(57)【要約】  岩石除去用のカッタ要素が１つ又は２つ以上の物理的体積部を含む自立型ＰＣＤ本体を有し、ＰＣＤ材料は、ダイヤモンドと金属のネットワーク組成比及び金属元素組成の面で不変であり、各物理的体積部は、ダイヤモンドと金属のネットワーク組成比及び金属元素組成に関して任意他の物理的体積部とは異ならないようになっている。ＰＣＤ本体は、使用の際に岩石に接触する領域を形成する機能的作業体積部を有する。使用の際に残存し且つ近位自由面を備えた機能的支持体積部が機能的作業体積部から延びている。ＰＣＤ本体は、ＰＣＤ本体全体の外接直方体の最も長いエッジの長さと機能的作業体積部が延びる起点としての外接直方体の最も小さな三角形面の最も大きな幅の比が１．０以上であるようなアスペクト比を有する。
2016509639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
岩石除去のためのカッタ要素であって、
ダイヤモンドと金属の相互侵入ネットワークを有する自立型ＰＣＤ本体を有し、前記自立型ＰＣＤ本体は、
前記ＰＣＤ本体の境界部内に位置する１つ又は２つ以上の物理的体積部を更に有し、前記全体的本体のための前記ＰＣＤ材料は、前記ダイヤモンドと金属のネットワーク組成比及び金属元素組成の面で不変であり、各物理的体積部は、前記ダイヤモンドと金属のネットワーク組成比及び前記金属元素組成に関して任意他の物理的体積部とは異ならないようになっており、
前記ＰＣＤ本体の遠位側に位置する機能的作業体積部を更に有し、前記機能的作業体積部は、使用にあたり、前記岩石に接触する領域又は体積部を形成し、剪断と圧潰と研削の組み合わせによって前記岩石の漸次除去を生じさせ、前記機能的作業体積部それ自体は、前記ＰＣＤ本体の寿命中、次第に摩耗し、
使用中に残存し、近位自由表面を備えた機能的支持体積部を更に有し、前記機能的支持体積部は、前記機能的作業体積部から延びていて、前記ハウジング本体への前記岩石除去ＰＣＤ本体の取り付け手段と共に前記機能的作業体積部に対して機械的及び熱的支持作用を提供する領域又は体積部であり、
前記機能的作業体積部は、エッジ、頂点、凸状湾曲面又は突起の任意の組み合わせから成る隣り合う自由表面相互間の遠位自由表面又は境界部から、前記機能的作業体積部の遠位末端からの延長線に沿って全体的本体の図心を通って前記機能的支持体積部の近位末端まで前記機能的支持体積部中に延びる前記機能的作業体積部の断面積が増大しながら延び、
前記機能的支持体積部は、前記全体的自立型ＰＣＤ本体の前記図心を包囲し、
前記全体的ＰＣＤ本体は、前記全体的ＰＣＤ本体の外接直方体の最も長いエッジの長さと前記機能的作業体積部が延びる起点としての前記外接直方体の最も小さな三角形面の最も大きな幅の比が１．０以上であるようなアスペクト比を備えた形状を有し、
前記自立型ＰＣＤ本体にはマクロ的応力がなく、しかも前記自立型ＰＣＤ本体には、平均結晶粒度の１０倍を超える尺度の残留応力がなく、結晶粒度の最も粗い成分は、前記平均結晶粒度の３倍以下である、カッタ要素。
【請求項２】
前記自立型ＰＣＤ本体は、１つの物理的体積部から成る、請求項１記載のカッタ要素。
【請求項３】
前記自立型ＰＣＤ本体は、２つ又は３つ以上の物理的体積部から成る、請求項１記載のカッタ要素。
【請求項４】
前記ＰＣＤ本体は、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面から延びる１つの鏡映面を有し、前記遠位自由表面は、湾曲エッジを有する、請求項２又は３記載のカッタ要素。
【請求項５】
前記ＰＣＤ本体の全体的形状は、直円柱であり、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、１つの円周方向エッジの一部である、請求項４記載のカッタ要素。
【請求項６】
ＰＣＤ材料の２つの物理的体積部を有し、前記物理的体積部の境界部は、前記全体的ＰＣＤ本体の両方の平べったい端部に平行である、請求項５記載のカッタ要素。
【請求項７】
前記ＰＣＤ本体は、機能的作業体積部の遠位末端から延びる１つの鏡映面を有し、前記遠位自由表面は、真っ直ぐなエッジを有する、請求項１〜６のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項８】
前記ＰＣＤ本体は、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面から延びる１つの鏡映面を有し、前記遠位末端は、頂点を有する、請求項１〜６のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項９】
前記全体的ＰＣＤ本体は、前記直円柱の胴又はフランクに沿う１つ又は２つ以上の平坦な表面によって改変された直角柱であり、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、真っ直ぐなエッジ又は頂点である、請求項７又は８記載のカッタ要素。
【請求項１０】
前記ＰＣＤ本体は、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面を通るｎ回回転軸線を有し、前記遠位自由表面は、湾曲した表面を含み又は前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面から延びる無数の鏡映面を有する、請求項１〜３のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項１１】
前記ＰＣＤ本体は、一端が半球形の直円柱である、請求項１０記載のカッタ要素。
【請求項１２】
前記ＰＣＤ本体は、一端が円錐形である直円柱であり、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、丸形先端である、請求項１０記載のカッタ要素。
【請求項１３】
前記機能的作業体積部は、２つ又は３つ以上の平坦な表面又はファセットを備えた湾曲表面により形成された全体としてチゼルの形状を有し、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、先端、湾曲したエッジ又は真っ直ぐなエッジであるよう前記ファセット相互間の境界部により形成されている、請求項１〜４及び７のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項１４】
前記機能的作業体積部は、湾曲した表面を有し、前記機能的作業体積部は、共通の境界部のない状態で隔離された１つ又は２つ以上の平坦な表面又はファセットを有し、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、湾曲したエッジであるようファセットと前記湾曲した表面との間の境界部によって形成されている、請求項１〜４のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項１５】
前記全体的ＰＣＤ本体形状は、単一の切頭平坦表面又はファセットを備えた端が円錐形の直円柱であり、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、前記切頭ファセット及び前記円錐形湾曲表面を境界付ける円形又は楕円形又は放物線状湾曲エッジの一部である、請求項１４記載のカッタ要素。
【請求項１６】
前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、楕円形湾曲エッジの一部である、請求項１５記載のカッタ要素。
【請求項１７】
前記機能的支持体積部の形状は、円形又は楕円形断面を有する直角柱である、請求項１〜１６のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項１８】
前記機能的支持体積部の形状は、直円柱である、請求項１７記載のカッタ要素。
【請求項１９】
前記ＰＣＤ本体の前記機能的支持体積部は、多角形断面を有し、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、１つの真っ直ぐなエッジ又は１つの頂点である、請求項１〜３、７又は８のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項２０】
前記機能的支持体積部形状は、断面積が前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面から前記機能的支持体積部の前記近位表面までの全体的方向又は平坦な基部又は近位表面に平行な全体的方向に沿って増大している、請求項１〜１９のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項２１】
前記機能的支持体積部形状は、円錐形表面又はその一部又はフランジの任意の組み合わせを有する、請求項２０記載のカッタ要素。
【請求項２２】
前記機能的支持体積部は、少なくとも一部がねじ切りされている、請求項１〜２１のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項２３】
ＰＣＤ材料の２つ又は３つ以上の物理的体積部を有し、前記２つ又は３つ以上の物理的体積部のうちの少なくとも１つは、ダイヤモンド結晶粒度の分布が他の物理的体積部のうちの任意のもの又は全てとは異なっている、請求項１〜２２のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項２４】
前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面又は前記自由表面に隣接して位置する前記ＰＣＤ材料は、平均結晶粒度が前記機能的支持体積部の１つ又は複数の近位表面に隣接して位置する前記ＰＣＤ材料よりも小さい、請求項２３記載のカッタ要素。
【請求項２５】
前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面又は前記自由表面に隣接して位置する前記ＰＣＤ材料は、１０マイクロメートル未満の平均結晶粒度を有する、請求項２４記載のカッタ要素。
【請求項２６】
前記ＰＣＤ材料は、任意の物理的体積部内において、値ｙの体積部パーセントよりも低いよう別個独立にあらかじめ選択された金属含有量を有し、ｙ＝−０．２５ｘ＋１０であり、ｘは、マイクロメートル単位で表された前記ＰＣＤ材料の平均結晶粒度である、請求項１〜２５のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項２７】
前記自立型本体の前記金属は、コバルトである、請求項１〜２６のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項２８】
ＰＣＤ材料の１つの物理的体積部は、該物理的体積部が使用中に発生して前記全体的自立型ＰＣＤ本体の３％超を占めたときに前記機能的作業体積部を完全に包囲する、請求項３又は４〜２７のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項２９】
ＰＣＤ材料の１つの物理的体積部は、該物理的体積部が使用中に発生して前記全体的自立型ＰＣＤ本体の５０％以下を占めたときに前記機能的作業体積部を完全に包囲する、請求項２８記載のカッタ要素。
【請求項３０】
ａ）前記自立型ＰＣＤ本体は、全体的に直円柱の形状を有し、
ｂ）前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、前記円形周辺エッジの一部であり、前記機能的作業体積部は、該機能的作業体積部が使用中に発生しているとき、前記遠位自由表面から平坦な「摩耗」表面まで延びる体積部であり、前記平坦な「摩耗」表面は、前記円筒形本体の頂部平坦表面及び前記湾曲した「胴」表面と交差し、
ｃ）前記機能的支持体積部は、寿命の終わりにおいて前記全体的本体の残存部分であり、かくして、「摩耗平坦」表面を備えた直円柱から成り、
ｄ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体の前記元素組成は、前記本体全体を通じて不変であり、同一の金属又は合金が前記本体全体にわたって存在し、
ｅ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体は、ダイヤモンド結晶粒度及び粒度分布が互いに異なる種々のＰＣＤ材料で作られた２つの物理的体積部を有し、
ｆ）一様なＰＣＤ材料の第１の直円柱形物理的体積部は、前記全体的自立型ＰＣＤ本体体積部の３０％〜５０％以下を占める前記全体的円筒形本体の一端部を完全に横切る層として延び、前記第１の物理的体積部は、前記機能的作業体積部を完全に包囲し、第２の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも細かい平均ダイヤモンド結晶粒度を備えたＰＣＤ材料で作られ、
ｇ）前記第２の物理的体積部は、前記第１の物理的体積部から延び、直円柱であり、前記全体的自立型ＰＣＤ本体の残部を占め、前記第１の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも大きい平均ダイヤモンド結晶粒度を備えたＰＣＤ材料で作られ、
ｈ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体には、マクロ的応力がなく、前記平均結晶粒度の１０倍を超える残留応力がなく、前記結晶粒度の最も粗い成分は、前記平均結晶粒度以下である、請求項６、２４、２６及び２９のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項３１】
ａ）前記自立型ＰＣＤ本体は、直円柱形状のものであり、一端が半球形ドームであり、反対側の端が平坦な基部であり、
ｂ）前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、前記ドームの前記湾曲自由平面の一部であり、使用中に定められた前記機能的作業体積部は、前記遠位末端から平坦な「摩耗」表面まで延びる体積部であり、
ｃ）前記機能的支持体積部は、寿命の終わりにおける前記全体的本体の残存部分であり、かくして、「摩耗平坦」表面及び反対側の端の平坦な基部を備えた端がドーム状の直円柱から成り、
ｄ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体は、ダイヤモンド結晶粒度及び粒度分布だけが異なり且つダイヤモンドと金属のネットワーク組成比及び金属元素組成に関して不変である互いに異なるＰＣＤ材料で作られた２つの物理的体積部を有し、
ｅ）一様なＰＣＤ材料の第１の物理的体積部は、湾曲ドーム状の自由表面から前記平坦な基部に平行な第２の物理的体積部との境界部まで延び、前記全体的自立型ＰＣＤ本体体積部の３％を超え且つ５０％以下を占め、前記第１の物理的体積部は、前記機能的作業体積部を完全に包囲し、前記第２の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも細かい平均ダイヤモンド結晶粒度を有するＰＣＤ材料で作られ、
ｆ）前記第２の物理的体積部は、前記第１の物理的体積部から延び、前記全体的自立型ＰＣＤ本体の残部を占め、前記第１の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも大きい平均ダイヤモンド結晶粒度を有するＰＣＤ材料で作られ、前記第１の物理的体積部の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、
ｇ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体には、マクロ的応力がなく、前記平均結晶粒度の１０倍を超える残留応力がなく、前記結晶粒度の最も粗い成分は、前記平均結晶粒度以下である、請求項１１、１８、２０、２３、２４、２６及び２９のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項３２】
ａ）前記自立型ＰＣＤ本体は、一端が単一のチゼル形状の直円柱形状のものであり、前記チゼル形状は、前記直角柱の基部に平行である場合があり又は平行ではない場合がある真っ直ぐなエッジのところで交わった円錐の２つの対称傾斜切頭部によって形成され、
ｂ）前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、前記真っ直ぐなエッジ及び円錐形湾曲表面又は真っ直ぐなエッジによって形成された先端のうちの１つであり、前記機能的作業体積部は、該機能的作業体積部が使用中に発生しているとき、前記遠位自由表面から「摩耗」表面まで延びる体積部であり、
ｃ）前記支持体積部は、寿命の終わりにおいて前記全体的本体の残存部分であり、かくして、「摩耗平坦」表面を備えた端がチゼル形状の直円柱から成り、
ｄ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体は、ダイヤモンド結晶粒度及び粒度分布だけが異なり且つダイヤモンドと金属のネットワーク組成比及び金属元素組成に関し不変である互いに異なるＰＣＤ材料で作られた２つの物理的体積部を有し、
ｅ）一様なＰＣＤ材料の第１の物理的体積部は、前記真っ直ぐなエッジ及び円錐形湾曲自由表面から前記第２の物理的体積部との境界部まで延び、前記全体的自立型ＰＣＤ本体体積部の３％超且つ５０％以下を占め、前記第１の物理的体積部は、予想される前記機能的作業体積部を完全に包囲し、前記第２の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも細かい平均ダイヤモンド結晶粒度を有するＰＣＤ材料で作られ、
ｆ）前記第２の物理的体積部は、前記第１の物理的体積部から延び、前記全体的自立型ＰＣＤ本体の残部を占め、前記第１の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも大きい平均ダイヤモンド結晶粒度を有するＰＣＤ材料で作られ、
ｇ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体には、マクロ的応力がなく、前記平均結晶粒度の１０倍を超える残留応力がなく、前記結晶粒度の最も粗い成分は、前記平均結晶粒度以下である、請求項１３、１８、２４、２６、２７及び２９のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項３３】
前記機能的作業体積部は、２つ又は３つ以上の物理的体積部から成り、互いに異なる物理的体積部相互間の少なくとも１つの境界部が前記機能的作業体積部中に延びている、請求項１、３又は請求項３に従属した請求項４〜２７のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項３４】
前記機能的作業体積部は、互いに異なるＰＣＤ材料の２つ又は３つ以上の物理的体積部を有し、隣り合う物理的体積部は、ダイヤモンド結晶粒度分布が異なっている、請求項３３記載のカッタ要素。
【請求項３５】
前記機能的作業体積部は、互いに異なるＰＣＤ材料の２つ又は３つ以上の物理的体積部を有し、隣り合う物理的体積部は、ダイヤモンド結晶粒度分布が異なることによって耐摩耗性が異なる、請求項３４記載のカッタ要素。
【請求項３６】
前記機能的作業体積部は、互いに異なるＰＣＤ材料の層として２つ又は３つ以上の物理的体積部を有する、請求項３４又は３５記載のカッタ要素。
【請求項３７】
互いに異なるＰＣＤ材料の前記層は、互いに平行な平坦な層として又は同心円柱として又は螺旋断面を備えた「スイスロール（Swiss Roll）」として配置されている、請求項３６記載のカッタ要素。
【請求項３８】
互いに異なるＰＣＤ材料の前記層は、厚さが互いに等しい、請求項３７記載のカッタ要素。
【請求項３９】
互いに異なるＰＣＤ材料の前記層は、該層中の前記ＰＣＤ材料の前記平均ダイヤモンド結晶粒度の１０倍の最小厚さを有する、請求項３７又は３８記載のカッタ要素。
【請求項４０】
前記機能的作業体積部は、隣り合う互いに異なるＰＣＤ材料の交互に位置する層を有する、請求項３６〜３９のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項４１】
１つ又は２つ以上の突出剪断リップが使用中、ＰＣＤ材料の隣り合う物理的体積部相互間の耐摩耗性の差に起因して摩耗傷跡表面のところに生じる、請求項３６〜４０のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項４２】
前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、エッジであり、前記機能的作業体積部の前記自由表面は、ブレークインチャンファを含む、請求項１〜９、１３〜３０及び３２〜４１のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項４３】
前記機能的作業体積部の前記自由表面は、ブレークインチャンファ及び先導チャンファ、ランディングチャンファ、後続チャンファのうちの１つ又は２つ以上の任意の組み合わせを含む、請求項４２記載のカッタ要素。
【請求項４４】
前記機能的作業体積部の前記自由表面は、先導チャンファ、ブレークインチャンファ、ランディングチャンファ及び後続チャンファを含む、請求項４３記載のカッタ要素。
【請求項４５】
前記本体の前記全自由表面に隣接して位置する前記ＰＣＤ材料中の前記金属は、全体又は一部が制御された深さに近づくにつれて減少している、請求項１〜４４のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項４６】
前記機能的作業体積部の前記自由表面に隣接して位置する前記ＰＣＤ材料中の前記金属は、全体が又は一部が制御された深さに近づくにつれて減少している、請求項１〜４５のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項４７】
前記金属減少深さは、９０マイクロメートル未満である、請求項４５又は４６記載のカッタ要素。
【請求項４８】
ａ）前記金属減少深さは、９０マイクロメートルを超え且つ２５０マイクロメートル未満であり、且つ／或いは、
ｂ）平均ダイヤモンド結晶粒度は、１０マイクロメートル未満である、請求項４５又は４６記載のカッタ要素。
【請求項４９】
ａ）前記金属減少深さは、９０マイクロメートルを超え且つ１０００マイクロメートル未満であり、且つ／或いは、
ｂ）前記機能的作業体積部の前記ＰＣＤ材料は、１０マイクロメートルを超える平均ダイヤモンド結晶粒度を有する、請求項４５又は４６記載のカッタ要素。
【請求項５０】
金属が減少した前記自由表面から延びるＰＣＤ材料の層の存在の結果として、使用中、前記機能的作業体積部の漸次摩耗中、摩耗傷跡表面のところに突出剪断リップが形成される、請求項４８又は４９記載のカッタ要素。
【請求項５１】
突出剪断リップが使用中、
ａ）互いに異なる耐摩耗性を有する互いに異なるＰＣＤ材料の２つ又は３つ以上の層及び／又は、
ｂ）前記機能的作業体積部の前記自由表面から延びる金属減少ＰＣＤの層、及び／又は、
ｃ）ブレークインチャンファ、先導チャンファ、ランディングチャンファ及び後続チャンファの任意の組み合わせ
の任意の組み合わせの存在に起因して、前記機能的作業体積部の漸次摩耗中に、摩耗傷跡表面のところに生じる、請求項４１〜５０のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項５２】
突出剪断リップが前記機能的作業体積部の漸次摩耗中に摩耗傷跡表面のところに生じると共に局所耐摩耗性の高い層のＰＣＤ材料の平均結晶粒度の２〜５倍の高さまで前記摩耗傷跡表面から盛り上がっている、請求項５１記載のカッタ要素。
【請求項５３】
前記全体的ＰＣＤ本体の前記外接直方体の最も長いエッジの最大寸法は、１５０ｍｍまでである、請求項１〜５２のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項５４】
ハウジング本体であって、自然岩石除去用途において使用できるよう協働的に且つ支援的に用いられるよう選択されると共に前記ハウジング本体内に挿入され又は前記ハウジング本体に取り付けられた請求項１〜５３のうちいずれか一に記載のカッタ要素を１つ又は２つ以上有し、前記ハウジング本体は、ドラグドリルビット又はローラーコーンビットに取り付けられた円錐形ローラーである、ハウジング本体。
【請求項５５】
ハウジング本体であって、石炭を含む鉱物、金含有岩石及び抽出可能な金属を含む鉱物を除去するための探鉱目的及び用途において使用できるよう協働的且つ支援的に用いられるよう選択されると共に前記ハウジング本体内に挿入され又は前記ハウジング本体に取り付けられた請求項１〜５３のうちいずれか一に記載のカッタ要素を１つ又は２つ以上有する、ハウジング本体。
【請求項５６】
ハウジング本体であって、コンクリート、煉瓦及び路面表面仕上げ材料を含む天然及び合成岩石を穴あけしたり機械加工したりするための建築目的及び用途において使用できるよう協働的に且つ支援的に用いられるよう選択されると共に前記ハウジング本体内に挿入され又は前記ハウジング本体に取り付けられた請求項１〜５３のうちいずれか一に記載のカッタ要素を１つ又は２つ以上有する、ハウジング本体。
【請求項５７】
ハウジング本体であって、協働的且つ支援的に用いられるよう選択されると共に前記ハウジング本体内に挿入され又は前記ハウジング本体に取り付けられた請求項１〜５３のうちいずれか一に記載のカッタ要素を１つ又は２つ以上有し、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面から見て前記ハウジング本体の前記自由表面の上方の前記ＰＣＤ本体の露出高さは、前記全体的ＰＣＤ本体の前記最大寸法の１／３までである、ハウジング本体。
【請求項５８】
請求項１〜５３のうちいずれか一に記載のカッタ要素を製造する方法であって、前記ＰＣＤ本体は、各々が、特定の平均結晶粒度及び粒度分布の内部成長ダイヤモンド結晶粒と、特定の原子組成の個別的にあらかじめ選択された相互侵入金属ネットワークと、別個独立にあらかじめ選択された全体的な金属とダイヤモンドの比とのあらかじめ選択された組み合わせを含む１つ又は２つ以上の物理的体積部を有し、前記方法は、
ａ）各物理的体積部について組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の塊状体を形成するステップを含み、前記塊状体は、部分ダイヤモンド再結晶化を介するダイヤモンド粒子と粒子の結合に必要な唯一の金属源であり、
ｂ）ダイヤモンド粒子と金属材料の各塊状体を圧密化してあらかじめ選択されたサイズ及び３次元形状の別々の凝集性未焼結本体を生じさせ、該未焼結本体を全体的凝集性未焼結本体に組み合わせ又はその後各凝集体を圧密化してあらかじめ選択されたサイズ及び３次元形状の全体的凝集性未焼結本体を生じさせるステップを含み、
ｃ）前記全体的未焼結本体に高圧及び高温条件を与え、前記金属材料が全体的に又は部分的に溶融状態になり、そしてダイヤモンド粒子と粒子の結合を容易にするようになっているステップを含む、方法。
【請求項５９】
組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の各塊状体は、前記ダイヤモンド粒子を機械的に粉砕すると共に前記ダイヤモンド粒子を１つ又は２つ以上の金属粉末と混合して前記ダイヤモンド粒子との均一組み合わせを作り、前記塊状体を真空又はガス状還元環境内で次の熱処理によって精製することによって形成される、請求項５８記載の方法。
【請求項６０】
組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の各塊状体は、前記ダイヤモンド粒子を機械的に粉砕して前記ダイヤモンド材料と前記金属のための１つ又は２つ以上の前駆物質コンパウンド粉末を混合してダイヤモンド粒子との均一組み合わせを作り、真空又はガス還元環境内での次の熱処理によって前記前駆物質コンパウンドを金属状態に変換し、還元し又は解離することによって形成される、請求項５８記載の方法。
【請求項６１】
組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の各塊状体は、
ａ）前記ダイヤモンド粒子を液体媒体中に懸濁させるステップと、
ｂ）前記液体媒体中の前記金属材料のための１種類又は２種類以上の前駆物質を反応体の溶液の制御された追加によって反応的に生じさせて前記前駆物質が核となって前記ダイヤモンド粒子表面を装飾する粒子として前記ダイヤモンド粒子の表面上で成長するようにするステップと、
ｃ）前記ダイヤモンド粒子を前記ダイヤモンド粒子の前駆物質装飾体を懸濁液から除去するステップと、
ｄ）前記ダイヤモンドと前駆物質の組み合わせに熱処理を施して前記前駆物質を解離すると共に減少させ、それにより前記ダイヤモンド粒子表面にくっついた金属粒子を装飾するものとして金属材料を形成するステップとによって形成される、請求項５８記載の方法。
【請求項６２】
組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の前記塊状体は、モールド内での一軸圧縮又は等方圧圧縮を用いて未焼結本体構造を形成するよう圧密化される、請求項５８〜６１のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項６３】
前記未焼結本体は、５ＧＰａから１０ＧＰａまでの範囲の高い圧力及び１１００℃から２５００℃までの範囲の高い温度を受ける、請求項６２記載の方法。
【請求項６４】
形成される前記カッタは、
ａ）純水媒体中にダイヤモンド粒子の１つ又は２つ以上の塊状体を懸濁させるステップと、
ｂ）水溶性遷移金属化合物の溶液を水溶性反応体を各懸濁液に同時に追加して不溶性遷移金属化合物を沈殿させて該不溶性遷移金属が核となり、そして前記ダイヤモンド表面を装飾する金属前駆物質化合物として前記ダイヤモンド粒子の表面上で成長するようにするステップと、
ｃ）前記懸濁液からダイヤモンド粒子の前記１つ又は複数個の塊状体を前記ダイヤモンド粒子の金属前駆物質表面装飾化合物と一緒に除去して乾燥粉末塊状体を形成するステップと、
ｄ）ダイヤモンドと金属前駆物質の組み合わせの１つ又は複数の塊状体に水素ガス含有ガス環境内で熱処理を施して前記金属前駆物質を減少させると共に／或いは解離し、それによりダイヤモンド粒子の１つ又は複数の塊状体を形成し、各ダイヤモンド粒子を純粋遷移金属粒子又は遷移金属合金粒子で装飾するステップと、
ｅ）前記ダイヤモンド粒子の１つ又は複数の塊状体を個々に又は組み合わせ状態で等方圧で圧縮して平均ダイヤモンド結晶粒度の１０倍を超える尺度で密度に関して巨視的に均質である所定の寸法形状の準高密度未焼結本体を形成し、ダイヤモンド結晶粒度の最も粗い成分が平均結晶粒度の３倍以下であるようにするステップと、
ｆ）１つ又は複数個の未焼結本体に５ＧＰａを超える圧力及び１１００℃を超える温度を加えて前記遷移金属又は合金が溶融すると共に部分ダイヤモンド再結晶があらゆる空間方向において等しい収縮率で起こり、それにより完全高密度ＰＣＤ本体が得られるようにするステップによって表面仕上げだけが高圧及び高温処理後に必要であるように選択されると共に所定の寸法及び形状に近い、請求項６３記載の方法。
【請求項６５】
金属組成は、鉄、ニッケル、コバルト、マンガンの任意の１つ又は組み合わせ又は合金化組み合わせから選択される、請求項６３又は６４記載の方法。
【請求項６６】
前記金属は、コバルトである、請求項６５記載の方法。
【請求項６７】
前記金属組成のための１種類又は複数種類の前記前駆物質化合物は、イオン性の塩である、請求項６０〜６６のうちのいずれか一に記載の方法。
【請求項６８】
前記イオン性塩は、炭酸塩である、請求項６７記載の方法。
【請求項６９】
任意の１つの実施形態を参照して実質的に明細書において説明した自立型ＰＣＤ本体を有する岩石除去のためのカッタ要素であって、前記実施形態は、添付の図面に示されている、カッタ要素。
【請求項７０】
任意１つの実施形態を参照して実質的に明細書において説明した自立型ＰＣＤ本体を有する岩石除去のためのカッタ要素を形成する方法であって、前記実施形態は、添付の図面に示されている、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶ダイヤモンド含有材料から成る構造体又は本体で形成されたカッタ要素、かかるカッタ要素の製造方法及び地質学的岩石及び建築材料、例えばコンクリート、アスファルト等を壊して除去する用途向きの多結晶ダイヤモンド構造体を有する要素又は構成物に関する。かかる用途としては、油井掘削、道路計画、採鉱、建築等が挙げられる。
【背景技術】
【０００２】
