JP2012528780A - Polycrystalline diamond - Google Patents

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Abstract

少なくとも88体積%及び最大で99体積%のダイヤモンド粒12を含み、平均ダイヤモンド粒近接性が60.5%超である、多結晶ダイヤモンド(PCD)材料10。PCD材料10は、地面のボーリングで特に使用されるがこれに限定するものではない。  A polycrystalline diamond (PCD) material 10 comprising at least 88% by volume and at most 99% by volume diamond grains 12 and having an average diamond grain proximity of greater than 60.5%. The PCD material 10 is particularly used for ground boring, but is not limited thereto.

Description

本発明は、多結晶ダイヤモンド(PCD)材料と、その作製方法と、それを含む工具に関するもので、特に地面をボーリングするのに使用されるためのものであるが、これに限定するものではない。   The present invention relates to a polycrystalline diamond (PCD) material, a method of making the same, and a tool including the same, and more particularly, but not exclusively, for use in boring the ground. .

多結晶ダイヤモンド(PCD)材料は、一塊の相互成長ダイヤモンド粒(a mass of inter−grown diamond grains)と、これらダイヤモンド粒の間の隙間とを含む。PCDは、ダイヤモンド粒の相互成長を促進させることができるコバルトなどの焼結助剤の存在下で、ダイヤモンド粒の凝集塊を高圧及び高温に曝すことによって作製してもよい。焼結助剤は、ダイヤモンドの触媒材料と呼んでもよい。焼結されたPCD材料内の隙間は、完全に又は部分的に、残留する触媒材料で満たされていてもよい。PCDは、PCDのコバルト触媒材料源を提供することができるコバルト接合炭化タングステン基材上に、形成されていてもよい。   Polycrystalline diamond (PCD) material includes a mass of inter-grown diamond grains and gaps between the diamond grains. PCDs may be made by exposing diamond particle agglomerates to high pressures and temperatures in the presence of a sintering aid such as cobalt that can promote intergrowth of diamond particles. The sintering aid may be referred to as a diamond catalyst material. Gaps in the sintered PCD material may be completely or partially filled with residual catalyst material. The PCD may be formed on a cobalt bonded tungsten carbide substrate that can provide a source of cobalt catalyst material for PCD.

PCD材料は、岩石、金属、セラミックス、複合材、及び木材含有材料などの硬質又は研磨材料を切断し、機械加工し、穴を開け、又は分解するための、広く様々な工具で使用されてもよい。例えば、PCD材料を含む工具インサートは、石油ガス掘削産業で地面をボーリングするのに使用されるドリル用ビット内で、広く使用されている。これらの適用例の多くでは、PCD材料が岩石若しくはその他の工作物又は高エネルギーの物体と係合するにつれ、PCD材料の温度が高くなる可能性がある。残念ながら、耐摩耗性、硬度、及び強度などのPCD材料の機械的性質は、高温で悪化する傾向があるが、これは内部に残留する触媒材料によって促進される可能性がある。   PCD materials may be used in a wide variety of tools for cutting, machining, drilling, or disassembling hard or abrasive materials such as rocks, metals, ceramics, composites, and wood-containing materials. Good. For example, tool inserts containing PCD material are widely used in drill bits used to drill the ground in the oil and gas drilling industry. In many of these applications, the temperature of the PCD material can increase as the PCD material engages a rock or other workpiece or high energy object. Unfortunately, the mechanical properties of PCD materials such as wear resistance, hardness, and strength tend to deteriorate at high temperatures, which can be facilitated by the catalyst material remaining inside.

Akaishiらは、the Material Science and Engineering A(1988)、vol.05/106、No.1及び2、517から523頁において、細粒状の均一なミクロ構造を有する十分に焼結されたダイヤモンドを開示しており、このダイヤモンドは、1から5体積%のCo又はNi添加剤を有するダイヤモンド粉末を出発材料として使用した場合に7.7GPa及び2,000℃で合成されたものである。   Akaishi et al., The Material Science and Engineering A (1988), vol. 05/106, no. 1 and 2, pages 517 to 523 disclose fully sintered diamonds having a fine grained uniform microstructure, which diamonds have 1 to 5% by volume of Co or Ni additives. It was synthesized at 7.7 GPa and 2,000 ° C. when powder was used as the starting material.

欧州特許公開EP1931594号は、算術平均焼結直後粒度が1ミクロン未満である多結晶ダイヤモンド(PCD)本体を生成するための方法であって、触媒金属がコバルトなどの鉄族金属を含んでおり且つ焼結圧力が約2.0GPaから7.0GPaの間である方法を開示している。   European Patent Publication EP1931594 is a method for producing a polycrystalline diamond (PCD) body having a grain size of less than 1 micron immediately after arithmetic mean sintering, wherein the catalytic metal comprises an iron group metal such as cobalt and Disclosed is a method wherein the sintering pressure is between about 2.0 GPa and 7.0 GPa.

米国特許出願公開第2005/0133277号は、65キロバール及び1,400℃の焼結圧力及び温度を使用して作製されたPCDを開示している。   US Patent Application Publication No. 2005/0133277 discloses a PCD made using 65 kilobars and a sintering pressure and temperature of 1,400 ° C.

高い耐摩耗性を有する多結晶ダイヤモンド材料が求められている。   There is a need for polycrystalline diamond materials having high wear resistance.

本発明の一態様は、約60%よりも高く、60.5%よりも高く、少なくとも約61.5パーセントであり、又はさらに少なくとも約65%の平均ダイヤモンド粒の近接性(mean diamond grain contiguity)を有するダイヤモンド粒を含む、多結晶ダイヤモンド(PCD)材料を提供する。本発明のいくつかの実施形態では、ダイヤモンド粒が、最大で約80%又は最大で約77%の平均ダイヤモンド粒の近接性を有する。本発明の一実施形態では、平均ダイヤモンド粒の近接性が60.5%から約77%の範囲にあってもよく、一実施形態では、平均ダイヤモンド粒近接性が61.5%から約77%の範囲にあってもよい。   One aspect of the present invention is greater than about 60%, greater than 60.5%, at least about 61.5 percent, or even at least about 65% mean diamond grain consistency. A polycrystalline diamond (PCD) material is provided that includes diamond grains having: In some embodiments of the invention, the diamond grains have an average diamond grain proximity of up to about 80% or up to about 77%. In one embodiment of the present invention, the average diamond grain proximity may be in the range of 60.5% to about 77%, and in one embodiment the average diamond grain proximity is from 61.5% to about 77%. It may be in the range.

本発明のいくつかの実施形態では、ダイヤモンド粒近接性の標準偏差が最大で約4%の近接性、最大で約3%の近接性、又は最大で約2%の近接性であってもよい。   In some embodiments of the invention, the standard deviation of diamond grain proximity may be up to about 4% proximity, up to about 3% proximity, or up to about 2% proximity. .

本発明のいくつかの実施形態では、PCD材料の体積は、少なくとも約0.5mm、少なくとも約75mm、少なくとも約150mm、又は少なくとも約300mmであってもよい。 In some embodiments of the present invention, the volume of the PCD material may be at least about 0.5 mm 2 , at least about 75 mm 2 , at least about 150 mm 2 , or at least about 300 mm 2 .

本発明の一実施形態では、ダイヤモンド粒は、粒子の少なくとも約50%が約5ミクロン超の平均サイズを有するサイズ分布特性を有していてもよい。いくつかの実施形態では、粒子の少なくとも約15%又は少なくとも約20%が、約10ミクロンから約15ミクロンの範囲の平均サイズを有する。   In one embodiment of the invention, the diamond grains may have a size distribution characteristic where at least about 50% of the particles have an average size greater than about 5 microns. In some embodiments, at least about 15% or at least about 20% of the particles have an average size ranging from about 10 microns to about 15 microns.

本発明の一実施形態では、PCD材料は、多峰サイズ分布を有するダイヤモンド粒を含んでいてもよい。   In one embodiment of the present invention, the PCD material may include diamond grains having a multimodal size distribution.

本発明のいくつかの実施形態では、ダイヤモンド粒は、0.5ミクロン超又は1ミクロン超の、そして最大で約60ミクロン、最大で約30ミクロン、最大で約20ミクロン、最大で約15ミクロン、又は最大で約7ミクロンの平均サイズを有していてもよい。本発明のいくつかの実施形態では、PCD材料は、最大で約15ミクロン、約10ミクロン未満又は最大で約8ミクロンの平均サイズを有するダイヤモンド粒を含んでいてもよい。本発明のいくつかの実施形態では、ダイヤモンド粒は、約0.5ミクロンから約20ミクロンの範囲、約0.5ミクロンから約10ミクロンの範囲、又は約1ミクロンから約7ミクロンの範囲の平均サイズを有していてもよい。   In some embodiments of the invention, the diamond grains are greater than 0.5 microns or greater than 1 micron and up to about 60 microns, up to about 30 microns, up to about 20 microns, up to about 15 microns, Or it may have an average size of up to about 7 microns. In some embodiments of the present invention, the PCD material may include diamond grains having an average size of up to about 15 microns, less than about 10 microns, or up to about 8 microns. In some embodiments of the invention, the diamond grains have an average in the range of about 0.5 microns to about 20 microns, in the range of about 0.5 microns to about 10 microns, or in the range of about 1 micron to about 7 microns. You may have a size.

本発明のいくつかの実施形態では、PCD材料中のダイヤモンドの含量は、PCD材料の少なくとも約88体積%、少なくとも約90体積%、又は少なくとも約91体積%であってもよい。一実施形態では、ダイヤモンドの含量は、PCD材料の最大で約99体積%であってもよい。本発明のいくつかの実施形態では、PCD材料のダイヤモンド含量は、PCD材料の約88体積%から約99体積%の範囲、又は約90体積%から約96体積%の範囲であってもよい。   In some embodiments of the invention, the content of diamond in the PCD material may be at least about 88%, at least about 90%, or at least about 91% by volume of the PCD material. In one embodiment, the diamond content may be up to about 99% by volume of the PCD material. In some embodiments of the invention, the diamond content of the PCD material may range from about 88% to about 99% by volume of the PCD material, or from about 90% to about 96% by volume.

一実施形態では、PCD材料はダイヤモンドの触媒材料を含んでいてもよく、一実施形態では、このダイヤモンドの触媒材料の含量は、PCD材料の最大で約9体積%であってもよい。一実施形態では、ダイヤモンドの触媒材料の含量は、PCD材料の少なくとも約1体積%であってもよい。本発明のいくつかの実施形態では、PCD材料は、このPCD材料の約1体積%から約10体積%の範囲、約1体積%から約8体積%の範囲、又は約1から約4体積%の範囲のダイヤモンドの触媒材料を含んでいてもよい。   In one embodiment, the PCD material may include a diamond catalyst material, and in one embodiment, the diamond catalyst material content may be up to about 9% by volume of the PCD material. In one embodiment, the diamond catalyst material content may be at least about 1% by volume of the PCD material. In some embodiments of the invention, the PCD material is in the range of about 1% to about 10%, about 1% to about 8%, or about 1 to about 4% by volume of the PCD material. May contain a diamond catalyst material.

本発明のいくつかの実施形態では、PCDは、最大で約1.5ミクロン、最大で約1.3ミクロン、又は最大で約1ミクロンの平均的な格子間平均自由行程を有していてもよい。本発明のいくつかの実施形態では、PCDは、少なくとも約0.05ミクロン、少なくとも約0.1ミクロン、少なくとも約0.2ミクロン、又は少なくとも約0.5ミクロンの平均的な格子間平均自由行程を有していてもよい。いくつかの実施形態では、PCDは、0.05ミクロンから約1.3ミクロンの範囲、約0.1ミクロンから約1ミクロンの範囲、又は約0.5ミクロンから約1ミクロンの範囲の平均的な格子間平均自由行程を有していてもよい。   In some embodiments of the invention, the PCD may have an average interstitial mean free path of up to about 1.5 microns, up to about 1.3 microns, or up to about 1 micron. Good. In some embodiments of the invention, the PCD has an average interstitial mean free path of at least about 0.05 microns, at least about 0.1 microns, at least about 0.2 microns, or at least about 0.5 microns. You may have. In some embodiments, the PCD is an average in the range of 0.05 microns to about 1.3 microns, in the range of about 0.1 microns to about 1 micron, or in the range of about 0.5 microns to about 1 micron. May have a mean interstitial free path.

本発明のいくつかの実施形態では、平均自由行程の標準偏差は、約0.05ミクロンから約1.5ミクロンの範囲、又は約0.2ミクロンから約1ミクロンの範囲であってもよい。   In some embodiments of the present invention, the standard deviation of mean free path may be in the range of about 0.05 microns to about 1.5 microns, or in the range of about 0.2 microns to about 1 micron.

