(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バインダー材料を用意すること、ここでそのバインダー材料は、単一金属から形成される金属炭化物を含み、ここで
その単一金属はＩＶ、ＶおよびＶＩ族から選ばれ、
その金属炭化物は非化学量論的であり、ならびにその金属炭化物は化学量論的であって、そのバインダーがさらにその単一金属の遊離部分を含む、の少なくとも１つであり；
そのバインダー材料をダイアモンド粉末と混合すること；ならびに
そのダイアモンド粉末およびバインダー材料について焼結プロセスを実施すること、そこでは焼結プロセスは、そのダイアモンド粉末にその間質空間内に堆積された改質バインダー材料を有する多結晶ダイアモンド構造を形成させ、そこでは改質バインダー材料は化学量論的であって、改質バインダー材料は金属の遊離部分がない；
を含むカッターの作製方法。
【請求項２】
焼結プロセスが固相焼結プロセスである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
焼結プロセスが固相に近い焼結プロセスであり、
一時的な液相が固相に近い焼結プロセスの間に形成され、ならびに
一時的な液相が焼結プロセスの時間の１０％以下の間に存在する、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
一時的な液相が焼結プロセスの時間の６％以下の間に存在する請求項３に記載の方
法。
【請求項５】
バインダー材料の金属炭化物が非化学量論的である請求項１に記載の方法。
【請求項６】
バインダー材料が化学量論的な炭化物および単一金属の遊離部分を含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
改質バインダー材料がコバルト、ニッケルおよび鉄からなる群より選ばれる触媒材料をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
少なくとも基板粉末および第２のバインダー材料から基板を形成すること；ならびに
ディバイダーを多結晶ダイアモンド構造および基板に結合させること、ここでそれらの間で、ディバイダーは第２のバインダー材料が多結晶ダイアモンド構造に移行するのを防止する；
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ディバイダーが単一金属を用いて形成される請求項８に記載のカッターの作製方法。
【請求項１０】
金属ディバイダーを基板層の頂上に位置させること；ならびに
金属ディバイダーの頂上に混合物を位置させること、ここで焼結プロセスは基板層およびディバイダーについても実施される、
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
基板層は炭化タングステン粉末および第２のバインダー材料を含み、
第２のバインダー材料はコバルト、ニッケル、クロムおよび鉄からなる群より選ばれ、
ならびに、ディバイダーは、第２のバインダー材料が多結晶ダイアモンド構造に移行するのを防止する、
を含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
混合物が均質である請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
バインダー材料がさらにダイアモンド粉末を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
バインダー材料が１０vol％以下の触媒材料を含む請求項７に記載の方法。
【請求項１５】
バインダー材料が１vol％以下の触媒材料を含む請求項７に記載の方法。
【請求項１６】
多結晶ダイアモンド構造における触媒材料の組成が非共晶である請求項７に記載の方法。
【請求項１７】
一定の温度が焼結プロセスの間、保持される請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
一定の温度が金属炭化物の共融点よりも高い請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
一定の温度が金属炭化物の共融点よりも低い請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶ダイアモンドコンパクト（polycrystalline diamond compact）(「PDC」)に関し、さらに詳しくは改良された熱的安定性および靱性を有するPDCカッターに関する。
【背景技術】
【０００２】
多結晶ダイアモンドコンパクト (「ＰＤＣ」)は、削岩用途および金属機械加工用途を含む、産業用途に用いられてきた。このようなインパクトは、いくつかの他の種類の切削要素（cutting elements）よりも、良好な摩耗抵抗および衝撃抵抗のような、利点を示してきた。多くの異なるPDCグレードが、最良の摩耗抵抗および衝撃抵抗を同時に達成しようと開発されている。PDCは、「ダイアモンド安定領域」といわれる高圧高温（「ＨＰＨＴ」）条件下で、個々のダイアモンド粒子を焼結することにより形成され得、ダイアモンド−ダイアモンド結合を促進する触媒/溶媒の存在下に、典型的には４０キロバールを超え、１２００〜２０００℃で行われる。ダイアモンドコンパクトの焼結に典型的に用いられる触媒/溶媒のいくつかの例は、コバルト、ニッケル、鉄および他のVIII族金属である。ＰＤＣは、７０vol％より大きいダイアモンド含量を有するのが通常であり、約８０〜９５vol％が典型的である。支持されていない（unbacked）ＰＤＣは、一例によれば、工具に機械的に結合され得る（図示されていない）。あるいは、ＰＤＣは、基板に結合され得、それによりＰＤＣカッターを形成し、ドリルビットもしくはリーマー（reamer;拡孔器）のような、ダウンホール工具（図示されない）内に挿入され得るのが典型的である。
