JP2003035090A

JP2003035090A - 掘削用カッタビット

Info

Publication number: JP2003035090A
Application number: JP2001224612A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Itsukaichi; 剛五日市; Satoru Osawa; 悟大澤; Masao Asakuma; 正雄朝隈; Hironobu Tatsumi; 紘伸巽
Original assignee: Fujimi Inc; Morimoto Gumi Corp
Current assignee: Fujimi Inc; Morimoto Corp
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2003-02-07

Abstract

(57)【要約】【課題】耐摩耗性、耐衝撃性および耐食性に優れ、長
距離掘削を連続して行うことができる掘削用カッタビッ
トを提供する。【解決手段】シールド掘進機等の地中掘削機に用いら
れる掘削用カッタビットにおいて、炭素鋼やクロム・モ
リブデン鋼等でカッタビット本体を形成し、カッタビッ
ト本体の外面に、サーメット粉末と、ＮｉあるいはＮｉ
とＣｒを含んだ金属粉末とを混合した溶射用粉末を溶射
して溶射皮膜層を形成したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シールド掘進機等
の地中掘削機に用いられる掘削用カッタビットに係り、
特に、カッタビットの耐摩耗性、耐衝撃性および耐食性
を向上し、長距離掘削を連続して行うことを可能とした
掘削用カッタビットに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、シールド掘進機、ＴＢＭ（ト
ンネル・ボーリング・マシン）およびロードヘッダー等
の地中掘削機において、カッタビットの耐摩耗性向上が
望まれていた。特に、近年の長距離掘削傾向に伴い、そ
の要求は非常に高くなっている。

【０００３】従来のカッタビットを備えた地中掘削機で
長距離掘削を行う場合、カッタビットが最後まで持た
ず、途中で交換する必要があった。その場合、地上から
立坑を築造して掘削機の前方に作業エリアを形成し、そ
の作業エリア内でカッタビットの交換作業を行ってい
た。

【０００４】しかしながら、立坑の築造作業および作業
エリア周辺部の地盤改良等には莫大な費用と長い工期を
要する問題があった。

【０００５】そこで、立坑を築造することなくカッタビ
ットを交換できるように様々な装置が提案されている。
例えば、カッタビットを回転させて掘削機の内側へ露出
させ、掘削機のフレーム内でカッタビットの交換作業を
行う装置や、カッタビットをフレームの内側に引き込ん
で、地山側を止水した状態でフレーム内でカッタビット
の交換作業を行う装置などがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、いずれ
の装置も複雑でコストが大幅に増加してしまう問題があ
った。また、カッタビットの交換作業中は掘削作業を停
止しなければならず、工期が長期化してしまう問題や、
カッタビット交換作業者の安全性等の問題もあった。

【０００７】また、ケーブル配線用のトンネル等、小径
トンネルを掘削する掘削機では、フレーム内で交換作業
を行うことは不可能であり、立坑を築造せざるをえな
い。

【０００８】更に、カッタビットは一般に、図７に示す
ように炭素鋼等からなるカッタビット本体５０に超硬合
金等からなるチップ５１がロウ付けされて構成されてい
るが、礫質土での衝撃等により、チップ５１が欠けた
り、カッタビット本体５０から脱落したり、カッタビッ
ト本体５０が偏摩耗したりすることもあった。

【０００９】以上のことから、優れた耐摩耗性、耐衝撃
性および耐食性を有し、長距離掘削を連続して行うこと
ができる掘削用カッタビットが望まれていた。

【００１０】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、耐摩耗性、耐衝撃性および耐食性に優れ、長距離掘
削を連続して行うことができる掘削用カッタビットを提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、シールド掘進機等の地中掘削機に用いられ
る掘削用カッタビットにおいて、炭素鋼やクロム・モリ
ブデン鋼等でカッタビット本体を形成し、そのカッタビ
ット本体の外面に、サーメット粉末と、ＮｉあるいはＮ
ｉとＣｒを含んだ金属粉末とを混合した溶射用粉末を溶
射して溶射皮膜層を形成したものである。

【００１２】この構成によれば、カッタビット本体に硬
度の高い溶射皮膜層を形成することによって、カッタビ
ット本体にチップを取り付ける必要がない。従って、チ
ップの欠けや脱落等の不具合が発生することなく長距離
掘削できる。また、上記溶射皮膜層が、カッタビット本
体の耐摩耗性、耐衝撃性および耐食性を大幅に向上させ
るため、長距離掘削を連続して行うことができる。更
に、上記溶射皮膜層によりカッタビット本体の偏摩耗を
防止できる。

【００１３】また、上記カッタビット本体に超硬合金等
からなるチップを取り付け、上記溶射皮膜層を上記カッ
タビット本体およびチップの外面に形成するようにして
も良い。

【００１４】この構成によれば、カッタビット本体とチ
ップとの取り付け部上に形成された溶射皮膜層がチップ
へ加わる衝撃を緩和するため、チップの脱落が抑止され
る。

【００１５】また、超硬合金等からなるチップの外面に
上記溶射皮膜層を形成し、これを上記カッタビット本体
に取り付けるようにしても良い。

【００１６】この構成によれば、上記溶射皮膜層は、チ
ップの耐摩耗性、耐衝撃性および耐食性を大幅に向上さ
せるため、長距離掘削を連続して行うことができる。

【００１７】また、上記溶射用粉末は、タングステンカ
ーバイド、クロムカーバイドおよびＮｉ、またはタング
ステンカーバイド、ＣｏおよびＣｒを主成分とするサー
メット粉末と、ＣｒとＮｉの合計が金属粉末全体の重量
に対して９０％以上を占め、かつ、Ｃｒの含有量が金属
粉末全体の重量に対して０〜５５％である金属粉末を、
溶射用粉末全体の重量に対し各々８０〜９７％、３〜２
０％の含有量となるよう添加、混合したものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な一実施形態
を添付図面に基づいて詳述する。

