(57)【要約】  研磨剤コンパクト、具体的には超硬度多結晶質研磨剤コンパクト、が高圧／高温条件下で製造される。この研磨剤コンパクトは、コンパクトが、超硬度粒子のより微細粒の分画全体に非パーコレーティブに分布した、超硬度粒子のより粗粒の分画を含むものであって、このより微細粒子の分画が、個々のより粗い粒子を相互に十分に分離するように、超硬度粒子からなるマトリックスを形成すると見なされるものであるという点で特徴づけられる。それ故、この研磨剤コンパクトは、より大きい粒子を分散した高い耐摩耗性を有するより微細粒材料のマトリックスとして作用し、２つの成分の個々の特性又はその他の組み合わせの特性を超えた、有利な摩耗及び衝撃特性を有する構造を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
より粗い平均粒径をもつ超硬度研磨剤粒子の第一の分画、及びより微細な平均粒径をもつ超硬度研磨剤粒子の第二の分画を含む研磨剤コンパクトであって、より粗粒の超硬度研磨剤粒子の第一の分画がより微細粒の超硬度研磨剤粒子の第二の分画全体に非パーコレーティブに分布している、上記研磨剤コンパクト。
【請求項２】
研磨剤コンパクトが、全体として２０μｍ未満の平均粒径を有する請求項１に記載の研磨剤コンパクト。
【請求項３】
超硬度研磨剤粒子の第一の分画が、研磨剤コンパクトの約６０％未満を含んでなる請求項１又は２に記載の研磨剤コンパクト。
【請求項４】
超硬度研磨剤粒子の第一の分画が、コンパクトの超硬度研磨剤相の約５５％未満を構成する請求項３に記載の研磨剤コンパクト。
【請求項５】
超硬度研磨剤粒子の第一の分画が、コンパクトの超硬度研磨剤相の約２０％超を含んでなる請求項１から４のいずれか一項に記載の研磨剤コンパクト。
【請求項６】
超硬度研磨剤粒子の第一の分画が、コンパクトの超硬度研磨剤相の約５０％を含んでなる請求項１から５のいずれか一項に記載の研磨剤コンパクト。
【請求項７】
第一の分画の個々の超硬度研磨剤粒子の中心間の平均距離Ｘが、第一の分画の個々の超硬度研磨剤粒子の平均粒子直径Ｄを超える請求項１から６のいずれか一項に記載の研磨剤コンパクト。
【請求項８】
第一の分画の超硬度研磨剤粒子の平均粒径と第二の分画のそれの比率が、２：１を超える請求項１から７のいずれか一項に記載の研磨剤コンパクト。
【請求項９】
第一の分画と第二の分画の超硬度研磨剤粒子の平均粒径の比率が、３：１を超える請求項８に記載の研磨剤コンパクト。
【請求項１０】
第一の分画と第二の分画の超硬度研磨剤粒子の平均粒径の比率が、１０：１未満である請求項１から９のいずれか一項に記載の研磨剤コンパクト。
【請求項１１】
第一の分画と第二の分画の超硬度研磨剤粒子の平均粒径の比率が、６：１未満である請求項１０に記載の研磨剤コンパクト。
【請求項１２】
第一の分画と第二の分画の超硬度研磨剤粒子の平均粒径の比率が、５：１未満である請求項１１に記載の研磨剤コンパクト。
【請求項１３】
約１０μｍ未満の平均粒径を有する超硬度研磨剤粒子を含む研磨剤コンパクトであって、超硬度研磨剤粒子の第一の分画がより粗い平均粒径を有し、かつ超硬度研磨剤粒子の第二の分画がより微細な平均粒径を有し、より粗い粒径の超硬度研磨剤粒子の第一の分画が、より微細な粒径の超硬度研磨剤粒子の第二の分画全体に非パーコレーティブに分布している、上記研磨剤コンパクト。
【請求項１４】
より粗い及びより微細な超硬度研磨剤粒子が、一般的に５０／５０の混合物で提供され、より粗い分画の平均粒径が約８．５から１０μｍであり、かつより微細な分画の平均粒径が約１．０から２．５μｍである請求項１３に記載の研磨剤コンパクト。
【請求項１５】
より粗い分画の平均粒径が、約９．５μｍである請求項１４に記載の研磨剤コンパクト。
【請求項１６】
より微細な分画の平均粒径が、約１．５μｍである請求項１４又は１５に記載の研磨剤コンパクト。
【請求項１７】
より粗い及びより微細な超硬度研磨剤粒子が、一般的に５０／５０の混合物で提供され、より粗い分画の平均粒径が約４から６μｍであり、かつより微細な分画の平均粒径が約０．５から１μｍである請求項１３に記載の研磨剤コンパクト。
