(57)【要約】  本開示は、地下掘削用途に使用するための、多結晶ダイヤモンドボディを組み込んだ切削工具に関し、より具体的には、基材に接合されて切削要素を形成する、熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディに関する。熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディは、バインダレス多結晶ダイヤモンド又は非金属触媒多結晶ダイヤモンドとすることができる。多結晶立方晶窒化ホウ素層もまた設けられ、一方の側で多結晶ダイヤモンドボディに結合され、他方の側で基材に結合される。【選択図】      図３
2015530263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の互いに結合したダイヤモンド結晶を含む材料微細構造を含み、バインダレス多結晶ダイヤモンドボディ及び非金属触媒多結晶ダイヤモンドボディから本質的に成るボディの群から選択される、少なくとも１つの熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディと、
前記熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディに結合し、界面を有する、多結晶立方晶窒化ホウ素を含む層と、
基材と、
を含み、前記多結晶立方晶窒化ホウ素層の前記界面が、前記基材に結合する、
ことを特徴とする切削要素。
【請求項２】
前記少なくとも１つの熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディは、前記非金属触媒多結晶ダイヤモンドボディを含み、前記非金属触媒物質は、炭酸塩、硫酸塩、水酸化物、及び鉄酸化物から本質的に成る群から選択され、前記材料微細構造は、前記ダイヤモンド結晶間の格子間領域をさらに含み、前記非金属触媒物質が前記格子間領域を占有することを特徴とする、請求項１に記載の切削要素。
【請求項３】
前記少なくとも１つの熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディは、バインダレス多結晶ダイヤモンドを含むことを特徴とする、請求項１に記載の切削要素。
【請求項４】
前記バインダレス多結晶ダイヤモンドは、少なくとも９８％の体積含有率のダイヤモンドを含むことを特徴とする、請求項３に記載の切削要素。
【請求項５】
前記多結晶立方晶窒化ホウ素層は、ろう付け層によって前記基材に結合されることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の切削要素。
【請求項６】
前記多結晶立方晶窒化ホウ素層は、高圧高温焼結によって前記基材に結合されることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の切削要素。
【請求項７】
前記多結晶立方晶窒化ホウ素層は、多結晶立方晶窒化ホウ素と多結晶ダイヤモンドとの混合物を含むことを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の切削要素。
【請求項８】
前記少なくとも１つの熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディは、複数のボディを含み、前記複数のボディの少なくとも１つが前記多結晶立方晶窒化ホウ素層によって囲まれることを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれかに記載の切削要素。
【請求項９】
前記少なくとも１つの熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディは、上面、前記上面に接する切削端、及び前記上面に対向する底面を含み、前記熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディの前記底面が前記多結晶立方晶窒化ホウ素層に結合されることを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれかに記載の切削要素。
【請求項１０】
前記多結晶立方晶窒化ホウ素層は、セラミックバインダ又は金属バインダを含むことを特徴とする、請求項１〜請求項９のいずれかに記載の切削要素。
【請求項１１】
シヤーカッターであって、
界面と、
前記界面に対向する上面と、
前記上面にある切削端と、
複数の互いに結合したダイヤモンド結晶を含む材料微細構造と
を含む、熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディと、
対向する第１の表面及び第２の表面を有する多結晶立方晶窒化ホウ素移行層と、
前記多結晶立方晶窒化ホウ素移行層の前記第１の表面と前記多結晶ダイヤモンドボディの前記界面との間の、第１の結合と、
基材と、
前記多結晶立方晶窒化ホウ素移行層の前記第２の表面と前記基材との間の、第２の結合と、
を含み、
前記熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディが、バインダレス多結晶ダイヤモンドボディ及び非金属触媒多結晶ダイヤモンドボディから本質的に成るボディの群から選択される、
ことを特徴とするシヤーカッター。
【請求項１２】
前記第１の結合は、セラミックバインダを含むことを特徴とする、請求項１１に記載のシヤーカッター。
【請求項１３】
前記第２の結合は、ろう付けを含むことを特徴とする、請求項１１〜請求項１２のいずれかに記載のシヤーカッター。
【請求項１４】
