JP3942127B2

JP3942127B2 - Drilling tool having excellent breaking strength with brazed portion of cutting edge piece

Info

Publication number: JP3942127B2
Application number: JP16939098A
Authority: JP
Inventors: 克彦森; 忠一大橋; 照義棚瀬
Original assignee: Japan Oil Gas and Metals National Corp
Current assignee: Japan Oil Gas and Metals National Corp
Priority date: 1998-06-17
Filing date: 1998-06-17
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2018-06-17
Also published as: JP2000000686A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、焼結ダイヤモンド製切刃片（以下、ダイヤ切刃片と云う）の炭化タングステン基超硬合金製ポスト（以下、超硬ポストと云う）に対するろう付け部がすぐれた破断強度を有し、したがって高速掘削などの苛酷な条件下での掘削に際しても前記ダイヤ切刃片のろう付け部に破断の発生なく、長期に亘ってすぐれた掘削性能を発揮する掘削工具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、図１（ａ）および（ｂ）にそれぞれ概略斜視図および概略正面図で示される通り、合金鋼製ビット本体の先端面に、複数の超硬ポスト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ダイヤ切刃片が、例えば特開平９−１１０５４１号公報および特開平９−１１０５４２号公報に記載される通り、重量％で（以下、％は重量％を示す）、Ａｇ−１０〜３０％Ｃｕ−２〜８％Ｔｉ−０．５〜４％Ｚｒの組成を有するＡｇ合金ろう材や、Ｃｕ−０．５〜１０％Ｔｉの組成を有するＣｕ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用いられていることは良く知られるところである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の石油はじめ、各種の掘削装置の高性能化および高出力化はめざましく、かつ掘削作業の省エネ化および省力化に対する要求も強く、これに伴ない、掘削作業は、高速化の傾向にあるが、上記の従来掘削工具はじめ、多くの掘削工具の場合、特にこれを構成するダイヤ切刃片の超硬ポストに対するろう付け部の破断強度が不十分であるために、前記ダイヤ切刃片に断続的高負荷が速いピッチでかかる高速掘削では前記ダイヤ切刃片のろう付け部が破断し易く、この部分で剥離が発生し、比較的短時間で使用寿命に至るものである。
【０００４】
【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、上記の従来掘削工具に着目し、ダイヤ切刃片の超硬ポストに対するろう付け部の破断強度の向上をはかるべく研究を行なった結果、ダイヤ切刃片を、
Ｃｕ：２０〜４０％、Ｔｉ：０．５〜１０％、
を含有し、残りがＡｕと不可避不純物からなる組成を有するＡｕ合金ろう材を用いて、超硬ポストに直接ろう付けすると、前記ダイヤ切刃片と前記超硬ポストのろう付け部は著しく高い破断強度をもつようになり、したがってこの結果の掘削工具は、これを高速掘削に用いても前記ダイヤ切刃片と前記超硬ポストのろう付け部が破断するすることはなく、すぐれた掘削性能を長期に亘って発揮するという研究結果を得たのである。
【０００５】
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ダイヤ切刃片が直接ろう付けされた構造の掘削工具において、
上記ダイヤ切刃片の上記超硬ポストへのろう付け用ろう材を、
Ｃｕ：２０〜４０％、Ｔｉ：０．５〜１０％、
を含有し、残りがＡｕと不可避不純物からなる組成を有するＡｕ合金ろう材で構成してなる、ダイヤ切刃片のろう付け部がすぐれた破断強度を有する掘削工具に特徴を有するものである。
【０００６】
つぎに、この発明の掘削工具において、これを構成するＡｕ合金ろう材の成分組成を上記の通りに限定した理由を説明する。
（ａ）Ｃｕ
Ｃｕ成分には、ろう付け部の破断強度を著しく向上させるほか、ろう材の融点を下げ、もって流動性を増して、ろう付け性を向上させる作用があるが、その含有量が２０％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方その含有量が４０％を越えると、ろう付け部の破断強度に低下傾向が現れるようになることから、その含有量を２０〜４０％、望ましくは２５〜３５％と定めた。
【０００７】
（ｂ）Ｔｉ
Ｔｉ成分には、特にダイヤ切刃片に対するぬれ性を一段と向上させ、もってダイヤ切刃片と超硬ポストの接合強度を向上させる作用があるが、その含有量が０．５％未満では前記作用に所望の効果が得られず、一方その含有量が１０％を越えると、特にダイヤ切刃片側に炭化チタン層およびＴｉ合金層を形成し、この部分での接合強度が低下するようになることから、その含有量を０．５〜１０％、望ましくは１〜５％と定めた。
【０００８】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の掘削工具を実施例により具体的に説明する。
原料粉末として、いずれも２〜３０μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するダイヤモンド粉末および各種の焼結助剤粉末を用意し、これら原料粉末を表１に示される配合割合に配合し、ボールミル中で７２時間混合した後、この混合粉末を１ｔｏｎ／ｃｍ² の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体をＴａカプセルに封入した状態で通常のベルト式超高圧焼結装置に装填し、圧力：８ＧＰａ、温度：２２００℃、保持時間：３０分の条件で焼結して、いずれも直径：１０ｍｍ×厚さ：１．５ｍｍの寸法をもった円形チップ形状の焼結体をそれぞれ１６個づつ形成し、これらの焼結体の表面をダイヤモンド砥石を用いて鏡面研磨した後、レーザーを用いて直径：８ｍｍに加工してダイヤ切刃片Ａ−１〜Ａ−１２をそれぞれ製造した。
【０００９】
また、原料粉末として、いずれも１〜３μｍの平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表２に示される配合組成に配合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥した後、１．５ｔｏｎ／ｃｍ² の圧力で圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を真空中、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：２４ｍｍの寸法並びに図１に示す形状を有する、それぞれが１６個の超硬ポストＢ−１〜Ｂ−１２を製造した。
【００１０】
さらに、通常の溶解法を用いて表３に示される成分組成をもった合金溶湯を調製し、いずれも通常の条件で、インゴットに鋳造し、熱間圧延と冷間圧延を施して厚さ：０．３５ｍｍの本発明掘削工具用ろう材Ｃ−１〜Ｃ−１２、および従来掘削工具用ろう材Ｃ−１３をそれぞれ製造した。
【００１１】
ついで、上記の１６個を１組としたダイヤ切刃片Ａ−１〜Ａ−１２のそれぞれを表４に示される組み合わせにおいて上記ろう材Ｃ−１〜Ｃ−１２を介して同じく１６個を１組とした超硬ポストＢ−１〜Ｂ−１２のそれぞれにセットし、１×１０^-3ｔｏｒｒの真空中、９５０℃に５分間保持の条件でろう付け接合し、さらにこのようにダイヤ切刃片をろう付けした１６個の超硬ポストを、図１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本発明掘削工具１〜１２および従来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：１０１０ｋｇ／ｃｍ²の圧縮強度および７５のショア硬さを有する安山岩、
掘削速度：４５ｃｍ／ｍｉｎ、
給水量：９０ｌ／ｍｉｎ、
回転速度：１５０ｒ．ｐ．ｍ．、
給圧：５００ｋｇ／ビット、
の条件で高速掘削試験を行ない、使用寿命に至るまでの掘削長をそれぞれ測定した。これらの測定結果を表４に示した。また、表４にはダイヤ切刃片と超硬ポストのろう付け部の破断強度（超硬ポスト：１６個の平均値）を示した。
【００１３】
【表１】

