JP2012519232A - 超硬エレメント、それを含む工具及びかかる超硬エレメントを製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、金属バインダーによって結合されている金属炭化物粒子を含む超硬合金体（３０）に界面で接合している多結晶超硬構造（２０）を含む超硬エレメント（１０）であって、多結晶超硬構造が、超硬物質を含み、超硬合金体が、界面に隣接した表面領域（３２）と界面から離れたコア領域（３６）とを含み、表面領域とコア領域とは接触しており、コア領域における平均バインダー割合が、表面領域の平均バインダー割合より小さい超硬エレメント、並びにかかるエレメントのための超硬合金体を製造する方法に関する。

Description

本発明は、超硬エレメント、それを含む工具及びそれを製造する方法に関する。本発明は、より詳しくは、以下に限らないが、地中へのボーリング、岩盤、舗装道路、アスファルト及びその他の硬質の又は研磨用の材料を分解するか又はそれらに穴を開けるのに使用するためのそれを含む超硬エレメント及び工具に関する。更に、本発明は、より具体的には、焼結炭化物基材に接合した多結晶ダイヤモンド構造を含む多結晶ダイヤモンドエレメント、それを含む工具及びそれを製造する方法に関する。

本明細書において使用される通り、超硬合金とは、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）又は金属合金等の金属を含むバインダー相中に分散された金属炭化物、例えば炭化タングステン（ＷＣ）又は炭化チタン（ＴｉＣ）の粒子を含む材料である。該バインダー相は、典型的には無視できる気孔率を有する焼結エレメントとしていわば該粒子を一緒に固めるものであり得る。最も一般的な超硬合金は、Ｃｏで固めたＷＣである。

ダイヤモンド等の超硬物質は、硬質の又は研磨用のワークピース材料を機械加工し、くりぬき、分解する多種多様な形で使用される。これらの物質は、ダイヤモンド粒子間の網目のすき間を画定することができる骨格構造を形成するダイヤモンドの粒子の直接焼結した塊体を含む単結晶又は多結晶構造として提供され得る。そのすき間は、ダイヤモンドのための焼結補助材及び場合によって金属間又はセラミック材料等の硬質相も含むことができる溶加材を含有することができる。その溶加材は、ダイヤモンド型構成物質の一定の特徴を修正するために完全に又は部分的に除去することができる。

多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）は、共に焼結して密着したダイヤモンド粒子の塊体を含む超硬物質である。そのダイヤモンド含有量は、典型的には少なくとも約８０体積パーセントであり、網目のすき間を画定する骨格の主要部を形成することができる。そのすき間は、コバルトを含む溶加材を含有することができる。工業的に開発された多くのＰＣＤ材料は、少なくとも約１ミクロンの平均ダイヤモンド粒度を有する。約０．１ミクロンから約１．０ミクロンまでの範囲の平均寸法を有するダイヤモンド粒子を含むＰＣＤも知られており、約５ｎｍから約１００ｎｍまでの範囲の平均寸法を有するナノ粒度のダイヤモンド粒子を含むＰＣＤが開示されている。

超硬合金体は、多結晶超硬物質用の、特に多結晶ダイヤモンド構造用の基材として使用することができる。超硬合金基材に接合された多結晶超硬構造を含む超硬エレメントは、車道又は造岩を処理又は分解するため、或いは地中に穴を掘るために、採鉱、トンネル掘削、エレメント、並びに石油及びガス産業において使用することができる浸食工具及びカッター、例えば、つるはし、衝撃ドリルビット及び回転ドリルビットの中に使用することができる。該超硬合金体は、液体硬ろうによって工具運搬具に接合することができる。

ＰＣＴ特許の国際公開番号ＷＯ ０２／１４５６８には、炭化タングステン及びバインダー合金を含む切削インサートが開示されており、その基材は、バルク領域と、その基材のバルク領域におけるバインダー合金含有量より多い最大のバインダー合金含有量を有するバインダー合金が豊富な表面領域とを有する。該切削インサートは、該基材上に硬質コーティングを含むことができる。

ＰＣＴ特許の国際公開番号ＷＯ ０２／４２５１５には、焼結炭化物インサートを製造する方法が開示されている。そのインサートは、最初に脱炭雰囲気中で熱処理して表面領域を含有するη相を形成し、次に中性ガス雰囲気中又は真空中で熱処理して該表面領域中のη相をＷＣ＋Ｃｏに完全に再変換する。

米国特許出願公開第２００８／０２４０８７９号には、ドリルビット用のカッターのためのブロックが開示されており、そのブロックは、インビベーションによって処理されている。

ＰＤＣ（多結晶ダイヤモンド成形体）又はＴＳＰ（熱安定性多結晶ダイヤモンド）タイプのダイヤモンドテーブルは、インビビションによって予め処理したブロックに高圧高温のプロセスによってそのブロックに直接適用することができる。そのダイヤモンドテーブルに関しては異なる均質の陶性合金（サーメット）支持ブロックに適用することも可能であり、それはその後、インビビションによって処理された最初のブロックにインビビションが適用される。

