JP2005530966A

JP2005530966A - ダイアモンド及び他の超硬表面を有する軸受、軌道輪及び軸受部材

Info

Publication number: JP2005530966A
Application number: JP2004515572A
Authority: JP
Inventors: ブラックバーン，ディーン，シー
Original assignee: ダイアミクロンインコーポレーテッド; ブラックバーン，ディーン，シー
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2002-06-21
Publication date: 2005-10-13
Also published as: AU2002367802A1; EP1552173A2; WO2004001238A2; AU2002367802A8; WO2004001238A3; DE60239231D1; CN1871442B; EP1552173A4; EP1552173B1; CN1871442A; ATE498781T1

Abstract

ダイアモンド軸受及び軸受部材を開示する。軸受及び軸受部材の幾つかの実施形態は、基体に化学的及び機械的に結合したダイアモンドテーブルを形成するため高温高圧下で焼結された多結晶ダイアモンド成形体を含む。ダイアモンドテーブルは、耐久性に優れ熱的に安定な荷重軸受及び関節表面を提供する。

Description

Ｉ．発明の背景
Ａ．発明の分野
本発明の各種実施形態は、主として、非平面軸受、軸受部品、軌道輪、軌道輪部品、並びにこれらのものを製造する方法に関する。より詳細には、本発明の幾つかの実施形態は、その全部又は一部がダイアモンド、ｃ−ＢＮ（立方晶窒化ホウ素）あるいは他の超硬物質からなる接触、転がり又は滑り（あるいはそれらの組み合わせ）表面を有する軸受及び／又は軸受軌道輪を含む。天然ダイアモンド、単結晶ダイアモンド、多結晶ダイアモンド成形体（コンパクト）、及びＣＶＤ（化学蒸着法）やＰＶＤ（物理蒸着法）により製造されたダイアモンドなど、多種のダイアモンドを使用することができる。本発明の実施形態は、軸受又は軌道輪のダイアモンド部分（それらのダイアモンド表面など）を製造し、成形し、研磨する方法を含む。ここで通常使用される「軸受ユニット」という用語は、例えば軸受、軌道輪、ボール（玉）、ローラ、カップ、ケージ（保持器）、ブシュ、シャフト（軸）、ジャーナル、及び／又は他の部品との転がり又は滑り（あるいはそれらの組み合わせ）関節形成に有益な関連部品を含む。

Ｂ．関連技術の説明
ここでは、非平面軸受、軸受部品、軌道輪及び軌道輪部品に関する技術について説明する。

本発明の各種実施形態は、ダイアモンド及び他の超硬表面を軸受及び軸受部品に利用することに関する。これら軸受及び軸受部品としては、滑り軸受及び軸受軌道輪、並び転がり軸受及び軸受軌道輪の双方が含まれる。軸受は、各種機械装置において不可欠な部分である。そのような各種用途において、軸受は、極度に集中した力や直接衝撃荷重に対し耐性があり、また機械装置における摩擦やエネルギー損失を減少させなければならない。加えて、部品のメカニカルアライメントを維持する必要や、機械装置の精度や確度を維持する必要がある。滑り軸受であるか、転がり軸受であるか（あるいはそれらの組み合わせであるか）に関わらず、磨耗、高荷重及び／又は複雑な潤滑要件に晒される如何なる軸受用途においても、本発明の実施形態による効果を享受することができる。しかしながら、本発明の実施形態は他の用途にも適用可能である。

典型的な軸受種類としては、軌道輪を有する玉軸受、軌道輪又は軌道を有するころ軸受、滑り要素軸受などがある。どの軸受においても、シャフトアライメントを維持するラジアル型又はスリーブ型軸受や、軸方向の力を伝達するスラスト軸受などがある。ころ軸受は、同種の機能を奏することが可能な、円筒ローラ、円錐ローラ（tapered rollers）、ニードルローラ（needle roller）、バレルローラ（barrel rollers）など（対称及び非対称）を含むことができる。滑り要素軸受は、例えばブシュ、ジャーナル、並びに、機械装置内の固定関節軸受部品や玉軸受部品を含んでいる。

軸受部品を製造する材料は、具体的用途における機械的要求に依存する。それら材料に望まれる特性としては、耐久性、耐破壊性及び耐磨耗性、耐熱性、軸受に使用される典型的金属に比べ低い熱膨張係数、潤滑剤不要の滑り接触のための低い摩擦係数、更には、軸受の機械的作用を向上させるために時として要求される潤滑剤への親和性がある。

各種の潤滑剤及び潤滑系を使用して軸受作用を向上させることが可能であり、また耐久性や機能寿命を向上させることが可能である。しかしながら、潤滑剤は軸受系を複雑にするので、潤滑剤を全くあるいは殆ど必要とせず機能することが望ましい。

潤滑剤を使用するとすれば、例えばグラファイト、モリブデン、ＰＴＦＥなどの固形媒体、これらの粉状媒体、あるいは流体媒体などがあり、流体媒体としては例えば水、炭化水素、過フッ化炭化水素（フルオロカーボン）、ハロゲン化炭化水素、例えば脂肪や脂肪酸などの複合炭化水素、シリコン基調の潤滑剤、その他流体がある。ある用途においては、潤滑目的で使用される流体は、例えば油井掘削装置や腐食流体ポンプ系などの場合のような、研磨性及び／又は腐食性があってもよい。

軸受は、例えば回転、関節運動又は摺動する生体若しくは非生体装置において、多数の機能を発揮することが求められる。そのような機能としては、高荷重に耐えること、アライメントを正確に維持すること、機械運動のために摩擦係数を低く保つこと、高インパクト衝撃荷重に耐えることなどがあるが、これらに限定されない。加えて、例えば高温環境や、腐食性化学薬品の存在下、浸食性環境、その他の不利な環境など、過酷な環境の中でこのような機能を発揮することが軸受にはしばしば求められる。

軸受用途に理想的な材料としては、高い硬度、高い耐破壊性、低い摩擦係数、化学的不活性、熱的安定性、及び高い熱伝導率を有していることが求められる。軸受及び軌道輪の製造に現在使用されている材料としては、硬質非鉄系合金、硬化鋼、セラミクス、プラスチック（ポリエチレンなど）、あるいは炭化珪素、窒化チタン及び酸化アルミニウムなどの結晶性材料がある。このような材料は全て、磨耗しやすく、荷重負荷により変形しやすく、また腐食環境や熱的破壊によって破断、劣化しやすいため、この用途における有用性は制限されている。

軸受の磨耗又は劣化は、機械部品のアライメントを狂わせ、そのことにより更に磨耗が加速したり、あるいは他の機械部品の破壊を招いたり、発熱を増加させたり、最終的に壊損を伴うほど更に軸受磨耗を加速させたりする。

ダイアモンドの耐磨耗性は、他のあらゆる材料の耐磨耗性を凌駕している。
更に、ダイアモンドは、軸受性能の向上に望ましい熱的安定性、熱伝導率、化学的不活性、及び耐破壊性を有している。以下の表は、多結晶ダイアモンド成形体の特性と、軸受表面を構成可能な他の幾つかの材料の特性とを比較している。

従来軸受における顕著な問題は、十分な硬さの第三の磨耗粒子が軸受環境に導入されるとき、壊損を招く加速磨耗を発生させる傾向にある。

従来技術における欠点及び制限全般は、改善された軸受、軸受部品、軌道輪、軌道輪部品、並びにそれらを製造する方法への明らかな需要を示している。

米国特許第５，１２７，９２３号公報米国特許第４，１６３，７６９号公報米国特許第４，１０４，３４４号公報

III．発明の概要
多結晶ダイアモンド成形体は、多くの点において、軸受用途に理想的な材料である。現存の多結晶ダイアモンド成形体は、土木掘削や岩石切削などの最も要求の厳しい機械的用途において使用されている。

しかしながら、典型的な非平面軸受用途において、本発明の多結晶ダイアモンド成形体を製造する方法を開発した者はいなかった。

本発明の幾つかの実施形態の目的は、従来軸受と比較して劣化を受けることなく、耐磨耗性を向上させ、摩擦係数を減少させ、不利な環境への耐性を向上させ、耐高荷重性及び耐衝撃性を向上させた、非平面ころがり又は滑り軸受（あるいはそれらの組み合わせ）用の部品を提供することにある。本発明の特徴は、軸受及び／又は軌道輪が、その関節表面にダイアモンドや他の超硬材料を使用していることにある。

本発明の幾つかの好ましい実施形態の目的は、潤滑剤無しで、あるいは類似用途で使用される従来軸受に比べて極少量の潤滑剤で、良好に機能しうる軸受及び軌道輪を提供することにある。

ダイアモンドは熱伝導性に非常に優れていることが知られており、その常態においても、焼結多結晶ダイアモンドは優れた熱的安定性を示す。多結晶ダイアモンド成形体の間隙領域に位置する金属が除去されると、耐熱部分の能力が向上する。本発明の幾つかの実施形態において、米国特許第５，１２７，９２３号（特許文献１）、米国特許第４，１６３，７６９号（特許文献２）、米国特許第４，１０４，３４４号（特許文献３）に開示された方法によって極めて熱的に安定なダイアモンドを製造することができる。これら特許はここで参照によって各々援用する。

本発明の幾つかの実施形態の更なる目的は、化学的安定性及び熱的安定性が高く、従来軸受及び類似用途に比べ優れた機能を示す軸受および軸受要素を提供することにある。従って、本発明の軸受及び軌道輪は、その低摩擦係数に起因して発熱を防止するのみならず、その優れた熱的安定性に起因して熱損傷も防ぐものである。

本発明の幾つかの実施形態の更なる目的は、ダイアモンド及び他の超硬材料で製造された軸受を提供することにある。本発明に係るダイアモンド及び他の超硬材料は、ここに記載される各種目的を達成するものである。

また本発明の幾つかの実施形態の目的は、極性及び非極性両種の潤滑剤に対し高い親和性を示し、従来軸受及び軌道輪に比べ摩擦損失が小さな軸受及び軌道輪を提供することにある。ダイアモンドは、非常に大きな表面エネルギーを持つことが知られており、その性質により非常に濡れ易く潤滑化し易い。この特徴は、従来技術に比べて本発明装置における機能、耐久性及び有用性を向上させる。

本発明の更なる目的は、軸受の耐久性、有用性及び寿命を向上させるべく、接触表面からより効率的に放熱が行われるよう、熱伝導率が極めて高い軸受、軸受要素及び軌道輪を提供することにある。

その結果、軸受寿命は向上し、潤滑剤の完全性が維持される。

本発明の幾つかの実施形態の更なる目的は、高精度及び高確度が要求される用途において正確な軸受を提供することにある。

本発明軸受及び軌道輪は、従来軸受に比べて磨耗が非常に少なく、硬度が高く、靱性が高いため、長期にわたって精度及び確度を維持するものである。

本発明の幾つかの実施形態の更なる目的は、接触表面の少なくとも一部がダイアモンドあるいは他の超硬材料であり、軌道輪又は他の対向軸受表面と関節を形成する、玉型、バレル、シャフト型、スリーブ型及びピン型の転がり軸受を提供することにある。ダイアモンド又は超硬材料は、接触表面全体に使用してもよく、また、例えば接触表面上にダイアモンド切片を使用するなど、接触表面の一部のみに使用してもよい。

本発明の幾つかの好適な実施形態の更なる目的は、連続又はセグメント化したダイアモンド又は他の超硬材料からなる転がり要素を含む軸受を提供することにある。このような軸受及び転がり要素は、例えば酸化アルミニウム、鋼、炭化タングステン、炭化珪素、ポリマーなど、非ダイアモンド材料からなる軌道輪又は他の対向軸受表面と関節を形成してもよい。

本発明の幾つかの実施形態の更なる目的は、例えば酸化アルミニウム、鋼、炭化タングステン、硬化鋼、炭化珪素、ポリマーなど、非ダイアモンド表面を有する転がり要素と関節を形成するダイアモンド又は他の超硬材料を備えた軌道輪を使用することにある。

本発明の幾つかの好適な実施形態の更なる目的は、ダイアモンド又は他の超硬材料がセグメント化されて表面に嵌め込まれた軌道輪を使用することにある。ダイアモンド又は超硬セグメントは、円形でもよく、円形の入れ子状部品に隣接していてもよく、あるいは、平行四辺形、六角形部材、四角形部材、放射状四角形（radial tetragonal）部材、これらの組み合わせ並びに他の形状であってもよい。

本発明の幾つかの好適な実施形態の他の目的は、円形又は多角形形状を含むセグメント化されたダイアモンド又は他の超硬材料軸受表面を有する転がり要素を使用することにある。円形又は多角形形状は、軸受要素の表面に、例えば、経線若しくは緯線、螺旋、同心円、直線など各種所望形状に配された超硬材料の縞又は筋を有していてもよい。

本発明の幾つかの実施形態の他の目的は、円筒ころ、非対称バレルころ及び円錐台型ころからなるラジアル用途及びスラスト用途のころ軸受を提供することにある。

本発明の幾つかの実施形態の他の目的は、化学的攻撃への耐性や、腐食又は浸食環境などの過酷な環境での劣化に耐性のある軸受を提供することにある。ダイアモンド及び他の好適な超硬材料の性質は、苛酷な環境に耐えうるものである。

本発明の幾つかの実施形態の他の目的は、衝撃荷重による破壊に耐えうる形状の軸受を提供することにある。

本発明の幾つかの実施形態の他の目的は、劣化を伴わず、単位寸法辺りの高荷重に耐えうる形状の軸受を提供することにある。

本発明の幾つかの実施形態の他の目的は、顕著な磨耗や劣化を伴わず長期稼働周期にわたって高荷重に耐え、且つ、低摩擦係数を維持しながら確度や精度を維持しうる形状の軸受を提供することにある。

本発明の幾つかの実施形態の他の目的は、軸受、軌道輪及び軸受部品を製造し、仕上げる方法を提供することにある。

本発明の幾つかの実施形態の目的は、潤滑剤がなくとも耐磨耗性を向上させ摩擦係数を低減させた軸受部品を提供し、軸受部品の寿命を最大化することにある。本発明の幾つかの実施形態の特徴は、各種ダイアモンド及び他の超硬材料を軸受表面に使用することにあり、超硬材料とは、耐磨耗性に優れ摩擦係数が非常に小さなダイアモンドを含む。本明細書において、超硬材料とは、少なくとも約４０００のヌープ硬度を有する材料である。この超硬材料には、焼結多結晶ダイアモンド及び他のダイアモンド、ダイアモンド様材料、ｃ−ＢＮ（立方晶窒化ホウ素）及びｗ−ＢＮ（ウルツ鉱型窒化ホウ素）を含む。

本発明の幾つかの実施形態の目的は、使用又は磨耗の結果として大量の破片や摩滅粒子を発生することのない軸受部品を提供することにある。本発明の幾つかの実施形態の特徴は、多結晶ダイアモンド成形体又は他の超硬材料を使用して、軸受部品の関節表面の少なくとも一つを形成し、その結果として使用中全くあるいは殆ど破片又は粒子を発生せず、第三の研磨物質を破壊して軸受への損傷を最低限に抑えた低摩擦及び長寿命の軸受部品を提供することにある。

本発明の幾つかの好適な実施形態の他の目的は、知られているなかで最も硬い材料、即ちダイアモンド、ｃ−ＢＮ及び他の超硬材料を使用して、現在知られている中で最高の耐磨耗性を軸受部品に付与することにある。本発明の特徴は、幾つかの好適な実施形態において、焼結多結晶ダイアモンド（ＰＣＤ）及び焼結多結晶ダイアモンド成形体（ＰＤＣ）を軸受表面に使用することにある。本明細書において、多結晶ダイアモンド成形体は、基体材料に付着した多量のＰＣＤを含み、基体材料への付着方法は化学的付着であるか物理的付着であるかを問わず、その両方であってもよい。多結晶ダイアモンドは極度に硬く、研磨時には、既知材料のなかで最も低い摩擦係数の一つを有する。従って本発明の利点は、軸受部品の寿命が従来の金属及び／又はセラミック軸受より遥かに長いことにある。多結晶ダイアモンド成形体は、多様な方法で製造してよく、例えばプレス中での高圧高温焼結法、ＣＶＤ（化学蒸着法）、ＰＶＤ（物理蒸着法）などで製造可能である。

本発明の幾つかの実施形態の目的は、非平面ダイアモンド及び超硬軸受部品表面を提供することにある。本発明の各種実施形態は、多結晶ダイアモンド成形体として製造可能である新規な非平面軸受表面を提供するものである。

本発明の幾つかの実施形態の目的は、非平面多結晶ダイアモンド成形体軸受表面の製造方法を提供することにある。凹球又は凸球状軸受表面など（しかしながらこれに限定されない）、非平面多結晶ダイアモンド成形体軸受表面を製造する多結晶ダイアモンド成形体の製造や、材料の調製に関し、各種方法を開示する。

本発明の幾つかの実施形態の目的は、非平面超硬軸受表面を研磨仕上げする方法を提供することにある。超硬成形体軸受表面を、低摩擦係数まで高度に研磨する新規な研磨方法を開示する。

上記本発明の目的、特徴及び利点は、本発明を単独あるいは他の技術と組み合わせて用いることにより得られる効果を理解するための例示的なものである。

本発明の他の目的、特徴及び利点は、明細書及び請求の範囲を読み、図面を参照することにより当業者に明らかとなる筈である。

以下、図面を参照して本発明の各種要素について説明する。本発明の構成及び原理は図示の例のみならず、その他多くの種類の関節表面に適用可能であり、また超硬材料及び超硬部品の製造、成形及び仕上げにも適用可能であり、また超硬関節表面及び超硬部品を用いる装置の製造、成形及び仕上げにも適用可能である。

軸受部品及び他の軸受表面の設計に関し通常の技能を有する者であれば、本発明の各種実施形態及びそれらの原理を、ここで例示される以外の軸受部品、軸受表面及び装置に適用することは可能である。

Ａ．本発明の軸受及び軌道輪の構成
本発明の原理に従い製造しうる好適な軸受及び軌道輪の構成の幾つかを実施例として説明する。本明細書の後段において、軸受及び軌道輪の製造に好適な材料並びに製造、成形及び仕上げ工程についてより詳細に説明する。本発明の構成及び原理は、具体的に例示されたもののみならず、滑り軸受及び転がり軸受双方における他の種類の関節表面にも、また他の用途における超硬材料及び超硬部品の製造にも適用可能であることは当業者であれば分かる筈である。

図１は、本発明の玉軸受要素１０１を示している。

図１Ｂ、本発明の円筒ころ軸受要素１０２を示している。

図１Ｃは、本発明の針状ころ軸受要素１０３を示している。

図１Ｄは、本発明の円錐ころ軸受要素１０４を示している。

図１Ｅは、本発明の対称バレルころ軸受要素１０５を示している。

図１Ｆは、本発明の非対称バレルころ軸受要素１０６を示している。

軸受要素１０１乃至１０６の各々は、所望により、固体ＰＣＤ、多結晶ダイアモンド成形体、又は他のダイアモンド若しくは超硬材料から製造することができる。

図２Ａ−１及び図２Ａ−２は、内軌道輪及び外軌道輪保持器を備えたラジアル玉軸受アセンブリ１０７を示している。外軌道輪１及び内軌道輪３、軸受転がり玉要素２、並びに、連接する一方で軸受アセンブリ内に軸受を保持する保持器４が描かれている。

玉２又は軌道輪１及び３の接触表面は、全体をダイアモンド若しくは超硬材料としてもよく、あるいは一部をダイアモンド若しくは超硬材料としてもよい。

図２Ｂ−１及び図２Ｂ−２は、スラストころ軸受を示している。軸受転がり玉要素６は、回転し、軌道輪５及び７並びに軸受保持器８と連接する。玉又は軌道輪の接触表面は、全体をダイアモンド若しくは超硬材料としてもよく、あるいは一部をダイアモンド若しくは超硬材料としてもよい。

図２Ｃ−１及び図２Ｃ−２は、玉軸受１０９を示している。図示された玉軸受１０９は、例えば基体１０上にダイアモンド９の表面層を含んだ多結晶ダイアモンド成形体である。この実施形態は、ダイアモンドの連続表面層を含むが、ダイアモンド表面は不連続であってもよい。基体は、本明細書の他所に記載するように任意の好適な基体であってよい。

本発明の幾つかの実施形態は、多結晶ダイアモンド成形体、蒸着法（例えばＣＶＤやＰＶＤなど）によって添着されたダイアモンド、多結晶ｃ−ＢＮ成形体又は他の超硬材料からなる表面層を含むものであってもよい。ダイアモンド若しくは超硬材料の表面層は、例えば適当な耐久性のある金属、セラミック材料、複合材料又は結晶性材料など、適当な耐久基体に添着することができる。一の好適な実施形態において、表面層は、金属基体に添着された多結晶ダイアモンド成形体からなる。これは、ダイアモンドが化学的に基体に結合して、非常に硬く低摩擦で耐久性のある長寿命な軸受用関節表面をもたらすことを意味している。軸受用途において、表面形状は、摩擦係数が非常に低い滑らかなガラス様仕上げとなるよう好適な精度及び確度に仕上げられる。ダイアモンドは、非常に硬く、非常に低い摩擦係数を有している。従って、ダイアモンドを使用する場合、ダイアモンドからなる表面層とそれに連接する部分との間の摩耗は、長期間無視しうる程度であり、その結果、極度の長寿命の耐久性を持つ部分となる。加えて、成形体として構成された金属基体上のダイアモンド表面の靱性が非常に高いため、転がり軸受要素は、非常に高い破断靱性を有しており、デューティーサイクルの一部として最大荷重及び衝撃を受ける軸受要素として望ましい。

図２Ｄ−１及び図２Ｄ−２は、表面１２上に軸受インサート１１を有して不連続ダイアモンド表面を形成している玉軸受１１０を示す図である。インサート１１は、例えば高い精度及び確度で基体材料上に配置される。図示された玉軸受の軸受表面は、ダイアモンド若しくは他の超硬材料からなる複数の領域に分割されており、これら領域は、基体材料の脈により分断されている。このような脈を持つ玉の製造や継ぎ合わせ構造（多面体又は円形セグメント化表面）は、ある基体金属を製造する方法に有利であると共に、高衝撃環境において有利である。ダイアモンド若しくは超硬材料からなる各軸受セグメントは夫々、ダイアモンド若しくは超硬材料のセグメントを破断させることなく、最高荷重下で過渡的な変形を吸収する。

図２Ｅ−１及び図２Ｅ−２は、プラグ１４を有する玉軸受の断面を示している。プラグ１４は、例えば、多結晶ダイアモンド若しくは他の超硬材料からなる表面を有する多結晶ダイアモンド成形体である。プラグ１４は、例えば、球状の基体玉１５若しくは他の所望の構造上の受け部に確実に固定される。プラグ又はセグメントは、例えば、多結晶ダイアモンド成形体若しくは他の超硬材料として形成される。各プラグは、超硬材料からなる連続相であってよく、あるいは多結晶ダイアモンド成形体など、基体上の超硬材料軸受表面から形成された成形体であってもよい。プラグは、例えば、基体構造に、好ましくは超硬軸受表面の露出部分を残すように適切な受け部に、接着、溶接、あるいは機械的に固定することができる。本明細書後段に記載する最終仕上げ工程によって高品質の曲線的／球状表面が得られる。軸受表面へのこのようなアプローチによって、連続的な軸受表面では得ることのできない非常に大きな球状及び／又は曲線的な軸受表面の製造が可能になる。さもなければ多結晶ダイアモンド成形体要素の製造上の寸法制限によって、このような大きな軸受要素の製造も制限されることとなる。

