【発明の詳細な説明】
摩擦溶接したドリルロッド及びそのロッドの製造方法
本発明はドリルロッド及びそのロッドの摩擦溶接による製造方法に関する。
技術的背景
慣用の岩石穿孔用のロッドは、ロッドに直接機械加工したネジを備えるか、ま
たはロッド直径より大きな直径に鍛造されたロッド端部に機械加工したネジを備
えるかのいずれかである。ロッドの直径を鍛造する代わりに、ロッド直径より大
きな直径を有する端部または案内部を摩擦溶接することが可能である。慣用の岩
石穿孔ロッドは、ほとんど穴明きロッドと中実ロッドのアダプターとから製造さ
れる。ネジ付きロッドに関しては、少なくともネジはほとんどロッド直径より太
い直径に叩き広げられた（鍛造された）端部に機械加工され、一方シャンクアダ
プターはほとんど丸く機械加工される。
寸法鍛造または高価な機械加工を用いる代わりに、直径が大きく相違する部品
を互いに摩擦溶接することがますます一般的になっている。しかしながら、従来
のドリル鋼から製造されたドリル工具は、溶接部の両側に弱い「軟化」領域が発
生する。これらの領域は影響を受けないロッドより低い硬さであり、すなわちこ
のロッドの最も弱い部分となる。この軟化領域を回避するために、したがって、
摩擦溶接後のこの種のロッドを交互に浸炭、焼ならし、または硬化させることが
必要となる。
別の方法は、摩擦溶接以前にロッド端部を打ち叩くことにより、軟化領域の弱
い強度を補償する。
坑内の頭部ハンマードリルの際に、すなわち生産穿孔または坑道穿孔の際に、
最も一般的な方法は、ロッド穿孔を使用することである。水洗浄が、穴からの切
削物を押し出すために使用される。初期にはこれらの種類の穿孔方法は、全装備
をした手持ち装置、すなわち超硬合金インサートが打ち広げられたロッド端直接
ロウ付けされた工具で実施されていた。今日では、ほとんどが非常に機械化され
た穿孔であり、全ての機械が穿孔装置で実行され、一つの装置が同一の装置上を
走行する２台の機械を備える。機械化された装置では、機械能率を上昇させるこ
とが可能である。したがって、このロッドには、継環(collaring)及び穿孔のと
きに大きな力が加えられる。機械化させた穿孔工具では、このロッドにネジ切り
され、別のビットがこのロッドにねじ込まれる。ビットが摩耗したときにロッド
を廃棄する代わりとなるので、これはロッドが全体ものより長期に使用できるこ
とを意味し、さらに新しく装備したビットで穿孔することが可能となる。特に、
例えば坑道内の水はほとんど酸でありしたがって特に腐食性であるので、水洗浄
は腐食疲労の危険をもたらす。
この種のロッドが最も被る部分はネジ端部と、特に全ロッド部とネジ部との間
の間隙部である。
発明の目的
本発明の目的は、端部またはそれぞれの端部が、溶接部の熱影響部がロッド自
体と同様の強度となることと共同して、独特の耐疲労腐食性を備える摩擦溶接ド
リルを提供することである。
本発明のもう一つの目的は、高強度溶接部備える摩擦溶接ドリルロッドを提供
することである。
さらに本発明のもう一つの目的は、ロッドが最も高い荷重を受け
る部分、すなわち、ネジ部と、端部の洗浄穴と、ネジ部とロッド本体との間の間
隙部で、ロッドが軟化することなく耐疲労腐食性を備える低温度熱処理方法を提
供することである。
さらに、本発明のもう一つの目的は、その後の補償または高温度熱処理工程無
しに互いに摩擦溶接された二以上の部品をくみあわせたドリルロッドを製造する
有効な提供することである。
図面の説明
図１は、本発明にしたがうネジ付きドリルロッドの長手方向断面を示す。図２
は、本発明にしたがうドリルロッドに使用される材料の模式的Fe−ｃ状態図を示
す。図３において、点線は炭窒化後の従来のドリルロッド鋼（鋼種ＳＳ２５３４
のような）の表面から芯への硬さの変化を示し、一方同図の実線は本発明にした
がう硬さ変化を示す。図４Ａは、炭窒化したネジ端部（右側）と、摩擦溶接部を
通ってロッド（左側）と、の長手方向の硬さ分布を示し、通常左側ロッドは熱間
圧延後に熱処理を施さない。図４Ｂは、本発明にしたがい溶接された鋼の長手方
向断面図を示す。図５において、実線は本発明の適切な鋼の焼もどし曲線を示し
、一方点線の曲線は従来のドリル用の鋼の焼もどし曲線の例を示す。
発明の詳細な説明
衝撃穿孔用のドリルロッド１０は、短いロッド部１６に接続し間隙部１２に接
続されるネジ部１１を備えている第１の構成材２５を含む。ネジ部１１は打撃面
１７に前方で接続される。第１の構成材２５は、好ましくは長いロッド部１３で
ある第２の構成材２２に接続される。洗浄流路２６がドリルロッド１０の中央に
設けられる。短いロッド部１６はロッド部１３のように実質的に同一の直径であ
る。
製造されるドリルロッドは、静止または非回転構成材２５と、回転可能構成材
２２とから一般的になる。構成材２２、２５は鋼から作られ、摩擦溶接開始以前
に、各構成材の合わせ端で鋼は芯と均一であり、いわゆる母材である。
摩擦溶接前に、構成材２５のネジ端は、浸炭または焼ならしされた表面と比較
