(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピックツールの先端部であって、
超硬質材料を備える基材の非平坦な境界面で接合された衝撃構造部を備え、境界面は、凹部を含み、
境界面は、凹部の周囲にある隆起部と、隆起部と基材の周囲縁部との間の中間領域と、を備え、
中間領域は、隆起部から垂れ下がっており、
衝撃構造部は、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）と、凹部に対向する頂部を含むとともに曲線的な円錐形の形状を有する作用端部と、を備え、
凹部の最下点は、頂部にちょうど対向し、
頂部および頂部にちょうど対向する凹部の最下点が、両方を通る長手軸を画定し、頂部は、長手方向の平面において、少なくとも１．５ｍｍの曲率半径を画定し、凹部は、長手方向の平面において、少なくとも０．５ｍｍの曲率半径を画定し、凹部は、少なくとも０．１ｍｍから２ｍｍの深さを有し、
前記深さは、隆起部上の最高点と、凹部の最下点との間の長手方向距離として測定され、
衝撃構造部は軸方向圧縮の残留状態における体積を含み、当該軸方向圧縮の体積は、境界面の凹部から、衝撃構造部の遠位中央領域にまで延びる、先端部。
【請求項２】
頂部から境界面の中間領域上の所定の点への長手方向距離は、頂部から凹部の最下点への長手方向距離よりも概して大きい、請求項１に記載の先端部。
【請求項３】
隆起部は、凹部を囲んでいる、請求項１または２に記載の先端部。
【請求項４】
凹部の曲率半径が、頂部の曲率半径よりも小さくなっている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の先端部。
【請求項５】
凹部は、長手方向の平面において、最大で１０ｍｍの曲率半径を画定している、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の先端部。
【請求項６】
頂部の曲率半径は、少なくとも１．５ｍｍであり、かつ最大で４ｍｍであり、凹部の曲率半径は、少なくとも０．５ｍｍであり、かつ最大で４ｍｍである、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の先端部。
【請求項７】
境界面を含む基材の近位端部は、ドーム状であり、かつ窪み点を有している、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の先端部。
【請求項８】
衝撃構造部は、頂部と、凹部での境界面との間において、所定の中央厚みを有し、
凹部は、中央厚みよりも小さな最大横方向直径を有している、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の先端部。
【請求項９】
衝撃構造部は、複数の領域を備え、
各領域は、異なるグレードのＰＣＤを備える、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の先端部。
【請求項１０】
衝撃構造部は、複数の交互の層を備え、
隣接する層の各々が、異なるグレードの超硬質材料を備える、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の先端部。
【請求項１１】
圧縮体積は、先端部の体積の少なくとも１０％である、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の先端部。
【請求項１２】
軸方向圧縮は、少なくとも７０ＭＰａである、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の先端部。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の先端部を備えたピック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は概して、ピックツール用の先端部および当該先端部を備えたピックツールに関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許出願公開第２００９／００５１２１１号明細書および米国特許第７６６５５５２号明細書は、界面でセラミックス層に結合された炭化物基材を備える超硬質挿入体を開示している。基材は、概して切頭円錐形の端部を界面に備えており、また、平坦部分へ導く先細部分を有している。セラミックス層の中央セクションは、基材の平坦部分のすぐ上で第１の厚みを備え、また、セラミックス層の周囲セクションは、基材の先細部分を覆う、第１の厚みよりも小さな第２の厚みを備えている。界面の平坦部分は、挿入体における失敗引き込み点（failure initiation points）の影響をほぼ消滅させるように機能することができる。
【発明の開示】
【０００３】
第１の側面からは、ピックツールの先端部であって、基材の非平坦な境界面で接合されて形成された衝撃構造部を備え、境界面は、凹部を含み、衝撃構造部は、超硬質材料を備え、かつ凹部に対向する頂部を含む作用端部を有し、基材の境界面は、凹部の周囲にある隆起部と、隆起部と基材の周囲縁部との間の中間領域と、を備え、中間領域は、（基材の周囲縁部に向かって）隆起部から垂れ下がっており、凹部の最下点は、頂部にちょうど対向し、頂部および頂部にちょうど対向する凹部の最下点が、両方を通る長手軸を画定する、ピックツールの先端部がもたらされる。