ある実施形態において、岩石を切断及び／又は砕くための掘削道具用のカッター、例えばＰＤＣドリルビット、ＴＳＰドリルビット、ボーリングビット、鉱山のつるはし、トリコーンビット、含浸工具は、バインダー相中に豊富で丈夫なコアとバインダー相中に乏しい表面とを得て高度の硬さを有するように該工具の機能によって輪郭が示される形態のバインダー相中に連続組成勾配を含むダイヤモンドが場合によって添加されている特にＷＣ−Ｃｏタイプのバインダー相中に分散された金属炭化物（単数又は複数）によって構成されているブロックを含む。

該カッターは、該ブロックの１つの面にＰＤＣ又はＴＳＰタイプのダイヤモンドテーブルを更に載せることができる。

本発明の目的は、破砕に対する強化された抵抗を有する多結晶超硬エレメントを提供することである。

本明細書で使用される通り、「超硬の」とは、少なくとも約２５ＧＰａのビッカース硬度を有することを意味する。

本明細書で使用される通り、「金属」とは、電気伝導性等の典型的な金属特性を有する元素形態の金属又は合金を意味する。

本明細書で使用される通り、「バインダー割合」とは、本体又はその一部の中の、単位体積当りの超硬合金の平均重量に対する、単位体積当りのバインダーの平均重量の比である。

本明細書で使用される通り、「実質的に持っていない」とは、ある量の特定の材料、物質又は相が超硬合金体中に検出可能である場合、その量が非常に少ないため、例えば摂氏７００〜８００度の高温において超硬合金体の性能に重大な影響がないことを意味する。

本発明の第一の態様は、金属炭化物粒子及び金属バインダーを含む超硬合金体に界面で接合している多結晶超硬構造を含む超硬エレメントであって、多結晶超硬構造が、超硬物質を含み、超硬合金体が、界面に隣接した表面領域と界面から離れたコア領域とを含み、表面領域とコア領域とは接触しており、コア領域における平均バインダー割合が、表面領域の平均バインダー割合より小さい超硬エレメントを提供する。

本明細書で使用される通り、「〜に基づいている」とは、「〜を含む」を意味する。

本明細書で使用される通り、「焼結補助材」とは、超硬物質の粒子が相互に焼結することを促進することができる材料である。ダイヤモンド用の既知の焼結補助材料としては、鉄、ニッケル、コバルト、マンガン及びこれらの元素を含む特定の合金が挙げられる。これらの焼結補助材料は、また、ダイヤモンド用の溶媒／触媒材料とも呼ぶことができる。

一実施形態において、該金属バインダーは、超硬物質用の焼結補助材を含む。一実施形態において、該金属バインダーは、コバルト又はコバルト及びニッケルに基づいている。一実施形態において、該金属炭化物は、炭化タングステンである。

本明細書で使用される通り、「多結晶ダイヤモンド」（ＰＣＤ）とは、実質的に連晶状のダイヤモンド粒子の塊体を含み、ダイヤモンド粒子間のすき間の輪郭を示す骨格構造を形成している材料であり、該材料は、少なくとも８０体積パーセントのダイヤモンドを含む。

本明細書で使用される「多結晶立方晶チッ化ホウ素」（ＰＣＢＮ）とは、マトリクス中に分散される立方晶チッ化ホウ素（ｃＢＮ）の粒子を含む材料であり、該材料は、少なくとも５０体積パーセントのｃＢＮを含む。

一実施形態において、該多結晶超硬構造は、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）を含み、該金属バインダーは、ダイヤモンド用の溶媒／触媒材料を含む。別の実施形態において、該多結晶超硬構造は、多結晶立方晶チッ化ホウ素（ＰＣＢＮ）を含む。

一実施形態において、バインダー中の平均炭素濃度は、コア領域におけるより表面領域においてより低い。

η相組成とは、一般式Ｍ_ｘＭ’_ｙＣ_ｚであって、Ｍが、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、及びＮｂからなる群から選択される少なくとも１つの元素であり、Ｍ’が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉからなる群から選択される少なくとも１つの元素であり、Ｃが炭素である一般式を有する炭化物化合物を意味する。最も典型的な組合せであるＭがタングステン（Ｗ）であり、Ｍ’がコバルト（Ｃｏ）である場合、η相は、ここではＣｏ_３Ｗ_３Ｃ（η−１）又はＣｏ_６Ｗ_６Ｃ（η−２）、並びにそれらの率の準化学量論的及び超化学量論的変動を意味するものと理解される。

一実施形態において、表面領域及びコア領域は、両方とも、η相を実質的に持っていない。一実施形態において、超硬合金体は、η相を実質的に持っておらず、一実施形態において、超硬合金体は、η相及び遊離の炭素を実質的に持っていない。

