JPH07150878A - 多結晶ダイヤモンドで強化したドリルビットインサート - Google Patents

多結晶ダイヤモンドで強化したドリルビットインサート

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JPH07150878A
JPH07150878A JP6224982A JP22498294A JPH07150878A JP H07150878 A JPH07150878 A JP H07150878A JP 6224982 A JP6224982 A JP 6224982A JP 22498294 A JP22498294 A JP 22498294A JP H07150878 A JPH07150878 A JP H07150878A
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    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 岩石を穿孔するためのドリルビットに使用す
る、多結晶ダイヤモンド層の損傷や剥離を生ずることな
く高い圧縮強度の岩石構造を穿孔するための充分な靱性
と充分な強度を有するインサートを提供する。 【構成】 スチール本体、ドリルビットをドリルストリ
ングに接続するためにスチール本体の１つの端部に設け
た手段、ドリルビットの中に埋設した複数のインサート
を含んでなるドリルビットであって、インサートの少な
くとも一部が、ドリルビットに埋設したグリップ部分と
ドリルビットの表面から突き出たヘッド部分を有する焼
結炭化タングステン体、多結晶ダイヤモンド層と炭化タ
ングステン体の間の少なくとも１種の遷移層を含むドリ
ルビットを有する。好ましくは、少なくとも１種の遷移
層が、ダイヤモンド結晶、炭化タングステン粒子、及び
耐熱性炭窒化物の粒子を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、岩石構造を穿孔する多
結晶ダイヤモンドを先端につけたインサートを有する、
ブラストホールや油井等を穿孔するためのドリルビット
に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ローラ
ーコーンビットや衝撃ロックビットを含むドリルビット
は、例えば、井戸の穿孔、鉱山や建築工事のブラスト用
のブラストホールの穿孔用の岩石の穿孔に使用される。
ロックビットは一方の端部がドリルストリングに接続
し、他方の端に岩石構造を穿孔するために埋設した複数
の焼結炭化タングステンインサートを典型的に有する。
【０００３】長い距離で中ぐり穴の穿孔に使用すると、
ドリルビットは磨耗や損傷を生じる。ビッドのコスト
は、それ自体では、穿孔する穴の距離あたりの穿孔コス
トにおいて考えられるビットのコスト程は高くないと思
われる。ビットが破損する前に所与のビットで出来るだ
け長い距離を穿孔することが望ましいと考えられる。ま
た、穿孔するゲージ径が望ましいゲージに適切に近いこ
とを維持することが重要である。したがって、穴径を小
さくするビットの磨耗は望ましくない。さらに、穿孔の
間のビットのインサートの磨耗は、ドリルビット本体の
表面からの突き出しを減らす。この突き出しは穿孔速度
に大きな効果を有する。即ち、インサートが磨耗する
と、穿孔を続けることが経済的でなくなるまで侵入速度
が低下することがある。したがって、ビットのコストを
下げるため、及び岩石へのビットの妥当な侵入速度を維
持するために、岩石構造の中のドリルビットの寿命を長
くすることが極めて望ましい。
【０００４】さらに、中ぐり穴を穿孔しているときにド
リルビットが磨損又は損傷すると、ビットの交換のため
にドリルストリングを引き出す必要がある。ビットを交
換するために必要な全体の時間は、穿孔作業時間の本質
的な無駄である。この時間は、井戸のなかでも、特に深
くなったときの井戸について行うときは、全体の時間の
かなりの割合になることがある。したがって、穿孔時間
を長くすることは、ビット交換のためのドリルストリン
グの全体の移動に要する損失時間を短くするため、岩石
構造の中のドリルビットの寿命を長くすることは非常に
望ましい。このため、交換の必要を生じさせるドリルビ
ットの構成部分の長寿命化と性能の向上に従来より努力
が注がれてきた。
【０００５】ローラーコーンビットが中ぐり穴を穿孔し
ているとき、中ぐり穴の径又はゲージが所望の値に維持
されることが重要である。ロックビットの各々のコーン
に結合したインサートの最も外側の列はゲージ列として
知られている。このインサートの列は穴の底を最も速く
走行し、コーンがドリルビット本体にくっついて回転す
るときに穴の側壁をこすり易いため、ゲージ列インサー
トが最も大きい磨耗に曝される。ゲージ列インサートが
磨耗すると、穿孔している中ぐり穴の径がロックビット
の元のゲージより小さくなることがある。ビットが磨耗
して減った場合、穴の底の部分は一般にゲージより小さ
い。このため、次のビットが穴の中で走行するとき、穴
の底の部分を所望のゲージまで広げる必要がある。この
ことはかなりの時間を要するだけでなく、ゲージ列イン
サートの磨耗を開始させ、次のビットが磨耗したときに
は再びゲージ穴より小さくなる。
【０００６】穿孔する岩石構造の中へのドリルビットの
侵入速度は穿孔の重要なパラメーターである。当然なが
ら、高い穿孔速度は中ぐり穴を穿孔するに要する時間を
短くするため望ましく、穿孔時間は穿孔の固定費に関係
するため、長い時間はコスト高になる。侵入速度は、ビ
ットのインサートが磨耗し、穿孔を開始したときと同程
度に表面から突き出ていなくなると低下する。磨耗した
インサートは大きい曲率半径と、岩石との大きい接触面
積を有する。このことは侵入速度を低下させる。