【０００３】
図１は、従来技術により、多結晶ダイアモンド (「ＰＣＤ」)切削テーブル１１０、またはコンパクト、を有する、ＰＤＣカッター１００の側面図を示す。ＰＣＤ切削テーブル（cutting table）１１０が例示の態様において示されるが、立方晶窒化ホウ素（「ＣＢＮ」）を含む、他の種類の切削テーブルもカッターの代替的種類において使用される。
【０００４】
図１に関して、ＰＤＣカッター１００は、ＰＣＤ切削テーブル１１０、およびＰＣＤ切削テーブル１１０に結合される基板１５０を含むのが一般的である。ＰＣＤ切削テーブル１１０は、１インチ（２．５ｍｍ）の約１００/１０００の厚さである。しかし、その厚さは、ＰＣＤ切削テーブルが使用されるべき用途に依存して変わり得る。
【０００５】
基板１５０は、上面１５２、底面１５４、および上面１５２の周囲から底面１５４の周囲に延びる基板外側壁１５６を含む。ＰＣＤ切削テーブル１１０は、切削面１１２、対立面１１４、および切削面１１２の周囲から対立面１１４の周囲に延びるＰＣＤ切削テーブル外側壁１１６を含む。ＰＣＤ切削テーブル１１０の対立面１１４は、基板１５０の上面１５２に結合される。典型的には、ＰＣＤ切削テーブル１１０は、高圧および高温（「ＨＰＨＴ」）の押圧を用いて、基板１５０に結合される。しかし、当業者に知られている、他の方法もＰＣＤ切削テーブル１１０を基板１５０に結合するのに用いられ得る。１つの態様において、ＰＣＤ切削テーブル１１０を基板１５０に結合するに際して、ＰＣＤ切削テーブル１１０の切削面１１２は、基板底面１５４に実質的に平行である。さらに、ＰＤＣカッター１００は、直円柱形状を有するように示されている；しかし、ＰＤＣカッター１００は、他の態様において、他の幾何学的または非幾何学的形状に形づくられる。ある態様において、対立面１１４および上面１５２は実質的に平面である；しかし、対立面１１４および上面１５２は、他の態様において、非平面であってもよい。さらに、いくつかの例示的態様によれば、傾斜（図示されない）がＰＣＤ切削テーブル１１０の少なくとも周囲に形成される。
【０００６】
一例によれば、ＰＤＣカッター１００は、ＰＣＤ切削テーブル１１０および基板１５０を独立して形成し、その後に基板１５０にＰＣＤ切削テーブル１１０を結合させることにより形成される。あるいは、最初に基板１５０が形成され、ついでＰＣＤ切削テーブル１１０が、多結晶ダイアモンド粉末を上面１５２上に置き、その多結晶ダイアモンド粉末および基板１５０を高温および高圧プロセスに供することにより、形成される。あるいは、基板１５０およびＰＣＤ切削テーブル１１０は、ほとんど同時に、形成され、一緒に結合される。ＰＤＣカッター１００を形成する、いくつかの方法が簡潔に述べられたが、当業者に知られる、他の方法も使用され得る。
【０００７】
ＰＤＣカッター１００を形成する一典型例によれば、ＰＣＤ切削テーブル１１０は、ダイアモンド粉末ならびに炭化タングステンおよびコバルトの粉末の混合物を、押型（press）内でＨＰＨＴ条件に供することにより、形成され、基板１５０に結合される。ＨＰＨＴ条件は、５５キロバール以上の圧力および１３００℃以上の温度であるのが典型的である。コバルトは炭化タングステンと混合され、基板１５０が形成されるべき位置に配置されるのが典型的である。ダイアモンド粉末は、コバルトおよび炭化タングステンの混合物の上部に置かれ、ＰＣＤ切削テーブル１１０が形成されるべき位置に配置される。ついで、粉末混合物全体は、押型内でＨＰＨＴ条件に供され、その結果、コバルトは液化され、炭化タングステンの接合もしくは結合を容易にして基板１５０を形成する。さらに、液化コバルトは、基板１５０からダイアモンド粉末に拡散、もしくは浸透し、ダイアモンドを合成してＰＣＤ切削テーブル１１０を形成するための触媒として作用する。ダイアモンド粉末の焼結プロセスの間、ダイアモンド粉末からの炭素は、液化コバルト中に溶解し、ついで再析出してダイアモンド−ダイアモンド結合を創出し、ついでＰＣＤ切削テーブル１１０を形成する。コバルトは、炭化タングステンを接合するバインダーとして、およびダイアモンド粉末を焼結させてダイアモンド−ダイアモンド結合を形成するための触媒/溶媒として、作用する。さらに、コバルトは、ＰＣＤ切削テーブル１１０および接合された炭化タングステン基板１５０の間に強い結合を形成するのを容易にする。たとえばコバルトのような触媒/溶媒が液化され、いでダイアモンド粉末が液化された触媒/溶媒で十分に焼結される、この従来のプロセスは、液相圧力付加焼結プロセスといわれている。押型内で、触媒/溶媒は、約６０％以上の時間、液相である。
【０００８】
コバルトは、ＰＤＣ製造プロセスの好適な成分であった。従来のＰＤＣ製造プロセスは、基板１５０を形成するためのバインダー材料として、さらにはダイアモンド合成のための触媒材料として、コバルトを用いる。これは，これらのプロセスにおいてコバルトを用いることに関して多数の知見があるからである。多数の知見とプロセスのニーズの間の相乗作用は、バインダー材料および触媒材料としてコバルトを使用することを導いてきた。しかし、この分野で知られるように、鉄、ニッケル、クロム、マンガンおよびタンタルのような、代替金属がダイアモンド合成のための触媒として使用され得る。これらの代替金属をダイアモンド合成のための触媒として使用してＰＣＤ切削テーブル１１０を形成するとき、従来のダイアモンド焼結プロセスは、いったん触媒が液化されると、完全になお存在する。
【０００９】
