(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピックツール用の先端部であって、
基材体に接合された多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）構造部を備え、
ＰＣＤ構造部は、基材体との境界部の反対側にある頂部を含む打撃面を有し、
頂部と、基材体との境界部と、の間におけるＰＣＤ構造部の厚みが、少なくとも３ｍｍであり、
ＰＣＤ構造部は、ダイヤモンドのための触媒材料を少なくとも備えるフィラー材料を含むＰＣＤ材料からなり、
フィラー材料の含有量は、ＰＣＤ材料の５重量％よりも大きく、かつ、触媒材料の含有量は、ＰＣＤ構造部において概ね均一であり、
前記先端部は、頂部を含む打撃面の少なくとも一領域に近接する、ＰＣＤ構造部の外側体積部を含み、
外側体積部は、ダイヤモンド粒の間のフィラー材料を含み、
フィラー材料の含有量は、外側体積部において、ＰＣＤ材料の５重量％よりも大きい、先端部。
【請求項２】
基材体は、５〜８重量％のコバルトを含む超硬合金材料を備える、請求項１に記載の先端部。
【請求項３】
前記境界部は、頂部に対向する基材体において窪み部を含む、請求項１または２に記載の先端部。
【請求項４】
前記境界部は、頂部に対向する基材体から突出している凸領域を含む、請求項１または２に記載の先端部。
【請求項５】
前記先端部は、ＰＣＤ構造部と基材との間に中間体積部を備え、
中間体積部は、ＰＣＤ構造部の体積よりも大きく、かつ、ＰＣＤ構造部の平均ヤング率の少なくとも６０％かつ最大で９０％の平均ヤング率を有する中間材料を備えている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の先端部。
【請求項６】
ＰＣＤ構造部は、複数の層を備え、
前記複数の層は、隣接する層が異なるＰＣＤグレードを備え、かつ隣接する層がダイヤモンド粒の相互成長によって互いに直接的に結合されるよう配置されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の先端部。
【請求項７】
打撃面は、長手方向における少なくとも１ｍｍかつ最大で４ｍｍの曲率半径を有する曲線的な頂部を含む円錐形の形状を画定し、
打撃面は、基材体との境界部の反対側に配置されている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の先端部。
【請求項８】
打撃面の少なくとも一部、または打撃面の少なくとも一部への接平面が、先端部の周辺の側部に対して所定の角度で配置されており、
当該角度は、少なくとも３５度かつ最大で５５度であり、
先端部の周辺の側部は、基材の周辺の側部を含んでいる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の先端部。
【請求項９】
ＰＣＤ構造部の体積は、基材体の体積の少なくとも７０％であり、かつ基材体の体積の最大で１５０％である、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の先端部。
【請求項１０】
ＰＣＤ構造部の体積は、基材体の体積の５０％を超えており、かつ基材体の体積の７０％未満である、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の先端部。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の先端部を製造する方法であって、
前記先端部は、基材体との内側の境界部から離れた打撃面を有するＰＣＤ構造部を備え、
前記方法は、
頂部を有する所定の形状体に対応する体積部を画定するよう構成された内面を有するカップを準備することと、
ダイヤモンドのための触媒材料の源と組み合わされた複数のダイヤモンド粒を備える集合体を準備することであって、ここで触媒材料の源は、打撃面に隣接するＰＣＤ構造部の一領域が、５重量％を超える触媒材料を備えるよう、内側の境界部から離れた外側の境界部に近接する集合体の少なくとも一領域に設けられている、集合体を準備することと、
集合体を体積部の中に配置して、形状体を集合体の近位端部に押し付けることと、
集合体が基材体とカップの間に配置されるように、基材体を集合体の遠位端部に対して配置して、予備焼結組み立て体を形成することと、
触媒材料の存在下において、ダイヤモンドを焼結するのに適した所定の温度および圧力に予備焼結組み立て体を曝すことと、を備え、
頂部と内側の境界部との間における集合体の厚みは、少なくとも３ｍｍであり、かつ、頂部と基材との境界部との間における焼結されたＰＣＤ構造部の厚みが少なくとも３ｍｍになるように十分に大きくなっている、方法。
【請求項１２】
触媒材料の源が、混合パウダーの形態またはダイヤモンド粒上の堆積物の形態で、ダイヤモンド粒の集合体の内部に設けられている、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
ダイヤモンド粒の集合体は、触媒材料の先駆体材料を含んでいる、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
炭酸コバルトまたは炭酸ニッケルから選択される金属炭酸塩の先駆体結晶を準備することと、
