(57)【要約】  硬質相と、硬質相がその中に分散された金属マトリックス相とを含むアンビルであって、金属マトリックス相の濃度が濃度勾配に応じて変動するアンビルが開示される。アンビルは、高圧プレスに使用され得る。金属マトリックス相の中に分散された硬質相を形成する工程を含むアンビルを製造する方法であって、金属マトリックス相の濃度が濃度勾配に応じて変動する方法もまた、開示される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬質相と、
前記硬質相が中に分散された金属マトリックス相とを備えるアンビルであって、
前記金属マトリックス相の濃度が濃度勾配に応じて変動することを特徴とする、アンビル。
【請求項２】
前記硬質相が、炭化タングステン、炭化タンタル、炭化チタンおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される硬質材料を備える、請求項１に記載のアンビル。
【請求項３】
前記金属マトリックス相が、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を備える、請求項１に記載のアンビル。
【請求項４】
高圧を印加するための作業表面を更に備え、前記濃度勾配が、前記作業表面から前記アンビル内の勾配深度まで及ぶ、請求項１に記載のアンビル。
【請求項５】
前記作業表面における前記金属マトリックス相の濃度が、前記アンビル内の勾配深度における前記金属マトリックス相の濃度よりも低い、請求項４に記載のアンビル。
【請求項６】
前記作業表面における前記金属マトリックス相の濃度が、前記硬質材料と前記金属マトリックス相との総質量を基準にして、約５質量パーセントから約８質量パーセントまでの範囲にある、請求項４に記載のアンビル。
【請求項７】
前記アンビル内の勾配深度における前記金属マトリックス相の濃度が、前記硬質材料と前記金属マトリックス相との総質量を基準にして、約９質量パーセントから約１４質量パーセントまでの範囲にある、請求項４に記載のアンビル。
【請求項８】
前記金属マトリックス相の濃度が、それが前記作業表面から前記アンビル内の勾配深度まで及ぶにつれて、前記濃度勾配に沿って増加する、請求項４に記載のアンビル。
【請求項９】
前記金属マトリックス相の濃度が、それが前記作業表面から前記アンビル内の勾配深度まで及ぶにつれて、前記濃度勾配に沿って連続的に増加する、請求項８に記載のアンビル。
【請求項１０】
前記アンビル内の勾配深度が、前記作業表面から約０．１ｍｍから約３ｍｍまでの範囲にある、請求項４に記載のアンビル。
【請求項１１】
前記アンビル内の勾配深度が、前記作業表面から約０．１ｍｍから約１ｍｍまでの範囲にある、請求項４に記載のアンビル。
【請求項１２】
前記アンビルが、前記硬質相および前記金属マトリックス相を備える第１の層を備え、かつ前記アンビルが、
第２の硬質相と、
前記第２の硬質相が中に分散された第２の金属マトリックス相とを備える第２の層を更に備え、
前記第２の金属マトリックス相の濃度が第２の濃度勾配に応じて変動する、請求項１に記載のアンビル。
【請求項１３】
請求項１に記載のアンビルを備える、超高圧プレス。
【請求項１４】
硬質相と、前記硬質相が中に分散された金属マトリックス相とを備えるベルトを更に備え、前記金属マトリックス相の濃度は濃度勾配に応じて変動する、請求項１３に記載の超高圧プレス。
【請求項１５】
金属マトリックス相の中に分散された硬質相を備えるアンビルを製造する方法であって、前記金属マトリックス相の濃度が濃度勾配に応じて変動し、前記方法が、
前記硬質相および前記金属マトリックス相を備える複合材料を取得する工程であって、前記複合材料が第１の層と第２の層とを有し、前記第１の層と第２の層とが、ある量の前記金属マトリックスをそれぞれ含有し、前記層の一方は、前記硬質相の元素が欠乏しており、前記層の一方は、前記硬質相の前記元素が富化されている工程と、
前記元素の原子を前記富化層から前記欠乏層への方向に拡散させ、前記金属マトリックスの原子を前記拡散と同じ方向に流れさせる条件下で、前記複合材料を焼結して、前記複合材料における前記金属マトリックスの濃度勾配を生成する工程と
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項１６】
前記硬質相が炭化タングステンを備え、前記金属マトリックスがコバルトを備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記焼結により焼結体が形成され、前記方法が、前記焼結体を研磨して前記アンビルを形作る工程を更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