図２Ｆ−１及び図２Ｆ−２は、固体若しくは連続相多結晶ダイアモンド若しくは他の超硬材料で構成された玉１１２を示している。この玉１１２は、別個の基体を持たず、固体ダイアモンド若しくは超硬材料で製造されている。この玉１１２は、その内部全域にダイアモンドの連続相を有している。このような連続相軸受要素の実施形態は、例えば、多結晶ダイアモンド、多結晶ｃ−ＢＮ若しくは他の超硬材料から製造される。この構造は、化学的な電磁性及び構造上の観点から幾つかの利点を有している。

図２Ｇ−１及び図２Ｇ−２は、基体１８上に位置するダイアモンド１７若しくは他の超硬材料からなる縞、脈又は不連続パターンを有する玉軸受１１３を示している。玉１１３表面のダイアモンドは、例えば同心円、螺旋、緯線若しくは経線その他、所望形状の規則的若しくは不規則的不連続パターンとすることができる。この構造は、上記セグメント化軸受表面と幾つか共通する利点を有している。

図２Ｈ、図２Ｈ−１及び図２Ｈ−２は、ラジアル玉軸受アセンブリ１１４を示している。図２ｊは、図２ｉの軸受１１４の線分２ｊ−２ｊにおけるもう一つの断面図である。軸受アセンブリ１１４は、外軌道輪２０及び内軌道輪２２を有しており、夫々連続的なダイアモンド若しくは他の超硬関節表面２１を有している。軸受表面へのダイアモンド層の形成には各種製造方法を利用することができ、例えば軌道輪表面にＰＤＣ（多結晶ダイアモンド成形体）を直接製造したり、ＣＶＤやＰＶＤを利用したりすることができる。加えて、必要又は希望があれば、内軌道輪、外軌道輪又はその両方を全体的にＰＤＣ構造体により製造してもよい。軌道輪がＰＤＣの場合、ころ軸受要素はＰＤＣとしてもよく、あるいは他の超硬材料若しくは他の非超硬材料としてもよい。

図２Ｋ及び図２Ｋ−１は、円筒ころ軸受アセンブリ１２７を示している。軸受アセンブリ１２７は、内軌道輪３３、外軌道輪３４及び円筒軸受要素３５を有している。円筒軸受要素３５は、基体と、その外側の超硬関節表面３７とを有している。軸受要素３５は、超硬関節表面を有するスリーブ３６内で回転する。スリーブ及び軸受要素は、リテーナ３８によって保持されている。

図２Ｌ−１及び図２Ｌ−２は、放射状四角形セグメント型（radial tetragonal segmented）軸受軌道輪を有するラジアル玉軸受アセンブリ１１５を示している。図示の放射状四角形セグメント型軸受表面２３は超硬軸受表面を有している。内軌道輪１５１及び玉軸受１５０も図示されている。玉軸受要素、テトラゴナル・セグメンテッド軸受表面、又はその両方は、例えばダイアモンド若しくは他の超硬材料から製造される。テトラゴナル・セグメントのような個別軸受表面を使用することは、製造上の観点から有利である。製造環境によっては、個別のＰＤＣ若しくは超硬セグメントを製造し、その後に軌道輪の軸受表面として好適な基体表面にそれらを組み込む方が、軌道輪の軸受表面全体を単一のＰＤＣ若しくは超硬部品として製造するよりも、簡単で安上がりである。

図２Ｍ−１及び図２Ｍ−２は、基体上の円形入れ子式インレー２８（円形セグメント）内にあるダイアモンド他の超硬材料軸受表面を有するスラスト軸受軌道輪１１６を示している。入れ子式インレー２７は、夫々がその内部に関節陥凹部２７を有するように形成されている。各インレーは、その基体上にダイアモンド層を有する多結晶ダイアモンド成形体として製造してもよい。インレーは、例えば入れ子状に近接して基体上に設けられる。あるいは、インレーは材料の連続相から製造してもよい。軸受用途及び製造環境によっては、インレーを製造してそれらを基体表面に嵌め込む方が、軸受表面全体を単一部品として形成するよりも、簡単で安上がりである。

図２Ｐ−１及び図２Ｐ−２は、例えば前図に描かれた用途において使用しうる個別軸受セグメントを示している。セグメント１１９は、基体１２１上にダイアモンド１２３ｃ若しくは他の超硬材料からなる層を有しているが、セグメント１１９は、超硬材料の連続相から形成することもできる。図示のセグメント１１９の形状は、概ね円形であるが、他のセグメントを入れ子状に収容し、連続軸受表面を形成するための関節陥凹部１２２を有している。符号１２３ａ及び１２３ｂで示されるセグメント１１９の側面は概ね平行であるが、軸受若しくは軌道輪における隣接セグメントとの陥合や噛合を良好にするため、軸受表面若しくは底面１２３若しくはセグメント１１９に対して直角ではない。

図２Ｑ及び図２Ｑ−１は、基体２５上に接着された連続するダイアモンド２４若しくは他の超硬材料を有するスラスト軸受１２４を示している。

図２Ｒ−１及び図２Ｒ−２は、ダイアモンド若しくは他の超硬材料を使用する傾斜インレーセグメント（angular inlaid segments）２９を有するスラスト軸受１２５を示している。各傾斜インレー軌道輪軸受セグメント又は要素２９は、隣接する軸受要素に近接して並べられ、例えばスラスト軸受基体３１へのろう付けなどによって好適に固定される。各セグメント２９は、超硬材料の連続相であってもよく、あるいは、多結晶ダイアモンド成形体など、基体３０上に超硬材料３２の層を有するものであってもよい。

図２ｖ及び図２ｗは、図２ｔ及び図２ｕの軸受若しくは他の用途において使用される単一傾斜セグメント２９の前面及び側面を示している。軸受セグメント２９は、他の軸受要素と並んで基体上に嵌め込まれる傾斜側面２９ａ及び２９ｂを有している。軸受セグメント２９の上端２９ｃ及び下端２９ｄは弓形に描かれているが、他の形状でもよい。セグメント２９は、超硬材料の連続相であってもよく、あるいは、多結晶ダイアモンド成形体など、基体２９ｆ上に超硬材料２９ｅの層を有するものであってもよい。

図２Ｓ−１及び図２Ｓ−２は、軸受に使用される単一傾斜セグメント２９を示している。軸受セグメント２９は、他の軸受要素と並んで基体上に嵌め込まれる傾斜側面２９ａ及び２９ｂを有している。軸受セグメント２９の上端２９ｃ及び下端２９ｄは弓形に描かれているが、他の形状でもよい。セグメント２９は、超硬材料の連続相であってもよく、あるいは、多結晶ダイアモンド成形体など、基体２９ｆ上に超硬材料２９ｅの層を有するものであってもよい。

図２Ｔ−１及び図２Ｔ−２は、好適なスラスト軸受軌道輪基体３２に嵌め込まれた多数のセグメント化軸受要素３１を有するスラスト軸受軌道輪１２６を示している。軸受要素３１は円形、楕円形、又は他の所望の形状とすることができる。軸受要素は、多結晶ダイアモンド成形体、連続相多結晶ダイアモンド、他の連続相超硬材料、又は基体上の超硬材料とすることができる。

軸受要素３１は、例えばろう付け、ボンディング、セメンティング、圧縮、溶接、機械嵌め、アッタチメントなど、好適な方法によって基体３２に添着される。軸受要素３１は、互いに直接隣接して連続する超硬材料表面を形成してもよく、あるいは基体３１の脈が間に介在するように互いに離間していてもよい。

本発明の目的の一は、多様な形状の転がり要素及び／又は軌道輪からなる軸受表面にダイアモンド若しくは他の超硬材料を取り入れて、軸受要素を取り入れた機械装置の精度、信頼性及び耐久性を向上させることにある。加えて、本発明概念の実施により、腐食環境における軸受及び／又は軌道輪の機械的性能の劣化を防ぎ、耐磨耗性が向上し、軸受ユニットの一部としての複雑な潤滑系の必要性を排除し、高荷重及び衝撃荷重への耐性を向上させるものである。

本発明概念及び好適な材料を利用して製造した軸受は、優れた熱的安定性及び寸法安定性並びに優れた耐腐食性を有して製造され、また低摩擦係数、優れた耐磨耗性及び耐寸法劣化性を示す。

本発明の構造及び方法は、任意の分野において多様な軸受及び軌道輪並びに軸受表面及び関節表面に適用可能である。本発明概念に従い製造しうる製品例を補足すると、ラジアル玉軸受、ラジアルころ軸受、スラスト玉軸受、スラストころ軸受、ブシュ、スリーブ、軌道輪、並びに他の任意の関節表面を挙げることができる。

一の関節表面上にダイアモンドテーブルを有する本発明実施形態において、ダイアモンドテーブルは、典型的にサブミクロンオーダーの厚さから約３０００μｍ若しくはそれ以上の厚さである。本発明実施形態の幾つかにおいては、例えば固体多結晶ダイアモンドボールや固体多結晶ダイアモンドソケットなど、固体多結晶ダイアモンド成形体を使用する。その場合、ダイアモンドテーブルの寸法は、部品寸法に等しい。

多結晶ダイアモンド成形体を基体と共に使用するボール及びソケット軸受部品については、製造を簡単にするために、多結晶ダイアモンドテーブルは、本発明における最も好適な実施形態において約５μｍ未満の厚さから約２ｍｍを超える厚さとする。他のダイアモンド軸受表面及び他の超硬軸受表面は、その厚さが約１μｍ未満から約１００μｍを超える範囲にあるか、前述の通り固体多結晶ダイアモンド部品を使用できる。

本発明の各種実施形態において、部品の軸受表面の形状及び寸法は、具体的用途における要求を満たすように設計され、ここに記載するものと異なっていてもよい。

Ｂ．好適な軸受部品におけるダイアモンドの取り付け
１．本発明の好適な実施形態におけるダイアモンドと基体との界面
多結晶ダイアモンド成形体は、関節表面と基体との間に、特有の化学結合と機械的噛合いをもたらす。

本発明の幾つかの好適な軸受部品構造は、軸受及び軌道輪部品の少なくとも一方に多結晶ダイアモンド成形体を使用する。多結晶ダイアモンド成形体を使用する軸受及び軌道輪部品は、基体とダイアモンド結晶とが化学結合している。この構造の結果、基体とダイアモンドテーブルとが非常に強く結合される。

ＰＤＣを製造する好適な方法は、本明細書後段に記載する。端的に言えば、高温高圧下でダイアモンド結晶を相互に、また基体に焼結することからなる。最も好適な実施形態において、仕上がった部品は、ダイアモンドと基体との界面に、基体、ダイアモンド又はその両者の界面の引っ張り強度を超えない残留応力を有している。

図４Ａ及び図４Ｂは、多結晶ダイアモンド成形体の製造における物理的及び化学的工程を図示している。

図４Ａにおいて、多数のダイアモンド供給原料（例えばダイアモンド粉末若しくは結晶）４３０が、焼結前に、金属含有基体４１０に隣接して配置されている。ダイアモンド供給原料４３０の領域には、個々のダイアモンド結晶４３１が観察され、個々のダイアモンド結晶４３１の間には、間隙４３２がある。所望により、多数の溶媒／触媒金属をこの間隙４３２内に投入してもよい。

基体４１０は、好適な純金属若しくは合金、二又はそれ以上の金属若しくは合金、金属と合金との複合構造、又は、例えばＷＣ―Ｃｏ（コバルト−炭化タングステン超硬合金）など、好適な金属若しくは合金を接合材として含有する超硬合金とすることができる。

好ましくは、基体は引っ張り強度の高い金属とする。仕上がった部品のダイアモンド／基体界面における残留応力が、基体、ダイアモンド又は両者の界面の引っ張り強度を超えない場合、非常に強く耐久性のある部品が得られる。これは、焼結工程中に膨張し、焼結終了時に収縮して、焼結前よりも０．０１％乃至１．０％寸法の小さな部品に仕上がる基体を使用するためである。

同図は、個々のダイアモンド結晶とそれに隣接する金属基体中の金属結晶を示している。ダイアモンド粉末と基体との界面４２０は、ダイアモンドテーブルと基体との結合が必ず発生する臨界領域である。本発明の幾つかの実施形態において、ダイアモンドや基体とは異なる第三の材料からなる境界層を界面４２０に配置する。その場合、この界面境界層材料は、幾つかの機能があり、例えばダイアモンドテーブルと基体との結合強化、ダイアモンド／基体界面における残留応力場の緩和などがあるが、これらに限定されない。

ダイアモンド粉末若しくは結晶と基体とが図４Ａに示すように組み合わせられると、この組み合わせられたものは本明細書後段で記載するように、ダイアモンド結晶とダイアモンド結晶並びに基体とを結合させるために高温高圧に晒される。その結果、基体に結合した焼結多結晶ダイアモンドテーブルの構造は、多結晶ダイアモンド成形体（ＰＤＣ）と称される。ここで使用される成形体という用語は、例えばダイアモンド結晶と基体金属など、二つの異なる材料の複合構造を指している。ダイアモンド結晶の代わりに焼結工程でｃ−ＢＮ結晶を取り入れた類似構造は、多結晶ｃ−ＢＮ成形体（ＰＣＢＮＣ）と称される。ここに記載するＰＤＣ構造及び部品を製造し仕上げる工程の多くは、ＰＣＢＮＣにおいても同様に機能する。本発明の幾つかの実施形態において、ＰＤＣをＰＣＢＮＣで置き換えてもよい。

図４Ｂは、基体に対しダイアモンド供給原料を高温高圧下で焼結した後の多結晶ダイアモンド成形体４０１を示している。ＰＤＣ構造内において、確認しうる量の基体４０２、確認しうる量のダイアモンドテーブル４０３、並びにダイアモンド結晶と基体とを含むダイアモンドテーブルと基体との間の遷移領域４０４がある。基体の結晶粒子４０５並びに焼結又は結合されたダイアモンド結晶４０６が描かれている。

ある実験においては、図４Ｂの最終成形体は、明瞭な境界を伴って、基体４０２に付着した固体ダイアモンドテーブル４０３から構成されることになる。

しかしながら、最近の実験においては、ダイアモンドテーブル４０３と基体４０２との間の遷移領域４０４が確認される。この領域は、ダイアモンドテーブルと基体との間でダイアモンド含有量と金属含有量との比率が徐々に変化していく傾斜界面である。この遷移領域の組成は、基体側の低ダイアモンド含有量から焼結ダイアモンド側のほぼ純粋ダイアモンドまで変化する。このような遷移領域の存在によって、ダイアモンドテーブルと基体との間の応力が分散する。

ダイアモンド結晶と基体金属とが混在する遷移領域において、ダイアモンドと金属との間には化学結合が生じている。遷移領域４０４からダイアモンドテーブル４０３にかけて、金属含有量は徐々に減少していき、焼結ダイアモンドテーブル構造４０３内の空隙又は筋４０７である三次元脈状構造を充填する溶媒／触媒金属にまで減少する。空隙又は筋４０７に存在する溶媒／触媒金属は、焼結中、基体から掃き出されたものであってもよく、あるいは焼結前にダイアモンド供給原料に添加された溶媒／触媒金属であってもよい。

焼結工程中は、三種の化学結合が発生する。ダイアモンド−ダイアモンド結合と、ダイアモンド−金属結合と、金属−金属結合である。ダイアモンドテーブルにおいては、ダイアモンド粒子が部分的に溶媒／触媒金属に溶解し、その後結合する際に発生したダイアモンド−ダイアモンド結合（とりわけ炭素結合）が存在する。基体及びダイアモンドテーブルにおいては、高温高圧下での焼結工程によって発生した金属−金属結合がある。更に遷移領域においては、ダイアモンドと溶媒／触媒金属との間にダイアモンド−金属結合が生じる。

これら各種化学結合と、ダイアモンド構造体ダイアモンドテーブルの空隙内などダイアモンドテーブル内の溶媒／触媒金属によって生じる機械的噛合いとの組み合わせによって、ダイアモンドテーブルと基体との間に非常に高い結合強度が得られる。空隙は、ダイアモンド構造中に存在し、典型的に溶媒／触媒金属で充填され、多結晶ダイアモンド構造内に溶媒／触媒金属の脈を形成している。この結合構造によって、成形体の破壊靱性は非常に大きくなり、ダイアモンドテーブル内の金属脈は、ダイアモンド構造内の初期亀裂の成長を停止するエネルギーシンクとして機能する。遷移領域及び金属脈構造によって、ダイアモンドテーブル物性と基体物性との間で物性傾斜を有する成形体が得られ、また成形体の靱性も向上する。

遷移領域は、その特性に応じて、界面、傾斜遷移領域、組成傾斜領域又は組成傾斜とも称される。

遷移領域によって、その領域の厚さにわたってダイアモンドと基体との間の応力が分散し、明瞭な線状の界面における大きな領域応力を減少させることができる。この残留応力は、高温高圧下の焼結工程の終了によって圧力及び温度が低下する際に、ダイアモンドと基体との間の熱膨張特性や圧力の差に起因して発生する。

ダイアモンド焼結工程は、極度に高温高圧の条件下で行われる。本発明の最も実験的で理論的な理解によれば、ダイアモンド焼結工程は、以下の順序で進行する。未結合ダイアモンド粉末若しくは結晶からなる供給原料（ダイアモンド供給原料）と基体とを含有する圧力セルを、基体４１０のバインダ金属の溶融点を超える温度まで加熱し、バインダ金属を隣接するダイアモンド結晶４０６間の空隙４０７内に流動又は掃引する。バインダ金属は、空隙を充填する圧力差を推進力として拡散し、またダイアモンド結晶４０６の大きな表面積による表面エネルギー若しくはキャピラリー作用を引力として拡散する。温度が上昇し続けると、ダイアモンド結晶表面から炭素原子が間隙溶融金属内に溶解し、炭素溶液を生じる。

温度及び圧力の適切な閾値において、ダイアモンドは熱力学的に有利な結晶性炭素同素体となる。溶液がCd（カーボンダイアモンド）に関し過飽和になると、この溶液から炭素は、ダイアモンド結晶表面上でダイアモンドとして結晶化し始め、隣接するダイアモンド結晶同士がダイアモンド−ダイアモンド結合により結合して、焼結多結晶ダイアモンド構造４０６となる。間隙金属は、ダイアモンドテーブル内で脈状格子を形成している残りの空隙を、毛管引力及び推進圧力により充填する。炭素原子溶液を生成すると共に、多結晶ダイアモンド構造が生成する溶液／析出反応の活性化エネルギーを低下させる間隙金属の重要な役割に由来して、この金属は溶媒／触媒金属と称される。

図４ＢＢは、基体金属４８０とダイアモンド４８１の両方を有する多結晶ダイアモンド成形体を示しているが、基体金属からダイアモンドに至るまで連続的な濃度傾斜若しくは遷移４８２が見られる。このような成形体では、傾斜遷移領域は、成形体全体であっても、その一部であってもよい。

本発明の幾つかの実施形態において、焼結前に、多数の溶媒／触媒金属をダイアモンド供給原料に混合してもよい。これは、厚いＰＣＤテーブルや、固体ＰＤＣ構造を形成する際、あるいはダイアモンド粉末内の残留自由空間が殆どない多様な微細ダイアモンドを使用する際に必要とされる。このような場合、溶媒／触媒として焼結工程を十分促進するには、掃引若しくは拡散機構による溶媒／触媒金属の進入では不十分である。

この金属は、粉末の直接添加によって添加してもよく、アトリションミルを使用する本来の金属粉末の生成によって添加してもよく、あるいはダイアモンド結晶上に析出した金属塩を化学還元する公知の方法によって添加してもよい。添加金属は、質量１％未満から３５％を超える任意の量とすることができる。この添加金属は、基体中にあるものと同一の金属若しくは合金であってもよく、あるいはその材料及び機械的特性から選択した異なる金属若しくは合金であってもよい。焼結前のダイアモンド供給原料と溶媒／触媒金属との割合は、例えば、質量比で７０：３０、８５：１５、９０：１０、９５：１５である。

界面境界層を有する基体上にダイアモンドを焼結する場合は、基体から溶媒／触媒金属をダイアモンドテーブル中に掃引し焼結工程に関与させることはできない。この場合、境界層材料が、もし溶媒／触媒金属として機能しうる好適な材料、金属若しくは合金で構成されているとすれば、ダイアモンド焼結工程を触媒する掃引材料として機能する。所望の境界材料が溶媒／触媒金属として機能不能な他の場合は、好適な量の前記溶媒／触媒金属粉末が、前記ダイアモンド結晶供給原料に添加される。基体金属源が存在しない場合、ダイアモンド焼結工程用の溶媒／触媒金属は、全てこの添加金属粉末から供給しなければならない。境界材料は、基体と化学的に結合し、ダイアモンドテーブル及び／又はダイアモンドテーブル中の添加された溶媒／触媒金属と化学的に結合する。焼結・製造工程の残りの部分は、従来の溶媒／触媒掃引焼結・製造方法と同様である。

説明を簡単にして本発明を明瞭にするために、基体、遷移領域及びダイアモンドテーブルは、不連続の異なる層として説明する。しかしながら、仕上がった焼結体は、明瞭な不連続境界を有する個別層というより、むしろ基体からダイアモンドテーブルへ連続的に徐々に遷移することに特徴を有する複合構造、すなわち「成形体」からなることを理解することが重要である。

上記焼結工程の他に、このような用途における軸受としての使用に好適なダイアモンド部品は、基体を伴わない固体多結晶ダイアモンド構造体として製造してもよい。このような構造体は、好適な量の前記添加溶媒／触媒金属粉末と混合したダイアモンド粉末を、所望の最終部品形状を近似した形状の耐火金属缶（典型的にはＴａ、Ｎｂ、Ｚｒ又はＭｏ）に入れて形成する。次いで、このアセンブリを焼結工程に投入する。しかしながら、基体金属源が存在しない場合、ダイアモンド焼結工程用の溶媒／触媒金属は、全て添加金属粉末から供給しなければならない。高温高圧プレス及び仕上げ工程の後、このように形成された軸受はそのまま使用してもよく、あるいは、全体的な軸受部品の関節面として機能するよう金属基体に結合させてもよい。

焼結は、基体との強固で耐久性のある結合を実現するダイアモンドテーブルを製造する好適な方法である。基体に結合したダイアモンドテーブルを製造する他の方法も可能である。また、これら方法を使用して、軸受部品軸受としての使用に好適な基体上に直接ダイアモンド構造体を形成することも可能である。基体と共に又は基体を伴わずに多結晶ダイアモンドテーブルを製造した後、軸受部品の軸受表面を形成しうる位置に付着させてもよい。付着は、任意の好適な方法で実施することができ、例えば、溶接、ろう付け、焼結、拡散溶接、拡散結合、イナーシャ溶接、接着結合などがあり、あるいは螺子、ボルト又はリベットなどの固定具を使用してもよい。基体を伴わないダイアモンドテーブルを他の物体に付着させる場合、ろう付け、拡散溶接、拡散結合、又はイナーシャ溶接などの方法を使用することが最も適切である。

２．ダイアモンド軸受表面を製造する他の方法
高温高圧下での焼結が、ダイアモンド軸受表面を製造する好適な方法であるが、ダイアモンド層を製造する他の方法も同様に利用可能である。例えば、ＣＶＤ若しくはＰＶＤ法を使用してもよい。ＣＶＤは、有機分子の熱分解と、基板上への炭素ラジカル堆積とによって、ダイアモンド層を製造する。

ＰＶＤは、電気的に炭素ラジカルを原材料から放出させ、ダイアモンド結晶構造体を形成する基板上に堆積させることによって、ダイアモンド層を製造する。

ＣＶＤ及びＰＶＤ法は、焼結と比較して幾つかの利点を有している。焼結は、大掛かりで高価なプレス機において高温（例えば１２００乃至１５００℃）高圧（例えば４０乃至６８キロバール）下で行われる。使用する高圧媒体の変形や流動、あるいは基体の変形などに起因して、焼結工程の使用により所望の部品形状を得たり維持したりするのは困難である。

