JP2000033574A - 界面を有する多結晶ダイヤモンド成形体カッタ― - Google Patents
界面を有する多結晶ダイヤモンド成形体カッタ―Info
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- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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- B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
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- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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Abstract
(57)【要約】
本発明の目的はきりもみ、採鉱および採石に使用する
ためのより高性能のカッターを提供することにある。Ｐ
ＤＣカッターのＷＣ基材は、（１）界面の表面を最大に
することでダイヤモンド層の界面への接着が改善されて
おり、（２）ダイヤモンドテーブルを支持するためによ
り硬く／より剛性の中心領域を有し、そして（３）ひび
割れの傾向を減少するためにより軟質で／より強靭な外
側領域を有している。この製品の切削作用はカッターが
摩耗フラットを出現させるときに岩石に切溝形成切削作
用を展開するように設計することもできる。ダイヤモン
ド層から炭化物への移行は他の製造方法を介して得られ
るより対称的なパターンで達成することができる。あら
ゆる界面の表面は応力上昇体として働くような平坦な表
面あるいは直線がないように円形および曲線の表面に製
造できる。
ためのより高性能のカッターを提供することにある。Ｐ
ＤＣカッターのＷＣ基材は、（１）界面の表面を最大に
することでダイヤモンド層の界面への接着が改善されて
おり、（２）ダイヤモンドテーブルを支持するためによ
り硬く／より剛性の中心領域を有し、そして（３）ひび
割れの傾向を減少するためにより軟質で／より強靭な外
側領域を有している。この製品の切削作用はカッターが
摩耗フラットを出現させるときに岩石に切溝形成切削作
用を展開するように設計することもできる。ダイヤモン
ド層から炭化物への移行は他の製造方法を介して得られ
るより対称的なパターンで達成することができる。あら
ゆる界面の表面は応力上昇体として働くような平坦な表
面あるいは直線がないように円形および曲線の表面に製
造できる。
Description
【０００１】
【発明の分野】本発明は高温高圧（ＨＴ／ＨＰ）処理条
件の下で製造される支持された多結晶ダイヤモンド成形
体（ＰＤＣ）カッターに係わり、より詳しくはＰＤＣ層
と焼結炭化物支持層との間に非−平面の界面を有する支
持されたＰＤＣ成形体に係わる。本発明の目的は据え付
けの間のひび割れに対して改善された抵抗性を有するＰ
ＤＣカッターを提供することである。
件の下で製造される支持された多結晶ダイヤモンド成形
体（ＰＤＣ）カッターに係わり、より詳しくはＰＤＣ層
と焼結炭化物支持層との間に非−平面の界面を有する支
持されたＰＤＣ成形体に係わる。本発明の目的は据え付
けの間のひび割れに対して改善された抵抗性を有するＰ
ＤＣカッターを提供することである。
【０００２】
【発明の背景】研磨材成形体は、切削、フライス削り、
研磨、きりもみおよびその他の研磨作業に広く用いられ
ている。研磨材成形体は典型的には多結晶ダイヤモンド
あるいは立方晶窒化硼素の粒子を密着された硬い団鉱に
結合して成っている。研磨材成形体の研磨材粒子含有量
は高く、広範囲な量の粒子対粒子の直接結合が存在す
る。研磨材成形体は研磨材粒子が多結晶ダイヤモンドで
あるか立方晶窒化硼素であるかに拘わらず結晶学的に安
定である高温およ高圧条件下において製造される。
研磨、きりもみおよびその他の研磨作業に広く用いられ
ている。研磨材成形体は典型的には多結晶ダイヤモンド
あるいは立方晶窒化硼素の粒子を密着された硬い団鉱に
結合して成っている。研磨材成形体の研磨材粒子含有量
は高く、広範囲な量の粒子対粒子の直接結合が存在す
る。研磨材成形体は研磨材粒子が多結晶ダイヤモンドで
あるか立方晶窒化硼素であるかに拘わらず結晶学的に安
定である高温およ高圧条件下において製造される。
【０００３】研磨材成形体は脆い傾向があるので、使用
にあたっては焼結炭化物基材に結合することによってし
ばしば支持されている。このような支持された研磨材成
形体は当業界では複合研磨材成形体として知られてい
る。この複合研磨材成形体は研磨工具の作業面にそのま
ま使用することができる。この複合体の製造はプレスの
容器内に焼結炭化物基材を入れることによってなされて
いるのが典型的である。ダイヤモンド結晶粒またはダイ
ヤモンド結晶粒および触媒結合剤の混合物をこの基材の
上に置きＨＴ／ＨＰ条件で圧縮する。こうすることによ
り、金属結合剤が基材から移行してダイヤモンド粒子中
に”押し流され”てダイヤモンド粒子の焼結を促進す
る。その結果、ダイヤモンド結晶粒は互いに結合されて
ダイヤモンド層を形成し、このダイヤモンド層は従来の
平面状の界面沿って基材に結合される。金属結合剤はダ
イヤモンド結晶粒間の空間を占拠し、焼結された成形体
には殆どあるいは全く多孔がない。ダイヤモンド成形体
および複合成形体の製造方法は米国特許３，１４１，７
４６（’７４６）；３，７４５，６２３（’６２３）；
３，６０９，８１８（’８１８）；３，８５０，５９１