本発明で考慮される多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料が図１に概略的に示されており、かかるＰＣＤ材料は、ダイヤモンド結晶の内部成長ネットワーク１０１と、相互侵入金属ネットワーク１０２とから成る。ダイヤモンド結晶粒のネットワークは、高い圧力及び高い温度での炭素のための溶融金属触媒／溶剤によって容易にされたダイヤモンド粉末の焼結によって形成される。炭素のための溶融金属触媒／溶剤により、ダイヤモンドの部分再結晶化が起こることができ、新たに結晶化されたダイヤモンドは、各ダイヤモンド粒子のその隣接のダイヤモンド粒子１０３へのダイヤモンド結合を形成する。ダイヤモンド粉末は、結果的にダイヤモンドネットワーク中に単一モード粒度分布を有する場合があり、粒子数又は塊状体サイズ分布には単一の最大値が存在し、それによりダイヤモンドネットワーク中に単一モード結晶粒度分布が得られる。変形例として、ダイヤモンド粉末は、多モード粒度分布を有する場合があり、粒子数又は塊状体サイズ分布には２つ又は３つ以上の最大値が存在し、それによりダイヤモンドネットワーク中に多モード結晶粒度分布が得られる。このプロセスで用いられる典型的な圧力は、約４ＧＰａから７ＧＰａまでの範囲にあるが、最大１０ＧＰａ以上の高い圧力も又、事実上利用でき、かかる圧力を使用することができる。用いられる温度は、金属のかかる圧力状態における融点よりも高い。金属ネットワークは、溶融金属が標準室内条件に戻る際に凝固した結果であり、必然的に、高い炭素含有量合金となる。原理的には、かかる条件でダイヤモンド結晶化を可能にすることができる炭素のための任意の溶融金属溶剤を用いることができる。周期表の遷移金属及びこれらの合金がかかる金属に含まれる場合がある。多結晶ダイヤモンドと金属の相互侵入ネットワークを有する上述のＰＣＤ材料は、例えばセラミックス又はカーバイドのような材料の１つ又は２つ以上の余分の又は特別な相の存在の可能性を更に含む。これら余分の相は、第３の多結晶ネットワークの形態を取る場合があり又はダイヤモンド若しくは金属又は金属ネットワーク中に含まれる別々の粒子の場合がある。材料のかかる余分の相の例は、酸化物セラミックス例えばアルミナ、ジルコニア等を含み、更にカーバイド、例えば炭化珪素、炭化タングステン及び一般に遷移金属カーバイド等を含む。
【０００３】
従来、先行技術における支配的な慣例及び慣行は、高い温度及び高い圧力でのかかるバインダの溶融後、隣接のダイヤモンド粉末の塊状体中に溶浸するようになる硬質金属基体のバインダ金属を用いることである。このようにして作られたＰＣＤ材料は、高圧高温焼結プロセス中、硬質金属基体に結合された層を形成する。これは、ダイヤモンド粉末の塊状体の巨視的尺度での溶融金属の溶浸であり、それにより、従来型ＰＣＤ層は、基体に結合され、即ち、数ミリメートルの尺度での溶浸が起こる。先行技術において圧倒的に普通のプロセスとしては、硬質金属基体としてコバルト金属バインダを含む炭化タングステンの使用が挙げられる。この結果、必然的に、硬質金属基体は、現場で結果としてのＰＣＤに結合される。今日までのＰＣＤ材料の上首尾の商業的開発の極めて多くの部分は、かかる慣例及び慣行によって占められている。
【０００４】
本発明の目的に関し、方向性溶浸及び硬質金属基体への現場結合による溶融金属焼結剤の源として硬質金属基体を用いるＰＣＤ建築物を「従来型ＰＣＤ」建築物又は本体と称する。かかる従来型ＰＣＤ建築物が図２に示されており、図２は、硬質金属基体２０２に結合されたＰＣＤ材料の層２０１を示している。ＰＣＤ層は、従来、典型的には最高約２．５ｍｍまでの限定された厚さ２０３のものである。ＰＣＤ層のダイヤモンド粉末の部分結晶化のための触媒溶剤として必要な溶融金属は、硬質金属基体の源となっており、かかる溶融金属は、矢印２０４で示されているように厚さのその全尺度にわたりダイヤモンド粉末層中に方向性を持って溶浸する。
【０００５】
歴史的に、カーバイド硬質金属基体に結合されると共に取り付けられたＰＣＤ材料から成る従来型ＰＣＤ構造体は、ハウジング本体内に取り付けられると共に配置された物質除去要素のために用いられる。除去されるべき物質が岩石である一般的な用途では、油井及び採鉱目的等のためにドリルビットが用いられる。例えば道路計画や建築のような用途が含まれ、この場合、除去されるべき物質は、合成又は再構成岩石状物質、例えばアスファルト、アスファルトを含む岩石破片、コンクリート、煉瓦等と考えられ、合成又は再構成岩石状物質は、かかる物体の組み合わせを含む。以下の説明において、本明細書で用いられる「岩石」という用語は、天然の地質学的岩石と合成又は再構成岩石状物体の両方を意味するものと考えられる。
【０００６】
非常に重要な用途、例えば油井掘削は、互いに競合するか互いに補完しているかのいずれかの２つの主要な掘削技術の流れを利用している。これらは、ドラグビット（drag bit）技術及びローラーコーン（roller cone）技術である。これら技術の両方は、従来型ＰＣＤ構造体を利用している。
【０００７】
図３は、典型的なドラグビット３０１及びハウジング本体３０２の略図である。この図は、ハウジング本体内の互いに異なる半径方向位置にある従来型ＰＣＤ岩石除去要素３０３，３０４，３０５を示しており、これらＰＣＤ岩石除去要素は、極めて大きなカーバイド硬質金属円筒形又は直円柱形基体に結合されると共に取り付けられた比較的薄いＰＣＤ材料の層を有する直円柱から成っている。ドリルビットの回転時、かかる要素は、岩石に連続的に当たって主として剪断作用によって働くようになり、この場合、岩石は、次第に壊されてばらばらになる。図４は、岩石４０２を連続的に剪断している従来型ＰＣＤ岩石切断要素４０１の１つのエッジを示している。
【０００８】
図５は、典型的なローラーコーンドリルビット５０１の略図であり、このローラーコーンドリルビット５０１は、ハウジング本体５０２と、軸受上で自由に回転することができる３つのローラーコーン構造体５０４とから成っている。各ローラーコーン５０３は、全体的ドリルビットハウジング本体５０２を回転させているときに岩石の表面周りで回転する。岩石除去要素又は本体５０３は、３つのコーン構造体の各々の表面に挿入されると共に取り付けられている。コーン構造体が回っているとき、コーン構造体は、岩石除去要素を順次岩石表面に当てる。ローラーコーン構造体は、シャフト及び軸受構造体を介してハウジング本体に取り付けられており、シャフト及び軸受構造体は、耐研磨性ゲージ要素５０６を備えたゲージパッド表面５０５によって保護されている。水冷却及び破砕された岩石の除去は、ノズル５０７によって容易になる。この場合、岩石除去要素５０４は、典型的には、岩石表面に当たる丸形の端部、例えば全体としてチズル形状又はドーム状又は円錐形表面を有する。これら岩石除去要素は、典型的には、異形硬質金属基体に結合された比較的薄いＰＣＤ材料層を有し、主として破砕作用によって岩石を除去する。これは、図６に示されており、図６は、ドーム状の従来型ＰＣＤ破砕要素６０１の断面を示しており、このＰＣＤ破砕要素６０１は、岩石６０４に当たってこれを破砕するドーム状硬質金属本体６０３に結合されたシェルを結合するＰＣＤ材料の薄い層６０２から成っている。
【０００９】
従来型岩石除去要素は、岩石除去用途の実施中、一連の制約及び問題を呈し、これら制約及び問題は、大きな硬質金属基体がＰＣＤ材料の金属ネットワークの主要な源として用いられること及びＰＣＤ材料が製造手技中、硬質金属基体に結合された層を形成するということに端を発すると共にこれらに起因している。岩石除去要素の性能及び有効寿命を利用するための２つの重要な検討事項は、ＰＣＤ層の摩耗の進行特性及びその破断関連破損である。
【００１０】
第１の寿命を制限する検討事項は、ＰＣＤ層の厚さが制限されていることに起因して、岩石除去要素の形状がどのようなものであれ、発生中の摩耗傷跡が硬質金属基体材料中に入り込むという理由で、従来型岩石除去要素の摩耗特性にある。先行技術の従来型岩石除去要素の典型的なＰＣＤ材料層の厚さは、０．５ｍｍから２．５ｍｍまでの範囲にある。かかる状況では、ＰＣＤ層の厚さの制限は、摩耗傷跡が硬質金属基体中に入り込んで岩石除去要素の制限された全体的摩耗度について生じる摩耗の段階をもたらす。硬質金属材料は、摩耗のあらゆる観点から見て、ＰＣＤよりもはるかに劣っているので、従来型岩石除去要素の使用において問題を生じさせる幾つかの摩耗関連現象が起こる。特に、硬質金属基体材料の優先的な除去により、今や機械的に且つ熱的に支持されていないＰＣＤ層のアンダーカットが生じる。これにより、ＰＣＤ層に加わる局所曲げ応力が増大する恐れが生じ、それにより、破断が生じると共にＰＣＤ層中の局所温度が増大し、それにより、熱的劣化及び耐摩耗性の極めて迅速な低下が生じる。
【００１１】
第２の寿命を制限する検討事項は、チッピング及び破局的スポーリングをもたらすＰＣＤ層中の容易な亀裂発生及び伝搬の結果であるＰＣＤ層の早期破断の恐れである。スポーリングは、ＰＣＤ層が全体が又は相当な部分がばらばらになったときに起こる。これは、亀裂がＰＣＤ層の自由表面まで伝搬した結果である。かかる破断挙動は、従来型ＰＣＤ岩石除去要素に固有の相当大きな引張成分を含む避けられない巨視的（岩石除去要素の全体的寸法にわたって延びる）残留応力によって容易に生じる。直角柱形カーバイド基体の一端のところに結合されたＰＣＤ層を有する岩石切断要素の場合、この要素の周囲頂縁のところのＰＣＤ層中に相当大きな軸方向、半径方向及びフープ残留引張応力が生じる。これは、図７に概略的に示されており、図７は、中心線７０１、ＰＣＤ層７０２及び硬質金属基体７０３を備えた従来型ＰＣＤ岩石除去要素の部分断面を示している。この図は、ＰＣＤ層７０２の自由表面のところの高い引張応力の領域７０４を示しており、ＰＣＤ層のバルクは、全体として圧縮状態にある。ＰＣＤ層中のかかる損傷をもたらす残留応力分布の発端は、主として、室温に戻っているときの岩石除去要素中で生じるＰＣＤと結合状態の硬質金属基体との熱膨張差及び製造手技中における圧力条件に見出されるべきである。従来型カーバイド基体支持ＰＣＤ本体又は要素中の有害な巨視的残留応力分布の観点は、参照文献１、米国特許出願第６１／５７８７２６号明細書（英国特許出願第１１２２０６４．７号明細書）、参照文献２（英国特許出願第１１２２０６６．２号明細書及び米国特許出願第６１／５７８７３４号明細書）、米国特許出願第６１／５７８７３４号明細書（英国特許出願第１１２２０６６．２号明細書）、国際公開第２０１２／０８９５６６号パンフレット（参照文献３）として公開された国際出願及び国際公開第２０１２／０８９５６７号パンフレット（参照文献４）として公開された国際出願に詳細に記載されている。
【００１２】
従来型岩石除去ＰＣＤ要素では、カーバイド基体には、ＰＣＤ材料の層の侵食（エロージョン）よりも大きな侵食を受ける場合が多いという欠点があり、その結果、ＰＣＤ層に対する支持体のアンダーカット及び損失が起こり、その結果、このＰＣＤ層の破断が生じる。したがって、ＰＣＤ層を機械的に支持する材料の耐侵食性を増大させれば利点が見込まれる。
【００１３】
ＰＣＤ層を支持する材料の別の重要な機能は、ＰＣＤ層からの熱の除去のための熱的ヒートシンク及び導管として働くことにある。ＰＣＤ層の温度を極めて大きな損傷を及ぼす熱的劣化機構が起こることのできる下限としての或る特定の臨界レベル以下に保つことが重要である。明らかなこととして、ＰＣＤ層を支持する材料の熱伝導率を高くすることが有利な場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許出願第６１／５７８７２６号明細書
【特許文献２】英国特許出願第１１２２０６４．７号明細書
【特許文献３】英国特許出願第１１２２０６６．２号明細書
【特許文献４】米国特許出願第６１／５７８７３４号明細書
【特許文献５】米国特許出願第６１／５７８７３４号明細書
【特許文献６】英国特許出願第１１２２０６６．２号明細書
【特許文献７】国際公開第２０１２／０８９５６６号パンフレット
【特許文献８】国際公開第２０１２／０８９５６７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって、上述の問題を軽減し又は実質的になくすカッタ要素及びカッタ要素の製造方法が要望されている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
第１の観点から見て、岩石除去のためのカッタ要素であって、
ダイヤモンドと金属の相互侵入ネットワークを有する自立型ＰＣＤ本体を有し、自立型ＰＣＤ本体は、
ａ）ＰＣＤ本体の境界部内に位置する１つ又は２つ以上の物理的体積部を更に有し、全体的本体のためのＰＣＤ材料は、ダイヤモンドと金属のネットワーク組成比及び金属元素組成の面で不変であり、各物理的体積部は、ダイヤモンドと金属のネットワーク組成比及び金属元素組成に関して任意他の物理的体積部とは異ならないようになっており、
ｂ）ＰＣＤ本体の遠位側に位置する機能的作業体積部を更に有し、機能的作業体積部は、使用にあたり、岩石に接触する領域又は体積部を形成し、剪断と圧潰と研削の組み合わせによって岩石の漸次除去を生じさせ、機能的作業体積部それ自体は、ＰＣＤ本体の寿命中、次第に摩耗し、
ｃ）使用中に残存し、近位自由表面を備えた機能的支持体積部を更に有し、機能的支持体積部は、機能的作業体積部から延びていて、ハウジング本体への岩石除去ＰＣＤ本体の取り付け手段と共に機能的作業体積部に対して機械的及び熱的支持作用を提供する領域又は体積部であり、
ｄ）機能的作業体積部は、エッジ、頂点、凸状湾曲面又は突起の任意の組み合わせから成る隣り合う自由表面相互間の遠位自由表面又は境界部から、機能的作業体積部の遠位末端からの延長線に沿って全体的本体の図心を通って機能的支持体積部の近位末端まで機能的支持体積部中に延びる機能的作業体積部の断面積が増大しながら延び、
ｅ）機能的支持体積部は、全体的自立型ＰＣＤ本体の図心を包囲し、
ｆ）全体的ＰＣＤ本体は、全体的ＰＣＤ本体の外接直方体の最も長いエッジの長さと機能的作業体積部が延びる起点としての外接直方体の最も小さな三角形面の最も大きな幅の比が１．０以上であるようなアスペクト比を備えた形状を有し、
ｇ）自立型ＰＣＤ本体にはマクロ的応力がなく、しかも自立型ＰＣＤ本体には、平均結晶粒度の１０倍を超える尺度の残留応力がなく、結晶粒度の最も粗い成分は、平均結晶粒度の３倍以下であることを特徴とするカッタ要素が提供される。
【００１７】
第２の観点から見て、上述のカッタ要素を製造する方法であって、ＰＣＤ本体は、各々が、特定の平均結晶粒度及び粒度分布の内部成長ダイヤモンド結晶粒と、特定の原子組成の個別的にあらかじめ選択された相互侵入金属ネットワークと、別個独立にあらかじめ選択された全体的な金属とダイヤモンドの比とのあらかじめ選択された組み合わせを含む１つ又は２つ以上の物理的体積部を有し、方法は、
ａ）各物理的体積部について組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の塊状体を形成するステップを含み、塊状体は、部分ダイヤモンド再結晶化を介するダイヤモンド粒子と粒子の結合に必要な唯一の金属源であり、
ｂ）ダイヤモンド粒子と金属材料の各塊状体を圧密化してあらかじめ選択されたサイズ及び３次元形状の別々の凝集性未焼結本体を生じさせ、この未焼結本体を全体的凝集性未焼結本体に組み合わせ又はその後各凝集体を圧密化してあらかじめ選択されたサイズ及び３次元形状の全体的凝集性未焼結本体を生じさせるステップと、
ｃ）全体的未焼結本体に高圧及び高温条件を与え、金属材料が全体的に又は部分的に溶融状態になり、そしてダイヤモンド粒子と粒子の結合を容易にするようになっているステップとを含むことを特徴とする方法が提供される。
【００１８】
次に、添付の図面を参照して実施形態について説明するが、これらは例示であるに過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＰＣＤ内部成長ネットワークの略図である。
【図２】基体に取り付けられた従来型ＰＣＤの構造の略図である。
【図３】典型的なドラグビットの略図であり、ＰＣＤ岩石除去要素を示す図である。
【図４】連続して岩石を剪断している従来型直円柱形ＰＣＤ岩石除去要素の１つのエッジを示す略図である。
【図５】岩石除去要素が典型的にはドーム状又はチゼル形の構造体である典型的なローラーコーンドリルビットの略図である。
【図６】ドーム状硬質金属本体に結合されたシェルを形成するＰＣＤ材料の薄い層から成るドーム状の従来型ＰＣＤ破砕要素を示す図であり、岩石の除去が主として破砕作用によって行われる状態を示す図である。
【図７】従来型カーバイド支持岩石除去剪断要素内の臨界巨視的残留引張応力ゾーンの略図である。
【図８】ハウジング本体内の一部中に挿入された状態で示された一般化された形状の自立型ＰＣＤ本体の実施例による塊状の支持体の概念を示す図である。
【図９】ＰＣＤ本体のアスペクト比を計算する際にその使用を実証するために用いられる外接直方体と共に図８の同じ一般化された例示の自立型ＰＣＤ本体を示す３次元図である。
【図１０】図１０ａのところの純粋な剪断から図１０ｆのところの純粋な破砕までの岩石除去モードの範囲を概略的に示す図（１０ａ〜１０ｆ）であり、岩石除去要素又は本体に加えられた相対的に垂直（又は直角）及び側方（又は接線方向）力に対して岩石除去要素又は本体がどのように岩石を破砕することができるかを示す図である。
【図１１】主として岩石を剪断するようになった直角柱を利用している自立型ＰＣＤ本体の機能的作業体積部の遠位末端から延びる鏡映面の例を示す図（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）であり、遠位末端がそれぞれ、湾曲したエッジ、真っ直ぐなエッジ及び頂点であり、鏡映面が加えられた力の垂直成分及び接線方向成分により定められた平面に一致している状態を示す図である。
【図１２】主として岩石を破砕するようになった岩石除去インサートの一般的な場合のためのＰＣＤ岩石除去インサート又は本体の端がドーム状及び端がチゼル状の実施形態の例を示す図（１２ａ，１２ｂ）であり、機能的作業体積部の遠位末端を通るｎ回回転対称軸線を示す図である。
【図１３】作業体積部の遠位末端が円錐体の平坦な切頭ファセット及び湾曲した表面を境界付ける湾曲したエッジ状の位置にあるよう選択可能な円錐形作業体積部を平坦な表面が切頭している実施例を示す図（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）。
【図１４】切頭ファセットがＰＣＤ岩石除去要素のための先導フェースを形成して力のより大きな剪断成分を岩石フェースに加えることができるようになるよう図１３の実施形態をどのように用いることができるかを示す図（１４ａ，１４ｂ）。
【図１５】ハウジング本体への自立型ＰＣＤ本体の幾つかの一般的取り付け手段を概略的に示す図（１５ａ〜１５ｅ）であり、図示の取り付け手段に適した機能的支持体積部の全体的形状を示す図である。
【図１６ａ】３次元直円柱形自立型ＰＣＤ本体の特定の実施形態の略図であり、ＰＣＤ材料の１つの物理的体積部がＰＣＤ本体の一端を横切って延びる相当な厚さの層である状態を示す図である。
【図１６ｂ】ＰＣＤ本体に関する寿命の終わりのところでの摩耗状態のＰＣＤ岩石除去本体を概略的に示す図である。
【図１７】岩石剪断の際に用いられる互いに異なるＰＣＤ材料の２つの隣り合う物理的体積部を有しているに過ぎない直円柱形自立型ＰＣＤ本体の実施形態を示す図であり、ＰＣＤ材料の１つの物理的体積部が機能的作業体積部を完全に包囲している状態を示す図である。
【図１８】岩石破砕の際に用いられる互いに異なるＰＣＤ材料の２つの隣り合う物理的体積部しか備えていない一端が半球形の直円柱形自立型ＰＣＤ本体の実施形態を示す図であり、ＰＣＤ材料の１つの物理的体積部が機能的作業体積部を完全に包囲している状態を示す図である。
【図１９】チゼル形状が２つの対称の傾斜した切頭部により形成された端が単一のチゼル状の直円柱形状を有すると共に互いに異なるＰＣＤ材料の２つの隣り合う物理的体積部しか備えていない岩石剪断モードと岩石破砕モードの両方向きの自立型ＰＣＤ本体の実施形態を示す図（１９ａ，１９ｂ）であり、ＰＣＤ材料の１つの物理的体積部が機能的作業体積部を完全に包囲している状態を示す図である。
【図２０】岩石フェースを機械加工するよう傾けられた直円柱形岩石除去要素のエッジの断面の略図であり、４つの互いに異なる形式の面取り部を示す図である。
【図２１】自立型ＰＣＤ本体の機能的作業体積部の漸次摩耗により形成された摩耗傷跡の概略断面図であり、浸出されたＰＣＤ材料と浸出されていないＰＣＤ材料との間の境界部が剪断リップを形成するよう摩耗傷跡表面と交差している状態を示す図である。
【図２２】直円柱形ＰＣＤ本体を利用した例示の実施形態の略図である。
【図２３】図２２の例示の実施形態の１／４断面の略図であり、３つの円柱座標方向における計算された応力最大値の位置を示す図である。
【図２４】主として岩石破砕作用が必要とされるローラーコーンビットで用いられるようになった実施形態の概略断面図であり、各本体の全体的形状が直円柱であり、その一端が半球形により形成され、本発明の種々の観点が組み込まれている状態を示す図である。
【図２５】ハウジング本体又はドリルビットに用いられるようになったＰＣＤ材料だけで作られている自立型本体の実施形態の２つの平面図を含む概略断面図（２５ａ，２５ｂ）であり、岩石除去モードが破断と剪断の組み合わせであることが必要であることを説明する図である。
【図２６】機能的作業体積部がドラグビット内の剪断要素として用いられる異種ＰＣＤ材料の交互に位置する層として配置された多数の物理的体積部から成る２つの直円柱実施形態の概略断面図（２６ａ，２６ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明は、ひとまとめにして、協働的にしかも支持的にハウジング本体に取り付けられ又はハウジング本体中に挿入され、そして機械的作用、例えば剪断や破砕による物体、例えば岩石、コンクリート等の除去のために用いられる本体又は要素に関する。ハウジング本体は、地下岩石掘削又は穿孔で用いられるドリルビット、例えば図３及び図５に示されたドリルビット、即ち、それぞれドラグビット及びローラーコーンビットを有する。本明細書で用いられる「岩石」という用語は、天然の地質学的岩石、例えば砂岩、石灰石、花崗岩、シェール、石炭等と合成又は再構成岩石状物体、例えばコンクリート、煉瓦、アスファルト等の両方を意味するものと考えられる。これら後者の岩石状物体は、建築用途において壊されて除去される。
【００２１】
本明細書において開示する実施形態の本体又は要素は、自立型であり且つＰＣＤ材料「だけで且つ専ら」作られる。本明細書で用いられる「ＰＣＤ材料だけでつくられる」という表現は、ＰＣＤ材料の製造中に混ぜ込まれた非ＰＣＤ材料で作られている体積部若しくは領域又は取り付け状態の体積部が存在しないことを意味するものと理解されるべきである。かかる非ＰＣＤ材料は、硬質金属基体、セラミックス及びバルク金属等を含む。自立型ＰＣＤ本体は、上述したＰＣＤ材料の定義に含まれる種々のＰＣＤ材料の任意の組み合わせを構成することができる。
【００２２】
本出願人の同時係属米国特許出願第６１／５７８７２６号明細書（参照文献１）及び同第６１／５７８７３４号明細書（参照文献２）では、多数の３次元形状及びサイズの自立型ＰＣＤ本体がこれらの製造に用いられる高圧高温装置のサイズ及び特性によってのみ制限されることが開示されている。本発明は、この可能性を利用し、岩石除去要素向きに設計されると共にかかる岩石除去要素に関する３次元形状及びサイズの実施形態を開示している。米国特許出願第６１／５７８７２６号明細書（参照文献１）及び同第６１／５７８７３４号明細書（参照文献２）を参照により引用し、これら記載内容全体を本明細書の一部とする。
【００２３】
岩石除去要素又は本体のための本明細書において開示されるカッタ要素の実施形態の各々は、２つの機能的領域又は体積部の状態で構成されると考えられる。第１の機能的領域又は体積部は、要素の「作業体積部」であり、これは、岩石に接触して剪断と破砕の組み合わせによって岩石の漸次除去を生じさせ、それ自体、岩石除去要素の寿命の間に次第に摩滅する領域又は体積部である。１つ又は２つ以上の物理的領域又は体積部で構成されている作業体積部と関連したＰＣＤ材料は、組成及び構造が耐摩耗性が得られるよう設計されている。本発明との関連において、「機能的」という用語は、全体的岩石除去要素又は本体の一部又は一領域により予想される特定の役割又は挙動に関している。これとは対照的に、「物理的」という用語は、全体的本体の実際の領域又は部分体積部を占める特定の且つ区別可能なＰＣＤ材料に関する。第２の機能的領域又は体積部は、要素又は本体の「支持体積部」であり、この支持体積部は、これが残存すると共に通常の使用後に上述のＰＣＤ岩石除去要素又は本体の持ちこたえている部分であるという点で、岩石除去要素の寿命まで残存する。機能的支持体積部は、機能的作業体積部から延びている領域又は体積部であり、かかる機能的支持体積部は、その設計された形状及び寸法により、特定の用途に適したハウジング本体への岩石除去要素の取り付け手段となる。加うるに、機能的支持体積部と関連した物理的体積部を占めるＰＣＤ材料は、組成及び構造が機能的作業体積部に対して機械的及び熱的支持体となるのに適した特性を有するよう設計されている。機能的支持体積部により機能的作業体積部に対して提供される機械的及び熱的支持は、機能的支持体積部の主要な役割である。
【００２４】
多くの実施形態が２つ又は３つ以上の物理的体積部と２つの機能的体積部との関係に関するが、１つの物理的体積部を有する実施形態も又含まれる。
【００２５】
繰り返し言えば、以下において「作業体積部」及び「支持体積部」という用語が用いられる場合、これらは、用途に応じてこれらの役割及び挙動の面で特徴付けられた機能体積部であるということは、常に固有の表現である。全体的ＰＣＤ本体が使用の際に決定される機能的作業体積部及び機能的支持体積部を構成する１つ又は２つ以上の「物理的体積部」を有することが繰り返されるのが良い。２つ又は３つ以上の物理的体積部を用いる場合、これら物理的体積部は、これらの体積部を占めるＰＣＤ材料に関して異なっており、かくして、これら物理的体積部は、材料の性質が異なっている。
【００２６】
機能的作業体積部は、全体的体積部に対して遠位側に位置するよう選択され、本体の外側境界部の一部である自由表面相互間の自由表面又はエッジ又は境界部から延びている。この関係で「遠位側」は、全体的自立型ＰＣＤ本体又は要素の幾何学的中心又は図心から離れると共に、しかもハウジング本体へのＰＣＤ本体の取り付け位置又は領域から離れて位置する箇所又は位置であると定義される。機能的作業体積部の遠位末端は、除去されるべき岩石との最初の且つ初期の箇所の位置である。
【００２７】
機能的作業体積部は、全体的ＰＣＤ本体体積部の近位側に位置し、遠位作業体積部と反対側に位置し、且つハウジング本体への取り付け手段となる目的を有する機能的支持体積部まで延びている。この関係で「近位側」という用語は、取り付け箇所又は取り付け位置を含む箇所又は位置であると定義される。支持体積部は、全体的自立型ＰＣＤ本体の図心又は幾何学的中心を包囲する。図心又は幾何学的中心は、３次元体積部を等しいモーメントの２つの部分に分割するあらゆる平面の交点として定められる。３次元体積部が一様な密度の材料で作られる場合、図心は、本体の重心に一致する。
【００２８】
機能的作業体積部は、ＰＣＤ本体又は要素の隣り合う自由表面相互間の遠位側の自由表面又は境界部から延び、かかる機能的作業体積部は、エッジ、頂点、凸状湾曲表面又は突起の任意の組み合わせを有する。これらは、作業体積部の遠位末端を形成すると共にまず最初に岩石表面に当たるＰＣＤ本体の１つ又は複数の部分である。
【００２９】
主要な岩石除去機構が制御されている選択された初期の鋭さの度合いを提供するために岩石を剪断することによる場合、好ましい遠位末端は、２つの自由表面相互間の境界部であるエッジであろう。かかるエッジは、作業体積部の遠位末端のところのチャンファ又は多数のチャンファ配列体を形成することによって形成されるのが良い。ボーリング（地下穿孔）ツールの切断要素のための多数のチャンファのかかる配列体は、国際公開第２００８／１０２３２４（Ａ１）号パンフレット（参照文献５）及び同第２０１１／０４１６９３（Ａ２）号パンフレット（参照文献６）に教示されると共にクレーム請求されており、これら２つの国際公開を参照により引用し、これら記載内容全体を本明細書の一部とする。ＰＣＤ本体の３次元幾何学的形状に応じて、かかるエッジは、真っ直ぐであっても良く又は湾曲していても良い。
【００３０】
主要な岩石除去機構が岩石を破砕することによる場合、好ましい遠位末端は、湾曲した凸状表面、例えばドームであろう。
【００３１】
剪断と破砕との間における選択された岩石除去機構の相対的程度に応じて、好ましい遠位末端は、丸形頂点、先端部又は突起、例えば丸形円錐形先端部であるのが良い。
【００３２】
支持体積部の機能のうちの１つは、機械的支持作用を作業体積部に提供して強度を作業体積部に与えると共に加えられる応力を減少させることにある。機械的支持体の適当な検討事項は、ピー・ダブリュー・ブリッジマンにより１９３５年に参照文献７において高圧装置設計の関係で導入された塊状の支持体の原理から導き出されるのが良い。この原理は、本体の３次元形状を利用し、本体に加えられる力が増大する断面積全体にわたって広げられ、通常、力に垂直な断面の面積により力を除算して得られる値である応力が減少するようになる。本発明との関連において、機能的作業体積部を介して利用中、ＰＣＤ岩石除去本体又は要素に加えられた力は、機能的作業体積部が機能的支持体積部中に延びているときに作業体積部の増加する断面積によって応力を減少させるよう広げられる。これは、図８を考慮することによって説明でき、図８では、一般化された形状の自立型ＰＣＤ本体８０１がハウジング本体８０２の一部中に挿入された状態で示されている。地下岩石掘削又は穿孔用途に関し、ハウジング本体８０２は、ドリルビット本体それ自体、例えば、図３のドラグビット３０１のドリルビット本体又は図５のローラーコーンドリルビット本体５０１であっても良い。作業体積部８０３は、点線８０５によって示された公称境界部によって支持体積部８０４から隔てられている。当初、機能的作業体積部８０６の遠位末端のところで機能的作業体積部に加えられた力は、一般に、全体的自立型岩石除去要素又は本体８０１と呼ばれる垂直力Ｆv成分８０７及び水平力Ｆh成分８０８により極めて一般的に説明可能である。主要な岩石除去機構がどのようなものであれ、力の２つの成分は常時存在するが、これらの比率は、様々な場合がある。線ａ‐ｃ‐ｄは、ａのところの機能的作業体積部８０６の遠位末端から本体全体の幾何学的中心又は図心ｃまで、そしてｄのところの機能的支持体積部の近位末端まで延びている。機能的支持体積部中に延びる線ａ‐ｃ‐ｄに沿う機能的体積部の断面積により、ＦvとＦhの合力は、断面積の増大分にわたって次第に分布される。このように、作業体積部中の加えられた応力は、次第に減少する。本明細書において開示する実施形態は、機能的作業体積部が機能的支持体積部に向かって且つこの中に延びているときに、機能的作業体積の断面積のこの増大分を有するのが良い。
【００３３】
塊状支持体の原理のもう１つの特徴は、回転モーメント及び曲げ応力に耐えるよう体積部及び本体のアスペクト比を組織化することにある。一般的自立型ＰＣＤ実施形態の幾何学的形状に対する塊状支持体の原理のこの観点の利用の結果は、機能的支持体積部が機能的作業体積部よりも体積が大きく、必然的に全体的ＰＣＤ本体の図心を含み、更に、指定されたアスペクト比を有するべきであるということにある。図８は、一般的な例示の自立型ＰＣＤ本体に適用されたものとしてこの観点を示している。加えられた力Ｆhの水平成分８０８は、機能的作業体積部の遠位末端、即ち、遠位自由表面に加えられ、かかる水平成分は、支持体積部がハウジング本体８０２中に挿入されているときに支持体積部の全体的取り付け領域及び取り付け箇所からずらされている。この結果、全体的自立型ＰＣＤ本体に加えられる回転モーメントが生じる。この回転モーメントに耐えるため、支持体積部は、体積が作業体積部よりも大きいのが良く、全体的ＰＣＤ本体のアスペクト比は、大きさがハウジング本体中へのＰＣＤ本体の挿入度が回転モーメントを相殺するのに十分大きいものであることができるほど十分であるのが良い。このように、ハウジング本体それ自体の相当大きな体積が有効になり、それにより回転モーメントを相殺する。加うるに、加えられた力Ｆvの垂直モーメント８０７を考慮する場合、支持体積部の近位末端又はフェースに曲げ応力が加わることが理解できる。この場合も又、この曲げ応力を相殺するため、支持体積部は、機能的作業体積部と比較して大きいのが良く、十分な大きさの全体的ＰＣＤ本体のアスペクト比が機能的作業体積部から適度に遠くに離れて位置するよう機能的支持体積部の近位末端又はフェースについて必要である。
【００３４】
