(57)【要約】【課題】本発明は、研削工具インサートに関する。【解決手段】研削工具インサートは、面を有する基材（１０）と、中心部（２６）と切刃を形成する周縁部とを有し、基材上に一体に形成され、かつ基材との間に界面を画成する連続研磨材層とで形成される。界面は、中心部から周縁部に延在する複数の同心リング（１２，１４，１６）からなる鋸歯形パターンに形成される。中心部から周縁部に延びる半径方向外向きに傾斜したトラフが、同心リング上に設けられる。界面のプロファイルは、中心部から周縁部まで下向きに傾斜する。研磨材層はダイヤモンドであるのが有利であり、基材は金属焼結炭化物であるのが有利である。本発明はまた、研削工具インサートを形成する方法にも関する。【選択図】図１
2005505426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研削工具インサートであって、
（ａ）面を有する基材と、
（ｂ）中心部と切刃を形成する周縁部とを有する連続研磨材層であって、基材上に一体に形成され、かつ基材との間で界面を画成する連続研磨材層と、
を含み、
界面が、中心部から周縁部に延在する複数の同心リングからなる鋸歯形パターンを含み、該リング上に、中心部から周縁部に延びる半径方向外向きに傾斜したトラフが設けられ、かつ界面のプロファイルが中心部から周縁部にかけて下向きに傾斜している、研削工具インサート。
【請求項２】
前記基材が焼結金属炭化物を含む、請求項１記載の研削工具インサート。
【請求項３】
前記焼結金属炭化物が、第ＩＶＢ族、第ＶＢ族及び第ＶＩＢ族金属の炭化物から基本的になる群から選択される、請求項２記載の研削工具インサート。
【請求項４】
前記研磨材層が、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、六方晶窒化ホウ素及びこれらの組合せから基本的になる群から選択される、請求項１記載の研削工具インサート。
【請求項５】
前記研磨材層が、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、六方晶窒化ホウ素及びこれらの組合せから基本的になる群から選択される、請求項３記載の研削工具インサート。
【請求項６】
研削工具インサートを形成する方法であって、
（ａ）面を有する基材を準備する段階と、
（ｂ）面上に、中心部から周縁部に延在する複数の同心リングからなり、該リング上に中心部から周縁部に延びる半径方向外向きに傾斜したトラフが設けられた鋸歯形パターンを、界面のプロファイルが中心部から周縁部にかけて下向きに傾斜するように形成する段階と、
（ｃ）基材上に、中心部と切刃を形成する周縁部とを有する連続研磨材層を一体に形成する段階と、
を含む方法。
【請求項７】
前記基材が焼結金属炭化物を含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記焼結金属炭化物が、第ＩＶＢ族、第ＶＢ族及び第ＶＩＢ族金属の炭化物から基本的になる群から選択される、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記研磨材層が、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、六方晶窒化ホウ素及びこれらの組合せから基本的になる群から選択される、請求項６記載の方法。
【請求項１０】
前記研磨材層が、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、六方晶窒化ホウ素及びこれらの組合せから基本的になる群から選択される、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
研削工具インサートの衝撃性能を改善する方法であって、
（ａ）面を有する基材を準備する段階と、
（ｂ）面上に、中心部から周縁部に延在する複数の同心リングからなり、該リング上に中心部から周縁部に延びる半径方向外向きに傾斜したトラフが設けられた鋸歯形パターンを、界面のプロファイルが中心部から周縁部にかけて下向きに傾斜するように形成する段階と、
（ｃ）基材上に、中心部と切刃を形成する周縁部とを有する連続研磨材層を一体に形成する段階と、
を含む方法。
【請求項１２】
前記基材が焼結金属炭化物を含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記焼結金属炭化物が、第ＩＶＢ族、第ＶＢ族及び第ＶＩＢ族金属の炭化物から基本的になる群から選択される、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記研磨材層が、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、六方晶窒化ホウ素及びこれらの組合せから基本的になる群から選択される、請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