【０００４】
本開示による先端部およびピックツールには、様々な構成および組合せが考えられる。以下の例は、非限定的な、非排他的なものである。
【０００５】
いくつかの例示的な構成において、中間領域は、隆起部のトップ部（最高点）または凹部に隣接する隆起部の縁部（すなわち、隆起部の内縁部）と、基材の周囲縁部との間に配置されていてもよく、中間領域は、場合によっては、基材の周囲縁部へまたは基材の周囲縁部に向かって、隆起部のトップ部から、または隆起部の内縁部から垂れ下がっていてもよい。
【０００６】
いくつかの例示的な構成において、頂部から境界面の周辺領域上の所定の点への長手方向距離は、頂部から頂部にちょうど対向する凹部の最下点への長手方向距離よりも概して大きくてもよい。
【０００７】
中間領域は、概して先細状になっていてもよく、ほぼ非先細状であってもよく、平坦なものまたは曲線的なものであってもよい。中間領域は、窪み部分、平坦部分、溝部分および／または突起部分などの特徴を含んでいてもよく、および／または、中間領域は、少なくとも１つの、斜め方向のまたは放射状の、凹部への侵入部を含んでいてもよい。基材の境界面は、隆起部から垂れ下がった周辺領域を備えていてもよい。中間領域は、凹部および隆起部を囲む周辺領域を備えていてもよい。
【０００８】
いくつかの例示的な構成において、隆起部は、部分的に、またはほぼ完全に、凹部を囲んでいる。隆起部は、凹部と同心のものであってもよい。隆起部は、長手軸とほぼ同心のリングを画定していてもよい。
【０００９】
いくつかの例示的な構成において、隆起部は、異なる高さを有する、言い換えれば、凹部の最下点からの異なる長手方向距離を有する一連の構造または形態を備えていてもよい。隆起部は、互い違いの高さを有する一連の構造を備えていてもよく、また隆起部は、均一な高さを有するリングを凹部の周りに画定していてもよい。隆起部は、周辺において連続的であってもよく、若しくは中断していてもよく、また隆起部のトップ部は、曲線的なものであってもよく、または、角のある端部を有していてもよく、また隆起部は、概して円形の、またはほぼ非円形のものであってもよい。隆起部は、基材の境界面の縁部によって全体的には画定されないが、隆起部は、基材の境界面の縁部によって部分的に画定されてもよい。
【００１０】
いくつかの例示的な構成において、境界面を含む基材の近位端部は、ドーム状の、かつ窪み点（凹部となる窪み点）を有するものとして描かれていてもよい。
【００１１】
いくつかの例示的な構成において、頂部は、先のとがったものであってもよく、または頂部は、曲線的なものであってもよい。いくつかの例において、作用端部は、曲線的な円錐形の形状を有していてもよく、また頂部は、長手方向の平面において所定の曲率半径を画定してもよい。
【００１２】
いくつかの例示的な構成において、凹部は、長手方向の平面において所定の曲率半径を画定してもよい。いくつかの例において、頂部および凹部はそれぞれ、長手方向の平面において所定の曲率半径を画定し、凹部の曲率半径が、頂部の曲率半径よりも概ね小さくなっていてもよい。いくつかの例において、凹部の曲率半径は、頂部の曲率半径よりも概ね大きくなっていてもよい。例えば、凹部は、長手方向の平面において、少なくとも約０．５ｍｍの曲率半径を画定し、および／または、凹部は、長手方向の平面において、最大で約１０ｍｍの、または最大で約４ｍｍの曲率半径を画定してもよい。いくつかの例において、頂部の曲率半径は、少なくとも約１．５ｍｍ、または少なくとも約３ｍｍであってもよく、また、最大で約４ｍｍであってもよく、かつ、凹部の曲率半径は、少なくとも約０．５ｍｍかつ最大で約４ｍｍであってもよい。いくつかの例示的な構成において、凹部は、平坦な領域を含んでいてもよく、および／または、その中に突起部分またはボス部分の特徴を含んでいてもよく、また凹部は、概して円形状またはボウル状であってもよく、または、凹部は、平面図において概ね非円形状であってもよい。
【００１３】
いくつかの例示的な構成において、凹部は、少なくとも約０．１ｍｍ、少なくとも約０．２ｍｍ、少なくとも約０．３ｍｍ、または少なくとも約０．５ｍｍの深さを有していてもよく、および／または、凹部は、最大で約２ｍｍまたは最大で約１ｍｍの深さを有していてもよい。深さは、隆起部上の最高点と、頂部にちょうど対向する凹部の最下点との間の長手方向距離として測定される。
一般に、その他の変数が同一であれば、凹部の深さが増加するにつれて、衝撃構造部の圧縮ゾーンの内部における圧縮の大きさもまた増加する傾向にある。しかしながら、基材内で隣接するゾーンの内部における引張の大きさもまた、増加する傾向にある。従って、デザインの検討は、基材内での引張応力を十分に小さく維持しながら、凹部に隣接する衝撃構造部の内部に残留している軸方向圧縮応力の大きさを増加させる凹部の深さを見つけることになるであろう。最適なトレードオフは、凹部の形状やその曲率半径など、先端部のデザインの様々な側面に依存する傾向にある。
ここで本願発明によれば、上述のように基材の境界面の凹部が少なくとも約１．５ｍｍの曲率半径を画定する場合に、凹部の深さを０．１ｍｍ〜２ｍｍとすることにより、後述する実施例で支持されるように、特性が改善された先端部および当該先端部を備えたピックツールを提供することができる。