【００１９】本実施形態は本発明の一例としてシールド
掘進機のカッタビットに適用したものであり、図１は、
一般にティースビットと呼ばれている掘削用カッタビッ
トを示している。

【００２０】掘削用カッタビット１０は、図示しないシ
ールド掘進機の先端部に回転可能に設けられた面板に形
成された基部１１にボルト等によって取り付けられてお
り、面板が回転することによって前方の地山１２を掘削
するものである。

【００２１】掘削用カッタビット１０は、前方側（図１
中上側）に鋭角に形成された掘削部１３を有するカッタ
ビット本体１５を備えている。このカッタビット本体１
５は、Ｓ２５Ｃ、Ｓ４５Ｃ等の炭素工具鋼や、ＳＣＭ４
４０等のクロム・モリブデン鋼、あるいはＳＫＣ２４等
の合金工具鋼などで形成される。しかしながら、本発明
はカッタビット本体１５の材質に制約はなく、上記のも
のに限定はされない。

【００２２】本実施形態のカッタビット１０は、図７に
示した従来のカッタビットのようにチップは有しておら
ず、カッタビット本体１５の外面に本発明の特徴である
溶射用粉末を溶射することによって溶射皮膜層１６が形
成されている。

【００２３】なお、溶射皮膜層１６は、基部１１の外面
にも形成するようにしても良い。

【００２４】この溶射皮膜層１６によって、掘削用カッ
タビット１０は、チップを取り付けなくても地山１２を
掘削するのに十分な硬度を得ることができる。また、こ
の溶射皮膜層１６により、掘削用カッタビット１０は、
耐摩耗性、耐衝撃性および耐食性が著しく向上し、長距
離掘削を連続して行うことができる。

【００２５】この溶射皮膜層１６を形成するための溶射
用粉末について説明する。

【００２６】なお、通常、「溶射」と同様の意味で、
「肉盛り」や「スプレー」といった言葉が使用されるこ
とがある。これらの言葉に明確な定義の差はなく、ま
た、これらに使用される粉末に関しても区別して用いら
れておらず、溶射皮膜形成用の粉末であっても溶射用に
限定されるわけではない。つまり、溶射用の粉末が肉盛
りやスプレーに用いられたり、逆に肉盛りやスプレー用
の粉末が溶射に用いられている。従って、本明細書中の
「溶射用粉末」は「肉盛り」や「スプレー」などの用途
にも供されるものであることは言うまでもない。

【００２７】本実施形態に使用される溶射用粉末は、サ
ーメット粉末と、ＮｉあるいはＮｉとＣｒを含んだ金属
粉末とを混合して形成される。具体的には、タングステ
ンカーバイド、クロムカーバイドおよびＮｉ、またはタ
ングステンカーバイド、ＣｏおよびＣｒを主成分とする
サーメット粉末と、ＣｒとＮｉの合計が金属粉末全体の
重量に対して９０％以上を占め、かつ、Ｃｒの含有量が
金属粉末全体の重量に対して０〜５５％である金属粉末
を、溶射用粉末全体の重量に対し各々８０〜９７％、３
〜２０％の含有量となるよう添加、混合したものであ
る。

【００２８】ここで、サーメット（Ｃｅｒｍｅｔ）と
は、Ｃｅｒａｍｉｃｓ（セラミックス）とＭｅｔａｌ
（金属）の各々はじめの三文字をつなぎ合わせた造語で
あり、具体的には硬質のセラミックス粒子を金属マトリ
ックスで結合させたもので、高硬度および高靱性を有し
た複合材料である。工具材料の分野において、サーメッ
トはＴｉＣ系およびＴｉ（Ｃ，Ｎ）系の材料を示すが、
広義にはセラミックスと金属の複合材料全般が含まれ
る。

【００２９】本実施形態に用いられるサーメット粉末
は、ＷＣ（タングステンカーバイド）、ＣｒＣ（クロム
カーバイド）およびＮｉ（ニッケル）、またはタングス
テンカーバイド、Ｃｏ（コバルト）およびＣｒ（クロ
ム）を主成分としている。

【００３０】このうち、タングステンカーバイド、クロ
ムカーバイドおよびＮｉを主成分とするサーメット粉末
において、タングステンカーバイドは耐摩耗性を向上さ
せる役割を果たし、またＮｉは結合材としての役割の他
に、靱性および耐食性を向上させるものである。そして
クロムカーバイドは、タングステンカーバイドとＮｉの
耐食性をさらに向上させるものである。特に、掘削用カ
ッタビットは湿式環境下で用いられることが多いため、
湿式環境下における耐摩耗性および耐食性の向上を図る
観点より、サーメット粉末全体の重量に対するタングス
テンカーバイド、クロムカーバイドおよびＮｉの含有量
は、各々６０〜８５％、１０〜３０％、および４〜１５
％が好ましく、より好ましくは各々６５〜８０％、１５
〜２５％、および５〜１２％である。

【００３１】また、タングステンカーバイド、Ｃｏおよ
びＣｒを主成分とするサーメット粉末において、タング
ステンカーバイドとＣｏを含むサーメット粉末は、優れ
た靱性、耐摩耗性および耐衝撃性を有するものとして、
一般に広く知られている溶射用粉末である。そしてＣｒ
は、タングステンカーバイドとＣｏからなるサーメット
の耐食性を向上させるものである。Ｃｒを含むことによ
り、前記タングステンカーバイド、クロムカーバイドお
よびＮｉを主成分とするサーメットに匹敵する耐食性を
有し、他のサーメットに対しては大きな優位性を示す。
特に、掘削用カッタビットは湿式環境下で用いられるこ
とが多いため、耐衝撃性、ならびに湿式環境下における
耐食性および耐摩耗性の向上を図る観点より、サーメッ
ト粉末全体の重量に対するタングステンカーバイド、Ｃ
ｏおよびＣｒの含有量は、各々８０〜９２％、４〜２０
％、および２〜１５％が好ましく、より好ましくは各々
８４〜９０％、６〜１２％、および２〜１０％である。

