JP2009511744A - 改良された研磨用成形体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ダイヤモンドの研磨用成形体は、かなりの量のダイヤモンド−ダイヤモンドの直接結合(direct diamond-to-diamond bonding)を有する多量のダイヤモンド粒子を含有している。多結晶ダイヤモンドは典型的には、ダイヤモンドの触媒/溶媒(例えば、コバルト、ニッケル、鉄、又は、そのような金属の1種以上を含有する合金)を含有する第2の相を有している。CBN(立方晶窒化ホウ素)成形体は一般に、典型的にはCBN触媒である結合相、又は、そのような触媒を含有する結合相を更に有している。CBNを得るのに適した結合相の例は、アルミニウム、アルカリ金属、コバルト、ニッケル、タングステン等である。
切削工具インサートの切削端が摩損するにつれて、接触圧力は低下し、一般的には低過ぎて高エネルギー破壊(high energy failures)を引き起こすことができない。しかし、この圧力は、高接触圧力下で始まるクラックを依然として伝播することがあり、最終的にスポーリング型破壊(spalling-type failures)を引き起こす結果となることがある。
米国特許第6,544,308号及び同第6,562,462号明細書には、衝撃強さが低下することなく耐摩耗性が改善されたというカッターの製造過程と挙動とが記述されている。そのPCD切削要素はとりわけ、触媒性材料を実質的に含有していない、切削面に隣接する領域によって特徴付けられる。この部分的除去は(ダイヤモンドテーブル(diamond table)の最大70%までは触媒性材料を含有していない)、熱安定性の点で効果的であるという。
その工程変動(process variability)は、絶えず使用されるプレス成分(press components)の漸次的老化、カプセル成分(capsule components)の物理的寸法及び物性の変動、並びに、カプセル内部の圧力勾配及び温度勾配、によって引き起こされる。これらの勾配は、カプセル成分を構成する材料を慎重に選定し、かつ、カプセルを総合的に設計することによって最小限に抑えることができる。更に、プレスを行うための圧力−温度−時間の作動条件を明らかにして、そのような勾配を最小限に抑えることができる。
作業面を有する研磨用成形体を処理する方法において、前記作業面に隣接する領域から、触媒性材料と異質のあらゆる金属マトリックス材料とを除去するために、好ましくは800℃以下の温度で、前記研磨用成形体の前記作業面、又は前記作業面に隣接する領域を、ハロゲンガス又はハロゲン化物イオンの源を含有するガス環境と接触させる工程を含む、上記方法。
前記の作業面又は隣接する領域を接触させる工程は、約300℃〜約800℃、より好ましくは約650℃〜約700℃の温度で行うことが好ましい。
前記研磨用成形体の金属マトリックスは典型的には、Ni、Co又はFeのような触媒/溶媒と、金属,又は炭化チタン、炭化バナジウム、炭化ニオブ、炭化タンタル、炭化クロム、炭化モリブデン及び炭化タングステンのような諸化合物から成る群から選ばれた金属化合物のような異質の金属マトリックス材料と、任意的に第2の相又は結合相とを有している。
前記のハロゲンガス又はガス環境は、塩素、塩化水素、フッ化水素、一酸化炭素、水素及びフッ素を含有することが好ましい。
本発明の更なる態様によると、触媒性材料と、異質の金属マトリックス材料と、任意的に第2の相又は結合相とを含有する研磨材層(abrasive layer)を有し、作業面を有し、かつ、界面に沿って基体(とりわけ、超硬合金の基体)に結合されている研磨用成形体において、前記研磨材層が、触媒性材料及び異質の金属マトリックス材料の含有率が低い、前記作業面の領域であって、とりわけ均一である該領域と、触媒性材料及び異質の金属マトリックス材料の含有率が高い領域とを有することを特徴とする、上記研磨用成形体が提供される。
したがって、本発明はとりわけ、PCD(多結晶ダイヤモンド)又はPCBN(多結晶立方晶窒化ホウ素)が結果的に、処理された均一厚さになるような具合に、PCD又はPCBNから金属マトリックスを除去する方法に向けられている。典型的な研磨用成形体の金属マトリックスは、様々な量の1種以上の耐食金属(例えば、タングステン)と1種以上の腐敗し易い金属(例えば、コバルト)とから成るので、その除去方法は、均一厚さの処理済み層を形成するためには、これらの金属全てを類似の速度で除去することができなければならない。