図２は、従来技術による図１のＰＣＴ切削テーブル１１０の模式的な微細構造図である。図１および２に関して、ＰＣＤ切削テーブル１１０は、ダイアモンド粒子２１０、ダイアモンド粒子２１０の間の１つもしくはそれより多い間質空間２１２（interstitial spaces）、ならびに間質空間２１２内に堆積されたコバルト２１４を有する。焼結プロセスの間、間質空間、すなわち間隙、は炭素-炭素結合の間に形成され、そしてダイアモンド粒子２１０の間に位置される。コバルト２１４のダイアモンド粉末への拡散は、焼結プロセスの間にＰＣＤ切削テーブル１１０内に形成される。これらの間質空間２１２内に、コバルト２１４を堆積させる。間質空間２１２内に堆積されるコバルト２１４は、共晶組成または共晶組成に近い組成を有する。
【００１０】
いったんＰＣＤ切削テーブル１１０が形成されると、ＰＣＤ切削テーブル１１０は、温度が臨界温度に達すると急速に摩耗することが知られている。この臨界温度は約７５０℃であり、ＰＣＤ切削テーブル１１０が岩層（rock formation）または他の硬材料を切削するときに到達する。高い摩耗速度は、ダイアモンド粒子２１０およびコバルト２１４の間の熱膨張率の差異により、そしてさらにコバルト２１４およびダイアモンド粒子２１０の間生じる、化学反応、すなわち黒鉛化、により、生じると考えられる。ダイアモンド粒子２１０についての熱膨張係数は、約１．０×１０−６ｍｍ−１×Ｋｅｌｖｉｎ−１（「ｍｍ−１Ｋ−１」）であるが、コバルト２１４についての熱膨張係数は、約１３．０×１０−６ｍｍ−１Ｋ−１である。したがって、コバルト２１４は、この臨界温度を超える温度でダイアモンド粒子２１０よりも速く膨張し、それによりダイアモンド粒子２１０間の結合を不安定にする。ＰＣＤ切削テーブル１１０は、約７５０℃を超える温度で熱的に劣化し、そしてその切削効率は著しく悪化する。
【００１１】
これらの高温でＰＣＤ切削テーブル１１０の摩耗を遅らせるように努力がなされてきた。これらの努力は、間質空間２１２からコバルト２１４を除去する、ＰＣＤ切削テーブル１１０の酸浸出プロセスを実施することを含む。典型的な浸出プロセスは、ＰＣＤ切削テーブル１１０の間質空間２１２内に堆積されるコバルト２１４と反応する、酸溶液（図示されない）の存在を含む。典型的な酸浸出の一例によれば、ＰＤＣカッター１００は、酸溶液内に置かれ、その結果、ＰＣＤ切削テーブル１１０の少なくとも一部は、酸溶液内に沈む。酸溶液は、ＰＣＤ切削テーブル１１０の外面に沿ってコバルト２１４と反応する。酸溶液は、ＰＣＤ切削テーブル１１０の内側内で内部へゆっくりと移動し、コバルト２１４と反応し続ける。しかし、酸溶液がさらに内部へ移動すると、反応副生物が、移動するのをもっといよいよ困難にし；したがって、浸出速度は、かなり遅くなる。このために、浸出プロセス期間の間に交換（tradeoff）が生じ、そこでは浸出期間が増加するので、コストが増大し、浸出深さも増大する。したがって、浸出深さは典型的に約０．２ｍｍであるが、ＰＣＤ切削テーブル１１０の要件および/または費用制約条件に依存して大きくも小さくもなり得る。コバルト２１４の除去は、ダイアモンド粒子２１０およびコバルト２１４の間の熱膨張速度の差異により、ならびに黒鉛化により創出される問題を緩和する。しかし、浸出プロセスは、費用がかかり、しかもＰＣＤ切削テーブル１１０に、強度損失のような、他の有害な効果をもたらす。産業内での努力は、改良された靱性特性を有する、改良された熱安定な多結晶ダイアモンドを開発するために進行中である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本発明の前述および他の態様は、次のある例示的態様に関して、添付図面と併せて参照されると、もっともよく理解される。
【図１】従来技術によるＰＣＤ切削テーブルを有するＰＤＣカッターの側面図を示す。
【図２】従来技術による図１のＰＣＤ切削テーブルの模式的な微細構造図である。
【図３Ａ】本発明の例示的態様による予備焼結されたＰＣＤ切削テーブルの側面図である。
【図３Ｂ】本発明の例示的態様による図３Ａの予備焼結されたＰＣＤ切削テーブルから形成されたＰＣＤ切削テーブルの側面図である。
【図４】本発明の例示的態様による炭素および元素Ｍの状態図である。
【図５】本発明の例示的態様による２つの固体元素間に生じる拡散プロセスの模式的微細図である。
【図６Ａ】本発明の例示的態様による予備焼結されたＰＤＣカッターの側面図である。
【図６Ｂ】本発明の例示的態様による図６Ａの予備焼結されたＰＤＣカッターから形成されたＰＤＣカッターの側面図である。
【００１３】
これらの図面は、本発明の例示的態様を示すものにすぎず、本発明は他の均等に有効な態様を許容し得るので、本発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、多結晶ダイアモンドコンパクト (「PDC」)に関し、さらに詳しくは改良された熱的安定性および靱性を有するPDCカッターに関する。例示的態様の記載は、ＰＤＣカッターおよび/またはＰＣＤ切削テーブルと併せて以下に提示されるが、本発明の代替的態様は、多結晶窒化ホウ素（「ＰＣＢＮ」）カッターまたはＰＣＢＮコンパクトを含む、他の種類のカッターまたはコンパクトに適用され得るが、これらに限定されない。前述のように、コンパクトは、カッターを形成するために基板に搭載し得、または切削プロセスを実施するための工具に直接に搭載し得る。本発明は、添付図面に関して、以下の非制限的で例示的な態様の記載を読みとることによりさらによく理解され、そこでは類似の関連特性により各図面の部分が同定され、そして図面は以下のように簡単に記載される。
【００１５】