【００３２】タングステンカーバイドには、ＷＣ、Ｗ２
Ｃがあるが、ＷＣを使用することが好ましい。Ｗ２Ｃを
使用した場合、焼結工程や溶射時等のような高温下にさ
らされた際、脱炭反応によりＷが生成し、溶射皮膜層の
特性を低下させるおそれがあるためである。ＷＣを使用
すれば、前記のような脱炭反応は起こりにくくなり、も
しこの反応が起こっても、Ｗの生成および溶射皮膜層の
特性の変化を抑制することができる。

【００３３】同様に、クロムカーバイドには、Ｃｒ３Ｃ
２、Ｃｒ７Ｃ３、Ｃｒ２３Ｃ６があるが、クロムカーバ
イドは脱炭反応によりＣｒ３Ｃ２からＣｒ７Ｃ３へ、Ｃ
ｒ７Ｃ３からＣｒ２３Ｃ６へ、Ｃｒ２３Ｃ６からＣｒへ
と結晶相が変化すると言われており、溶射皮膜層の特性
の大きな変化を抑制する必要があるため、Ｃｒ３Ｃ２ま
たはＣｒ７Ｃ３を使用することが好ましく、Ｃｒ３Ｃ２
を使用することが更に好ましい。

【００３４】また、サーメット粉末を構成するタングス
テンカーバイドおよびクロムカーバイドは、その平均粒
子径が小さすぎると、溶射皮膜層が大きな外力（衝撃）
を受けた場合、亀裂を生じやすくなり耐衝撃性が低くな
る傾向がある。逆に、タングステンカーバイド、クロム
カーバイドの平均粒子径が大きすぎると、造粒工程にお
いて原料成分が均一に分散した顆粒、球状の顆粒を得る
ことが困難になり、またその顆粒を使用して調製した溶
射用粉末を用いて溶射を行った場合、溶射効率が非常に
低くなる。従って、タングステンカーバイドの平均粒子
径は、一般に２〜２０μｍ、好ましくは５〜１２μｍで
あり、クロムカーバイドの平均粒子径は、一般に１〜１
０μｍ、好ましくは３〜７μｍである。

【００３５】さらに、サーメット粉末に使用されるタン
グステンカーバイド、クロムカーバイドに遊離炭素が含
まれたものを使用した場合、溶射皮膜内部の結合力が低
下し、耐衝撃性が著しく低下する恐れがある。従って、
サーメット粉末に使用されるタングステンカーバイドお
よびクロムカーバイド中の遊離炭素の含有量は、各々
０．０５重量％以下、０．１％重量以下であることが好
ましい。

【００３６】一方、サーメット粉末を構成するＮｉ、Ｃ
ｏ、Ｃｒ等の金属粉末は、均一に微粉末化されたものが
好ましく、造粒工程において、使用する金属粉末の平均
粒子径が小さいほど、より球状で、機械的強度の高いサ
ーメット粉末を作製することができ、目的の粒度分布の
粉末を作製しやすくなり、製品収率が高くなる。従っ
て、これら金属粉末の平均粒子径は、一般に５μｍ以下
であり、好ましくは３μｍ以下である。アトマイズ法で
作製した合金粉末を用いた場合の平均粒子径は、一般に
１０μｍであり、好ましくは５μｍ以下である。

【００３７】次に、このようなサーメット粉末と混合さ
れる金属粉末は、造粒−焼結法、焼結−粉砕法、あるい
は溶融−粉砕法によって得られるサーメット粉末と同等
の粒度分布に調整されたものを用いることが好ましい。
このような金属粉末としては、アトマイズ法により調製
された球状度の高い金属粉末が代表的である。アトマイ
ズ法には、水アトマイズ法やガスアトマイズ法などがあ
り、その違いにより金属粉末中の溶存酸素量や粉末形状
が若干異なるが、溶射皮膜層の特性に与える影響は小さ
く、アトマイズ法による金属粉末であれば、いずれを用
いることも可能である。

【００３８】なお、本実施形態に使用されるサーメット
粉末と混合される金属粉末中に含まれるＣｒは、その含
有量が多いほど溶射皮膜層の耐摩耗性および耐食性は向
上するが、耐衝撃性は低下し、逆にその含有量が少ない
ほど溶射皮膜層の耐衝撃性は向上するが耐摩耗性および
耐食性は低下する傾向がある。例えば、金属粉末中にお
けるＣｒの含有量は、金属粉末全体の重量に対して５５
％以上になると、溶射皮膜層の耐衝撃性は大きく低下
し、皮膜は亀裂を生じやすくなる。従って、本実施形態
において金属粉末中におけるＣｒの含有量は、金属粉末
全体の重量に対して、一般に０〜５５％であり、好まし
くは５〜３０％である。

【００３９】また、サーメット粉末と混合される金属粉
末の調製工程において、金属粉末中のＣは不純物として
混入したり、アトマイズ時の微粉末化、およびその他の
目的で添加されることがあり、また金属地金中にもＣが
含まれることがあるが、Ｃの含有量が金属粉末全体の重
量に対して多すぎると皮膜の耐衝撃性は大きく低下する
傾向にある。従って、前記金属粉末におけるＣの含有量
は、金属粉末全体の重量に対して、一般に０．４％以下
であり、好ましくは０．２％以下である。

【００４０】更に、サーメット粉末と混合される金属粉
末には、Ｎｉ、Ｃｒ以外にも、Ｓｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｍｎ、
Ｔｉ、Ｆｅ、Ｓ、Ｍｏ等に代表される成分が不純物とし
て混入したり、アトマイズ時の微粉末化およびその他の
目的で添加されることがあり、金属地金中にもこれら成
分が含まれる可能性があるが、金属粉末全体の重量に対
してこれらの成分が多すぎると溶射皮膜の耐衝撃性は大
きく低下する傾向にある。従って、金属粉末におけるＳ
ｉ、Ｂ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｓ、Ｍｏの含有量の
合計は、金属粉末全体の重量に対し、一般に１０％以下
であり、好ましくは３％以下である。

