(57)【要約】複数域超硬合金ツールピース（１０）。そのツールピースは、硬質粒子構成成分及びバインダを含む超硬合金体（１２）と；硬質粒子構成要素及びバインダを有する超硬合金体（１４）、金属体、又はセラミック体を含む付加体と；超硬合金体と付加体の間の実質的に不連続の勾配無しの境界層と；超硬合金体と付加体の間の対をなす表面（１６）とを含む。好ましい実施態様では、硬粒子質構成成分は、タングステンカーバイドなどの炭化物である。好ましい実施態様では、対をなす表面（１６）は、物体の１つの上の雄部分（２０）と、物体のもう一つの上の対応する雌部分（２２）とを含む。対をなす表面（１６）は、対称又は非対称であり、好ましい実施態様では、ディンプルなどの軸対称である。更に、対をなす表面は、ミクロ及びマクロ両方の対をなす機構を含んでもよい。
2004517206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）超硬合金体と、
（ｂ）前記超硬合金体に近接的に接触している付加体と、
（ｃ）前記超硬合金体と前記付加体の間の、実質的に不連続の勾配無しの境界と、
を含むツールピース。
【請求項２】
更に、前記超硬合金体と前記付加体の間に対をなす表面を含む、請求項１記載のツールピース。
【請求項３】
前記対をなす表面が、前記体の１つの上に雄部分と、前記体のもう一つの上に対応する雌部分とを含む、請求項２記載のツールピース。
【請求項４】
前記対をなす表面が対称である、請求項３記載のツールピース。
【請求項５】
前記対をなす表面が軸対称である、請求項４記載のツールピース。
【請求項６】
前記対をなす表面がディンプルである、請求項５記載のツールピース。
【請求項７】
前記対をなす表面が非対称である、請求項３記載のツールピース。
【請求項８】
更に、ミクロ及びマクロ両方の対をなす形体を含む、請求項３記載のツールピース。
【請求項９】
前記ミクロ及びマクロの対をなす形体が、その周期内で有限の数の連続区間に分割される周期関数として表される、請求項８記載のツールピース。
【請求項１０】
前記ミクロ及びマクロの対をなす形体が、１つ以上の半円、半長円、半楕円、三角形、鋸刃曲線、及びこれらのいずれかの先切り変形を包含する、請求項８記載のツールピース。
【請求項１１】
前記ミクロ形体及びマクロ形体が、わずかに約１：１より大きく約１：５０までである、マクロ形体面積に対する摂動付きマクロ形体面積の比を含む、請求項８記載のツールピース。
【請求項１２】
前記ミクロ形体及びマクロ形体が、わずかに約１：１より大きく約１：１０までである、マクロ形体面積に対する摂動付きマクロ形体面積の比を含む、請求項１１記載のツールピース。
【請求項１３】
前記ミクロの対をなす表面が、約１００μｍ〜約１ｃｍの大きさを含む、請求項８記載のツールピース。
【請求項１４】
前記超硬合金が、実質的にＡ０２、Ｂ００、及びＣ００よりも良く実質的にＡ０６、Ｂ００、及びＣ０８以下であるポロシティ格付けを有する、請求項１記載のツールピース。
【請求項１５】
（ａ）硬質粒子構成成分及びバインダを含む超硬合金体と、
（ｂ）前記超硬合金体に近接的に接触している付加体と、
（ｃ）前記超硬合金体と前記付加体の間の、実質的に不連続の勾配無しの境界と、
を含むツールピース。
【請求項１６】
前記付加体が、金属体、セラミック体、及び付加超硬合金体の少なくとも１つを含む、請求項１５記載のツールピース。
【請求項１７】
前記付加体が、硬質粒子構成成分及びバインダを含む、少なくとも１つの付加超硬合金体を含む、請求項１５記載のツールピース。
【請求項１８】
前記硬質粒子構成成分が炭化物である、請求項１７記載のツールピース。
【請求項１９】
前記炭化物がタングステンカーバイドである、請求項１８記載のツールピース。
【請求項２０】
前記タングステンカーバイドの粒径が、約０．２μｍ〜約４０μｍである、請求項１９記載のツールピース。
【請求項２１】
前記付加超硬合金体の前記バインダが、コバルト、ニッケル、鉄、及びこれらの合金からなる群から選択される、請求項１７記載のツールピース。
【請求項２２】
前記超硬合金体の前記バインダが、前記付加超硬合金体の前記バインダと実質的に異なる組成を含む、請求項２１記載のツールピース。
【請求項２３】
前記バインダが、コバルト又はコバルト合金を含む、請求項１５記載のツールピース。
【請求項２４】
それぞれの超硬合金体の前記バインダが、約０重量％〜約２５重量％である、請求項８記載のツールピース。
【請求項２５】
（ａ）硬質粒子構成成分及びバインダを含む超硬合金体と、
（ｂ）前記超硬合金体に近接的に接触している付加体と、
（ｃ）前記超硬合金体と前記付加体の間の、実質的に不連続の勾配無しの境界と、
（ｄ）前記超硬合金体と前記付加体の間の対をなす表面と、
を含むツールピース。
【請求項２６】
ツールピースを生産する方法において、
硬質粒子構成成分をバインダ若しくはバインダ前駆体と機械的に混合することにより、混合物を形成すること、
前記混合物を素地体に形作ること、及び
付加体及び前記素地体を並列配置し、超硬合金体並びに前記超硬合金体と前記付加体との間の実質的に不連続の勾配無しの境界を形成するに十分な、事前選定した温度と超雰囲気圧と温度の時間と超雰囲気圧の時間で、前記超雰気圧の時間の少なくとも一部は前記事前選定した温度で、前記並列配置した素地体及び付加体を固結すること、
を含む方法。
【請求項２７】
前記超雰囲気圧が急速全方向圧縮により適用される、請求項２６の方法。
【請求項２８】
前記超雰囲気圧の時間が前記温度の時間よりも少ない、請求項２６の方法。
【請求項２９】
前記超雰囲気圧の時間が約２秒間〜１０分間である、請求項２６の方法。
【請求項３０】
前記超雰囲気圧の時間が約２秒間〜約１分間である、請求項２９の方法。
【請求項３１】
前記温度の時間が約１０分間〜約６時間である、請求項２６の方法。
【請求項３２】
前記温度の時間が約１５分間〜約１時間である、請求項３１の方法。
【請求項３３】
前記機械的な混合がミリングである、請求項２６の方法。
【請求項３４】
前記超雰囲気圧が少なくとも約１０，０００ｐｓｉである、請求項２６の方法。
【請求項３５】
前記超雰囲気圧が多くても約１，０００，０００ｐｓｉである、請求項３４の方法。
【請求項３６】
前記素地体が、並列配置することの前に固結されて超硬合金体にされ、前記並列配置することが、前記付加体及び前記超硬合金体を伴う、請求項２６の方法。
【請求項３７】
前記付加体が付加超硬合金体を含み、前記超硬合金のための前記素地体のバインダ含有量が、固結の前と後で実質的に同じである、請求項２６の方法。
【請求項３８】
前記素地体の硬質粒子構成成分の大きさが、結果として得られる前記超硬合金体のものと実質的に同じである、請求項２６の方法。
【請求項３９】
前記超硬合金が実質的に空孔を有さない、請求項２６の方法。
【請求項４０】
前記超硬合金が、実質的にＡ０２、Ｂ００、及びＣ００よりも良く実質的にＡ０６、Ｂ００、及びＣ０８以下であるポロシティ格付けを有する、請求項３９の方法。
【請求項４１】
前記固結することが、前記超硬合金体内に液体の生成無しに生じる、請求項２６の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に超硬合金に関し、特に少なくとも１つの超硬合金体を含む複数域を有する物体に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
