(57)【要約】  複合材料は、基質中に分散した複数の芯で構成される。芯は超硬材料、または超硬材料を作製する構成要素で形成される。基質は、芯と異なる等級の超硬材料を作製する構成要素、および適切な結合剤で形成される。超硬材料は多結晶の性質であり、通常はＰＣＤまたはＰｃＢＮである。芯は通常、超硬材料を作製する構成要素および結合剤で被覆した顆粒として提供される。複合材料は通常、超硬材料のハニカム構造を呈し、ハニカム構造の孔の中の芯がハニカム構造に結合される。ハニカム構造の孔は規則正しいか、ランダムでよい。【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の超硬材料の芯、または基質（マトリクス）に分散した超硬材料を作製する構成要素を有し、基質が、芯と異なる等級（グレード）の超硬材料を作製する構成要素を有し、さらに適切な結合剤を有する複合材料。
【請求項２】
超硬材料が多結晶ダイアモンド（ＰＣＤ）または多結晶立方晶窒化硼素（ＰｃＢＮ）である、請求項１に記載の複合材料。
【請求項３】
芯が個々の粒子として、または顆粒の形態で提供される、請求項２に記載の複合材料。
【請求項４】
芯が細粒ＰＣＤ等級材料から、基質が芯より粗いＰＣＤ等級材料で作製される、前記請求項いずれか１項に記載の複合材料。
【請求項５】
芯が比較的粗いＰＣＤ等級材料で、基質が細かい粒のＰＣＤ等級材料で作製される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合材料。
【請求項６】
細粒ＰＣＤ等級材料が、約０．１ミクロンから約２０ミクロンの範囲の粒サイズを有する粒を有する、請求項４または５に記載の複合材料。
【請求項７】
比較的粗いＰＣＤ等級材料が、約１０ミクロンから約１００ミクロンの範囲の粒サイズを有する粒を有する、請求項４〜６のいずれか１項に記載の複合材料。
【請求項８】
芯および基質を同じタイプの超硬材料から作成し、芯の粒子サイズが基質とは約５ミクロンから約７０ミクロンだけ異なる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合材料。
【請求項９】
芯および基質が、同じ超硬材料であるが、異なる結合剤相で作製される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合材料。
【請求項１０】
芯をＰＣＤで、基質をＰｃＢＮタイプの材料で形成する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合材料。
【請求項１１】
芯をＰｃＢＮタイプの材料から形成する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合材料。
【請求項１２】
芯および基質を２タイプの超硬材料の混合物から作成し、これらの混合物が相互に非常に異なる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合材料。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の複合材料を作製する方法であって、
（ｉ）超硬材料、または超硬材料を作製する構成要素の複数の芯を提供するステップと、
（ｉｉ）芯とは異なる等級の超硬材料を作製する構成要素、および適切な結合剤を提供するステップと、
（ｉｉｉ）複合材料を作製するために、芯、構成要素および結合剤を合同させるステップとを含む方法。
【請求項１４】
工具構成要素を作製する方法であって、
（ｉ）支持体を提供するステップと、
（ｉｉ）請求項１〜１２のいずれか１項に記載の複合材料を提供するステップと、
（ｉｉｉ）非結合構成要素を作製するために、支持体の表面上に複合材料の層を配置するステップと、