【０００７】このように、出来るだけ長期間高い侵入速
度を維持するためには、ドリルビットのインサートの耐
磨耗性を最大限にすることが重要である。全ゲージまで
穿孔する穴の距離を最大限にするためには、ゲージ列イ
ンサートの磨耗を最小限にすることが特に重要である。
ローラーコーンと衝撃ロックビットを含むドリルビット
の期待寿命の顕著な向上に、中ぐり穴の底の岩を破砕す
るためのドリルビットに装着する焼結金属炭化物インサ
ートの使用がある。本来的に、コバルト焼結炭化タング
ステンのような焼結金属炭化物は、スチール以上の優れ
た耐磨耗性、及び穿孔時に受ける力に耐えるに充分な靱
性を提供した。岩石穿孔における焼結金属炭化物インサ
ートの出現以来、インサートの耐磨耗性と靱性の両方を
改良するために多くの努力がなされてきた。耐磨耗性
は、インサートが穿孔の際に簡単に磨損することを防ぐ
ために重要である。靱性は、穿孔において遭遇する高い
衝撃負荷によるインサートの破損を避けるために重要で
ある。
【０００８】ドリルビットインサートの最近の開発は、
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）層の使用である。特に、
いわゆる「強化インサート」が製造され、このインサー
トはコバルト結合炭化タングステン製のインサート本体
と、このインサート本体の突き出しヘッド部分に直接結
合した多結晶ダイヤモンド層を含む。用語「多結晶ダイ
ヤモンド」は、一般に、隣接したダイヤモンド結晶の間
で粒界結合が生じるに充分な高圧高温に個々のダイヤモ
ンド結晶を供することにより得られた物質を言う。本
来、ＰＣＤは高い耐磨耗性の利点を提供する。しかしな
がら、ＰＣＤは割合に脆く、ＰＣＤ層のチッピングやク
ラックによって生じるいくつかの問題がある。
【０００９】米国特許第4694918 号は、ローラーコーン
ロックビットとそのインサートを開示しており、このイ
ンサートは、焼結金属炭化物インサート本体、多結晶ダ
イヤモンドの外層、及び複合材料の少なくとも１種の遷
移層を含む。この複合材料は多結晶ダイヤモンドと、予
備焼結金属炭化物の粒子を含む。ＰＣＤの外層とヘッド
部分の間のこの遷移層は、チッピングやクラックの発生
を抑えることによりＰＣＤロックビットインサートの期
待寿命を長くすることが見いだされているが、現状の強
化インサートは、高い圧縮強度の岩石構造を穿孔するた
めには未だ最適ではない。ＰＣＤ層は非常に硬く、この
ため磨耗に耐えるが、典型的な破損形態は、高い接触応
力、靱性の不足、不充分な疲労強度によるＰＣＤ層のク
ラックである。穿孔の間のＰＣＤ層のクラックはＰＣＤ
層にスポーリングや剥離を生じさせ、インサートのヘッ
ド部分をかなり大きな磨耗に曝すことがある。ＰＣＤ層
のクラックはインサートの焼結炭化タングステン体の全
体に伝搬し、インサートの完全な破壊を生じさせること
がある。したがって、磨耗に耐えるために単に硬いだけ
でなく、ＰＣＤ層の損傷や剥離を生ずることなく高い圧
縮強度の岩石構造を穿孔するための充分な靱性と充分な
強度を有するインサートを提供することが望まれてい
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】したがって、本発明にお
ける現状で好ましい態様にしたがう実施において、１つ
の端部にビットをドリルストリングに取り付けるための
手段、及び他の端部に穿孔すべき岩石を破砕するための
複数のインサートを有するドリルビットを提供する。こ
れらのインサートの少なくともいくつかは、ドリルビッ
トに埋設したグリップ部分とドリルビットの表面から突
き出た先細のヘッド部分を有する焼結炭化タングステン
体を含む。
【００１１】このインサートは、次の構成成分を少なく
とも１つ含んでなる： ・多結晶ダイヤモンド、及びＷ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍ
ｏ、Ｃｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、及びこれらの混合物からな
る群より選択された元素の炭化物又は炭窒化物の粒子を
含む複合材料を含んでなる、炭化物体のヘッド部分に結
合した外層、 ・ダイヤモンド結晶、炭化タングステン粒子、及び炭窒
化チタン粒子を含む複合材料を含んでなる遷移層、 ・多結晶ダイヤモンドと、炭化物又は炭窒化物粒子を含
む、ヘッド部分に結合した外層であって、ダイヤモンド
粒子の平均サイズは炭化物又は炭窒化物粒子の平均サイ
ズより大きい外層、 ・ダイヤモンド結晶、炭化タングステン粒子、及び炭窒
化チタン粒子を含む複合材料を含んでなる遷移層であ
り、ダイヤモンド粒子の平均サイズは、炭化物と炭窒化
物粒子の平均サイズより大きい遷移層、 ・及び／又は、１ミクロン未満の平均粒子径を有する炭
化物及び／又は炭窒化物粒子含む遷移層、 ・炭化物体のグリップ部分の長さの少なくとも一部にそ
って広がる多結晶ダイヤモンド物質の外層。 本明細書において、用語「多結晶ダイヤモンド」及びそ
の略号の「ＰＣＤ」は隣接したダイヤモンド結晶の間で
粒界結合が生じるに充分な高温高圧に個々のダイヤモン
ド結晶を曝すことによって製造したダイヤモンドを言
う。代表的な最低温度は約１２００℃で、代表的な最低
圧力は約３５キロバールである。典型的な条件は約４５
ｋｂａｒの圧力と１３００℃である。所与の態様におけ
る最低限度で充分な温度と圧力は、他のパラメーター、
例えばコバルトのような触媒物質がダイヤモンド結晶と
共に存在することに依存する。一般に、このような触媒
／バインダー物質は、加工において選択する時間、温
度、圧力で粒界結合を確かにするために使用する。本明
細書において、「ＰＣＤ」は残存コバルトを含む多結晶
ダイヤモンドを言う。
【００１２】
【実施例及び作用効果】図１は、代表的なローラーコー