【００４１】このような溶射用粉末は、前記の各成分を
用い、以下の手段により製造される。

【００４２】まず、サーメット粉末全体の重量に対し、
６０〜８０％のタングステンカーバイド、１０〜３０％
のクロムカーバイド、および５〜１５％のＮｉが含まれ
るように原料粉末を混合し、一般的な造粒−焼結法、焼
結−粉砕法、または溶融−粉砕法によりＷＣ／ＣｒＣ／
Ｎｉ系サーメットを調製する。

【００４３】サーメット粉末の調製方法の内、造粒−焼
結法においては、顆粒は５〜７５μｍの粒度分布となる
ように造粒し、９００℃以上で、５時間以上、焼結を行
うことが好ましい。焼結条件は、溶射用粉末の組成およ
び求められる特性により最適化する必要があるが、一定
温度で５時間以上焼結することにより、均一で硬質な球
状粒子を得ることができる。また、サーメット原料とし
て、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒまたはそれらの合金などの金属粉
末や、クロムカーバイド、および／またはタングステン
カーバイドなどの炭化物セラミックスを使用する場合、
脱脂・焼結の際に、これらの原料が酸化しないようにす
る必要があり、一般に真空または不活性ガス雰囲気下で
処理されている。

【００４４】一例として、粒度分布５〜７５μｍの顆粒
粉末を焼結し、解砕、分級することにより、高速フレー
ム溶射に適した、粒度分布が６〜６３μｍのサーメット
を得ることができる。また、必要に応じて、造粒、解
砕、または分級条件を変更することにより、粒度分布６
〜３８μｍ、１０〜４５μｍ、１５〜４５μｍ、１５〜
５３μｍ、２０〜６３μｍのサーメット粉末を調製し、
溶射装置の種類や溶射条件に応じて使い分けることがで
きる。

【００４５】尚、本明細書中において「粒度分布」と
は、粒度分布の下限に関しては、レーザ回折式粒度測定
機ＬＡ−３００（堀場製作所製）を用いて求められる値
で記載した粒度より小さい粒子の割合が５％以下である
ことを示し、粒度分布の上限に関してはロータップ法
（ＪＩＳＲ６００２）を用いて求められる値で記載し
た粒度より大きな粒子の割合が５％以下であることを示
す。例えば、粒度分布が１５〜４５μｍであれば、レー
ザ回折式粒度測定機を用いて求められた１５μｍ以下の
粒子の割合が５％以下であり、ロータップ法を用いて求
められた４５μｍ以上の粒子の割合が５％以下であるこ
とを示す。一方、「平均粒子径」とは、同ＬＡ−３００
を用いて求められたＤ５０の値を示す。

【００４６】本実施形態に使用される溶射用粉末は、こ
のようにして調製されたサーメットと、別途、金属粉末
を混合することにより製造される。

【００４７】金属粉末は、金属粉末全体の重量に対し、
０〜５５％のＣｒを含み、Ｃｒとの合計が９０％以上の
含有量となるようにＮｉを混合し金属粉末を調製する。

【００４８】そして、溶射用粉末全体の重量に対し、金
属粉末の含有量が３〜２０％、好ましくは７〜１６％と
なるよう、前記サーメット粉末と金属粉末とを均一に混
合することにより溶射用粉末を製造する。

【００４９】溶射用粉末中におけるサーメットの含有量
が９７％を越え、金属粉末の含有量が３％未満である
と、溶射皮膜層中に点在する金属相の占める割合が低下
するため、皮膜の耐衝撃性は低くなる。逆に、サーメッ
トの含有量が８０％未満で、金属粉末の含有量が２０％
を越えると、耐摩耗性および耐食性に優れたセラミック
ス成分の占める割合が低下するため、溶射皮膜層の耐食
性および耐摩耗性は低下してしまう。

【００５０】この溶射用粉末を溶射することにより形成
される溶射皮膜層が、極めて高い耐衝撃性、優れた耐摩
耗性、ならびに湿式環境下における優れた耐食性および
耐摩耗性を有する理由は、以下のように推測される。

【００５１】本実施形態の溶射用粉末を溶射して形成さ
れた溶射皮膜層の構造を観察すると、金属粉末成分が適
度な厚みを有した状態で積層し、比較的大きな金属相と
して点在していることが確認される。溶射皮膜層に大き
な外力がかかると、この金属相が緩衝材の役割を果た
し、外力を吸収分散することで、溶射皮膜層の耐衝撃性
は大きく向上するものと推察される。

【００５２】一方、従来の一般的な溶射用サーメット粉
末であるＷＣ／Ｃｏ系サーメット溶射用粉末を溶射して
形成された溶射皮膜層の構造を観察すると、溶射用粉末
を構成する材料が溶融し他の材料と混ざり合うか、薄い
金属相しか観察されず、本実施形態の溶射用粉末で観察
されたような、適度な厚みを有した状態で積層した比較
的大きな金属相は確認されない。このため、溶射皮膜層
に大きな外力がかかると、十分な緩衝材の役割を果たす
ことができる金属相が存在しないため、外力が吸収分散
されず皮膜破壊が生じ、溶射皮膜層の耐衝撃性は本実施
形態のものと比較すると低くなるものと推察される。

【００５３】また、上述した本実施形態における溶射用
粉末の製造方法のように、サーメット粉末と金属粉末を
別々に調製し、これらを適切な割合で混合するといった
製法によらず、溶射用粉末中のサーメット粉末および金
属粉末の全成分を最初から複合し、造粒−焼結法、焼結
−粉砕法、または溶融−粉砕法により製造した溶射用粉
末を用いて溶射を行った場合の溶射皮膜層の構造を観察
すると、金属粉末成分が皮膜中で他の材料と混ざり合う
か、薄い金属相しか形成されないため、本実施形態のよ
うに高い耐衝撃性を得ることはできないものと推察され
る。