（ｉｖ）超硬材料を作製するために適切な高温および高圧の状態に非結合構成要素を曝露するステップとを含む方法。
【請求項１５】
芯が、超硬材料を作製する構成要素および結合剤で被覆した顆粒として提供される、請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
芯が顆粒として提供され、超硬材料および結合剤を作製するために、顆粒を構成要素と混合する、請求項１３または１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複合材料、複合材料を作製する方法および工具構成要素を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多結晶ダイアモンド（ここでは、ＰＣＤという。）および多結晶立方晶窒化硼素（ここでは、ＰｃＢＮという。）は、切削および研磨用途で使用される周知の材料である。ＰＣＤカッタはコア穿孔（ドリル）、石油およびガス穿孔（ボーリン）、および他の同様の用途で使用するドリル・バイトで切削要素としてドリル・バイトのテクノロジで周知であり、広く使用されている。このようなカッタは通常、高温および高圧の焼結プロセスで硬質合金支持体上に形成したＰＣＤテーブルを有する。次に、石切のためにＰＣＤテーブルを表面に露出する方法で、支持体を細長い支持体上で鑞付けするか、ドリル・バイトのポケットに直接鑞付けする。
【０００３】
厚いＰＣＤテーブルを有するＰＣＤカッタは、穿孔作業中に長い有用寿命を享受することができる。これは単に、岩石の切断および剪断作業を十区するために使用可能な超硬相が多いせいである。しかし、厚いＰＣＤテーブル層があるカッタは、摩耗の傷跡が形成されると、岩石に接触するＰＣＴテーブルの部分を通してそれに切削負荷を加えることによって、岩石を攻撃する。ＰＣＤ層が従来のカッタで見られる層よりはるかに厚い場合は、切削負荷が、係合している岩石の面の大きい区域に分散する。したがって、切削応力が小さく、切削効率が低下する。鋭利な刃を維持する光学的解決法が、Ｂｅｓｓｏｎに帰される米国特許第５，３０１，７６２号で提案され、ここでは、鋭利で新しい切刃を生成するチッピング効果を生成するために、提案した溝を構造内に配置する。このような技術は、カッタの有用なＰＣＤ材料の有意の割合を破砕することによって、それを消耗させ、費用効果が高くなり得ない。
【０００４】
Ｗａｒｄｌｅｙの欧州特許第０１９６７７７号では、ＰＣＤテーブルの鋭利さを、前記テーブルの耐摩耗性に等級（グレード）を付けることによって維持する方法が提案される。特に、頂部層を穿孔カッタの支持体に隣接する層より耐摩耗性が高い材料で作製する。その結果、頂部表面の下にあるＰＣＤ層は、頂部層より速く摩耗し、その結果、リップが生じる。これが発達すると、自己刃付け（自ら鋭利になる）効果が生じる。耐摩耗性の改善は通常、細かい粒にしたＰＣＤから頂部ＰＣＤ層を作製するか、耐摩耗性が低い方の層を作製するために使用する量と比較して、使用する結合剤材料の量を減少させる、あるいはその両方を実行することによって達成される。しかし、このように厚いＰＣＤ層は、細かい粒のダイアモンドを含む場合、必要な結合剤材料を浸透させることが困難である。したがって、このようなカッタは焼結するのが困難である。
【０００５】
米国特許第４，３１１，４９０号では、支持体に隣接するＰＣＤ層の開始材料として、粗いダイアモンド粒子を使用することによって、このような問題を克服できると主張している。このような方法は役立つが、現代のカッタでは大きい厚さを有することがある細かい粒の頂部層に浸透する問題が解消されない。このようなＰＣＤテーブルが厚くなるにつれ、脆弱な材料の破砕確率に関連するボリューム効果のせいで、ＰＣＤテーブルの靱性がますます重要になる。幾つかの開示が、この問題を扱っている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
