(57)【要約】【課題】  【解決手段】  改善された耐磨耗特性を有する焼結支持体他結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）は、触媒／焼結助剤を含む金属炭化物支持体と隣接して配置されたダイヤモンド結晶を高圧／高温（ＨＰ／ＨＴ）処理に曝すことにより製造される。前記ＰＣＤ成形体は、ａ）約１５〜７０μｍ範囲の平均粒径を有する約６０重量％〜約９０重量％の粗粒分とこの粗粒分の平均粒径の実質的に約半分を超えない細粒分との混合物を有するダイヤモンド結晶本体と、ｂ）約２０容量％若しくはそれ以下の触媒／焼結助剤を有する支持体とを有するものである。【特許請求の範囲】
【請求項１】
改善された耐摩耗特性を有する金属炭化物支持多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）成形体の製造方法であって、
ａ）セルアセンブリを提供する工程であって、
約１５〜７０μｍの範囲の平均粒径を有する約６０重量％〜９０重量％の粗粒分と、この粗粒分の平均粒径の約半分未満の平均粒径を有する細粒分とから成る混合物を有するダイヤモンド結晶本体と、
前記ダイヤモンド結晶本体に隣接して配置される支持体であって、グループＩＶＢ、ＶＢ、またはＶＩＢ金属の炭化物と、前記支持体の総重量の約２０容量％若しくはそれ以下の量の少なくとも１つの焼結結合触媒との混合物を有する、前記支持体と
を有する、セルアセンブリを提供する工程と、
ｂ）十分に長い時間、十分な高温および高圧で高温高圧（ＨＰ／ＨＴ）状態の反応に前記セルアセンブリを曝して前記ダイヤモンド結晶本体をＰＣＤ層の中へ焼結し、前記ＰＣＤ層を前記炭化物本体に結合する、高温高圧（ＨＰ／ＨＴ）状態の反応に前記セルアセンブリを曝す工程と
を有する製造方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、前記ダイヤモンド結晶本体の前記粗粒分の前記細粒分に対する重量比は、約９０：１０〜６０：４０の範囲である。
【請求項３】
請求項１の方法において、前記ダイヤモンド結晶の細粒分のサイズは、約１〜２５μｍの範囲である。
【請求項４】
請求項１の方法において、前記焼結金属炭化物支持体は、グループＩＶＢ、ＶＢ、またはＶＩＢ金属の炭化物を有し、前記結合剤は、コバルト、ニッケル、鉄、またはそれらの合金の１若しくはそれ以上である。
【請求項５】
請求項５の方法において、前記焼結金属炭化物支持体はＷＣであり、前記結合剤はＣｏ（コバルト）である。
【請求項６】
請求項１の方法において、前記支持体は、この支持体の総重量の約１７容量％若しくはそれ以下の量の少なくとも１つの焼結結合触媒を有するものである。
【請求項７】
請求項１の方法において、ＨＰ／ＨＴ処理条件は、少なくとも１０００℃の温度で且つ少なくとも２０Ｋｂａｒの圧力で約３〜１２０分間、前記ダイヤモンド結晶本体を焼結することを有するものである。
【請求項８】
改善された耐摩耗特性を有する焼結支持多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）成形体であって、
（ａ）約１５〜７０μｍの範囲の平均粒径を有する約６０重量％〜約９０重量％の粗粒分と、この粗粒分の平均粒径の約半分未満の平均粒径を有する細粒分とから成る混合物を有するダイヤモンド結晶本体と、
（ｂ）前記ダイヤモンド結晶本体と接触して配置される支持体であって、グループＩＶＢ、ＶＢ、またはＶＩＢ金属の炭化物と、前記支持体の総重量の約２０容量％若しくはそれ以下の量の少なくとも１つの焼結結合触媒との混合物を有する、前記支持体と
