JP2010526020A - 多結晶ダイヤモンド複合体 - Google Patents

Abstract

ＰＣＤ体の生成方法は、結合剤相の供給源と、２μｍ未満の粒径を有する細粒状のダイヤモンド粒子の領域との間に、粗いダイヤモンド粒子の領域を提供するステップを含む。結合剤相は、ＰＣＤを生成するのに適した高温及び高圧条件下で、粗いダイヤモンド粒子の領域を介してダイヤモンド塊に溶浸する。本発明はさらに、本発明の方法によって製造されるＰＣＤダイヤモンド複合体を提供し、そのＰＣＤ体は異常なダイヤモンドの成長を実質的に含まない。

Description

本発明は、多結晶ダイヤモンド複合体の生成方法及びそのようにして生成された多結晶ダイヤモンド複合体に関する。

多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）複合体は、一般に、高圧高温（ＨｐＨＴ）工程を使用して炭化物基板上に結合した多結晶ダイヤモンドの層からなる。ＰＣＤ層は、コバルト、鉄若しくはニッケル、又は１つ若しくは複数のかかる金属を含有する合金などの金属結合剤相における、焼結ダイヤモンド粒子の厚い層である。ＰＣＤ複合体の生成方法は、一般に、タンタル、モリブデン及びニオブなどの耐熱金属内に、ダイヤモンド粉末及び炭化物基板を封入するステップ、並びに多結晶ダイヤモンドが結晶学的及び熱力学的に安定な一般的なＨｐＨＴ条件に、封入済みアセンブリをさらすステップを含む。結合剤相の供給源は、一般に炭化物基板によって提供され、それがＨｐＨＴ過程中にＰＣＤ層に溶浸する。

多結晶ダイヤモンド複合体は、石油掘削及びガス掘削、機械用の切削工具などの幾つかの用途において、並びに磨耗部品として好ましい。細粒のＰＣＤは、細かいダイヤモンド粒子の寸法のＰＣＤの高い強度及び硬度により、粗いダイヤモンドの等級よりも優れた耐摩耗性及び耐磨滅性を示してきた。

金属は、溶融、毛管現象、及び拡散工程を含むＨｐＨＴ工程中にダイヤモンド層に溶浸し、ダイヤモンド粒子の再結晶化及び焼結のための溶媒／触媒として作用する。溶浸中、炭化物基板からの溶融溶媒金属が、中間のダイヤモンド層と反応し、その層の細かい成分を完全に溶解する。

ダイヤモンド粒子の大きさが一般に２μｍ未満の非常に細かい等級のＰＣＤは、溶融金属溶媒／触媒中の非常に細かいダイヤモンドのかなり高い可溶性により、しばしば異常な粒成長をする傾向がある。オスワルド熟成として公知の機構を介して、細粒からの炭素が、優先的に（粗い粒子と比較して）溶媒／触媒中に溶解し、次いで、任意の残りの粗い粒子自体の上に再沈殿する。この大きさに依存する可溶性の作用は、粗い粒子の過剰成長をもたらし、一般に５０μｍ及び２００μｍの間の大きさの異常なダイヤモンド粒子が観察され得る。こうした粒は、ダイヤモンド微細構造内の大きな欠陥の構成要素となり、材料の性能を著しく低下し得る。

異常なダイヤモンド粒子の成長は、ＷＣ、Ｎｉ−Ｚｒ合金及び立方晶窒化ホウ素などの焼結助剤の使用によって制御されることが報告されている（非特許文献１）。ＵＳ６，２６１，３２９には、粒成長を制御するために焼結助剤としてＷ金属を使用することも記載されている。

ＵＳ５，４４１，８１７には、ダイヤモンド粉末層内に、耐熱材料と一緒に混合したＷＣ−Ｃｏ基板上の薄い耐熱シム又は層を使用することが記載されている。適切な耐熱材料は、炭化チタン及び／又はチタン炭窒化物であると言われている。これらは、基板からダイヤモンド層への溶融金属流を調節し、したがってダイヤモンド／基板界面での異常な粒成長及び結合金属欠乏を最小限に抑えると言われている。

