▶ サンドヴィック マイニング アンド コンストラクション ツールズ アクティエボラーグの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-08-02
(45)【発行日】2024-08-13
(54)【発明の名称】採鉱用超硬合金インサート内での結合剤の再分配
(51)【国際特許分類】
C22C 29/08 20060101AFI20240805BHJP
B23B 27/14 20060101ALI20240805BHJP
E21B 10/52 20060101ALI20240805BHJP
C22C 1/051 20230101ALI20240805BHJP
B22F 1/00 20220101ALI20240805BHJP
B22F 3/10 20060101ALI20240805BHJP
B22F 3/24 20060101ALI20240805BHJP
【ＦＩ】
C22C29/08
B23B27/14 B
E21B10/52
C22C1/051 G
B22F1/00 Q
B22F3/10 H
B22F3/24 D
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2021524270
(86)(22)【出願日】2019-11-06
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-02-07
(86)【国際出願番号】 EP2019080305
(87)【国際公開番号】W WO2020099197
(87)【国際公開日】2020-05-22
【審査請求日】2022-09-06
(31)【優先権主張番号】18206093.9
(32)【優先日】2018-11-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(73)【特許権者】
【識別番号】520344785
【氏名又は名称】サンドヴィック マイニング アンド コンストラクション ツールズ アクティエボラーグ
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】リリヤ， ミルジャム
(72)【発明者】
【氏名】アルバニティディス， イオアンニス
【審査官】池ノ谷 秀行
(56)【参考文献】
【文献】米国特許第０５６２３７２３（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開平０５－１７１３３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／０６０１２５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開昭５２－１１０２０９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２２Ｆ １／００－１２／９０
Ｃ２２Ｃ １／０４－１／０５９
Ｃ２２Ｃ ２９／０８
Ｂ２３Ｂ ２７／１４
Ｅ２１Ｂ １０／５２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＷＣ硬質相成分、場合によって１種または複数のさらなる硬質相成分、および結合剤を含む採鉱用超硬合金インサートの結合相を再分配させる方法であって、ａ）未処理の採鉱用超硬合金インサートを準備する工程と、
ｂ）金属酸化物または金属炭酸塩から選択される少なくとも１種の結合剤プラーを、採鉱用超硬合金インサートの表面に塗布する工程と、
ｃ）未処理の採鉱用超硬合金インサートを焼結する工程と、
を含み、金属酸化物または金属炭酸塩が、採鉱用インサートの最上部における未処理の超硬合金の表面の局所的領域に、液体分散体またはスラリーの形態で塗布されることを特徴とし、
焼結後、採鉱用超硬合金インサートが「高エネルギー転動」プロセスで処理され、転動後、均一な採鉱用超硬合金インサートが、ΔＨＶ３％≧９．７２－０．００５４３＊ＨＶ３バルクとなるように変形硬化する、方法。
【請求項2】
結合剤プラーがＣｒ２Ｏ３である、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
工程ｂ）とｃ）との間に、金属カーバイド、炭素粉末またはこれらの混合物から選択される少なくとも１種の結合剤プッシャーを、採鉱用超硬合金インサートの表面上の少なくとも１つの異なる局所的領域に塗布する工程
をさらに含む、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項4】
結合剤プラーおよび結合剤プッシャーが未処理の採鉱用超硬合金インサートの表面の実質的に対向する局所的領域に塗布される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項5】
結合剤プラーおよび結合剤プッシャーが対称的に塗布される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
結合剤プラーおよび結合剤プッシャーが非対称的に塗布される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項7】
１種または複数の硬質相成分および結合剤を含む採鉱用超硬合金インサートであって、採鉱用超硬合金インサートの表面の第１の部分から表面の第２の部分まで硬度勾配が存在し、表面の第１の部分が表面の第２の部分に実質的に対向していることによって、焼結後、－表面の第１の部分が、表面の第２の部分より３０ＨＶ３だけ柔軟～８０ＨＶ３だけ硬質であり、
－表面の第１の部分がバルクより５～１２０ＨＶ３だけ硬質であり、
－表面の第２の部分がバルクより２０ＨＶ３～７０ＨＶ３だけ硬質である
ことを特徴とし、
極小値濃度（％結合剤－ｍｉｎ）が、採鉱用超硬合金インサート内で、焼結した採鉱用超硬合金インサートの全高に対するパーセンテージで、表面の第１の部分から０．５－１０ｍｍの深さにある、採鉱用超硬合金インサート。
【請求項8】
採鉱用超硬合金インサート内で、最大結合剤濃度（％結合剤－ｍａｘ）が極小値濃度（％結合剤－ｍｉｎ）より２０％未満高い、請求項７に記載の採鉱用超硬合金インサート。
【請求項9】
％結合剤－ｍｉｎが、焼結した採鉱用超硬合金インサートの全高のパーセンテージで、表面の第１の部分から１～５０％の深さにある、請求項７または請求項８に記載の採鉱用超硬合金インサート。
【請求項10】
－第１の結合剤最大濃度（％結合剤－ｍａｘ１）が、表面の第１の部分に存在し、－第２の結合剤最大濃度（％結合剤－ｍａｘ２）が、焼結した採鉱用超硬合金インサートの全高のパーセンテージで、表面の第１の部分の１５～７５％の深さに存在する、
請求項７から９のいずれか一項に記載の採鉱用超硬合金インサート。
【請求項11】
第１のクロム最大濃度（％Ｃｒ－ｍａｘ１）が、表面の第１の部分に存在する、請求項７から１０のいずれか一項に記載の採鉱用超硬合金インサート。
【請求項12】
さらなる第２のクロム濃度最大（％Ｃｒ－ｍａｘ２）が、表面の第２の部分に存在し、－％Ｃｒ－ｍａｘ１＞％Ｃｒ－ｍａｘ２であり、
－クロム最小濃度（％Ｃｒ－ｍｉｎ）が、％Ｃｒ－ｍａｘ１～％Ｃｒ－ｍａｘ２の間に位置する、
請求項１１に記載の採鉱用超硬合金インサート。
【請求項13】
％Ｃｒ－ｍｉｎが、焼結した採鉱用超硬合金インサートの全高のパーセンテージで、表面の第１の部分から４０～９９％の深さにある、請求項１２に記載の採鉱用超硬合金インサート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、採鉱用超硬合金インサート内に結合剤を再分配させる方法、硬度勾配を有する採鉱用超硬合金インサートおよびその使用に関する。