いくつかの実施形態において、表面領域は、粒子成長阻害物質又はそれらの前駆体を実質的に持っていない。いくつかの実施形態において、表面領域は、クロム若しくはバナジウム又はそれらの炭化物、或いは任意のそれらの組合せを実質的に持っていない。

本発明の実施形態は、粒子成長阻害物質が表面領域に存在せず、それによって粒子成長阻害物質の本体の超硬合金物質の特定の性質、特に破壊靭性に対する悪影響を避けるという利点を有する。

本明細書で使用される通り、材料の磁気モーメントσは、１キログラムの材料当りマイクロテスラ倍立方メートル（μＴｍ^３／ｋｇ）の単位である。その材料の磁気飽和は、その磁気モーメントからそれに４πを乗じることによって得られる。

金属バインダーがコバルト又はコバルト及びニッケルに基づいているいくつかの実施形態において、１キログラムの超硬合金当りマイクロテスラ倍立方メートル（μＴｍ^３／ｋｇ）の単位での平均磁気モーメントσは、コア領域内で０．１３１Ｙから０．１６１Ｙまでの範囲内、及び表面領域内で０．１１０Ｘから０．１４７Ｘまでの範囲内であり、ここで、Ｘ及びＹは、それぞれ表面領域及びコア領域内の重量％でのコバルトの量である。一実施形態において、コア領域における平均磁気モーメントは、少なくとも０．１４０Ｙであり、表面領域における平均磁気モーメントは、０．１４０Ｘ未満である。

一実施形態において、表面領域内の超硬合金の平均磁気保磁力Ｈ_ｃは、コア領域内の平均磁気保磁力の５％の範囲内、又はコア領域内の平均磁気保磁力より係数倍だけ高く、その係数は１．０５から１．８０までの範囲である。一実施形態において、表面領域内の超硬合金の平均磁気保磁力Ｈ_ｃは、コア領域内の平均磁気保磁力の５％の範囲内である。

いくつかの実施形態において、コア領域内の超硬合金の平均硬度は、表面領域内の超硬合金の平均硬度よりも少なくとも２％、又は少なくとも１０％大きい。一実施形態において、コア領域内の超硬合金の平均硬度は、表面領域内の超硬合金の平均硬度より最大で５０％大きい。

一実施形態において、該表面領域は、（隣接した）コア領域と一体的に形成された階層又は層の形を有する。いくつかの実施形態において、該表面領域は、少なくとも約０．２ｍｍ、少なくとも約０．５ｍｍ又はさらに少なくとも約１ｍｍの厚さを有する。いくつかの実施形態において、該表面領域は、最大で約５ｍｍ又はさらに最大で約１０ｍｍの厚さを有する。一実施形態において、該表面領域は、０．２ｍｍから１０ｍｍまでの範囲の厚さを有する。いくつかの実施形態において、及び該表面領域の厚さに従って、該コア領域は、約０．５ｍｍから約１５ｍｍまでの範囲、約１ｍｍから約１０ｍｍまでの範囲、又は約２ｍｍから約５ｍｍまでの範囲の表面からの最大深さを有する。

一実施形態において、該コア領域内の平均バインダー割合は、表面領域内の平均バインダー量よりある係数倍（ｆａｃｔｏｒ）だけ少なく、その係数は、約０．０５から約０．９０までの範囲である。

一実施形態において、表面領域内の金属炭化物粒子の平均粒径は、コア領域内の平均粒径の５％以内であるか、又はコア領域内の平均粒径より係数倍だけ大きく、その係数は、１．０５から１．５０までの範囲である。

一実施形態において、該表面領域内の金属バインダー割合は、該表面から該表面領域内の任意の深さの範囲にわたって深さと共に単調に減少し、該表面領域内の硬度は、該表面から該表面領域内の任意の深さの範囲にわたって深さと共に単調に増加する。用語の「単調に」は、曲線が滑らかであることを意味する。

一実施形態において、コア領域内の超硬合金の平均破壊靭性は、表面領域内の平均破壊靭性よりも５％から５０％の範囲で高い。

一実施形態において、該超硬合金は、ある濃度のＣｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ又はＭｏを、金属炭化物又はバインダー中の溶体のいずれかの形態で含み、一実施形態において、その濃度は２重量％以下、０．５重量％以下、又はさらに０．３重量％以下である。一実施形態において、該バインダー中のその濃度は、表面領域及びコア領域を通して実質的に均一に分布されている。

一実施形態において、該超硬エレメントは、多結晶ダイヤモンドコンパクトを含む。

本発明の態様は、本発明による実施形態の超硬エレメントを含む工具を提供する。

本発明の実施形態は、該超硬合金体が、比較的低いコバルト含有量を有する比較的固いコア領域と比較的多いコバルトを有する比較的固くない表面領域とを含むという利点を有する。これは使用中の超硬構造の破砕に対する改善された抵抗をもたらし、それによって本発明による実施形態の超硬エレメントを含む工具の可使時間を延長する。