これらの従来技術の一欠点は、ＰＣＤ層中にコバルト結合剤との複合体である金属間化合物が形成されることであるが、これはＨｐＨＴ条件の正確な制御に依存する。従来技術の別の欠点は、動的焼結過程に伴うこれらの追加種の妨害である。これは、ダイヤモンド／ダイヤモンド結合及び特に細粒（２μｍより小さい）のＰＣＤに対して影響を及ぼす可能性が高い。

ＵＳ４，３１１，４９０には、ＰＣＤ層が、炭化物基板に隣接した粒径７５〜５００μｍの粗いダイヤモンドの層、及び粗いダイヤモンドの層上の粒径１０μｍ未満の細かいダイヤモンドの層から生成される多結晶ダイヤモンド複合体が記載されている。実施例は、細かいダイヤモンドに関して６μｍの粒径のダイヤモンドを使用する。層状構造内の粗いダイヤモンド及び細かいダイヤモンドの使用は、ＰＣＤの弱点形成の発生を低減すると言われている。異常な粒成長の問題は対処されていないが、このことは驚くべきことではなく、それは、「細かい方の」層に使用される比較的大きいダイヤモンド粒子が原因となり、この米国特許のＰＣＤではかかる異常な粒成長が明らかにならなかったためである。

Ｔ．Ｓｈｉｎ，Ｊ．Ｏｈ，Ｋ．Ｈ．Ｏｈ，Ｄ．Ｎ．Ｌｅｅ；Ｄｉａｍｏｎｄ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ；１３；（２００４），ｐｐ ４８８−４９９．

本発明の第１の態様によれば、ＰＣＤ体の生成方法は、一般に２μｍ未満の平均的な粒子（粒）の大きさの細かいダイヤモンド粒子の領域、及び細かいダイヤモンド粒子の領域の粒子よりも大きい平均的な粒子（粒）の大きさの粗いダイヤモンド粒子の領域を有する一塊のダイヤモンド粒子、並びに結合剤相の供給源を提供するステップ、並びにＰＣＤを生成するのに適した高温及び高圧条件下で、結合剤相を、粗いダイヤモンド粒子の領域を介してダイヤモンド塊に溶浸させるステップを含む。

結合剤相の供給源は、一般に超硬合金基板である。ダイヤモンド塊は、高温及び高圧条件の適用前に、基板の表面と接触させて置かれる。

結合剤相は、好ましくはコバルト、鉄又はニッケルなどのダイヤモンド触媒／溶媒である。

細かいダイヤモンド及び粗いダイヤモンドの領域は、好ましくは層の形態をとる。

粗いダイヤモンドの領域の平均的な粒子（粒）の大きさは、好ましくは２μｍを超え、より好ましくは３μｍを超え、最も好ましくは４μｍを超え、好ましくは３０μｍ未満、より好ましくは１５μｍ未満、最も好ましくは１０μｍ未満である。平均的なダイヤモンド粒子の大きさは、そのダイヤモンドが単峰性、二峰性又は多峰性分布を有するかどうかで適用できる。

粗いダイヤモンド粒子が層の形態である場合、その層の厚さは、好ましくは５μｍを超え、より好ましくは１０μｍを超え、好ましくは１５００μｍ未満、より好ましくは１２００μｍ未満、最も好ましくは１０００μｍ未満である。

細かいダイヤモンドの領域は、好ましくは、全ダイヤモンド塊の少なくとも５０体積パーセントを構成する。本発明は、特に、厚さ１ｍｍ以上を有するＰＣＤ体の製造への適用を有する。

一塊のダイヤモンド粒子からＰＣＤを生成するのに要するＨｐＨＴ条件は、当技術分野で周知である。一般に、これらの条件は、４〜６ＧＰａの範囲の圧力及び１３００〜１７００℃の範囲の温度である。