前記研磨材層が、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、六方晶窒化ホウ素及びこれらの組合せから基本的になる群から選択される、請求項１３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研削工具インサートの分野に関するものであり、さらに具体的には、複数の同心リングからなる鋸歯形パターンをもつ支持体を有するインサートであって、該同心リングに、支持体の中心部からその周縁部に延びる半径方向外向きに傾斜したトラフが設けられ、基材の中心部から周縁部までのプロファイルが下向きに傾斜しているインサートに関する。
【背景技術】
【０００２】
研磨材成形体（コンパクト）は、切断、フライス削り、グラインディング、穿孔その他の研削作業に広く使用されている。砥粒成形体は、ダイヤモンド及び／又は立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）のような砥粒が互いに結合して一体の強靭な高強度の塊を形成した多結晶質塊である。これらの成分は粒子間の自己結合状態で互いに結合することもできるし、粒子間に配された結合媒体によって結合することもできるし、又はこれらの組合せによって結合することもできる。研磨材成形体の砥粒含有量は高く、大量の粒子同士の直接結合が存在する。研磨材成形体は、ダイヤモンド又はＣＢＮ粒子が結晶学的に安定した高温及び高温（ＨＰ／ＨＴ）条件下で作られる。例えば、米国特許第３１３６６１５号、同第３１４１７４６号及び同第３２３３９８８号を参照されたい。
【０００３】
支持砥粒成形体（本明細書中では複合成形体という。）は砥粒成形体を焼結炭化タングステンのような基材に結合したものである。
【０００４】
研磨材成形体は脆い傾向があり、使用に際しては焼結炭化物基材に結合して支持することが多い。かかる支持研磨材成形体は、当技術分野では複合研磨材成形体として知られている。このタイプの成形体は、例えば米国特許第３７４３４８９号、同第３７４５６２３号及び同第３７６７３７１号に記載されている。支持体との結合は、砥粒成形体の形成時又は形成後に行うことができる。複合研磨材成形体は、研削工具の作用面などにそのまま使用できる。
【０００５】
複合成形体は、ドリルビットのカッティングエレメントとしての特殊用途が見出されている。削岩、耐摩耗性材料の切削その他高い耐減摩性又は耐摩耗性が必要とされる作業に用いられるドリルビットは、概してホルダに固定された複数の多結晶質耐摩耗カッティングエレメントからなる。具体的には、米国特許第４１０９７３７号及び同第５３７４８５４号には、カッティングエレメントの外面に多結晶質ダイヤモンド成形体を有する炭化タングステンスタッド（基材）を備えたドリルビットが記載されている。こうした複数のカッティングエレメントは、回転ドリルビットのようなドリルビットの冠頂部に設けられた凹部内に一般に締まり嵌めによって装着される。これらのドリルビットは概して穿孔作業中に被穿孔体とドリル冠頂部との接触面に冷却水その他の冷却流体を供給する手段を有する。一般に、カッティングエレメントは、焼結炭化物又は超硬合金（炭化タングステンなど）でよい金属炭化物の細長いピン（スタッド）を含んでいて、そのピンの一端に砥粒成形体（例えば、多結晶質ダイヤモンド）を設けて複合成形体を形成している。
【０００６】
複合成形体の製作は、概してプレスの容器内に焼結炭化物基材を配置することによって達成される。ダイヤモンド粒子の混合物又はダイヤモンド粒子と触媒結合剤との混合物を、基材上に配置して高圧／高温条件下で圧縮する。そうすると、金属結合剤が基材から移動して、ダイヤモンド粒子間を「通過（ｓｗｅｅｐ）」してダイヤモンド粒子の焼結を促進する。その結果、ダイヤモンド粒子は互いに結合してダイヤモンド層を形成し、同時に通常は平坦な界面に沿って基材に結合する。金属結合剤は、ダイヤモンド粒子間に画成される空隙内でダイヤモンド層に取り残されたままでもよい。
【０００７】
上述のようにして形成された複合成形体は多くの短所をもつおそれがある。例えば、焼結炭化物とダイヤモンドとの熱膨張係数及び弾性定数は、近似してはいるが正確には同じではない。そのため、多結晶質ダイヤモンド成形体（ＰＤＣ）の加熱又は冷却時に、ダイヤモンド層と焼結炭化物基材との界面に、熱による応力が生じ、こうした応力の大きさは例えば熱膨張係数と弾性定数との不一致に依存する。
【０００８】
もう一つの考慮すべき潜在的な短所はダイヤモンド層内での内部応力の発生に関するもので、かかる内部応力はダイヤモンド層の破壊を生じかねない。かかる応力は焼結炭化物基材の存在にも起因し、焼結炭化物基材及び多結晶質ダイヤモンド層の寸法、形状、及び物理的性質に従って分布する。