を有する焼結支持多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）成形体。
【請求項９】
請求項８のＰＣＤ成形体において、前記ダイヤモンド結晶の前記粗粒分の前記細粒分に対する重量比は、約９０：１０〜６０：４０の範囲である。
【請求項１０】
請求項８のＰＣＤ成形体において、前記ダイヤモンド結晶の細粒分のサイズは、１〜２５μｍの範囲である。
【請求項１１】
請求項８のＰＣＤ成形体において、前記焼結金属炭化物支持体は、グループＩＶＢ、ＶＢ、またはＶＩＢ金属の炭化物を有し、前記結合剤は、コバルト、ニッケル、鉄、またはそれらの合金の１若しくはそれ以上である。
【請求項１２】
請求項１１のＰＣＤ成形体において、前記結晶金属炭化物支持体はＷＣであり、前記結合剤はＣｏ（コバルト）である。
【請求項１３】
請求項８のＰＣＤ成形体において、前記支持体は、この支持体の総重量の約１７容量％若しくはそれ以下の量の少なくとも１つの焼結結合触媒を有するものである。
【請求項１４】
請求項８のＰＣＤ成形体において、前記成形体は、高温／高圧（ＨＰ／ＨＴ）処理方法により形成されるものであり、前記ＨＰ／ＨＴ処理方法は、少なくとも１０００℃の温度で且つ少なくとも２０Ｋｂａｒの圧力下で十分な時間、前記ダイヤモンド結晶本体および前記支持体を焼結する工程を有するものである。
【請求項１５】
請求項８のＰＣＤ成形体において、前記成形体は、高温／高圧（ＨＰ／ＨＴ）処理方法により形成されるものであり、前記ダイヤモンド結晶本体および前記支持体は、ろう付けを通してまたはＨＰ／ＨＴ処理環境で一緒に溶解される前に、少なくとも１０００℃の温度で且つ少なくとも２０Ｋｂａｒの圧力下で十分な時間、ＨＰ／ＨＴ処理環境において予備成形されるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００２年１０月１日付け米国仮出願番号第６０／４１４９８７号に対して優先権を主張するものである。
【０００２】
本出願は、全体的に研磨材粒子成形体に関し、特に、例えば非鉄金属、セラミック、及び木質の合成物を機械加工するための耐磨耗性を含む改善された特性を有する成形体に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
一般的に言えば、成形体はダイヤモンドまたは立方窒化ホウ素（ＣＢＮ）などの研磨材粒子の焼結された多結晶塊状体から成る一体結合構造物として特徴付けることができる。そのような成形体は結合母材または第二相を使用せずに自己結合できるが、米国特許第４，０６３，９０９号及び第４，６０１，４２３号で開示されているように、通常は例えばコバルト、鉄、ニッケル、プラチナ、チタン、クロム、タンタル、銅、またはそれらの合金若しくは混合物などの金属である適切な結合母材を用いることが一般に好ましい。また、約５〜３５容量％を占める前記結合母材は、再結晶または成長のための触媒（例えば、ＣＢＮ用のアルミニウムまたはダイヤモンド用のコバルトをなど）を含有することもある。
【０００４】
多くの用途において、成形体は基板物質へのその結合によって支えられ、積層構造若しくは支持成形体配列を形成するることが好ましい。典型的には、前記基板物質は、例えばタングステン、チタン、炭化タンタル粒子、またはそれらの混合物を有し、例えばコバルト、ニッケル、鉄、またはそれらの混合物若しくは合金の約６重量％〜約２５重量％間の結合剤と共に結合される焼結金属炭化物として提供される。米国特許第３，８３１，４２８号、第３，８５２，０７８号、および第３，８７６，７５１号に開示されたように、成形体および支持成形体は、切削工具および目直し工具用の部品または素材、ドリルビット、および摩耗部品または摩擦面として様々な用途で使用されてきた。