して耐蝕性を増加するために、端窒化される。炭窒化層は番号１４で示され、そ
の深さは約０．３ｍｍである。代わりに、他の種類の低温表面熱処理、Backnite
（商標登録）、Colournite（商標登録）及びTenifer商標登録）等を使用するこ
とが可能である。ここで、低温熱処理とは、鋼が、図２のｘで示すＡ１温度以下
に加熱され、例えば、オーステナイト（γ相）に相変態ができないことを意味す
る。
従来の坑道ロッド用削岩ドリル鋼タイプＳＳ２５３４に関して、炭窒化（Back
nite（商標登録）等）は、図３の点線の曲線に示されるように、熱処理の際の焼
もどし効果によって余りにも低い硬さが与えられる。炭窒化（Backnite（商標登
録）、Colournite（商標登録）等）によって熱処理される鋼は、炭窒化温度（５
５０〜６１０℃、通常５８０℃）付近での高い耐焼もどし性と２次硬化ピークを
持つ必要があり、芯硬さは、４４０ＨＶ１（ｋｇ）（ビッカース硬度）以下、好
ましくは４５０ＨＶ以下に低下しないので、したがって、衝撃穿孔の際の衝撃波
からの衝撃荷重に耐えるため、炭窒化層１４が優秀なサポートを与える。図３の
実線の曲線及び図４の実線の焼もどし曲線を参照される。
図示しないが、摩擦溶接機の機能を以下に説明する。チャック手段が開けられ
て、ネジ部２５がそこに挿入される。チャック手段が閉じられて、柄が配置位置
に締め付けられる。次ぎに、締め付け手
段が開けられ、そしてドリルロッド２５の端部がそこに挿入される。締め付け手
段が閉じられて、ロッドが配置位置に締め付けられる。次ぎに、ドリルビットが
回転を開始し、そして締め付け手段がロッドの自由端をビットの自由端に向かっ
て送り込みビット自由端に接触させる。摩擦溶接の際に発生した熱が、互いに隣
接する端部を鍛造可能にさせる。各構成材の相対的回転が停止され、各構成材が
さらに互いに押し付けられ図４Ｂのように冷却される。摩擦溶接方法はスウェー
デン特許−Ａ−９５０２１５３−１に記載され、その記載に具体的に示される。
従来のドリル鋼は、炭窒化後の芯硬さはあまりにも柔らかく、約３００ＨＶ１
になり、図３の点線の曲線に示すように衝撃穿孔用には不適切である。衝撃穿孔
では、ロッド表面並びにロッド芯は、衝撃波及び捩れ及び曲げ力により大きな疲
労応力を受ける。これは、表面及び芯がこれらの疲労応力に耐える十分な強度を
さなえる非常に重大なことを意味する。さらに、衝撃穿孔の際のネジへの高圧力
が、炭窒化層を支えるために十分な芯硬さを要求する。熱間圧延及び冷却後約４
００ＨＶ１の鋼が約５８０℃で炭窒化することができ、図３の実線の曲線で示す
ように同時に少なくとも２次硬化で４４０ＨＶ１まで増加させることが可能であ
ることを発明者は明らかにした。また、このタイプの鋼は少なくとも３９０ＨＶ
１の境界面付近の軟化域の硬さが得られ、すなわち慣用のロッド鋼とほぼ同一で
ある。芯硬さ輪郭を図４Ａに示す。また、全ロッド長さを炭窒化することが可能
であり、少なくとも４４０ＨＶ１の芯硬さが得られる。
従来のドリル鋼に比較して適切な鋼は、５５０〜６１０℃の間でさらに高温高
硬さと２次硬化とを必要とする。「さらに高い高温硬さ」に付いては、高温硬さ
が６００℃で約１００ＨＶ１である
従来の鋼に比較して、本発明に関して使用する鋼が６００℃で約２００ＨＶ１の
硬さを備えることを意味する。
図５の実線の焼もどし曲線は本発明に対して適切な鋼の２次硬化範囲Ｓの例を
示す、一方点線の曲線は約１時間の焼もどし時間を備える従来のドリルロッド鋼
の焼もどしの例を示す。
本発明に従うドリルロッドのＨＡＺの軟化試験部分の芯硬さは、母材の硬さの
ほぼ（すなわち、±５％）等しい。
構成材２２、２５は、ロッドの芯硬さと比較しうるすなわち通常４００より高
いＨＡＺの硬さを備える。最も弱い断面を備える少なくとも構成材に対して、次
のように変化させる必要がある。熱影響部の強度は、熱影響を受けた鋼材料でな
く、母材の強度と比較しうる。図４Ａの線Ｉに示される通常の軟化領域の硬さは
、慣用のドリルロッドの通常の芯硬さと少なくとも同一水準であり、すなわち３
９０ＨＶ１より高い。
主な元素、通常Ｃｒ、ｏ及びＶは、少なくとも４４０ＨＶ１の炭窒化後の芯硬
さ及び少なくとも３９０ＨＶ１のＨＡＺ硬さを与える水準で維持される。
ネジ付き構成材２５または双方の構成材２２、２５に使用されるタイプの鋼は
、０．１５〜０．５０ｗｔ％のＣ、最大で０．１５ｗｔ％のＳｉ、最小で０．２
ｗｔ％のＭｎ、０．５〜１．５ｗｔ％のＣｒ、０．５〜４ｗｔ％のＮｉ、０．５
〜２ｗｔ％のＭｏ、最大で０．５ｗｔ％のＶ、最大で０．５ｗｔ％のＷ、０．５
ｗｔ％のＴｉ、最大で０．１ｗｔ％のＮｂ及び最大で０．０５ｗｔ％のＡｌ、残
部Ｆｅの範囲にある化学組成を有する。このような鋼の例は、０．３２ｗｔ％の
Ｃ、０．９ｗｔ％のＳｉ、１．０ｗｔ％のＣｒ、０．５ｗｔ％のＮｉ、１．０ｗ
ｔ％のＭｏ、０．１ｗｔ％のＶ、残部Ｆｅである。
また、Ｔａ及びＺｒのような炭化物、窒化物または炭窒化物を形成する他の少