ンドリルビットの透視図を略図で示す。ビットはその下
側端部に装着した３つのカッターコーン111 を有するス
チール本体110を含む。ねじ込みピン112 は、油井等を
穿孔するためのドリルストリングにドリルビットを組み
立てるために本体の上側端部にある。多数の炭化タング
ステンのインサート113 を、穿孔する岩石構造に耐える
ようにカッターコーンの表面に施す。
【００１３】図２は、ロックビットの回転軸114 から、
カッターコーン111 を装着した３つの脚の１つを通って
放射状に広がるロックビットの断片的な横断面である。
各々の脚は、ロックビット本体の下方向と径の内側方向
に伸びるジャーナルピン116を含む。ジャーナルピン
は、ジャーナルピンの下側部分に接する硬質金属インサ
ート117 を有する円筒状の軸受面を含む。硬質金属イン
サートは典型的にコバルト又は鉄ベースの合金であり、
ジャーナル脚の溝に適切に溶接し、ジャーナルピンやロ
ックビット本体を形成するスチールよりもかなり高い硬
度を有する。インサート117 に対応する開き溝118 を、
ジャーナルピンの上側部分に用意する。このような溝
は、例えば、ジャーナルピンの円周の約６０％程度を占
めることができ、硬質金属117 は残りの４０％程度を占
めることができる。また、ジャーナルピンはその下側端
部に円筒状のノーズ119 を有する。
【００１４】各々のカッターコーン111 は、外側面の孔
に圧入した炭化タングステンのインサート113 を有す
る、中空の概ね円錐形の形状のスチール本体を有する。
各々のコーンのインサートの外側の並び120 は、これら
のインサートが中ぐり穴の外径又はゲージを穿孔するた
め、ゲージ列と称される。このような炭化タングステン
のインサートは、ロックビットが回転するときに、穿孔
している中ぐり穴の底で地下の岩構造体とかみ合い破砕
する穿孔作用を提供する。コーンのキャビティは、コー
ンのスチールの溝に配置した又はコーンの溝の浮動イン
サートとしての、アルミニウム青銅又はスピノーダル銅
合金を含む円筒状の軸受表面を含む。コーンの軸受金属
インサートは、脚に接する硬質金属インサート117 にか
み合い、ビット本体のコーンのための主な軸受表面を提
供する。ノーズボタン122 はコーンのキャビティの端部
とノーズ119 の間にあり、ジャーナルピンに接するコー
ンの主な推力負荷を支持する。ブッシュ123 はノーズを
囲み、コーンとジャーナルピンの間の付加的な軸受表面
を提供する。
【００１５】多数のベアリングボール124 が、コーンと
ジャーナルピンの補足的ボールレースの中にぴったり入
る。これらのボールは、ジャーナルピンを通って軸受レ
ースとロックビットの外側に位置するボール通路126 よ
り挿入する。最初にコーンをジャーナルピンにぴったり
入れ、次いでボール通路からベアリングボール124 を挿
入する。ボールは、ジャーナルピンからコーンを除去し
ようとする全ての推力負荷を支持し、それによってコー
ンをジャーナルピンに保持する。ボールを適所に位置さ
せた後、ボール通路126 を通して挿入したボールリティ
ナー127 によってレースの中にボールを保持する。次い
でプラグ128 をボール通路の端部の中に溶接し、ボール
リティナーを適所に保つ。
【００１６】ジャーナルピンとコーンの間の軸受表面
は、軸受表面に近い領域に加えて種々の通路とグリース
溜を満たすグリースによって潤滑する。グリース溜は、
潤滑剤通路131 によってボール通路126 に接続するロッ
クビット本体の中のキャビティ129 を含む。また、グリ
ースは、ボールリティナーに近いボール通路の部分、ジ
ャーナルピンの上側の開き溝118 、及びそれらの間を斜
めに伸びる通路132 を満たす。グリースは、コーンとジ
ャーナルピンの間のＯリング132 の形態の弾力性シール
で軸受構造の中に保持する。
【００１７】圧力補償サブアセンブリーをグリース溜12
9 の中に入れる。このサブアセンブリーは、その内側端
部に開口部136 を有する金属キャップ134 を含む。柔軟
なゴムのベローズ137 が外側端部からキャップの中まで
存在する。ベローズは、それを通るガス抜き通路139 を
有するキャップ138 によって適所に支持する。圧力補償
サブアセンブリーを止め輪141 によってグリース溜に支
持する。
【００１８】ベローズはその内側端部にボス142 を有
し、ボスはガス抜き通路139 をシールするためのベロー
ズの１つの端の変位でキャップ138 に対してシールする
ことができる。また、ベローズの端部はそのストローク
の他の端部でキャップ134 に対してシールすることがで
き、それによって開口部136 をシールする。図３は代表
的な衝撃ロックビットの長さ方向の部分的な横断面図で
ある。このビットは、油井等を穿孔するためのドリルス
トリングにロックビットを組み立てるための、本体の上
側端部にねじ込みピン12を有する中空のスチール本体10
を含む。この本体は、キャビティ32、及びキャビティと
本体の表面の間を連通する穴34を含む。この穴は、キャ
ビティの外から空気ハンマーによってビットを通して送
られた空気を中ぐり穴に転じ、冷却を提供し、穴から岩
のチップを取り出す。
【００１９】本体の下端はヘッド14で終わる。このヘッ
ドは本体10に比較して大きく、やや丸い形状である。穿
孔する岩の構造に耐えるために、ヘッドの表面に複数の
インサート16を用意する。このインサートは、ロックビ
ットが衝撃運動で岩を打ちつけたときに、穿孔している
中ぐり穴の底の地下の岩構造にかみ合い、破砕すること
により穿孔作用を提供する。ヘッドの上のインサート18
の外側の列は、これらのインサートが中ぐり穴の外径又
はゲージを穿孔するため、ゲージ列と称される。
【００２０】本発明の実施において、ドリルビットの切
削構造体（ローラーコーンロックビットと衝撃ロックビ