【背景技術】
【0002】
超硬合金は、良好なレベルの強靱性と共に、高い弾性率、高い硬度、高い圧縮強度、高い耐摩耗性および耐摩擦性の独特な組合せを有する。したがって、超硬合金は採鉱用ツールなどの製品に共通して使用されている。一般的に、超硬合金の硬度および強靱性は、結合剤含有量および硬質相の粒子サイズを変化させることにより変更することができる。通常、より高い結合剤含有量は、超硬合金の強靱性を増加させるが、その硬度および耐摩耗性は低減する。より微細な硬質相粒子サイズは、より高い耐摩耗性を有する、より高い硬度の超硬合金をもたらすのに対して、粒子サイズの粗い硬質相はそれ程硬質ではないが、より高い耐衝撃性を有する。
【0003】
採鉱用超硬合金インサートの効率を最大限にするため、これら特性の組合せが所望され、製品の異なる部分の材料に対して異なる需要が存在する。例えば、削岩および鉱物切削用のインサートにおいて、不具合の危険性を最小化するより強靭な内部および耐摩耗性を最適化するより硬質な外部を有することが望ましい。
【0004】
ＷＯ２０１０／０５６１９１は、硬質相および結合相を含む超硬合金体を形成する方法であって、中間表面ゾーンの少なくとも１つの部分が本体の内部より低い平均結合剤含有量を有する方法を開示している。
【発明の概要】
【0005】
しかし、さらにより大きな硬度勾配を作り出すことができ、特定の用途に対して勾配を調整することができ、非対称の採鉱用超硬合金インサートにさえ適用することができる方法に対する必要性が依然として存在する。炭素含有量に関して化学量論的にバランスの取れた標準的カーバイド粉末から開始して、結合相を再分配することができる方法に対する必要性もまた存在する。
【0006】
これにより、本開示は、したがって、１種または複数の硬質相成分および結合剤を含む採鉱用超硬合金インサート内に結合相を再分配させる方法であって、
ａ）未処理の採鉱用超硬合金インサートを準備する工程と、
ｂ）金属酸化物または金属炭酸塩から選択される少なくとも１種の結合剤プラーを、未処理の採鉱用超硬合金インサートの表面に塗布する工程と、
ｃ）未処理の採鉱用超硬合金インサートを焼結する工程と、
を含み、金属酸化物または金属炭酸塩が未処理の採鉱用超硬合金インサートの表面の少なくとも１つの局所的領域のみに塗布されることを特徴とする、方法を提供する。
ａ）未処理の採鉱用超硬合金インサートを準備する工程と、
ｂ）金属酸化物または金属炭酸塩から選択される少なくとも１種の結合剤プラーを、未処理の採鉱用超硬合金インサートの表面に塗布する工程と、
ｃ）未処理の採鉱用超硬合金インサートを焼結する工程と、
を含み、金属酸化物または金属炭酸塩が未処理の採鉱用超硬合金インサートの表面の少なくとも１つの局所的領域のみに塗布されることを特徴とする、方法を提供する。
【0007】
本方法は、結合剤を、調整された、最も良好な方式で再分配して、採鉱用超硬合金インサートに最適な機能性を得ることを可能にする。例えば、異なる用途に対して特定の硬度プロファイルを作り出すことができる。
【0008】
さらに、本開示は、１種または複数の硬質相成分および結合剤を含む採鉱用超硬合金インサートであって、採鉱用超硬合金インサートの表面の第１の部分から表面の第２の部分まで硬度勾配が存在し、表面の第１の部分が表面の第２の部分に実質的に対向していることによって、
－表面の第１の部分が、表面の第２の部分より３０ＨＶ３だけ柔軟～８０ＨＶ３だけ硬質であり、
－表面の第１の部分がバルクより５～１２０ＨＶ３だけ硬質であり、
－表面の第２の部分がバルクより２０ＨＶ３～７０ＨＶ３だけ硬質である
ことを特徴とする、採鉱用超硬合金インサートに関する。
－表面の第１の部分が、表面の第２の部分より３０ＨＶ３だけ柔軟～８０ＨＶ３だけ硬質であり、
－表面の第１の部分がバルクより５～１２０ＨＶ３だけ硬質であり、
－表面の第２の部分がバルクより２０ＨＶ３～７０ＨＶ３だけ硬質である
ことを特徴とする、採鉱用超硬合金インサートに関する。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】対向する側に対称的に塗布された結合剤プラーおよび結合剤プッシャーを示すインサートの略図である。
【図2】対向する側に非対称的に塗布された結合剤プラーおよび結合剤プッシャーを示すインサートの略図である。
【図3】実施例１で開示された試料Ａに対するＨＶ３恒硬度プロットである。
【図4】実施例１で開示された試料Ｂに対するＨＶ３恒硬度プロットである。
【図5】実施例１で開示された試料Ｃに対するＨＶ３恒硬度プロットである。
【図6】実施例１で開示された試料Ｄに対するＨＶ３恒硬度プロットである。
【図7】実施例１で開示された試料Ｅに対するＨＶ３恒硬度プロットである。
【図8】実施例１で開示された試料Ｆに対するＨＶ３恒硬度プロットである。
【図9】実施例１で開示された試料Ｇに対するＨＶ３恒硬度プロットである。
【図10】実施例１で開示された試料Ｈに対するＨＶ３恒硬度プロットである。
【図11】実施例１で開示された試料Ｉに対するＨＶ３恒硬度プロットである。
【図12】実施例１で開示された試料Ｊに対するＨＶ３恒硬度プロットである。
【図13】実施例１で開示された試料Ｋに対するＨＶ３恒硬度プロットである。
【図14】実施例１において結合剤プラーがどこに塗布されたか示すインサートの略図である。
【図15】実施例１で開示された試料Ａ、ＢおよびＣに対するＨＶ３中心線硬度プロファイルである。
【図16】実施例１で開示された試料Ｄ、ＥおよびＦに対するＨＶ３中心線硬度プロファイルである。
【図17】実施例１で開示された試料Ｇ、ＨおよびＩに対するＨＶ３中心線硬度プロファイルである。
【図18】実施例１で開示された試料ＪおよびＫに対するＨＶ３中心線硬度プロファイルである。
【図19】結合剤プラーおよび結合剤プッシャーが非対称的に塗布された実施例２に対するＨＶ５恒硬度プロットである。
【図20】振り子ハンマー試験に対する設定の略図である。
【図21】試料ＤおよびＧに対して実施例５で考察されたコバルト濃度プロファイルである。
【図22】試料ＤおよびＧに対して実施例５で考察されたクロム濃度プロファイルである。
【図23】実施例５試料ＤおよびＧに対して実施例５で考察されたＣｒ／Ｃｏ濃度プロファイル。
【図24】試料Ｋに対して実施例５で考察されたコバルト濃度プロファイルである。
【図25】試料Ｋに対して実施例５で考察されたクロム濃度プロファイルである。
【図26】フィールド試験の間測定された試料Ｃ、ＦおよびＩに対する掘削深さの関数として、インサート直径の変化を示すプロットである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
１つの態様によると、本開示は、ＷＣ硬質相、場合によって１種または複数のさらなる硬質相成分および結合剤を含む採鉱用超硬合金インサートの結合相を再分配させる方法であって、
ａ）未処理の採鉱用超硬合金インサートを準備する工程と、
ｂ）金属酸化物または金属炭酸塩から選択される少なくとも１種の結合剤プラーを、未処理の採鉱用超硬合金インサートの表面に塗布する工程と、
ｃ）未処理の採鉱用超硬合金インサートを焼結する工程と、
を含み、金属酸化物または金属炭酸塩が未処理の採鉱用超硬合金インサートの表面の少なくとも１つの局所的領域のみに塗布されることを特徴とする、方法に関する。
ａ）未処理の採鉱用超硬合金インサートを準備する工程と、
ｂ）金属酸化物または金属炭酸塩から選択される少なくとも１種の結合剤プラーを、未処理の採鉱用超硬合金インサートの表面に塗布する工程と、
ｃ）未処理の採鉱用超硬合金インサートを焼結する工程と、
を含み、金属酸化物または金属炭酸塩が未処理の採鉱用超硬合金インサートの表面の少なくとも１つの局所的領域のみに塗布されることを特徴とする、方法に関する。