量の元素を、これらの元素が２次硬化効果を与え且つ粒成長を遅延させるのでこ
の鋼に使用することができる。Ａ１及びＢが窒素とともに粒微細化に使用するこ
とができる。
さらに具体的には、岩石穿孔用の摩擦溶接製品の製造方法は、高い高温硬さを
備える母材を設ける工程、単独で第１の構成材２５を好ましくは炭窒化すること
によって、耐腐食疲労性を付与するように第１の構成材２５のネジ部１１、内側
通路２６及び間隙部１２を熱処理する工程、第１構成材２５を締め付けるために
締め付け手段を設ける工程、第２の構成材２２を回転させるために回転手段を設
ける工程、第１の構成材と第２の構成材と互いに押し付けて且つ溶接部２７を形
成するように互いに関して第１の構成材と第２の構成材とを回転させる工程、且
つ溶接部を室温まで冷却してそれによって３９０ＨＶ１以上に熱影響部の最も低
い芯硬さを維持する工程を含む。しかしながら、構成材２２及び２５のいずれか
が、他の構成材が摩擦溶接の際に回転する間静止させることが可能であることは
考慮できる。接合される構成材の回転可能自由端２２及び非回転自由端２５は、
接合準備から自由であり且つ構成材の回転軸に関して実質的に垂直な端面を有す
る。
すなわち、本発明の主な特徴は、熱処理によって好ましくは単独の第１の構成
材２５を炭窒化することによって、ネジ部１１及び間隙部１２に腐食疲労の危険
を減少させ、そしてその後、浸炭、焼ならし、炭窒化等を施すことができるロッ
ド１３に第１の構成材を摩擦溶接するドリルロッドを提供することである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Friction welded drill rod and method of manufacturing the rod
The present invention relates to a drill rod and a method of manufacturing the rod by friction welding.
Technical background
Conventional rock drilling rods have screws machined directly into the rod, or
Or machined screws on the rod end forged to a diameter larger than the rod diameter.
One of them. Instead of forging the rod diameter, it is larger than the rod diameter.
It is possible to friction weld ends or guides with different diameters. Conventional rock
Stone drilling rods are mostly manufactured from perforated rods and solid rod adapters.
It is. For threaded rods, at least the screws are almost thicker than the rod diameter
Machined at the end (forged) that has been hammered to a large diameter, while the shank
The putter is almost round machined.
Parts that differ greatly in diameter, instead of using dimensional forging or expensive machining
It has become increasingly common to friction weld each other. However,
Drilling tools made from different drill steels have weak "softening" areas on both sides of the weld.
Live. These areas are less stiff than unaffected rods, i.e.
Will be the weakest part of the rod. To avoid this softening region, therefore,
This kind of rod after friction welding can be alternately carburized, normalized or hardened.
Required.
Another method is to weaken the softened area by tapping the rod end before friction welding.
To compensate for intensities.