ットの両方を言う）の少なくとも一部は、多結晶ダイヤ
モンドを先端につけた炭化タングステンのインサートを
含む。代表的なインサートを図４に長さ方向の横断面で
示す。このようなインサートは、インサートの主な部分
にそって伸びる円筒状のグリップ長さ58を有する焼結炭
化タングステン体57を含む。１つの端部に先細部分（又
はヘッド部分56）があり、所望の切削構造によって任意
の各種形状でよい。ヘッド部分は弾丸形状と称されるこ
とがあり、基本的に丸い端部を有する円錐体形である。
ヘッド部分はたがね形状、即ち、向かい合った面に先細
の平坦な切り込みを入れて端が丸いコーンのような形状
でもよい。ヘッド部分は半球形、又は当該技術で知られ
る他の任意の形状でもよい。
【００２１】典型的に、インサートはドリルビットに加
圧はめ込み又はろう付けすることによってドリルビット
に埋設する。このビットは外側表面に複数の穴を有す
る。代表的な穴は、代表的なインサートのグリップ58の
直径より０．１３ｍｍ小さい直径を有する。インサート
は、数千キログラム以上の力でビットのスチールヘッド
の穴に圧入する。このビットへのインサートの加圧はめ
込みは、インサートを適所にしっかりと固定し、穿孔の
間にそれが外れることを防ぐ。
【００２２】代表的なインサートのヘッド部分56は、岩
とかみ合う外側層61と２つの遷移層（インサートの外側
層61と焼結炭化タングステン体57との間の外側遷移層60
と内側遷移層59）を含む。現在のところ好ましい態様は
２つの別な遷移層であるが、任意の数の遷移層を使用す
ることもできる。さらに、代表的な態様において、外側
層61は、インサートの本体57のグリップ長さ58の少なく
とも一部にそって、好ましくはグリップ長さの全体にそ
って広がる。また、１種以上の遷移層がグリップ長さの
一部にそって広がることもできる。ＰＣＤのダイヤモン
ドと遷移層は炭化物より小さい熱膨張率を有するため、
層の焼結の後、ＰＣＤ層と全ての遷移層でコーティング
されたグリップ長さの部分の表面に残存圧縮応力が残る
（以降で説明する）。残存圧縮応力はインサートが壊れ
る抵抗を増加させる。
【００２３】外側層61は、多結晶ダイヤモンドと、Ｗ、
Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、及び
これらの混合物からなる群より選択された元素の炭化物
又は炭窒化物の粒子を含む複合材料を含んでなる。代表
的な態様において、外側のＰＣＤ層61は、９０体積％の
ダイヤモンド結晶、７．５体積％のコバルト、及びＷ、
Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、及び
これらの混合物からなる群より選択された元素の炭化物
又は炭窒化物の粒子を２．５体積％含む複合材料を含ん
でなる。ＰＣＤ層は８体積％まで、好ましくは５体積％
未満の炭化物又は炭窒化物を含んでよい。特に好ましい
組成は、約２〜３体積％の炭化物又は炭窒化物を含む。
【００２４】ＰＣＤ層の中の炭化物又は炭窒化物粒子の
平均サイズは、好ましくは１ミクロン未満である。ま
た、ＰＣＤ層のダイヤモンド粒子の平均サイズは、ＰＣ
Ｄ層の中の炭化物又は炭窒化物粒子の平均サイズよりも
大きい。代表的な態様において、ＰＣＤ層は１〜２０ミ
クロンのサイズのダイヤモンド結晶を含む。４〜８ミク
ロンの範囲のダイヤモンド結晶サイズが好ましい。ダイ
ヤモンド結晶と炭化物又は炭窒化物粒子のサイズの違い
は、隣接したダイヤモンド結晶の間の空間に炭化物又は
炭窒化物粒子が満たされることを可能にし、その結果Ｐ
ＣＤ層がきつく充填され、このため通常の強化インサー
トのＰＣＤ層よりも強靱である。１つの態様において、
４〜８ミクロンのダイヤモンド粒子径と、２〜６ミクロ
ンの炭窒化チタンが適切である。ここで、１／２〜１ミ
クロンの炭化物又は炭窒化物粒子を使用することも好ま
しい。
【００２５】さらに、炭化物又は炭窒化物は、ＰＣＤ層
の焼結に伴う高温（以降で説明する）でコバルトに溶
け、低温でダイヤモンドとして溶液から析出する炭素源
を提供する。このように、コバルトは、炭素が炭化物又
は炭窒化物からダイヤモンドに移行するときの輸送媒体
として作用する。炭素が溶液からダイヤモンドとして析
出するとき、既に存在しているダイヤモンドに結合し、
隣接したダイヤモンド結晶の結合を強化する。このよう
に、炭化物又は炭窒化物の添加は、通常の強化インサー
トのＰＣＤ層よりも強靱なＰＣＤ層を提供する。向上し
たＰＣＤ特性は層のクラックやスポーリングを防ぐ。
【００２６】遷移層60と59の各々は、ダイヤモンド結
晶、コバルト、炭化タングステンの粒子、炭窒化チタン
の粒子を含む複合材料を含んでなる。代表的な外側遷移
層60は約５７体積％のダイヤモンド結晶、１１体積％の
コバルト粒子、３２体積％の炭化タングステン粒子を含
む複合材料を構成する。また、この層は、概して炭化タ
ングステンの一部の置き換えとしての８体積％までの炭
窒化チタンを含む。代表的な内側遷移層59は、約３８体
積％のダイヤモンド結晶、１４体積％のコバルト粒子、
４８体積％の炭化タングステン粒子、及びこの遷移層の
物質を置換した８重量％まで炭窒化チタンを含む複合材
料を構成する。好ましくは、遷移層の各々は、５体積％
未満の炭窒化チタンを含む。代表的な態様において、遷
移層の各々は２．５〜３体積％の炭窒化チタンを含む。
【００２７】本発明の実施において、遷移層の炭窒化チ
タン粒子に代えて、他の耐熱性の炭窒化物の粒子を使用
することもできる。例えば、複合タングステン−チタン
炭窒化物や炭窒化ニオブを使用することもでき、これら
は市販されている。遷移層の炭化物又は炭窒化物の平均
径は、好ましくは１ミクロン未満である。また、任意の
所与の層に含まれるダイヤモンド粒子の平均径は、その
層に含まれる炭化物又は炭窒化物の平均径よりも大き