本発明の実施形態は、表面領域中の過剰のコバルトが該物体の表面の特定のろう付け及びろう付けはんだによるぬれを促進することができるので、ドリルビット等の工具運搬具上にすぐにろう付けされる。

本明細書で使用される通り、炭素含有量とは、超硬合金体又はその一部の中の単位体積当りの遊離の及び反応した炭素、並びに金属炭化物粒子中に含まれている炭素を含めた合計炭素含有量を意味する。「高い炭素含有量」は、ｉ）十分に低い実質的に遊離していない炭素の形、及びｉｉ）十分に高い超硬合金の１キログラム当りマイクロテスラ倍立方メートル（μＴｍ^３／ｋｇ）の単位での磁気モーメントσが、０．１３１Ｙから０．１６１Ｙまでの範囲内である（ここで、Ｙは重量％でのコバルトの量である）ものの合計の炭素含有量を意味するものと理解される。低い炭素含有量に相当する炭素含有量の範囲は、当業者には理解され得るであろうように、超硬合金の性質及び組成と関係する様々な要因に依存する。

グリーン体は、技術分野では既知の用語であり、焼結することが意図されているが、未だ焼結されていない物品を指す。それは、一般に自立性であり、意図した最終物品の一般形態を有する。

本発明の第二の態様によれば、本発明の第一の態様に従う超硬エレメント用の超硬合金体を製造するための方法が提供され、その方法は、金属バインダー中に分散されている金属炭化物の粒子を含む焼結されていないグリーン体と前記グリーン体の中に最初の高い炭素含有量とを提供するステップ（前記グリーン体は、表面に隣接した表面領域と、表面から離れており該表面領域と接触しているコア領域とを含む）と、熱により、真空又は不活性雰囲気中、摂氏１，２８０度より低い温度でグリーン体をしばらくの間処理するステップ（前記温度は、金属バインダーの実質的な溶融を避けるのに十分に低く、前記温度及び時間は、グリーン体の表面領域内に開放気孔率を維持するのに十分である）と、ガス状の脱炭剤を気孔中に導入してグリーン体の中に脱炭表面領域を形成し、少なくとも一部のコア領域の中に最初の高い炭素含有量を維持するステップと、液相により前記グリーン体を焼結するステップと、を含む。

この方法の実施形態は、以下のステップを含む：
（１）金属バインダー中に分散されている金属炭化物の粒子を含む未焼結の多孔性のグリーン体（前記バインダーは高い全体炭素含有量を有する）を準備するステップ、
（２）真空又は保護（不活性）雰囲気中で摂氏１，２８０度より低い特定温度で該グリーン体を予備焼結して、表面領域中に望ましい開放気孔率とコア中に実質的に閉じた気孔とを得るステップ、
（３）該予備焼結したグリーン体を、摂氏１，２８０度より低い温度の脱炭ガス雰囲気中で、表面層のみを脱炭し、コア中は高い炭素含有量を実質的に維持する時間選択的に脱炭するステップ、及び
（４）予備焼結され、加炭されているグリーン体を真空又は保護雰囲気中、摂氏１，３００度より高い温度で最終の焼結をして完全密度を得るステップ。

該方法の実施形態は、炭素が制御された開放気孔率に起因して調整された状態でかなりの深さから該超硬合金に浸透することができ、それ故に、コアにおいてη相が回避され、同様に表面領域において遊離の炭素が回避されるという利点を有する。

該方法の実施形態は、表面領域及びコア領域のコバルト含有量が、炭素濃度によるのと表面領域及びコア領域内のＷＣの平均粒径を巧みに管理することとによって制御されるという利点を有する。これにより、技術的に困難であり得、超硬合金体の破壊靭性を低下する傾向がある粒子状の成長阻害物質を局所的に導入する必要性を避けることができる。

本発明の第三の態様は、超硬合金体に接合されている多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）構造を含む本発明によるＰＣＤエレメントを製造する方法であって、コバルト、ニッケル、鉄、マンガン及びこれらのいずれかを含む合金から選択される炭化タングステン粒子及びダイヤモンドに対する溶媒／触媒材料を含むバインダー材料を含む超硬合金体を準備するステップ（ここで、前記超硬合金体は、表面に隣接した表面領域及び表面から離れたコア領域を含み、表面領域とコア領域とは接触しており、コア領域における該バインダー割合は、表面領域における該バインダー割合より少ない）と、ダイヤモンド粒子の凝集体の塊を超硬合金体の表面と接触させて焼結前のアセンブリを形成するステップと、前記焼結前のアセンブリを、ダイヤモンド粒子を焼結して超硬合金体に一体的に結合したＰＣＤ構造を形成するためにダイヤモンドが熱力学的に安定である圧力及び温度にさらすステップと、を含む方法を提供する。