【０００５】
本発明に含まれるタイプの多結晶成形体および支持成形体を製造するための基本的な高圧／高温（ＨＰ／ＨＴ）法は、米国特許第４，９５４，１３９号で開示されているＨＰ／ＨＴ装置の反応セル内に配置される保護遮蔽筐体の内部に、研磨結晶粒子（例えば、ダイヤモンド、ＣＢＮ、またはそれらの混合物など）の非焼結塊状体の配置を必要とする。前記研磨材粒子を支持するために焼結金属炭化物の予備的形成の塊を形成し、それによりそれと共に支持される成形物を形成するのと同様に、もしダイヤモンド粒子の焼結が意図されている場合、前記筐体に前記研磨材粒子と共に追加的に配置され得るものは、金属触媒である。次に、前記セルの中身は、研磨材粒子の近接した粒の間の粒間結合を生じさせるのに十分なように、及び随意で、焼結粒子が焼結金属炭化物支持に結合させるのに十分なように選択された処理条件に曝される。通常、そのような処理条件は、少なくとも１０００℃の温度で、少なくとも２０Ｋｂａｒの圧力で約３〜１２０分間置かれるものである。
【０００６】
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）成形体または支持成形体の焼結に関しては、金属触媒は、予め密圧した形態で前記結晶研磨材粒子に隣接して配置することができる。例えば、前記金属触媒を環状体として形成し、その内部に研磨結晶粒子の円柱体を収容してもよく、あるいは金属媒体を円板として形成し、その結晶塊状体の上方または下方に配置してもよい。さらにまた、金属触媒（または溶媒とも呼ばれる）は、粉末形態で提供され、前記研磨結晶粒子と混合されてもよいし、または型の中へ常温圧縮される焼結金属炭化物若しくは炭化物成形紛として提供されてもよく、そこでは、結合材がダイヤモンドの再結晶または成長のための触媒または溶媒として提供される。典型的には、前記金属触媒は、コバルト、鉄、ニッケル、またはそれらの合金若しくは混合物から選択されるが、例えばルテニウム、ロジウム、パラジウム、クロム、マンガン、タンタル、銅、及びそれらの合金及び混合物などの他の金属もまた、使用することができる。
【０００７】
特定のＨＴ／ＨＰ条件下では、どの様な形態で提供されるにしても、前記金属触媒は、拡散若しくは毛管作用によって研磨材層の中へ浸透し若しくは"一掃"し、それにより再結晶または結晶粒間成長のための触媒または溶媒として利用可能となる。ダイヤモンドと黒鉛相との間の平衡線よりも上方の熱力学的ダイヤモンド安定領域内で作用するＨＴ／ＨＰ条件により、互いに近接した結晶粒間において各結晶格子の一部分が共有されるようなダイヤモンド―ダイヤモンド結晶粒間結合によって特徴付けられる、研磨質結晶材粒子の圧縮をもたらす。好ましくは、成形体中または支持成形体の研磨材テーブル中のダイヤモンド濃度は、少なくとも約７０容量％である。ダイヤモンド成形体および支持成形体の製造方法は本技術分野ではよく知られている（米国特許第４，９５４，１３９号を参照）。
【０００８】
米国特許第５，８５５，９９６号および米国特許第５，４６８，２６８号は、前記ＰＣＤ成形体の性能特性における多結晶ダイヤモンド成形体（ＰＣＤ）の粒径分布（ＰＳＤ）の効果を開示している。
【０００９】
出願人は、驚くべきことにダイヤモンド微粉末および支持基板の組成を変えることによってＰＣＤ成形体の耐摩耗特性を改善する方法を発見した。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