い。代表的な態様において、遷移層は、１〜２０ミクロ
ンの径のダイヤモンド結晶を含む。４〜８ミクロンのダ
イヤモンド結晶径が好ましい。ＰＣＤ層について前記し
たように、炭窒化チタンの添加と同様に、ダイヤモンド
結晶と炭化物又は炭窒化物粒子とのサイズの違いが遷移
層を強化する。炭窒化チタンはコバルト中に容易に溶解
するため好ましい。
【００２８】遷移層の中の炭化タングステンは、好まし
くは５ミクロン未満、最も好ましくは１／２〜１ミクロ
ンの粒子径を有する。遷移層に使用する炭化タングステ
ンは予備焼結炭化物、粉砕した不足当量のＷＣ（即ち、
ＷＣとＷ2 Ｃの間の組成）、炭化タングステンとコバル
ト合金の注型・粉砕物、炭化タングステンとコバルトの
プラズマスプレー合金でよい。ここで、炭化物の粒子径
がダイヤモンドの粒子径より小さいことが好ましい。
【００２９】好ましくは、ＰＣＤ層と全ての遷移層の形
成に使用する触媒金属はコバルトであり、好ましくは、
触媒金属は任意の所与の層の中に１３〜３０重量％で存
在する。１７重量％の触媒金属が好ましい。いくつかの
態様において、鉄とニッケルからなる群より選択された
金属を含む他の触媒金属を使用することもできる。イン
サートの代表的な焼結炭化タングステン体57は、グレー
ト４０６炭化タングステン（平均で４ミクロンの炭化タ
ングステン粒子、６重量％のコバルト含有率）を含む。
別な態様において、炭化物体はグレート４１１炭化タン
グステン（平均で４ミクロンの炭化タングステン粒子、
１１重量％のコバルト含有率）を含む。
【００３０】外側のＰＣＤ層と各々の遷移層の複合材料
は、下記のように別々に作成する。手順は各々の層につ
いて同じであり、違いは各々の層に使用するダイヤモン
ド結晶、コバルト粉末、炭化物粒子及び／又は炭窒化物
粒子の相対的な比率だけである。各々の層を作成するた
めの原料は、好ましくはアセトンを用いてボールミル中
で一緒に粉砕する。焼結炭化タングステンで内張し、焼
結炭化タングステンボールを使用したボールミル中での
粉砕は、ダイヤモンドの汚れを避けるために適切であ
る。所望により、アトライターや遊星型ミルを使用する
こともできる。少なくとも１時間のボールミル処理が好
ましい。次いで混合物を乾燥し、７００℃の水素中で少
なくとも２４時間還元する。Nanodyne社(New Brunswic
k, New Jersey) より、層の形成に使用するための非常
に小さいサイズの炭化タングステン又は炭化タングステ
ン−コバルト粒子を入手することができる。
【００３１】インサートの層を作成するために混合・還
元した粉末を、ワックスを用いてコーティングし、焼結
し、図５に示すタイプのアセンブリーのドリルビットイ
ンサートブランクに結合する。インサートブランク51
は、一方の端が先細部分を有する円筒状の焼結炭化タン
グステンを含む。先細部分は、その上に形成する層の厚
さ分だけ小さい、完成したインサートの寸法形状を有す
る。このアセンブリーは、好ましくは二重壁を有する深
絞り金属カップの中で作成する。内側カップ52があり、
その内側は、予備成形するロックビットインサートの端
部の所望の最終寸法に成形する。内側カップは５０〜１
２５ミクロンの厚さを有するジルコニウムシートであ
る。外側カップ53は厚さが２５０ミクロンのモリブデン
である。ジルコニウムシート54とモリブデンシート55は
アセンブリーの上部を塞ぐ。このようにして形成したジ
ルコニウムの「かん」は、その中の物質を窒素と酸素の
影響から防ぐ。モリブデンの「かん」は、ロックビット
インサートを作成するために用いる高温高圧の加工サイ
クルの間に存在することが多い水分からジルコニウムを
保護する。
【００３２】図５に示すようなアセンブリーを作成する
ために、ワックスをコーティングした還元した粉末をカ
ップの中に配置することができ、ブランクが軸対称のと
きはインサートブランクと同じ形状の物体で加圧して薄
い層に広げることができる。所望により、ワックスをコ
ーティングした粉末混合物を広げるためにインサートブ
ランクを使用することもできる。最初に外側層を形成す
るための粉末を広げ、次いで第１遷移層を形成するため
の粉末を加え、外側層の上に広げる。次の遷移層を同様
にして形成する。最後にインサートブランクを適所に置
き、金属シートを追加してアセンブリーの上部を塞ぐ。
或いは、カップへの装入の前にインサートブランクの端
部の上に層を形成することができる。例えば、充分なワ
ックスを粉末に混合し、配合粉末の自己支持「カップ」
を形成し、インサートブランクの上又はカップの中に配
置することもできる。
【００３３】別な態様において、インサートの上の層を
形成するための配合粉末を可塑的に変形できるテープ材
料の中に埋封することができる。例えば、Ragan Techno
logies社（サンディエゴ、カリホルニア州）のWallace
Technical Ceramics部門の業務を、所望のテープ材料の
中に配合した粉末を作成するために利用することができ
る。一時的バインダーを含む各々の層を作成するための
原料は、従来の方法によって水と混合する。次いで配合
した材料を乾燥し、粉末とする。乾燥した粉末をテープ
製造機に供給し、ここでテープ形成ロールが粉末混合物
をテープ形状に変える。コンベアー式乾燥機が水蒸気除
去のための最適な温度と空気の循環を提供し、以降でテ
ープの冷却ゾーンを用意する。仕上ロールは緻密化作用
を行い、テープに表面仕上を与え、テープの最終的な厚
さを設定する。ダイヤモンド、炭化物等の粉末を混和す
る可塑変形できるテープは、Advanced Technologies 社
（バッファロー、ニューヨーク州）で製造している。
【００３４】所望の比率でダイヤモンド、コバルト、炭
化物及び／又は炭窒化物粒子を含む各々の層に用いるテ
ープ材料を切断し、完成インサートの先細ヘッド部分の