本発明は、細かい粒のダイヤモンド粒子からＰＣＤ体を生成する。粗いダイヤモンド粒子の層を介して結合剤相を溶浸させることによって、異常なダイヤモンドの成長の発生が実質的に減少することが見出された。

したがって別の態様によれば、本発明は、好ましくは超硬合金基板に結合した細粒状のＰＣＤ体を含み、実質的に異常なダイヤモンドの成長がない多結晶ダイヤモンド複合体を提供し、該ＰＣＤ体の少なくとも５０体積パーセントは、一般に２μｍ未満の平均粒径を有するダイヤモンド粒子から生成されている。ＰＣＤ体は、一般に、好ましくは１ｍｍ以上の厚さを有する層の形態となる。

分割及び研磨した従来技術のＰＣＤ複合体の顕微鏡写真である。 本発明の好ましい一実施形態の分割及び研磨したＰＣＤ複合体の顕微鏡写真である。 細かいダイヤモンド粉末についてのＭａｌｖｅｒｎ粒径分布曲線である。

ＰＣＤ複合体の生成方法は当技術分野で公知であり、第１のステップとして、ダイヤモンド粉末及び炭化物基板を、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂなどの耐熱金属中に封入するステップを含む。結合剤相の供給源は、一般に炭化物基板によって提供され、それがＨｐＨＴ過程中にＰＣＤ層に溶浸する。溶浸中、炭化物基板からの溶融溶媒金属がダイヤモンド層と反応し、細粒を完全に溶解する。平均的なダイヤモンド粒子の大きさが一般に２μｍ未満である細かい等級のＰＣＤは、金属溶媒／触媒中への非常に細かいダイヤモンドのかなり高い可溶性により、しばしば異常な粒成長をする傾向がある。これらの異常なダイヤモンド粒子は、ＨｐＨＴ条件により、一般に５０μｍと２００μｍの間の大きさであり、粒成長の機構は、通常オスワルド熟成の観点から説明される。ＰＣＤ／基板界面でのこの種の異常なダイヤモンドの成長の一例を、図１に示す。これらの大きな異常なダイヤモンド粒子は、その領域の欠陥として作用し、ＰＣＤ圧縮体の構造を弱める。

細かい粒のダイヤモンド層と炭化物基板との間に粗いダイヤモンド粒子の層を導入することによって、炭化物−ダイヤモンド界面での異常なダイヤモンド粒子の成長が効果的に排除されることが見出されている。理論に拘泥するものではないが、これは、オスワルド熟成に要する条件を制限又は除去することによって生じ得ると思われる。粗いダイヤモンドの中間層は、「超可溶性」ではない制御された（即ち大きい粒の）供給源からの炭素で溶融金属溶浸剤を飽和することによって、「調整（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ）」層として作用すると思われる。これが細かいダイヤモンド層の溶浸の前に生じる場合、これらの細かい粒は、溶融金属の前面において相当安定になる。さらに、粗いダイヤモンド層に伴う大きな細孔が、細粒のダイヤモンド層への溶融金属の容易な溶浸のための経路を作り出し、それによってＰＣＤ圧縮体の最上層近くに溶浸しにくい領域が生じることも低減すると思われる。

