(57)【要約】  鉄族元素の結晶相の複数のナノ粒子と炭素（Ｃ）又は窒素（Ｎ）を含む材料の複数の結晶性粒子とを含み、各ナノ粒子は１０ナノメートル未満の平均サイズを有する多結晶材料。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄族元素の結晶相の複数のナノ粒子と炭素（Ｃ）又は窒素（Ｎ）を含む材料の複数の結晶性粒子とを含み、各ナノ粒子が１０ナノメートル未満の平均サイズを有する、多結晶材料。
【請求項２】
前記ナノ粒子が結晶相を含む結合剤マトリックス中に分散している、請求項１に記載の多結晶材料。
【請求項３】
結晶相を含む結合剤マトリックス中に封入されたナノ粒子の隣接した凝集を含み、前記凝集に含まれた前記ナノ粒子がそれらの間にそれぞれの粒子境界を有す、請求項１又は請求項２に記載の多結晶材料。
【請求項４】
前記ナノ粒子が、少なくとも約０．９ＧＰａのナノ硬さを有する結合剤中に分散している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項５】
各ナノ粒子が、前記多結晶材料中に含まれる結晶相と粒子境界を共有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項６】
各ナノ粒子が、最大で約５０ナノメートルの平均サイズを有する鉄族元素の結晶相と粒子境界を共有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項７】
前記ナノ粒子がオーステナイト又はフェライトを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項８】
前記ナノ粒子が、Ｂ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｐ、Ｓ及びＮから選択される、元素状又は化合物形態にある少なくとも１種の元素を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項９】
ホウ素（Ｂ）を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項１０】
前記ナノ粒子がＣ又はＮを含む材料の結晶性粒子である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項１１】
少なくとも約１重量パーセントのＳｉ、少なくとも約５重量パーセントのＣｒ及び少なくとも約４０重量パーセントのＷを含み、前記多結晶材料の残部が実質的に鉄族金属と炭素とからなる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項１２】
炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン、炭化タンタル、炭化モリブデン、炭化ニオブ、炭化ハフニウム又は炭化バナジウムなどの炭化物材料の粒子を含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項１３】
立方窒化ホウ素又は窒化ケイ素などの窒化物材料の粒子を含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項１４】
ダイヤモンド粒子を含む、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項１５】
窒化炭素又は窒化ホウ素材料の結晶性粒子を含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項１６】
式ＭｘＷｙＣｚの化合物材料の結晶性粒子を含み、式中、Ｍは鉄族金属であり、ｘは１から７の範囲内の値であり、ｙは１から１０の範囲内の値であり、かつ、ｚは０から４の範囲内の値であり、前記結晶性粒子がイータ相、シータ相又はカッパ相の炭化物材料の結晶構造を有する、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項１７】
少なくとも約１ミクロンの平均長を有する複数の細長い又は板様の微細構造、約２００ナノメートル未満の平均サイズを有する複数のナノ構造を含み、前記微細構造及びナノ構造は、結合剤マトリックス中に分散しており；前記微細構造は、約１重量パーセントを超えるＣｒ及び式ＭｘＷｙＣｚを有する相を含み、式中、Ｍは鉄族金属であり、ｘは１から７の範囲内であり、ｙは１から１０の範囲内であり、かつ、ｚは１から４の範囲内であり；前記ナノ構造は、鉄族金属Ｍ、Ｃ及び少なくとも約２０重量パーセントのＷを含み；並びに前記結合剤マトリックスは、少なくとも約５重量パーセントのＷ、少なくとも約０．５重量パーセントのＣｒ、少なくとも約０．５重量パーセントのＳｉ及び少なくとも約０．５重量パーセントの炭素を含み、前記マトリックスの残りの部分は鉄族金属Ｍである、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項１８】
前記微細構造の各々が少なくとも板様の領域を含み、前記領域は２つの主要な寸法及び厚さを決めるそれより小さな寸法を有し、各微細構造の前記厚さは少なくとも約０．５ミクロンである、請求項１７に記載の多結晶材料。
【請求項１９】
各微細構造が少なくとも約０．５重量パーセントのＳｉを含む、請求項１７又は１８のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項２０】
各ナノ構造が少なくとも約０．３重量パーセントのＳｉを含む、請求項１７〜１９のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項２１】
各ナノ構造が少なくとも約０．６重量パーセントのＣｒを含む、請求項１７〜２０のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項２２】
各ナノ構造が、Ｓｉ、Ｗ、Ｃ及びＦｅを含む化合物を含む、請求項１７〜２１のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項２３】
前記微細構造が樹状形態である、請求項１７〜２２のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項２４】
前記微細構造が、村上試薬で約３秒から約６秒の範囲内の時間エッチングされた後、黄色又は褐色の色彩を有する、請求項１７〜２３のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項２５】
少なくとも約８００ＨＶ１０のビッカース硬度を有する、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項２６】
密度が最大理論値の少なくとも９８パーセントである、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項２７】
少なくとも約１０ＭＰａ・ｍ１／２のパルムクビスト破裂靱性を有する、請求項１〜２６のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項２８】
ボディに融合した構造を含み、前記ボディが鉄族金属を含み、前記構造は請求項１〜２７のいずれか一項に記載の多結晶材料を含む構築物。
【請求項２９】
前記構造が、少なくとも約２００ミクロンの平均厚さを有する層を含む、請求項２８に記載の構築物。
【請求項３０】
前記ボディが鋼を含む、請求項２８又は２９に記載の構築物。
