(57)【要約】  多結晶超硬材料は、超硬粒の平均近接度が少なくとも６２パーセンであり、最大でも９２パーセントである、焼結された超硬粒の塊を含んでなる。かかる多結晶超硬材料の製造方法も開示する。該方法は、超硬粒および該超硬粒間の隙間を含んでなる前駆体本体を提供し、添加粒子を前記隙間に導入して予備焼結本体を形成することを含んでなる。該予備焼結本体は、超硬材料が熱力学的に安定する温度および圧力にさらして焼結し、多結晶超硬材料を形成する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬粒および該超硬粒間の隙間を含んでなる前駆体本体を提供することと、添加粒子を前記隙間に導入して予備焼結本体を形成し、該予備焼結本体を超硬材料が熱力学的に安定する温度および圧力にさらして焼結し、多結晶超硬材料を形成することを含んでなる、多結晶超硬材料の製造法。
【請求項２】
前記隙間に添加粒子を詰め込み、押しやり、または引き寄せて予備焼結本体を形成し、該予備焼結本体を、超硬材料が熱力学的に安定する温度および圧力にさらして焼結し、多結晶超硬材料を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
電場印加により隙間に添加粒子を詰め込むことを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記前駆体本体が、ダイヤモンド粒を含んでなり、前記方法が、前記予備焼結本体をダイヤモンド用触媒材料の存在下で、ダイヤモンドがグラファイトよりも熱的に安定する圧力および温度にさらすことを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記添加粒子が、ダイヤモンド、グラファイト、ｃＢＮ、ｈＢＮ、金属、またはセラミック材料を含んでなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記添加粒子が、ダイヤモンド用触媒材料またはダイヤモンド用触媒材料の前駆体材料を含んでなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記前駆体本体が、最大でも５００ミクロンであり、最小でも１０ミクロンの平均円相当径（ＥＣＤ）を有する超硬粒を含んでなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記前駆体本体内の隙間が、添加粒子の平均ＥＣＤの少なくとも約５倍の平均ＥＣＤを有する孔を含んでなる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記添加粒子の平均ＥＣＤが少なくとも２０ナノメートルであり、最大でも１ミクロンである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記隙間の平均ＥＣＤが、前記添加粒子の平均ＥＣＤの少なくとも５倍である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
超硬粒の平均近接度が少なくとも６２パーセントであり、最大でも９２パーセントである、焼結された超硬粒の塊を含んでなる多結晶超硬材料。
【請求項１２】
格子間平均自由行程が少なくとも約０．０５ミクロンであり、最大でも１．５ミクロンであり、該平均自由行程の標準偏差が最大でも１ミクロンである、請求項１１に記載の多結晶超硬材料。
【請求項１３】
平均円相当径が最大でも約５０ミクロンである相互結合性超硬粒を含んでなる、請求項１１または請求項１２に記載の多結晶超硬材料。
【請求項１４】
前記多結晶超硬材料の超硬粒含有量が、多結晶超硬材料の少なくとも７０体積パーセントであり、最大でも９８体積パーセントである、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の多結晶超硬材料。
【請求項１５】
前記多結晶超硬材料がＰＣＤであり、前記超硬粒がダイヤモンドを含んでなる、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の多結晶超硬材料。
【請求項１６】
前記多結晶超硬材料が、最大でも１０体積パーセントのダイヤモンド用触媒材料を含んでなるＰＣＤである、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の多結晶超硬材料。
【請求項１７】
前記多結晶超硬材料がＰＣＢＮであり、前記超硬粒がｃＢＮを含んでなる、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の多結晶超硬材料。
【請求項１８】
請求項１１〜１７のいずれか一項に記載の多結晶超硬材料を含んでなる、超硬摩耗素子。
【請求項１９】
複数の領域を含んでなり、各領域は、少なくとも一つは構造特性が異なる多結晶超硬材料を含んでなり、領域のうち少なくとも一つは多結晶超硬材料を含んでなる、請求項１８に記載の超硬摩耗素子。
【請求項２０】