前記第２の結合は、高圧高温焼結によって形成されることを特徴とする、請求項１１〜請求項１２のいずれかに記載のシヤーカッター。
【請求項１５】
熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディを基材に接合する方法であって、
前記熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディを多結晶立方晶窒化ホウ素ボディに結合するステップと、
前記多結晶立方晶窒化ホウ素ボディを前記基材に結合するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
ダイヤモンド粒子と非金属触媒とを高温高圧において焼結して熱的に安定な非金属触媒多結晶ダイヤモンドを形成することによって、前記熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディを形成するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
触媒物質を用いずに炭素に超高圧高温焼結プロセスを施して熱的に安定なバインダレス多結晶ダイヤモンドを形成することによって、前記熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディを形成するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディを前記多結晶立方晶窒化ホウ素ボディに結合するステップは、立方晶窒化ホウ素粒子に接触した前記熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディを高温高圧において焼結するステップを含むことを特徴とする、請求項１５〜請求項１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
前記多結晶立方晶窒化ホウ素ボディを前記炭化物基材に結合するステップは、ろう付けするステップを含むことを特徴とする、請求項１５〜請求項１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記多結晶立方晶窒化ホウ素ボディを前記炭化物基材に結合するステップは、前記基材に接触した立方晶窒化ホウ素粒子を高温高圧において焼結するステップを含むことを特徴とする、請求項１５〜請求項１８のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地下掘削用途に使用される、多結晶ダイヤモンドボディを組み込んだ切削工具に関し、より具体的には、基材に接合されて切削要素を形成する、熱的に安定な多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）ボディに関する。
【背景技術】
【０００２】
超硬材料は、しばしば切削工具及び削岩工具に使用される。多結晶ダイヤモンド材料はそうした超硬材料の１つであり、その優れた耐摩耗性及び硬度で知られており、機械加工用の切削工具並びに地下採掘及び掘削における摩耗及び切削要素のような工業用途での使用のための普及した材料選択肢となっている。
【０００３】
多結晶ダイヤモンドを形成するには、ダイヤモンド粒子を高圧高温で焼結（ＨＰＨＴ焼結）して超硬多結晶構造を生成する。ＨＰＨＴ焼結中のダイヤモンド結晶の連晶を促進して多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）構造を形成するために、触媒物質が、焼結の前にダイヤモンド粒子混合物に添加され、及び／又は、焼結中にダイヤモンド粒子混合物に浸透する。触媒として好都合に使用される金属は、周期表のＶＩＩＩ族から選択される、コバルト、鉄、及びニッケル、並びにそれらの組合せ及び合金を含む、溶媒金属触媒の群から選択される。ＨＰＨＴ焼結後、得られるＰＣＤ構造は、互いに結合したダイヤモンド結晶の相互接続網目を含み、触媒物質は、結合したダイヤモンド結晶の間の格子間空間又は孔を占有する。ダイヤモンド粒子混合物を基材の存在下でＨＰＨＴ焼結して、基材に結合したＰＣＤボディを形成することができる。基材はまた、焼結中にダイヤモンド粒子混合物内に浸透する金属触媒の源としても作用することができる。
【０００４】
特定の用途に使用されるＰＣＤボディの望ましい性質は、摩耗又は切削動作の際の改善された熱的安定性である。従来のＰＣＤボディにおいて存在することが知られている問題は、高温にさらされたときに熱劣化し易いことである。この脆弱性は、ＰＣＤボディ内部の格子間に配置された溶媒金属触媒物質の熱膨張特性と、結晶間結合したダイヤモンドの熱膨張特性との間に存在する差に起因する。かかる熱膨張差は、４００℃程度の低い温度で始まることが知られており、熱応力を誘発することがあり、該熱応力は、ダイヤモンドの結晶間結合に悪影響を及ぼし得るものであり、ついには、ＰＣＤ構造を破損に対して脆弱にすることがある亀裂の形成をもたらし得る。さらに、溶媒金属触媒は、温度上昇とともに、ダイヤモンド内に望ましくない触媒作用による相転移（ダイヤモンドを一酸化炭素、二酸化炭素、又はグラファイトに転化する）を引き起すことが知られており、そのためＰＣＤボディの実用は上限約７５０℃に制限されている。
【０００５】