【請求項３１】
前記構造が少なくとも約１ミクロン及び最大で約１００ミクロンの平均厚さを有する中間層を介してボディに結合し、前記中間層が式ＭｘＷｙＣｚを有する樹状の又は小板様微細構造を含み、式中、Ｍは鉄族金属であり、ｘは１から７の範囲内であり、ｙは１から１０の範囲内であり、及びｚは１から４の範囲内であり；前記微細構造が、約１重量パーセントを超えるＣｒ及び約０．５重量パーセントを超えるＳｉを含む、請求項２８〜３０のいずれか一項に記載の構築物。
【請求項３２】
前記構造が、使用時におけるボディの劣化を遅らせるための保護コーティングである、請求項２８〜３１のいずれか一項に記載の構築物。
【請求項３３】
前記構造が、使用時における摩耗に対してボディを保護するための硬質外装コーティングである、請求項２８〜３２のいずれか一項に記載の構築物。
【請求項３４】
ボディ又は構成物を切断、穿孔又は解体するために配置された縁又は尖端を含む、請求項２８〜３３のいずれか一項に記載の構築物。
【請求項３５】
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料などの超硬質材料を含む、請求項２８〜３４のいずれか一項に記載の構築物。
【請求項３６】
舗装を分解するため又は鉱業におけるように岩層を分解するため又は地中にボーリングするための、請求項２８〜３５のいずれか一項に記載の構築物。
【請求項３７】
構成物を解体するための構築物であって、前記構成物に衝撃を与えるための打撃尖端を備え、前記打撃尖端は超硬質材料を含み、超硬合金を含む支持体に接合されており、前記支持体は、鋼を含む底部に取り付けられており；前記構造は底部に結合した保護層である、請求項２８〜３６のいずれか一項に記載の構築物。
【請求項３８】
構成物を穿孔するための構築物あって、前記構成物に衝撃を与えるための挿入物を備え、前記挿入物は、鋼を含む工具の底部に取り付けられた超硬質材料を含み；前記構造は、工具底部に融合した保護層である、請求項２８〜３６のいずれか一項に記載の構築物。
【請求項３９】
請求項２８〜３８のいずれか一項に記載の構築物を含む工具。
【請求項４０】
地中にボーリングするための工具であって、衝撃ドリル先端、回転衝撃ドリル先端、回転ドリル先端、剪断切断ドリル先端及びローラー円錐ドリル先端から選択される、請求項３９に記載の工具。
【請求項４１】
鉱業又は道路破砕のための、請求項３９に記載の工具。
【請求項４２】
鉄（Ｆｅ）及びケイ素（Ｓｉ）、並びに炭素（Ｃ）又は窒素（Ｎ）の供給源を含む前駆体構造を用意することを含む方法であって、Ｆｅ、Ｓｉ及びＣ又はＮの相対量は、Ｆｅ、Ｓｉ及びＣ又はＮの組合せが最大で摂氏約１，２８０度の液相線温度を有するように選択され；前記前駆体構造を少なくとも摂氏約１，３５０度の温度に毎秒少なくとも摂氏約１００度の平均速度で加熱して、前記前駆体構造を摂氏約１，０００度未満に少なくとも毎秒約２０度の平均速度で冷却することを含む、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の多結晶材料を製造する方法。
【請求項４３】
Ｆｅを含む粉末及びＳｉを含む粉末と、ヒドロキシル基を含むポリビニル化合物の結合剤材料とを組み合わせてスラリーを用意し、スラリーを噴霧乾燥して、複数の前駆体構造を顆粒の形態で供給する、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
複数の前駆体構造を用意してそれらをスクリーニングして、少なくとも２０ミクロン及び最大で５，０００ミクロンの平均直径を有する複数のスクリーニングされた前駆体構造をもたらし、複数のスクリーニングされた前駆体構造から少なくとも１種の前駆体構造を選択することを含む、請求項４２又は４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記前駆体構造を少なくとも摂氏約３００度の温度及び最大で摂氏約１，３００度で少なくとも約５分間真空中又は水素含有雰囲気又は酸化速度を減少させ得る他の雰囲気中で加熱して、前記前駆体構造を摂氏約３００度未満に冷却してから、前駆体構造を少なくとも摂氏約１，３５０度の温度に少なくとも毎秒摂氏約１００度の平均速度で加熱することを含む、請求項４２〜４４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４６】
前記前駆体構造が、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃ及びクロム（Ｃｒ）を含み、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃ及びＣｒの相対量がＦｅ、Ｓｉ、Ｃ及びＣｒの組合せが最大で摂氏約１，２８０度の液相線温度を有するように選択される、請求項４２〜４５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４７】
前記前駆体構造が、ＷＣ粒子などの複数の炭化物材料粒子を含む、請求項４２〜４６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４８】
前記前駆体構造が、少なくとも０．１ミクロン及び最大で１０ミクロンの平均サイズを有する複数の炭化物材料粒子を含む、請求項４２〜４７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４９】
前駆体構造が複数の炭化クロム粒子を含む、請求項４２〜４８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５０】
前記前駆体構造が超硬質材料を含有する、請求項４２〜４９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５１】
前記前駆体構造が、少なくとも約１３重量パーセントのＷＣ粒子、少なくとも０．１重量パーセント及び最大で１０重量パーセントのＳｉ又はＳｉ含有化合物材料、並びに少なくとも０．１重量パーセント及び最大で１０重量パーセントのＣｒ又はＣｒ含有化合物材料、並びに鉄族金属を含む、請求項４２〜５０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５２】
前記前駆体構造が、少なくとも約６０重量パーセント及び最大で約８０重量パーセントの炭化タングステン、少なくとも約１０重量パーセント及び最大で約２０重量パーセントのＦｅ、少なくとも約５重量パーセントの炭化クロム粒子、並びに少なくとも約１．０重量パーセント及び最大で約５重量パーセントのＳｉ粒子又はＳｉを含有する前駆体化合物を含む粒子を含む、請求項４２〜５１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５３】
前記前駆体構造が少なくとも２ＭＰａの圧縮強度を有する、請求項４２〜５２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５４】
前記前駆体構造が顆粒状の形態である、請求項４２〜５３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５５】
複数の前駆体構造を組み合わせて一体の構造を提供する、請求項４２〜５４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５６】