【００１４】
いくつかの例示的な構成において、衝撃構造部は、頂部と、頂部にちょうど対向する凹部の境界面上の所定の点との間において、所定の中央厚みを有していてもよい。また凹部は、隆起部上の、直径方向において対向する最高点の間で測定した場合に、中央厚みよりも小さな最大横方向直径を有していてもよい。
【００１５】
いくつかの例示的な構成において、衝撃構造部は、ＰＣＤ材料、熱的に安定なＰＣＤ材料、ＳｉＣが結合されたダイヤモンド、またはダイヤモンド粒を含む超硬合金などのダイヤモンド含有材料を備えていてもよい。基材は、炭化タングステン−コバルト系超硬合金材料などの、超硬合金材料を備えていてもよい。いくつかの例において、衝撃構造部は、基材に接合されて形成されたＰＣＤ材料を備えていてもよい。ＰＣＤ材料は、ダイヤモンド粒の焼結を促進するための溶媒および／または触媒材料が存在する下で多数のダイヤモンド粒をともに焼結することによってＰＣＤ材料が形成される、という焼結工程と同一の焼結工程において基材に接合されるようになる。いくつかの例において、ＰＣＤ材料は、（焼結されたときに）少なくとも約２０μｍまたは少なくとも約３０μｍかつ最大で約８０μｍまたは最大で約５０μｍの平均寸法を有するダイヤモンド粒を備えていてもよい。または、ＰＣＤ材料は、約０．１μｍから約２０μｍの範囲内の平均寸法を有するダイヤモンド粒を備えていてもよい。
【００１６】
いくつかの例示的な構成において、衝撃構造部は、複数の領域を備え、各領域は、超硬質材料の異なるグレードを、または異なる超硬質材料を備えていてもよい。
【００１７】
いくつかの例示的な構成において、衝撃構造部は、複数の交互の層を備え、隣接する層の各々が、超硬質材料の異なるグレードを、または異なる超硬質材料を備えていてもよい。
【００１８】
いくつかの例示的な構成において、境界面は、衝撃構造部が軸方向（すなわち長手方向）の圧縮の残留状態における圧縮体積を含み、圧縮体積が、境界面における凹部から、境界面から離れた衝撃構造部の領域にまで広がるよう、構成されていてもよい。例えば、圧縮体積は、先端部の体積の少なくとも約１０％、または少なくとも２０％であってもよく、および／または、軸方向（すなわち長手方向）の圧縮は、少なくとも約７０ＭＰａであってもよい。
【００１９】
第２の側面からは、本開時による先端部を備えるピックがもたらされる。いくつかの例示的な構成において、先端部は、超硬合金材料を備えるロッドに接合され、ロッドは、スチールを備えるホルダの内側に形成された穴に、焼きばめされていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
先端部およびピックの、非限定的な、例示的な構成が、図を参照して以下に説明される。
【図１】図１は、先端部の一例を示す側面図。
【図２】図２は、先端部の一例の、長手方向の平面を通る長手方向断面図。
【図３】図３は、先端部の一例の、長手方向の平面を通る長手方向断面図。
【図４】図４は、先端部の一例の、長手方向の平面を通る長手方向断面図。
【図５Ａ】図５Ａは、基材の平面図において示されている線Ｂ−Ｂに沿った、例示的な基材を通る長手方向断面図。
【図５Ｂ】図５Ｂは、残留の軸方向応力の計算された体積を示す、図５Ａの基材を備える例示的な先端部を通る長手方向断面図。
【図６Ａ】図６Ａは、基材の平面図において示されている線Ｄ−Ｄに沿った、例示的な基材を通る長手方向断面図。
【図６Ｂ】図６Ｂは、残留の軸方向応力の計算された体積を示す、図６Ａの基材を備える例示的な先端部の長手方向断面図。
【図７Ａ】図７Ａは、基材の平面図において示されている線Ｅ−Ｅに沿った、例示的な基材を通る長手方向断面図。
【図７Ｂ】図７Ｂは、残留の軸方向応力の計算された体積を示す、図７Ａの基材を備える例示的な先端部を通る長手方向断面図。
【図８】図８は、先端部のための例示的な基材を示す斜視図。
【図９】図９は、ピックツールのための比較例による先端部の中央を通る長手方向断面図。
【図１０】図１０は、道路舗装分解装置のための例示的なピックツールを示す部分破断側面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１を参照すると、ピックツール（図示せず）のための例示的な先端部１０は、超硬合金材料を備える基材３０の近位端部に接合されて形成されたＰＣＤ材料を備える衝撃構造部２０を備えている。衝撃構造部２０は、曲線的な（すなわち、鈍くされた）頂部２２を備え、かつ、作用端部１１に作用面２６を画定している。頂部２２は、長手方向軸Ｌに平行な長手方向の平面において所定の曲率半径ｒを有している。本例のいくつかのバージョンにおいて、頂部２２の曲率半径ｒは、約２．１ｍｍから約２．３ｍｍであってもよく、また本例のいくつかのバージョンにおいて、頂部２２の曲率半径ｒは、約３．５ｍｍであってもよい。作用面２６の円錐形の部分は、長手方向軸Ｌに平行な軸に対して約４２°の角度で傾いていてもよい。
【００２２】