耐摩耗特性を改善した焼結支持多結晶ダイヤモンド成形体（ＰＣＤ）は、（ａ）約２０〜７０μｍの範囲の平均粒径を有する粗粒分と、前記粗粒分の平均粒径の約２０％を実質的に超えない細粒分との混合物を有し、この混合物の粗ダイヤモンド粒分の重量が６０重量％を超えて約９０重量％までの範囲である、ダイヤモンド結晶と、（ｂ）約２０容量％若しくはそれ以下の触媒／焼結助剤を有する炭化物基板とを含有する。
【００１１】
さらに、本発明はＰＣＤ成形体の耐摩耗特性を改善させる方法に関し、この方法は、触媒／焼結助剤として働く結合剤を含有する金属炭化物支持体に隣接して配置されるダイヤモンド結晶を高圧／高温（ＨＰ／ＨＴ）処理に曝す工程を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、例えば、非鉄金属、セラミック、および木質の合成物などを機械加工するための、改善された耐摩耗性を有する焼結支持ＰＣＤ成形体に関するものである。各成形体は通常、円柱形であり、円形の横断面を有し、焼結炭化タングステンの円柱基板に結合する多結晶ダイヤモンド（"ＰＣＤ"）の前向きテーブル若しくは円板を有する。
【００１３】
出願人は、耐磨耗性特性に驚くほどにはっきりと影響を与える２つの可変部を発見した。第１の可変部は、例えば供給におけるデュアルモード分布（"バイモーダル供給（ｂｉｍｏｄａｌ  ｆｅｅｄ）"）を有する、ダイヤモンド微粉末供給である。第２の可変部は、結合剤／触媒／焼結助剤の量である。
【００１４】
ダイヤモンド円板用のバイモーダル供給  本発明の処理で使用されるダイヤモンド結晶は自然または合成であり、バイモーダルである、つまり粗粒分と細粒分との混合物を有する処理への供給を有する。前記粗粒分は約１５〜７０μｍの範囲の平均粒径を有する。"平均粒径"は、個々の粒子が"平均"を表す中項の粒径を有するサイズ範囲を有する意味である。前記細粒分は前記粗粒分のサイズの約１／２未満であり、つまり約１〜３５μｍの平均粒径の範囲である。第２の実施形態において、前記細粒分の平均粒径は、３〜２５μｍの範囲である。
【００１５】
１実施形態において、前記粗ダイヤモンド粒子の前記細ダイヤモンド粒子に対する重量比は、前記細ダイヤモンド粒子のバランスを考慮して約６０％を超えて約９０％までの粗ダイヤモンド範囲である。一般に前記粗粒分の前記細粒分に対する重量比は約７０：３０〜８０：２０の範囲である。第２の実施形態として、前記粗粒分の前記細粒分に対する重量比は約６０：４０〜８０：２０の範囲である。
【００１６】
細粒分、粗粒分、またはその間の他のサイズへのダイヤモンド結晶のサイジングは、例えば大型ダイヤモンド結晶のジェットフライス（ｊｅｔ−ｍｉｌｌｉｎｇ）などの本分野で知られている方法で行なわれる。
【００１７】
１実施形態において、前記ダイヤモンド結晶の総重量の２０重量％までの任意の金属を前記円板の組成に組み入れてもよい。任意の金属の例としては、結晶結合触媒としての炭酸塩を含み、例えばＭｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロチウム）、またはＢａ（バリウム）、若しくはそれらの混合物の粉末状炭酸塩である。別の実施形態においては、前記結合触媒は、コバルト、またはその他の鉄族元素（例えば、鉄またはニッケル、若しくはそれらの合金）を有してもよい。周期表のグループＩＶ〜ＶＩ金属の炭化物、窒化物、ホウ化物、および酸化物は、前記焼結ミックスに添加することができる非ダイヤモンド材料の他の例である。
【００１８】