図３Ａは、本発明の例示的態様による予備焼結されたＰＣＤ切削テーブル３００の側面図である。図３Ｂは、本発明の例示的態様による図３Ａの予備焼結されたＰＣＤ切削テーブル３００を焼結して形成されたＰＣＤ切削テーブル３５０の側面図である。図３Ａおよび３Ｂは、ＰＣＤ切削テーブル３５０を形成するための一例である。図３Ａおよび３Ｂについて、予備焼結されたＰＣＤ切削テーブル３００は、切削層表面３２２、対立層表面３２４、および切削層表面３２２の周囲から対立層表面３２４の周囲に延びる、ＰＣＤ切削テーブル層外側壁３２６を含む。予備焼結されたＰＣＤ切削テーブル３００は、ダイアモンド粉末３３６およびバインダー材料３３４を用いて作製される。
【００１６】
バインダー材料３３４は、ダイアモンド粉末３３６と予備混合され、予備焼結されたＰＣＤ切削テーブル３００の形状を形成する。ダイアモンド粉末３３６は例示的態様のいくつかにおいて使用されるが、ＣＢＮ粉末または他の公知の適切な粉末のような、他の粉末の種類も、例示的態様の範囲および精神を逸脱しないで、他の例示的態様において使用し得る。
【００１７】
バインダー材料３３４は、周期律表のＩＶ、ＶおよびＶＩ族の少なくとも１つに属する元素の少なくとも１つの炭化物を含む。周期律表のＩＶ族は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）およびウンウンクオディウム（Ｕｎｑ）の元素を含む。周期律表のＶ族は、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、ウンウンペンチウム（Ｕｎｐ）の元素を含む。周期律表のＶＩ族は、クロム（Ｃｒ），モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）およびウンウンヘキシウム（Ｕｎｈ）の元素を含む。いくつかの例示的態様によれば、炭化物３０２は、ＩＶ、ＶおよびＶＩ族の単一の元素の炭化物を含む。代替的な例示的態様によれば、炭化物３０２は、ＩＶ、ＶおよびＶＩ族の２またはそれより多い元素の炭化物を含む。
【００１８】
いくつかの例示的態様によれば、炭化物３０２は、非化学量論的形態で、たとえば炭化モリブデン（Ｍｏ２ＣＸ）および炭化チタン（ＴｉＣＸ）であり、Xは１より小さい。しかし、代替的な例示的態様によれば、炭化物３０２は、非化学量論的形態で、たとえば炭化モリブデン（Ｍｏ２Ｃ）および炭化チタン（ＴｉＣ）である。ある例示的態様によれば、炭化物３０２は、化学量論的形態または非化学量論的形態である炭化物の組み合わせを含む。炭化物３０２の少なくとも１部が化学量論的形態である例示的態様によれば、バインダー材料３３４は、炭化物３０２を形成するのに用いられる周期律表のＩＶ、ＶおよびＶＩ族に属する、少量の金属３０４を含む。炭化物３０２が化学量論的形態である炭化物を含むとき、バインダー材料３３４への少量の金属３０４の添加は、金属原子および炭素原子間の不均衡を創出し、それにより金属３０４および炭素間の拡散プロセスを容易にする。バインダー材料３３４は、１つより多い成分がバインダー材料３３４を形成するとき、均質な混合物である。
【００１９】
バインダー材料３３４の平均粒径は、ナノメーターの範囲、または少なくともサブミクロンの範囲、であり、それによりバインダー材料３３４の化学的反応性を増大させ、そしてダイアモンド焼結プロセスを向上させる。ある例示的態様において、バインダー材料３３４は、ダイアモンド粒子３３６を含み、炭化物３０２および金属３０４の均一混合を助ける。バインダー材料３３４において用いられるダイアモンド粒子３３６は、サブミクロンの範囲にある平均粒径を有する。
【００２０】
さらに他の例示的態様によれば、バインダー材料３３４は、コバルト、ニッケル、鉄および/または当業者に公知である他の触媒材料を含む、少量の触媒金属（図示されない）を含むが、これらに限定されない。触媒金属は、焼結プロセスを促進し、強化剤として振る舞う。触媒金属は、バインダー材料３３４の体積の約１％以下の体積％を占める。いくつかの例示的態様によれば、触媒金属は、バインダー材料３３４の体積の約０．５％以下の体積％を占める。しかし、代替的な例示的態様によれば、触媒金属は、バインダー材料３３４の体積の約１０％以下程度の体積％を占めることができる。
【００２１】
バインダー材料３３４に含まれる成分の一例は、炭化チタン９５体積％、およびチタン５体積％である。バインダー材料３３４に含まれる成分のもう１つの例は、炭化タングステン４０体積％、炭化モリブデンの５０体積％、タングステン５体積％、およびモリブデン５体積％である。ある例示的態様によれば、１つまたはそれより多い炭化タングステンおよび炭化モリブデンが、化学量論的形態または非化学量論的形態で、炭化物中に含まれ、たとえばＷＣ/Ｗ２ＣおよびＭＯ２Ｃ/ＭｏＣである。いくつかの例において、少量のダイアモンド粉末および触媒金属のいずれかまたは両方がバインダー材料３３４に含まれる。
【００２２】
いったんバインダー材料３３４が用意され、均質に混合されると、バインダー材料３３４は異なる切削のダイアモンド粉末３３６と混合され、予備焼結されたＰＣＤ切削テーブル３００を形成する。ダイアモンド粉末３３６は、約７０体積％以上を占めるが、バインダー材料３３４は約３０体積％以下を占める。いくつかの例示的態様によれば、ダイアモンド粉末３３６は、約８５〜約９５体積％を占めるが、バインダー材料３３４は約５〜約１５体積％を占める。ある例示的態様によれば、ダイアモンド粉末３３６は、当業者に公知である粉末洗浄プロセスを受ける。予備焼結されたＰＣＤ切削テーブル３００はＨＰＨＴ系、すなわち押圧で、処理され、そこでダイアモンド焼結プロセスのために適切な量の圧力および温度を供給する。供給される圧力は、約７０キロバール以上であり、そして温度は約１６００℃以上である。しかし、他の例示的態様によれば、供給される圧力は、約６０キロバール以上であり、そして温度は約１５００℃以上である。いくつかの例示的態様によれば、ダイアモンド焼結プロセスは、固相で完全に生じ、固相焼結プロセスと言われる。