岩盤掘削用超硬合金：特性、摩耗に関する課題、およびリサイクルに関する考察
岩盤掘削用超硬合金：特性、摩耗に関する課題、およびリサイクルに関する考察
岩盤掘削用超硬合金は、鉱業、トンネル掘削、採石、建設工事における掘削工具に使用される最も重要な材料の一つです。ドリルビットの先端部に装着され、繰り返しの衝撃、回転、摩耗、熱によって岩盤に直接接触し、岩盤を破砕します。
管理された作業場環境で使用される多くの切削工具とは異なり、鉱山用超硬インサートは非常に変動の激しい現場環境下で使用されます。大きな衝撃荷重、研磨性の岩石、振動、水、粉塵、そして繰り返される加熱冷却サイクルにさらされます。そのため、材料の選定、工具の設計、適切な操作、そしてリサイクル管理が特に重要になります。
岩盤掘削用超硬合金とは？
岩盤掘削用超硬合金は、一般的に炭化タングステンとコバルトを主成分とする硬質複合材料です。炭化タングステンは高い硬度と耐摩耗性を提供し、コバルトは結合剤として働き、材料に靭性を与え、衝撃荷重に対する耐性を高めます。
この材料は、以下のような様々な種類のドリル工具に使用されています。
ボタンビット
ノミのビット
ねじ付きドリルビット
先細りのドリルビット
DTHハンマービット
リーマビット
鉱山およびトンネル掘削用工具
超硬インサートは鋼製のビット本体に取り付けられています。掘削中、鋼製の本体は削岩機からの衝撃エネルギーを伝達し、超硬インサートは岩石を粉砕、削り取り、摩耗させます。
タングステンとコバルトは貴重な鉱物資源であるため、炭化物の性能は掘削生産性だけでなく、材料消費量やライフサイクルコストにも影響を与える。
炭化物の採掘が過酷な条件下でも機能する理由
鉱山用超硬インサートは、多くの標準的な切削工具よりも過酷な使用条件に耐えなければなりません。岩盤掘削用途では、回転するドリルビットが硬く摩耗性の高い岩盤に繰り返し衝突します。インサートは、動的な負荷、高い接触応力、そして急激な温度変化にさらされます。
良質な超硬合金は、相反する2つの要件のバランスを取る必要がある。
耐摩耗性のための硬度
耐衝撃性を高めるための強靭性
超硬合金が硬すぎて脆い場合、衝撃で割れたり破損したりする可能性があります。逆に柔らかすぎると、摩耗が早すぎる可能性があります。鋼製ビット本体、インサート形状、フラッシング設計、掘削パラメータ、岩石の種類など、すべてが最終的な工具寿命に影響を与えます。
超硬ドリルビットの短い耐用年数
出典記事によると、鉱山用超硬工具は比較的耐用年数が短い場合が多いとのことです。例として、中硬岩を掘削する際の直径45mmのトップハンマー式ドリルビットについて、掘削速度が毎分約0.7～0.8メートル、通常の耐用年数が約120～150メートルであると説明されています。
これらの数値は、出典資料からの参考値であり、普遍的な性能保証ではありません。実際の工具寿命は、岩盤の強度、摩耗性、掘削圧力、衝撃力、回転速度、洗浄品質、作業者の熟練度、ビット設計などによって大きく異なる場合があります。
典型的な終末期疾患には以下のようなものがあります。
超硬インサートの破損
超硬摩耗
紛失したボタンまたはインサート
過度のゲージ摩耗
摩耗したスチールビット本体
損傷したネジ山または接続部
早期故障を減らすためには、掘削パラメータが岩盤の状態に適合していることを確認する必要があります。過剰な送り力、不十分なフラッシング、不適切な位置合わせ、または不適切な回転は、超硬合金と鋼製本体の両方を損傷する可能性があります。
ドリル工具における材料利用率の低さ
超硬ボタンビットの摩耗における重要な課題の一つは、使用期間中に超硬インサートのごく一部しか摩耗しない可能性があることです。先端部は岩盤に接触しますが、インサートの大部分は構造的な支えとして鋼製ビット本体内部に埋め込まれたままになります。
出典記事によると、用途によっては、ドリル加工中に超硬合金の総重量の15%未満しか消費されない場合があるとのことです。つまり、廃棄された工具にはかなりの量の貴重な材料が残っているということです。
問題は単なる廃棄物の問題だけではない。残った超硬合金は鋼製本体の盲穴にしっかりと嵌め込まれているため、取り出しが困難である。インサートの除去には時間、設備、労力が必要となり、回収コストが高くなる可能性がある。
炭化物リサイクルの課題
超硬合金のリサイクルは、掘削工具メーカーや鉱山事業者にとって重要な課題である。多くの場合、使用済みのドリルビットは、埋め込まれた超硬合金の回収が困難なため、スクラップ鋼として扱われる。
しかし、工具全体を通常の鉄くずとして扱うと、2つの欠点が生じる。第一に、貴重な炭化タングステンが失われる。第二に、炭化タングステンは融点が高いため、適切に分離しないと鉄鋼リサイクル工程に影響を与える可能性がある。
より良いリサイクル戦略としては、使用済みビットを分別回収し、工具を種類別に選別し、経済的な回収方法を評価し、専門の超硬合金リサイクル業者と連携することなどが挙げられます。回収が実現可能かどうかは、地域の労働コスト、超硬合金の価値、工具の量、分離技術、物流などによって左右されます。
炭化物鉱石の価格が競争力を維持できる理由
炭化タングステン鉱石は大量に消費されるが、他の炭化タングステン製品と比較すると比較的安価で販売されることが多い。この記事では、その理由の一つとして、掘削工具の耐用年数が短く、消費率が高いことを挙げている。
購入者にとって、単価は唯一の選択基準であってはなりません。ビットの真のコストには以下が含まれます。
浸透率
工具1本あたりの掘削メートル数
工具交換のためのダウンタイム
ドリル鋼の消費量
工具が詰まるリスク
労働要件
炭化物の回収または廃棄費用
高品質の超硬インサートは初期費用が高くなるかもしれませんが、掘削メートルあたりのコストを削減できます。最適な方法は、実際の岩盤条件下で掘削ツールの性能を評価し、総合的に最も優れた価値を提供する超硬グレード、ビット設計、および運転パラメータを選択することです。