ホウ素（Ｂ）を前駆体構造中に、元素状又は化合物の形態で導入することを含む、請求項４２〜５５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５７】
前記前駆体構造を基材と接触させることを含み、該前駆体構造が該基材に融合するために十分な時間基材と接触している間、該前駆体構造は少なくとも摂氏約１，３５０度の温度である、請求項４２〜５６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５８】
複数の前記前駆体構造を、少なくとも摂氏約１，３５０度の温度に少なくとも毎秒摂氏約１００度の平均速度で加熱して、該温度で前記前駆体構造を基材上に堆積させ、前記前駆体構造を摂氏約１，０００度未満に少なくとも毎秒約２０度の速度で冷却することを含む、請求項４２〜５７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５９】
複数の前記前駆体構造を、高温噴霧装置により基材上に堆積させることを含む、請求項４２〜５８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６０】
複数の前記前駆体構造を、プラズマトーチ、レーザビームトーチ又はフレームトーチにより基材上に堆積させることを含む、請求項４２〜５９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６１】
前記前駆体構造が隣接層を形成するように、複数の該前駆体構造を基材と接触させることを含む、請求項４２〜６０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６２】
複数の前記前駆体構造を、鉄族金属を含む基材と接触させることを含む、請求項４２〜６１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６３】
複数の前記前駆体構造を、鋼を含む基材と接触させることを含む、請求項４２〜６２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６４】
前記基材ボディの少なくとも一部を除去することを含む、請求項５７〜６３のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、多結晶材料、それを含む構築物、それを含む工具及びそれを製造する方法に一般的に関する。多結晶材料は、限定されないが特に、ボディ及び工具を使用時における劣化から保護するための硬質の外装材料として使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第７，６６２，２０７号に、ナノサイズの粒子の凝集体で構成された高い強度又は硬度を有するバルク材料が開示されている。鉄、コバルト及びニッケルなどの磁性元素の結晶粒子は、ナノサイズレベルに微細化されて、改善された軟磁性を示す新規材料をもたらす。固溶体型窒素を含有するナノ結晶のオーステナイト鋼のバルク材料が開示されている。この開示も、Ｈａｌｌ−Ｐｅｔｃｈ関係が示すように、金属材料の強度は結晶粒子の直径Ｄが小さくなると増大し、そのような強度の、粒子の直径に対する依存性は、Ｄ＝５０〜１００ナノメートルで又はその付近で平坦になることを論じた。したがって、結晶粒子の直径を超微細なナノサイズレベルに小さくすることは、現在、金属材料の補強材にとってこれまでになく最も重要な手段の１つになっている。幾つかの技術誌に、Ｄを２〜３ナノメートルという超微細なサイズに小さくすることは超可塑性が起こる原因となり得ることが示唆されている。しかしながら、溶融により製造される大部分の金属材料の結晶粒子の直径Ｄは、数ミクロン(a few microns)から数十ミクロン(a few tens of microns)のオーダーであり、Ｄは、後処理によってもナノオーダーに小さくすることは殆どできない。制御されたローリングでさえも、粒子直径に対する最低の可能な限界は、４〜５ミクロンまでのオーダーである。上記の開示によれば、粒子直径が通常のプロセスでナノサイズレベルまで小さくされた材料を得ることは不可能である。
【０００３】
国際特許出願公開第ＷＯ／２０１２／００４２９２号に、鋼基材及び鋼基材に融合した硬質外装構造を含むボディが開示されている。硬質外装構造は、複数の微細構造、約２００ナノメートル未満の平均サイズを有する複数のナノ構造、及び結合剤材料を含む。ナノ構造は、約２０重量パーセントを超えるＷ、金属Ｍ及びＣ（ＭはＦｅ、Ｃｏ及びＮｉ又はそれらの合金から選択される）を含む。結合剤材料は、約３重量パーセントを超えるＷ、約２重量パーセントを超えるＣｒ、約０．５重量パーセントを超えるＳｉ、金属Ｍ及びＣを含む。
【０００４】
国際特許出願公開第ＷＯ２００５０９２５４２号に、高い硬度を有するナノ結晶性の高炭素鉄合金粉末が開示されており、それは高炭素鉄のナノ結晶粒子の凝集体を含み、そこでは材料を強化するフェライト相が上記のナノ結晶中に分散し、析出している。
【発明の開示】
【０００５】
限定されないが、特に使用中に摩耗を受ける可能性のある工具又は部品のための保護コーティングとして、高い耐摩耗性を有する材料を提供する必要性がある。高い破壊靱性を有するそのような材料を提供する必要もある。
【０００６】
第１の態様からは、鉄族元素の結晶相の複数のナノ粒子と炭素（Ｃ）又は窒素（Ｎ）を含む材料の複数の結晶性粒子を含む多結晶材料が提供され、各ナノ粒子は１０ナノメートル未満又は９ナノメートル未満の平均サイズを有する。
【０００７】
多結晶材料並びにそれらを含む構築物及び工具についての本開示により、種々の組成物、構成、組合せ及び使用が構想され、以下は非限定的、非網羅的な例である。
【０００８】
多結晶材料内においてナノ粒子の種々の配列が想像される。幾つかの例において、ナノ粒子は、結晶相を含む結合剤マトリックス中に分散され得る。多結晶材料は、結晶相を含む結合剤マトリックス中に封入されたナノ粒子の隣接した凝集を含むことができ、該ナノ粒子はそれらの間にそれぞれの粒子の境界を有する凝集に含まれる。各ナノ粒子は、多結晶材料中に含まれる結晶相と粒子境界を共有することができ、幾つかの例において、各ナノ粒子は粒子境界を、最大で約５０ナノメートルの平均サイズを有する鉄族元素の結晶相と共有することができる。各ナノ粒子は、粒子境界を結晶相結合剤材料と共有することができる。ナノ粒子は、少なくとも約０．９ＧＰａの薄膜硬度を有する結合剤中に分散することができる。
【０００９】
幾つかの例において鉄族の金属は、鉄、コバルト又はニッケルであってもよい。ナノ粒子は、オーステナイト又はフェライトを含むことができ、及び又はナノ粒子は、Ｂ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｐ、Ｓ及びＮから選択される少なくとも１種の元素を、元素状又は化合物形態で含むことができる。炭素及び若しくは窒素を含有するナノ粒子及び又は結晶性粒子は、例えば、炭化クロム、酸化クロム、炭化タングステン、炭化ケイ素若しくはシリカを含有することができ、該化合物は固溶体であることもできる。幾つかの例において、多結晶材料は、少なくとも約１．０重量パーセントのＳｉ、少なくとも約５重量パーセントのＣｒ及び少なくとも約４０重量パーセントのＷを含むことができ、実質的に複合体材料の残部は、実質的に鉄族金属と炭素からなる。幾つかの例において、ナノ粒子は、炭素又は窒素を含む材料の結晶性粒子であってもよく；炭素及び又は窒素は、ナノ粒子中に存在することができ、多結晶材料は炭素又は窒素を含有する他の種類の結晶相を実質的に含まなくてよく；多結晶材料は、ナノ粒子以外の炭素含有及び又は窒素含有結晶性粒子を含んでいてもよく；及び又は多結晶材料中に含まれるナノ粒子及び他の結晶性粒子は、炭素及び又は窒素を含むこともできる。