全体的自立型ＰＣＤ本体の所望のアスペクト比を指定するのに好都合であり且つ正確なやり方は、３次元ＰＣＤ本体形状を外接すると共に完全に包囲する直方体の寸法的エッジ比を考慮することである。図９は、外接直方体９０２がａｂｃｄｅｆｇによって描かれた状態の図８の同じ一般化された例示の自立型ＰＣＤ本体９０１の３次元図である。注目すべきこととして、機能的作業体積部９０３は、直方体ａｂｃｄの最も小さな長方形フェースのうちの１つから延びている。
【００３５】
図９を参照すると、全体的ＰＣＤ本体の所要のアスペクト比は、全体的ＰＣＤ本体９０１の外接直方体９０２の最も長いエッジａｅの長さと機能的作業体積部９０３が延びる起点としての最も小さな長方形フェースａｂｃｄの最も大きな幅ａｄの比が１．０以上であるものとして具体的に表現できる。
【００３６】
米国特許出願第６１／５７８７２６号明細書（参照文献１）及び同第６１／５７８７３４号明細書（参照文献２）では、３次元形状の自立型ＰＣＤ本体の実際の寸法は、これらを製造するために用いられる高圧高温装置の寸法及び設計上の特性によって制限されることが発見されており、これら米国特許出願を参照により引用し、これらの記載内容を本明細書の一部とする。当該技術分野において知られている種々の高温高圧システムのサイズを参照すると、自立型ＰＣＤ本体の最大寸法が最高１５０ｍｍまでであるのが良く、かかる目的のための好ましい且つ適当なシステム設計は、いわゆるベルト形装置であることが判明した。本発明のＰＣＤ自立型本体のうちの任意のものにこの最大寸法を関連付ける好都合な仕方は、図９の全体的ＰＣＤ本体の外接直方体の最も長いエッジａｅがかくして最大１５０ｍｍまでであるのが良いということを指定することにある。
【００３７】
要約して述べると、本明細書において開示するカッタ要素の幾つかの実施形態の導かれる一般的な幾何学的観点は、自立型ＰＣＤ本体が全体的ＰＣＤ本体の遠位側に位置する機能的作業体積部、全体的ＰＣＤ本体の近位側に位置する機能的支持体積部を有し、機能的作業体積部の遠位末端から図心を通って機能的支持体積部中に延び、そして機能的支持体積部の近位末端まで延びる線に沿う断面積の増加を有し、機能的支持体積部の大きさが機能的作業体積部よりも大きく、この機能的支持体積部が全体的ＰＣＤ本体の図心を常時含み、アスペクト比が上述したように十分に大きいということにある。
【００３８】
上述したように、全体的自立型ＰＣＤ岩石除去本体又は要素は、互いに異なり且つ明確に区別された主要機能及び目的を備えた２つの機能的体積部で構成されている。このことは、２つの機能的体積部と関連した材料が、好ましくは、組成及び構造の面で異なるべきであり、それ故に、特性の面において異なるべきであるということを示唆している。機能的作業体積部は、定義上、岩石表面に次第に当たって岩石を破断させ、そしてそれ自体次第に摩滅するＰＣＤ本体の部分である。したがって、機能的作業体積部と関連した材料又は物体に関する主要な所望の特性は、高い耐摩耗性である。したがって、この材料は、ダイヤモンドで作られると共に岩石除去のための高い耐摩耗性挙動を提供するものとして知られている金属ネットワーク組成比、金属元素組成及びダイヤモンド結晶粒度分布で作られるよう最も良く選択される。これとは逆に、機能的支持体積部と関連した材料に関する主要な所望の特性は、効率的な熱除去のために機械的支持のための剛性及び高い熱伝導率である。耐摩耗性は、二次的な検討事項のものである。したがって、機能的支持体積部について最も良く選択される材料は、ダイヤモンドで作られると共に高い剛性及び高い熱伝導率をもたらすよう知られている金属ネットワーク組成比、金属元素組成及びダイヤモンド結晶粒度分布で作られる。機能的作業体積部と関連すると共に機能的作業体積部の遠位表面又は自由表面に隣接して位置するＰＣＤ材料は、好ましくは、機能的支持体積部と関連すると共に機能的支持体積部の１つ又は複数の近位表面に隣接して位置するＰＣＤ材料とダイヤモンド結晶粒度分布が異なるよう選択される。幾つかの実施形態は、機能的支持体積部と比較して、機能的作業体積部と関連したＰＣＤ材料の組成の面で差を有し、従って、機能的体積部の各々と関連した材料の特性は、各利用に関して使用中のこれらの異なる目的に最適であるようになっている。
【００３９】
要約して述べると、自立型ＰＣＤ本体は、ＰＣＤ本体の境界部内の２つ又は３つ以上の物理的体積部で作られるのが良く、この場合、本体全体のためのＰＣＤ材料は、ダイヤモンド並びに金属ネットワーク組成比及び金属元素組成比の面で不変であり、その結果、各隣の物理的体積部は、ダイヤモンド結晶粒度分布が異なっている。互いに異なるＰＣＤ材料は、作業体積部の１つ又は複数の遠位自由表面及び支持体積部の１つ又は複数の近位表面と直接関連すると共にこれらに隣接して位置しても良く、そうでなくても良い。幾つかの実施形態は、２つ又は３つ以上の物理的体積部で作られるというこの特性を有する。
【００４０】
他の実施形態は、一組成のＰＣＤ材料の１つの物理的体積部だけで作られても良い。
【００４１】
実施形態のサブセットは、全体的ＰＣＤ本体が２つ又は３つ以上の物理的体積部を有し、全体的ＰＣＤ本体の周辺領域又は「スキン」全体が組成及び／又は構造において１つ又は複数の中央領域の１種類又は複数種類のＰＣＤ材料とは異なる場合である。しかしながら、実施形態のこの群の場合、機能的作業体積部の１つ又は複数の遠位自由表面及び機能的支持体積部の１つ又は複数の近位表面に隣接して位置するＰＣＤ材料は、同一であって、互いに異ならない。かかる自立型ＰＣＤ本体は、全体的ＰＣＤ本体の自由表面全体に隣接して位置する選択されたＰＣＤ材料の連続スキンを有し、この選択されたＰＣＤ材料は、ダイヤモンドと金属ネットワーク組成比、金属元素組成及びダイヤモンド結晶粒度分布に関し、１つ又は複数の内側物理的体積部の１種類又は複数種類の材料とは異なっている。１つ又は複数の内側物理的体積部は、使用前においては自由表面を備えていない。使用中、機能的作業体積部は、次第に摩滅し、その結果として生じる摩耗表面が材料の内側物理的体積部を露出させる場合がある。
【００４２】
後者の群の実施形態の重要なサブセットは、全体的ＰＣＤ本体が金属の自由表面から選択されている制限された深さまでの金属の部分的又は完全な除去手段を受け、それにより、改質され、従って異なるＰＣＤ材料の「スキン」を生じさせる場合である。かかる金属減少「スキン」を作る手段は、当該技術分野においては周知であり、ＰＣＤ本体の酸浴処理を含む。
【００４３】
一般に、種々の用途において、岩石に動的に当たって岩石を剪断作用又はモードと破砕作用又はモードの組み合わせによって破断させるよう構成された岩石除去要素又は本体によって岩石を除去して別の場所へ移す。岩石破断は、破砕と剪断の相対的程度の「連続」という観点で考察できる。この概念的なモデルが図１０ａ〜図１０ｆに示されており、図１０ａ〜図１０ｆは、岩石除去要素又は本体が岩石除去要素又は本体に加えられた相対的垂直（又は直角）及び側方（又は接線方向）力に関して岩石をどのように破断することができるかを概略的に示している。岩石除去要素又は本体は、図３の場合のドラグビットのウイング又はブレード、又は変形例として図５の場合のローラーコーンドリルビットのコーン（円錐体）中に協働的に（並んで）挿入される。別々のブレード又はコーン内の岩石除去要素は、これらがドリルビットハウジング本体の一回転中に支持的にオーバーラップするような仕方で幾何学的に配置されており、従って、岩石表面領域全体が覆われてスイープされる。
【００４４】
図１０ａ〜図１０ｆは、図１０ａのところの純粋な剪断から図１０ｆのところの純粋な破砕までの岩石除去モードの範囲を概略的に示している。図１０ａは、仮想上の岩石除去要素又はカッタ１００１を示し、この岩石除去要素又はカッタは、岩石を単一の横方向矢印によって示された純粋な剪断によって破断し、この単一の側方矢印は、力の大きさを示している。この反定立状態が図１０ｆに示されており、図１０ｆは、垂直に向けられた破砕作用だけで岩石を破断する圧子の作用を示している。これら岩石破砕手段の両方は、純粋であり、実際のドリルビットは、これらの仕方でのかかる純粋な岩石除去モードを利用することができない。というのは、垂直力と接線方向力の両方が存在しなければならないからである。実際問題として、岩石除去要素は、剪断と破砕の組み合わせで岩石を破断する。というのは、ドリルビットが回転作用を利用しなければならないからである。
【００４５】
ドラグビットの設計において、岩石除去要素又は本体は、図１０ｂの矢印で示されているように制限された下向きの力及び主要な接線方向力により岩石底部と接触関係をなして円形に引きずられる。この岩石除去モードでは、岩石は、主として剪断によって破断される。図１０ｂは、岩石を連続して剪断する直角柱形ＰＣＤ岩石除去要素又は本体の１つのエッジ１００２を示している。かかるＰＣＤ岩石除去本体又は要素は、図３の場合のようにドリルビット本体のブレード状構造体内に協働的に取り付けられるのが良く、その結果、かかるＰＣＤ岩石除去本体又は要素は、岩石フェースに対して適切に角度をなし、互いに後ろに支持的にオフセットされ、剪断中の岩石フェースは、ドリルビットの各回転によって完全に覆われるようになる。
【００４６】
図１０ｅは、垂直荷重が側方接線方向荷重よりも著しく大きい主として破砕による岩石除去を示している。この岩石除去モードは、歴史的に、図５に示されたいわゆるローラーコーンビット設計として利用されている。かかるドリルビット設計では、丸形の端がドーム状又はチゼル状の岩石破砕要素がドリルビットのフェースのところに配置された自由に回転する円錐形ローラー内に取り付けられている。図１０ｅでは、半球形の端がドーム状の直角柱形岩石除去要素１００５が例示されている。ドリルビットを回すと、円錐形ローラーは、岩石表面周りで連続的に転がり、端がドーム状の各岩石除去要素を岩石フェースに当て、それにより岩石フェースに間欠的に当たってこれを破砕する。図１０ｅは、かかる岩石除去要素について起こる荷重の大きさをそれぞれ垂直の矢印及び水平の矢印によって概略的に示している。
【００４７】
原理的には、攻撃角度及び岩石除去要素をどのようにして岩石に当てるかという動力学的特徴を適当な形状の選択と共に変化させることにより、図１０ｂと図１０ｅの中間状況によって岩石破断を生じさせることが可能である。適当な形状の選択では、機能的作業体積部の遠位末端をエッジ、頂点、先端、湾曲した表面又は突起の適当な組み合わせであるよう選択し、この組み合わせが岩石に当たるようになっている。このように、加えられた荷重の相対的成分を変化させるのが良く、そして剪断と破砕の選択された組み合わせによって岩石を除去するのが良い。これは、図１０ｃ及び図１０ｄに示されており、これらの図では、岩石除去モードは、主として剪断から主として破砕に変化している。図１０ｄでは、図示の例示の岩石除去要素１００４は、チゼル形状の機能的作業体積部を有し、その遠位末端は、直角柱形本体の４つの平坦な表面の交差によって形成される丸形頂点である。この場合、破砕作用は、依然として、剪断作用よりも重要であり、剪断作用は、それにもかかわらず、相当な大きさのものである。図１０ｃでは、図示の例示の岩石除去要素１００３は、楕円形の平坦な先導エッジ表面により改変されている円錐形の機能的作業体積部を有し、この先導エッジ表面は、機能的作業体積部の楕円形の湾曲したエッジ遠位末端を提供する。この場合、破砕作用と剪断作用は、この場合も又矢印で示されているように大きさがほぼ同じである。
【００４８】
破砕と剪断の任意特定の組み合わせに関する岩石除去本体又は要素の効率は、岩石に当たるよう作られた岩石除去本体又は要素の一部、即ち、岩石除去本体の機能的作業体積部の遠位末端の形状で決まる。機能的作業体積部の遠位末端は、特にこの点に関して選択されるのが良い。
【００４９】
岩石除去の剪断モードと破砕モードとの間の連続を示す岩石除去のための上述の概念的モデルは、本発明の自立型ＰＣＤ岩石除去要素又は本体の機能的作業体積部に関する好ましく且つ最適化された３次元形状、及びその遠位末端の選択を容易にするよう開発された新規な方式である。
【００５０】
広範な規則的及び不規則な３次元形状の自立型ＰＣＤ本体に関し、米国特許出願第６１／５７８７２６号明細書（参照文献１）及び同第６１／５７８７３４号明細書（参照文献２）の教示は、効率的な岩石除去を生じさせると共に岩石の破砕及び剪断の相対的程度を選択して変化させる機能的作業体積部の形状を選択すると共に最適化する機会を提供する。これは、考えられる限り広範な３Ｄ形状の種々のエッジ及びコーナー部並びに岩石に当たるよう用いられる岩石除去本体の角度を選択することによって行われる。各形状は、岩石除去本体を岩石フェースに対して斜めにする岩石除去本体の基準フェースの適当な選択を必要とする。岩石除去本体が直円柱である場合、適当なフェースは、先導する平坦な円形表面であり、機能的作業体積部の遠位末端は、そのフェースの円周方向エッジの一部である。
【００５１】
図１０ｂ、図１０ｃ及び図１０ｄでは、岩石破砕作用の剪断成分は、図１０ｂのところでは主要である状態から図１０ｄのところでは二次的である状態まで次第に変化するが、方向性剪断又は耕し作用が含まれるという点で常に有意義である。したがって、機能的作業体積部は、好都合には、任意所与の時点での加えられた垂直及び接線方向／水平力の作用平面によって定められる鏡映面を有するよう組織化される。
【００５２】
これを例示的に説明すると、図１１ａは、岩石１１０２に当たる直角柱形自立型ＰＣＤ岩石除去要素又は本体１１０１の概略３次元図であり、この場合、作業容積部の遠位末端は、直円柱１１０３の一部の円周方向エッジの一部である。この全体的直角柱形状は、図３の場合のように地下岩石掘削又は穿孔のためのドラグビットで用いられる岩石除去要素又は本体に特有である。この加えられた力は、岩石との接触箇所から鏡映面を定める。この場合、作業体積部の遠位末端は、湾曲したエッジの一部である。したがって、実施形態の全体的群は、作業体積部が作業体積部の遠位末端から延びる鏡映面を有する自立型ＰＣＤ本体によって特徴付け可能である。
【００５３】
幾つかの実施形態の共通の特徴は、主として剪断である岩石除去モードについて適当であり且つ好ましく、使用の開始時に岩石に当初当たる部分である使用前の作業体積部の遠位末端は１つ又は複数のエッジで構成される。この関係におけるエッジは、隣り合う自由表面相互間の境界部であると定義される。各１つ又は複数のエッジは、湾曲していても良く真っ直ぐであっても良く、或いはこれらの任意の組み合わせであっても良い。遠位末端は又、２つ以上のエッジが互いに結合する１つ又は２つ以上の頂点であっても良い。ＰＣＤ本体の機能的作業体積部は、これらエッジ又は頂点の遠位末端から延びる鏡映面を有する。ＰＣＤ岩石除去要素が岩石表面に当てられる任意所与の時点において、機能的作業体積部の遠位末端から延びる鏡映面は、加えられた力の垂直及び接線方向成分により定められる平面に一致している。機能的作業体積部の遠位末端から延びるかかる鏡映面の例が図１１ａ、図１１ｂ及び図１１ｃに示されており、この場合、遠位末端は、それぞれ、湾曲したエッジ、真っ直ぐなエッジ、頂点である。鏡映面は、ハウジング本体、例えばドリルビット本体への特定の取り付け手段に関して選択された機能的支持体積部の形状に応じて、全体的ＰＣＤ本体の全幾何学的形状全体を通じて延びていても良く或いは延びていなくても良い。
【００５４】
主として剪断作用の岩石除去のための自立型ＰＣＤ本体の一実施形態は、直円柱１１０１であり、この場合、機能的作業体積部の遠位末端１１０３は、１つの円周方向エッジの一部であり、かくして、湾曲したエッジ（図１１ａ参照）である。全体的形状が直角柱に基づいている実施形態も又、真っ直ぐなエッジ成分を機能的作業体積部の遠位末端に提供することができる自立型ＰＣＤ本体のフランクに沿って平坦な表面によって改変されても良い。図１１ｂは、機能的作業体積部の遠位末端として１つの真っ直ぐなエッジ１１０５を提供する円柱１１０４のフランク又は胴表面に沿う１つの平坦な表面を示す実施形態である。２つ以上の真っ直ぐなエッジを図１１ｃの場合のようなフランクに沿う２つ以上の平坦な表面１１０６，１１０７によって採用することができる。この場合、機能的作業体積部の遠位末端は、今や、頂点１１０８である。
【００５５】
図１１の実施形態の全ては、加えられた垂直の力１１１０及び接線方向力１１１１により作られる平面に一致した作業体積部の遠位末端から延びる鏡映面１１０９を有する。
【００５６】
主要な岩石除去モードが図１０ｅの場合のように破砕である場合、岩石除去要素又は本体のための代表的な全体的形状は、図示のように端がドーム状の直角柱である。この場合の実施形態は、ＰＣＤ本体１２０１であり、作業体積部は、図１２ａの場合のように半球形１２０２であり、遠位末端は、凸状の湾曲した表面１２０３であり、これは、塊状の支持体の概念を明示しており、それにより岩石との接触箇所のところの即時応力は、断面積の増大により支持体積部中に広がる。変形例として、図１２ｂの場合のように、作業体積部の形状は、遠位末端として丸形先端又は丸形切頭部１２０５を備えたコーン（円錐体）形状１２０４であっても良い。
【００５７】
これら実施形態の両方は、機能的作業体積部１２０６の遠位末端を通るｎ回回転対称軸線（ｎ回対称軸）を示している。一般的に言って、作業体積部の遠位末端から支持体積部の近位自由表面まで延びる軸線に関する回転対称を備えた任意の形状（断面積がこの軸線の方向に著しく増大している）が望ましく、従って、塊状支持体を作業体積部に生じさせることができる。より一般的に言って、回転対称は、端がドーム状の直円柱の場合のようにｎ回であるのが良い（図１２ａ参照）。この後者の状況に関する別の説明では、ＰＣＤ本体は、作業体積部の遠位末端から延びる無限回数の鏡映面を有する。
【００５８】
これら一般的実施形態は、機能的作業体積部の全体的な３次元湾曲表面のところに導入された平坦な表面又はファセットの追加によって改造可能である。このようにすることによって、かかる平坦な表面又はファセット相互間の境界部が先端であり、湾曲したエッジ又は真っ直ぐなエッジを作業体積部の遠位末端として形成して利用することができる。これら形状は、一般に、本発明との関連において「チゼル」と呼ばれる。これは、図１０ｄ及び図１０ｃに示されているような岩石フェースに対するレーキ角の選択によって岩石除去の際の漸増する剪断作用度の実現を可能にする。これら非常に一般的なチゼル形状のＰＣＤ岩石除去本体又は要素は、本発明の幾つかの実施形態を構成する。これら実施形態は、図１０ｃに示されている２回回転対称（単一の鏡映面）から図１０ｅのｎ回回転対称まで増大する作業体積部の遠位末端に関して回転対称を示すことができる。例えば、図１０ｄは、４つの互いに隣接した平坦な表面又はファセットにより改変された円錐形表面を備えるＰＣＤ本体を示すと共に４回回転対称を示している。変形例として、１つ又は２つ以上の平坦な表面又はファセットが機能的作業体積部の全体として湾曲した自由表面のところに導入されても良く、その結果、平坦な表面は、隔離されて共通の境界部を備えないようになる。かかる場合、作業体積部の遠位末端は、湾曲したエッジであり、或いは、円錐形作業体積部の先端まで延びる単一の平坦な表面の極めて特別な場合においては、先端である。
【００５９】
図１３ａ、図１３ｂ及び図１３ｃは、１つの平坦な表面１３０１，１３０２，１３０３が円錐形作業体積部１３０４を切頭した別の例を示しており、作業体積部の遠位末端は、平坦な切頭ファセット１３０１，１３０２，１３０３及びコーンの湾曲した表面１３０５を境界付ける湾曲したエッジ上の位置にあるよう選択されるのが良い。コーンの軸線に対する切頭ファセットの角度に応じて、かかる湾曲エッジは、図１３ａ、図１３ｂ、図１３ｃにそれぞれ示されているように円形１３０６、楕円形１３０７、放物線状１３０８であって良い。かかる実施形態は、切頭ファセットが図１４ａ及び図１４ｂに符号１４０１で示されているＰＣＤ岩石除去要素又は本体のための先導フェースを形成するよう用いられるのが良い。このようにして、力の大きな剪断成分を岩石フェースに加えることができる。
【００６０】
幾つかの別の実施形態は、作業体積部の遠位末端を含むのが良く、この遠位末端は、平坦な表面のみの相互間の境界部から選択された先端又は真っ直ぐなエッジである。かかる実施形態の例は、ＰＣＤ直角柱形本体の一端が全体としてチゼル形の体積部を形成するよう多数の平坦な表面によって改変されている。かかる実施形態の支持体積部の形状は、直角柱の改変されていない部分によって形成され、その断面は、円形又は楕円形であるのが良い。
【００６１】
直円柱形状を有する支持体積部は、上述すると共に上記において開示した互いに異なる形式の機能的作業体積部形状のうちの任意のものと共に本発明の幾つかの実施形態を構成する。かかる実施形態の利点は、ハウジング本体又はドリルビット本体への取り付けが容易であるということであり、この場合、主要な円筒形の配置穴又はスロット内へのかかる本体のろう付けの主要な歴史的な慣例及び慣行を利用することができる。図１５は、ハウジング本体への幾つかの一般的な取り付け手段を示すと共に開示しており、図示の取り付け手段に適した機能的支持体積部の全体的形状の指標を与えている。図１５ａは、自立型ＰＣＤ岩石除去要素を示しており、この場合、機能的支持体積部１５０４は、ハウジング本体１５０２によってほぼ完全に包囲されると共にこのハウジング本体中に挿入された直円柱である。支持体積部が挿入されるべき穴の寸法に対する支持体積部の寸法は、インターフェース１５０８のところの弾性干渉が焼き嵌め後の確実な取り付けを提供することができるよう選択されるのが良い。変形例として、支持体積部の表面は、ろう付け手順に適した金属膜で被覆されても良い。長さが直径よりも大きな支持体積部のアスペクト比は、支持体積部のバルクがハウジング本体によって包囲されると共にこのハウジング本体内に挿入されたとき、使用の際の固有の回転モーメントを相殺するので、有利である。
【００６２】
楕円形断面を有する直角柱形状を用いることができる。しかしながら、製造及び取り付けが楽であるようにするために、円形断面を備えた直円柱形状が好ましいと言える。
【００６３】
ハウジング又はビット本体内の割出し及び位置決め目的のために１つ又は２つ以上の平坦な表面又はファセットを円柱の胴に沿って導入することによって円筒形支持体積部を有する実施形態から別の実施形態を導き出すことができる。
【００６４】
支持体積部がこのフランク又は長軸に沿って平坦な表面だけで境界付けられた実施形態も又利用でき、この場合、かかる支持体積部の断面は、柱を形成する３つ又は４つ以上の辺を備えた多角形である。
【００６５】
円筒形又は柱状体積部形状を備えたこれら実施形態は、ろう付け又は押し嵌めによる弾性干渉取り付け法を用いたハウジング本体又はドリルビット本体への取り付けに適している。
【００６６】
これら実施形態の共通の観点は、支持体積部形状が一定の垂直断面積を備えた真っ直ぐな側部又は辺を有していることである。ハウジング本体又はドリルビットへの岩石除去要素又は本体の最も一般的な歴史的な取り付け手段は、ろう付けである。この後者の方式の明白な欠点は、ろう付けに必要な高い温度がＰＣＤ材料を熱的に損傷させる場合のあるということである。機械的取り付け手段には、この欠点がない。というのは、高い温度が利用されないからである。
【００６７】
機械的取り付け手段は、例えば図１５ｂ〜図１５ｅに示されている構造体を採用するのが良く、かかる構造体は、ねじ山１５０３又は他の機械的ロック手段を介してハウジング本体１５０２と嵌合する弾性カラー１５０１を用い、機能的支持体積部１５０４内の拡大断面領域に当たる。これは、図１５ｂ、図１５ｃ、図１５ｄ及び図１５ｅに示されており、この場合、雄ねじ付きのカラー１５０１は、その内面が図１５ｂ、図１５ｃ及び図１５ｅに示されているように機能的支持体積部の円錐形嵌合面１５０５上に位置する。変形例として、機能的支持体積部の拡大断面領域は、図１５ｄに示されているフランジ構造体によって提供されるのが良く、この場合、カラー１５０１は、フランジ１５０６上に位置する。かかる全ての構造体の共通の特徴は、支持体積部形状が支持体積部の平坦な底面又は近位表面１５０７に平行な断面領域の増大を用いていることにある。一般的に言えば、機能的支持体積部は、遠位機能的作業体積部から機能的支持体積部の近位表面までの全体的な方向に沿って断面積が増大している。
【００６８】
欧州特許第０５７３１３５号明細書（参照文献８）は、変形可能なロックインサートを用いると、ハウジング本体への適当な形をした研磨用ツール本体の機械的取り付け具合を向上させることができるということを開示している。この欧州特許を参照により引用し、その教示内容を本明細書の一部とする。これは、図１５ｅに示されており、この場合、ねじ山付きインサート１５０１は、変形可能なロックインサート１５０９に当たり、この変形可能なロックインサートは、自立型ＰＣＤ本体の機能的支持体積部１５０４の円錐形表面１５０５に当たる。変形可能なインサート１５０９は、軟質の延性金属、例えばなまし銅等及び／又は高密度ポリマー材料、例えばエラストマー、ゴム又はポリマー等で作られるのが良い。
【００６９】
ハウジング本体への更に別の機械的取り付け手段は、ハウジング本体に設けられたねじ山と嵌合する自立型ＰＣＤ本体それ自体のねじ山付き機能的支持体積部を用いることであって良い。
【００７０】
本発明の多くの実施形態は、組成及び／又は構造が異なるＰＣＤ材料の２つの物理的体積部しか用いていない。一方の物理的体積部のＰＣＤ材料は、少なくとも、機能的作業体積部の遠位表面又は自由表面に隣接して位置する領域を含むのが良く、他方の物理的体積部の異なるＰＣＤ材料は、機能的支持体積部の１つ又は複数の近位表面に隣接して位置する領域を含む。互いに異なるＰＣＤ材料の２つの物理的体積部相互間の境界部は、機能的体積部相互間、即ち、作業体積部と支持体積部との間の概念上の境界部と一致していない場合がある。この後者の境界部は、最終的には、岩石除去用途におけるＰＣＤ本体の寿命の終わりに生じる摩耗平坦部又は摩耗傷跡の程度によってしか定められない場合がある。
【００７１】
互いに異なるＰＣＤ材料の２つの物理的体積部、即ち、機能的作業体積部と機能的支持体積部との間の関係を説明するため、図１６は、幾つかの選択された非包括的な実施形態の概略断面を示しており、この場合、共通の特徴は、自立型ＰＣＤ本体の全体的３次元幾何学的形状が直円柱であり、機能的作業体積部１６０２の遠位末端１６０１が直円柱の一端の円周方向エッジの一部であるということにある。
【００７２】
図１６ａは、ＰＣＤ材料の１つの物理的体積部（ＰＣＤ１）が相当な厚さの層１６０３であり、この層１６０３が全体として直円柱形ＰＣＤ本体の一端を横切って延び、ＰＣＤ材料の第２の体積部（ＰＣＤ２）が全体的ＰＣＤ本体の残りの部分１６０４よりも大きく且つこれを占める特定の実施形態を示している。ＰＣＤ材料の物理的体積部ＰＣＤ１（１６０３）は、ＰＣＤ材料ＰＣＤ１が機能的作業体積部１６０２の遠位表面又は自由表面に隣接して位置する領域を占め、その遠位末端が円周方向エッジ１６０１の一部であるという点で機能的作業体積部と関連している。作業体積部のこの遠位末端は、岩石フェース１６０５と接触するＰＣＤ本体の第１の部分である。岩石除去の際、ＰＣＤ本体の作業体積部は、次第に摩耗し、岩石フェースに名目上平行な点線１６０６として示されている摩耗平坦部又は摩耗傷跡を形成する。点線１６０６の特定の場合、摩耗平坦部は、ＰＣＤ岩石除去本体の寿命の選択された終わりを示す場合があり、かくして、定義上、機能的作業体積部と支持体積部との間の境界部を示すことになる。図１６ａの特定の場合、この境界部は、材料ＰＣＤ１から成る物理的体積部１６０３内に全体的に完全に収まっている。かくして、この場合、１つの物理的体積部１６０３は、機能的作業体積部１６０２を包囲し、２つの物理的体積部相互間の境界部は、機能的作業体積部中に入り込んではいない。変形例として、図１６ｂの場合のように、ＰＣＤ岩石除去本体の寿命は、摩耗平坦部又は摩耗傷跡１６０７に達することができるよう延ばされる場合がある。この場合、摩耗平坦部は、今や、材料ＰＣＤ２から成る物理的体積部１６０４中に延びる。この場合、摩耗平坦部又は摩耗傷跡１６０７は、今や、定義上、機能的作業体積部と支持体積部との間の境界部を示している。この特定の場合の寿命の後者の部分の間、作業体積部は、物理的体積部１６０３のＰＣＤ材料ＰＣＤ１と物理的体積部１６０４のＰＣＤ材料ＰＣＤ２の両方を用いている。一般に、ＰＣＤ本体の機能的作業体積部の広がりは、使用の際に定められ、ＰＣＤ材料岩石除去要素又は本体の寿命の終わりの時点で最終的に明らかになる。図１６ｂは、この後者の場合に関する寿命の終わりでの摩耗状態のＰＣＤ岩石除去本体を概略的に示している。この後者の場合、２つの物理的体積部１６０３，１６０４相互間の境界部は、機能的作業体積部中に延びる。
【００７３】
上記説明においてすでに示したように、主として作業体積部の所望の挙動に関して主要な働きをなすＰＣＤ材料は、岩石除去機構との関連において耐摩耗性に関して選択されると共に最適化されるべきである。これとは対照的に、機能的支持体積部の主要な役割を果たす材料は、剛性と熱伝導率の両方において高いものであるよう選択されるべきである。例えば耐摩耗性、剛性及び熱伝導率のような特性を定めるＰＣＤ材料の最も重要な組成上の観点は、ダイヤモンド結晶粒度分布である。したがって、幾つかの実施形態では、ダイヤモンド結晶粒度分布は、２つの機能的体積部の各々の主要な部分を占める材料については異なっている。実施形態のうちの幾つかは、ＰＣＤ材料の２つ又は３つ以上の物理的体積部を有する自立型ＰＣＤ本体であり、この場合、これら物理的体積部のうちの少なくとも１つは、他の任意のもの又は全てとはダイヤモンド結晶粒度分布が異なっている。
【００７４】
岩石除去用途におけるＰＣＤとの関連における全体的な観察によれば、耐摩耗性は、ダイヤモンド平均結晶粒度が減少するにつれて増大する傾向がある。上記において指摘したように、作業体積部が岩石除去用途中に次第に摩耗し、支持体積部が残存するので、１組の実施形態は、機能的作業体積部のＰＣＤ材料が機能的支持体積部のＰＣＤ材料よりも細かい平均結晶粒度で作られているようなものである。
【００７５】
機能的支持体積部は、定義上、残存して利用に持ちこたえ、そして作業体積部に対して機械的且つ熱的支持作用をもたらす。本体の形状及び幾何学的形状により提供される支持作用を上回る良好な機械的支持作用を得るため、支持体積部の主要な部分を占めるべき材料は、高い剛性及び高い弾性モジュラスを備えた剛体であるように設計されるべきである。剛性及び弾性モジュラスは、ダイヤモンド結晶粒度が増大するにつれて増大する。良好な熱的支持作用を得るため、支持体積部の主要な部分を占める材料は、高い熱伝導率のものであるよう設計されるのが良い。熱伝導を制限する結晶粒境界部の熱的散乱挙動に起因して、ＰＣＤ材料の熱伝導率は、ダイヤモンド結晶粒度が増大するにつれて増大する。というのは、これにより、結晶粒境界部の単位体積当たりの面積が小さくなるからである。したがって、支持体積部の機能に所望の特性は、粗いダイヤモンド結晶粒度分布によって生じ、これに対し、作業体積部の所望の高い耐摩耗性は、細かいダイヤモンド結晶粒度分布によって生じる。
【００７６】
自立型ＰＣＤ本体の幾つかの実施形態は、互いに異なるＰＣＤ材料の２つ又は３つ以上の物理的体積部を有するよう設計されるのが良く、その結果、作業体積部の遠位表面又は自由表面に隣接して位置するＰＣＤ材料は、平均結晶粒度が、支持体積部の１つ又は複数の近位表面に隣接して位置するＰＣＤ材料よりも小さい。
【００７７】
当該技術分野においては周知であるように、１０マイクロメートル未満の平均ダイヤモンド結晶粒度を有するＰＣＤ材料は、岩石除去との関連において、あらゆるＰＣＤ材料よりも優れた耐摩耗性、即ち、低い摩耗速度を有する。したがって、機能的作業体積部の主要な部分を占めると共に機能的作業体積部の遠位末端に隣接して位置するＰＣＤ材料が１０マイクロメートル未満の平均ダイヤモンド結晶粒度を有する実施形態が選択されるのが良い。
【００７８】