前記超硬摩耗素子が、金属を含んでなる被加工物の機械加工、穿削、または切断に使用される、請求項１８または請求項１９に記載の超硬摩耗素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、多結晶超硬材料、限定するものではないが特に、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料、同材料を含んでなる素子および同材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械用カッター挿入物およびその他の工具は、超硬合金基材に結合した多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）または多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）の層を含んでなり得る。ＰＣＤおよびＰＣＢＮは、超砥粒材料とも呼ばれる超硬材料の例であり、タングステン超硬合金よりも実質的に硬度が高い。
【０００３】
ＰＣＤを含んでなる化合物は、岩、金属、セラミック、合成物および木質含有材料などの硬質材料または砥粒材料を、切削、機械加工、穿孔または侵食するための多種多様な工具に使用される。ＰＣＤは、ダイヤモンド粒間に隙間を画定する骨格塊を形成する、実質的に相互成長した（ｉｎｔｅｒ−ｇｒｏｗｎ）ダイヤモンド粒の塊を含んでなる。ＰＣＤ材料は、少なくとも約８０体積％のダイヤモンドを含んでなり、ダイヤモンド用触媒材料とも呼ばれる焼結助剤の存在下で、ダイヤモンド粒の凝集塊に約５ＧＰａ超の超高圧をかけ、少なくとも約１２００℃の温度にさらすことにより作製され得る。ダイヤモンド用触媒材料は、ダイヤモンドが熱力学的にグラファイトよりも安定的である圧力条件および温度条件で、ダイヤモンド粒のダイレクトな相互成長を容易にすることができる物質であると理解されている。一部のダイヤモンド用触媒材料は、ダイヤモンドを周囲圧力で、特に昇温において、グラファイトに変換しやすくすることができる。ダイヤモンド用触媒材料の例として、コバルト、鉄、ニッケルおよびこれらのいずれかを含んでなる特定の合金が挙げられる。ＰＣＤは、ＰＣＤ用にコバルト触媒材料の原料を提供し得るコバルトタングステン超硬合金で形成され得る。ＰＣＤ材料内の隙間は、少なくとも部分的に触媒材料で埋めてもよい。特定のダイヤモンド用触媒材料を充填材として含有するＰＣＤの欠点として、昇温において摩耗耐性が低減する可能性が挙げられる。
【０００４】
ＰＣＢＮ含有化合物は、原則として、金属の機械加工に使用される。ＰＣＢＮ材料は、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒の焼結塊を含んでなる。ＰＣＢＮ材料のｃＢＮ含有量は、少なくとも約４０体積％であってもよい。ＰＣＢＮのｃＢＮ含有量が少なくとも約７０体積％である場合、実質上、ｃＢＮ粒同士が直接接触し得る。ｃＢＮ含有量が前記コンパクトの約４０体積％〜約６０体積％の範囲にある場合、ｃＢＮ粒同士が直接接触する度合いは限定的である。ＰＣＢＮは、パウダー状のマトリックス相と共にｃＢＮ粒の塊を、ｃＢＮが六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）よりも熱力学的に安定的である温度および圧力にさらすことにより作製され得る。ＰＣＢＮはＰＣＤよりも摩擦抵抗がかなり低く、そのことが用途の範囲を限定しているかもしれない。
【０００５】
米国特許第７５１６８０４号は、多結晶ダイヤモンド塊のゼロ重量パーセント超〜約７５重量パーセント未満の量で存在する超分散ダイヤモンド粒の構造を含む多結晶ダイヤモンドの塊を含んでなる超砥粒の素子を開示している。
【０００６】
国際公開第２００９／１４７６２９号は、ダイヤモンドの近接度および密度が高められたＰＣＤの製造法を開示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
摩擦抵抗性が高められた多結晶超硬材料およびその製造法に対する必要が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の態様の観点から、超硬粒および該超硬粒間の隙間を含んでなる前駆体本体を提供することと、添加粒子を隙間に導入して予備焼結本体を形成し、該予備焼結本体を超硬材料が熱力学的に安定する温度および圧力にさらして焼結し、多結晶超硬材料を形成することを含んでなる多結晶超硬材料の製造法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
以下の添付図面を参照しつつ、非限定実施形態を記載する。
【図１】多結晶超硬材料の一実施形態の微小構造の概略図である。
【図２】金属の穿孔用ドリルビットの一実施形態の概略斜視図である。
【図３Ａ】電気泳動セル装置の概略的側面図である。
【図３Ｂ】前駆体本体の一実施形態の微小構造の概略図である。
【図３Ｃ】予備焼結ダイヤモンド本体の一実施形態の微小構造の概略図である。  全ての図面において、同じ特徴を言及するのに同じ参照が用いられる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
一つの実施形態では、該方法は、隙間に添加粒子を詰め込み、押しやり、または引き寄せて予備焼結本体を形成し、該予備焼結本体を超硬材料が熱力学的に安定する温度および圧力にさらして焼結し、多結晶超硬材料を形成することを含む。
【００１１】