該方法の実施形態は、超硬合金体の表面領域の少なくとも一部を除去するステップを含む。一実施形態においては、コア領域を露出するための十分な表面領域が除去される。

本発明の実施形態は、高められた堅さを有する超硬合金体であり、高められた耐摩耗性を有する該超硬合金体の表面の少なくとも一部に接合した十分に焼結した超硬構造を提供するという利点を有する。

本発明のいくつかの実施形態は、超硬構造の形成を促進する焼結補助材料を、コア領域より焼結補助材が相対的により豊富であり得る焼結補助材料の含有量が超硬合金体中で高いことを必要としない超硬合金体の表面領域から引き出すことができるという利点を有する。これは、超硬構造体が堅い基材物体上に完全に形成される優れた焼結の実施形態を可能にする。例えば、超硬物質がダイヤモンドであり、超硬合金体がコバルトで固めた炭化タングステンを含む場合、ＰＣＤ構造を、約５ＧＰａを超える超高圧及び高温で行なわれる焼結ステップにおいて、超硬合金体の表面に形成して完全に結合することができ、ダイヤモンドのための該コバルト焼結補助材は、該超硬合金体のコバルトに富む表面領域から引き出される。

非限定の好ましい実施形態を、これから以下の図面を参照しながら説明する。

ＰＣＤエレメントの実施形態の概略を示す断面図である。 ＰＣＤエレメントの実施形態の概略を示す断面図である。 表面からの深さに応じた傾斜型超硬合金の実施形態のバインダー含有量を模式的に示すグラフである。 表面からの深さに応じた傾斜型超硬合金の実施形態の硬度を模式的に示すグラフである。 表面からの深さに応じた傾斜型超硬合金の実施形態の炭化物粒径を模式的に示すグラフである。 表面からの深さに応じた傾斜型超硬合金の実施形態の炭素含有量を模式的に示すグラフである。 焼結炭化物体の実施形態の表面領域を示す倍率が１０００倍である顕微鏡写真である。 焼結炭化物体の実施形態のコア領域を示す倍率が１０００倍である顕微鏡写真である。

同じ参照番号はすべての図面中で同じものを指す。

図１及び図２に関して、実施形態１０の超硬エレメントは、それぞれ、金属バインダー（図示せず）によって界面１４において結合されている金属炭化物粒子（図示せず）を含む超硬合金体１６に接合された多結晶超硬構造体１２を含む。該金属バインダーの固有の機能は、粒子は直接結合されないが、粒子を結合することである。多結晶超硬構造体１２は、それぞれ超硬物質を含む。超硬合金体１６は、それぞれ、界面１４と隣接する表面領域１８及び界面１４から離れたコア領域１９を含み、その表面領域１８とコア領域１９とは接触しており、コア領域１９内の平均バインダー割合は、表面領域１８内の平均バインダー量より少ない。

図３Ａに関しては、実施形態の超硬合金体のコバルトバインダー比１２０が、コバルト含有量軸１２０対その物体の表面からの深さの軸１３０の模式的に示すグラフにプロットされている。コバルトバインダー比１２０は、表面領域１８及びコア領域１９を通して平均コバルトバインダー比１２２を有する超硬合金体の表面軸１３０からの深さと共に単調に減少する。

図３Ｂに関しては、実施形態の超硬合金体の硬度１４０が、硬度軸１４０対その物体の表面からの深さの軸１３０を模式的に示すグラフにプロットされている。硬度１４０は、表面から増加する深さ軸１３０と共に増加し、平均硬度は、コア領域１９内より表面領域１８内でより低い。

図３Ｃに関しては、実施形態の超硬合金体の平均炭化タングステン粒径１５０が、炭素含有量軸１５０対その物体の表面からの深さの軸１３０の模式的に示すグラフにプロットされている。平均炭化タングステン粒径１５０は、表面領域１８とコア領域１９との間で約プラス又はマイナス５パーセントより多くは変化しない。

図３Ｄに関しては、実施形態の超硬合金体の平均炭素含有量１６０が、硬度軸１６０対その物体の表面からの深さの軸１３０の模式的に示すグラフにプロットされている。平均炭素含有量１６０は、表面領域１８及びコア領域１９を通して表面からの深さ軸１３０が増すと共におおむね増加し、表面領域１８内の平均炭素含有量は、コア領域１９内の平均炭素含有量より少ない。表面領域１８及びコア領域１９は、η相及び遊離の炭素を持っていない。

図４Ａ及び図４Ｂに関して、実施形態の超硬合金体の表面領域内のＷＣ粒子の平均寸法は、コア領域内の平均寸法と実質的に同じである。顕微鏡写真の白い部分は、ＷＣ粒子を表し、黒い部分はコバルトバインダーを表している。