図２および図３を参照すると、例示的な先端部１０は、基材３０の非平坦な境界面３１で接合され形成された衝撃構造部２０を備えている。境界面３１は、凹部３４を含んでいる。衝撃構造部２０は、ＰＣＤ材料を備えており、かつ、凹部３４に対向する頂部２２を含む作用端部１１を有している。基材３０は、炭化タングステン−コバルト系超硬合金材料を備えている。基材３０の境界面３１は、凹部３４の周囲、に隆起部３６を備えており、そして、概して先細の周辺の中間領域３２が、隆起部３６のトップ部から先端部１０の側部に向かって垂れ下がっている。凹部３４の最下点３５は、頂部２２にちょうど対向するよう配置されており、頂部２２および凹部の最下点３５は、これらの両方を通る長手方向軸Ｌを画定している。図２に示される特定の例において、先端部１０の作用端部１１は、球状に鈍くされた円錐形の形状を有しており、その頂部２２は、長手方向の平面において、約３．５ｍｍの曲率半径ｒを有している。凹部３４は、約１ｍｍの曲率半径Ｒと、隆起部３６の最高点と凹部３４の最下点３５との間での長手方向距離ｚとして測定される、約０．２８ｍｍの深さと、を有している。衝撃構造部２０は、頂部２２から凹部３４の最下点３５までで測定される、約４．３ｍｍの中央高さＨａを有している。図２を参照すると、中間領域３２上の少なくとも１つの点Ｐは、頂部２２と凹部３４の最下点３５との間の長手方向距離よりも大きい長手方向距離ｓを有している。図３に示される特定の例において、例示的な先端部１０の構成における境界面は、先細の周辺の中間領域３２と基材３０の周囲の縁部３０との間に肩領域３７を備えている。
【００２３】
図２および図３をさらに参照すると、衝撃構造部２０は、スカート部分２４を備え、また、概して曲線的なまたは鈍らされた円錐形の形状を有する作用面２６を画定している。作用面２６の円錐形の部分は、長手方向軸Ｌに平行な軸に対して約４３°の角度Ｃで傾いている。衝撃構造部は、頂部２２から凹部３４の底部３５までの、少なくとも約３ｍｍかつ最大で約８ｍｍの高さＨａを有している。基材３０は、近位端部を遠位端部に接続する円筒形の側部を有し、側部の高さＨａは、少なくとも１ｍｍかつ最大で３ｍｍであってもよい。基材の直径は、少なくとも約９ｍｍかつ最大で約１６ｍｍであってもよく、また、頂部２２から基材３０の遠位端部までの先端部の高さＨは、少なくとも６ｍｍかつ最大で１２ｍｍであってもよい。スカート部分２４は、基材３０の側部まで延びていてもよく、かつ、少なくとも約１ｍｍかつ最大で約３ｍｍの高さＨｐを有する円筒形の側部表面部分を有していてもよい。
【００２４】
図４を参照すると、例示的な先端部１０は、基材３０の非平坦な境界面で接合されて形成された衝撃構造部２０を備えており、境界面は凹部３４を含んでいる。衝撃構造部２０は、ＰＣＤ材料を備え、かつ、凹部３４に対向する頂部２２を含む作用端部１１を有している。基材３０は、炭化タングステン−コバルト系超硬合金材料を備えている。基材３０の境界面は、凹部３４に隣接する内側の縁部３９を有する隆起部と、隆起部の内側の縁部３９から先端部１０の側部へ垂れ下がる中間領域３２と、を備えている。凹部３４の最下点３５は、頂部２２にちょうど対向するよう配置されており、頂部２２および凹部の最下点３５が、両方を通る長手方向軸Ｌを画定している。
【００２５】
有限要素法（ＦＥＡ）における数学的手法が、先端部のデザイン、並びに衝撃構造部の材料および基材の材料の所定の物理的特性を考慮に入れて、衝撃構造部の内側における応力場を計算するために使用され得る。ＦＥＭは、本体を単純な形状の多数の小さな概念的な体積に分割して、各体積に関する計算を実行することによって、複雑な方程式における近似的な解法を見つけるための、数値的な技術である。この際、体積間の境界条件が一貫したものであることが確保されている。超硬合金材料を備える基材に超高圧で接合されて形成されたＰＣＤ材料を備える衝撃構造部における先端部の場合、先端部に関する“起源条件（birth condition）”が用いられる。起源条件とは、ＰＣＤが基材に結合されるようになり、かつ概して先端部の全体が固体状態（すなわち、ＰＣＤ材料が形成される時に溶融してしまった触媒材料が、先端部の起源条件で凝固する状態）にあると推定される圧力および温度である。衝撃構造部の全域にわたって、応力の全ての成分は、起源条件において、概ね均一であり、かつ圧縮のものであると推定される。温度および圧力が起源条件から環境条件に低減されるにつれて、衝撃構造部および衝撃構造部に接合された基材は、ヤング率（または弾性率）および熱膨張係数（ＣＴＥ）などの、それらの異なる材料特性のため、異なる速度で縮もうとする。このことは、起源条件よりも小さな温度および圧力において、先端部の内部に、相当な量の応力を生じさせる。先端部の内部の各点において、応力は、異なる成分、すなわち、軸方向（長手方向）、フープ方向（円周方向）および半径方向の成分を有しており、応力の各成分は、圧縮性のものであってもよく、引張性のものであってもよい。引張応力（一種の“プリング（pulling）”応力として見ることもできる）の状態においては、複数のクラックがより容易に領域にわたって増殖していく傾向にあることが予測される。
【００２６】
図５Ａおよび図５Ｂ、図６Ａおよび図６Ｂ、図７Ａおよび図７Ｂに示されている例示的な構成において、基材３０の近位端部、および、従って基材３０の境界面は、中央の圧縮ゾーン２８の各々が、周囲温度（摂氏約２５℃）での残留の（すなわち未荷重の）軸方向圧縮の状態においてＰＣＤ構造部２０の内部に存在し、かつ軸方向（長手方向）に圧縮されたゾーンが、概ね、境界面の凹部３４から、超硬質構造部２０の遠位の中央領域まで延びる、よう構成されている。複数の小さな突起３９が、先細の表面領域３２に設けられていてもよい。複数の小さな突起３９は、ＰＣＤ構造部２０が基材３０から離れてしまうというリスクを低減することができる。