金属炭酸塩を対応する金属酸化物へ変換することと、
金属酸化物材料とダイヤモンド粒とを混合して混合物を準備することと、
混合物を粉砕して、ダイヤモンド粒の表面に分散された金属酸化物材料を生成することと、
酸化物を還元することと、を含む、請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の先端部を備えるピックツールであって、
先端部は、挿入シャフトを備える支持体に接合されており、
挿入シャフトは、スチールベースの孔に焼き嵌めされており、
スチールベースは、ピックをキャリア車両に連結するための連結シャンクを備えている、ピックツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は概して、ピックツール用の先端部、当該先端部の製造方法、および当該先端部を備えたピックツールに関し、ここで先端部は、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）構造部を備えている。
【背景技術】
【０００２】
米国特許出願公開第２０１０／００６５３３８号は、非平坦な境界部で超硬合金基材に結合された超硬質材料を有する高衝撃耐性ツールを開示している。超硬質材料は、１０〜１００μｍの平均粒径を有し、かつ好ましくは１〜５重量％の濃度のコバルトを備える多結晶構造部であり得る。
【０００３】
米国特許出願公開第２００９／０２７３２２４号は、非平坦な境界部で超硬合金基材に結合された超硬質材料を有する高衝撃摩耗耐性ツールを開示している。超硬質材料は、少なくとも０．１００インチの厚みを有し、かつ、３５〜５５度の刃先角を形成している。超硬質材料は、実質的に別個の複数のダイヤモンド層を有している。複数の層の各々は、異なる触媒材料濃度を有している。超硬質材料の基材に隣接するダイヤモンド層は、超硬質材料の遠位端におけるダイヤモンド層よりも高い触媒材料濃度を有している。基材に隣接するダイヤモンド層は、５〜１０％の触媒材料濃度を有していてもよい。超硬質材料の遠位端におけるダイヤモンド層は、２〜５％の触媒材料濃度を有していてもよい。超硬質材料の遠位端におけるダイヤモンド層は、浸出されていてもよく、かつ、０〜１％の触媒材料濃度を有していてもよい。
【０００４】
米国特許第７，５８８，１０２号は、非平坦な界面で超硬合金基材に結合された金属母材内のダイヤモンド粒子の焼結体を備えるツールを開示している。打撃面が、少なくとも１つの領域を有する。高圧高温のプロセスの間、制限された量の金属が基材から当該領域に到達するよう、上記少なくとも１つの領域は、非平坦な界面から十分に離れている。当該量は、当該領域の体積の５〜０．１％を備え、結果として、当該領域は高濃度のダイヤモンド粒子を有する。当該特許は、さらに、高衝撃耐性ツールを製造するための方法を開示しており、当該方法は、ダイヤモンドまたはダイヤモンド等の粒子の塊と、非平坦な界面を有する超硬合金基材と、を提供する工程であって、当該塊が、界面から少なくとも０．１００〜０．５００インチ離れた領域を有する打撃面を備える、工程と、コバルトの濃度が当該領域における体積の５〜０．１％になるように当該領域にコバルトを到達させるのに十分に長く高圧高温のプロセスで上記塊を基材に焼結させる工程と、を含んでいる。
【０００５】
破壊に対する高い耐性を有するＰＣＤ先端部を備えるピックツールに対する需要が存在している。
【発明の開示】
【０００６】
第１の側面からは、ピックツール用の先端部であって、基材体に接合された多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）構造部を備え、ＰＣＤ構造部は、基材体との境界部の反対側にある頂部を含む打撃面を有し、ＰＣＤ構造部の少なくとも外側体積部は、ダイヤモンド粒の間のフィラー材料を含み、フィラー材料の含有量は、外側体積部において、ＰＣＤ材料の５重量％よりも大きく、外側体積部は、頂部を含む打撃面の少なくとも一領域に近接しており（すなわち、接しており、近傍に位置し、または、最大で５０μｍの離間状態にあり）、頂部と、基材体との境界部と、の間におけるＰＣＤ構造部の厚みは、少なくとも約２．５ｍｍまたは少なくとも約３ｍｍである、ピックツール用の先端部が提供される。
【０００７】
開示される先端部には、様々な構成および組合せが考えられる。以下の例は、非排他的な、非限定的な例であり、それらの特徴は、その他の例における特徴との組合せとして現れてもよい。
【０００８】
いくつかの例示的な構成において、フィラー材料は、ダイヤモンドのための触媒材料を実質的に備えてまたは含んでいてもよく、若しくは、フィラー材料はダイヤモンドのための触媒材料を実質的に含んでいなくてもよい。例えば、フィラー材料は、コバルト、鉄および／またはニッケルを備えていてもよい。いくつかの例において、ＰＣＤ構造部は、フィラー材料を含むＰＣＤ材料から実質的に構成されていてもよく、ここで、フィラー材料の含有量は、ＰＣＤ材料の５重量％よりも大きい。
【０００９】
打撃面の領域は、実質的にＰＣＤ構造部の打撃面全域にわたって広がっていてもよく、若しくは、概して少なくとも打撃面の円錐形の部分にわたって広がっていてもよい。
【００１０】