金属マトリックス相の中に分散された硬質相を備えるアンビルを製造する方法であって、前記金属マトリックス相の濃度が濃度勾配に応じて変動し、前記方法が、
前記硬質相が中に分散された前記金属マトリックス相を焼結して焼結体を形成する工程と、
前記焼結体を浸炭または復炭熱処理にさらす工程と
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項１９】
前記硬質相が炭化タングステンを備え、前記金属マトリックスがコバルトを備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記焼結体を前記浸炭または復炭熱処理にさらす前に、前記焼結体を研磨して前記アンビルを形作る工程を更に含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド複合物、および立体窒化ホウ素を生産する際に使用される、例えば立体プレスまたはベルトプレスなどの超高圧プレスに組み込まれるアンビルは、５０キロバールを超える圧力を発生させ、１５００℃を超える温度に隣接する。立体プレスに使用される典型的なアンビルは、約１８ｃｍのベース直径で約１８ｃｍの長さであるが、そのようなアンビルは、より小さい可能性があり、あるいは、それらは、極めてより大きい可能性がある。
【０００２】
均一な圧力を印加するために、アンビルの作業表面は、高い硬度を有するべきである。アンビルの作業表面の硬度が増加するにつれ、アンビルによって印加される圧力の均一性もまた増加する。アンビルを形成するための適切な材料は、例えばタングステン超硬合金を含み、そのタングステン超硬合金は、一般に、コバルト基に分散された炭化タングステン粒子を含む。
【発明の概要】
【０００３】
この概要は、発明を実施するための形態において以下に更に記載される概念の選択を導入するために提供される。この概要は、特許請求された主題の重要なまたは必須の特徴を識別することを意図されず、それは、特許請求された主題の範囲を限定する助けとして使用されることを意図されない。
【０００４】
出願の開示された主題の実施形態によれば、アンビルは、硬質相（hard phase）において金属マトリックス相（metal matrix phase）の濃度勾配を有する。例えば、アンビルは、硬質相と、硬質相がその中に分散された金属マトリックス相と、を含み得、金属マトリックス相の濃度は濃度勾配に応じて変動する。一実施形態では、硬質相は、炭化タングステン、炭化タンタル、炭化チタンおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される硬質材料を含む。金属マトリックス相は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、またはそれらの組み合わせを含み得る。
【０００５】
アンビルは、高圧を印加するための作業表面を更に含み得、濃度勾配は、作業表面からアンビル内の勾配深度（gradient depth）まで及ぶ。いくつかの実施形態では、作業表面における金属マトリックス相の濃度は、アンビル内の勾配深度における金属マトリックス相の濃度よりも低い。例えば、作業表面における金属マトリックス相の濃度は、硬質材料と金属マトリックス相との総質量を基準にして、約５質量パーセントから約８質量パーセントまでの範囲にあり得る。アンビル内の勾配深度における金属マトリックス相の濃度は、硬質材料と金属マトリックス相との総質量を基準にして、約９質量パーセントから約１４質量パーセントまでの範囲にあり得る。
【０００６】
いくつかの実施形態では、金属マトリックス相の濃度は、それが作業表面からアンビル内の勾配深度まで及ぶにつれて、濃度勾配に沿う。例えば、金属マトリックス相の濃度は、それが作業表面からアンビル内の勾配深度まで及ぶにつれて、濃度勾配に沿って連続的に増加し得る。一実施形態では、アンビル内の勾配深度は、作業表面から約０．１ｍｍから約２ｍｍまでの範囲にある。例えば、アンビル内の勾配深度は、作業表面から約０．１ｍｍから約１ｍｍまでの範囲にあり得る。
【０００７】
いくつかの実施形態によれば、アンビルは、複数の濃度勾配（例えば、２以上の濃度勾配）を有し得る。例えば、アンビルは、第１の硬質相と、第１の硬質相がその中に分散された第１の金属マトリックス相と、を含む第１の勾配層を含み得、第１の金属マトリックス相の濃度は第１の濃度勾配に応じて変動する。アンビルは、第２の硬質相と、第２の硬質相がその中に分散された第２の金属マトリックス相と、を含む第２の勾配層を更に含み得、第２の金属マトリックス相の濃度は第２の濃度勾配に応じて変動する。