Ｓｉｒａｃｋｉその他の米国特許第６，３６１，８７３号では、材料のチッピング抵抗を向上させる２相の規則正しい構造が開示されている。これは非常に一般的な特許であり、構造の靱性以外の態様に対応していない。米国特許第４，６０４，１０６号では、ランダムではあるが徐々に変化する２つの相の混和を使用して、応力管理、さらに構造の靱性に対応できることを示唆している。Ｒａｉの米国特許第６，０６，３５２号および米国特許第２００２／１９４９５５号は、強靱な構造を生成するために、それぞれ被覆した繊維および顆粒構造を開示している。繊維と顆粒の両方で、芯を超硬多結晶系の材料から作成し、縁部は硬質合金またはサーメットから作製する。これらのケース全部で、これらの利点は、耐摩耗性が低いサーメットを導入した結果、耐摩耗性を犠牲にして達成される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの態様によると、複合材料は、複数の超硬材料の芯、またはマトリクス（基質）に分散した超硬材料を作製する構成要素を有し、基質は、芯と異なる等級（グレード）の超硬材料を作製する構成要素を有し、さらに適切な結合剤を有する。
【０００８】
超硬材料は、多結晶の性質で、通常はＰＣＤまたはＰｃＢＮである。
【０００９】
芯は通常、個々の粒子として、または顆粒の形態で提供される。
【００１０】
本発明の１つの実施形態では、芯は細粒ＰＣＤ等級材料から、基質は芯より粗いＰＣＤ等級材料で作製する。
【００１１】
本発明の代替実施形態では、芯は比較的粗いＰＣＤ等級材料で、基質は細かい粒のＰＣＤ等級材料で形成することができる。
【００１２】
本発明のさらなる代替実施形態では、芯はＰＣＤで、基質はＰｃＢＮタイプの材料で形成することができる。このようなＰｃＢＮは、自身に焼結した立方晶窒化硼素の粒および／またはアルミ、チタン、タングステン、ハフニウム、ジルコン、シリコン、ニオブおよびタンタルの窒化物、硼化物、炭化物または炭素窒化物を含む任意の数のセラミック相を含んでよい。
【００１３】
本発明のさらに別の代替実施形態では、芯をＰｃＢＮタイプの材料から形成する。このようなＰｃＢＮは、自身に焼結した立方晶窒化硼素の粒および／またはアルミ、チタン、タングステン、ハフニウム、ジルコン、シリコン、ニオブおよびタンタルの窒化物、硼化物、炭化物または炭素窒化物を含む任意の数のセラミック相を含んでよい。この実施形態では、縁部をＰＣＤから形成してよい。
【００１４】
細かい粒のＰＣＤ等級材料は、約０．１ミクロンから約２０ミクロンの範囲の粒サイズを有する粒を有することが好ましい。比較的粗いＰＣＤ等級材料は、約１０ミクロンから約１００ミクロンの範囲の粒サイズを有する粒を有することが好ましい。顆粒の場合に芯および縁を同じタイプの超硬材料から作製すると、芯の粒子サイズが縁部とは大きく、約５ミクロンから約７０ミクロンだけ異なる。あるいは、顆粒の芯および縁部は両方とも、同じ材料であるが、異なる結合剤相で作製することができる。
【００１５】
あるいは、顆粒の芯および縁部は、ＰＣＤおよびＰｃＢＮのような２タイプの超硬材料の混合物から作成してよいが、このような混合物は相互に非常に異なる。
【００１６】
本発明のさらなる態様によると、上述したような複合材料を作製する方法は、
（ｉ）超硬材料、または超硬材料を作製する構成要素の複数の芯を提供するステップと、
（ｉｉ）芯とは異なる等級の超硬材料を作製する構成要素、および適切な結合剤を提供するステップと、
（ｉｉｉ）複合材料を作製するために、芯、構成要素および結合剤を合同させるステップとを含む。
【００１７】
本発明のさらに別の態様によると、工具構成要素を作製する方法は、
（ｉ）支持体を提供するステップと、
（ｉｉ）上述したような複合材料を提供するステップと、