【００５４】本実施形態の溶射用粉末は、ＴＡＦＡ製Ｊ
Ｐ−５０００、ＵＮＩＱＵＥＣＯＡＴＴＥＣＨＮＯ
ＬＯＧＩＥＳ製ＩＮＴＥＬＬＩ−ＪＥＴＨＶＡＦ、あ
るいはスルザーメテコ製ダイヤモンドジェットといった
装置に代表される高速フレーム溶射や、スルザーメテコ
製６Ｐといった装置に代表されるフレーム溶射、スルザ
ーメテコ製９ＭＢ、ＰＲＡＸＡＩＲ製ＳＧ−１００とい
った装置に代表されるプラズマ溶射等の公知の溶射方法
に適用可能である。

【００５５】フレーム溶射とは、酸素と燃料（例えばア
セチレン）を燃焼させた燃焼炎中に溶射用粉末を送り、
粉末を溶融ないし半溶融の状態で基板に衝突させて積層
させ皮膜層を形成する溶射法である。高速フレーム溶射
は、フレーム溶射の一種であるが、燃焼室の圧力を高
め、燃焼炎の速度を非常に大きくすることにより、溶射
飛行粒子を大きく加速して強い衝突力を発生させ、緻密
で密着力の高い皮膜を形成することのできる溶射法であ
る。プラズマ溶射は、高温のプラズマにより溶射用粉末
を加熱し、溶射用粉末を溶融させて基材に吹き付けて皮
膜を形成する溶射法である。

【００５６】本実施形態の溶射用粉末を使用して得られ
る溶射皮膜層は、金属粉末成分が適度な厚みを有した状
態で積層し、皮膜中で比較的大きな金属相として点在し
ていることが好ましいが、このような皮膜を形成するに
は、溶射用粉末、特に金属粉末成分をあまり加熱せず、
大きく加速し、基材に対し大きな衝突力により皮膜を積
層させることが必要となる。高速フレーム溶射は、フレ
ーム溶射やプラズマ溶射に比べ、溶射粒子を大きく加速
することができ、また、燃焼炎中の滞留時間が短いこと
により、溶射用粉末があまり高温にさらされないため、
本実施形態の溶射用粉末に好適である。高速フレーム溶
射の中でもＪＰ−５０００やＩＮＴＥＬＬＩ−ＪＥＴ
ＨＶＡＦは、溶射用粉末を大きく加速でき、溶射用粉末
が更に高温にさらされないため、特に好適である。

【００５７】以上説明してきたような本実施形態の溶射
用粉末を、図１に示すように炭素鋼等からなる上記カッ
タビット本体１５の外面に溶射して溶射皮膜層１６を形
成することによってカッタビット本体１５は掘削用カッ
タビットとして十分な硬度を得ることができる。従っ
て、従来のようにカッタビット本体に、別途、超硬合金
等からなるチップを取り付ける必要がなく、当然、掘削
時におけるチップの欠けや脱落といった問題が発生せ
ず、長距離掘削が可能となる。

【００５８】また、上述したように、溶射皮膜層１６を
形成することによって掘削用カッタビット１０の耐摩耗
性、耐衝撃性および耐食性は、従来のカッタビットと比
較して著しく向上する。従って、カッタビットを交換す
ることなく連続して長距離掘削を行うことが可能とな
る。

【００５９】本発明は、カッタビット本体にチップを取
り付けたタイプの掘削用カッタビットにも適用できるも
のであり、図２および図３を用いて、その適用例を説明
する。

【００６０】チップ１９は例えば、ＪＩＳ−Ｍ−３９１
６に定められている「鉱山工具用超硬チップ」のＥ３種
やＥ５種等で形成される。チップ１９のカッタビット本
体１５への取り付け方法は、図２（ａ）および図３
（ａ）に示すプレートタイプと、図２（ｂ）および図３
（ｂ）に示すインサートタイプとがある。いずれのタイ
プにおいてもチップ１９とカッタビット本体１５とはロ
ウ付けにより固定される。

【００６１】図２に示した形態は、カッタビット本体１
５にチップ１９を取り付け、それらカッタビット本体１
５およびチップ１９の外面全体に渡って上記溶射用粉末
を溶射して溶射皮膜層１６を形成したものである。この
形態においても、溶射皮膜層１６によってカッタビット
本体１５およびチップ１９の耐摩耗性、耐衝撃性および
耐食性が大幅に向上するため、カッタビットの交換を行
うことなく連続して長距離掘削を行うことができる。ま
た、チップ１９とカッタビット本体１５とを取り付ける
ロウ付け部２０上にも溶射皮膜層１６が形成されるた
め、この溶射皮膜層１６がクッションとなりチップ１９
の脱落を抑止できる。更に、溶射皮膜層１６によりチッ
プ１９の欠けの発生も抑止できる。

【００６２】図３に示した形態は、実質的に地山を掘削
するチップ１９の外面にのみ溶射皮膜層１６を形成する
ようにしたものである。この形態においても、チップ１
９の耐摩耗性、耐衝撃性および耐食性が大幅に向上する
ため、カッタビットの交換を行うことなく連続して長距
離掘削を行うことができる。また、上記のようにチップ
１９の脱落を防止するために溶射皮膜層１６はロウ付け
部２０上まで形成することが好ましい。

【００６３】本発明者らは、表１に示すように、本発明
において条件を種々変えて実施例１〜１１の試料を作製
すると共に、比較例１〜４の試料を作製して各種評価試
験を行った。