形状に適合するテープ材料を成形するためにパンチやダ
イ装置に入れる。各々の層はインサートの上部にそれぞ
れの順序で配置し、前記のジルコニウムの「カン」をイ
ンサートの上に設置する。層がインサートのグリップ部
分にも存在する場合、１層以上のテープをインサートの
周りに巻くことができる。テープに含まれるバインダー
は、インサートとジルコニウム「カン」を減圧中で６５
０℃に加熱して除去する。
【００３５】前記の態様によって作成したような１以上
のアセンブリーを、次いで２次元プレス(belt press)や
３次元プレス(cubic press) で加圧するために通常の高
圧セルの中に配置する。各種の公知のセル構造が適切で
ある。代表的なセルは、そのようなアセンブリーを囲む
グラファイトヒーターを有し、アセンブリーからはセル
をシールして圧力を伝達するための塩又は葉ロウ石によ
って絶縁する。ドリルビットインサートを作成するため
のそのようなアセンブリーを１以上含むそのようなアセ
ンブリーを高圧の２次元又は３次元プレスの中に入れ、
焼結プロセスに用いる温度でダイヤモンドが熱力学的に
安定な充分な圧力を適用する。代表的な態様において、
５０キロバールの圧力を用いる。
【００３６】アセンブリーが高圧に達すると、直ちにグ
ラファイトヒーターチューブに電流を流し、アセンブリ
ーの温度を少なくとも１３００℃、好ましくは１３５０
〜１４００℃に上げる。高温において焼結と多結晶ダイ
ヤモンドの生成に充分な時間までアセンブリーを供した
後、電流を止め、プレスの水冷アンビルに熱交換して部
材を速く冷却する。プレスの中での代表的な操作時間は
１１分間である。温度が７００℃未満、好ましくは２０
０℃未満になったとき、セルとその内容物が取り出せる
ように圧力を開放する。金属カンとその他の全ての付着
物質は、サンドブラトやエッチングによって得られたイ
ンサートから容易に除去することができる。得られたイ
ンサートのグリップは、ドリルビットの穴にぴったり入
れるための所望のサイズの円筒状にダイヤモンド研磨す
ることができる。ダイヤモンド結晶、炭化物及び／又は
炭窒化物粒子の複合層は、当然ながら高温高圧によって
焼結し、もはや互いに離れることができる別々の粒子の
形態ではない。さらに、層は互いに焼結している。
【００３７】このようにして作成したインサートのＰＣ
Ｄ層は充分に強靱であり、ＰＣＤ層のクラックやスポー
リングを生じることなく高い圧縮強度を備えて岩石構造
を好適に穿孔するに充分な硬さを有する。ＰＣＤを先端
につけたインサートは、ゲージ列インサートを含むあら
ゆるドリルビットの切削構造体に使用することができ
る。
【００３８】これらの新規な強化インサートと、従来の
ＰＣＤと遷移層を有する強化インサート、及び従来の焼
結炭化タングステンインサート（１１％コバルトのグレ
ード）とを比較する実験テストを行った。テストしたイ
ンサートは、直径９／１６インチ（１．４３ｃｍ）の半
球形インサートであった。インサートの軸に対して４５
°の角度でインサートのＰＣＤ層にアンビルがかみ合う
箇所でのクラックを検出する音波発生検出器を用いて疲
労試験を行った。圧縮負荷を１００〜１００００ポンド
（４５〜４５００Ｋｇ）の範囲で変化させ、破壊までの
サイクル数を記録した。疲労強度はＰＣＤ層のない標準
の炭化タングステンインサートと同等であり、従来の強
化インサートより約３０〜５０％良好であった。
【００３９】落下タワーで衝撃強度をテストした。１回
の衝撃負荷の後、インサートのＰＣＤ表面のクラックを
検査した。従来の強化インサートの衝撃強度は、対応す
る炭化タングステンインサートよりやや低かったが、新
規なインサートは従来の炭化タングステンインサートよ
り約３０〜５０％高い衝撃強度を有した。また、新規な
強化インサートの圧縮強度は、従来の炭化タングステン
インサートより約３０〜５０％高かった。
【００４０】Royal Oak(カナダ）の鉱山で回転衝撃ビッ
ト又はハンマービットの現場テストを行った。穿孔した
岩石は約４５０００ｐｓｉ（３１５０Ｋｇ／ｃｍ2 ）の
圧縮強度を有した。従来の一般的な焼結炭化タングステ
ンインサートを備えたビットは、１回の再研磨を施して
も約３０〜４０フィート（９〜１２ｍ）のみ穿孔可能で
あった。ＰＣＤ層と遷移層を備えた従来の強化インサー
トは、頻繁に破損が生じたためこの高い圧縮強度の岩石
には不向きであった。本発明の新規なインサートをビッ
トのゲージ、即ち、穴の壁に接して穿孔するインサート
の列に配置した。このビットは、インサートの重大な破
壊や磨耗を生じずに２００〜４００フィート（６０〜１
３５ｍ）をうまく穿孔した。
【００４１】当該技術又は本発明が関係する技術分野の
関係者は、前記の説明は現在のところ好ましい本発明の
態様について表現しており、本発明の本質と範囲から離
れずにこれらの態様に変化を加えることができることを
容易に認識するであろう。また、関係技術の当業者は、
開示のインサートがドリルビット以外の採鉱、鋸引き、
ドリル装置の切削構造体として使用できることを認識す
るであろう。例えば、このインサートを採掘用つるはし
等に使用することができる。この態様において、１つの
インサートを各々のスチールのつるはしに装着し、多数
のつるはしを岩石構造を切削する歯車や鎖に装着する。
【図面の簡単な説明】
【図１】代表的なローラーコーンドリルビットの透視図
の略図である。
【図２】前記ドリルビットの長さ方向の部分的な横断面
である。
【図３】代表的な衝撃ドリルビットの長さ方向の断片的
な横断面である。
【図４】代表的なドリルビットインサートの長さ方向の
横断面である。
【図５】前記ドリルビットインサートを作成するための
サブアセンブリーの長さ方向の横断面である。
【符号の説明】
１０…スチール本体 ５１…インサートブランク ５５…モリブデンシート ６１…ＰＣＤ層 １１３…インサート