炭化物基材：前記焼結金属炭化物基材または支持体の組成は、従来からのものであり、グループＩＶＢ、ＶＢ、またはＶＩＢ金属のすべてを含むことができ、それらはコバルト、ニッケル、または鉄、若しくはそれらの合金の存在下で圧縮または焼結される。１実施形態において、前記金属炭化物は炭化タングステンである。本発明の１実施形態において、前記結合剤／触媒／焼結助剤はＣｏ（コバルト）である。
【００１９】
本発明の前記支持体材料中の触媒／焼結助剤の量は、商業界の一般的な量より低く抑えられる（例えば、約２２容量％（ＷＣに結合するＣｏに関して１４重量％））。本発明の１実施形態において、前記触媒／焼結助剤は、約１０〜２２容量％の範囲である。第２の実施形態において、前記量は約１０〜１５容量％である。第３の実施形態において、前記量は２０容量％未満である。第４の実施形態において、前記量は約１６容量％若しくはそれ以下である。
【００２０】
データが示すように、改善された耐摩耗性は、ＰＣＤのユニモーダル粒径を有するが、低い結合剤／触媒／焼結助剤の容量になっている。しかし、最大の耐摩耗性は、低容量の結合剤／触媒／焼結助剤と、本明細書に開示されている前記バイモーダルＰＣＤ混合物との組み合わせになっている。前記結合剤／焼結助剤が圧縮状態の前記ＰＣＤ混合物を経由して前記支持体から一掃し、多結晶ダイヤモンド層の助成形成を助けることが知られている。本発明の前記炭化物支持体層中の低容量の残余結合剤／触媒／焼結助剤は、前記焼結ＰＣＤ成形体製品の耐摩耗性を改善するのに有益に貢献するより硬い支持体を生成する。
【００２１】
ＨＰ／ＨＴ処理：本発明の第１の実施形態において、ダイヤモンド本体および焼結助剤／結合剤／触媒を伴う炭化物材料の両方は、粉末として適用され、単一圧縮操作（ＨＰ／ＨＴ処理）において同時に焼結される。上記の背景部分で説明したように、ダイヤモンド結晶と塊状炭化物の混合物は、ＨＰ／ＨＴ反応セルアセンブリ内に設置され、ＨＰ／ＨＴ処理に曝される。選択された前記ＨＰ／ＨＴ処理条件は、研磨材粒子の近接粒子間に結晶間結合をもたらすのに十分であり、随意に、焼結粒子の焼結金属炭化物支持体への接合に十分なものである。１実施形態において、前記処理条件は一般に、少なくとも１０００℃の温度で且つ少なくとも２０Ｋｂａｒの圧力で約３〜１２０分間曝すことを含む。
【００２２】
本発明のさらに別の実施形態において、前記円板および前記基板はどちらも、ＨＰ／ＨＴ処理でまたはろう付けにより共に結合される前に、別の処理で予備焼結される。
【００２３】
この実施形態において、ＰＣＤ円板は、任意の粉末形態の炭化物結合触媒と前記バイモーダル供給ダイヤモンドとを混合することにより予備成形され、前記混合物は適切な形状のカンの中へ詰め込まれ、次に非常に高圧で高温な圧縮状態に曝される。典型的には、前記圧力は少なくとも２０Ｋｂａｒ、前記温度は少なくとも１０００℃、例えば２０００℃である。
【００２４】
前記予備成形された円板は、次に予備成形炭化物基材（結合触媒を含む）の上面の適切な位置に配置され、このアセンブリは適切な形状のカンに配置される。次に、前記アセンブリは高温で高圧な圧縮状態に曝され、それらの温度および圧力の値は従来ＰＣＤ製造で普通に使用されるものである。この処理の間、前記結合触媒は、前記基材から前記ダイヤモンド粉末の内部へ移動し、結合剤−触媒として働き、前記層でのダイヤモンド―ダイヤモンド間結合をもたらし、また前記ダイヤモンド層を前記基材に結合する役目をする。さらに、この焼結処理は、前記円板を前記基材に結合する役目もする。
【００２５】
一般の支持体成形体の商業生産において、ＨＰ／ＨＴ装置の反応セルから回収された製品またはブランクには様々な仕上げ操作が施されるのが普通であリ、かかる仕上げ操作としては、（例えば、放電加工またはレーザーによる）切削、フライス削り、および特にあらゆる付着した被覆金属を成形体の外面から除去する研削が挙げられる。そのような作業はまた、ダイヤモンド研磨材テーブルの厚さおよび／または炭化物支持体の厚さに関する製品規格を満足する円柱形などの形状に成形体を機械加工するためにも使用される。