（’５９１）；４，３９４，１７０（’１７０）；４，
４０３，０１５（’０１５）；４，７９４，３２６（’
３２６）；および４，９５４，１３９（’１３９）によ
り十分に記載されており、これらの米国特許の開示は明
白に参考文献として明細書に編入される。
にあたっては焼結炭化物基材に結合することによってし
ばしば支持されている。このような支持された研磨材成
形体は当業界では複合研磨材成形体として知られてい
る。この複合研磨材成形体は研磨工具の作業面にそのま
ま使用することができる。この複合体の製造はプレスの
容器内に焼結炭化物基材を入れることによってなされて
いるのが典型的である。ダイヤモンド結晶粒またはダイ
ヤモンド結晶粒および触媒結合剤の混合物をこの基材の
上に置きＨＴ／ＨＰ条件で圧縮する。こうすることによ
り、金属結合剤が基材から移行してダイヤモンド粒子中
に”押し流され”てダイヤモンド粒子の焼結を促進す
る。その結果、ダイヤモンド結晶粒は互いに結合されて
ダイヤモンド層を形成し、このダイヤモンド層は従来の
平面状の界面沿って基材に結合される。金属結合剤はダ
イヤモンド結晶粒間の空間を占拠し、焼結された成形体
には殆どあるいは全く多孔がない。ダイヤモンド成形体
および複合成形体の製造方法は米国特許３，１４１，７
４６（’７４６）；３，７４５，６２３（’６２３）；
３，６０９，８１８（’８１８）；３，８５０，５９１
（’５９１）；４，３９４，１７０（’１７０）；４，
４０３，０１５（’０１５）；４，７９４，３２６（’
３２６）；および４，９５４，１３９（’１３９）によ
り十分に記載されており、これらの米国特許の開示は明
白に参考文献として明細書に編入される。
【０００４】上記に記載の方法によって形成される複合
体は多くの欠点を受けうる。例えば、焼結炭化物とダイ
ヤモンドの熱膨張係数と弾性定数は異なる。その結果、
ＰＤＣの加熱または冷却の間に、ダイヤモンド層と焼結
炭化物基材との間の界面に熱的に誘発された応力が発生
する。これらの応力の大きさは加えられた圧力、零応力
の温度並びに熱膨張係数と弾性定数の不均衡により決ま
る。
体は多くの欠点を受けうる。例えば、焼結炭化物とダイ
ヤモンドの熱膨張係数と弾性定数は異なる。その結果、
ＰＤＣの加熱または冷却の間に、ダイヤモンド層と焼結
炭化物基材との間の界面に熱的に誘発された応力が発生
する。これらの応力の大きさは加えられた圧力、零応力
の温度並びに熱膨張係数と弾性定数の不均衡により決ま
る。
【０００５】考慮すべき別の潜在的な欠点はダイヤモン
ド層内の内部応力の生成に係わり、これはこの層の破断
を来す可能性がある。このような応力はまた焼結炭化物
基材の存在からも生じ、そして焼結炭化物基材および多
結晶ダイヤモンド層の大きさ、幾何学形状および物理的
特性に従って分配される。ヨーロッパ特許出願第０１３
３３８６に示唆されているＰＤＣでは、多結晶ダイヤモ
ンド体には完全に金属結合剤が含まれておらず、金属支
持体上に直接装着される。しかしながら、金属上に直接
ダイヤモンド体を装着すると金属がダイヤモンド体に対
して十分な支持を提供する能力がないことで顕著な問題
を提示する。このヨーロッパ特許出願は更にダイヤモン
ド層の底部表面に間隔をおいてリブを使用しこれを金属
支持体中に埋設することが示唆されている。
ド層内の内部応力の生成に係わり、これはこの層の破断
を来す可能性がある。このような応力はまた焼結炭化物
基材の存在からも生じ、そして焼結炭化物基材および多
結晶ダイヤモンド層の大きさ、幾何学形状および物理的
特性に従って分配される。ヨーロッパ特許出願第０１３
３３８６に示唆されているＰＤＣでは、多結晶ダイヤモ
ンド体には完全に金属結合剤が含まれておらず、金属支
持体上に直接装着される。しかしながら、金属上に直接
ダイヤモンド体を装着すると金属がダイヤモンド体に対
して十分な支持を提供する能力がないことで顕著な問題
を提示する。このヨーロッパ特許出願は更にダイヤモン
ド層の底部表面に間隔をおいてリブを使用しこれを金属
支持体中に埋設することが示唆されている。
【０００６】前記ヨーロッパ特許出願によれば、ダイヤ
モンド体を形成した後に例えばレーザーまたは電子放電
処理によって、あるいはダイヤモンド体をプレス中で形
成している間に例えば凹凸を持った金型の使用によっ
て、ダイヤモンド体内に凹凸を形成することができる。
この後者に関して、このヨーロッパ特許出願では更に、
適当な金型を焼結炭化物から形成できると示唆されてい
るが、このような場合には、しかし、金属を含まないダ
イヤモンド層を提供するという陳述されている目標に反
して、この金型からダイヤモンド体内に金属結合剤が移
行することになろう。この参考文献では、この問題を緩
和するために、こうして形成されたダイヤモンド／炭化
物複合体を酸の浴中に浸漬して炭化物の金型を溶解しそ
してダイヤモンド体から金属結合剤の全てを浸出するこ
とが提案されている。これにより、金属結合剤を含まな
いダイヤモンド体が得られ、これが金属支持体上に直接
装着されることになろう。このような構造から得られる
であろう如何なる利益にも拘わらず、以下に説明される
ように、著しい欠点がなお残る。
モンド体を形成した後に例えばレーザーまたは電子放電
処理によって、あるいはダイヤモンド体をプレス中で形
成している間に例えば凹凸を持った金型の使用によっ
て、ダイヤモンド体内に凹凸を形成することができる。
この後者に関して、このヨーロッパ特許出願では更に、
適当な金型を焼結炭化物から形成できると示唆されてい
るが、このような場合には、しかし、金属を含まないダ
イヤモンド層を提供するという陳述されている目標に反
して、この金型からダイヤモンド体内に金属結合剤が移