対して、ＣＶＤ及びＰＶＤは、大気圧以下で行われるため、圧力媒体を使用する必要がなく、また基体（基板）の変形もない。

焼結におけるもう一つの欠点は、焼結多結晶ダイアモンド成形体においては得ることの困難な形状が幾つかある点にある。しかしながら、ＣＶＤ又はＰＶＤを使用する場合、炭素ラジカル堆積に使用される気相は、被覆される物体の形状に完全に一致するので、所望の非平面形状を得ることが容易である。

焼結多結晶ダイアモンド成形体における更にもう一つの潜在的な欠点は、ダイアモンドと基体の熱膨張係数の差に起因して、仕上がった部品に大きな残留応力が生ずる傾向がある点にある。残留応力は一部の強度を向上させるために利用することもできるが、その一方で不利な点もある。ＣＶＤ又はＰＶＤを使用する場合、ＣＶＤ法やＰＶＤ法は、製造中に顕著な圧力変動（高温高圧焼結では約４０乃至６８Ｋｂａｒから大気圧までの変動）を伴わないので、残留応力は最小化される。

焼結多結晶ダイアモンド成形体における更にもう一つの潜在的な欠点は、焼結に好適な基体（基板）が殆ど見つからない点にある。従来技術において、典型的に使用される基体は、炭化タングステンであった。本発明において、非平面部品は他の基体を使用して製造する。しかしながらＣＶＤ又はＰＶＤを使用する場合、合成ダイアモンドを、チタン、殆どの炭化物、珪素、モリブデンなど多数の基体上に配置することができる。これは、ＣＶＤ又はＰＶＤ皮膜法の温度及び圧力が十分に低いので、ダイアモンドと基体との熱膨張係数の差やモデュラスの差が、高温高圧焼結工程におけるものほど大きくないためである。

焼結多結晶ダイアモンド成形体の製造における他の問題は、製造すべき部分の寸法が大きくなるにつれて、プレス機の寸法も大きくする必要がある点にある。ダイアモンドの焼結は、ここに記載するような特定の圧力及び温度においてのみ行われる。大きな焼結多結晶ダイアモンド成形体を製造するには、焼結を行うのに必要な圧力を得るためプレス機のラム圧（トン数）及び工具（ダイやアンビルなど）の寸法を増大させなければならない。しかしながらプレス機の能力や寸法を増大させることは、単にその部品の寸法を大きくするよりも困難である。プレス工具の製造に使用される製造工程に起因して、プレス機寸法には実際的物理的な寸法制限がある。

プレス用工具は、典型的に、炭化タングステン超硬合金から製造される。工具を製造するには、炭化タングステン超硬合金を真空炉内で焼結し、熱間静水圧圧縮成形（ＨＩＰ）装置内で圧縮される。ＨＩＰは、均一な物性及び品質を得るため、炭化タングステン内の温度を均一に維持するような方法で行う必要がある。このため、多結晶ダイアモンド成形体の焼結に有益なプレス機用に製造しうる工具寸法に実際的制限を設けることが必要である。製造しうる工具寸法への制限は、製造しうるプレス機寸法も制限する。

ＣＶＤ及びＰＶＤ製造装置は、殆ど制限なく寸法を拡大できるので、殆ど任意所望寸法の多結晶ダイアモンド成形体を製造することができる。

ＣＶＤ又はＰＶＤ法は、厚さを正確に制御でき、均一なダイアモンド被覆を基体上に形成しうる点においても有利である。温度は、５００乃至１０００℃の範囲で調節され、圧力は、１気圧未満から所望のダイアモンド被覆の厚さに至るまでの範囲で調節される。

ＣＶＤ又はＰＶＤ法における他の利点は、進行中の製造工程をモニタリングできる点にある。ＣＶＤ又はＰＶＤ反応装置は、部品製造が完了する前に開けることができるので、その部品に施すダイアモンド被覆の厚さや品質を決定することができる。既に施されたダイアモンド被覆のダイアモンド被覆の厚さから、製造完了までの時間を計算することができる。あるいは、被覆が所望の品質ではない場合、時間と金銭の節約のため製造工程を中止することができる。

対して、多結晶ダイアモンド成形体の焼結は、中断不可能なバッチプロセスとして行われ、焼結工程はモニタリングすることができない。圧縮工程は、完了まで続けなくてはならず、部品はその後に検査できるのみである。

ＣＶＤはリアクタと称される装置内で行われる。基本的なＣＶＤリアクタは４つの部材を含んでなる。第一のリアクタ部材は、一又は複数のガス供給口である。ガス供給口は、チャンバへの導入前にどのガスとどのガスとが予混されているかに基づいて、あるいは、どのガスとどのガスとがチャンバ内で始めて混合されるかに基づいて選択することができる。第二のリアクタ部材は、熱エネルギーを発生させる一又は複数の粉末源である。粉末源は、チャンバ内でガスを加熱するために必要である。第二の粉末源を使用して、基体上に均一なダイアモンド被覆を得るため基体材料を均一に加熱してもよい。第三のリアクタ部材は、基体を載せるステージ若しくはプラットホームである。ＣＶＤ工程中、基体はダイアモンドによって被覆される。使用されるステージには、固定ステージ、平行移動ステージ、回転ステージ、振動ステージなどがある。所望のダイアモンド被覆の品質及び均一性を得るには、適切なステージを選択する必要がある。第四のリアクタ部材は、チャンバから排出ガスを排出する排出口である。ガスが基体と反応した後、他の反応に関与してダイアモンド被覆に悪影響を及ぼさないように、そのガスを可能な限り迅速にチャンバから排出する必要がある。

ＣＶＤリアクタは、使用する粉末源によって分類される。粉末源は、ダイアモンド薄膜形成の実施に必要な所望種を製造するように選択される。ＣＶＤリアクタの種類としては、マイクロ波プラズマ、ホットフィラメント、電子ビーム、シングルレーザビーム、ダブルレーザビーム、マルチプルレーザビーム、アークジェット及びＤＣ放電などがある。これらのリアクタは、ガス種に熱エネルギーを付与する方法が異なり、また、ダイアモンド堆積に必要な種までガスを分解する際の効率が異なる。高圧セル内部で局所加熱を行うよう一並びのレーザを設けることも可能である。

あるいは、一並びの光ファイバを使用して、光をセル内に導入することも可能である。

ＣＶＤリアクタを稼動させる基本工程は以下の通りである。基板をリアクタチャンバ内に設置する。反応物を一又は複数のガス供給口からチャンバ内に導入する。ダイアモンドＣＶＤの場合、メタン（ＣＨ_４）ガス及び水素（Ｈ_２）ガスを予め混合してチャンバ内へ導入することが好ましい。メタンの代わりに、炭素のｓｐｓ結合を有する任意の炭素担持ガスを使用してもよい。ダイアモンド薄膜の品質、堆積温度、得られる構造及び成長速度を制御するために、他のガスをガス流に添加してもよい。例えば、酸素、二酸化炭素、アルゴン、ハロゲン類などである。

チャンバ内のガス圧は、約１００ｔｏｒｒに維持することが好ましい。チャンバ内のガスの流量は、メタンについては約１０立方センチメートル毎分、水素については約１００立方センチメートル毎分が好ましい。チャンバ内の気相の組成は、水素が９０乃至９９．５％、メタンが０．５乃至１０％であることが好ましい。

ガスをチャンバ内に導入するときはガスを加熱する。加熱は、多数の方法で行うことができる。プラズマ法においては、プラズマ内にガスを通すことによって加熱する。あるいは、ホットフィラメントリアクタ内で見られるようなワイヤ列の上を通過させることによってガスを加熱してもよい。

メタン及び水素の加熱によって、それらは各種フリーラジカルに分解される。複雑に混在した反応を介して、炭素が基体上に堆積し、ｓｐｓ結合により他の炭素と結合して結晶性ダイアモンドを形成する。チャンバ内の水素原子は、基体表面に付着したメチルラジカル由来の水素原子と反応してこの水素原子を除去して水素分子を形成し、その結果、清浄な固体表面が保たれ、フリーラジカルが更に堆積する。

基板表面が、ｓｐｚ炭素結合の生成を促進する場合、あるいはガス組成、流量、基体温度又は他の変数が不適当な場合、ダイアモンドではなくグラファイトが基体上に成長する。

ＣＶＤリアクタ及びＣＶＤプロセスとＰＶＤリアクタ及びＰＶＤプロセスとの間には多くの共通点がある。ＰＶＤリアクタは、堆積種を生成する方法や、堆積種の物性においてＣＶＤリアクタと異なる。ＰＶＤリアクタにおいては、ＣＶＤリアクタ内のように別個の熱源を使用するのではなく、一枚の原材料を熱源として使用する。ＰＶＤリアクタは、原材料から炭素ラジカルを発生及び放出させるために、一枚の原材料中で電気バイアスを発生させる。リアクタは、原材料に高エネルギーイオンを衝撃させる。高エネルギーイオンが原材料に衝突するとき、原材料から所望の炭素ラジカルを放出させる。炭素ラジカルは原材料からチャンバ内へ放射状に放出される。その後、炭素ラジカルは、ステージ、リアクタ自体、基体など、その行程中にあるもの全てに堆積する。

図４Ｃには、例えばＣＶＤ又はＰＶＤ法によってダイアモンドを堆積させる堆積面４４１を有する適切な材料からなる基体４４０が描かれている。
図４Ｄは、ＣＶＤ又はＰＶＤ工程によってダイアモンド層４４２を堆積させる堆積面４４１と基体４４０とを示している。狭小な遷移領域４４３が存在し、該領域内には、ダイアモンドと基体の両方が存在している。図４Ｂと比較して、ＣＶＤ又はＰＶＤにより基体上に堆積したダイアモンドは、焼結多結晶ダイアモンド成形体ほど顕著な傾斜遷移領域を持たないように見えるが、これはＣＶＤ又はＰＶＤプロセスにおいてはダイアモンドテーブル中への溶媒／触媒金属の掃引がないためである。

ＣＶＤ及びＰＶＤプロセスでは、視線上でダイアモンドを堆積させることができる。

全ての所望表面を露出させダイアモンド堆積に供するための手段（例えば振動や回転など）を設けてもよい。振動ステージを使用する場合、軸受表面はこのステージと共に上下に振動し、そのことにより全ての軸受表面がフリーラジカル源に供される。

ＣＶＤ又はＰＶＤプロセスを使用して円筒物体をダイアモンドで被覆するために実施しうる方法は幾つかある。マイクロ波プラズマプロセスを使用してダイアモンドを堆積させる場合、ダイアモンドを受け取る物体は、最も高品質で最も均一なダイアモンド被覆を得るため、直接プラズマ中に露出させなければならない。回転又は平行移動ステージを使用して、軸受表面のあらゆる面をダイアモンド被覆用プラズマ中に露出させてもよい。ステージが回転又は平行移動すると、軸受表面のあらゆる部分が被覆用プラズマ中に直接露出され、十分に均一な被覆を得ることができる。

ホットフィラメントＣＶＤプロセスを使用する場合、軸受表面は固定ステージ上に置かれる。ワイヤ若しくはフィラメント（典型的にタングステン）は、被覆されるべき軸受表面をその範疇に含むように、ステージ上に配列される。フィラメントと軸受表面との間の距離並びにフィラメント同士の間の距離は、フィラメント下で直接、均一なダイアモンド被覆を得ることができるように選択する。

ダイアモンド軸受表面は、ＣＶＤ及びＰＶＤプロセスによって、基体をダイアモンドで被覆するか、後に取り付けて使用される単独のダイアモンド層を製造することによって製造することができる。単独ダイアモンド層は、ＣＶＤ及びＰＶＤプロセスによって二段階の操作で製造することができる。第一は、ダイアモンドの厚膜を、シリコン、モリブデン、タングステンなどの好適な基板上に堆積させる。

第二に、ダイアモンド膜を基板から分離させる。

所望により、ダイアモンド膜の断片（セグメント）を、ＱスイッチＹＡＧレーザの使用などにより切り出してもよい。ダイアモンドはＹＡＧレーザに対して透過性を有するが、通常、切断を生じさせるに十分な量のｓｐ２結合炭素（グラファイト中に確認されるもの）が存在する。そのような炭素が存在しない場合、炭素基調のインクを使用してダイアモンド膜に線を引いてもよい。

この線は、切断を開始させるに十分なものとし、一旦開始した後は、切断はゆっくり進行する。

適切な寸法のダイアモンド切片をダイアモンド膜から切り出した後、軸受表面として機能するよう、その切片を所望の物体に付着させることができる。例えば、溶接、拡散結合、接着結合、機械的固定、プレス機における高温高圧結合などによって、ダイアモンドを基体に付着させることができる。

基体上のＣＶＤ及びＰＶＤダイアモンドは、焼結多結晶ダイアモンド成形体に見られるような傾斜遷移領域を呈しないが、ＣＶＤ及びＰＶＤプロセスを実施して、金属をダイアモンドテーブル中に取り込むことも可能である。本明細書中の他所で述べるように、ダイアモンドテーブルへの金属の取り込みは、ダイアモンドテーブルのその基体への接着を向上させるものであり、また多結晶ダイアモンド成形体を強化しうるものである。ダイアモンドテーブルへの金属の取り込みによって、純粋ダイアモンドとは異なる熱膨張係数や圧縮率を有するダイアモンドテーブルを得ることも可能である。ダイアモンドは、金属に比べ、熱膨張係数が低く、圧縮率も低い。従って、ダイアモンドテーブルにおいてダイアモンドと金属とが共存することにより、純粋ダイアモンドに比べ、より大きく、より金属に近い、熱膨張係数及び平均圧縮率をダイアモンドテーブルについて得ることができる。その結果、ダイアモンドテーブルと基体との界面における残留応力が減少し、基体からのダイアモンドテーブルの剥離の可能性が低下する。

純粋ダイアモンドは、破壊靱性も低い。従って、純粋ダイアモンドでは、小さな亀裂が生ずると、ダイアモンド成形体全体が壊損する。これと比較して、金属は、破壊靱性が高いので、壊損を伴わず大きな亀裂に対処することができる。ダイアモンドテーブルへの金属の取り込みによって、純粋ダイアモンドよりも大きな破壊靱性を得ることができる。間隙空間を有し、その間隙空間内に金属を含有するダイアモンドテーブルにおいて、ダイアモンドに亀裂が生じ、金属を含有する間隙空間まで成長すると、その亀裂は、その金属部分で停止し、崩壊を防ぐことができる。この特徴のため、間隙空間内に金属を有するダイアモンドテーブルは、純粋ダイアモンドに比べて、壊損を伴わずに、より大きな力や荷重を維持することができる。

ダイアモンド−ダイアモンド結合は、ダイアモンドテーブル中の金属含有量が大きくなるほど減少する傾向にある。遷移領域が確立されるようにＣＶＤ及びＰＶＤプロセスを実施することも可能である。しかしながら、軸受表面は、低摩耗性の観点からは、本質的に純粋な多結晶ダイアモンドであることが好ましい。

一般に、ＣＶＤ及びＰＶＤダイアモンドは、金属で充填された大きな間隙空間を持たずに形成される。その結果、殆どのＣＶＤ及びＰＶＤダイアモンドは、焼結多結晶ダイアモンド成形体に比べ、脆く、破壊靱性は低い。ＣＶＤ及びＰＶＤダイアモンドにおいては、ダイアモンドテーブルと基体との間の残留応力が最大となる可能性も有する。しかしながら、均一組成あるいは機能的傾斜組成で内部に金属を取り込んだＣＶＤ及びＰＶＤダイアモンド膜を形成することが可能である。

ＣＶＤ及びＰＶＤダイアモンド膜内に金属を取り込む方法の一は、ＣＶＤ及びＰＶＤダイアモンド製造工程において基体上に二つの材料を同時に堆積させるために、二つの異なる原材料を使用することである。この方法は、ダイアモンドがＣＶＤ、ＰＶＤ又は両者の組み合わせいずれで製造されたかに関わらず、使用できる。

ＣＶＤダイアモンド膜内に金属を取り込む他の方法は、ＣＶＩ（化学気相浸透）である。このプロセスは、まず多孔質材料層を形成し、ＣＶＩによって孔を充填する。多孔質層の厚さは、所望の均一又は傾斜層の厚さとほぼ等しいものとする。孔の大きさ及び分布は、層の最終組成を制御するように設計される。

気相浸透における堆積は、まず多孔質層と基体との界面で発生する。堆積が進行するにつれ、材料が堆積する界面が基体から外側に移動し、多孔質層の孔を充填する。成長界面が外側に移動する際、ヒータに対して試料を移動させるか、成長界面に対してヒータを移動させることによって、界面沿いの堆積温度を維持する。試料外側と成長界面との間の多孔質領域を、材料（孔充填材料又は望ましくない反応生成物）の堆積を促進しない温度に維持することが必要である。

この領域における堆積は、孔を早期に詰まらせ、内部孔への所望材料の浸透及び堆積を妨げる可能性がある。

本発明の軸受表面及び部品を製造するために使用しうる更に他の方法は、例えばレーザエネルギーなど、エネルギービームを使用して、基体成分を蒸発させ、その成分を、例えばダイアモンド被覆としてなど、新しい形で該基体上に再堆積させるものである。一例として、炭素、炭化物又は他の所望成分元素を含有する金属、ポリマー又は他の基体を製造若しくは入手する。例えばレーザエネルギーのような適切なエネルギーを基体に照射して、基体にエネルギーを付与する領域に隣接する基体表面まで成分元素を基体内部から移動させる。基体表面に集められた成分元素にエネルギーを付与し続けることによって、成分元素のうちの幾つかが蒸発する。蒸発した成分は他の元素と反応して、蒸発した成分元素の性質及び構造が変化する。

次に、蒸発し反応した成分元素（例えばダイアモンド）を基体表面へ拡散させる。蒸発し反応した成分元素と同一又は異なる化学組成を持つ基体表面上に、別個に作製した皮膜を設けてもよい。あるいは、基体中に拡散した変化した成分元素の幾つかを、再度蒸発及び反応させて皮膜として堆積させてもよい。この方法及びその変形態様により、例えばダイアモンド、ｃ−ＢＮ、ダイアモンド様炭素、Ｂ_４Ｃ、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＢ、ｃＣＮ、ＣＲＯＣ及びＳｉ_３Ｎ_４など、適切な皮膜を基体上に形成することができる。

他の製造環境においては、高温レーザ照射、電気鍍金、スパッタリング、エネルギーレーザ励起プラズマ堆積又は他の方法を使用して、ダイアモンド、ダイアモンド様材料、硬質材料又は超硬材料からなる層を軸受表面として機能しうる位置に設けることができる。

ここでの開示から、当業者は、ダイアモンド軸受表面を製造するためここに記載された製造方法のいずれかを使用する、基体上における高品質ダイアモンドの生成及び使用に必要な装置、材料及び工程条件を理解するであろう。

Ｃ．好適な構造体におけるダイアモンド部分の製造
ここでは、本発明における幾つかの好適な構造体の製造に関する情報を提供する。ここで説明する原理は、殆どあらゆる種類の軸受表面の製造に適用可能である。

１．問題の本質
軸受部品以外の領域、とりわけ、岩石掘削切削機分野において、近年、多結晶ダイアモンド成形体が使用されている。歴史的には、このような切削機は円筒形状であり、その一端に平面状のダイアモンドテーブルを有している。切削機のダイアモンド表面は、大抵の軸受部品に必要とされる軸受表面よりもはるかに狭小である。したがって、多結晶ダイアモンド切削機の形状及び製造方法を、軸受部品にそのまま適用することはできない。

軸受部品の製造において特に問題となる点は、例えば凹球及び凸球、円筒形などの複雑な形状の多結晶ダイアモンド成形体をどのように製造するかという点である。ここでは説明のため、凹球及び凸球状部品の製造を主に議論する。多結晶ダイアモンド成形体の製造において、対称性が、装填、封入並びに圧縮／焼結工程を実施する際の主要な考察となる。球状の部品設計は、その部品を製造する際に、圧力を放射状に付与することが要求される。後に詳述する高圧焼結工程中、あらゆる変位を、球形状を得るために製造される球の中心からの放射線沿いとする必要がある。高温高圧圧縮においてこれを実現するには、均衡圧力場を形成する必要がある。このような球状部品の製造中、何らかの偏向応力成分があると、その部品が変形し、製造後の部品が無駄になる可能性がある。

球状多結晶ダイアモンド成形体を製造する際に考慮に入れなければならない特に重要な課題を以下議論する。

ａ．モデュラス
大抵の多結晶ダイアモンド成形体は、ダイアモンドテーブルと基体の両方を含んでいる。ダイアモンド及び基体の材料特性は、相容れるものであるが、多結晶ダイアモンド成形体の生成における高温高圧焼結工程によって、過度に残留応力の大きな部品が得られる。例えば、基体として炭化タングステンを使用する多結晶ダイアモンド成形体の場合、焼結ダイアモンドのヤング率は、約１２０×１０^６ｐｓｉであり、コバルト−炭化タングステン超硬合金のモデュラスは約９０×１０^６ｐｓｉである。モデュラスとは、ある材料について、応力に対してプロットした応力曲線の傾きである。モデュラスは、材料の剛性を示している。バルクモデュラス（体積弾性率）とは、均衡応力に対する均衡歪の比であり、即ち、付与された圧力若しくは応力に対する材料の単位体積圧縮である。

ダイアモンド及び殆どの基体は、高モデュラスを呈するので、非常に小さな応力又は多結晶ダイアモンド成形体の変位が非常に大きな応力を誘発する可能性がある。応力がダイアモンド又は基体の降伏強さを超えると、その部材は破損する。最も強固な多結晶ダイアモンド成形体は、必ずしも応力を受けないものであるとは限らない。残留応力が最適に分散した多結晶ダイアモンド成形体においては、破壊を誘起するには、応力を受けない部材の場合よりも大きなエネルギーが必要とされる。したがって、基体とダイアモンドとの間のモデュラスの差に注目して、十分な耐磨耗性や破壊靱性など、その用途に最適な強度を有する部材を設計することが必要である。

ｂ．熱膨張係数
ダイアモンド及びその基体が温度変化に対して変形する程度の差も、それらの機械的適合性に影響を与える。熱膨張係数（ＣＴＥ）は、単位温度変化当たりの単位寸法変化の尺度であり、あるいは加熱時に膨張し、冷却時に収縮する材料の性質である。金属が相変化を起こすと、初期相におけるＣＴＥに基づく計算は適用できない。そこで、異なるＣＴＥとモデュラスを有する材料の成形体を用いる際、それらは同一の応力において異なる反応を示すことに注目する。

多結晶ダイアモンドの熱膨張係数は、１℃につき１０乃至６インチの材料１インチ当たり２乃至４マイクロインチ（ｉｎ／ｉｎ ℃）程度である。対して、炭化物の熱膨張係数は、６乃至８μ ｉｎ／ｉｎ ℃程度である。これらの値は、数値的には近いように見えるが、基体とダイアモンドとの組み合わせが数百度の温度勾配に晒されるとき、高モデュラスの影響によって、非常に高い残留応力場が形成する。平面状ダイアモンドテーブルを有する従来の円筒形多結晶ダイアモンド成形体においては、軸受部品として球状部品や他の複雑な形状の部品を製造する場合に比べて、熱膨張係数の差は、それほど問題とはならない。球状多結晶ダイアモンド成形体を製造する際は、ダイアモンドと基体との間の熱膨張係数の差によって大きな残留応力が発生し、これにより高温高圧焼結の最中又はその後に、ダイアモンドテーブル、基体又はその両方の亀裂と破損が生じる場合がある。