【００２６】
実施例  ここに提供されている実施例は本発明を説明するためのものであり、本発明の技術範囲を限定することを意図したものではない。
【実施例１】
【００２７】
例１  成形体を生成する第１の工程は、適切なダイヤモンド微粉末混合物を用意することである。これは、２つの異なる粒径分布のダイヤモンド粉末（例えば、〜２５ミクロンのダイヤモンド微粉末の８０重量％、および〜５ミクロンのダイヤモンド微粉末の２０重量％）を管状ブレンダー中で混合することにより成し遂げることができる。この混合粉末をタンタル（Ｔａ）カップの中へ注ぎ込み、焼結ＷＣ円板で蓋をする。数個のこれらのカップを高温／高圧反応セルの中へ搭載し、約３０分間１３００℃〜１５００℃の温度で約５０００ｐｓｉの圧力に曝し、焼結ＰＣＤ成形体を形成する。ダイヤモンド層が厚さ０．４〜０．６ｍｍで、前記ブランクの全体の厚さが１．６ｍｍとなるように前記ＰＣＤ成形体を前記反応セルから取り出して終了する。異なるダイヤモンド粒径分布および基材組成を使用してこの処理のさまざまな変形が調製された。これらの組成は表１にまとめてある。
【００２８】
完成したＰＣＤ成形体の耐摩耗性をテストするために、前記ダイヤモンド層を研磨し、Ａ３９０  Ａｌｕｍｉｎｕｍを旋回するのに適切な道具を前記焼結成形体から製造する。旋回速力は、１回転当りの送り速度０．００５インチおよび切込深さ０．００２インチを伴う毎秒１５００切削である。機械加工処理の間の耐摩耗性を観察した。結果は以下の通りである。
【００２９】
【表１】
2006501068.tif 000002
【００３０】
上記で図示するように、ＷＣ基材のＣｏ（コバルト）容量を減少することにより焼結ＰＣＤの耐摩耗性が向上する。ただし、供給されるダイヤモンド粒径分布も、耐摩耗性を改善するのに重要な要素である。当該実施例では、最適な耐摩耗性のために前記ダイヤモンド粉末供給の粒径分布と前記ＷＣ基材のＣｏ（コバルト）容量の両方を制御することが有益である。
【実施例２】
【００３１】
例２  この例では、ＰＣＤの耐摩耗性をテストする。例１で説明された技術を使用して作成された道具を使って、Ｄｕｒａｌｃａｎ（Ａｌ（アルミニウム）中の２０％ＳｉＣ）を回転させる。旋回速力は、１回転当りの送り速度０．００５インチおよび切込深さ０．００２インチを伴う毎秒１５００切削である。幾つかの道具の加工磨耗を平均し、以下の表形式に示す。
【００３２】
【表２】
2006501068.tif 000003
【００３３】
ＤｕｒａｌｃａｎはＡ３９０より研磨に優れ、上記結果が示すように、本発明は厳しい加工用途に関して既存製品から著しく改善されている。
【００３４】
好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の範囲を逸脱しない範囲でその要素に対して様々な変更が可能であり、等価物に置き換えられることは、当業者は理解するであろう。本発明は、本発明の最善の実施様態として説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲の技術範囲内に入る全ての実施形態を含むものである。
【００３５】
本出願において、特に別段明示されていない限り、全ての単位はメートル法であり、全ての量及びパーセンテージは重量である。
【国際調査報告】
2006501068.tif 000004
2006501068.tif 000005