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダー−ベン リアング アメリカ合衆国，テキサス 77381，ザ ウッドランズ，ラスティック ビュー コ ート 27

Claims (33)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 次の構成成分を含んでなるドリルビット
    であって： ・スチール本体、 ・ドリルビットをドリルストリングに接続するためにス
    チール本体の１つの端部に設けた手段、 ・ドリルビットの中に埋設した複数のインサート、 インサートの少なくとも一部が次の構成成分を含んでな
    るドリルビット： ・ドリルビットに埋設したグリップ部分とドリルビット
    の表面から突き出たヘッド部分を有する焼結炭化タング
    ステン体、 ・炭化タングステン体のヘッド部分に結合した多結晶ダ
    イヤモンド物質の層であって、多結晶ダイヤモンドと、
    Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、
    及びこれらの混合物からなる群より選択された元素の炭
    化物又は炭窒化物の粒子を含む複合材料を含んでなる多
    結晶ダイヤモンド層、 ・多結晶ダイヤモンド層と炭化タングステン体の間の少
    なくとも１種の遷移層であって、ダイヤモンド結晶と炭
    化タングステン粒子を含む複合材料を含んでなる遷移
    層。
  2. 【請求項２】 少なくとも１種の遷移層が、ダイヤモン
    ド結晶、炭化タングステン粒子、及び耐熱性炭窒化物の
    粒子を含む複合材料を含んでなる請求項１に記載のドリ
    ルビット。
  3. 【請求項３】 少なくとも１種の遷移層が、８体積％ま
    での炭窒化チタンを含む請求項２に記載のドリルビッ
    ト。
  4. 【請求項４】 多結晶ダイヤモンド層に含まれるダイヤ
    モンド粒子の平均サイズが、多結晶ダイヤモンド層の炭
    化物又は炭窒化物粒子の平均サイズより大きく、少なく
    とも１種の遷移層に含まれるダイヤモンド粒子の平均サ
    イズが、その遷移層に含まれる炭化物と炭窒化物粒子の
    平均サイズより大きい請求項２に記載のドリルビット。
  5. 【請求項５】 多結晶ダイヤモンド物質の層が、インサ
    ートの炭化タングステン体のグリップ部分の長さの少な
    くとも一部にそって広がる請求項１に記載のドリルビッ
    ト。
  6. 【請求項６】 少なくとも１種の遷移層が、インサート
    の炭化タングステン体のグリップ部分の長さの少なくと
    も一部にそって広がる請求項５に記載のドリルビット。
  7. 【請求項７】 多結晶ダイヤモンド層が、８体積％まで
    の炭化物又は炭窒化物を含む請求項１に記載のドリルビ
    ット。
  8. 【請求項８】 多結晶ダイヤモンド層に含まれるダイヤ
    モンド粒子の平均サイズが、多結晶ダイヤモンド層に含
    まれる炭化物又は炭窒化物粒子の平均サイズより大きい
    請求項１に記載のドリルビット。
  9. 【請求項９】 多結晶ダイヤモンド層に含まれる炭化物
    又は炭窒化物粒子、及び少なくとも１種の遷移層に含ま
    れる炭化物が、１ミクロン未満の平均粒子径を有する粉
    末を含み、金属バインダーはコバルト、鉄、及びニッケ
    ルからなる群より選択された請求項８に記載のドリルビ
    ット。
  10. 【請求項１０】 ドリルビットがローラーコーンドリル
    ビットである請求項１に記載のドリルビット。
  11. 【請求項１１】 ドリルビットが衝撃ドリルビットであ
    る請求項１に記載のドリルビット。
  12. 【請求項１２】 次の構成成分を含んでなるドリルビッ
    トであって： ・スチール本体、 ・ドリルビットをドリルストリングに接続するためにス
    チール本体の１つの端部に設けた手段、 ・ドリルビットの中に埋設した複数のインサート、 インサートの少なくとも一部が次の構成成分を含んでな
    るドリルビット： ・ドリルビットに埋設したグリップ部分とドリルビット
    の表面から突き出たヘッド部分を有する焼結炭化タング
    ステン体、 ・炭化タングステン体のヘッド部分に結合した多結晶ダ
    イヤモンド物質の層、 ・多結晶ダイヤモンド層と炭化タングステン体の間の少
    なくとも１種の遷移層であって、ダイヤモンド結晶と炭
    化タングステン粒子を含む複合材料を含んでなり、ダイ
    ヤモンド粒子の平均サイズが炭化タングステン粒子の平
    均サイズより大きい遷移層。
  13. 【請求項１３】 少なくとも１種の遷移層に含まれる炭
    化物が、１ミクロン未満の平均粒子径を有する炭化物粉
    末を含み、金属バインダーはコバルト、鉄、及びニッケ
    ルからなる群より選択された請求項１４に記載のドリル
    ビット。
  14. 【請求項１４】 次の構成成分を含んでなるドリルビッ
    トであって： ・スチール本体、 ・ドリルビットをドリルストリングに接続するためにス
    チール本体の１つの端部に設けた手段、 ・ドリルビットの中に埋設した複数のインサート、 インサートの少なくとも一部が次の構成成分を含んでな
    るドリルビット： ・ドリルビットに埋設したグリップ部分とドリルビット
    の表面から突き出たヘッド部分を有する焼結炭化タング
    ステン体、 ・ヘッド部分に結合し、炭化タングステン体のグリップ
    部分の長さの少なくとも一部にそって広がる多結晶ダイ
    ヤモンド部分の層。
  15. 【請求項１５】 遷移層の少なくとも１種が、インサー
    トの炭化タングステン体のグリップ部分の長さの少なく