【0011】
１種または複数のさらなる硬質相成分は、ＴａＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＮｂＣ、ＣｒＣから選択することができる。結合相はＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅまたはこれらの混合物から選択することができ、好ましくはＣｏおよび／またはＮｉであり、最も好ましくはＣｏであってよい。採鉱用カーバイドインサートは約４～約３０重量％、好ましくは約５～約１５重量％の適切な結合剤含有量を有する。採鉱用カーバイドインサートはまた、結晶微細化化合物を結合剤含有量の≦２０重量％の量で場合によって含んでもよい。結晶微細化化合物は、カーバイド、混合カーバイド、バナジウム、クロム、タンタルおよびニオブの炭窒化物または窒化物の群から適切に選択される。採鉱用カーバイドインサートの残りは、１種または複数の硬質相成分からできている。
【0012】
本方法の一実施形態では、採鉱用超硬合金インサートは、少なくとも８０重量％のＷＣ、好ましくは少なくとも９０重量％のＷＣを含む硬質相を含有する。
【0013】
本開示において、「未処理の（ｇｒｅｅｎ）」という用語は、硬質相成分および結合剤を一緒に粉砕し、次いで破砕紛体を加圧して、小型の採鉱用超硬合金インサートを形成することにより生成される採鉱用超硬合金インサートを指し、未だ焼結されていないものである。「結合剤プラー」という用語は、採鉱用超硬合金インサートの表面に塗布された場合、焼結工程中、結合剤をその表面に向かって移動させる、すなわち、「結合剤プラー」が塗布された表面の方向に結合剤を引き寄せる物質を指す。結合剤プラーは炭素を局在的に消費し、これにより、結合剤を、正常な炭素レベルを有する領域から、炭素レベルが枯渇した局所的領域へと流動させることにより作用する。
【0014】
発明者らは、金属酸化物または金属炭酸塩から選択される結合剤プラーを、未処理の採鉱用超硬合金インサートの表面の少なくとも１つの局所的領域に塗布することにより、その炭素が、焼結中この領域で局在的に消費されて、炭素電位を形成することを見出した。これは、結合相を、正常またはより高いレベルの炭素を有する領域から、炭素レベルが枯渇した局所的領域へと移動させることを促進する。したがって、これによって採鉱用超硬合金インサートの表面の局所的領域上に結合剤が豊富な領域が形成される。結合剤プラーが塗布された未処理の採鉱用超硬合金インサートの表面は、「酸化物／炭酸塩ドープした」表面と呼ばれる。結合剤が豊富な領域および結合剤が枯渇した領域は、焼結後、それぞれ引張応力および圧縮応力がかかることは周知である。引張応力を導入することは通常好ましいことではない。しかし、発明者らは、遠心転動などの処理後、高レベルの圧縮応力が、転動した表面下少なくとも１ｍｍ未満の深さまで導入されて、存在する引張応力に反作用することができることを見出した。したがって、結合剤プラーを塗布する利点が、引張応力を導入するという有害な影響を受けることなく得られる。
【0015】
「未処理の採鉱用超硬合金インサートの表面上の少なくとも１つの局所的領域」とは、結合剤含有量を増加させる必要条件がどこにあるかに応じて、表面上の任意の位置、例えば、先端、底部または側面であってよい。結合剤プラーは、所望の作用が、強靱性または耐摩耗性の局所的増加を作り出すことであるかどうかに応じて、採鉱用超硬合金インサートの表面の１つまたは複数の局所的領域に塗布することができる。各「局所的領域」は、採鉱用超硬合金インサートの総表面積の０．５～８５％、好ましくは３～７５％であってよい。
【0016】
焼結温度は、適切には約１０００℃～約１７００℃、好ましくは約１２００℃～約１６００℃、最も好ましくは約１３００℃～約１５５０℃である。焼結時間は適切には約１５分間～約５時間、好ましくは約３０分間～約２時間である。
【0017】
本方法の一実施形態では、金属酸化物または金属炭酸塩である結合剤プラーは、Ｃｒ２Ｏ３、ＭｎＯ、ＭｎＯ２、ＭｏＯ２、Ｆｅ酸化物、ＮｉＯ、ＮｂＯ２、Ｖ２Ｏ３、ＭｎＣＯ３、ＦｅＣＯ３、ＣｏＣＯ３、ＮｉＣＯ３、ＣｕＣＯ３またはＡｇ２ＣＯ３から選択される。代わりに金属を未処理の採鉱用超硬合金インサートの表面に塗布することもまた可能であり、この場合、焼結工程中、加熱により酸化物を形成する。金属酸化物または金属炭酸塩の選択は、焼結後の超硬合金の特性、例えば、変形硬化、耐熱性および／または耐食性に影響を与え、必要とされる用途に最も適した選択を行うことができる。金属炭酸塩は、同等の金属酸化物が有毒であり、金属炭酸塩が有毒でない場合に選択される。本方法では、結合剤プラーが塗布される部分についての選択の自由度は高く、例えば、結合剤プラーは、酸化物または炭酸塩中の金属が超硬合金の耐摩耗性を改善するかしないかに応じて、カーバイドツールの摩耗ゾーンの中に塗布することも、または離れた所に塗布することもできる。
【0018】
本方法の一実施形態では、結合剤プラーはＣｒ２Ｏ３である。Ｃｒ２Ｏ３を結合剤プラーとして使用することは、クロム合金の豊富な表面層が形成され、この表面は転動処理に対する応答を増強するという利点を有する。したがって、より高い圧縮応力が導入され、採鉱用超硬合金インサートの摩耗特性は改善される。Ｃｒ３Ｏ２は、粒子精密化に貢献し、したがって、Ｃｒ３Ｏ２が塗布されたインサートの側面には減少した粒子サイズが測定される。
【0019】
金属酸化物または金属炭酸塩は、表面に約０．１～約１００ｍｇ／ｃｍ２の量で、好ましくは約１～約５０ｍｇ／ｃｍ２の量で適切に提供される。開始する超硬合金粉末ブレンドは、０．９５＜Ｃｏｍ／％Ｃｏ＜１と同等の炭素収支を適切に有するか、または酸化物もしくは炭酸塩の適用による炭素の減少を埋め合わせる過剰の炭素を有する。Ｃｏｍは、１００＊Ｓ、インサート／σＳ、コバルト［式中、σＳはＴｍ３／ｋｇで測定される重量特異的な飽和磁化であり、σＳ、コバルト＝２．０１Ｅ－４Ｔｍ３／ｋｇである］。Ｃｏｍは、Ｆｏｅｒｓｔｅｒ Ｋｏｅｒｚｉｍａｔ ＣＳ．１０９７単位で測定される。
【0020】
本方法の一実施形態では、結合剤プラーは採鉱用超硬合金インサートの最上部に塗布される。本方法の別の実施形態では、結合剤プラーは、採鉱用超硬合金インサートの側面に塗布される。したがって、採鉱用超硬合金インサートの特性は、用途に適合するよう調整できる。結合剤プラーはおそらく、最も高い摩耗に曝露される採鉱用超硬合金インサートの表面上の位置に塗布されるように選択される。
【0021】
一実施形態では、本方法は、工程ａ）とｂ）の間に、少なくとも１種の結合剤プッシャーを未処理の採鉱用超硬合金インサートの表面の少なくとも１つの異なる局所的領域に塗布する工程をさらに含む。本開示では、「結合剤プッシャー」という用語は、採鉱用カーバイドインサートの表面に塗布された場合、焼結工程中、結合剤をその表面から離れるように移動させる、すなわち結合剤を、「結合剤プッシャー」が塗布された表面から離れる方向に押し出す物質を指す。表面の少なくとも１つの局所的領域に塗布された結合剤プラーと、採鉱用超硬合金インサートの表面の少なくとも１つの異なる局所的領域に塗布された結合剤プッシャーとを組み合わせた用途とは、標準的に使用されている範囲内の、例えば、０．９５＜Ｃｏｍ／％Ｃｏ＜１の範囲内の炭素含有量を有する未処理の採鉱用超硬合金インサートが、標準的プロセスを使用して、したがって生産における効率を許容するように作製され得ることを意味する。好ましくは、移動は、インサートの表面に沿うというよりむしろインサートの深さに向けられる。
【0022】