ｃ．遅延応力及び偏差応力
ダイアモンドと基体とのアセンブリは、焼結工程の最中、自由体積減少を生ずる。後に詳述する焼結工程においては、通常、基体とダイアモンドとのアセンブリは、約４０乃至約６８Ｋｂａｒの範囲にある圧力に晒される。この圧力によって、基体の体積が減少する。

ダイアモンド及び／又は基体における何らかの幾何学的変形が生じる場合もある。幾何学的変形をもたらす応力は偏差応力と称され、体積変化をもたらす応力は遅延応力と称される。平衡系において、偏差応力の総和はゼロであり、遅延応力成分のみが存在する。複雑な形状の多結晶ダイアモンド成形体（例えば凹球又は凸球状の多結晶ダイアモンド成形体）を設計及び焼結する際に上記全ての応力因子を考慮に入れないと、プロセスが失敗に終わる傾向がある。

ｄ．ダイアモンド供給原料の自由体積減少
供給原料ダイアモンドの物性に起因して、焼結前に供給原料を特別に調製しない限り、大量の自由体積が存在する。できる限りダイアモンド内の自由体積を排除することが必要であり、ダイアモンド供給原料中に存在する自由体積が大きすぎると、焼結が不可能になる場合がある。また、ラム行程容積が十分なプレス機を使用する場合であれば、焼結中に自由体積を排除することも可能である。供給原料内の自由体積を減少させるあらゆる工程中に、ダイアモンド及び基体を所望の均一形状に維持することが重要であり、さもなければ変形物品や欠陥部品を生ずることになる。

ｅ．溶媒／触媒金属の選択
溶媒／触媒金属を用いずに高温高圧プレス機内で焼結ダイアモンドを生成することは、今のところ現実的な方法ではない。焼結ダイアモンドにおいて所望の結晶形成を得るには、溶媒／触媒金属が必要である。溶媒／触媒金属は、まずダイアモンド供給原料結晶の尖鋭接点から優先的に炭素を溶媒和させる。次いで、固体となるに十分なダイアモンド−ダイアモンド結合によって、ダイアモンド基体の間隙で、炭素がダイアモンドとして再結晶する。基体表面に分散したこの固体は、ここでは多結晶ダイアモンドテーブルと称する。溶媒／触媒金属は、基体原子との化学結合の生成も促進する。

溶媒／触媒金属をダイアモンド供給原料に添加する好適な方法は、高温高圧焼結中に、溶媒／触媒金属を含有する基体から該溶媒／触媒金属を掃引することによる。とりわけ厚いダイアモンドテーブルを所望する場合は、粉末状溶媒／触媒金属を焼結前にダイアモンド供給原料に添加してもよい。アトリション法を使用して焼結前に溶媒／触媒金属をダイアモンド供給原料に添加してもよい。使用する溶媒／触媒金属が多すぎたり少なすぎたりする場合は、得られる部品は、所望の機械的特性を欠いている場合があり、このため、製造しようとする特定部品について適切な溶媒／触媒金属の量や、ダイアモンド供給原料への添加方法を選択することが重要である。

ｆ．ダイアモンド供給原料粒子の径及び分布
最終ダイアモンド製品の摩耗特性は、ダイアモンド供給原料の粒径や粒子分布に密接に関与している。適切なダイアモンド供給原料の粒径及び粒子分布の選択は、試料に要求される機能やその使用環境に依存する。より小さなダイアモンド供給原料結晶を使用して、ダイアモンド−ダイアモンド結合の多いダイアモンドテーブルが得られると、多結晶ダイアモンドの耐磨耗性は向上する。

多結晶ダイアモンドは単一種類のダイアモンド供給原料から製造しうるが、複数種類の供給原料を使用することにより、衝撃強度及び耐磨耗性が向上する。結晶サイズの大きなダイアモンド供給原料と結晶サイズの小さなダイアモンド供給原料を使用することにより、衝撃強度及び耐磨耗性に優れた部品を提供することができる。これは一つには、大きなダイアモンド結晶間の間隙空間が、小さなダイアモンド結晶で充填されるためである。焼結中、小さい結晶は、全てのダイアモンド結晶を結合させ、強固且つ緊密に結合した成形体を製造するよう溶媒和し、再結晶する。

ｇ．ダイアモンド供給原料装填方法
装填前又は装填中のダイアモンド供給原料の汚染は、焼結工程の失敗を招く原因となる。焼結前の、ダイアモンド供給原料や他に添加する溶媒／触媒金属若しくはバインダなどを清浄に保つことに細心の注意を払わねばならない。

焼結準備のためには、清浄なダイアモンド供給原料、基体及び収容部材を、装填用に準備する。ダイアモンド供給原料及び基体は、その内容物を密閉して外部からの汚染を防ぐ「缶」と呼ばれる耐火金属容器内に入れられる。ダイアモンド供給原料及び基体は、この缶内に入れられたまま、多結晶ダイアモンド成形体を形成するために高温高圧焼結を施される。この缶は、真空中高温で電子ビーム溶接により密閉することが好ましい。

高温高圧焼結中の線形収縮のために、十分なダイアモンド集合体（粉末又はグリット）を装填する。焼結用缶内へダイアモンド供給原料を装填するために使用される方法は、最終部品の全体形状や公差に影響する。特に、缶内でのダイアモンド供給原料の充填密度は、良質な焼結多結晶ダイアモンド成形体構造を製造するために、可能な限り均一にすべきである。装填の際、段階的に添加及び充填を行うことによってダイアモンドの架橋を防止することができる。

装填後の供給原材料密度の均一性の程度は、多結晶ダイアモンド成形体の形状に影響する。バインダを混合したダイアモンドの装填、並びに、このバインダの除去に適用される後の工程に対して、ダイアモンド供給原料の乾式装填は、最終多結晶ダイアモンド成形体の特性にも影響する。焼結用にダイアモンドを適切に予備成形するために、予備成形圧は、平衡条件下で付与すべきである。

ｈ．基体の選択
ダイアモンド特有の材料特性並びに殆どの基体候補原料ダイアモンドと比べたモデュラス及びＣＴＥの相対差のために、適切な多結晶ダイアモンド構造を選択することが困難となっている。生体適合性という他の制限要素が基体に課せられると、その選択は一層困難なものとなる。殆どの生体適合性金属は、合成ダイアモンドの材料特性と相容れない。ダイアモンドと基体との間で材料特性が大きく異なることによって、必要な強度及び耐久性を備えた多結晶ダイアモンド成形体を問題なく製造することが困難となっている。超硬基体でさえも多結晶ダイアモンドと比較すると柔らかに見える。基体及びダイアモンドは、焼結時の温度及び圧力に耐えるだけではなく、層間剥離、亀裂、その他破損を伴わずに室温及び大気圧に戻ることが要求される。更に、生体適合性があるとされる材料の中でも、軸受部品のような製品に対する政府の規制基準に合致するもののみを使用することが好都合である。

基体原料の選択は、目的とする部品用途、必要な耐衝撃性及び強度、焼結中にダイアモンドテーブルに取り込まれる溶媒／触媒金属の量などを考慮することが必要である。

基体原料は、形成するダイアモンドテーブルの材料特性と適合する材料特性を持つものを選択しなければならない。

ｉ．基体形状
本発明においては、後に切断、加工その他仕上げを施されヘッド、カップ若しくは軌道輪、その他軸受部品表面、その他軸受表面、その他耐磨耗性表面として機能する球状、半球状、一部球状、弓状、その他の複雑な凹凸形状の多結晶ダイアモンド成形体を製造することが好ましい。このような部品の形成には、基体特有の形状を考慮することが必要である。特に、所望最終製品が球状である場合は、製造される球の中心からの放射線沿いの力を、焼結中の基体及びダイアモンド供給原料に付与すすることが必要である。

更に、平滑表面を有する基体を使用すべきか、トポグラフィー的特徴を備えた表面を有する基体を使用すべきかを考慮することが重要である。基体表面は、ダイアモンドテーブルが化学結合と機械的噛合いの両方によって基体に固定されるように、多様なトポグラフィー的特徴を備えて形成することが可能である。基体にトポグラフィー的特徴を設けることによって、化学結合のための広い表面積が得られ、またトポグラフィー的特徴によって生じる機械的噛合いとによって、より強固でより耐久性のある部品を得ることができる。

２．好適な材料及び製造方法
本発明者らは、軸受部品としての用途に好適な多結晶ダイアモンド成形体を構成する材料及び製造方法を発見し決定した。以下に記載する以外の材料や方法によって本発明の軸受表面を製造することも可能である。

以下に記載する工程、例えば基体原料や形状の選択、ダイアモンド供給原料、その装填及び焼結方法の選択などは、相互に影響し合うので、それらが一の多結晶ダイアモンド成形体を製造するために実施されるべき独立の工程として記載されていても、それらは相互に完全に独立しているわけではなく、当該製造方法を成功させるには、それら全工程が統一されていなければならない。

ａ．基体原料の選択
任意の多結晶ダイアモンド成形体を製造するには、適切な基体を選択すべきである。軸受部品として使用する多結晶ダイアモンド成形体の製造に関しては、次表に記載した基体を使用することが好ましい。

ここで使用するＣｏＣｒは、ＣｏＣｒＭｏ若しくはＣｏＣｒＷであることが好ましい。以上の基体は単なる例示である。これら基体の他に、他の材料も、軸受部品及び他の軸受表面の製造に使用する基体として好適に使用できる。

チタンを基体として使用する場合、薄いタンタルバリア層をチタン基体上に設けることが時として好ましい。タンタルバリア層によって、ダイアモンド供給原料に使用されるコバルト合金とチタン合金とが混合することを防ぐことができる。

チタン合金とコバルト合金とが混合すると、高温高圧焼結工程中に、低融点の共有金属間化合物が生成してしまう。タンタルバリアは、チタン合金及びコバルト合金両者と結合し、更に、コバルト溶媒／触媒金属を含有する多結晶ダイアモンドと結合する。このように、タンタルバリア層を備えたチタン基体とコバルト溶媒／触媒金属を含有するダイアモンド供給原料とを使用して製造した多結晶ダイアモンド成形体は、非常に強く、また良好に形成される。あるいは、共融金属の生成を妨げるバリアを形成するアルファ型の酸化皮膜、酸化層若しくは酸化化合物をチタン基体に設けてもよい。

コバルト−クロム−モリブデン基体を使用する場合、焼結中の炭化クロム（ＣｒＣ）の生成を制御するために、ダイアモンド供給原料の装填前に、薄いタングステン層若しくは薄いタングステン-コバルト層を、基体上に設けることが好ましい。

以上記載したもの以外に、他の好適な基体を使用して、多結晶ダイアモンド成形体軸受表面を形成してもよい。更に、基体を伴わずに使用するダイアモンド軸受表面を形成することも、本発明の範囲内で可能である。任意の超硬材料及びここに記載した他の軸受材料から軸受表面を形成することも可能であり、その場合、基体は不要である。

更に、多結晶ダイアモンド以外のダイアモンド若しくは炭素を使用しようとする場合、基体の選択は異なっていてもよい。例えば、ＣＶＤ若しくはＰＶＤによってダイアモンド軸受表面を製造する場合、その製造環境や組成に適した基体を使用することが必要となる。

本発明の幾つかの実施形態において、基体とダイアモンド層との物性の差によって、焼結工程中に基体が相当膨張し、その後の焼結終了時に基体が収縮する。その結果、幾つかの例においては、焼結後の基体は焼結前の寸法より０．０１％乃至１．０％小さい。このような結果は、例えば軸受カップのような用途において所望されるダイアモンドテーブルに対する基体の利点となる。あるいは、正しく管理されれば最終部品を強化しうるダイアモンドテーブルと基体との間の残留応力を生ずる。

ｂ．基体形状の決定
１）全体的な基体形状
製造する成形体及び使用する材料に好適な基体形状を選択すべきである。本発明の幾つかの実施形態において好適とされる凹球状のカップ若しくは軌道輪又は凸球状のヘッドを製造するためには、これら部品の製造を容易にする基体形状を選択することが必要である。適切なダイアモンドを確実に生成し、成形体の変形を防止するには、焼結中にダイアモンド及び基体に作用する力を厳密に放射状とする必要がある。従って、カップ若しくは軌道輪、ヘッド又は他の任意の球状部品を製造するダイアモンド供給原料との接触表面における好適な基体形状は一般に球状である。

前述の如く、合成ダイアモンドの材料特性と、大抵の入手可能な基体原料の材料特性との間には大きな差がある。特に、モデュラス及びＣＴＥが問題となる。しかしながら、互いに組み合わせて使用される場合、安定で強固な球状の多結晶ダイアモンド成形体を形成することのできる基体もある。次表は、幾つかの好適な基体原料の物性をまとめたものである。

球状の多結晶ダイアモンド成形体の製造に、チタン若しくはコバルト-クロム基体を単独で使用すると、ダイアモンドテーブルの亀裂、あるいはダイアモンドテーブルからの基体の分離が生ずる。特に、高温高圧焼結中にチタンにより左右される物性は圧縮性であり、焼結中にコバルト-クロムにより支配される物性はＣＴＥである。本発明の幾つかの実施形態においては、製造中及び製造後の寸法安定性を得るため、二又はそれ以上の層からなる基体を使用することができる。

次表には、球状の多結晶ダイアモンド成形体の製造に使用しうる基体原料の組み合わせを幾つか挙げている。

チタンをコバルト-クロムとの反応から保護するにはアルファ型の酸化皮膜を使用する。タンタルバリア層の厚さは、約０．００２乃至０．０１０インチとするが、０．００８インチが最適である。

球状部品において寸法安定性を得るため、上記二層基体を使用してもよい。二層基体によって、ダイアモンドと基体との間のＣＴＥ及びモデュラスの差を克服できる場合がある。複数の層を有する基体を使用することによって、異なる速度で膨張及び収縮する材料の傾向（解消しない場合はダイアモンドの亀裂を招く恐れがある）を克服できると考えられる。

異なる基体原料からなる少なくとも二の異なる層を有する球状の基体を使用して、部品を安定化し、収縮による基体のダイアモンドテーブルからの剥離を防止し、その結果、球状の多結晶ダイアモンド成形体を好適に製造することができる。

図５Ａ乃至図５Ｆは、全体的に球状の多結晶ダイアモンド成形体を製造する本発明の各種基体構造を示している。図５Ａ及び図５Ｂは、二層基体を示している。

図５Ａでは、基体外殻若しくは外側層として使用する固体第一基体球５０１を設けている。この第一基体球５０１の寸法は、外側にダイアモンドテーブルを備えた状態で、最終仕上げ前の予定部品寸法にほぼ等しくなるようにする。第一基体球５０１を得た後は、その中心に向かって穴５０２を形成する。穴５０２は、その終端５０３が半球状となるように、穿孔、ドリル、切削、ブラスト、その他方法で形成することが好ましい。これは、所望の半径及び曲率を有する曲面若しくは玉状の先端を備えたドリルビット若しくはエンドミルを使用して行うことが好ましい。

次いで、第二基体球５０４を得る。第二基体球５０４は、第一基体球５０１よりも小さく、第一基体球５０１内の穴５０２に配置される。これら球５０１及び５０４の基体原料は、前出の表に記載したものの中から選択することが好ましい。また他の好適な材料としてもよい。第二基体球５０４並びに穴５０２及びその終端５０３は、過度の公差や隙間を持たずに密接に嵌り合うべきものである。

好ましくは第一基体球５０１と同一の基体原料からなる栓５０５が形成若しくは設けられる。栓５０５は、穴終端５０３に隣接する第二基体球５０４で占められる穴５０２部分を除いて、穴５０２を充填するように、第一端５０５ａと、第二端５０５ｂと、その間の基体原料とを有している。栓５０５は、第二基体球５０４の球状表面のほぼ半面において栓５０５と第二基体球５０４とが密接に当接するように、半凹球形状の受け部５０６をその第一端５０５ａに有していることが好ましい。栓５０５は、概ね円筒形状である。次いで、一つの基体球内にもう一つの基体球を含有する基体集合体を、ダイアモンド供給原料５０７と共に装填し、高温高圧下で焼結し、球状の多結晶ダイアモンド成形体を形成する。

図５Ｂは、本発明の球状多結晶ダイアモンド成形体を製造する他の基体形状を示している。好適な基体原料からなる内核球５５０が選択される。次いで、第一の外側基体半球５５１及び第二の外側基体半球５５２が選択される。第一及び第二の外側基体半球５５１及び５５２は、内核球５５０の外側周囲に夫々嵌合して内核球５５０を包囲封入するような形状及び大きさの半球状の受け部５５１Ａ及び５５２ａを夫々持つように形成される。内核球５５０並びに半球５５１及び５５２の基体材料は、前出の表に記載したものから、あるいは他の好適な材料から選択することが好ましい。

半球と内核球とを組み立てた状態で、ダイアモンド供給原料５５３を半球の外側周囲に供給し、球状多結晶ダイアモンド成形体を形成するため高温高圧焼結工程を行う。

図５Ａ及び５Ｂは二層基体を図示しているが、複数層基体（三層以上）を使用して多結晶ダイアモンド成形体若しくは多結晶ｃ−ＢＮ成形体を製造することも可能である。基体材料、基体形状、基体表面のトポグラフィー的特徴、並びに同一若しくは異なる材料の多層（二層以上）を有する基体の選択は、基体の熱的-機械的特性、基体の圧力-機械的特性、並びに基体の圧力-機械的特性に少なくとも部分的に依存する。

図５Ｃは、全体的に球状の多結晶ダイアモンド成形体を製造するための他の基体構造を示している。基体５２０は全体的に球状である。球の表面は、基体へのダイアモンドテーブルの固定を強化するために基体表面トポグラフィーを有している。基体は、その表面に形成された多数の窪み５２１を有している。各窪み５２１は、三つの異なる高さの窪み５２１ａ、５２１ｂ及び５２１ｃとして形成されている。窪みは、夫々がほぼ同じ深さの同心円として描かれているが、夫々の深さは異なっていてもよく、また円も同心である必要はなく、更に窪みの形状は円形である必要もない。窪みの壁５２１Ｄ、５２１Ｅ、５２１Ｆは、球の理論上の球端における接線に垂直な窪みの放射軸に平行に描かれているが、場合によっては異なる向きであってもよい。図示の如く、基体球５２２の表面は、上記窪み以外のトポグラフィー的特徴を持たないが、突起、窪みその他の変形を必要に応じて有していてもよい。窪み５２１の幅及び深さは、製造する多結晶ダイアモンド成形体に応じて変更可能である。

ダイアモンド供給原料を、基体球５２０の外側に供給され、その混合体が、ダイアモンド安定圧力において焼結され、球状の多結晶ダイアモンド成形体が生成する。全体的に球状の基体表面に、基体表面のトポグラフィー的特徴を付与することによって、上記の如くダイアモンドテーブルと基体との間に優れた結合が得られ、単一層基体を使用して多結晶ダイアモンド成形体を製造することができる。これは、基体表面のトポグラフィー的特徴を採用することによって、基体とダイアモンドテーブルとの間の噛合い作用が得られるためである。

図５Ｄは、セグメント化された球状基体５２３を示している。基体は、その外表面に等間隔で配された多数の表面窪み５２４を有している。図示の窪みは、三つの異なる深さの窪みとして形成されている。

第一の窪み５２４ａは、所定の深さに形成されており、その外周部において五角形を成している。第二の窪み５２４ｂは、円形であり、例えば五角形における所定の深さとは異なる所定の深さに形成されている。第三の窪み５２４ｃは、円形であり、例えば上記の窪み夫々の深さとは異なる所定の深さに形成されている。窪みは、基体球を機械加工することにより形成可能である。

図５Ｅは、多結晶ダイアモンド成形体を製造するための他の基体構造における断面を示している。多結晶ダイアモンド成形体５２５が図示されている。成形体５２５は球状である。成形体５２５は、基体５２７上に焼結されたダイアモンドテーブル５２６を備えている。基体は、その遠位側５２７ａにおいて部分的に球状であり、その近位側５２７ｂにおいてドーム形状である。あるいは、基体５２７の近位側５２７ｂは部分的に球状であり、その球は遠位側５２７ａの球の半径よりも小さな半径を有していると表現することもできる。頂部５２７ｃ及び底部５２７ｄ夫々が、近位側５２７ｂ基体部分球から遠位側５２７ａ基体部分球への遷移に好適な形状に形成されている。この基体構造は、多結晶ダイアモンドテーブルの残留応力場を乱すことなく穴開けや部材の取り付け固定を行うための基体露出部分を残している点において有利である。またこの構造は、表面にダイアモンドを焼結させていない基体部分を設けることにより、焼結中にダイアモンドテーブルの破損を生じることなく基体膨張が可能になる。基体球外面の１８０度以上がダイアモンドで覆われるが、その部分はヘッド若しくは他の関節表面として有用である。

図５Ｆには、多結晶ダイアモンド成形体を製造するための他の基体構造の断面が示されている。多結晶ダイアモンド成形体５２８をダイアモンドテーブル５２９と基体５３０とを備えて図示されている。基体は、ダイアモンドと基体との界面を強化するためのトポグラフィー的特徴５３１を有している。トポグラフィー的特徴は、例えば陥凹部５３３若しくはコリドー（corridor）によって離間した矩形突起５３２を有している。基体の遠位側は、半駅ｒの球に基づいて形成される。基体の近位側５３０Ｂは、半径ｒ′（ｒ＞ｒ′）の球に基づいて形成される。通常、表面修飾は、ダイアモンドテーブルの実質全面下に見られる。

図５Ｇには、軸受部品のヘッド５３５が示されている。ヘッド５３５は、基体５３６上に焼結されたダイアモンドテーブル５３６を有している。基体は突出円筒部のある球として構成されている。ヘッド５３５は、基体の一部がヘッドの球状部から突出して、テーパーによる圧力嵌め、溶接、螺子又は他の取り付け機構など任意の公知取り付け方法によって適切な基体に取り付け可能な取り付け部５３７とネック５３８とを形成するように形成される。多結晶ダイアモンド成形体５３５の製造に使用する基体に予め形成されたネック５３８によって、成形体の残留応力場を乱すことなく使用しうる多結晶ダイアモンド成形体上の取り付け点を得ることができる。

前出の基体構造並びに基体表面トポグラフィー及びその変形や派生物のいずれかを使用して、荷重軸受として、あるいは関節表面環境において使用される多結晶ダイアモンド成形体を製造することができる。

本発明の各種実施形態において、単一層基体を使用することも可能である。

本発明の他の実施形態において、既述の如く二層基体を使用することも可能である。しかしながら、使用する部品の特性に応じて、三層、四層又はそれ以上の層を含む基体の使用が必要なこともある。このような多層基体は、本発明の範囲内に包含されるものである。

本発明に係るカップ若しくは軌道輪又は他の凹型の球、半球若しくは一部球状の多結晶ダイアモンド成形体の製造に好適な基体形状は、凸型球状の多結晶ダイアモンド成形体の製造に使用されるものとは異なる。図６Ａ−１、図６Ａ−２、図６Ｂ−１及び図６Ｂ―２には、凹型球状の多結晶ダイアモンド成形体（例えばカップ又は軌道輪として使用されるもの）の製造に好適な集合体が示されている。基体６０１（並びに６０１Ａ及び６０１Ｂ）は、その一端に形成された半球状の受け部６０２（並びに６０２ａ及び６０２ｂ）を有する円筒形状であることが好ましい。

二つの基体円筒６０１ａ及び６０１ｂは、その半球状受け部６０２ａ及び６０２ｂが互いに隣接して、一の球状キャビティ６０４を両者の間に形成するよう設置される。適切な基体材料からなる球６０３は、キャビティ６０４内に配置される。ダイアモンド供給原料６０５は、キャビティ６０４内の、基体円筒６０１ａ及び６０１ｂの受け部６０２ａ及び６０２ｂの凹状表面と球６０３の外側との間に供給される。この集合体は、焼結用の耐火金属缶６１０内に設置される。缶は、第一円筒６１０ａ及び第二円筒６０１ｂを有している。この二つの円筒はリップ６１１において接合する。

