(57)【要約】  本発明は、ＰＣＤ又はＰＣＢＮの層、及びＰＣＤ又はＰＣＢＮの層が中間層を介して結合された焼結炭化物基材を含む研摩インサートであって、中間層は、結合した塊の超硬質研磨粒子及び耐火性粒子を含み、超硬質研磨粒子の平均サイズは、耐火性粒子の平均サイズと同じか又は未満である研摩インサート、並びに当該インサートの製造の方法に関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＣＤ又はＰＣＢＮの層；及び
ＰＣＤ又はＰＣＢＮの層が中間層を介して結合された焼結炭化物基材を含む研摩インサートであって、
中間層は、結合した塊の超硬質研磨粒子及び耐火性粒子を含み、超硬質研磨粒子の平均サイズは、耐火性粒子の平均サイズと同じか又は未満である上記研摩インサート。
【請求項２】
超硬質研磨粒子及び耐火性粒子が、粒子間成長又は粒子間直接結合の全くないか又は実質的にない個別の構成体として存在する、請求項１に記載の研摩インサート。
【請求項３】
中間層がまた結合相を含む、請求項１又は２に記載の研摩インサート。
【請求項４】
結合相が、ＰＣＤ又はＰＣＢＮ層の結合相と同じか又は類似した、請求項３に記載の研摩インサート。
【請求項５】
中間層中の超硬質研磨粒子の量が、体積百分率基準で１０から９０の範囲である、請求項１から４までのいずれか一項に記載の研摩インサート。
【請求項６】
超硬質研磨材が、ダイヤモンド、若しくは立方晶窒化ホウ素又はこれらの混合物である、請求項１から５までのいずれか一項に記載の研摩インサート。
【請求項７】
耐火性粒子が、炭化物、窒化物、ホウ化物又は耐火性粒子類である、請求項１から６までのいずれか一項に記載の研摩インサート。
【請求項８】
超硬質研磨粒子が、１０ミクロンの、又は耐火性粒子のサイズ未満のサイズを有する、請求項１から７までのいずれか一項に記載の研摩インサート。
【請求項９】
中間層の厚さが１００から２０００ミクロンの範囲にある、請求項１から８までのいずれか一項に記載の研摩インサート。
【請求項１０】
超硬研磨／炭化物中間層とＰＣＤ若しくはＰＣＢＮ層との間に、及び／又は超硬研磨／炭化物中間層と焼結炭化物基材との間に設けられる追加中間層（単数若しくは複数）を包含する、請求項１から９までのいずれか一項に記載の研摩インサート。
【請求項１１】
ＰＣＤ又はＰＣＢＮ層が細粒又は粗粒の型である、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の研摩インサート。
【請求項１２】
超硬研磨層の厚さが、０．１から４ｍｍの範囲にある、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の研摩インサート。
【請求項１３】
基材の焼結炭化物が、焼結炭化タングステン、焼結炭化タンタル、焼結炭化モリブデン及び焼結炭化チタンから選択される、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の研摩インサート。
【請求項１４】
結合相が６から２０質量％の量で存在する、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の研摩インサート。
【請求項１５】
ＰＣＤ又はＰＣＢＮ層の厚さが少なくとも２．５ｍｍである場合、焼結炭化物の結合相は９〜１０質量％未満である、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の研摩インサート。
【請求項１６】
弾丸又はドーム形に成形される、請求項１から１５までのいずれか一項に記載の研摩インサート。
【請求項１７】
焼結炭化物基材を準備するステップ；
超硬質研磨粒子の平均サイズが耐火性粒子の平均サイズと同じか又は未満である、超硬質研磨粒子及び耐火性粒子の混合物を、基材の表面に層の形で配置するステップ；
場合によって結合相を含む、ダイヤモンド又は立方晶ホウ素又はこれらの混合物の層を、超硬質研磨粒子及び耐火性粒子の層の上へ配置するステップ；及び
この未結合の集合体を、成形体合成条件にさらすステップ
を含む、請求項１に記載の研摩インサートを製造する方法。
