ボタンビットの寿命が2倍長持ちする理由：それは超硬合金ではなく、本体の耐久性にある
ボタンビットが早期に故障した場合、誰もがまず最初に確認するのは超硬インサートです。欠けたボタン、平らになったボタン、欠落したボタンなど、損傷は目に見えるので、原因は明らかです。しかし、超硬インサートの故障で廃棄されるビットの多くは、実際には本体自体が原因で故障しています。インサートを保持する鋼鉄製の本体がひび割れたり、変形したり、疲労したりして、インサートは完全に使用可能な状態のまま、一緒に破損してしまうのです。
何千メートルもの硬岩への打撃に耐えるビットと、最初の作業で故障するビットの違いは、多くの場合、ビットが掘削装置に触れるずっと前に下された製造上の決定、つまり本体の製造方法に起因する。
ビットにボリュームを持たせる4つの方法 ― そしてそのうち3つがうまくいかない理由
ボタンビット本体を製造するための商業的なプロセスは4種類あり、同じ合金鋼を原料としているにもかかわらず、それぞれ全く異なる結果を生み出す。
棒材から機械加工で製造。最もシンプルな方法は、鋼の丸棒を用意し、必要な長さに切断し、最終形状以外の部分を機械加工で削り取ることです。金型や鍛造設備は不要で、CNC旋盤があれば簡単にセットアップできます。問題は、機械加工によって鋼の品質が向上するわけではないということです。機械加工は、棒が圧延されたときに形成された結晶構造を切断し、加工面ごとに金属の内部の流れ線を破壊します。これらの破壊された流れ線は、衝撃荷重がかかったときに疲労開始点となります。また、最終形状を作るために元の材料の約半分を削り取るため、材料の利用効率が非常に悪くなります。機械加工されたビット本体は、非常に軽負荷の用途には適していますが、打撃式岩盤掘削では、ビット本体が打撃ごとにピストンの衝撃を完全に吸収するため、長持ちしません。
冷間押出成形。機械加工よりは優れているが、限界がある。冷間押出成形は、鋼材を室温で極めて高い圧力で金型に押し込む加工法である。この変形によって材料密度が向上し、結晶粒構造も多少微細化されるが、必要な力は膨大であるため、金型とプレス機は巨大で精密研磨された高価なものでなければならない。冷間押出成形は、単純な形状の小径ビットには適しているが、大型ボタンビットのような複雑な内部形状には対応できず、金型の摩耗コストが高いため、量産には経済的ではない。
温間押出成形。妥協案として、ビレットを再結晶点以下の中間温度まで加熱し、変形抵抗を低減させる。プレス力は冷間押出よりも低いため、金型の摩耗が少なく、設備コストも低くなる。しかし、温度範囲は狭く、許容範囲が限られている。温度が高すぎると、金属の再結晶が不均一になり始める。温度が低すぎると、冷間押出と同じ圧力に戻ってしまう。温間押出は、形状が単純な軽負荷用ビット本体には適しているが、現代のボタンビットに必要な、適切なフラッシングと切削屑の排出のための深く複雑な空洞を作ることはできない。
熱間鍛造。業界がこの方法を採用したのには理由があります。鋼片は再結晶温度をはるかに超える1100～1250℃に加熱され、精密な金型に制御された圧力で押し込まれます。金属は温かい粘土のように金型の隅々まで流れ込み、冷却されると、機械加工や冷間加工では決して再現できない結晶構造、密度、内部構造の完全性を備えています。熱間金型鍛造は、世界中のボタンビット本体生産の80%以上を占めており、打撃式穴あけ加工においては、その優位性は確かな実績に裏付けられています。
1200℃の鋼鉄内部で何が起こるのか
熱間鍛造されたビット本体が、機械加工または冷間押出成形されたものよりも優れているのは、微細構造レベルで変化が生じるためであり、この変化を理解することは、ビットが地下でどれだけ長く使用できるかを直接左右するため、非常に重要です。
ビレットが1200℃の鍛造プレスに入ると、機械加工や冷間成形では再現できない3つの現象が同時に起こります。
初め、内部の欠陥は溶接で塞がれる。鋼片には、鋳造工程で残った微細な空隙（微細な気孔）や、酸化物や硫化物粒子などの非金属介在物が含まれています。高温下での鍛造プレスによる圧縮力によって、これらの空隙は崩壊して溶接により閉じられます。介在物は応力集中粒子として残るのではなく、平坦化されて分散されます。その結果、材料密度は著しく向上し、さらに重要なことに、繰り返し衝撃荷重下で亀裂に発展する可能性のある、亀裂発生箇所が少なくなります。