超硬合金は、バインダで結合された硬質粒子からなる一体材料を記述するのに使用される用語である。硬質粒子は、非金属化合物又は半金属を含む。硬質粒子は、二次元又は三次元的に相互連結していても、いなくてもよい。バインダは、金属又は合金を含み、一般に三次元的に相互連結している。それぞれの一体超硬合金の特性は、硬質粒子の粒径分布、硬質粒子の量、硬質粒子の組成、及びバインダの組成の相互作用から引き出される。
【０００３】
超硬合金の属は、指定されたバインダ構成成分で結合された指定された硬質粒子からなる一体超硬合金として、定義することができる。コバルト合金により結合された又は接合されたタングステンカーバイドは、ＷＣ−Ｃｏ属の１例であり、普通ＷＣ−Ｃｏ超硬合金と呼ばれる。超硬合金の属の特性は、例えば、硬質粒子の量、硬質粒子の粒径分布、又はバインダの組成を、単独にか又は共にかいずれかで調整することにより、仕立てることができる。しかし、１つの材料特性を改良すると、必ず他が悪くなるという原理がある。例えば、ＷＣ−Ｃｏ属の場合、硬質粒子の量の増加によって摩耗抵抗を改良するにつれて、それに対するバインダー量の減少、及び一般的には破壊抵抗の低下となる。この原理をかわす設計は、幾つかの一体超硬合金を結合して、複数域の超硬合金体を形成することである。
【０００４】
世界中の多数の個人及び会社の資源（例えば、時間及び資金の両方）が、複数域の超硬合金体の開発へ向けられてきた。開発努力へ向けられた資源の量は、この主題に関する米国及び外国の特許公報の数、並びに外国での公開公報の数により実証される。多数の米国及び外国の特許、並びに外国の特許公開公報の一部として、次のものなどが挙げられる：米国特許第２，８８８，２４７号、第３，９０９，８９５号、第４，１９４，７９０号、第４，３５９，３５５号、第４，４２７，０９８号、第４，７２２，４０５号、第４，７４３，５１５号、第４，８２０，４８２号、第４，８５４，４０５号、第５，０７４，６２３号、第５，３３３，５２０号、及び第５，３３５，７３８号、並びに外国の特許公開公報ＤＥ−Ａ−３  ５１９  １０１、ＧＢ−Ａ  ８０６  ４０６、ＥＰＡ−０  １１１  ６００、ＤＥ−Ａ−３  ００５  ６８４、ＤＥ−Ａ−３  ５１９  ７３８、ＦＲ−Ａ−２  ３４３  ８８５、ＧＢ−Ａ−１  １１５  ９０８、ＧＢ−Ａ−２  ０１７  １５３、及びＥＰ−Ａ−０  ５４２  ７０４。
【０００５】
一部の資源は、「思考実験」に消費されてきて、かかる複数域の超硬合金体を製作する方法を教示するのに失敗しているという点で、単に願望を提案するのみである。
【０００６】
その他の資源は、複雑な方法を開発することに使用されてきた。幾つかの方法は、開始成分、素地体の幾何形状、又はその両方のプレエンジニアリングを含んだ。例えば、複数域の超硬合金体を製作するのに使用される開始成分は、全く異なる素地体として独自に成形される。時には、独自に成形された素地体は又、独自に焼結され、及び、ある時には研削の後、例えば半田付け、ロー付け、又は収縮嵌合により組み立てられて、複数域の超硬合金体を形成する。別の時には、独自に成形された素地体は、組み立てられ、次に焼結される。独自に成形された素地体を含む同じ成分の異なる組合せは、焼結に対して異なる応答をする。成分のそれぞれの組合せは、特有の形で収縮する。成分のそれぞれの組合せは、焼結温度、時間、雰囲気、又は加工法のいずれかの組合せに対して、特有の形で応答する。成形金型の、及びしたがって素地体寸法のプレエンジニアリングだけが、焼結に続く、組立てを可能にする。プレエンジニアリングを可能にするためには、異なる温度、時間、雰囲気、又は加工法のいずれかの組合せに対する成分の応答を含む、広範なデータベースが必要である。かかるデータベースの作成と維持は、コスト的に非常に困難である。このコストを避けるために、精巧な加工制御機器を使用することもできる。これも又高価である。更に、精巧な加工制御機器を使用する時には、指定された加工パラメータから少しでも逸脱すると、有用な複数域の超硬合金体を生産するよりも、スクラップを生産する。
【０００７】
更に他の資源は、複数域の超硬合金体を形成するための面倒な方法に関して使用されてきた。例えば、半化学量論的な一体超硬合金体が、最初に焼結される。その組成は、炭素が不足しており、したがって超硬合金はイータ相を含有する。次に、一体超硬合金体は、加炭環境に曝されて反応し、各物品の周辺からイータ層が消滅する。この方法は、成分のプレエンジニアリングに加えて、中間加工段階及び加炭設備を必要とする。更に、得られる複数域超硬合金体は、加炭周辺域が摩滅すると超硬合金の有用性がなくなるので、最小の利点しか提供しない。
【０００８】
最近の方法には、次の特許で論じられているものが含まれる：米国特許第５，５４１，００６号、第５，６９７，０４６号、第５，６８６，１１９号、第５，７６２，８４３号、第５，７８９，６８６号、第５，７９２，４０３号、第５，６７７，０４２号、第５，６７９，４４５号、第５，６９７，０４２号、第５，７７６，５９３号、及び第５，８０６，９３４号。これら全てが、ケンナメタルに譲渡されている。これら特許は、複数域の超硬合金体を製作するのに十分な代案を教示するが、依然改良の余地がある。
【０００９】
低価格で製造可能な、複数域のサーメット体及び超硬合金体に対するニーズが存在することは、明白である。更に、より優れた耐摩耗性を更に示して、低価格で製造可能な、複数域のサーメット体及び超硬合金体に対するニーズが存在する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、新規の改良した超硬合金を含む複数域ツールピース（ｔｏｏｌ ｐｉｅｃｅ：工具片）を対象とする。そのツールピースは、硬質粒子構成成分及びバインダを含む超硬合金体と；金属体を含んでも、セラミック体を含んでも、及び／又は硬質粒子構成成分及びバインダを含む付加超硬合金体を含んでもよい付加体と；超硬合金体と付加体の間の実質的に不連続の勾配無しの境界層と；超硬合金体と付加体の間の対をなす表面とを含む。
【００１１】
好ましい実施態様では、硬質粒子構成成分は、タングステンカーバイドなどの炭化物である。炭化物粒径は、約０．２マイクロメートル（μｍ）〜約４０μｍとすることができる。超硬合金体のバインダは、コバルト、ニッケル、及び鉄、並びにこれらの合金の１つから選択され、コバルトが好ましい。又、好ましい実施態様では、バインダは、超硬合金体の約０重量パーセント（重量％）〜約２５重量％である。
【００１２】
好ましい実施態様では、対をなす表面は、物体（例えば、金属体、セラミック体、及び／又は超硬合金体）の１つの上の雄部分と、物体（例えば、金属体、セラミック体、及び／又は超硬合金体）のもう一つの上の対応する雌部分とを含む。対をなす部分は、軸対称（例えば、ディンプル）などの対称でもよく、非対称でもよい。厚さが約２０μｍから約３０の物体が別の物体の表面上又は中に組み込まれる時など、物体の大きさが実質的に全く異なる場合の好ましい実施態様では、対をなす表面は、非対称である。
【００１３】