本発明のいくつかの実施形態では、PCD材料は、少なくとも約0.5ミクロン、少なくとも約1ミクロン、又は少なくとも約1.5ミクロンの平均格子間サイズを有していてもよい。本発明のいくつかの実施形態では、PCD材料は、最大で約3ミクロン又は最大で約4ミクロンの平均格子間サイズを有していてもよい。いくつかの実施形態では、サイズ分布の標準偏差は、最大で約3ミクロン、最大で約2ミクロン、又はさらに最大で約1ミクロンであってもよい。   In some embodiments of the present invention, the PCD material may have an average interstitial size of at least about 0.5 microns, at least about 1 micron, or at least about 1.5 microns. In some embodiments of the present invention, the PCD material may have an average interstitial size of up to about 3 microns or up to about 4 microns. In some embodiments, the standard deviation of the size distribution may be up to about 3 microns, up to about 2 microns, or even up to about 1 micron.

本発明の一実施形態では、PCD材料は、式MxM’yCzの3元炭化物を含むフィルタ材料を含んでいてもよく、Mは、遷移金属及び希土類金属からなる群から選択された少なくとも1種の元素であり、M’は、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Ti、Mg、Zn、及びCdからなる群から選択された元素であり、xは、2.5から5.0の範囲であり、yは、0.5から3.0の範囲であり、zは、0.1から1.2の範囲であり、このPCDは、0.5ミクロンから10ミクロンの範囲の平均サイズを有するダイヤモンド粒を含んでいる。いくつかの実施形態では、Mは、Co、Fe、Ni、Mn、Cr、Pd、Pt、V、Nb、Ta、Ti、Zr、Ce、Y、La、及びScからなる群から選択されてもよい。一実施形態では、xは3であってもよい。一実施形態では、yは1であってもよい。   In one embodiment of the invention, the PCD material may comprise a filter material comprising a ternary carbide of formula MxM'yCz, where M is at least one selected from the group consisting of transition metals and rare earth metals. M ′ is an element selected from the group consisting of Al, Ga, In, Ge, Sn, Pb, Ti, Mg, Zn, and Cd, and x is 2.5 to 5.0. Range, y is in the range of 0.5 to 3.0, z is in the range of 0.1 to 1.2, and the PCD is an average size in the range of 0.5 to 10 microns. Diamond grains having In some embodiments, M may be selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Mn, Cr, Pd, Pt, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Ce, Y, La, and Sc. Good. In one embodiment, x may be 3. In one embodiment, y may be 1.

いくつかの実施形態では、充填剤材料は、3元炭化物材料を少なくとも約30体積%又は少なくとも約40体積%含んでいてもよい。一実施形態では、充填剤材料は、唯一の3元炭化物材料と、遊離した又は結合していないMがこの充填剤材料中に存在しないように1種又は複数のその他の金属間化合物とを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、充填剤材料は、遊離した若しくは未反応の触媒材料、又はCr、V、Nb、Ta、及び/又はTiと共に形成された他の炭化物、又は遊離した若しくは未反応の触媒材料及び他の炭化物の両方を、さらに含んでいてもよい。一実施形態では、充填剤材料は、少なくとも約40体積%又は少なくとも約50体積%のスズをベースにした金属間又は3元炭化物を含んでいてもよい。   In some embodiments, the filler material may comprise at least about 30% by volume or at least about 40% by volume of the ternary carbide material. In one embodiment, the filler material comprises a unique ternary carbide material and one or more other intermetallic compounds such that free or unbound M is not present in the filler material. You may go out. In some embodiments, the filler material is a free or unreacted catalyst material, or other carbide formed with Cr, V, Nb, Ta, and / or Ti, or a free or unreacted catalyst. Both materials and other carbides may further be included. In one embodiment, the filler material may comprise at least about 40% by volume or at least about 50% by volume of intermetallic or ternary carbides based on tin.

本発明のいくつかの実施形態では、PCD材料は、少なくとも約800℃、少なくとも約900℃、又は少なくとも約950℃の酸化開始温度を有していてもよい。   In some embodiments of the present invention, the PCD material may have an oxidation initiation temperature of at least about 800 ° C, at least about 900 ° C, or at least about 950 ° C.

本発明によるPCD材料は、複数のダイヤモンド粒を凝集塊に形成するステップと、このダイヤモンド粒の凝集塊を、ダイヤモンドの金属触媒材料の存在下で、この触媒材料を融解するのに十分高い温度で、6.0GPa超、少なくとも約6.2GPa、又は少なくとも約6.5GPaの圧力で圧力処理に供するステップと、このダイヤモンド粒を焼結してPCD材料を形成するステップとを含む方法によって作製してもよく、この凝集塊中のダイヤモンド粒は、粒子の少なくとも50%が平均サイズ、即ち約5ミクロン超を有するサイズ分布特性を有している。いくつかの実施形態では、粒子の少なくとも約15%又は少なくとも約20%が、約10から約15ミクロンの範囲の平均サイズを有する。本発明のいくつかの実施形態では、圧力は、最大で約8GPaであり、7.7GPaよりも低く、最大で約7.5GPaであり、最大で約7.2GPaであり、又は最大で約7.0GPaである。この方法は、本発明の一態様である。   The PCD material according to the present invention comprises a step of forming a plurality of diamond grains into an agglomerate, and the agglomeration of the diamond grains in a presence of a diamond metal catalyst material at a temperature sufficiently high to melt the catalyst material. And subjecting to pressure treatment at a pressure of greater than 6.0 GPa, at least about 6.2 GPa, or at least about 6.5 GPa, and sintering the diamond grains to form a PCD material. Alternatively, the diamond grains in this agglomerate have a size distribution characteristic in which at least 50% of the particles have an average size, ie, greater than about 5 microns. In some embodiments, at least about 15% or at least about 20% of the particles have an average size ranging from about 10 to about 15 microns. In some embodiments of the present invention, the pressure is up to about 8 GPa, lower than 7.7 GPa, up to about 7.5 GPa, up to about 7.2 GPa, or up to about 7 GPa. 0.0 GPa. This method is one embodiment of the present invention.

本発明の一実施形態では、方法は、添加剤材料を凝集塊に導入するステップを含み、この添加剤材料は、V、Ti、Mo、Zr、W、Ta、Hf、Si、Sn、又はAlから選択された少なくとも1種の元素を含有する。いくつかの実施形態では、添加剤材料は、V、Ti、Mo、Zr、W、Ta、Hf、Si、Sn、又はAlから選択された少なくとも1種の元素を含有する化合物又は粒子を含んでいてもよい。   In one embodiment of the present invention, the method includes introducing an additive material into the agglomerate, the additive material comprising V, Ti, Mo, Zr, W, Ta, Hf, Si, Sn, or Al. Containing at least one element selected from: In some embodiments, the additive material comprises a compound or particle containing at least one element selected from V, Ti, Mo, Zr, W, Ta, Hf, Si, Sn, or Al. May be.

本発明の一実施形態では、方法は、凝集塊内の細孔又は隙間に、ダイヤモンドの触媒材料以外の金属を導入するステップを含んでいてもよい。一実施形態では、金属は、ダイヤモンドの触媒でなくてもよい。一実施形態では、触媒材料はCoを含んでいてもよく、金属はSnであってもよい。   In one embodiment of the present invention, the method may include introducing a metal other than the diamond catalyst material into the pores or gaps in the agglomerates. In one embodiment, the metal may not be a diamond catalyst. In one embodiment, the catalyst material may include Co and the metal may be Sn.

方法の一実施形態では、触媒材料は、金属触媒材料であってもよい。いくつかの実施形態では、触媒材料は、Co、Fe、Ni、及びMnを含んでいてもよく、又はこれらのいずれかを含む合金を含んでいてもよい。   In one embodiment of the method, the catalyst material may be a metal catalyst material. In some embodiments, the catalyst material may include Co, Fe, Ni, and Mn, or may include an alloy that includes any of these.

方法のいくつかの実施形態では、PCD材料は、約1分から約30分の範囲、約2分から約15分の範囲、又は約2分から約10分の範囲の期間にわたり焼結してもよい。   In some embodiments of the method, the PCD material may be sintered over a period of time ranging from about 1 minute to about 30 minutes, ranging from about 2 minutes to about 15 minutes, or ranging from about 2 minutes to about 10 minutes.

方法のいくつかの実施形態では、温度は、約1,400℃から約2,300℃の範囲、約1,400℃から約2,000℃の範囲、1,450℃から約1,700℃の範囲、又は約1,450℃から約1,650℃の範囲であってもよい。   In some embodiments of the method, the temperature is in the range of about 1,400 ° C. to about 2,300 ° C., in the range of about 1,400 ° C. to about 2,000 ° C., 1,450 ° C. to about 1,700 ° C. Or about 1,450 ° C. to about 1,650 ° C.

本発明のいくつかの実施形態では、方法は、PCD材料を、少なくとも約500℃、少なくとも約600℃、又は少なくとも約650℃の温度で、少なくとも約30分間、熱処理に供するステップを含んでいてもよい。いくつかの実施形態では、温度は、最大で約850℃、最大で約800℃、又は最大で約750℃であってもよい。いくつかの実施形態では、PCD本体を、最長約120分間又は最長約60分間の熱処理に供してもよい。一実施形態では、PCD本体を、真空中での熱処理に供してもよい。   In some embodiments of the invention, the method may include subjecting the PCD material to a heat treatment at a temperature of at least about 500 ° C., at least about 600 ° C., or at least about 650 ° C. for at least about 30 minutes. Good. In some embodiments, the temperature may be up to about 850 ° C, up to about 800 ° C, or up to about 750 ° C. In some embodiments, the PCD body may be subjected to a heat treatment of up to about 120 minutes or up to about 60 minutes. In one embodiment, the PCD body may be subjected to heat treatment in vacuum.

本発明の方法の実施形態は、PCD材料を、少なくとも約2GPa、少なくとも約5GPa、又はさらに少なくとも約6GPaでさらなる圧力処理に供するステップを含む。いくつかの実施形態では、さらなる圧力処理を、少なくとも約10秒間又は少なくとも約30秒間の期間にわたり適用してもよい。一実施形態では、さらなる圧力処理を、最長約20分間の期間にわたり適用してもよい。   Embodiments of the method of the present invention include subjecting the PCD material to further pressure treatment at least about 2 GPa, at least about 5 GPa, or even at least about 6 GPa. In some embodiments, additional pressure treatment may be applied over a period of at least about 10 seconds or at least about 30 seconds. In one embodiment, additional pressure treatment may be applied over a period of up to about 20 minutes.

本発明の一実施形態では、方法は、ダイヤモンドの金属触媒材料を、PCD材料のダイヤモンド粒の間の隙間から除去するステップを含んでいてもよい。   In one embodiment of the present invention, the method may include removing the diamond metal catalyst material from the interstices between the diamond grains of the PCD material.

本発明の実施形態は、ある体積の、本発明の態様によるPCD材料の一実施形態を含む、PCD構造の少なくとも一部を、切断し、本体をボーリングし、又は本体を分解するためのPCD構造を提供する。いくつかの実施形態では、PCD材料の体積の少なくとも一部は、約3.5mmから約12.5mmの範囲、又は約4mmから約7mmの範囲の厚さを有していてもよい。   Embodiments of the present invention include an embodiment of a volume of PCD material according to aspects of the present invention for cutting at least a portion of a PCD structure, boring a body, or disassembling a body. I will provide a. In some embodiments, at least a portion of the volume of the PCD material may have a thickness in the range of about 3.5 mm to about 12.5 mm, or in the range of about 4 mm to about 7 mm.

本発明の一実施形態では、PCD構造は、ダイヤモンドの触媒材料を最大で約2体積%含む、表面に隣接する領域、及びダイヤモンドの触媒材料を約2体積%超含む、表面から離れた領域を有していてもよい。いくつかの実施形態では、表面に隣接する領域は、表面から少なくとも約20ミクロン、少なくとも約80ミクロン、少なくとも約100ミクロン、又はさらに少なくとも約400ミクロンの深さまで延びていてもよい。一実施形態では、表面に隣接する領域の少なくとも一部は、一般的な形の層又は階層であってもよい。   In one embodiment of the present invention, the PCD structure comprises a region adjacent to the surface comprising at most about 2% by volume of diamond catalyst material and a region remote from the surface comprising greater than about 2% by volume of diamond catalyst material. You may have. In some embodiments, the region adjacent to the surface may extend from the surface to a depth of at least about 20 microns, at least about 80 microns, at least about 100 microns, or even at least about 400 microns. In one embodiment, at least a portion of the region adjacent to the surface may be a generally shaped layer or hierarchy.