このような集合体を焼結した後、第一カップ若しくは軌道輪集合体６０７ａ及び第二カップ若しくは軌道輪集合体６０７ｂを形成するために、中央線６０６沿いに、この集合体に切り込みを入れるか、切断するか、研削する。円筒６０２ａ及び６０２ｂとして好適な基体材料は、ＣｏＣｒＭｏ（ＡＳＴＭＦ−７９９）及びＣｏＣｒＷ（ＡＳＴＭＦ−９０）であり、球６０３として好適な基体材料は、ＣｏＣｒＭｏ（ＡＳＴＭＦ−７９９）でありが、前出の表に記載したものを含む任意の適切な基体材料を使用することができる。

以上、凹球状及び凸球状の多結晶ダイアモンド成形体を製造するための二層基体について議論してきたが、二層以上の材料層からなる基体又は単一材料層からなる基体を使用して、球状の多結晶ダイアモンド成形体を製造することも可能である。

２）基体表面トポグラフィー
用途に応じて、多結晶ダイアモンド成形体となる基体表面にトポグラフィー的特徴を付与することも有利である。使用される基体が単一部材からなるか、二部材からなるか又はそれ以上の部材からなるかに関わらず、ダイアモンドの表面積全体を増大させることにより基体とダイアモンドとの接触を増大させ、ダイアモンドテーブルとの機械的噛合いを付与するために、基体表面を修飾するか、基体表面にトポグラフィー的特徴を付与することが望ましい。

基体表面へのトポグラフィー的特徴の付与によって、単純な平面若しくは非平面形状として形成されていたなら基体表面形状若しくは輪郭がなるであろうものから基体表面形状若しくは輪郭を修飾することができる。基体表面のトポグラフィー的特徴は、表面積の増大、基体とダイアモンドテーブルとの機械的噛合い、亀裂発生若しくは亀裂成長の防止に役立つ突起、歯又は起伏となる一又は複数の異なる種類のトポグラフィー的特徴を有していてもよい。

基体表面のトポグラフィー的特徴若しくは基体表面修飾によって、多様な有益機能が得られる。基体表面のトポグラフィー的特徴の付与によって、基体とダイアモンドテーブルとが接触する基体表面積全体が増大する。この増大したダイアモンドテーブルと基体との接触表面積によって、基体表面のトポグラフィー的特徴がない場合に比べて、ダイアモンドテーブルと基体との間の化学結合の総数が顕著に増加し、より強固な多結晶ダイアモンド成形体を得ることができる。

また基体表面のトポグラフィー的特徴によって、基体とダイアモンドテーブルとの機械的噛合いが生ずる。機械的噛合いは、基体表面のトポグラフィー的特徴の性質によって得られ、このことによってまた多結晶ダイアモンド成形体の強度が向上する。

また基体表面のトポグラフィー的特徴を使用して、ダイアモンド及び基体材料について、より広い表面積及びより厚い層にわたって多結晶ダイアモンド成形体の残留応力場を分散させることもできる。このような広い範囲での分散によって、ダイアモンドテーブルと基体との界面、ダイアモンド内部及び基体内部における亀裂発生及び／又は亀裂成長の閾値以下に応力を維持することができる。

基体表面のトポグラフィー的特徴は、複合成形体構造において、より長いセグメントにわたって残留応力場を分散させ、より強固な部品を得るために、ダイアモンドテーブルと基体との間の傾斜界面若しくは遷移領域の深さを増加させる。

基体表面修飾によって、ダイアモンド層の強度を向上させる残留応力を有する焼結多結晶ダイアモンド成形体を製造し、表面に如何なるトポグラフィー的特徴も持たない場合に比べて、より大きな破壊耐性を有する堅牢な多結晶ダイアモンド成形体を得ることができる。これは、ダイアモンド層を破壊するためには、まず部品内の残留応力に打ち克って、その後ダイアモンドテーブルの強度に打ち克つ必要があるためである。

基体表面のトポグラフィー的特徴は、ダイアモンドテーブルが受けた力を再分散する。基体表面のトポグラフィー的特徴は、ダイアモンド層を通って伝達された力を、単一の力ベクトルから多数の力ベクトル沿いに再伝達する。基体に向かうこの力の分散は、ダイアモンドテーブルよりも速い速度で基体材料が変形する状態を防止するものであり、この変形の差はダイアモンドテーブルの亀裂や破壊を招く恐れがある。

より強固な部品を得るために、基体表面のトポグラフィー的特徴を使用して、ダイアモンドと基体との間の応力場の強度を緩和してもよい。

構造体の単位体積当たりの応力を減少させるために、基体表面のトポグラフィー的特徴を使用して、多結晶ダイアモンド成形体構造内に残留応力場を分散させてもよい。

基体表面のトポグラフィー的特徴を使用して、製造中にダイアモンドテーブルの一端を覆うように基体を押し付けて、基体とダイアモンドテーブルとを機械的に嵌合させてもよい。あり継ぎ、半球及びレントエイト（lentate）修飾によって、基体が放射状に膨張する冷却時に、ダイアモンドテーブルと基体との界面を圧縮し強化する力のベクトルが付与される。

また製造可能な形状を得るために基体表面のトポグラフィー的特徴を使用してもよい。既に記載したように、ダイアモンドと選択された基体との間のモデュラス及び熱膨張係数の差は、製造中の多結晶ダイアモンド成形体の破壊を招く恐れがある。部品によっては、表面トポグラフィー的特徴を使用したときに得られる基体とダイアモンドテーブルとの間の強化界面の存在によって、多結晶ダイアモンド成形体を問題なく製造することが可能になる。しかしながら、特別な基体表面のトポグラフィー的特徴ではなく単純な基体表面を有する基体を使用して、同一寸法の類似部品を製造する場合、ダイアモンドと基体との間のモデュラス又は熱膨張係数の差に起因して、ダイアモンドテーブルは亀裂を生ずるか、基体から分離することがある。

有益な基体表面のトポグラフィー的特徴の例としては、波、溝、リッジ（稜線）、その他経線方向の表面特徴（これらは何れも経線方向、緯線方向、所望角度での相互交差、ランダムパターン、及び幾何学的パターンによって配列可能である）、三次元構造、球状セグメント陥凹、球状セグメント突起、三角陥凹、三角突起、弓形陥凹、弓形突起、一部球状陥凹、一部球状突起、円筒陥凹、円筒突起、矩形陥凹、矩形突起、ｎ面多角形（ｎは整数）陥凹、ｎ面多角形突起、ワッフルパターンリッジ、ワッフルアイアンパターンの突起構造、窪み、ニップル、突起、リブ、窓割り及び溝、あるいは、円形、三角形、弓形、四角形、多角形、曲面その他形状の断面を有するトラフ若しくはリッジ、又は他の形状などがある。そのような形状を製造する機械加工、プレス、押出成形、パンチング、射出成形及び他の製造方法を使用して、所望の基体トポグラフィーを得ることができる。図面の都合上、図中では、基体トポグラフィー若しくは他の構造上に幾つかの鋭利な隅が描かれているが、実際は、耐久性に優れた部品を得るため全ての隅が小さな半径を有していることが好ましい。

図３Ａ乃至３Ｕは、幾つかの可能な基体表面修飾を示している。図３Ａには、ステム上の玉構造が描かれているが、凹凸基体表面のトポグラフィー的特徴を特徴としている。図示のヘッド３８０は、基体３８３上に焼結されたダイアモンドテーブル３８２を有している。基体３８３は、基体表面の一点から放射状に延びる凹状弓形溝３８４と凸状弓形リッジ３８５とを含む表面トポグラフィーを有している。ダイアモンド３８２は、基体トポグラフィー的特徴を覆っており、その結果、単純な球形基体を使用する場合よりも、基体とダイアモンドテーブルとの間の接触表面積が大きくなる。

図３Ｂは、図３Ａのヘッド３８０に付与される力の再分散の様子を示している。

力Ｆ１がヘッド３８０に付与されると、力Ｆ１は図示の如く力ベクトルＦ２及びＦ３沿いに再分散される。このように、ダイアモンドテーブル３８２表面では、単一の力ベクトルを受け、この力ベクトルは、より小さな力に分解され、基体３８３内を伝播する。この力の再分散は、ダイアモンドテーブル及び基体における潜在的な変形速度の差を減少させ、その結果、ダイアモンドテーブルにおける亀裂及び破壊の可能性を減少させる。

図３Ｃは、玉及びカップ若しくは軌道輪軸受集合体におけるヘッドへの基体表面のトポグラフィー的特徴の適用を示している。カップ若しくは軌道輪３８６は、所望の構造体３８７に取り付けられている。

カップ若しくは軌道輪３８６は、基体３８９に付着されたダイアモンドテーブル３８８を有している。

ヘッド３９０は、基体３９２上に多結晶ダイアモンドテーブル３９１を有している。

基体３９２は、当該軸受部材が使用されるとき概ね垂直になるよう配向された溝３９３を含む表面トポグラフィーを有している。初期力ベクトルＦ１は、溝３９３に概ね平行である。使用に起因する力の領域３９４が、カップ若しくは軌道輪の上方に図示されている。軸受使用時に概ね垂直となるよう配向された溝を含む基体表面トポグラフィーの使用により、より広い力の分散が得られる。

図３Ｄは、適切な基体材料からなる凸型球３５０を示している。球３５０は、極軸３５１及び赤道３５２を有している。球３５０の表面には多数の表面修飾３５３が施されている。表面修飾は、クローズオフセット形態に配置されている。表面修飾は、約０．００１インチ未満から約０．７５０インチを超える直径の円筒形陥凹であり、その深さは、約０．００１インチ未満から約０．７５０インチであるが、その他の構成であってもよい。レーザの使用によって、非常に小さな表面トポグラフィー的特徴を製造することができる。本発明の殆どの実施形態において、基体表面のトポグラフィー的特徴は、ダイアモンドテーブル下の基体の約１％から約９９％に及ぶ。基体表面のトポグラフィー的特徴は、部品半径の約１％から約５０％の深さを有する。離散した基体表面のトポグラフィー的特徴は、その基体表面の接線沿いに測定した寸法が部品半径の約１％から約５０％である。

図３Ｅは、図３Ａに図示したような修飾基体表面を有する球状基体を使用して形成した多結晶ダイアモンド成形体の断面を示している。成形体３６０は、基体３６２上に焼結されたダイアモンド層３６１を有している。基体３６２は、ダイアモンド３６１を含んだ修飾表面３６３を有している。修飾表面３６３近傍の基体は、力線Ｆ１及びＦ２においてダイアモンドを挟持する傾向があり、このことにより多結晶ダイアモンド成形体の化学結合に更に機械的噛合いの利点を付加して、非常に強固な部品をもたらす。

図３Ｆは、基体表面の凸球突起３７９若しくは基体３７８表面のニップルを示している。ニップル若しくは突起は球形若しくは弓形に図示されている。

図３Ｇは、基体表面に突出するリッジ３７７及び基体３７５表面の溝３７６を示している。図３Ｈは、直立リッジ２７３と該リッジの間の円形若しくは弓形の溝３７２とを有する基体３７４を示している。この基体表面構造は、円形断面の溝を球状基体に機械加工することにより製造できる。リッジ３７７は、機械加工された溝と溝との間に残された基体材料である。

図３Ｉは、凸球基体３２０を示している。特別な基体表面のトポグラフィー的特徴がなければ、基体３２０の形状は、円３２３により図示されるような単純な球である。この基体３２０は、曲線的若しくは弓形の波の形状をその外表面に、突出リッジ３２２及び陥凹溝３２１として有している。

図３Ｊは、凹球基体３２４を示している。基体３２４は、基体３２４の表面にワッフル様パターンを形成する突出矩形形状３２５を有している。各突出形状３２５の間は、ギャップ、溝、トラフ若しくはアレー３２６である。

図３Ｋは、基体３２７を示している。この基体は、破線の円３２８で示される単純な凸球であったが、現在の形状に機械加工されたものである。基体３２７は、その表面に形成された多角形状３２９を有し、ダイアモンドテーブルとの界面として特別なトポグラフィー的特徴を形成している。

図３Ｌは、その表面に形成された多数の窪み３３１を有する全体的に球状の基体３３０を示している。基体球３３０の表面３３４は、窪み３３１を除いて球形状である。窪みは、円形上部リム３３５、円形底３３２及び所望の深さの側壁３３３を有している。所望により、窪みにおけるリム３３５の最大径は、同じ窪みにおける円形底３３２の最大径と同一かそれより大きくすることができる。二つの直径が同一の場合、窪みは円筒形状となる。リム３３５が円形底３３３よりも大きな径を有する場合は、窪みは円錐台形状となる。ダイアモンドは、図３Ｌに示すようにテーブルとして基体状に結合することができ、そのテーブルの厚さは、基体の外表面を完全に覆うものとする。この場合、ダイアモンドテーブルは、窪み上方の領域において他の領域よりも厚くなる。このようなダイアモンドテーブルを使用すると、基体表面のトポグラフィー的特徴は外観からは認識できない。あるいは、ダイアモンドは窪みにのみ結合させて、窪みと窪みとの間の基体を露出させたままにしておくことも可能である。このような構造は、図３Ｑを参照して更に詳細に説明する。

図３Ｍは、その表面に多数の突起３３７を有する全体的に球状の基体３３６を示している。球状基体３３６の表面３３８は、突起３３７を除いて球形状である。突起は、円形下部リム３３９、円形上部リム３４０及び所望の高さの側壁３４１を有している。突起の頂部３４２は、例えば平坦、ドーム状、一部球状、弓形など任意の所望形状であってよい。所望により、下部リム３３９及び上部リム３４０の最大径は、異なっていてもよい。二つの直径が同一である場合、側壁３４１は直立であり、突起は全体的に円筒形状となる。リム３３９がリム３４０よりも大きな径を有する場合、突起は全体的に円錐台形状となる。

ダイアモンドテーブルは、基体表面修飾（突起）とその間の領域を完全に覆うように図３Ｍの基体に付着させることができる。この構造において、基体表面修飾は外観からは認識できない。あるいは、基体表面修飾の間の基体にのみダイアモンドを付着して、露出基体材料による離散領域を有する露出ダイアモンドの網目構造を形成することもできる。

図３Ｎは、ダイアモンドテーブル３４３及び基体３４４を有する球状多結晶ダイアモンド成形体３４２を示している。基体３４４は、トポグラフィー的表面修飾を有している。表面修飾は、基体に形成されたあり継ぎ陥凹（鳩尾型陥凹）３４５を含んでいる。多結晶ダイアモンドは、あり継ぎ内に形成されて、ダイアモンドテーブルと基体との間に緊密な機械的噛合いを形成している。この構造は、鳩尾形状を持たない基体表面に陥凹を形成することにより得られる。

焼結中、ダイアモンドと基体材料との間のモデュラス及び熱膨張係数の差に起因して、基体とダイアモンドテーブルとの間のあり継ぎ固定を形成することができる。

図３Ｏは、ダイアモンドテーブル３４６及び基体３４７を有する一部球状の多結晶ダイアモンド成形体３３４３を示している。ダイアモンドテーブル３４６は、連続的なダイアモンド荷重軸受及び関節表面を形成している。基体３４７は、基体外表面に形成された半球状若しくはレンテイト（lentate）修飾３４８を含んでいる。図示の修飾は、基体表面における凹型の一部球状陥凹である。多結晶ダイアモンドは、陥凹３４９を形成している。焼結中、多結晶ダイアモンド成形体が冷却するとき、基体は放射状に膨張する傾向がある。この表面修飾の半球状陥凹は、ダイアモンドテーブルと基体との間の界面を押圧し強化する力ベクトルをもたらし、これによりダイアモンドと基体との間でより強固な結合を実現することができる。

このように、ダイアモンドと基体との間のＣＴＥの差並びに基体表面のトポグラフィー的特徴、これら両方の結果として、機会的噛合い若しくは相互固定がダイアモンドテーブルと基体との間に生じる。

図３Ｐは、一部球状の多結晶ダイアモンド成形体３３２０を示している。

成形体３３２０は、ダイアモンドテーブル３３２１及び基体３３２２を有している。基体３３２２は、断面が三角形のトラフ３３２４及びリッジ３３２３を含むトポグラフィー的特徴を有している。このような基体表面のトポグラフィー的特徴の使用により、本明細書の他所で記載したようにダイアモンドと基体との間に傾斜界面若しくは遷移領域が得られる。基体表面のトポグラフィー的特徴を有する多結晶ダイアモンド成形体中の傾斜界面Ｉは、単純表面を有する基体を備えた多結晶ダイアモンド成形体における界面よりも典型的に深い。

その結果、基体表面のトポグラフィー的特徴を有する多結晶ダイアモンド成形体における残留応力場は、複合成形体構造におけるより長いセグメントにわたって分散し、ダイアモンド及び基体材料のより厚い層にわたって分散する。その結果、基体表面のトポグラフィー的特徴を使用せずに得られたものよりも、強固で安定な多結晶ダイアモンド成形体が得られる。

図３Ｑは、一部球状の多結晶ダイアモンド成形体を示している。成形体は、ダイアモンド受け部、陥凹若しくはインデント３５１を備えて形成された基体３９０を有している。焼結時、不連続若しくはセグメント化したダイアモンド領域を含む荷重軸受及び関節表面を製造するために、多結晶ダイアモンド３４９が前記陥凹３５１内に形成される。ダイアモンド領域３４９の間には、荷重軸受及び関節表面上に基体材料３５０が露出している。仕上げ研磨工程中、ダイアモンドに比べて基体材料の硬度は低いので、露出基体３５０は除去され易く、その結果、主要な接触面と関節表面とがダイアモンドパッチ３４９によってもたらされる荷重軸受及び関節表面が得られる。必要があれば、露出表面３５０を機械加工若しくは研磨により十分に除去して、荷重軸受及び関節表面へ潤滑流体を連通させるチャネルとして機能させることも可能である。

図３Ｒは、基体３５３及びダイアモンドテーブル３５４を有する球状の玉３５２を示している。基体３５３は、付属機構を受け入れる受け部３５５を有している。ダイアモンドテーブル３５４は、基体３５３の全面より少ない領域を覆っている。図示の如く、ダイアモンドテーブル３５４は、半球構造である。基体３５３は、その赤道周囲に環状の溝若しくはリング３５６を備えて用意されている。

ダイアモンドテーブル３５４は、その端部において強固な結合を得るために、環状溝３５６の領域において厚みを増しており、環状溝３５６を塞いでいる。

図３Ｓは、基体３５８並びにダイアモンドテーブル荷重軸受及び関節表面３５９を有するカップ若しくは軌道輪３５７を示している。基体３５８は、ダイアモンドテーブル３５９をカップ若しくは軌道輪３５７内の適所に固定するリップ３６０を有している。リップ３６０の構造は、多結晶ダイアモンド成形体の焼結前に基体３５８に形成しうるが、リップ３６０の構造は、焼結中に基体材料の膨張によって形成若しくは強化してもよい。リップは、より強固でより耐久性のある部材を提供するために、ダイアモンドテーブル３５９と基体３５８との極度に放射状の界面においてエッジ効果を排除若しくは現象させる。

図３Ｔは、その表面に多数の角錐台状若しくは多角形状の突起３６３を有する全体的に球状の基体３６２を示している。基体球３６２の表面３６４は、突起３６３を除いて概ね球形状である。

突起は、正方形若しくは矩形の下部外周３６５、正方形若しくは矩形の上部外周３６６及び所望の高さの側壁３６４を有している。各突起頂部３６６は、下部外周と上部外周との間で多数の異なる角度を形成するよう異なっていてもよい。二つの外周が同一寸法で側壁３６７が直立の場合、突起は、全体的に正方形若しくは矩形の形状となる。上部外周３６６が、下部外周よりも小さな寸法である場合、突起は、全体的に角錐台形状となる。上部外周３６６が下部外周３６５よりも大きい場合、突起は、全体的に逆角錐台形状となる。ダイアモンドテーブルは、基体表面修飾及びその間の領域を完全に覆うように、図３Ｔの基体に付着させることができる。このような構造において、基体表面修飾は外観からは認識できない。あるいは、基体表面修飾の間の基体にのみダイアモンドを付着して、露出基体材料の離散領域を有する露出ダイアモンドの網目構造を形成してもよい。

図３Ｕは、その表面に形成された多数の窪み３６９を有する全体的に球状の基体３６８を示している。基体球３６８の表面３７０は、窪み３６９を除いて球形状である。窪みは、正方形若しくは矩形の上部外周３７１、正方形若しくは矩形の下部外周３７２及び所望の深さの側壁３７３を有している。所望により、一の窪みの最大上部外周３７１を、同一の窪みの下部外周３７２と同一寸法とすることができる。二つの外周が同一の場合、窪みは矩形若しくは正方形の形状となる。上部外周３７１が下部外周３５２よりも大きな寸法である場合、窪みは、逆角錐台形状となる。ダイアモンドは、図３Ｕに示すように、基体の外表面を完全に覆う厚さを有するテーブルとして基体に結合させることができる。この場合、ダイアモンドテーブルは、窪みの上方の領域において、他の領域よりも厚くなる。このようなダイアモンドテーブルを使用する場合、基体表面のトポグラフィー的特徴は外観からは認識できない。

あるいは、窪みの中のみに結合させて、窪みの間の基体を露出したままとしてもよい。

以上、凸型の球状基体について多数の基体トポグラフィーを図示してきたが、このような表面トポグラフィーは、凹型の球状基体、他の非平面基体表面、並びに平坦な基体表面に適用可能である。図示したものを変更又は修正した基体表面トポグラフィーや、部材の強度や耐久性を向上させる他の基体トポグラフィーを使用することも可能である。

ｃ．ダイアモンド供給原料の選択
使用するダイアモンド粒子は、典型的に１μｍ未満から１００μｍを超える範囲とすることが望ましい。しかしながら本発明の幾つかの実施形態においては、１ｎｍ（ナノメートル）の大きさのダイアモンド粒子を使用することも可能である。より滑らかな軸受表面のためには、より小さなダイアモンド粒子が好ましい。一般に、ダイアモンド粒子の大きさは、０．５乃至２．０μｍ又は０．１乃至１０μｍである。本発明の幾つかの実施形態においてダイアモンド粒子は粗い球であることが好ましい。ダイアモンド供給原料は、本明細書他所に記載したように所望により、ＳｉＣ、ＳｉＮ_２、ＴｉＮ、ＴＢ_２など各種添加金属を含んでいてもよい。

好適なダイアモンド供給原料を次表に示す。

この調合物は、焼結中に小さな結晶が溶解し、再結晶化して大きなダイアモンド結晶と共に格子構造を形成するように、小さなダイアモンド結晶と大きなダイアモンド結晶とを混合している。炭窒化チタン粉末は、焼結中の過度の結晶成長を防止して小さなダイアモンド結晶を含んだ最終製品を形成するよう、ダイアモンド供給原料中に随意的に添加される。

他のダイアモンド供給原料例を、次表に記載する。

上記三種のダイアモンド供給原料は、第一寸法若しくは径ｘ、第二寸法若しくは径０．１ｘ、並びに第三寸法若しくは径０．０１ｘを有する任意の好適なダイアモンド供給原料と共に使用可能である。

このダイアモンド結晶比によって、約８９％理論密度まで供給原料を充填可能にし、殆どの間隙空間を埋めて、最終多結晶ダイアモンド成形体における最密ダイアモンドテーブルを提供することができる。