【０００９】
近年、ダイヤモンド／炭化物界面の機械的及び熱的応力に対する脆弱性を低減することを目的とした多数のリッジ、溝その他の凹部をダイヤモンド／炭化物界面が含む様々なＰＤＣ構造が提案されている。米国特許第４７８４０２３号に記載されたＰＤＣは、交互に配列した多数の溝とリッジとを有する界面を含み、これらの溝とリッジとの頂部及び底部は成形体表面と略平行であり、その側面は成形体表面に略垂直である。
【００１０】
米国特許第４９７２６３７号では、焼結炭化物層内に延在する複数の不連続に離隔した凹部を含む界面をもつＰＣＤで、凹部が研磨材（ダイヤモンドなど）を含んでいて複数の列をなして配列され、各々の凹部が隣接した列の最も近接した凹部と互い違いに配置されているＰＤＣが提案されている。米国特許第４９７２６３７号では、摩耗がダイヤモンド／炭化物界面に達すると、ダイヤモンドで充填された凹部の摩耗が焼結炭化物よりも遅く進行し、結局、カッティングリッジ又は突出部として作用すると記載されている。米国特許第４９７２６３７号の図５に記載されているようなスタッドカッターにＰＤＣを装着すると、摩耗面３８には凹部１８内のダイヤモンド材料よりも速く摩耗する炭化物領域４２が露出される。その結果、ダイヤモンド充填凹部間のこれらの領域に陥凹部が生じる。米国特許第４９７２６３７号には、こうした陥凹部でダイヤモンド材料の付加的な切刃が露出してＰＤＣの切削作用が向上すると記載されている。
【００１１】
米国特許第５００７２０７号には、炭化物層に多数の凹部を有する別のＰＣＤ構造が提案されており、各凹部はダイヤモンドで充填され、これらの凹部は（ディスク状成形体を見下ろしたとき）渦巻き状又は同心円状パターンに形成されている。従って、米国特許第５００７２０７号の構造は、米国特許第４９７２６３７号の構造とは、多数の不連続な凹部を用いずに、渦巻き状又は同心円状パターンを形成する１又は少数の細長い凹部を使用する点で異なる。米国特許第５００７２０７号の図５には、ＰＤＣをスタッドカッターに装着して使用する時に生ずる摩耗面が記載されている。米国特許第４９７２６３７号の構造と同様に、摩耗プロセスにより、米国特許第５００７２０７号の構造におけるダイヤモンド充填凹部間の炭化物材料内に陥凹部が形成される。米国特許第５００７２０７号と同様に、米国特許第４９７２６３７号でも摩耗プロセスで生じるこれらの陥凹部が切削作用を高めると記載されている。
【００１２】
米国特許第５４８４３３０号には、炭化物支持体が鋸歯形断面プロファイルを形成する研削工具インサートが提案されており、鋸歯形断面プロファイルは、インサートの切刃に向かって外向きかつ下向きに傾斜した多数の表面を含んでいる。
【００１３】
米国特許第５４８６１３７号には、上面と、外周縁部と、基材上に一体に形成されて基材との間に界面を画成する下面とを有する砥粒層をもつ研削工具インサートが提案されている。砥粒層の外周縁部は切削面を形成する。その外周縁部切削面における砥粒層の厚さは、半径方向内向きに向かって減少する。従って、界面は鋸歯形断面プロファイルを有していてもよく、少なくとも１つの溝は砥粒層外周縁部から半径方向内向きに延在するか、本発明の教示に基づく他の構成を取り得る。さらに、外向きに傾斜したプロファイルの角度は、使用時にＰＤＣが摩耗したときに生ずる摩耗面の予想角度に一致させることができる。
【００１４】
米国特許第５４９４４７７号には、焼結基材と、高圧高温処理によって基材上に形成された多結晶質ダイヤモンド層とを含む研削工具インサートが提案されている。基材とダイヤモンド層との界面は、少なくとも１つの傾斜したプロファイルを含んでおり、そのプロファイルは、インサートの周縁部に向かって下向きにかつ外向きに傾斜している。
【００１５】
以上の米国特許には、岩石における望ましい切削作用について記載されているが、内部残留応力に部分的に起因する破壊及びスポーリングに対するダイヤモンド層の脆弱性を最小限に低減することができれば極めて望ましい。
【特許文献１】
米国特許第３１３６６１５号
【特許文献２】
米国特許第３１４１７４６号
【特許文献３】
米国特許第３２３３９８８号
【特許文献４】
米国特許第３７４３４８９号
【特許文献５】
米国特許第３７４５６２３号
【特許文献６】
米国特許第３７６７３７１号
【特許文献７】
米国特許第４１０９７３７号
【特許文献８】
米国特許第５３７４８５４号
【特許文献９】
米国特許第４７８４０２３号
【特許文献１０】
米国特許第４９７２６３７号
【特許文献１１】
米国特許第５００７２０７号
【特許文献１２】
米国特許第５４８４３３０号
【特許文献１３】
米国特許第５４８６１３７号
【特許文献１４】
米国特許第５４９４４７７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