本発明の実施形態は、本発明の態様によるPCD構造の実施形態を含む、本体を切断し、本体をボーリングし、又は本体を分解するための工具又は工具構成要素を提供する。いくつかの実施形態では、工具又は工具構成要素は、切断し、粉砕し、研削し、穴を開け、地面をボーリングし、削岩し、又はその他の研磨の適用例、例えば金属を切断し機械加工するためのものであってもよい。一実施形態では、工具構成要素は、石油ガス掘削産業で使用される、地面をボーリングするための、回転剪断切断ビットなどのドリル用ビットのインサートであってもよい。一実施形態では、工具は、地面をボーリングするための回転ドリル用ビットであってもよい。   Embodiments of the present invention provide a tool or tool component for cutting a body, boring the body, or disassembling the body, including embodiments of PCD structures according to aspects of the present invention. In some embodiments, the tool or tool component is cut, crushed, ground, drilled, grounded, drilled, rock drilled, or other abrasive applications, such as cutting metal and machine It may be for processing. In one embodiment, the tool component may be a drill bit insert, such as a rotary shear cutting bit, for boring the ground used in the oil and gas drilling industry. In one embodiment, the tool may be a rotary drill bit for boring the ground.

一実施形態では、インサートは、本発明によるPCD材料の実施形態を含み、この材料は接合炭化物基材に結合され、インサートは地面をボーリングするためのドリル用ビットに用いられる。   In one embodiment, the insert includes an embodiment of a PCD material according to the present invention, which is bonded to a bonded carbide substrate, and the insert is used in a drill bit for boring the ground.

本発明の一実施形態では、工具構成要素は、界面で接合炭化物基材に結合されたPCD構造の実施形態を含んでいてもよい。一実施形態では、PCD構造は、接合炭化物基材と一体的に形成されていてもよい。一実施形態では、界面は実質的に平面であってもよい。一実施形態では、界面は、実質的に非平面であってもよい。   In one embodiment of the present invention, the tool component may include an embodiment of a PCD structure bonded to a bonded carbide substrate at an interface. In one embodiment, the PCD structure may be integrally formed with the bonded carbide substrate. In one embodiment, the interface may be substantially planar. In one embodiment, the interface may be substantially non-planar.

次に非限定的な実施形態について、図面を参照しながら記述する。   Non-limiting embodiments will now be described with reference to the drawings.

PCD材料の実施形態の、ミクロ構造の概略図を示す。FIG. 3 shows a schematic diagram of a microstructure of an embodiment of a PCD material. PCD材料の実施形態の、研磨切片の顕微鏡写真の処理画像を示す図である。FIG. 3 shows a processed image of a micrograph of a polished section of an embodiment of a PCD material. PCD材料の実施形態のダイヤモンド粒近接性の度数分布であって、適合正規曲線をこの分布上に重ね合わせた状態を示す図である。It is a frequency distribution of the diamond grain proximity | contact of embodiment of a PCD material, Comprising: It is a figure which shows the state which piled up the fitting normal curve on this distribution. PCD材料の実施形態に関する、水平軸上に示された円相当径(ECD)粒度の数頻度グラフを示す図である。FIG. 5 shows a number frequency graph of equivalent circle diameter (ECD) particle size shown on the horizontal axis for an embodiment of PCD material. 地面をボーリングするための回転ドリル用ビットのインサートの、実施形態の概略図を示す。FIG. 2 shows a schematic view of an embodiment of a rotary drill bit insert for boring the ground.

全ての図面において、同じ符号は同じフィーチャを指す。   In all the drawings, the same reference numerals refer to the same features.

本明細書で使用される「多結晶ダイヤモンド」(PCD)材料は、一塊のダイヤモンド粒であって、そのかなりの部分が互いに直接相互結合しており且つダイヤモンドの含量がこの材料の少なくとも約80体積%であるものを含む。PCD材料の一実施形態では、ダイヤモンド粒の間の隙間は、ダイヤモンドの触媒を含む結合材料で少なくとも部分的に満たされていてもよい。本明細書で使用される「隙間」又は「格子間領域」は、PCD材料のダイヤモンド粒の間の領域である。PCD材料の実施形態では、隙間又は格子間領域は、ダイヤモンド以外の材料で実質的に又は部分的に満たされていてもよく、又は実質的に空であってもよい。PCD材料の実施形態は、触媒材料が隙間から除去されてダイヤモンド粒の間に格子間空隙を残している、少なくとも1つの領域を含んでいてもよい。   As used herein, a “polycrystalline diamond” (PCD) material is a lump of diamond grains, a substantial portion of which is directly interconnected with each other, and the diamond content is at least about 80 volume of the material. % Is included. In one embodiment of the PCD material, the gaps between the diamond grains may be at least partially filled with a binding material comprising a diamond catalyst. As used herein, “gap” or “interstitial region” is the region between diamond grains of PCD material. In embodiments of the PCD material, the gaps or interstitial regions may be substantially or partially filled with a material other than diamond, or may be substantially empty. Embodiments of the PCD material may include at least one region in which the catalyst material is removed from the gap leaving an interstitial void between the diamond grains.

定量的ステレオグラフィーの分野では、特に接合炭化物材料に適用されるように、「近接性」は相間接触の定量的尺度と理解される。「近接性」は、実質的に2相のミクロ構造における、同じ相の粒子と共有される相の内部表面積と定義される(Underwood,E.E.、「定量的ステレオグラフィー(Quantitative Stereography)」、Addison−Wesley、Reading MA 1970;German,R.M.、「液相焼結ミクロ構造の近接性(The Contiguity of Liquid Phase Sintered Microstructures)」、Metallurgical Transactions A、Vol.16A、1985年7月、1247〜1252頁)。本明細書で使用される「ダイヤモンド粒の近接性」は、ダイヤモンド同士の接触若しくは結合、又はPCD材料内での接触及び結合の組合せの尺度である。   In the field of quantitative stereography, “proximity” is understood as a quantitative measure of interphase contact, particularly as applied to bonded carbide materials. “Proximity” is defined as the internal surface area of a phase shared by particles of the same phase in a substantially two-phase microstructure (Underwood, EE, “Quantitative Stereography”). , Addison-Wesley, Reading MA 1970; German, RM, “The Contiguity of Liquid Phase Sintered Microstructures, 1989, Metallurgical Transact. 1247-1252). As used herein, “diamond proximity” is a measure of contact or bonding between diamonds, or a combination of contact and bonding within a PCD material.

本明細書で使用される「金属」材料は、非合金又は合金形態にあり且つ高伝導率などの金属の特徴的性質を有する金属を含むと理解される。   As used herein, “metal” materials are understood to include metals that are in a non-alloyed or alloyed form and that have metallic properties such as high conductivity.

ダイヤモンド用の溶媒/触媒材料と呼んでもよい、本明細書で使用されるダイヤモンドの「触媒材料」は、ダイヤモンドの成長又はダイヤモンド粒の間の直接的なダイヤモンド間相互成長を、ダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力及び温度条件で促進させることが可能な材料を意味する。   As used herein, diamond “catalyst material”, which may be referred to as a solvent / catalyst material for diamond, refers to the growth of diamond or direct inter-growth between diamond grains, where the diamond is thermodynamic. Means a material that can be promoted under stable pressure and temperature conditions.

充填剤材料は、多結晶構造内の細孔、隙間、又は格子間領域を全体的に又は部分的に満たす材料を意味すると理解される。   Filler material is understood to mean a material that fully or partially fills the pores, gaps or interstitial regions within the polycrystalline structure.

粒子のサイズは、円相当径(ECD)という用語で表してもよい。本明細書で使用される、粒子の「円相当径」(ECD)は、粒子内を通る断面と同じ面積を有する円の直径である。複数の粒子のECDサイズ分布及び平均サイズは、個々の結合されていない粒子ごとに又は本体内に一まとめに結合された粒子に関して、本体内を通る断面又は本体の表面の画像解析を用いて測定してもよい。   The size of the particles may be expressed in terms of equivalent circle diameter (ECD). As used herein, the “equivalent circle diameter” (ECD) of a particle is the diameter of a circle having the same area as the cross section through the particle. The ECD size distribution and average size of multiple particles is measured using individual cross-sections through the body or image analysis of the surface of the body for each individual unbound particle or for particles bound together in the body. May be.

本明細書で使用される「平均(average)」及び「平均(mean)」という単語は、同じ意味を有し、互いに交換可能である。   As used herein, the terms “average” and “mean” have the same meaning and are interchangeable.

図1及び図2を参照すると、PCD材料10の実施形態は、60.5%超の平均ダイヤモンド粒の近接性を有するダイヤモンド粒12を含む。ダイヤモンド粒12は、これら粒子の間の隙間又は格子間領域14を画定する骨格塊を形成する。PCD材料の切片内でダイヤモンド粒の間の全ての結合又は接触界面16上に存在する全ての点を通過する線を合わせた長さを合計して、ダイヤモンドの周の長さを決定し、PCD材料の切片内でダイヤモンドと格子間領域の間の全ての界面18上に存在する全ての点を通過する線を合わせた長さを合計して、結合剤の周の長さを決定する。   With reference to FIGS. 1 and 2, an embodiment of the PCD material 10 includes diamond grains 12 having an average diamond grain proximity of greater than 60.5%. The diamond grains 12 form a skeletal mass that defines gaps or interstitial regions 14 between the grains. The length of the perimeter of the diamond is determined by summing the combined lengths of all the points passing through all points present on the bonding interface or contact interface 16 between the diamond grains within the section of the PCD material, and determining the perimeter of the diamond The combined length of the lines passing through all the points present on all the interfaces 18 between the diamond and the interstitial region in the section of material is determined to determine the perimeter of the binder.

本明細書で使用される「ダイヤモンド粒近接性」κは、PCD材料の研磨切片の画像解析から得られたデータを使用して、下式により計算される。
κ=100×[2×(δ−β)]/[(2×(δ−β))+δ]
(式中、δはダイヤモンドの周の長さであり、βは結合剤の周の長さである)。
As used herein, “diamond grain proximity” κ is calculated by the following equation using data obtained from image analysis of polished sections of PCD material.
κ = 100 × [2 × (δ−β)] / [(2 × (δ−β)) + δ]
(Where δ is the circumference of the diamond and β is the circumference of the binder).

本明細書で使用されるダイヤモンドの周の長さは、その他のダイヤモンド粒に接触しているダイヤモンド粒表面の一部である。この値は、全体的なダイヤモンド間接触面積を、全体的なダイヤモンド粒表面積で割った値として、所与の体積に関して測定される。結合剤の周の長さは、その他のダイヤモンド粒に接触していないダイヤモンド粒表面の一部である。実際に、近接性の測定は、研磨切片の表面の画像解析によって実施される。解析切片において全てのダイヤモンド間界面上に存在する全ての点を通過する線を合わせた長さを合計して、ダイヤモンドの周の長さを決定し、結合剤の周の長さに関しても同様に行う。   As used herein, the perimeter of a diamond is the portion of the diamond grain surface that is in contact with other diamond grains. This value is measured for a given volume as the overall inter-diamond contact area divided by the overall diamond grain surface area. The circumference of the binder is a part of the diamond grain surface that is not in contact with other diamond grains. In practice, the proximity measurement is performed by image analysis of the surface of the polished section. The total length of the lines passing through all points present on all inter-diamond interfaces in the analytical section is summed to determine the circumference of the diamond, and the same is true for the circumference of the binder. Do.

画像解析に使用される画像は、後方散乱電子信号を使用して撮影された、走査型電子顕微鏡写真(SEM)を用いて得られるべきである。光学電子顕微鏡写真は、十分な焦点深度を有していなくてもよく、実質的に異なるコントラストを与えてもよい。ダイヤモンド粒近接性を測定する方法では、互いに接触し又は結合している全く異なるダイヤモンド粒を、単一のダイヤモンド粒とは区別することができる必要がある。ダイヤモンド粒とこれらダイヤモンド粒間の境界領域との間の適切なコントラストは、近接性の測定で重要である可能性があるが、それは粒子間の境界をグレースケールコントラストに基づいて特定できるからである。ダイヤモンド粒間の境界領域は、粒子間の境界の特定を支援することができる触媒材料などの含まれた材料を含有していてもよい。   Images used for image analysis should be obtained using scanning electron micrographs (SEM) taken using backscattered electron signals. An optical electron micrograph may not have sufficient depth of focus and may provide a substantially different contrast. A method for measuring diamond grain proximity requires that distinct diamond grains in contact with or bonded to each other can be distinguished from a single diamond grain. Appropriate contrast between diamond grains and the boundary region between these diamond grains can be important in proximity measurements because the boundaries between grains can be identified based on grayscale contrast. . The boundary region between the diamond grains may contain an included material such as a catalyst material that can assist in identifying the boundary between the particles.