In the case of an underground head hammer drill, i.e. in the case of production drilling or tunnel drilling,
The most common method is to use rod drilling. Washing with water
Used to extrude cuttings. Initially these types of drilling methods are fully equipped
Hand-held device, that is, the rod end directly spread out with a cemented carbide insert
It was carried out with brazed tools. Today, most are very mechanized
Drilling, where all machines are running on a drilling machine and one machine runs on the same machine
It has two machines to run. In mechanized equipment, it is necessary to increase the mechanical efficiency.
And it is possible. Therefore, the rod has a collaring and perforation configuration.
Large force is applied. For mechanized drilling tools, this rod is threaded
And another bit is screwed into this rod. Rod when bit worn
This allows the rod to be used longer than the whole, as an alternative to discarding
And it is possible to pierce with a newly equipped bit. In particular,
For example, water in mines is mostly acid and therefore particularly corrosive,
Poses a risk of corrosion fatigue.
The rods of this kind are covered most by the screw ends, especially between the entire rod and the screw.
Is the gap.
Purpose of the invention
It is an object of the present invention to provide an end or each end where the heat affected zone of the weld is the rod itself.
In combination with the same strength as the body, friction welding
Is to provide a lil.
Another object of the present invention is to provide a friction welding drill rod having a high strength weld.
It is to be.
Yet another object of the present invention is to provide the rod with the highest load.
Parts, i.e., between the screw part, the cleaning hole at the end, and the screw part and the rod body.
A low-temperature heat treatment method that provides fatigue corrosion resistance without softening the rod in the gap
Is to provide.
Furthermore, another object of the present invention is to eliminate the need for a subsequent compensation or high temperature heat treatment step.
A drill rod that combines two or more parts that are friction welded together
Is to provide effective.