外側体積部は、打撃面の領域から、打撃面の領域から少なくとも１００μｍの深さのところまで広がっていてもよく、若しくは、打撃面の領域から最大で５０μｍの深さのところから、打撃面の領域から少なくとも１００μｍの深さのところまで広がっていてもよい。いくつかの構成において、ＰＣＤ構造部は、打撃面の領域から、打撃面の領域から最大で５０μｍの深さのところまで広がるゾーンにおいて、フィラー材料を実質的に含んでいなくてもよい。
【００１１】
外側体積部は、打撃面の領域から、打撃面の領域から最大で５０μｍの深さのところまでに、打撃面の領域に隣接する領域であって、５重量％よりも少ない触媒を有する、または触媒材料を実質的に有さない領域を含んでいてもよい。または、外側体積部は、打撃面に直接的に隣接する、５重量％を超える触媒材料を備えていてもよい。
【００１２】
ＰＣＤ構造部の打撃面は、概して曲線的な円錐形の形状を画定していてもよく、頂部は、円錐体の丸められた先端となっている。ＰＣＤ構造部と基材体との間の境界部は、概して平坦であってもよく、または概して非平坦であってもよい。また境界部は、基材体において窪み部を含んでいてもよく、および／または、基材体からの突起部を含んでいてもよい。基材体の窪み部は、ＰＣＤ構造部の頂部に概して対向して配置されていてもよい。いくつかの構成において、基材は、境界面が、頂部に対向する基材体から突出している凸領域を含むよう、構成される。凸領域は、（境界面上に包含される、比較的に小さい窪み部および／または突起部は別にして、）基材体によって画定された、概して連続的に凸の境界面の一部であってもよく、または、凸領域は、平坦な形状またはその他の非平坦な形状を有する領域によって囲まれていてもよい。
【００１３】
ＰＣＤ構造部は、概して単一のグレードのＰＣＤから構成されていてもよく、または、ＰＣＤ構造部は、積み重ねられた、すなわち積層体の構成などの様々な方法で配置された複数のＰＣＤグレードを備えていてもよい。ＰＣＤ構造部における触媒材料の含有量は、概して均一であってもよく、概して不均一であってもよく、または、ＰＣＤ材料の少なくとも約５重量％〜約２０重量％の範囲内で変化してもよい。ＰＣＤ構造部は、隣接する層が異なるＰＣＤグレードを備え、隣接する層がダイヤモンド粒の相互成長によって互いに直接的に結合される、というように配置された複数の層を備えていてもよい。
【００１４】
打撃面は、長手方向において（すなわち、頂部を通り、基材との境界部に交わる平面において）、少なくとも約１ｍｍかつ最大で約４ｍｍの曲率半径を有する曲線的な頂部を含む概して円錐形の形状を画定していてもよく、打撃面は、基材体との境界部の反対側に配置されている。頂部と基材体の境界部との間のＰＣＤ構造部の厚みは、最大で約１０ｍｍであってもよい。打撃面の少なくとも一部、または打撃面の少なくとも一部への接平面が、先端部の周辺の側部に対して所定の角度で配置されていてもよく、当該角度は、少なくとも３５度かつ最大で５５度であり、先端部の周辺の側部は、基材の周辺の側部を含んでいる。１つの特定の例において、当該角度は、概して４３度であってもよい。いくつかの構成において、ＰＣＤ構造部の体積は、基材体の体積の少なくとも７０％であり、かつ基材体の体積の最大で１５０％であってもよい。その他の構成において、ＰＣＤ構造部は、基材の体積の７０％未満であり、かつ基材の体積の５０％を超える体積を有していてもよい。
【００１５】
いくつかの構成において、先端部は、ＰＣＤ構造部と基材との間に中間体積部を備えていてもよく、中間体積部は、ＰＣＤ構造部の体積よりも大きく、かつ、ＰＣＤ材料の平均ヤング率の少なくとも６０％かつ最大で９０％の平均ヤング率を有する中間材料を備えている。
【００１６】
第２の側面から見ると、本開示による先端部を製造する方法であって、当該方法は、複数のダイヤモンド粒とダイヤモンドのための触媒の源とを備える集合体を準備することと、集合体を、本開示によるＰＣＤ構造部を焼結するために適した形状に成形することと、を備え、集合体は、基材体または中間基材体との内側の境界部に対して配置されて、予備焼結アッセンブリを形成し、触媒材料の源は、内側の境界部から離れた外側の境界部に近接する、集合体の少なくとも１つの領域に設けられており、当該方法は、予備焼結アッセンブリを、複数のダイヤモンド粒がともに焼結され得る圧力および温度に曝して、内側の境界部から離れた打撃面を有するＰＣＤ構造部を形成することを備え、ＰＣＤ構造部の１つの領域は、打撃面から約１００μｍの深さまでのところにあり、または、５重量％を超える触媒材料を備える打撃面に隣接しており、頂部と内側の境界部との間における集合体の厚みは、少なくとも約２．５ｍｍまたは少なくとも約３ｍｍである、方法が提供される。
【００１７】
頂部と境界部との間における集合体の厚みは、頂部と基材との境界部との間における焼結されたＰＣＤ構造部の厚みが少なくとも約２．５ｍｍとなるよう、集合体が焼結されてＰＣＤ構造部を形成するようになるときの、集合体の寸法における潜在的な変化を考慮して、十分に大きくされる。
【００１８】
様々な構成および組合せが、本開示による方法のために考えられる。例えば、集合体は、基材体または中間基材体との内側の境界部から離れた概して円錐形の外側の境界部を有するように構成されていてもよい。外側の境界部は、曲線的な頂部を含んでいてもよい。１つの構成において、内側の境界部は、頂部に対向する窪み部を含んでいてもよい。