行することになろう。この参考文献では、この問題を緩
和するために、こうして形成されたダイヤモンド／炭化
物複合体を酸の浴中に浸漬して炭化物の金型を溶解しそ
してダイヤモンド体から金属結合剤の全てを浸出するこ
とが提案されている。これにより、金属結合剤を含まな
いダイヤモンド体が得られ、これが金属支持体上に直接
装着されることになろう。このような構造から得られる
であろう如何なる利益にも拘わらず、以下に説明される
ように、著しい欠点がなお残る。
【０００７】総合すれば、前記ヨーロッパ特許出願は焼
結炭化物基材の存在およびダイヤモンド層内の金属結合
剤の存在に伴う問題を、焼結炭化物基材と金属結合剤を
完全に除去することによって、排除することを提案して
いる。しかしながら、金属結合剤の不存在によってダイ
ヤモンド層が熱的により安定にされたとしても、同時に
ダイヤモンド層は衝撃抵抗性をより小さくされる。即
ち、ダイヤモンド層は硬い衝撃によって切削される傾向
が大きく、この特徴は岩石のような硬い物質のきりもみ
の間に重大な問題を呈示する。
結炭化物基材の存在およびダイヤモンド層内の金属結合
剤の存在に伴う問題を、焼結炭化物基材と金属結合剤を
完全に除去することによって、排除することを提案して
いる。しかしながら、金属結合剤の不存在によってダイ
ヤモンド層が熱的により安定にされたとしても、同時に
ダイヤモンド層は衝撃抵抗性をより小さくされる。即
ち、ダイヤモンド層は硬い衝撃によって切削される傾向
が大きく、この特徴は岩石のような硬い物質のきりもみ
の間に重大な問題を呈示する。
【０００８】金属支持体上にダイヤモンド体を直接装着
すること自体ではダイヤモンドと金属との間の界面にお
ける応力の発生を伴う既に述べた問題は緩和されず、こ
の問題はダイヤモンドと金属との間における熱膨張係数
の非常に大きな不均衡から生じることも認識されるであ
ろう。例えば、鋼鉄の熱膨張係数が１５０−２００×１
０-7ｃｍ／ｃｍ／℃であるのに比較して、ダイヤモンド
の熱膨張係数は約４５×１０-7ｃｍ／ｃｍ／℃である。
その結果、カッターには熱的に誘導される非常に実質的
な応力が起きる。
すること自体ではダイヤモンドと金属との間の界面にお
ける応力の発生を伴う既に述べた問題は緩和されず、こ
の問題はダイヤモンドと金属との間における熱膨張係数
の非常に大きな不均衡から生じることも認識されるであ
ろう。例えば、鋼鉄の熱膨張係数が１５０−２００×１
０-7ｃｍ／ｃｍ／℃であるのに比較して、ダイヤモンド
の熱膨張係数は約４５×１０-7ｃｍ／ｃｍ／℃である。
その結果、カッターには熱的に誘導される非常に実質的
な応力が起きる。
【０００９】最近では、種々のＰＤＣ構造が提案されて
おり、そこではダイヤモンド／炭化物界面が機械的およ
び熱的応力を受けるのを減少するねらいからダイヤモン
ド／炭化物界面に多くの隆起、溝あるいはその他のくぼ
みを含有している。米国特許４，７８４，０２３（’０
２３）では、ＰＤＣには多くの交互に並ぶ溝および隆起
部を有する界面を含んでおり、これらの溝および隆起部
の頂部および底部は成形体表面に実質的に平行でありそ
してこれらの側部は成形体表面に実質的に垂直である。
おり、そこではダイヤモンド／炭化物界面が機械的およ
び熱的応力を受けるのを減少するねらいからダイヤモン
ド／炭化物界面に多くの隆起、溝あるいはその他のくぼ
みを含有している。米国特許４，７８４，０２３（’０
２３）では、ＰＤＣには多くの交互に並ぶ溝および隆起
部を有する界面を含んでおり、これらの溝および隆起部
の頂部および底部は成形体表面に実質的に平行でありそ
してこれらの側部は成形体表面に実質的に垂直である。
【００１０】米国特許４，９７２，６３７（’６３７）
は焼結炭化物層中に延びる個々に隔てられた凹所を含有
する界面を持ったＰＤＣが提供されており、これらの凹
所は研磨材物質（例えば、ダイヤモンド）を含有してい
て一連の列をなして配列されており、各凹所は隣接する
列にある最も近い近隣の凹所に対して食い違うようにさ
れている。この’６３７米国特許では、摩耗がダイヤモ
ンド／炭化物界面に至ると、ダイヤモンドで充填された
凹所は焼結炭化物よりも遅く摩耗し、事実上、切削作用
のある隆起部または突出物として働くと力説してい
る。’６３７米国特許の第５図に示されているように、
ＰＤＣがスタッドカッター上に装着されると、摩耗面３
８は炭化物領域４２を露出し、この炭化物領域４２は凹
所１８中のダイヤモンド材料よりもづっと迅速に摩耗す
る。その結果、ダイヤモンドで充填された凹所の間のこ
れらの領域にくぼみが出現する。’６３７米国特許は、
これらのくぼんだ領域はダイヤモンド材料の追加の縁部
を露出して、ＰＤＣカッターの切削作用を高めると力説
している。
は焼結炭化物層中に延びる個々に隔てられた凹所を含有
する界面を持ったＰＤＣが提供されており、これらの凹
所は研磨材物質（例えば、ダイヤモンド）を含有してい
て一連の列をなして配列されており、各凹所は隣接する
列にある最も近い近隣の凹所に対して食い違うようにさ
れている。この’６３７米国特許では、摩耗がダイヤモ
ンド／炭化物界面に至ると、ダイヤモンドで充填された
凹所は焼結炭化物よりも遅く摩耗し、事実上、切削作用
のある隆起部または突出物として働くと力説してい
る。’６３７米国特許の第５図に示されているように、
ＰＤＣがスタッドカッター上に装着されると、摩耗面３
８は炭化物領域４２を露出し、この炭化物領域４２は凹
所１８中のダイヤモンド材料よりもづっと迅速に摩耗す
る。その結果、ダイヤモンドで充填された凹所の間のこ
れらの領域にくぼみが出現する。’６３７米国特許は、
これらのくぼんだ領域はダイヤモンド材料の追加の縁部
