個接合材を挟んで重ね合わせ、当該接合材の融点以上の温度に加熱することにより、該接合材をその両側の超硬チップのバインダー層（マトリクス）中に拡散浸透させる。これにより、両側の超硬チップが接合材層を介して接合一体化される。接合状態における接合材層の厚みは、０．１〜２ｍｍ程度とするのが好ましい（金属箔の使用可）。接合材層の厚みが大き過ぎるのは無駄であり、接合強度も低下する。なお、図１の実施形態では、２個の超硬チップを接合一体化しているが、３個以上の超硬チップの場合も同様に接合材を挟んで加熱することにより接合することができる。

上記接合材５としては、超硬合金で炭化物粒子を保持するために使用されるバインダー金属、例えばコバルト、ニッケル、鉄等を使用することができる。この接合材５は、加熱により溶融して超硬合金のマトリクス中に浸透して行くものであるから、接合する超硬チップに用いられているバインダー金属と同種のものを使用するが好ましい。図示例の場合は、超硬チップの材種がＷＣ−Ｃｏ系超硬合金であるから、接合材５としてコバルトを使用するのが好ましい。

参考までに、接合により得られた積層超硬チップの靭性を調べるため、ＪＩＳに規定されているテストピースを切り出し、接合部を中央に配置して３点折り曲げによる抗折力を調べたところ、Ｅ３種のチップとＥ５種のチップを接合したものでは、抗折力が２９１３Ｎ／ｍｍ² 〜３００７Ｎ／ｍｍ² であった。これに対し、単体の抗折力が３０００Ｎ／ｍｍ² の超硬チップ同士を従来のようなろう付けで接合したテストピースの抗折力は、ろう付け部の強度が弱いため、８３０〜１１００Ｎ／ｍｍ² であった。本発明におけるように、超硬合金のバインダー金属を結合材として超硬チップを接合した場合に、従来のろう付け法よりも優れた強度が得られることがわかる。

つぎに、図２に記載の掘削用ビット１は、図１と同様に平面視で３個の超硬チップを並べて刃先が構成されているが、各チップは側面視で示されているように、先端側（前側）Ｓと基部側（後側）Ｋとに分割され、接合材で接合一体化されている。上下に重ね合わせてはいない。接合面は、傾斜面Ｔとなっており、各チップの厚みが小さくても、上面と垂直の面で接合する場合に比べて接合面積が広くなるので、接合強度が大きくなっている。この構成において、先端側のチップＳを軟質の超硬チップ３ｂとし、基部側のチップＫを硬質のチップ３ａとすると、掘削スタート（発進）時に礫等と衝突の危険がある場合に有利である。先端側のチップＳの大きさは、掘削すべき距離によって調節すればよい。逆に、先端側のチップＳを硬質の超硬チップ３ａとし、基部側のチップＫを軟質チップ３ｂとすると、掘削スタート時に衝突の危険が無く、掘進が進行した場合に衝突の危険がある場合に有利である。

図３は、複数の積層超硬チップを間隔をおいて配置した例を表す。図示例のビットは、先端側Ｓに硬質のチップ３ａを配置し、基部側Ｋに軟質のチップ３ｂを配置していて、両者は接合材で一体化されている。この場合も、掘削スタート（発進）時に衝突の危険が無く、後に衝突の危険がある場合に有利である。逆に、先端側Ｓに軟質のチップ３ｂを配置し、基部側Ｋに硬質のチップ３ａを配置しておくと、発進時に衝突の危険があり、後は衝突の危険が無いと予測される場合に有利である。

図４の実施形態は、先端側のチップ３ａと基部側のチップ３ｂとを傾斜した接合面で接合した以外は図３の図示例と同じである。この場合は、接合面積が大きくなるので、比較的大きな接合強度がえられる。図５は、さらに、間隔をおいて配置された複数の超硬チップ３のうち、硬質の超硬チップ３ａのまわりを軟質の超硬チップ３ｂで囲んだ例を表す。この例でも、発進時に衝突の危険があり、掘進が進むと衝突の危険が無い場合に有利である。

以上に説明したように、本発明に係る掘削用ビットは、刃体となる超硬チップが、複数の異種の超硬チップを当該超硬チップのバインダー金属中に浸透する接合材により接合一体化した積層超硬チップであるから、耐摩耗性と靭性を兼ね合わせたものとすることができ、掘削中に地盤の条件が変化する場合にもうまく適応することが可能となった。

本発明に係る掘削用ビットは、例えばトンネル掘削用カッタービットの刃体等として効果的に使用することができる。

本発明に係る掘削用ビットの１例を表す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。上記と異なる掘削用ビットの平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。さらに異なる掘削用ビットの平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。さらに異なる掘削用ビットの平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。さらに異なる掘削用ビットのの平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。

符号の説明

１掘削用ビット
２シャンク
３超硬チップ
５接合材

Claims

鋼製シャンクの先端部に超硬チップを固着してなる掘削用ビットであって、前記超硬チップが、互いに組成の異なる複数種の超硬チップを当該超硬チップのバインダー金属中に浸透する接合材を介して接合一体化した積層超硬チップであることを特徴とする掘削用ビット。
積層超硬チップを構成する超硬チップの組成がＷＣ−Ｃｏ系超硬合金であり、接合材がコバルトである請求項１に記載の積層超硬チップ。