しかし、いくつかの例示的態様によれば、焼結プロセスの小さな時間部分で、一時的な液相が形成されるが、ついで完全に固相に転換され、そこで焼結プロセスが続く。液相が焼結プロセスの間に形成されるとき、プロセスは固相に近い焼結プロセスと言われる。一時的な液相は、焼結プロセスの間、約０．１体積％以下で形成される。一時的な液相が存在する、焼結プロセスの小さな時間部分は、合計焼結時間の約１０％以下である。いくつかの例示的態様によれば、一時的な液相が存在する、焼結プロセスの小さな時間部分は、合計焼結時間の約６％以下である。いくつかの例示的態様によれば、一時的な液相が存在する、焼結プロセスの小さな時間部分は、合計焼結時間の約４％以下である。この一時的な液相は、いくつかの例示的態様において、狭い濃度範囲で形成され、そして図４および５についてさらに詳しく説明される焼結、または拡散プロセスの間に、濃度変化のために炭素と金属の間で生じる。
【００２３】
予備焼結されたＰＣＤ切削テーブル３００についての焼結プロセスがいったん終了すると、ＰＣＤ切削テーブル３５０が形成される。ＰＣＤ切削テーブル３５０は、切削面３７２、対立面３７４、および切削面３７２の周囲から対立面３７４の周囲に延びるＰＣＤ切削テーブル外側壁３７６を含む。ＰＣＤ切削テーブル３５０は、ダイアモンド粉末３３６から形成されるダイアモンド格子３８６、およびダイアモンド格子３８６内に形成される間質空間に堆積される改質バインダー材料３８４を含む。改質バインダー材料３８４は、実質的にすべての金属がそれぞれの炭化物に転換されていることを除いて、バインダー材料３３４に類似する。いくつかの例示的態様によれば、斜面（図示されない）がＰＣＤ切削テーブル３５０の周囲に形成される。その例示的態様に依存して、ＰＣＤ切削テーブル３５０は、ＰＣＤ切削テーブル３５０の一部を工具に結合すること、または対立面３７４を基板（図示されない）に結合すること、を独立に用いることにより、硬材料を切削するのに使用される。
【００２４】
金属は、ダイアモンド粉末から拡散する炭素と完全に反応したので、ＰＣＤ切削テーブル３５０内に、残留する遊離金属は実質的にない。そこでは、比較的多くの炭化物がＰＣＤ切削テーブル３５０内に形成され、ついで化学量論的組成が達成される。ＰＣＤ切削テーブル３５０内に残る共晶または共晶に近い触媒金属はなく、それによりＰＣＤ切削テーブル３５０の熱安定性を増大させる。
【００２５】
図４は、本発明の例示的態様による炭素および元素Ｍ４００の状態図である。炭素および元素Ｍ４００の状態図は、１つの例示的態様による２元系状態図の一例として提示されるが、炭素ならびに１つもしくはそれより多い他の元素、たとえばチタン、クロムまたはタングステン、の異なる状態図も、固相焼結プロセスまたは固相に近い焼結プロセスを示すために使用され得る。元素Ｍは、炭化物を形成し得る金属である。図４に関して、炭素および元素Ｍ４００の状態図は組成軸４１０、温度軸４２０、液相線４３４、固相線４３６、および共晶点４３８を含む。
【００２６】
組成軸４１０は、ｘ軸上に位置し、ＰＣＤ切削テーブルの組成を示す。その組成は、炭素の原子ｗｔ％で測定される。組成軸４１０に沿って左から右に進むと、炭素の％組成は増加する。したがって、組成軸４１０の左端で、材料は１００％元素Ｍである。それに対して、組成軸４１０の右端で、材料は１００％炭素、すなわちダイアモンドである。組成軸４１０は、共晶点４４０（Ｃｅ）を含み、以下にさらに詳細に検討される。
【００２７】
温度軸４２０は、ｙ軸上に位置し、炭素および元素Ｍ組成上に供され得る種々の温度を示す。温度は、℃で測定される。温度軸４２０に沿って上から下に進むと、温度は減少する。温度軸４２０は、元素Ｍ融点４３２、ダイアモンド融点４３０、および共晶点４３９を含み、以下にさらに詳細に検討される。元素Ｍ融点４３２は、１００％元素Ｍを有する材料が溶融する温度である。ダイアモンド融点４３０は、１００％ダイアモンドを有する材料が溶融する温度である。
【００２８】
炭素および元素Ｍ４００の状態図は、炭素および元素Ｍ組成の異なる相、ならびにこれらの異なる相が存在する組成および温度、に関する情報を提供する。これらの相は、全液相４５０（「Ｌ」）、金属および金属炭化物固相４５２（「α+ＭＣ」）、金属スラリー相４５４（「α+Ｌ」）、金属炭化物スラリー相４５６（「Ｌ+ＭＣ」）、金属固相４５８（「α」）、金属炭化物固相４６０（「ＭＣ」）、金属炭化物およびダイアモンド固相４６２（「ＭＣ+Ｄ」）、ならびにダイアモンドスラリー相４６４（「Ｌ+Ｄ」）を含む。
【００２９】
全液相４５０は、炭素および元素Ｍの両方が完全に液相内であるときに生じる。金属および金属炭化物固相４５２は、金属炭化物および元素Ｍの両方が完全に液相内であるときに生じる。このように、炭素は金属とすべて結合され、炭化物を形成し、遊離固体炭素がない。
【００３０】
金属スラリー相４５４は、材料が、液体元素Ｍを含むスラリー中に懸濁する元素Ｍの結晶を有するときに生じる。金属炭化物スラリー相４５６は、材料が、液体金属炭化物を含むスラリー中に懸濁する金属炭化物の結晶を有するときに生じる。金属固相４５８は、すべての元素Ｍが固相内であり、いくらかの固体金属炭化物が固体元素Ｍと混合されるときに生じる。金属炭化物固相４６０は、すべての金属炭化物が固相内であり、いくらかの固体金属が固体金属炭化物と混合されるときに生じる。金属炭化物およびダイアモンド固相４６２は、材料が固相内でダイアモンドを形成し、いくらかの金属炭化物が子固相内であるときに生じる。ダイアモンドスラリー相４６４は、材料が、液体炭素を含むスラリー中に懸濁するダイアモンド結晶を有するときに生じる。
【００３１】