【００１９】
第３の側面から見ると、本開示による先端部を備えたピックアッセンブリが提供され得る。先端部は、スチールベースに取り付けられた支持体に接合されていてもよく、支持体は、挿入シャフトを備えている。スチールベースは、挿入シャフトを収容するよう構成された孔を有し、かつ、ピック用ドラムなどのツールキャリアにスチールベースを連結するための取り付け部材を備えている。支持体の体積は、少なくとも６ｃｍ３、少なくとも１０ｃｍ３、または少なくとも１５ｃｍ３になっている。挿入シャフトは、孔に焼き嵌めされていてもよい。いくつかの例において、基材体は、少なくとも約７Ｇ.ｃｍ３／ｇかつ最大で約１１Ｇ.ｃｍ３／ｇの磁気飽和と、少なくとも約９ｋＡ／ｍかつ最大で約１４ｋＡ／ｍの飽和保磁力と、を有する超硬合金を備えていてもよい。基材体は、少なくとも約５重量％のコバルトかつ最大で約１８重量％のコバルトと、少なくとも約９０Ｒａのロックウェル硬さと、少なくとも約２５００ＭＰａの横方向破断強度と、少なくとも約１２０Ｏｅかつ最大で約１７０Ｏｅの磁気保磁力と、を含む超硬合金材料を備えていてもよく、または当該超硬合金材料からなっていてもよい。比較的に低いバインダー含有量を有する超硬合金は、高められた剛性と、使用中の先端部への支持と、を提供することが可能であり、このことは、破壊のリスクを低減する上で役立ち得る。
【００２０】
第４の側面から見ると、破壊されるべきボディに対してピックツールを駆動するための車両に連結される、本開示によるピックツールを備えるピック装置が提供され得る。
【００２１】
本開示によるピック先端部は、摩耗耐性を実質的に低減させることなく、使用中に破壊に対する高められた耐性を有することが可能である。特定の理論によっては制限されないが、このことは、打撃面に近接するダイヤモンド粒の間の隙間の中に十分な材料が存在することが、先端部の破壊靱性を高めることができるからである。このことの１つの理由は、使用中に打撃面において起こるクラックのリスクの低減であり得る。このことは、境界部の形状などの、先端部のためのデザインの選択肢の範囲の増加を生じさせることができる。従って、本開示によるピックは、拡大された動作寿命を有することができる。
【００２２】
開示される方法は、比較的に厚いＰＣＤ構造部が、ＰＣＤ構造部と基材との間の境界部から離れた面に隣接する触媒の含有量が比較的に高くなることができるように作製され得る、という側面を有している。特定の理論には制限されないが、このことは、当該方法が、源からの触媒材料の浸透に頼らないからであり、このことは、源から離れた触媒材料の量が、源に隣接する触媒材料の量よりも概ね小さくなることを生じさせ得る。作業面に近接するコバルトの高い量は、使用中のピック先端部の破壊耐性を改善することができ、このことは、先端部の構成のその他の開示されている側面との組合せによりさらに高められ得る。このことは、ＰＣＤ構造部の応力状態に影響を及ぼすことができ、および／または、ＰＣＤ構造部の内部におけるクラックの繁殖の変遷に影響を及ぼすことができる。摩耗耐性などのその他の特性および側面も影響されることがあり、このことは、使用中の、開示される先端部の性能に有害に影響を及ぼすようには見えない。当該方法はまた、基材からダイヤモンド集合体の中へのコバルトの浸透における所定の有害な影響が低減され得るという側面を有することができ、また特に、基材とＰＣＤ構造部との間の界面におけるコバルトの貯留の著しい低減を導くことができる。このことにより、一方では界面に沿ったせん断破壊を和らげるがしかしながらより複雑な残留応力を誘起し得るものである、より複雑な非平坦な界面への需要を、低減することが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
本開示を説明するための、非限定的な、例示的な構成が、図を参照して以下に説明される。
【図１】ピックツールのための例示的な先端部を示す側面図。
【図２】ピックツールのための例示的な先端部を示す断面図。
【図３】ピックツールのための例示的な先端部を示す断面図。
【図４】ピックツールのための例示的な先端部を示す断面図。
【図５】例示的なピックツールを示す長手方向断面図。
【図６】例示的なピックツールを示す長手方向断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１、図２、図３および図４を参照すると、複数の例示的な先端部１００は各々、基材体１３０に接合されたＰＣＤ構造部１２０を備え、各ＰＣＤ構造部１２０は、基材１３０との境界部１３２の反対側にある曲線的な頂部１２２を含む、概して円錐形の打撃面１２４を有している。隣接する打撃面１２４を含む、ＰＣＤ構造部１２０のほぼ全体の体積は、コバルトを含む少なくとも約６または７重量％の触媒材料を備えている。基材は、タングステン系超硬合金を備え、またＰＣＤ構造部は、少なくとも約８５体積％の合成ダイヤモンドを備えている。曲線的な頂部は、少なくとも約１．５ｍｍかつ最大で約４ｍｍの、長手方向における曲率半径を有している（長手方向軸が、図２においてＬによって示されている）。１つの特定の構成において、曲率半径は、約２．２５ｍｍであってもよい。
【００２５】