【００６４】以下、表１を参照しながら説明する。

【００６５】

【表１】

【００６６】まず、実施例１〜１１および比較例１〜４
の各試料について説明する。

【００６７】＜実施例１〜１１に使用する溶射用粉末の
調製＞まず、サーメット粉末全体の重量に対し、７０％
のＷＣ粉末（平均粒子径１０μｍ）、２０％のＣｒＣ粉
末（平均粒子径５μｍ）、および１０％のＮｉ粉末（平
均粒子径３μｍ）を混合し、これに３．６％のＰＶＡ水
溶液を加え、十分に撹拌してスラリーを調製した。この
スラリーを、噴霧造粒機等を用いて粒度分布幅が５〜７
５μｍとなるように球状の顆粒粉末を調製し、真空焼結
炉においてアルゴン雰囲気下で脱脂した後、１２５０℃
で５時間、焼結した。焼結後の粉末は、ボールミルを用
いて解砕し、次いで振動篩機および気流式分級機を用い
て分級を行い、粒度分布幅が１５〜４５μｍのサーメッ
ト粉末ＷＣ／２０ＣｒＣ／１０Ｎｉ粉末を調製した。

【００６８】また、前記サーメットとは別に、Ｎｉ粉末
およびＮｉ−２０Ｃｒ粉末（ともに平均粒子径３μｍ）
を、それぞれサーメット粉末と同様の方法で分級し、粒
度分布幅が１５〜４５μｍの金属粉末を調整した。

【００６９】上記方法により得られた各粉末について、
溶射用材料全体の重量に対し、９０％のＷＣ／２０Ｃｒ
Ｃ／１０Ｎｉ粉末と、１０％のＮｉ粉末またはＮｉ−２
０Ｃｒを、それぞれＶ型混合装置にて混合し、以下の溶
射材料を調整した。

【００７０】溶射材料Ａ：ＷＣ／２０ＣｒＣ／１０Ｎｉ
＋１０％Ｎｉ（実施例１、２、４〜１１）溶射材料Ｂ：ＷＣ／２０ＣｒＣ／１０Ｎｉ＋１０％
（Ｎｉ−２０Ｃｒ）（実施例３）＜比較例４に使用する従来の溶射用粉末の調製＞溶射材
料全体の重量に対し、８８％のＷＣ粉末（平均粒子径２
μｍ）と１２％のＣｏ粉末（平均粒子径３μｍ）を混合
し、上記サーメット粉末と同様の方法にて解砕、分級を
行い、粒度分布を１５〜４５μｍとして以下の溶射材料
を調製した。

【００７１】溶射材料Ｃ：ＷＣ／１２Ｃｏ（比較例４）また、比較例３の肉盛り材料Ｄとしては、ＨＦ−３５０
（株式会社神戸製鋼所製）を使用した。

【００７２】＜ブラスト処理＞溶射皮膜層の密着性を高
める目的で、実施例９のチップ、および実施例１１のチ
ップとカッタビット本体について、溶射する面を事前に
ブラスト処理した。ブラスト処理の条件は以下の通り。

【００７３】・ブラスト処理条件ブラスト機：ＦＤ−５−Ｔ型（株式会社フジキカイ製）吐出圧力：４ｋｇ／ｃｍ² 材料：Ａ＃４０グリット（商品名、サンゴバンセ
ラミックスマテリアルズ株式会社製）距離：１００ｍｍ入射角：３０° ＜試料内容および溶射条件＞上記溶射材料Ａ、Ｂおよび
Ｃまたは肉盛り材料Ｄを用い、溶射または肉盛りを行う
ことにより実施例１〜１１、比較例１〜４の試料を作製
した。試料の内容および溶射条件は以下の通り。

【００７４】・試料の内容実施例１、４〜７：Ｓ２５Ｃを基材とするカッタビット
本体の外面全体に、溶射材料Ａを溶射したもの。

【００７５】実施例２：Ｓ４５Ｃを基材とするカッタビ
ット本体の外面全体に、溶射材料Ａを溶射したもの。

【００７６】実施例３：Ｓ２５Ｃを基材とするカッタビ
ット本体の外面全体に、溶射材料Ｂを溶射したもの。

【００７７】実施例８：超硬合金（Ｅ５種）を基材とす
るチップの外面に溶射材料Ａを溶射し、Ｓ２５Ｃを基材
とするカッタビット本体に取り付けたもの。

【００７８】実施例９：超硬合金（Ｅ５種）を基材とす
るチップをブラスト処理した後、その外面に溶射材料Ａ
を溶射し、Ｓ２５Ｃを基材とするカッタビット本体に取
り付けたもの。

【００７９】実施例１０：超硬合金（Ｅ５種）を基材と
するチップを、Ｓ２５Ｃを基材とするカッタビット本体
に取り付けた後、チップおよびカッタビット本体の外面
に溶射材料Ａを溶射したもの。

【００８０】実施例１１：超硬合金（Ｅ５種）を基材と
するチップを、Ｓ２５Ｃを基材とするカッタビット本体
に取り付けて全体をブラスト処理した後、チップおよび
カッタビット本体の外面に溶射材料Ａを溶射したもの。

【００８１】比較例１：Ｓ２５Ｃを基材とするカッタビ
ット。

【００８２】比較例２：超硬合金（Ｅ５種）を基材とす
るチップを、Ｓ２５Ｃを基材とするカッタビット本体に
取り付けたもの。

【００８３】比較例３：超硬合金（Ｅ５種）を基材とす
るチップを、Ｓ２５Ｃを基材とするカッタビット本体に
取り付け、肉盛り材料Ｄを用いて全体に肉盛りしたも
の。

【００８４】比較例４：超硬合金（Ｅ５種）を基材とす
るチップを、Ｓ２５Ｃを基材とするカッタビット本体に
取り付けた後、チップおよびカッタビット本体の外面に
溶射材料Ｃを溶射したもの。

【００８５】・溶射条件溶射機：ＴＡＦＡ社製ＨＶＯＦ溶射機ＪＰ−５０００酸素流量：１５００ｓｃｆｈ灯油流量：６．０ｇｐｈこれら試料の評価方法は以下の通りである。

【００８６】＜湿式環境下における耐摩耗性試験＞実施
例１〜１１、比較例１〜４の試料について、特開２００
０−１８０３３１号公報に記載の湿式摩耗試験機を用い
て、基準試料である炭素鋼ＳＴＫＭ１２Ｃの摩耗量（ｍ
ｍ³）に対する各試料の摩耗量（ｍｍ³）を算出し、３回
行った試験結果を平均化することにより、湿式環境下に
おける各試料の耐摩耗性を評価した。試験条件および判
定基準は以下の通り。