高温での性能を向上させるために熱的に安定なＰＣＤ材料が開発されている。しかし、切削工具への取り付けのために熱的に安定なＰＣＤ材料と基材との間に結合を形成することは困難な場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本開示は、地下掘削用途に使用される、多結晶ダイヤモンドボディを組み込んだ切削工具に関し、より具体的には、基材に接合されて切削要素を形成する、熱的に安定な多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）ボディに関する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態において、切削要素は、熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディを含む。熱的に安定なＰＣＤボディは、バインダレスＰＣＤ、又は、炭酸塩ＰＣＤのような非金属触媒ＰＣＤとすることができる。ＰＣＢＮ層も設けられ、一方の側がＰＣＤボディに結合され、他方の側が基材に結合される。一実施形態において、熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディを基材に接合する方法が提供される。この方法は、バインダレスＰＣＤ又は非金属触媒ＰＣＤとすることができる熱的に安定なＰＣＤボディを形成することを含む。この方法は、熱的に安定な多結晶ダイヤモンドボディを多結晶立方晶窒化ホウ素ボディに結合することと、多結晶立方晶窒化ホウ素ボディを炭化物基材に結合すること、とを含む。
【０００８】
本概要は、以下の詳細な説明においてさらに説明される概念の選択を導入するために与えられるものである。本概要は、特許請求される主題の重要な又は必須の特徴を特定することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を限定することを意図するものでもない。
【０００９】
熱的に安定なＰＣＤ材料の実施形態を添付の図を参照しながら説明する。図面全体を通して、同様の特徴及び構成要素を参照するために同じ番号が使用される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態による、熱的に安定な炭酸塩ＰＣＤ材料の一領域を示す。
【図２】一実施形態による、熱的に安定なバインダレスＰＣＤ材料の一領域を示す。
【図３】一実施形態による、熱的に安定なＰＣＤボディを組み込んだ切削要素を示す。
【図４】一実施形態による、熱的に安定なＰＣＤボディを組み込んだ切削要素を示す。
【図５】一実施形態による、熱的に安定なＰＣＤボディを組み込んだ切削要素を示す。
【図６】１つ又はそれ以上の実施形態による、熱的に安定なＰＣＤボディを基材に結合する例示的な方法を示す。
【図７】１つ又はそれ以上の実施形態による、熱的に安定なＰＣＤボディを基材に結合する例示的な方法を示す。
【図８】一実施形態による、切削要素を組み込んだ例示的な装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示は、地下掘削用途に使用される、多結晶ダイヤモンド材料を組み込んだ切削工具に関し、より具体的には、基材に接合されて切削要素を形成する、熱的に安定な多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）ボディに関する。一実施形態において、熱的に安定なＰＣＤ材料は、非金属触媒ＰＣＤ又はバインダレスＰＣＤとすることができる。ＰＣＤボディは、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）移行層を介して炭化物基材に結合される。ＰＣＢＮ移行層は、熱的に安定なＰＣＤボディ及び炭化物基材の両方に対する結合を与える。
【００１２】
以下の開示は様々な実施形態に向けられる。開示される実施形態には広い用途があり、いずれの実施形態の議論もその実施形態の例証であることを意味するだけであり、添付の特許請求の範囲を含む本開示の範囲が、その実施形態、又はその実施形態の特徴に限定されることを暗示することを意図したものではない。
【００１３】
以下の説明及び特許請求の範囲を通して、具体的な特徴又は構成要素を指すために特定の用語が使用される。当業者には認識されるように、別の人が別の名称で同じ特徴又は構成要素を指すことがある。本明細書は、名称のみが異なる構成要素又は特徴の間を区別することを意図するものではない。図面は必ずしも縮尺通りではない。ここでは、特定の特徴及び構成要素が強調されて示されていることも、又は多少模式化して示されていることもあり、従来的な要素のうちの幾つかの細部は、明瞭さ及び簡潔さのために図示されていないことがある。
【００１４】
本明細書で用いられる場合、複数の項目、構造的要素、組成要素、及び／又は材料は、便宜上、共通リスト内で提示される。しかし、これらのリストは、リストの各構成員が別々の一意の要素として個々に識別されるものとして解釈すべきである。従って、そのようなリストのいずれの個々の構成員も、別段の指示がない限り、それらが共通グループ内で提示されていることのみに基づいて、同じリストの他のいずれが構成員と事実上の等価であると解釈されるべきではない。
【００１５】
引用により本明細書に組み入れられると記述されたいずれの特許、刊行物、又は他の開示資料も、その全体又は一部が、組み入れられた資料が本開示において説明される現在の定義、言明、又は他の開示資料と相反しない範囲においてのみ、本明細書に組み入れられる。それゆえ、且つ、必要な範囲で、本明細書で説明される開示は、引用により組み入れられるいかなる相反する資料にも優先する。引用により本明細書に組み入れられると述べられていても、本明細書で説明される現在の定義、言明、又は他の開示資料と相反するいかなる資料又はその一部も、組み入れられる資料と現在の開示資料との間に相反が生じない範囲においてのみ組み入れられることになる。
【００１６】