本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、次の好ましい実施態様の説明、付随する請求項、及び添付図を参照することにより、更に良く理解されるであろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下の説明では、類似の参照文字は、幾つかの図面を通して類似の又は対応する部品を表す。次の説明では又、「前方」「後方」「左」「右」「上方に」「下方に」などは、便宜上の言葉であり、限定する用語と解されるべきではないことを理解されたい。
【００１５】
ここで図面類を全般的に、及び特に図１Ａ、１Ｂを参照すると、図は、本発明の好ましい実施態様を記述するためのものであって、本発明をこれに限定することを意図するものではないことが分かる。図１に最も良く見られるように、全般的に１０で表される複数域体、又はビットが、本発明により構成されて示される。ビット１０は、超硬合金体１２及び付加体１４からなり、対をなす表面１６を有する。図１Ｂは、ビット１０の超硬合金体１２及び付加体１４の断面略図を示し、雄の対をなす表面２０及び雌の対をなす表面２２を強調している。
【００１６】
ここで図２Ａ〜２Ｃを参照すると、全体的に１０で示される複数域体又はビットが、本発明により構成されて示される。ビット１０は、超硬合金体１２及び付加超硬合金体１４からなり、対をなす表面１６を有する（図２Ａでは、界面の外側の線のみ示す）。図２Ｂは、ビット１０の超硬合金体１２及び付加超硬合金体１４の分解図を示し、雄の対をなす表面２０を強調している。図２Ｃは、ビット１０の超硬合金体１２及び付加超硬合金体１４の分解図を示し、雌の対をなす表面２２を強調している。
【００１７】
本発明は、超硬合金体１２と、金属体であってもセラミック体であっても及び／又は付加超硬合金体であってもよい付加体１４と，その間の対をなす表面１６とを有する、複数域体に関する。各超硬合金体は、バインダにより結合された硬質粒子構成成分を含む。以下で更に詳細に説明するように、硬質粒子は、当技術分野で既知のもののいずれかを含んでもよいが、好ましくは炭化物を含み、より好ましくはタングステンカーバイドを含む。炭化物を使用する場合、硬質粒子の粒径は、約０．２〜４０μｍとすることができる。又以下で更に詳細に説明するように、各超硬合金体のバインダは、コバルト、ニッケル、鉄、これらの組合せ、及びその合金を含む、当技術分野で既知のもののいずれかを含んでもよい。各超硬合金体のバインダ含有量は、約０重量％〜約２５重量％とすることができる。
【００１８】
本発明の別の態様では、第二の物体は、金属体、セラミック体、及び付加超硬合金体のいずれか１つである。所望の機能を有する複数域の超硬合金体を製作する工程に耐えるいかなる金属体又はセラミック体も、使用することができる。金属体の例は、鉄及び鉄を元にした合金（例えば、鋼）、ニッケル及びニッケルを元にした合金、コバルト及びコバルトを元にした合金、並びにこれらの組合せを含む。セラミック体の例は、ホウ化物、窒化物、炭化物、酸化物、ケイ化物、これらの混合物、これらの溶体、並びに、ホウ炭化物、ホウ窒化物、炭窒化物、酸窒化物、酸炭窒化物、及びホウ炭窒化物など、ここに記すもののいずれかの組合せの少なくとも１つを含む。前述のものの２つ以上の複合物も、意図している。ホウ化物、窒化物、炭化物、酸化物、又はケイ化物の少なくとも１つの金属は、ＩＵＰＡＣグループ２、３（ランタニド類、アクニチニド類を含む）、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、及び１４からの１つ以上の金属を含む。好ましくは、付加硬質構成成分は、ホウ化物、窒化物、炭化物、酸化物、又はケイ化物、これらの混合物、これらの溶体、及びここに記すもののいずれかの組合せを含む。ホウ化物、窒化物、炭化物、酸化物、又はケイ化物の金属は、ＩＵＰＡＣグループ３（ランタニド類、アクニチニド類を含む）、４、５、及び６からの１つ以上の金属を含み、より好ましくは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＷの１つ以上を含む。セラミックスの例には、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素、炭化ホウ素、ホウ化チタン、窒化チタン、酸窒化珪素、及びこれらの複合物が含まれるが、これには限定しない。
【００１９】
超硬合金体及び付加超硬合金体に関連する本発明の様々な態様は、次のものを包含することができる：（１）付加超硬合金体とは異なる超硬合金体のバインダ含有量；（２）付加超硬合金体のものとは異なる超硬合金体の硬質粒子の粒径；（３）付加超硬合金体とは異なる超硬合金体のバインダ組成；（４）付加超硬合金体のものとは異なる超硬合金体の硬質粒子組成；並びにそのいずれかの組合せである、例えば（５）付加超硬合金体のものとは異なる超硬合金体のバインダ含有量及び硬質粒子の粒径の両方；（６）付加超硬合金体のものとは異なる超硬合金体のバインダ含有量及び組成の両方；（７）付加超硬合金体とは異なる超硬合金体のバインダ組成及び粒径の両方；（８）付加超硬合金体とは異なる超硬合金体の粒径及び硬質粒子組成の両方；（９）付加超硬合金体のものとは異なる超硬合金体のバインダ含有量、硬質粒子の粒径、及びバインダ組成、など。
【００２０】
本発明の別の態様は、図３Ａに示すような、超硬質材料の支持体としての複数域体の使用に関する。超硬質材料には、ダイアモンド、立方晶窒化ホウ素、窒化炭素を含むことができる。具体的には、超硬質材料支持体１０の本体は、超硬合金体１２と付加超硬合金体１４とからなり、その間の対をなす表面１６を有する。図３Ｂは、超硬質材料支持体１０の超硬合金体１２及び付加超硬合金体１４の分解図を示し、雄の対をなす表面２０を強調している。図３Ｃは、超硬質材料支持体１０の超硬合金体１２及び付加超硬合金体１４の分解図を示し、雌の対をなす表面２２を強調している。
【００２１】
図１Ａ〜３Ｃの複数域体１０に関して、そこに示された物体の型は、本発明のある態様を実証することを目的としており、本発明により製作できると出願人が考える物体の型又は幾何形状に限定する意図ではないことを理解されるであろう。本発明の範囲内であると考える複数域体を取り入れた他の型の物体には、その他の中でも、材料を取り扱う及び除去する用途の物体、例えば、油田工具、石油産業若しくは探査工具、採鉱、建設、農業、摩耗、及び金属除去用途のボタン若しくはインサート、又はボタン若しくはインサートの一部などが含まれ、その一部は本明細書で更に詳細に説明しており、その他は当業者には明らかであろう。
【００２２】
本発明による複数域体を作る独特の物体は、研磨した金属組織断面で見ることができる。例えば、超硬合金体１２及び付加超硬合金体１４の図４の顕微鏡写真透視図に示されるように、超硬合金体１２は、バインダ４２で結合された硬質粒子４０からなる。超硬合金体１２と付加超硬合金体１４との間の対をなす表面１６は、明瞭である。更に、付加超硬合金体１４は、バインダ３２で結合された硬質粒子４０からなる。複数域体の更なる金属組織分析の後に明らかになった別の特徴は、超硬合金体（単数又は複数）の実質的に空孔無しの性質、及び／又はその間の実質的に勾配無しの境界である。例えば、ＡＳＴＭ標準Ｂ２７６−９１、超硬合金中の見かけポロシティ標準試験方法を使用して物体のポロシティを決定すると、Ａ００、Ｂ００、Ｃ００までの値が得られる。Ａ０２、Ｂ００、Ｃ００よりも良いポロシティは、本超硬合金体及び付加超硬合金体の特徴とすることができるが、ポロシティは、Ａ０６、Ｂ００、及びＣ０８より高くなくてもよい。超硬合金体と金属体若しくはセラミック体である付加体との間の界面又は境界を観察すると、再び、界面に空孔がほとんど見つからない。