【００１０】
多結晶材料はホウ素（Ｂ）を含むこともできる。
【００１１】
多結晶材料は、種々の材料の結晶性粒子及び相を含むことができる。幾つかの例において、多結晶材料は、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン、炭化タンタル、炭化モリブデン、炭化ニオブ、炭化ハフニウム又は炭化バナジウムなどの炭化物材料の（結晶性）粒子を含むことができる。幾つかの例において、多結晶材料は、立方窒化ホウ素又は窒化ケイ素などの窒化物材料の（結晶性）粒子；及び又はダイヤモンド粒子及び又は窒化炭素若しくは窒化ホウ素材料の結晶性粒子を含むことができる。
【００１２】
幾つかの例において、多結晶材料は、式ＭｘＷｙＣｚの化合物材料の結晶性粒子を含むことができ、式中、Ｍは鉄族金属であり、ｘは１から７の範囲内の値であり、ｙは１から１０の範囲内の値であり、及びｚは０から４の範囲内の値であり、結晶性粒子は、エータ相、シータ相又はカッパ相の炭化物材料と同じような結晶構造を有する。
【００１３】
多結晶材料は、平均長が少なくとも１ミクロンの複数の細長い又は板状の微細構造を含むことができ、複数のナノ構造は約２００ナノメートル未満の平均サイズを有し、微細構造及びナノ構造は結合剤マトリックス中に分散しており；微細構造は、１重量パーセントを超えるＣｒ、及び式ＭｘＷｙＣｚを有する相を含み、式中、Ｍは鉄族金属であり、ｘは１から７の範囲内であり、ｙは１から１０の範囲内であり、及びｚは１から４の範囲内であり；ナノ構造は鉄族金属Ｍ、Ｃ及び少なくとも約２０重量パーセントのＷを含み；結合剤マトリックスは、少なくとも約５重量パーセントのＷ、少なくとも約０．５重量パーセントのＣｒ、少なくとも約０．５重量パーセントのＳｉ及び少なくとも約０．５重量パーセントの炭素を含み、マトリックスの残余は鉄族金属Ｍである。微細構造の各々は少なくとも板様の領域、即ち２つの主要な寸法と厚さを決めるそれより小さな寸法を有する領域を含むことができて、各微細構造の厚さは少なくとも約０．５ミクロンである。各微細構造は少なくとも約０．５重量パーセントのＳｉを含むことができる。各ナノ構造は、少なくとも約０．３重量パーセントのＳｉ；及び少なくとも約０．６重量パーセントのＣｒを含むことができる。ナノ構造はＳｉ、Ｗ、Ｃ及びＦｅを含む化合物を含むことができる。微細構造は形態が樹状であることもできる。微細構造は、約３秒から約６秒の範囲内の間村上試薬でエッチングした後黄色又は褐色の色彩を有することができる。ナノ構造は、ナノ粒子であってもよい。幾つかの例において、微細構造は、Ｃ又はＮを含有する結晶性粒子であってもよく、幾つかの例において、ナノ構造はナノ粒子であっても又はＣ又はＮを含有する結晶性粒子であってもよい。
【００１４】
多結晶材料は、少なくとも約８００ＨＶ１０のビッカース硬度、及び又は少なくとも約１０ＭＰａ・ｍ１／２のパルムクビスト（Ｐａｌｍｑｖｉｓｔ）破裂靱性を有することができる。
【００１５】
多結晶材料の密度は、海水面レベル及び摂氏約２０度などの環境圧力及び温度で、最大理論密度の少なくとも約９８パーセントであることができる。
【００１６】
開示された多結晶材料は、高い硬度、高い研磨剤耐摩耗性及び又は高い靱性の態様を有することができる。特定の理論に束縛されることは望まないが、１０ナノメートル未満の最小のナノ粒子は、この態様に寄与するようである。炭素又は窒素を含有する結晶性粒子と組み合わせたナノ粒子、又はそれ自身炭素又は窒素を含有するナノ粒子は、多結晶材料の耐摩耗性を強化する効果を有することができる。
【００１７】
第２の態様からは、ボディに融合した構造を含む構築物が提供され、ボディは鉄族金属を含み、構造は本開示による多結晶材料を含む。構造は、少なくとも約２００ミクロンの平均厚さを有する層を含むことができる。ボディは鋼を含むことができる。
【００１８】
幾つかの例において、構造は、少なくとも約１ミクロン及び最大で約１００ミクロンの平均厚さを有する中間層を通してボディに結合することができ、中間層は式ＭｘＷｙＣｚを有する樹状の又は小板様の微細構造を含み、式中、Ｍは鉄族金属であり、ｘは１から７の範囲内であり、ｙは１から１０の範囲内であり、及びｚは１から４の範囲内であり；微細構造は、約１重量パーセントを超えるＣｒ及び約０．５重量パーセントを超えるＳｉを含む。
【００１９】
幾つかの例において、構造は、使用中におけるボディの劣化を遅延させるための保護コーティングであってもよい。例えば、構造は、使用時における摩耗からボディを保護するための硬質外装コーティングであってもよい。
【００２０】
構築物は、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料、ＳｉＣ結合したダイヤモンド材料、多結晶立方窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材料などの超硬質材料及び又は超硬合金材料などの硬質金属材料を含むことができる。
【００２１】
幾つかの例において、構築物は、ボディ又は構成物を切断、穿孔又は解体するために配置された縁又は尖端を備えることができる。構築物は、舗装を分解するため又は鉱業においてなど岩層を分解するため又は地中にボーリングするためのものであってもよい。
【００２２】
幾つかの例において、構築物は、構成物を解体するためのものであってもよく；構築物は、構成物に衝撃を与えるための打撃尖端を備え、打撃尖端は、超硬質材料を含み、超硬合金を含む支持体に接合されており、支持体は、鋼を含む底部に取り付けられており；そこで、構造は底部に結合した保護層である。
【００２３】
幾つかの例において、構築物は、構成物を穿孔するためのものであってもよく；構築物は、構成物に衝撃を与えるための挿入物を備え、挿入物は、鋼を含む工具の底部に取り付けられた超硬質材料を含み；そこで、構造は、工具底部に融合した保護層である。
【００２４】
第３の態様からは、本開示による構築物を含む工具が提供される。工具は、地中にボーリングするためのものであってもよく、衝撃ドリル先端、回転衝撃ドリル先端、回転ドリル先端、剪断切断ドリル先端及びローラー円錐ドリル先端から選択することができる。工具は、鉱業又は道路破砕のためなどの舗装分解のためであってもよい。
【００２５】
第４の態様からは、本開示による多結晶材料を製造する方法が提供され、該方法は、鉄（Ｆｅ）及びケイ素（Ｓｉ）、並びに炭素（Ｃ）又は窒素（Ｎ）の供給源を含む前駆体構造を提供することを含み、その際Ｆｅ、Ｓｉ及びＣ又はＮの相対量はＦｅ、Ｓｉ及びＣ又はＮの組合せが最大で約１，２８０度の液相線温度を有するように選択され；該方法は、前駆体構造を少なくとも摂氏約１，３５０度の温度に少なくとも毎秒摂氏約１００度の平均速度で加熱して、該前駆体構造を少なくとも毎秒約２０度の平均速度で摂氏約１，０００度未満に冷却することを含む。
【００２６】
種々の変法、変形及び組合せが、本開示による方法について想定され、以下は限定にならず及び網羅的でないそれらの例である。
【００２７】
該方法は、Ｆｅを含む粉末及びＳｉを含む粉末と、ヒドロキシル基を含むポリビニル化合物の結合剤材料とを組み合わせてスラリーを用意し；スラリーを噴霧乾燥して、複数の前駆体構造を顆粒の形態で提供することができる。
【００２８】