アディア及びデービーズ名義の米国特許出願第６１／５７８７２６号明細書（参照文献１）及び同第６１／５７８７３４号明細書（参照文献２）により開示された方法を用いると、重要な材料特性又は自由度、例えばダイヤモンド結晶粒度及び分布、ダイヤモンドと金属ネットワークの組成比及び金属元素組成は、互いに別個独立に選択されると共に指定できる。これは、これらの自由度が大幅に互いに依存している主要な従来型先行技術とは対照的である。例えば、主要な従来型先行技術では、結晶粒度分布の選択は、考えられる金属含有量の範囲を大幅に制限し、この場合、金属含有量も又、平均結晶粒度が減少すると、普遍的に増大する。米国特許出願第６１／５７８７２６号明細書（参照文献１）及び同第６１／５７８７３４号明細書（参照文献２）の材料の自由独立度は、本明細書における岩石除去目的のための自立型ＰＣＤ本体に対する適切さが利用される。これにより、ダイヤモンド結晶粒度及び粒度分布を金属含有量及び金属元素組成とは別個独立に偏向することができる。上述したように、２つの物理的体積部が用いられる場合、２つの機能的体積部の互いに異なる機能に合うようこれら２つの機能的体積部の主要な部分を占める互いに異なるダイヤモンド結晶粒度を有することが望ましい場合がある。これは、今や、実施でき、他方、金属含有量及び金属元素組成が全体的ＰＣＤ本体全体を通じて不変であり且つ一定であるよう選択される。かかる実施形態は、全体的ＰＣＤ本体中に存在する最も粗いダイヤモンド結晶粒度に依存する特定の尺度を超えた場合、巨視的残留応力が存在しないという所望の作用効果を有する。このように巨視的尺度のところでしかもこれを超えた場合にこのように残留応力が存在しないということは、アディア及びデービーズ名義の米国特許出願第６１／５７８７２６号明細書（参照文献１）及び同第６１／５７８７３４号明細書（参照文献２）によって教示されると共に開示されている。隣り合う物理的体積部が互いに異なるＰＣＤ材料で作られ、その結果、熱膨張率に差が生じている場合、残留応力分布にわたる物理的体積部が高温製造プロセスの終わりに室温に戻る際に隣り合う物理的体積部の収縮度の差に起因して生じることが教示されている。熱膨張率の差は、隣り合う物理的体積部がダイヤモンドと金属ネットワーク組成比及び／又は金属元素組成について異なっている場合に生じる。巨視的スケールにわたる物理的体積部は、平均結晶粒度の１０倍を超える尺度にあることが定義され、この場合、結晶粒度の最も粗い成分は、平均結晶粒度の３倍以下である。
【００７９】
隣り合う物理的体積部がダイヤモンドと金属ネットワーク組成比及び金属元素組成が不変である場合、この尺度を超える熱膨張率の差は存在せず、自立型ＰＣＤ本体には、この尺度を超えて巨視的に残留応力がないことになる。隣り合う物理的体積部は、ダイヤモンド結晶粒度分布が互いに異なる場合があり、依然としてこれら物理的体積部には巨視的残留応力がないままである。かかる実施形態の望ましさは、存在する場合には巨視的亀裂伝搬を誘導すると共に促進する残留応力分布にわたるＰＣＤ本体がないことにあり、それにより、破断事象、例えばチッピング及びスポーリングが生じ、かかる破断事象は、岩石除去本体の寿命及び性能を損ねる。自立型ＰＣＤ本体には巨視的残留応力がなく又は小さいという結果として、実際の用途では、ＰＣＤ本体の破断以外の通常の摩耗挙動が観察され、かかる通常の摩耗挙動は、ＰＣＤ本体の寿命の終わりを決定することが推定される。したがって、これら実施形態は、性能及び有効寿命を向上させると見込まれる。
【００８０】
Ｘ線回折を含む当該技術分野において知られている自立型ＰＣＤ本体中の巨視的残留応力の存否を判定する幾つかの手段が存在する。巨視的残留応力がないことを判定する好都合な方法では、ＰＣＤ本体の好都合な平坦平面へのひずみゲージローゼットをしっかりと取り付け、次にＰＣＤ本体の相当な割合を占める部分を除去する。巨視的残留応力が存在しない場合、ひずみゲージからのひずみ関連信号は、変化することはない。これとは逆に、相当大きな巨視的残留応力が存在する場合、ひずみゲージからのひずみ関連信号は、著しく変化することになる。
【００８１】
金属が０．１ｍｍ（１００マイクロメートル）を超える尺度で全体的ＰＣＤ本体全体を通じて一定であり且つ不変である自立型ＰＣＤ本体を有する幾つかの実施形態について本明細書において説明するが、この場合、結晶粒度の最も粗い成分は、３０マイクロメートルである。
【００８２】
当該技術分野において周知であるように、ＰＣＤ材料の利用における特定及び関連挙動は、ダイヤモンド及び金属含有量に大きく依存している。具体的に説明すると、耐摩耗性、剛性及び熱伝導率は全て、一般に、ダイヤモンド含有量が増大すると（即ち、金属含有量が減少すると）向上する。これら特性及び挙動の向上は、岩石除去用途向きの自立型本体の機能的作業体積部と機能的支持体積部の両方について望ましい。上述したように、アディア及びデービーズ名義の米国特許出願第６１／５７８７２６号明細書（参照文献１）及び同第６１／５７８７３４号明細書（参照文献２）の教示によれば、ダイヤモンド結晶粒度分布、ダイヤモンドと金属ネットワーク組成比及び金属元素組成の別個独立の選択によりＰＣＤ材料を作る。かくして、ダイヤモンドと金属ネットワーク組成比は、選択されたダイヤモンド結晶粒度及び金属種類又は合金とは無関係に、高く、即ち、金属含有量を低く選択されるのが良い。さらに、先行技術におけるように、約１ミクロン平均の結晶粒度の従来の結晶粒が細かいＰＣＤが硬質金属基体からの金属の溶浸によって作られる場合、金属含有量は、約１２〜１４体積パーセントに制限されることが教示されている。これとは対照的に、本明細書において開示する方法では、金属含有量は、金属の種類とは無関係に選択され、しかも約１パーセントから２０パーセントまでの範囲にあるよう選択される。同様に、多モード結晶粒度が選択され、平均結晶粒度が約１０マイクロメートルであり、最大結晶粒度が約３０マイクロメートルである場合、この場合も又、金属含有量は、約１パーセントから約２０パーセントまでの範囲にあるよう選択されるのが良い。約９体積パーセント及びこれに近い値まで制限されるかかる従来型ＰＣＤ材料の金属含有量はもはや当てはまらない。
【００８３】
公式ｙ＝−０．２５ｘ＋１０（この式において、ｙは、体積パーセントで表された金属含有量であり、ｘは、マイクロメートルで表されたＰＣＤ材料の平均結晶粒度である）により定められた金属含有量よりも低い金属含有量が米国特許出願第６１／５７８７２６号明細書（参照文献１）及び同第６１／５７８７３４号明細書（参照文献２）に記載された方法を用いて利用されるのが良い。本発明の実施形態は、選択された平均ダイヤモンド結晶粒度のあらかじめ選択されたＰＣＤ材料により占められる１つ又は２つ以上の物理的体積部を含む。機能的作業体積部と機能的支持体積部の両方と関連すると共にこれらの主要な部分をなす物理的体積部中の平均ダイヤモンド結晶粒度は、これら機能的体積部のための用途において所望の挙動を生じさせるよう慎重に選択されるのが良い。任意の物理的体積部中のＰＣＤ材料がｙ体積パーセントという値（この場合、ｙ＝−０．２５ｘ＋１０であり、ｘは、マイクロメートル単位で表されたＰＣＤ材料の平均結晶粒度である）よりも小さいよう別個独立にあらかじめ選択された金属含有量を有する自立型ＰＣＤ本体は、幾つかの実施形態の一特徴である。
【００８４】
硬質金属基体上のＰＣＤ材料の層に関連した従来の先行技術の慣例及び慣行は、ＰＣＤ層厚さが実際に約２．５ｍｍに制限されるようなものである。残留応力分布における急峻で且つ著しい勾配が異種材料相互間の物理的境界部の近くで且つこれと関連して起こり、しかも典型的な機能的作業体積部寸法が厚さ寸法とほぼ同じなので、作業体積部及びこれに隣接した領域は、引張応力最大値を常に含む高い残留応力勾配を必然的に示す。図７は、全体的直角柱形本体の１つの側部又は辺のところの最も従来の先行技術、即ち、ＰＣＤ層７０２に関する残留応力分布の一般的性状を概略的に示している。従来型直角柱形ＰＣＤ岩石除去要素の部分断面を示す図７では、符号７０１は、直角柱７０２、ＰＣＤ層７０３、硬質金属基体７０５、機能的作業体積部の遠位末端、即ち、ＰＣＤ層７０２の円周方向エッジの一部の中心線を示している。この図では、円柱座標における引張応力最大値は、符号７０４で示されている。注目できるように、フープ方向、半径方向及び軸方向の引張応力最大値は全て、機能的作業体積部７０５の遠位末端、即ち全体として直角柱形ＰＣＤ本体の円周方向エッジの一部のところ又はその近くに位置するＰＣＤ層の自由表面のところに位置する。また、座標方向の各々について境界部が示されており、この場合、残留応力の方向（７０６）は、引張から圧縮に向かう。注目されるべきこととして、これら３つ全ての境界部は、機能的作業体積部７０５の遠位末端に近接して位置しており、残留応力勾配がこの位置の近くで高いことを示している。
【００８５】
幾つかの実施形態では、ＰＣＤ材料層がＰＣＤ材料製造において取り付けられると共に結合される先行技術に関して上述した望ましくない巨視的残留応力は、自立型ＰＣＤ本体の尺度全体にわたって金属が不変であることにより存在しない。巨視的残留応力が存在しないことは、それにより巨視的亀裂伝搬の蓋然性が低くなると共にかかる亀裂がＰＣＤ本体の自由表面に達したときの関連のチッピング及びスポーリングの問題が軽減されるので望ましい。
【００８６】
チッピング及びスポーリングが著しく軽減され、無視できるほどになり、或いは存在しない場合、機能的作業体積部は、通常の摩耗挙動によって次第に除去される。この状況では、増大する摩耗傷跡面積は、大きな程度に達する場合があり、その結果、ドリルリグにより生じてビットに加わる所要の重量が非常に大きくなるのでドリルリグの効率が損なわれた状態になる場合がある。
【００８７】
かくして、岩石除去要素の寿命の終わりを摩耗傷跡のかかる最大面積の大きさによって特徴付けることができる。この慣例及び慣行を用いると、機能的作業体積部に関する代表的な最大体積を用いられている岩石除去要素又は自立型ＰＣＤ本体の３次元形状及び全体的体積について代表的に観察される最大摩耗傷跡面積から推定することができる。ドラグビットで用いられている先行技術の直角柱形岩石除去要素に関し、作業体積部は、直角柱の円周方向エッジ上の１つの位置から延び、最終的に、使用中、寿命の終わりで決定され、その結果、サイズが最大の摩耗平坦部又は傷跡が生じる。この機能的作業体積部について観察される代表的な最大体積は、全体的岩石除去本体の３％である。機能的作業体積部に関するこの最大体積は、本発明の実施形態についての場合でもあるということが見込まれる。機能的作業体積部と関連したＰＣＤ材料の物理的体積部が選択された高い耐摩耗性を備えた材料から成るようにするため、機能的作業体積部を完全に包囲したＰＣＤ材料の１つの物理的体積部を選択するのが良い。かかる物理的体積部は、体積の大きさが、機能的作業体積部の代表的な最大体積の状況、即ち、約３％よりも著しく高いのが良い。この観点は、幾つかの実施形態の効率的な岩石除去要素に関する重要な設計上の基準を提供することができる。かくして、選択されると共に所望の形状及び幾何学的形状の各場合において、機能的作業体積部を包囲した物理的体積部の最小比例体積は、自立型ＰＣＤ本体の全体的体積の約３％である。
【００８８】
上述したように、機能的作業体積部の材料は、高い耐摩耗性を有するよう選択されるのが良く、これに対し、機能的支持体積部の主要な部分を占める材料は、高い剛性及び高い熱伝導率のものであるよう選択されるのが良い。これにより、機能的作業体積部を包囲する物理的体積部のためのＰＣＤ材料及び残りの支持体積部の材料について異なる選択が行われる。かくして、機能的作業体積部を包囲した物理的体積部の体積の大きさがＰＣＤ本体の全体的体積の５０％を超えると、その材料の形式が高い耐摩耗性が得られるよう最適化されている場合、それにより、機能的支持体積部の所望の挙動がかなり損なわれる場合がある。特に、機能的作業体積部を包囲した物理的体積部が全体的ＰＣＤ本体の体積の５０％を超えた場合、これがそうであるような高い蓋然性が存在する。これにより、更に別の好ましさが得られ、それにより、機能的作業体積部を包囲したＰＣＤ材料の物理的体積部が自立型ＰＣＤ本体の全体的体積部の５０％を超えないはずである。これは、本発明の一特徴である。
【００８９】
巨視的残留応力が存在しないことにより、岩石除去用途における亀裂関連性能上の問題は、自立型ＰＣＤ岩石除去本体の寿命及び効率に関して二次的な重要さのものであることが見込まれる。上述したように、幾つかの実施形態により、最大寸法が１５０ｍｍまでの自立型本体を作ることができる場合がある。これにより、残留応力は存在しておらず、しかも亀裂関連問題の蓋然性が減少するので、ＰＣＤ材料に特有の高い強度及び高い靱性を利用することができる。これにより、有益な高い耐衝撃性が得られる。加うるに、ＰＣＤ材料の極めて高い剛性を得ることができる。一般的な岩石除去用途における大きな自立型本体を用いることにより得られる場合のある利点としては、自立型ＰＣＤ岩石除去本体が岩石フェースに激しく当たることが挙げられ、その結果、高い侵入率が得られる。高い侵入率は、全体的ハウジング本体表面から盛り上がった大きな機能的作業体積部を含む大きなＰＣＤ本体の使用の結果として生じる広い露出によって生じる場合がある。すると、岩石表面の高い侵入深さが生じ、岩石の大きな幾つかの塊をハウジング本体の各パス又は回転について除去することができる。ＰＣＤ岩石除去本体のかかる広い露出は、残留応力のないＰＣＤ材料本体に特有の高い強度、高い靱性、高い耐衝撃性及び高い剛性という理由だけで実行可能である。機能的作業体積部の遠位末端から見てハウジング本体の自由表面の上方までのＰＣＤ本体の露出高さは、全体的ＰＣＤの全体的寸法の１／３までであるのが良く、その結果、この寸法の残りの２／３をハウジング本体中に挿入でき、かかる残りの２／３がハウジング本体への取り付け手段となる。
【００９０】
幾つかの実施形態の自立型ＰＣＤ本体は、互いに区別されると共に異なるＰＣＤ材料の任意の個数の物理的体積部で構成でき、これらの付随する互いに異なる特性は、多くの仕方で幾何学的に配置される。機能的に説明すると、上述したように、実施形態の自立型ＰＣＤ本体は、岩石除去用途の実施の際における使用中に全体的挙動に基づく２つの体積部、即ち、機能的作業体積部及び機能的支持体積部を有するものと考えられる。したがって、これは、自立型本体の性能を最適化しようとする点で意味をなし、それにより、選択されたＰＣＤ材料の１つの物理的体積部が機能的作業体積部の遠位表面又は自由表面に隣接して位置すると共にＰＣＤ材料の別の異なる物理的体積部が機能的支持体積部の１つ又は複数の近位表面に隣接して位置するようＰＣＤ本体が設計され、ＰＣＤ材料の任意個数の物理的体積部がこれらを隔てると共に／或いはこれらに隣接して位置する。ＰＣＤ材料の１つの物理的体積部を機能的作業体積部に実質的に関連付けると共に異なるＰＣＤ材料の１つの物理的体積部を機能的支持体積部に実質的に関連付ける上での単純さが高いので、別々の物理的体積部を備えた異なるＰＣＤ材料の２つの隣接の物理的体積部だけを利用することが有益な場合がある。また、かかる構成は、多数の物理的体積部とは異なり、物理的体積部２つだけを製造すればいいという相対的な容易さ及び実用性という利点を有することができる。かかる実施形態の一例が図１７に与えられており、図１７は又、上述の一連の他の好ましい観点を利用している。これら実施形態は、主として岩石剪断作用が必要とされるドラグビットへの使用に向いており、これら実施形態は、以下によって特徴付けられている。
ａ）全体的直円柱形状１７０１。
ｂ）機能的作業体積部１７０５の遠位末端１７０４が円形の周辺エッジの一部であり、使用の際に定められるこの機能的体積部は、この遠位末端から平坦な「摩耗」表面１７０７まで延びる体積部であり、この平坦な「摩耗」表面は、直円柱形本体の平坦な頂面及び湾曲した「胴」表面と交差する。
ｃ）機能的支持体積部１７０６は、寿命の終わりでの全体的本体の残存する部分であり、かくして、「摩耗」表面を備えた直円柱から成り、「摩耗」表面は、使用の際に、次第に形成される。
ｄ）全体的自立型ＰＣＤ本体の元素組成は、本体全体を通じて不変であり、即ち、本体中のどこでも同一の金属又は合金である。
ｅ）全体的自立型ＰＣＤ本体は、ダイヤモンド結晶粒度及び粒度分布が異なっている互いに異なるＰＣＤ材料で作られた２つの物理的体積部１７０２，１７０３を有する。
ｆ）一様なＰＣＤ材料１７０２の第１の直角柱形物理的体積部は、全体的自立型ＰＣＤ本体体積部１７０１の３０％超且つ５０％以下を占める全体的直円柱形本体の一端を完全に横切る層として延びる。第１の物理的体積部１７０２は、第２の物理的体積部１７０３の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも細かい平均ダイヤモンド結晶粒度を有するＰＣＤ材料で作られた予想される機能的作業体積部１７０５を完全に包囲する。
ｇ）第２の物理的体積部１７０３は、第１の物理的体積部１７０２から延び、直円柱であり、第１の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも高い平均ダイヤモンド結晶粒度を有するＰＣＤ材料で作られた全体的自立型ＰＣＤ本体の残部を占める。
【００９１】
１つの物理的体積部が機能的作業体積部よりも著しく大きく且つ機能的作業体積部の広がりを完全に包囲するよう作られている互いに異なるＰＣＤ材料の２つの物理的体積部を用いた実施形態の別の例が図１８に示されている。これら実施形態は、ローラーコーンドリルビット本体での使用に向いている。図１０ｅに示されている全体的な幾何学的構造体が用いられ、この全体的な幾何学的構造体は、全体として凸状の湾曲した表面まで延び、大抵の場合には半球形である一端部を備えた直円柱である。図１０ｅに示されているかかる岩石除去本体により、主要な岩石破砕及び破断機構による岩石除去が行われる。図１８は、一端が半球形の直角柱形状１８０１の断面を示しており、この場合、第１の物理的体積部１８０２は、境界部１８０３を備えた半球形ドームを第２の物理的体積部１８０４まで実質的に占めており、湾曲していて且つ凸状である表面１８０５を半球形自由表面まで形成している。実際に定められる予想された最終の機能的作業体積部は、点線１８０６及び全体的本体の半球形自由表面１８０５によって画定される。ＰＣＤ材料の第１の物理的体積部１８０２は、機能的作業体積部及び第１の物理的体積部と第２の物理的体積部との間の境界部１８０３を完全に包囲し、かかる第１の物理的体積部は、機能的作業体積部の境界部１８０６から見て遠くに配置されている。
【００９２】
主として岩石破砕作用が必要とされるローラーコーンドリルビットで用いられるようになった図１８に示されているこれら実施形態は、以下によって特徴付けられている。
ａ）端が単一ドーム状の直円柱形状１８０１。
ｂ）機能的作業体積部の遠位末端１８０７がドーム１８０５の湾曲自由表面の一部であり、使用中に定められる機能的作業体積部１８０８は、この遠位末端１８０７から平坦な「摩耗」表面１８０６まで延びる体積部である。
ｃ）機能的支持体積部１８０９は、寿命の終わりにおける全体的本体の残存部分であり、かくして、「摩耗平坦」表面１８０６を備えた端がドーム状の直円柱から成る。
ｄ）全体的自立型ＰＣＤ本体のダイヤモンドと金属ネットワーク組成比並びに金属元素組成は、本体全体にわたって不変であり、即ち、２つの物理的体積部１８０２，１８０４の各々中で同一量及び同一種類の金属又は合金である。
ｅ）全体的自立型ＰＣＤ本体は、ダイヤモンド結晶粒度及び粒度分布が異なっている互いに異なるＰＣＤ材料で作られた２つの物理的体積部１８０２，１８０４を有する。
ｆ）一様なＰＣＤ材料の第１の物理的体積部１８０２は、湾曲したドーム状自由表面１８０５から境界部１８０３まで延び、第２の物理的体積部１８０４、境界部１８０３は、平坦な底面、第１の物理的体積部１８０２に平行であり、全体的自立型ＰＣＤ本体体積部の３％超且つ５０％以下を占める。第１の物理的体積部１８０２は、ＰＣＤ材料で作られた予想される機能的作業体積部１８０８を完全に包囲し、その平均ダイヤモンド結晶粒度は、第２の物理的体積部１８０４の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも細かい。
ｇ）第２の物理的体積部１８０４は、第１の物理的体積部１８０２から延び、ＰＣＤ材料で作られた全体的自立型ＰＣＤ本体１８０１の残部を占め、その平均ダイヤモンド結晶粒度は、第１の物理的体積部１８０２の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも大きい。
【００９３】
１つの物理的体積部が機能的作業体積部よりも著しく大きく且つ機能的作業体積部の広がりを完全に包囲するよう作られている互いに異なるＰＣＤ材料の２つの物理的体積部を利用する実施形態の際の別の例が図１９に示されている。この場合、全体的ＰＣＤ本体１９０１は、直円柱１９０２であり、この場合、直円柱の一端は、チゼル形状１９０３まで延びている。具体的に説明すると、この形状は、端が片面コーンの直円柱で作られ、この場合、コーンの２つの平坦な傾斜した切頭部１９０４は、真っ直ぐなエッジ１９０５と対称に交わり、真っ直ぐなエッジ１９０５は、直円柱の底面に平行であっても良くそうでなくても良い。機能的作業体積部１９０６の遠位末端は、頂点又は先端１９０７のうちの１つであるように選択され、この場合、真っ直ぐなエッジは、湾曲した円錐形表面１９０８と交わっている。変形例として、遠位末端は、真っ直ぐなエッジ１９０５それ自体の全広がりであるよう選択されても良い。これら実施形態は、ほぼ等しい岩石剪断及び岩石破砕作用が図１０ｄに示されているように必要なドラグビット又はローラーコーンビット本体で用いられるようになっており、これら実施形態は、次の内容によって特徴付けられる。
ａ）端が単一のチゼル形の直円柱形状であり、この場合、チゼル形状は、コーン１９０３の２つの対称な傾斜した切頭部１９０４によって形成され、これら傾斜した切頭部は、真っ直ぐなエッジ１９０５のところで交わり、真っ直ぐなエッジは、直角柱の底面に平行であっても良く、そうでなくても良い。
ｂ）機能的作業体積部の遠位末端は、真っ直ぐなエッジ１９０５及び円錐形の湾曲した表面１９０８によって形成された先端１９０７のうちの１つであり、或いは、変形例として、機能的作業体積部の遠位末端は、真っ直ぐなエッジ１９０５であるのが良い。使用中に定められる機能的作業体積部１９０６は、選択された遠位末端から「摩耗」表面１９０９、又は変形例として、遠位末端がエッジ１９０５である場合には摩耗表面１９１０まで延びる体積部である。
ｃ）支持体積部１９１１は、寿命の終わりにおける全体的本体の残存部分であり、かくして、「摩耗平坦」１９０９又は１９１０を備えた端がチゼル形状の直円柱から成る。
ｄ）全体的自立型ＰＣＤ本体は、ダイヤモンド結晶粒度及び結晶粒度分布のみが異なっている互いに異なるＰＣＤ材料で作られた２つの物理的体積部１９１２，１９１３を有し、かかる全体的自立型ＰＣＤ本体は、ダイヤモンドと金属ネットワーク組成比並びに金属元素組成に関して不変である。
ｅ）一様なＰＣＤ材料の第１の物理的体積部１９１２は、真っ直ぐなエッジ１９０５及び円錐形の湾曲した自由表面１９０８から境界部１９１４まで延び、第２の物理的体積部１９１３は、全体的自立型ＰＣＤ本体体積部の３％超且つ５０％以下を占める。第１の物理的体積部１９１２は、ＰＣＤ材料で作られた予想される機能的作業体積部１９０６を完全に包囲し、その平均ダイヤモンド結晶粒度は、第２の物理的体積部１９１３の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも細かい。
ｆ）第２の物理的体積部１９１３は、第１の物理的体積部１９１２から延び、ＰＣＤ材料で作られた全体的自立型ＰＣＤ本体１９０１の残部を占め、その平均ダイヤモンド結晶粒度は、第１の物理的体積部１９１２の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも大きい。
【００９４】
機能的作業体積部を占めるよう選択された互いに異なり且つ相対的な耐摩耗性を備えた互いに異なるＰＣＤ材料の２つ又は３つ以上の物理的体積部の使用は、多くの利点を有する場合がある。物理的体積部相互間の少なくとも１つの境界部は、この場合、機能的作業体積部中に延びている。機能的作業体積部が次第に摩耗しているとき、耐摩耗性の低い材料を含む領域又は体積部は、高い耐摩耗性の材料の領域又は体積部よりも速く摩耗し、かくして、その結果として耐摩耗性の高いＰＣＤ材料は、摩耗傷跡表面のところに突起、隆起部及び剪断リップを形成する。このように、加えられた荷重が突起、隆起部及びリップのところに集中し、それにより、鋭利度（切れ味の鋭さの度合い）が維持されると共に効率的な岩石除去に関する全体的な荷重要件が制限される。この場合、切れ味の鈍さにおける漸次幾何学的増大を相殺することができ、それにより岩石考えられる過度の荷重要件の知覚される潜在的な欠点が岩石除去要素の寿命の終わりに向かって和らげられる。１つ又は２つ以上の突出した剪断リップを作る好都合であり且つ効率的なしかも好ましい手段は、耐摩耗性が異なる３種類又は４種類以上のＰＣＤ材料の交互に位置した層を採用することであり、これらＰＣＤ材料の層は、これら層相互間の１つ又は複数の境界部が、摩耗平坦部が岩石除去要素の寿命中に次第に生じているときにこの摩耗平坦部と交差するよう機能的作業体積部を占める。ＰＣＤ材料の物理的体積部又は層相互間の耐摩耗性の差を生じさせる好ましい手段は、互いに異なるＰＣＤ材料についてダイヤモンド結晶粒度の差を用いることであり、細かいダイヤモンド結晶粒度は、代表的には、粗いダイヤモンド結晶粒度よりも耐摩耗性が高い。従来の先行技術と比較してＰＣＤ材料の組成及び種類の範囲の拡大により、従来型先行技術と比較して互いに異なるＰＣＤ材料の選択が広がり、これらの互いに異なる耐摩耗性は、これらの概念を用いて利用できる。例えば、本発明では、ダイヤモンド結晶粒度、金属含有量及び金属の種類又は元素組成について広範な別個独立の選択が行われる。このように、極めて広い面積の摩耗傷跡表面の知覚される潜在的な欠点は、機能的作業体積部を形成するよう最適化される互いに異なるＰＣＤ材料の範囲の拡大を利用することによって軽減できる。機能的作業体積部におけるＰＣＤ材料の摩耗挙動の差により、岩石除去要素の寿命の先送りされた終わりのところでの効率的な岩石除去挙動を得ることができる。
【００９５】
上述したように、本発明の自立型ＰＣＤ本体は、互いに区別されると共に異なるＰＣＤ材料の任意個数の物理的体積部で構成でき、これらの付随する互いに異なる特性は、多くの仕方で幾何学的に配置される。ＰＣＤ材料の２つ又は３つ以上の物理的体積部で構成されている自立型ＰＣＤ本体は、上述したように１つの物理的体積部によって完全に包囲された機能的作業体積部を有しても良く、或いは、２つ又は３つ以上の物理的体積部を有する機能的作業体積部を有しても良く、互いに異なる物理的体積部相互間の少なくとも１つの境界部は、機能的作業体積部中に延びるようになっている。
【００９６】
３つ又は４つ以上の物理的体積部が機能的作業体積部を占め、例えば、物理的体積部の互いに異なる材料が異なる摩耗及び自己鋭利化効果を生じさせる物理的体積部の層状構造体は、特に価値のあるものである。直角柱である自立型ＰＣＤ本体の全体的形状の特定の場合において、適当な構造体は、直円柱の主軸に平行であっても良くそうでなくても良い平べったい互いに平行な層によって形成されるのが良い。変形例として、適当な層状構造体は、同心の隣り合う円柱によって形成されても良い。さらに、伝統的な「スイスロール（Swiss Roll）」構造体を形成する螺旋巻き層を利用しても良い。機能的作業体積部を構成する互いに異なるＰＣＤ材料の層は、互いに異なる厚さのものであっても良く、等しい厚さのものであっても良い。しかしながら、機能的作業体積部は、少なくとも２つの物理的体積部で構成されるのが良い。幅が約５ｍｍ以下である寸法を有する機能的作業体積部の予想される実際の且つ代表的なサイズに起因して、このことは、物理的体積部相互間の少なくとも１つの境界部が機能的作業体積部中に延びるようにするために、任意の層の最大厚さが５ｍｍ未満であるのが良いことを示唆している。この一般的な組をなす実施形態から利益を得るためには、層の厚さは、数個又はそれ以上の物理的体積部又は層が機能的作業体積部中に延びるようになっているものであるのが良い。しかしながら、巨視的特性を示す材料の層を作るためには、層の厚さは、ＰＣＤ材料の平均結晶粒度の１０倍を超えるべきである。このことは、ＰＣＤ材料層の最小の実際の厚さがＰＣＤ材料の平均結晶粒度の約１０倍であることを示唆している。
【００９７】
機能的作業体積部が２つ以上の突起隆起部又はリップをもたらして自己鋭利化効果を生じさせる互いに異なる耐摩耗性のＰＣＤ材料の交互に位置する層を有する自立型ＰＣＤ本体は、本発明の幾つかの実施形態を構成する。
【００９８】
上述すると共に参照文献１及び２に記載されているように、材料の所要の金属成分が提供されていて、ダイヤモンド粉末の尺度でダイヤモンド開始粒状粉末と関連したＰＣＤ材料だけで作られたＰＣＤ本体は、金属が硬質基体本体からの長い範囲の溶浸によって提供される従来の先行技術と比較して、広げられた範囲の組成及び構造を有する。具体的に説明すると、かかる本発明のＰＣＤ本体のダイヤモンド結晶粒度は、ＰＣＤ材料の耐摩耗性を損なわないで、金属の金属含有量と元素組成の両方とは別個独立に選択されるのが良い。これを本発明において利用するため、異種ＰＣＤ材料の状態で交互に位置する多くの物理的体積部は、機能的作業体積部を構成することができる。このように、次第に発生する摩耗傷跡を異種ＰＣＤ材料の交互に位置する層相互間の境界部と交差させるのが良い。互いに異なるＰＣＤ材料の交互に位置する層は、硬質基体に結合されたＰＣＤという先行技術との関連ではあるが、スモールマン、アディア及びライ・サン名義の参照文献９に教示されている。異種ＰＣＤ材料の交互に位置する層の厚さは、主要な境界部が発生する摩耗傷跡と交差するが、層相互間の応力が高すぎる状態になる極めて薄い層の発生を回避するよう選択されるのが良い。交互に位置する層の厚さは、ＰＣＤ材料の平均結晶粒度の１０倍を超える場合がある。交互に位置する層相互間の境界部は、任意の選択された角度で発生中の摩耗傷跡表面と交差する場合がある。
【００９９】
有用な実施形態の特定の群は、直円柱の全体的ＰＣＤ本体形状を利用している。これら実施形態の機能作業体積部の遠位末端は、多くの場合、直円柱の１つの円周方向エッジの一部である。これら実施形態の部分群は、機能的作業体積部が多数の交互に位置する層状の物理的体積部で構成されるようなものであるのが良い。これら層は、直径方向に位置し且つ円筒形ＰＣＤ本体の平坦な円形端部に平行であっても良く、軸方向に配置されていても良い。幾つかの軸方向構造体は、交互に位置する同心リング及び軸方向螺旋体（例えば、「スイスロール」）を含む。層状構造体は、自立型ＰＣＤ本体の全体積部を占めるのが良く、それにより、機能的支持体積部を含むことができる。
【０１００】
硬質金属基体に取り付けられたＰＣＤ材料層を含む従来型岩石除去要素に適用される先行技術は、まず最初に岩石フェースに利用されるＰＣＤの幾何学的形状を改変するチャンファ構造の利点と関連した多くの特許文献及び教示を含む。特に注目すべきであるのは、国際公開第２００８／１０２３２４号パンフレット（参照文献５）及び同第２０１１／０４１６９３号パンフレット（参照文献６）の教示であり、これら特許文献には、４つの形式のチャンファの組み合わせを利用した場合の利点が説明されると共に開示されている。本発明の文言に関し、これらチャンファ構造は、機能的作業体積部の遠位末端及び自由表面の改造例であり、この場合、遠位末端は、エッジから成る。遠位末端を形成するエッジは、真っ直ぐであっても良く、湾曲していても良い。
【０１０１】
本発明の実施形態に適用されるチャンファの互いに異なる形式の例が図２０に定められると共に図示されている。これらの例は、ブレークインチャンファ２００４、先導チャンファ２００３、ランディングチャンファ２００５、及び後続チャンファ２００６である。例示目的で、この図は、全体的ＰＣＤ本体の形状が互いに異なるＰＣＤ材料の２つの物理的体積部２００１（ＰＣＤ１），２００２（ＰＣＤ２）を有する直円柱である。図２０は、岩石フェース２００９を機械加工するよう傾けられた直円柱形岩石除去要素のエッジの断面を示している。体積部ＰＣＤ１は、直円柱の１つの辺の直径を横切る層として延び、かかる体積部は、使用中に定められた機能的作業体積部を完全に包囲するものと考えられる。寿命の終わりにおける使用後、機能的支持体積部である残存材料は、２００１（ＰＣＤ１）及び２００２（ＰＣＤ２）の大部分を構成することになる。
【０１０２】
図２０を参照すると、唯一のチャンファが存在するとして、ブレークインチャンファ２００４は、直円柱の平坦な円形頂部フェースと円筒形側面又は胴との間のコーナー部のところに形成される。このチャンファは、岩石除去プロセスの開始時における岩石除去要素の摩耗進展のブレークイン段階中、ＰＣＤ層のチッピングを阻止するのに役立つ。ＰＣＤ本体がまず最初に岩石に接触するとき、機能的作業体積部の遠位末端は、チャンファ表面と円筒形胴表面との間の円周方向エッジ２００８の一部である。このチャンファが存在しない場合、岩石除去要素（又は、機能的作業体積部の遠位末端）と岩石との接触箇所は、９０°の夾角をなして鋭利である。鋭利なコーナー部のところの局所化応力集中は、高いので、ＰＣＤ本体のエッジのチッピングを生じさせる恐れがある。ブレークインチャンファは、岩石との接触箇所のところで作業体積部の遠位末端のところでの夾角を増大させるのに役立ち、それにより応力集中が軽減される。かかるブレークインチャンファは、岩石除去要素に関する業界標準であり、代表的には、円形の平坦な表面及び更に直円柱の円筒形側面又は胴に対して４５°の角度をなす。ブレークインチャンファのサイズは、小さなサイズのチャンファと大きなサイズのチャンファがそれぞれ硬い状態から軟らかい状態までの岩石について選択される場合、岩石の予想硬度に関して選択されるのが良い。代表的なチャンファサイズは、円形の平坦な表面から円筒形胴表面を備えたチャンファのエッジまで延びる深さが硬い岩石については約０．３ｍｍであり、軟らかい岩石地層については０．５ｍｍを超えるようなものである。機能的作業体積部の遠位末端がエッジであり、機能的作業体積部の自由表面がブレークインチャンファを含む自立型ＰＣＤ本体は、幾つかの実施形態の一特徴の一例であると言って良い。