【００１４】
【表２】

【００１５】
【表３】

【００１６】
【表４】

【００１７】
【発明の効果】
表４に示される結果から、本発明掘削工具１〜１２は、いずれもダイヤ切刃片と超硬ポストのろう付け部が上記組成のＡｕ合金ろう材の使用によって著しく高い破断強度をもつようになるので、苛酷な条件での掘削作業となる高速掘削でも、前記ろう付け部に破断の発生なく、すぐれた掘削性能を長期に亘って発揮するのに対して、従来掘削工具は、前記ろう付け部の破断強度が相対的に低いために掘削開始後短時間で前記ろう付け部に破断が発生し、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は、ダイヤ切刃片と超硬ポストのろう付け部が高い破断強度を有するので、通常の条件での掘削作業は勿論のこと、これを高速で行ってもダイヤ切刃片は超硬ポストに強固に接合し、長期に亘ってすぐれた掘削性能を発揮するものであり、掘削作業の省エネ化および省力化に十分満足に対応するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】掘削工具を示す概略斜視図（ａ）およびダイヤ切刃片付き超硬ポストの概略正面図（ｂ）である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention has an excellent breaking strength with a brazed portion of a sintered diamond cutting blade piece (hereinafter referred to as a diamond cutting blade piece) to a tungsten carbide based cemented carbide post (hereinafter referred to as a carbide post). Therefore, the present invention relates to an excavation tool that exhibits excellent excavation performance over a long period of time without causing breakage in the brazed portion of the diamond cutting blade piece even during excavation under severe conditions such as high-speed excavation.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in general, for example, in drilling of oil or the like, a plurality of carbide posts are provided on the tip surface of a bit body made of alloy steel, as shown in a schematic perspective view and a schematic front view in FIGS. A diamond cutting blade piece is fixed to each of the front side surfaces of the carbide post by a means such as brazing or shrink fitting in a predetermined arrangement, for example, in Japanese Patent Laid-Open Nos. 9-110541 and 9-110542. As described, the Ag alloy brazing material having a composition of Ag-10 to 30% Cu-2 to 8% Ti-0.5 to 4% Zr in wt% (hereinafter,% represents wt%), It is well known that excavation tools having a structure brazed directly using a Cu alloy brazing material having a composition of Cu-0.5 to 10% Ti are used.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, the performance and output of various types of drilling equipment such as oil in recent years are remarkable, and there is a strong demand for energy saving and labor saving of drilling work. However, in the case of many excavation tools such as the conventional excavation tool described above, the diamond cutting blade piece is particularly insufficient because the breaking strength of the brazed portion of the diamond cutting blade piece constituting the braided portion with the carbide post is insufficient. In high-speed excavation where intermittent high loads are applied at a high pitch, the brazed portion of the diamond cutting blade piece is easily broken, and peeling occurs at this portion, resulting in a service life in a relatively short time.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present inventors, from the above viewpoint, paying attention to the conventional excavation tool, as a result of conducting research to improve the breaking strength of the brazed portion with respect to the carbide post of the diamond cutting blade piece, Diamond cutting piece
Cu: 20 to 40%, Ti: 0.5 to 10%,
When brazing directly to a cemented carbide post using an Au alloy brazing material containing the remainder consisting of Au and inevitable impurities, the diamond cutting blade piece and the brazed portion of the cemented carbide post have a significantly high fracture. Therefore, the resulting drilling tool does not break the brazed portion of the diamond cutting blade piece and the carbide post even when used for high-speed drilling, and has excellent drilling performance. The research result that it was demonstrated over a long period of time was obtained.
[0005]
The present invention has been made based on the above research results, and a plurality of cemented carbide posts are fixed in a predetermined arrangement on the tip surface of the alloy steel bit body, and each of the front side surfaces of the cemented carbide posts is provided. In an excavation tool with a structure in which diamond cutting pieces are brazed directly,
A brazing material for brazing the diamond cutting blade piece to the carbide post,
Cu: 20 to 40%, Ti: 0.5 to 10%,
And the remainder is made of an Au alloy brazing material having a composition consisting of Au and inevitable impurities, and the brazing portion of the diamond cutting blade piece is characterized by an excavation tool having excellent breaking strength.
[0006]
Next, the reason why the composition of the Au alloy brazing material constituting the excavation tool of the present invention is limited as described above will be described.
(A) Cu