を露出して、ＰＤＣカッターの切削作用を高めると力説
している。
【００１１】米国特許５，００７，２０７（’２０７）
は、それぞれダイヤモンドで充填されたいくつかの凹所
を炭化物層内に有する別のＰＤＣ構造を提供しており、
これらの凹所はデスク形の成形体に向け下向きの螺旋状
または同心円形状のパターンを形成している。従っ
て、’２０７米国特許の構造は’６３７米国特許の構造
とは、多くの数の個別の凹所を使用するよりも、螺旋状
または同心円形状のパターンを形成する一つまたは数個
の細長い凹所を使用している点で、異なっている。’２
０７米国特許の図５はＰＤＣがスタッドカッター上に装
着されて使用されるときに出現する摩耗面を示してい
る。’６３７米国特許におけると同様に、摩耗過程でダ
イヤモンドで充填された凹所の間の炭化物材料中にくぼ
みが形成される。’６３７米国特許と同じく、’２０７
米国特許でも摩耗過程で出現するこれらのくぼみが切削
作用を高めると強調している。切削作用の向上に加え
て、米国特許５，４８４，３３０（’３３０）；５，４
９４，４７７（’４７７）および５，４８６，１３
７（’１３７）には非−平面状の界面も提供されてお
り、これらは切削中に臨界的な領域に好ましい残留応力
を持つことによってカッター破損の感受性を減少してい
る。
は、それぞれダイヤモンドで充填されたいくつかの凹所
を炭化物層内に有する別のＰＤＣ構造を提供しており、
これらの凹所はデスク形の成形体に向け下向きの螺旋状
または同心円形状のパターンを形成している。従っ
て、’２０７米国特許の構造は’６３７米国特許の構造
とは、多くの数の個別の凹所を使用するよりも、螺旋状
または同心円形状のパターンを形成する一つまたは数個
の細長い凹所を使用している点で、異なっている。’２
０７米国特許の図５はＰＤＣがスタッドカッター上に装
着されて使用されるときに出現する摩耗面を示してい
る。’６３７米国特許におけると同様に、摩耗過程でダ
イヤモンドで充填された凹所の間の炭化物材料中にくぼ
みが形成される。’６３７米国特許と同じく、’２０７
米国特許でも摩耗過程で出現するこれらのくぼみが切削
作用を高めると強調している。切削作用の向上に加え
て、米国特許５，４８４，３３０（’３３０）；５，４
９４，４７７（’４７７）および５，４８６，１３
７（’１３７）には非−平面状の界面も提供されてお
り、これらは切削中に臨界的な領域に好ましい残留応力
を持つことによってカッター破損の感受性を減少してい
る。
【００１２】上記に述べた米国特許は岩石における望ま
しい切削作用およびまた切削中の好ましい残留応力を強
調しているが、ドリルビット中への据え付けの間の破断
に対するダイヤモンド層の感受性を最小にすることも大
いに望ましい。
しい切削作用およびまた切削中の好ましい残留応力を強
調しているが、ドリルビット中への据え付けの間の破断
に対するダイヤモンド層の感受性を最小にすることも大
いに望ましい。
【００１３】
【発明の要約】多結晶ダイヤモンド成形体（ＰＤＣ）カ
ッターにおいては、炭化タングステン（ＷＣ）とＰＤＣ
との間の界面の構造がカッターの破断および摩耗に対し
て重大な影響を与える。ＷＣ支持体の組成もビットポケ
ット内のＰＤＣカッターの保持に重大な役割を果たす。
本発明の目的はＰＤＣカッターに特定の構造および組成
を与えて、特にカッターの破断、保持および摩耗が問題
となる過酷な用途において、きりもり、採鉱および採石
により高い性能を与えることである。
ッターにおいては、炭化タングステン（ＷＣ）とＰＤＣ
との間の界面の構造がカッターの破断および摩耗に対し
て重大な影響を与える。ＷＣ支持体の組成もビットポケ
ット内のＰＤＣカッターの保持に重大な役割を果たす。
本発明の目的はＰＤＣカッターに特定の構造および組成
を与えて、特にカッターの破断、保持および摩耗が問題
となる過酷な用途において、きりもり、採鉱および採石
により高い性能を与えることである。
【００１４】ＰＤＣカッターは使用中に炭化物支持体が
破断する傾向を減少し、カッターが摩耗し始めるときの
きりもみ作用を改善し、そしてカッターをビットボデー
に保持するろう付接合を強化するため、多−ゾーン焼結
炭化物支持体を設計される。カッターは、ダイヤモンド
テーブルをより剛性でより脆い材料で支持する一方、炭
化物の破断が起きやすい領域により強靭な焼結炭化タン
グステンを置くように設計される。これは、材料の結合
剤含有量（典型的にはコバルト）を増加することによっ
て達成され、これはまたろう付性およびカッター保持を
も改善する。最後に、これはまたこの領域での焼結炭化
タングステンの摩損／摩耗抵抗を低下する利点も持ちう
る。このＷＣ構造は以下に記載されるカッター破損を解
決する助けとなろう。
破断する傾向を減少し、カッターが摩耗し始めるときの
きりもみ作用を改善し、そしてカッターをビットボデー
に保持するろう付接合を強化するため、多−ゾーン焼結
炭化物支持体を設計される。カッターは、ダイヤモンド
テーブルをより剛性でより脆い材料で支持する一方、炭
化物の破断が起きやすい領域により強靭な焼結炭化タン
グステンを置くように設計される。これは、材料の結合
剤含有量（典型的にはコバルト）を増加することによっ
て達成され、これはまたろう付性およびカッター保持を
も改善する。最後に、これはまたこの領域での焼結炭化
タングステンの摩損／摩耗抵抗を低下する利点も持ちう
る。このＷＣ構造は以下に記載されるカッター破損を解
決する助けとなろう。
【００１５】過去数年にわたり、これらのカッター上に
研磨材層を設計しそして焼結する科学において多くの進
歩がなされた。これらの進歩以前では、これらのカッタ
ーの主要な破損は研磨材層で起きていたが、今では壊滅