【０００８】
いくつかの実施形態によれば、アンビルを製造する方法は、金属マトリックス相の濃度が濃度勾配に応じて変動する、前記金属マトリックス相に分散された硬質相を形成することを含む。いくつかの実施形態では、金属マトリックス相に分散された硬質相を形成することは、硬質相および金属マトリックス相を含む複合材料のサンプルを取得することを含み、サンプルは第１の層および第２の層を有し、第１の層および第２の層は、ある量の金属マトリックス相をそれぞれ含有し、その層の一方は、硬質相の元素が欠乏しており、その層の片方は、硬質相の元素が富化されている。方法は、その元素の原子を富化層から欠乏層への方向に拡散させ、金属マトリックス相の原子を拡散と同じ方向に流れさせる条件下でサンプルを焼結することと、それによって、サンプルにおける金属マトリックスの濃度勾配を生成することと、を更に含み得る。いくつかの実施形態では、硬質相は炭化タングステンを含み、金属マトリックス相はコバルトを含む。金属マトリックス相に分散された硬質相を形成することはまた、硬質相がその中に分散された金属マトリックス相を焼結し、焼結体を形成することと、浸炭（carburizing）または復炭（recarburizing）熱処理に焼結体をさらすことと、を含み得る。
【０００９】
添付の図面は、明細書と共に、本発明の実施形態を例示し、また、その記載と共に、発明の原理を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】立体プレスのためのアンビルを通る長手方向の断面図である。
【図２】立体プレスのためのアンビルを通る長手方向の断面図の拡大図である。
【図３】立体プレスのためのアンビルの等角図である。
【図４】立体プレスのための多層状アンビルの等角図である。
【図５】立体プレスのための多層状アンビルを通る長手方向の断面図である。
【図６】立体プレスのための多層状アンビルを通る長手方向の断面図の拡大図である。
【図７】ベルトプレスのためのベルトおよび一対のアンビルを通る長手方向の断面図である。
【図８】ベルトプレスのための多層状ベルトおよび一対の多層状アンビルを通る長手方向の断面図である。
【図９】アンビルを製造する方法の一実施形態を例示するフローチャートである。
【図１０】アンビルを製造する方法の一実施形態を例示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の発明を実施するための形態では、実例として、本発明の一定の実施形態だけが示され記載される。当業者が認識するであろうように、発明は、多くの異なる形態で具体化され得、本明細書に記載された実施形態に限定されるものとして解釈されるべきではない。
【００１２】
本出願の開示された主題の実施形態は、一般に、濃度勾配（すなわち、勾配構造）を含むアンビルに関するものである。例えば、アンビルは、硬質相と、硬質相がその中に分散された金属マトリックス相と、を含み得、金属マトリックス相の濃度は濃度勾配に応じて変動する。一定の実施形態では、アンビルが、アンビルの作業表面（すなわち、プレスの最高圧力に隣接する表面）で金属マトリックス相の比較的低い濃度と、アンビル内の勾配深度で金属マトリックス相の比較的高い濃度と、を有するように、アンビルは金属マトリックス相の濃度勾配を含む。すなわち、アンビルにおける金属マトリックス相の濃度は、アンビルの作業表面で最も低くすることができ、金属マトリックス相濃度は、アンビルの作業表面からアンビル内の勾配深度まで及ぶ濃度勾配（例えば、金属マトリックス相の濃度勾配）に応じて、それの最高濃度まで増加し得る。
【００１３】
勾配アンビル構造は、セル圧力が６０キロバールを上回って増加される際に特に有用である。内部セル圧力を増加するために、より高い印加荷重がアンビルに一般に印加される。これは、接触位置で起こる塑性変形の量を増加させる。この塑性変形は、金属相において局所的な永久歪みを作り出し、その歪みは、材料を脆弱にし、アンビルのサービス寿命を減らす。塑性変形はまた、内部セル圧力を作り出す際にアンビルの効率を悪くさせ、そのことは、次いで、効率の損失を補償するために印加される付加荷重につながり、それによって、アンビルのサービス寿命を更に減らす。接触領域においてコバルトが低減された局所的な勾配構造は、塑性変形の量を減らすことができ、したがって、金属相における永久歪みが低減され、アンビルは、サービスの間にそれらの形状をより良く維持することができる。
【００１４】