一つの実施形態では、該方法は、電場印加により隙間に添加粒子を詰め込むことを含む。一つの実施形態では、該方法は、電気泳動により隙間に添加粒子を詰め込むことを含む。
【００１２】
一つの実施形態では、前記前駆体本体はダイヤモンド粒を含んでなり、本方法には、前記予備焼結本体を、ダイヤモンド用触媒材料の存在下で、ダイヤモンドがグラファイトよりも熱的により安定する圧力および温度にさらすことを含む。一つの実施形態では、該圧力は少なくとも約５．５ＧＰａであり、該温度は少なくとも約１２５０℃である。
【００１３】
一つの実施形態では、前記前駆体本体はｃＢＮ粒を含んでなり、該方法は、前記予備焼結本体を、ｃＢＮが六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）よりも熱的に安定的である圧力および温度にさらすことを含む。一つの実施形態では、該圧力は少なくとも約２ＧＰａであり、該温度は少なくとも約９００℃である。
【００１４】
一つの実施形態では、該方法は、添加粒子に荷電するための処理を含む。
【００１５】
いくつかの実施形態では、前記添加粒子は、ダイヤモンド、グラファイト、ｃＢＮ、ｈＢＮ、金属、またはセラミック材料を含んでなる。金属添加粒子の非限定的例として、コバルトなどのダイヤモンド用金属触媒材料の粒子が挙げられる。セラミック添加粒子の非限定的例として、酸化ジルコニウム等の酸化物粒子、シリコンカーバイド、タングステンカーバイドもしくはバナジウムカーバイドなどのカーバイド粒子、または窒化ホウ素もしくは窒化チタンなどの窒化物粒子が挙げられる。一つの実施形態では、前記添加粒子は、粒精製材料とも呼ばれるダイヤモンドの粒成長を抑制するのに好適な材料を含んでなる。
【００１６】
一つの実施形態では、前記前駆体本体はダイヤモンド粒を含んでなり、前記添加粒子は、ダイヤモンド用触媒材料またはダイヤモンド用触媒材料の前駆体材料を含んでなる。
【００１７】
一つの実施形態では、前記前駆体本体はｃＢＮ粒を含んでなり、前記添加粒子はＰＣＢＮの結合剤用前駆体材料を含んでなる。
【００１８】
一つの実施形態では、該方法は、少なくとも２群の添加粒子を隙間に埋めることを含み、各群は他の群（単数もしくは複数）とは実質的に異なる組成物、粒度分布または構造を有する。一つの実施形態では、少なくとも２群の添加粒子それぞれは、少なくとも２連続工程で前記前駆体に埋められ、一つの実施形態では、少なくとも２群の添加粒子それぞれは、同工程で、すなわち同時に前記前駆体に埋められる。
【００１９】
前記前駆体本体がダイヤモンド粒を含んでなる一つの実施形態では、第１群添加粒子は、コバルトなどのダイヤモンド用触媒材料を含んでなり、第２群添加粒子は、セラミック材料、またはダイヤモンド用触媒材料の熱膨張率（ＣＴＥ）未満、もしくはダイヤモンド用触媒材料のＣＴＥよりもダイヤモンドのＣＴＥに近似のＣＴＥを有する材料を含んでなる。
【００２０】
一つの実施形態では、前記前駆体本体は、前記超硬粒を結束し得る有機結合剤材料などの結合剤材料を含んでなる。一つの実施形態では、前記超硬粒の間の少なくとも一部の隙間に結合剤材料が含有される。一つの実施形態では、前記隙間の少なくとも一部が、少なくとも部分的に多孔である。
【００２１】
一つの実施形態では、前記前駆体本体はダイヤモンド粒を含んでなり、少なくとも一部は互いに相互結合し骨格塊を形成する。一つの実施形態では、前記前駆体本体は、ＰＣＤ材料を含んでなる。一つの実施形態では、前記前駆体本体は、ＰＣＤ材料を作製する緑色本体を含んでなる。
【００２２】
一つの実施形態では、該方法は、隙間の少なくとも一部がダイヤモンド用触媒材料で埋められているＰＣＤ材料を含んでなるＰＣＤ本体を提供することによりダイヤモンド本体を調製することと、ＰＣＤ本体を処理して隙間の少なくとも一部から前記触媒材料の少なくとも一部を除去することとを含む。
【００２３】
いくつかの実施形態では、前記前駆体本体の平均円相当径（ＥＣＤ）が、最大でも約５００ミクロン、最大でも約１００ミクロン、最大でも約５０ミクロンまたは最大でも約４０ミクロンである超硬粒を含んでなる。いくつかの実施形態では、前記前駆体本体の平均ＥＣＤが、少なくとも約１ミクロン、少なくとも約１０ミクロンまたは少なくとも約２０ミクロンである超硬粒を含んでなる。一つの実施形態では、前記超硬粒は多モード粒度分布を有する。
【００２４】
いくつかの実施形態では、前記添加粒子の平均ＥＣＤは、少なくとも約２０ナノメートル、少なくとも約５０ナノメートルまたは少なくとも約１００ナノメートルである。いくつかの実施形態では、前記添加粒子の平均ＥＣＤは、最大でも約２ミクロン、最大でも約１ミクロン、最大でも約５００ナノメートル、さらには最大でも約１００ナノメートルでさえある。
【００２５】
いくつかの実施形態では、前記隙間の平均ＥＣＤは、前記添加粒子の平均ＥＣＤの少なくとも約５倍、少なくとも約１０倍、さらには少なくとも約２０倍でさえある。
【００２６】
いくつかの実施形態では、前記前駆体本体の少なくとも１領域内の超硬粒の含有量は、前記前駆体本体内の少なくとも約５０体積％または少なくとも約６０体積％である。いくつかの実施形態では、前記前駆体本体の少なくとも１領域内の超硬粒の含有量は、前記前駆体本体の最大でも約８５体積％または最大でも約９０体積％である。
【００２７】