【請求項１８】
より粗い分画の平均粒径が約４．５μｍである請求項１４に記載の研磨剤コンパクト。
【請求項１９】
より微細な分画の平均粒径が約０．７μｍである請求項１４又は１５に記載の研磨剤コンパクト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨剤コンパクト（ａｂｒａｓｉｖｅ  ｃｏｍｐａｃｔｓ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
研磨剤コンパクトは、切削、フライス削り、研磨、穴あけ及びその他の研磨操作で広く用いられている。研磨剤コンパクトは、緊密に結合し多結晶質の集塊体となった超硬度粒子、通常はダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素の集合体からなっている。研磨剤コンパクトの研磨剤粒子含有量は高く、粒子間直接結合又は接触を大量に含有するのが一般的である。研磨剤コンパクトは、研磨剤粒子が、ダイヤモンドであれ又は立方晶窒化ホウ素であれ、結晶学的に又は熱力学的に安定な、高められた温度及び圧力条件下で焼結されるのが一般的である。
【０００３】
ある種の研磨剤コンパクトは、触媒／溶媒又は結合剤物質を含有する第二の相を追加して含むことができる。多結晶質のダイヤモンドコンパクトの場合には、第二の相が、コバルト、ニッケル、鉄、又は１種以上のそれらの金属を含有する合金などの金属であるのが一般的である。ＰＣＢＮの場合には、この結合剤物質が、種々のセラミック化合物を含むのが一般的である。
【０００４】
研磨剤コンパクトは、脆い傾向があり、使用に当たっては焼結炭化物（ｃｅｍｅｎｔｅｄ  ｃａｒｂｉｄｅ）基板又は支持体に結合することにより支持されることが多い。このように支持された研磨剤コンパクトは、複合研磨剤コンパクトとして業界で知られている。複合研磨剤コンパクトは、研磨工具の作動表面で研磨剤として用いることができる。切削表面又は切削端は、焼結炭化物支持体から最も離れた超硬度層の表面に限定されるのが一般的である。
【０００５】
複合研磨剤コンパクトの例は、米国特許第３，７４５，６２３号、第３，７６７，３７１号、及び第３，７４３，４８９号に記載を見ることができる。
【０００６】
複合研磨剤コンパクトは、研磨剤コンパクトを形成するために必要な成分を、微粒子の形態で、焼結炭化物基板上に置くことにより製造するのが一般的である。これらの成分の組成物は、一般的には、所望の目的の構造を達成するために巧みに操作される。この成分は、超硬度粒子のほかに、溶媒／触媒粉末、焼結又は結合剤促進物質を含むことができる。この未結合の集合体は、反応カプセル内に置かれ、更に従来の高圧高温装置の反応帯域内に置かれる。次に、この反応カプセルの内容物は、高められた温度及び圧力の適切な条件に曝される。
【０００７】
超硬度研磨剤層の耐摩耗性の改良は、切削要素を摩耗させることなく大量の工作物の切削、穴あけ又は機械加工を可能にするので、使用者にとっては望ましい。これは、超硬度粒子の平均粒径、全結合剤含有量、超硬度粒子の密度などのいろいろな要素を巧みに操作することにより達成するのが一般的である。
【０００８】
例えば、この成分の超硬度粒子の全体的粒径を小さくすることにより、超硬度複合体の耐摩耗性を高めることが業界ではよく知られている。しかし、一般的には、これらの材料が、より耐摩耗性に作られる時、これらは、より脆く、又は破壊し易くなる。それ故、摩耗特性を改良するように設計された研磨剤コンパクトは、貧弱な衝撃強度、又は低い耐破砕性をもつ傾向になるであろう。耐衝撃性と耐摩耗性の特性の相対関係は、特に要求の厳しい用途では、研磨剤構造の最適な設計を本来的に自ら制限する。
【０００９】
加えて、より微細粒の構造が、より多くの溶媒／触媒、又は金属結合剤を含有するのが一般的であるので、この研磨剤コンパクトは、より粗粒の構造に比較して、熱安定性が劣る傾向になる。より微細粒の構造にとって最適作用の低下は、最適特性として高い耐摩耗性が要求される実際の用途では、実質的問題を引き起こすことになるかもしれない。