2番、結晶構造はゼロから再構築される。圧延または鋳造されたビレットから受け継がれた粗く不規則な結晶粒構造は、熱と変形の組み合わせによって完全に破壊されます。金属が金型キャビティに流れ込むと、古い結晶粒は粉砕され、微細で均一な等軸結晶粒（ほぼすべての寸法が等しい）に再形成されます。これにより、熱処理だけでは達成できない硬度と靭性のバランスが鋼にもたらされます。適切に熱間鍛造されたボタンビット本体は、HRC 35～45の範囲の硬度を持ち、数千回のピストン打撃にも割れることなく耐えられるほどの耐衝撃性を備えています。
これは、従来のビット製造を悩ませていた根本的な材料問題、つまり「硬いが脆い、靭性があるが柔らかい」というトレードオフを解決します。熱処理された機械加工鋼は硬くすることはできますが、脆くなり、衝撃で割れやすくなります。あるいは、靭性を高めることはできますが、柔らかくなりすぎて、摩耗が早く、負荷がかかると変形してしまいます。熱間鍛造は、部品を成形すると同時に結晶構造を微細化することで、このトレードオフを解消します。同じ部品で硬さと靭性の両方を得ることができます。
三番目、金属粒子の流れは荷重経路に沿って進む。機械加工部品では、圧延棒材から生じた元の結晶粒の流れ線が部品をまっすぐに貫通し、機械加工面がそれらを横切る場所で途切れます。これらの途切れた部分は弱点となります。熱間鍛造部品では、金属の結晶粒は変形中の流れ方向に沿って整列し、金型は、この流れ方向が使用中の主要な荷重経路に沿うように設計されています。ボタンビットの場合、結晶粒の流れは内部の洗浄キャビティを包み込み、ビットスカートに沿って連続的に流れ、衝撃荷重がシャンクから切削面に移行するショルダー部に集中します。金属の内部構造は、それが受ける力に合わせて整列しており、この整列により疲労寿命が大幅に延長されます。同じ材料で同じ用途の機械加工ビット本体と比較して、30%以上も長くなります。
ドリル面における熱間鍛造の意味
掘削作業員にとって、こうした冶金学の知識はすべて、シフトごとに現れる具体的な成果へと結びつく。
ビット本体は肩部で割れません。機械加工されたビット本体で最もよく見られる致命的な破損モードは、ピストンからの衝撃荷重が集中するスカート部とフェース部の接合部における円周方向の亀裂です。熱間鍛造された本体は、その部分で結晶粒の流れが連続しているため、このような亀裂が発生しにくいのです。
ビットは直径をより長く維持します。鍛造ボディは全体に均一な硬度と耐摩耗性を持ち、機械加工や熱処理が不均一なボディに発生する軟化箇所がありません。ゲージ列は均一に摩耗し、ビットは最初の1メートルから最後の1メートルまで一貫した穴径を実現します。
インサートは所定の位置に留まります。衝撃によって物体が微細に変形すると（そして、あらゆる物体は多少なりとも変形します）、超硬ボタンをソケットに固定している圧入が緩む可能性があります。靭性と疲労抵抗に優れた鍛造ボディは、より多くのサイクルにわたってソケットの寸法を維持し、インサートを所定の位置に保持し、摩耗したビットをスクラップ金属に変えてしまうようなインサートの脱落を防ぎます。
購入時に注意すべき点
仕様書に「"forgedd"」と記載されているボタンビットはすべて同じ品質とは限りません。高品質の鍛造品と大量生産品を分ける2つの要素は次のとおりです。
温度調節。ビット本体に使用されるほとんどの合金鋼（一般的には42CrMoなどのニッケル・クロム・モリブデン系鋼）の鍛造温度範囲は狭い。温度が高すぎると結晶粒成長が加速し、粗大な結晶粒が生成されて靭性が低下する。温度が低すぎると金属が金型に適切に流れ込まず、未充填部分や鋭角部に内部応力集中が生じる。高品質な鍛造作業では、ビレット温度を継続的に監視し、規定範囲外のものはすべて排除する。
金型の状態と冷却。鍛造金型は、連続生産中は200～300℃の温度で稼働し、金型ホルダー内のアクティブ水冷回路によって温度が維持されます。金型温度がこの範囲を超えると、金型鋼が軟化し、寸法精度が低下します。逆に、温度が範囲を下回ると、高温のビレットからの熱衝撃によって金型表面に亀裂が生じる可能性があります。金型温度が一定であれば、ビットの寸法も一定になり、寸法が一定であれば、どのビットも前回と同じ性能を発揮します。