【請求項１８】
未結合の集合体が適切な反応カプセル内に配置され、次いで、公知の高圧／高温装置の反応ゾーン中に配置される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
反応カプセルの内容物が、５から８ＧＰａの圧力、及び摂氏１３００から１６００度の温度にさらされる、請求項１７又は１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研摩インサート（ａｂｒａｓｉｖｅ  ｉｎｓｅｒｔｓ）、詳しくは、ローラー傘型（ｒｏｌｌｅｒ  ｃｏｎｅ  ｔｙｐｅ）ビット及び打撃型（ｐｅｒｃｕｓｓｉｏｎ  ｔｙｐｅ）ビット、並びに採掘ピックに使用される研摩インサートに関する。
【背景技術】
【０００２】
ローラー傘型超硬ドリルビットは、石油、ガス及び地熱の穿孔作業に広く使用されている。一般に、ローラー傘型超硬ドリルビットは、ドリルストリングに連結された本体、及びドリルビットの軸を横切る軸に関して回転させるためのビット本体上のジャーナル軸受にそれぞれ搭載された、通常３つの中空カッターコーンを備える。使用の際、ドリルストリング及びビット本体は穿孔穴内で回転し、各コーンは、ドリルされる穿孔穴の底部にコーンが接触しながら、各ジャーナル軸受上で回転する。
【０００３】
打撃ハンマードリルは、ドリル本体内にあるピストンでドリルビットを強打することにより、岩石を貫通させる。これらのドリルは空気、水又は油を使用して運転することができるが、最も一般的な媒体は空気である。岩石との接触は、通常半球又はロケット形の円筒状ボタンインサートがビット面に押しつけられるボタンビットを介してなされる。打撃型ビットは回転式打撃工具であり、これらの機能は穴を空ける材料を衝撃破砕することである。
【０００４】
ローラーコーン及び打撃型ビット用の研摩インサートは、一般に、焼結炭化物（ｃｅｍｅｎｔｅｄ  ｃａｒｂｉｄｅ：超硬合金）、特に焼結炭化タングステン、又は多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）から製造される。多結晶ダイヤモンドの研摩インサートは、一般に、焼結炭化物支持体又は基材に結合される。ＰＣＤの研摩インサートは、焼結炭化物の研摩インサートより耐摩耗性が大きいという利点を有する。
【０００５】
ピックは、石炭の採鉱、岩石を貫くトンネル工事、及び路面舗装施工などの用途において使用される機械類の切削工具として使用される。「ピック」という用語は、通常、岩石の表面に沿って食い込ませ掻くことにより岩石を切断する、先の尖った又はたがね形の岩石切削工具を意味する。ピックは通常、切削チップを形成する炭化タングステン−コバルト又はＰＣＤ材料を含む鋼製シャンクからなる。
【０００６】
ダイヤモンド研磨成形体としても知られるＰＣＤは脆い傾向があり、そのような材料は使用の際、支持体を与える焼結炭化物基材に結合されることが多い。そのような支持された研磨成形体は、複合ダイヤモンド研磨成形体として当技術分野では公知である。複合ダイヤモンド研磨成形体は、したがって、研磨工具の作用面に使用することができる。
【０００７】
立方晶窒化ホウ素研磨成形体としても知られる多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）は、焼結炭化物基材などの基材に使用の際に結合することができる、別の超硬質研摩材料である。
【０００８】
ＨＰＨＴ条件で製造される焼結炭化物基材に結合した研磨成形体は、それらの条件で平衡状態にするか、又は平衡状態に近づける。成形体を常温及び常圧状態にすると、研磨層と基材の熱的及び機械的／弾性的特性の差異のために、研磨成形体に大きい応力を引き起こす。この組合せ効果によって、研磨層は応力が高い状態になる。有限要素解析によると、研磨層には一部の領域で引張力があり、どこか他のところでは圧縮力があり得ることを示す。応力の性質は、製造条件、研磨層及び基材の材料の性質、並びにとりわけ、研磨層と基材との間の界面の性質の複雑な相互作用である。そのような応力を含む研磨成形体は、使用時に、剥落、剥離及び他のメカニズムによって早期破損する傾向がある。すなわち、研磨成形体は、研磨成形体の切削面から、研磨層が分離し、すべて又は一部を消失するために早期に破損する。残留応力が高いほど、早期破損の確率は高い。