本方法の一実施形態では、結合剤プッシャーは、金属カーバイド、炭素粉末、例えば、グラファイト、またはこれらの混合物から選択される。金属カーバイド、炭素粉末またはこれらの混合物の塗布は炭素勾配を作り出し、この炭素勾配は、それが塗布された表面から離れるようにコバルトを移動させ得る、すなわち結合剤は、この局所的領域の内部バルクに向かってカーバイドの表面から離れるように押し出される。金属カーバイドの選択は、塗布された局所的領域内での粒子の微粒化という追加の作用を有するのに対して、炭素粉末の選択は塗布された局所的領域内で粒子の成長を推進する作用を有する。作り出された粒子成長勾配において生じる差異は、結合剤勾配が硬度勾配にもたらす作用ほど有意なものではない。
【0023】
一実施形態では、結合剤プッシャーは金属カーバイドと炭素粉末の組合せである。金属カーバイドの炭素粉末に対する重量比は、約０．０５～約５０、好ましくは約０．１～約２５、より好ましくは約０．２～約１５、さらにより好ましくは約０．３～約１２、最も好ましくは約０．５～８が適切である。金属カーバイドは、約０．１～約１００ｍｇ／ｃｍ２の量で、好ましくは約１～約５０ｍｇ／ｃｍ２の量で表面上に適切に提供される。炭素粉末は、約０．１～約１００ｍｇ／ｃｍ２の量で、好ましくは約０．５～約５０ｍｇ／ｃｍ２の量で表面上に適切に提供される。
【0024】
グラファイトなどの炭素粉末のみが結合剤プッシャーとして選択された場合、これは、それが塗布された領域内の硬質相粒子の粗雑化をもたらす。これにより、作業している岩に曝露された採鉱用ボタン上のゾーン内の高い耐摩耗性と改善された熱伝導率との組合せ、およびこれらのゾーン後方の高い強靱性を達成することが可能となる。
【0025】
本方法の一実施形態では、金属カーバイドは、クロム、バナジウム、マグネシウム、鉄またはニッケルのカーバイド、好ましくはクロムのカーバイド、例えば、Ｃｒ３Ｃ２、Ｃｒ２３Ｃ６、Ｃｒ７Ｃ３から選択される。
【0026】
炭素粉末と組み合わせたＣｒ３Ｃ２などの金属カーバイドを選択することは有利である。これは、この組合せが、結合剤をドープした表面から移動させ、炭素の添加はＣｒ３Ｃ２の粒子微細化作用を阻止するからである。
【0027】
焼結中、未処理の採鉱用超硬合金インサートの表面に塗布された任意の金属カーバイドは実質的に溶解するはずである。
【0028】
本方法の一実施形態では、結合剤プラーおよび結合剤プッシャーは、採鉱用超硬合金インサートの表面の異なる局所的領域に塗布される。結合剤プラーおよび結合剤プッシャーを異なる局所的領域に塗布することにより、２つの表面の間に結合剤勾配が作り出される。この結合剤の勾配は、結合剤プッシャーが塗布された部分により硬質な、結合剤が枯渇した表面が形成され、結合剤プラーが塗布された部分により強靭な、結合剤が豊富な表面が形成されて、硬度勾配が作り出されたことを意味する。結合剤プラーおよび結合剤プッシャーを採鉱用超硬合金インサートの表面の異なる局所的領域に組み合わせて塗布することは、以前から公知の方法では十分に深い勾配を作り出せないような、より大きなカーバイド体において硬度勾配を作り出すために特に有用である。結合剤プラーは未処理の採鉱用超硬合金インサートの表面上の選択された領域に塗布することができ、結合剤プッシャーは未処理の採鉱用超硬合金インサートの表面上の異なる選択された領域に塗布することができる。結合剤プッシャーを摩耗ゾーンに配置して結合剤含有量を減少させ、したがってその領域の耐摩耗性を改善することができ、またはより高い熱伝導率を有することが好ましい場合にもその領域の耐摩耗性を改善することができる。結合剤プラーおよび結合剤プッシャーの局所的な塗布は、必要に応じた特性を有するカーバイド体を作り出すための独特な可能性を提示する。
【0029】
本方法を使用する別の利点は、表面の異なる領域の摩耗率が一様でない場合、セルフシャープニングゾーンを作り出すことができることである。すり減ったインサートと岩との間の接触圧は、接触領域が減少するので、先端がより鋭いほど増加する。均一な材料を用いると、摩耗により、摩耗した平坦面が形成され、この平坦面は多くの場合ダイヤモンド研削ツールを使用したリシャープニング（re-sharping)が必要となる。研削によるリシャープニングはコストがかかり、ドリルビットを取り外されなければならない。不均一な材料特性を有することにより、より速く摩耗するゾーンと、より遅く摩耗するゾーンとを有することが可能である。摩耗率が異なる領域を有する摩耗表面を有するように採鉱用インサートの材料特性を調整した場合、摩耗による平坦面の形成は回避され、結果的に、均一な材料を使用した場合と比較してより鋭い摩耗表面が作り出される。
【0030】
本方法の一実施形態では、結合剤プラーおよび結合剤プッシャーは、採鉱用超硬合金インサートの表面の実質的に対向する局所的領域に塗布される。
【0031】
一実施形態では、結合剤プラーおよび結合剤プッシャーを塗布する方法は、加圧、ディッピング、ペインティング、スプレー（空気ブラッシング）、スタンピングまたは３Ｄプリンティングから選択される。ディッピングはマスキングを用いて、または用いないで行うことができる。結合剤プラーおよび結合剤プッシャーは、液体分散体またはスラリーの形態で未処理の採鉱用超硬合金インサートの表面に塗布することができる。そのような場合、液相は、適切には、水、アルコールまたはポリマー、例えば、ポリエチレングリコールである。スラリーの濃度は、適切には液相中の粉末の５～５０重量％、例えば、１５～４０重量％である。この範囲は結合剤プラーまたはプッシャーの十分な作用が認識されるような有利なものである。粉末含有量が高すぎる場合、液体分散体またはスラリー内の目詰まりおよびランピングによる問題が存在し得る。代わりに、結合剤プラーおよび結合剤プッシャーは、例えば、適切な位置で、加圧型に粉末を加えることにより、固体物質として導入することができる。粉末は、硬質相粉末、例えばＷＣベースの粉末と混合することができる。結合剤プラーおよび結合剤プッシャーはまた、任意の他の適切な方式で、採鉱用超硬合金インサートに塗布することもできる。スラリーの組成および濃度ならびにそれを塗布する方式は、結合剤の再分配の制御に影響を及ぼし、したがって採鉱用超硬合金インサートの硬度プロファイルの制御を可能にする。
【0032】
本方法の一実施形態では、図１に示されている通り回転対称的に、結合剤プラーが表面の第１の部分（１０）に塗布され、結合剤プッシャーが表面の第２の部分（２０）に塗布される。
【0033】
本方法の一実施形態では、図２に示されている通り回転非対称的に、結合剤プラーが表面の第１の部分（１０）に塗布され、結合剤プッシャーが表面の第２の部分（２０）に塗布される。
【0034】
結合剤プラーおよび結合剤プッシャーが塗布された部分には可撓性が存在するので、これにより「摩耗ゾーン」の位置、すなわち最も増強された摩耗特性を有する表面上の位置を調整することが可能となる。例えば、摩耗ゾーンは、採鉱用超硬合金インサートと掘削されている岩との間の相互作用が最も高い場所に応じて、インサートの最上部または側面のいずれかであってよい。これは、それが使用される用途および岩ドリルビット上の採鉱用超硬合金インサートの位置に応じて変動する。
【0035】
採鉱用超硬合金インサートは高い圧縮荷重下に置かれる。結果的に、小さな亀裂により生じる表面クラッキングが、繰り返される断続的な高い荷重を介して危機的サイズまで成長することが、インサートの不具合の共通の原因である。圧縮応力の存在は亀裂の成長および材料の摩耗を阻止することができるので、圧縮応力をインサートの表面に導入することにより、この問題を減少させることができることは公知である。圧縮応力を採鉱用超硬合金インサートの表面に導入する公知の方法は、ショットピーニング、振動転動および遠心転動を含む。これらの方法はすべて本体の外面の機械的衝撃または変形に基づき、採鉱用超硬合金インサートの寿命を増加させる。