該方法は、複数の前駆体構造を提供し、それらをスクリーニングして少なくとも２０ミクロン及び最大で５，０００ミクロン、最大で約１，０００ミクロン、最大で約５００ミクロン又は最大で約２００ミクロンの平均直径を有する複数のスクリーニングされた前駆体構造を提供すること、及び複数のスクリーニングされた前駆体構造の少なくとも１つを選択することを含むことができる。
【００２９】
該方法は、前駆体構造を提供し、少なくとも摂氏約３００度の温度及び最大で摂氏約１，３００度で少なくとも約５分間真空中又は水素含有雰囲気又は酸化速度を減少させ得る他の雰囲気中で加熱して、前駆体構造を摂氏約３００度未満に冷却してから前駆体構造を少なくとも摂氏約１，３５０度の温度に少なくとも毎秒摂氏約１００度の平均速度で加熱することを含むことができる。
【００３０】
幾つかの例において、前駆体構造は、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃ及びクロム（Ｃｒ）を含むことができ、その際、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃ及びＣｒの相対量は、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃ及びＣｒの組合せが最大で摂氏約１，２８０度の液相線温度を有するように選択される。
【００３１】
前駆体構造は、少なくとも０．１ミクロン及び最大で１０ミクロンの平均サイズを有することができるＷＣ粒子などの複数の炭化物材料の粒子を含むことができる。前駆体構造は、複数の炭化クロム粒子を含むことができ、及び又は前駆体構造は超硬質材料を含むことができる。
【００３２】
幾つかの例において、前駆体構造は、少なくとも約１３重量パーセントのＷＣ粒子、少なくとも０．１重量パーセント及び最大で１０重量パーセントのＳｉ又はＳｉ含有化合物材料、並びに少なくとも０．１重量パーセント及び最大で１０重量パーセントのＣｒ又はＣｒ含有化合物材料、及び鉄族金属を含むことができる。
【００３３】
幾つかの例において、前駆体構造は、少なくとも約６０重量パーセント及び最大で約８０重量パーセントの炭化タングステン、少なくとも約１０重量パーセント及び最大で約２０重量パーセントのＦｅ、少なくとも約５重量パーセントの炭化クロム粒子、並びに少なくとも約１．０重量パーセント及び最大で約５重量パーセントのＳｉ粒子又はＳｉを含む前駆体化合物を含む粒子を含むことができる。
【００３４】
前駆体構造は、少なくとも２ＭＰａの圧縮強度を有することができる。
【００３５】
前駆体構造は、顆粒状の形態である（即ち前駆体構造は顆粒又はペレット等であってもよい）。
【００３６】
該方法は、複数の前駆体構造を組み合わせて一体の構造を提供することを含むことができる。
【００３７】
幾つかの例において、方法は、ホウ素（Ｂ）を元素状又は化合物形態で前駆体構造中に導入することができる。
【００３８】
該方法は、少なくとも摂氏約１，３５０度の温度にある前駆体構造を基材と接触させることを含むことができ、その間に、前駆体構造は十分な時間基材と接触して、基材と融合して基材に結合して融合した構造を提供する。
【００３９】
該方法は、複数の前駆体構造を少なくとも摂氏約１，３５０度の温度に、少なくとも毎秒摂氏約１００度の平均速度で加熱して、前駆体構造をその温度で基材上に堆積させて、前駆体構造を摂氏約１，０００度未満に少なくとも毎秒約２０度の速度で冷却することができる。
【００４０】
該方法は、複数の前駆体構造を高温噴霧装置により、例えばプラズマトーチ、レーザビームトーチ又はフレームトーチにより基材上に堆積させることを含むことができる。
【００４１】
該方法は、前駆体構造が隣接層を形成するように、複数の前駆体構造を基材と接触させることを含むことができる。
【００４２】
該方法は、複数の前駆体構造を、鉄族金属を含む基材と接触させることを含むことができる。例えば、基材は鋼を含むことができる。
【００４３】
幾つかの例において、該方法は、基材ボディの少なくとも一部を除去することができる。
【００４４】
本開示による多結晶材料の作製に使用するための、鉄（Ｆｅ）、ケイ素（Ｓｉ）を含む顆粒、及びヒドロキシル基を含むポリビニル化合物結合剤材料を用意し；Ｆｅ及びＳｉの相対量は、ＦｅとＳｉの組合せが最大で約１，２８０度の液相線温度を有するように選択される。顆粒は、クロム（Ｃｒ）及び炭素（Ｃ）を含むことができ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｒ及びＣの相対量は、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｒ及びＣの組合せが最大で摂氏１，２８０度の液相線温度を有するように選択される。
【００４５】
顆粒は、炭化タングステン又は炭化クロムなどの金属炭化物材料の粒子を含むことができる。金属炭化物の粒子は、少なくとも約０．１ミクロン及び最大で約１０ミクロンの平均サイズを有することができる。顆粒は、少なくとも約６０重量パーセント及び最大で約８０重量パーセントの炭化タングステン粒子、少なくとも約１０重量パーセント及び最大で約２０重量パーセントの鉄（Ｆｅ）粒子、少なくとも約５重量パーセントの炭化クロム粒子、並びに少なくとも約１重量パーセント及び最大で約５重量パーセントのケイ素（Ｓｉ）粒子を含むことができる。各顆粒は、ダイヤモンド又はｃＢＮ材料などの超硬質材料の少なくとも１種の粒子を含むことができる。
【００４６】
顆粒は、少なくとも約２０ミクロン及び最大で約５，０００ミクロン、最大で約１，０００ミクロン、最大で約５００ミクロン又は最大で約２００ミクロンの平均直径を有することができる。
【００４７】
顆粒は、少なくとも約２ＭＰａの圧縮強度を有することができる。
【００４８】
開示された例の方法は、ボディに密に溶接された非常に効果的な硬質外装構造を生じる態様を有することができ、開示されたボディは、使用時における摩耗を遅らせる改善された性質を有することができる。
【００４９】
ここで、添付図面を参照して、実施例の配合を説明するが、本発明はこれらに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１Ａ】図１Ａは、実施例の多結晶材料の倍率５００×の走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、実施例の多結晶材料の倍率２，０００×のＳＥＭ像を示す。
【図１Ｃ】図１Ｃは、実施例多結晶材料の倍率４，０００×のＳＥＭ像を示す。
【図１Ｄ】図１Ｄは、実施例の多結晶材料の高分解透過電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）像を示し、この図でナノ粒子は、像に重ねた白色輪郭により示される。
【図２Ａ】図２Ａは、鋼の基材に融合した層構造の形態にある村上試薬で４分間エッチングされた実施例の多結晶材料の微細構造（光学顕微鏡）を示す。図２Ａは、層構造の表面に近い領域の像を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、鋼の基材に融合した層構造の形態にある村上試薬で４分間エッチングされた実施例の多結晶材料の微細構造（光学顕微鏡）を示す。図２Ｂは、層構造の表面から１．５ミリメートルの深さまでエッチングされた多結晶材料の像を示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、鋼の基材に融合した層構造の形態にある村上試薬で４分間エッチングされた実施例の多結晶材料の微細構造（光学顕微鏡）を示す。図２Ｃは、鋼基材との界面の像を示す。