超高圧プレスに組み込まれるアンビルは、米国特許第５，７８０，１３９号により詳細に記載され、その米国特許の内容全体は、本明細書に参照によって明確に組み込まれる。高硬度タングステン超硬合金は、アンビルの作業表面について適切な硬度を有するが、低い破壊靭性を有し、動作の間にアンビル上で受けるピーク応力の下で裂ける可能性がある。その結果として、一体式のアンビルは、アンビル表面における塑性変形への所望の耐性と、破局的な亀裂成長に耐える十分な靭性を有することとの妥協を示し、現在のアンビルは、硬度が約９０〜９２Ｒｃ（ロックウェルスケール）に限定される。
【００１５】
上記問題を克服するために、アンビルは、異なるタングステン超硬合金の度合いの複数の層から製造されており、その複数の層において、プレスの最高圧力に隣接する作業層は、それの後ろの支持層よりも高い硬度を有し、支持層は、作業層よりも高い靭性を有する。しかしながら、そのようなアンビルの各層は、その層の全体にわたって炭化タングステンまたはコバルトの濃度に変動がほとんど無いタングステン超硬合金の均一な組成を含む。同様に、タングステン超硬合金の単一層だけを含むアンビルは、材料全体にわたって炭化タングステンおよびコバルトの濃度に変動がほとんど無い。タングステン超硬合金の硬度は炭化タングステンの濃度に依存し、靭性はコバルトの濃度に依存するので、そのような層は、層の全体にわたってほぼ一定の硬度および靭性を有する。更に、層状構造は、粉末が、積層技法によってまたは未焼結状態に機械加工することによって注意深く層状化されるので、製造するのが困難である。焼結の間、個々の層が異なる速度で固められ、そのことは、焼結に関連した応力をもたらし得、次いで、その応力は亀裂を引き起こす可能性がある。動作中、別個の層を有するアンビルは、早期の亀裂や層間剥離を引き起こす可能性がある層間の界面領域で生じる残留応力に起因した別個の欠点を有し得る。したがって、タングステン超硬合金の高い硬度と靭性機能の両方をうまく利用することができるアンビルであって、一方で、別個の層における境界面で形成される応力集中を避け、プレスにおいて超高圧を提供することができる超高圧プレスアンビルを提供し、その一方で、亀裂耐性特性および安定した寿命を保つ、アンビルの必要性がある。
【００１６】
立体プレスを用いる使用のためのアンビルは、例として実施形態を記載するために使用される。図１では、作業表面１１２からアンビル内の勾配深度１１３まで及ぶ濃度勾配１１１を含む立体プレスアンビル１００が描写される。例えば、濃度勾配１１１は勾配層であり得る。アンビルはまた、濃度勾配１１１に隣接したアンビル１１４の一部と、ベース区分１１５と、先端区分１１６と、を含む。一定の実施形態では、濃度勾配１１１は、作業表面全体１１２（すなわち、先端区分１１６の外部表面全体）からアンビル内の勾配深度１１３まで及び得る。他の実施形態では、濃度勾配１１１は、作業表面１１２の一部だけからアンビル内の勾配深度１１３の一部だけに及び得る。アンビルの実施形態は、ダイヤモンドおよび立体窒化ホウ素が安定する圧力範囲において動作する任意の超高圧プレスに使用され得る。
【００１７】
例えば、アンビルの実施形態は、多数アンビル立体セル、例えば、Ｗａｌｋｅｒ，Ｄａｖｉｄ，Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ，ｇａｓｋｅｔｉｎｇ，ａｎｄ  ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  ｉｎ  ｍｕｌｔｉａｎｖｉｌ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｍｉｎｅｒａｌｏｇｉｓｔ，Ｖｏｌ．７６，１０９２〜１１００（１９９１），Ｓｈａｔｓｋｉｙ，Ｔ．ｅｔ  ａｌ．，Ｈｉｇｈ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｓｃａｌｅｄ−ｕｐ  Ｋａｗａｉ−ｃｅｌｌ，Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅａｒｔｈ  ａｎｄ  Ｐｌａｎｅｔａｒｙ  Ｉｎｔｅｒｉｏｒｓ，（２０１１年８月１１日）；Ｆｒｏｓｔ，Ａ  ｎｅｗ  ｌａｒｇｅ−ｖｏｌｕｍｅ  ｍｕｌｔｉａｎｖｉｌ  ｓｙｓｔｅｍ，Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅａｒｔｈ  ａｎｄ  Ｐｌａｎｅｔａｒｙ  Ｉｎｔｅｒｉｏｒｓ，Ｖｏｌ．１４３，Ｉｓｓｕｅ１〜２，５０７〜５１４（２００４）、および米国仮出願第６１／５６４，８１６号の付録１に記載されたものなどを用いて使用され得、それらのそれぞれの内容全体は、本明細書に参照によって組み込まれる。特に、アンビルの実施形態は、単軸の多数アンビルプレスにおいて使用され得、そのアンビルプレスでは、荷重が６つの楔部に伝達され、それは、次いで、プレス立方体を取り囲む８つのアンビルに負荷をかける。あるいは、アンビルの実施形態は、米国仮出願第６１／５６４，８１６号の付録１に示されるような８つのアンビルシステムに負荷をかけるために使用される６つのアンビル立体プレスにおいて使用され得る。