超硬合金の磁気的性質は、重要な構造及び組成特性と関連付けることができる。焼結炭化物中の炭素含有量を測定する最も一般的な技術は、間接的であり、バインダー中に溶解している炭素の含有量が高ければ高いほどバインダー中に溶解しているタングステンの濃度は低く、それにより間接的に比例するバインダー中に溶解しているタングステンの濃度を測定することによる。バインダー内のタングステン含有量は、磁気モーメントσ、又は磁気飽和、μ＝４πσ、の測定から確定することができ、これらの値は、タングステン含有量と反比例関係を有する［Ｒｏｅｂｕｃｋ（１９９６年）、「超硬合金に関する磁気モーメント（飽和）測定（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｏｍｅｎｔ（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｎ ｈａｒｄ−ｍｅｔａｌｓ）」、Ｉｎｔ．Ｊ．Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ Ｍｅｔ．、１４巻、４１９〜４２４頁］。

超硬合金中のバインダーコバルト含有量は、超硬合金の磁気的性質等の間接的な方法、又はより直接的にＥＤＸを用いる方法を含めた技術的に周知の様々な方法によって測定され得るが、最も正確な方法は、Ｃｏの化学浸出に基づく。ＷＣ粒子等の炭化物粒子の平均粒径は、超硬合金体の冶金学的に調製した横断面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）又は光学顕微鏡画像の検査により、例えば、平均リニアインターセプト技法（ｍｅａｎ ｌｉｎｅａｒ ｉｎｔｅｒｃｅｐｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を適用して測定することができる。別法では、ＷＣ粒子の平均寸法は、粒子の中間のＣｏの平均自由行程を示し、そこからＷＣ粒径を技術的に周知の簡単な式を用いて計算することができる超硬合金の磁気保磁力を測定することによって間接的に測定することができる。この式は、Ｃｏで固めたＷＣ超硬合金の磁気保磁力とＣｏの平均自由行程との間の反比例関係を定量化し、その結果平均ＷＣ粒径を定量化する。

傾斜型超硬合金を製造するための好ましく且つ新規な方法は、以下のステップを含む：
１．炭素含有量が仕上がり物体のコア領域に対して望ましいものである炭素含有量を確保する技術的に既知である適切な方法によってＷＣ及びＣｏ粉末を含むグリーン体を準備し、
２．該未焼結の超硬合金のグリーン体を真空又は不活性又は保護雰囲気中で熱処理にしばらくの間付す。その温度は、コバルトバインダーが溶融することをもたらさないように十分に低いことが重要であり、即ち、その温度は、摂氏約１，２８０度より低くなければならない。その温度と時間の組合せは、グリーン体の特定の望ましい開放気孔率を維持するために選択される。開放気孔率は、ガスが開放気孔率の構造及び量、並びに１バールから２バールまでの範囲内であるべきガス圧に依存する速度でその物体に浸透することを可能にする。予備焼結熱処理にさらされた多孔性のグリーン体は、一定の望ましい開放気孔率を有する。所要の気孔率をもたらすその熱処理の温度対周期は、それは様々な要因、例えばコバルト量及びガス浸透の望ましい深さ、ひいては表面領域の厚さに依存するため、試行錯誤により、実験的に決定するのが一番よく、
３．その多孔質の未焼結のグリーン体は、表面領域内でそれを部分的に脱炭するために、Ｈ_２又はＣＯ_２等の脱炭剤を含む雰囲気内でのさらなる熱処理にしばらくの間付す。そのガス圧は、約１バールから２バールまでの範囲であるべきである。温度が、コバルトバインダーが溶融することをもたらさないように十分に低いことがこの場合もやはり重要であり、即ち、その温度は摂氏約１，２８０度より低くなければならない。そのガスは、通気孔を通って該物体に浸透するままにされ、その浸透の深さは、時間によって制御される。この脱炭段階の後、その多孔質体は、表面領域内の炭素が部分的に消耗され、炭素の濃度は表面領域内でより低く、その物体中への深さと共に単調に増加する。
４．その脱炭段階の後、該物品は、技術的に既知のように、摂氏１，３２０度より高い温度で焼結される。この焼結段階中、コバルトは液化し、気孔を満たし、炭素は炭素勾配のせいでコア領域から表面領域に向けて拡散する。この拡散は、コバルトが、高い炭素濃度の領域からより低い炭素濃度の領域への炭素移動の方向に移動する傾向があり、そこでコバルトも炭素もコア領域から表面領域に移動する「コバルトドリフト（ｃｏｂａｌｔ ｄｒｉｆｔ）」として知られる周知の現象と関連する。液相焼結のために使用される温度と時間の組合せは、技術的に既知の表面領域及びコア領域における微細なＷＣ粒子の溶解及び再沈殿の特定の望ましい速度を得るために選択される。