【００２３】
本発明の更に別の態様は、超硬合金体と付加体との間の対をなす表面の性質に関する。例えば、図２及び３の複数域体１０は、超硬合金体１２の対をなす表面１６を雄の対をなす表面２０として描き、一方付加超硬合金体１４の対をなす表面１６を雌の対をなす表面２２として描いている。対をなす表面１６は、ミクロ形体として記述できる摂動を含む、基準マクロ形体として記述することができる。摂動は、例えば摂動付きのマクロ形体の界面の表面積を、摂動無しのマクロ形体と比較して増加する。例えば、平らな表面は、実質的に角形波形体、実質的に三角形波形体、実質的に正弦波形体、及びこれらの組合せなどのミクロ形体を含んで摂動を付けることができる、基準マクロ形体とすることができる。ミクロ及びマクロ形体を記述する便利な方法は、摂動無しのマクロ形体の面積に対する同じであるが摂動付きのマクロ形体の面積の比である。例えば、図２に示すビット１０の摂動無し基準マクロ形体は、πｒ２の面積を有する円盤とすることができて、ここでｒは、直円筒の半径である。摂動付きのマクロ形体は、２πｒ２の面積を有する半球として近似することができる。この例のマクロ形体の面積に対する摂動付きマクロ形体の面積の比は、πｒ２：２πｒ２すなわち１：２である。出願人の考えでは、マクロ形体面積：摂動付きマクロ形体面積の比は、大略約１：１のわずか上より約１：５０まで、好ましくは大略約１：１のわずか上より約１：２５まで、より好ましくは大略約１：１のわずか上より約１：１０まで範囲することができる。マクロ形体の摂動は、超硬合金体と付加体との間の機械的連結をもたらして２物体の界面結合力を増加し、使用中により長く続く複数域体を提供する。
【００２４】
本発明の一態様では、対をなす表面は、対称であるとして記述することができ、例えば、軸対称、又は面対称、或いは回転対称、又は鏡面対称さえ示す。同様に、対をなす表面は、非対称であるとして記述することもできる。複数域体の物体が実質的に大きさの不均衡を有する場合、対をなす表面が非対象であることが有利なことを、出願人は見つけ出した。例えば、２０〜３０μｍの厚さを有する付加体がセンチメートル級の超硬合金体に組み込まれる場合、非対称の対になる表面は、結果として得られる複数域体において優れた組み込みを実現できる。付加超硬合金体が、２０００年７月１３日にイーソン（Ｍａｊａｇｉ， Ｊ． Ｅａｓｏｎ）及びブリツケ（Ｒ．Ｗ． Ｂｒｉｔｚｋｅ）の名で出願され共に譲渡された「超硬質充填材超硬合金及び製造法（Ａ ＳＵＰＥＲＨＡＲＤ ＦＩＬＬＥＲ ＨＡＲＤＭＥＴＡＬ ＩＮＣＬＵＤＩＮＧ Ａ ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＭＡＫＩＮＧ）」という名称の米国特許出願Ｎｏ．０９／６１６，１１２に開示されたような超硬質充填材超硬合金体を含む場合の、超硬合金体及び付加超硬合金体の配置が特に有利であると、出願人は考える。その開示を参考として本明細書に組み入れる。
【００２５】
本発明の別の形体が、図５に示される。特に図５は、超硬合金と付加超硬合金の正弦波連結で特徴づけられるミクロ形体２４を有する、断面が実質的に平らなマクロ界面２６を示す。図６Ａ〜６Ｃは、マクロ及び／又はミクロ界面形体の断面略図を提示する。マクロ及び／又はミクロ界面形体は、いかなる様々な形態をも含むことができると出願人は考えるものであり、均一性、形状変化、高さ変化、幅変化、高さ及び幅変化、形状及び高さ変化、形状及び幅変化、並びに形状及び高さ及び幅変化を有するものなどが挙げられる。図６Ａは、他のものの中でも、幅変化を有する形体を描き、半長円又は半楕円の半円を規則的に変化させて対になる表面１６を作り出す。図６Ｂは、他のものの中でも、形状変化を有する形体を描き、三角形を均一に分布して対になる表面１６を作り出す。図６Ｃは、他のものの中でも、高さ変化を有する形体を描き、異なる高さの半長円又は半楕円を分布して対になる表面１６を作り出す。対になる表面を作り出すために他の形状も使用できると、出願人は考えるものであり、鋸刃曲線、正弦波曲線、そのような曲線の部分及び／又は先切り形などが、単独か、全体及び／又は先切りの半円、半長円、半楕円、及び三角形と組合わせてか、いずれかで使用できる。
【００２６】
対をなす表面１６の幾つかのマクロ及び／又はミクロ界面形体は、その周期内で有限数の連続区間に分割することができる周期関数で表すことができる。かかる関数は、その区間において、数学でフーリエ級数と呼ばれる集束級数に拡張することができる。例えば、「工学公式（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｆｏｒｍｕｌａｓ）」（ニューヨーク、ニューヨーク州、マクグローヒルブック社（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ Ｂｏｏｋ Ｃｏｍｐａｎｙ）１９７９、Ｄ１２〜Ｄ１４ページ）中のギーィック（Ｇｉｅｃｋ， Ｋ．）による「計算（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ）：フーリエ級数」を参照のこと。これを参考として本明細書に組み入れる。フーリエ級数を使用して表せるマクロ／及びミクロ界面形体には、対称形体及び非対称形体が含まれる。幾つかの例として、半円、半長円、半楕円、三角形、鋸刃曲線、及びこれらのいずれかの先切り変形などが挙げられる。その上、周波数変化、高さ変化、並びに周波数及び高さ変化を有する界面形体も、フーリエ級数により表すことができる。これを受けて、対になる表面の強度を強化する能力を有するいずれかのマクロ及び／又はミクロ界面形体も、フーリエ級数として表すことができ、対をなす表面１６として使用することができると、出願人は考える。
【００２７】
超硬合金
本発明の一態様では、複数域体１０は、超硬合金体を含む。この態様では、超硬合金体及び任意で付加超硬合金体を含んでもよい各超硬合金体は、硬質粒子を含み、硬質粒子は、ＩＵＰＡＣグループ３（ランタニド類及びアクチニド類を含む）、４、５、６、これらの混合物、これらの溶体、及びここに記すもののいずれかの組合せからの、１つ以上の金属の炭化物を含む。好ましくは、硬質粒子は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、これらの混合物、これらの溶体、及びここに記すもののいずれかの組合せの、１つ以上の炭化物を含む。より好ましくは、硬質粒子は、タングステンカーバイド、その混合物、その溶体、ここに記すもののいずれかの組合せを含む。
【００２８】
この態様による硬質粒子の大きさは、サブミクロンから約５００μｍ以上まで範囲することができる。サブミクロンには、約１ナノメートルから約１００ナノメートルを超すまでの範囲の構造形体を有する、ナノ構造硬質粒子が含まれる。
【００２９】
超硬合金に関する、特にタングステンカーバイド超硬合金に関する態様では、硬質粒子の大きさは、サブミクロンから約５００μｍを超すまで範囲することができる。ＷＣを含む硬質粒子の好ましい大きさは、約０．２μｍ〜約４０μｍの範囲である。
【００３０】
サーメット