【００１８】
図２は、濃度勾配１１１と、濃度勾配１１１に隣接したアンビル本体１１４の一部と、の拡大図である。図２に描写された矢印によって示されるように、金属マトリックス相の濃度は、それが作業表面１１２からアンビル内の勾配深度１１３まで及ぶにつれて、濃度勾配１１１に沿って増加し得る。いくつかの実施形態では、金属マトリックス相の濃度は、それが作業表面１１２からアンビル内の勾配深度１１３まで及ぶにつれて、濃度勾配１１１に沿って連続的に増加し得る。例えば、金属マトリックス相の濃度は、それが作業表面１１２からアンビル内の勾配深度１１３まで及ぶにつれて、濃度勾配１１１に沿って直線的に変動し得る。しかしながら、本出願は、連続的または直線的な濃度勾配に限定されず、その代わりに、金属マトリックス相の濃度は、濃度勾配に沿って、非直線的に、あるいは不連続的にでさえも、変動し得る。
【００１９】
金属マトリックス相の濃度勾配を含めることによって、アンビルの硬度および靭性は、アンビル内の異なる位置で変動され得、アンビル内のそれぞれの特定位置に適切な硬度および靭性を提供する。例えば、アンビルの作業表面の硬度（すなわち、圧縮強度）は、従来のアンビル材料における金属マトリックス相の典型的な濃度よりも低く、また、アンビル内の勾配深度における金属マトリックス相の濃度よりも低い作業表面における金属マトリックス相の濃度を有することによって、アンビルの他の部分に対しておよび従来のアンビル材料に対して、増加され得る。いくつかの実施形態では、作業表面における金属マトリックス相の濃度は、硬質材料と金属マトリックス相との総質量を基準にして、約５質量パーセントから約８質量パーセントまでの範囲にある。更に、アンビル内の勾配深度における靭性は、作業表面における金属マトリックス相の濃度よりも高いアンビル内の勾配深度における金属マトリックス相の濃度を有することによって、（作業表面に対して）増加され得る。一定の実施形態では、アンビル内の勾配深度における金属マトリックス相の濃度は、硬質材料と金属マトリックス相との総質量を基準にして、約９質量パーセントから約１４質量パーセントまでの範囲にある。
【００２０】
硬質相は、任意の適切な硬質材料、例えば、炭化タングステン、炭化タンタル、炭化チタンまたはそれらの組み合わせなどを含み得る。加えて、金属マトリックス相は、任意の適切なバインダー材料、例えばＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、またはそれらの組み合わせなどを含み得る。一定の実施形態では、アンビルは、タングステン超硬合金を含む。すなわち、硬質相は炭化タングステンを含み得、金属マトリックス相は例えばコバルトを含み得る。濃度勾配を含めることによって、アンビルは、アンビル内の勾配深度でのコバルト濃度よりも低く、また、典型的なタングステン超硬合金アンビル材料におけるコバルト濃度よりも低い、作業表面でのコバルト濃度を有し得る。コバルト濃度がより低い結果として、アンビルの作業表面は、（アンビル内の勾配深度に対しておよび典型的なタングステン超硬合金アンビル材料に対して）増加された硬度を有し得、したがって、作業表面は、より高くかつより均一な圧力を印加することが可能であり得る。そのようなアンビルはまた、作業表面で（アンビル内の勾配深度に対しておよび典型的なタングステン超硬合金アンビル材料に対して）低減された靭性を有し得、その結果として、もろくて、アンビルの他の部分よりも亀裂に影響を受け易い作業表面をもたらす。
【００２１】
同時に、濃度勾配は、作業表面でのコバルト濃度よりも高く、また、典型的なタングステン超硬合金アンビル材料におけるコバルト濃度よりも高い（例えば、わずかに高い）もしくはそのコバルト濃度に等しい、アンビル内の勾配深度でのコバルト濃度を結果としてもたらし得る。結果として、アンビル内の勾配深度における靭性は、作業表面での靭性よりも大きい可能性があり、それは、典型的なタングステン超硬合金アンビル材料の靭性よりも大きいもしくはそれに等しい可能性がある。そのようなアンビルはまた、アンビル内の勾配深度で（作業表面に対して）低減された硬度を有し得る。
【００２２】