【図３】図３は、実施例の多結晶材料の電子回折像を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、実施例の多結晶材料の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、実施例の多結晶材料の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像を示す。
【図５】図５は、鉱業用の実施例の打ち込み工具の模式的透視図を示す。
【図６】図６は、道路破砕用の実施例の超硬質打ち込み工具の模式的側面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
鋼基材に融合した層構造の形態にある実施例の多結晶材料を製造する実施例の方法を以下に記載する。
【００５２】
１ミクロンの平均粒子サイズを有する７２．７重量パーセントの炭化タングステン（ＷＣ）粉末、１５重量パーセントの鉄（Ｆｅ）粉末、１０重量パーセントの炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）粉末及び２．３重量パーセントのケイ素（Ｓｉ）粉末を含む１００ｋｇの質量を有する粉末ブレンドを調製した。この粉末ブレンドを、水媒体中で６００キログラムの硬質金属球とヒドロキシル基を含有するポリビニル系の４キログラムの有機結合剤（製品ＫＭ４０３４、Ｓｚｃｈｉｍｍｅｒ  ａｎｄ  Ｓｃｈａｒｚ（登録商標））を使用して、擦り減らすミル（ａｔｔｒｉｔｏｒ  ｍｉｌｌ）で約１時間粉砕してスラリーを用意した。粉砕後、スラリーを噴霧乾燥してスクリーニングされた顆粒を用意し、約１００ミクロンから約１８０ミクロンの精選顆粒を得た。
【００５３】
顆粒の平均圧縮強度は、複数の顆粒を無作為に選択して、各顆粒の直径を測定して各々を２枚の鋼板間で０．１ミリニュートンから９００ミリニュートンの力で圧縮して測定した（例えば、ｅｔｅｗｅ（登録商標）ＧｍｂＨ社（ドイツ）の装置により）。各粒子の直径の変形度とかけられた力の間の関係を測定して、各粒子の圧縮強度を、この測定された関係に基づいて計算した。顆粒の圧縮強度は、約２メガパスカルから約１０メガパスカルの範囲内にあることが見出された。
【００５４】
鋼基材を準備して、顆粒を基材上に、Ａｒ気流中において１００アンペアの電流で作動する空中プラズマ噴霧のためのプラズマトーチ装置（Ｐｌａｓｍａｓｔａｒ（登録商標））により噴霧した。噴霧プロセスにおいて、顆粒を毎秒摂氏約３００度の速度で摂氏約１，４００度の温度に加熱した。それに続く冷却速度は毎秒摂氏約４０度であった。その結果、顆粒から形成された隣接層が供給されて基材に融合し、層の密度は理論密度に近く、層の平均厚さは約３ミリメートルであった。このようにコートされた鋼基材を熱処理した。
【００５５】
多結晶材料層のビッカースＨＶ１０硬度は１，０００ビッカース単位であり、パルムクビスト破裂靱性は１５ＭＰａ・ｍ１／２であることが見出された。ビッカース硬度はＩＳＯ標準ＩＳＯ  ３８７８にしたがって測定し、パルムクビスト破裂靱性はＩＳＯ標準ＩＳＯ／ＤＩＳ  ２００７９にしたがって測定した。耐摩耗性を測定するために、コートされていない鋼基材を対照として使用して、コートされた鋼基材を、ＡＳＴＭ  Ｇ６５−０４試験の使用により試験した。対照の摩耗による質量減少は約８２０ミリグラムであったが、コートされた鋼基材では約８０ミリグラム、及びコートされていない鋼の体積減少は１０５．２立方ミリメートルであり、コートされた鋼では６．５立方ミリメートルであった。これは、実施例の多結晶材料の耐摩耗性は、鋼基材よりも１５倍高いことを示す。
【００５６】
上記のように提供される実施例の多結晶材料をここで説明するが、本発明はこれらに限定されない。
【００５７】
実施例の多結晶材料の微細構造の画像を、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ及び図１Ｄに種々の倍率で示す。材料は、板様の、樹状の又は丸い微結晶構造１０及び結合剤マトリックス２０中に分散したエータ相炭化物微結晶１２を含む。
【００５８】
結合剤マトリックス２０のナノ硬度は、約１．０ＧＰａから約１．３ＧＰａであることが見出された。ナノ硬度はＢｅｒｋｏｖｉｃｈチップを備えたＴｒｉｂｏｌｎｄｅｎｔｅｒ（登録商標）装置（Ｈｙｓｉｔｒｏｎ  Ｉｎｃ．、米国ミネソタ州Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ）により、５００μＮ及び２ｍＮの最大負荷を使用して測定する。負荷スケジュールは１０秒間の直線的負荷、１０秒間の一定負荷での保持、及び１０秒間の直線的な負荷解除を含んでいた。
【００５９】
図１Ａにおいて、微結晶構造１０の樹状の構造は幾つかの場合１０Ａで明らかであるが、一方、微結晶構造１０の板様の又は平坦な態様は、横に示された他の場合１０Ｂで明らかである。
【００６０】
結合剤マトリックス２０中に分散した炭化タングステン（ＷＣ）粒子１４は、図１Ｂにおいて明らかである。
【００６１】
図１Ｃは、約５ナノメートルの表面層をＡｒエッチングにより除去した後の多結晶材料の電子後方散乱像を示すものである。図１Ｃで明らかな種々の微細構造及び材料の組成をＡｕｇｅｒ電子分光法（ＡＥＳ）により検査した。樹状の微結晶１０、エータ相微結晶１２及びＷＣ微結晶１４が封入されている結合剤材料２０は、別の領域２０１、２０２で２つの空間的にはっきりと識別される成分を含み、それは図１Ｃにおいて灰色の異なった影として明らかである。第１の領域２０１の結合剤材料は、鉄の結晶相の複数のナノ粒子を含む。第１の領域２０１の材料は、約２４．８重量パーセントのＷ、６５．７重量パーセントのＦｅ、３．５重量パーセントのＣｒ、４．３重量パーセントのＣ及び１．７重量パーセントのＳｉを含む。第２の領域２０２の結合剤材料は、ナノ粒子を実質的に含まず、約２９．８重量パーセントのＷ、５７．８重量パーセントのＦｅ、４．９重量パーセントのＣｒ、６．９重量パーセントのＣ及び０．６重量パーセントのＳｉを含む。樹状の構造１０は、約６２．４重量のパーセントのＷ、３０．７重量パーセントのＦｅ、１．８重量パーセントのＣｒ、重量パーセントのＣの及び１．６重量パーセントのＳｉを含む。
【００６２】
図１Ｄは、第１の領域２０１内の結合剤材料２０の高分解能ＴＥＭ（ＨＲＴＥＭ）像を示し、図中、その中に分散したナノ粒子１６が明らかである。ナノ粒子１６は、白い境界線により示され、約２ナノメートルから約１０ナノメートルの範囲内に平均サイズを有する。粒子１６の少なくとも一部は、一般的に細長く、約７ナノメートルの平均長及び約４ナノメートルの平均幅を有するように見える。Ｘ線回折及び電子回折は、ナノ粒子１６が、Ｆｅ３Ｗ３Ｃ、フェライト及びオーステナイトを含む鉄の結晶相を含むことを示す。
【００６３】
図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃを参照すると、樹状の微結晶１０は、村上試薬で約５秒間のエッチング後褐色に見える。樹状の微結晶１０はエータ相炭化物を含む。樹状の微結晶１０の一部は黒色になり、一部は村上試薬で約４分間さらにエッチングした後も褐色のままである。ＷＣ微結晶粒子１４も実施例の多結晶材料において明らかである。
【００６４】
図３に示した電子回折像は、結合剤マトリックスがナノ結晶構造を有し、非晶質相は殆ど存在しないことを示す。