分かりやすくするために、本明細書で用いられる場合、「従来のＰＣＤ」という用語は、ＨＰＨＴ焼結プロセス中に従来の金属触媒を使用して形成された従来の多結晶ダイヤモンドであって、金属触媒物質が結合ダイヤモンド結晶間の格子間空間又は孔を占有した結合ダイヤモンド結晶の微細構造を形成するものを指す。
【００１７】
「非金属触媒ＰＣＤ」は、ＨＰＨＴ焼結プロセス中に非金属触媒を使用して形成され、非金属触媒物質が結合ダイヤモンド結晶間の格子間空間又は孔を占有した結合ダイヤモンド結晶の微細構造を形成する、ＰＣＤ材料を指す。非金属触媒の例としては、炭酸塩、硫酸塩（例えば、ＭｇＳＯ4）、水酸化物（例えば，Ｍｇ（ＯＨ）2）、及び鉄酸化物（例えば、ＦｅＴｉＯ3）が挙げられる。炭酸塩触媒は、任意のＩ族又はＩＩ族炭酸塩、例えば、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸リチウム若しくは炭酸ナトリム、又は炭酸塩の組合せとすることができる。「バインダレスＰＣＤ」は、触媒を使用せずに、例えば超高圧高温においてグラファイトを直接ダイヤモンドに転化することによって形成される、多結晶ダイヤモンド基質を指す。「熱的に安定なＰＣＤ」は、本明細書で使用される場合、非金属触媒ＰＣＤ又はバインダレスＰＣＤを意味する。一実施形態において、熱的に安定なＰＣＤは、バインダレスＰＣＤ及び非金属触媒ＰＣＤから本質的に成る群から選択される。
【００１８】
一実施形態において、熱的に安定なＰＣＤ材料は、炭酸塩ＰＣＤのような非金属触媒ＰＣＤである。非金属触媒は、焼結前にダイヤモンド粉末と混合され、焼結中にダイヤモンド結晶の成長を促進する。非金属触媒が使用された場合、ダイヤモンドは、温度が１２００℃まで上昇しても、二酸化炭素、一酸化炭素、又はグラファイトに転化されずに、多結晶ダイヤモンド形態で安定した状態を保つ。従って、非金属触媒ＰＣＤは、熱的に安定である。
【００１９】
一実施形態において、非金属触媒ＰＣＤは、約９０〜９８％（体積で）のダイヤモンド、並びに非金属触媒物質で構成され、少なくとも９８％の、別の実施形態においては少なくとも９９％の総理論密度を与える。炭酸塩ＰＣＤ材料１０の一領域の概略を図１に示す。炭酸塩ＰＣＤ材料１０は、複数の互いに結合したダイヤモンド粒子又は結晶１２を含み、ダイヤモンド結晶１２間に格子間空間又は孔１４を有する、多結晶微細構造を有する。
【００２０】
この多結晶微細構造は、ダイヤモンド粉末に炭酸塩触媒（又は他の実施形態においては別の非金属触媒）の存在下でＨＰＨＴ焼結プロセスを施すことによって形成される。一実施形態において、ＨＰＨＴ焼結プロセスは、約７０ｋｂａｒ又はそれ以上の圧力、及び約２，０００乃至２,５００℃の温度を印加するステップを含む。この温度及び圧力において、非金属触媒物質が融解してダイヤモンド粉末混合物中に浸透する。この触媒がＨＰＨＴ焼結プロセス中にダイヤモンド結晶の成長を促進し、炭酸塩ＰＣＤを形成する。その結果、炭酸塩触媒物質１６がダイヤモンド結晶１２の間の格子間空間１４を占有した炭酸塩ＰＣＤ材料となる。一実施形態において、炭酸塩ＰＣＤ材料中のダイヤモンド結晶１２は、サイズが約１〜５０ミクロンであり、少なくとも９０％のダイヤモンド体積含有率を与える。別の実施形態において、炭酸塩ＰＣＤは、少なくとも９５％のダイヤモンド体積含有率を有する。別の実施形態において、ダイヤモンド結晶１２はサイズが１ミクロン未満である。
【００２１】
一実施形態において、熱的に安定なＰＣＤ材料は、バインダレスＰＣＤである。バインダレスＰＣＤは、触媒物質を使用せずに形成される。得られるダイヤモンド材料は、ダイヤモンド結晶間に触媒物質が散在していない均一な結晶間ダイヤモンド微細構造を有する。結果として、バインダレスダイヤモンドボディは、ダイヤモンドと触媒との間の熱膨張差による影響を受けない。バインダレスＰＣＤは、熱的に安定である。
【００２２】
本開示の一実施形態によるバインダレスＰＣＤ材料２０の一領域の概略を図２に示す。バインダレスＰＣＤ２０は、複数の互いに結合したダイヤモンド粒子又は結晶２２を含む多結晶微細構造を有する。図２に示すように、この材料微細構造には、ダイヤモンド結晶２２間の空隙又は格子間空間が実質的に存在しない。ダイヤモンド結晶２２は、互いに直接結合する。バインダレスＰＣＤ２０は、実質的に純粋な炭素であり、ダイヤモンドの体積分率は９９％を超える。ダイヤモンド結晶２２の間に結合相又は触媒物質は実質的に存在しない。
【００２３】
このバインダレスＰＣＤ材料２０は、ダイヤモンド結晶間に小さい空隙又は空間を残す可能性があるバインダレスＰＣＤ２０内部の小さい欠陥及びずれの可能性を見越して、空隙又は格子間空間が「実質的」に存在しない、及び、「実質的に」１００％ダイヤモンドであると説明される。一実施形態において、バインダレスＰＣＤ材料の材料微細構造のダイヤモンド体積含有率は、少なくとも９８％、及び別の実施形態においては少なくとも又は約９９％、及び別の実施形態においては少なくとも又は約９９．５％、及び別の実施形態においては少なくとも又は約９９．８％、及び別の実施形態においては少なくとも又は約９９．９％、及び別の実施形態においては１００％である。一実施形態において、バインダレスＰＣＤ材料２０は、微細なダイヤモンド粒径を有し、例えば、平均ダイヤモンド粒径が１ミクロン未満、例えば約５０ｎｍ以下である。バインダレスＰＣＤは、「ナノＰＣＤ」と呼ばれることもある。他の実施形態において、バインダレスＰＣＤ材料２０は、約１〜３０ミクロンの平均粒径を有する。
【００２４】