実施形態の多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）エレメントは、本発明に従ってコバルトで固めた炭化タングステンの超硬合金基材と接しているダイヤモンド粒子の層を焼結して該超硬合金体に完全に結合したＰＣＤエレメントを形成することによって形成される。超高圧及び高温（ＨｐＨＴ）を用いてダイヤモンドを焼結する当業者であれば、技術的に既知の超高圧装置を用いてこれを如何に行なうことができるかを容易に理解するであろう。該超硬合金基材は、表面領域及びコア領域を含み、ＨｐＨＴ焼結ステップ以前の表面領域内のコバルト割合は、コア領域内のコバルト割合より多い。焼結ステップ中、該基材中のコバルトが溶融すると、ダイヤモンド粒子の層に隣接した表面領域からのいくらかのコバルトは、ダイヤモンド粒子の層中に侵入し、該基材に完全に結合した緊密に結合したダイヤモンドの塊体を形成する該ダイヤモンド粒子の内部成長を促進する焼結補助材として機能する。

特定の仮説に束縛されないことを望むが、該方法は、焼結されつつある超硬合金中の液体のコバルトが、炭素が動くのと同じ方向に移動する傾向がある「コバルトドリフト」と呼ばれる既知の現象を十分に引き出すものと考えられる。そのコバルトの移動は、それ故、炭素勾配を設け、該炭素が高濃度の領域から低濃度の領域に拡散することを可能にすることによって制御することができる。このコバルトの移動は、低い炭素含有量がより細かいＷＣ粒径をもたらす傾向があり、それが、その低い炭素の領域により高い毛細管力及びその結果として生じる液体コバルトのその領域中への移動をもたらす事実と関連する別の周知の可能なメカニズムによって促進することができる。

本発明の実施形態を、本発明を限定することを目的とするものではない以下の実施例を参照してより詳細に説明する。

（例１）
炭化タングステン粉末が約３０〜５０μｍの平均粒径及び６．１３重量％の炭素含有量を有するそのＷＣ粒子（ＭＡＳ３０００〜５０００、Ｈ．Ｃ．Ｓｔａｒｃｋ）を、ボールミル内のアルコール中で、６：１のボール対粉末比で１２０時間にわたって粉砕した。その後乾燥した後、粉砕したＷＣ粉末を、Ｔｕｒｂｕｌａｒドライミキサー中で、Ｃｏ粒子が約１μｍの平均粒径を有する１０重量％のコバルト粉末、及び０．１重量％のカーボンブラックとブレンドした。

そのブレンドを乾燥した後、円筒形のグリーン体を圧縮成形し、真空中摂氏１，０００度で１時間熱処理した。

その多孔性のグリーン体を、次に表面領域を部分的に脱炭するために、水素雰囲気中摂氏７００度で１時間熱処理した。

その加炭したグリーン体を、次に、摂氏１４２０度で、４５分の真空焼結段階と３０分の５０バールの圧力のアルゴン雰囲気中で行なった高平衡圧（ＨＩＰ）焼結段階とを含めて７５分にわたって焼結した。

その焼結した超硬合金体は、２６ｍｍの直径と３０ｍｍの高さとを有した。ＥＤＭを用いることによりその物体から４ｍｍ厚の円盤に切断することによって放射状断面を準備し、次いで標準的な冶金手順に従ってその断面を研磨した。

その研磨した断面の微細構造を、光学顕微鏡により観察した。その円盤は、観察できる遊離の炭素又はη相を持っていなかった。表面領域及びコア領域における平均ＷＣ粒径を、平均リニアインターセプト法を用いて分析した。

表面領域及びコア領域内のコバルト含有量を測定するために、３ｍｍの厚さの２つの輪を該円盤から切り取った。その最も外側の輪は、表面領域に、内方の輪は、コア領域の外側部分に相当した。１４ｍｍの直径を有する残りの円盤は、コア領域の内方の大部分に相当した。その輪及び円盤は、Ｃｏの化学浸出を含めた様々な方法によって検査した。比磁気飽和ＳＭＳ（名目上純粋なＣｏの磁気飽和と比較した磁気飽和の割合）の値も計算した。その結果は、表１に提示されている。表面領域及びコア領域の微細構造は、それぞれ、図２（ａ）及び（ｂ）に示されている。コバルトバインダー中の炭素の濃度は、技術的に周知のように比磁気飽和（ＳＭＳ）に明らかに関連するので、後者は、その領域内のバインダー中の相対炭素濃度の指標となる。この例において炭素含有量は、表面からの深さと共に増加し、比磁気飽和が表面からの深さと共に増大する事実によって示される。η相は、超硬合金のどの部分においても検出できなかった。

（例２）
円筒体を例１のようにして作製し、作業端と呼ばれるその平らな末端部の１つに完全に結合されたＰＣＤ層を焼結及び支持するための基材として使用した。傾斜型基材の使用以外は、そのＰＣＤエレメント製造のその他の態様は、標準的に使用されるものと同様であった。