【0036】
本方法の一実施形態では、焼結後、採鉱用超硬合金インサートを転動プロセスで処理する。高レベルの圧縮応力をインサートに導入する後処理表面硬化に、採鉱用超硬合金インサートを供する。採鉱用インサートに対して、これは通常転動処理であり、遠心または振動であってよい。しかし、他の後処理表面硬化方法、例えばショットピーニングを使用することもできる。転動後、通常磁気保磁力（ｋＡ／ｍ）の増加を測定する。
【0037】
「標準的な」転動プロセスは通常、振動タンブラー、例えば、Ｒｅｎｉ Ｃｉｒｉｌｌｏ ＲＣ ６５０を使用して行い、この振動タンブラーで、約３０ｋｇインサートを５０Ｈｚで約４０分間転動させる。代替の典型的な「標準的」転動プロセスであれば、遠心タンブラー、例えば、最上部に密閉した蓋を有し、底部に回転ディスクを有するＥＲＢＡ－１２０を使用する。ディスク（Φ６００ｍｍ）が回転している間、抗酸化剤を有する冷却水が毎分５リットル連続的に送り込まれる。タングステンカーバイド媒体を加えて、タンブラーの荷重を増加させることもできる。回転により、インサートは他のインサートと、または加えた任意の媒体と衝突する。衝突およびスライディングは鋭い縁を除去し、歪み硬化を引き起こす。「標準的な」転動に対して、遠心タンブラーを使用した転動作業は通常、１２０ＲＰＭから、少なくとも２０分間作動させる。
【0038】
本方法の一実施形態では、転動プロセスは「高エネルギー転動」（ＨＥＴ）法である。より高いレベルの圧縮応力を採鉱用超硬合金インサートに導入するために、高エネルギー転動プロセスを使用することができる。タンブラーの種類、加える媒体の容量（もしある場合には）、処理時間およびプロセスの設定、例えば、遠心タンブラーに対するＲＰＭなどを含めて、ＨＥＴを導入するために使用することができる多くの可能な異なるプロセスの設定が存在する。したがって、ＨＥＴを定義する最も適当な方式は、「約２０ｇの質量を有する、ＷＣ－ＣＯからなる均一な採鉱用超硬合金インサートにおいて、特定の程度の変形硬化を導入する任意のプロセスの設定」という点からである。本開示では、ＨＥＴは、少なくとも以下の転動（ΔＨＶ３％）後、ＨＶ３を使用して測定される、硬度の変化を導入する転動処理と定義される：
ΔＨＶ３％＝９．７２－０．００５４３＊ＨＶ３バルク（方程式１）
ΔＨＶ３％＝１００＊（ＨＶ３０．３ｍｍ－ＨＶ３バルク）／ＨＶ３バルク（方程式２）
［式中、ＨＶ３バルクは採鉱用超硬合金インサートの最内側（中心）で測定した少なくとも３０個の圧痕点の平均であり、ＨＶ３０．３ｍｍは、採鉱用超硬合金インサートの転動した表面から０．３ｍｍ下の少なくとも３０個の圧痕点の平均である］。これは、均一な特性を有する採鉱用超硬合金インサートに対して行った測定に基づく。「均一な特性」とは、焼結後、表面ゾーンからバルクゾーンまでの硬度の差異が１％以下であることを意味する。均一な採鉱用超硬合金インサートに対して方程式（１）および（２）に記載された変形硬化を達成するために使用した転動パラメーターは、勾配特性を有する超硬合金体に適用される。
ΔＨＶ３％＝９．７２－０．００５４３＊ＨＶ３バルク（方程式１）
ΔＨＶ３％＝１００＊（ＨＶ３０．３ｍｍ－ＨＶ３バルク）／ＨＶ３バルク（方程式２）
［式中、ＨＶ３バルクは採鉱用超硬合金インサートの最内側（中心）で測定した少なくとも３０個の圧痕点の平均であり、ＨＶ３０．３ｍｍは、採鉱用超硬合金インサートの転動した表面から０．３ｍｍ下の少なくとも３０個の圧痕点の平均である］。これは、均一な特性を有する採鉱用超硬合金インサートに対して行った測定に基づく。「均一な特性」とは、焼結後、表面ゾーンからバルクゾーンまでの硬度の差異が１％以下であることを意味する。均一な採鉱用超硬合金インサートに対して方程式（１）および（２）に記載された変形硬化を達成するために使用した転動パラメーターは、勾配特性を有する超硬合金体に適用される。
【0039】
ＨＥＴ転動は、転動作業が、媒体を用いずに、もしくは転動しているインサートより大きなサイズの媒体を用いて実施された場合には約１５０ＲＰＭで作動する、または転動しているインサートより小さなサイズの媒体が使用された場合には約２００ＲＰＭで作動する、約６００ｍｍのディスクサイズを有するＥＲＢＡ１２０を使用して通常実施することができる。転動作業が、媒体を用いずに、もしくは転動しているインサートより大きなサイズの媒体を用いて実施された場合には約２００ＲＰＭで作動する、または転動しているインサートより小さなサイズの媒体が使用された場合には約２８０ＲＰＭで作動する、約３５０ｍｍのディスクサイズを有するＲｏｓｌｅｒタンブラーを使用して通常実施することができる。通常、パーツは少なくとも４０～６０分間転動させる。ＨＥＴから導入された圧縮応力は、結合剤が枯渇したゾーンに隣接する結合剤を豊富に含むゾーンのより高い熱膨張係数により形成された引張応力と反作用するので、ＨＥＴは、結合剤を豊富に含む表面ゾーンの使用を可能にする。
【0040】
本発明の別の態様は、１種または複数の硬質相成分および結合剤を含む採鉱用超硬合金インサートであって、採鉱用超硬合金インサートの表面の第１の部分から表面の第２の部分まで硬度勾配が存在し、表面の第１の部分が表面の第２の部分に実質的に対向していることによって、焼結後、
－表面の第１の部分が、表面の第２の部分より３０ＨＶ３だけ柔軟～８０ＨＶ３だけ硬質であり、
－表面の第１の部分がバルクより５～１２０ＨＶ３だけ硬質であり、
－表面の第２の部分がバルクより２０ＨＶ３～７０ＨＶ３だけ硬質である、
採鉱用超硬合金インサートに関する。
－表面の第１の部分が、表面の第２の部分より３０ＨＶ３だけ柔軟～８０ＨＶ３だけ硬質であり、
－表面の第１の部分がバルクより５～１２０ＨＶ３だけ硬質であり、
－表面の第２の部分がバルクより２０ＨＶ３～７０ＨＶ３だけ硬質である、
採鉱用超硬合金インサートに関する。
【0041】
硬度測定は、焼結後および任意の焼結後処理、例えば、転動の前に行う。
【0042】
一実施形態では、硬度勾配は、
－表面の第１の部分が表面の第２の部分より２％柔軟～＋６％硬質であり、
－表面の第１の部分がバルクより＋０．５～＋１０％だけ硬質であり、
－表面の第２の部分がバルクより＋０．３％～６％だけ硬質である
とする。
－表面の第１の部分が表面の第２の部分より２％柔軟～＋６％硬質であり、
－表面の第１の部分がバルクより＋０．５～＋１０％だけ硬質であり、
－表面の第２の部分がバルクより＋０．３％～６％だけ硬質である
とする。
【0043】
表面の第１の部分は、結合剤プラーが塗布されて、酸化物／炭酸塩ドープした表面を形成する表面である。表面の第２の部分は、結合剤プラーが塗布された部分に対向する表面（酸化物／炭酸塩ドープした表面に対向する側面）である。場合によっては、表面の第２の部分は、結合剤プッシャーが塗布されて、カーバイドドープした表面を形成する表面になってもよい。
【0044】
これは以下の表１にも示されている：
【0045】
「バルク」という用語は本明細書では、岩ドリルインサートの最内側の部分（中心）の超硬合金を意味し、本開示に対しては、最も低い硬度を有するゾーンである。
【0046】
Ｖｉｃｋｅｒｓ硬度マッピングを使用して、超硬合金インサートの硬度を測定する。超硬合金体を縦軸に沿って切断し、標準的な手順を使用して研磨する。次いで、３ｋｇ荷重でのＶｉｃｋｅｒｓ押込みを研磨された区域にわたり対称的に分配する。図３～１３および１６のひし形はＨＶ３の押込みの場所を示している。硬度測定は、Ｅｕｒｏ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ、ＵＫから発行されているＨＶ３テストブロックに対して較正したＫＢ Ｐｒｕｆｔｅｃｈｎｉｋ ＧｍｂＨ製のプログラミング可能な硬度テスター、ＫＢ３０Ｓを使用して実施する。硬度はＩＳＯ ＥＮ６５０７に従い測定する。