【００２７】
一般に、その他の変数が同一であれば、凹部の深さｚが増加するにつれて、衝撃構造部の圧縮ゾーンの内部における圧縮の大きさもまた増加する傾向にある。しかしながら、基材内で隣接するゾーンの内部における引張の大きさもまた、増加する傾向にある。従って、デザインの検討は、基材内での引張応力を十分に小さく維持しながら、凹部に隣接する衝撃構造部の内部に残留している軸方向圧縮応力の大きさを増加させる凹部の深さを見つけることになるであろう。最適なトレードオフは、凹部の形状やその曲率半径など、先端部のデザインの様々な側面に依存する傾向にある。
【００２８】
一般に、その他の変数が同一であれば、凹部の曲率半径Ｒが増加すると、残留している軸方向圧縮におけるゾーンの体積が増加する傾向にある。しかしながら、特定の理論に束縛されるのは望まないが、半径Ｒが過剰に増加すると、軸方向の圧縮ゾーンが、弱まり、かつ、衝撃構造部と基材との間の境界から分離する傾向がある。例えば、半径Ｒが無限大に近づくとき（すなわち、平坦な表面構造に近づくとき）、軸方向で応力を加えられたゾーンが、凹部での境界から、境界から離れた領域にまで、延びないようになるかもしれない。曲率半径が小さすぎる場合、圧縮ゾーンの体積が過剰に小さくなることがあり、これによって、比較的に高い大きさの圧縮応力が、比較的に小さな体積にわたって分布するようになる。半径が大きすぎる場合、比較的に弱い圧縮応力が、比較的に大きな体積にわたって分布するようになる。従って、デザインの検討は、凹部の深さなどのその他のデザイン側面を考慮に入れて、圧縮の大きさおよび圧縮ゾーンの体積が両方とも十分に高くなるための曲率半径を見つけることになるであろう。
【００２９】
様々な例示的な構成が、基材の近位端部での境界面に関して考えられる。例えば、図８に示されている基材３０の一例は、隆起部３６および隆起部３６から基材３０の側部へ垂れ下がっている概して先細状の表面領域３２によって画定される凹部３４を含む近位端部を有している。隆起部３６は概して非円形であり、先細状の領域は、概して放射状の、凹部内への侵入部３３を複数（この例では６つ）含んでおり、複数の侵入部３３は、凹部３４の周りに、ほぼ等距離で配置されている。
【００３０】
図９を参照すると、比較例による先端部１０は、凹部無しで、凸状ドーム状の境界で超硬合金基材３０に接合されて形成されたＰＣＤ衝撃構造部２０を備えている。衝撃構造部２０は、曲線的な頂部２２を含む概して鈍らされた円錐状の作用面２６を有し、かつ、スカート部分２４を備えている。概して球状の中央の軸方向の圧縮ゾーン２８が、ＦＥＡ計算から明白に現れているが、しかしそれは、境界面には接続されていない。
【００３１】
例示的な先端部は、概して米国特許出願公開第２０１００６５３３８号明細書に開示されているような、道路粉砕装置のためのピックツールのためのものであってもよく、また、様々な構成および特徴の組合せが考えられる。例えば、先端部は、非平坦な界面で超硬合金基材に結合されたＰＣＤ構造を備えていてもよく、この場合、ＰＣＤ構造は、長手方向において（すなわち、頂部を通る平面において）、１．３ｍｍから３．２ｍｍの曲率半径を有する頂部を備えた、概して曲線的な円錐形の形状を有する作用端部を有していてもよく、および／または、ＰＣＤ構造は、頂部から界面まで、２．５ｍｍから１２ｍｍの厚みを有していてもよく、および／または、ＰＣＤ構造は、先端部の中央の長手方向軸に対して３５°から５５°の角度を形成する側部を有していてもよく（一例において、角度はほぼ４５°である）、および／または、ＰＣＤ構造は、炭化物基材の体積の７５％から１５０％の範囲内の体積を有していてもよい。
【００３２】
図１０を参照して、舗装道路分解のための、一例によるピックツール４０は、鋼製ホルダ６０の内側に締まり嵌めされた挿入体５０を備えている。挿入体５０は、超硬合金セグメント５４に接合された先端部５２を備え、超硬合金セグメント５４は、シャフト５６に接合されている。シャフト５６の大部分は、圧縮によって、鋼製ホルダ６０の内側に形成された穴の中に保持されている。ホルダは、ホルダ６０をドラム装置（図示せず）に連結するための連結シャンク６２を備えている。
【００３３】
超硬合金基材に接合されて形成されるＰＣＤ材料を備える衝撃構造部を備えた先端部を作製する方法の一例について説明する。近位端部および遠位端部を接続する概して円筒形の側部面を有する基材が、設けられ得る。ここで、近位端部は、境界面であり、隆起部によって画定される概して中央の凹部と、隆起部から離れて側部へ向かって延びる概して先細状の周辺領域と、を含んでいる。基材は、概して所望の形状に焼結され得る。カップが、複数のダイヤモンド粒と基材とを備える集合体を組み立てる際に使用するために設けられ得る。ダイヤモンド粒は、少なくとも約０．１μｍ、および／または最大で約７５μｍの平均サイズを有していてもよく、また、概して単一の形態であってもよく、または複数の形態であってもよい。集合体は、概してばらばらの（loose）複数のダイヤモンド粒を備えていてもよく、または、微粒、ディスク、ウェハーまたはシートなどの、ダイヤモンドを含む先駆体構造を備えていてもよい。