【００８７】・試験条件研磨材：Ａ＃８（商品名、サンゴバンセラミックス
マテリアルズ株式会社製）スラリー中の研磨材濃度：８０重量％試験時間：２００時間揺動距離：５．６７×１０⁵ｍｍ・判定基準 ◎：０．１未満 ○：０．１以上０．５未満 ×：０．５以上・結果実施例１〜１１は全て、比較例１〜４と比較して湿式環
境下における耐摩耗性が優れている。従って、本発明の
掘削用カッタビットによれば、連続掘削可能距離が著し
く向上することが分かる。

【００８８】＜乾式環境下における耐摩耗性試験＞実施
例１〜１１、比較例１〜４の試料について、スガ式摩耗
試験機（ＪＩＳＨ８６８２記載）を用いて、基準試料で
あるＳＳ４４００の摩耗量（ｍｍ³）に対する各試料の
摩耗量（ｍｍ³）を算出し、３回行った試験結果を平均
化することにより、乾式環境下における各試料の耐摩耗
性を評価した。試験条件および判定基準は以下の通り。

【００８９】・試験条件研磨紙：ＳｉＣ＃１８０荷重：３．１５ｋｇｆ揺動回数：４００回・判定基準 ◎：０．０５未満 ○：０．０５以上０．１未満 ×：０．１以上・結果実施例１〜１１の乾式環境下における耐摩耗性は、比較
例１〜４より優れている。

【００９０】＜溶射歩留試験＞実施例１〜１１および比
較例４の試料について、溶射による試料の重量増加を測
定し、供給した溶射材料の重量に対する比として溶射歩
留を評価した。判定基準は以下の通り。

【００９１】・判定基準 ◎：３０％以上 ○：２０％以上３０％未満 ×：２０％未満・結果全ての試料とも基準は満たしているが、溶射角度が５０
°である実施例７の試料は他の試料と比較して若干劣っ
ている。従って、溶射歩留を考慮すると溶射角度は５０
°以上が好ましく、９０°が最も好ましい。

【００９２】＜基材と溶射皮膜の密着性＞実施例１〜１
１および比較例４の試料について、図４に示す落球試験
機Ａを用いて、剥離耐久試験を行った。高さ（Ｌ）１ｍ
より、内径（ｄ）２９．３ｍｍのガイドパイプ１を通し
て、試料片２として設置した各試料に対して、衝突角度
（θ）６０°の角度で、１回の試験において落下数
（ｎ）５００個の鋼球ｃ（直径Ｄ：９．５ｍｍ、重量
３．３２ｇ）を連続的に落下、衝突させ、試料表面の溶
射皮膜に亀裂や剥離を生じるまでの耐久回数をカウント
した。４回の試験結果を平均化することで、基材（カッ
タビット本体）と溶射皮膜との密着性を評価した。判定
基準は以下の通り。

【００９３】・判定基準 ◎：５０回以上 ○：３０回以上５０回未満 ×：３０回未満・結果比較例４は基準を満たしていないが、実施例１〜１１は
いずれも基準を満たしている。実施例４、７、８、１０
が他の実施例と比較して若干劣っているがそれには以下
のような理由が考えられる。まず、実施例４については
膜厚が薄いことである。溶射皮膜の厚さが厚いほど密着
力には有利であり、この試験結果から膜厚は５０μｍ以
上が好ましいことが分かる。また、加工時間やコスト等
を考慮すると、カッタビット本体の外面に形成する溶射
皮膜層の膜厚は３００〜４００μｍ程度が最も好まし
い。

【００９４】次に、実施例７については、溶射角度が小
さいことである。密着力も上記溶射歩留と同様に、溶射
角度が９０°に近づくほど優れている。従って、この点
からも、カッタビット本体に対する溶射角度は５０°以
上が好ましく、９０°が最も好ましいことが分かる。

【００９５】次に、実施例８および１０についてはブラ
スト処理を行っていない点である。超硬合金からなるチ
ップに対する溶射皮膜層の密着力は、炭素鋼からなるカ
ッタビット本体に対する密着力よりも小さくなるため、
チップの外面に形成された溶射皮膜層に剥離等が発生す
るものである。従って、チップをカッタビット本体に取
り付ける場合、溶射前に溶射面のブラスト処理を行うこ
とが好ましい。

【００９６】＜耐衝撃性（欠け）＞実施例１〜１１およ
び比較例１〜４の試料について、図５に示す落球試験機
Ｂを用いて、耐衝撃性試験（欠け）を行った。高さ
（Ｌ）１．５ｍより、試験片２として設置した各試料に
対して、衝突角度（θ）９０°の角度で、３ｋｇの荷重
をかけた大きな曲率の落球体Ｃ（φ１２ｍｍ）を落下、
衝突させ、試料自身あるいは試料表面の溶射皮膜に欠け
亀裂または剥離を生じるまでの耐久回数をカウントし
た。４回の試験結果を平均化することで、試料の耐衝撃
性を評価した。判定基準は以下の通り。

【００９７】・判定基準 ◎：５０回以上 ○：３０回以上５０回未満 ×：３０回未満・結果実施例１〜１１および比較例１、３については基準を満
たしていたが、比較例２、４については基準を満たすこ
とができなかった。これは、超硬合金からなるチップが
脆く、欠けてしまうためである。なお、実施例８〜１１
が実施例１〜７と比較して若干劣っているが、これはチ
ップと溶射皮膜層との粘着力が、カッタビット本体と溶
射皮膜層との粘着力よりも若干劣ることが原因であると
考えられる。しかしながら、実施例８〜１１についても
耐衝撃性の基準は満たしている。