図２に示す材料２０のようなバインダレスダイヤモンド材料を形成するために、グラファイト、バッキーボール又は他の炭素構造の形態の炭素に、触媒物質を用いずに超高ＨＰＨＴ焼結プロセスが施される。一実施形態において、このプロセスは、ＰＣＤを形成するための従来のＨＰＨＴ焼結中に印加されるよりも高い超高温及び圧力でのＨＰＨＴ焼結を含む。一実施形態において、圧力は約１００〜１６０ｋｂａｒの間、例えば約１５０ｋｂａｒであり、温度は約２０００〜２３００℃である。例えばグラファイトを焼結する場合、圧力は、約１５０ｋｂａｒ、又は約１５０〜１６０ｋｂａｒとすることができる。例えばバッキーボール又は他の複雑な炭素構造などの他の型の炭素を焼結するときには、圧力は約１１０〜１２０ｋｂａｒとすることができる。参考までに、ＰＣＤを形成するための従来のＨＰＨＴ焼結は、約５０〜６０ｋｂａｒにおいて行うことができる。
【００２５】
本方法は、グラファイト（又は他の形態の炭素）を多結晶ダイヤモンドに相転移させる。すなわち、ＨＰＨＴ焼結プロセス中に、グラファイトが触媒物質の支援なしで多結晶ダイヤモンドに転化する。ひとたびＨＰＨＴ焼結が完了すると、その結果、前述のように、実質的に格子間空間を欠いた、互いに結合したダイヤモンド結晶を含む熱的に安定な多結晶ダイヤモンド基質となる。
【００２６】
別の実施形態において、熱的に安定なバインダレスダイヤモンド材料２０は、化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセスで層を堆積させて、ダイヤモンド体積含有率が実質的に１００％のバインダレスＰＣＤ材料を形成することによって形成される。ＣＶＤプロセスは、気体前駆体を反応性雰囲気中で加熱することによって行われ、それにより前駆体が基材の表面上で反応又は分解して所望の堆積物が形成される。このプロセスの結果、基材上でのダイヤモンド結晶の成長がもたらされる。
【００２７】
バインダレスＰＣＤ材料２０は、その均一なダイヤモンド含有率のゆえに、本質的に熱的に安定である。バインダレスＰＣＤ２０は、１相を有するので、材料の異なる相間の熱膨張差が無い。結果として、このバインダレスＰＣＤ材料２０から形成されたダイヤモンドボディは、従来のＰＣＤではダイヤモンドと触媒相の膨張差による熱劣化の影響を受ける高温においても、高い強度を示す。
【００２８】
一実施形態において、熱的に安定なＰＣＤボディ（例えば、バインダレスＰＣＤ又は非金属触媒ＰＣＤ）は、図３に示すように、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）移行層を介して基材に取付けられる。図３は、基材３４に結合された超硬ボディ３２を含む切削要素３０を示す。超硬ボディ３２は、熱的に安定なＰＣＤボディ３６、及びＰＣＢＮボディ又は層３８を含む。ＰＣＢＭボディ３８は、熱的に安定なＰＣＤボディ３６と基材３４との間の移行層として機能する。
【００２９】
ＰＣＢＭ層３８は、熱的に安定なＰＣＤボディ３６と基材３４との間の結合を容易にする。前記のように、本開示の実施形態によれば、熱的に安定なＰＣＤボディ３６は、コバルトのような従来の金属触媒を用いずに形成される。対照的に、従来のＰＣＤの形成においては、ＨＰＨＴ焼結中にダイヤモンドの成長を促進するために使用される金属溶媒触媒が、基材と従来のＰＣＤボディとの間の結合も形成する。しかし、熱的に安定なＰＣＤボディ３６では、熱的に安定なＰＣＤボディと基材との間の結合を形成するのにそのような金属溶媒触媒を使用することができない。
【００３０】
熱的に安定なＰＣＤボディを基材に直接結合することは、問題を生じる可能性がある。バインダレスＢＣＤは、結合したダイヤモンド結晶間に実質的に格子間空間を欠いており（図２参照）、非金属触媒ＰＣＤは、その空間を占める非金属触媒を含む（図１参照）。従って、熱的に安定なＰＣＤボディには、従来のＨＰＨＴ焼結中のように、基材とＰＣＤボディとの間を流動する結合材料（例えば金属溶媒触媒など）で充填するのに利用できる空の格子間空間を実質的に欠いている。さらに、ＰＣＤボディを基材にろう付けすると、高いろう付け温度でろう付けする際に、ダイヤモンド表面の黒鉛化を引き起す可能性がある。グラファイトは、基材とＰＣＤボディとの間に強い結合を形成しない。さらに、非金属触媒ダイヤモンド粉末混合物を従来の基材の上に直接焼結しようとすると、基材からダイヤモンド粉末層への金属の浸透が生じ、非金属触媒を置き換えることがある。例えば、炭酸塩触媒が使用されている場合、コバルトは炭酸塩よりも低い温度で融解するので、基材からのコバルトがダイヤモンド粉末層内に浸透することがある。この浸透がＰＣＤボディの熱的安定性を低下させる可能性がある。
【００３１】
一実施形態によれば、熱的に安定なＰＣＤボディと基材との間にＰＣＢＮボディを設けることによって、結合を形成することができる。ＰＣＢＮ層は、熱的に安定なＰＣＤボディと基材との両方に結合することができる移行層として機能する。一実施形態において、ＰＣＢＮ層は、基材にろう付けされる。ろう材は、ＰＣＢＮ材料と反応し、ＰＣＢＮ粒子表面に沿ってホウ化物及び窒化物層を形成する。これがＰＣＢＮ層と基材との間に強い化学結合をもたらす。
【００３２】
図３を参照すると、熱的に安定なＰＣＤボディ３６と基材３４との間の結合を促進するためにＰＣＢＮボディ３８が設けられる。一実施形態において、ＰＣＢＮ層３８は、熱的に安定なＰＣＤボディ３６と基材３４との間に円筒形のボディ又は円板として設けられる。熱的に安定なＰＣＤボディ３６は、切削端（cutting edge）４２を有する上面又は作業面４０を含む。作業面４０の反対側に、熱的に安定なＰＣＤボディ３６がＰＣＢＮ層３８と接触する界面（interface）４４がある。ＰＣＢＮボディの反対側に、基材との第２の界面４６がある。ＰＣＢＮ層３８は対向する上面及び底面を有し、上面が界面４４において熱的に安定なＰＣＤボディ３６に接触し、底面が第２の界面４６において基材３４に接触する。