【００１０】
この問題を解決する先行技術の方法は、超硬度研磨剤層内に種々の手段で、より微細な、及びより粗い超硬度粒子の両者の特性を組み合わせることにより妥協点を探る試みを含むのが一般的であった。
【００１１】
業界でよく知られた解決法の一つは、超硬度層内に、平均粒径が異なる分離した領域を含有する巨視的構造、層又は環などを用いることを含んでいる。
【００１２】
米国特許第４，３１１，４９０号には、結合した研磨剤粒子が、炭化物支持体に隣接した粗粒層、及び切削表面としてこの層の上に置かれた微細粒層を含む研磨剤コンパクトの記載がある。
【００１３】
米国特許第４，８６１，３５０号には、焼結炭化物支持体に結合された研磨剤コンパクトを含む工具部品の記載があり、この研磨剤コンパクトは、互いに連結し、共通の境界面で結合された二つの帯域を有する。一つの帯域は、工具部品の切削端又は切削点となり、他の帯域は、焼結炭化物支持体に結合されている。工具部品の一つの実施形態においては、切削端又は切削点となる帯域は、他の帯域の超硬度研磨剤粒子より微細な超硬度研磨剤粒子を有する。
【００１４】
米国特許第５，６４５，６１７号でも、複合構造体で層の使用を教示し、それぞれの層が異なる平均粒子径を有する。この場合、この構造は、より微細粒層が炭化物支持体に隣接し、より粗粒層が切削表面を構成するように配置されている。この配置が、よりよい焼結効率を可能にし、改良された特性を実現する能力をもつコンパクトになると主張している。
【００１５】
米国特許第６，１８７，０６８号では、個別の粒径部分からなる横方向に配置された領域（層というよりは）内に、超硬度粒子を分離することを教示している。より微細径の粒子から形成される部分は、より高い耐摩耗性となり、低摩耗率になると主張される。より粗粒径の粒子領域に関しては、摩耗に有効なパターンが主張される。
【００１６】
米国特許第６，１９３，００１号では、切削層と基板層の間か、又は切削層と種々の中間遷移層（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｌａｙｅｒ）の間に巨視的な不均一界面の採用を教示している。これらの層は、異なる材質であるのが一般的であり、又は粒径などの物理特性が異なることができる。これらの層又は領域は、種々の連続シートをエンボスすることで作成され、次にグリーン状に圧縮され焼結される。
【００１７】
これらの解決法を使った問題点は、異なるタイプの材質部分が、かなり大きい径であり、即ち個々の粒子の大きさの何倍にもなることである。それ故に、個々の領域は、構成材料の全体的な耐摩耗性及び耐衝撃性により制約される。このコンパクトは、微細粒及び粗粒構造の特性の最適ブレンドを達成するよりはむしろ、両者の弱点に苦しむ傾向がある。加えて、個別の粒径部分の異なる特性は、領域内の境界面に沿って実質的な応力を発生させ、この応力が、多結晶性材料の突発的破壊を自発的に誘導することがある。
【００１８】
この種の解決法の更なる改良は、上記の手法の代表的なものに比べて更により微細な塊片に、この個別の材料の領域を組み合わせて用いることを含む。これは、通常、一緒にまとめられた又は圧縮された異なる材料相の微視的構成単位を配置させることを含む。米国特許第６，６９６，１３７号、第６，６０７，８３５号、第６，４５１，４４２号、及び第６，８４１，２６０号は、このタイプの実施形態に関する幾つかの予備合成手段を記載している。一般的に、これらの手段は、複合材料をまとめて押し出し、及び／又は織り上げてグリーン状態にし、次にこれらを三次元構造に圧縮することを含んでいる。これらの全ての手段は、極めて技術集約的であり、それ故に極めてコストがかかる。加えて、これらの手段は、予備合成を管理する制約のために、かなり複雑な化学的組成物に依存し、材料特性に悪影響を与える傾向がある。
【００１９】