存在する幾種類かの金属化合物は、不動態化された領域又は層を形成することがあり、本方法は、これらをも除去することができなければならない。そのような化合物の例は、タングステンの酸化物若しくは炭化物、コバルトの酸化物若しくは炭化物、又は、構成しているカプセル成分材料の酸化物若しくは炭化物である。タングステン酸化物を処理する方法の例は、タングステン酸化物と反応して揮発性のオキシ塩化タングステンを形成する水素源(例えば、塩化水素ガス)を添加することである。
任意的に、水素源(例えば、塩化水素ガス)又は還元ガス(例えば、一酸化炭素)を0.1%〜99.9%、好ましくは10%〜20%の量で使用し、例えば、前記の層又は領域の中に依然として存在するあらゆる酸化タングステンを除去することによって、前記金属マトリックスの除去を増大させることができる。もうひとつの可能性は、ハロゲン化アンモニウム塩である。ハロゲン化アンモニウム塩は、塩化アンモニウムの場合、窒素ガス、水素ガス及び塩素ガスを形成する温度で分解する。後者の二つは、その場で(in situ)塩化水素を形成する温度で反応することがある。水素ガスの場合、塩素ガスとの爆発性混合物を回避するように行わなければならない。非爆発性混合物の範囲の例は、塩素が0〜3.5%であり、水素が0〜2%であり、残部がアルゴンのような不活性ガスである。
該研磨用成形体は、箱形炉の中の石英管に入れる。該石英管は、室温でアルゴンでフラッシュし(flushed)、次いで、アルゴンの流れの下、所要温度に到達するまで、例えば10℃/分の割合で上昇する温度及び雰囲気から密封する。
終了時、前記の諸反応ガスの栓をひねって止め、次いで、炉をアルゴンで徐冷する。
マスキング剤は、研磨(grinding)又は他の適切ないかなる方法によっても除去することができる。適切なマスキング剤が選定されれば、研磨用成形体を使用する前に該マスキング剤を除去する必要はないかも知れない。
本発明は、耐熱性層が変動する問題に対処することの他に、(例えば、電気的又はガルバニック方法に比べて)より敏速であり、(例えば、酸エッチング法に比べて)より少ない廃液が生じ、且つ、(例えば、フッ化水素酸法/硝酸法に比べて)危険性がより少ない。
Co−WCの支持体(backing)を備えた、多結晶ダイヤモンドの研磨用成形体を、箱形炉の内部にある石英管の中に入れ、次いで、該石英管をアルゴンガスでフラッシュした。その温度は、10℃/分の割合で700℃まで上昇させた。最終温度に到達した時、アルゴン80%及び塩素20%を含有するガス混合物を900ml/分の流量で1時間の間、該石英管の中に導入した。次いで、該ガス混合物は栓をひねって止め、次いで、該炉はアルゴンガスの下で冷却した。研磨用成形体は、該炉から取り出して、該多結晶ダイヤモンド層の断面を露出させるために切断して研磨し、次いで、走査電子顕微鏡を使用して、該多結晶ダイヤモンド層から金属マトリックス材料が除去された深さを測定した。
結果的に、600℃で1時間後では、辛うじて認識できる金属マトリックスの減損した層が示され、650℃で1時間後では、明確に視認できる減損層(depleted layer)が示され、また、700℃で1時間後では、厚い減損層が示された。700℃で1時間後の減損した層の平均厚さは246μmであり、該研磨用成形体全体の標準偏差は64μmであった。コバルト:タングステン:酸素の比は、ガス処理前の54:18:29から、ガス処理後の24:28:49まで変化した。このことは、コバルトがタングステンより優先的に除去されたこと、及び、酸素が該成形体中に残存していることを示している。
一定温度で石英管の中に導入したガス混合物が一酸化炭素20%、塩素20%及びアルゴン60%から成ったことを除いては、実施例1と同一の手順に従った。600℃で1時間後では、減損層は辛うじて認識できたが、650℃では、減損層は再び明確に視認できた。700℃で1時間では、減損層の平均厚さは314μmであり、該成形体全体の標準偏差は33μmであった。コバルト:タングステン:酸素の比は、ガス処理前の58:18:24から、ガス処理後の22:37:41まで変化した。このことは、コバルトが再びタングステンより優先的に除去されたこと、及び、酸素が該成形体中に残存していることを示している。
一定温度で石英管の中に導入したガス混合物が塩素20%、塩化水素20%及びアルゴン60%から成ったことを除いては、実施例1と同一の手順に従った。この場合、塩化水素ガスは、アルゴンを塩酸の濃縮溶液に通して泡立てることによって発生させた。その結果、幾らかの水蒸気も該石英管の中に持ち込まれた。700℃で1時間では、減損層の平均厚さは133μmであり、該成形体全体の標準偏差は10μmであった。このことは、変動性が大幅に改善されたことを示している。コバルト:タングステン:酸素の比は、ガス処理前の59:28:14から、ガス処理後の22:52:26まで変化した。このことは、コバルトが再びタングステンより優先的に除去されたこと、及び、酸素が該成形体中に残存していることを示している。