【0047】
ＨＶ３測定を以下の方式で行った：
－試料の縁をスキャニングする。
－試料の縁から特定された距離において圧痕を生成するよう硬度テスターをプログラミングする。
－すべてのプログラミングした座標において３ｋｇ荷重で圧痕を作る。
－コンピュータは、圧痕を有する各座標にステージを移動し、自動調節ライト、自動フォーカスを作動し、各圧痕のサイズを自動的に測定する。
－ユーザーは、フォーカスおよび結果を撹乱する他の物質について圧痕のすべての写真を検査する。
－試料の縁をスキャニングする。
－試料の縁から特定された距離において圧痕を生成するよう硬度テスターをプログラミングする。
－すべてのプログラミングした座標において３ｋｇ荷重で圧痕を作る。
－コンピュータは、圧痕を有する各座標にステージを移動し、自動調節ライト、自動フォーカスを作動し、各圧痕のサイズを自動的に測定する。
－ユーザーは、フォーカスおよび結果を撹乱する他の物質について圧痕のすべての写真を検査する。
【0048】
１０～４０個の圧痕を作り、酸化物／炭酸塩ドープした表面および酸化物／炭酸塩ドープした表面に対向する側面に対するＨＶ３測定を、表面から下の０．３～０．８ｍｍの距離において行い、次いで平均ＨＶ３測定値を計算した。バルクに対するＨＶ３測定は、研磨された区域の中心付近の最も低い硬度を有する位置において、約１．５～２ｍｍ２の領域にわたり行い、約１５～２０個の圧痕からの平均を取る。
【0049】
一実施形態では、採鉱用超硬合金インサート内で、最大濃度（％結合剤－ｍａｘ）が最小濃度（％結合剤－ｍｉｎ）より２０％未満高い。
【0050】
一実施形態では、％結合剤－ｍｉｎ（例えば、最小Ｃｏ濃度／％Ｃｏ－ｍｉｎ）は、焼結した採鉱用超硬合金インサートの全高に対するパーセンテージで、表面の第１の部分から１～５０％、好ましくは５～４０％の深さにある。％結合剤－ｍｉｎは通常、表面の第１の部分から０．５～１０ｍｍの深さ、好ましくは０．８～７ｍｍの深さにある。
【0051】
一実施形態では、結合剤濃度に２つのピークが存在する。１つは表面付近にあり、１つは採鉱用超硬合金インサートのバルクにある。第１の最大結合剤濃度（％結合剤－ｍａｘ１）（例えば％Ｃｏ－ｍａｘ１）は、表面の第１の部分（例えば、酸化物／炭酸塩ドープした表面）に存在し、第２の最大結合剤濃度（％結合剤－ｍａｘ２）（例えば％Ｃｏ－ｍａｘ２）は、採鉱用超硬合金インサートの全高のパーセンテージで、表面の第１の部分（例えば、酸化物／炭酸塩ドープした表面）から１５～７５％、好ましくは２０～６５％の深さに存在する。一実施形態では、％結合剤－ｍａｘ１≧％結合剤－ｍａｘ２である。代替の実施形態では、％結合剤－ｍａｘ１≦％結合剤－ｍａｘ２である。％結合剤－ｍａｘ２は通常、表面の第１の部分から２～１５ｍｍ、好ましくは４～２ｍｍにある。％結合剤－ｍｉｎと％結合剤－ｍａｘ２の高さの差異は通常１．５～１２ｍｍ、好ましくは２．５～１０ｍｍである。
【0052】
一実施形態では、第１のクロム濃度最大（％Ｃｒ－ｍａｘ１）は、表面の第１の部分（例えば、酸化物／炭酸塩ドープした表面）に存在する。一実施形態では、さらに第２のクロム濃度最大（％Ｃｒ－ｍａｘ２）は、表面の第２の部分（例えば、酸化物／炭酸塩ドープした表面に対向する表面）に存在し、％Ｃｒ－ｍａｘ１＞％Ｃｒ－ｍａｘ２である。クロム最小濃度（％Ｃｒ－ｍｉｎ）は、採鉱用超硬合金インサートのバルク内、％Ｃｒ－ｍａｘ１～％Ｃｒ－ｍａｘ２の間に位置する。％Ｃｒ－ｍｉｎは好ましくは、焼結した採鉱用超硬合金インサートの全高のパーセンテージで、表面の第１の部分から４０～９９％の深さ、より好ましくは５０～９８％の深さにある。「表面において」とは表面から０．３ｍｍまでと定義される。
【0053】
採鉱用超硬合金インサート内の化学物質濃度は、波長分散型分光器（ＷＤＳ）を使用して、採鉱用超硬合金インサート断面の中心線に沿って測定する。
【0054】
本開示の別の態様は、本明細書でこれより以前またはこれより以降に記載されている採鉱用超硬合金インサートの、削岩またはオイルおよびガス掘削への使用に関する。
【0055】
以下の実施例は例示的、非限定的例である。
【実施例】
【0056】
実施例１
結合剤プラーのみの塗布
表２は分析した試料の概要を示す：
結合剤プラーのみの塗布
表２は分析した試料の概要を示す：
【0057】
表２の試料Ａ～Ｉに対して、超硬合金インサートは、９４重量％のＷＣおよび６重量％のＣｏの組成物を有する粉末ブレンドを使用して生成した。ＦＳＳＳとして測定したＷＣ粉末粒子サイズは、粉砕前５～７μｍであった。ボールミル内湿式条件下で、エタノールを使用して、２重量％のポリエチレングリコール（ＰＥＧ８０００）を有機結合剤（加圧剤）として、および超硬合金粉砕体を添加して、ＷＣおよびＣｏ粉末を粉砕した。粉砕後、スラリーをＮ２雰囲気内でスプレー乾燥し、次いでこれに一軸性圧縮をかけて、外径（ＯＤ）約１２ｍｍおよび高さ約１７～２０ｍｍのサイズ（試料Ｂ＝高さ１８．７ｍｍ；試料Ｃ＝高さ１７．４ｍｍ；試料Ｄ＝高さ１８．７ｍｍ；試料ＥおよびＦ＝高さ１７．４ｍｍ；試料Ｇ、ＨおよびＩ＝高さ２０．２ｍｍ）、重量およそ１４～１７ｇ、それぞれ最上部に球状ドーム（「切断縁」）を有する採鉱用インサートにした。インサートは負の部分の上を研削したが、ドームおよび底部の部分は焼結したままの状態で置いた。
【0058】
試料Ａ、ＢおよびＣはスラリー塗布しなかった。試料Ｄ、ＥおよびＦは、ディッピング技術を使用して結合剤プッシャーのみが「炭素ドープしたスラリー」の形態で、最上部、すなわち採鉱用超硬合金インサートのドーム型表面に塗布された比較例である。炭素ドープしたスラリーは、２５重量％のＣｒ３Ｃ２および水中に分散した５重量％のグラファイトからなり、インサート全長の約６０％がカーバイドドープしたスラリーに曝露されるように超硬合金インサートに塗布した。試料Ｆ、ＧおよびＨは、結合剤プラーのみが塗布された本発明の実施例であり、試料は、３０重量％のＣｒ３Ｏ２および７０重量％のＰＥＧ３００を含む「酸化物ドープしたスラリー」を、超硬合金インサートのドーム型表面に０．２５～０．２８ｍｇ／ｍｍ２の量で、インサート全長の約６０％を酸化物スラリーに曝露させて塗布することにより処理した。Ｓｉｎｔｅｒ－ＨＩＰを使用して、５５バールのＡｒ－圧力で、１４１０℃で１時間すべての試料を焼結した。これらの実施例に対して、スラリーは対称的に塗布した、すなわち、ドーム型表面に、インサートの側面のそれぞれから下方に広がる等しい距離だけ塗布した。
【0059】
試料Ｂ、ＥおよびＨは、「標準的な転動」を使用し、ＥＲＢＡ－１２０遠心タンブラーを１２０ＲＰＭで３０分間使用して転動した。試料Ｃ、ＦおよびＩは、「高エネルギー転動（ＨＥＴ）」を使用し、ＥＲＢＡ－１２０遠心タンブラー１７０ＲＰＭをまたは４０分間使用して転動した。
【0060】
試料ＪおよびＫは、超硬合金インサートがより高い結合剤含有量を有する本発明の実施例である。超硬合金インサートは、８９重量％のＷＣおよび１１重量％のＣｏの組成物を有する粉末ブレンドを使用して生成した。ＦＳＳＳとして測定したＷＣ粉末粒子サイズは、粉砕前８～１２μｍであった。ボールミル内湿式条件下で、エタノールを使用して、２重量％のポリエチレングリコール（ＰＥＧ８０００）を有機結合剤（加圧剤）として、および超硬合金粉砕体を添加して、ＷＣおよびＣｏ粉末を粉砕した。粉砕後、スラリーをＮ２雰囲気内でスプレー乾燥し、次いでこれに一軸性圧縮をかけて、外径（ＯＤ）約１７ｍｍおよび高さ約２２ｍｍのサイズ、およそ３１ｇ重量、それぞれ最上部に円錐状の先端（「切断縁」）を有する採鉱用インサートにした。インサートは円柱状の部分の上を研削したが、円錐体の先端および底部の部分は焼結したままの状態で置いた。