図2は、PCD材料10の研磨切片の処理されたSEM画像の例を示し、ダイヤモンド粒12の間の境界16が示されている。これらの境界線16は、画像解析ソフトウェアによって得られ、ダイヤモンドの周の長さを測定し引き続きダイヤモンド粒近接性を計算するのに使用された。非ダイヤモンド領域14は暗色領域として示され、結合剤の周の長さは、ダイヤモンド12と非ダイヤモンド又は格子間領域14との間の境界18の累積長さから得られた。   FIG. 2 shows an example of a processed SEM image of a polished section of PCD material 10, where the boundaries 16 between the diamond grains 12 are shown. These boundaries 16 were obtained by image analysis software and were used to measure the circumference of the diamond and subsequently calculate the diamond grain proximity. The non-diamond region 14 is shown as a dark region, and the perimeter of the binder was derived from the cumulative length of the boundary 18 between the diamond 12 and the non-diamond or interstitial region 14.

図3を参照すると、その処理画像が図2に示されている、PCD材料の実施形態に関して測定された平均ダイヤモンド粒近接性は、約62%である。測定されたデータを、正規又はガウス曲線に当て嵌めた状態が示されており、そこからダイヤモンド粒近接性の標準偏差を決定することができる。   Referring to FIG. 3, the average diamond grain proximity measured for the PCD material embodiment, whose processed image is shown in FIG. 2, is about 62%. The measured data is shown fitted to a normal or Gaussian curve, from which the standard deviation of diamond grain proximity can be determined.

PCDなどの隙間又は格子間領域を含んだ内部構造を含む多結晶材料内の、本明細書で使用される「格子間平均自由行程」は、格子間の周の長さ上の異なる点の間のそれぞれの格子間を横断する平均距離を意味すると理解される。平均的な平均自由行程は、研磨サンプル断面の顕微鏡写真上に描かれた多くの線の長さを平均することによって決定される。平均自由行程の標準偏差は、これらの値の標準偏差である。ダイヤモンド平均自由行程は、同様に画定され測定される。   As used herein, “interstitial mean free path” within a polycrystalline material that includes an internal structure that includes interstitial or interstitial regions such as PCD is the difference between the perimeters of interstitial lengths. Is understood to mean the average distance traversed between each of the grids. The average mean free path is determined by averaging the lengths of many lines drawn on a micrograph of a polished sample cross section. The standard deviation of the mean free path is the standard deviation of these values. The diamond mean free path is similarly defined and measured.

PCD構造の均質性又は均一性は、研磨切片の多数の顕微鏡写真を使用して統計的評価を実施することにより定量することができる。次いで電子顕微鏡法を使用してダイヤモンド相の分布と容易に区別することが可能な充填剤相の分布を、EP0974566(WO2007/110770も参照)に開示されているものと同様の方法で測定することができる。この方法は、ミクロ構造内を通るいくつかの任意に描かれた線に沿った結合剤相の、平均厚さの統計的評価を可能にする。この結合剤の厚さ測定は、当業者から「平均自由行程」とも呼ばれる。類似した全体組成又は結合剤含量及び平均ダイヤモンド粒度の2種の材料の場合、より小さな平均厚さを有する材料は、より均質になる傾向があるが、それはダイヤモンド相の結合剤がより微細なスケールの分布を示唆しているからである。さらに、この測定の標準偏差が小さくなるほど、構造はより均質になる。大きな標準偏差は、結合剤の厚さがミクロ構造全体にわたって広く変化することを示唆し、即ち構造が均等ではなく、広く異なる構造タイプを含むことを示唆する。   The homogeneity or uniformity of the PCD structure can be quantified by performing a statistical evaluation using a number of micrographs of the polished section. The distribution of the filler phase, which can then be easily distinguished from the distribution of the diamond phase using electron microscopy, is then measured in a manner similar to that disclosed in EP 0974756 (see also WO 2007/110770). Can do. This method allows a statistical evaluation of the average thickness of the binder phase along several arbitrarily drawn lines that pass through the microstructure. This binder thickness measurement is also referred to as “mean free path” by those skilled in the art. In the case of two materials with similar overall composition or binder content and average diamond particle size, materials with smaller average thickness tend to be more homogeneous, although the diamond phase binder has a finer scale. This is because it suggests the distribution of. Furthermore, the smaller the standard deviation of this measurement, the more homogeneous the structure. A large standard deviation suggests that the binder thickness varies widely throughout the microstructure, i.e., the structure is not uniform and includes widely different structure types.

例示のため、多峰粒度分布の1つの非限定的な例を示す図4を参照すると、一塊の粒子の多峰サイズ分布は、粒子が複数のピーク20を有しており、各ピーク20はそれぞれの「モード」に対応しているサイズ分布を有することを意味すると理解される。多峰性多結晶(multimodal polycrystalline)本体は、典型的には、複数の粒子の複数の供給源を提供するステップであって、各供給源が実質的に異なる平均サイズを有する粒子を含んでいるステップと、この供給源からの粒子(複数可)を一緒にブレンドするステップとによって作製される。ブレンドされた粒子のサイズ分布の測定は、全く異なるモードに対応する全く異なるピークを明らかにすることができる。粒子が一緒に焼結されて多結晶本体を形成する場合、そのサイズ分布は、粒子が互いに圧縮され破砕されるにつれてさらに変化し、その結果、粒子のサイズが全体的に縮小する。それにも関わらず、粒子の多峰性は、焼結物品の画像解析から、依然として明らかに示すことができる。   For illustration purposes, referring to FIG. 4, which shows one non-limiting example of a multimodal particle size distribution, the multimodal size distribution of a lump of particles is that the particle has multiple peaks 20, each peak 20 being It is understood to mean having a size distribution corresponding to each “mode”. A multimodal polycrystalline body typically includes providing a plurality of sources of a plurality of particles, each source comprising particles having a substantially different average size. And by blending together the particle (s) from this source. Measurement of the size distribution of the blended particles can reveal completely different peaks corresponding to completely different modes. When the particles are sintered together to form a polycrystalline body, the size distribution further changes as the particles are compressed and crushed together, resulting in an overall reduction in the size of the particles. Nevertheless, the multimodality of the particles can still be clearly shown from image analysis of the sintered article.

本明細書で特に指示しない限り、PCD材料内の粒子及び隙間に関するサイズ、距離、周の長さ、ECD、及び平均自由行程などの寸法、並びに粒子の近接性は、PCD材料を含む本体の表面又は本体内を通る切片で測定された寸法を指し、立体写真補正は適用されなかった。例えば、図4に示されるダイヤモンド粒のサイズ分布は、研磨表面で実施された画像解析を用いて測定し、Saltykov補正は適用しなかった。   Unless otherwise indicated herein, dimensions, such as size, distance, perimeter, ECD, and mean free path, as well as particle proximity in the PCD material are determined by the surface of the body containing the PCD material. Or it refers to the dimension measured in a section passing through the body, and no stereographic correction was applied. For example, the size distribution of the diamond grains shown in FIG. 4 was measured using image analysis performed on the polished surface, and Saltykov correction was not applied.

粒子の近接性などの、量の平均値及び偏差の測定、又は画像解析を用いて測定されたその他の統計的パラメータの測定では、表面又は切片の異なる部分のいくつかの画像を使用して、統計の信頼性及び精度を高める。所与の量又はパラメータを測定するのに使用される画像の数は、少なくとも約9又はさらに約36までであってもよい。使用される画像の数は、約16であってもよい。画像の解像度は、粒子間及び相間境界が明らかに表示されるように十分高いことが必要である。統計的解析では、PCD材料を含む本体の表面上の種々の領域で、典型的には16の画像が撮影され、統計的解析は、各画像上並びに全画像に渡って実施される。各画像は、少なくとも約30のダイヤモンド粒を含有すべきであるが、より多くの粒子であればより信頼性があり且つ正確な統計的画像解析が可能になる。   In measuring the mean and deviation of quantities, such as particle proximity, or other statistical parameters measured using image analysis, we use several images of different parts of the surface or section, Increase the reliability and accuracy of statistics. The number of images used to measure a given quantity or parameter may be at least about 9 or even up to about 36. The number of images used may be about 16. The resolution of the image needs to be high enough so that the interparticle and interphase boundaries are clearly displayed. In statistical analysis, typically 16 images are taken at various regions on the surface of the body containing PCD material, and statistical analysis is performed on each image as well as across all images. Each image should contain at least about 30 diamond grains, but more particles allow for more reliable and accurate statistical image analysis.

触媒材料は、当技術分野で公知の方法のいずれかで焼結するために、ダイヤモンド粒の凝集塊に導入されていてもよい。1つの方法は、凝集塊への圧密化を形成する前に水溶液から沈殿させることによって、複数のダイヤモンド粒の表面上に金属酸化物を堆積するステップを含む。そのような方法は、PCT公開番号WO2006/032984及びWO2007/110770にも開示されている。別の方法は、粉末形態にあるコバルト−スズ合金などのダイヤモンドの触媒材料を含む金属合金を調製し又は提供するステップと、凝集塊にこれらを圧密化する前に、粉末と複数のダイヤモンド粒とをブレンドするステップとを含む。ブレンドするステップは、ボールミルを用いて実施してもよい。その他の添加剤を、凝集塊にブレンドしてもよい。   The catalyst material may be introduced into the agglomerates of diamond grains for sintering by any method known in the art. One method includes depositing a metal oxide on the surface of the plurality of diamond grains by precipitation from an aqueous solution prior to forming a consolidation into agglomerates. Such a method is also disclosed in PCT publication numbers WO2006 / 032984 and WO2007 / 110770. Another method includes the steps of preparing or providing a metal alloy comprising a diamond catalyst material, such as a cobalt-tin alloy in powder form, and prior to consolidating them into agglomerates, the powder and a plurality of diamond grains. Blending. The blending step may be performed using a ball mill. Other additives may be blended into the agglomerates.

一実施形態では、導入されていてもよい任意の触媒材料粒子又は添加剤材料粒子を含むダイヤモンド粒の凝集塊が、結合されていない又は緩く結合されている構造に形成されていてもよく、これを接合炭化物基材上に配置してもよい。接合炭化物基材は、コバルトなどの、ダイヤモンドの触媒材料の供給源を含有してもよい。凝集塊及び基材のアセンブリは、超高圧炉装置に適したカプセルであって6GPaよりも高い圧力の下に置くことが可能なカプセルに包封されていてもよい。ベルト、トロイド形、立方体、及び四角形のマルチアンビルシステムを含めた様々な種類の超高圧装置は公知であり、使用することができる。カプセルの温度は、触媒材料供給源が融解するように十分高く、且つダイヤモンドから黒鉛への実質的な変換が回避されるように十分低くあるべきである。時間は、焼結が完了するように十分長く、しかし生産性を最大限にしコストを低減させるため可能な限り短くあるべきである。   In one embodiment, the agglomerates of diamond grains, including any catalyst material particles or additive material particles that may have been introduced, may be formed into an unbonded or loosely bonded structure. May be disposed on the bonded carbide substrate. The bonded carbide substrate may contain a source of diamond catalyst material, such as cobalt. The agglomerate and substrate assembly may be encapsulated in a capsule suitable for an ultra-high pressure furnace apparatus that can be placed under a pressure higher than 6 GPa. Various types of ultra high pressure devices are known and can be used, including belt, toroidal, cubic, and square multi-anvil systems. The capsule temperature should be high enough so that the catalyst material source melts and low enough so that substantial conversion of diamond to graphite is avoided. The time should be long enough to complete the sintering, but as short as possible to maximize productivity and reduce costs.

PCT公開番号WO2009/027948は、ダイヤモンド相及び充填剤材料を含む多結晶ダイヤモンド材料であって、充填剤材料が3元炭化物を含んでいる材料について記述しており、PCT公開番号WO2009/027949は、相互成長ダイヤモンド粒と、金属触媒と共に形成されたスズをベースにした金属間又は3元炭化物化合物を含む充填剤材料とを含む、多結晶ダイヤモンド材料について記述している。   PCT Publication No. WO2009 / 027948 describes a polycrystalline diamond material that includes a diamond phase and a filler material, where the filler material contains ternary carbides, and PCT Publication No. WO2009 / 027949 is A polycrystalline diamond material is described that includes intergrown diamond grains and a filler material comprising a tin-based intermetallic or ternary carbide compound formed with a metal catalyst.