図２に示される例示的な先端部１００において、ＰＣＤ構造部１２０と基材１３０との間の境界部１３２は、ＰＣＤ構造部の頂部１２２の反対側にある窪み部を、基材１３０に含んでいる。窪み部は、別の形態では、基材１３０の概してドーム状の端部の中に形成されて窪み点を構成している。窪み点において、窪み部は、少なくとも部分的に隆起部によって囲まれている。窪み部は、少なくとも約０．５ｍｍかつ最大で約１０ｍｍの、長手方向における（すなわち、Ｌに平行な平面内における）曲率半径と、少なくとも約０．１ｍｍかつ最大で約１ｍｍの、周囲の隆起部からの深さと、を有していてもよい。ＰＣＤ構造部は、少なくとも約３ｍｍかつ最大で約８ｍｍまたは最大で約１０ｍｍの、頂部１２２から窪み部の底部までの高さを有していてもよい。
【００２６】
図３に示される例示的な先端部１００においては、中間基材１３４が、ＰＣＤ構造部１２０と基材１３０との間に配置されており、ＰＣＤ構造部と中間基材１３４との間の境界部１３２は、概して円錐形であり、かつ打撃面１２４に対して概して等角のものとなっている。中間基材１３４は、ＰＣＤ構造部１２２から遠い側の境界部１３６において基材に接合されており、また中間基材１３４は、金属炭化物粒およびダイヤモンド粒を備えている。中間基材１３４は、ＰＣＤ構造部１２０の剛性と基材１３０の剛性との中間の剛性を有している。中間基材１３４は、少なくとも約６５０ＧＰａかつ最大で９００ＧＰａのヤング率を有する材料を備えていてもよく、ＰＣＤ構造部のヤング率は、少なくとも約１０００ＧＰａである。
【００２７】
図４に示される例示的な先端部１００において、複数のＰＣＤ構造部１２０の各々は、複数のレイヤーすなわち層１２６を備えており、複数の連続した層１２６は、交互に配置された、異なるグレードのＰＣＤ材料を備えている。複数の層１２６は、使用中に打撃面１２４の近傍に生成されたクラックを、ＰＣＤ構造部の内側の領域から離れるように向けるよう、または基材の境界部１３２から離れるように向けるよう、構成されていてもよい。複数の層１２６は、打撃面１２４の少なくとも一部に対して概して等角に配置されていてもよく、また複数の層１２６は、約３０〜３００μｍの範囲内の厚みを有していてもよい。
【００２８】
図５および図６を参照すると、例示的なピックツール装置２００の各々は、接合界面２１２において支持体２１０に接合された先端部１００と、挿入シャフトを備える支持体２１０と、を備えている。挿入シャフトは、ベース２２０に形成された孔の中に焼き嵌めされている。ベース２２０は、図示しない連結機構を介してピック２００を、図示しないドラム上に取り付けるためのシャンク２２２を有している。図５に示される例示的な装置において、シャンク２２２は、支持体２１０の挿入シャフトに対して概して一列に整列されていないが、しかしながら、図６に示される例示的な装置においては、シャンク２２２は、支持体２１０の挿入シャフトに対して概して一列に整列されている。支持体２１０の体積は、少なくとも約１０ｃｍ３であってもよく、また支持体２１０の挿入シャフトの長さは、その直径に少なくとも等しくなっていてもよく、および／または、少なくとも約４ｃｍになっていてもよい。ここで、「焼き嵌め」とは、複数の構成要素の間において、複数の構成要素のうちの少なくとも１つの構成要素における相対的な寸法の変化（形状がある程度変化してもよい）によって達成される、構成要素間における一種の締まり嵌めのことである。これは、通常は、組み立ての前に１つの構成要素を加熱または冷却し、そして、組み立ての後に当該構成要素が周囲温度に戻るようにすることによって、実現される。焼き嵌めは、プレス嵌めとの対比により理解される。プレス嵌めにおいては、１つの構成要素は、その他の構成要素の孔または窪みの中に無理やり押し込まれる。このことは、構成要素の間に相当な摩擦応力を生じさせることを含み得る。いくつかの変形例において、支持体２１０は、最大で約８μｍの平均寸法を有する金属炭化物の粒と、最大で約１０重量％の、コバルト（Ｃｏ）などの金属バインダー材料と、を備える超硬合金材料を備えている。支持体２１０をベース２２０に焼き嵌めすることは、比較的に硬いグレードの超硬合金が使用されることを可能にし、このことは、先端部１００への支持を高め、かつ破壊のリスクを低減し得る。
【００２９】
基材に接合されて形成されたＰＣＤ構造部を備える先端部を作製する方法の例が、以下に説明される。
【００３０】
一般に、先端部は、複数のダイヤモンド粒を備える集合体を、超硬合金基材体の上に配置し、そして、結果として生じる組み立て体を、ダイヤモンドのための触媒材料の存在下において、ダイヤモンドがグラファイトよりも熱力学的により安定である超高圧かつ高温に曝し、複数のダイヤモンド粒を焼結させ、ＰＣＤ構造部を基材体に接合させることによって、作製され得る。超硬合金基材体の内部のバインダー材料は、コバルト、鉄またはニッケル、若しくはそれらのいずれかを含む混合物または合金などの触媒材料の源を提供してもよい。触媒材料の源は、ダイヤモンド粒の集合体の内部に、例えば混合パウダーまたはダイヤモンド粒上の堆積物の形態で提供されてもよい。触媒材料の源は、集合体と基材体との間の境界部以外で、集合体の境界部に近接して提供されていてもよい。例えば、焼結されたＰＣＤ構造部の打撃面に対応することになる集合体の境界部に隣接している。
【００３１】