他のダイアモンド供給原料例を次表に記載する。

他のダイアモンド供給原料例を次表に記載する。

他のダイアモンド供給原料を次表に記載する。

本発明の幾つかの実施形態においては、使用するダイアモンド供給原料は、最大寸法が約１００ｎｍ以下のダイアモンド粉末とする。多くの適用例においては、焼結中に基体からの顕著な溶媒／触媒金属掃引があるものの、本発明の幾つかの実施形態においては、焼結工程を促進するためにダイアモンド供給原料と共に少量の溶媒／触媒金属を含むことが好ましい。

ｄ．溶媒金属の選択
ダイアモンド結晶を溶媒和して後に再結晶させ多結晶ダイアモンドを特徴付けるダイアモンド-ダイアモンド結合格子網を形成するために、焼結中に溶媒金属が基体からダイアモンド供給原料内を掃引されることは既に述べた。しかしながら、基体からの溶媒／触媒金属の掃引を補うことが必要な場合のみ、ダイアモンド供給原料内に少量の溶媒／触媒金属を含むことが好ましい。

従来、コバルト、ニッケル及び鉄が、多結晶ダイアモンドを製造するための溶媒金属として使用されてきた。しかしながら、軸受部材においては、溶媒金属は生体適合性がなければならない。このため、例えばＣｏＣｒＭｏ又はＣｏＣｒＷなどの溶媒金属が好適に使用される。プラチナ及び他の材料もバインダとして使用可能である。

溶媒金属をただダイアモンド供給原料に添加するだけではなく、適切な割合で溶媒金属を使用することや供給原料と均等に混合することが重要である。このため、約８６質量（重量）％のダイアモンド供給原料と約１５質量（重量）％の溶媒金属とを使用することが好ましいが、溶媒金属に対するダイアモンド供給原料の有益な割合は、５：９５、１０：９０、２０：８０、３０：７０，４０：６０，５０：５０、６０：４０、６５：３５、７５：２５、８０：２０、９０：１０、９５：５、９７：３、９８：２、９９：１、９９．５：０．５、９９．７：０．３、９９．８：０．２、９９．９：０．１などであると思われる。

ダイアモンド供給原料と溶媒／触媒金属とを混合するために、まず混合すべき所定量のダイアモンド供給原料と溶媒金属とを、例えば所望の溶媒／触媒金属製の混合容器などの混合容器内に入れる。その後、供給原料と溶媒金属とを、ドライメタノール及びアトリションボールを使用して適切な速度（例えば２００ｒｐｍ）で適切な時間（例えば３０分）混合する。アトリションボール、混合備品及び混合容器は、溶媒／触媒金属製であることが好ましい。その後、メタノールをデカンテーションして、ダイアモンド供給原料をアトリションボールから分離する。その後、供給原料を乾燥させて、約１０００℃で約１時間、水素分子炉中で加熱洗浄する。その後、ダイアモンド供給原料は装填及び焼結に使用しうる状態となる。あるいは、その清浄度を維持しうる状態で貯蔵してもよい。加熱用に適切な炉としは、水素プラズマ炉及び真空炉も含んでいる。

ｅ．ダイアモンド供給原料の装填
使用するダイアモンド供給原料の装填方法は、最終製品の出来栄えにとって重要である。既に述べたように、望まない変形を防止して部材を製造するために、ダイアモンド供給原料は均一な密度で装填しなければならない。

図７は、好適な装填方法を実施するための装置を示している。この装置は、縦軸７０２を有する回転ロッド７０１を備えており、該回転ロッドはその縦軸を中心として回転可能である。回転ロッド７０１は、製造しようとする部品の形状及び大きさに適合した一端７０３を有している。例えば、製造しようとする部品が、ヘッド又はカップ若しくは軌道輪であれば、回転ロッドの該一端７０３は、半球状である。

圧縮リング７０４は、その内部に回転ロッド７０１が突出する穴７０５を備えている。ダイ７０６若しくは缶は、製造しようとする部品の形状及び大きさに適合したキャビティ７０７を備えている。

ダイアモンド供給原料を装填するには、回転ロッドをドリルチャック内に取着し、回転ロッドをダイの中心点に合わせる。ダイのキャビティに対して回転ロッドが停止する深さは、止めネジで調整され、ダイヤルゲージで観測される。

ダイは、公知量のダイアモンド供給原料で装填される。次いで、回転ロッドをその縦軸を中心として回転させながら、所定深さまでダイキャビティ内を下降させる。回転ロッドは、この操作の間、ダイアモンド供給原料と接触しダイアモンド供給原料を再配置する。その後、回転ロッドの回転を停止し、回転ロッドを所定位置に固定する。

その後、圧縮リングがダイのキャビティ内でダイアモンド供給原料と接触する位置まで該圧縮リングを回転ロッド外周沿いに下降させる。

ダイアモンドと接触する圧縮リングの部分は環状である。圧縮リングは、ダイアモンドを圧縮するように上下に突き動かされる。この種の圧縮は、同一密度となるまでダイアモンド材料をキャビティ内に分散させるために使用され、架橋を防止する段階で実施してもよい。圧縮リングによるダイアモンドの充填により、試料の赤道周囲のダイアモンド密度が非常に均一となり、キャビティの極領域のダイアモンド密度と同一になる。この構成において、ダイアモンドは真の球形状に焼結され、得られる部品は、その真球度を厳密な公差に維持する。

ダイアモンド供給原料の均一密度を維持するために使用しうる他の方法は、バインダの使用である。バインダは、正確な量のダイアモンド供給原料に添加され、缶内へ押し込まれる。使用可能なバインダとしては、ポリビニルブチラール、ポリメチルメタクリレート、ポリビニルホルマール、ポリビニルクロライドアセテート、ポリエチレン、エチルセルロース、メチルアビエテート、パラフィンワックス、ポリプロピレンカーボネート及びポリエチルメタクリレートなどがある。

本発明の好適な実施形態において、ダイアモンド供給原料をバインディングする工程は、４つの段階を含んでいる。第一は、バインダ溶液の準備である。バインダ溶液は、ポリプロピレンカオーボネートのペレットに約５乃至２５％の可塑剤を添加し、この混合物を２−ブタノンなどの溶媒中に溶解させて約２０重量％の溶液を調製する。

使用可能な可塑剤としては、非水系バインダ全般、グリコール、ジブチルフタレート、ベンジルブチルフタレート、アルキルベンジルプタレート、ジエチルヘキシルフタレート、ジイソデシルフタレート、ジイソノニルフタレート、ジメチルフタレート、ジプロピレングリコールジベンゾエート、混合グリコールジベンゾエート、２−エチルヘキシルジフェニルジベンゾエート、混合グリコールジベンゾエート、２−エチルヘキシルジフェニルホスフェート、イソデシルジフェニルホスフェート、イソデシルジフェニルホスフェート、トリクレスチルホスフェート、トリブトキシエチルホスフェート、ジヘキシルアジペート、トリイソオクチルトリメリテート、ジオクチルフタレート、エポキシ化アマニ油、エポキシ化ダイズ油、アセチルトリエチルシトレート、プロピレンカーボネート、各種フタル酸エステル、ブチルステアレート、グリセリン、ポリアルキルグリコール誘導体、ジエチルオキサレート、パラフィンワックス及びトリエチレングリコールなどがある。他の適切な可塑剤も同様に使用できる。

使用可能な溶媒としては、２−ブタノン、メチレンクロライド、クロロホルム、１，２−ジクロロエタン、トリクロロエチレン、メチルアセテート、エチルアセテート、ビニルアセテート、プロピレンカーボネート、ｎ−プロピルアセテート、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、プロピオニトリル、ｎ−メチル−２−ピロリジン、氷酢酸、ジメチルスルホキド、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、オキシソルブ８０Ａ、カプロラクトン、ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、１，４−ジオキサンプロピレンオキシド、セロソルブアセテート、２−メトキシエチルエーテル、ベンゼン、スチレン、キシレン、エタノール、メタノール、トルエン、シクロヘキサン、塩素化炭化水素類、エステル類、ケトン類、エーテル類、エチルベンゼン及び各種炭化水素類などがある。他の適切な溶媒も同様に使用できる。

第二に、ダイアモンドをバインダ溶液と混合する。ダイアモンドは、約２乃至２５％のバインダ溶液（この濃度は２−ブタノンを考慮せずに計算したものである）が得られるまでバインダ溶液に添加する。

第三に、ダイアモンドとバインダ溶液との混合物を乾燥させる。これは、溶媒である２−ブタノンを全て蒸発させるため、ダイアモンドとバインダ溶液との混合物を、約５０℃で約２４時間、真空オーブン中に入れることによって行われる。第四に、ダイアモンドとバインダとを圧縮成形する。ダイアモンド及びバインダをオーブンから取り出すとき、凝集塊となっているが、これは砕片に破砕して、この砕片を圧縮プレス機で所望形状にプレス成形することができる。所望形状のプレススピンドルを、例えば、バインディングされたダイアモンドを所望形状に成形するように該ダイアモンドと接触させる。ダイアモンド及びバインダをプレス成形するとき、このスピンドルを後退させる。プレス成形後のダイアモンド及びバインダにおける好適な最終密度は、約２．６ｇ/ｃｍ^３である。

揮発性バインダを使用する場合は、焼結前に成形されたダイアモンドから除去すべきである。成形されたダイアモンドを炉内に入れ、バインダを十分な時間ガス化又は熱分解してバインダを完全に排除する。

多結晶ダイアモンド成形体の品質は、ダイアモンド又は基体の外部汚染によって低下するので、汚染物質及びバインダを炉サイクル内で完全に除去することに細心の注意を払う必要がある。温度上昇や温度と時間との組み合わせは、バインダの効果的な熱分解にとって重要である。上記に例示したバインダの場合、バインダを除去するために好適に使用される脱バインダ工程は、以下の通りである。

以下の説明を読みながら図７Ａを参照することにより理解が深まる。

第一に、成形したダイアモンド及びバインダを、室温から約５００℃まで加熱する。温度は、約５００℃に到達するまで毎分約２℃ずつ上昇させることが好ましい。第二に、バインダ及び成形したダイアモンドの温度を、約５００℃で約２時間維持する。第三に、ダイアモンドの温度を再び上昇させる。温度は、約９５０℃に到達するまで毎分約４℃ずつ約５００℃から上昇させることが好ましい。第四に、ダイアモンドを、約９５０℃で約６時間維持する。第五に、ダイアモンドを、毎分約２℃の下降温度で室温まで戻す。

本発明の幾つかの実施形態においては、バインディングされたダイアモンド供給原料を射出成形などの適切な方法で予成形することが望ましい。ダイアモンド供給原料は、一又は複数の大きさのダイアモンド結晶、溶媒／触媒金属、並びにダイアモンドの再結晶化や溶媒／触媒金属の分散を制御する他の成分を含んでいてもよい。所望の最終部品曲率が平坦、凸型ドーム又は円錐形であれば、ダイアモンド供給原料の取り扱いは難しくはない。しかしながら、所望の最終部品曲率が、ここで説明したような複雑な輪郭である場合、均一や厚さや正確な輪郭の多結晶ダイアモンド成形体を提供することは、粉末ダイアモンド供給原料の使用により一層困難になる。このような場合は、焼結まえにダイアモンド供給原料を予成形しておくことが望ましい。

ダイアモンド供給原料は、缶に粉末ダイアモンド供給原料を入れるよりも、焼結のため缶に装填する前に予成形することが望ましく、ここで記載した工程及びそれらの変形が以下に続く、第一に、既に述べたように、好適なバインダをダイアモンド供給原料に添加する。随意的に、粉末状の溶媒／触媒金属及び他の成分を同様にダイアモンド供給原料に添加してもよい。バインダは、典型的には融点、各種溶媒への溶解度及びＣＴＥなどの特性を考慮して選択されたポリマーである。一又は複数のポリマーをバインダとして含有してもよい。バインダは、所望の結合特性、流体の流れ特性及び射出成形特性を得るために、所望によりエラストマー及び／又は溶媒を含有してもよい。ダイアモンド供給原料に添加されるバインダの使用量は、軽く圧縮された粉末における空き空間の測定量に等しいかそれより若干多い。バインダは比較的大きなＣＴＥを持つ有機ポリマーのような材料で典型的に構成されるので、使用量は、予測される射出成形温度について計算すべきである。バインダ及び供給原料は、均一な組成を得るよう十分に混合すべきである。加熱時、バインダ及び供給原料は、高圧射出成形における流れについて十分な流体特性を有している。加熱された供給原料及びバインダ混合物は、圧力下で所望形状の金型内に射出される。その後、成形部品を金型内で冷却し、金型を開いて部品を取り出す。最終的に所望される多結晶ダイアモンド成形体の形状に応じて、一又は複数の射出成形ダイアモンド供給原料部材を製造し、多結晶ダイアモンド成形体焼結缶に入れることも可能である。更に、この方法を使用することによって、ダイアモンド供給原料が所望形状に成形され、焼結工程で使用されるまで長時間保存できる。その結果、製造工程を簡略化でき、より効率的な製造が可能になる。

所望により、バインダを射出成形したダイアモンド供給原料成形物から除去してもよい。これには多様な方法を利用することができる。例えば、単純な真空若しくは水素炉による処理によって、バインダをダイアモンド供給原料成形物から除去できる。このような方法では、真空若しくは極低圧の水素（還元）雰囲気で成形物を所望の温度にする。

その後、バインダは温度上昇と共に揮発し、成形物から除去される。その後、成形物を炉から取り出す。水素を使用する場合、ダイアモンド供給原料成形物のダイアモンド結晶の表面を、非常に清浄で化学的な活性状態に維持することが容易になる。

成形物からバインダを除去する他の方法は、異なる分子量の二以上のポリマー（例えばポリエチレン）バインダを使用することである。最初の射出成形後、ダイアモンド供給原料成形物を溶媒浴中に入れ、低分子量ポリマーを除去し、ダイアモンド供給原料成形物の形状を維持するよう高分子量ポリマーを残す。その後、ダイアモンド供給原料成形物を真空若しくは極低圧水素の炉に入れて、高分子量ポリマーを除去する。

ダイアモンド供給原料からの部分的又は完全なバインダ除去は、多結晶ダイアモンド成形体焼結用の圧力集合体として成形物を組み立てる前に行うことができる。あるいは、ダイアモンド供給原料を含む圧力集合体を真空炉若しくは極低圧水素炉内で処理してバインダを除去してもよい。

ダイアモンド供給原料は、ダイアモンドテーブル内に異なる種類の傾斜を形成するように選択及び装填される。例えば界面傾斜ダイアモンドテーブル、増分傾斜ダイアモンドテーブル及び連続傾斜ダイアモンドテーブルなどである。

一種類又は混合されたダイアモンド供給原料を、既に説明したように基体に隣接して装填すると、ダイアモンド内を通過する溶媒／触媒金属の掃引により、ダイアモンドテーブルの傾斜遷移領域に傾斜界面が形成する。

異なる特性（ダイアモンド粒径、ダイアモンド粒子分布、金属含有量など）のダイアモンド供給原料を焼結前の異なる層に装填することによって、増分傾斜ダイアモンドテーブルを形成することもできる。例えば、基体を選択し、６０重量％の溶媒／触媒金属を含有する第一ダイアモンド供給原料を基体に隣接する第一層に装填する。次いで、４０重量％の溶媒／触媒金属を含有する第二ダイアモンド供給原料を、第一層に隣接する第二層に装填する。随意的に、更に別のダイアモンド供給原料層を設けてもよい。例えば、２０重量％の溶媒／触媒金属を含有する第三のダイアモンド供給原料層を、第二層に隣接して装填してもよい。

一又は複数の特性がダイアモンドテーブルの一の深さから他の深さにわたって連続的に変化するように、ダイアモンド供給原料を装填することによって、連続傾斜ダイアモンドテーブルを形成することができる。例えば、ダイアモンド粒子径を、基体近傍の大きな寸法（溶媒／触媒金属が入り込めるように、ダイアモンド間に大きな間隙空間を形成するため）から、ダイアモンド軸受表面近傍の小さな寸法（基体に強固に結合し、且つ、非常に低摩擦の軸受表面を有する部品を製造するため）まで変化させる。

異なる層のダイアモンド供給原料は、ダイアモンド粒子径及び分布が同一であっても異なっていてもよい。溶媒／触媒金属は、約０％から約８０％強の重量割合で、異なる層のダイアモンド供給原料に含有することができる。幾つかの実施形態においては、ダイアモンド供給原料は溶媒／触媒金属を含まずに装填されるが、その場合は基体からの溶媒／触媒金属掃引に依存して焼結を行う。異なるダイアモンド粒子径及び分布、異なる重量の溶媒／触媒金属、あるいはその両方を有する多数のダイアモンド供給原料層を使用することにより、荷重軸受及び関節表面よりも基体との界面において異なる物性を有するダイアモンドテーブルを得ることができる。これにより、非常に強固に基体に結合したダイアモンドテーブルを有し、荷重軸受及び関節表面において低摩擦関節、耐衝撃性及び耐久性など非常に好ましい物性を有する多結晶ダイアモンド成形体を製造できる。

ｆ．ダイアモンド供給原料における自由体積の減少
既に述べたように、焼結を行う前に、ダイアモンド供給原料内の自由体積を排除することが望ましい。本発明者らは、これは、球状の凹凸部品を製造する際に有益な方法であることを発見した。しかしながら、十分なアンビル行程を有するプレス機を高温高圧焼結に使用する場合、この工程は不要である。少なくとも約９５％の理論密度、好ましくは約９７％に近い理論密度のダイアモンド供給原料が得られるように、ダイアモンド供給原料内の自由体積を排除することが好ましい。

図８及び図８Ａは、自由体積を排除するためダイアモンドを前圧縮する際に使用する集合体を示している。図中、ダイアモンド供給原料は、凸型球状の多結晶ダイアモンド部品を製造するためのものである。この集合体は、他の複雑な形状の多結晶ダイアモンド成形体を製造する際のダイアモンド供給原料の前圧縮にも適用できる。

図示の集合体は、圧力伝達媒体からなるキューブ８０１を含んでいる。立方体は、葉蝋石又は合成圧力伝達媒体など他の適切な圧力伝達材料からなり、アンビルが立方体の６面を同時に圧縮する立方体圧縮による圧力を受けるよう設計されている。この工程においてベルトプレスを使用する場合は、立方体ではなく円筒形セルを使用する。

キューブ８０１は、内部を貫通する円筒形のキャビティ８０２若しくは通路を有している。キャビティ８０２の中心は、前圧縮すべきダイアモンド供給原料８０６が装填された球状の耐火金属缶８１０を受け入れる。ダイアモンド供給原料８０６は、例えば基体を備えている。

缶８１０は、二つの半球状の半割缶８１０ａ及び８１０ｂからなり、その一方が他方に重なって薄いリップ８１２を形成している。この缶は、ニオブ、タンタル、モリブデンなどの適切な耐火金属であることが好ましい。この缶は、典型的に二つの半球からなるが、一方が他方を受け入れるよう若干大きく構成され、小さい方が大きい方の内側へ滑り込んで、ダイアモンド供給原料を完全に包囲する。「さねはぎ」領域即ちリップは、小さい方の半割缶が大きい方の半割缶内へ十分陥合するように大きい方の半割缶に設けられる。缶の継ぎ目は、例えば乾燥六方晶窒化ホウ素又は合成圧縮媒体などの適切な封止剤で封止する。封止剤は、圧力媒体となる塩が缶内に侵入するのを防ぐバリアを形成する。缶の継ぎ目は、プラズマ、レーザ又は電子ビーム法によって溶接してもよい。

適切な形状のソルトドーム対８０４及び８０７が、ダイアモンド供給原料８０６を含有する缶８１０を包囲している。図示の例では、ソルトドームは、夫々、ダイアモンド供給原料８０６を含有する缶８１０を受け入れる半球状のキャビティ８０５及び８０８を有する。ソルトドーム並びに缶及びダイアモンド供給原料は, ソルトドームがダイアモンド供給原料を包囲するよう組み立てられる。一対の円筒形ソルトディスク８０３及び８０９は、ソルトドーム８０４及び８０７の外側に組み付けられる。以上の部材は全て、圧力媒体キューブ８０１の穴８０２内に嵌め込まれる。

耐熱キューブ集合体全体をプレス機内に設置し、適切な圧力下で（例えば約４０乃至６８Ｋｂａｒ）、焼結に備えてダイアモンドを前圧縮するのに適当な短い時間、加圧する。この段階では加熱は不要である。

ｇ．加熱装置の準備
組み立てられ装填された前記ダイアモンド供給原料を多結晶ダイアモンドに焼結させるためには、熱と圧力が必要である。熱は、部品がプレス機内で加圧される際に電気的に付与される。必要な熱の供給には従来の加熱装置を使用する。

装填され前圧縮されたダイアモンド供給原料を含有する耐火金属缶を、加熱装置内に設置する。缶の封入にはソルトドームを使用する。使用するソルトドームは、少なくとも約９０乃至９５％の理論密度に前圧縮されたホワイトソルト（ＮａＣｌ）が好ましい。この塩密度は、焼結系を高圧に維持し、製造する部品の形状安定性を維持する観点から望ましい。ソルトドーム及び缶は、グラファイトヒータチューブ装置内に設置される。ソルト並びに加熱装置のグラファイト成分は、１００℃以上の真空オーブン中で、少なくとも２３ｔｏｒｒの真空で約１時間焼成して、加熱装置に入れる前に吸着水を排除することが好ましい。加熱装置を構成しうる他の材料としては、固体又は箔状のグラファイト、アモルファスカーボン、熱分解炭素、耐火金属及び高電気抵抗材料などがある。

電力が加熱チューブに供給されると、該チューブは、高温高圧圧縮工程における多結晶ダイアモンド形成に必要な熱を発生する。

ｈ．焼結用圧力装置の準備
加熱装置を準備した後は、高温高圧下のプレス機内における焼結用の圧力装置内へ該装置を設置する。キューブプレス又はベルトプレスをこの目的に使用することができるが、使用するプレス機の種類により圧力装置は多少異なる。圧力装置は、プレス機から圧力を受け取って、ダイアモンド供給原料に伝達し、ダイアモンドの焼結が均等状態で生ずるよう設計されている。

キュービックプレスを使用する場合、例えば葉蝋石など好適な圧力伝達媒体からなるキューブは加熱装置を含有している。焼結をベルトプレス内で行う場合は、セル加圧媒体を使用する。キューブと加熱装置との間の圧力伝達媒体としてソルトを使用してもよい。焼結中の温度監視には熱伝対をキューブ上で使用する。内部に加熱装置を備えたキューブは、圧力装置であり、焼結用プレス機内に設置される。

ｉ．ダイアモンド供給原料の多結晶ダイアモンドへの焼結
内部に装填され前圧縮されたダイアモンド供給原料を含有する耐火金属缶を含有する上記圧力装置を、適切なプレス機内に設置する。

本発明時点で好適に使用されるプレス機の種類は、異なる６方向から３軸に沿って装置に高圧を伝達するキュービックプレス（即ち６個のアンビル面を有するプレス機）である。あるいは、ベルトプレス及び円筒形セルを使用して同様の結果を得ることもできる。図８Ｂには、キュービックプレス８２０の６個のアンビルが図示されている。アンビル８２１、８２２、８２３、８２４、８２５及び８２６は、圧力装置８３０の周囲に配置されている。

焼結準備のために、圧力装置全体をキュービックプレス機内に投入し、まず約４０乃至６８Ｋｂａｒまで加圧する。使用する圧力は、製造する製品に依存し、実験的に決定しなければならない。約１１４５若しくは１２００℃未満から約１５００℃を超える範囲の温度に到達するよう電力を圧力装置に供給する。好ましくは、約５８００ワットの電力を二つの対向するアンビル面に適用して、所望の加熱レベルに達するまで加熱装置に必要な電流を生じさせる。所望の温度に達すると、圧力装置のアンビル面に１立方インチ当たり約１００万ポンドの圧力をかける。圧力装置部材は、圧力をダイアモンド供給原料に伝達する。この状態を約３乃至１２時間維持することが好ましいが、１分未満から３０分を超えるまででもよい。多結晶ダイアモンド成形体の焼結は、圧力伝達部材の変化が体積に関してのみ許され、他の変形に関しては許されない均等環境で生ずる。焼結サイクルが完了すると、約９０秒の冷却時間が設けられ、その後、圧力が解除される。その後、多結晶ダイアモンド成形体を取り出して仕上げ加工する。