本発明の別の態様では、複数域体１０は、サーメット体を含む。この別の態様では、超硬合金体及び任意で付加超硬合金体を含んでもよい各超硬合金体は、硬質粒子を含み、硬質粒子は、ＩＵＰＡＣグループ３（ランタニド類及びアクチニド類を含む）、４、５、６、これらの混合物、これらの溶体、及びここに記すもののいずれかの組合せからの、１つ以上の金属の炭窒化物を含む。好ましくは、硬質粒子は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、これらの混合物、これらの溶体、及びここに記すもののいずれかの組合せの、１つ以上の炭窒化物を含む。より好ましくは、硬質粒子は、チタン炭窒化物、その混合物、その溶体、及びここに記すもののいずれかの組合せを含む。
【００３１】
この別の態様による硬質粒子の大きさは、サブミクロンから約５００μｍを超すまで範囲することができる。サブミクロンには、約１ナノメートルから約１００ナノメートルを超すまでの範囲の構造形体を有する、ナノ構造の第一の硬質構成成分１４が含まれる。
【００３２】
バインダ
前記実施態様の態様及び／又は実施態様のいずれでも、バインダは、ＩＵＰＡＣグループ８、９、及び１０からの１つ以上の金属を含み、より好ましくは、鉄、ニッケル、コバルト、これらの組合せ、及びこれらの合金の１つ以上を含む。複数域体１０がサーメットを含む場合、バインダは、ニッケル、又はニッケル−鉄合金やニッケル−コバルト合金などのニッケル合金を含むのが好ましい。複数域体１０が超硬合金を含む場合、バインダは、コバルト、又はコバルト−タングステン合金やコバルト−ニッケル−鉄合金などのコバルト合金を含むのが好ましい。バインダは、単一元素金属、金属の混合物、金属の合金、及びこれらのいずれかの組合せを含むことができる。
【００３３】
上記実施態様のいずれかによる超硬合金体のバインダ量は、約０重量％から約２５重量％を超すまでを含むことができる。
【００３４】
追加硬質粒子
前記実施態様の態様及び実施態様のいずれでも、超硬合金体の第二の硬質粒子、第三の硬質粒子、及びいずれかの追加硬質粒子は、ホウ化物、窒化物、炭化物、酸化物、ケイ化物、これらの混合物、これらの溶体、及びここに記すもののいずれかの組合せの、少なくとも１つを含むことができる。ホウ化物、炭化物、酸化物、又はケイ化物の少なくとも１つの金属は、ＩＵＰＡＣグループ２、３（ランタニド類、アクニチニド類を含む）、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、及び１４からの１つ以上の金属を含む。好ましくは、追加硬質構成成分は、ホウ化物、窒化物、炭化物、酸化物、又はケイ化物、これらの混合物、これらの溶体、及びここに記すもののいずれかの組合せの１つを含む。ホウ化物、窒化物、炭化物、酸化物、又はケイ化物の金属は、ＩＵＰＡＣグループ３（ランタニド類、アクニチニド類を含む）、４、５、及び６からの１つ以上の金属を含み、より好ましくは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＷの１つ以上の金属を含む。炭化ケイ素は、有利に使用できると出願人が考える追加硬質粒子である。他の追加硬質粒子、又はさらなる硬質粒子には、ニッケルのアルミニウム化合物（例えば、Ｎｉ３Ａｌ、ＮｉＡｌ、…、他）、チタンのアルミニウム化合物（例えば、ＴｉＡｌ、…、他）、及びアルミナなどの金属間化合物が含まれる。
【００３５】
複数域体の製作
複数域体１０は、従来型の粉末冶金技術から始めることにより生産することができ、粉末冶金技術については次のようなものに記載されている：例えば、ブルックス（Ｋｅｎｎｅｔｈ Ｊ． Ａ． Ｂｒｏｏｋｅｓ）による「超硬合金及び硬質材料のワールドディレクトリアンドハンドブック（Ｗｏｒｌｄ Ｄｉｒｅｃｔｏｒｙ ａｎｄ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ ＨＡＲＤＭＥＴＡＬＳ ＡＮＤ ＨＡＲＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）」第６版、インターナショナルカーバイドデータ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｄａｔａ）（１９９６）；シュナイダー（Ｇｅｏｒｇｅ Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ）による「タングステンカーバイドエンジニアリングの原理（ＰＲＩＮＣＩＰＬＥＳ ＯＦ ＴＵＮＧＳＴＥＮ ＣＡＲＢＩＤＥ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ）」第２版、カーバイドアンドツール技術者協会（１９８９）；「サーメットハンドブック」ハーテル社（Ｈｅｒｔｅｌ ＡＧ）、工具（Ｗｅｒｋｚｅｕｇｅ）＋硬質材料（Ｈａｒｔｓｔｏｆｆｅ）、独国ババリア（Ｆｕｅｒｔｈ Ｂａｖａｒｉａ Ｇｅｒｍａｎｙ）；シュバルツコップ（Ｐ． Ｓｃｈｗａｒｚｋｏｐｆ）及びキーファー（Ｒ． Ｋｉｅｆｆｅｒ）による「超硬合金（ＣＥＭＥＮＴＥＤ ＣＡＲＢＩＤＥＳ）」マクミラン社（Ｔｈｅ Ｍａｃｍｉｌｌａｎ Ｃｏｍｐａｎｙ）（１９６０）；並びに全てケンナメタルに譲渡された米国特許第５，５４１，００６号、第５，６９７，０４６号、第５，６８６，１１９号、第５，７６２，８４３号、第５，７８９，６８６号、第５，７９２，４０３号、第５，６７７，０４２号、第５，６７９，４４５号、第５，６９７，０４２号、第５，７７６，５９３号、及び第５，８０６，９３４号のいずれかがあり、これら特許の主題全体を参考として本願に取り入れる。
【００３６】
複数域体１０の成形に際しては、硬質粒子と、任意で追加硬質粒子と、バインダ若しくはバインダ前駆体との、少なくとも１つの混合物が形成される。かかる混合物を形成する方法は、例えば、米国特許第４，０７０，１８４号、第４，７２４，１２１号、第５，０４５，２７７号、及び第５，９２２，９７８号に記載されており、機械的混合及びスプレー乾燥が含まれる。バインダ若しくはバインダ前駆体は、硬質粒子と及び使用する場合には追加硬質粒子と機械的に緊密に混合されていてもよい先に記述した複合粉体、又は金属粉体など、いずれが源であってもよい。バインダ若しくはバインダ前駆体は、好ましくは直径が大きくても約１０μｍの、より好ましくは大きくても約５μｍの、最も好ましくは大きくても約２μｍの平均粒径を有する金属粉体である。バインダ若しくはバインダ前駆体粉体は、タングステンカーバイドを含む超硬質充填材の超硬合金中にイータ層などの望ましくない相を形成しない、又は望ましくない相の形成を促進しない、純度であるのが望ましい。好ましくは、バインダ又はバインダ前駆体粉体は、金属粉体の重量の多くても約１％の不純物量を含有するのみであり、不純物とは、Ｃ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、又はＮｉ以外の元素である。不純物の量は、遷移金属粉体重量の、より好ましくは多くても約０．５％、最も好ましくは０．２％である。
【００３７】
各混合物は、各混合物が多孔質体形状になる能力を改良する結合剤などの、有機添加剤を含有してもよい。代表的な結合剤には、パラフィンろう、微晶ろうなどの合成ろう、或いは、ポリエチレン若しくはポリプロピレンなどの線状又は側鎖重合体が含まれる。結合剤は、通常、混合物の構成成分を共に混合するのに使用できる、直鎖アルカン（例えば、ヘプタン）などの溶媒に可溶である。