いくつかの例示的な方法において、集合体は、概してばらばらの（loose）複数のダイヤモンド粒を備えていてもよく、または、バインダー材料によって互いに保持された複数のダイヤモンド粒を備えていてもよい。集合体は、微粒、ディスク、ウェハーまたはシートの形態であってもよい。集合体は、例えば、ダイヤモンドのための触媒材料を含んでいてもよく、および／または、異常なダイヤモンド粒成長を低減するための添加物を含んでいてもよく、または集合体は、触媒材料または添加物を実質的に含んでいなくてもよい。
【００３２】
いくつかの例示的な方法において、バインダー材料によって互いに保持された複数のダイヤモンド粒を備える複数のシートの形態による集合体が提供されていてもよい。複数のシートは、押し出し加工法やテープ成形法などの既知の方法によって作製され得る。この場合、スラリーは、各ＰＣＤの所望のグレードを作製するのに適したものである寸法分布をそれぞれ有するダイヤモンド粒を備えており、また、バインダー材料は、所定の表面上に広げられ、そして乾燥させられる。米国特許第５７６６３９４号や米国特許第６４４６７４０号などに記載されている、ダイヤモンド含有シートを作製するためのその他の方法が使用されてもよい。ダイヤモンド保持用の層を堆積させるためのその他の方法は、溶射法などのスプレー法を含んでいる。バインダー材料は、メチルセルロースやポリエチレングリコール（ＰＥＧ）などの、水溶性の有機バインダーを備えていてもよい。また、異なる寸法分布、ダイヤモンド量または添加物を有する複数のダイヤモンド粒を備える、異なる複数のシートが設けられていてもよい。例えば、約１０μｍ〜約８０μｍの範囲内の平均寸法を有するダイヤモンドを備える複数のシートが設けられ、ディスクがシートから切断されてもよく、または、シートが細分化されてもよい。複数のシートはまた、コバルトなどの、ダイヤモンドのための触媒材料を含んでいてもよく、および／または、触媒材料の先駆体材料を含んでいてもよく、および／または、ダイヤモンド粒の異常な成長を抑制するための、またはＰＣＤ材料の特性を高めるための添加物を含んでいてもよい。例えば、複数のシートは、約０．５重量％から約５重量％のバナジウム炭化物、クロム炭化物またはタングステン炭化物を含んでいてもよい。
【００３３】
例示の方法のいくつかのバージョンにおいて、ダイヤモンド粒の集合体は、触媒材料の先駆体材料を含んでいていてもよい。例えば、集合体は、金属炭酸塩の先駆体材料、とりわけ金属炭酸塩結晶を含んでいてもよい。また、当該方法は、バインダー先駆体材料を、対応する金属酸化物へ変換することと、典型的には熱分解または分解によって、金属酸化物系のバインダー先駆体材料を、ダイヤモンド粒子の塊と混合することと、混合物を粉砕して、ダイヤモンド粒子の表面に分散された金属酸化物先駆体材料を生成することと、を含んでいる。金属炭酸塩結晶は、炭酸コバルト、炭酸ニッケル、炭酸銅などから選択され、特に炭酸コバルトから選択され得る。触媒先駆体材料は、金属酸化物の平均粒子寸法が約５ｎｍ〜約２００ｎｍの範囲内になるまで粉砕されてもよい。金属酸化物は、例えば、炭素の存在下における真空環境において、および／または水素還元によって、所定の金属分散度にまで低減され得る。炭酸コバルト結晶などの金属炭酸塩の制御された熱分解が、対応する金属酸化物、例えば酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４）を生成するための方法を提供し、これによって、低減されたコバルトの金属分散度になり得る。酸化物の低減は、炭素の存在下における真空環境において、および／または水素還元によって、実行され得る。
【００３４】
超硬合金を備える基材体であって、超硬合金内において結合材料またはバインダー材料がコバルトなどのダイヤモンドのための触媒材料を備える、という基材体が提供されてもよい。基材体は、その上にＰＣＤ構造部が形成される、非平坦なまたは概して平坦な近位端部を有していてもよい。例えば、近位端部は、ＰＣＤ内部における残留応力を低減するまたは少なくとも緩和するよう構成され得る。概して円錐形の内面を有するカップが、ダイヤモンド集合体を組み立てるときの使用のために基材体上に設けられてもよく、ダイヤモンド集合体は、複数のダイヤモンド含有シートの組み立て体の形態であってもよい。集合体は、カップの中に配置され、そして、内面に対して概して等角に嵌まるよう構成され得る。基材体は、その後、はじめに、近位端部の踏面(going)に関してカップの中に挿入され、そして、ダイヤモンド粒の集合体に対して押し込まれてもよい。基材体は、集合体の上に配置された第２のカップと、第１および第２のカップを相互に交絡または接合して予備焼結組み立て体を形成することと、によって、集合体に対して強固に保持され得る。
【００３５】
予備焼結組み立て体は、ダイヤモンド粒を焼結して、基材体上に焼結されたＰＣＤ構造部を備える構造体を形成するために、超高圧での押圧のためのカプセルの中に配置され、そして、少なくとも約５．５ＧＰａの超高圧および少なくとも摂氏約１３００°の温度に曝されてもよい。当該方法の１つのバージョンにおいて、予備焼結組み立て体が超高圧かつ高温で処理されるとき、支持体の内部のバインダー材料が溶解し、ダイヤモンド粒の集合体に浸透する。支持体からの、および／または集合体の内部に設けられた源からの、溶解した触媒材料の存在が、相互成長によるダイヤモンド粒の焼結を促進してＰＣＤ構造部を形成するであろう。