（ｉｉｉ）非結合構成要素を作製するために、支持体の表面上に複合材料の層を配置するステップと、
（ｉｖ）超硬材料を作製するために、適切な高温および高圧の状態に非結合構成要素を曝露するステップとを含む。
【００１８】
芯は通常、超硬材料を作製する構成要素および結合剤で被覆した顆粒として提供される。
【００１９】
複合材は成形した複合材でよく、これは下にある支持体の表面の形状をとる。この点で、複合材は、適切な形態で予め成形するか、あるいはその場で成形してもよい。
【００２０】
複合材料は通常、超硬材料のハニカム構造をとり、ハニカム構造の孔の中にある芯がハニカム構造に結合される。ハニカム構造の孔は規則正しいか、ランダムでよい。
【００２１】
いずれかの等級の超硬材料を作製するために必要な構成要素は、超硬研磨粒子の塊、および任意選択で超硬研磨粒子の粒子状形態の溶剤／触媒、または溶剤／触媒の前駆物質を有する第２相を有してよい。このような構成要素は、ニモニック（商標）およびステライト（商標）合金のような超合金、および高温鑞付けさらに金属鉄、ニッケルおよびコバルトを含む。これは、チタン、タングステン、タンタル、シリコン、モリブデン、ジルコン、およびニオブのような他の元素も含んでよい。第２相は炭化珪素でもよく、この相は焼結する前にシリコンまたはその前駆物質をダイアモンド粒と混和し、高温および高圧で顆粒の本体全部を焼結する時に、混合物を反応焼結することによって生成する。
【００２２】
焼結状態は、超硬研磨粒子が結晶学的に安定するような状態である。
【００２３】
芯および被覆の粒子を、有機結合剤のような適切な結合剤中に提供する。この結合剤は、ステップ（ｉｖ）の焼結前に除去することが好ましい。適切な結合剤の例は、樟脳、メチルセルロースおよびポリエチレングリコールを含むが、それに制限されない。
【００２４】
複数の顆粒を、例えば型のような制約された空間などで顆粒に圧力を加えることによって合同させることができる。合同した複合材は、未加工状態の生成物であり、コヒーレンスを有するが、例えば切削によって切断することもできる。合同またはコヒーレンスがある複合材から切断し、除去することができる部片は可撓性を有し、湾曲した表面などの平面または輪郭形成した表面に適用することができる。顆粒を合同させる型に、未加工状態の生成物が、これを配置すべき支持体と相補的な形状を有する少なくとも１つの表面を有するように輪郭形成された一方または両方のパンチを設けることができる。この場合、複合材層は、作業表面または切刃を表す。いずれの表面も、さらなる層に対応するように輪郭形成することができ、これは例えば超硬材料層、または特性の等級を提供するために、複合材料であるが異なる組成、例えば超硬材料で被覆した硬質合金の芯、または超硬材料を作製する構成要素を有する別の層である。様々な組成を有する複合材料の幾つかの中間層を提供することができる。
【００２５】
追加の複合材料の芯が、炭化物粒子から形成されている場合、これは通常、炭化タングステン粒子、炭化チタン粒子、炭化タンタル粒子または炭化モリブデン粒子である。金属結合剤は鉄、ニッケル、コバルト、またはこれらの金属を１つまたは複数含む合金のような当技術分野で知られている任意の金属結合剤でよい。
【００２６】
支持体は通常、超硬合金支持体である。
【００２７】
顆粒は、芯を提供し、次に有機結合剤が存在する状態で超硬材料で芯を被覆することによって作製することができる。被覆は、芯を流体化し、それに被覆を噴霧するか、パン内で小球状にすることによって実行する。顆粒は複数の層で作製することができ、各層は、異なる粒サイズのＰＣＤ、または様々なタイプのＰｃＢＮ、または両方の混合物を有する。
【００２８】
次に、本発明を例示によってのみ、添付図面に関してさらに詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図１を参照すると、顆粒１０は芯１２、および芯をほぼ囲む被覆１４を有する。図示の顆粒１０は均一の形状で、球形である。顆粒は、このような均一形状でなくてもよく、球形である必要もない。他の形状も可能である。