米国特許第７，０７０，６３５号には、より粗粒のダイヤモンドのマトリックス中に分散された微細ダイヤモンド凝集体を含む多結晶質ダイヤモンド要素の記載がある。この構造は、より実質的な破砕現象よりむしろ、より小さいチップ化現象（ｃｈｉｐｐｉｎｇ  ｅｖｅｎｔ）に対して衝撃破壊にバイアスをかけることにより改良された特性を達成することが主張されている。この構造に関する問題点は、衝撃破壊をよりよく制御できるが、コンパクトの耐摩耗性が、より粗粒のマトリックスによって支配され、それ故、厳しい要求の用途に対しては不十分になり易いということである。
【００２０】
より粗粒の構造とより微細粒の構造の間で、特性を適切に融合させて問題を解決する別の手法は、異なる粒径の超硬度粒子の均質粉末混合物を使用することにある。これらの混合物は、最終のコンパクトを焼結する前に、できる限り均一に混合されるのが一般的である。超硬度粒子の２モード分布（２つの粒径分画（ｆｒａｃｔｉｏｎ）を含む）及び多モード分布（３つ以上の分画を含む）の両者が、この分野で知られている。
【００２１】
米国特許第４，６０４，１０６号には、少なくとも一層の分散型ダイヤモンドの結晶及び予備焼結炭化物片を含み、超高圧及び温度で一緒に焼結された複合多結晶質ダイヤモンドコンパクトの記載がある。一つの実施形態では、ダイヤモンド粒子の混合物が用いられ、粒子の６５％が４から８μｍの粒径であり、かつ３５％が０．５から１μｍの粒径である。この解決法に関する特定の問題点は、コバルト焼結炭化物が、超硬度層のその部分の耐摩耗性を低下させることである。
【００２２】
米国特許第４，６３６，２５３号では、摩耗を改良した切削要素を達成するために、２モード分布の使用を教示している。粗粒部分が６０から９０％の超硬度粒子集合体を含み、かつ微細部分が残部を構成するように、粗粒ダイヤモンド（粒径で３μｍ超）及び微細ダイヤモンド（粒径で１μｍ未満）が組み合わされる。加えて、粗粒部分が３モード分布を含んでもよい。
【００２３】
米国特許第５，０１１，５１４号には、個々に金属被覆された複数のダイヤモンド粒子を含む、熱安定性ダイヤモンドコンパクトの記載があり、その際、隣接する粒子間の金属被覆が相互に結合されて焼結マトリックスを形成している。金属被覆の例は、タングステン、タンタル及びモリブデンなどの炭化物形成物質である。個々に金属被覆されたダイヤモンド粒子は、ダイヤモンド合成の温度及び圧力条件下で結合される。この特許は、金属被覆ダイヤモンド粒子と、非被覆のより小粒径のダイヤモンド粒子とを混合して、非被覆小粒径ダイヤモンド粒子を被覆粒子の間隙に存在させることを更に開示する。そのより小粒径のダイヤモンド粒子は、気孔を減少させ、コンパクトのダイヤモンド含有量を高めると言われている。２モードコンパクト（２つの異なる粒径）、及び３モードコンパクト（３つの異なる粒径）の例が記載されている。
【００２４】
米国特許第５，４６８，２６８号、及び第５，５０５，７４８号には、混じり合った粒径の超硬度粒子を含む集合体から超硬度コンパクトを製造する記載がある。この手法の使用は、粒径分布を広くする効果があり、より密な充填を可能にし、かつ結合剤が存在する結合剤プールの形成を最小にする。
【００２５】
米国特許第５，８５５，９９６号には、異なる径のダイヤモンドを一体にした多結晶質ダイヤモンドコンパクトの記載がある。特に、この特許には、サブミクロン粒径のダイヤモンド粒子を、より大きい粒径のダイヤモンド粒子と共に混合して、より高密度構造のコンパクトを作成する記載がある。
【００２６】
米国特許出願番号２００４／００６２９２８には、多結晶質ダイヤモンドコンパクトの製造法の記載が更にあり、その場合、ダイヤモンド粒子混合物は、約１５から７０μｍの範囲の平均粒径を有する約６０から９０％の粗粒分画、及び前記粗粒分画の平均粒径の約１／２未満の平均粒径を有する微細粒分画を含んでいる。この混合物が、改良された材料特性を与えると主張している。
【００２７】
この一般的な手法の問題点は、粗粒分画又は微細粒分画のいずれかと単独で比較した時に、耐摩耗性及び耐衝撃性の改良が可能であるが、これらの特性は依然として妥協して解決される傾向があり、即ち、混合物は、より微細粒の材料と単独で比較した時、耐摩耗性が低減され、かつより粗粒の分画と比較した時、耐衝撃性が低減されることである。それ故、粒子径の均質混合物を用いた結果は、ただ平均中間粒子径の特性を達成するだけである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