【００３３】
ＰＣＢＮ層は、金属結合型ＰＣＢＮ、セラミック結合型ＰＣＢＮ、又はバインダレスＰＣＢＮ（六方晶窒化ホウ素転化から直接焼結される、少量の六方晶窒化ホウ素を有する立方晶窒化ホウ素）とすることができる。ＰＣＢＮは、ＨＰＨＴ焼結によって、又は、熱的に安定なＰＣＤの表面上にＰＣＢＮ材料の被膜を形成するＣＶＤプロセスによって形成することができる。
【００３４】
ＰＣＢＮボディは、熱的に安定なＰＣＤボディ及び基材と様々な方法で接合することができる。一実施形態において、熱的に安定なＰＣＤボディとＰＣＢＮボディとがＨＰＨＴ焼結によって形成され、次にＰＣＢＮボディが基材にろう付けされる。ＨＰＨＴ焼結は、１又は２プロセスで行うことができる。別の実施形態において、ＰＣＢＮボディは、ＨＰＨＴ焼結によって基材に結合することができる。
【００３５】
一実施形態において、熱的に安定なＰＣＤボディ及びＰＣＢＮボディは、１つのＨＰＨＴ焼結プロセスで一緒に焼結される。例えば、ダイヤモンド粉末を非金属触媒と混合し、次いで、缶の中でＣＢＮ粉末（適切な金属又はセラミックバインダを含む）の隣に配置する。次にこの缶をＨＰＨＴ焼結条件下に置くことにより、互いに結合した熱的に安定なＰＣＤ及びＰＣＢＮが形成される。ＨＰＨＴ焼結プロセス中に、熱的に安定なＰＣＤボディとＰＣＢＮボディとの間に結合が形成される。一実施形態において、ＰＣＢＮは、セラミックバインダ（例えば、チタンバインダ）と共に焼結される。セラミックバインダがＣＢＮと反応してＣＢＮ層内に反応結合を形成し、ＰＣＢＮを形成する。結合は、ＣＢＮとダイヤモンド層との間の界面にも生じる。超硬ボディが冷却されるときに、ＰＣＢＮボディと熱的に安定なＰＣＤボディとが一緒に焼結され結合する。別に実施形態において、ＰＣＢＮは、コバルトのような金属バインダと共に焼結される。ＨＰＨＴ焼結中に、コバルトバインダが融解し、ＣＢＮ層の中を流動してＰＣＢＮの形成を促進する。コバルトは、ダイヤモンド層との界面に達し、ダイヤモンドの表面を濡らしてダイヤモンドとＰＣＢＮとの間に結合を形成することができる。一実施形態において、バインダレスＰＣＤ及びバインダレスＰＣＢＮを１つの超高圧ＨＰＨＴ焼結プロセスで一緒に焼結し結合させることもできる
【００３６】
一実施形態において、ＰＣＢＮ層は、ＰＣＤを含むこともできる。この場合、層は、ダイヤモンド粉末とＣＢＮ粉末との混合物、及びバインダ材料によって形成される。ＨＰＨＴ焼結中に、ＣＢＮ粉末がＰＣＢＮを形成し、ダイヤモンド粉末がＰＣＤを形成し、その結果、熱的に安定なＰＣＤ層に結合した、ＰＣＢＮ及びＰＣＤの両方の混合層が生じる。ＨＰＨＴ焼結によるＣＢＮ粉末からのＰＣＢＮの形成は、当技術分野において文献で十分に証明されている。
【００３７】
一実施形態において、熱的に安定なＰＣＤボディ及びＰＣＢＮボディは、２つの個別のＨＰＨＴ焼結プロセスで一緒に焼結される。熱的に安定なＰＣＤボディは、非金属触媒ＰＣＤ又はバインダレスＰＣＤのいずれかを形成する第１のＨＰＨＴ焼結プロセスで形成される。次に、熱的に安定なＰＣＤボディは、ＣＢＮ粉末（及び適切なバインダ）と組み合わされてプレス内に配置される。次いで第２のＨＰＨＴ焼結プロセスが実行され、ＣＢＮをＰＣＢＮに転化し、ＰＣＢＮを熱的に安定なＰＣＤボディに結合させる。一実施形態において、ＰＣＢＮは、セラミックバインダ（例えば、チタン系バインダ）と共に焼結される。第２のＨＰＨＴ焼結プロセスが、熱的に安定なＰＣＤボディに結合したＰＣＢＮ層をもたらす。熱的に安定なＰＣＤボディ及びＰＣＢＮボディを形成して互いに結合させた後、次にＰＣＢＮを基材にろう付けして切削要素を形成することができる。
【００３８】
一実施形態において、熱的に安定なＰＣＤボディ、ＰＣＢＮボディ、及び基材は、１つのＨＰＨＴ焼結プロセスで一緒に焼結される。例えば、ダイヤモンド粉末を非金属触媒と混合し、次いで、缶の中で基材の隣に配置されたＣＢＮ粉末（適切な金属又はセラミックバインダを含む）の隣に配置する。次にこの缶をＨＰＨＴ焼結条件下に置くことにより、基材に結合されたＰＣＢＮ層に結合された熱的に安定なＰＣＤが形成される。ＨＰＨＴ焼結中に、基材からＰＣＢＮ層内にコバルトが浸透してもよい。コバルトの浸透の深さは、コバルトがダイヤモンド層に達しないように、ＰＣＢＮ層の厚さより小さくすることができる。一実施形態において、コバルトはダイヤモンド層に達してもよく、一実施形態においては、さらにダイヤモンド層に部分的に浸透してもよい。
【００３９】
一実施形態による切削要素３１を図４に示す。切削要素３１は、基材３４に結合された熱的に安定なＰＣＤボディ３６を含み、それらの間にＰＣＢＮボディ３８を有する。図４において、ＰＣＢＮボディ３８は、ろう付け層４８によって基材３４に結合される。ろう付け層４８は、活性ろう材（例えば、チタン、ケイ素、又は他の炭化物若しくは酸化物）又は非活性ろう材を含むことができる。活性及び非活性ろう材は、当技術分野で周知である。
【００４０】
図３及び図４に示す切削要素は、超硬ボディの切削端又は作業面の少なくとも一部分を形成するための、熱的に安定なＰＣＤボディを組み込んだ超硬ボディを含む。一実施形態において、熱的に安定なＰＣＤボディは、超硬ボディの作業面及び／又は切削端の少なくとも一部分、例えば、切削端の少なくとも５％（ダイヤモンドボディの外周によって測定したとき）を形成する。例えば、以下で図５に関連してより詳しく説明するように、熱的に安定なＰＣＤボディ３６Ａは、超硬ボディの作業面及び／又は切削端の一部分を形成することができる。
【００４１】