いくつかの実施形態では、該方法は、ＥＰＤ、粉末冶金、または、フィルタープレス、遠心鋳造法、ゲル鋳込またはＥＰＤなど、当技術分野で既知のその他の方法により前記前駆体本体を調製することを含む。いくつかの実施形態では、該方法は、熱圧、冷圧または予備焼結などを含む方法により前駆体本体を調製することを含む。
【００２８】
一つの実施形態では、前記添加粒子は、極性媒体中で分散および安定化し、別の実施形態では、前記添加粒子は、非水媒体中で分散および安定化する。
【００２９】
いくつかの実施形態では、超硬粒の体積含有量が高く、その結果、材料の摩耗耐性が高い多結晶超硬材料を形成することが可能である。
【００３０】
さらなる態様の観点から、超硬粒の平均近接度が少なくとも約６２パーセントまたは少なくとも約６４パーセントである超硬粒の塊を含んでなる多結晶超硬材料を提供する。いくつかの実施形態では、前記超硬粒の近接度は、最大でも約９２パーセント、最大でも約８５パーセント、さらには最大でも約８０パーセントでさえある。
【００３１】
いくつかの実施形態では、前記多結晶超硬材料はＰＣＤであり、前記超硬粒はダイヤモンドを含んでなる。
【００３２】
一つの実施形態では、前記多結晶超硬材料はＰＣＢＮであり、前記超硬粒はｃＢＮを含んでなる。
【００３３】
いくつかの実施形態では、前記多結晶超硬材料の格子間平均自由行程は、少なくとも約０．０５ミクロン、少なくとも約０．１ミクロン、少なくとも約０．２ミクロンまたは少なくとも約０．５ミクロンである。いくつかの実施形態では、前記多結晶超硬材料の格子間平均自由行程は、最大でも約１．５ミクロン、最大でも約１．３ミクロンまたは最大でも約１．０ミクロンである。いくつかの実施形態では、平均自由行程の標準偏差は、最大でも約１ミクロンまたは最大でも約１．５ミクロンであり、いくつかの実施形態は、平均自由行程の標準偏差は、少なくとも約０．０５ミクロンまたは少なくとも約０．２ミクロンである。
【００３４】
いくつかの実施形態では、多結晶超硬材料は、平均円相当径が最大でも約５０ミクロンまたは最大でも約４０ミクロンである超硬粒を含んでなる。一つの実施形態では、多結晶超硬材料は、平均円相当径が少なくとも約１ミクロンまたは少なくとも約１０ミクロンである相互結合性超硬粒を含んでなる。
【００３５】
いくつかの実施形態では、前記多結晶超硬材料の超硬粒含有量は、該多結晶超硬材料の少なくとも約７０体積パーセント、少なくとも約８０体積パーセント、少なくとも約８８体積パーセント、少なくとも約９０体積パーセント、少なくとも約９２体積パーセント、さらには少なくとも約９６体積パーセントでさえある。一つの実施形態では、前記多結晶超硬材料の超硬粒含有量は、該多結晶超硬材料の最大でも約９８体積パーセントである。
【００３６】
いくつかの実施形態では、前記多結晶超硬材料は、ダイヤモンド用触媒材料を含んでなるＰＣＤ材料であり、該触媒材料の含有量は、該ＰＣＤ材料の最大でも約１０体積パーセント、最大でも約８体積パーセント、さらには最大でも約４体積パーセントである。一つの実施形態では、該ＰＣＤ材料は、実質上、ダイヤモンド用触媒材料を含まない少なくとも一つの領域を含んでなる。
【００３７】
いくつかの実施形態では、前記多結晶超硬材料の摩耗耐性が高いという利点が存在し得る。前記多結晶超硬材料がＰＣＤである実施形態では、使用時に経験され得るように、ＰＣＤ材料の摩耗耐性が昇温において高いという利点を有する可能性がある。
【００３８】
さらなる態様の観点から、前記多結晶超硬材料の一実施形態を含んでなる超硬摩耗素子を提供する。
【００３９】
一つの実施形態では、前記超硬摩耗素子は複数の領域を含んでなり、各領域は、少なくとも一つの異なる構造特性を有する多結晶超硬材料を含んでなり、その非限定例は超硬粒の近接度、平均超硬粒度、超硬粒含有量、およびダイヤモンド用触媒の含有量を含んでもよい。いくつかの実施形態では、前記領域の少なくとも一部は、層または階層の形式をしている。一つの実施形態では、前記領域の少なくとも一つは、ダイヤモンド用金属系触媒材料が少ないか、または実質的に存在しない。
【００４０】
一つの実施形態では、前記超硬摩耗素子は、超硬合金の材料を含んでなる基材に結合された多結晶超硬材料を含んでなる構造を含んでなる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、前記超硬摩耗素子は、金属を含んでなる被加工物の機械加工、穿削または切断に使用される。
【００４２】
いくつかの実施形態では、前記超硬摩耗素子により、機械加工または摩耗用途の耐用年数が延長されるという利点が存在し得る。
【００４３】
本明細書で使用される多結晶超硬材料は、少なくとも約２８ＧＰａビッカーズ硬度を有し、ダイヤモンドまたは立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）などの超硬の塊を含んでなる。超硬材料の特定の例として、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）および多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）が挙げられる。
【００４４】