それ故、一方で、より微細材料の優れた耐摩耗性を維持しながら、より粗粒材料に許容される耐衝撃性及び耐疲労性の改良を達成できる、研磨剤コンパクトの開発が、非常に望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明の第一の観点に従えば、より粗い平均粒径をもつ超硬度研磨剤粒子の第一の分画、及びより微細な平均粒径をもつ超硬度研磨剤粒子の第二の分画を含む超硬度コンパクトであって、より粗粒の超硬度研磨剤粒子の第一の分画がより微細な超硬度研磨剤粒子の第二の分画全体に非パーコレーティブ（ｎｏｎ‐ｐｅｒｃｏｌａｔｉｖｅ）に分布した超硬度コンパクトが提供される。
【００３０】
本発明は、超硬度研磨剤粒子の集合体を、研磨剤コンパクトの製造に適した高められた温度及び圧力の条件に曝すステップを含む、研磨剤コンパクトの製造法を更に提供する。この製造法は、より粗い平均粒径を有する超硬度研磨剤粒子の第一の分画、及びより微細な平均粒径を有する超硬度研磨剤粒子の第二の分画を有する超硬度粒子の集合体で特徴づけられ、より粗い超硬度研磨剤粒子の第一の分画が、より微細な超硬度研磨剤粒子の第二の分画全体に非パーコレーティブに分布されている。
【００３１】
本発明の更なる観点に従えば、約１０μｍ未満の平均粒径を有する超硬度研磨剤粒子を含む研磨剤コンパクトであって、超硬度研磨剤粒子の第一の分画がより粗い平均粒径を有し、かつ超硬度研磨剤粒子の第二の分画がより微細な平均粒径を有し、より粗粒の超硬度研磨剤粒子の第一の分画が、より微細粒の超硬度研磨剤粒子の第二の分画全体に非パーコレーティブに分布している研磨剤コンパクトが提供される。
【００３２】
本発明のこの側面では、より粗い及びより微細な超硬度研磨剤粒子が、５０／５０混合物で提供され、より粗い分画の平均粒径は、約８．５から１０μｍ、好ましくは約９．５μｍ、かつより微細な分画のそれは、約１．０から２．５μｍ、好ましくは約１．５μｍである。
【発明の効果】
【００３３】
本発明は、例えば、基板の切削又は研磨用、又は穴あけ用途の研磨剤切削要素として本発明の研磨剤コンパクトの使用範囲を拡張する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の研磨剤コンパクトの最適構造の説明図である。
【図２】本発明の実施例１における試料の走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】本発明の実施例１における本発明のコンパクトの比較特性画像である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明は、高圧／高温条件下で製造された研磨剤コンパクト、特に、超硬度多結晶質研磨剤コンパクトを対象とする。この研磨剤コンパクトは、コンパクトが、超硬度粒子のより微細粒の分画全体に非パーコレーティブに分布した、超硬度粒子のより粗粒の分画を含み、そして、このより微細粒子の分画が、個々のより粗い粒子を互に十分に分離するように、超硬度粒子からなるマトリックスを形成すると見なされることができるものであるという点で特徴づけられる。
【００３６】
それ故、この研磨剤コンパクトの複合材料は、より大きい粒子を分散した高い耐摩耗性を有するより微細粒材料のマトリックスとして作用し、２つの成分の個々の特性又はその他の組み合わせの特性を超えた、有利な摩耗及び衝撃特性を有する構造を提供する。
【００３７】
超硬度研磨剤粒子は、ダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素であることができるが、ダイヤモンド粒子が好ましい。
【００３８】
この超硬度研磨剤粒子の集合体は、研磨剤コンパクトを製造するために必要な、既知の温度及び圧力条件に曝されるであろう。一般的に、これらの条件は、研磨剤粒子自体を合成するために必要な条件である。一般的に、用いられる圧力は、４０から７０キロバールの範囲であり、用いられる温度は、１，３００℃から１，６００℃の範囲であろう。