【００３８】
各混合物は、硬質粒子と、バインダ若しくはバインダ前駆体と、追加硬質粒子又は先に記述した有機添加剤などのいずれかの任意構成成分とを、機械的に混合することにより形成される。機械的混合は、硬質粒子と、使用する場合には追加硬質粒子と、バインダ若しくはバインダ前駆体とを緊密に混合する、超音波撹拌、ボールミル、アトリーション、均質化ｖ−ブレンド、又は混合及び撹拌などの、いずれかの便利な形体の機械的混合であってもよい。硬質粒子、及びバインダ若しくはバインダ前駆体を含む実施態様では、ボールミル又はアトリーションを使用するのが好ましい。
【００３９】
硬質粒子及びバインダ若しくはバインダ前駆体を含む各混合物は、その環境が混合物構成成分を有害に酸化又は加水分解しない限り、乾燥状態で混合しても、又は溶媒中で混合してもよい。好ましくは、混合物は、オクタン、ヘプタン、又はヘキサンなどの、低分子量直鎖アルカンのような溶媒中で調製されて、溶媒は後に乾燥により除去され、乾燥法は、真空又はスプレー乾燥などの便利な方法とする。
【００４０】
次に、各混合物は、当技術分野で既知のものなどの便利な方法で、直列的に又は並列的にのいずれかで素地体に成形される。その方法の例として、硬鋼工具中での一軸圧縮成形、ゴム工具中でのドライ又はウエットバッグ冷間静水圧成形、押出又は射出成形がある。特定の方法は、主として所望の形状により選定される。本発明の場合、一軸圧縮成形、ドライ又はウエットバッグ等圧成形により、望ましい結果が得られる。これらの方法の幾つかは、例えば、米国特許第５，５４１，００６号、第５，６９７，０４６号、第５，６８６，１１９号、第５，７６２，８４３号、第５，７８９，６８６号、第５，７９２，４０３号、第５，６７７，０４２号、第５，６７９，４４５号、第５，６９７，０４２号、第５，７７６，５９３号、及び第５，８０６，９３４号に記載されている。
【００４１】
固結の前に、素地体は、加工を補助するために添加されることもあるいずれかの有機添加物を、加熱して除去してもよい。脱ろうと普通呼ばれるこの加熱は、真空、不活性ガス、又は還元ガス中において、３００℃〜約７００℃の範囲で実施することができる。特に好適な脱ろうサイクルは、有機添加物剤の大部分を除去するに十分な時間、真空下で３５０℃まで加熱し、次に水素ガスを含む雰囲気中で４５０℃まで加熱することである。アルゴンなどの代替ガス雰囲気、及び真空さえ、脱ろうサイクルで使用することができる。
【００４２】
次に、素地体は、密度を増した複数域体を形成するのに十分な、温度、超雰囲気圧、温度での時間、超雰囲気圧での時間で、固結される。固結が生じる際、物体中での液体の形成が、あることも、ないこともある。固結温度は、本明細書で記述する超雰囲気圧で素地体が密度上昇を起すのに十分高くなければならない。好ましい態様では、その温度は又、素地体内で液層が形成されて硬質構成成分の粒成長があるとしてもわずかしかない、温度未満でなければならない。好適な温度範囲は、約８００℃〜約１５００℃、好ましくは約８００℃〜約１３５０℃、より好ましくは約９００℃〜約１３００℃、更により好ましくは約１０００℃〜約１３００℃、最も好ましくは約１０５０℃〜約１２５０℃である。
【００４３】
固結時間は、密度を増した複数域体を形成はするが、可能な限り短い時間であってよい。固結時間は、複数域体の望ましい密度は達成するが、実質的に全ての硬質粒子の過度の粒成長を排除する時間とすべきである。好ましくは、時間と温度は、硬質粒子が実質的に成長を示さなく、高温での固結の前と後で実質的に同じに留まるような時間と温度である。好適な時間は、約１分間から約２４時間の範囲である。時間は、好ましくは多くても約１２時間、より好ましくは多くても約６時間、更により好ましくは多くても約３時間、最も好ましくは多くても約１時間であり、好ましくは少なくとも約５分間、より好ましくは少なくとも約１０分間、最も好ましくは少なくとも約１５分間である。
【００４４】
固結温度での全時間又はその一部だけは、本発明による高圧であってもよい（すなわち、超雰囲気圧での時間は、温度での時間以下である）。実際上の理由で、超雰囲気圧での時間は、密度が増した複数域体１０を達成はするが、できるだけ短いのが有利である。固結温度での超雰囲気圧の時間は、好ましくは多くても約３０分間、より好ましくは多くても約１０分間、更により好ましくは多くても約６０秒間、最も好ましくは多くても約１５秒間であり、好ましくは少なくとも約２秒間である。
【００４５】
固結温度での超雰囲気圧は、結果として得られる段階的複合体又は複数域体が基本的に空孔のない超硬合金を含むような、少なくとも圧とすべきである。例えば、Ａ００、Ｂ００、及びＣ００などの、Ａ０２、Ｂ００、及びＣ００よりも良いポロシティは、超硬合金体の１つの特徴とすることができるが、Ａ０６、Ｂ００、及びＣ０８を超えないポロシティでも十分であると考えられる。超雰囲気圧は、物体１０の破滅的な破壊を生じる虞がある程度に段階的複合超硬合金が塑性変形を開始する、圧未満とすべきである。超雰囲気圧は、好ましくは多くても平方インチ当り約１，０００，０００ポンド（ｐｓｉ）（６．８９ＧＰａ）、より好ましくは多くても約５００，０００ｐｓｉ（３．４５ＧＰａ）であり、好ましくは少なくとも約１０，０００ｐｓｉ（６８．９ＭＰａ）、より好ましくは少なくとも約５０，０００ｐｓｉ（３４５ＭＰａ）、最も好ましくは少なくとも約１００，０００ｐｓｉ（６８９ＭＰａ）である。
【００４６】
素地体を固結する代表的な方法として、素地体を圧力伝達粒子の床の中に置く急速全方向圧縮（ＲＯＣ法）、高温静水圧圧縮（ＨＩＰ）、一軸ホットプレス、又は焼結ＨＩＰを１例とする無圧若しくは真空での焼結に続いて上記超雰囲気技法の１つを行うもの、などが挙げられる。圧力伝達粒子床を使用する様々な態様が、ミークス（Ｍｅｅｋｓ）ら（米国特許第５，０３２，３５２号、及び第４，９７５，４１４号）、アンダーソン（Ａｎｄｅｒｓｏｎ）ら（米国特許第４，９８０，３４０号、及び第４，８０８，２２４号）、オスリン（Ｏｓｌｉｎ）（米国特許第４，９３３，１４０号）、及びチャン（Ｃｈａｎ）ら（米国特許第４，９１５，６０５号）により教えられる。焼結ＨＩＰの様々な態様が、ルイス（Ｌｕｅｔｈ）（米国特許第４，５９１，４８１号、及び第４，４３１，６０５号）により教えられる。好ましくは、固結方法は、ＲＯＣの様々な態様を含み、ティム（Ｔｉｍｍ）（米国特許第４，７４４，９４３号）、ライゼンビ（Ｌｉｚｅｎｂｙ）（米国特許第４，６５６，００２号、及び第４，３４１，５５７号）、ロズムス（Ｒｏｚｍｕｓ）（米国特許第４，４２８，９０６号）、及びケルト（Ｋｅｌｔｏ）（金属ハンドブック「急速全方向圧縮（Ｒａｐｉｄ Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ）」第７巻、５４２〜５４６ページ）により教えられ、それぞれの主題の全体を本明細書へ参考として組み入れる。
【００４７】