Description of the drawings
FIG. 1 shows a longitudinal section of a threaded drill rod according to the invention. FIG.
FIG. 1 shows a schematic Fe-c phase diagram of the material used for a drill rod according to the invention.
You. In FIG. 3, a dotted line indicates a conventional drill rod steel (steel type SS2534) after carbonitriding.
) Shows the change in hardness from the surface to the core of the invention, while the solid line in the figure represents the invention.
It shows a change in gag hardness. FIG. 4A shows a carbonitrided screw end (right side) and a friction weld.
Shows the longitudinal hardness distribution of the rod passing through (left side), usually the left side rod is hot
No heat treatment after rolling. FIG. 4B shows a longitudinal view of a steel welded according to the invention.
FIG. In FIG. 5, the solid line shows the tempering curve of a suitable steel according to the invention.
On the other hand, the dotted curve shows an example of the tempering curve of conventional drill steel.
Detailed description of the invention
The drill rod 10 for impact drilling is connected to the short rod portion 16 and to the gap portion 12.
It includes a first component 25 having a threaded portion 11 to be continued. Screw part 11 is a hitting surface
17 in front. The first component 25 is preferably a long rod 13
It is connected to a certain second component 22. The cleaning channel 26 is located at the center of the drill rod 10.
Provided. The short rod portion 16 has substantially the same diameter as the rod portion 13.
You.
The drill rod to be manufactured comprises a stationary or non-rotating component 25 and a rotatable component.
22 in general. Components 22, 25 are made of steel, before the start of friction welding
In addition, the steel at the mating end of each component is uniform with the core, and is a so-called base material.
Prior to friction welding, the threaded ends of component 25 are compared to carburized or normalized surfaces.
In order to increase corrosion resistance, edge nitriding is performed. The carbonitride layer is designated by the numeral 14 and
Has a depth of about 0.3 mm. Instead, other types of low temperature surface heat treatment, Backnite
(Trademark registration), Colornite (trademark registration) and Tenifer trademark registration)
And it is possible. Here, the low-temperature heat treatment means that the steel is at or below the A1 temperature indicated by x in FIG.
Means that, for example, austenite (γ phase) cannot undergo phase transformation.
You.
For conventional rock drilling drill steel type SS2534 for tunnel rods, carbonitriding (Back
nite (registered trademark)), as shown by the dotted curve in FIG.
The reversion effect gives too low a hardness. Carbonitriding (Backnite (registered trademark)
The heat-treated steel is heated at the carbonitriding temperature (5
High tempering resistance around 50-610 ° C, usually 580 ° C) and secondary hardening peak
The core hardness should be 440 HV1 (kg) (Vickers hardness) or less.
Preferably, it does not drop below 450 HV, so that the shock wave during impact drilling
The carbonitride layer 14 provides excellent support to withstand impact loads from Of FIG.
Reference is made to the solid curve and the solid tempering curve of FIG.
Although not shown, the function of the friction welding machine will be described below. Chuck means opened
Then, the screw part 25 is inserted therein. The chuck means is closed and the handle is positioned
Is tightened. Next, the tightening hand
The step is opened and the end of the drill rod 25 is inserted therein. Fastener
The step is closed and the rod is clamped in place. Next, the drill bit
Start rotation, and the clamping means moves the free end of the rod towards the free end of the bit
To make contact with the free end of the feed bit. The heat generated during friction welding is
The contacting end is made forgeable. The relative rotation of each component is stopped, and each component is
Further, they are pressed against each other and cooled as shown in FIG. 4B. The friction welding method is Sway
It is described in Den-A-9505023-1 and is specifically illustrated in that description.
Conventional drill steel has a core hardness after carbonitriding that is too soft, about 300 HV1
This is not suitable for impact drilling as shown by the dotted curve in FIG. Impact drilling
In this case, the rod surface and rod core are heavily fatigued by shock waves and torsional and bending forces.
Receives labor stress. This means that the surface and core have sufficient strength to withstand these fatigue stresses.