的なタイプの破損は焼結炭化タングステン支持体に起き
る傾向がある。典型的には、ひびが焼結炭化タングステ
ン支持体中に伝播して幾つかの部分が脱落してダイヤモ
ンドテーブルが片持ちばりに支えられ離脱してしまう。
研磨材層を設計しそして焼結する科学において多くの進
歩がなされた。これらの進歩以前では、これらのカッタ
ーの主要な破損は研磨材層で起きていたが、今では壊滅
的なタイプの破損は焼結炭化タングステン支持体に起き
る傾向がある。典型的には、ひびが焼結炭化タングステ
ン支持体中に伝播して幾つかの部分が脱落してダイヤモ
ンドテーブルが片持ちばりに支えられ離脱してしまう。
【００１６】ひび割れまたは破断をしないカッターで
は、研磨縁部（典型的にはダイヤモンド）が切削作用の
間に摩耗して摩耗ランドが出現してカッターの摩耗の進
行と共に面積を増大する。これらの外周摩耗はきりもみ
されている施工部と接触してダイヤモンド縁部から負荷
を奪って切削作用を遅らせる。効果的な切削作用および
貫通速度を維持するためには、ビット上の重量を増して
カッターにづっと高い負荷をかけることができる。炭化
物摩耗ランドの施工物に対する擦りは過度な熱を発生し
て”加熱浅割れ”として通常知られる形態の炭化物のひ
び割れを引き起こす。
は、研磨縁部（典型的にはダイヤモンド）が切削作用の
間に摩耗して摩耗ランドが出現してカッターの摩耗の進
行と共に面積を増大する。これらの外周摩耗はきりもみ
されている施工部と接触してダイヤモンド縁部から負荷
を奪って切削作用を遅らせる。効果的な切削作用および
貫通速度を維持するためには、ビット上の重量を増して
カッターにづっと高い負荷をかけることができる。炭化
物摩耗ランドの施工物に対する擦りは過度な熱を発生し
て”加熱浅割れ”として通常知られる形態の炭化物のひ
び割れを引き起こす。
【００１７】ビット作動の成功を確保するにはビットボ
デー中のポケット内にカッターを保持することも重要で
ある。カッターをビットボデーに取り付けているろう付
接合部が破損するとカッターがゆるんで、以後のカッタ
ーおよびブレードに過度の損傷を引き起こす。カッター
とビットボデーとの間のろう付接合部の強度を改善する
とビット全体の性能が改善できる。
デー中のポケット内にカッターを保持することも重要で
ある。カッターをビットボデーに取り付けているろう付
接合部が破損するとカッターがゆるんで、以後のカッタ
ーおよびブレードに過度の損傷を引き起こす。カッター
とビットボデーとの間のろう付接合部の強度を改善する
とビット全体の性能が改善できる。
【００１８】本発明のカッター設計は、平面状および非
−平面状の実質的に平坦およびドーム形をしているなど
の界面を持ち、並びに円柱形、スタッド装着、円錐形お
よびその他のカッター幾何学形状を有する、ＰＤＣカッ
ターに適用できる。以下の詳細な記述は本発明の好適な
実施の態様を記述しており、図面と関連して読むことが
意図されている。
−平面状の実質的に平坦およびドーム形をしているなど
の界面を持ち、並びに円柱形、スタッド装着、円錐形お
よびその他のカッター幾何学形状を有する、ＰＤＣカッ
ターに適用できる。以下の詳細な記述は本発明の好適な
実施の態様を記述しており、図面と関連して読むことが
意図されている。
【００１９】
【好適な実施の態様の詳細な記述】多結晶ダイヤモンド
成形体（ＰＤＣ）カッターは炭化物基材に結合された多
結晶ダイヤモンドテーブル（ダイヤモンドテーブル）か
ら成っている。ダイヤモンドテーブルと炭化物支持体と
の間の結合は高温、高圧（ＨＴ／ＨＰ）条件で形成され
る。その後圧力および温度を周囲条件へ低下すると結合
されている層間の熱膨張および圧縮特性の差のためにダ
イヤモンドテーブルおよび炭化物支持体の両者に応力の
発生が起きる。温度および圧力が低下されると、熱膨張
差および圧縮率差は応力の発生に反対の効果を持ち、温
度が低下すると熱膨張差はダイヤモンドテーブルに圧縮
を起こし炭化物支持体に引張を起こす傾向があるのに対
して、圧縮率差はダイヤモンドテーブルに引張を起こし
炭化物支持体に圧縮を起こす傾向がある。応力発生およ
び歪みゲージ測定の有限要素分析（ＦＥＡ）によれば、
熱膨張差の効果が勝ってダイヤモンドテーブル内には概
して圧縮性の残留応力が生ずることが確認されている。
成形体（ＰＤＣ）カッターは炭化物基材に結合された多
結晶ダイヤモンドテーブル（ダイヤモンドテーブル）か
ら成っている。ダイヤモンドテーブルと炭化物支持体と
の間の結合は高温、高圧（ＨＴ／ＨＰ）条件で形成され
る。その後圧力および温度を周囲条件へ低下すると結合
されている層間の熱膨張および圧縮特性の差のためにダ
イヤモンドテーブルおよび炭化物支持体の両者に応力の
発生が起きる。温度および圧力が低下されると、熱膨張
差および圧縮率差は応力の発生に反対の効果を持ち、温
度が低下すると熱膨張差はダイヤモンドテーブルに圧縮
を起こし炭化物支持体に引張を起こす傾向があるのに対
して、圧縮率差はダイヤモンドテーブルに引張を起こし
炭化物支持体に圧縮を起こす傾向がある。応力発生およ
び歪みゲージ測定の有限要素分析（ＦＥＡ）によれば、
熱膨張差の効果が勝ってダイヤモンドテーブル内には概
して圧縮性の残留応力が生ずることが確認されている。
【００２０】炭化物−ダイヤモンド界面における炭化物
基材中に低いＣｏ含有量の所望の結果を達成するための
多くの方法が当業者には直ぐ明らかとなろう。これらの
幾つかを以下に記載する。一つの方法はＨＴ／ＨＰプロ
セスに別々のＷＣ物を入れこれらを所望の幾何学形状に
組み立てることを含む。例えば、ダイヤモンドテーブル
に隣接する炭化物基材および炭化物−ダイヤモンド界面