本明細書で使用される多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料は、実質的に相互成長したダイヤモンド粒の塊を含んでなり、該ダイヤモンド粒の隙間を画定する骨格構造を形成する材料であり、該材料は少なくとも約８０体積％のダイヤモンドを含んでなる。
【００４５】
本明細書で使用される多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料は、摩耗耐性マトリックス内で結束された立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒の塊を含んでなる材料であり、ｃＢＮ含有量はＰＣＢＮの少なくとも約４０体積％である。
【００４６】
本明細書で使用される超硬摩耗素子は、超硬材料を含んでなる素子であり、硬質材料もしくは研磨材を含んでなる被加工物もしくは本体の侵食、掘削、切削または機械加工など、摩耗用途に使用される。
【００４７】
本明細書で使用される電気泳動は、外部静電場の影響下で懸濁した流体に関連する分散した電荷添加粒子の挙動である。
【００４８】
本明細書で使用される粒子の平均円相当径（ＥＣＤ）は、粒子の断面と同じ領域を有する円の直径である。複数の粒子のＥＣＤ粒度分布および平均粒径の測定は、本体の断面または表面の画像分析により、非結合粒子を個別に測定してもよく、または前記本体内で結合した粒子を測定してもよい。
【００４９】
本明細書で使用される粒塊の多モード粒度分布には一つ以上のピークが含まれるか、または一つ以上の粒度分布の重ね合わせに分解され得、それぞれは単一のピークを有し、各ピークはそれぞれに「モード」に相応する。多モードの多結晶本体は、通常、各原料が実質的に異なる平均径の粒を含んでなる、複数の粒の複数の原料を提供し、前記粒または前記原料由来の粒を混ぜ合わせることにより作製される。
【００５０】
本明細書で使用される緑色本体は、焼結用であるか、または部分的にすでに焼結されているが、まだ完全に焼結されておらず、完成品とはなっていない製品である。通常は自己支持型であってもよく、かつ意図された最終製品の一般的形式を有してもよい。
【００５１】
本明細書で使用される粒の近接度κは、粒間の接触または結合または接触と結合双方の組み合わせの測定であり、多結晶超硬材料の研磨部分の画像分析から取得するデータを利用して、以下の式に従って計算する。
【００５２】
【数１】
2013530813.tif 000003
式中、δは超硬粒の周囲長であり、βは結合剤の周囲長である。
【００５３】
超硬粒の周囲長は、他の超硬粒と接触する超硬粒の表面積の比率である。単位体積当たりの、超硬粒の総表面積で除算した粒間の接触総面積として測定する。結合剤の周囲長は、他の超硬粒と接触しない超硬粒の表面積の比率である。実際には、近接度の測定は、研磨部表面の画像分析により行われ、分析された部分内の粒間の全接触面上の全接点を貫く線をすべて合わせた合計が超硬粒の周囲長となり、前記結合剤の周囲長も同様である。
【００５４】
図面１に関して、多結晶超硬材料１０の一実施形態は、超硬粒の平均近接度が約６４パーセントである超硬粒１２を含んでなる。前記超硬粒１２の間の隙間１４は、前記超硬粒１２により画定される。一つの実施形態では、前記超硬粒は相互結合して骨格塊を形成するダイヤモンド粒である。
【００５５】
図面２に関して、金属の機械加工用のドリルビット２０（図示無し）の形態における超硬素子の一実施形態は、図面１に関して記載された、多結晶超硬材料の一実施形態を含んでなる超硬骨格２２の一実施形態を含んでなり、前記多結晶超硬構造２２は、タングステン超硬合金基材２４に結合している。
【００５６】
図面３Ａ、図面３Ｂおよび図面３Ｃに関して、多結晶超硬材料の一実施例を行う方法の一実施形態には、超硬粒４２および該超硬粒４２間の隙間４４を含んでなる前駆体本体４０を提供することと、電場印加により、ナノサイズの超硬添加粒子５０を前記前駆体本体４０の前記隙間４４に埋めて、予備焼結本体を形成することとを含む。前記前駆体本体４０を、電気泳動セル３０の陽極３２に接続し、前記前駆体本体４０の主要面を陰極３４の方へ向ける。当業者であれば、陽極と陰極の配置が非常に異なる電気泳動セルも使用できると理解するであろう。例えば、電極を横向きにし、一方を他方の上に配置してもよい。前記前駆体本体４０および前記陰極３４の少なくとも一部を平均粒径が約５０ｎｍである添加粒子５０を含有する安定的水性懸濁液３６に浸す。磁気攪拌機３８を使用して、懸濁液中の添加粒子を維持する。一つの実施例では、約２００Ｖの直流電位を約５分間印加して、陽極３２と陰極３４の間に電場を発生させ、前記前駆体本体４０内の隙間に懸濁液３６から添加粒子５０を引き寄せてもよい。当業者であれば、懸濁液の酸性度、分散物の種類および量などの工程条件を理解し、ならびに添加粒子表面の化学的性質を最適化することができるだろう。得られた予備焼結本体は、超硬粒６２および隙間６４を含んでなる微小構造６０を有し、少なくともその一部には添加粒子５０が含まれるが、次にセル３０から除去し、乾燥し、それから焼結する。
【００５７】
前記前駆体本体がダイヤモンド粒を含んでなる実施形態では、前記予備焼結本体を、ダイヤモンド用触媒材料の存在下で、約１３５０℃の温度および約５．５ＧＰａの圧力にさらして、ＰＣＤ材料の一実施形態を形成してもよい。
【００５８】