いくつかの実施形態では、アンビル内の勾配深度は、作業表面から約０．１ｍｍから約３ｍｍまでの範囲にある。例えば、アンビル内の勾配深度は、約０．１ｍｍから約１ｍｍまで、または約０．１ｍｍから約０．５ｍｍまでの範囲にあり得る。アンビル内の浅部深さ（例えば、約２ｍｍ以下）までだけに及ぶ濃度勾配を有することによって、それは、アンビルのコバルト含有量の低い（すなわち、硬度は高いが、靭性は低い）部分がプレスの最高せん断応力（すなわち、アンビルに亀裂をもたらし得る最大せん断応力）にさらされないことになるのを確実にし得る。すなわち、もろくて高い硬度の作業層の亀裂を防ぐために、作業層はアンビルの最大応力にさらされない。典型的には、ピークせん断応力は、作業層の圧力印加表面以下の小さな距離で発生する。勾配深度は、ピークせん断応力が、作業表面のコバルト濃度よりも高いコバルト濃度を有するアンビルの一部上に発生することを確実にするために、この距離よりも小さいように選択される。コバルト（または他のバインダー金属）濃度勾配の使用は、アンビルの高硬度作業表面に隣接したアンビルのより高い靭性部分を組み込むことを可能にする。換言すれば、バインダー金属濃度勾配を使用してアンビルを仕立てることは、勾配構造を含まないアンビルよりも常に長い期間にそれの動作環境に耐えることができるであろう優れた性能のアンビルの製作を可能にさせる。
【００２３】
超高圧プレスは、本発明の実施形態に係るアンビルを含み得る。立体プレスに使用され得る立体プレスアンビル１００のより詳細な図は、図３に示される。立体プレスは、ダイヤモンドまたは立体窒化ホウ素を製造するために、あるいはそのような材料を多結晶複合物の中に処理するために使用される高圧高温プレスの一形態である。そのようなプレスは、特許や文献に十分に記載されており、ダイヤモンドおよび関連した材料のいくつかの製造業者によって使用されている。そのようなプレスでは、６つの直交配置されたアンビルが、流体圧アクチュエータによって互いの方へ同期的に動かされる。集束アンビルは、アンビル面によって画定された立体体積内で材料上に圧力を次第に増大させて印加する。アンビルの端部間の間隙は、葉ろう石などの高圧ガスケット材料によって封止される。圧力は、ガスケット材料によって、アンビルの四角末端面に、また、分岐横面に、印加される。
【００２４】
図３の、本発明のアンビルの例示的な実施形態に示されるように、立体プレスアンビル１００は、ベース区分１１５および先端区分１１６を含む。ベース区分１１５は、ほぼ円筒状の形状を有し、先端区分１１６は、四角錐台形状を有する。作業表面１１２は、アンビルの他の部分に対して最も高い硬度および最も低い靭性を有する。作業表面１１２は、プレスの高圧空洞に面する四角末端部または作業面１１７を有する。４つの側面１１８は、約４５度の角度で末端面の端部から傾斜している。ガスケット材料は、圧力がアンビルによって印加される際に側面間の間隙の中に押し入る。作業表面は、プレスによってプレスされる材料に圧力を印加する表面である。作業表面の高い硬度は、それが、均一な超高圧がプレスされる材料に印加され得ることを確実にするので有益である。また、より高い硬度は、サービス期間に塑性変形に抵抗することを手伝う。前に記述したように、本明細書に記載されたアンビルは、例としたものである。本発明は、この種類のアンビルだけに限定されない。アンビルは、高圧の均一な印加を確実にするために任意の適切な用途に仕立てられ得る。
【００２５】
別の実施形態では、アンビルは、複数の層、例えば米国特許第５，７８０，１３９号に記載された複数の層などを含み、その米国特許の内容全体は、本明細書に参照によって明確に組み込まれる。例えば、図４では、硬度や靭性が異なった７つの層（例えば、第１のまたは作業層２１９、第２の層２２０、第３の層２２１、第４の層２２２、第５の層２２３、第６の層２２４および第７の層２２５）を含む立体プレスアンビル２００が描写される。複数の層を含む各アンビルは、米国特許第４，３５０，５２８号に従って、共に接合された複数のタングステン超硬合金層の拡散から製作され得、その米国特許の内容全体は、本明細書に参照によって明確に組み込まれる。
【００２６】
上述したアンビルと同様に、複数の層を含むアンビルは、作業表面２１２、ベース区分２１５、および先端区分２１６を含む。ベース区分は、ほぼ円筒状の層を含み、先端区分は、角錐台層を含む。１つ以上の中間層は、部分的に角錐形で、また、部分的に円筒状であってもよい。
【００２７】
第１のまたは作業層２１９は、角錐台の形態であり、上述のように、濃度勾配（すなわち、勾配構造）を含む。例えば、作業層は、第１の硬質相と、その硬質相がその中に分散された第１の金属マトリックス相と、を含み得、第１の金属マトリックス相の濃度が濃度勾配に応じて変動する。一定の実施形態では、作業層が、作業層の作業表面で金属マトリックス相の比較的低い濃度と、作業層内の第１の勾配深度（例えば、図５に示されるような第１の勾配深度３１３）で第１の金属マトリックス相の比較的高い濃度と、を有するように、作業層は第１の金属マトリックス相の濃度勾配を含む。第１の硬質相、第１の金属マトリックス相、および第１の濃度勾配は、上記の対応する特徴に類似しており、これらの特徴の更なる記載は、省略されることになる。