【００３０】
この実施形態では、芯１２は細かい粒のＰＣＤ等級材料から作成し、これは通常、０．１ミクロンから１２ミクロンの範囲の粒サイズである。この等級は、高い耐摩耗性および高い強度がある。
【００３１】
被覆１４は、芯１２より粗いＰＣＤ等級材料で作成し、通常は１０ミクロンから１００ミクロンの粒サイズである。この等級は、芯材料より強度および耐摩耗性が低い。粗い方の等級の材料は、高圧圧縮プロセス中に大きいサイズの孔も維持し、したがって浸透プロセス中に溶融した結合剤に広い導管を提供する。
【００３２】
芯１２および被覆１４は両方とも、ダイアモンドまたは立方晶窒化硼素のような超硬研磨粒子、および任意選択で粒子形態の金属または前駆物質で構成される。このような金属は、溶剤／触媒または温度および圧力の適用条件で焼結する別の金属でよい。
【００３３】
メチルセルロースのような有機結合剤が、芯１２と被覆１４の両方に存在し、芯１２および被覆１４の両方および粒子１０に全体としてコヒーレンスを提供する。有機結合剤の他の非制限的な例は、樟脳およびポリエチレングリコールを含む。
【００３４】
図２は、複数の顆粒１０を圧縮した後の結果の微細構造を示す。この微細構造は、ここで１組の耐摩耗性の芯１８、いわゆる細粒相、および芯１８ほど強度がなく、耐摩耗性も低い粗粒子状ＰＣＤの連続的または粗粒子状相２０を有する。その結果、岩石を切断する場合は、連続層２０が優先的に摩耗し、したがって耐摩耗性の芯１８をわずかに突出させる。このような突出は、切断力を岩石面の小さい区域に集中させ、切断効率を改善する。これが自己刃付け（自ら鋭利になる）効果である。
【００３５】
細粒相は粗粒相より高い熱膨張率を有するので、細粒相は最終的な圧縮物内で張力がかかっている。したがって、代替実施形態では、細粒相を顆粒の縁部に、粗粒相を芯に配置した状態で構造を逆転すると、その結果の圧縮物は張力がかかった連続層を有することになる。このような相は、それを通るひび割れが連続相によって画定された路を辿るのを促進し、したがって強制的に蛇行した路にする。これは、破壊靱性を向上させ、したがってこの相の欠けおよび破砕に対する耐性を向上させる。
【００３６】
さらなる実施形態では、本発明の複合材料を、硬質合金の芯およびＰＣＤの縁部の顆粒で作成した別の材料と組み合わせて、連続的かつ徐々に変化する構造を作製することができる。このような構造は、厚いＰＣＤ層、自己刃付け、および徐々に変化することによる応力抑制という利点を提供する。
【００３７】
粗粒連続相は、大きい孔がある支持体から浸透する金属を呈し、これによって容易な浸透が可能になる。これによって、このような材料から作成した厚いＰＣＤ層の焼結が、従来の細粒ＰＣＤ、または硬質合金支持体に隣接する層が粗い粒で作成され、支持体から最も遠い層が細かい粒のダイアモンドで作成した徐々に変化する層より、はるかに焼結し易くなる。
【００３８】
芯の最終的サイズは５ミクロンと３００ミクロンの間でよい。焼結構造中の芯の体積分率は１０％と９０％の間でよい。
【００３９】
次に、本発明を以下の非制限的な実施例に関して、さらに説明する。
【００４０】
（実施例１）