【００３６】
動作中、ピックツールは、駆動装置上に取り付けられ、そして、破壊されるべき構造体へ向けて、先端部を先頭にして、駆動装置によって前方へ駆動されることができる。例えば、複数のピックツールが、再舗装のために道路を破壊するという使用を可能にするため、アスファルトの破壊のためのドラム上に取り付けられ得る。ドラムは、車両に連結され、そして回転させられる。ドラムが道路の表面の近傍にもたらされる際、ピックツールは、ドラムが回転するときに繰り返し道路に衝突し、そして、先頭の先端部が、アスファルトを破壊する。同様の手法が、石炭採鉱において石炭層を破壊するために用いられ得る。
【００３７】
非限定的な、例示的な構成が、以下に詳細に説明される。
【００３８】
（実施例１）
ＰＣＤ構造部を備えた先端部のための基材が、約８重量％のＣｏ（コバルト）と約９２重量％のＷＣ（タングステン炭化物）との圧縮混合体を備えたしら地（green body）を形成し、しら地を所望の形状に加工し、そして超硬合金材料を備えた基材を形成するようにしら地を焼結することによって、もたらされ得る。基材は、窪み点のドームとして構成された近位端部を有していてもよく、ここで、概してドーム形状の端部は、中央の、概して円形の窪み部を、ノーズ部に有していてもよい。窪み部は、周囲の円形の隆起部の頂部から測定して約０．３ｍｍの深さを有していてもよく、また窪み部は、窪み部の中央を通る長手方向の平面において、約１ｍｍの曲率半径を有していてもよい。近位端部は、隆起部から基材の円筒形の側部面まで延びる、周辺の先細状の外側体積部を備え、また、複数の小さな突起が、先細状の面に形成されていてもよい。隆起部の頂部は、曲線的なものであってもよい。
【００３９】
ダイヤモンド粒の集合体が、バインダー材料によって互いに保持されたダイヤモンド粒を含むシートの形状で提供されてもよい。シートは、約２０μｍの平均寸法を有するダイヤモンド粒を備え、かつ、テープ成形法によって作製されてもよい。この方法は、液体状のバインダー内で浮遊するダイヤモンド粒のスラリー、コバルトパウダーおよびバナジウム炭化物パウダーを提供することと、スラリーをシート形状に鋳造することと、それを乾燥して自立可能なダイヤモンド含有シートを形成することと、を含んでいる。乾燥の後、シートは、約３重量％のバナジウム炭化物と、約１重量％のコバルトと、を含むようになる。シートは、複数の破片に砕かれ得る。破片は、カップの中に配置されてもよく、カップの内側は、（焼結の間に生じ得る、予想される歪を考慮して、）ＰＣＤ構造部の打撃面の所望の形状を画定する。基材の近位端部が、カップの中に挿入され、そして、ダイヤモンド含有破片に対して押されて、予備焼結組み立て体を形成してもよい。予備焼結組み立て体は、破片の中のバインダー材料を焼き切ってしまうために、熱の下で脱ガスされ（out-gassed）、超高圧プレスのためのカプセルの中に配置され、そして、ダイヤモンド粒を焼結して基材に接合されたＰＣＤ衝撃構造部を備える圧縮体を形成するよう、少なくとも約６ＧＰａの超高圧および少なくとも約１３００℃の高温に曝されてもよい。圧縮体は、カプセルから取り除かれ、最終的な寸法までさらに処理されて、ピックツールのための先端部を提供してもよい。
【００４０】
衝撃構造部は、約１０３６ＧＰａのヤング率、約０．１０５のポイソン比、および約３．６９×１０−６／℃の熱膨張係数を有すると見積もられる。また、基材は、約６００ＧＰａのヤング率、約０．２１のポアソン比、および約５．７×１０−６／℃の熱膨張係数を有すると見積もられる。有限要素の数学的解析を用いて、衝撃構造部が図３Ｂに示されるような残留の軸方向圧縮応力の領域を含むであろうということが計算された。
【００４１】
（実施例２）
各々が、異なる平均寸法を有するとともに有機バインダーによって相互に保持されたダイヤモンド粒を含む、第１および第２のシートが、テープ成形法によって作製された。この方法は、液体状のバインダーの中で浮遊するダイヤモンド粒のスラリーをそれぞれ提供することと、スラリーをシート形状に鋳造することと、それらを乾燥して自立可能なダイヤモンド含有シートを形成することと、を含んでいた。第１のシートの内部におけるダイヤモンド粒の平均寸法は、約５μｍ〜約１４μｍの範囲内であり、第２のシートの内部におけるダイヤモンド粒の平均寸法は、約１８μｍ〜約２５μｍの範囲内であった。いずれのシートも、約３重量％のバナジウム炭化物と、約１重量％のコバルトと、を含んでいた。乾燥の後、それらのシートは、約０．１２ｍｍの厚みであった。約１３ｍｍの直径を有する１５個の円形のディスクが、各シートから切り出され、ディスク状のウェハーの第１のセットおよび第２のセットがもたらされた。
【００４２】
タングステン炭化物−コバルト超硬合金から形成された基材体が、提供され得る。基材体は、約１３ｍｍの直径と、中央の突出部材に関して形成された非平坦な端部と、を有する、概して円筒状の形状であってもよい。概して円錐形状を画定する型が、予備焼結組み立て体を組み立てるために準備され得る。ディスクが第１のセットおよび第２のセットで混ぜ合わされたものから互いに頂部の上に交互に積み重ねられて、ダイヤモンド含有ウェハーが型の中に配置されてもよい。約１８μｍ〜約２５μｍの範囲内の平均寸法を有するばらばらのダイヤモンド粒の層が、ウェハーの最も上の頂部に配置されてもよく、そして、非平坦な端部が層に対して押し込まれて、基材体が、カップに挿入された。