そこで、ダイヤモンドのスポーリング破壊に対する耐性の向上した多結晶質ダイヤモンド成形体を提供できれば極めて望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
研削工具インサートは、面を有する基材、及び中心部と切刃を形成する周縁部とを有する連続研磨材層であって、基材上に一体に形成され、かつ基材との間で界面を画成する連続研磨材層から形成される。上記界面は、中心部から周縁部に延在する複数の同心リングからなる鋸歯形パターンに形成される。リング上には、中心部から周縁部に延びる半径方向外向きに傾斜したトラフが設けられる。界面のプロファイルは中心部から周縁部にかけて下向きに傾斜している。研磨材層は好適にはダイヤモンドであり、基材は好適には金属焼結炭化物である。
【００１８】
また、研削工具インサートを形成する方法についても開示する。当該方法は、面を有する基材を準備する段階から始まる。次に、面上に、中心部から周縁部に延在する複数の同心リングからなる鋸歯形パターンを形成し、リング上に中心部から周縁部に延びる半径方向外向きに傾斜したトラフを設けるが、界面のプロファイルは中心部から周縁部にかけて下向きに傾斜させる。最後に、中心部と切刃を形成する周縁部とを有する連続研磨材層を、基材上に一体に形成する。
【００１９】
本発明の利点として、スポーリングと層剥離が典型的に起る位置での研磨材層の残留引張応力が低減することによって、研削工具インサートの耐用寿命が増大することが挙げられる。もう一つの利点は、ダイヤモンド切削層と炭化物支持体との間の機械的結合を増大させることができることである。別の利点は、切刃の多結晶質カッターの部分での引張応力を低減させることができることである。上記その他の利点は当業者には自明であろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の特質及び利点をさらに十分に理解するには、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照されたい。
【００２１】
図１及び図２に示す炭化物支持体の形状は、カッター性能の改善に共に寄与する２つの特徴的な混成パターンを含むという点で独特である。まず図１を参照すると、平坦な底部（図１では見えない）と環状の直立した側面とを備える概ね平坦な円柱形状からなるカッター支持体１０が斜視図で示されている。支持体１０に独特な点は、多結晶質その他の超硬材料の上部切削層との界面をなす支持体上面のパターンである。具体的には、界面表面は図示の通り、鋸歯形パターンの同心リング（環状の鋸歯形パターンリング）１２，１４及び１６を含む。環状リング１６の歯１８で例示される歯は、方形、チゼル、尖端付き形状等を始めとする多種多様な構成に形成し得る。図１では３つの環状列をなす歯を示すが、その数は多くても少なくてもよい。
【００２２】
鋸歯形の環帯１２，１４及び１６上に設けられ、それぞれリング１２，１４及び１６に形成されたトラフ２０，２２及び２４で示されるトラフは、支持体１０の中心部から外周縁部に延びる。図１ではかかるトラフを１２個づつ示すが、設けられるトラフの数はこれより多くても少なくてもよい。
【００２３】
最後に、支持体１０の界面のプロファイルは、支持体１０の中心部から側面２８まで下向きに傾斜している。これは、支持体１０の中心部から周縁部まで一連の環状鋸歯形リングの各々がその隣接する内側のリングよりも低いことを意味する。図１では、これは、界面のプロファイルが中心部２６で最も高く、リング１６で最も低く、リング１４及び１６の各々がリングの内側に隣接する環状リングよりも低いことを意味する。外向きに傾斜する界面のプロファイルは直線状でも円弧状でもよい。
【００２４】
同様のパターンを図２に示す。すなわち、図示した支持体３０は、中心部３２と、環状リング３４，３６及び３８と、環状の側面４０と、トラフセグメント４２，４４，４６からなるもののようなトラフとを有する。この図でも３つの環状リングを示すが、これは例示を目的としたものであり、限定のためではない。また、１２個のトラフをしめすが、これも例示を目的としたものであり、限定のためではない。また、界面は中心部３２から外側リング３８にかけて下向きに傾斜している。
【００２５】
多結晶質上部層は好ましくは多結晶質ダイヤモンド（ＰＣＤ）である。ただし、本発明の技術的範囲に属する他の材料として、合成及び天然ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、六方晶窒化ホウ素、これらの組合せ、及び同様の材料が挙げられる。しかし、多結晶質ダイヤモンドが好ましい多結晶質層である。焼結金属炭化物基材は従来の組成のものであり、従って第ＩＶＢ族、第ＶＢ族又は第ＶＩＢ族金属のいずれを含むものでもよく、コバルト、ニッケルもしくは鉄又はこれらの合金からなる結合剤の存在下でプレスし焼結される。好ましい金属炭化物は炭化タングステンである。