湾曲形状、複合若しくは複雑形状を有する焼結多結晶ダイアモンド成形体を圧力装置から取り出すことは、本発明の好適な実施形態においてはダイアモンドとその周囲の金属との間で材料特性が異なるため容易である。これを、本発明における離型系と総称する。

離型系には以下の部材工程の一又は複数が含まれる。即ち１）多結晶ダイアモンド成形体の金型表面への結合を防止する多結晶ダイアモンド成形体部品と金型との間の中間材料層。

２）合成条件下では多結晶ダイアモンド成形体に結合しない金型材料。

３）多結晶ダイアモンド成形体合成サイクルの最終段階若しくは終結時において、凹型の網目状多結晶ダイアモンド成形体形状の場合は収縮によって多結晶ダイアモンド成形体から離れ、凸型の網目状多結晶ダイアモンド成形体形状の場合は膨張によって多結晶ダイアモンド成形体から離れる金型材料。

４）金型は、多結晶ダイアモンド成形体合成工程において有用な掃引金属源としても機能する。

一例として、所望形状のネガ型形状を採用して、半球状カップ若しくは軌道輪を製造する多結晶ダイアモンド成形体の製造における離型系の使用について以下に説明する。金型表面は、収縮により最終的な凹型網目形状から離れ、金型表面は、多結晶ダイアモンド成形体合成工程用の溶媒／触媒金属源としても機能し、金型表面は、多結晶ダイアモンド成形体との結合性が弱い。

ボールソケット軸受部材における関節表面として使用されるような凹型半球状カップ若しくは軌道輪を形成する場合、二つの異なる方法を採用する。第一の方法は、コバルトクロム（ＡＳＴＭＦ−７９９）からなる金型玉を基体として使用し、基体周囲には一層の多結晶ダイアモンド成形体供給原料を配置し、外部缶がこれらを包含する。雲母や圧縮された六方晶窒化ホウ素（HBN）などの材料からなる分離リングを、金型玉の半球に配置し、焼結工程の終了時に、二つの凹型半球状多結晶ダイアモンド成形体部品を分離させる。多結晶ダイアモンド成形体合成工程中、コバルトクロム玉は工程特有の温度上昇に起因して膨張する。多結晶ダイアモンド成形体合成工程に溶媒触媒掃引金属を供給することも可能である。

金型玉周囲に多結晶ダイアモンド成形体の外殻を形成した後、玉が減圧冷却時に収縮する際に、玉を二つの半球状多結晶ダイアモンド成形体カップ若しくは軌道輪から分離する。ＣｏＣｒ玉の収縮力は、ダイアモンドとＣｏＣｒとの結合強度を超えるので、非常にきれいに分離し、分離した球状のＣｏＣｒ玉と隣接した、滑らかな多結晶ダイアモンド成形体カップ若しくは軌道輪が得られる。

他の例として、多結晶ダイアモンド成形体部品と金型表面との間に中間材料層を使用することも可能である。中間材料層は、最終的な凹型網目状多結晶ダイアモンド成形体形状から離れるように収縮して、多結晶ダイアモンド成形体から分離する材料とする。

半球状カップ若しくは軌道輪を製造する際に使用する第二の離型方法は、第一の方法に類似している。しかしながら、第二の方法では、金型は、HBNの薄層によって被覆されたコバルト炭化タングステン超硬合金玉若しくは球である。多結晶ダイアモンド成形体合成工程中、工程特有の温度上昇に起因して炭化タングステン玉が膨張する。金型玉周囲に多結晶ダイアモンド成形体外殻を形成した後、金型玉が冷却時に収縮する際に、該金型玉を二つの半球状多結晶ダイアモンド成形体カップ若しくは軌道輪から分離する。HBNは、多結晶ダイアモンド成形体層と炭化タングステンとの結合を防止するので、きれいに分離する。

ｊ．ＰＣＤからの溶媒／触媒金属の除去
必要があれば、焼結多結晶ダイアモンドの間隙空間に残存している溶媒／触媒金属を除去する。この除去は、当該分野において公知の化学的浸出法によって行われる。ダイアモンドテーブルの間隙空間から溶媒／触媒金属を除去した後は、ダイアモンドテーブルの高温での安定性が増す。これは、ダイアモンドと反応し分解させる触媒が存在しないためである。ダイアモンドの間隙空間からの溶媒／触媒金属の除去は、溶媒／触媒金属が生体適合性ではい場合にも望ましい。

ダイアモンドテーブルから溶媒／触媒金属を浸出した後、他の金属若しくは金属化合物で置換して、単に浸出された多結晶ダイアモンドよりも強固で熱的に安定なダイアモンドを形成してもよい。合成ダイアモンド若しくは多結晶ダイアモンド成形体を基体若しくは他の表面に慣性溶接などによって溶接する場合は、溶接工程により発生する熱に対する耐熱性の観点から、熱的に安定なダイアモンドを使用することが望ましい。

３．仕上げ方法及び装置
多結晶ダイアモンド成形体を焼結した後、最終製品を調整するために機械的仕上げ工程を採用することが好ましい。以下に説明する好適な仕上げ工程は、多結晶ダイアモンド成形体の仕上げに関して記載するが、該工程は、他の任意の軸受表面又は他の任意の種類の部材に対し適用可能である。

本発明以前は、合成ダイアモンド産業は、平坦表面の仕上げやダイアモンド成形体エッジの薄肉仕上げという問題に直面していた。従来技術においては、大量のダイアモンドを球状表面から除去する方法や、その表面を、高精度の真球度、寸法及び仕上がり表面まで仕上る方法は開発されていなかった。

ａ．超硬円筒平面形状の仕上げ
最も好適な湾曲及び球状超硬表面の仕上げ方法について見通しを立てるために、他の仕上げ方法を以下に記載する。

１）ラッピング
鋳鉄若しくは鋳銅の回転板上のダイアモンドグリットのウェットスラリーを使用して、大きな平面（例えば最大直径約７０ｍｍ）から材料を除去する。約３ｍｍから約７０ｍｍのエンドコートされた円筒を、ラッピングして、平坦な表面を形成することも可能である。ラッピングは、平面度や表面の仕上がりを非常に厳密な公差に維持できるが、全般的に緩慢であり、深さや層の厚さなどの寸法を制御することができない。

２）グラインディング
ダイアモンドを含浸させたホイールを使用して、円筒形の平坦な表面を形成する。ホイールは、通常、材料除去条件（例えば円筒無芯グラインディング若しくはエッジグラインディング）に応じた多様な形状で結合したレジンである。多結晶ダイアモンド成形体は、グラインディングが難しく、広い多結晶ダイアモンド成形体表面は殆どグラインディング不可能である。その結果、グラインディングは最小限に抑えることが望ましく、グラインディングは、通常、狭いエッジ若しくは周縁部に限定されるか、分粒されたＰＤＣエンドコート円筒若しくは加工工具インサートの研削に限定される。

３）電子スパーク放電グラインディング（ＥＤＧ）
多結晶ダイアモンド成形体の粗仕上げを、大直径（例えば約７０ｍｍ）の平坦表面における電子スパーク放電グラインディング（ＥＤＧ）によって行ってもよい。この方法は、典型的に、負の電位において多結晶ダイアモンド成形体平坦表面に対し流れる正の電流を有する回転炭素ホイールを使用する。ＥＤＧ装置の自動制御によって、例えばスパーク周波数や電圧などの変数が制御され、多結晶ダイアモンド成形体材料の電食が適切に維持される。ＥＤＧは、典型的に、ラッピングやグライディングよりも大量のダイアモンドを除去するのに効率的な方法である。ＥＤＧの後は、ＥＤＧによって残された再鋳造層若しくは熱変性領域と称される部分を除去するため、ラッピング若しくはグラインディングによって表面を仕上げる必要がある。

４）ワイヤ電子放電加工（ＷＥＤＭ）
ＷＥＤＭを使用して、大きな円筒若しくは平坦部材から多様な形状及び寸法の超硬部品を切り出す。典型的に、機械加工用の切断チップ及びインサートや、油井ドリルビット用の再成形カッタは、ＰＤＣ仕上げにおけるＷＥＤＭに大いに利用できる。

５）ポリッシング
非常に厳密な公差での超硬表面のポリッシングは、ダイアモンド含浸高速ポリッシング装置によって行われる。高速と高摩擦温度との組み合わせによって、この方法によって仕上げられたＰＤＣ表面は、高度の平坦度を維持しつつ艶出しされる。その結果、正確な寸法精度と共に鏡面状外観が得られる。

ｂ．球形状の仕上げ
球状の表面（凹型球又は凸型球）の仕上げは、平坦表面や円筒の曲面周縁の仕上げよりも困難である。仕上げるべき球の全表面積は、同様の径の円筒における曲面周縁の全表面積に比べて、４倍の広さであり、その結果、４倍量の多結晶ダイアモンド成形体材料を除去する必要がある。球表面の性質上、例えばラッピングやグラインディングなど従来の処理方法は、平坦表面や円筒表面用のものなので使用することができない。球への接点は、球の周縁における接線上の接点とすべきである。その結果、単位時間当たり少量の材料しか除去できず、それに比例して必要とされる仕上げ時間が長くなる。また、球状物体の仕上げに必要な処理装置及び工具の種類及び設計は、他の形状に比べて、より正確でなければならず、より厳密な公差で機能しなければならない。また球状仕上げ装置は、加工片及び工具の出し入れの際に、より厳密に位置出し調整を行う必要がある。

以下は、球状、湾曲若しくは関節表面を仕上げるために実施可能な工程である。

１）粗加工
まず、専用の電子放電加工装置を使用して、表面寸法を大まかに削り出すことが好ましい。図９には、多結晶ダイアモンド成形体球９０３を粗削りする様子が描かれている。その長軸（図中ｚ軸）を中心として連続回転可能な回転子９０２が設けられている。粗削りされるべき球９０３は、回転子９０２のスピンドルに取着されている。電極９０１は、粗削りされる部品に合わせて形成された接触端９０１Ａを備えている。この場合、接触端９０１Ａは、一部球状の形状である。電極９０１は、その長軸（図中ｙ軸）を中心として連続回転する。電極９０１の長軸ｙと回転子９０２の長軸ｚとの所望角度βにおける角度調節は、電極９０１が玉９０３の球状表面全体から材料を除去するように所望に調節される。

このように、電極９０１及び球９０３は異なる軸周囲を回転する。

軸の調整は、粗削りされるべき部品のほぼ完全な球体運動を実現するために使用できる。その結果、ほぼ完全な球状部品が、この工程から得られる。この方法により、高い真球度と、非常に厳密な公差の研磨状態とを有する多結晶ダイアモンド成形体球状表面を製造できる。電食工程に投入される電流を制御することによって、熱変性領域の深さ及び広がりを最小化できる。多結晶ダイアモンド成形体の場合、熱変性領域は、約３乃至５μｍの深さに維持できるので、ダイアモンド含浸グラインディング及びポリッシングホイールを使用するグラインディング及びポリッシングによって簡単に除去できる。

図１０には、例えば寛骨臼カップ若しくは軌道輪などの凸型球状多結晶ダイアモンド成形体１００３を粗削りする様子が描かれている。その長軸（図中ｚ軸）を中心として連続回転可能な回転子１００２が設けられている。粗削りされるべき部品１００３は、回転子１００２のスピンドルに取着されている。電極１００１は、粗削りされるべき部品に合わせて形成された接触端１００１Ａを備えている。

電極１００１は、その長軸（図中ｙ軸）を中心として連続回転可能である。電極１００１の長軸ｙと回転子１００２の長軸ｚとの所望角度βにおける角度調節は、電極１００１がカップ若しくは軌道輪１００３の球状表面全体から材料を除去するように所望に調節される。

本発明の幾つかの実施形態においては、複数の放電加工電極を逐次的に使用して、部品を加工する。一組の放電加工装置を使用して、流れ作業的にこの方法を実施してもよい。

２）仕上げグライディング及びポリッシング
球状表面（凹型であるか凸型であるかに関わらず）の粗加工が上記の如く、あるいは他の方法で終了した後、部品の仕上げグラインディング及びポリッシングを行う。グラインディングは、電極によって多結晶ダイアモンド成形体材料に残された熱変性領域を除去するために行われる。図９及び図１０に図示したものと同一の回転機構を使用して、表面の仕上がり特性を向上させつつ、部品の真球度を維持することができる。

図１１においては、回転子１１０１が仕上げるべき部品１００３を保持しており、この場合、凸球をスピンドルによって保持している。回転子１１０１は、その長軸（図中ｚ軸）を中心として連続回転する。グラインディング又はポリッシングホイール１１０２は、その長軸（図中ｘ軸）を中心として連続回転するように設けられている。

可動部品１１０３は、可動グラインディング又はポリッシングホイール１１０２と接触している。

グラインディング又はポリッシングホイール１１０２に対する回転子１１０１の角度βは、部品（玉又はソケット）の全表面にわたってそのグラインディング又はポリッシングを行い、且つ、真球度を維持するように調節され揺動する。

図１２においては、回転子１２０１が仕上げるべき部品１２０３を保持しており、この場合、凸型球状のカップ若しくは軌道輪をスピンドルによって保持している。回転子１２０１は、その長軸（図中ｚ軸）を中心として連続回転する。グラインディング又はポリッシングホイール１２０２は、その長軸（図中ｘ軸）を中心として連続回転するように設けられている。可動部品１２０３は、可動グラインディング又はポリッシングホイール１２０２と接触している。グラインディング又はポリッシングホイール１２０２に対する回転子１２０１の角度βは、部品表面の球状部分全体にわたってそのグラインディング又はポリッシングを行うように調節され、必要があれば揺動する。

本発明の好適な態様において、グラインディングは、ＡＮＳＩＢ７４．１６−１９７１規格に則って１００乃至１５０のグリットサイズを使用し、ポリッシングは、２４０乃至１５００のグリットサイズを使用するが、グリットサイズは、ユーザの好みに応じて選択することも可能である。グライディング用ホイールの速度は、グリットサイズ及び研削される材料に応じて、好適な材料除去速度となるようユーザが調節する。僅かの実験で、グライディング用ホイールの好適な速度を決定することができる。

本発明において必要があれば、ダイアモンド研磨中空格子を使用して、ダイアモンド又は超硬軸受表面のポリッシングを行うこともできる。ダイアモンド研磨中空格子は、ダイアモンド母材中に金属、セラミクス及びレジン（ポリマー）が散見される中空チューブを有している。

ダイアモンド表面をポリッシングする場合、ダイアモンド表面を温度上昇させたり発熱させたりするようポリッシング用ホイールを調整する。この発熱により、ダイアモンド結晶が艶出しされて、非常に滑らかな鏡面状の低摩擦表面が形成する。ダイアモンドポリッシング中の実際の材料除去は、互いに研磨し合うダイアモンド粒子の高温艶出し作用によるサブミクロンサイズの表面凹凸の排除ほどには、重要ではない。艶出しを行うには、高圧と共に、一般に最低でも毎分６０００フィートの表面速度が必要とされる。毎分４０００乃至１０，０００フィートの表面速度が、最適範囲であると思われる。ポリッシングを受けるダイアモンドに付与される圧力に応じて、毎分約５００リニアフィートから毎分約２０，０００リニアフィートでポリッシングを実施する。

ポリッシングを受ける部品の温度を上昇させ、最も望ましい鏡面状仕上げを得るため、加工片には圧力をかけなければならないが、温度は、ダイアモンドポリッシングホイール母材同士を維持している接着レジンが完全に分解する温度若しくはレジンがダイアモンド上に堆積する温度にまで昇温すべきではない。また過度の加熱はダイアモンド表面の不要な劣化を引き起こす。

ポリッシングを受けるダイアモンド表面全域に一定流の冷却剤（例えば水）を維持すること、例えば毎分６０００リニアフィートの適切なホイール速度を維持すること、ホイールの劣化又はダイアモンドの破損を招かない程度の発熱を生じさせるためダイアモンドに十分な圧力を付与すること、並びに、ポリッシングのタイミングを適切に図ることは、いずれも重要であり、使用する具体的装備やポリッシングを受ける具体的部品に応じて決定及び調節する必要がある。一般に、ポリッシングを受けるダイアモンドの表面温度は、８００℃を超えてまで昇温すべきではない。さもなければダイアモンドの極端な劣化が起こる。艶出しと称される望ましいダイアモンドの表面仕上げは、一般に、６５０乃至７５０℃で発生する。

ポリッシング中、できるだけ低い摩擦係数を有し、そのことにより低摩擦且つ長寿命の関節表面を提供しうる表面仕上げを得ることが重要である。好ましくは、ダイアモンド若しくは他の超硬材料表面を軸受部材に形成した後、０．３乃至０．００５μｍのＲａ値まで表面をポリッシングする。

許容しうるポリッシングは、０．５乃至０．００５μｍ若しくはそれ以下のRa値を有するが、軸受部材の部品は、組み立てられる前あるいは組み立て後のユニットとして個別にポリッシングすることができる。好ましくはRa値が０．０１乃至０．００５μｍの滑らかな表面を得ることを目的として、多結晶ダイアモンド成形体及び他の超硬材料をポリッシングする他の方法を、本発明軸受部材の関節表面に適用することもできる。

図１３は、無芯グラインディング装置１３０１を使用して、多結晶ダイアモンド成形体軸受１３０２を、球状の形状及び寸法にグラインディングする様子を示している。軸受１３０２は、支持レール１３０５上に載っており、ゴム組成物調節ホイール１３０４によって回転するダイアモンドグラインディングホイール１３０３と接触している。グラインディングホイール１３０３及び調節ホイール１３０４の回転運動によって、軸受１３０２が、グラインディングホイール１３０３の表面と反対方向に回転する。調節ホイール１３０４は、その柔らかい塑性表面のために大きな摩擦部材を有しており、このため玉１３０２を高速で回転させ、玉１３０２をダイアモンドグラインディングホイール１３０３に対して相当の圧力で押し付け、摩擦により玉１３０２の表面から材料を除去する。ダイアモンドグラインディングホイール１３０３と玉１３２との間の接線上の小さな接点によって、玉１３０２表面の多数の点が容易に研磨され、更に玉１３０２がレール１３０５沿いに前後移動する際に、玉１３０２表面上の交差経路が研磨される。ダイアモンドグラインディングホイール１３０３に対する調節ホイール１３０４の送り速度は、ダイアモンド玉１３０２の表面における研磨経路の幅を決定する。例えば毎分０．００１インチの速い送り速度では、例えば毎分０．０００１インチの遅い送り速度の場合よりも、幅広の経路が形成する。

従って、例えば粗削り速度は、毎分０．０００１から０．００４０インチまで変化し、仕上げ速度は毎分０．００００３から０．０００５インチまで変化するが、それ以外はユーザによって選択される。調節ホイール１３０４及びダイアモンドグラインディングホイール１３０３を、螺旋溝によって修飾して、レール１３０５に沿った玉１３０２の水平移動及び回転を容易にしてもよい。

無芯グラインディング分野の専門家であれば、ダイアモンド玉のグライディングに有用な、多様な方法、装置設定、並びにグラインディングホイールの種類を容易に理解できる。

上記本発明の原理に従って製造された構造体は、軸受部材を含む多様な用途を持つ強固で耐久性のある低摩擦軸受表面を提供するものである。

以上本発明を多数の具体例と共に図示及び説明してきたが、当業者であれば、ここで説明し請求の範囲に記載した本発明の原理から逸脱することなく各種変形及び修正が実現可能であることが理解できる。本発明は、その精神又は本質的特徴から逸脱することなく他の具体的形態においても実現可能である。ここに記載した実施形態は、あくまでも例示目的であり、限定的性質を持つものではない。

従って、本発明の範囲は、前出の説明ではなく添付の請求の範囲によって示される。請求の範囲の意味の範囲内及びそれに均等な範囲内で生じる全ての変更は、請求の範囲に含まれるものとする。

本発明の玉軸受要素を示す図である。本発明の円筒ころ軸受要素を示す図である。本発明の針状ころ軸受要素を示す図である。本発明の円錐ころ軸受要素を示す図である。本発明の対称バレルころ軸受要素を示す図である。本発明の非対称バレルころ軸受要素を示す図である。内軌道輪、外軌道輪及び保持器を備えたラジアル玉軸受アセンブリを示す図である。内軌道輪、外軌道輪及び保持器を備えたラジアル玉軸受アセンブリを示す図である。スラストころ軸受を示す図である。スラストころ軸受を示す図である。基体上にダイアモンド表面部分を有する玉軸受を示す図である。基体上にダイアモンド表面部分を有する玉軸受を示す図である。基体上に断片化した軸受インサート又はパッチを有する玉軸受を示す図である。基体上に断片化した軸受インサート又はパッチを有する玉軸受を示す図である。球状基体玉に堅固に固定された多結晶ダイアモンド成形体又は他の超硬材料からなる表面を有する玉軸受を示す図である。球状基体玉に堅固に固定された多結晶ダイアモンド成形体又は他の超硬材料からなる表面を有する玉軸受を示す図である。多結晶ダイアモンド若しくは他の超硬材料で構成された玉を示す図である。多結晶ダイアモンド若しくは他の超硬材料で構成された玉を示す図である。基体玉に固定されたダイアモンドの縞、脈又は不連続パターンを有する玉軸受を示す図である。基体玉に固定されたダイアモンドの縞、脈又は不連続パターンを有する玉軸受を示す図である。ラジアル玉軸受アセンブリを示す図である。ラジアル玉軸受アセンブリを示す図である。ラジアル玉軸受アセンブリを示す図である。円筒ころ軸受アセンブリを示す図である。円筒ころ軸受アセンブリを示す図である。放射状四角形セグメント型（radial tetragonal segmented）軸受軌道輪を有するラジアル玉軸受アセンブリを示す図である。放射状四角形セグメント型（radial tetragonal segmented）軸受軌道輪を有するラジアル玉軸受アセンブリを示す図である。スラスト軸受を示す図である。スラスト軸受を示す図である。図２Ｍ−１及び図２Ｍ−２の軌道輪用のダイアモンド成形体インサートを示す図である。図２Ｍ−１及び図２Ｍ−２の軌道輪用のダイアモンド成形体インサートを示す図である。本発明スラスト軸受を示す図である。本発明スラスト軸受を示す図である。ダイアモンド又は他の超硬材料からなる傾斜インレーセグメント（angular inlaid segments）を有するスラスト軸受を示す図である。ダイアモンド又は他の超硬材料からなる傾斜インレーセグメント（angular inlaid segments）を有するスラスト軸受を示す図である。図２Ｒ−１及び図２Ｒ−２のスラスト軸受で使用する一の傾斜セグメント（angular segment）を示す図である。図２Ｒ−１及び図２Ｒ−２のスラスト軸受で使用する一の傾斜セグメント（angular segment）を示す図である。好適なスラスト軸受軌道輪基体に嵌め込まれた多数の円形若しくは楕円形セグメント化軸受要素を有するスラスト軸受軌道輪を示す図である。好適なスラスト軸受軌道輪基体に嵌め込まれた多数の円形若しくは楕円形セグメント化軸受要素を有するスラスト軸受軌道輪を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。本発明の幾つかの実施形態において望ましい基体表面のトポグラフィー的特徴を示す図である。ダイアモンド原料の焼結前に合金基体と隣接する多数のダイアモンド原料、並びに、多結晶ダイアモンド成形体を形成する基体を示す図である。焼結された多結晶ダイアモンド成形体を示す図であり、ダイアモンドテーブル、基体、並びに、ダイアモンドテーブルと基体との間の遷移領域が描かれている。焼結された多結晶ダイアモンド成形体を示す図であり、ダイアモンドテーブルにおける基体金属からの連続傾斜遷移が描かれている。基体上にダイアモンドを形成するためＣＶＤ又はＰＶＤを用いる前の基体を示す図である。ＣＶＤ又はＰＶＤによって形成されたダイアモンド成形体を示す図である。球状若しくは一部球状の多結晶ダイアモンド成形体の製造に有用な二層基体を示す図である。球状若しくは一部球状の多結晶ダイアモンド成形体の製造に有用な二層基体を示す図である。連続セグメント化軸受表面を有する球状若しくは一部球状の多結晶ダイアモンド成形体を製造するための他の基体構成を示す図である。連続セグメント化軸受表面を有する球状若しくは一部球状の多結晶ダイアモンド成形体を製造するための他の基体構成を示す図である。連続セグメント化軸受表面を有する球状若しくは一部球状の多結晶ダイアモンド成形体を製造するための他の基体構成を示す図である。連続セグメント化軸受表面を有する球状若しくは一部球状の多結晶ダイアモンド成形体を製造するための他の基体構成を示す図である。連続セグメント化軸受表面を有する球状若しくは一部球状の多結晶ダイアモンド成形体を製造するための他の基体構成を示す図である。凸球状の多結晶ダイアモンド成形体の製造に有用なアセンブリを示す図である。凸球状の多結晶ダイアモンド成形体の製造に有用なアセンブリを示す図である。凸球状の多結晶ダイアモンド成形体の製造に有用な基体を示す図である。凸球状の多結晶ダイアモンド成形体の製造に有用な基体を示す図である。焼結前にダイアモンド原料を装填するために使用しうる装置を示す図である。焼結前にダイアモンドパウダー若しくはグリット原料からバインダ材料を除去する炉サイクルを示す図である。焼結前にダイアモンド原料内の多孔度若しくは空き領域を減少させるために使用しうる前成形アセンブリを示す図である。焼結前にダイアモンド原料内の多孔度若しくは空き領域を減少させるために使用しうる前成形アセンブリを示す図である。ダイアモンドの焼結に使用しうるキュービック・プレス（cubic press）のアンビルを示す図である。玉軸受など、凸球状部分のEDM粗仕上げを示す図である。軌道輪又はその一部など、凸球状部分のEDM粗仕上げを示す図である。玉軸受など、凸球状部分の研削及び研磨を示す図である。軌道輪又はその一部など、凸球状部分の研削及び研磨を示す図である。無芯研削機を使用して、球形状及び規定寸法に研削されるダイアモンド軸受を示す図である。