【０００９】
この問題は業界においてよく認識され、それを解決しようとしていくつかの手法が用いられてきた。
【００１０】
様々な研磨成形体構造が提案され、その構造には、研磨層と支持基材との間の界面が、機械的及び熱的応力に対する界面の敏感性を減少させることをねらった、１つの型又は別の型の隆起、窪み又は粗面のいくつかを含む。そのような構造は、例えば、米国特許第４，７８４，２０３号、同第５，０１１，５１５号、同第５，４８６，１３７号、同第５，５６４，５１１号、同第５，９０６，２４６号及び同第６，１４８，９３７号に教示されている。実際には、これらの特許は可能な限り大きい面積を覆って残留応力を分布させることに焦点を当てている。
【００１１】
米国特許第６，１８９，６３４号は、基材表面上の通常の多結晶層に加えて、研磨成形体の周囲に多結晶ダイヤモンドの輪をはめると、成形体中の残留応力を減少させると教示している。多結晶ダイヤモンドの周囲の輪と非平面の、輪郭を作った界面との組合せは、米国特許第６，１４９，６９５号において教示されている。この場合、基材への、及び多結晶ダイヤモンド層への突出は、研磨成形体がより大きい負荷及び切削力に耐えることを実質的に可能にし、残留応力を均衡させて修正すると主張されている。米国特許第６，１８９，６３４号は、その多数の実施形態の中で、類似の応力低減法を教示している。
【００１２】
基材から研磨層を通って１つ又は複数の突起を延ばし、複合研磨成形体の作用面に基材の領域を設けることは、米国特許第５，３７０，７１７号、同第５，８７５，８６２号及び同第６，１８９，６３４号によって提供された別の問題解決策である。
【００１３】
非平面の界面を有する複合研磨成形体のさらなる例は、米国特許第５，１５４，２４５号、同第５，２４８，００６号、同第５，７４３，３４６号、同第５，７５８，７３３号、同第５，８４８，６５７号、同第５，８７１、０６０号、同第５，８９０，５５２号、同第６，０９８，７３０号、同第６，１０２，１４３号及び同第６，１０５，６９４号に記載されている。
【００１４】
標準の平坦な界面と比較して、非平面の界面が剥離に対するインサートの耐性を向上させる場合があるが、それらはいくつかの本質的な限定を受ける：すなわち、
基材とＰＣＤ層との間の最大残留界面応力はそれでもなお存在し、局所的にのみ低減される。
界面幾何形状にかかわらず、本質的に結合を弱めるコバルトプールがＰＣＤ炭化物界面に存在する。中間層が使用される場合、これは実質的に存在しない。
界面が平坦でないと、形状制御において収縮が非線形的でありそれに伴う困難があるので、基材の製造、及び続いて高圧焼結に望ましくない複雑さを持ち込むことになる。
【００１５】
高い応力の複合研磨成形体の問題を解決しようとする際に用いられる別の方法は、基材特性と研磨層特性との中間の特性、特に熱的、機械的／弾性的特性を、異なる材料の１つ又は複数の中間層に与えることである。そのような中間層の目的は、中間層に応力のいくらかを収容し、それによって、研磨層中の残留応力を減少させることである。
【００１６】
この方法は米国特許第５，５１０，１９３号によって例示され、焼結した多結晶立方晶窒化ホウ素の中間層を提供する。別の実施例は米国特許第５，０３７，７０４号である。これは、中間層が、アルミニウム又はシリコン、及び元素周期表の４Ａ、５Ａ及び６Ａ族の元素の炭化物、窒化物及び炭窒化物を含む群から選択される少なくとも１種の他の成分を含む立方晶窒化ホウ素を含むことを可能にする。さらなる例である米国特許第４，９５９，９２９号は、中間層が、炭化タングステン及びコバルトと一緒に立方晶窒化ホウ素４０％から６０体積％を含むことができることを教示している。
【００１７】
さらに別の方法において、米国特許第５，４６９，９２７号は、非平面の界面及び転移層の組合せが使用できることを教示している。特に、この特許は、炭化タングステン単独及び予備焼結炭化タングステン粒子の両方の粒子の形態の炭化タングステンを含む粉砕した多結晶ダイヤモンドの転移層の使用を記載している。さらに、タングステン金属を混合して転移層とし、過剰金属を反応させて炭化タングステンをインサイチュー（ｉｎ  ｓｉｔｕ）で形成することを可能にする。