から離れて延びるその中心領域は低いＣｏ含有量を含
む。他方、基材の残部、即ち、その外側領域はより高い
Ｃｏ含有量の炭化物を含む。
基材中に低いＣｏ含有量の所望の結果を達成するための
多くの方法が当業者には直ぐ明らかとなろう。これらの
幾つかを以下に記載する。一つの方法はＨＴ／ＨＰプロ
セスに別々のＷＣ物を入れこれらを所望の幾何学形状に
組み立てることを含む。例えば、ダイヤモンドテーブル
に隣接する炭化物基材および炭化物−ダイヤモンド界面
から離れて延びるその中心領域は低いＣｏ含有量を含
む。他方、基材の残部、即ち、その外側領域はより高い
Ｃｏ含有量の炭化物を含む。
【００２１】別の方法は炭化物製造業者が所望の領域に
低いＣｏ含有量を有する一体とされた炭化物基材を提供
しているので、段階的なＣｏ含有量の炭化物基材の供給
を炭化物製造業者から受けることを含む。ここで、本発
明によれば、炭化物基材中の減少されたＣｏ含有量はダ
イヤモンドテーブルに隣接した（即ち、炭化物−ダイヤ
モンド界面での）領域および炭化物−ダイヤモンド界面
から離れて延びる中心領域の両方に望まれることに気付
くことが重要である。
低いＣｏ含有量を有する一体とされた炭化物基材を提供
しているので、段階的なＣｏ含有量の炭化物基材の供給
を炭化物製造業者から受けることを含む。ここで、本発
明によれば、炭化物基材中の減少されたＣｏ含有量はダ
イヤモンドテーブルに隣接した（即ち、炭化物−ダイヤ
モンド界面での）領域および炭化物−ダイヤモンド界面
から離れて延びる中心領域の両方に望まれることに気付
くことが重要である。
【００２２】更に別の方法はＰＤＣカッターの焼結中に
炭化物基材からのＣｏ除去を制御することからなる。例
えば、焼結中に、基材中に含まれるＣｏが融解してダイ
ヤモンドテーブル中に押し流れる。このダイヤモンドテ
ーブル中へのＣｏの流入の間に炭化物基材からＣｏを優
先的に除去するとより剛性で／より硬い比較的低いＣｏ
含有量の領域が得られる。この優先的なＣｏ除去の量は
炭化物−ダイヤモンド界面の幾何学形状、従ってこの界
面での炭化物対ダイヤモンドの体積分率比を変えること
によって制御できる。
炭化物基材からのＣｏ除去を制御することからなる。例
えば、焼結中に、基材中に含まれるＣｏが融解してダイ
ヤモンドテーブル中に押し流れる。このダイヤモンドテ
ーブル中へのＣｏの流入の間に炭化物基材からＣｏを優
先的に除去するとより剛性で／より硬い比較的低いＣｏ
含有量の領域が得られる。この優先的なＣｏ除去の量は
炭化物−ダイヤモンド界面の幾何学形状、従ってこの界
面での炭化物対ダイヤモンドの体積分率比を変えること
によって制御できる。
【００２３】本発明の目的はきりもみ、採鉱および採石
に使用するためのより高い性能のカッターを提供するこ
とである。ＰＤＣカッターの炭化物基材（好ましくは、
炭化タングステン（ＷＣ））は、（１）ダイヤモンドテ
ーブルの基材に対する接着が改善されており、（２）ダ
イヤモンドテーブルを支持するためにより硬く／より剛
性の中心領域を有し、そして（３）ひび割れの傾向を減
少するためにより軟質で／より強靭な外側領域を有して
いる。この製品の切削作用はカッターが摩耗フラットを
出現させるときに岩石に切溝形成切削作用を展開するよ
うに設計することもできる。
に使用するためのより高い性能のカッターを提供するこ
とである。ＰＤＣカッターの炭化物基材（好ましくは、
炭化タングステン（ＷＣ））は、（１）ダイヤモンドテ
ーブルの基材に対する接着が改善されており、（２）ダ
イヤモンドテーブルを支持するためにより硬く／より剛
性の中心領域を有し、そして（３）ひび割れの傾向を減
少するためにより軟質で／より強靭な外側領域を有して
いる。この製品の切削作用はカッターが摩耗フラットを
出現させるときに岩石に切溝形成切削作用を展開するよ
うに設計することもできる。
【００２４】本発明の代表的な実施の態様が図１に示さ
れている。この実施の態様での基材１０のコア１２は表
示されているように１３％Ｃｏ結合相を有する焼結ＷＣ
から製造されている。基材１０の外側部分１４は表示さ
れているように２０％Ｃｏ結合相を有する焼結ＷＣから
製造されている。（ＷＣ中のＣｏ含有量が高いほど炭化
物は”より軟質となる”）ダイヤモンドテーブル１６を
支持するためにはカッターのコア１２により硬いあるい
はより剛性の炭化物が要求される。この領域に”より軟
質の”（例えばより高いコバルト含有量を有するよう
な）炭化物を用いるとダイヤモンドテーブル４０が曲が
って垂直なひび４２がカッター全体をとおして伝播され
る。このタイプの破損は通常直径方向縦割れとして知ら
れており図４に例示されている。外側部分１４はコア１
２よりも強靭であり軟質である。これは図２に示されて
いるタイプのひび割れ２０の傾向を減少する。
れている。この実施の態様での基材１０のコア１２は表
示されているように１３％Ｃｏ結合相を有する焼結ＷＣ
から製造されている。基材１０の外側部分１４は表示さ
れているように２０％Ｃｏ結合相を有する焼結ＷＣから
製造されている。（ＷＣ中のＣｏ含有量が高いほど炭化
物は”より軟質となる”）ダイヤモンドテーブル１６を
支持するためにはカッターのコア１２により硬いあるい
はより剛性の炭化物が要求される。この領域に”より軟
質の”（例えばより高いコバルト含有量を有するよう
な）炭化物を用いるとダイヤモンドテーブル４０が曲が
って垂直なひび４２がカッター全体をとおして伝播され
る。このタイプの破損は通常直径方向縦割れとして知ら
れており図４に例示されている。外側部分１４はコア１
２よりも強靭であり軟質である。これは図２に示されて
いるタイプのひび割れ２０の傾向を減少する。
【００２５】図３に示されているように、焼結炭化物に