【００３９】
研磨剤コンパクトが、結合剤を存在させるのは一般的であり、かつ好ましいであろう。好ましくは、結合剤は、用いられる超硬度研磨剤粒子のための触媒／溶媒になるであろう。ダイヤモンド及び立方晶窒化ホウ素のための触媒／溶媒は、この分野でよく知られている。ダイヤモンドの場合、結合剤は、好ましくは、コバルト、ニッケル、鉄、又は、１種以上のこれらの金属を含有する合金である。
【００４０】
結合剤が使用される場合、特にダイヤモンドコンパクトの場合、コンパクト製造時に、結合剤が研磨剤粒子の集合体に浸透しても差し支えない。この目的で、結合剤の詰め物又は薄片が用いられてもよい。代わって、かつ好ましくは、結合剤は、粒子形体であって、研磨剤粒子の集合体と混合される。
【００４１】
研磨剤コンパクトは、特にダイヤモンドコンパクトの場合、焼結炭化物支持体又は基板に結合され、複合研磨剤コンパクトを形成するのが一般的であろう。このような複合研磨剤コンパクトを製造するために、研磨剤粒子の集合体は、焼結炭化物体の表面に置かれた後、コンパクト製造に必要な高められた温度及び圧力条件に曝されるであろう。焼結炭化物支持体又は基板は、焼結タングステン炭化物、焼結タンタル炭化物、焼結チタン炭化物、焼結モリブデン炭化物、又はそれらの混合物などの分野で知られた任意のものであることができる。このような炭化物用の結合剤金属は、ニッケル、コバルト、鉄、又は少なくとも１種のこれらの金属を含有する合金などの分野で知られた任意のものであることができる。この結合剤は、通常は、１０から２０質量％の量で存在するであろうが、この量は、６質量％という低さでもよい。この結合剤金属の一部は、コンパクト形成時に、研磨剤コンパクトに浸透するのが一般的であろう。
【００４２】
本発明のコンパクトを製造する方法は、用いる研磨剤粒子混合物により特徴づけられるのが一般的である。本発明で用いる超硬度粒子は、天然又は合成であることができる。混合物は、２モードであり、即ち、平均粒径が識別可能な程度に互いに異なる、より粗い分画及びより微細な分画の混合物を含む。「平均粒径」という表現では、個々の粒子が、「平均」と表示する中間粒子径をもつある範囲の径を有することを意味する。それ故、多量の粒子は、平均粒径に近いであろうが、この特定の粒径の上下に限定された数の粒子が存在するであろう。それ故に、粒子分布のピークは、この特定の粒径になるであろう。各々の超硬度粒子径分画に対する粒径分布は、それ自身１モードであるのが一般的であるが、ある環境下では、多モードになることがある。焼結コンパクトにおける、用語「平均粒径」は、同様な方法で解釈されるべきである。
【００４３】
超硬度粒子の混合は、より粗粒の粒子が相互に分離する、最終のコンパクト構造を生み出すような方法で選択される。一般的には、この分離（ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）の表現は、より粗粒の配置が、複合構造体内で非パーコレーティブであると言うことができる．したがって、相互接続された又は直接隣接したより粗い粒子を通り、複合体の一側面又は表面から別のものに通じる連続した経路がない。
【００４４】
パーコレーション理論（ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ  ｔｈｅｏｒｙ）は、多相複合体（即ち、少なくとも２つの個別の材料相）の特性を説明するために用いることができる。材料がエネルギー又は物質フラックスに曝された時に、これらの材料が、応答又は特性で違いを示す場合に、エネルギー又は物質フラックスに曝された時の完成した多相複合体の特性全体を説明するためにパーコレーション理論を用いることができる。
【００４５】