    とも一部にそって広がる請求項１４に記載のドリルビッ
    ト。
  16. 【請求項１６】 次の構成成分を含んでなる、穿孔装置
    に使用するインサート： ・穿孔装置に埋設したグリップ部分と穿孔装置の表面か
    ら突き出たヘッド部分を有する焼結炭化タングステン
    体、 ・炭化タングステン体のヘッド部分に結合した多結晶ダ
    イヤモンド物質の層であって、多結晶ダイヤモンドと、
    Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、
    及びこれらの混合物からなる群より選択された元素の炭
    化物又は炭窒化物の粒子を含む複合材料を含んでなる多
    結晶ダイヤモンド物質の層、 ・多結晶ダイヤモンド層と炭化タングステン体の間の少
    なくとも１種の遷移層であり、ダイヤモンド結晶と炭化
    タングステン粒子を含む複合材料を含んでなる遷移層。
  17. 【請求項１７】 少なくとも１種の遷移層が、ダイヤモ
    ンド結晶、炭化タングステン粒子、及び耐熱性炭窒化物
    の粒子を含む複合材料を含んでなる請求項１６に記載の
    インサート。
  18. 【請求項１８】 少なくとも１種の遷移層が、８体積％
    までの炭窒化チタンを含む請求項１７に記載のインサー
    ト。
  19. 【請求項１９】 多結晶ダイヤモンド層に含まれるダイ
    ヤモンド粒子の平均サイズが、多結晶ダイヤモンド層の
    炭化物又は炭窒化物粒子の平均サイズより大きく、少な
    くとも１種の遷移層に含まれるダイヤモンド粒子の平均
    サイズが、その遷移層に含まれる炭化物と炭窒化物粒子
    の平均サイズより大きい請求項１７に記載のインサー
    ト。
  20. 【請求項２０】 多結晶ダイヤモンド層が、８体積％ま
    での炭化物又は炭窒化物を含む請求項１６に記載のイン
    サート。
  21. 【請求項２１】 多結晶ダイヤモンド層に含まれるダイ
    ヤモンド粒子の平均サイズが、多結晶ダイヤモンド層に
    含まれる炭化物又は炭窒化物粒子の平均サイズより大き
    く、少なくとも１種の遷移層のダイヤモンド粒子の平均
    サイズが、その遷移層の炭化物粒子の平均サイズより大
    きい請求項１６に記載のインサート。
  22. 【請求項２２】 多結晶ダイヤモンド層に含まれる炭化
    物又は炭窒化物、及び少なくとも１種の遷移層に含まれ
    る炭化物が、１ミクロン未満の平均粒子径を有する粉末
    を含み、金属バインダーはコバルト、鉄、及びニッケル
    からなる群より選択された請求項２１に記載のインサー
    ト。
  23. 【請求項２３】 多結晶ダイヤモンド物質の層が、前記
    炭化物体のグリップ部分の長さの少なくとも一部にそっ
    て広がる請求項１６に記載のインサート。
  24. 【請求項２４】 次の構成成分を含んでなる、穿孔装置
    に使用するインサート： ・穿孔装置に埋設したグリップ部分と穿孔装置の表面か
    ら突き出たヘッド部分を有する焼結炭化タングステン
    体、 ・炭化タングステン体のヘッド部分に結合した多結晶ダ
    イヤモンド物質の層、 ・多結晶ダイヤモンド層と炭化タングステン体の間の少
    なくとも１種の遷移層であって、ダイヤモンド結晶と炭
    化タングステン粒子を含む複合材料を含んでなり、ダイ
    ヤモンド粒子の平均サイズが炭化タングステン粒子の平
    均サイズより大きい遷移層。
  25. 【請求項２５】 少なくとも１種の遷移層に含まれる炭
    化物が、１ミクロン未満の平均粒子径を有する炭化物粉
    末を含み、金属バインダーはコバルト、鉄、及びニッケ
    ルからなる群より選択された請求項２４に記載のインサ
    ート。
  26. 【請求項２６】 多結晶ダイヤモンド物質の層が、前記
    炭化物体のグリップ部分の長さの少なくとも一部にそっ
    て広がる請求項２４に記載のインサート。
  27. 【請求項２７】 少なくとも１種の遷移層が、前記炭化
    物体のグリップ部分の長さの少なくとも一部にそって広
    がる請求項２６に記載のインサート。
  28. 【請求項２８】 次の構成成分を含んでなる、穿孔装置
    に使用するインサート： ・埋設したグリップ部分と突き出たヘッド部分を有する
    焼結炭化タングステン体、 ・前記ヘッド部分の少なくとも一部に結合した多結晶ダ
    イヤモンド層であって、多結晶ダイヤモンド、及び炭化
    タングステンと炭窒化チタンからなる群より選択された
    物質の粒子を含む複合材料を含んでなり、前記粒子はダ
    イヤモンド結晶のサイズより小さいサイズを有する多結
    晶ダイヤモンド層。
  29. 【請求項２９】 前記粒子の比率が、多結晶ダイヤモン
    ド層の８体積％未満である請求項２８に記載のインサー
    ト。
  30. 【請求項３０】 前記粒子の比率が、多結晶ダイヤモン
    ド層の２〜３体積％である請求項２８に記載のインサー
    ト。
  31. 【請求項３１】 前記粒子が炭窒化チタンを含む請求項
    ２８に記載のインサート。
  32. 【請求項３２】 多結晶ダイヤモンド層と炭化タングス
    テン体の間に少なくとも１種の遷移層をさらに含み、こ
    の遷移層は、ダイヤモンド、炭化タングステン、及びコ
    バルト相の複合材料を含んでなる請求項２８に記載のイ
    ンサート。
  33. 【請求項３３】 遷移層の炭化タングステン粒子が、ダ
    イヤモンド結晶の粒子サイズよりも小さい粒子サイズを
    有する請求項３２に記載のインサート。
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