【００１８】
１つ又は複数の中間層を有する複合ダイヤモンド研磨成形体のさらなる例は、米国特許第３，７４５，６２３号、同第４，４０３，０１５号、同第４，６０４，１０６号、同第４，６９４，９１８号、同第４，７２９，４４０号、同第４，８０７，４０２号、同第５，３７０，１９５号、同第５，４６９，９２７号、同第６，２５８，１３９号及び同第６，３１５，０６５号、並びに米国特許公開第２００６／０１６６６１５Ａ１号の記載に見出すことができる。
【００１９】
これらの中間層には限界があり、特に、
それらは、ＰＣＤと基材との間のピーク応力を減少させるが、本質的に弱い；
一般に、ダイヤモンドは欠陥として働き、強度が低下する；
ダイヤモンドと焼結炭化物基材の結合が不十分であり、摩耗状況で粒子の引き抜きが起きる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明によると、研摩インサートは、
ＰＣＤ又はＰＣＢＮの層；及び
ＰＣＤ又はＰＣＢＮの層が中間層を介して結合された焼結炭化物基材を含む研摩インサートであって、中間層は、結合した塊の超硬質研磨粒子及び耐火性粒子を含み、超硬質研磨粒子の平均サイズは、耐火性粒子の平均サイズと同じか又は未満である研摩インサートを含む。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、複合研磨成形体を含む研摩インサートに関する。研摩インサートは、ＰＣＤ又はＰＣＢＮ層と焼結炭化物基材との間の中間層を特徴とする。この中間層は結合した塊の超硬質研磨粒子及び耐火性粒子を含み、超硬質研磨粒子のサイズは、耐火性粒子のサイズと同じか又は未満である。この中間層において、超硬質研磨粒子及び耐火性粒子は、一般に、粒子間成長又は粒子間直接結合がほとんどないか又は全くないか又は実質的にない個別の構成体として存在する。結合相もまた存在する。この結合相は一般に、ＰＣＤ又はＰＣＢＮ層の結合相と同じか又は類似である。
【００２２】
中間層中の超硬質研磨粒子の量は一般に、体積パーセント基準で１０から９０の範囲である。
【００２３】
超硬質研磨材はダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素である。一般に、ＰＣＤ層を有する研摩インサートについて、超硬質研磨材はダイヤモンドであり、層がＰＣＢＮ層である場合、超硬質研磨材は立方晶窒化ホウ素である。超硬質研磨粒子の混合物は、中間層中にあってもよい。
【００２４】
耐火性粒子は炭化物、窒化物、ホウ化物又は耐火性粒子類（ｌｉｋｅ  ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ  ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）であってもよい。好ましいのは炭化物粒子である。
【００２５】
超硬質研磨粒子のサイズは、耐火性粒子のサイズと同じか又は未満である。超硬質研磨粒子のサイズが耐火性粒子のサイズ未満である場合、それらは一般に１０ミクロンのサイズを有し、好ましくは５ミクロン又は耐火性粒子のサイズ未満である。
【００２６】
中間層の厚さは、研摩インサート及びその意図する用途の性質によって変わる。一般に、中間層の厚さは、１００から２０００、通常、２００から５００ミクロンの範囲にある。
【００２７】
本発明の研摩インサートは、ＰＣＤ又はＰＣＢＮ層、及び焼結炭化物基材の間に、上に定義される中間層を有する。中間層は一般に、ＰＣＤ又はＰＣＢＮ層に接し結合した領域、及び焼結炭化物基材の表面に接し結合した領域を有する。追加の中間層（単数若しくは複数）はまた、超硬研磨／炭化物中間層とＰＣＤ若しくはＰＣＢＮ層との間に、及び／又は超硬研磨／炭化物中間層と焼結炭化物基材との間に設けてもよい。
【００２８】
ＰＣＤ又はＰＣＢＮ層は、細粒又は粗粒のタイプであってよい。この厚さは、層の性質及び粒子サイズによって変わる。一般に、この超硬研磨層の厚さは、０．１から４ｍｍの範囲にある。
