JP2014506297A - 超硬質構造体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

超硬質構造体は、第１の領域及び第２の領域を含む多結晶超硬質材料の本体を含み、第２の領域は超硬質構造体の露出した表面に隣接しており、第２の領域はダイヤモンド材料又は立方体の窒化ホウ素を含み、第２の領域の密度は、第２の領域がダイヤモンド材料を含むときは、１立方メートル当たり３．４×１０３キログラムを超える。第１の領域及び第２の領域を形成する１種又は複数種の材料は、熱膨張係数における差を有し、第１の領域及び第２の領域は、この差が露出した表面に隣接する第２の領域において圧縮を誘発するように配列されている。第１の領域／さらなる領域は、多結晶性本体で最高の熱膨張係数を有し、多結晶超硬質材料の本体の周辺の自由表面から、熱膨張係数がより低い１種又は複数種の材料で形成された第２の領域又は１つ若しくは複数のさらなる領域により隔離されている。各領域は多結晶超硬質材料の複数の粒子を含む。そのような材料の製造方法も開示される。

Description

本開示は、多結晶材料の本体を含む超硬質構造体、超硬質構造体の製造方法、及び多結晶超硬質構造体を含む摩耗要素に関する。

多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料は、選択された平均粒子サイズ及びサイズ分布のダイヤモンド粒子の集団を、予め存在する硬質金属基材と接触させながら、高圧及び高温にかけることにより、作製することができる。プロセスで使用される典型的な圧力は、約４〜７ＧＰａの範囲内であるが、それより高い１０ＧＰａまでの圧力も実用的には許容される。使用される温度は、圧力下における硬質金属基材の遷移金属結合剤の融点を超える。炭化タングステン／コバルト基材が使用される一般的状況には、ダイヤモンド粒子の集団に浸入している結合剤中の金属、例えばコバルトを溶融させるには、１３９５℃を超える温度で十分で、ダイヤモンド粒子の焼結を起こさせることができる。その結果生じたＰＣＤ材料は、結合剤、例えばコバルトを主とする金属合金の相互に侵入するネットワークで結合したダイヤモンドの粒子の連続したネットワークとみなすことができる。基材に結合したＰＣＤ表板を形成する、そのように形成されたＰＣＤ材料は、次に、圧力及び温度を室内の条件に落とすことにより急冷される。急冷中に、結合剤中の金属は固化してＰＣＤ表板を基材に結合させる。これらの条件で、ＰＣＤ表板及び基材は、互い熱弾性平衡にあるとみなすことができる。

もっぱらというわけではないが典型的には、ボーリング、穿孔又は鉱業用途のためのカッティング要素又はカッターは、多くの場合、ダイヤモンド表板をそれより大きい炭化タングステン／コバルトで固結された硬質金属製の基材又は本体に結合した形態にある多結晶ダイヤモンド材料（ＰＣＤ）の層からなる。それらの付帯の炭化物基材の付いたそのようなカッターは、伝統的に及び一般的に、典型的には厚さが約０．５ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲、より多くの場合１．５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲の多結晶ダイヤモンド層又は表板を付けたと直円柱として作製される。硬質金属基材の長さは、典型的には８ｍｍ〜１６ｍｍである。直円柱カッターの一般的に使用される直径は、８ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内である。

ドーム形及び鶴嘴形要素などの他のＰＣＤ構造も種々の用途、例えば穿孔、鉱業及び道路舗装用途に使用される。しばしば、ＰＣＤ材料は、金属炭化物がそれらに結合した基材として使用される、上記のような要素の上に外層を形成する。さらに、基材は、通常、そのような構造の最大の部分である。

そのようなカッターが使用される穿孔工具のタイプは、一般的に、ドラグビットと称される。この種の穿孔工具では、穿孔用具本体に数個のＰＣＤカッターが配列されて、各ＰＣＤ表板の上部の周辺の端部部分が岩層を圧迫するようになっている。用具の回転により、各カッターの各ＰＣＤ表板の先の末梢端部は、負荷を受けて、それに続く研磨摩耗プロセスにかけられて、その結果、僅かな量のＰＣＤ材料の除去が進行する。ＰＣＤ表板上の摩耗した区域は摩耗痕と称される。

穿孔作業におけるＰＣＤカッターの性能は、大部分、ＰＣＤ表板における亀裂の開始及び伝播により決定される。カッターの自由表面に向かって伝播し、それを横切る亀裂により、大量のＰＣＤが破壊されてＰＣＤ表板から離れるカッターの破損に至り得る。この現象の結果により、穿孔工具の寿命が大きく減少して、カッターの破滅的破損が生じることがある。