ろう付すると、ろう付は摩耗し炭化物結晶よりも結合剤
相に良く結合する。従って、この領域に高いコバルト含
有量を有するとカッターはよりろう付し易くなりそれ故
使用中ビットボデーから離脱する傾向が少なくなる。図
５は”ダイヤモンドリップ”タイプの切刃を示してい
る。摩耗ランド５４の領域のより軟質な炭化物も施工物
に対して摩耗されるにつれてより迅速に摩耗しあるいは
侵食除去されよう。この結果ダイヤモンド層５０は摩耗
ランド５４のレベルより上方に突き出てなお平坦に残
り、負荷はダイヤモンド層を通して伝達されその結果改
善された切削作用が得られる。この理想的なタイプのダ
イヤモンド切刃は典型的には”ダイヤモンドリップ”と
呼ばれる。
ろう付すると、ろう付は摩耗し炭化物結晶よりも結合剤
相に良く結合する。従って、この領域に高いコバルト含
有量を有するとカッターはよりろう付し易くなりそれ故
使用中ビットボデーから離脱する傾向が少なくなる。図
５は”ダイヤモンドリップ”タイプの切刃を示してい
る。摩耗ランド５４の領域のより軟質な炭化物も施工物
に対して摩耗されるにつれてより迅速に摩耗しあるいは
侵食除去されよう。この結果ダイヤモンド層５０は摩耗
ランド５４のレベルより上方に突き出てなお平坦に残
り、負荷はダイヤモンド層を通して伝達されその結果改
善された切削作用が得られる。この理想的なタイプのダ
イヤモンド切刃は典型的には”ダイヤモンドリップ”と
呼ばれる。
【００２６】本発明は新規な特性を持つＰＤＣカッター
を製造する改善された方法として価値がある。本発明に
よるＷＣ基材のＣｏ含有量構造はひび割れおよび破断を
受けにくいより耐久性のＰＤＣカッターを与える。この
構造の第一の利点は炭化物基材の熱膨張の減少による向
上された性能および据え付けおよび／またはろう付にお
ける破断の少ないことである。
を製造する改善された方法として価値がある。本発明に
よるＷＣ基材のＣｏ含有量構造はひび割れおよび破断を
受けにくいより耐久性のＰＤＣカッターを与える。この
構造の第一の利点は炭化物基材の熱膨張の減少による向
上された性能および据え付けおよび／またはろう付にお
ける破断の少ないことである。
【００２７】本発明は一つまたはそれ以上の好適な実施
の態様に関連して記載されたが、このような実施の態様
は単に例示に過ぎず、本発明を限定しあるいは本発明の
あらゆる点を残さず列挙していることはない。それ故
に、本発明の範囲は特許請求の範囲のみによって規定さ
れるべきである。更に、本発明の精神および原理を逸脱
することなくかかる詳細な点に多くの変更をなし得るこ
とは当業者に明らかであろう。
の態様に関連して記載されたが、このような実施の態様
は単に例示に過ぎず、本発明を限定しあるいは本発明の
あらゆる点を残さず列挙していることはない。それ故
に、本発明の範囲は特許請求の範囲のみによって規定さ
れるべきである。更に、本発明の精神および原理を逸脱
することなくかかる詳細な点に多くの変更をなし得るこ
とは当業者に明らかであろう。
【図１】基材のコアは１３％Ｃｏ結合剤相を有する焼結
ＷＣを含んでおりそして基材の外側部分は２０％Ｃｏ結
合剤相を有する焼結ＷＣを含んでいる本発明の代表的な
実施の態様を示した略図であり、ここに勿論内側および
外側の層における実際のＣｏ％は臨界的でなく、本発明
の目的の重要な特徴はコアにおけるＣｏ％が外側層にお
けるＣｏ％より少ないことである、ことが示されてい
る。
ＷＣを含んでおりそして基材の外側部分は２０％Ｃｏ結
合剤相を有する焼結ＷＣを含んでいる本発明の代表的な
実施の態様を示した略図であり、ここに勿論内側および
外側の層における実際のＣｏ％は臨界的でなく、本発明
の目的の重要な特徴はコアにおけるＣｏ％が外側層にお
けるＣｏ％より少ないことである、ことが示されてい
る。
【図２】焼結炭化タングステン支持体におけるひび割れ
および破断の例を示す略図である。
および破断の例を示す略図である。
【図３】摩耗されたカッターの例を示す略図である。
【図４】ダイヤモンドテーブルが曲がって垂直なひびが
カッター全体を通して伝播されて生ずる直径方向縦割れ
の例を示す略図である。
カッター全体を通して伝播されて生ずる直径方向縦割れ
の例を示す略図である。
【図５】摩耗フラットのレベルより上方に突き出て、負
荷がダイヤモンド層を通して伝達されるダイヤモンドリ
ップの形成を示す略図である。
荷がダイヤモンド層を通して伝達されるダイヤモンドリ
ップの形成を示す略図である。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２４Ｄ 3/06 Ｂ２４Ｄ 3/06 Ａ // Ｂ２３Ｂ 27/14 Ｂ２３Ｂ 27/14 Ｂ
Claims (9)
- 【請求項１】 研磨材層、該研磨材層に結合された焼結
炭化物コアおよび該コアに結合された焼結炭化物外側層
を含み、前記コアの金属結合剤含有量が前記外側層の金
属結合剤含有量より少ない、改善された研磨工具インサ
ート。 - 【請求項２】 前記コアの金属結合剤含有量が平均して
約５−１５重量％の範囲であり、前記外側層の金属結合
剤含有量が平均して約１３−２２重量％の範囲である、
請求項１記載の工具インサート。 - 【請求項３】 前記コアの金属結合剤含有量が前記外側
層の金属結合剤含有量より略５重量％少ない、請求項１
記載の工具インサート。 - 【請求項４】 前記研磨材層と前記コアとの間の界面が
非−平面である、請求項１記載の工具インサート。 - 【請求項５】 多結晶ダイヤモンド層、該ダイヤモンド
層に結合された炭化タングステンコア層および該コア層
に結合された炭化タングステン外側層を含み、前記コア