【0061】
試料ＪおよびＫは、結合剤プラーのみが塗布された本発明の実施例であり、試料は、ディッピング技術を使用して、３０重量％のＣｒ３Ｏ２および７０重量％のＰＥＧ３００を含む「酸化物ドープしたスラリー」を、円錐体先端および円柱状の区域の部分にわたり、０．２５～０．３５ｍｇ／ｍｍ２の量で、インサート全長のおよそ７５％が酸化物ドープしたスラリーに曝露されるように塗布することにより処理した。Ｓｉｎｔｅｒ－ＨＩＰを使用して、５５バールのＡＲ－圧力で、１４１０℃で１時間試料を焼結した。これらの実施例に対して、スラリーは対称的に塗布した、すなわち、ドーム型表面に、インサートの側面のそれぞれから下方に広がる等しい距離だけ塗布した。
【0062】
試料Ｋは、「高エネルギー転動（ＨＥＴ）」を使用して、ＲｏｓｌｅｒモデルＦＫＳ ０４．１ Ｅ－ＳＡ遠心タンブラー内で、２５０ＲＰＭで６０分間、直径７ｍｍのカーバイドボールの形態の５０ｋｇの媒体を用いて転動した。
【0063】
図３～１３は、試料Ａ～Ｉに対するＨＶ３恒硬度マップをそれぞれ示し、図１５～１８は表２からの試料Ａ～Ｋに対する中心線プロットを示している。超硬合金インサートの硬度プロファイルは表１に記載されている通りである。図１４に示されている通り、結合剤プラーは採鉱用超硬合金インサートの先端（３０）に塗布した。
【0064】
本発明の硬度プロファイルは先行技術とは非常に異なり、バルク内により柔軟なコアゾーンが存在し、採鉱用超硬合金インサートの最上部と底部との両方により高い硬度が存在することを示すことが見て取れる。
【0065】
実施例２
結合剤プラーおよび結合剤プッシャーの塗布
超硬合金インサートは、試料ＪおよびＫ（８９重量％のＷＣ＋１１重量％のＣｏ）と同じ出発物質ならびに表２／実施例１に記載されている方法を使用して形成した。長さ２４ｍｍならびに直径１９ｍｍの円柱状底部および球状（半ドーム）先端を有する採鉱用インサートを一軸性加圧により形成した。２種のＰＥＧスラリーを作った。第１の「結合剤プラー」は３０％Ｃｒ２Ｏ３＋ＰＥＧからなり、第２の「結合剤プッシャー」は２５％Ｃｒ３Ｃ２＋５％Ｃ＋ＰＥＧからなった。次いで、インサートをスラリーにディッピングすることにより、スラリーをインサートの表面に塗布した。次いで、インサートを、１４１０℃、５０バール圧力で、アルゴン雰囲気内で焼結した。この実施例では、２種のスラリーを対向する側面に非対称的に塗布した。すなわち、図２に示されている通り、結合剤プラーをインサート（１０）の側面に塗布し、結合剤プッシャーをこの反対側（２０）に塗布した。ＨＶ５恒硬度マップが図１９に示されている。この方法を使用してより柔軟なコアが生成され、この硬度プロファイルにより効率的な掘削挙動が得られることが示されていることが見て取れる。２種のスラリーは、図１に示されている通り、代わりに対称的に塗布することもできた。２種のスラリーの塗布の濃度および位置決めを制御することにより、用途の必要性を満たすための結合相の再分配を調整できる能力が促進される。
結合剤プラーおよび結合剤プッシャーの塗布
超硬合金インサートは、試料ＪおよびＫ（８９重量％のＷＣ＋１１重量％のＣｏ）と同じ出発物質ならびに表２／実施例１に記載されている方法を使用して形成した。長さ２４ｍｍならびに直径１９ｍｍの円柱状底部および球状（半ドーム）先端を有する採鉱用インサートを一軸性加圧により形成した。２種のＰＥＧスラリーを作った。第１の「結合剤プラー」は３０％Ｃｒ２Ｏ３＋ＰＥＧからなり、第２の「結合剤プッシャー」は２５％Ｃｒ３Ｃ２＋５％Ｃ＋ＰＥＧからなった。次いで、インサートをスラリーにディッピングすることにより、スラリーをインサートの表面に塗布した。次いで、インサートを、１４１０℃、５０バール圧力で、アルゴン雰囲気内で焼結した。この実施例では、２種のスラリーを対向する側面に非対称的に塗布した。すなわち、図２に示されている通り、結合剤プラーをインサート（１０）の側面に塗布し、結合剤プッシャーをこの反対側（２０）に塗布した。ＨＶ５恒硬度マップが図１９に示されている。この方法を使用してより柔軟なコアが生成され、この硬度プロファイルにより効率的な掘削挙動が得られることが示されていることが見て取れる。２種のスラリーは、図１に示されている通り、代わりに対称的に塗布することもできた。２種のスラリーの塗布の濃度および位置決めを制御することにより、用途の必要性を満たすための結合相の再分配を調整できる能力が促進される。
【0066】
実施例３
インサート圧縮試験
表２／実施例１に記載されている試料Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ、ＨおよびＩのドリルビットインサートの強靱性を、インサート圧縮（ＩＣ）試験を使用して特徴付けた。ＩＣ試験方法は、ドリルビットインサートを、インサートに不具合が生じるまで、２つの並行面の硬質カウンター表面の間で、一定の変位速度で圧縮することを含む。ＩＳＯ ４５０６：２０１７（Ｅ）規格「硬質金属－圧縮試験」に基づき、２０００ＨＶを上回る硬度の超硬合金アンビルを有する試験固定具を使用した一方、試験方法それ自体は岩ドリルインサートの強靱性を試験するように適応させた。固定具をＩｎｓｔｒｏｎ５９８９試験枠にフィットさせた。
インサート圧縮試験
表２／実施例１に記載されている試料Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ、ＨおよびＩのドリルビットインサートの強靱性を、インサート圧縮（ＩＣ）試験を使用して特徴付けた。ＩＣ試験方法は、ドリルビットインサートを、インサートに不具合が生じるまで、２つの並行面の硬質カウンター表面の間で、一定の変位速度で圧縮することを含む。ＩＳＯ ４５０６：２０１７（Ｅ）規格「硬質金属－圧縮試験」に基づき、２０００ＨＶを上回る硬度の超硬合金アンビルを有する試験固定具を使用した一方、試験方法それ自体は岩ドリルインサートの強靱性を試験するように適応させた。固定具をＩｎｓｔｒｏｎ５９８９試験枠にフィットさせた。
【0067】
荷重軸は、インサートの回転対称の軸と同一であった。固定具のカウンター表面は、ＩＳＯ ４５０６：２０１７（Ｅ）規格で必要とされる並行の程度、すなわち最大偏差０．５μｍ／ｍｍを満たした。試験したインサートは、不具合が生じるまで、荷重変位曲線を記録しながら、０．６ｍｍ／分と等しい一定速度のクロスヘッド変位で荷重をかけた。試験評価前に試験装置および試験固定具の整合性を、測定した荷重変位曲線から差し引いた。試料の種類ごとに３つのインサートを試験した。各試験前、カウンター表面を損傷について検査した。測定した荷重が突然少なくとも１０００Ｎ低下した場合、インサート不具合が生じたと定義した。試験したインサートのその後の検査で、すべての場合において、これは巨視的に可視の亀裂の発生と一致することを確認した。破断までに吸収された全変形エネルギーの点から材料強靱性を特徴付けた。インサート圧縮試験の結果が表３に示されている：
【0068】
ＩＣ試験結果によると、本発明の方法に従い処理した試料の強靱性は、同じように転動した試料を比較した場合、先行技術において公知の試料より高い。
【0069】
実施例４
振り子ハンマー