集合体はまた、ダイヤモンドのための触媒材料を含んでいてもよく、また、触媒材料のための先駆体材料を含んでいてもよく、それらは、ダイヤモンド粒に混ぜられてもよく、および／または、ダイヤモンド粒の表面に配置されてもよい。集合体は、異常なダイヤモンド粒成長を低減するための添加物を含んでいてもよく、または集合体は、触媒材料または添加物を概して含んでいなくてもよい。代わりに、または追加で、コバルトなどのその他の触媒源が設けられていてもよく、超硬合金基材中のバインダー材料などが設けられていてもよい。カップは、衝撃構造部の作用面のための所望の形状を概して有するように構成された内面を有していてもよい。十分な量の、ダイヤモンドを含む先駆体構造が、カップの中に配置され、次に、基材が、近位端部の方からカップに挿入され、そして、ダイヤモンドを含む先駆体構造に対して押し込まれ、先駆体構造がわずかに動くことを引き起こし、支持体の非平坦な端部の形状に応じて、先駆体構造が位置決めされてもよい。ダイヤモンドを備える予め焼結された組立体、基材および触媒材料が形成され、超高圧での押圧のためのカプセルの中に配置され、そして、ダイヤモンド粒を焼結して基材に一体的に接合されたＰＣＤ衝撃構造部を形成するために少なくとも約５．５ＧＰａまたは少なくとも約７ＧＰａの超高圧並びに少なくとも摂氏約１３００°の高温に曝されてもよい。
【００３４】
ダイヤモンド粒の集合体は、水ベースの有機バインダーなどのバインダー材料によってともに保持された複数のダイヤモンド粒を含むシートの形状において、設けられていてもよい。シートは、押し出し法またはテープ成形法などの、従来技術において既知の方法によって作成され得る。この場合、スラリーは、各ＰＣＤの所望のグレードを作製するのに適したものである寸法分布をそれぞれ有するダイヤモンド粒を備えており、また、バインダー材料は、所定の表面上に広げられ、そして乾燥され得る。米国特許第５７６６３９４号明細書や米国特許第６４４６７４０号明細書などに記載されている、ダイヤモンド含有シートを作製するためのその他の方法が使用されてもよい。シートはまた、コバルトなどの、ダイヤモンドのための触媒材料を含んでいてもよく、および／または、ダイヤモンド粒の異常な成長を抑制するための、またはＰＣＤ材料の特性を高めるための添加物を含んでいてもよい。例えば、シートは、約０．５重量％から約５重量％のバナジウム炭化物、クロム炭化物またはタングステン炭化物を含んでいてもよい。一例において、セットの各々は、約１０から２０のディスクを備えていてもよい。ダイヤモンド関連層（diamond-bearing layer）を基材の境界面上に配置するためのその他の方法は、熱スプレー法などのスプレー法を含んでいてもよい。
【００３５】
異なるグレードのＰＣＤ材料を作製するために適した、異なる寸法分布、ダイヤモンド量または添加物を有するダイヤモンド粒を備えた異なるシートが設けられていてもよい。例えば、異なる平均寸法を有するダイヤモンドを備えた少なくとも２つのシートが設けられ、第１および第２のディスクのセットが、第１および第２のシートからそれぞれ切り出されてもよい。異なるＰＣＤグレードの交互の層を備えた衝撃構造部を提供するため、交互の構成において、複数のディスクが境界面上に積み重ねられてもよい。
【００３６】
例示的な方法は、その形状を修正するために研磨によって先端部を処理することをさらに含んでいてもよい。触媒材料は、作用面または側部面または作用面および側部面の両方に隣接するＰＣＤ構造の領域から取り除かれていてもよい。このことは、触媒材料をダイヤモンド粒の間からこし取るために酸でＰＣＤ構造を処理することによって、または、電気化学的な方法などのその他の方法によって、なされ得る。概して多孔性であり得る、ＰＣＤ構造の表面から少なくとも５０μｍまたは少なくとも１００μｍの深さで延びる、熱的に安定な領域な領域が設けられていてもよい。一例において、概して多孔性の領域は、最大で２重量％の触媒材料を備えていてもよい。
【００３７】
開示されているようなピックツール用のホルダは、相互係止ファスナ機構によってベースブロック（キャリア本体）に取り付けられていてもよい。相互係止ファスナ機構では、ホルダのシャフトが、キャリア本体に形成された孔内に係止されている。シャフトは、溶接等でドラムに接合されたベースブロックに解放自在に連結できる。ベースブロック及びホルダ、更に詳細にはホルダのシャフトは、鋼製ホルダ及びベースブロックが解放自在に相互係合できるように形成されていてもよい。シャフトは、回転しないようにベースブロックと相互係合するように形成されていてもよく、例えば、ＤＥ  １０１  ６１  ７１３  Ｂ４及び  ＤＥ  １０  ２００４  ０５７  ３０２  Ａ１に開示されたツールキャリアで使用するのに適している。ベースブロック等のツールキャリアは、例えば超硬質ピックツールを打ち込むため、ドラム等の打ち込み装置の部品に溶接されてもよい。その他の種類及び設計のツールキャリアが使用されてもよく、ホルダは、連結のため、これと対応して形成される。
【００３８】
作動時には、ピックツールは、ピックツールが取り付けられた打ち込み装置によって、破砕されるべき構造に対して前方に、先端部を前端に置いた状態で、打ち込まれてもよい。例えば、再舗装を行うために道路を破壊するのに使用される場合のようにアスファルトの破砕を行うため、複数のピックツールがドラムに取り付けられていてもよい。ドラムは車輛に連結されており、回転させられる。ドラムを道路表面に近付けると、ピックツールは、ドラムの回転に従って道路に繰り返しぶつけられ、かくして前端の先端部がアスファルトを破壊する。採炭における石炭層の破壊で、同様の方法を使用してもよい。