本発明は、細かい等級のＰＣＤにおける異常な粒成長を低減する方法、及びそのようにして生成された細かい等級のＰＣＤを提供する。細かい等級のＰＣＤを製造するのに使用される細かいダイヤモンド粒子は、一般に２μｍ未満の粒径を有する。粒径のブレンドが、予期される制限のわずかに外側にある粒径分布特性をもたらし得る場合には、幾らかの重複が存在することを当業者は理解されよう。例えば、３μｍのダイヤモンド７０％及び０．５μｍのダイヤモンド３０％の二峰性ブレンド（全体平均２．２５μｍ）は、ＰＣＤテーブルに単独で使用される場合、多数の細かいダイヤモンド粒子が原因となり、幾らかの異常な粒成長を示すことになる可能性が高い。もしブレンドが単峰性又は多峰性であった場合、これらはより統計的に正常な特性を有する傾向があり、したがって同じ平均でより少ない非常に細かい粒子を有することになるので、このことは必ずしも典型的とは思われない。本発明の方法は、混合物に存在する著しい量の細かいダイヤモンドの高い可溶性のためにこの現象が生じる場合、一般に任意のＰＣＤテーブルの異常な粒成長を制御するのに効果的となろう。粗いダイヤモンド層の粒成長制御特性の有効性を増大又は改善するために、効果的な数の非常に細かい粒子を低減することによって、粗いダイヤモンド層に企図されるダイヤモンド混合物をわずかに「嵩増しする（ｂｕｌｋ ｕｐ）」ことが同様に望ましい。

粗いダイヤモンド粒子の層は、層状又は帯状のＰＣＤ材料の製造について当技術分野で公知の幾つかの方法を使用して導入することができる。最も簡単な形態では、該層を別個の粉末層として導入することができる。有機結合剤等とのスラリー又は混合物に組み込まれる場合、該層をテープ又は紙として型を取り、次いで積み重ねて所望の厚さを実現することができる。スラリーとしては、該層を、塗装、浸漬、噴霧コーティング及び当技術分野で公知の他の類似の方法によって超硬合金基板上に導入することもできる。

ここで、本発明を以下の非限定的な実施例によって説明する。

（実施例１）
超硬合金基板に結合したＰＣＤ層をそれぞれ含む幾つかのＰＣＤ複合体を、細かいダイヤモンドの層（大きさ２μｍ未満）、及び細かいダイヤモンドの層と超硬炭化タングステン基板との間の、様々な粒径の粗いダイヤモンドの中間層を使用することによって生成した。生成したＰＣＤ層の全体の厚さは、１ｍｍを超えていた。各ＰＣＤ複合体について、細かいダイヤモンド（粒径２μｍ未満）の約２ｍｍの層を、１００〜５００μｍの厚さを有する粗いダイヤモンドの層上に置いた。未結合サンプルを温度約１４００℃及び圧力約５．５ＧＰａのＨｐＨＴ条件下でそれぞれ焼結した。こうして生成したＰＣＤ複合体サンプル（サンプル２〜８）を、分割し、研磨し、基板界面での異常な粒成長について、かかる粗いダイヤモンド粒子の中間層を有していないＰＣＤ複合体（サンプル１）と比較して調査した。結果を表１に示す。
表１

粗いダイヤモンドの中間層を有していなかった比較例と比較して、粗いダイヤモンドの中間層が２μｍを超える平均粒径である場合には、異常な粒成長は観測されないことが明白である。

異常なダイヤモンド粒子の成長の一例は、図１に示すものが一般的である。異常なダイヤモンド粒子の成長が存在しない、粗いダイヤモンドの中間層との複合体の一例を、図２に示す。

サンプル２（平均状態が２μｍ）は、幾らかの異常なダイヤモンドの成長を明白に示したが、これは、粒径分布に存在する著しい数のサブミクロン粒子による可能性が高い。図３は、２μｍのダイヤモンド粉末についてのＭａｌｖｅｒｎ粒径分布曲線を示しており、粒径分布における粒子の数のほぼ５０％は、１μｍ未満である。これらの細粒は、溶融金属を溶浸し、異常な粒成長をもたらす基板界面で生じるオスワルド熟成の条件を設定することによって、容易に溶解し得る。分布から細かい尾部（ｔａｉｌ）又は細粒の数を低減することによって、異常なダイヤモンド粒子の成長をさらに制御することができる。