【００２９】
基材の焼結炭化物は、焼結炭化タングステン、焼結炭化タンタル、焼結炭化モリブデン又は焼結炭化チタンなどの当技術分野で公知の任意のものであってよい。当技術分野で公知のそのような焼結炭化物は、ニッケル、コバルト、鉄又はこれらの金属の１種又は複数を含有する合金などの結合相を有する。通常、結合相は６から２０質量％の量で存在する。ＰＣＤ又はＰＣＢＮ層が厚い層である、すなわち少なくとも２．５ｍｍの厚さを有している場合、焼結炭化物の結合相が９〜１０質量％未満、好ましくは８質量％未満、例えば６質量％であることが好ましい。
【００３０】
研摩インサートには、それを適用する用途に応じて何らかの適切な形状があり得る。例えば、研摩インサートは、その周囲に刃先を画定する上部平坦作用面を有する円盤形状を有することができる。本発明は、成形される研摩インサートに対して特定の用途を有し、例えば超硬研磨層がインサートの作用面を備える弾丸又はドーム形を提示する。
【００３１】
本発明の研摩インサートは、
（１）焼結炭化物基材を準備するステップ；
（２）超硬質研磨粒子及び耐火性粒子の混合物を、層の形態で基材の表面に配置し、超硬質研磨粒子の平均サイズは耐火性粒子の平均サイズと同じか又は未満であるステップ；
（３）場合によって結合相を含む、ダイヤモンド又は立方晶ホウ素又はこれらの混合物の層を、超硬研磨粒子及び耐火性粒子層上に配置するステップ；及び
（４）この未結合の集合体を、成形体合成条件にさらすステップ
を含む方法によって製造することができる。
【００３２】
未結合の組立品は適切な反応カプセル中に配置され、次いで、公知の高圧／高温装置の反応ゾーン中に配置される。反応カプセルの内容物は、当技術分野で公知である成形体合成条件にさらされる。これらの条件は、通常５から８ＧＰａの圧力、及び摂氏１３００から１６００度の温度である。結合した研磨インサートは、再び当技術分野で公知の方法によって反応カプセルから回収される。
【実施例】
【００３３】
本発明はここで、以下の限定されない実施例に言及して記載する。
【００３４】
（例１）
本発明による複合研磨成形体を含む研摩インサートを以下のように製造した。
【００３５】
中間層中の超硬質ダイヤモンド研摩粒子の量は、体積パーセント基準で５０であった。
【００３６】
超硬質研磨材はダイヤモンドであった。耐火性粒子は炭化物耐火性粒子であった。
【００３７】
超硬質ダイヤモンド研摩粒子のサイズは、５ミクロン又は耐火性粒子のサイズ未満であった。
【００３８】
中間層の厚さは３００ミクロンであった。
【００３９】
研摩インサートはＰＣＤ層と焼結炭化物基材との間に中間層を有していた。中間層は、ＰＣＤ層に接し結合した領域、及び焼結炭化物基材の表面に接し結合した領域を有していた。
【００４０】
ＰＣＤは粗粒タイプであった。この超硬研磨（ｓｕｐｅｒａｂｒａｓｉｖｅ）ＰＣＤ層は１．０ｍｍ厚であった。
【００４１】
基材の焼結炭化物は焼結炭化タングステンであった。そのような焼結炭化物は、ニッケル含有合金の結合相を有していた。結合相は１０質量％の量で存在した。
【００４２】
研摩インサートはその周囲に刃先を画定する上部平坦作用面を有する円盤形状を有していた。
【００４３】
本発明の研摩インサートは、
（１）焼結炭化物基材を準備するステップ；
（２）ダイヤモンド粒子及び炭化物耐火性粒子の混合物を、層の形態で基材の表面に配置するステップ；
（３）ダイヤモンド粒子及び炭化物耐火性粒子の層上に、ダイヤモンド研磨粒子の層を配置するステップ；及び
（４）この未結合の集合体を、成形体合成条件にさらすステップを含む方法によって製造した。
【００４４】
未結合の組立品は適切な反応カプセル中に配置し、次いで、公知の高圧／高温装置の反応ゾーン中に配置した。反応カプセルの内容物を、６ＧＰａの圧力及び摂氏１４５０度の温度の成形体合成条件にさらした。結合した研磨インサートは、再び当技術分野で公知の方法によって反応カプセルから回収した。
【国際調査報告】
2012515846.tif 000002
2012515846.tif 000003
2012515846.tif 000004