本発明によるPCD材料には、耐摩耗性を高める利点がある。この材料は、強度を高め且つ熱安定性を高める利点を有していてもよい。これらの利点のいずれか又は全ては、PCD材料の高いダイヤモンド近接性から得ることができる。平均ダイヤモンド粒の近接性が約60%よりもかなり低い場合、高い耐摩耗性、強度、若しくは熱安定性、又はこれらの性質の組合せを、示すことができない。本発明のいくつかの実施形態では、高いダイヤモンド粒近接性は、粒度分布特性が本発明の実施形態により選択される多峰サイズ分布を有するダイヤモンド粒の使用から、得ることができる。ダイヤモンド粒近接性の標準偏差が、約4%の近接性よりもかなり高い場合、高い平均粒近接性を有することから生じる利点は、かなり低減される可能性がある。ダイヤモンド粒近接性が、約80%よりもかなり高く又はさらに約77%よりも高い場合、PCD材料の耐破壊性は低すぎる可能性がある。PCD材料の体積が約0.5mmよりもかなり少ない場合、ある切断操作又は穴を開ける操作で実際に使用するのに小さすぎる可能性がある。 The PCD material according to the invention has the advantage of increasing the wear resistance. This material may have the advantage of increasing strength and increasing thermal stability. Any or all of these advantages can be derived from the high diamond proximity of the PCD material. If the average diamond grain proximity is much lower than about 60%, high wear resistance, strength, or thermal stability, or a combination of these properties cannot be shown. In some embodiments of the present invention, high diamond grain proximity can be obtained from the use of diamond grains having a multimodal size distribution in which the particle size distribution characteristics are selected according to embodiments of the present invention. If the standard deviation of diamond grain proximity is much higher than about 4% proximity, the benefits resulting from having high average grain proximity may be significantly reduced. If the diamond grain proximity is significantly higher than about 80% or even higher than about 77%, the fracture resistance of the PCD material may be too low. If the volume of the PCD material is much less than about 0.5 mm 2 , it may be too small for practical use in certain cutting or drilling operations.

本発明の実施形態は、高い強度、耐摩耗性、及び熱安定性を有する。高い近接性及び粒子間結合は、高い強度、耐摩耗性、及び熱安定性をもたらすことができる。理論に拘泥するものではないが、高い熱安定性又は耐熱性は、ミクロ構造内の触媒材料とダイヤモンドとの間の狭い界面領域に起因する可能性がある。   Embodiments of the present invention have high strength, wear resistance, and thermal stability. High proximity and interparticle bonding can provide high strength, wear resistance, and thermal stability. Without being bound by theory, the high thermal stability or heat resistance can be attributed to the narrow interfacial area between the catalyst material and the diamond within the microstructure.

本発明によるPCD材料の実施形態は、高いダイヤモンド近接性及び高い粒子間結合、ダイヤモンド粒のより均質な空間分布、低い多孔率及びより少ない全触媒含量を示し、これら全ては、概して有益であると見なすことができる。改善された均質性は、使用中のPCDの性能に少ないばらつきをもたらす可能性がある。   Embodiments of the PCD material according to the present invention show high diamond proximity and high interparticle bonding, more homogeneous spatial distribution of diamond grains, low porosity and less total catalyst content, all of which are generally beneficial. Can be considered. Improved homogeneity can result in less variation in the performance of the PCD in use.

本発明のいくつかの実施形態では、一方では高い近接性及び/又は高い均質性及び/又はPCD内の金属触媒の低い含量と、他方では少なくとも2つのピーク若しくはモード、又は少なくとも3つのピーク若しくはモードを含むサイズ分布との組合せが、PCDの耐摩耗性及びその他の性質の実質的な改善をもたらすことができ、その結果、削岩又は地面のボーリングの適用例、特に剪断切断による削岩において、多結晶ダイヤモンド要素の高い使用寿命及び切断又は貫入速度をもたらすことができる。この特徴の組合せは、相乗的である可能性がある。   In some embodiments of the invention, on the one hand high proximity and / or high homogeneity and / or low content of metal catalyst in the PCD and on the other hand at least two peaks or modes, or at least three peaks or modes. In combination with a size distribution that can lead to a substantial improvement in the wear resistance and other properties of PCD, so that in rock drilling or ground boring applications, especially in rock drilling by shear cutting, High service life and cutting or penetration rates of polycrystalline diamond elements can be provided. This combination of features may be synergistic.

ダイヤモンド用の金属触媒材料は、優れた粒子間ダイヤモンド結合及び焼結をもたらすことができ、その結果、高い耐摩耗性及び強度を有するPCD材料をもたらすことができる。しかし、残留する金属触媒材料は、焼結したPCD内に在り続け、ダイヤモンド粒間の隙間に位置付けられている可能性があり、PCD材料の熱安定性を低下させる可能性がある。「熱安定性」は、温度の関数として、特に約700℃まで又はさらに約800℃までの温度の関数として、耐摩耗性や強度などのPCD材料の重要な機械的性質の相対強度を指す。6.0GPa超の圧力を使用したPCD材料の焼結は、金属充填剤材料を含むPCDの熱安定性を高め易くなる可能性がある。焼結PCD中の少量の触媒材料は、熱安定性を高める可能性がある。これは触媒材料が、使用中に典型的には主に用いられる高い温度及び周囲圧力で、ダイヤモンドから黒鉛への再変換を促進させることができるからである。そのような再変換は、PCD材料を著しく弱める可能性がある。さらに、金属触媒材料は一般に、ダイヤモンドよりもさらに高い熱膨張係数を有し、その存在によって、温度が上昇し又は低下するにつれてPCD内の内部応力が増大する可能性があり、それが材料を弱くする可能性がある。金属触媒材料は、酸化も受け易い可能性があり、したがってさらに内部応力が増大する可能性がある。   Metal catalyst materials for diamond can provide excellent interparticle diamond bonding and sintering, and as a result, PCD materials with high wear resistance and strength. However, the remaining metal catalyst material may remain in the sintered PCD and may be located in the gaps between the diamond grains, which may reduce the thermal stability of the PCD material. “Thermal stability” refers to the relative strength of important mechanical properties of the PCD material, such as wear resistance and strength, as a function of temperature, in particular as a function of temperature up to about 700 ° C. or even up to about 800 ° C. Sintering of PCD materials using pressures greater than 6.0 GPa can facilitate increasing the thermal stability of PCDs containing metal filler materials. A small amount of catalyst material in the sintered PCD can increase thermal stability. This is because the catalyst material can facilitate the reconversion of diamond to graphite at the high temperatures and ambient pressures typically used during use. Such reconversion can significantly weaken the PCD material. In addition, metal catalyst materials generally have a higher coefficient of thermal expansion than diamond, and their presence can increase internal stress in the PCD as the temperature increases or decreases, which weakens the material. there's a possibility that. Metal catalyst materials may also be susceptible to oxidation, thus further increasing internal stress.

本発明による工具の実施形態は、高い性能を有する。特に、高いダイヤモンド粒近接性を有し且つ6GPa超の圧力を使用して焼結されたPCDを含むインサートを備えた、地面をボーリングするドリル用ビットは、石油ガス掘削の適用例で優れた性能を示すことができる。同様の利益は、その他の触媒材料が使用される場合にも得ることができる。   The embodiment of the tool according to the invention has a high performance. In particular, drill bits for drilling the ground with high diamond grain proximity and inserts containing PCD sintered using pressures above 6 GPa have excellent performance in oil and gas drilling applications Can be shown. Similar benefits can be obtained when other catalyst materials are used.

PCD材料を焼結するのに使用される圧力が約6GPa未満である場合、ダイヤモンド粒近接性は十分に高くない可能性があり、耐摩耗性、熱安定性、及び強度などのある機械的性質は、実質的に高くない可能性がある。本発明の方法の実施形態では、より大きな反応体積を使用して、その結果より大きな物品を焼結することができるようにするために、圧力は、できる限り低いが依然として6GPa超であることがより望ましいと考えられる。より低い圧力の使用は、コスト及び設計政策の複雑さを低減させることができる。ダイヤモンド粒が1ミクロン以下の平均サイズを有する本発明の方法のいくつかの実施形態では、約7.0GPa超の焼結圧力によって、サブミクロンダイヤモンド粒の焼結を改善することができる。   If the pressure used to sinter the PCD material is less than about 6 GPa, the diamond grain proximity may not be high enough and some mechanical properties such as wear resistance, thermal stability, and strength May not be substantially high. In an embodiment of the method of the invention, the pressure should be as low as possible but still above 6 GPa in order to be able to use a larger reaction volume and consequently sinter larger articles. More desirable. The use of lower pressure can reduce cost and design policy complexity. In some embodiments of the method of the present invention where the diamond grains have an average size of 1 micron or less, sintering pressures greater than about 7.0 GPa can improve the sintering of the submicron diamond grains.

本発明の方法の実施形態は、焼結によってより高い温度を使用してPCD材料を形成することができるという利点を有し、これは材料の性質に、特に使用される充填剤材料及び/又は触媒材料が比較的高い融点を有する場合に有益となり得る可能性がある。   Embodiments of the method of the present invention have the advantage that the PCD material can be formed using higher temperatures by sintering, which depends on the nature of the material, especially the filler material used and / or It can be beneficial if the catalyst material has a relatively high melting point.

本発明の方法の実施形態は、多結晶ダイヤモンド材料が3元炭化物材料を含んだ充填剤材料を含む場合、特に有益となり得るものであり、特にPCD材料の熱安定性を高くすることができる。これは3元金属炭化物がダイヤモンドに対して比較的不活性である可能性があることにより生ずると考えられる。本発明の方法の実施形態は、ダイヤモンドの金属触媒と共に形成されたスズをベースにした金属間又は3元炭化物化合物を含んだ充填剤材料を含むタイプのPCD材料にとって、特に有益となり得る。本発明の方法の実施形態は、コバルト及びスズを含む充填剤材料を有するPCD材料であって、平均ダイヤモンド粒度が約10ミクロン未満であり且つ充填剤材料の少なくとも一部が浸透によって導入されている材料を作製する場合に、特に有益となり得る。本発明の方法の実施形態は、PCD構造の上面付近で生じ易い不十分な焼結に伴う欠陥の発生を、実質的に低減させるという利点を有する。その結果、より少ないPCD要素が拒絶され、改善されたプロセスの経済性をもたらすことができる。PCD材料は、高い強度、耐摩耗性、及び熱安定性を、耐酸化性も含めて有する傾向があると考えられる。   Embodiments of the method of the present invention can be particularly beneficial when the polycrystalline diamond material includes a filler material that includes a ternary carbide material, and in particular can increase the thermal stability of the PCD material. This is believed to occur because the ternary metal carbide can be relatively inert to diamond. Embodiments of the method of the present invention may be particularly beneficial for types of PCD materials that include a tin-based intermetallic or ternary carbide compound-containing filler material formed with a diamond metal catalyst. An embodiment of the method of the present invention is a PCD material having a filler material comprising cobalt and tin, wherein the average diamond particle size is less than about 10 microns and at least a portion of the filler material is introduced by infiltration. This can be particularly beneficial when making the material. Embodiments of the method of the present invention have the advantage of substantially reducing the occurrence of defects associated with insufficient sintering that tends to occur near the top surface of the PCD structure. As a result, fewer PCD elements can be rejected, resulting in improved process economics. It is believed that PCD materials tend to have high strength, wear resistance, and thermal stability, including oxidation resistance.

本発明によるPCD材料の実施形態の熱安定性、特に、熱重量分析(TGA)を用いて測定される酸化開始温度は、かなり高めることができる。このような実施形態は、熱的に安定にすることができ、石油ガス掘削などの適用例で優れた性能を示すことができ、PCDカッター要素の温度は、約700℃よりも高い温度に到達することができる。酸化開始温度は、当技術分野で公知のように、酸素の存在下で熱重量分析(TGA)を用いて測定される。   The thermal stability of embodiments of the PCD material according to the present invention, in particular the oxidation onset temperature measured using thermogravimetric analysis (TGA), can be significantly increased. Such an embodiment can be thermally stable, can exhibit superior performance in applications such as oil and gas drilling, and the temperature of the PCD cutter element reaches a temperature above about 700 ° C. can do. The oxidation onset temperature is measured using thermogravimetric analysis (TGA) in the presence of oxygen, as is known in the art.