イオン浸透膜は、電気泳動セルの陽極と陰極の間に置いてもよい。これの有利な点は、陽極表面から発生するかもしれない気体から前駆体本体を保護しつつ、イオンが陽極と前駆体本体の間のイオン浸透膜を通過できるようにさせるということであり得る。陽極から発生する気体は、電気泳動堆積の工程を妨げ、添加粒子の前記前駆体本体の隙間への電気泳動堆積の効率性が低下する可能性がある。
【００５９】
ダイヤモンド粒は典型的に負の電荷であり、正に荷電した陽極の方に移動する傾向がある。ダイヤモンド粒子は通常、水性媒体または有機媒体に懸濁されると表面が負に荷電し、そのため、電場内におけるダイヤモンド粒子の挙動を促すことができる。いくつかの実施形態では、懸濁液中のダイヤモンド添加粒子に追加で荷電する必要はない。溶液中の過剰なＨ＋陽子を利用可能としたいかなる溶液も、例えば、ダイヤモンドを希釈された（１５％）塩酸で予備洗浄し、次に脱イオン水で洗浄し、塩化物イオンの全ての痕跡を除去するか、またはダイヤモンドをアセトンおよびヨウ素の溶液に暴露させることで（米国特許第６２５８２３７号に記載）、正に荷電したダイヤモンドを生じさせる。
【００６０】
いくつかの実施形態では、超音波、磁気攪拌、または、添加粒子の懸濁液に対しその他の好適な攪拌処理を行うことで、確実に懸濁液を均質にし、添加粒子を堆積させるようにし得る。添加粒子がナノサイズのダイヤモンド粒子である一つの実施形態では、単に攪拌しただけで十分である。
【００６１】
添加粒子は、焼結された多結晶超硬材料中で顕在化する場合もあるが、焼結工程中に実質的に溶解する可能性もあり、それは焼結条件、特に焼結時間に依る。多結晶超硬材料がＰＣＤである実施形態では、ダイヤモンド用触媒材料の存在下で焼結時間が長ければ長いほど、通常は、ナノ粒子がＰＣＤ材料中で顕在化する可能性は低くなる。
【００６２】
前駆体本体がダイヤモンド粒を含んでなる実施形態では、ダイヤモンド用触媒材料またはその他の非ダイヤモンド材料、あるいはその両方を含んでなる添加粒子を利用して、その結果、ダイヤモンド粒間の相互結合性を改善することとなる場合があり、よって、ダイヤモンドの近接度も改善し、かつＰＣＤ焼結体の強度を高めることができる。特定の任意の仮説に制約されることを望まないが、その理由は、少なくとも部分的には、本方法では、混合するなどして、添加粒子を導入するその他の方法の場合に発生し得る様に、互いに接触する接点において、隣接するダイヤモンド粒間に添加粒子が挿入されるのを実質的に回避するからである。このようにして、隣接するダイヤモンド粒の直接的相互結合が、焼結中に増加する可能性がある。
【００６３】
米国特許出願第２００４／０５３７６７号は、非晶質ＳｉＯ２から作製された多孔性緑色本体が、緑色本体の孔にＳｉＯ２粒子の電気泳動堆積させることで、さらに濃密にされる。米国特許第６６９９８０８号は、分散媒体中の非晶質ＳｉＯ２粒子を均質に分散させることを開示し、前記分散物は、非晶質ＳｉＯ２粒子の少なくとも８０重量％の固体含有量を有し、前記非晶質ＳｉＯ２粒子は２形態の粒子径分布を有する。
【００６４】
ダイヤモンド粒子の電気泳動はまた（Fabrication of diamond Schottky emitter array by using electrophoresis pre-treatment and hot-filament chemical vapor deposition, Diamond and Related Materials; Volume 16, Issues 4-7, April-July 2007, Pages 1398-1402；Proceedings of Diamond 2006, the 17th European Conference on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon）において既知である。米国特許第６２５８２３７号は、基材の表面にダイヤモンド粒子を堆積させる方法を開示しており、該方法は、（ａ）ダイヤモンド粒子に正荷電し、正電荷のダイヤモンド粒子を得る、および（ｂ）前記基材の表面に緑色のダイヤモンド粒子被膜をつけるために、正電荷のダイヤモンド粒子を基材の表面に電気泳動堆積させることを含んでなる。
【００６５】
前記添加粒子を前駆体本体の隙間に引き寄せる代替方法を使用してもよい。代替方法の非制限的例として、フィルタープレス、ゲル鋳込、粉末冶金または遠心鋳造法が含まれ得る。
【００６６】
近接度は、画像分析ソフトにより研磨部分またはＰＣＤ素子の表面のＳＥＭ画像を使って測定する。特に、Ｓｏｆｔ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ（登録商標）ＧｍｂＨ製のａｎａｌｙＳＩＳ  Ｐｒｏ（Ｏｌｙｍｐｕｓ  Ｓｏｆｔ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ  ＧｍｂＨの商標）という商品名のソフトウェアを使ってもよい。このソフトウェアは、「Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｇｒａｉｎｓ」フィルターを備え、分離される構造が閉構造であるなら、操作マニュアルに従って操作しさえすれば満足のいく結果を提供する。よって、このフィルターを適用する前にすべての孔を満たしておくことが重要である。例えば、「Ｍｏｒｐｈ．Ｃｌｏｓｅ」コマンドを使用してもよく、または「ｆｉｌｌｈｏｌｅ」モジュールからヘルプを得てもよい。このフィルターに加え、「Ｓｅｐａｒａｔｏｒ」も、粒分離に利用できる別の強力なフィルターである。この分離は、操作マニュアルに従って、カラー値画像およびグレー値画像にも適用され得る。