形成される如何なる亀裂も、ＰＣＤ表板の本体から自由表面に伝播することを阻止され抑制され又はそらされるべきで、それによりカッターの寿命が大きく延びることが望ましい。

国際特許出願ＷＯ２００４／１１１２８４には、各コアがＰＣＤの単一の顆粒を含み、個々の顆粒をコートするマトリックス中に分散した複数のコア、及び適当な結合剤を含む複合体材料が開示されている。マトリックスは、コアと異なった規格のＰＣＤ材料で形成されている。

他の知られた解決策は、亀裂挙動に対処する、例えば特別な層の設計による方法と、直接又は間接的に関わる。

望ましくない亀裂伝播を改善することができて剥落の減少に通じる有利な残留応力分布を有する多結晶超硬質材料についての必要性がある。

国際特許出願ＷＯ２００４／１１１２８４

第１の態様から見て、
第１の領域と、
超硬質構造の露出した表面に隣接し、ダイヤモンド材料又は立方体の窒化ホウ素を含み、ダイヤモンド材料を含む場合には密度が立方メートル当たり３．４×１０^３キログラムを超える、第２の領域と、
を含む多結晶超硬質材料の本体を含む超硬質構造体であって、
第１の領域及び第２の領域を形成する１種又は複数種の材料が熱膨張係数に差を有し、第１の領域及び第２の領域は、熱膨張係数間の差により露出した表面に隣接する第２の領域において圧縮が誘発されるように配列され；且つ第１の領域又はさらなる領域は、多結晶性本体の最高の熱膨張係数を有し、多結晶超硬質材料の本体の周辺の自由表面から、第２の領域又はさらに熱膨張係数の低い１種又は複数種の材料で形成された１つ又は複数のさらなる領域により隔離され、これらの領域が多結晶超硬質材料の複数の粒子を含む超硬質構造体が提供される。

第２の態様から見て、
多結晶超硬質構造体の製造方法であって、
ａ）多結晶材料の第１の領域を形成する工程と、
ｂ）多結晶ダイヤモンド又は立方体の窒化ホウ素を含み、第１の領域に隣接し且つ露出した表面として多結晶材料の第２の領域を形成する工程であり、第１の領域及び第２の領域を形成する１種又は複数種の材料が物理的性質における１つ又は複数の差を有する工程と、
ｃ）第１の領域及び第２の領域を、４ＧＰａを超える圧力及び１２００℃を超える温度に所定の時間かける工程と、
ｄ）物理的性質間の１つ又は複数差が、露出した表面に隣接する第２の領域における圧縮を誘発するように、圧力及び温度を周囲条件まで低下させる工程であり；第１の領域又はさらなる領域が、多結晶性本体の最高の熱膨張係数を有し、且つ多結晶超硬質材料の本体の周辺の自由表面から、熱膨張係数がより低い１種又は複数種の材料で形成された第２の領域又は１つ又は複数のさらなる領域により隔離される、工程と、
を含み、各領域が多結晶超硬質材料の複数の粒子を含む、方法が提供される。