本発明によるPCD材料を含む工具は、PCD材料の高い熱安定性及び耐熱性により、金属の切断又は機械加工に特に有利となる可能性がある。   Tools comprising PCD materials according to the present invention may be particularly advantageous for metal cutting or machining due to the high thermal stability and heat resistance of PCD materials.

本発明の実施形態について、本発明を限定するものではない以下の例を参照しながら、より詳細に記述する。   Embodiments of the invention are described in more detail with reference to the following examples, which are not intended to limit the invention.

(例1)
約8ミクロンの平均サイズを有するダイヤモンド粒の凝集塊は、約1ミクロンから約4ミクロンの範囲及び約7ミクロンから約15ミクロンの範囲の平均粒度をそれぞれ有する2つの供給源から得たダイヤモンド粉末をブレンドすることによって、形成した。ブレンドされたダイヤモンド粒を酸で処理して、存在していた可能性のある表面の不純物を除去した。炭化バナジウム(VC)粉末及びコバルト(Co)粉末を、遊星形ボールミルを使用してVC及びCoの粒子とダイヤモンド粉末とをブレンドすることにより、ダイヤモンド粉末中に導入した。VC粒子の平均サイズが約4ミクロンであり、凝集塊中のVCの含量は約3重量%であった。次いで凝集塊を、Co接合炭化タングステン(WC)を含む基材上の層に形成し、カプセル内に包封し超高圧炉に入れて、焼結前アセンブリを形成し、次いで当技術分野で公知のように、真空中でガス抜きをして、ダイヤモンド粒から表面の不純物を除去した。基材の直径は、約13mmよりも少し大きく、高さは約10mmであった。
(Example 1)
Agglomerates of diamond grains having an average size of about 8 microns are obtained from diamond powders obtained from two sources each having an average particle size in the range of about 1 micron to about 4 microns and in the range of about 7 microns to about 15 microns. Formed by blending. The blended diamond grains were treated with acid to remove surface impurities that may have been present. Vanadium carbide (VC) powder and cobalt (Co) powder were introduced into the diamond powder by blending the VC and Co particles with the diamond powder using a planetary ball mill. The average size of the VC particles was about 4 microns, and the VC content in the agglomerates was about 3% by weight. The agglomerates are then formed into layers on a substrate comprising Co-bonded tungsten carbide (WC), encapsulated in a capsule and placed in an ultra-high pressure furnace to form a pre-sinter assembly, then known in the art As described above, degassing was performed in vacuum to remove impurities on the surface from the diamond grains. The diameter of the substrate was slightly larger than about 13 mm and the height was about 10 mm.

焼結前アセンブリを、超高圧炉内で約6.8GPaの圧力及び約1,600℃の温度の下に置いて、ダイヤモンド粒を焼結し、炭化物基材と一体的に形成されたPCD材料の層を含むPCD圧縮体を形成した。PCD層は、約2mmの厚さであった。焼結プロセス中、基材から得られ且つ溶解したW若しくはWC又はその両方を溶液状態で含有する融解コバルトは、ダイヤモンド粒の凝集塊内に浸透した。   PCD material formed by pre-sintering assembly in ultra high pressure furnace under pressure of about 6.8 GPa and temperature of about 1,600 ° C. to sinter diamond grains and integrally with carbide substrate A PCD compact including the following layers was formed. The PCD layer was about 2 mm thick. During the sintering process, molten cobalt obtained from the substrate and containing dissolved W or WC or both in solution penetrated into the agglomerates of diamond grains.

PCD材料から切片を切断し、切片の表面を研磨した。微視的領域の16のデジタル画像を、後方散乱電子信号を使用する走査型電子顕微鏡写真(SEM)を用いて、この切片表面上のそれぞれ異なる位置で得た。画像の解像度は、1画素当たり0.04717μmであった。画像のそれぞれに画像解析を行って、平均ダイヤモンド粒近接性、平均ダイヤモンド粒ECD、平均格子間ECD、ダイヤモンド粒平均自由行程、及び格子間平均自由行程、並びにこれらの量のそれぞれの標準偏差を測定した。次いでこれらの量を、全ての画像に関して得られた量全体を通して平均した。ダイヤモンド粒及び格子間ECDサイズ測定の場合、サイズ分布は、以下に記述されるようにより十分に特徴付けた。画像解析を行う際、ダイヤモンド粒と、ダイヤモンド粒間の境界領域との間のコントラストは、グレースケールコントラストを基にして粒子間の境界が強調されるように調節した。   Sections were cut from the PCD material and the surface of the sections was polished. Sixteen digital images of the microscopic area were obtained at different positions on the section surface using scanning electron micrographs (SEM) using backscattered electron signals. The resolution of the image was 0.04717 μm per pixel. Image analysis is performed on each of the images to determine average diamond grain proximity, average diamond grain ECD, average interstitial ECD, diamond grain mean free path, and interstitial mean free path, and standard deviation of each of these quantities did. These quantities were then averaged throughout the quantities obtained for all images. In the case of diamond grain and interstitial ECD sizing, the size distribution was more fully characterized as described below. When performing image analysis, the contrast between the diamond grains and the boundary region between the diamond grains was adjusted based on the gray scale contrast so that the boundaries between the grains were enhanced.

画像解析は、Soft Imaging System(登録商標)GmbHからの商標名analySIS Pro(Olympus Soft Imaging Solutions GmbHの商標)を有するソフトウェアを使用して行った。このソフトウェアは、操作マニュアルによれば分離される構造が密閉構造である場合に満足のいく結果をもたらす、「Separate Grains」フィルタを有する。したがって、このフィルタを適用する前に、あらゆる穴を充填することが重要である。例えば「Morph.Close」コマンドを使用してもよく、又は「Fillhole」モジュールから助けを得てもよい。このフィルタの他、「Separator」は、粒子分離に利用可能なもう1つの強力なフィルタである。このセパレータは、操作マニュアルによれば、カラー及びグレー値画像に適用することもできる。   Image analysis was performed using software having the trade name analySIS Pro (trademark of Olympus Soft Imaging Solutions GmbH) from Soft Imaging System® GmbH. The software has a “Separate Grains” filter that produces satisfactory results when the structure to be separated according to the operating manual is a sealed structure. It is therefore important to fill every hole before applying this filter. For example, the “Morph.Close” command may be used, or help may be obtained from the “Fillhole” module. In addition to this filter, the “Separator” is another powerful filter that can be used for particle separation. This separator can also be applied to color and gray value images according to the operating manual.

画像解析の結果を、表1及び2にまとめる。ダイヤモンドの含量は約90.8体積%であることが測定され、ダイヤモンド粒近接性は約68.4%であり、焼結ダイヤモンド粒の平均サイズは、円相当径に関して約6.3ミクロンであった。PCD材料の平均的な格子間平均自由行程は、約0.52(±0.46)ミクロンであった。   The results of image analysis are summarized in Tables 1 and 2. The diamond content was measured to be about 90.8% by volume, the diamond grain proximity was about 68.4%, and the average size of the sintered diamond grains was about 6.3 microns with respect to the equivalent circle diameter. It was. The average interstitial mean free path of the PCD material was about 0.52 (± 0.46) microns.

データは、走査型電子顕微鏡写真の画像解析から得られた2次元測定に関連し、3次元に合わせて補正されていないものである。例えば、引用された平均ダイヤモンド粒度は、ダイヤモンド粒の断面積に対応する平均サイズである。ダイヤモンド及び格子間サイズは、断面積を決定し且つその面積を有する円の直径を計算することによって、円相当径(ECD)として計算される。統計的パラメータd10、d50、d75、及びd90は、それぞれ粒子の10%、50%、75%、及び90%がその値未満であるサイズ(ECD)を指す。最大サイズは、それよりも大きい粒子が実質的にないサイズである。パラメータ「低(95%)」及び「上(95%)」は、それぞれ粒子の5%がその値未満でありまたその値を超えるサイズ値を指す。

Figure 2012528780

Figure 2012528780
The data relates to a two-dimensional measurement obtained from image analysis of a scanning electron micrograph and is not corrected for three dimensions. For example, the quoted average diamond particle size is the average size corresponding to the cross-sectional area of the diamond particles. Diamond and interstitial sizes are calculated as equivalent circle diameter (ECD) by determining the cross-sectional area and calculating the diameter of a circle having that area. Statistical parameters d10, d50, d75, and d90 refer to the size (ECD) at which 10%, 50%, 75%, and 90% of the particles are less than that value, respectively. The maximum size is a size that is substantially free of larger particles. The parameters “low (95%)” and “top (95%)” refer to size values at which 5% of the particles are less than and above that value, respectively.
Figure 2012528780

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(例2)
約10ミクロンの平均サイズを有するダイヤモンド粒の凝集塊を、約0.5ミクロンから約3ミクロンの範囲、約2ミクロンから約5ミクロンの範囲、約4ミクロンから約9ミクロンの範囲、約7ミクロンから約15ミクロンの範囲、及び約10ミクロンから約30ミクロンの範囲の平均粒度をそれぞれ有する5つの供給源から得たダイヤモンド粉末をブレンドすることによって形成した。ブレンドされたダイヤモンド粒を酸で処理して、存在している可能性のある表面不純物を除去した。炭化バナジウム(VC)粉末及びコバルト(Co)粉末を、遊星形ボールミルを使用してVC及びCoの粒子とダイヤモンド粉末とをブレンドすることにより、ダイヤモンド粉末中に導入した。VC粒子の平均サイズは約4ミクロンであり、凝集塊中のVCの含量は約3重量%であった。次いで凝集塊を、Co接合炭化タングステン(WC)を含む基材上の層に形成し、超高圧炉用にカプセル内に包封して焼結前アセンブリを形成し、次いで当技術分野で公知のように、これを真空中でガス抜きしてダイヤモンド粒から表面不純物を除去した。基材の直径は約13mmよりも少し大きく、高さは約2mmであった。
(Example 2)
Agglomerates of diamond grains having an average size of about 10 microns can range from about 0.5 microns to about 3 microns, from about 2 microns to about 5 microns, from about 4 microns to about 9 microns, about 7 microns. Formed by blending diamond powders from five sources each having an average particle size in the range of from about 15 microns to about 15 microns and in the range of from about 10 microns to about 30 microns. The blended diamond grains were treated with acid to remove any surface impurities that may be present. Vanadium carbide (VC) powder and cobalt (Co) powder were introduced into the diamond powder by blending the VC and Co particles with the diamond powder using a planetary ball mill. The average size of the VC particles was about 4 microns and the VC content in the agglomerates was about 3% by weight. The agglomerates are then formed into a layer on a substrate comprising Co-bonded tungsten carbide (WC) and encapsulated in a capsule for an ultra high pressure furnace to form a pre-sinter assembly, then known in the art Thus, this was degassed in a vacuum to remove surface impurities from the diamond grains. The diameter of the substrate was slightly larger than about 13 mm and the height was about 2 mm.

焼結前アセンブリを、超高圧炉内で約8GPaの圧力及び約1,700℃の温度の下に置いて、ダイヤモンド粒を焼結し、炭化物基材と一体的に形成されたPCD材料の層を含むPCD圧縮体を形成した。PCD層は、約2mmの厚さであった。焼結プロセス中、基材から得られ且つ溶解したW若しくはWC又はその両方を溶液状態で含有する融解コバルトは、ダイヤモンド粒の凝集塊内に浸透した。   The pre-sintering assembly is placed in an ultra high pressure furnace under a pressure of about 8 GPa and a temperature of about 1,700 ° C. to sinter the diamond grains and form a layer of PCD material integrally formed with the carbide substrate. A PCD compact containing was formed. The PCD layer was about 2 mm thick. During the sintering process, molten cobalt obtained from the substrate and containing dissolved W or WC or both in solution penetrated into the agglomerates of diamond grains.