【００６７】
画像分析に使用される画像は、後方散乱電子信号を用いて撮影する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により取得されなければならない。光学顕微鏡の焦点の深さは通常は十分でなく、実質的には異なるコントラストを生み出す。粒と粒の境界はグレースケールコントラストを基に特定され得るため、近接度の測定のためには適切なコントラストが重要となる。
【００６８】
いくつかの実施形態では、高い摩耗耐性が示され得る。特定の任意の仮説に制約されることを望まないが、これは、超硬材料の含有量が増加し、超硬粒の間の接触または相互成長が増加した結果だと言えるかもしれない。
【実施例】
【００６９】
以下の非制限的実施例を参照しつつ、さらに詳細に実施形態について記載する。
【００７０】
（実施例１）
平均粒子径が約３０ミクロンである約０．５重量％のダイヤモンド粒子と、アルコール系有機結合剤を含んでなるテープを、粉末冶金により調製した。次に、大気中で約１５０〜２２０℃に加熱して、結合剤を部分的にテープから除去し、理論上約６２％の密度を有し、平均孔径が約３ミクロンである多孔テープを産生した。緑色テープ中の残りの結合剤により結束は十分であった。次に、直径が約１７ｍｍである前駆体ディスクを多孔テープから切断した。
【００７１】
前駆体ディスクを、平均粒径が約５０ｎｍである２．５体積％のダイヤモンドナノ粒子を含有する安定した水溶性懸濁液を擁する電気泳動セルに入れた。ダイヤモンドナノ粒子を、０．５％のテトラメチルアンモニウムヒドロキシドを支持電解質として含有する約９７．５ｍｌの脱イオン水に懸濁した。前記前駆体ディスクが陽極として機能し、白金被覆チタン素子は、使用時に陰極として機能し、前記前駆体ディスクの平坦な表面が陰極に直面するようセルを配置した。約２００Ｖの直流電位を５分間印加し、懸濁液からダイヤモンドナノ粒子を前記前駆体ディスクの孔へと引き寄せ、予備焼結ディスクを形成した。次に、該予備焼結ディスクをセルから取り除き、約１００度で一晩中オーブンで乾燥させた。乾燥した予備焼結ディスクを解析すると、理論上約７０％の密度であることが明らかになった。
【００７２】
当技術分野で周知の通り、前記予備焼結ディスクをコバルトタングステン超硬合金の円筒基材上に置き、超高圧炉で処理するためにカプセル内に封入して、予備焼結集合体を作製した。次に、該予備焼結の集合体を、圧力約５．５ＧＰａおよび温度約１３５０℃での処理に約１５分間さらして、前記基材に結合した多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）焼結体の層を産生した。周知の通り、ダイヤモンド粒子の焼結は、前記基材から引き寄せられた溶融コバルトが触媒となり、その結果、ＰＣＤ中に約７．７体積パーセントのコバルト含有量を含むようになった。ＰＣＤの画像解析により、相互結合したダイヤモンド粒子の骨格塊の近接度は約６６．２％であることが明らかとなった。顕微鏡解析により、前記ナノ粒子は、最終ＰＣＤ焼結体に実質的には存在しないことがさらに明らかとなった。一つの仮説によると、前記ナノ粒子は分解し、結合されたダイヤモンド粒子間の相互結合の「くびれ」でダイヤモンド材料として再沈殿したため、ＰＣＤ焼結体材料の強度を改善されたということになる。
【００７３】
比較のため、結合剤添加前の平均粒径が約３０ミクロンであるより目の粗いダイヤモンド粒子と混ぜ合わせたダイヤモンドナノ粒子を、前駆体ディスク内に導入して、対照のＰＣＤサンプルを作製した。ダイヤモンドナノ粒子とダイヤモンド粗粒子の重量比は約１対２０であった。ナノ粒子と粗粒子の混合物を、エタノール系液体媒体中で高剪断混合にかけて、十分に混ぜ合わせた後に乾燥した。前駆体ディスクをテープから切断し、理論上の密度が約５９％であることが判明した。該ディスクを集め、上記の通り超高圧炉で処理した。解析の結果、前記ＰＣＤ焼結体は約８．４体積％であり、ダイヤモンド近接度は約６２．１％であることが明らかとなった。
【００７４】
（実施例２）
別の予備焼結の集合体を実施例１に記載の通りに調製し、実施例１に記載と同じ圧力および温度で処理した。但し、超高圧高温での処理時間は僅か２分であった。こうして産生された前記ＰＣＤを解析したところ、ダイヤモンドナノ粒子は顕在化しており、つまり、実施例１で完全には分解していなかったことを示した。
【００７５】
（実施例３）
実施例１の多孔テープから切断した別の前駆体ディスクを、実施例１に記載の電気泳動堆積セルに入れた。但し、ダイヤモンドナノ粒子を使用する代わりに、２．５体積％の酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）のナノ粒子を安定した水性懸濁液で懸濁した。該酸化ジルコニウムナノ粒子の平均粒径も約５０ｎｍであった。前記前駆体ディスクを電気泳動工程にかけ、乾燥して予備焼結を産生した後、前記予備焼結ディスクを基材で超高圧炉用のカプセル内に封入し、圧力約５．５ＧＰａおよび温度約１３５０℃で焼結した。前記ＰＣＤ焼結体のダイヤモンド近接度は６３．１％、コバルト含有量は７．２％であった。