例えば、高導電性の粒子が低導電性マトリックス相に埋め込まれたシステムを考えると、複合体内に導電性成分により形成された連続的経路がないとすれば、相対的に本体全体の低導電性が予測される。しかし、導電性部分がある体積分率を超える場合、本体の長さに及ぶ連続的導電性経路を形成する確率がかなり高いであろう。この時点で、本体は、高い導電性を示し始めるであろう。この臨界体積分率（導電性粒子の形状及び分布などの幾つかの因子に依存する）において、この材料は、導電相に関して性質がパーコレーティブであると言われる。この体積分率（パーコレーションしきい値として知られている）未満では、本体は非パーコレーティブであると言われる。したがって、任意の粒子相に関してパーコレーティブである本体は、本体の長さに及ぶ粒子型の連続した連結鎖を既に有するであろう。パーコレーションしきい値未満では、体積分率の大きさが不十分であるため、連続したパーコレーティブ経路を形成する確率は、ほとんど見込めない。
【００４６】
本発明において、このパーコレーティブしきい値は、２モード超硬度複合体の最適構造に対する限定因子になることがわかった。それ故、本発明の超硬度複合構造体は、この構造がより粗粒の超硬度粒子部分に関して非パーコレーティブであるという特徴を有する。これは、図１において更に解説される。図１は、本発明の研磨剤コンパクトの最適構造１０の略図であり、より微細な粒子１４のマトリックス中に分布したより粗い粒子１２を含んでいる。Ｄは、より粗い粒子１２の平均粒子直径であり、Ｘは、より粗い粒子１２のそれぞれの中心間の平均距離である。非パーコレーティブ構造において、Ｘの平均値は、Ｄの平均値より大きく、これは、概して、より粗い粒子１２の間に最小限の接触があることを示唆している。より粗い粒子が少ない部分では、任意の形状の本体の長さにわたる鎖が存在する確率はゼロに近いであろうが、より粗い粒子が集まってクラスターとなり、幾つかの粒子直径にわたる連続鎖を形成するという多くの事例が現れるかもしれないことに留意されたい。
【００４７】
極めて微細粒のマトリックスの複合体中に発生した大きな粒子が、欠陥として作用する可能性があることはこの分野で知られている。これらは、破壊の出発点として作用して、より微細粒の材料の構造及び特性を弱める傾向がある。それ故、識別可能なより微細粒のマトリックス中に分散したより粗い粒子を含む構造は、より微細粒の材料単独の場合より優る構造的利点を持たないであろうことが推測される。しかし、驚くことに、十分に分離された、好ましくは均一な、又は十分に分布された配置の中に存在するより粗い粒子が、優れた特性を有する材料になることが発見された。これまで未知であったこれらの利点は、最終構造内で粗い粒子間を意図的に分離することから得られ、材料が、最終的特徴を弱める成分を含まない真の複合構造体として挙動することを持たらすと推論される。加えて、恐らく、より微細粒の超硬度複合体部分の焼結特性の積極的な変化が、より粗い粒子の存在によりもたらされる。
【００４８】
超硬度コンパクトのパーコレーティブしきい値は、成分粒子の特性、例えば大きさ又は形状、に関する種々の因子に基づいて決定できる。本発明の最も好ましい全体の粒子径は、２０μｍ未満である。このサイズでは、より粗粒分画に対するパーコレーションしきい値は、一般的に粗粒約６０％未満であり、その残部により微細分画が含まれることが判った。より粗い分画のより好適な体積分率（ｖｏｌｕｍｅ  ｆｒａｃｔｉｏｎ）は、約５５％未満であり、最適な体積分率は約５０％である。より粗い粒子の分率が小さすぎると、特性の改良は一般的に観察されない。したがって、より粗粒成分は、少なくとも約２０％超でなければならない。
【００４９】
また、より粗い粒子径とより微細な粒子径の間に好ましい比率が存在することが判った。最適の配置が起きるのは、より粗い粒子の径とより微細な粒子の径の比率が、２：１から１０：１であり、より好ましくは３：１から８：１であり、最も好ましくは５：１から７：１である。
【００５０】
本発明の更なる観点は、全体のより微細な平均粒径（即ち、微細な及び粗い分画の両者の平均）で、一般的には１０μｍ未満で、このような構造形式を用いることである。
【００５１】