【０１０３】
他のチャンファ、即ち先導チャンファ、ランディングチャンファ及び後続チャンファは、基準としてブレークインチャンファと共に定められ、大抵の場合、ブレークインチャンファと組み合わせて使用されるのが良い。本明細書において定められる種々のチャンファは、各々、自立型ＰＣＤ岩石除去要素の寿命の間、機能的作業体積部の漸次摩耗の種々の段階で岩石除去要素の寿命中、異なる役割を果たす。
【０１０４】
存在する唯一のチャンファがブレークインチャンファである場合、摩耗傷跡のところで、このチャンファは、摩耗のブレークイン段階中に迅速に摩耗し、それにより、岩石除去要素の摩耗傷跡と頂部の円形の平坦なフェースとの間のエッジは、再び鋭利な状態になる。鋭利な新たなエッジには、この場合も又、チッピングの恐れがある。かくして、ブレークインチャンファは、摩耗のブレークイン段階中、制限された機能を実行するに過ぎない。というのは、このブレークインチャンファは、摩耗傷跡が進むにつれて迅速に摩耗するからである。先導チャンファは、この問題を軽減するよう設計されている。先導チャンファ２００３は、ブレークインチャンファ２００４の頂部コーナー部から始まって岩石除去要素の頂部フェースに沿って形成されると共に図２０の円柱の平坦な円形フェースと浅い角度ｂをなす。この浅い角度ｂは、代表的には、約１０°から約２５°の範囲にある。先導チャンファ２００３は、ブレークインチャンファが摩耗したとき、摩耗傷跡が進展しているときに岩石除去要素の先導フェースと摩耗傷跡とのなす夾角を増大させることによって新たに形成された鋭利なコーナー部のところの応力を減少させるのに役立つ。夾角の増大は又、ＰＣＤ本体と岩石の接触箇所を圧縮状態に保つのに役立ち、それによりもしそうでなければ結果としてＰＣＤ本体のチッピング又はスポーリングを生じさせる亀裂の伝搬を阻止する。先導チャンファ２００３は、比較的長く、代表的には、円筒形ＰＣＤ本体の直径の約１／３〜１／２までである。先導チャンファの長さが長いので、先導チャンファは、アクティブなままであり、そして寿命のほとんどであるＰＣＤ岩石除去本体の寿命の摩耗の定常段階中、ＰＣＤのチッピングを軽減する。
【０１０５】
ブレークインチャンファだけが用いられる場合には別の問題が生じる。というのは、摩耗傷跡に向いてこれを観察したときに鋭利なコーナー部が摩耗傷跡の側方端部のところに生じるからである。これら鋭利なコーナー部は、亀裂を発生させる傾向があり、かかる亀裂は、伝搬してＰＣＤ本体のスポーリングを生じさせる恐れがある。いわゆるランディングチャンファが摩耗傷跡コーナー部のところの応力集中を軽減する。ランディングチャンファ２００５は、ブレークインチャンファ２００４の底部エッジのところに生じ、このランディングチャンファは、これが図２０では、岩石フェース２００９と同一である水平となす角度が岩石フェースに対する全体的ＰＣＤ本体のレーキ角度ｃに等しいように選択される。機能的作業体積部２００８の遠位末端は、ブレークインチャンファ２００４とランディングチャンファ２００５との間のエッジであり、この遠位末端は、岩石除去要素又は本体が岩石に接触するやいなや作用し始める。この遠位末端は、摩耗の初期段階において、摩耗傷跡のコーナー部を丸くする機能を実行し、それにより、応力集中が摩耗傷跡のコーナー部のところに生じるのを阻止する。このチャンファは、長さがブレークインチャンファよりも短く、代表的には、直径が０．１〜０．３ｍｍオーダのものである。
【０１０６】
摩耗傷跡が大きくなると、全体的ＰＣＤ本体の後続円筒形表面又は胴とのその交差位置は、鋭利なエッジを形成し、この鋭利なエッジは、岩石除去本体と岩石フェースの摩擦力及び互いに逆向きの相対運動に起因して、高い軸方向引張応力の場所でもある。この状況により、摩耗傷跡の後続エッジのところに局所チッピングが生じる場合がある。この問題は、後続チャンファを提供することによって軽減される。後続チャンファ２００６は、ランディングチャンファ２００５（又は、ランディングチャンファ２００５が用いられない場合、ブレークインチャンファ２００４）の後続エッジのところに浅い角度をなして形成され、この後続チャンファは、円筒形ＰＣＤ本体の胴に沿って比較的長い距離にわたって延びる。後続チャンファ２００６が直円柱の胴となす角度ｄは、代表的には１０°〜２０°である。
【０１０７】
必要に応じて、上述した先導チャンファ、ランディングチャンファ及び後続チャンファのうちの任意の１つをブレークインチャンファと共に個々に用いることができ又はこれらチャンファのうちの２つ又は３つをブレークインチャンファと組み合わせることができる。機能的作業体積部の自由表面がブレークインチャンファ及び先導チャンファ、ランディングチャンファ及び後続チャンファの任意の組み合わせを含む自立型ＰＣＤ本体は、幾つかの実施形態の一特徴である。特に有用な組をなす実施形態が４つ全ての形式のチャンファを用いる。
【０１０８】
自立型直円柱は、多くのチャンファ構造体の使用及びこれらの利点を定めると共に例示するよう上述したように用いられる。類推により、上記において定められたチャンファの形式は、より一般的な実施形態に適用されると共に利用でき、機能的作業体積部の遠位末端は、エッジから成り、このエッジは、真っ直ぐであり又は湾曲している。
【０１０９】
上述したように、機能的作業体積部の自由表面のところのチャンファ構造体は、機能的作業体積部のブレークイン及び定常摩耗段階中、望ましくないチッピング及びスポーリングの軽減を可能にする。実験的に見受けられる「面取り効果」とも関連している別のチッピング及びスポーリングの軽減方法は、金属成分を機能的作業体積部の自由表面から制限された深さまで実質的に除去し又は減少させることである。これは、当該技術分野において十分に確立されている金属を溶解させることができる酸の組み合わせを含む溶出手順によって実施できる。かかる溶出手順により生じる金属減少層は、機能的作業体積部全体又はその一部の自由表面から延びるのが良い。主として大きな硬質金属基体に非対称に取り付けられたＰＣＤ材料の層を有する本体と関連している先行技術では、化学的溶出剤を覆い又は化学的溶出剤が硬質金属基体の自由表面を攻撃するのを阻止することが必要である。実施形態は、ＰＣＤ材料だけで作られた自立型ＰＣＤ本体に関するが、マスキングは、必要ではない場合がある。というのは、好都合には、機能的作業体積部の自由表面のところの金属の減少又は除去は、自立型ＰＣＤ本体の自由表面全体を溶出剤にさらすことによって達成できるからである。
【０１１０】
自立型ＰＣＤ本体の幾つかの部分を溶出酸及び化学薬剤から保護する「マスキング」材料及び／又は装置の必要性は、可能ではあるけれども、必要とされない場合がある。しかしながら、自立型ＰＣＤ本体の自由表面の選択された部分の溶出は、オプションである。実際には、選択された層中の金属含有量の金属の全てを完全に除去することは技術的に不可能である。というのは、僅かな金属プール又は混入部が再結晶化ダイヤモンドによって完全に包囲されて連続金属ネットワークから隔離される場合があるからである。幾分かの残留金属が金属減少層中で常時検出可能である。しかしながら、溶出手順が選択された層深さからできるだけ多くの金属を除去して金属減少がその深さにおいて全てに達するようにすることが好ましく且つ有利である。
【０１１１】
金属が例えば化学溶出のようなプロセスによってＰＣＤ材料から実質的に除去されると、材料の性質が著しく変えられる。摩耗挙動は、今や、代表的には、非溶出ＰＣＤ材料に特有の僅かなスケールの亀裂伝搬及び合体とは対照的に、結晶粒ごとの除去プロセスが主要な部分を占めた状態で起こることが考えられる。この前者の機構は、「滑らかな摩耗」と呼ばれ、典型的には、開始非溶出ＰＣＤ材料と比較して、溶出後のＰＣＤ材料の耐摩耗性の低下である。この結果、使用にあたり、機能的作業体積部が次第に摩耗しているときに溶出層と非溶出層との間の境界部が摩耗傷跡のない表面と交差すると、岩石除去要素の先導エッジは、「丸く」なって、陸のようなチャンファを形成する。溶出層が機能的作業体積部の全体的自由表面から延びるので、先導エッジのこの丸くなること及び面取りをすることが機能的作業体積部の漸次摩耗と共に、即ち、漸次増大する摩耗傷跡表面と共に順次続くことになる。この作用効果の有利な利点は、局所応力集中が僅かに広い領域にわたって広がり、その結果、ＰＣＤエッジの早期チッピングが阻止されるよう先導エッジが十分に「鈍くなる」ことにある。この望ましい連続「自己面取り効果」は、９０マイクロメートル未満の溶出深さについて効率的な仕方で起こることが観察された。具体的に説明すると、減少金属のかかる制限された深さの利用は、極めて高い耐摩耗性のＰＣＤ材料が用いられる場合に有利である。高い耐摩耗性のＰＣＤ材料は、正にこれらの性状によって、摩耗傷跡の遅い発生速度を呈するが、これらＰＣＤ材料が代表的には比較的硬質なＰＣＤ材料なので、特にチッピングを生じやすい。非常に高い耐摩耗性のＰＣＤ材料が用いられる場合、摩耗傷跡の先導エッジは、極めて鋭利なままである傾向がある。これにより、多くの場合、結果として容易にチッピングを生じる極めて鋭利な先導エッジのところに極めて高い局所応力集中が生じる。ＰＣＤ材料の溶出層の滑らかな摩耗挙動は、丸形先導エッジを連続的に形成することによってこれを阻止することができる。高い耐摩耗性のＰＣＤ材料は、例えば平均ダイヤモンド結晶粒度が１０マイクロメートル未満である場合、細かいダイヤモンド結晶粒度と関連している。ＰＣＤ材料中の金属が減少するＰＣＤ材料の溶出層が、全体として又は部分的に機能的作業体積部の自由表面に少なくとも隣接したところに近づき、それにより、機能的作業体積部が次第に摩耗しているときに摩耗傷跡の連続丸形先導エッジを提供することができるということは、幾つかの実施形態の一特徴である。
【０１１２】
この連続自己面取り効果は、機能的作業体積部の自由表面から延びる任意の選択された深さの溶出層全てについて起こることになる。しかしながら、或る特定の深さを超え、典型的には、９０マイクロメートルを超える溶出層は、摩耗傷跡中に突出した「剪断リップ」の形成を生じさせることが観察された。図２１は、溶出層の存在に起因した剪断リップの形成を図示すると共に説明するために用いられる。この図は、自立型ＰＣＤ本体の全体としての機能的作業体積部２１０１の漸次摩耗により生じる摩耗傷跡２１０２の断面を概略的に示しており、溶出ＰＣＤ材料２１０４と非溶出ＰＣＤ材料２１０５との間の境界部２１０３は、摩耗傷跡表面２１０２と交差する。代表的には、剪断リップ２１０６は、先導エッジ２１０７のところで摩耗傷跡２１０２中の突出隆起部として生じ、この突出隆起部は、全体として摩耗傷跡表面２１０２から盛り上がっている。剪断リップ２１０６は、ＰＣＤ材料の平均結晶粒度の２〜５倍の高さまで摩耗傷跡表面２１０２から盛り上がっていることが観察された。剪断リップ２１０６は、岩石剪断及び破断効率を向上させる力の集中を広い摩耗傷跡領域中にもたらす。これは、これにより摩耗瘢痕が大きい場合、岩石掘削中の侵入速度が潜在的に保たれるという点で幾つかの実施形態では特に有用である。かかる剪断リップ２１０６は、溶出ＰＣＤ材料２１０４と非溶出ＰＣＤ材料２１０５との間の境界部２１０３の真上でＰＣＤ溶出層２１０４中の摩耗傷跡表面２１０２で起こることが観察された。摩耗傷跡２１０２中の突出剪断リップ２１０６は、剪断リップを具体化する溶出ＰＣＤ材料２１０４が使用の際に局所応力及び温度条件によって改変されてこの真下の非溶出ＰＣＤ材料２１０５よりも高い耐摩耗性を有するので、生じる。しかしながら、リップの材料を作業体積部の頂部の先導エッジ自由表面２１０９から隔てるリップの真上の溶出材料２１０８は、改変されないままであり、耐摩耗性が改善されない。剪断リップを具体化した材料を機能的作業体積部の自由表面２１０９から隔てる溶出材料２１０８は、変えられないままであってその低い耐摩耗性を有し、依然として、連続自己面取り効果を提供し、それにより先導位置２１０７が図示のように丸形になる。知られているように、適当な大きさの応力及び温度の組み合わせのもとにおいて、ダイヤモンドは、相当な塑性変形を示す場合があり、それにより「加工硬化」が生じ、その結果、耐摩耗性が高くなる。ダイヤモンドのこの挙動は、科学技術文献、例えばシー・エー・ブルックス及びイー・ジェイ・ブルックスの参照文献１０及び１１に報告されると共に教示されている。ダイヤモンドの塑性変形が起こることが可能な報告されている温度は、約７５０℃以上であり、必要な応力は、温度がこのしきい値を超えて高くなると、減少する。しかしながら、かかる温度条件は、典型的な焼結、再結晶化促進金属の存在により通常のＰＣＤ材料の熱的劣化を引き起こすのに足るほど高いことが知られている。技術文献であるエル・イー・ヒッブス及びエム・リーの参照文献１２は、実験により、通常のコバルト金属含有量を含む代表的なＰＣＤ材料に関する温度データの関数として実験的に定められた硬度において約７５０℃でのビッカース硬度の減少率の勾配の著しい変化及びかかる減少率の増大を示している。７５０℃を超えた場合のビッカース硬度の減少率のこの増大は、コバルト金属の存在に起因したＰＣＤの熱的劣化プロセスと関連するものであった。これら条件により、不可避的に、非溶出ＰＣＤ材料の耐摩耗性の減少が生じる。しかしながら、溶出ＰＣＤ材料は、金属含有量の大幅な減少により、非溶出ＰＣＤ材料と比較して著しく向上した熱的安定性を呈する。溶出層中の金属の減少により、ダイヤモンドは、熱的劣化効果がそれほど大きく作用することなく、高温に耐えることができる。高い応力と高い温度の組み合わせに対する溶出層中のダイヤモンドの主要な応答は、この場合、広がった格子欠陥、例えば転位及びこれらの「堆積」相互作用の発生であり、その結果、高い加工硬化度が生じると共にそれに付随して耐摩耗性の大幅な向上が得られる。かくして、図２１に示されているように、溶出ＰＣＤ材料２１０４と非溶出ＰＣＤ材料２１０５との間の境界部２１０３が自由摩耗傷跡表面２１０２と交差する場合、摩耗傷跡表面の知覚に位置する境界部２１０３の直ぐ上の溶出ＰＣＤ材料は、境界部２１０３の下に位置する非溶出ＰＣＤ材料２１０５よりも高い耐摩耗性を有する。境界部と摩耗傷跡の交差部の近くに位置する場所の耐摩耗性のこの差により、境界部の直ぐ上の突出剪断リップの形成が得られる。剪断リップの発生のためのこの機構は、機能的作業体積部が摩耗しているときに摩耗傷跡の一般的な進展と歩調を合わせて次第に起こる場合がある。その結果、連続し且つ望ましい自己鋭利化挙動が生じる。この挙動は、剪断リップの存在により、任意所与の摩耗瘢痕サイズでの効率的な岩石除去が得られるようビットに加わる所要の荷重が減少するので、望ましい。かくして、摩耗傷跡がＰＣＤ岩石除去本体の寿命の終わりに向かって大きくなると、侵入率を維持するためのビットに加わる過剰の荷重要件が軽減されると共に相殺される。一般に、金属が減少した表面から延びるＰＣＤ材料の層の存在により、この層と非溶出ＰＣＤ材料との間の境界部が使用の際に、摩耗傷跡表面と交差する場合、機能的作業体積部の漸次摩耗中、突出剪断リップの形成が可能である。
【０１１３】
岩石除去にかかわるＰＣＤ材料への摩耗傷跡形成の温度モデル化は、摩耗傷跡表面の直ぐ後ろの温度がＰＣＤ本体の先導自由表面に垂直な摩耗傷跡に沿い距離の関数として最大値を通過することを指示している（ブイ・プラカシュの参照文献１３）。代表的には、この温度最大値は、約２００〜５００マイクロメートルの深さで生じる。したがって、好ましい実施形態は、溶出ＰＣＤ材料と非溶出ＰＣＤ材料との間の境界部がこの温度最大値の摩耗傷跡に沿う位置の近くに位置するようなものである。このことから示唆されるように、特定のＰＣＤ材料及び岩石除去要素の適用の特定の条件に関し、剪断リップ形成を最も良く利用するのに必要な最適溶出深さが存在することにある。
【０１１４】
機能的作業体積部中のＰＣＤ材料の耐摩耗性が高く、例えば、平均ダイヤモンド結晶粒度が１０マイクロメートル未満であるような場合、剪断リップ形成のための最適溶出深さは、９０マイクロメートルを超え且つ２５０マイクロメートル未満の範囲内にあることが判明した。この範囲内の溶出深さでは、剪断リップは、摩耗傷跡が依然として小さい場合、自立型ＰＣＤ岩石除去要素の寿命中で早期に生じる。機能的作業体積部中のＰＣＤ材料の平均ダイヤモンド結晶粒度が１０マイクロメートルを超える場合、耐摩耗性は、代表的には、機能的作業体積部が上述の場合よりも迅速に摩耗することができるようなものである。かかる場合、剪断リップ形成のための最適溶出深さは、代表的には、９０マイクロメートルを超え且つ１０００マイクロメートル未満の範囲内にあることが判明している。溶出深さの範囲のこの拡張により、これらの場合により迅速に生じる場合が多い広い摩耗傷跡領域についてのリップ形成を見込んでいる。剪断リップ形成が起こる溶出深さのあらゆる場合において、剪断リップと機能的作業体積部の自由表面との間の剪断リップの直ぐ上に位置する溶出材料は、改質されるほど高い局所応力及び温度条件を受けることはなく、かくして非改変溶出ＰＣＤ材料に特有の初期の低い耐摩耗性を保つ。したがって、この材料の自己面取り挙動は、常時存在する。
【０１１５】
互いに異なるＰＣＤ材料の層が互いに異なる耐摩耗性を有していることに起因してチャンファ構造が剪断リップ形成を促進することができるということが国際公開第２０１１／０４１６９３号明細書（参照文献６）において実際に観察されて教示されている。これは、剪断リップ形成を容易にする先導エッジのところに加わる適当な応力を生じさせるチャンファ構造に起因している。具体的に説明すると、先導エッジチャンファと後続エッジチャンファの組み合わせは、リップ形成を促進する。
【０１１６】
したがって、一般に、所望の剪断リップ形成を生じさせることができる３つの状況が存在する。耐摩耗性に差のある互いに異なるＰＣＤ材料の層、機能的作業体積部の自由平面に隣接して位置する金属減少溶出ＰＣＤ材料の層、及び初期チャンファ構造がそれぞれ存在する。これらの状況は、剪断リップ形成から恩恵を受けるために別個独立に又は任意の組み合わせで利用できる。
【０１１７】
一般に、剪断リップは、境を接し且つ隣接して位置する局所領域に対する促進されると共に高い耐摩耗性の局所領域に起因して生じる。摩耗の一般的機構は、亀裂発生開始、亀裂伝搬及びダイヤモンド結晶粒度の尺度に関連付けられた合体を含む。ダイヤモンドは、単一の結晶粒及び／又は僅かな個数の結晶粒の群又はクラスタとして摩耗傷跡のところで除去される。この結果、摩耗傷跡の全体的表面よりも上方に、局所的に剪断リップを形成する向上した耐摩耗性を有するＰＣＤ材料の平均結晶粒度の代表的には２〜５倍の剪断リップの代表的な突出高さが生じる。突出剪断リップが機能的体積部の漸次摩耗中に摩耗傷跡のところに生じ、そして局所的な耐摩耗性の高い層のＰＣＤ材料の平均結晶粒度の２〜５倍の範囲内の高さまで摩耗傷跡表面から盛り上がっていることが、幾つかの実施形態の一特徴である。
【０１１８】
本発明の種々の実施形態からの選択は、「天然岩石」を除去することが必要である用途向けのハウジング本体にまとめて取り付けられ又はハウジング本体中に挿入されるよう行われるのが良い。「天然岩石」という用語は、あらゆる地質学的岩石地層及び種類、例えば石灰岩、砂岩、火成岩、沖積鉱床等を含む。種々のサイズ、形状及び岩石除去モード挙動の意図した混合物の自立型ＰＣＤ本体をハウジング本体に組み付けると共に取り付けるのが良く、その結果、これらの相対位置及び岩石への提供手段は、ハウジング本体の効率的な全体的岩石除去性能を生じさせる協働的且つ支持的挙動を許容するようになっている。上述したように、主要な岩石除去モードが岩石剪断である地下岩石掘削向きのハウジング本体形式は、いわゆるドラグビットであり、その一例が図３に示されている。ここでは、機能的体積部の遠位末端がエッジ及び／又は丸形頂点を有する実施形態が適切な場合がある。例えば、機能作業体積部の遠位末端が１つの湾曲した円周方向エッジの一部である直角柱形の全体的形状を利用した実施形態をドラグビットハウジング本体内の多くの半径方向位置に取り付け又は挿入することができる。全体的チゼル形状により形成される機能的作業体積部を備えた実施形態は、少ない半径方向位置で適切に取り付け又は挿入される。
【０１１９】
上述したように、主要な岩石除去モードが岩石破砕である地下岩石掘削向きのハウジング本体形式は、いわゆるローラーコーンビットであり、その一例が図５に示されている。この場合、機能的体積部の遠位末端が凸状の湾曲表面を有する実施形態が適している場合がある。例えば、かかる実施形態は、機能的作業体積部の遠位末端が半球形表面の中心であり、この半球形からの直角柱形延長部が円錐形ローラー内に挿入され又はこれに取り付けられる一端が半球形の直角柱を利用している。
【０１２０】
地下岩石掘削とは対照的に、除去された岩石が所望の元素を取り出すことができる元となる特定の鉱物を含む採鉱用途が岩石除去と関連している。したがって、除去された天然岩石を含む鉱物は、保持されて抽出現場まで運搬される。これら用途におけるハウジング本体は、特定の鉱物を含む岩石が効率的に除去されて保持されるよう設計されている。代表的には、ＰＣＤ岩石除去本体又は要素は、特定の鉱物堆積幾何学的形状又は地層に関して組織化されたハウジング本体の延長部であるいわゆるピック本体に取り付けられる。岩石除去要素として自立型ＰＣＤ本体を用いて採鉱できる鉱物の例は、石炭、金含有岩石及び一般に抽出可能な金属を含む鉱物である。
【０１２１】
一般的建築用途では、天然及び合成岩石材料を穿孔し、形作り、機械加工し又は表面仕上げすることが必要である。この後者の材料は、建築及び建造業界におけるコンクリート及びブロック、道路建設及び保守業界ではコンクリート、タールマカダム及び道路表面仕上げ材料一般を含む。岩石除去のための自立型ＰＣＤ本体は、かかる目的のために用いられる種々のハウジング本体に取り付けられると共に／或いはこれに挿入された状態で利用できる。
【０１２２】
自立型ＰＣＤ本体が種々のハウジング本体設計例内に協働的に且つ支持的に配置される上述の用途の任意のもの又は全ては、最大寸法の１／３までの高い露出率の自立型ＰＣＤ岩石除去要素がハウジング本体の自由表面から盛り上がっている特徴を利用するのが良い。
【０１２３】
製造中、異種材料本体又は基体には取り付けられない自立型ＰＣＤ本体を製造する一般的な方法が米国特許出願第６１／５７８７３４号明細書（参照文献２）に教示されている。ＰＣＤ本体は、各々が、特定の平均結晶粒度及び粒度分布の内部成長ダイヤモンド結晶粒と、特定の原子組成の個別的にあらかじめ選択された相互侵入金属ネットワークと、別個独立にあらかじめ選択された全体的な金属とダイヤモンドの比とのあらかじめ選択された組み合わせを含む１つ又は２つ以上の物理的体積部を有する。この一般的な方法の幾つかの主要な観点は、
ａ）各物理的体積部について組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の塊状体を形成するステップを含み、塊状体は、部分ダイヤモンド再結晶化を介するダイヤモンド粒子と粒子の結合に必要な唯一の金属源であり、
ｂ）ダイヤモンド粒子と金属材料の各塊状体を圧密化してあらかじめ選択されたサイズ及び３次元形状の別々の凝集性未焼結本体を生じさせ、該未焼結本体を全体的凝集性未焼結本体に組み合わせ又はその後各凝集体を圧密化してあらかじめ選択されたサイズ及び３次元形状の全体的凝集性未焼結本体を生じさせるステップを含み、
ｃ）全体的未焼結本体に高圧及び高温条件を与え、金属材料が全体的に又は部分的に溶融状態になり、そしてダイヤモンド粒子と粒子の結合を容易にするようになっているステップを含む。
【０１２４】
組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の１つ又は複数の塊状体は、好都合には、ダイヤモンド粉末を粉砕してこれらダイヤモンド粉末と固体金属粉末を混合して均一組み合わせを作ることによって形成されるのが良い。１つ又は２つ以上の元素金属粉末を用いることができる。あらかじめ合金化された金属粉末も又使用できる。通常、粉砕及び混合手順に続いて、真空又は気体還元環境内での適当な熱処理を行って塊状体を精製することが必要である。具体的に説明すると、代表的にはダイヤモンド粒子表面を末端基化する酸化物及び酸素を主成分とする化学種に関して塊状体を精製することが重要である。水素、不活性ガス環境内での熱処理は、この点に関し特に有用であると言える。
【０１２５】
変形例として、組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の１つ又は複数の塊状体を製造する手段は、金属について前駆物質化合物を用いることである。かかる前駆物質化合物を用いた場合の一般的な利点は、かかる前駆物質化合物の多くが容易に熱で解離され又は還元されて細かく分割され且つ純粋な金属が形成されるということにある。このように金属について前駆物質化合物を用いることにより、特に１０ミクロン未満の極めて細かい平均結晶粒度のダイヤモンド粉末が必要な場合、ダイヤモンドと金属粒子の組み合わせの優れた均質性の実現が可能である。組み合わせ状態のダイヤモンド粉末と金属材料の１つ又は複数の塊状体は、ダイヤモンド粒子を機械的に粉砕すると共にこれらダイヤモンド粒子を金属についての１種類又は２種類以上の前駆物質化合物固体粉末を混合し、次に適当な熱処理により１種類又は複数種類の前駆物質化合物を金属状態に適当に変換し又は解離させることによって形成されるのが良い。この場合も又、真空又は気体還元環境内における熱処理を利用するのが良い。
【０１２６】
参照文献１及び２で教示されたダイヤモンド粒子と前駆物質化合物を組み合わせる特定の方法では、ダイヤモンド粉末を液体媒体中に懸濁させ、１種類または２種類以上の前駆物質化合物を懸濁液媒体中で結晶化する。最も都合が良く且つ一般的に有用な液体媒体は、純粋及び／又は純アルコールである。この方法は、反応体化合物の溶液をダイヤモンド粒子懸濁液に制御された状態で添加することによって実施されるのが良い。一般に、反応体化合物溶液のうちの少なくとも１つは、所望の１種類又は複数種類の金属を含む可溶性化合物を含む。例示の組をなすかかる水及び／又はアルコール可溶化合物は、金属窒化物塩である。これらの場合、有用な反応体溶液は、可溶性アルカリ金属塩、例えば炭酸ナトリウム、Ｎａ2ＣＯ3等のものであり、これら可溶性アルカリ金属塩は、これら金属のための不溶性前駆物質化合物、例えば金属炭酸塩として金属塩の結晶化及び沈殿を生じさせることができる。所望の金属に関する多くの有用な前駆物質化合物を生じさせるための多くの種々の化学反応プロトコルが米国特許出願第６１／５７８７３４号明細書（参照文献２）に教示されると共に開示されている。これら化学的プロトコルを参照により引用し、これら化学的プロトコルについての説明を本明細書の一部とし、更に、参照文献２を参照により引用し、その教示内容全体を本明細書の一部とする。別の観点は、前駆物質化合物が核となってダイヤモンド粒子表面にくっついた状態で成長し、その結果、ダイヤモンド粒子がかかる前駆物質化合物で装飾された状態になるということにある。適当な熱処理による前駆物質化合物の還元又は解離時、ダイヤモンド粒子表面は、特定の量の特別に選択された金属材料で装飾された状態になる。ダイヤモンド表面に取り付けられた金属粒子は、ダイヤモンド粒子のサイズよりも小さい。これにより、ダイヤモンド粒子と金属材料の組み合わせ状態の塊状体中のほぼ完全に一様な分布を生じさせることができ、それにより、最終のＰＣＤ材料中の高い空間組成均一度が得られるという顕著な利点を提供することができる。
【０１２７】
組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の精製された乾燥塊状体は、あらかじめ選択されたサイズ及び３次元形状の凝集性で且つ半高密度のいわゆる「未焼結本体（グリーンボディ）」の状態の圧密化を必要とする。このサイズ及び３次元形状は、実施形態の全体的自立型ＰＣＤ本体のサイズ及び形状に適合し且つこれらをもたらすよう選択されるのが良い。凝集性の半高密度未焼結本体を形成する当該技術分野において知られている適当な粉末圧密化技術を利用することができる。これらは、設計された適当なサイズ及び形状のモールド中への一軸圧縮又は好ましくは低温又は高温等方性圧縮技術の使用を含む。等方圧縮技術は、次に生じる自立型ＰＣＤ本体中の良好な空間一様性をもたらす一軸圧縮と比較して、密度の空間一様性が著しく向上するので、好ましい。２つ又は３つ以上の物理的体積部が上述した実施形態のうちの任意のものにおいて必要な場合、ＰＣＤ材料は、組成及び構造が互いに異なるよう組織化されるのが良く、その結果、ＰＣＤ材料の性質の差を全体的ＰＣＤ本体の互いに異なる幾何学的位置で利用することができる。実施形態の多くは、互いに異なるＰＣＤ材料の互いに異なる物理的体積部を２つの機能的体積部、即ち、作業体積部及び支持体積部に関連させることに関している。上述の米国特許出願第６１／５７８７３４号明細書（参照文献２）に記載された組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の選択された塊状体を形成する方法は、実施形態の物理的体積部の各々を形成する考えられる方法である。例えば、物理的体積部の各々に関する組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の選択された塊状体は、凝集性の未焼結本体構造を形成するよう圧密化される。物理的体積部の各々のための未焼結本体構造は、互いに別個独立に圧密化され、次に互いに対して選択された幾何学的形状で組み合わされ、それにより各所望の実施形態について全体的な未焼結本体を形成することができる。
【０１２８】
次に、全体的未焼結本体に高い圧力及び高い温度条件を与え、その結果、金属材料が全体として又は部分的に溶融状態になり、そしてダイヤモンドの部分再結晶化によりダイヤモンド粒子間結合を容易にする。米国特許出願第６１／５７８７３４号明細書（参照文献２）を参照により引用し、かかる米国特許出願に教示されると共にクレーム請求されている高圧及び高温条件についての説明を本明細書の一部とし、かかる高圧及び高温条件は、一般に、それぞれ、５〜１０ＧＰａの圧力範囲及び１１００〜２５００℃の温度範囲にある。
【０１２９】
実際問題として、かかる高い圧力及び高い温度プロセスによって作られた任意の自立型ＰＣＤ本体は、最終の付形、寸法決め及び表面仕上げを必要とする。当該技術分野においては周知であるかかるプロセスの技術の任意のものを実施形態に適用してこれらを達成することができる。これら技術は、ダイヤモンドツール及び研磨材による研削及び研磨、放電加工及びレーザアブレーションを含む。かかる技術を用いて相当な量のＰＣＤ材料を除去して所望の形状、サイズ及び表面条件を達成することが必要な場合、相当多大で且つ望ましくないコストが必要となる場合がある。これは、高圧高温プロセスの実施後、結果として得られた自立型ＰＣＤ本体が所望のサイズ及び形状にニヤネット（near net）サイズ及び形状に関して近い場合に軽減される場合がある。自立型ＰＣＤ本体のためのニヤネットサイズ及び形状の可能性が米国特許出願第６１／５７８７２６号明細書（参照文献１）及び同第６１／５７８７３４号明細書（参照文献２）に開示されている。ニヤネットサイズ及び形状の属性の基準は、一様な空間収縮をもたらすことができる高密度且つ高圧高温反応チャンバ設計の一貫性及び均一性により未焼結本体構造を作ることができる圧密化技術を伴うダイヤモンド及び金属塊状体の高い度合いの一様性である。開示した製造方法を用いた実施形態は、これらの方式及び属性を利用して有利には、ニヤネットサイズ及び形状を備えた自立型ＰＣＤ本体を作ることができる。具体的に説明すると、ダイヤモンド粒子と金属の検出組み合わせの粒子塊状体をもたらすダイヤモンド粒子と金属のための前駆物質化合物を組み合わせる懸濁方法を均一の未焼結本体構造を作る等方圧縮技術を組み合わせることにより、ニヤネットサイズ及び形状の機会が得られる。
【０１３０】
かかるダイヤモンド再結晶化のための全体として好ましい金属材料は、鉄、ニッケル、コバルト、マンガンの位置組み合わせ又は任意の順列又は合金化組み合わせである。具体的に説明すると、コバルトは、優れた性質のＰＣＤ材料を形成するために使用される場合が多い。
【０１３１】
自立型ＰＣＤ本体の金属組成のための多種多様な前駆物質化合物の中の１つは、イオン性塩である。粉砕されると共にダイヤモンド粒子と混合された固体粉末又は液体媒体ダイヤモンド粒子懸濁液中に生じた不溶性化合物として用いられる前駆物質化合物のこの群は、使用するのに特に有用且つ好都合であると言える。
【０１３２】
例えば、金属炭酸塩は、１種類又は複数種類の前駆物質化合物として使用できる。というのは、これらイオン性塩は、極めて容易に解離されて純粋な細かく分割された金属になるからである。
【０１３３】