第３の態様から見て、本明細書において記載する１種又は複数種の超硬質構造体を含む穿孔工具又はカッター又はその成分が提供される。

図１は、ＰＣＤカッターの平坦界面の模式的断面図であり、斜線を引いた区域は亀裂が優勢に伝播している領域を図示する。 図２ａは、第１の実施形態による基材に結合したＰＣＤ本体の半断面の模式図である。 図２ｂは、図２ａの実施形態の種々の領域の内部配列を露出する切り取り断面を見せる部分的断面の３次元の表示である。 図３は、第２の実施形態による基材に結合したＰＣＤ本体の半断面の模式図である。 図４は、第３の実施形態による基材に結合したＰＣＤ本体の半断面の模式図である。 図５は、第４の実施形態による基材に結合したＰＣＤ本体の半断面の模式図である。 図６は、第５の実施形態による基材に結合したＰＣＤ本体の半断面の模式図である。 図７は、第６の実施形態による基材に結合したＰＣＤ本体の半断面の模式図である。 図８は、第７の実施形態による基材に結合したＰＣＤ本体の半断面の模式図である。 図９は、第８の実施形態による基材に結合したＰＣＤ本体の半断面の模式図である。 図１０は、第９の実施形態による基材に結合したＰＣＤ本体の半断面の模式図である。 図１１は、第１０の実施形態による基材に結合したＰＣＤ本体の半断面の模式図である。 図１２は、第１１の実施形態による基材に結合したＰＣＤ本体の半断面の模式図である。 図１３は、第１２の実施形態による基材に結合したＰＣＤ本体の半断面の模式図である。 図１４ａは、１種のＰＣＤ材料のみから作製された従来の平坦カッターにおける応力分布の模式的表示であり、軸方向の引っ張り応力及び圧縮応力場を、それぞれ、最大の引っ張り及び最大の圧縮の位置と一緒に示す。 図１４ｂは、１種のＰＣＤ材料のみから作製された従来の平坦カッターにおける応力分布の模式的表示であり、半径方向の引っ張り応力及び圧縮応力場を、それぞれ、最大の引っ張り及び最大の圧縮の位置と一緒に示す。 図１４ｃは、１種のＰＣＤ材料のみから作製された従来の平坦カッターにおける応力分布の模式的表示であり、周方向の引っ張り応力及び圧縮応力場を、それぞれ、最大の引っ張り及び最大の圧縮の位置と一緒に示す。 図１５は、図７から誘導された実施形態による、基材に結合したＰＣＤ本体の半断面の模式図である。 図１６ａは、実施形態によるカッターにおける応力分布を示す模式的表示であり、軸方向の引っ張り及び圧縮応力場を、それぞれ、最大の引っ張り及び最大の圧縮の位置と一緒に示す。 図１６ｂは、実施形態によるカッターにおける応力分布を示す模式的表示であり、半径方向の引っ張り及び圧縮応力場を、それぞれ、最大の引っ張りと一緒に示す。 図１６ｃは、実施形態によるカッターにおける応力分布を示す模式的表示であり、周方向の引っ張り及び圧縮応力場を、それぞれ、最大の圧縮の位置と一緒に示す。 図１７は、カッターの上部の周辺の端部における材料の、図１６ａの実施形態による隣接し及び接触する切り取り断面を含む３次元の模式図である。 図１８は、図１５の模式図に対応する摩耗したカッターの半断面の実施例５に属する光学顕微鏡写真であり、それはまた、図７から誘導された実施形態による。２つのタイプのＰＣＤ材料の幾何学的配列は、量塊１及び１２として明確に標識されて見ることができる。実験室でシミュレートした岩石穿孔後の摩耗痕は１７と、及び主要な亀裂は１８と名称を付けてある。 図１９は実施例６に属し、実施例６の実施形態について種々の材料の配列を示す。 図２０は、図１９の図に対応するすり切れたカッターの半断面の実施例６に属する光学顕微鏡写真である。摩耗痕及び主要な亀裂を示す。 図２１は、実施例７の実施形態の３種の似ていないＰＣＤ材料の配列を示す。 図２２は、図２１の図に対応するすり切れたカッターの半断面の、実施例７に属する光学顕微鏡写真である。摩耗痕及び主要な亀裂を示す。

本明細書において使用する、「超硬質材料」は、ビッカース硬度が少なくとも約２５ＧＰａである材料である。ダイヤモンド及び立方体の窒化ホウ素（ｃＢＮ）材料は、超硬質材料の例である。ダイヤモンドが最も硬い知られた材料であり、立方体の窒化ホウ素（ｃＢＮ）がこの点で２番目であると考えられている。両材料は超硬質材料であると称される。それらの測定された硬度は、殆ど全ての他の材料を大きく超える。硬度数は価値の数字であり、それらは測定に使用される方法に大きく依存する。２９８°ＫでＫｎｏｏｐ圧子硬度測定技法を使用して、両方とも５００ｇ負荷でダイヤモンドは９０００ｋｇ／ｍｍ^２及びｃＢＮは４５００ｋｇ／ｍｍ^２の硬度を有すると測定された。ＰＣＤ材料は、ビッカース又はＫｎｏｏｐ圧子のいずれかを用いる同様な技法を使用して測定される場合、典型的には、４０００〜５０００ｋｇ／ｍｍ^２の範囲内に入る硬度を有する。炭化ホウ素、炭化ケイ素、炭化タングステン及び炭化チタンなどの他の硬質の材料が、同様に測定されて、硬度は、それぞれ２２５０、３９８０、２１９０及び２１９０ｋｇ／ｍｍ^２であった。本明細書において論じる目的で、測定された硬度が約４０００ｋｇ／ｍｍ^２を超える材料を超硬質材料とみなす。