【００２６】
さらに、本発明の実施に際して、ダイヤモンド層の外面形状は重要ではないが、層はほぼ半球状であるのが好ましい。ダイヤモンド層の表面形状は、平坦、円錐形、半径を増大又は減少させた形状、チゼル又は非軸対称形でもよい。一般に掘削業界で用いられるあらゆる形態の炭化タングステンインサートをダイヤモンド層の追加によって向上させることができ、本発明では本明細書に開示したリッジパターンの追加によってさらに改良することができる。
【００２７】
開示した研削工具インサートは、当技術分野で周知の従来の高圧／高温（ＨＰ／ＨＴ）技術によって製造される。かかる技術は、特に上掲の従来技術に開示されている。
【００２８】
好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに様々な変更を加えることができ、本発明の構成要素を均等物で置換することができることも当業者には自明であろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるため、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱せずに、本発明の教示内容に多くの変更を加えることができる。従って、本発明は、その最良の実施形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の技術的範囲に属するあらゆる実施形態を包含するものである。本明細書中で、特記しない限り、単位はすべてメートル法によるものであり、量及び百分率は重量基準である。また、本明細書で引用した文献の開示内容は援用によって本明細書に組み込まれる。
【実施例】
【００２９】
次の試験方法に従って、耐衝撃性データが収集された。
【００３０】
パークソン・ミル（Ｐａｒｋｓｏｎ  Ｍｉｌｌ）パラメータ
コンパウンド工具  −  ７°半径方向／１２°軸方向
被加工物  −  Ｒｅｄ  Ｍｏｕｎｔａｉｎ花崗岩
切削速度  −  ３５０ｒｐｍ
送り速度  −  ３インチ／分（７．６２ｃｍ／分）
冷却媒体なし
図２に示したような本発明によるカッターを、厚さのほぼ同じダイヤモンドテーブルを備えた従来の直円柱形カッター（ＧＥ  Ｓｕｐｅｒａｂｒａｓｉｖｅｓ社（米国オハイオ州ワーシントン）の米国特許第５４８４３３０号、同第５４８６１３７号及び同第５４９４４７７号に記載されたカッターと同様）と比較した。同一の試験を２度行った。次のデータが記録された。
【００３１】
【表１】
2005505426.tif 000003
【００３２】
上記の表に示すデータを図３に示すが、このにおいて、棒グラフ４８は、従来のカッターについて２回の試験結果の平均値、棒グラフ５０は、図２に示す界面を有するカッターについて２回の試験結果の平均値を表している。
【００３３】
これらの結果は、本発明のカッターが改善された衝撃性能を示すことを実証しており、この衝撃性能は、顧客が求める品質に極めて重要である。さらに、現場での実験的な試験結果もこのデータを支持しており、米国特許第５４８４３３０号、第５４８６１３７号及び第５４９４４７７号に記載された現在の市販カッターと比較して、ＲＯＰ（穿孔速度）に関しては３倍の改善、ＷＯＢ（ビットにかかる重量）に関しては５０％の減少を示した。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による界面の構成の一実施形態を示す斜視図。
【図２】本発明による界面の構成の別の形実施形態を示す斜視図。
【図３】従来のカッティングエレメントと図２に示すプロファイルを有するカッティングエレメントについてカッターの種類と衝撃エネルギーの関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３５】
１０  支持体
１２，１４，１６  同心リング
１８  環状リング１６の歯
２０，２２，２４  トラフ
２６  支持体の中心部
２８  支持体の側面
【図１】
2005505426.tif 000004
【図２】
2005505426.tif 000005
【図３】
2005505426.tif 000006
【国際公開パンフレット】
2005505426.tif 000007
2005505426.tif 000008
2005505426.tif 000009
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2005505426.tif 000018
2005505426.tif 000019
2005505426.tif 000020
2005505426.tif 000021
2005505426.tif 000022
【国際調査報告】
2005505426.tif 000023
2005505426.tif 000024