それ故、一つの好ましい実施形態において、約１から２．５μｍ、好ましくは約１．５μｍの平均粒径のより微細な分画、及び約８．５から１０μｍ、好ましくは約９．５μｍの平均粒径のより粗い分画を有するダイヤモンド粒子の５０／５０の混合物が、提供される。この系の最適焼結加工の達成に役立つことが判明していたので、追加の１質量％のコバルト触媒／溶媒粉末が、このダイヤモンド粉末混合物に添加される。この複合構造は、多結晶質ダイヤモンドの単一分画だけからなる複合体と比較した時、かつ同じ全体的平均粒径をもつ複合体と比較した時、耐摩耗性及び耐衝撃性の優れた組み合わせとなる。
【００５２】
それ故、更に好ましい実施形態において、約０．５から１．０μｍ、好ましくは約０．７μｍの平均粒径のより微細な分画、及び約４から６μｍ、好ましくは約４．５μｍの平均粒径のより粗い分画を有するダイヤモンド粒子の５０／５０の混合物が提供される。この系の最適焼結加工の達成に役立つことが判明していたので、追加の１質量％のコバルト触媒／溶媒粉末が、このダイヤモンド粉末混合物に添加される。この複合構造は、多結晶質ダイヤモンドの単一分画だけからなる複合体と比較した時、かつ同じ全体的平均粒径をもつ複合体と比較した時、耐摩耗性及び耐衝撃性の両者が優れた特性を有する。
【００５３】
本発明は、以下の実施例で説明されるが、この実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００５４】
適切な２モードダイヤモンド粉末の混合物が製造された。最初に、最終のダイヤモンド混合物中で１質量％となるに十分な、サブミクロンの多量のコバルト粉末が、ＷＣミリング媒体とともに、ボールミルを用いて、１時間メタノールスラリー中で解凝集された。次に、１．５μｍの平均粒径をもつダイヤモンド粉末の微細分画が、最終の混合物中で４９．５質量％となる量で、スラリーに添加された。追加のミリング媒体が導入され、更にメタノールが添加されて、適切なスラリーを得たのち、さらなる時間混和された。次に、約９．５μｍの平均粒径をもつダイヤモンドの粗い分画が、最終の混合物中で４９．５質量％となる量で、スラリーに添加された。再び、スラリーに、更なるメタノール及びミリング（ｍｉｌｌｉｎｇ）媒体が補充され、次に、更に２時間混和された。スラリーがボールミルから除去され、乾燥され、ダイヤモンド粉末混合物を得た。
【００５５】
次に、ダイヤモンド粉末混合物が、適切なＨｐＨＴ容器内にＷＣ基板に隣接して置かれ、従来のＨｐＨＴ条件下で焼結され、最終の研磨剤コンパクトを得た。
【００５６】
図２では、異なる倍率でこの試料の２種類の走査型電子顕微鏡写真を示しているが、より微細な粒子のマトリックス中で、より粗い粒子のパーコレーティブ分布を説明している。粗い粒子を互いに分離する平均的作用は、特に２，５００倍のより高い倍率で、明白である。
【００５７】
このコンパクトが、標準実用試験（ｓｔａｎｄａｒｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ‐ｂａｓｅｄ  ｔｅｓｔ）で試験された。その結果は、１モード分布の同様な平均ダイヤモンド粒径をもつ先行技術のコンパクトの特性を超えた、改良された重要な特性を示した。図３は、試験の同一ステージで、先行技術のコンパクト３０（ＷＣ基板３２、多結晶質ダイヤモンド層３４、摩耗痕３６）に対して摩耗痕２６をもつ、ＷＣ基板２２及び多結晶質ダイヤモンド層２４を含む本発明のコンパクト２０の比較特性画像を示す。ここで、先行技術のコンパクト３０の高い摩耗割合、及びチップ化の証明がはっきりと示されている。
【実施例２】
【００５８】
用いたダイヤモンド粒径が、それぞれ、微細分画として０．７μｍ、粗い分画として４．５μｍであったことを除いて、実施例１の方法と同様にして、２モードダイヤモンド混合物が調整された。ダイヤモンドコンパクトが、同様の方法で製造され、類似の条件下で試験された。その結果は、やはり、類似の粒径の１モードの従来技術の切削要素と比較した時、実用試験で重要な特性の向上を示した。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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