【００９８】＜チップ脱落試験＞実施例８〜１１および
比較例２〜４の試料について、実際に掘削時に受ける衝
撃を想定して、チップ取り付け部に、掘削時にかかる衝
撃と同等の衝撃を、掘削長に見合った回数だけ繰り返し
加えて、チップの脱落の有無を確認した。判定基準は以
下の通り。

【００９９】○：脱落なし ×：脱落あり・結果実施例８〜１１および比較例３、４についてはチップの
脱落は発生せず、基準を満たしていた。比較例２のみチ
ップの脱落が発生し、基準を満たすことができなかっ
た。

【０１００】＜総合評価＞上述した全ての試験結果に加
工性、コストを考慮して総合評価を行った。

【０１０１】表１に示すように実施例１〜１１について
は、若干の優劣は見られるものの、いずれの試験の判定
基準も満たしており、掘削用カッタビットとして優れて
いることが分かる。

【０１０２】一方、比較例１〜４については、各々基準
を満たしていない試験があり、実施例１〜１１と比較す
ると、掘削用カッタビットとして劣っていることが分か
る。

【０１０３】これまで、カッタビットはティースビット
タイプとして図示、説明してきたが、本発明はこの点に
おいて限定されず、図６（ａ）に示すローラビット３０
や、図６（ｂ）に示すシェルビット３１等、あらゆるタ
イプのカッタビットに適用できるものである。ローラビ
ット３０やシェルビット３１に適用する場合において
も、ティースビットの場合と同様に、チップ３２を取り
付けずにカッタビット本体３３の外面に溶射皮膜層３５
を形成してもよいし、チップ３２とカッタビット本体３
３の外面に溶射皮膜層３５を形成する、あるいはチップ
３２の外面にのみ溶射皮膜層３５を形成するようにして
も良い。なお、図６（ａ）および図６（ｂ）では、チッ
プ３２およびカッタビット本体３３の外面に溶射皮膜層
３５を形成した例を示している。

【０１０４】更に、これまでシールド掘進機のカッタビ
ットとして説明してきたが、本発明はこの点において限
定されず、ＴＢＭやロードヘッダー等、あらゆるタイプ
の地中掘削機のカッタビットに適用できるものである。

【０１０５】更に、溶射用粉末を製造するのに使用され
るサーメット粉末は、ＷＣ、ＣｒＣおよびＮｉを主成分
とするものを用いるとして説明したが、ＷＣ、Ｃｏおよ
びＣｒを主成分とするサーメット粉末を代わりに使用し
ても同様の効果を得ることができる。

【０１０６】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、カッタビ
ットを交換することなく連続して長距離掘削を行うこと
ができ、工期の短期化およびコスト低減を可能にすると
いった優れた効果を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る掘削用カッタビット
の正面図である。

【図２】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る掘削用カ
ッタビットであり、プレートタイプのチップが取り付け
られた掘削用カッタビットの正面図である。（ｂ）は、
本発明の一実施形態に係る掘削用カッタビットであり、
インサートタイプのチップが取り付けられた掘削用カッ
タビットの正面図である。

【図３】（ａ）は、プレートタイプのチップが取り付け
られた掘削用カッタビットにおいて、チップの外面にの
み溶射皮膜層を形成した形態を示す正面図である。
（ｂ）は、インサートタイプのチップが取り付けられた
掘削用カッタビットにおいて、チップの外面にのみ溶射
皮膜層を形成した形態を示す正面図である。

【図４】溶射皮膜の剥離耐久試験に使用した落球試験機
Ａの概略図である。

【図５】耐衝撃性試験に使用した落球試験機Ｂの概略図
である。

【図６】（ａ）は、本発明をローラビットに適用した例
を示す上半分断面正面図である。（ｂ）は、本発明をシ
ェルビットに適用した例を示す正面図である。

【図７】従来の掘削用カッタビットの正面図である。

【符号の説明】

１０掘削用カッタビット１５カッタビット本体１６溶射皮膜層

フロントページの続き (72)発明者五日市剛愛知県西春日井郡西枇杷島町地領２丁目１番地の１株式会社フジミインコーポレーテッド内 (72)発明者大澤悟愛知県西春日井郡西枇杷島町地領２丁目１番地の１株式会社フジミインコーポレーテッド内 (72)発明者朝隈正雄大阪府大阪市天王寺区夕陽丘町４番11号株式会社森本組内 (72)発明者巽紘伸大阪府大阪市天王寺区夕陽丘町４番11号株式会社森本組内Ｆターム(参考） 2D054 BB05 4K031 AA05 AB03 BA01 CB21 CB22 CB45 DA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シールド掘進機等の地中掘削機に用いら
れる掘削用カッタビットにおいて、炭素鋼やクロム・モリブデン鋼等でカッタビット本体を
形成し、該カッタビット本体の外面に、サーメット粉末と、Ｎｉ
あるいはＮｉとＣｒを含んだ金属粉末とを混合した溶射
用粉末を溶射して溶射皮膜層を形成したことを特徴とす
る掘削用カッタビット。
【請求項２】上記カッタビット本体に超硬合金等から
なるチップを取り付け、上記溶射皮膜層を上記カッタビ
ット本体およびチップの外面に形成するようにした請求
項１記載の掘削用カッタビット。
【請求項３】超硬合金等からなるチップの外面に上記
溶射皮膜層を形成し、これを上記カッタビット本体に取
り付けるようにした請求項１記載の掘削用カッタビッ
ト。
【請求項４】タングステンカーバイド、クロムカーバ
イドおよびＮｉ、またはタングステンカーバイド、Ｃｏ
およびＣｒを主成分とするサーメット粉末と、ＣｒとＮ
ｉの合計が金属粉末全体の重量に対して９０％以上を占
め、かつ、Ｃｒの含有量が金属粉末全体の重量に対して
０〜５５％である金属粉末を、溶射用粉末全体の重量に
対し各々８０〜９７％、３〜２０％の含有量となるよう
添加、混合した溶射用粉末を溶射して上記溶射皮膜層を
形成したことを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載
の掘削用カッタビット。