振り子ハンマー試験に対して、半径５．０ｍｍおよび直径１０．０ｍｍのドーム型先端を有する採鉱用超硬合金インサートを生成し、実施例１に記載されている方法のように試料Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ、ＨおよびＩを処理した。振り子ハンマー試験の設定の略図が図２０に示されている。ドーム区域がのみ突出するように、インサートをホルダー（３０）にしっかりと固定した。振り子（４０）には、硬質なカウンター表面が振り子ハンマーヘッドに固定されている（５０）。使用したカウンター表面は、およそ１９００ＨＶ３０のＶｉｃｋｅｒｓ硬度を有する硬質な、微粒子の硬質金属等級の研磨したプレート（ｈ＝５．００ｍｍ、ｌ＝１９．４０ｍｍ、ｗ＝１９．４０ｍｍ）であった。振り子が放たれると、カウンター表面は試料先端をヒットする。試料が不具合を生じた場合には、試料により吸収された、ジュール（Ｊ）で測定される衝撃エネルギー（Ｅ）は記録しない。付与された最初の振り子角度に対して、衝撃エネルギーを方程式３［式中、ｍは振り子ハンマー４．２２ｋｇの全質量であり、ｇは重力定数９．８１ｍ／ｓ２であり、Ｌは振り子ハンマーの長さ０．２３１であり、ｍおよびαはラジアンでの角度である］を使用して計算する。
Ｅ＝（ｍｔｏｔ×ｇ×Ｌ×（１－ｃｏｓ（α））（方程式３）
振り子ハンマー
振り子ハンマー試験に対して、半径５．０ｍｍおよび直径１０．０ｍｍのドーム型先端を有する採鉱用超硬合金インサートを生成し、実施例１に記載されている方法のように試料Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ、ＨおよびＩを処理した。振り子ハンマー試験の設定の略図が図２０に示されている。ドーム区域がのみ突出するように、インサートをホルダー（３０）にしっかりと固定した。振り子（４０）には、硬質なカウンター表面が振り子ハンマーヘッドに固定されている（５０）。使用したカウンター表面は、およそ１９００ＨＶ３０のＶｉｃｋｅｒｓ硬度を有する硬質な、微粒子の硬質金属等級の研磨したプレート（ｈ＝５．００ｍｍ、ｌ＝１９．４０ｍｍ、ｗ＝１９．４０ｍｍ）であった。振り子が放たれると、カウンター表面は試料先端をヒットする。試料が不具合を生じた場合には、試料により吸収された、ジュール（Ｊ）で測定される衝撃エネルギー（Ｅ）は記録しない。付与された最初の振り子角度に対して、衝撃エネルギーを方程式３［式中、ｍは振り子ハンマー４．２２ｋｇの全質量であり、ｇは重力定数９．８１ｍ／ｓ２であり、Ｌは振り子ハンマーの長さ０．２３１であり、ｍおよびαはラジアンでの角度である］を使用して計算する。
Ｅ＝（ｍｔｏｔ×ｇ×Ｌ×（１－ｃｏｓ（α））（方程式３）
【0070】
試料を破断するのに必要とされるエネルギーを決定するため、最初は適切な低い角度から放たれた振り子を試料に衝突させる。次いで、試料が不具合を起こすまで、角度を５度のぺースで段階的に増加させる。その後、同じ試料でできたインサートを、不具合を引き起こした衝突角度より３度低い角度で衝突させ、衝突する角度の増加分をより小さくして試験を繰り返す。インサートが破損しない角度を記録し、対応する衝突エネルギーを計算する。これらの試験において、カウンター表面は５～１０回の衝突ごとに交換する。結果は以下の表４に示されている：
【0071】
結果は、同等の方式で転動した試料を比較した場合、本発明の方法を使用して生成した試料に対して耐衝撃性の有意な増加が存在することを示している。
【0072】
実施例５
化学分析
Ｊｅｏｌ ＪＸＡ－８５３０Ｆ ミクロプローブを使用して波長分散型分光器（ＷＤＳ）分析手段により試料の化学勾配を調査した。表２／実施例１に記載されている試料Ｄ（比較）およびＧ（本発明）に対して、転動前に、焼結した材料の断面について、中心線に沿ってラインスキャンを行った。精密カッターで試料を調製し、これに続いて機械的研削および研磨を行った。１μｍダイヤモンドペースト剤を付けた軟質の布を用いて研磨することにより、試料調製の最終工程を行った。加速電圧１５ｋＶを使用して、ステップサイズ１００μｍおよびプローブ直径１００μｍで、ラインスキャンを実施した。試料１つ当たり３回のラインスキャンを行って、平均を報告する。コバルト濃度プロファイルは図２１で比較され、クロム濃度プロファイルは図２２で比較され、Ｃｒ／Ｃｏ濃度プロファイルは図２３で比較されている。
化学分析
Ｊｅｏｌ ＪＸＡ－８５３０Ｆ ミクロプローブを使用して波長分散型分光器（ＷＤＳ）分析手段により試料の化学勾配を調査した。表２／実施例１に記載されている試料Ｄ（比較）およびＧ（本発明）に対して、転動前に、焼結した材料の断面について、中心線に沿ってラインスキャンを行った。精密カッターで試料を調製し、これに続いて機械的研削および研磨を行った。１μｍダイヤモンドペースト剤を付けた軟質の布を用いて研磨することにより、試料調製の最終工程を行った。加速電圧１５ｋＶを使用して、ステップサイズ１００μｍおよびプローブ直径１００μｍで、ラインスキャンを実施した。試料１つ当たり３回のラインスキャンを行って、平均を報告する。コバルト濃度プロファイルは図２１で比較され、クロム濃度プロファイルは図２２で比較され、Ｃｒ／Ｃｏ濃度プロファイルは図２３で比較されている。
【0073】
より高い結合剤濃度を有する採鉱用超硬合金インサートとの比較のため、転動後の試料Ｋの断面について中心線に沿ってラインスキャンを行った。転動は化学組成にもＷＤＳ分析にも影響を与えないと想定している。Ｃｏ濃度およびＣｒ濃度に対するラインスキャンがそれぞれ図２４および２５に示されている。
【0074】
本発明の方法に従い生成した試料に対して、最も高いＣｏ濃度が超硬合金インサートの先端およびバルクに見出すことができ、最も低いＣｒ濃度および最も低いＣｒ／Ｃｏ濃度が超硬合金インサートのバルクに見出されることが見て取れる。
【0075】
実施例６
フィールド試験
花崗閃緑岩（珪岩（quartsite）を有する花崗岩）を掘削するＴａｍｐｅｒｅ、ＦｉｎｌａｎｄのＳａｎｄｖｉｋ試験鉱山のフィールドトレイルで、超硬合金インサートＣ（比較）、Ｆ（比較）およびＩ（本発明）を試験した。
フィールド試験
花崗閃緑岩（珪岩（quartsite）を有する花崗岩）を掘削するＴａｍｐｅｒｅ、ＦｉｎｌａｎｄのＳａｎｄｖｉｋ試験鉱山のフィールドトレイルで、超硬合金インサートＣ（比較）、Ｆ（比較）およびＩ（本発明）を試験した。
【0076】
ビット１つ当たり６つのゲージインサートおよび３つのフロントインサートを使用してドリルビットを作製した。ゲージインサートは焼結直径１０ｍｍおよび高さ１６．６ｍｍを有した。フロントインサートは、焼結直径９ｍｍおよび高さ１３．８を有した。すべてのインサートは球状のドーム先端を有した。この試験では、ゲージインサート上の摩耗を比較した。ビット寿命という点からこれがビットの最も重要な部分だからである。したがって、すべてのビットに対するフロントインサートは、標準的超硬合金を使用して、実施例１、試料Ｃに従い作製し、摩耗に対する組成物の作用を評価するため、ゲージインサートはそれらの組成を変えた。
【0077】
作動圧力２１０バール、供給圧力９０バール、回転圧７０バールでの回転２３０ｒｐｍで、水圧式ＨＦＸ５トップハンマードリル装置（Ｓａｎｄｖｉｋ Ｔａｍｒｏｃｋ製）を使用して試験を実施した。
【0078】
スライドノギスを使用して、およそ５０ｍごとに測定した掘削の深さの関数としてゲージインサートの直径を測定した。Ｃインサートを有する２つのビット、Ｆインサートを有する１つのビットおよびＩインサートを有する３つのビットを回収した。直径のより大きな変化はより大きな摩耗の徴候である。掘削深さの関数としての直径の変化が図２６に示されており、掘削したメートルの概要が直径損失の関数として以下の表５に示されている：
【0079】
直径の変化１ｍｍ当たりの掘削メートルは、比較用インサート（ＣおよびＦ）と比較して、本発明のインサート（Ｉ）がより大きく、本発明のインサート（Ｉ）は比較用インサート（Ｃ）と比較して耐摩耗性の５５％の増加および比較用インサート（Ｆ）と比較して耐摩耗性の３２％の増加を有することが明確に見て取れる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】