層が平均して約５−１５重量％の範囲の結合剤金属含有
量を有し、前記外側層が平均して約１３−２２重量％の
範囲の結合剤金属含有量を有する、改善された研磨工具
インサート。 - 【請求項６】 標準の高温／高圧装置の反応容器内で研
磨工具インサートを製造する方法において、前記反応容
器内に焼結炭化物外側層を入れ、前記外側層内に該外側
層より低い金属結合剤含有量を有する焼結炭化物コアを
入れ、前記コアを研磨材粒子の層で覆い、そして前記容
器を高温および高圧にかける、工程を含む方法。 - 【請求項７】 前記コアの金属結合剤含有量が平均して
約５−１５重量％の範囲であり、前記外側層の金属結合
剤含有量が平均して約１３−２２重量％の範囲である、
請求項６記載の方法。 - 【請求項８】 前記コアの金属結合剤含有量が前記外側
層の金属結合剤含有量より略５重量％少ない、請求項６
記載の方法。 - 【請求項９】 標準の高温／高圧装置の反応容器内で研
磨工具インサートを製造する方法において、外側層内に
該外側層よりも低い金属結合剤含有量を有するコアを持
つ焼結炭化物の予備成形物を前記反応容器内に入れ、前
記コアを研磨材粒子の層で覆い、そして前記容器を高温
および高圧にかける、工程を含む方法。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US7236398A | 1998-05-04 | 1998-05-04 | |
| US09/267391 | 1998-05-04 | ||
| US09/072363 | 1998-05-04 | ||
| US26739199A | 1999-03-15 | 1999-03-15 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000033574A true JP2000033574A (ja) | 2000-02-02 |
Family
ID=26753290
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11123361A Withdrawn JP2000033574A (ja) | 1998-05-04 | 1999-04-30 | 界面を有する多結晶ダイヤモンド成形体カッタ― |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0967037B1 (ja) |
| JP (1) | JP2000033574A (ja) |
| KR (1) | KR19990088003A (ja) |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IE61697B1 (en) | 1987-12-22 | 1994-11-16 | De Beers Ind Diamond | Abrasive product |
| IE902878A1 (en) | 1989-09-14 | 1991-03-27 | De Beers Ind Diamond | Composite abrasive compacts |
| AU651210B2 (en) | 1991-06-04 | 1994-07-14 | De Beers Industrial Diamond Division (Proprietary) Limited | Composite diamond abrasive compact |
| AU670642B2 (en) | 1992-12-23 | 1996-07-25 | De Beers Industrial Diamond Division (Proprietary) Limited | Tool component |
| US5484330A (en) | 1993-07-21 | 1996-01-16 | General Electric Company | Abrasive tool insert |
| US5492188A (en) | 1994-06-17 | 1996-02-20 | Baker Hughes Incorporated | Stress-reduced superhard cutting element |
| US5711702A (en) * | 1996-08-27 | 1998-01-27 | Tempo Technology Corporation | Curve cutter with non-planar interface |
-
1999
- 1999-04-27 EP EP99303237A patent/EP0967037B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1999-04-30 JP JP11123361A patent/JP2000033574A/ja not_active Withdrawn
- 1999-04-30 KR KR1019990015596A patent/KR19990088003A/ko not_active Application Discontinuation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR19990088003A (ko) | 1999-12-27 |
| EP0967037A3 (en) | 2007-07-25 |
| EP0967037B1 (en) | 2010-09-22 |
| EP0967037A2 (en) | 1999-12-29 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20060704 |