ＰＣＤ焼結ステップの後、そのＰＣＤエレメントを分析した。ＰＣＤ層と基材との間の結合は卓越していた。その物体の表面領域からのいくらかのコバルトは、必要に応じて、基材とＰＣＤ層との間の界面に隣接した表面領域の層内のコバルト含有量をわずかに減少しながらＰＣＤ層中に侵入した。基材のコア中のコバルト含有量は、望まれるように、標準的なＰＣＤ基材と比較して低い約８．９重量％と測定された。

Claims (14)

1. 金属炭化物粒子と金属バインダーとを含む超硬合金体に界面で接合している多結晶超硬構造を含む超硬エレメントであって、多結晶超硬構造が、超硬物質を含み、超硬合金体が、前記界面に隣接した表面領域と前記界面から離れたコア領域とを含み、表面領域とコア領域とは接触しており、コア領域における平均バインダー割合が、表面領域の平均バインダー割合より小さい上記超硬エレメント。
2. 金属バインダーが、超硬物質に対する焼結補助材を含む、請求項１に記載の超硬エレメント。
3. 多結晶超硬物質が、多結晶ダイヤモンドであり、金属バインダーが、ダイヤモンド用の溶媒／触媒材料を含む、請求項１又は２に記載の超硬エレメント。
4. 表面領域及びコア領域が、η相を実質的に持っていない、請求項１から３までのいずれか一項に記載の超硬エレメント。
5. 表面領域が、クロム若しくはバナジウム又はそれらの炭化物、或いはこれらの任意の組合せを実質的に持っていない、請求項１から４までのいずれか一項に記載の超硬エレメント。
6. 金属バインダーがコバルト又はコバルト及びニッケルに基づいており、１キログラムの超硬合金当りマイクロテスラ倍立方メートル（μＴｍ^３／ｋｇ）の単位での平均磁気モーメントσは、コア領域内で０．１３１Ｙから０．１６１Ｙまでの範囲内、及び表面領域内で０．１１０Ｘから０．１４７Ｘまでの範囲内であり、ここで、Ｘ及びＹは、それぞれ表面領域及びコア領域内の重量％でのコバルト割合である、請求項１から５までのいずれか一項に記載の超硬エレメント。
7. コア領域内の超硬合金の平均硬度が、表面領域内の超硬合金の平均硬度より少なくとも２％大きい、請求項１から６までのいずれか一項に記載の超硬エレメント。
8. 表面領域が、少なくとも０．２ｍｍの厚さを有する、請求項１から７までのいずれか一項に記載の超硬エレメント。
9. コア領域内の平均金属バインダー量が、表面領域内の平均金属バインダー割合より、０．０５から０．９０までの範囲内である係数倍だけ低い、請求項１から８までのいずれか一項に記載の超硬エレメント。
10. 多結晶ダイヤモンドコンパクトを含む、請求項１から９までのいずれか一項に記載の超硬エレメント。
11. 請求項１から１０までのいずれか一項に記載の超硬エレメントを含む工具。
12. 請求項１から１０までのいずれか一項に記載の超硬エレメントのための超硬合金体を製造するための方法であって、金属バインダー中に分散されている金属炭化物の粒子を含む焼結されていないグリーン体と前記グリーン体の中に最初の高い炭素含有量とを準備するステップ（前記グリーン体は、表面に隣接した表面領域と表面から離れたコア領域とを含む）と、熱により、真空又は不活性雰囲気中、摂氏１，２８０度より低い温度でグリーン体をしばらくの間処理するステップ（前記温度は、金属バインダーの実質的な溶融を避けるのに十分に低く、前記温度及び時間は、グリーン体の表面領域内に開放気孔率を維持するのに十分である）と、ガス状の脱炭剤を気孔中に導入してグリーン体の中に脱炭表面領域を形成し、少なくとも一部のコア領域の中に最初の高い炭素含有量を維持するステップと、液相により前記グリーン体を焼結するステップと、を含む上記方法。
13. 超硬合金体に接合されている多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）構造を含む請求項１から１０までのいずれか一項に記載のＰＣＤエレメントを製造する方法であって、炭化タングステン粒子及びダイヤモンドに対する溶媒／触媒材料、例えばコバルト、ニッケル、鉄、マンガン又はこれらのいずれかを含む特定の合金を含むバインダー材料を含む超硬合金体を準備するステップ（前記超硬合金体は、表面に隣接した表面領域及び表面から離れたコア領域を含み、表面領域とコア領域とは接触しており、コア領域における金属バインダーの平均重量分率は、表面領域における平均重量分率より少ない）と、ダイヤモンド粒子の凝集体の塊を超硬合金体の表面と接触させて焼結前のアセンブリを形成するステップと、前記焼結前のアセンブリを、ダイヤモンド粒子を焼結して超硬合金体に一体的に結合したＰＣＤ構造を形成するためにダイヤモンドが熱力学的に安定である圧力及び温度に付すステップと、を含む上記方法。
14. 超硬合金体の表面領域の少なくとも一部を除去するステップを含む、請求項１２又は１３に記載の方法。

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