In addition to significantly improving the breaking strength of the brazing part, the Cu component has the effect of lowering the melting point of the brazing material, thereby increasing the fluidity and improving the brazing property, but if its content is less than 20% The desired effect cannot be obtained in the above action, while if the content exceeds 40%, a tendency to decrease in the breaking strength of the brazed portion appears, so the content is preferably 20 to 40%, preferably It was set as 25 to 35%.
[0007]
(B) Ti
In particular, the Ti component has the effect of further improving the wettability with respect to the diamond cutting edge piece, thereby improving the bonding strength between the diamond cutting edge piece and the carbide post. However, when the content is less than 0.5%, the above action is obtained. On the other hand, if the content exceeds 10%, a titanium carbide layer and a Ti alloy layer are formed particularly on the diamond cutting edge side, and the bonding strength at this portion is lowered. Therefore, the content was determined to be 0.5 to 10%, desirably 1 to 5%.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the excavation tool of the present invention will be specifically described with reference to examples.
As the raw material powder, diamond powder having a predetermined average particle diameter in the range of 2 to 30 μm and various sintering aid powders are prepared, and these raw material powders are blended in the blending ratios shown in Table 1, After mixing for 72 hours, the powder mixture was press-molded into a green compact at a pressure of 1 ton / cm ² , and the green compact was sealed in a Ta capsule and loaded into a normal belt-type ultra-high pressure sintering machine. Then, sintering was performed under the conditions of pressure: 8 GPa, temperature: 2200 ° C., holding time: 30 minutes, and each of the circular chip-shaped sintered bodies having the dimensions of diameter: 10 mm × thickness: 1.5 mm. After forming 16 pieces each, the surface of these sintered bodies was mirror-polished using a diamond grindstone, and then processed to a diameter of 8 mm using a laser to produce diamond cutting pieces A-1 to A-12, respectively. .
[0009]
Moreover, as raw material powders, WC powder, TiC powder, ZrC powder, VC powder, TaC powder, NbC powder, Cr ₃ C ₂ powder, TiN powder, TaN powder, and Co powder all have an average particle diameter of 1 to 3 μm. These raw material powders are blended in the blending composition shown in Table 2, wet mixed by a ball mill for 72 hours, dried, and then pressed into a green compact at a pressure of 1.5 ton / cm ^2. By sintering the green compact under vacuum at a temperature of 1400 ° C. for 1 hour, all of them have the maximum diameter: 15 mm × bottom diameter: 13 mm × length: 24 mm and the shape shown in FIG. , Each produced 16 cemented carbide posts B-1 to B-12.
[0010]
Furthermore, a molten alloy having the component composition shown in Table 3 was prepared using a normal melting method, both of which were cast into an ingot under normal conditions, and subjected to hot rolling and cold rolling to obtain a thickness: The brazing materials C-1 to C-12 for the present excavating tool and the conventional brazing material C-13 for the excavating tool of 0.35 mm were manufactured, respectively.
[0011]
Next, each of the 16 cutting blade pieces A-1 to A-12, each of which is a set of the above 16 pieces, is combined into the combination shown in Table 4, and the 16 pieces are also set to 1 through the brazing materials C-1 to C-12. Set in each of the cemented carbide posts B-1 to B-12, brazed and joined in a vacuum of 1 × 10 ⁻³ torr at 950 ° C. for 5 minutes, and in this way a diamond cutting blade Depth of 16 carbide posts brazed with pieces arranged in a cruciform shape on the tip surface of a bit body made of alloy steel specified in JIS / SCH415 as shown in FIG. Length: Fit into each of 16 total recesses of 8 mm, sandwiching a brazing material having a composition of Cu-40% Ag-6% Sn-2% Ni and a thickness of 0.35 mm, and an Ar gas atmosphere Medium, at 800 ° C for 5 minutes The present invention cutting tools 1 to 12 and a conventional drilling tool was produced respectively by attaching cormorants.
[0012]
Next, about the various drilling tools obtained as a result,
Drilling material: andesite with a compressive strength of 1010 kg / cm ² and a Shore hardness of 75,
Excavation speed: 45cm / min,
Water supply amount: 90 l / min,
Rotational speed: 150 r. p. m. ,
Supply pressure: 500 kg / bit,
The high-speed drilling test was conducted under the conditions described above, and the drilling length until the service life was measured. These measurement results are shown in Table 4. Table 4 shows the breaking strength of the brazed portion between the diamond cutting blade piece and the carbide post (carbide post: average value of 16 pieces).
[0013]
[Table 1]