液相線４３４は、元素Ｍ融点４３２から共晶点４３８に、そしてついでダイアモンド融点４３０に延びる。液相線４３４は、組成が完全に溶融し、液体を形成する温度を示す。したがって、液相線４３４を超える温度で、組成は完全に液体である。固相線４３６は、共晶点４３８を除いて、液相線４３４の下方に位置される。固相線４３６は、組成が溶融し始める温度を示す。したがって、固相線４３６より低い温度で、組成は１つまたはそれより多い化合物について材料中で完全に固体である。共晶点４３８で、液相線４３４は固相線４３６と出会う。共晶点４３８は、共晶温度４３９と共晶組成４４０の交点として、状態図４００上に定義される。共晶組成４４０は、炭素-元素Ｍ混合物が単一の化学組成として振る舞い、そして融点を有する組成であり、全固相４５２は単一温度で全液相４５０になる。
【００３２】
固相焼結プロセスにおいて、ＰＣＤ切削テーブル３５０を形成するための一例によれば、焼結プロセスは最初の混合組成物４８０（Ｘ０）で実施される。最初の混合組成物４８０の温度は、温度Ｔ１４８６に上げられ、第１の混合点４９０を形成する。最初の混合組成物４８０は、最初の混合組成物４８０がＴ１４８６であるとき、金属および金属炭化物固相４５２である。ここで、金属および金属炭化物は、ともに完全に固体である。焼結プロセスが継続し、温度が比較的一定に保持されるので、炭素原子は、状態図４００によれば元素Ｍである金属内に拡散し、そして金属原子は炭素内に拡散する。これらの各拡散速度は異なり、焼結プロセスの間、混合物の組成を変えさせることになる。いくつかの例示的態様によれば、混合物内で元素Ｍの組成は減少し、炭素の組成は増加する。温度が実質的に一定に維持されても、混合物の組成は最初の混合組成４８０から中間混合組成４８２（Ｘ１）に変化する。したがって、混合物は、第１の混合点４９０から、金属炭化物固相４６０内である、第２の混合点４９２に進む。もし焼結プロセスが無限の時間、継続するのが可能であれば、元素Ｍに関して混合物組成はさらに減少し、それに対して炭素に関して混合物組成はさらに増加するであろう。このように、混合物組成は中間混合物組成４８２から最終混合物組成４８４（Ｘ２）に進み、そして第２の混合点４９２は第３の混合点４９４に進む。第３の混合点４９４は、金属炭化物およびダイアモンド固相４６２にある。しかし、実際には、焼結プロセスは、無限の時間、進むわけではなく、固相焼結プロセスの終了後に混合物の最終組成は、中間混合物組成４８２と最終混合物組成４８４の間の点にある。したがって、この例示的態様に示されるように、焼結プロセスは、固相焼結プロセスであり、そこでは液体も一時的な液相も形成されない。固相焼結プロセスにおいて、押し型内の圧力は、従来技術で使用される圧力よりも高いのが典型的である。
【００３３】
固相に近い焼結プロセスにおいて、ＰＣＤ切削テーブル３５０（図示されない）を形成するための一例によれば、焼結プロセスも最初の混合物組成４８０で実施される。しかし、最初の混合組成４８０の温度は、Ｔ２４８８の温度に上げられ、最初の混合点４９６を形成する。最初の混合点４９６は、金属炭化物スラリー相４５６にある。このように、最初の混合物組成４８０は、Ｔ２４８８への温度上昇の間に、固相から一時的液相に変換される。焼結プロセスが継続するので、炭素原子は、状態図４００によれば元素Ｍである金属内に拡散し、そして金属原子は炭素内に拡散する。これらの各拡散速度は異なり、焼結プロセスの間、混合物の組成を変えさせることになる。いくつかの例示的態様によれば、混合物内で元素Ｍの組成は減少し、炭素の組成は増加する。温度が実質的に一定に維持されても、混合物の組成は最初の混合組成４８０から中間混合組成４８２に変化する。したがって、混合物は、第１の混合点４９６から、金属炭化物固相４６０内である、第２の混合点４９７に進む。このように、一時的な液相は消失し、混合物は固体である。もし焼結プロセスが無限の時間、継続するのが可能であれば、元素Ｍに関して混合物組成はさらに減少し、それに対して炭素に関して混合物組成はさらに増加するであろう。このように、混合物組成は中間混合物組成４８２から最終混合物組成４８４に進み、そして第２の混合点４９７は終点混合点４９８に進む。終点混合点４９８は、金属炭化物およびダイアモンド固相４６２にある。しかし、実際には、焼結プロセスは、無限の時間、進むわけではなく、固相焼結プロセスの終了後に混合物の最終組成は、中間混合物組成４８２と最終混合物組成４８４の間の点にある。したがって、この例示的態様に示されるように、焼結プロセスは、固相に近い焼結プロセスであり、そこでは一時的な液相が形成される。固相に近い焼結プロセスにおいて、押型内の圧力は、従来技術で使用される圧力よりも高いのが典型的である。
【００３４】
図５は、本発明の例示的態様による２つの固体元素５１０および５２０間に生じる拡散プロセス５００の模式的微細図である。図５に関して、拡散プロセスは、第２の固体元素５２０に近い第１の固体元素５１０を含む。例示的態様によれば、第１の固体元素５１０は固体炭素である；しかし、他の固体元素も、例示的態様の範囲および精神を逸脱しないで、固体炭素の代わりに使用し得る。第２の固体元素５２０は固体元素Ｍであり、炭化物を形成し得る金属である。
【００３５】
固体元素５１０は、図５に正方形で示される炭素原子５１２を含む。固体元素Ｍ５２０は、図５に円形で示される元素Ｍ原子５２２を含む。拡散プロセスの間、いくつかの炭素原子５１２は、固体元素Ｍ５２０中に拡散し、移行された炭素原子５１４になる。同様に、拡散プロセスの間、いくつかの元素Ｍ原子５２２は、固体炭素５１０中に拡散し、移行された元素Ｍ原子５２４になる。元素Ｍ原子５２２が固体炭素５１０中に拡散する速度は、いくつかの例示的態様により炭素原子５１２が固体元素Ｍ５２０中に拡散する速度と異なる。図５に示されるように、５個の移行された炭素原子５１４があるが、一方、３個の移行された元素Ｍ原子５２４がある。このように、焼結プロセスの間、混合物の組成は、図３および４に関して前述したように、変化する。