Claims

溶媒／触媒金属を含有する基体と
前記基体に焼結されたダイアモンド層と、
前記基体と前記ダイアモンド層との間の領域であって、その領域を横切って溶媒／触媒金属の含有量が減少する傾斜組成を有する領域と、
前記領域の化学結合であって、前記ダイアモンドテーブルにおけるダイアモンド−ダイアモンド結合と、前記傾斜遷移領域におけるダイアモンド−金属結合と、前記溶媒／触媒金属における金属−金属結合とを含む化学結合と、
前記ダイアモンド層を前記基体に固定するのに役立つ前記ダイアモンド層と前記基体との間の機械的噛合いと、
前記ダイアモンド層における間隙空間と、
前記間隙空間に存在する溶媒／触媒金属と
を備える非平面軸受ユニット用部材。
前記ダイアモンド層における焼結ダイアモンドが、熱膨張係数ＣＴＥＣＤを有し、
前記基体が、熱膨張係数ＣＴＥＳＵＢを有しており、
ＣＴＥＣＤはＣＴＥＳＵＢに等しくない請求項１に記載の非平面軸受ユニット用部材。
前記ダイアモンド層における前記焼結ダイアモンドが、モデュラスＭＣＤを有し、
前記基体が、モデュラスＭＳＵＢを有しており、
ＭＣＤがＭＳＵＢに等しくない請求項１に記載の非平面軸受ユニット用部材。
前記ダイアモンド層の前記基体への付着強度の強化に役立つ残留応力場を更に備える請求項１に記載の非平面軸受ユニット用部材。
前記基体上に基体表面のトポグラフィー的特徴を更に備える請求項１に記載の非平面軸受ユニット用部材。
前記基体が金属合金を含有しており、
前記金属合金の少なくとも一の成分が、チタン、アルミニウム、バナジウム、モリブデン、ハフニウム、ニチノール、コバルト、クロム、モリブデン、タングステン、炭化タングステン超硬合金、炭化クロム超硬合金、溶融炭化珪素、ニッケル、タンタル及びステンレス鋼からなる群から選択される請求項１に記載の非平面軸受ユニット用部材。
ダイアモンド層が、約１ｎｍ未満から約１００μｍを超える範囲の寸法を持つダイアモンド粒子を含有するダイアモンド供給原料からなる請求項１に記載の非平面軸受ユニット用部材。
前記軸受ユニットが、玉軸受、円筒ころ軸受、ニードルころ軸受、円錐ころ軸受、対称バレルころ、非対称バレルころ、ラジアル軸受、スラスト軸受及びブシュからなる群から選択された請求項１に記載の非平面軸受ユニット用部材。
前記ダイアモンド層と接触する関節表面であって、ダイアモンド以外の材料を含有する関節表面を更に備える請求項１に記載の非平面軸受ユニット用部材。
前記ダイアモンド荷重軸受及び関節表面が、セグメント化されたダイアモンド表面である請求項１に記載の非平面軸受ユニット用部材。
前記ダイアモンド層が、潤滑要件を最小化するために、極度に高い耐磨耗性と低い摩擦係数とを呈するように構成された請求項１に記載の非平面軸受ユニット用部材。
前記基体が、少なくとも二層を有する請求項１に記載の非平面軸受ユニット用部材。
前記ダイアモンド層における連続傾斜を更に備える請求項１に記載の非平面軸受ユニット用部材。
前記ダイアモンド層における増分傾斜を更に備える請求項１に記載の非平面軸受ユニット用部材。
前記増分傾斜が、前記ダイアモンド層において多数の層を含有し、前記多数の層の第一の層が、第二の層とは異なる特性を有する請求項１４に記載の非平面軸受ユニット用部材。
前記多数の層の前記異なる特性が、ダイアモンド粒子径、ダイアモンド粒子分布及び溶媒／触媒金属含有量からなる群から選択された請求項１５に記載の非平面軸受ユニット用部材。
界面傾斜を更に備える請求項１に記載の非平面軸受ユニット用部材。
前記ダイアモンド層が、約１μｍ未満から約３０００μｍを超える厚さを有する請求項１に記載の非平面軸受ユニット用部材。
基体と、
前記基体に焼結されたダイアモンド層と、
前記ダイアモンド層に存在する間隙空間と、
前記間隙空間に存在する溶媒／触媒金属と、
焼結ダイアモンドと基体の両方を含有する領域とを備える軸受ユニット用部材であって、
前記領域がダイアモンド含有量に対する溶媒／触媒金属含有量の傾斜組成を有しており、前記傾斜が、界面傾斜、連続傾斜及び増分傾斜からなる群から選択されるものであり、
前記軸受ユニット用部材が更に、
当該部材における化学結合であって、前記ダイアモンド層におけるダイアモンド−ダイアモンド結合と、前記領域におけるダイアモンド−金属結合と、前記溶媒／触媒金属における金属−金属結合とを含む化学結合と、
前記ダイアモンド層を前記基体に固定するのに役立つ前記ダイアモンド層と前記基体との間の機械的噛合いと
を備える軸受ユニット用部材。
低保守性用途に好適な、長期間の使用にわたって高精度用途における高い寸法保全性を維持する極度に低い摩擦と耐磨耗性とを更に備える請求項１９に記載の軸受ユニット用部材。
前記ダイアモンドテーブルと前記基体との間にあり継ぎ結合を更に備える請求項１９に記載の軸受ユニット用部材。
当該軸受ユニットが、加熱される際、熱的安定性と構造保全性とを呈する請求項１９に記載の軸受ユニット用部材。
前記結合のうち少なくとも幾つかが、ｓｐｓ炭素結合である請求項１９に記載の軸受ユニット用部材。
前記ダイアモンドテーブルが多数の層を含有し、前記多数の層の第一の層が、第二の層とは異なる特性を有する請求項１９に記載の軸受ユニット用部材。
前記異なる特性が、ダイアモンド粒子径、ダイアモンド粒子分布及び溶媒／触媒金属含有量からなる群から選択された請求項２４に記載の軸受ユニット用部材。
当該軸受ユニットが耐食性である請求項１９に記載の軸受ユニット用部材。
前記領域に多数のダイアモンド層を更に供えてなる請求項１９に記載の軸受ユニット用部材。
前記ダイアモンド層に対向する関節の対向軸受表面を更に備え、前記対向軸受表面がダイアモンドを含有してなる請求項１９に記載の軸受ユニット用部材。
前記ダイアモンド層に対向する関節の対向軸受表面を更に備え、前記対向軸受表面がダイアモンド以外の材料を含有してなる請求項１９に記載の軸受ユニット用部材。
前記間隙空間が溶媒／触媒金属を含有してなる請求項１９に記載の軸受ユニット用部材。
前記基体における遷移領域を更に備える請求項１９に記載の軸受ユニット用部材。
軸受ユニットにおいて使用する部材であって、その関節表面が、
荷重軸受及び関節部分と、
前記軸受及び関節部分の表面の超硬材料層と、
前記超硬材料層の少なくとも一部分から形成される超硬関節表面と、
を備え、
前記関節表面が、軸受ユニットにおける低摩擦関節をもたらすように形成され、
前記超硬関節表面が、前記荷重軸受及び関節表面の少なくとも一部分を形成してなる部材。
前記超硬材料が、ダイアモンド、立方晶窒化ホウ素、ウルツ鉱型窒化ホウ素からなる群から選択された請求項３２に記載の部材。
前記超硬材料が、少なくとも約４０００のヌープ硬度を有する請求項３２に記載の部材。
前記超硬関節表面に対向する関節の対向軸受表面を更に備え、前記対向軸受表面がダイアモンドを含有してなる請求項３２に記載の部材。
前記超硬関節表面に対向する関節の対向軸受表面を更に備え、前記対向軸受表面がダイアモンド以外の材料を含有してなる請求項３２に記載の部材。
多結晶ダイアモンドと、
前記多結晶ダイアモンド内の炭素結合と、
前記多結晶ダイアモンド内の結晶構造と、
前記多結晶ダイアモンドによって少なくとも部分的に形成された低摩擦関節表面と
を備える軸受ユニット用部材。
多結晶ダイアモンドの連続相を含有してなる請求項３７に記載の軸受ユニット用部材。
前記関節表面が平坦部分を含む請求項３７に記載の軸受ユニット用部材。
前記関節表面が曲線部分を含む請求項３７に記載の軸受ユニット用部材。
関節表面を有する軸受と、
関節表面を有する軌道輪と
を備えた軸受アセンブリであって、
前記軸受及び前記軌道輪の少なくとも一方が、基体を含んでなり、
当該軸受アセンブリが更に
前記基体表面にダイアモンドを備え、
前記ダイアモンドが、前記関節表面の一方の少なくとも一部分を形成してなる軸受アセンブリ。
前記ダイアモンドが、セグメント化された多結晶ダイアモンド成形体内に存在する請求項４１に記載の軸受アセンブリ。
前記セグメント化された多結晶ダイアモンド成形体が、円形及び四角形からなる群から選択された形状を有する請求項４２に記載の軸受アセンブリ。
前記ダイアモンドが、多結晶ダイアモンドの連続相である請求項４１に記載の軸受アセンブリ。
前記軸受及び前記軌道輪両方の関節表面がダイアモンドを含有する請求項４１に記載の軸受アセンブリ。
前記軸受及び前記軌道輪の少なくとも一方の関節表面がダイアモンド以外の材料を含有する請求項４１に記載の軸受アセンブリ。
前記セグメントが入れ子式インレーである請求項４２に記載の軸受アセンブリ。
前記ダイアモンドが、縞、螺旋及びパッチからなる群から選択されたパターンとして存在する請求項４１に記載の軸受アセンブリ。
前記ダイアモンドが、前記基体表面の陥凹部の栓として存在する請求項４１に記載の軸受アセンブリ。
前記ダイアモンドが、化学蒸着法（ＣＶＤ）、物理蒸着法（ＰＶＤ）及び焼結からなる群から選択された方法によって形成された請求項４１に記載の軸受アセンブリ。
ダイアモンド部分の隙間に存在する金属の筋を更に備える請求項４１に記載の軸受アセンブリ。
軸受ユニット多結晶ダイアモンド成形体と、
前記軸受ユニット多結晶ダイアモンド成形体の一部であって、金属を含有する基体と、
前記軸受ユニット基体に焼結された軸受ユニットダイアモンドテーブルと、
前記軸受ユニット基体と前記軸受ユニットダイアモンドテーブルとの間にあって、ダイアモンド含有量に対する溶媒／触媒金属の傾斜を呈する領域であって、前記傾斜が界面傾斜、連続傾斜及び増分傾斜からなる群から選択された傾斜遷移領域と称される領域と、
前記ダイアモンドテーブルを前記基体に固定するのに役立つ前記成形体における化学結合であって、ダイアモンド−ダイアモンド結合と、ダイアモンド−金属結合と、金属−金属結合とを含む化学結合と、
前記軸受ユニットダイアモンドテーブルを前記軸受ユニット基体に固定するのに役立つ該ダイアモンドテーブルと該基体との間の機械的噛合いであって、前記基体の膨張によって少なくとも部分的に生じる機械的噛合いと、
前記軸受ユニットダイアモンドテーブル内の間隙空間と、
前記軸受ユニットダイアモンドテーブル間隙空間内に存在する基体金属と、
前記軸受ユニット多結晶ダイアモンド成形体の強度向上に役立つ前記軸受ユニット多結晶ダイアモンド成形体内の残留応力場と、
前記多結晶ダイアモンド成形体表面にあって多結晶ダイアモンドを含んでなる軸受ユニット荷重軸受及び関節表面と
を備える軸受ユニット。
前記軸受ユニット多結晶ダイアモンド成形体における焼結ダイアモンドが、熱膨張係数ＣＴＥＣＤを有し、
前記軸受ユニット多結晶ダイアモンド成形体における前記基体が、熱膨張係数ＣＴＥＳＵＢを有し、
ＣＴＥＣＤは、ＣＴＥＳＵＢに等しくなく、
前記軸受ユニット多結晶ダイアモンド成形体における前記ダイアモンドが、モデュラスＭＣＤを有し、
前記軸受ユニット多結晶ダイアモンド成形体における前記基体が、モデュラスＭＳＵＢを有し、
ＭＣＤはＭＳＵＢに等しくない請求項５２に記載の軸受ユニット。
前記軸受ユニット多結晶ダイアモンド成形体が、少なくとも約０．３乃至約０．００５μｍのＲａ値まで研磨された請求項５２に記載の軸受ユニット。
軸受ユニットに使用する部材であって、
焼結された多結晶ダイアモンド成形体と、
前記多結晶ダイアモンド成形体上の基体と、
前記基体上の基体表面のトポグラフィー的特徴であって、前記基体とダイアモンドテーブルとの接触表面積を増加させる基体表面のトポグラフィー的特徴と、
前記多結晶ダイアモンド成形体上の前記基体に焼結されたダイアモンドテーブルと、
前記基体と前記ダイアモンドテーブルとの間の傾斜遷移領域と、
前記ダイアモンドテーブルを前記基体に固定するのに役立つ前記ダイアモンドテーブルと前記基体との間の化学結合と、
前記多結晶ダイアモンド成形体上の荷重軸受及び関節表面であって、多結晶ダイアモンドを含有してなり、軸受ユニット関節を収容する表面を提供するように形成された荷重軸受及び関節表面と
を備えた部材。
前記多結晶ダイアモンド成形体におけるダイアモンドが、熱膨張係数ＣＴＥＣＤを有し、
前記多結晶ダイアモンド成形体における前記基体が、熱膨張係数ＣＴＥＳＵＢを有し、
ＣＴＥＣＤは、ＣＴＥＳＵＢに等しくない請求項５５に記載の軸受ユニット部材。
前記多結晶ダイアモンド成形体における前記ダイアモンドが、モデュラスＭＣＤを有し、
前記多結晶ダイアモンド成形体における前記基体が、モデュラスＭＳＵＢを有し、
ＭＣＤはＭＳＵＢに等しくない請求項５５に記載の軸受ユニット部材。
前記ダイアモンドテーブルと前記基体との間の機械的噛合いを更に備え、
前記機械的噛合いが、前記ダイアモンドテーブルを前記基体に固定するのに役立つものであり、
前記機械的噛合いが、基体表面のトポグラフィー的特徴がダイアモンドと接触する場所に生ずる請求項５５に記載の軸受ユニット部材。
前記多結晶ダイアモンド成形体の強度向上に有用な前記多結晶ダイアモンド成形体における残留応力場を更に備え、
前記残留応力場の特性が、前記基体表面のトポグラフィー的特徴の性質によって少なくとも部分的に決定される請求項５５に記載の軸受ユニット部材。
前記基体が概ね球形状であり、
前記基体表面のトポグラフィー的特徴の少なくとも一部が、前記概ね球形状の基体から突出している請求項５５に記載の軸受ユニット部材。
前記基体が概ね球形状であり、
前記基体表面のトポグラフィー的特徴の少なくとも一部が、前記基体の球形状を完全には形成しない基体材料で形成された請求項５５に記載の軸受ユニット部材。
前記基体表面のトポグラフィー的特徴が、当該基体表面のトポグラフィー的特徴がない場合よりも、広い表面積にわたって前記残留応力場を分散させるのに役立つ請求項６１に記載の軸受ユニット部材。
前記基体表面のトポグラフィー的特徴が、前記多結晶ダイアモンド成形体における最大応力を抑制するのに役立つ請求項６１に記載の軸受ユニット部材。
前記基体表面のトポグラフィー的特徴が、当該基体表面のトポグラフィー的特徴がない場合に比べて、前記傾斜遷移領域の深さを増加させるのに少なくとも部分的に役立つ請求項６１に記載の軸受ユニット部材。
前記基体表面のトポグラフィー的特徴が、当該基体表面のトポグラフィー的特徴がない場合に比べて、広い範囲のダイアモンド及び基体材料にわたって前記残留応力場を分散させるのに少なくとも部分的に役立つ請求項６２に記載の軸受ユニット部材。
前記基体表面のトポグラフィー的特徴が、当該基体表面のトポグラフィー的特徴がない場合の多結晶ダイアモンド成形体単位体積当たりの応力に比べて、多結晶ダイアモンド成形構造体単位体積当たりの応力を減少させるため、多結晶ダイアモンド成形構造体全体に、前記多結晶ダイアモンド成形体における残留応力場を分散させるのに少なくとも部分的に役立つ請求項６２に記載の軸受ユニット部材。
前記機械的噛合いが、多結晶ダイアモンド成形体焼結後の冷却時における基体膨張によって生じる請求項５８に記載の軸受ユニット部材。
前記基体表面のトポグラフィー的特徴が、突起及び歯形形状からなる群から選択された請求項５５に記載の軸受ユニット部材。
前記基体表面のトポグラフィー的特徴が、前記ダイアモンドテーブルと前記基体とを噛み合わせるのに少なくとも部分的に役立つ請求項５５に記載の軸受ユニット部材。
前記基体表面のトポグラフィー的特徴が、前記ダイアモンドテーブルにおける亀裂発生、劈開及び亀裂成長を軽減するために、当該軸受ユニットに付与される力を再分散させるのに少なくとも部分的に役立つ請求項５５に記載の軸受ユニット部材。
前記基体表面のトポグラフィー的特徴が、波形、直線溝、曲線溝、直線稜線、曲線稜線、窪み、穴、突起、陥凹、球状セグメント陥凹、球状セグメント突起、半球状凹型カップ、半球状凸型突起、一部球状凸型形状、線、曲線、多角形陥凹、多角形突起、円筒形陥凹、円筒形突起、円錐台陥凹、円錐台突起、ワッフルアイアンパターン及びワッフルパターンからなる群から選択された請求項５５に記載の軸受ユニット部材。
軸受ユニットに使用する部材であって、
基体と、
前記基体上のトポグラフィー的特徴と、
焼結多結晶ダイアモンド成形体を形成するために前記基体に焼結されたダイアモンドテーブルと、
前記多結晶ダイアモンド成形体上の荷重軸受及び関節表面と
を備え、
前記荷重軸受及び関節表面が多結晶ダイアモンドを含有してなり、
前記荷重軸受及び関節表面が、軸受ユニット関節を収容する表面を提供するように形成された部材。
前記トポグラフィー的特徴が、波形、直線溝、曲線溝、直線稜線、曲線稜線、窪み、穴、突起、陥凹、球状セグメント陥凹、球状セグメント突起、半球状凹型カップ、半球状凸型突起、一部球状凸型形状、線、曲線、多角形陥凹、多角形突起、円筒形陥凹、円筒形突起、円錐台陥凹、円錐台突起、ワッフルアイアンパターン及びワッフルパターンからなる群から選択された請求項７２に記載の軸受ユニット。
第一の深さに至る陥凹である第一のトポグラフィー的特徴と、
第二の深さに至る陥凹である第二のトポグラフィー的特徴と
を更に備え、
前記第一の深さは前記第二の深さに等しくない請求項７２に記載の軸受ユニット部材。
前記多結晶ダイアモンド成形体におけるダイアモンドが、熱膨張係数ＣＴＥＣＤを有し、
前記基体が熱膨張係数ＣＴＥＳＵＢを有しており、
ＣＴＥＣＤはＣＴＥＳＵＢに等しくない請求項７２に記載の軸受ユニット部材。
前記多結晶ダイアモンド成形体におけるダイアモンドが、モデュラスＭＣｄを有し、
前記基体が、モデュラスＭＳＵＴを有し、
ＭＣＤＡＳはＭＳＵＢに等しくない請求項７２に記載の軸受ユニット部材。
軸受ユニット多結晶ダイアモンド成形体と、
前記軸受ユニット多結晶ダイアモンド成形体の一部であって、金属を含有する基体と、
前記軸受ユニット基体に焼結された軸受ユニットダイアモンドテーブルと、
前記軸受ユニット基体と前記軸受ユニットダイアモンドテーブルとの間の領域であって、ダイアモンド含有量に対する溶媒／触媒金属の傾斜を呈し、その傾斜が、界面傾斜、連続傾斜及び増分傾斜からなる群から選択された傾斜遷移領域と称される領域と、
前記ダイアモンドテーブルを前記基体に固定するのに役立つ前記成形体における化学結合であって、ダイアモンド−ダイアモンド結合と、ダイアモンド−金属結合と、金属−金属結合とを含む化学結合と、
前記軸受ユニットダイアモンドテーブルを前記軸受ユニット基体に固定するのに役立つ該ダイアモンドテーブルと該基体との間の機械的噛合いであって、前記基体の膨張によって少なくとも部分的に生じる機械的噛合いと、
前記軸受ユニットダイアモンドテーブル間隙空間内に存在する基体金属と、
前記軸受ユニット多結晶ダイアモンド成形体の強度向上に役立つ前記軸受ユニット多結晶ダイアモンド成形体内の残留応力場と、
前記多結晶ダイアモンド成形体表面にあって多結晶ダイアモンドを含んでなる軸受ユニット荷重軸受及び関節表面と
を備える軸受ユニット。