次に、本発明を限定するものではない以下の実施例を参照して幾つかの実施形態について詳細に説明する。以下の実施例は、上述の実施形態と関連して細部を更に提供する。
【０１３４】
実施例１
【０１３５】
ＰＣＤ材料だけで作られた自立型本体を製造した。図２２は、主として岩石剪断作用が必要とされるドラグビットでの使用向きのこの特定の例示の実施形態の概略断面図２２０１である。この実施形態を次のように特徴付けると共に特定した。
【０１３６】
各本体の全体的形状は、１６ｍｍの仕上げ直径及び２４ｍｍの仕上げ高さの直円柱であった。上記において本明細書中に提供した本体のアスペクト比を表現する規定された方法を用いると、これら本体のアスペクト比は、１．５であった。
【０１３７】
各円筒形本体の１つの円周方向エッジを改造して図２２に示されているように４つのチャンファ、即ち、ブレークインチャンファ２２０３、先導チャンファ２２０２、ランディングチャンファ２２０４及び後続チャンファ２２０５を形成した。円筒形本体の頂部の平坦な円形自由基準表面及び円筒形の胴自由基準表面に関する４つのチャンファの仕様が図２２に提供されている。本体の頂部の平坦な円形自由表面と２０°の角度をなす先導チャンファ２２０２は、６ｍｍの半径のところで、即ち、円筒形胴の基準位置から２ｍｍのところで測る頂部の平坦な円形自由表面と交差した。後続チャンファ２２０５は、基準円筒形胴自由表面と１０°の角度をなした。先導チャンファは、頂部自由基準表面から垂直方向下に０．４５ｍｍの位置のところでエッジでブレークインチャンファ２２０３と交差した。ブレークインチャンファ２２０３は、平坦な頂部自由基準表面から垂直方向下に０．７３ｍｍのところでランディングチャンファ２２０４と交差し、ランディングチャンファ２２０４は、平坦な頂部自由基準表面から垂直方向下に１．１１ｍｍのところで後続チャンファ２２０５と交差した。
【０１３８】
これら本体２２０６の機能的作業体積部の遠位末端は、ブレークインチャンファ２２０３とランディングチャンファ２２０４との交差部及び境界部を形成する円形円周方向エッジの一部であるように選択された。かくして、岩石除去のための用途において岩石表面に当初当たるよう選択された本体の第１の部分は、符号２２０６で示されている。使用の際に次第に摩耗し、破線２２０８で示された摩耗平坦表面を形成する各ＰＣＤ本体の一部である機能的作業体積部２２０７は、位置２２０６の直ぐ隣に位置する領域を占め、かくして、当初、面取りされた自由表面により境界付けられる。かくして、この実施形態では、ＰＣＤ本体は、機能的作業体積部２２０７の遠位末端の位置２２０６から延びる１つの鏡映面を有し、遠位末端は、湾曲したエッジを有する。
【０１３９】
ＰＣＤ本体の機能的支持体積部２２０９は、使用後に残存し、かくして、機能的作業体積部２２０７が摩耗したときに本体の寿命の終わり又は使用の終わりのところで定められる摩耗平坦表面２２０８を備えた直円柱形状を形成する本体の部分である。
【０１４０】
自立型本体は、各々、互いに異なるＰＣＤ材料で作られた２つの物理的体積部を有していた。ＰＣＤ１材料で作られた１つの物理的体積部２２１０は、直角柱形本体２２０１の一端部を横切って８ｍｍの円板として延びており、ＰＣＤ２材料で作られた第２の物理的体積部２２１１との平坦な境界部を有していた。第２の物理的体積部２２１１は、長さ１６ｍｍ、直径１６ｍｍの直角柱を形成した。第１の物理的体積部は、ＰＣＤ自立型本体の全体積部の約１／３（３３．３％）を占め、かくして、全体的本体体積部の３０％〜５０％以下を占めた。このサイズのものである第１の物理的体積部２２１０は、機能的作業体積部２２０７を完全に包囲し、この機能的作業体積部２２０７は、利用の際の寿命の選択された終わりに開始状態の全自立型ＰＣＤ本体体積部の全体積の約３％以下を占めることが見込まれる。このように、２つの物理的体積部相互間の境界部は、点線２２０８で示された２つの機能的体積部相互間の最終の摩耗平坦部又は境界部から遠くに位置し且つこれらと相互作用しなかった。
【０１４１】
互いに異なるＰＣＤ材料ＰＣＤ１，ＰＣＤ２で作られた２つの物理的体積部は、平均ダイヤモンド結晶粒度及び粒度分布が異なっており、金属含有量及び元素組成は、各物理的体積部について同一であった。両方の物理的体積部に用いられる金属は、コバルトであった。かくして、元素組成は、ＰＣＤ本体全体を通じて不変であり、即ち、同一量及び同一種類の金属が本体の各々のあらゆるところで存在した。第１の物理的体積部のダイヤモンド結晶粒度は、第２の物理的体積部のダイヤモンド結晶粒度よりも小さかった。各本体の第１の物理的体積部の材料ＰＣＤ１は、物理的体積部の広がり全体にわたって一様であり、約９体積％（２０質量％）のコバルト含有量を含むダイヤモンド粒子の５つの別々の単一モード成分の多モード組み合わせで作られた約１０マイクロメートルの平均結晶粒度を有していた。各本体の第２の物理的体積部の一様な材料ＰＣＤ２は、これまた約９体積％（２０質量％）のコバルト含有量を含むダイヤモンド粒子の４つの別々の単一モード成分の多モード組み合わせで作られた約１５マイクロメートルの平均結晶粒度を有していた。
【０１４２】
機能的作業体積部２２０７に隣接して位置する予想自由表面を含む第１の物理的体積部２２１０の自由表面のところのコバルト金属は、ほんの微量の金属を残した状態で約３００マイクロメートルの深さまでの化学溶出によって除去された。この金属減少層は、図２２に符号２２１２として拡大図で示されている。第２の物理的体積部２２１１の自由表面は、溶出されず、かかる自由表面は、変わっていない量のコバルト金属を含んでいた。
【０１４３】
これらＰＣＤ自立型本体を製造するために以下のステップ及び手順を実施した。
【０１４４】
コバルト金属と組み合わされたダイヤモンド粒子の粒子塊状体について、２つの意図した物理的体積部の各々について１つずつ、即ち、ＰＣＤ材料１を含む体積部１（２２１０）及びＰＣＤ材料２を含む体積部２（２２１１）の２つの素材バッチを作った。以下の順次ステップを用いて、ＰＣＤ材料１を含む体積部１について素材塊状体を作った。
【０１４５】
１００ｇのダイヤモンド粉末を２．５リットルの脱イオン水中に懸濁させた。ダイヤモンド粉末は、各々、平均粒度が異なる５つの別々のいわゆる単一モードダイヤモンド画分を有していた。かくして、ダイヤモンド粉末は、多モードであるとみなされた。１００ｇのダイヤモンド粉末を次のようにして作り、即ち、かかるダイヤモンド粉末は、５ｇの平均粒度１．８マイクロメートル、１６ｇの平均粒度３．５マイクロメートル、７ｇの平均粒度５マイクロメートル、４４ｇの平均粒度１０マイクロメートル、及び２８ｇの平均粒度２０マイクロメートルから成っていた。この多モード粒度分布は、約１マイクロメートルから約３０マイクロメートルまで延びていた。
【０１４６】
先の酸洗い及び脱イオン水での洗浄によってダイヤモンド粉末を親水性にした。懸濁液を激しくかき混ぜながら、硝酸コバルトの水溶液及び炭酸ナトリウムの別個の水溶液を同時に懸濁液にゆっくりと添加した。１２５ｇの硝酸コバルト六水化物結晶Ｃｏ（ＮＯ3）2・６Ｈ2Ｏを２００ｍＬの脱イオン水中に溶解させることによって硝酸コバルト溶液を作った。４５．５ｇの純粋無水炭酸ナトリウムＮａ2ＣＯ3を２００ｍＬの脱イオン水中に溶解させることによって炭酸ナトリウム溶液を作った。硝酸コバルトと炭酸ナトリウムは、溶液中で反応して以下の化学式で示されているように炭酸コバルトＣｏＣＯ3が沈殿した。
【化１】
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【０１４７】
懸濁状態のダイヤモンド粉末粒子の存在下において、これらの表面の親水性という化学的性質により、炭酸コバルト結晶が核となってダイヤモンド粒子表面上で成長した。コバルトのための炭酸コバルト前駆物質化合物は、ダイヤモンド粒子表面を装飾するひげ（ホイスカ）状結晶の形態を取った。数サイクルのデカント法及び脱イオン水での洗浄によって硝酸ナトリウム反応生成物を除去した。最後に、粉末を純粋エチルアルコール中で洗浄し、デカント法によりアルコールから除去し、そして６０℃において真空下で乾燥させた。
【０１４８】
次に、乾燥させた粉末をばらばらの粉末深さが約５ｍｍの状態でアルミナセラミックボート内に配置し、５％水素を含むアルゴンガスの流動中の流れの中で加熱する。炉の頂部温度が７５０℃であり、これを２時間維持し、その後室温まで冷却させた。この炉処理は、炭酸コバルト前駆物質を解離して還元して純粋コバルト粒子を生じさせ、固体溶液中の何割かの炭素は、ダイヤモンド粒子の表面を装飾した。このように、コバルト粒子は、常時、ダイヤモンド粒子よりも小さく、コバルトを均一に分布するようにした。熱処理の条件は、文献の標準コバルト炭素相図を参照して選択された。７５０℃では、コバルト中の炭素の固体溶解度が低いことが理解できる。この温度での非晶質非ダイヤモンド炭素の生成は、低く、微量の非ダイヤモンド炭素を最初のダイヤモンド‐金属粒子塊状体中で検出することができた。ダイヤモンド粒子表面を装飾する全体として２０重量％のコバルト金属を含む多モードダイヤモンド粒子の結果として生じる粉末塊状体は、淡いライトグレーの外観を有していた。粉末塊状体を気密容器内で乾燥窒素下で貯蔵してダイヤモンド表面を装飾している高純度のコバルトの酸化を阻止した。
【０１４９】
以下の順序のステップを用いて体積部２、ＰＣＤ材料２のための素材塊状体を作った。
【０１５０】
１００ｇのダイヤモンド粉末を２．５リットルの脱イオン水中に懸濁させた。ダイヤモンド粉末は、各々、平均粒度が異なる４つの別々のいわゆる単一モードダイヤモンド画分を有していた。かくして、ダイヤモンド粉末は、多モードであるとみなされた。１００ｇのダイヤモンド粉末を次のようにして作り、即ち、かかるダイヤモンド粉末は、５ｇの平均粒度３．５マイクロメートル、１０ｇの平均粒度１０マイクロメートル、２０ｇの平均粒１６マイクロメートル及び６５ｇの平均粒度２３マイクロメートルから成っていた。この多モード粒度分布は、約１マイクロメートルから約４０マイクロメートルまで延びていた。
【０１５１】
先の酸洗い及び脱イオン水での洗浄によってダイヤモンド粉末を親水性にした。懸濁液を激しくかき混ぜながら、硝酸コバルトの水溶液及び炭酸ナトリウムの別個の水溶液を同時に懸濁液にゆっくりと添加した。１２５ｇの硝酸コバルト六水化物結晶Ｃｏ（ＮＯ3）2・６Ｈ2Ｏを２００ｍＬの脱イオン水中に溶解させることによって硝酸コバルト溶液を作った。４５．５ｇの純粋無水炭酸ナトリウムＮａ2ＣＯ3を２００ｍＬの脱イオン水中に溶解させることによって炭酸ナトリウム溶液を作った。硝酸コバルトと炭酸ナトリウムは、溶液中で反応して上記化学式（１）で示されているように炭酸コバルトＣｏＣＯ3が沈殿した。懸濁状態のダイヤモンド粉末粒子の存在下において、これらの表面の親水性という化学的性質により、炭酸コバルト結晶が核となってダイヤモンド粒子表面上で成長した。コバルトのための炭酸コバルト前駆物質化合物は、ダイヤモンド粒子表面を装飾するひげ（ホイスカ）状結晶の形態を取った。数サイクルのデカント法及び脱イオン水での洗浄によって硝酸ナトリウム反応生成物を除去した。最後に、粉末を純粋エチルアルコール中で洗浄し、デカント法によりアルコールから除去し、そして６０℃において真空下で乾燥させた。
【０１５２】
次に、乾燥させた粉末を、ＰＣＤ１材料の素材塊状体のための粉末と同一の仕方で、５％水素を含む流動中のアルゴンガス中において７５０℃で加熱処理した。ダイヤモンド粒子表面を装飾する全体として２０重量％のコバルト金属を含む多モードダイヤモンド粒子の結果として生じる粉末塊状体は、淡いライトグレーの外観を有していた。粉末塊状体を気密容器内で乾燥窒素下で貯蔵してダイヤモンド表面を装飾している高純度のコバルトの酸化を阻止した。
【０１５３】
次に、体積部１、ＰＣＤ１のための６．８ｇの粒子塊状体を一軸硬質金属圧縮ダイ内であらかじめ圧縮して半高密度直角柱形ディスクを形成した。
【０１５４】
次に、体積部２、ＰＣＤ２のための１３．６ｇの粒子塊状体を一軸硬質金属圧縮ダイ内であらかじめ圧縮して半高密度直角柱を形成した。
【０１５５】
次に、２つの半高密度本体を一緒に配置し、別の硬質金属ダイセット内のニオブ金属薄肉キャニスタ内に一緒に更に一軸圧縮した。次に、僅かに大径の第２のニオブ円筒形キャニスタを第１のキャニスタ上で滑らせてあらかじめ圧縮された粉末塊状体を包囲すると共にこれを含むようにした。半高密度圧縮本体の孔内の自由空気を排出し、当該技術分野において知られている電子ビーム溶接システムを用いてキャニスタを真空下で密閉した。さらに高い未焼結密度まで更に圧密化し、空間密度のばらつきをなくし又は大幅に減少させるため、次に、キャニスタ組立体に２００ＭＰａの圧力で冷間等方圧縮手順を施した。数個の未焼結本体組立体をこのようにして作った。
【０１５６】
次に、異種組成の２つの物理的体積部、体積部１及び体積部２で包み込まれた各円筒形未焼結本体を当該技術分野において十分に確立された高圧高温処理に適した圧縮可能なセラミック塩成分の組立体内に配置した。包み込まれた未焼結本体の直ぐ周りに位置する材料は、極めて低い剪断強度の材料、例えば塩化ナトリウムで作られていた。これにより、静圧条件に近い圧力を未焼結本体に及ぼすことができる。このように、未焼結本体の圧力勾配により誘発されるゆがみを軽減することができる。
【０１５７】
当該技術分野において十分に確立されているベルト形高圧装置を用いて未焼結本体に６ＧＰａの圧力及び約１５６０℃の温度を１時間加えた。高圧高温手順の終わりの段階中、温度をゆっくりと数分かけて約７５０℃まで減少させ、この値に維持し、次に圧力を周囲条件まで減少させた。次に、高圧組立体を周囲条件まで放冷し、その後高圧装置から取り出した。高圧高温処理の終わりの段階中におけるこの手順は、周りの塩媒体が圧力の除去中、可塑状態のままでいることができ、従って、剪断力が今や焼結されたＰＣＤ本体に加わるのを阻止し又は禁止することができる。次に、自立型ＰＣＤ円筒形本体の最終寸法を測定し、収縮率を約１５％であるように計算した。
【０１５８】
次に、十分に高密度の直角柱形自立型円筒形本体を仕上げ手順、例えば当該技術分野において十分に確立されているダイヤモンド研削及び研磨によって１６ｍｍ直径及び２４ｍｍ長さの寸法にした。所望の寸法を達成するのに除去されるＰＣＤ材料の代表的な量は、約０．１〜０．３ｍｍであった。
【０１５９】
次に、微細ダイヤモンド研削を用いて、ＰＣＤ材料１で作られた物理的体積部２２１０により占められた本体の端部のところで図２２に規定されたように４つのチャンファを形成した。ＰＣＤ材料２で作られた物理的体積部２（２２１１）により占められた本体の端部のところで各本体の他方の円周方向エッジのところに小さな４５°のチャンファを作った。
【０１６０】
次に、各自立型ＰＣＤ本体の頂部の平坦な表面及び円周方向エッジ面取り領域を含む第１の物理的体積部の頂部の自由表面に酸溶出手順を施して約３００マイクロメートルの溶出深さを得、ここで、コバルト金属を実質的に除去した。基部及び円筒形胴の自由表面を各ＰＣＤ本体の後続エッジチャンファの始まりまでマスキングし、溶出酸にさらされるのが阻止されるようにし、かくして、これら自由表面は、非溶出状態のままであった。
【０１６１】
ダイヤモンドと金属ネットワーク組成比並びに金属元素組成（コバルト）が物理的体積部の両方中において不変であり且つ同一なので、両方の物理的体積部の弾性モジュラス及び線熱膨張率は、同一であるとみなされた。その結果、製造プロセス中、室温及び室内圧力に戻った際に巨視的残留応力を発生させるための示差的弾性膨張及び熱収縮機構（differential elastic expansion and thermal contraction mechanism）は存在しなかった。実施例１の実施形態は、かくして、自立型ＰＣＤ本体の寸法スパンにわたって巨視的応力がないものとみなされた。予想されるように、残留応力がないことは、平均結晶粒度の１０倍を超える尺度で明白であり、この場合、結晶粒度の最も粗い成分は、平均結晶粒度の３倍以下である。
【０１６２】
ＰＣＤ本体の寸法スパンにわたる巨視的残留応力が存在しないことを確認するため、次のひずみゲージを利用した手順を自立型ＰＣＤ本体の非溶出サンプルについて実施した。図２３は、この実施例の実施形態の断面及び平面図であり、２つの物理的体積部は、上述したようにＰＣＤ１材料及びＰＣＤ２材料で作られていた。符号２３０１は、ひずみゲージローゼットを示し、このひずみゲージローゼットは、ＰＣＤ１材料で作られた物理的体積部の頂部円形自由表面にしっかりと取り付けられた。次に、ＰＣＤ２材料で占められたＰＣＤ本体の反対側の端の１２ｍｍ長さ分を除去した。これは、ひずみゲージを適切に保護しながら、当該技術分野において知られているワイヤ放電加工機械を用いて行われ、切断線は、図２３において符号２３０２で示されている。ひずみゲージ測定ブリッジの精度内において、あらかじめ切断されたＰＣＤ本体と比較してひずみ関連信号の著しい変化はなかった。相当な残留応力分布が存在していた場合、信号がひずみゲージ測定ブリッジに記録される。ひずみ信号の著しい変化が観察されないので、この実施形態には自立型ＰＣＤ本体の寸法又は尺度にわたって巨視的残留応力がないことが結論づけられた。
【０１６３】
実施例２
【０１６４】
ＰＣＤ材料だけで作られた自立型本体を実施例１の実施形態と同一の寸法及び全体的形状で作った。図２２は、この特定の幾何学的形状の細部を示している。約３００マイクロメートルの深さまでのチャンファ構造及び金属溶出領域は、不変のままであった。実施例２の実施形態は、これが１つの物理的体積部だけを備えた状態で作られているという点で図１の実施形態とは異なっている。この単一の物理的体積部は、ＰＣＤ１の材料で作られ、自立型ＰＣＤ本体の完全な全体積部を占めた。
【０１６５】
ＰＣＤ１材料は、ダイヤモンド粉末の５つの別々の単一モード成分の多モード組み合わせで作られた約１０マイクロメートルの平均結晶粒度を有すると共に９１体積パーセントと９体積パーセント（８０〜２０質量パーセント）のダイヤモンドと金属ネットワーク組成比を有していた。単一の物理的体積部について選択された金属は、コバルトであった。
【０１６６】
ＰＣＤ１材料について実施例１において説明した化学的プロトコル並びに製造ステップ及び手順を用いた。次に、実施例１で記載した順次一軸圧縮及び冷間等方圧縮手順を用いて、２０．４ｇのダイヤモンド／コバルト金属粒子塊状体を次に圧縮して各円筒形半高密度未焼結本体を形成した。次に、これら未焼結本体に実施例１で説明したベルト型高圧装置を用いてこれら未焼結本体に６ＧＰａの圧力及び約１５６０℃の温度を１時間加えた。次に、ＰＣＤ１だけで作られた十分に高密度の直角柱形自立型ＰＣＤ本体を先行技術において確立されている仕上げ手順、例えば微細ダイヤモンド研削及び研磨によって１６ｍｍ直径及び２４ｍｍ長さの寸法にした。実施例１で特定されると共に図２２に示されている４つのチャンファの構造体を次にダイヤモンド研削及び研磨手順により未焼結本体の各々上に形成した。
【０１６７】
この実施形態のＰＣＤ自立型本体が均一ＰＣＤ材料の１つだけの物理的本体を有しているので、ＰＣＤ本体の寸法スパンを横切って巨視的残留応力が存在しないことが予想された。これは、実施例１で説明すると共に図２３に示されているひずみゲージ利用手順を用いることによって確認された。
【０１６８】
実施例３
【０１６９】
ＰＣＤ材料だけで作られた自立型本体を図２４に示すように作った。この図は、主として岩石破砕作用が必要とされるローラーコーンビットで使用されるようになったこの特定の例示の実施形態の概略断面図２４０１である。この実施形態は、次のように特徴付けられると共に特定された。
【０１７０】
各本体の全体的形状は、直円柱であり、その一端は、仕上げ直径１６ｍｍ、高さ２８ｍｍの半球形によって形成された。本明細書において上述した本体のアスペクト比を表現する指定された方法を用いると、これら本体のアスペクト比は、１．７５であった。
【０１７１】
機能的作業体積部２４０３の遠位末端２４０２は、ドーム状自由表面の中央位置である。機能的支持体積部２４０５の近位末端２４０４は、直径２５．５ｍｍの平坦な表面であり、直径１６ｍｍの機能的支持体積部２４０５の円筒形部分２４０６は、断面が６．５ｍｍの高さから直径２５．５ｍｍの基部２４０４まで円錐状に拡張している。平坦な近位基部２４０４に向かう機能的支持体積部２４０５の断面の円錐形拡張は、ハウジング本体、特にこの場合、ローラーコーンビット内のローラー構造体への機械的取り付けを可能にするようになっている。機械的取り付けは、例えば図１５ｅに概略的に示されている円錐形嵌合から構造体によって提供できる。
【０１７２】
各自立型ＰＣＤ本体は、２つの物理的体積部を有していた。第１の物理的体積部２４０７は、機能的作業体積部２４０３の遠位末端２４０２から平坦な境界部２４０８まで延び、第２の物理的体積部２４０９は、中心線２４１０に沿って１２．４ｍｍ延びている。第２の物理的体積部２４０９は、上述の境界部２４０８から中心線２４１０に沿って平坦な基部まで１５．６ｍｍにわたって延びている。
【０１７３】
ローラーコーンドリルビット、例えば、岩石除去要素２４０１では、機能的作業体積部２４０３は、破砕中の岩石表面への周期的な動的接触に起因して使用中に摩耗することが見込まれる。摩耗体積部２４０３は、第１の物理的体積部２４０７によって制限されると共に完全に包囲されると見込まれる。機能的支持体積部２４０５は、機能的作業体積部２４０３の境界部から平坦な基部を備えた近位末端２４０４まで延び、かかる機能的支持体積部は、第１の物理的体積部２４０７の大部分及び第２の物理的体積部２４０９の全てを有する。機能的支持体積部２４０５は、第１の物理的体積部２４０７の第１の部分が当初半球形の性状を有し、次に、近位基部２４０４に向かって円錐形に拡張しているので、延長線に沿って機能的作業体積部２４０３から平坦な近位基部２４０４まで断面が増大している。断面のこの増大は、上述した機能的作業体積部のための塊状支持体の原理を生じさせる。
【０１７４】
主として岩石破砕による岩石除去の意図したモードでは、岩石除去要素又は本体が高い圧縮強度を有することが必要である。これは、この実施形態では、ＰＣＤ材料だけで作られた自立型本体（硬質金属基体に非対称に取り付けられたＰＣＤ材料の従来型先行技術の関与する層とは異なり）及び選択された全体的形状によって提供され、それにより、塊状支持体の原理を利用することができる。
【０１７５】
第１の物理的体積部２４０７は、高い耐摩耗性、この場合、実施例１について選択された耐摩耗性と同一の耐摩耗性を示す材料で作られるよう選択された。各本体内の第１の物理的体積部２４０７の材料ＰＣＤ１は、物理的体積部の広がりにわたって一様であり、ダイヤモンド粉末の５つの別々の単一モード成分の多モード組み合わせで形成された約１０マイクロメートルの平均結晶粒度を有しており、コバルト含有量は、約９体積％（２０質量％）であった。
【０１７６】
第２の物理的体積部２４０９は、高い熱伝導率、この場合も又、実施例１で用いられた高い熱伝導率と同一の熱伝導率を示す材料で作られるよう選択された。各本体内の第２の物理的体積部２４０９の一様な材料ＰＣＤ２は、約９体積％（２０質量％）のコバルト含有量及び第１の物理的体積部と同一の金属含有量を含むダイヤモンド粉末の４つの別々の単一モード成分の多モード組み合わせで形成された約１５マイクロメートルの平均結晶粒度を有していた。２つの物理的体積部２４０７，２４０９は、ダイヤモンドと金属ネットワーク組成比並びに金属元素組成の面で同一且つ不変であった。２つの物理的体積部の各々は、９体積％（２０質量％）のコバルト金属組成を有していた。
【０１７７】
適当に形作られると共に寸法決めされた圧縮ダイが指定された形状を提供するよう用いられたことを除き、実施例１で説明したステップバイステップ手順を実施した。この場合も又、純粋コバルトで装飾されたダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド粉末のマスターバッチを、実施例１で指定された化学的プロトコル並びに炭酸コバルト前駆物質を用いて物理的体積部の各々について作った。
【０１７８】
実施例１のように当該技術分野において周知である研削及び研磨と仕上げ手順を用いて各本体を図２４に指定されているような最終寸法及び形状にした。次に、各本体に高温希釈酸混合物内で化学的溶出手順を施して制限された深さの層を作り、この場合、金属含有量を大幅に除去した（２４１１）。各本体の全自由表面を９０マイクロメートルにほぼ等しく且つこれに近い制限された深さまで溶出した。各本体の全自由表面を溶出し、マスキング技術及び装置を不要にし、製造の簡単さ及び容易さが得られるようにした。制限された深さの溶出（２４１１）の目的は、機能的作業体積部の摩耗により形成される摩耗傷跡のエッジのところの連続面取り挙動を生じさせ、このようにする際、摩耗傷跡周りで生じるチッピングの恐れを制限することであった。
【０１７９】
実施例４
【０１８０】
ＰＣＤ材料だけで作られた自立型本体を図２５に示されているように作った。この図は、この特定の例示の実施形態の概略断面図２５０１を２つの平面図である図２５ａ及び図２５ｂと共に示している。この実施形態は、上述のビット内のかかる位置のところでハウジング本体又はドリルビット内で用いられるようになっており、この場合、岩石除去モードは、サブモードの両方の大きさが同程度である破砕と剪断の組み合わせであることが必要とされている。この実施形態は、次のように特徴付けられると共に特定された。
【０１８１】
各本体の全体的形状は、真っ直ぐなエッジ２５０３のところで交わるコーン２５０２の２つの非対称傾斜切頭部で構成されたチゼル形状であるよう改造された一端部を備える直円柱であった。平坦な切頭部２５０２は、エッジ２５０３から円周方向エッジまで延びており、コーンが円筒形区分に隣接して位置していた。真っ直ぐなエッジ２５０３は、直円柱の基部２５０４に平行であった。作業体積部２５０６の遠位末端２５０５は、図２５ａに示されているように真っ直ぐなエッジ２５０３及び円錐形湾曲表面２５０７を備えた先端２５０５のうちの１つであるように選択されるのが良い。この場合、機能的作業体積部２５０６は、使用中に摩耗して点線で示されているように三角形の摩耗平坦部を形成する。変形例として、機能的作業体積部２５０８の遠位末端は、図２５ｂに示されているように真っ直ぐなエッジ２５０３それ自体であっても良い。この場合、機能的作業体積部は、使用中に摩耗して図２５ｂに点線で示されているように摩耗平坦部を形成する。機能的支持体積部２５０９は、切頭円錐形及びこれから延びる直角柱の使用中における残存部分を有する。
【０１８２】
各本体の仕上げ直径及び高さは、それぞれ、１６ｍｍ及び２４ｍｍであった。エッジ２５０３は、図２５に示されているように中心線に沿うコーンと円筒形区分との間の円周方向エッジの平面までの垂直距離が約８ｍｍであった。エッジ２５０３は、高さ４．８ｍｍであり、コーンの夾角は、７０°であった。本明細書において上述した本体のアスペクト比を表現する指定された方法を用いると、これら本体のアスペクト比は、１．５であった。
【０１８３】
自立型本体は、各々、互いに異なるＰＣＤ材料で作られた２つの物理的体積部を有していた。ＰＣＤ１材料で作られた第１の物理的体積部２５１０は、切頭円錐形体積部を含み、本体の円筒形区分内に延ばされ、そして使用にあたり選択されると共に定められた選択されている機能作業体積部２５０６又は２５０８を完全に包囲した。中心線に沿ってエッジ２５０３から境界部２５１１までの垂直距離は、第２の物理的体積部２５１２に関し、１０ｍｍであった。境界部２５１１は、第２の物理的体積部２５１２では、基部２５０４と平行であった。第１の物理的体積部が全体的本体の全体積部の約２５％を占めることが予想された。このサイズの第１の物理的体積部２５１０は、機能的作業体積部２５０６又は２５０８を完全に包囲し、これら機能的作業体積部のうちのいずれか一方は、使用における寿命の選択された終わりに開始状態の全自立型ＰＣＤ本体の全体的体積部の約３％以下を占めることが見込まれると共に選択された。このように、２つの物理的体積部相互間の境界部２５１１は、図２５ａ又は図２５ｂで点線２５０６又は２５０８で示された２つの機能的体積部相互間の最終の摩耗平坦部又は境界部から見て遠くに位置し、これとは相互作用しなかった。
【０１８４】
第１の物理的体積部２５１０は、高い耐摩耗性、この場合、実施例１と実施例３の両方の第１の物理的体積部について選択された耐摩耗性と同一の耐摩耗性を示す材料で作られるよう選択された。各本体内の第１の物理的体積部２５１０の材料ＰＣＤ１は、物理的体積部の広がりにわたって一様であり、ダイヤモンド粉末の５つの別々の単一モード成分の多モード組み合わせで形成された約１０マイクロメートルの平均結晶粒度を有しており、コバルト含有量は、約９体積％（２０質量％）であった。
【０１８５】
第２の物理的体積部２５１２は、高い熱伝導率、この場合も又、実施例１と実施例３の両方で用いられた高い熱伝導率と同一の高い熱伝導率を示す材料で作られるよう選択された。各本体内の第２の物理的体積部２５１０の一様な材料ＰＣＤ２は、第１の物理的体積部と同一の金属含有量を含むダイヤモンド粉末の４つの別々の単一モード成分の多モード組み合わせで形成された約１５マイクロメートルの平均結晶粒度を有し、コバルト含有量は、約９体積％（２０質量％）であった。
【０１８６】
適当に形作られると共に寸法決めされた圧縮ダイを用いて図２５に示されているように一端が非対称コーンまで延びる直角柱を提供するよう用いられたことを除き、実施例１で説明したステップバイステップ手順を実施した。
【０１８７】
この場合も又、純粋コバルトで装飾されたダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド粉末のマスターバッチを、実施例１で指定された化学的プロトコル並びに炭酸コバルト前駆物質を用いて物理的体積部の各々について作った。
【０１８８】
当該技術分野において周知である研削及び研磨と仕上げ手順を用いてエッジのところで合体した対称性の部分楕円形切頭部２５０３を図２５に指定されているように形成した。
【０１８９】
機能的支持体積部２５０９の取り付け機能は、本体の各々の直角柱形区分によって提供される。取り付けオプションは、ハウジング本体又はビットとの締り嵌めを含む。当該技術分野において知られているＰＣＤ材料用の専用のろう合金を採用した低温ろう付け技術も又利用することができる。
【０１９０】
実施例５
【０１９１】
ＰＣＤ材料だけで作られた自立型本体を作った。図２６ａ及び図２６ｂは、機能的作業体積部２６０２が異種ＰＣＤ材料の交互に位置する層２６０３として配置された多数の物理的体積部から成る２つの特定の例示の実施形態の概略断面図２６０１である。これら実施形態のための意図した使用は、主として岩石剪断作用が必要とされるドラグビット中に挿入され又はこれらドラグビットに取り付けられる岩石除去要素用のものである。各本体の全体的形状は、仕上げ直径が１６ｍｍ、高さが２４ｍｍの直円柱であった。本明細書において上述した本体のアスペクト比を表現する規定された方法を用いると、これら本体のアスペクト比は、１．５であった。
【０１９２】
図２６ａでは、交互に位置するＰＣＤ層２６０３は、厚さが約０．５ｍｍであり、直円柱の頂部円形表面に平行であり、数が１６個であり、直円柱の軸線に沿って約８ｍｍまで延びていた。この場合、使用中に次第に形成される機能的作業体積部２６０２は、摩耗傷跡２６０４を形成し、この摩耗傷跡は、多数の交互に位置する異種層２６０３を場合によっては最高１０個以上の層まで次第に露出させる。異種の交互に位置する層は、ＰＣＤ材料ＰＣＤ１及びＰＣＤ２で構成され、これらＰＣＤ材料は、実施例１で用いられたダイヤモンド及び金属粉末塊状体の同一のマスターバッチを用いて作られた。すなわち、材料ＰＣＤ１は、金属粉末の５つの別々の単一モード成分の多モード組み合わせで形成された約１０マイクロメートルの平均結晶粒度を有し、コバルト含有量は、約９体積％（２０質量％）であった。ＰＣＤ２の材料は、ダイヤモンド粉末の４つの別々の単一モード成分の多モード組み合わせで形成された約１５マイクロメートルの平均結晶粒度を有し、コバルト含有量は、この場合も又、約９体積％（２０質量％）であった。
【０１９３】
ＰＣＤ１層のダイヤモンド結晶粒度（平均結晶粒度１０マイクロメートル）は、ＰＣＤ２層のダイヤモンド結晶粒度（平均結晶粒度１５マイクロメートル）よりも著しく小さく、コバルト金属含有量は、各形式の層について同一であった。従来の経験からのＰＣＤ１層の材料は、ＰＣＤ２層の材料の耐摩耗性よりも高い耐摩耗性を有することが知られている。したがって、機能的作業体積部の漸次摩耗中、この交互に位置する摩耗層構造の異なる摩耗挙動が多数の突出エッジ又は突出リップをもたらすことが予想された。これにより、連続自己鋭利化効果がもたらされると共に岩石地層中への効果的な侵入率を維持するよう過度の荷重がビットに加わる要件が軽減される。
【０１９４】