PCD材料のSEM画像は、画像の解像度が1画素当たり0.09434μmであったこと以外、例1に記述されるように得られた。画像の画像解析の結果を、以下の表3及び表4に示す。ダイヤモンドの含量は約90.7体積%であり、ダイヤモンド粒近接性は約70.3%であり、焼結ダイヤモンド粒の平均サイズは、円相当径に関して約7.4ミクロンであった。

Figure 2012528780

Figure 2012528780
An SEM image of the PCD material was obtained as described in Example 1, except that the image resolution was 0.09434 μm per pixel. The results of image analysis of the images are shown in Table 3 and Table 4 below. The diamond content was about 90.7% by volume, the diamond grain proximity was about 70.3%, and the average size of the sintered diamond grains was about 7.4 microns with respect to the equivalent circle diameter.
Figure 2012528780

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PCD圧縮体を加工して試験PCDカッターインサートを形成し、これに摩耗試験を行った。摩耗試験では、このインサートを垂直タレットミリング装置で使用して、このインサートが破断し又は過剰に摩耗して故障するまで、花崗岩を含むある長さの工作物材料を切断した。インサートが故障したと見なされる前に工作物を通して切断された距離は、使用中の予測される使用寿命を示すことができる。試験インサートで実現された切断距離は、約5.5GPaの圧力で焼結され且つVC添加剤を含有しない対照PCDカッターインサートを使用して実現された距離よりも、約75%長かった。試験カッターインサートの耐摩耗性は、かなり高められたことが観察された。   The PCD compact was processed to form a test PCD cutter insert, which was subjected to a wear test. For wear testing, the insert was used in a vertical turret milling machine to cut a length of workpiece material containing granite until the insert broke or failed due to excessive wear. The distance cut through the workpiece before the insert is deemed to be defective can indicate the expected service life in use. The cut distance achieved with the test insert was about 75% longer than the distance achieved using a control PCD cutter insert sintered at a pressure of about 5.5 GPa and containing no VC additive. It was observed that the abrasion resistance of the test cutter insert was significantly enhanced.

(例3)
試験及び対照PCD材料サンプルを、それぞれ6.8GPa及び5.5GPaの焼結圧力を使用して調製した。全てのその他の点において、試験及び対照サンプルは同じ方法で作製した。原材料ダイヤモンド粉末は、それぞれの供給源が異なる平均粒度分布を有する3つの供給源から得たダイヤモンド粒を、ブレンドすることによって調製した。得られたブレンド済み粉末中の粒子のサイズ分布は、粒子の9.8重量%が5ミクロン未満の平均粒度を有し、粒子の7.6重量%が5ミクロンから10ミクロンの範囲の平均粒度を有し、粒子の82.6重量%が10ミクロン超の平均粒度を有するサイズ分布特性を有していた。ブレンドされたダイヤモンド粒は、約20ミクロンの平均サイズを有していた。
(Example 3)
Test and control PCD material samples were prepared using sintering pressures of 6.8 GPa and 5.5 GPa, respectively. In all other respects, test and control samples were made in the same way. The raw material diamond powder was prepared by blending diamond grains from three sources, each source having a different average particle size distribution. The size distribution of the particles in the resulting blended powder is such that 9.8% by weight of the particles have an average particle size of less than 5 microns and 7.6% by weight of the particles have an average particle size in the range of 5 to 10 microns. And 82.6% by weight of the particles had a size distribution characteristic with an average particle size greater than 10 microns. The blended diamond grains had an average size of about 20 microns.

コバルト及びスズを、ダイヤモンド粒の表面に堆積したが、このとき水溶液からその表面に酸化コバルト及び酸化スズを堆積するステップを含む方法を用いた。コバルト−スズは、コーティングされたダイヤモンド塊の約7.5%を占め、ナノスケールの形成体として粒子表面全体に分散していることが見出された。   Cobalt and tin were deposited on the surface of the diamond grains, using a method that included depositing cobalt oxide and tin oxide on the surface from an aqueous solution. Cobalt-tin was found to occupy about 7.5% of the coated diamond mass and dispersed throughout the particle surface as nanoscale formations.

コバルト−スズでコーティングされたダイヤモンド粒を、コバルト接合炭化タングステン基材の表面で凝集塊に形成し、このアセンブリを、耐火性金属ジャケット内に包封して圧縮前アセンブリを形成し、そこから空気を実質的に除去した。圧縮前アセンブリを、高圧高温炉用のカプセル内に投入した。   Cobalt-tin coated diamond grains are formed into agglomerates on the surface of a cobalt bonded tungsten carbide substrate and the assembly is encapsulated in a refractory metal jacket to form a pre-compression assembly from which air Was substantially removed. The pre-compression assembly was placed in a capsule for a high pressure high temperature furnace.

試験材料を、約6.8GPaの圧力及び1,550℃の温度の下に約9分間置いて、炭化タングステン基材に結合された焼結PCD塊を含む圧縮体を形成した。   The test material was placed under a pressure of about 6.8 GPa and a temperature of 1,550 ° C. for about 9 minutes to form a compact comprising a sintered PCD mass bonded to a tungsten carbide substrate.

対照材料を、従来から使用されている約5.5GPaの圧力及び約1,450℃の温度の下に約9分間置いて、炭化タングステン基材に結合された焼結PCD塊を含む圧縮体を形成した。   The control material is placed under a conventional pressure of about 5.5 GPa and a temperature of about 1,450 ° C. for about 9 minutes to produce a compact comprising a sintered PCD mass bonded to a tungsten carbide substrate. Formed.

圧縮体は、その形状が実質的に円筒形であり、約16mmの直径を有していた。圧縮体は、コバルト接合炭化タングステン(WC)基材上に一体的に結合されたPCDの層を含んでおり、このPCD層は厚さ2.2mmであった。PCD層のダイヤモンド含量は、約92体積%であり、残りはコバルトと、WCなどの少量の沈殿相とであった。このように生成されたPCD内のダイヤモンド粒は、粒子の34.7重量%が5ミクロン未満の平均粒度を有し、粒子の40.4重量%が5ミクロンから10ミクロンの範囲の平均サイズを有し、粒子の24.9重量%が10ミクロン超の平均粒度を有するという特徴を有する多峰サイズ分布であった。焼結PCDの粒度分布は、焼結プロセス中に通常生じる、より粗い粒度に向けたシフトに加え、高圧での粒子の相互破砕による入力粒子の粒度分布とは異なっている。   The compression body was substantially cylindrical in shape and had a diameter of about 16 mm. The compact included a layer of PCD integrally bonded onto a cobalt bonded tungsten carbide (WC) substrate, which was 2.2 mm thick. The diamond content of the PCD layer was about 92% by volume, with the remainder being cobalt and a small amount of precipitated phase such as WC. The diamond grains in the PCD thus produced have an average particle size of 34.7% by weight of the particles less than 5 microns and 40.4% by weight of the particles have an average size in the range of 5 to 10 microns. And a multimodal size distribution characterized by 24.9% by weight of the particles having an average particle size greater than 10 microns. The particle size distribution of the sintered PCD is different from the particle size distribution of the input particles due to the mutual crushing of the particles at high pressure in addition to the shift towards the coarser particle size that normally occurs during the sintering process.

対照及び試験圧縮体を分析した。両方とも、隙間に存在する下記の相、即ちCoSn、CoSnC0.7、CoSn、Co、及びWCを有するPCDを含むことがわかった。主な相はCoSnC0.7であり、この相は、PCDの熱安定性の改善において主要な役割を演じると考えられる。その他の相は、微量で存在した。 Control and test compacts were analyzed. Both were found to contain PCD with the following phases present in the gap: Co 3 Sn 2 , Co 3 SnC 0.7 , CoSn, Co, and WC. The main phase is Co 3 SnC 0.7 , which is believed to play a major role in improving the thermal stability of PCD. Other phases were present in trace amounts.

画像解析は、ダイヤモンド粒の相互成長、並びにPCD内でのその空間分布の均質性を解析するのに使用した。対照圧縮体内の場合よりも高い程度のダイヤモンド粒相互成長が、試験圧縮体のPCD内で観察された。粒子の相互成長及び接触は、ダイヤモンド粒近接性として表すことができ、試験PCDの平均近接性は、対照PCDの平均近接性が59.2%(±1.4%)であるのに比べて62.0%(±1.9%)であり、括弧内の数値は標準偏差である。統計的に、近接性のこの絶対的な差である0.8%は、95%の信頼区間に相当するため、この絶対的な差である2.8%はかなりの値となり得る。   Image analysis was used to analyze the intergrowth of the diamond grains and the homogeneity of their spatial distribution within the PCD. A higher degree of diamond grain intergrowth was observed in the PCD of the test compact than in the control compact. The intergrowth and contact of the particles can be expressed as diamond grain proximity, with the average proximity of the test PCD compared to the average proximity of the control PCD of 59.2% (± 1.4%). It is 62.0% (± 1.9%), and the numerical value in parentheses is a standard deviation. Statistically, this absolute difference of 0.8% corresponds to a 95% confidence interval, so this absolute difference of 2.8% can be quite significant.

試験PCDの平均的な格子間平均自由行程は、対照PCD平均が1.50(±2.53)μmであるのに比べて約0.74(±0.62)ミクロンであった。   The average interstitial mean free path of the test PCD was about 0.74 (± 0.62) microns compared to a control PCD average of 1.50 (± 2.53) μm.

対照PCDの場合よりも多くのコバルトが試験PCD中に存在し、追加のコバルトは、コバルト含有基材から浸透してきたと考えられる。この結果、対照PCDの場合よりも高い含量のCOSnCO0.7を有する試験PCDが得られた。さらに、WCの含量は、試験PCDにおいてより高く、基材との界面付近に多量の再結晶WC「プルーム」形成体を含有していた。 More cobalt is present in the test PCD than in the control PCD, and additional cobalt is believed to have penetrated from the cobalt-containing substrate. This resulted in a test PCD having a higher content of CO 3 SnCO 0.7 than that of the control PCD. Furthermore, the content of WC was higher in the test PCD and contained a large amount of recrystallized WC “plume” formation near the interface with the substrate.

試験材料の画像解析の結果を、表5及び6にまとめる。データは、走査型電子顕微鏡写真の画像解析から得られた2次元測定値に関し、3次元用に補正されていない。表中のパラメータは、例1で述べたものと同じ意味を有する。

Figure 2012528780

Figure 2012528780
The results of image analysis of the test materials are summarized in Tables 5 and 6. The data is not corrected for 3D with respect to 2D measurements obtained from image analysis of scanning electron micrographs. The parameters in the table have the same meaning as described in Example 1.
Figure 2012528780

Figure 2012528780

対照及び試験サンプルの両方を加工して、岩石ボーリングに適したインサートを形成し、このインサートに摩耗試験を行ったが、この試験では、垂直タレットミリング装置に取り付けられた花崗岩ブロックを機械加工するためにインサートを使用した。この試験では、何回ものパスを通して花崗岩ブロックを機械加工し、花崗岩に対する摩損の結果としてPCDに形成された摩耗の傷跡のサイズを測定した。50回のパスの後の、試験PCDの摩耗の傷跡は、対照PCDの場合よりも約30%小さく、作動条件で少なくともさらに100回のパスを継続した。   Both the control and test samples were machined to form an insert suitable for rock boring, and this insert was subjected to wear testing, in this test to machine a granite block attached to a vertical turret milling device. Inserts were used. In this test, the granite block was machined through several passes and the size of the wear scar formed on the PCD as a result of wear on the granite was measured. The test PCD wear scar after 50 passes was about 30% less than that of the control PCD and continued at least 100 more passes at operating conditions.

いくつかのより多くの試験及び対照PCDサンプルを製造した場合、試験PCDの品質は対照PCDの品質よりもさらにより一貫していることがわり、不良率はさらに低かった。   When producing some more test and control PCD samples, the quality of the test PCD was found to be even more consistent than the quality of the control PCD, and the failure rate was even lower.

本発明の第1の態様による方法の使用は、厚いPCD構造を焼結させることがわかった。より厚いPCD構造は、より薄いPCD構造よりも大きな強度を有し、その他の全ては同じである。   The use of the method according to the first aspect of the invention has been found to sinter thick PCD structures. Thicker PCD structures have greater strength than thinner PCD structures and everything else is the same.