【００６５】
図４Ａ及び図４Ｂに示したように、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）は、結合剤マトリックス２０中における、結合剤マトリックス２０に封入されたナノ板、ナノロッド又はナノ球の一般的形態を有するエータ相炭化物のナノサイズの粒子３０の存在を示す。
【００６６】
図５を参照すると、実施例の鉱業用の打ち込み工具５０は、鋼底部５５及び鋼基材５５に融合した硬質外装構造５６を含む。打ち込み工具５０は、打点５４を有する超硬合金チップ５２を含み、鋼底部５５に結合している。幾つかの実施例においてチップ５２は、ＰＣＤ材料又は炭化ケイ素結合したダイヤモンド材料などのダイヤモンド材料を含むことができる。硬質外装構造５６は、超硬合金チップ５２の周囲に配置されて使用時における鋼基材５５を摩滅摩耗から保護する。例えば、石炭又は炭酸カリウムを含む岩層を解体する使用において、岩石材料は、鋼底部５５を摩滅させて打ち込み工具５０の早すぎる破損に至ることがある。硬質外装構造５６は、本開示による実施例の多結晶材料を含むか又は実質的にそれからなる。
【００６７】
図６を参照すると、道路舗装破砕用の実施例の打ち込み工具６０は、孔の中に焼嵌め又は圧入された超硬合金底部６２に連結した打撃チップ６４を備えた鋼の保持具６５を含む。本開示による多結晶材料を含む硬質外装構造６６は鋼の保持具６５に融合しており、孔の周囲に配置された鋼保持具６５を使用時の摩耗から保護する。打撃チップ６４は、焼結炭化タングステン基材に連結したＰＣＤ構造を含むことができる。保持具６５は、道路破砕ドラム（図示せず）に取り付けられた底部ブロック（図示せず）に結合させるための柄６８を含む。
【００６８】
多結晶材料に含まれる粒子に関して本明細書において使用する用語「粒子サイズ」ｄは、以下のように測定された粒子のサイズを指す。硬質金属材料を含むボディの表面は、表面の電子線後方散乱回折（ＥＢＳＤ）による研究のための研磨により調製され、表面のＥＢＳＤ像は、高分解能走査電子顕微鏡（ＨＲＳＥＭ）により得られる。個々の粒子が識別され得る表面の像は、この方法により作製され、例えば粒子サイズｄの数分布を提供することができる。本明細書において使用する無補正は、粒子サイズを補正するための補正（例えばＳａｌｔｙｋｏｖ補正）は、それらが２次元像からこの方法で得られたという事実を説明するために適用される。粒子サイズは、ＩＳＯ  ＦＤＩＳ  １３０６７標準による等価の円直径（ＥＣＤ）によって表現される。ＥＣＤは、表面に露出した個々の粒子の面積Ａを測定して同じ面積Ａを有する円の直径を、方程式ｄ＝（４×Ａ／π）の平方根により計算することにより得られる。この方法は、「マイクロビーム分析−電子線後方散乱回折−平均粒子サイズの測定」と題するＩＳＯ  ＦＤＩＳ  １３０６７の３．３．２節（国際標準機構、Ｇｅｎｅｖａ、スイス、２０１１年）にさらに説明されている。焼結ＷＣ材料におけるＷＣ粒子の平均粒子サイズｄは、表面のＥＢＳＤ像から得られたＷＣ粒子サイズの数平均を計算することにより得られる。粒子のサイズを測定するＥＢＳＤの方法は、個々の粒子を粒子の凝集塊から識別することが困難又は不可能であることがあり得るある他の方法と対照的に、個々の粒子の各々が識別され得るという大きな利点を有する。換言すれば、ある他の方法は、粒子サイズ測定について実際より高い不正確な値を与える傾向があり得る。
【００６９】
本明細書において使用するある用語及び概念を、以下に簡単に説明する。
【００７０】
本明細書において使用する硬質外装構造は、基材を摩耗から保護するために基材に結合した層などであるが、これに限定されない構造である。硬質外装構造は、基材よりも実質的に高い耐摩耗性を示す。
【００７１】
本明細書において使用する、摩耗部分は、適用時に摩耗させる応力にかけらるか又はかけられることを意図される部分又は部品である。摩耗部分が、典型的には、摩滅、浸食、腐蝕及び他の形態の化学的摩耗などに曝され得る種々の種類の摩損応力がある。摩耗部分は、摩耗部分が耐えることを期待される摩耗の性質及び強度並びにコスト、サイズ及び質量の制約に応じて、任意の広範囲の材料を含むことができる。例えば、焼結炭化タングステンは、摩耗に非常に耐性であるが、その高い密度及びコストのために、典型的には比較的小さい部分の主な構成成分、例えば、ドリル先端挿入物、のみ、切断尖端などとしてのみ使用される。より大きい摩耗部分は、掘削、ドリル先端ボディ、ホッパー及び摩滅性材料の運搬設備で使用されてもよく、典型的には、ある用途では超硬合金より経済的である硬質鋼で作製される。
【００７２】
打ち込み工具は、例えば、岩石、アスファルト、石炭又はコンクリートなどのボディを解体、分解又は穿孔するために使用することができ、鉱業、建設及び道路修理などの用途で使用することができる。幾つかの用途、例えば道路修理において、複数の打ち込み工具は、回転ドラム上に載せて、ドラムがボディに対して回転するときに、分解されるべきボディに対して駆動することができる。打ち込み工具は、超硬質材料の作業チップ、例えば、ダイヤモンド粒子間の隙間を決める骨格素材を形成する実質的に相互に成長した（inter-grown）ダイヤモンド粒子の塊を含む多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）を含むことができる。
【００７３】
合成及び天然ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）、立方窒化ホウ素（ｃＢＮ）、多結晶ｃＢＮ（ＰＣＢＮ）及び炭化ケイ素結合ダイヤモンド（ＳｃＤ）材料は、超硬質材料の例である。本明細書において使用する、人造ダイヤモンドとも言われる合成ダイヤモンドは、製造されたダイヤモンド材料である。本明細書において使用する、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料は、ダイヤモンド粒子の凝集塊（複数の凝集）を含み、その実質的部分は、直接相互に結合し、その中で、ダイヤモンドの含有率は、材料の少なくとも約８０体積パーセントである。ダイヤモンド粒子間の隙間は、合成ダイヤモンドのための触媒材料を含む結合剤材料で少なくとも部分的に満たされていてもよく、又は実質的に空隙であってもよい。本明細書において使用する、合成ダイヤモンドのための触媒材料は、合成ダイヤモンド粒子の成長及び又は合成又は天然ダイヤモンド粒子の直接相互成長を、合成又は天然ダイヤモンドが熱力学的に安定な温度及び圧力で促進することができる。ダイヤモンドのための触媒材料の例は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＭｎ、及びこれらを含むある種の合金である。ＰＣＤ材料を含むボディは、少なくとも、触媒材料が隙間から除去されて、ダイヤモンド粒子間に格子間空隙が残った領域を含んでいてもよい。本明細書において使用する、ＰＣＢＮ材料は、金属又はセラミック材料を含むマトリックス内に分散した立方窒化ホウ素（ｃＢＮ）の粒子を含む。
【００７４】