（実施例２）
この実施例では、有機結合剤（メチルセルロース水溶液）と共に形成したダイヤモンドスラリーで超硬合金基板を噴霧コーティングすることによって、粗いダイヤモンド粒子の中間層（平均粒径６μｍを有する多峰性であった）を生成した。圧縮空気の担体を使用して、通常の噴霧コーティングノズルでスラリーを基板上に噴霧コーティングした。得られた層を乾燥させ、素地状態で約２００μｍの厚さを有することを見出した。次いで、このコーティング済み基板を、通常の方式で細かいダイヤモンド粉末（平均粒径０．２５μｍの単峰性分布）床に置き、ＨｐＨＴ条件下で焼結した。最終的な焼結ダイヤモンド圧縮体において、得られた粗いダイヤモンド層は、厚さ約５０μｍであった（ダイヤモンド−炭化物界面の上に最終的に残存した粗い粒子が５０μｍであった）。サンプルに異常な粒成長は見られず、異常な粒成長を示した細かいダイヤモンド層のみを使用して予め製造したものと比較して、非常に有利であった。

Claims (20)

1. 平均粒径が２μｍ未満の細かいダイヤモンド粒子の領域と、前記細かいダイヤモンド粒子の領域の平均粒径よりも大きい平均粒径を有する粗いダイヤモンド粒子の領域とを有するダイヤモンド粒子の塊、及び結合剤相の供給源を提供するステップ、並びに
   ＰＣＤを生成するのに適した高温及び高圧条件下で、前記結合剤相を、前記粗いダイヤモンド粒子の領域を介して前記ダイヤモンド塊に溶浸させるステップ
   を含む、ダイヤモンド多結晶（ＰＣＤ）体の生成方法。
2. 結合剤相の供給源が超硬合金基板である、請求項１に記載の方法。
3. 高温及び高圧条件を適用する前に、前記ダイヤモンド塊を前記基板の表面と接触させて置く、請求項２に記載の方法。
4. 結合剤相が、コバルト、鉄又はニッケルを含むダイヤモンド触媒／溶媒である、請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
5. 細かいダイヤモンド及び粗いダイヤモンドの領域が層の形態をとる、請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
6. 粗いダイヤモンドの領域の平均粒径が２μｍを超える、請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
7. 粗いダイヤモンドの領域の平均粒径が３μｍを超える、請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
8. 粗いダイヤモンドの領域の平均粒径が４μｍを超える、請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。
9. 粗いダイヤモンドの領域の平均粒径が３０μｍ未満である、請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法。
10. 粗いダイヤモンドの領域の平均粒径が１５μｍ未満である、請求項１から９までのいずれか一項に記載の方法。
11. 粗いダイヤモンドの領域の平均粒径が１０μｍ未満である、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の方法。
12. 粗いダイヤモンド粒子層の厚さが５μｍを超える、請求項５に記載の方法。
13. 粗いダイヤモンド粒子層の厚さが１０μｍを超える、請求項１２に記載の方法。
14. 粗いダイヤモンド粒子層の厚さが１５００μｍ未満である、請求項５に記載の方法。
15. 粗いダイヤモンド粒子層の厚さが１２００μｍ未満である、請求項１４に記載の方法。
16. 粗いダイヤモンド粒子層の厚さが１０００μｍ未満である、請求項１５に記載の方法。
17. 細かいダイヤモンド粒子の領域が、全体のダイヤモンド塊の少なくとも５０体積パーセントを構成している、請求項１から１６までのいずれか一項に記載の方法。
18. 超硬合金基板に結合した、異常なダイヤモンドの成長を実質的に含まない細粒状のＰＣＤ体を含む多結晶ダイヤモンド複合体であって、前記ＰＣＤ体の少なくとも５０体積パーセントが、２μｍ未満の平均粒径を有するダイヤモンド粒子から生成されている、多結晶ダイヤモンド複合体。
19. ＰＣＤ体が層の形態である、請求項１８に記載の多結晶ダイヤモンド複合体。
20. ＰＣＤ体層が、１ｍｍ以上の厚さを有する、請求項１９に記載の多結晶ダイヤモンド複合体。
    

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