【００３９】
先端部の、非限定的な、例示的な構成が、図２を参照して以下のテーブルに示され、また実施例１，２，３が詳細に説明される。
【００４０】
（実施例１）
ＰＣＤ衝撃構造部を備えた先端部のための基材が、約８重量％のＣｏ（コバルト）と約９２重量％のＷＣ（炭化タングステン）との圧縮混合体を備えたしら地（green body）を形成し、しら地を所望の形状に加工し、そして超硬合金材料を備えた基材を形成するようにしら地を焼結することによって、設けられ得る。基材は、窪み点のドームとして構成された近位端部を有していてもよく、ここで、概してドーム形状の端部は、中央の、概して円形の凹部を、ノーズ部に有していてもよい。凹部は、周囲の円形の隆起部の頂部から測定して約０．３ｍｍの深さｚを有していてもよく、また凹部は、凹部の中央を通る長手方向の平面において、約１ｍｍの曲率半径Ｒを有していてもよい。近位端部は、隆起部から基材の円筒形の側部面まで延びる、周辺の先細状の面の領域を備え、また、複数の小さな突起が、先細状の面に形成されていてもよい。隆起部の頂部は、曲線的なものであってもよい。
【００４１】
ダイヤモンド粒の集合体が、バインダー材料によってともに保持されたダイヤモンド粒を含むシートの形状で設けられていてもよい。シートは、約２０μｍの平均寸法を有するダイヤモンド粒を備え、かつ、テープ成形法によって作製されてもよい。シートは、破片に砕かれ得る。破片は、カップの中に配置されてもよく、カップの内側は、（焼結の間に生じ得る、予想される歪を考慮して、）衝撃構造部の作用面の所望の形状を画定する。また、基材の近位端部は、カップの中に挿入され、そして、焼結のために予め加熱された組立体を形成するように、ダイヤモンドを含む破片に対して押される。焼結のために予め加熱された組立体は、バインダー材料を焼き切ってしまうために、熱の下でアウトガス性のものであってもよい。バインダー材料は、破片に含まれ、超高圧プレスのためのカプセルの中に配置され、かつ、ダイヤモンド粒を焼結し、基材に接合されたＰＣＤ衝撃構造部を備えた圧縮体を形成するよう、少なくとも約６ＧＰａの超高圧および少なくとも約１３００℃の高温に晒される。圧縮体は、カプセルから取り除かれ、最終的な寸法まで処理されて、ピックツールのための先端部を提供してもよい。
【００４２】
衝撃構造部は、約１０３６ＧＰａのヤング率、約０．１０５のポイソン比、および約３．６９×１０−６／℃の熱膨張係数を有すると見積もられる。また、基材は、約６００ＧＰａのヤング率、約０．２１のポイソン比、および約５．７×１０−６／℃の熱膨張係数を有すると見積もられる。有限要素の数学的解析を用いて、衝撃構造部が図５Ｂに示されるような残留の軸方向圧縮応力の領域を含むであろうということが計算された。
【表１】
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【００４３】
（実施例２）
先端部は、凹部が約２．５ｍｍの曲率半径Ｒを有する点を除いて、実施例１に記載されているように作製され得る。有限要素の数学的解析を用いて、衝撃構造部が図６Ｂに示されるような残留の軸方向圧縮応力の領域を含むであろうということが計算された。
【００４４】
（実施例３）
先端部は、凹部が約５ｍｍの曲率半径Ｒを有する点を除いて、実施例１に記載されているように作製され得る。有限要素の数学的解析を用いて、衝撃構造部が図７Ｂに示されるような残留の軸方向圧縮応力の領域を含むであろうということが計算された。
【００４５】
特定の理論に束縛されることは望まないが、開示されている先端部の構成は、基材の境界面の凹部から生じる残留の軸方向圧縮応力の構成から少なくとも部分的に生じるクラックの伝播に対する耐性を高めることができた。この圧縮応力は、衝撃構造部の作用面から基材に向かう、および／または衝撃構造部の対向する側へ向かうクラックの伝播に耐えるという機能を果たすことができる。クラックは、衝撃構造部が使用中に中央を外して本体を打つときに衝撃構造部に加えられる曲げモーメントの結果として、近位に衝撃構造部の作用面を引き込む（initiate）ことができる。
【００４６】
開示されている先端部の構成は、高められた破壊耐性という側面を有していてもよく、また開示されているピックは、拡大された動作寿命という側面を有していてもよい。
【００４７】
ここで使用されている所定の用語が、以下に簡潔に説明される。
【００４８】