(例4)
接合炭化物基材上に焼結されたCo−SnベースのPCDのいくつかのサンプルを、調製した。それぞれの場合において、スズ粉末をコバルト金属粉末と予備反応させて、特定の原子比1:1のCoSn合金/金属間化合物を生成した。次いでこの予備反応させた供給源を、予備合成混合又はin situ浸透によって未焼結ダイヤモンド粉末塊に導入した。1:1のCoSn予備反応粉末混合物は、遊星形ボールミル内でCo及びSn粉末を一緒にミリングすることにより、調製した。次いで粉末混合物を、真空炉内(600℃から800℃)で熱処理して、反応済みCoSn材料を製造した。次いでこの予備反応させた材料をさらに破砕し/ミリングして凝集体を分解し、粒度を低減させた。ダイヤモンド粉末サイズ分布は、約10ミクロン未満の平均粒度を有していた。次いで選択された量のこのCoSn材料(ダイヤモンド粉末塊の重量%として表される)を、超高圧炉反応容積内で未焼結ダイヤモンド粉末に接触させた。これは、ダイヤモンド粉末塊に隣接した個別の粉末層としてであり(融解後の超高圧処理中にダイヤモンドに浸透する可能性があり、即ちin situ浸透である)、又はキャニスタに投入する前にCoSn材料をダイヤモンド粉末混合物に直接混合した。次いでダイヤモンド粉末/CoSnアセンブリを接合炭化物基材に隣接させて配置し、それによって超高圧条件での接合炭化物基材からの追加のコバルトの浸透により結合剤の金属的性質がさらに増大するようにした。アセンブリを、約6.8GPaの圧力及びコバルトの融点よりも高い温度の下に置いた。このように、ある範囲のCo:Sn比の結合剤系、及び結果的に生じたPCD材料が生成された。
(Example 4)
Several samples of Co-Sn based PCD sintered on a bonded carbide substrate were prepared. In each case, the tin powder was pre-reacted with the cobalt metal powder to produce a CoSn alloy / intermetallic compound with a specific atomic ratio of 1: 1. This pre-reacted source was then introduced into the green diamond powder mass by pre-synthesis mixing or in situ infiltration. A 1: 1 CoSn pre-reacted powder mixture was prepared by milling Co and Sn powder together in a planetary ball mill. The powder mixture was then heat treated in a vacuum furnace (600 ° C. to 800 ° C.) to produce a reacted CoSn material. The pre-reacted material was then further crushed / milled to break up aggregates and reduce particle size. The diamond powder size distribution had an average particle size of less than about 10 microns. A selected amount of this CoSn material (expressed as% by weight of the diamond powder mass) was then contacted with the unsintered diamond powder in an ultra high pressure furnace reaction volume. This is either as a separate powder layer adjacent to the diamond powder mass (which may penetrate the diamond during the ultra high pressure treatment after melting, ie in situ penetration), or before CoSn is introduced into the canister The material was mixed directly into the diamond powder mixture. The diamond powder / CoSn assembly was then placed adjacent to the bonded carbide substrate, thereby further increasing the metallic properties of the binder due to additional cobalt penetration from the bonded carbide substrate under ultra high pressure conditions. . The assembly was placed under a pressure of about 6.8 GPa and a temperature above the melting point of cobalt. Thus, a range of Co: Sn ratio binder systems and the resulting PCD material was produced.

(例5)
単峰性PCD試験材料を、遊星形ボールミルを用いてコバルト粉末とダイヤモンド粒とをブレンドし、ブレンドした混合物を7.7GPaの圧力及び2,100℃の温度で約60秒間にわたり焼結することによって調製した。ダイヤモンド粒は、3ミクロンから6ミクロンの範囲の平均サイズを有していた。ブレンドされた粉末混合物中のコバルトとダイヤモンドとの重量比は、18:82であった。直径13.7mm及び高さ4mmの独立した支持されていない焼結PCDサンプルを生成した。
(Example 5)
By blending the unimodal PCD test material with cobalt powder and diamond grains using a planetary ball mill and sintering the blended mixture at a pressure of 7.7 GPa and a temperature of 2,100 ° C. for about 60 seconds. Prepared. The diamond grains had an average size ranging from 3 microns to 6 microns. The weight ratio of cobalt to diamond in the blended powder mixture was 18:82. An independent unsupported sintered PCD sample with a diameter of 13.7 mm and a height of 4 mm was produced.

対照PCD材料は、i)コバルトを、従来通り接合炭化タングステン基材からの浸透によって導入することによりコバルトとダイヤモンドとの重量比を26:74にし、ii)5.5GPaの焼結圧力及び約1,450℃の温度を使用したこと以外、試験材料と同様に作製した。   The control PCD material has i) a cobalt to diamond weight ratio of 26:74 by introducing cobalt by conventional penetration from a bonded tungsten carbide substrate, and ii) a sintering pressure of 5.5 GPa and about 1 , Produced in the same manner as the test material except that a temperature of 450 ° C. was used.

焼結した試験PCDの研磨切片の走査型電子顕微鏡写真を、後方散乱電子を使用して得、画像解析をこの顕微鏡写真に関して実施した。試験材料の画像解析の結果を表7及び8にまとめ、これらのパラメータは、例1で定義した意味と同じ意味を有する。

Figure 2012528780

Figure 2012528780
Scanning electron micrographs of the polished sections of the sintered test PCD were obtained using backscattered electrons and image analysis was performed on the micrographs. The results of the image analysis of the test material are summarized in Tables 7 and 8, and these parameters have the same meaning as defined in Example 1.
Figure 2012528780

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試験及び対照サンプルを、従来の処理によって切断インサートに形成し、花崗岩のミリングを行う摩耗試験を行った。1mmの深さの切断深さを使用した。摩耗試験の結果は、カッターが故障したと見なされる前にミリングされた花崗岩の距離である、切断長さである。試験PCDの切断長さは約5,100mmであり、この長さは約1,200mmである対照PCD切断長さよりも著しく大きい。これは、試験PCDの耐摩損性が、対照PCDの場合よりも数倍大きいことを示す。   Test and control samples were formed into cut inserts by conventional processing and subjected to an abrasion test in which granite milling was performed. A cutting depth of 1 mm depth was used. The result of the abrasion test is the cut length, which is the distance of the granite that was milled before the cutter was deemed to have failed. The cut length of the test PCD is about 5,100 mm, which is significantly greater than the control PCD cut length, which is about 1,200 mm. This indicates that the abrasion resistance of the test PCD is several times greater than that of the control PCD.

Claims (20)

少なくとも88体積%、最大で99体積%のダイヤモンド粒を含み、平均ダイヤモンド粒の近接性が60%超である、多結晶ダイヤモンド(PCD)材料。   A polycrystalline diamond (PCD) material comprising at least 88% by volume and up to 99% by volume diamond grains, with an average diamond grain proximity of greater than 60%. 前記ダイヤモンド粒の近接性が最大で80%である、請求項1に記載のPCD材料。   The PCD material of claim 1, wherein the proximity of the diamond grains is at most 80%. 前記ダイヤモンド粒近接性の標準偏差が最大で4%の近接性である、請求項1又は2に記載のPCD材料。   The PCD material according to claim 1 or 2, wherein the standard deviation of the diamond grain proximity is a maximum of 4% proximity. 少なくとも0.5mmの体積を有する、請求項1から3までのいずれか一項に記載のPCD材料。 4. The PCD material according to claim 1, having a volume of at least 0.5 mm 2 . 前記ダイヤモンド粒が、前記粒子の少なくとも50%が5ミクロン超の平均サイズを有するサイズ分布特性を有する、請求項1から4までのいずれか一項に記載のPCD材料。   5. The PCD material according to claim 1, wherein the diamond grains have a size distribution characteristic in which at least 50% of the grains have an average size greater than 5 microns. 多峰サイズ分布を有するダイヤモンド粒を含む、請求項1から5までのいずれか一項に記載のPCD材料。   The PCD material according to any one of claims 1 to 5, comprising diamond grains having a multimodal size distribution. 最大で15ミクロンの平均サイズを有するダイヤモンド粒を含む、請求項1から6までのいずれか一項に記載のPCD材料。   7. The PCD material according to any one of claims 1 to 6, comprising diamond grains having an average size of at most 15 microns. 最大で1.5ミクロンの平均的な格子間平均自由行程を有する、請求項1から7までのいずれか一項に記載のPCD材料。   8. The PCD material according to any one of claims 1 to 7, having an average interstitial mean free path of up to 1.5 microns. 前記格子間平均自由行程の標準偏差が、0.05ミクロンから1.5ミクロンの範囲にある、請求項1から8までのいずれか一項に記載のPCD材料。   The PCD material according to any one of claims 1 to 8, wherein the standard deviation of the interstitial mean free path is in the range of 0.05 microns to 1.5 microns. 少なくとも0.5ミクロン及び最大で4ミクロンの平均格子間ECDサイズを有する、請求項1から9までのいずれか一項に記載のPCD材料。   10. PCD material according to any one of the preceding claims, having an average interstitial ECD size of at least 0.5 microns and at most 4 microns. 式MxM’yCzの3元炭化物を含んだフィルタ材料を含み、Mが、遷移金属及び希土類金属からなる群から選択された少なくとも1種の元素であり、M’が、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Ti、Mg、Zn、及びCdからなる群から選択された元素であり、xが2.5から5.0の範囲にあり、yが0.5から3.0の範囲にあり、zが0.1から1.2の範囲にある、請求項1から10までのいずれか一項に記載のPCD材料。   A filter material including a ternary carbide of the formula MxM′yCz, wherein M is at least one element selected from the group consisting of transition metals and rare earth metals, and M ′ is Al, Ga, In, Ge , Sn, Pb, Ti, Mg, Zn, and Cd, wherein x is in the range of 2.5 to 5.0 and y is in the range of 0.5 to 3.0 11. PCD material according to any one of claims 1 to 10, wherein z is in the range of 0.1 to 1.2. Mが、Co、Fe、Ni、Mn、Cr、Pd、Pt、V、Nb、Ta、Ti、Zr、Ce、Y、La、及びScからなる群から選択される、請求項11に記載のPCD材料。   12. The PCD of claim 11, wherein M is selected from the group consisting of Co, Fe, Ni, Mn, Cr, Pd, Pt, V, Nb, Ta, Ti, Zr, Ce, Y, La, and Sc. material. 少なくとも800℃の酸化開始温度を有する、請求項1から12までのいずれか一項に記載のPCD材料。   13. PCD material according to any one of the preceding claims, having an oxidation onset temperature of at least 800 ° C. ダイヤモンドの触媒材料を最大で2体積%含む、表面に隣接した領域と、ダイヤモンドの触媒材料を2体積%超含む、表面から離れた領域とを有する、請求項1から13までのいずれか一項に記載のPCD材料。   14. A region adjacent to the surface comprising at most 2% by volume of diamond catalyst material and a region remote from the surface comprising more than 2% by volume of diamond catalyst material. The PCD material described in 1. 接合炭化物基材に結合された、地面をボーリングするためのドリル用ビットである、請求項1から14までのいずれか一項に記載のPCD材料を含むインサート。   15. An insert comprising PCD material according to any one of the preceding claims, which is a drill bit for boring the ground bonded to a bonded carbide substrate. ダイヤモンド粒の凝集塊を、ダイヤモンドの金属触媒材料の存在下、前記触媒材料が融解するのに十分高い温度で、6.0GPa超の圧力の圧力処理に供するステップと、前記ダイヤモンド粒を焼結してPCD材料を形成するステップとを含み、前記凝集塊中のダイヤモンド粒は、粒子の少なくとも50%が5ミクロン超の平均サイズを有し且つ粒子の少なくとも20%が10から15ミクロンの範囲の平均サイズを有するサイズ分布特性を有する、請求項1から14までのいずれか一項に記載のPCD材料を作製する方法。   Subjecting the agglomerates of diamond grains to a pressure treatment at a temperature high enough to melt the catalyst material in the presence of the diamond metal catalyst material and a pressure greater than 6.0 GPa; and sintering the diamond grains; Forming a PCD material, wherein the diamond grains in the agglomerates have an average size in which at least 50% of the particles have an average size greater than 5 microns and at least 20% of the particles range from 10 to 15 microns. 15. A method of making a PCD material according to any one of claims 1 to 14 having a size distribution characteristic having a size. 前記PCD材料を、少なくとも2GPaの圧力でさらなる圧力処理に供するステップを含む、請求項16に記載の方法。   The method of claim 16, comprising subjecting the PCD material to further pressure treatment at a pressure of at least 2 GPa. ダイヤモンドの金属触媒材料を、前記ダイヤモンド粒と前記PCD材料との間の隙間から除去するステップを含む、請求項16又は請求項17に記載の方法。   18. A method according to claim 16 or claim 17 comprising removing diamond metal catalyst material from a gap between the diamond grains and the PCD material. 前記PCD材料を、少なくとも500℃の温度の熱処理に少なくとも5分間供するステップを含む、請求項16から請求項18までのいずれか一項に記載の方法。   19. A method according to any one of claims 16 to 18, comprising subjecting the PCD material to a heat treatment at a temperature of at least 500 <0> C for at least 5 minutes. 添加剤材料を前記凝集塊に導入するステップを含み、前記添加剤材料が、V、Ti、Mo、Zr、W、Ta、Hf、Si、Sn、又はAlから選択された少なくとも1種の元素を含有する、請求項16から請求項19までのいずれか一項に記載の方法。   Introducing an additive material into the agglomerate, wherein the additive material comprises at least one element selected from V, Ti, Mo, Zr, W, Ta, Hf, Si, Sn, or Al. 20. The method according to any one of claims 16 to 19, comprising.
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