一実施形態による切削要素３３を図５に示す。切削要素３３は、基材３４に結合された超硬ボディ３２を含む。超硬ボディ３２は、ＰＣＢＮボディ３８に結合された１つ又はそれ以上の熱的に安定なＰＣＤボディ３６、３６Ａを含む。熱的に安定なＰＣＤボディは、ＰＣＢＮボディ３８によって、部分的に（３６Ａ）又は完全に（３６）囲まれ、超硬ボディ３２の切削端４２の一部分を形成する場合も、形成しない場合もある。超硬ボディ３２は、熱的に安定なＰＣＤボディ３６、３６Ａを予め形成し（例えば、ＨＰＨＴ焼結により）、次いでそれらを所望によりＣＢＮ粉末層に又はその内部に配置し、この組み合わせたボディにＨＰＨＴ焼結プロセスを施してＰＣＢＮを形成し、且つ、熱的に安定なＰＣＤボディ３６、３６ＡをＰＣＢＮボディ３８に結合することによって形成することができる。このＨＰＨＴ焼結プロセスは基材３４の存在下で行うこともでき、又は、後で超硬ボディ３２を基材３４に例えばろう付けにより結合することもできる。
【００４２】
基材３４は、金属材料、セラミック材料、サーメット材料、及びそれらの組合せを含む群から選択することができる。例としては、ＷＣ、Ｗ２Ｃ、ＴｉＣ、ＶＣなどの炭化物が挙げられる。一実施形態において、基材は超硬炭化タングステンで形成される。
【００４３】
前述のように、熱的に安定なＰＣＤボディ及びＰＣＢＮボディは、１つのＨＰＨＴ焼結プロセス中に一緒に形成することができ、又は、熱的に安定なＰＣＤボディを第１のＨＰＨＴ焼結プロセスで形成することでき、第２のＨＰＨＴ焼結プロセスでＰＣＢＮボディに結合することができる。他の変形例も可能である。例えば、熱的に安定なＰＣＤボディを初めに形成する（前述のように、バインダレスＰＣＤのＨＰＨＴ焼結又はＣＶＤ堆積により）ことができ、次に、ＣＶＤプロセスによってＰＣＢＮ層を熱的に安定なＰＣＤボディの表面上に形成することができる。ＣＶＤプロセスでは、反応性気体が窒化ホウ素の立方晶相を基材の上に形成し成長させる。
【００４４】
ＰＣＢＮがＨＰＨＴ焼結によって形成される場合、ＰＣＢＮボディを基材に結合するために基材の存在下でＨＰＨＴ焼結を行うことができる。ＰＣＢＮボディは、セラミックバインダ若しくは金属バインダ、又はそれらの混合物と共に焼結することができる。セラミックバインダと金属バインダとの混合物が使用される場合、それらをＰＣＢＮ層内に均一に分布させてもよく、又は、例えば、基材の近傍に高濃度の金属バインダが存在し、ＰＣＤボディの近傍に高濃度のセラミックバインダが存在するように、不均一に分布させてもよい。金属バインダ（例えば、コバルト）が使用される場合、これは隣接する基材からＰＣＢＮ層に浸透することができる。コバルトはＰＣＢＮ層の中を流動して、基材とＰＣＢＮボディとの間に一体結合を形成する。コバルトが熱的に安定なＰＣＤボディに達すると、熱的に安定なＰＣＤボディ内には空の格子間空間が実質的に存在しないので、コバルトがＰＣＤボディ内に流入することは実質的に又は完全に防止される。一実施形態において、コバルトは、ＰＣＢＮ層と熱的に安定なＰＣＤボディとの間の界面に沿って流動して、界面に沿った結合を形成する。切削要素が冷却されると、コバルトはその位置に固定され、ＰＣＢＮボディと熱的に安定なＰＣＤボディとの間の界面（interface surface）に沿って結合される。
【００４５】
一実施形態による、熱的に安定なＰＣＤボディを炭化物基材に結合する方法を図６に示す。本方法は、熱的に安定なＰＣＤボディを形成すること（１０２）を含む。これは、非金属触媒ＰＣＤボディを形成すること（１０４）又はバインダレスＰＣＤボディを形成すること（１０６）を含むことができる。前述のように、非金属触媒ＰＣＤを形成すること（１０４）は、非金属触媒の存在下でダイヤモンド粒子をＨＰＨＴ焼結することを含むことができる。バインダレスＰＣＤを形成すること（１０６）は、触媒物質を用いずに炭素に超高ＨＰＨＴ焼結プロセスを施すこと、又は、化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセスでダイヤモンドの層を堆積させることを含むことができる。いずれの場合にも、切削要素に組み込むための１つ又はそれ以上の熱的に安定なＰＣＤボディを形成することができる（例えば、図３−図５参照）。
【００４６】
本方法はまた、熱的に安定なＰＣＤボディをＰＣＢＮボディに結合すること（１０８）を含む。一実施形態において、熱的に安定なＰＣＤボディを形成すること（１０２）は、ＰＣＤボディをＰＣＢＮボディに結合すること（１０８）と同時に、例えば単一のＨＰＨＴ焼結プロセスで行われる。例えば、ダイヤモンド粉末と非金属触媒との混合物をＣＢＮ粉末（及び選択された触媒）と組み合わせてＨＰＨＴ焼結プロセスを施すことができる。ＨＰＨＴ焼結プロセスは、２つのボディのそれぞれの中に多結晶構造を生成しそれらを互いに結合する。熱的に安定なＰＣＤボディが、ＰＣＢＮボディに隣接して形成される。別の例として、一実施形態において、ダイヤモンド粉末と非金属触媒との混合物が予め焼結されたＰＣＢＮボディと組み合わされ、ＨＰＨＴ焼結プロセスが施される。従って、ダイヤモンド粉末がＰＣＢＮボディの表面上で焼結され、ＰＣＢＮボディに結合した熱的に安定なＰＣＤボディが形成される。
【００４７】
一実施形態において、熱的に安定なＰＣＤボディを形成すること（１０２）は、熱的に安定なＰＣＤボディをＰＣＢＮボディに結合すること（１０８）の前に行われる。熱的に安定なＰＣＤボディは、第１の操作、例えば第１のＨＰＨＴ焼結プロセス又は第１のＣＶＤプロセスで、単独で形成することができる。次いで、熱的に安定なＰＣＤボディは、別個のプロセス、例えばＨＰＨＴ焼結ブロセス又はＣＶＤプロセスで、ＰＣＢＮボディに結合される。
【００４８】