一定温度で石英管の中に導入したガス混合物が塩素20%、塩化水素20%及びアルゴン60%から成ったことを除いては、実施例1と同一の手順に従った。この場合、塩化水素ガスは、乾燥塩化水素ガスのボンベから得た。700℃で1時間では、減損層の平均厚さは663μmであり、該成形体全体の標準偏差は8μmであった。このことは、変動性だけでなく除去速度も大幅に改善されたことを示している。コバルト:タングステン:酸素の比は、ガス処理前の53:35:12から、ガス処理後の20:27:53まで変化した。このことは、コバルトとタングステンとの両方が除去されたことを示している。
この場合、研磨用成形体がCo−WCの支持体を具備しなかったことを除いては、実施例4と同一の手順に従った。ガス処理は、1時間、6時間及び12時間行った。結果は、図1のグラフに示す。減損深さ(depletion depth)の経時的減少は、研磨用成形体内で拡散速度が制御されたことに起因する。該研磨用成形体内に二重減損層(double depletion layer)が観察された。この二重減損層は、コバルト及びタングステンの除去速度が僅かに異なることに起因した。ガス混合物中の塩素と塩化水素との割合を調節することによって、これらの除去速度は同等にすることができ、その結果、二重減損層は形成されないであろう。
従来の酸浸出法を使用した成形体の内部に認められる変動率を例示するために、次の諸比較例を示す。10個の焼結済みPCD(多結晶ダイヤモンド)研磨用成形体を、16%の煮沸塩酸で一定時間の間、従来の酸浸出にかけた。その後、それらの研磨用成形体を切断して、金属マトリックスが除去された層の断面を露出させ、次いで、走査電子顕微鏡を使用して、各々の側壁だけでなく左側、中央側及び右側における該層の厚さを測定した。
これらの測定値の結果は、図2にグラフで示す。図2において測定位置は、SW(側壁)、L(左側)、C(中央側)、R(右側)、SW(側壁)として示されている。
本発明の方法は、次いで、(上記の)実施例3に記述されるように、カッターA、B、C、D及びEとして表される幾つかのカッターを浸出するために使用した。これらの処理の結果は図3に示す。図3において、これらの研磨用成形体の浸出深さの均一性が顕著に改善されていることは明らかである。
Claims (11)
- 作業面を有する研磨用成形体を処理する方法において、
前記作業面に隣接する領域から、触媒性材料と異質のあらゆる金属マトリックス材料とを除去するために、前記研磨用成形体の前記作業面、又は前記作業面に隣接する領域を、ハロゲンガス又はハロゲン化物イオンの源を含有するガス環境と接触させる工程を含む、上記方法。 - 前記の作業面又は隣接する領域を接触させる工程は、800℃以下の温度で行う、請求項1に記載の方法。
- 前記の作業面又は隣接する領域を接触させる工程は、約300℃〜約800℃の温度で行う、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記の作業面又は隣接する領域を接触させる工程は、約650℃〜約700℃の温度で行う、請求項3に記載の方法。
- 前記研磨用成形体は、多結晶ダイヤモンド(PCD)又は多結晶立方晶窒化ホウ素(PCBN)を含有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記研磨用成形体は、金属マトリックス材料に結合された多結晶ダイヤモンド層又は多結晶立方晶窒化ホウ素層を有しており、前記金属マトリックス材料は、触媒/溶媒と、異質の金属マトリックス材料と、任意的に第2の相又は結合相とを有している、請求項5に記載の方法。
- 前記の多結晶ダイヤモンド又は多結晶立方晶窒化ホウ素の研磨用成形体は、高圧高温処理に従って製造する、請求項5又は請求項6に記載の方法。
- 前記のハロゲンガス又はガス環境は、塩素、塩化水素、フッ化水素、一酸化炭素、水素及びフッ素から成る群から選ばれた1種類以上のガスを含有する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
- 前記のハロゲンガス又はガス環境は、水素源を含有する、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記のハロゲンガス又はガス環境は、塩素ガスと、塩酸ガス又は水素ガスとを含有する、請求項9に記載の方法。
- 前記のハロゲンガス又はガス環境は、ハロゲン化アンモニウム塩の分解によって提供する、請求項9に記載の方法。
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