本発明によるＲＯＣ法では、複数の素地体、素地体及び焼結体、複数の焼結体、素地体及びセラミック若しくは金属体、又は焼結超硬合金及びセラミック若しくは金属体は、まず、固結温度で粘性液体のように振る舞う圧力伝達材料中に着床され、その材料及び素地体はシェルへ入れられる。素地体は、黒鉛箔又は窒化ホウ素などのバリア層で包んでもよい。好適な圧力伝達材料には、十分な粘性を有してその結果適用圧下でその物体に侵入できない、ガラスが含まれる。代表的なガラスには、シリカ及びホウ素を高濃度で含有するガラスが含まれる。温度範囲１０００℃〜１４００℃で有用な市販ガラスとして、コーニング（Ｃｏｒｎｉｎｇ）型パイレックス（登録商標）（ＰＹＲＥＸ（登録商標））７７４０がある。圧力伝達材料は、米国特許第４，４４６，１００号、第３，４６９，９７６号、第３，４５５，６８２号、及び第４，７４４，９４３号に更に詳細に記載されている。固結に関係するそれぞれの特許の全体を、本明細書へ参考として組み入れる。
【００４８】
素地体（単数又は複数）及び圧力伝達媒体を容れたシェルは、密閉軽シリンダーを形成し、鍛造プレスの壺金型工具中へ置くことができるのが好ましい。鍛造業界で既知の壺金型工具は、一端をエジェクター組立て体でもう一端を円筒状ラムで閉止された、円筒状空洞からなる。工具中で圧縮されると、シェルは、予定通りに変形しなければならず、割れ又は漏れがあってはならない。
【００４９】
１５０℃〜約１６５０℃の温度範囲でガラスの圧力伝達媒体を使用する好ましいシェル材料として、チクソトロピックセラミックで鋳造されたシェルがあり、米国特許第４，４２８，９０６号の第３段５８〜６８行目及び第４段１〜２７行目に記載されており、参考として本明細書に組み入れる。そのチクソトロピックセラミック材料は、セラミック骨格網状組織及び圧力伝達材料を含み、変形又は崩壊して圧力伝達材料の圧縮を可能にするが、十分な構造的一体性を維持して圧力伝達流体が壺金型から漏れることを防ぐ。
【００５０】
シェルに入れられた圧力伝達材料中へ物体を着床させると、このシェル組立て体は、鍛造に好適な温度まで不活性雰囲気中で加熱される。この段階の温度は、先に記した通りである。温度の時間は、圧力伝達媒体が完全に流体化し、物体を圧力伝達材料の温度とほぼ平衡な温度にするのに十分な時間でなければならない。固結温度まで加熱することと固結温度で維持することの両方の典型的な時間は、約１時間〜３時間の範囲である。焼結温度の時間が、一般に約１分〜３０分維持された後、以下に記す鍛造プレスの壺金型の中でプレスされる。
【００５１】
加熱したシェル組立て体は、以下に記すように、並びにティム（Ｔｉｍｍ）による米国特許第４，７４４，９４３号の第９段５０〜６８行及び第１０段１〜３行に記されるように、鍛造プレス中でプレスされる。この特許を参考として本明細書に組み入れる。加熱されたシェルは、先に記した壺金型工具などの閉じた空洞の中においてラムで組立て体を圧縮することにより、鍛造プレス中でプレスされる。ラムが空洞中の組立て体を圧縮すると、圧力伝達材料が、大きな静水圧を物体にかけて密度を上げる。組立て体のシェル材料は、ラムと壺金型の間の間隙に流れ込んで事実上圧力シールを形成し、その結果液体の圧力伝達材料が、壺金型の中へ逃げることはない。プレスの後、シェル組立て体は、壺金型から押し出される。
【００５２】
壺金型から押し出された後、液体の圧力伝達材料（ＰＴＭ）を金網に通して注ぐなどの方法により、密度が増した物体を金網上に残して、ＰＴＭから分離する。この方法は、ティム（Ｔｉｍｍ）の米国特許第４，７４４，９４３号の第１０段５〜２７行に更に詳細に記載されており、参考として本明細書に組み入れる。物体上に残ったいずれかの残留物は、例えばサンドブラストにより除去することができる。全体組立て体は又、密度が増した物体を取り出す前に、室温まで冷却してもよい。続いて、例えばハンマーでガラスＰＴＭを破壊することにより、物体を固化したガラスＰＴＭから取り出す。研削及び研磨など密度が増した物体の更なる仕上げを実施してもよい。
【００５３】
本発明を、次により例示するが、これは、本発明の様々な態様を実証して明瞭化するためのものである。これらは、本発明の請求の範囲を限定するものと解釈してはならない。
【００５４】
複数域体用の超硬合金を調製するのに使用する原材料を、表１にリストする。これら材料の出所は、当業者には既知であり、米国ペンシルバニア州（Ｌａｔｒｏｂｅ， Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）のケンナメタル社（Ｋｅｎｎａｍｅｔｅｌ Ｉｎｃ．）、テネシー州（Ｌｅｖｅｒｎ， Ｔｅｎｎｅｓｓｅｅ）にあるテラダインアドバンストマテリアルス（Ｔｅｌａｄｙｎｅ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）、オハイオ州（Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ， Ｏｈｉｏ）に本社のあるＯＭＧ、米国ペンシルバニア州（Ｔｏｗａｎｄａ， ＰＡ）にあるオスラムマテリアル社（Ｏｓｒａｍ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）が含まれる。
【００５５】
約０重量％〜約２０重量％のコバルトを有するタングステンカーバイドを含む、スプレー乾燥した混合物をプレスして素地体とし、第二の物体と対にして、次に脱ろうにかけた。素地体は、ＲＯＣを使用して約１１５０℃で数分かけて固結し、複数域体を製造した。複数域体の幾つかは、切断後、載せて、研磨し、ミクロ構造を調査した。超硬合金と付加超硬合金の間の界面を調査した結果、これらの間の良好な結合が明らかになった。複数域体は、実質的に空孔を含有しない。
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【００５６】
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【００５７】
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【００５８】
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【００５９】
表３の超硬合金体の金属含有量は、誘導的に接続したアルゴンプラズマ発光分光法により、ラジアル視モードを使用して決定した。高純度金属で作成した校正溶体により、４点多変数校正を実施し、精度は、合成的に調製した品質保証サンプルを使用して１相対％まで実証した。使用した設備は、パーキンエルマ（Ｐｅｒｋｉｎ−Ｅｌｍｅｒ）３３００ＤＶ分光計であった。表３の素地体に関するデータは、固結した一体物体から得た。表３の複数域体に関するデータは、自溶的に及び／又は近接的に接触している第一の超硬合金体と第二の超硬合金体との間の実質的に不連続の勾配無しの境界を除外するように複数域体から切断した、第一の超硬合金体及び第二の超硬合金体の区分から得た。本発明の態様では、自溶的に及び／又は近接的に接触している超硬合金体と付加体の間の実質的に不連続の勾配無しの境界は、バインダの含有量及び／又は組成の実質的に不連続の勾配無しの変化と言うことができる。
【００６０】
本発明のその他の実施態様は、ここに開示する本発明の明細書又は実施から、当業者には明白であろう。例えば、本発明の複数域体は、材料の操作又は除去に使用することができ、例えば、油田工具、石油産業若しくは探査工具、採鉱、建設、農業、摩耗、及び金属除去用途の、ボタン若しくはインサート又はボタン若しくはインサートの部分などが含まれる。
【００６１】