自立型ＰＣＤ本体の頂部自由表面に隣接して位置する最も頂部の層は、低い耐摩耗性のＰＣＤ２材料で作られた。頂部層がＰＣＤ２材料で作られている場合に得られる利点は、この材料が代表的にはＰＣＤ１材料よりも低い耐摩耗性を有していることに関連付けることができる。頂部層の低い耐摩耗性は、機能的作業体積部の先導エッジの漸次の制限された「丸くなる」及び「鈍くなる」状態を生じさせ、このことは、連続自己面取り効果の利点を提供することができる。これにより、広い領域にわたって加えられた荷重を広げることによって使用中における有害なチッピングの恐れを低くすることができる。
【０１９５】
図２６ｂの実施形態は、交互に位置するＰＣＤ層２６０３を有し、これらＰＣＤ層２６０３は、厚さが約０．５ｍｍであり、直円柱の軸線に対して同心状に配置され、直円柱ＰＣＤ本体の円筒形表面から半径方向に約４ｍｍにわたって延びていた。かくして、同心層の数は、８である。８つの同心の交互に位置する層は、円筒形ＰＣＤ本体の軸線に沿って頂面から約８ｍｍにわたって延びていた。同心層は、ＰＣＤ２材料の円柱２６０５周りに作られた。次に、使用中に次第に形成された機能的作業体積部２６０２は、摩耗傷跡２６０４を形成し、この摩耗傷跡は、多数の交互に位置する異種層２６０３を場合によっては最高６個以上の層に次第に露出させる。図２６ａの実施形態の場合、異種の交互に位置する層は、ＰＣＤ材料ＰＣＤ１及びＰＣＤ２で構成されており、これらＰＣＤ材料は、実施例１で用いられたのと同一のダイヤモンド及び金属粉末塊状体の同一のマスターバッチを用いて作られた。
【０１９６】
この場合も又、ＰＣＤ１材料で構成された各層がＰＣＤ２材料で構成された各層よりも高い耐摩耗性を有することが予想された。使用にあたり、機能的作業体積部の漸次摩耗は、多数の交互に位置する層を露出させるはずであり、これらの摩耗挙動の差の結果として、連続且つ望ましい自己鋭利化挙動をもたらす突出したエッジ及び突出したリップが得られる。
【０１９７】
図２６ａ及び図２６ｂの実施形態の両方に関し、ＰＣＤ本体２６０６の残存する円筒形部分は、長さが１６ｍｍであり且つＰＣＤ２の材料で構成された１つの物理的体積部で作られた。かくして、機能的支持体積部は、機能的作業体積部２６０２及び非層状の円筒形体積部２６０６の漸次除去中、円筒形本体の残存部分で構成される。
【０１９８】
実施例１で説明したのと同一の化学的プロトコル及びステップバイステップ手順を用いてＰＣＤ１及びＰＣＤ２の材料のための粒子塊状体のマスターバッチを作った。次に、当該技術分野において周知であるテープ注型手順及び機器を用いて、これらマスターバッチの各々からの材料を厚さ約０．８ｍｍの半高密度テープの状態に形成した。
【０１９９】
図２６ａの実施形態の場合、テープの各々からの穿孔ディスクのスタックを次に交互に配置し、実施例１で指定した圧縮、包み込み及び炉内加熱手順を実施した。次に、結果として得られた半高密度未焼結本体に高圧及び高温条件を施し、次に、実施例１の場合のように研削及び仕上げ手順を実施して図２６ａで与えられている形状及び寸法の十分に高密度の自立型ＰＣＤ本体を形成した。
【０２００】
図２６ｂの実施形態に関し、ＰＣＤ１及びＰＣＤ２材料の交互に位置するテープをＰＣＤ２材料の未焼結円筒形ＰＣＤ本体周りに同心状に配置した。この場合も又、実施例１の場合のように圧縮、包み込み及び炉内加熱、高圧高温及び仕上げ手順の実施後、図２６ｂに与えられている形状及び寸法の十分に高密度の自立型ＰＣＤ本体を形成した。
【０２０１】
参照文献
１．アディア・エム・エム（Adia, M M）及びデービーズ・ジー・ジェイ（Davies, G J）名義の英国特許出願第１１２２０６４．７号明細書及び米国特許出願第６１／５７８７２６号明細書（発明の名称：A Superhard Structure or Body of Polycrystalline Diamond Containing Material）
２．アディア・エム・エム（Adia, M M ）及びデービーズ・ジー・ジェイ（Davies, G J ）名義の英国特許出願第１１２２０６６．２号明細書及び米国特許出願第６１／５７８７３４号明細書（発明の名称：Methods of Forming a Superhard Structure or Body Comprising a Body of Polycrystalline Diamond Containing Material）
３．アディア・エム・エム（Adia, M M）、デービーズ・ジー・ジェイ（Davies, G J）、及びボウズ・シー・ディー（Bowes, C D）名義の国際公開第２０１２／０８９５６６号パンフレット（発明の名称：A Superhard Structure and Method of Making Same）
４．アディア・エム・エム（Adia, M M）、デービーズ・ジー・ジェイ（Davies, G J）、及びボウズ・シー・ディー（Bowes, C D）名義の国際公開第２０１２／０８９５６７号パンフレット（発明の名称：A Superhard Structure and Method of Making Same ）
５．タンク・ケー（Tank, K ）、アディア・エム・エム（Adia, M M）、及びモロゾフ・ケー・イー（Morosov, K E）名義の国際公開第２００８／１０２３２４（Ａ１）号パンフレット（発明の名称：Cutting Elements）
６．スコット・ディー・イー（Scott, D E）、スキーム・エム・アール（Skeem, M R）、ルンド・ジェイ・ビー（Lund, J B）、リバーサージェ・ジェイ・エイチ（Liversage, J H）、及びアディア・エム・エム（Adia, M M）名義の国際公開第２０１１／０４１６９３（Ａ２）号パンフレット（発明の名称：Cutting Elements Configured to Generate Shear Lips During Use in Cutting , Earth Boring Tools Including Such Cutting Elements and Methods of Forming and Using Such Cutting Elements and Earth Boring Tools）
７．ブリッジマン・ピー・ダブリュー（Bridgeman, P W），「フィジカル・レビュー（Physical Review）」，１９３５年，第４８巻，ｐ．８２５〜８３２
８．欧州特許第０５７３１３５（Ｂ１）号明細書（出願人：ジェニングス・ビー・エー（Jennings, B. A.）、発明の名称：Abrasive tools、出願公開日：１９９３年１２月）
９．スモールマン・シー・ジー（Smallman, C G）、アディア・エム・エム（Adia, M M）、及びライ・サン・エル・エス（Lai Sang, L S）名義の米国特許出願第１２／９６２，４３３（出願日：２０１０年１２月７日出願、発明の名称：Polycrystalline Diamond Structure ）、国際公開第２０１１／０６９６３７号パンフレットとして公開された国際出願ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／００７４２５明細書（出願日：２０１０年１２月７日）（発明の名称：Polycrystalline Diamond Structure）
１０．ブルックス・シー・エー（Brookes, C A）、及びブルックス・イー・ジェイ（Brookes, E J），「ダイヤモンド・イン・パースペクティブ：ア・レビュー・オブ・メカニカル・プロパティーズ・オブ・ナチュラル・ダイヤモンド（Diamond in perspective: a review of mechanical properties of natural diamond）」，ダイヤモンド・アンド・リレイテッド・マテリアルズ（Diamond and Related Materials），１９９１年，第１巻，ｐ．１３〜１７
１１．ブルックス・イー・ジェイ（Brookes, E J），博士論文（PhD Thesis），（１９９２），ザ・ユニバーシティ・オブ・ハル（The University of Hull）
１２．ヒッブス・エル・イー（Hibbs, L E）、及びリー・エム（Lee, M），「サム・アスペクツ・オブ・ザ・ウェア・オブ・ポリクリスタライン・ダイヤモンド・ツールズ・イン・ロック・リムーバル・プロセシーズ（Some aspects of the wear of polyrystallilne diamond tools in rock removal processes）」，ウェア（Wear），１９７８年，第４６号，ｐ．１４１
１３．プラカシュ・ブイ（Prakash, V），「ファイナイト・エレメント・メソッド・フォア・テンプリチャー・ディストリビューション・イン・シンセティック・ダイヤモンド・カッターズ・ドゥーリング・オーソゴナル・ロック・カッティング（Finite Element Method for Temperature Distribution in Synthetic Diamond Cutters During Orthogonal Rock Cutting）」，博士論文（PhD Thesis），カンザス・ステイト・ユニバーシティ，マンハッタン州カンザス，１９８６年
【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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【図１１ａ−１１ｃ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１５ｃ】
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【図１５ｄ】
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【図１５ｅ】
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【図１６ａ】
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【図１６ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９ａ】
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【図１９ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５ａ】
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【図２５ｂ】
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【図２６ａ】
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【図２６ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年9月3日(2015.9.3)
【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】
岩石除去のためのカッタ要素であって、
ダイヤモンドと金属の相互侵入ネットワークを有する自立型ＰＣＤ本体を有し、前記自立型ＰＣＤ本体は、
前記ＰＣＤ本体の境界部内に位置する１つ又は２つ以上の物理的体積部を更に有し、前記全体的本体のための前記ＰＣＤ材料は、前記ダイヤモンドと金属のネットワーク組成比及び金属元素組成の面で不変であり、各物理的体積部は、前記ダイヤモンドと金属のネットワーク組成比及び前記金属元素組成に関して任意他の物理的体積部とは異ならないようになっており、
前記ＰＣＤ本体の遠位側に位置する機能的作業体積部を更に有し、前記機能的作業体積部は、使用にあたり、前記岩石に接触する領域又は体積部を形成し、剪断と圧潰と研削の組み合わせによって前記岩石の漸次除去を生じさせ、前記機能的作業体積部それ自体は、前記ＰＣＤ本体の寿命中、次第に摩耗し、
使用中に残存し、近位自由表面を備えた機能的支持体積部を更に有し、前記機能的支持体積部は、前記機能的作業体積部から延びていて、前記ハウジング本体への前記岩石除去ＰＣＤ本体の取り付け手段と共に前記機能的作業体積部に対して機械的及び熱的支持作用を提供する領域又は体積部であり、
前記機能的作業体積部は、エッジ、頂点、凸状湾曲面又は突起の任意の組み合わせから成る隣り合う自由表面相互間の遠位自由表面又は境界部から、前記機能的作業体積部の遠位末端からの延長線に沿って全体的本体の図心を通って前記機能的支持体積部の近位末端まで前記機能的支持体積部中に延びる前記機能的作業体積部の断面積が増大しながら延び、
前記機能的支持体積部は、前記全体的自立型ＰＣＤ本体の前記図心を包囲し、
前記全体的ＰＣＤ本体は、前記全体的ＰＣＤ本体の外接直方体の最も長いエッジの長さと前記機能的作業体積部が延びる起点としての前記外接直方体の最も小さな三角形面の最も大きな幅の比が１．０以上であるようなアスペクト比を備えた形状を有し、
前記自立型ＰＣＤ本体にはマクロ的応力がなく、しかも前記自立型ＰＣＤ本体には、平均結晶粒度の１０倍を超える尺度の残留応力がなく、結晶粒度の最も粗い成分は、前記平均結晶粒度の３倍以下である、カッタ要素。
【請求項２】
前記ＰＣＤ本体は、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面から延びる１つの鏡映面を有し、前記遠位自由表面は、湾曲エッジを有する、請求項１記載のカッタ要素。
【請求項３】
前記ＰＣＤ本体は、機能的作業体積部の遠位末端から延びる１つの鏡映面を有し、前記遠位自由表面は、真っ直ぐなエッジを有する、請求項１又は２に記載のカッタ要素。
【請求項４】
前記ＰＣＤ本体は、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面から延びる１つの鏡映面を有し、前記遠位末端は、頂点を有する、請求項１〜３のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項５】
前記ＰＣＤ本体は、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面を通るｎ回回転軸線を有し、前記遠位自由表面は、湾曲した表面を含み又は前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面から延びる無数の鏡映面を有する、請求項１に記載のカッタ要素。
【請求項６】
前記機能的作業体積部は、２つ又は３つ以上の平坦な表面又はファセットを備えた湾曲表面により形成された全体としてチゼルの形状を有し、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、先端、湾曲したエッジ又は真っ直ぐなエッジであるよう前記ファセット相互間の境界部により形成されている、請求項１〜３のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項７】
前記機能的作業体積部は、湾曲した表面を有し、前記機能的作業体積部は、共通の境界部のない状態で隔離された１つ又は２つ以上の平坦な表面又はファセットを有し、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、湾曲したエッジであるようファセットと前記湾曲した表面との間の境界部によって形成されている、請求項１又は２に記載のカッタ要素。
【請求項８】
前記機能的支持体積部の形状は、円形又は楕円形断面を有する直角柱である、請求項１〜７のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項９】
前記機能的支持体積部は、少なくとも一部がねじ切りされている、請求項１〜８のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項１０】
前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面又は前記自由表面に隣接して位置する前記ＰＣＤ材料は、平均結晶粒度が前記機能的支持体積部の１つ又は複数の近位表面に隣接して位置する前記ＰＣＤ材料よりも小さい、請求項１記載のカッタ要素。
【請求項１１】
前記ＰＣＤ材料は、任意の物理的体積部内において、値ｙの体積部パーセントよりも低いよう別個独立にあらかじめ選択された金属含有量を有し、ｙ＝−０．２５ｘ＋１０であり、ｘは、マイクロメートル単位で表された前記ＰＣＤ材料の平均結晶粒度である、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項１２】
ａ）前記自立型ＰＣＤ本体は、全体的に直円柱の形状を有し、
ｂ）前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、前記円形周辺エッジの一部であり、前記機能的作業体積部は、該機能的作業体積部が使用中に発生しているとき、前記遠位自由表面から平坦な「摩耗」表面まで延びる体積部であり、前記平坦な「摩耗」表面は、前記円筒形本体の頂部平坦表面及び前記湾曲した「胴」表面と交差し、
ｃ）前記機能的支持体積部は、寿命の終わりにおいて前記全体的本体の残存部分であり、かくして、「摩耗平坦」表面を備えた直円柱から成り、
ｄ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体の前記元素組成は、前記本体全体を通じて不変であり、同一の金属又は合金が前記本体全体にわたって存在し、
ｅ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体は、ダイヤモンド結晶粒度及び粒度分布が互いに異なる種々のＰＣＤ材料で作られた２つの物理的体積部を有し、
ｆ）一様なＰＣＤ材料の第１の直円柱形物理的体積部は、前記全体的自立型ＰＣＤ本体体積部の３０％〜５０％以下を占める前記全体的円筒形本体の一端部を完全に横切る層として延び、前記第１の物理的体積部は、前記機能的作業体積部を完全に包囲し、第２の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも細かい平均ダイヤモンド結晶粒度を備えたＰＣＤ材料で作られ、
ｇ）前記第２の物理的体積部は、前記第１の物理的体積部から延び、直円柱であり、前記全体的自立型ＰＣＤ本体の残部を占め、前記第１の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも大きい平均ダイヤモンド結晶粒度を備えたＰＣＤ材料で作られ、
ｈ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体には、マクロ的応力がなく、前記平均結晶粒度の１０倍を超える残留応力がなく、前記結晶粒度の最も粗い成分は、前記平均結晶粒度以下である、請求項１０又は１１に記載のカッタ要素。
【請求項１３】
ａ）前記自立型ＰＣＤ本体は、直円柱形状のものであり、一端が半球形ドームであり、反対側の端が平坦な基部であり、
ｂ）前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、前記ドームの前記湾曲自由平面の一部であり、使用中に定められた前記機能的作業体積部は、前記遠位末端から平坦な「摩耗」表面まで延びる体積部であり、
ｃ）前記機能的支持体積部は、寿命の終わりにおける前記全体的本体の残存部分であり、かくして、「摩耗平坦」表面及び反対側の端の平坦な基部を備えた端がドーム状の直円柱から成り、
ｄ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体は、ダイヤモンド結晶粒度及び粒度分布だけが異なり且つダイヤモンドと金属のネットワーク組成比及び金属元素組成に関して不変である互いに異なるＰＣＤ材料で作られた２つの物理的体積部を有し、
ｅ）一様なＰＣＤ材料の第１の物理的体積部は、湾曲ドーム状の自由表面から前記平坦な基部に平行な第２の物理的体積部との境界部まで延び、前記全体的自立型ＰＣＤ本体体積部の３％を超え且つ５０％以下を占め、前記第１の物理的体積部は、前記機能的作業体積部を完全に包囲し、前記第２の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも細かい平均ダイヤモンド結晶粒度を有するＰＣＤ材料で作られ、
ｆ）前記第２の物理的体積部は、前記第１の物理的体積部から延び、前記全体的自立型ＰＣＤ本体の残部を占め、前記第１の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも大きい平均ダイヤモンド結晶粒度を有するＰＣＤ材料で作られ、前記第１の物理的体積部の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、
ｇ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体には、マクロ的応力がなく、前記平均結晶粒度の１０倍を超える残留応力がなく、前記結晶粒度の最も粗い成分は、前記平均結晶粒度以下である、請求項１０又は１１に記載のカッタ要素。
【請求項１４】
ａ）前記自立型ＰＣＤ本体は、一端が単一のチゼル形状の直円柱形状のものであり、前記チゼル形状は、前記直角柱の基部に平行である場合があり又は平行ではない場合がある真っ直ぐなエッジのところで交わった円錐の２つの対称傾斜切頭部によって形成され、
ｂ）前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、前記真っ直ぐなエッジ及び円錐形湾曲表面又は真っ直ぐなエッジによって形成された先端のうちの１つであり、前記機能的作業体積部は、該機能的作業体積部が使用中に発生しているとき、前記遠位自由表面から「摩耗」表面まで延びる体積部であり、
ｃ）前記支持体積部は、寿命の終わりにおいて前記全体的本体の残存部分であり、かくして、「摩耗平坦」表面を備えた端がチゼル形状の直円柱から成り、
ｄ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体は、ダイヤモンド結晶粒度及び粒度分布だけが異なり且つダイヤモンドと金属のネットワーク組成比及び金属元素組成に関し不変である互いに異なるＰＣＤ材料で作られた２つの物理的体積部を有し、
ｅ）一様なＰＣＤ材料の第１の物理的体積部は、前記真っ直ぐなエッジ及び円錐形湾曲自由表面から前記第２の物理的体積部との境界部まで延び、前記全体的自立型ＰＣＤ本体体積部の３％超且つ５０％以下を占め、前記第１の物理的体積部は、予想される前記機能的作業体積部を完全に包囲し、前記第２の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも細かい平均ダイヤモンド結晶粒度を有するＰＣＤ材料で作られ、
ｆ）前記第２の物理的体積部は、前記第１の物理的体積部から延び、前記全体的自立型ＰＣＤ本体の残部を占め、前記第１の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも大きい平均ダイヤモンド結晶粒度を有するＰＣＤ材料で作られ、
ｇ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体には、マクロ的応力がなく、前記平均結晶粒度の１０倍を超える残留応力がなく、前記結晶粒度の最も粗い成分は、前記平均結晶粒度以下である、請求項６、１０又は１１に記載のカッタ要素。
【請求項１５】
前記機能的作業体積部は、互いに異なるＰＣＤ材料の層として２つ又は３つ以上の物理的体積部を有する、請求項１記載のカッタ要素。
【請求項１６】
互いに異なるＰＣＤ材料の前記層は、該層中の前記ＰＣＤ材料の前記平均ダイヤモンド結晶粒度の１０倍の最小厚さを有する、請求項１５記載のカッタ要素。
【請求項１７】
前記機能的作業体積部は、隣り合う互いに異なるＰＣＤ材料の交互に位置する層を有する、請求項１５又は１６に記載のカッタ要素。
【請求項１８】
前記機能的作業体積部の前記自由表面に隣接して位置する前記ＰＣＤ材料中の前記金属は、全体が又は一部が制御された深さに近づくにつれて減少している、請求項１〜１７のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
【請求項１９】
請求項１〜１８のうちいずれか一に記載のカッタ要素を製造する方法であって、前記ＰＣＤ本体は、各々が、特定の平均結晶粒度及び粒度分布の内部成長ダイヤモンド結晶粒と、特定の原子組成の個別的にあらかじめ選択された相互侵入金属ネットワークと、別個独立にあらかじめ選択された全体的な金属とダイヤモンドの比とのあらかじめ選択された組み合わせを含む１つ又は２つ以上の物理的体積部を有し、前記方法は、
ａ）各物理的体積部について組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の塊状体を形成するステップを含み、前記塊状体は、部分ダイヤモンド再結晶化を介するダイヤモンド粒子と粒子の結合に必要な唯一の金属源であり、
ｂ）ダイヤモンド粒子と金属材料の各塊状体を圧密化してあらかじめ選択されたサイズ及び３次元形状の別々の凝集性未焼結本体を生じさせ、該未焼結本体を全体的凝集性未焼結本体に組み合わせ又はその後各凝集体を圧密化してあらかじめ選択されたサイズ及び３次元形状の全体的凝集性未焼結本体を生じさせるステップを含み、
ｃ）前記全体的未焼結本体に高圧及び高温条件を与え、前記金属材料が全体的に又は部分的に溶融状態になり、そしてダイヤモンド粒子と粒子の結合を容易にするようになっているステップを含む、方法。
【請求項２０】
組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の各塊状体は、前記ダイヤモンド粒子を機械的に粉砕すると共に前記ダイヤモンド粒子を１つ又は２つ以上の金属粉末と混合して前記ダイヤモンド粒子との均一組み合わせを作り、前記塊状体を真空又はガス状還元環境内で次の熱処理によって精製することによって形成され、又は、
組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の各塊状体は、前記ダイヤモンド粒子を機械的に粉砕して前記ダイヤモンド材料と前記金属のための１つ又は２つ以上の前駆物質コンパウンド粉末を混合してダイヤモンド粒子との均一組み合わせを作り、真空又はガス還元環境内での次の熱処理によって前記前駆物質コンパウンドを金属状態に変換し、還元し又は解離することによって形成され、又は、
組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の各塊状体は、
ａ）前記ダイヤモンド粒子を液体媒体中に懸濁させるステップと、
ｂ）前記液体媒体中の前記金属材料のための１種類又は２種類以上の前駆物質を反応体の溶液の制御された追加によって反応的に生じさせて前記前駆物質が核となって前記ダイヤモンド粒子表面を装飾する粒子として前記ダイヤモンド粒子の表面上で成長するようにするステップと、
ｃ）前記ダイヤモンド粒子を前記ダイヤモンド粒子の前駆物質装飾体を懸濁液から除去するステップと、
ｄ）前記ダイヤモンドと前駆物質の組み合わせに熱処理を施して前記前駆物質を解離すると共に減少させ、それにより前記ダイヤモンド粒子表面にくっついた金属粒子を装飾するものとして金属材料を形成するステップとによって形成される、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
形成される前記カッタは、
ａ）純水媒体中にダイヤモンド粒子の１つ又は２つ以上の塊状体を懸濁させるステップと、
ｂ）水溶性遷移金属化合物の溶液を水溶性反応体を各懸濁液に同時に追加して不溶性遷移金属化合物を沈殿させて該不溶性遷移金属が核となり、そして前記ダイヤモンド表面を装飾する金属前駆物質化合物として前記ダイヤモンド粒子の表面上で成長するようにするステップと、
ｃ）前記懸濁液からダイヤモンド粒子の前記１つ又は複数個の塊状体を前記ダイヤモンド粒子の金属前駆物質表面装飾化合物と一緒に除去して乾燥粉末塊状体を形成するステップと、
ｄ）ダイヤモンドと金属前駆物質の組み合わせの１つ又は複数の塊状体に水素ガス含有ガス環境内で熱処理を施して前記金属前駆物質を減少させると共に／或いは解離し、それによりダイヤモンド粒子の１つ又は複数の塊状体を形成し、各ダイヤモンド粒子を純粋遷移金属粒子又は遷移金属合金粒子で装飾するステップと、
ｅ）前記ダイヤモンド粒子の１つ又は複数の塊状体を個々に又は組み合わせ状態で等方圧で圧縮して平均ダイヤモンド結晶粒度の１０倍を超える尺度で密度に関して巨視的に均質である所定の寸法形状の準高密度未焼結本体を形成し、ダイヤモンド結晶粒度の最も粗い成分が平均結晶粒度の３倍以下であるようにするステップと、
ｆ）１つ又は複数個の未焼結本体に５ＧＰａを超える圧力及び１１００℃を超える温度を加えて前記遷移金属又は合金が溶融すると共に部分ダイヤモンド再結晶があらゆる空間方向において等しい収縮率で起こり、それにより完全高密度ＰＣＤ本体が得られるようにするステップによって表面仕上げだけが高圧及び高温処理後に必要であるように選択されると共に所定の寸法及び形状に近い、請求項２０記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２０１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２０１】
参照文献
１．アディア・エム・エム（Adia, M M）及びデービーズ・ジー・ジェイ（Davies, G J）名義の英国特許出願第１１２２０６４．７号明細書及び米国特許出願第６１／５７８７２６号明細書（発明の名称：A Superhard Structure or Body of Polycrystalline Diamond Containing Material）
２．アディア・エム・エム（Adia, M M ）及びデービーズ・ジー・ジェイ（Davies, G J ）名義の英国特許出願第１１２２０６６．２号明細書及び米国特許出願第６１／５７８７３４号明細書（発明の名称：Methods of Forming a Superhard Structure or Body Comprising a Body of Polycrystalline Diamond Containing Material）
３．アディア・エム・エム（Adia, M M）、デービーズ・ジー・ジェイ（Davies, G J）、及びボウズ・シー・ディー（Bowes, C D）名義の国際公開第２０１２／０８９５６６号パンフレット（発明の名称：A Superhard Structure and Method of Making Same）
４．アディア・エム・エム（Adia, M M）、デービーズ・ジー・ジェイ（Davies, G J）、及びボウズ・シー・ディー（Bowes, C D）名義の国際公開第２０１２／０８９５６７号パンフレット（発明の名称：A Superhard Structure and Method of Making Same ）
５．タンク・ケー（Tank, K ）、アディア・エム・エム（Adia, M M）、及びモロゾフ・ケー・イー（Morosov, K E）名義の国際公開第２００８／１０２３２４（Ａ１）号パンフレット（発明の名称：Cutting Elements）
６．スコット・ディー・イー（Scott, D E）、スキーム・エム・アール（Skeem, M R）、ルンド・ジェイ・ビー（Lund, J B）、リバーサージェ・ジェイ・エイチ（Liversage, J H）、及びアディア・エム・エム（Adia, M M）名義の国際公開第２０１１／０４１６９３（Ａ２）号パンフレット（発明の名称：Cutting Elements Configured to Generate Shear Lips During Use in Cutting , Earth Boring Tools Including Such Cutting Elements and Methods of Forming and Using Such Cutting Elements and Earth Boring Tools）
７．ブリッジマン・ピー・ダブリュー（Bridgeman, P W），「フィジカル・レビュー（Physical Review）」，１９３５年，第４８巻，ｐ．８２５〜８３２
８．欧州特許第０５７３１３５（Ｂ１）号明細書（出願人：ジェニングス・ビー・エー（Jennings, B. A.）、発明の名称：Abrasive tools、出願公開日：１９９３年１２月）
９．スモールマン・シー・ジー（Smallman, C G）、アディア・エム・エム（Adia, M M）、及びライ・サン・エル・エス（Lai Sang, L S）名義の米国特許出願第１２／９６２，４３３（出願日：２０１０年１２月７日出願、発明の名称：Polycrystalline Diamond Structure ）、国際公開第２０１１／０６９６３７号パンフレットとして公開された国際出願ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／００７４２５明細書（出願日：２０１０年１２月７日）（発明の名称：Polycrystalline Diamond Structure）