【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３Ｃ】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年12月25日(2012.12.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬粒および該超硬粒間の隙間を含んでなる前駆体本体を提供することと、添加粒子を前記隙間に導入して予備焼結本体を形成し、該予備焼結本体を超硬材料が熱力学的に安定する温度および圧力にさらして焼結し、多結晶超硬材料を形成することを含んでなる、多結晶超硬材料の製造法。
【請求項２】
前記隙間に添加粒子を詰め込み、押しやり、または引き寄せて予備焼結本体を形成し、該予備焼結本体を、超硬材料が熱力学的に安定する温度および圧力にさらして焼結し、多結晶超硬材料を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
電場印加により隙間に添加粒子を詰め込むことを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記前駆体本体が、ダイヤモンド粒を含んでなり、前記方法が、前記予備焼結本体をダイヤモンド用触媒材料の存在下で、ダイヤモンドがグラファイトよりも熱的に安定する圧力および温度にさらすことを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記添加粒子が、ダイヤモンド、グラファイト、ｃＢＮ、ｈＢＮ、金属、またはセラミック材料を含んでなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記添加粒子が、ダイヤモンド用触媒材料またはダイヤモンド用触媒材料の前駆体材料を含んでなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記前駆体本体が、最大でも５００ミクロンであり、最小でも１０ミクロンの平均円相当径（ＥＣＤ）を有する超硬粒を含んでなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記前駆体本体内の隙間が、添加粒子の平均ＥＣＤの少なくとも約５倍の平均ＥＣＤを有する孔を含んでなる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記添加粒子の平均ＥＣＤが少なくとも２０ナノメートルであり、最大でも１ミクロンである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記隙間の平均ＥＣＤが、前記添加粒子の平均ＥＣＤの少なくとも５倍である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
超硬粒の平均近接度が少なくとも６２パーセントであり、最大でも９２パーセントである、焼結された超硬粒の塊を含んでなる多結晶超硬材料。
【請求項１２】
格子間平均自由行程が少なくとも約０．０５ミクロンであり、最大でも１．５ミクロンであり、該平均自由行程の標準偏差が最大でも１ミクロンである、請求項１１に記載の多結晶超硬材料。
【請求項１３】
平均円相当径が最大でも約５０ミクロンである相互結合性超硬粒を含んでなる、請求項１１または請求項１２に記載の多結晶超硬材料。
【請求項１４】
前記多結晶超硬材料の超硬粒含有量が、多結晶超硬材料の少なくとも７０体積パーセントであり、最大でも９８体積パーセントである、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の多結晶超硬材料。
【請求項１５】
前記多結晶超硬材料がＰＣＤであり、前記超硬粒がダイヤモンドを含んでなるか、あるいは、
前記多結晶超硬材料がＰＣＢＮであり、前記超硬粒がｃＢＮを含んでなる、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の多結晶超硬材料。
【請求項１６】
前記多結晶超硬材料が、最大でも１０体積パーセントのダイヤモンド用触媒材料を含んでなるＰＣＤである、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の多結晶超硬材料。
【請求項１７】
請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の多結晶超硬材料を含んでなる、超硬摩耗素子。
【請求項１８】
複数の領域を含んでなり、各領域は、少なくとも一つは構造特性が異なる多結晶超硬材料を含んでなり、領域のうち少なくとも一つは多結晶超硬材料を含んでなる、請求項１７に記載の超硬摩耗素子。
【請求項１９】
前記超硬摩耗素子が、金属を含んでなる被加工物の機械加工、穿削、または切断に使用される、請求項１７または請求項１８に記載の超硬摩耗素子。
【国際調査報告】
2013530813.tif 000009
2013530813.tif 000010
2013530813.tif 000011