【００２８】
図４に示されるように、作業層２１９は、プレスの高圧空洞に面する四角末端部または作業面２１７を有する。４つの側面２１８は、約４５度の角度で末端面の端部から傾斜している。アンビルはまた、米国特許第５，７８０，１３９号に記載されるように、第２の層２２０、第３の層２２１、第４の層２２２、第５の層２２３、第６の層２２４および第７の層２２５を含み得る。これらの層は、米国特許第５，７８０，１３９号に記載されるものと同じ方式で形成され得る。しかしながら、これらの層の少なくとも１つは、第２の濃度勾配を含み得る。例えば、アンビルは、第２の硬質相と、第２の硬質相がその中に分散された第２の金属マトリックス相と、を含む第２の層を含み得、第２の金属マトリックス相の濃度は、第２の濃度勾配に応じて変動する。例えば、図５では、立体プレスアンビル３００は、作業表面３１２から作業層３１９内の第１の勾配深度３１３まで及ぶ第１の濃度勾配３１１と、第２の層３２０内の第２の勾配深度３３３から第２の層３２０の表面３３２まで及ぶ第２の濃度勾配３３１と、を含む。図５では、アンビル３００はまた、第３の層３２１、第４の層３２２、第５の層３２３、第６の層３２４および第７の層３２５を含む。
【００２９】
図６は、第２の濃度勾配３３１を含む第２の層３２０の一部の拡大図である。一定の実施形態では、第２の層３２０が、第２の層の表面３３２で第２の金属マトリックス相の比較的高い濃度と、第２の層内の第２の勾配深度３３３で第２の金属マトリックス相の比較的低い濃度と、を有するように、第２の層３２０は第２の金属マトリックス相の濃度勾配を含む。図６に描写された矢印によって示されるように、第２の金属マトリックス相の濃度は、それが第２の層３２０内の第２の勾配深度３３３から第２の層３２０の表面３３２まで及ぶにつれて、第２の濃度勾配３１１に沿って増加し得る。一定の実施形態では、第２の金属マトリックス相の濃度は、それが第２の層３２０内の第２の勾配深度３３３から第２の層３２０の表面３３２まで及ぶにつれて、第２の濃度勾配３１１に沿って連続的に増加し得る。
【００３０】
第２の層内の第２の勾配深度３３３でのコバルト濃度よりも高いコバルト濃度を第２の層の表面３３２で有することによって、第２の層の表面３３２は、第２の層内の第２の勾配深度３３３での靭性よりも比較的高い靭性を有し得る。更に、第２の層の表面３３２は、典型的なタングステン超硬合金材料におけるコバルト濃度よりも比較的高いコバルト濃度を有し得、したがって、第２の層の表面３３２は、典型的なタングステン超硬合金アンビル材料の靭性よりも比較的高い靭性を有し得る。それの靭性が増加した結果として、第２の層の表面３３２は、増加された亀裂成長耐性を有し得る。したがって、第２の層の表面３３２は、それがアンビル上にかけられる最大せん断応力にさらされるようにアンビル内に位置付けられ得、それによって、アンビルの疲労寿命を改善する。例えば、第２の層の表面３３２は、作業層３１９に隣接して位置付けられ得る。本発明の実施形態に係るアンビルは、要望通りに追加的な金属マトリックス相の濃度勾配を更に含み得る。
【００３１】
ダイヤモンド産業において普通に使用される別の種類のプレスは、ベルトプレスとして知られる。例示的なベルトプレス４００が図７に示される。ベルトプレスは、リングの上で縮められた環状体４４２（例えば、高強度鋼の環状体）によって取り囲まれた中心環状体４４１を有する環状「ベルト」またはリングを有する。中心環状体４４１は、超硬合金（例えば、タングステン超硬合金）であり得、本明細書に記載されたような濃度勾配を含み得る。一対のほぼ円錐形のアンビル４４３が、アンビル間のベルト内に高圧を生成するためにベルトにおける先細の穴４４４の中に軸方向に動く。アンビルは、超硬合金（例えば、タングステン超硬合金）を含み得、本明細書に記載されたような濃度勾配を含み得る。アンビルはリング４４５（例えば、鋼性リング）によって取り囲まれる。上記したように、アンビルとベルトとの間の間隙は、葉ろう石または同様のもので封止される。
【００３２】
本明細書に記載された技法は、ベルトプレスのためのタングステン超硬合金ベルトおよびアンビルを製作するために使用され得る。例えば、高圧に直面するベルトの環状作業表面４５１は、作業表面４５１が増加された硬度を有するが、低減された靭性を有するように、濃度勾配を含み得る。各アンビルは、高圧を印加するためのベルトの中心における穴に入る作業表面４５０を有する。したがって、作業表面４５０が、増加された硬度を有するけれども、低減された靭性を有するように、作業表面４５０は濃度勾配を含み得る。