【００３６】
図６Ａは、本発明の例示的態様による予備焼結されたＰＤＣカッター６００の側面図である。図６Ｂは、本発明の例示的態様による図６Ａの予備焼結されたＰＤＣカッターから形成されたＰＤＣカッターの側面図である。図６Ａおよび６Ｂは、ＰＤＣカッター６５０を形成するための一例を提示する。図６Ａおよび６Ｂに関して、予備焼結されたＰＤＣカッター６００は、基板層６１０、ＰＣＤ切削テーブル層６２０、および金属ディバイダー６４０を含むが、ＰＤＣカッター６５０は、基板６６０、ＰＣＤ切削テーブル６７０、およびディバイダー６９０を含む。基板層６１０は、予備焼結されたＰＤＣカッター６００の底部に位置され、焼結プロセスの終了の際に基板６６０を形成する。金属ディバイダー６４０は基板層６１０の上に位置され、焼結プロセスの終了の際に、ディバイダー６９０を形成する。ＰＣＤ切削テーブル層６２０は、金属ディバイダー６４０の上に位置され、焼結プロセスの終了の際に、ＰＣＤ切削テーブル６７０を形成する。このように、金属ディバイダー６４０は、ＰＣＤ切削テーブル層６２０および基板層６１０の間に位置され、焼結プロセスの間に、基板層６１０からＰＣＤ切削テーブル層６２０に成分が移行するのを防止する。
【００３７】
基板層６１０は、基板粉末６３２および第１のバインダー材料６３４の混合物から形成される。基板粉末６３２は炭化タングステン粉末である；しかし、基板粉末６３２は、いくつかの他の例示的態様により、例示的態様の範囲および精神を逸脱しないで、当業者に公知の、他の適切な材料から形成される。第１のバインダー材料６３４は、基板粉末６１０のためのバインダーとして振る舞うことのできるいかなる材料であってもよい。第１のバインダー材料６３４のいくつかの例は、コバルト、ニッケル、クロムおよび鉄を含むが、これらに限定されない。いったん高圧および高温条件に供されると、基板層６１０は基板６６０を形成する。第１のバインダー材料６３４は溶融し、基板層６１０の焼結を容易にする。基板層６１０は、上層面６１２、底部層面６１４、および上層面６１２の周囲から底部層面６１４の周囲に延びる基板層外側壁６１６を含む。第１のバインダー材料６３４は、焼結プロセスの終了後に、基板６６０内にばらまかれる。基板層６１０は、１つの例示的態様により直円柱状に形成されるが、他の幾何学的または非幾何学的形状に形成され得る。
【００３８】
ＰＣＤ切削テーブル層６２０は、ダイアモンド粉末６３６および第２のバインダー材料６３８の混合物から形成される。ダイアモンド粉末６３６は、ＰＣＤ切削テーブル層６２０を形成するのに使用されるが、例示的態様の範囲および精神を逸脱しないで、当業者に公知の、他の適切な材料も使用され得る。第２のバインダー材料６３８は、バインダー材料３３４（図３Ａ）に類似し、バインダー材料３３４（図３Ａ）に関して前述された、いくつかの異なる例示的態様を含む。いったん高圧および高温条件に供されると、ＰＣＤ切削テーブル層６２０は、ＰＣＤ切削テーブル３００（図３Ａ）をＰＣＤ切削テーブル３５０（図３Ｂ）に変えるときに生じる焼結プロセスと同様にして、ＰＣＤ切削テーブル６７０を形成する。ここで、ＰＣＤ切削テーブル層６２０内で生じる焼結プロセスは、固相焼結プロセスまたは固相に近い焼結プロセスであり、一時的液相が一時的に形成される。ＰＣＤ切削テーブル層６２０は、切削層面６２２、対立層面６２４、および切削層面６２２の周囲から対立層面６２４の周囲に延びるＰＣＤ切削テーブル層外側壁６２６を含む。いくつかの例示的態様によれば、傾斜（図示されない）がＰＣＤ切削テーブル層６２０の周囲に形成される。
【００３９】
金属ディバイダー６４０は、基板層６１０とＰＣＤ切削テーブル層６２０の間に位置される。金属ディバイダー６４０は、焼結プロセスの終了の際に、ＰＣＤ切削テーブル層６２０と基板層６１０の両方に結合し得る金属もしくは合金から作製される。さらに、金属ディバイダー６４０は、基板層６１０内に位置される第１のバインダー材料６３４がＰＣＤ切削テーブル層６２０に移行するのを防止する。金属ディバイダー６４０は、ＰＣＤ切削テーブル層６７０が基板６６０に間接的に結合されるのを可能にし、それによりＰＤＣカッター６５０を形成するが、ＰＣＤ切削テーブル６７０を形成する焼結プロセスが固相焼結プロセスまたは固相に近い焼結プロセスとして生じるのを確実にする。いくつかの例示的態様によれば、金属ディバイダー６４０は、第２のバインダー材料６３８内で使用されるのと同一の金属を用いて、同一の金属または合金から形成される。たとえば、もし第２のバインダー材料６３８がモリブデンおよび/または炭化モリブデンを含むならば、金属ディバイダー６４０もモリブデンまたは炭化モリブデンを用いて作製される。いくつかの例示的態様によれば、金属ディバイダー６４０は、薄い円板である。あるいは、金属ディバイダー６４０は、従来の化学蒸着（ＣＶＤ）法、プラズマ蒸着（ＰＶＤ）法、または当業者に知られる他の方法を用いて形成される。金属ディバイダー６４０は、焼結プロセスの間に、第１のバインダー材料６３４がＰＣＤ切削テーブル層６２０に移行するのを防止するための一例として使用されるが、当業者に知られる他の方法または装置が、例示的態様の範囲および精神を逸脱しないで、同一または同様な効果を達成するために使用され得る。
【００４０】
いったん予備焼結されたＰＤＣカッター６００が形成されると、予備焼結されたＰＤＣカッター６００は高圧および高温系、すなわち押し型内で処理され、焼結プロセスのために適切な量の圧力および温度を供給される。供給される圧力は約７０キロバール以上であり、そして温度は約１６００℃以上である。しかし、他の例示的態様によれば、供給される圧力は、約６０キロバール以上であり、そして温度は約１５００℃以上である。
【００４１】