粗いダイアモンド粉末の溶剤系スラリを、約４重量％の有機結合剤で調製した。スラリを乾燥させ、乳棒と乳鉢で粉砕し、約２００ミクロンから３００ミクロンのサイズに篩い分けした未加工のダイアモンド粒子を作成した。この顆粒をパン型製粒機に入れ、少量の細かいダイアモンド粉末を有機結合剤とともに添加しながら回転して、被覆を実行した。ダイアモンド被覆に対するダイアモンド顆粒の体積％は１：１の比率であった。被覆したダイアモンド粒子が図３に図示され、ここで３０は粗いダイアモンド顆粒であり、３２はダイアモンド被覆である。被覆した未加工顆粒を反応セルに入れ、ＷＣ−１３％のＣｏ支持体で被覆する。この配置構成で、焼結したダイアモンド粒子が別の焼結ダイアモンドのタイプの基質内にある構成のＰＣＤ層を有するユニットが作成された。結合剤の除去は、４００℃の空気中で２時間かけて実行した。次に、予めガス放出したユニットを、１１００℃の真空中で２５分かけてガス放出させ、高温高圧処理のために反応カプセルに装填した。その結果の圧迫された圧縮物を処理し、ＳＥＭで特徴を調べ、摩耗を試験した。その結果の圧縮物が図４の写真および図５のＳＥＭで図示され、ここでは粗い方のダイアモンド顆粒３０がダイアモンド基質３２Ａ内に分散していた。この材料を従来のＰａａｒｌ花崗岩試験で試験し、長さが約０．３００ｍｍの摩耗傷跡を発達させ、これはこのような試験において例外的に良好な性能である。このような良好な耐摩耗性の結果は、通常、粗いダイアモンドを使用するＰＣＤカッタに関連せず、そのことは、細かいダイアモンド基質に粗いダイアモンドを組み込むことの利点を示す。
【００４１】
（実施例２）
実施例１では、ダイアモンド顆粒の形状を制御せず、不規則な形状の顆粒となった。顆粒は任意の形状になり得るので、実施例２のダイアモンド顆粒は、ダイアモンド粉末を被覆する前に球形にした。球形の形状は、不規則な形状の顆粒に被覆すべきダイアモンド粉末を添加した状態で製粒機内で回転させることによって達成した。次に、顆粒を篩にかけて、２００ミクロンから３００ミクロンのサイズのペレットを獲得した。次に、このような顆粒を別のダイアモンド粉末タイプで被覆した。圧縮物を実施例１と同様に圧迫した。試験しなかったが、このような圧縮物は、実施例１の圧縮物と比較すると良好であると予想される。
【００４２】
（実施例３）
実施例１と同じ手順を辿ったが、顆粒を混和し、被覆しなかった。粗粒粉末からの粒子を細粒ダイアモンド粉末に混和した。圧縮物を実施例１と同様に圧迫した。従来のＰａａｒｌ花崗岩試験で、試験した材料には約０．３２５ｍｍの摩耗傷跡が発達し、これもＰＣＤ材料の非常に優れた耐摩耗性を呈した。
【００４３】
（実施例４）
この実施例では、細粒ダイアモンド粉末からの顆粒を粗粒ダイアモンド粉末に混和した。圧縮物を実施例１と同様に圧迫した。従来のＰａａｒｌ花崗岩試験で、試験したＰＣＤ材料には約０．３２６ｍｍの摩耗傷跡が発達し、これもＰＣＤ材料の非常に優れた耐摩耗性を呈した。
【００４４】
Ｐａａｒｌ花崗岩摩耗試験で試験した材料は全て、好ましい摩耗傷跡の発達および高い耐摩耗性を示した。概して、ダイアモンドが粗い方が、ＰＣＤの高い靱性を提供するが、耐摩耗性が犠牲になる。これに対して、本発明のＰＣＤ材料は、比較的粗いダイアモンドの提供する靱性を享受するが、比較的細かいダイアモンドが存在する結果、耐摩耗性が改善されている。
【００４５】
本発明のＰＣＤ複合材は、優れた耐摩耗性を維持しながら厚いＰＣＤ層を焼結する可能性を高め、カッタに自己刃付け効果を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の複合材料の作成に使用する顆粒の断面図である。
【図２】本発明の合同した複合材料の断面図である。
【図３】本発明の被覆した顆粒の写真である。
【図４】本発明の工具構成要素の一部を通る断面の写真である。
【図５】細かい粒のダイアモンド基質中に分散したダイアモンド顆粒を有する本発明の複合材料のＳＥＭ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５】
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【国際調査報告】
2007527949.tif 000007
2007527949.tif 000008
2007527949.tif 000009