【００３３】
多層状ベルトおよび多層状アンビルを含む例示的なベルトプレス５００が図８に示される。ベルトプレス５００は、上記のように、環状体５４１および５４２と、アンビル５４３と、穴５４４と、作業表面５５０および５５１と、を有する。アンビル５４３は、リング５４５（例えば、鋼性リング）によって取り囲まれる。しかしながら、この実施形態では、環状体５４１はまた、環状作業層５４６および支持層５４７を含む。環状作業層５４６は、上記のように、作業表面５５１の硬度を増加するための濃度勾配を含み得る。更に、支持層５４７の少なくとも１つは、上記のように、支持層の表面の靭性を増加するための濃度勾配を含み得る。
【００３４】
ベルトプレス５００では、アンビル５４３は、上記のように、作業表面５５０を含み、それらは、作業層５４８および支持層５４９を含む。作業層５４８は、上記のように、勾配深度に対して作業表面５５０の硬度を増加するための濃度勾配を含み得る。更に、支持層５４９の少なくとも１つは、上記のように、支持層の表面の靭性を増加するための濃度勾配を含み得る。アンビルの任意の表面および／またはベルトの作業表面５５１は、本明細書に記載されたような濃度勾配を組み込み得る。
【００３５】
アンビルおよびベルトの実施形態は、金属マトリックス相に分散された硬質相を含むアンビルまたはベルトを形成するための任意の適切な方法によって形成され得、金属マトリックス相の濃度は濃度勾配に応じて変動する。アンビルまたはベルトの形状は、周知の機械加工方法を使用して形成され得る。濃度勾配は、アンビルまたはベルトの形状が形成される前か形成された後に、形成され得る。例えば、アンビルまたはベルトは、アンビルまたはベルトの形状を形成するように焼結し研磨することと、次いで、濃度勾配を形成するように処理することとによって形成され得る。あるいは、アンビルまたはベルトは、焼結することと、濃度勾配を形成するように処理することと、次いで、アンビルまたはベルトの形状を形成するように研磨することとによって形成され得る。なお更なる別の実施形態では、アンビルまたはベルトは、同時に焼結することおよび濃度勾配を形成すること、次いで、アンビルまたはベルトの形状を形成するように研磨することによって、形成され得る。
【００３６】
濃度勾配は、米国特許第７，５６９，１７９号および第７，６９９，９０４号に記載された方法に従って形成されてもよく、それらの米国特許の内容全体が、本明細書に参照によって明確に組み込まれる。例えば、金属マトリックス相に分散された硬質相を形成する方法６００は、硬質相と金属マトリックス相とを備える複合材料であって、ある量の金属マトリックスをそれぞれ含有する第１の層および第２の層を有する、複合材料を取得すること（６１０）であって、その層の一方は、硬質相の元素が欠乏しており、その層の片方は、硬質相の元素が富化されている、前記取得することを含み得る。方法６００は、元素の原子を富化層から欠乏層への方向に拡散させ、金属マトリックスの原子を拡散と同じ方向に流れさせる条件下で複合材料を焼結することと、それによって、複合材料における金属マトリックスの濃度勾配を生成すること（６２０）と、を更に含み得る。勾配はまた、焼結過程に続く別個の高温周期において生成されることができる。例えば、十分に形成されたアンビルは、濃度勾配を形成するために、本明細書において参照された過程のいずれかに従って焼結後の処理にさらされてもよい。
【００３７】
あるいは、濃度勾配は、米国特許第５，２７９，９０１号、第５，４５３，２４１号、第５，８５６，６２６号および第６，７０６，３２７号に記載された方法に従って形成されてもよく、それらの米国特許の内容全体は、本明細書に参照によって明確に組み込まれる。例えば、金属マトリックス相の中に分散された硬質相を形成する方法７００は、硬質相がその中に分散された金属マトリックス相を焼結し、焼結体を形成すること（７１０）と、高温度で浸炭または復炭熱処理（例えば、部分的な浸炭または復炭熱処理）に焼結体をさらすこと（７２０）と、を含み得る。
【００３８】
いくつかの実施形態例だけが上記で詳細に記載されたが、当業者は、この発明から著しく逸脱せずに、多くの修正が実施形態例に可能であることを容易に認識するであろう。したがって、全てのそのような修正は、以下の特許請求の範囲に定義されるようなこの開示の範囲内に含まれることが意図される。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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