本明細書において、“超硬質”は、少なくとも２５ＧＰａのビッカース硬度を意味する。合成および天然ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）および多結晶ｃＢＮ（ＰＣＢＮ）材料は、超硬質材料の例である。合成ダイヤモンドは、人工ダイヤモンドとも称されるものであるが、機械で製造されたダイヤモンド材料である。本明細書において、ＰＣＢＮ材料は、金属および／またはセラミックス材料を備える母材の中に分散された立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の粒を備えている。ＰＣＤ材料は、ダイヤモンド粒の塊（複数のダイヤモンド粒の集合体）を備えており、それらの本質的な部分は、直接的に互いに相互に結合されており、また、ダイヤモンド粒の塊において、ダイヤモンドの含有量は、少なくとも材料の約８０体積％となっている。ダイヤモンド粒の間の隙間は、少なくとも部分的に、合成ダイヤモンドのための触媒材料を備えるバインダー材料によって充填されていてもよく、または、それらは実質的に空隙であってもよい。合成ダイヤモンドのための触媒材料とは、合成または天然ダイヤモンドがグラファイトよりも熱力学的に極めて安定な温度および圧力において、合成ダイヤモンド粒の成長を促進することができる、および／または、合成または天然ダイヤモンド粒の直接的な相互成長を促進することができるものである。ダイヤモンドのための触媒材料の例は、鉄、ニッケル、コバルトおよびマンガン、およびそれらを含む合金である。ＰＣＤ材料を備える塊は、少なくとも１つの領域であって、隙間から触媒材料が取り除かれ、ダイヤモンド粒の間に格子間欠陥を残したことよる領域を備えていてもよい。様々なグレードのＰＣＤ材料が作製され得る。本明細書において、ＰＣＤグレードとは、ダイヤモンド粒の体積含有量および寸法、ダイヤモンド粒間の隙間領域の体積含有量、並びに隙間領域内に存在し得る材料の組成で特徴付けられるＰＣＤ材料のことである。異なるＰＣＤグレードは、異なる微細構造および異なる機械的特性、例えば、弾性（またはヤング）率Ｅ、弾性係数、抗折力（ＴＲＳ）、靱性（例えば、いわゆるＫ１Ｃ靱性）、硬度、密度および熱膨張率（ＣＴＥ）を有していてもよい。異なるＰＣＤグレードは、異なる用途に用いられてもよい。例えば、異なるＰＣＤグレードの摩耗率および破壊抵抗は異なっていてもよい。
【００４９】
熱的に安定なＰＣＤ材料は、約４００℃または約７００℃さえも超える温度に曝された後に、実質的な構造的な分解、または硬度若しくは磨耗抵抗の低下を示さない部分または体積を少なくとも備えている。例えば、コバルト、鉄、ニッケル、マンガンなどの、ダイヤモンドのための触媒金属を、触媒的に活性な形態（例えば元素の形態）で約２重量％未満含むＰＣＤ材料は、熱的に安定であり得る。触媒的に活性な形態の触媒金属を実質的に含まないＰＣＤ材料は、熱的に安定なＰＣＤの一例である。例えば、隙間が、ほぼ空隙（void）であるか、またはＳｉＣなどのセラミックス材料若しくは炭酸塩化合物などの塩材料によって少なくとも部分的に埋められているＰＣＤ材料は、熱的に安定であり得る。ダイヤモンドのための触媒材料が使い尽くされたかなりの領域を少なくとも有する、または、触媒材料が触媒としては比較的に低い活性の形態で存在するＰＣＤ構造は、熱的に安定なＰＣＤとして記載され得る。
【００５０】
超硬質材料のその他の例は、シリコン炭化物（ＳｉＣ）などのセラミックス材料、または、（例えば、米国特許５４５３１０５号明細書または米国特許６９１９０４０号明細書に記載されている）Ｃｏ結合炭化タングステン材料などの超硬合金材料を備える母材によってともに保持されたダイヤモンド粒またはｃＢＮ粒を備える所定の複合材料を含んでいる。例えば、所定のＳｉＣに結合されたダイヤモンド材料は、ＳｉＣ母材（これは、ＳｉＣ以外の形態で少量のＳｉを含んでいてもよい）に分散された、少なくとも約３０体積％のダイヤモンド粒を備えていてもよい。ＳｉＣに結合されたダイヤモンド材料の例は、米国特許第７００８６７２号明細書、米国特許第６７０９７４７号明細書、米国特許第６１７９８８６号明細書、米国特許第６４４７８５２号明細書および国際公開第２００９／０１３７１３号パンフレットに記載されている。
【００５１】
本明細書において、ここで使われているように、基材に接合されて形成された超硬質構造は、超硬質材料、とりわけ、焼結によって超硬質材料が形成されるのと同一の焼結工程において基材に接合されるようになる、焼結された多結晶質の材料を備えている。例えば、多結晶質の超硬質材料は、超硬質材料が熱力学的に安定な所定の圧力および温度での超硬質材料の焼結を促進することができる触媒および／または溶媒材料を備える基材を提供すること、超硬質材料の複数の粒を備える集合体を提供すること、集合体を基材の表面に接触させること、および、集合体および基材を、超硬質粒を焼結して多結晶質の超硬質材料を形成するための圧力および温度に曝すことを含む方法によって、基材に接合されて形成され得る。この場合、焼結プロセスにおいて多結晶性の超硬質材料が基材に接合されるであろう。
【００５２】
本明細書において、２つの与えられた点の間または先端部の内部における長手方向距離は、それらの間の距離の長手方向成分のことである。長手方向成分は、長手方向軸に平行である。長手方向の平面は、実質的に長手方向軸に平行な面である。凹部の最下点は、凹部の底部上に位置する点のことであり、凹部上の（すなわち、凹部を画定する境界面の領域の内部における）その他の点が、凹部の底部における当該点よりも大きな、頂部からの長手方向距離を有することはない。凹部の底部の領域が平坦である場合、凹部の底部の点は、特有のものでなくてもよい。凹部が凹状に半円形の形状である例において（これは、ボウル状とも称され得る）、凹部の底部の点は、特有のものであり、かつ、頂部に直接的に対向するものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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