基板層６１０内で、第１のバインダー材料６３４は液化し、基板粉末６１０の焼結を容易にし、基板６６０を形成する。液化された第１のバインダー材料６３４は、ＰＣＤ切削テーブル層６２０に移行しない。ＰＣＤ切削テーブル層６２０内で、ダイアモンド粉末６３６は第２のバインダー材料６３８とともに焼結される。ＰＣＤ切削テーブル層６２０内での焼結プロセスは、固相または固相に近い相で生じる。ダイアモンド粉末６３６は、ダイアモンド格子６８６、およびダイアモンド格子６８６内に形成される間質空間に堆積される改質された第２バインダー材料６８８を含む。改質された第２バインダー材料６８８は、改質バインダー材料３８４（図３Ｂ）に類似し、ＰＣＤ切削テーブル６７０に靱性と熱的安定性を提供する。金属ディバイダー６４０内で、ＰＣＤ切削テーブル層６２０からの炭素原子は、金属ディバイダー６４０内の金属と反応して、金属炭化物を形成し、したがってディバイダー６９０とＰＣＤ切削テーブル６７０の間に強い結合を形成する。同様に、金属ディバイダー６４０内で、基板層６１０からの炭素原子は、金属ディバイダー６４０内の金属と反応して、金属炭化物を形成し、したがってディバイダー６９０と基板６６０の間に強い結合を形成する。
【００４２】
いったん基板６６０、ＰＣＤ切削層６７０、およびディバイダー６９０が完全に形成され、そしてディバイダー６９０が基板６６０およびＰＣＤ切削層６７０に結合されると、ＰＤＣカッター６５０が形成される。基板６６０は、上面６６２、底面６６４、および上面６６２の周囲から底面６６４の周囲に延びる基板外側壁６６６を含む。基板６６０は接合された基板粉末６８２およびそこにばらまかれた第１のバインダー材料６３４を含む。基板６６０は、１つの例示的態様により直円柱状に形成されるが、ＰＤＣカッター６５０が使用されるべき用途に依存して、他の幾何学的または非幾何学的形状に形成され得る。
【００４３】
ＰＣＤ切削テーブル６７０は、切削面６７２、対立面６７４、および切削面６７２の周囲から対立面６７４の周囲に延びるＰＣＤ切削テーブル外側壁６７６を含む。ＰＣＤ切削テーブル６７０は、ダイアモンド格子６８６、およびダイアモンド格子６８６内に形成される間質空間に堆積される改質された第２バインダー材料６８８を含む。改質された第２バインダー材料６８８は、第２のバインダー材料６３８と比較して、わずかに改質されている。第２のバインダー材料６３８内の遊離金属は、焼結プロセス前は存在したが、炭素と反応して比較的多くの炭化物を形成する。したがって、ＰＣＤ切削テーブル６７０内では、金属はダイアモンド粉末から拡散する炭素と完全に反応するので、実質的に遊離金属は残って存在しない。ここでは、比較的多くの炭化物がＰＣＤ切削テーブル６７０内で形成され、化学量論的組成に達する。ＰＣＤ切削テーブル６７０内に残る共晶または共晶に近い触媒金属はないので、それによりＰＣＤ切削テーブル６７０の熱的安定性を増大させる。
【００４４】
ディバイダー６９０が金属ディバイダー６４０から形成され、ＰＣＤ切削テーブル６７０の対立面６７４に、そして基板６６０の上面６６２に結合される。ディバイダー６９０は、その中に少なくともいくつかの金属炭化物を含む。いくつかの例示的態様によれば、ディバイダー６９０はそれらのそれぞれの炭化物とともに、金属および/または合金を含む。他の例示的態様によれば、ディバイダー６９０は完全に炭化物から形成される。
【００４５】
ＰＣＤ切削テーブル６７０は、当業者に知られる方法により、ディバイダー６９０を用いて基板６６０に間接的に結合される。一例において、ＰＤＣカッター６５０は、ＰＣＤ切削テーブル６７０および基板６６０を独立に形成し、ついでＰＣＤ切削テーブル６７０と基板６６０の間に金属ディバイダー６４０を置き、そしてＰＣＤ切削テーブル６７０をディバイダー６９０に結合し、さらに基板６６０をディバイダー６９０に結合することにより、形成される。もう１つの例において、基板６６０が最初に形成され、金属ディバイダー６４０が基板６６０上に置かれ、そしてＰＣＤ切削テーブル層６２０が金属ディバイダー６４０上に置かれる。基板６６０、金属ディバイダー６４０、およびＰＣＤ切削テーブル層６２０が、ついで高圧高温条件下に焼結され、ＰＤＣカッター６５０を形成する。
【００４６】
１つの例示的態様において、ＰＣＤ切削テーブル６７０を基板６６０に結合する際に、ＰＣＤ切削テーブル６７０の切削面６７２は、基板６６０の底面６６４に実質的に平行である。さらに、ＰＤＣカッター６５０は直円柱形状を有するように示されている；しかし、ＰＤＣカッター６５０は、他の例示的態様において、他の幾何学的または非幾何学的形状に形成され得る。ある例示的態様において、対立面６７４および上面６６２は実質的に平面である；しかし、対立面６７４および上面６６２は、他の例示的態様において、非平面であり得る。
【００４７】
各例示的態様が詳細に記載されてきたが、１つの態様に適用され得る、いかなる構成および変更も他の態様に適用し得ると解釈されるべきである。さらに、本発明は特定の態様に関して記載されているが、これらの記載は限定する意味で解釈されることを意図されていない。開示された態様の種々の変更ならびに本発明の代替的態様は、例示的態様の記載から当業者に明らかになるであろう。開示された概念および特定の態様は、本発明と同一の目的を実施するための、他の構造または方法を変更または設計する基礎として容易に利用され得ることは、当業者に容易に理解されるべきである。さらに、このような均等解釈は、添付の請求範囲に示される本発明の精神および範囲から逸脱しないことは当業者に容易に認識されるべきである。したがって、請求範囲は、本発明の範囲内あたる、いかなる変更または態様も包含することが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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