[0014]
[Table 2]

[0015]
[Table 3]

[0016]
[Table 4]

[0017]
【The invention's effect】
From the results shown in Table 4, in the drilling tools 1 to 12 of the present invention, the brazed portion of the diamond cutting blade piece and the carbide post has a remarkably high breaking strength due to the use of the Au alloy brazing material having the above composition. Therefore, even in high-speed drilling, which is a drilling operation under severe conditions, the brazed portion exhibits no excavation performance over a long period of time without breakage. It is clear that the brazing part breaks in a short time after the start of excavation because the breaking strength of the part is relatively low, leading to a service life.
As described above, in the excavation tool of the present invention, the brazed portion of the diamond cutting blade piece and the carbide post has a high breaking strength, so that the excavation work under normal conditions is performed at a high speed. The diamond cutting piece is firmly joined to the carbide post and exhibits excellent excavation performance over a long period of time, and is sufficiently satisfactory for energy saving and labor saving of excavation work.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view (a) showing an excavation tool and a schematic front view (b) of a carbide post with a diamond cutting blade piece.

Claims

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焼結ダイヤモンド製切刃片が直接ろう付けされた構造の掘削工具において、
上記切刃片の上記ポストへのろう付け用ろう材を、重量％で、
Ｃｕ：２０〜４０％、Ｔｉ：０．５〜１０％、
を含有し、残りがＡｕと不可避不純物からなる組成を有するＡｕ合金ろう材で構成したことを特徴とする切刃片のろう付け部がすぐれた破断強度を有する掘削工具。A plurality of tungsten carbide base cemented carbide posts are fixed in a predetermined arrangement on the tip surface of the alloy steel bit body, and a sintered diamond cutting blade piece is brazed directly to each of the front side surfaces of the posts. In drilling tools,
The brazing material for brazing the cutting blade piece to the post in weight%,
Cu: 20 to 40%, Ti: 0.5 to 10%,
An excavation tool having an excellent breaking strength with a brazed portion of a cutting blade piece, characterized in that the brazing portion of the cutting blade piece is made of an Au alloy brazing material having a composition containing Au and inevitable impurities.