Sustaining means something very serious. In addition, high pressure on the screw during impact drilling
However, it requires a sufficient core hardness to support the carbonitriding layer. About 4 after hot rolling and cooling
00HV1 steel can be carbonitrided at about 580 ° C., as shown by the solid curve in FIG.
It is possible to increase to 440HV1 by at least secondary curing at the same time
The inventor has made it clear. Also, this type of steel has at least 390 HV
The hardness of the softened zone near the boundary surface of No. 1 is obtained, that is, almost the same as a conventional rod steel.
is there. The core hardness profile is shown in FIG. 4A. In addition, all rod lengths can be carbonitrided
And a core hardness of at least 440 HV1 is obtained.
Suitable steels compared to conventional drill steels have higher temperatures between 550-610 ° C.
Requires hardness and secondary curing. "Higher temperature hardness" refers to high temperature hardness.
Is about 100HV1 at 600 ° C
Compared to conventional steels, the steels used for the present invention have about 200 HV1 at 600 ° C.
It means having hardness.
The solid tempering curve in FIG. 5 shows an example of the secondary hardening range S of steel suitable for the present invention.
Shown, while the dotted curve is a conventional drill rod steel with a tempering time of about 1 hour.
An example of tempering is shown below.
The core hardness of the softening test portion of the HAZ of the drill rod according to the present invention is determined by the hardness of the base metal.
Approximately (ie, ± 5%).
The components 22, 25 are comparable to the core hardness of the rod, ie typically higher than 400.
It has a high HAZ hardness. For at least the component with the weakest cross section,
It is necessary to change like this. The strength of the heat-affected zone is not limited to heat-affected steel materials.
And can be compared with the strength of the base material. The hardness of the normal softened area shown by line I in FIG.
At least as high as the normal core hardness of a conventional drill rod, ie 3
Higher than 90 HV1.
The main elements, usually Cr, o and V, are at least 440 HV1 core hardness after carbonitriding.
And maintained at a level that provides a HAZ hardness of at least 390 HV1.
The type of steel used for the threaded component 25 or both components 22, 25 is
, 0.15 to 0.50 wt% C, maximum 0.15 wt% Si, minimum 0.2
wt% Mn, 0.5-1.5 wt% Cr, 0.5-4 wt% Ni, 0.5
~ 2 wt% Mo, 0.5 wt% V at maximum, 0.5 wt% W at maximum, 0.5
wt% Ti, up to 0.1 wt% Nb and up to 0.05 wt% Al, the balance
Part Fe has a chemical composition in the range. An example of such a steel is 0.32 wt%
C, 0.9 wt% Si, 1.0 wt% Cr, 0.5 wt% Ni, 1.0 w
Mo of t%, V of 0.1 wt%, and the balance Fe.
Also, some other materials that form carbides, nitrides or carbonitrides, such as Ta and Zr.
Amounts of elements because these elements provide a secondary hardening effect and slow grain growth.
Can be used for steel. A1 and B are used together with nitrogen for grain refining.
Can be.
More specifically, the method for producing friction welded products for rock drilling involves high hot hardness.
The step of providing a base material to be provided, preferably the first component 25 is preferably carbonitrided
As a result, the threaded portion 11 of the first component 25 is
A step of heat-treating the passage 26 and the gap 12 to tighten the first component 25
A step of providing a fastening means, and providing a rotating means for rotating the second component member 22.
The first and second components are pressed together and the weld 27 is formed.
Rotating the first component and the second component with respect to each other to form
The weld is cooled to room temperature, thereby lowering the heat affected zone above 390 HV1.
And maintaining the core hardness. However, any of components 22 and 25
However, it is possible that other components can be stationary while rotating during friction welding.
Can be considered. The rotatable free end 22 and the non-rotatable free end 25 of the components to be joined
Free from joining preparation and having an end surface substantially perpendicular to the axis of rotation of the component
You.
That is, the main feature of the present invention is that the heat treatment is preferably performed by using the first structure alone.
By carbonitriding the material 25, there is a danger of corrosion fatigue on the screw portion 11 and the gap portion 12.
And then can be carburized, normalized, carbonitrided, etc.
To provide a drill rod for friction welding the first component to the arm 13.