１０．ブルックス・シー・エー（Brookes, C A）、及びブルックス・イー・ジェイ（Brookes, E J），「ダイヤモンド・イン・パースペクティブ：ア・レビュー・オブ・メカニカル・プロパティーズ・オブ・ナチュラル・ダイヤモンド（Diamond in perspective: a review of mechanical properties of natural diamond）」，ダイヤモンド・アンド・リレイテッド・マテリアルズ（Diamond and Related Materials），１９９１年，第１巻，ｐ．１３〜１７
１１．ブルックス・イー・ジェイ（Brookes, E J），博士論文（PhD Thesis），（１９９２），ザ・ユニバーシティ・オブ・ハル（The University of Hull）
１２．ヒッブス・エル・イー（Hibbs, L E）、及びリー・エム（Lee, M），「サム・アスペクツ・オブ・ザ・ウェア・オブ・ポリクリスタライン・ダイヤモンド・ツールズ・イン・ロック・リムーバル・プロセシーズ（Some aspects of the wear of polyrystallilne diamond tools in rock removal processes）」，ウェア（Wear），１９７８年，第４６号，ｐ．１４１
１３．プラカシュ・ブイ（Prakash, V），「ファイナイト・エレメント・メソッド・フォア・テンプリチャー・ディストリビューション・イン・シンセティック・ダイヤモンド・カッターズ・ドゥーリング・オーソゴナル・ロック・カッティング（Finite Element Method for Temperature Distribution in Synthetic Diamond Cutters During Orthogonal Rock Cutting）」，博士論文（PhD Thesis），カンザス・ステイト・ユニバーシティ，マンハッタン州カンザス，１９８６年
また、好ましい構成態様として、本発明を次のように構成することもできる。
１．  岩石除去のためのカッタ要素であって、
ダイヤモンドと金属の相互侵入ネットワークを有する自立型ＰＣＤ本体を有し、前記自立型ＰＣＤ本体は、
前記ＰＣＤ本体の境界部内に位置する１つ又は２つ以上の物理的体積部を更に有し、前記全体的本体のための前記ＰＣＤ材料は、前記ダイヤモンドと金属のネットワーク組成比及び金属元素組成の面で不変であり、各物理的体積部は、前記ダイヤモンドと金属のネットワーク組成比及び前記金属元素組成に関して任意他の物理的体積部とは異ならないようになっており、
前記ＰＣＤ本体の遠位側に位置する機能的作業体積部を更に有し、前記機能的作業体積部は、使用にあたり、前記岩石に接触する領域又は体積部を形成し、剪断と圧潰と研削の組み合わせによって前記岩石の漸次除去を生じさせ、前記機能的作業体積部それ自体は、前記ＰＣＤ本体の寿命中、次第に摩耗し、
使用中に残存し、近位自由表面を備えた機能的支持体積部を更に有し、前記機能的支持体積部は、前記機能的作業体積部から延びていて、前記ハウジング本体への前記岩石除去ＰＣＤ本体の取り付け手段と共に前記機能的作業体積部に対して機械的及び熱的支持作用を提供する領域又は体積部であり、
前記機能的作業体積部は、エッジ、頂点、凸状湾曲面又は突起の任意の組み合わせから成る隣り合う自由表面相互間の遠位自由表面又は境界部から、前記機能的作業体積部の遠位末端からの延長線に沿って全体的本体の図心を通って前記機能的支持体積部の近位末端まで前記機能的支持体積部中に延びる前記機能的作業体積部の断面積が増大しながら延び、
前記機能的支持体積部は、前記全体的自立型ＰＣＤ本体の前記図心を包囲し、
前記全体的ＰＣＤ本体は、前記全体的ＰＣＤ本体の外接直方体の最も長いエッジの長さと前記機能的作業体積部が延びる起点としての前記外接直方体の最も小さな三角形面の最も大きな幅の比が１．０以上であるようなアスペクト比を備えた形状を有し、
前記自立型ＰＣＤ本体にはマクロ的応力がなく、しかも前記自立型ＰＣＤ本体には、平均結晶粒度の１０倍を超える尺度の残留応力がなく、結晶粒度の最も粗い成分は、前記平均結晶粒度の３倍以下である、カッタ要素。
２．  前記自立型ＰＣＤ本体は、１つの物理的体積部から成る、上記１記載のカッタ要素。
３．  前記自立型ＰＣＤ本体は、２つ又は３つ以上の物理的体積部から成る、上記１記載のカッタ要素。
４．  前記ＰＣＤ本体は、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面から延びる１つの鏡映面を有し、前記遠位自由表面は、湾曲エッジを有する、上記２又は３記載のカッタ要素。
５．  前記ＰＣＤ本体の全体的形状は、直円柱であり、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、１つの円周方向エッジの一部である、上記４記載のカッタ要素。
６．  ＰＣＤ材料の２つの物理的体積部を有し、前記物理的体積部の境界部は、前記全体的ＰＣＤ本体の両方の平べったい端部に平行である、上記５記載のカッタ要素。
７．  前記ＰＣＤ本体は、機能的作業体積部の遠位末端から延びる１つの鏡映面を有し、前記遠位自由表面は、真っ直ぐなエッジを有する、上記１〜６のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
８．  前記ＰＣＤ本体は、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面から延びる１つの鏡映面を有し、前記遠位末端は、頂点を有する、上記１〜６のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
９．  前記全体的ＰＣＤ本体は、前記直円柱の胴又はフランクに沿う１つ又は２つ以上の平坦な表面によって改変された直角柱であり、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、真っ直ぐなエッジ又は頂点である、上記７又は８記載のカッタ要素。
１０．  前記ＰＣＤ本体は、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面を通るｎ回回転軸線を有し、前記遠位自由表面は、湾曲した表面を含み又は前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面から延びる無数の鏡映面を有する、上記１〜３のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
１１．  前記ＰＣＤ本体は、一端が半球形の直円柱である、上記１０記載のカッタ要素。
１２．  前記ＰＣＤ本体は、一端が円錐形である直円柱であり、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、丸形先端である、上記１０記載のカッタ要素。
１３．  前記機能的作業体積部は、２つ又は３つ以上の平坦な表面又はファセットを備えた湾曲表面により形成された全体としてチゼルの形状を有し、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、先端、湾曲したエッジ又は真っ直ぐなエッジであるよう前記ファセット相互間の境界部により形成されている、上記１〜４及び７のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
１４．  前記機能的作業体積部は、湾曲した表面を有し、前記機能的作業体積部は、共通の境界部のない状態で隔離された１つ又は２つ以上の平坦な表面又はファセットを有し、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、湾曲したエッジであるようファセットと前記湾曲した表面との間の境界部によって形成されている、上記１〜４のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
１５．  前記全体的ＰＣＤ本体形状は、単一の切頭平坦表面又はファセットを備えた端が円錐形の直円柱であり、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、前記切頭ファセット及び前記円錐形湾曲表面を境界付ける円形又は楕円形又は放物線状湾曲エッジの一部である、上記１４記載のカッタ要素。
１６．  前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、楕円形湾曲エッジの一部である、上記１５記載のカッタ要素。
１７．  前記機能的支持体積部の形状は、円形又は楕円形断面を有する直角柱である、上記１〜１６のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
１８．  前記機能的支持体積部の形状は、直円柱である、上記１７記載のカッタ要素。
１９．  前記ＰＣＤ本体の前記機能的支持体積部は、多角形断面を有し、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、１つの真っ直ぐなエッジ又は１つの頂点である、上記１〜３、７又は８のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
２０．  前記機能的支持体積部形状は、断面積が前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面から前記機能的支持体積部の前記近位表面までの全体的方向又は平坦な基部又は近位表面に平行な全体的方向に沿って増大している、上記１〜１９のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
２１．  前記機能的支持体積部形状は、円錐形表面又はその一部又はフランジの任意の組み合わせを有する、上記２０記載のカッタ要素。
２２．  前記機能的支持体積部は、少なくとも一部がねじ切りされている、上記１〜２１のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
２３．  ＰＣＤ材料の２つ又は３つ以上の物理的体積部を有し、前記２つ又は３つ以上の物理的体積部のうちの少なくとも１つは、ダイヤモンド結晶粒度の分布が他の物理的体積部のうちの任意のもの又は全てとは異なっている、上記１〜２２のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
２４．  前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面又は前記自由表面に隣接して位置する前記ＰＣＤ材料は、平均結晶粒度が前記機能的支持体積部の１つ又は複数の近位表面に隣接して位置する前記ＰＣＤ材料よりも小さい、上記２３記載のカッタ要素。
２５．  前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面又は前記自由表面に隣接して位置する前記ＰＣＤ材料は、１０マイクロメートル未満の平均結晶粒度を有する、上記２４記載のカッタ要素。
２６．  前記ＰＣＤ材料は、任意の物理的体積部内において、値ｙの体積部パーセントよりも低いよう別個独立にあらかじめ選択された金属含有量を有し、ｙ＝−０．２５ｘ＋１０であり、ｘは、マイクロメートル単位で表された前記ＰＣＤ材料の平均結晶粒度である、上記１〜２５のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
２７．  前記自立型本体の前記金属は、コバルトである、上記１〜２６のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
２８．  ＰＣＤ材料の１つの物理的体積部は、該物理的体積部が使用中に発生して前記全体的自立型ＰＣＤ本体の３％超を占めたときに前記機能的作業体積部を完全に包囲する、上記３又は４〜２７のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
２９．  ＰＣＤ材料の１つの物理的体積部は、該物理的体積部が使用中に発生して前記全体的自立型ＰＣＤ本体の５０％以下を占めたときに前記機能的作業体積部を完全に包囲する、上記２８記載のカッタ要素。
３０．  ａ）前記自立型ＰＣＤ本体は、全体的に直円柱の形状を有し、
ｂ）前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、前記円形周辺エッジの一部であり、前記機能的作業体積部は、該機能的作業体積部が使用中に発生しているとき、前記遠位自由表面から平坦な「摩耗」表面まで延びる体積部であり、前記平坦な「摩耗」表面は、前記円筒形本体の頂部平坦表面及び前記湾曲した「胴」表面と交差し、
ｃ）前記機能的支持体積部は、寿命の終わりにおいて前記全体的本体の残存部分であり、かくして、「摩耗平坦」表面を備えた直円柱から成り、
ｄ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体の前記元素組成は、前記本体全体を通じて不変であり、同一の金属又は合金が前記本体全体にわたって存在し、
ｅ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体は、ダイヤモンド結晶粒度及び粒度分布が互いに異なる種々のＰＣＤ材料で作られた２つの物理的体積部を有し、
ｆ）一様なＰＣＤ材料の第１の直円柱形物理的体積部は、前記全体的自立型ＰＣＤ本体体積部の３０％〜５０％以下を占める前記全体的円筒形本体の一端部を完全に横切る層として延び、前記第１の物理的体積部は、前記機能的作業体積部を完全に包囲し、第２の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも細かい平均ダイヤモンド結晶粒度を備えたＰＣＤ材料で作られ、
ｇ）前記第２の物理的体積部は、前記第１の物理的体積部から延び、直円柱であり、前記全体的自立型ＰＣＤ本体の残部を占め、前記第１の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも大きい平均ダイヤモンド結晶粒度を備えたＰＣＤ材料で作られ、
ｈ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体には、マクロ的応力がなく、前記平均結晶粒度の１０倍を超える残留応力がなく、前記結晶粒度の最も粗い成分は、前記平均結晶粒度以下である、上記６、２４、２６及び２９のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
３１．  ａ）前記自立型ＰＣＤ本体は、直円柱形状のものであり、一端が半球形ドームであり、反対側の端が平坦な基部であり、
ｂ）前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、前記ドームの前記湾曲自由平面の一部であり、使用中に定められた前記機能的作業体積部は、前記遠位末端から平坦な「摩耗」表面まで延びる体積部であり、
ｃ）前記機能的支持体積部は、寿命の終わりにおける前記全体的本体の残存部分であり、かくして、「摩耗平坦」表面及び反対側の端の平坦な基部を備えた端がドーム状の直円柱から成り、
ｄ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体は、ダイヤモンド結晶粒度及び粒度分布だけが異なり且つダイヤモンドと金属のネットワーク組成比及び金属元素組成に関して不変である互いに異なるＰＣＤ材料で作られた２つの物理的体積部を有し、
ｅ）一様なＰＣＤ材料の第１の物理的体積部は、湾曲ドーム状の自由表面から前記平坦な基部に平行な第２の物理的体積部との境界部まで延び、前記全体的自立型ＰＣＤ本体体積部の３％を超え且つ５０％以下を占め、前記第１の物理的体積部は、前記機能的作業体積部を完全に包囲し、前記第２の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも細かい平均ダイヤモンド結晶粒度を有するＰＣＤ材料で作られ、
ｆ）前記第２の物理的体積部は、前記第１の物理的体積部から延び、前記全体的自立型ＰＣＤ本体の残部を占め、前記第１の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも大きい平均ダイヤモンド結晶粒度を有するＰＣＤ材料で作られ、前記第１の物理的体積部の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、
ｇ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体には、マクロ的応力がなく、前記平均結晶粒度の１０倍を超える残留応力がなく、前記結晶粒度の最も粗い成分は、前記平均結晶粒度以下である、上記１１、１８、２０、２３、２４、２６及び２９のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
３２．  ａ）前記自立型ＰＣＤ本体は、一端が単一のチゼル形状の直円柱形状のものであり、前記チゼル形状は、前記直角柱の基部に平行である場合があり又は平行ではない場合がある真っ直ぐなエッジのところで交わった円錐の２つの対称傾斜切頭部によって形成され、
ｂ）前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、前記真っ直ぐなエッジ及び円錐形湾曲表面又は真っ直ぐなエッジによって形成された先端のうちの１つであり、前記機能的作業体積部は、該機能的作業体積部が使用中に発生しているとき、前記遠位自由表面から「摩耗」表面まで延びる体積部であり、
ｃ）前記支持体積部は、寿命の終わりにおいて前記全体的本体の残存部分であり、かくして、「摩耗平坦」表面を備えた端がチゼル形状の直円柱から成り、
ｄ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体は、ダイヤモンド結晶粒度及び粒度分布だけが異なり且つダイヤモンドと金属のネットワーク組成比及び金属元素組成に関し不変である互いに異なるＰＣＤ材料で作られた２つの物理的体積部を有し、
ｅ）一様なＰＣＤ材料の第１の物理的体積部は、前記真っ直ぐなエッジ及び円錐形湾曲自由表面から前記第２の物理的体積部との境界部まで延び、前記全体的自立型ＰＣＤ本体体積部の３％超且つ５０％以下を占め、前記第１の物理的体積部は、予想される前記機能的作業体積部を完全に包囲し、前記第２の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも細かい平均ダイヤモンド結晶粒度を有するＰＣＤ材料で作られ、
ｆ）前記第２の物理的体積部は、前記第１の物理的体積部から延び、前記全体的自立型ＰＣＤ本体の残部を占め、前記第１の物理的体積部の平均ダイヤモンド結晶粒度よりも大きい平均ダイヤモンド結晶粒度を有するＰＣＤ材料で作られ、
ｇ）前記全体的自立型ＰＣＤ本体には、マクロ的応力がなく、前記平均結晶粒度の１０倍を超える残留応力がなく、前記結晶粒度の最も粗い成分は、前記平均結晶粒度以下である、上記１３、１８、２４、２６、２７及び２９のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
３３．  前記機能的作業体積部は、２つ又は３つ以上の物理的体積部から成り、互いに異なる物理的体積部相互間の少なくとも１つの境界部が前記機能的作業体積部中に延びている、上記１、３又は上記３に従属した上記４〜２７のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
３４．  前記機能的作業体積部は、互いに異なるＰＣＤ材料の２つ又は３つ以上の物理的体積部を有し、隣り合う物理的体積部は、ダイヤモンド結晶粒度分布が異なっている、上記３３記載のカッタ要素。
３５．  前記機能的作業体積部は、互いに異なるＰＣＤ材料の２つ又は３つ以上の物理的体積部を有し、隣り合う物理的体積部は、ダイヤモンド結晶粒度分布が異なることによって耐摩耗性が異なる、上記３４記載のカッタ要素。
３６．  前記機能的作業体積部は、互いに異なるＰＣＤ材料の層として２つ又は３つ以上の物理的体積部を有する、上記３４又は３５記載のカッタ要素。
３７．  互いに異なるＰＣＤ材料の前記層は、互いに平行な平坦な層として又は同心円柱として又は螺旋断面を備えた「スイスロール（Swiss Roll）」として配置されている、上記３６記載のカッタ要素。
３８．  互いに異なるＰＣＤ材料の前記層は、厚さが互いに等しい、上記３７記載のカッタ要素。
３９．  互いに異なるＰＣＤ材料の前記層は、該層中の前記ＰＣＤ材料の前記平均ダイヤモンド結晶粒度の１０倍の最小厚さを有する、上記３７又は３８記載のカッタ要素。
４０．  前記機能的作業体積部は、隣り合う互いに異なるＰＣＤ材料の交互に位置する層を有する、上記３６〜３９のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
４１．  １つ又は２つ以上の突出剪断リップが使用中、ＰＣＤ材料の隣り合う物理的体積部相互間の耐摩耗性の差に起因して摩耗傷跡表面のところに生じる、上記３６〜４０のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
４２．  前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面は、エッジであり、前記機能的作業体積部の前記自由表面は、ブレークインチャンファを含む、上記１〜９、１３〜３０及び３２〜４１のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
４３．  前記機能的作業体積部の前記自由表面は、ブレークインチャンファ及び先導チャンファ、ランディングチャンファ、後続チャンファのうちの１つ又は２つ以上の任意の組み合わせを含む、上記４２記載のカッタ要素。
４４．  前記機能的作業体積部の前記自由表面は、先導チャンファ、ブレークインチャンファ、ランディングチャンファ及び後続チャンファを含む、上記４３記載のカッタ要素。
４５．  前記本体の前記全自由表面に隣接して位置する前記ＰＣＤ材料中の前記金属は、全体又は一部が制御された深さに近づくにつれて減少している、上記１〜４４のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
４６．  前記機能的作業体積部の前記自由表面に隣接して位置する前記ＰＣＤ材料中の前記金属は、全体が又は一部が制御された深さに近づくにつれて減少している、上記１〜４５のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
４７．  前記金属減少深さは、９０マイクロメートル未満である、上記４５又は４６記載のカッタ要素。
４８．  ａ）前記金属減少深さは、９０マイクロメートルを超え且つ２５０マイクロメートル未満であり、且つ／或いは、
ｂ）平均ダイヤモンド結晶粒度は、１０マイクロメートル未満である、上記４５又は４６記載のカッタ要素。
４９．  ａ）前記金属減少深さは、９０マイクロメートルを超え且つ１０００マイクロメートル未満であり、且つ／或いは、
ｂ）前記機能的作業体積部の前記ＰＣＤ材料は、１０マイクロメートルを超える平均ダイヤモンド結晶粒度を有する、上記４５又は４６記載のカッタ要素。
５０．  金属が減少した前記自由表面から延びるＰＣＤ材料の層の存在の結果として、使用中、前記機能的作業体積部の漸次摩耗中、摩耗傷跡表面のところに突出剪断リップが形成される、上記４８又は４９記載のカッタ要素。
５１．  突出剪断リップが使用中、
ａ）互いに異なる耐摩耗性を有する互いに異なるＰＣＤ材料の２つ又は３つ以上の層及び／又は、
ｂ）前記機能的作業体積部の前記自由表面から延びる金属減少ＰＣＤの層、及び／又は、
ｃ）ブレークインチャンファ、先導チャンファ、ランディングチャンファ及び後続チャンファの任意の組み合わせの任意の組み合わせの存在に起因して、前記機能的作業体積部の漸次摩耗中に、摩耗傷跡表面のところに生じる、上記４１〜５０のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
５２．  突出剪断リップが前記機能的作業体積部の漸次摩耗中に摩耗傷跡表面のところに生じると共に局所耐摩耗性の高い層のＰＣＤ材料の平均結晶粒度の２〜５倍の高さまで前記摩耗傷跡表面から盛り上がっている、上記５１記載のカッタ要素。
５３．  前記全体的ＰＣＤ本体の前記外接直方体の最も長いエッジの最大寸法は、１５０ｍｍまでである、上記１〜５２のうちいずれか一に記載のカッタ要素。
５４．  ハウジング本体であって、自然岩石除去用途において使用できるよう協働的に且つ支援的に用いられるよう選択されると共に前記ハウジング本体内に挿入され又は前記ハウジング本体に取り付けられた上記１〜５３のうちいずれか一に記載のカッタ要素を１つ又は２つ以上有し、前記ハウジング本体は、ドラグドリルビット又はローラーコーンビットに取り付けられた円錐形ローラーである、ハウジング本体。
５５．  ハウジング本体であって、石炭を含む鉱物、金含有岩石及び抽出可能な金属を含む鉱物を除去するための探鉱目的及び用途において使用できるよう協働的且つ支援的に用いられるよう選択されると共に前記ハウジング本体内に挿入され又は前記ハウジング本体に取り付けられた上記１〜５３のうちいずれか一に記載のカッタ要素を１つ又は２つ以上有する、ハウジング本体。
５６．  ハウジング本体であって、コンクリート、煉瓦及び路面表面仕上げ材料を含む天然及び合成岩石を穴あけしたり機械加工したりするための建築目的及び用途において使用できるよう協働的に且つ支援的に用いられるよう選択されると共に前記ハウジング本体内に挿入され又は前記ハウジング本体に取り付けられた上記１〜５３のうちいずれか一に記載のカッタ要素を１つ又は２つ以上有する、ハウジング本体。
５７．  ハウジング本体であって、協働的且つ支援的に用いられるよう選択されると共に前記ハウジング本体内に挿入され又は前記ハウジング本体に取り付けられた上記１〜５３のうちいずれか一に記載のカッタ要素を１つ又は２つ以上有し、前記機能的作業体積部の前記遠位自由表面から見て前記ハウジング本体の前記自由表面の上方の前記ＰＣＤ本体の露出高さは、前記全体的ＰＣＤ本体の前記最大寸法の１／３までである、ハウジング本体。
５８．  上記１〜５３のうちいずれか一に記載のカッタ要素を製造する方法であって、前記ＰＣＤ本体は、各々が、特定の平均結晶粒度及び粒度分布の内部成長ダイヤモンド結晶粒と、特定の原子組成の個別的にあらかじめ選択された相互侵入金属ネットワークと、別個独立にあらかじめ選択された全体的な金属とダイヤモンドの比とのあらかじめ選択された組み合わせを含む１つ又は２つ以上の物理的体積部を有し、前記方法は、
ａ）各物理的体積部について組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の塊状体を形成するステップを含み、前記塊状体は、部分ダイヤモンド再結晶化を介するダイヤモンド粒子と粒子の結合に必要な唯一の金属源であり、
ｂ）ダイヤモンド粒子と金属材料の各塊状体を圧密化してあらかじめ選択されたサイズ及び３次元形状の別々の凝集性未焼結本体を生じさせ、該未焼結本体を全体的凝集性未焼結本体に組み合わせ又はその後各凝集体を圧密化してあらかじめ選択されたサイズ及び３次元形状の全体的凝集性未焼結本体を生じさせるステップを含み、
ｃ）前記全体的未焼結本体に高圧及び高温条件を与え、前記金属材料が全体的に又は部分的に溶融状態になり、そしてダイヤモンド粒子と粒子の結合を容易にするようになっているステップを含む、方法。
５９．  組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の各塊状体は、前記ダイヤモンド粒子を機械的に粉砕すると共に前記ダイヤモンド粒子を１つ又は２つ以上の金属粉末と混合して前記ダイヤモンド粒子との均一組み合わせを作り、前記塊状体を真空又はガス状還元環境内で次の熱処理によって精製することによって形成される、上記５８記載の方法。
６０．  組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の各塊状体は、前記ダイヤモンド粒子を機械的に粉砕して前記ダイヤモンド材料と前記金属のための１つ又は２つ以上の前駆物質コンパウンド粉末を混合してダイヤモンド粒子との均一組み合わせを作り、真空又はガス還元環境内での次の熱処理によって前記前駆物質コンパウンドを金属状態に変換し、還元し又は解離することによって形成される、上記５８記載の方法。
６１．  組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の各塊状体は、
ａ）前記ダイヤモンド粒子を液体媒体中に懸濁させるステップと、
ｂ）前記液体媒体中の前記金属材料のための１種類又は２種類以上の前駆物質を反応体の溶液の制御された追加によって反応的に生じさせて前記前駆物質が核となって前記ダイヤモンド粒子表面を装飾する粒子として前記ダイヤモンド粒子の表面上で成長するようにするステップと、
ｃ）前記ダイヤモンド粒子を前記ダイヤモンド粒子の前駆物質装飾体を懸濁液から除去するステップと、
ｄ）前記ダイヤモンドと前駆物質の組み合わせに熱処理を施して前記前駆物質を解離すると共に減少させ、それにより前記ダイヤモンド粒子表面にくっついた金属粒子を装飾するものとして金属材料を形成するステップとによって形成される、上記５８記載の方法。
６２．  組み合わせ状態のダイヤモンド粒子と金属材料の前記塊状体は、モールド内での一軸圧縮又は等方圧圧縮を用いて未焼結本体構造を形成するよう圧密化される、上記５８〜６１のうちいずれか一に記載の方法。
６３．  前記未焼結本体は、５ＧＰａから１０ＧＰａまでの範囲の高い圧力及び１１００℃から２５００℃までの範囲の高い温度を受ける、上記６２記載の方法。
６４．  形成される前記カッタは、
ａ）純水媒体中にダイヤモンド粒子の１つ又は２つ以上の塊状体を懸濁させるステップと、
ｂ）水溶性遷移金属化合物の溶液を水溶性反応体を各懸濁液に同時に追加して不溶性遷移金属化合物を沈殿させて該不溶性遷移金属が核となり、そして前記ダイヤモンド表面を装飾する金属前駆物質化合物として前記ダイヤモンド粒子の表面上で成長するようにするステップと、
ｃ）前記懸濁液からダイヤモンド粒子の前記１つ又は複数個の塊状体を前記ダイヤモンド粒子の金属前駆物質表面装飾化合物と一緒に除去して乾燥粉末塊状体を形成するステップと、
ｄ）ダイヤモンドと金属前駆物質の組み合わせの１つ又は複数の塊状体に水素ガス含有ガス環境内で熱処理を施して前記金属前駆物質を減少させると共に／或いは解離し、それによりダイヤモンド粒子の１つ又は複数の塊状体を形成し、各ダイヤモンド粒子を純粋遷移金属粒子又は遷移金属合金粒子で装飾するステップと、
ｅ）前記ダイヤモンド粒子の１つ又は複数の塊状体を個々に又は組み合わせ状態で等方圧で圧縮して平均ダイヤモンド結晶粒度の１０倍を超える尺度で密度に関して巨視的に均質である所定の寸法形状の準高密度未焼結本体を形成し、ダイヤモンド結晶粒度の最も粗い成分が平均結晶粒度の３倍以下であるようにするステップと、
ｆ）１つ又は複数個の未焼結本体に５ＧＰａを超える圧力及び１１００℃を超える温度を加えて前記遷移金属又は合金が溶融すると共に部分ダイヤモンド再結晶があらゆる空間方向において等しい収縮率で起こり、それにより完全高密度ＰＣＤ本体が得られるようにするステップによって表面仕上げだけが高圧及び高温処理後に必要であるように選択されると共に所定の寸法及び形状に近い、上記６３記載の方法。
６５．  金属組成は、鉄、ニッケル、コバルト、マンガンの任意の１つ又は組み合わせ又は合金化組み合わせから選択される、上記６３又は６４記載の方法。
６６．  前記金属は、コバルトである、上記６５記載の方法。
６７．  前記金属組成のための１種類又は複数種類の前記前駆物質化合物は、イオン性の塩である、上記６０〜６６のうちのいずれか一に記載の方法。
６８．  前記イオン性塩は、炭酸塩である、上記６７記載の方法。
６９．  任意の１つの実施形態を参照して実質的に明細書において説明した自立型ＰＣＤ本体を有する岩石除去のためのカッタ要素であって、前記実施形態は、添付の図面に示されている、カッタ要素。
７０．  任意１つの実施形態を参照して実質的に明細書において説明した自立型ＰＣＤ本体を有する岩石除去のためのカッタ要素を形成する方法であって、前記実施形態は、添付の図面に示されている、方法。
【国際調査報告】
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