超硬質材料の他の例として、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのセラミック材料を含むマトリックスにより一緒に保持されたダイヤモンド又はｃＢＮ粒子、又はＣｏ結合ＷＣ材料（例えば、米国特許第５，４５３，１０５号又は第６，９１９，０４０号に記載されたような）などの超硬合金材料を含むある種の複合体材料が挙げられる。例えば、ある種のＳｉＣ結合したダイヤモンド材料は、ＳｉＣマトリックス中に分散した少なくとも約３０体積パーセントのダイヤモンド粒子を含むことができる（それは、ＳｉＣ以外の形態にある少量のＳｉを含んでいてもよい）。ＳｉＣ結合したダイヤモンド材料の例は、米国特許第７，００８，６７２号、第６，７０９，７４７号、第６，１７９，８８６号、第６，４４７，８５２号、及び国際出願公開数ＷＯ２００９／０１３７１３に記載されている。
【００７５】
粒子境界は、多結晶材料中の２個の粒子、又は微結晶間の界面である。粒子境界は、結晶構造における欠陥であり、材料の電導性及び熱伝導性を低下させる傾向がある。
【００７６】
タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）及び炭素（Ｃ）を含む数通りの相が知られており、典型的にはギリシャ文字により示される。エータ相の組成は、この場合、一般式ＭｘＭ’ｙＣ２を有する炭化物化合物を意味すると理解され、式中、Ｍは、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、及びＮｂからなる群から選択される少なくとも１種の元素であり；Ｍ’は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉからなる群から選択される少なくとも１種の元素であり、及びＣは炭素である。最も典型的な組合せである、Ｍがタングステン（Ｗ）であり且つＭ’がコバルト（Ｃｏ）である場合、そのとき、本明細書においてエータ相はＣｏ３Ｗ３Ｃ（エータ−１）又はＣｏ６ＷｅＣ（エータ−２）、並びにそれらの不完全断片及び超化学量論的変形を意味すると理解される。Ｗ−Ｃｏ−Ｃ系には、シータ相のＣｏ３Ｗ６Ｃ２、Ｃｏ４Ｗ４Ｃ及びＣｏ２Ｗ４Ｃ、並びにカッパ相のＣｏ３ＷｇＣ４及びＣｏＷ３Ｃ（これらの相は、文献では、より広いエータ相の名称で分類されていることもある）などの幾つかの他の相もある。
【００７７】
本明細書において使用する、「実質的に〜からなる」は、「現実的には不可避な不純物を別にして、〜から構成される」を意味する。
【００７８】
本明細書において使用する、値に関する用語「約」は、述べられた値を明示的に含む値の範囲を示すと理解され、範囲の限界は、述べられた値において明らかな有意の数字の数により知らされると理解される。
【図１Ｄ】
2015525188.tif 000003
【図３】
2015525188.tif 000004
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
2015525188.tif 000011
【図２Ａ】
2015525188.tif 000012
【図２Ｂ】
2015525188.tif 000013
【図２Ｃ】
2015525188.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成27年1月22日(2015.1.22)
【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】
鉄族元素の結晶相の複数のナノ粒子と炭素（Ｃ）又は窒素（Ｎ）を含む材料の複数の結晶性粒子とを含み、各ナノ粒子が１０ナノメートル未満の平均サイズを有し、密度が最大理論値の少なくとも９８パーセントである、多結晶材料。
【請求項２】
前記ナノ粒子が結晶相を含む結合剤マトリックス中に分散している、請求項１に記載の多結晶材料。
【請求項３】
結晶相を含む結合剤マトリックス中に封入されたナノ粒子の隣接した凝集を含み、前記凝集に含まれた前記ナノ粒子がそれらの間にそれぞれの粒子境界を有す、請求項１又は請求項２に記載の多結晶材料。
【請求項４】
各ナノ粒子が、前記多結晶材料中に含まれる結晶相と粒子境界を共有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項５】
各ナノ粒子が、最大で５０ナノメートルの平均サイズを有する鉄族元素の結晶相と粒子境界を共有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項６】
前記ナノ粒子がオーステナイト又はフェライトを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項７】
前記ナノ粒子がＣ又はＮを含む材料の結晶性粒子である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項８】
少なくとも１重量パーセントのＳｉ、少なくとも５重量パーセントのＣｒ及び少なくとも４０重量パーセントのＷを含み、前記多結晶材料の残部が実質的に鉄族金属と炭素とからなる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項９】
炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン、炭化タンタル、炭化モリブデン、炭化ニオブ、炭化ハフニウム又は炭化バナジウムなどの炭化物材料の粒子を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項１０】
立方窒化ホウ素、窒化ケイ素またはダイヤモンドの粒子を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の多結晶材料。
【請求項１１】
ボディに融合した構造を含み、前記ボディが鉄族金属を含み、前記構造は請求項１〜１０のいずれか一項に記載の多結晶材料を含む工具。
【請求項１２】
鉄（Ｆｅ）及びケイ素（Ｓｉ）、並びに炭素（Ｃ）又は窒素（Ｎ）の供給源を含む前駆体構造を用意することを含む方法であって、Ｆｅ、Ｓｉ及びＣ又はＮの相対量は、Ｆｅ、Ｓｉ及びＣ又はＮの組合せが最大で摂氏１，２８０度の液相線温度を有するように選択され；前記前駆体構造を少なくとも摂氏１，３５０度の温度に毎秒少なくとも摂氏１００度の平均速度で加熱して、前記前駆体構造を摂氏１，０００度未満に少なくとも毎秒２０度の平均速度で冷却することを含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の多結晶材料を製造する方法。
【請求項１３】
前記前駆体構造が、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃ及びクロム（Ｃｒ）を含み、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃ及びＣｒの相対量がＦｅ、Ｓｉ、Ｃ及びＣｒの組合せが最大で摂氏１，２８０度の液相線温度を有するように選択される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
複数の顆粒状の形態の前記前駆体構造を、少なくとも摂氏１，３５０度の温度に少なくとも毎秒摂氏１００度の平均速度で加熱して、該温度で前記前駆体構造を基材上に堆積させ、前記前駆体構造を摂氏１，０００度未満に少なくとも毎秒２０度の速度で冷却することを含む、請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
複数の前記前駆体構造を、プラズマトーチ、レーザビームトーチ又はフレームトーチにより基材上に堆積させることを含む、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
2015525188.tif 000015
2015525188.tif 000016