油田工具、石油産業若しくは探査工具の幾つかの例として、ダウンザホールビットが含まれ、硬質インサート及び／又はボタンを有する、固定カッティングビット、トリコンビット、及び回転パーカッションビットなどが挙げられる。本発明により作成した例えば石油ビットとして使用する幾つかの複数域体は、石油ビットの外側及び後部分を構成する、約１２重量％のコバルトで結合されたタングステンカーバイド（ＷＣ）の付加超硬合金体に自溶的及び／又は近接的に結合した、石油ビットの先端及び前側部分を構成する、約１０重量％のコバルトで結合されたタングステンカーバイド（ＷＣ）の超硬合金体を含んでいた。本発明により作成した例えば石油ビット（固定カッタ用）として使用する他の複数域体は、石油ビットの外側及び後部分を構成する、約１６重量％のコバルトで結合されたタングステンカーバイド（ＷＣ）の付加超硬合金体に囲まれて支えられた、石油ビットの先端及び前側部分を構成する、約１３重量％のコバルトで結合されたタングステンカーバイド（ＷＣ）の超硬合金体を含んでいた。複数域体の別の用途は、例えば本発明により作成した石油ビット（固定カッタ用）としてであり、石油ビットの外側及び後部分を構成する、約１４重量％のコバルトで結合されたタングステンカーバイド（ＷＣ）の付加超硬合金体に囲まれて支えられた、石油ビットの先端及び前側部分を構成する、約１３重量％のコバルトで結合されたタングステンカーバイド（ＷＣ）の超硬合金体を含む。このように、これら複数域ビットは、約０〜約２０重量％のバインダを含んで約０．２μｍ〜約８μｍの粒径を有する超硬合金体１２と、約６重量％〜約２５重量％のバインダを含んで約２μｍ〜約８μｍの粒径を有する付加超硬合金体１４とを含むことができる。
【００６２】
農業用途の幾つかの例として、農業工具のインサート、ディスクブレード、種まき用靴状体、切り株切断機又はグラインダ、うね立て工具、及び土耕工具などが挙げられる。
【００６３】
採鉱及び建設用途の幾つかの例として、切断若しくは掘り工具、地中錐、鉱石若しくは岩石用ドリル、建設設備用ブレード、回転カッタ、地中作業工具、粉砕機、及び掘削工具などが挙げられる。
【００６４】
採鉱及び建設用途の更に特定の例として、道路削り加工及び平面加工用円錐形インサート若しくはその部分、回転可能な建設ビット及び回転可能なスケールの採鉱ビット、天盤ビット用の円錐か円筒か平面若しくはログキャビン形のインサート若しくはその部分、非回転型採鉱ビット、錐ビット、雪かき機ブレード、及び路面掘り起し機ブレードなどが挙げられる。
【００６５】
本発明により作成した例えばパーカッションビットとして使用する幾つかの複数域体は、パーカッションビットの外側及び後部分を構成する、約８重量％のコバルトで結合されたタングステンカーバイド（ＷＣ）の付加超硬合金体に囲まれて支えられた、パーカッションビットの先端及び前側部分を構成する、約６重量％のコバルトで結合されたタングステンカーバイド（ＷＣ）の超硬合金体を含んでいた。パーカッションビット体は、断面切断して研磨し、超硬合金体１２から実質的に不連続の勾配無しの境界を横切って付加超硬合金体１４へ実質的に等距離間隔で、ロックウェルＡ（Ｒａ）を測定した。超硬合金体１２のＲａ硬さは、実質的に不連続の勾配無しの境界に向かって移動する時、９１．３、９１．４、及び９１．４と測定された。付加超硬合金体１４のＲａ硬さは、実質的に不連続の勾配無しの境界から離れて移動する時、８９．９、８９．８、及び８９．９と測定された。
【００６６】
摩耗用途の幾つかの例として、他のものの中でも、高温高圧超硬材料の製造用アンビル、サンドブラストノズルやウォータージェットノズルやアブレイシブウォータージェットノズルなどの摩耗材料を方向付けるためのノズル若しくはノズルの部分などが挙げられる。
【００６７】
材料除去用途の幾つかの例として、ドリル、エンドミル、リーマ、ねじ切り工具、又は、チップ制御機構を組み込んだターニング、ボーリング、ドリル、ミーリング、若しくはソーのインサート、並びに、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、ＣＶＤ及び／又はＰＶＤの変形、ＣＶＤ及びＰＶＤの組合せ、化成被覆などのいずれかにより適用されるコーティングを含む、材料切断、又はターニング、ボーリング、ドリル、ミーリング、若しくはソーのインサートなどが挙げられる。
【００６８】
本発明により作成した例えばエンドミルとして使用する幾つかの複数域体は、エンドミルの外側又はスリーブ部分を構成する、約１０重量％のコバルトで結合された微粒タングステンカーバイド（ＷＣ）の超硬合金体が囲む、エンドミルの芯部分を構成する、約８重量％のコバルトで結合された粗粒タングステンカーバイド（ＷＣ）の付加超硬合金体を含んでいた。本発明により作成した例えばドリルとして使用する他の複数域体は、ドリルの外側又はスリーブ部分を構成する、約６重量％のコバルトで結合された微粒タングステンカーバイド（ＷＣ）の超硬合金体が囲む、ドリルの芯部分を構成する、約８重量％のコバルトで結合された粗粒タングステンカーバイド（ＷＣ）の付加超硬合金体を含んでいた。
【００６９】
例えば超硬材料基材として使用する幾つかの複数域体が、本発明に従って作成された。これら複数域の超硬材料基材は、約６重量％〜約１６重量％のバインダを含んで約２μｍ〜約８μｍの粒径を有する超硬合金体１２と、約８重量％〜約２０重量％のバインダを含んで約２μｍ〜約１０μｍの粒径を有する付加超硬合金体１４とを含むことができることを申請人らは見出した。
【００７０】
本願で引用した特許及び特許出願を含む全ての文献の主題は、全体を参考として本明細書に組み入れる。
【００７１】
本明細書及び実施例は、例証としてのみ考慮されると意図しており、本発明の真の範囲及び趣旨は次の請求の範囲に示される。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
本発明の一実施態様の一態様により構成されたビットの等角図を示す図である。
【図１Ｂ】
本発明の一実施態様の一態様による図１Ａのビットの断面略図を示す図である。
【図２Ａ】
本発明の一実施態様の一態様により構成されたビットを示す図である。
【図２Ｂ】
図２Ａのビットの分解図を描き、本発明の一実施態様の一態様による雄の対をなす表面を強調している図である。
【図２Ｃ】
図２Ａのビットの分解図を描き、本発明の一実施態様の一態様による雌の対をなす表面を強調している図である。
【図３Ａ】
本発明の一実施態様の一態様による超硬質材料基材担体を示す図である。
【図３Ｂ】
図３Ａのビットの分解図を描き、本発明の一実施態様の一態様による雄の対をなす表面を強調している図である。
【図３Ｃ】
図３Ａのビットの分解図を描き、本発明の一実施態様の一態様による雌の対をなす表面を強調している図である。
【図４】
本発明の一実施態様の一態様による、超硬合金体と付加超硬合金体との間の対をなす表面のミクロ構造を示す図である。
【図５】
本発明の一実施態様の一態様による、ミクロ及びマクロ構成要素を含む対をなす表面を示す図である。
【図６Ａ】
本発明の一実施態様の一態様に係る対をなす表面の略断面を示す図である。
【図６Ｂ】
本発明の一実施態様の一態様に係る別の対をなす表面の略断面を示す図である。
【図６Ｃ】
本発明の一実施態様の一態様に係る他の対をなす表面の略断面を示す図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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