【００４３】
このようにして形成される予備焼結組み立て体は、超高圧プレスのためのカプセルの中に組み立てられ、そして、ダイヤモンド粒を焼結して基材体に結合されたＰＣＤ構造部を備えるＰＣＤ構造体を形成するよう、約６．８ＧＰａの圧力および少なくとも摂氏約１，４５０°の温度に約１０分間にわたって曝されてもよい。ＰＣＤ構造体は、道路修理用のピックのための先端部を仕上げるため、研削およびラップ仕上げによって処理されてもよい。
【００４４】
ここで使用されている所定の用語が、以下に簡潔に説明される。
【００４５】
合成および天然ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）および多結晶ｃＢＮ（ＰＣＢＮ）材料は、超硬質材料の例である。本明細書において、合成ダイヤモンドは、人工ダイヤモンドとも称されるものであるが、機械で製造されたダイヤモンド材料である。本明細書において、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料は、ダイヤモンド粒の塊（複数のダイヤモンド粒の集合体）を備えており、それらの本質的な部分は、直接的に互いに相互に結合されており、また、ダイヤモンドの含有量は、少なくとも材料の約８０体積％となっている。ダイヤモンド粒の間の隙間は、少なくとも部分的に、合成ダイヤモンドのための触媒材料を備えるバインダー材料によって充填されていてもよく、または、それらは実質的に空隙であってもよい。本明細書において、合成ダイヤモンドのための触媒材料とは、合成または天然ダイヤモンドが熱力学的に安定な温度および圧力において、合成ダイヤモンド粒の成長を促進することができる、および／または、合成または天然ダイヤモンド粒の直接的な相互成長を促進することができるものである。ダイヤモンドのための触媒材料の例は、鉄、ニッケル、コバルトおよびマンガン、およびそれらを含む合金である。ＰＣＤ材料を備える塊は、少なくとも１つの領域であって、隙間から触媒材料が取り除かれ、ダイヤモンド粒の間に格子間欠陥を残したことよる領域を備えていてもよい。本明細書において、ＰＣＢＮ材料は、金属および／またはセラミックス材料を備える母材の中に分散された立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の粒を備えている。
【００４６】
本明細書において、ＰＣＤグレードとは、ダイヤモンド粒の体積含有量および寸法、ダイヤモンド粒間の隙間領域の体積含有量、並びに隙間領域内に存在し得る材料の組成、に関して特徴付けられる、ＰＣＤ材料の変形例のことである。所定のグレードのＰＣＤ材料は、当該グレードに適した寸法分布を有するダイヤモンド粒の集合体を準備することと、任意ではあるが、触媒材料または添加物材料を集合体の中に導入することと、集合体を、ダイヤモンドのための触媒材料の源の存在下において、ダイヤモンドがグラファイトよりも熱力学的に安定であり、かつ触媒材料が溶解される所定の圧力および温度に曝すことと、を含むプロセスによって作製され得る。これらの状況の下で、溶解した触媒材料は、源から集合体の中に浸透することができ、そして、ＰＣＤ構造部を形成するよう、焼結プロセスにおいて複数のダイヤモンド粒の間における直接的な相互成長を促進することができる。集合体は、ばらばらの複数のダイヤモンド粒を備えていてもよく、または、バインダー材料によって相互に保持された複数のダイヤモンド粒を備えていてもよい。異なるＰＣＤグレードは、異なる微細構造および異なる機械的特性、例えば、弾性率（またはヤング率）Ｅ、弾性係数、抗折力（ＴＲＳ）、靱性（例えば、いわゆるＫ１Ｃ靱性）、硬度、密度および熱膨張率（ＣＴＥ）を有していてもよい。異なるＰＣＤグレードは、使用の際に異なる機能を発揮してもよい。例えば、異なるＰＣＤグレードの摩耗率および破壊抵抗は異なっていてもよい。
【００４７】
超硬質材料のその他の例は、シリコン炭化物（ＳｉＣ）などのセラミックス材料、または、（例えば、米国特許５４５３１０５号明細書または米国特許６９１９０４０号明細書に記載されている）Ｃｏ結合タングステン炭化物材料などの超硬合金材料を備える母材によってともに保持されたダイヤモンド粒またはｃＢＮ粒を備える所定の複合材料を含んでいる。例えば、所定のＳｉＣに結合されたダイヤモンド材料は、ＳｉＣ母材（これは、ＳｉＣ以外の形態で少量のＳｉを含んでいてもよい）に分散された、少なくとも約３０体積％のダイヤモンド粒を備えていてもよい。ＳｉＣに結合されたダイヤモンド材料の例は、米国特許第７００８６７２号明細書、米国特許第６７０９７４７号明細書、米国特許第６１７９８８６号明細書、米国特許第６４４７８５２号明細書および国際公開第２００９／０１３７１３号パンフレットに記載されている。
【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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【図６】
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