再び図６を参照すると、本方法はまた、ＰＣＢＮボディを基材に結合すること（１１０）も含む。一実施形態において、これは、ＰＣＢＮボディを基材にろう付けすることを含む。ろう付けは、熱的に安定なＰＣＤボディがＰＣＢＮボディに結合された後で行われる。
【００４９】
一実施形態において、熱的に安定なＰＣＤボディをＰＣＢＮボディに結合することは、ＰＣＢＮボディを基材に結合することと同時に行われる。例えば、これは、基材の存在下でＰＣＢＮボディをＨＰＨＴ焼結することを含むことができる。熱的に安定なＰＣＤボディを、基材の隣に置かれたＣＢＮ粉末の層の隣に、又はＣＢＮ粉末の層で囲まれるように配置することができる。この組合せにＨＰＨＴ焼結プロセスが施される。このＨＰＨＴ焼結プロセスが、熱的に安定なＰＣＤボディ及び基材の両方に結合したＰＣＢＮを作り出す。
【００５０】
例示的な方法を図７に示す。本方法は、熱的に安定なＰＣＤボディを得ること（１１４）を含む。熱的に安定なＰＣＤボディは、非金属触媒ＰＣＤ又はバインダレスＰＣＤとすることができる。本方法は、熱的に安定なＰＣＤボディをＰＣＢＮボディにＨＰＨＴ焼結すること（１１６）、又は、熱的に安定なＰＣＤボディを基材の存在下でＰＣＢＮボディにＨＰＨＴ焼結すること（１１８）を含む。前者において、熱的に安定なＰＣＤボディは、ＣＢＮ粒子を入れた缶の中に超硬ボディの所望の構成で配置される。すなわち、ＰＣＤボディは、ＣＢＮ層の一方の側に配置することができ、又はＣＢＮ層によって部分的に又は完全に囲まれるようにすることができる（図５参照）。次にこの組合せがＨＰＨＴ焼結され、ＰＣＢＮが形成され、熱的に安定なＰＣＤボディとＰＣＢＮボディとの間の結合が形成される。その後、本方法は、ＰＣＢＮボディを基材にろう付けすること（１２０）を含む。
【００５１】
後者の方法において、ＨＰＨＴ焼結プロセスは、基材の存在下で行われる（１１８）。この場合、ＨＰＨＴプロセスは２つの結合、すなわち、ＰＣＢＮボディと熱的に安定なＰＣＤボディとの間の第１の結合、及び、ＰＣＢＮボディと基材との間の第２の結合、を生じる。
【００５２】
別の実施形態において、本法は、非金属触媒ＰＣＤ又はバインダレスＰＣＤとすることができる、熱的に安定なＰＣＤボディを得ること（１１４）を含む。本方法はまた、熱的に安定なＰＣＤボディを従来のＰＣＤボディに焼結することを含む。本方法はさらに、従来のＰＣＤボディをＰＣＢＮボディにＨＰＨＴ焼結すること（１１６）、又は、従来のＰＣＤボディを基材の存在下でＰＣＢＮボディにＨＰＨＴ焼結すること（１１８）を含む。その後、本方法は、ＰＣＢＮボディを基材にろう付けすること（１２０）を含む。
【００５３】
図３〜図５に示す超硬ボディは、切削工具に組み込むための切削要素として形成される。図８は、ＰＣＢＮ層によって基材に結合された熱的に安定なＰＣＤボディを含む切削要素を組み込んだ、ドラグビット５０を示す。ドラグビット５０は、各々がドラグビットに沿って延びるブレード５２に取り付けられた幾つかの切削要素３０を含むことができる。ドラグビットは、高温削岩動作のために使用することができる。他の実施形態において、他の型の掘削又は切削工具、例えば、回転式又はローラーコーン式ドリルビット、又はパーカッション式若しくはハンマー式ドリルビットなどに、切削要素の切削端の少なくとも一部分を形成する熱的に安定なＰＣＤボディを有する切削要素が組み込まれる。一実施形態において、切削要素は、シヤーカッター（shear cutter）である。
【００５４】
本開示を限られた数の実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、本開示の利益を享受することで、本開示の範囲から実質的に逸脱しない他の実施形態及び変更を考案することができることを認識するであろう。そのような実施形態及び変更は、添付の特許請求の範囲において定められる本開示の範囲に含まれることが意図されている。
【００５５】
幾つかの例示的実施形態のみを上記で詳細に説明したが、当業者であれば、本開示から実質的に逸脱せずに、例示的実施形態における多くの変更が可能であることを容易に認識するであろう。従って、かかる全ての変更は、本発明から実質的に逸脱するものではない。従って、かかる全ての変更は、添付の特許請求の範囲において定められる本開示の範囲に含まれることが意図されている。請求項が語句「〜のための手段（ｍｅａｎ  ｆｏｒ）」を関連付けられた機能と共に明示的に用いる場合を除いて、本出願におけるいずれの請求項のいずれの限定に関しても、米国特許法第１１２条第６パラグラフを援用しないことが本出願人の明示の意図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０：炭酸塩ＰＣＤ材料
１２、２２：ダイヤモンド粒子又は結晶
１４：格子間空間又は孔
１６：炭酸塩触媒物質
２０：バインダレスＰＣＤ材料
３０、３１、３３：切削要素
３２：超硬ボディ
３４：基材
３６、３６Ａ：熱的に安定なＰＣＤボディ
３８：ＰＣＢＭボディ又は層
４０：作業面
４２：切削端
４４、４６：界面
５０：ドラッグビット
５２：ブレード
【図１】
2015530263.tif 000003
【図２】
2015530263.tif 000004
【図３】
2015530263.tif 000005
【図４】
2015530263.tif 000006
【図５】
2015530263.tif 000007
【図６】
2015530263.tif 000008
【図７】
2015530263.tif 000009
【図８】
2015530263.tif 000010
【国際調査報告】
2015530263.tif 000011
2015530263.tif 000012
2015530263.tif 000013