ＨＰＨＴ条件におけるそれらの製作プロセス後に超硬質材料を含むカッター中に閉じ込められた残留応力は、カッターの応用中の亀裂開始及び伝播に特に関係があると考えられる。室内温度及び圧力条件に急速に戻すことを完了したとき、超硬質材料、例えばＰＣＤ材料と基材の間の非常に異なった弾性係数及び熱膨張係数が原因で、非常に大きい残留応力が生じている。超硬質材料の表板はその時応力の全体的な圧縮状態にあるが、基材の一方の側への表板の結合により引き起こされた曲げ効果の結果、表板の不安定な領域に局在化された引っ張り応力が生じる。

ＰＣＤカッターの実験室及び実地の試験から、ＰＣＤ材料中の亀裂は、カッターが摩耗するにつれて、ある不安定領域で始まり伝播することが観察された。特に、亀裂は、摩耗痕の表面又は摩耗痕の丁度裏側で始まる傾向がある。亀裂が始まった後、それらは、ＰＣＤ材料の本体中に、ＰＣＤ表板の上部に平行に向かうか、又はそれらはＰＣＤ表板の上部に向きを変えるか又はＰＣＤ−炭化物基材界面に向かうかのいずれかで伝播する。ＰＣＤ材料の表面に向きを変える亀裂は、ＰＣＤ表板が破砕するか若しくは剥落するか又は、ＰＣＤ材料の大きな部分が失われるかの原因となり易く、それはカッター寿命及びカッティング効率を減少させ得る。カッターの寿命は、伝播する亀裂が阻止されるか、そらされるか又はＰＣＤ−炭化物界面の方向に又は一般的にＰＣＤ材料の表面から離れるように向けられる場合に延長されることが観察された。

本明細書においては、領域中の応力分布の変更が記載されており、その変更においては、亀裂が、亀裂のさらなる伝播の阻害に役立つように伝播するか、又は亀裂が優勢に伝播する不安定領域から亀裂をそらすか、又はカッター寿命に対する害の少ない亀裂伝播にとって好ましい量塊又は領域に亀裂を限定すると考えられる。ＰＣＤ材料中の応力を、圧縮を誘発するか又は不安定領域における張力を減少させるように操作する方法が記載されている。別の方法で及びそれに加えて、不安定領域における最大の引っ張り応力は、別の所へ移して自由表面から他所へ移動させることができる。元の不安定領域の位置は、今や圧縮された状態にある材料により占められていてよい。強化された圧縮又は低下した張力を有するＰＣＤ材料などの多結晶材料を亀裂の通路に置くことにより、亀裂をより高張力の領域中に導くか又はそらす効果を有し得る。そのようなチャネリング又は進路変更は、好ましくは、亀裂を、超硬質材料例えばＰＣＤ材料の自由表面から離れる方向に向ける。

製作プロセス中にカッターのＰＣＤ表板内の適当な位置に圧縮を誘発するために、異なる性質を有する異なった材料を隣接させる。これは熱膨張係数及び／又は弾性係数又は任意の他の物理的性質などの性質を含み、それは、製作プロセス後に、１つの材料が隣接する他の材料に圧縮を誘発し、それ自体は張力の状態又は減少した圧縮になる結果を生じるであろう。

熱膨張係数の異なる２種の材料が高温の製作プロセス中に合体されれば、その場合、冷却されたときに、熱膨張係数が高い方の材料は、他の材料より大きく収縮しようとするであろう。高い熱膨張係数を有する材料は、そのとき熱膨張係数が低い方の材料により収縮を妨げられて、結果として、圧縮応力が後者の材料に誘発される。

材料に圧縮を誘発するもう１つの方法は、弾性係数の異なる材料を、高圧の製作プロセス中に隣接させることによる。圧力を開放すると、弾性係数が高い方の材料は、弾性係数が低い方の材料に圧縮を誘発して、それ自体は増大した張力を受けるであろう。

例えば、ＰＣＤ材料の本体を含むカッターは、高圧と組み合わせた高温を使用して製作することができて、その中で圧縮を誘発するこれらの手法が利用される。

幾つかのＰＣＤ材料のタイプでは、熱膨張係数及び弾性係数が両方とも大きく異なることが観察された。これらの材料においては、熱膨張係数が低いときに、弾性係数が高い。したがって、この群と異なった材料が利用される場合、材料の形成中に高温及び高圧から急に戻すと、正反対の応力誘発効果を惹起する。しかしながら、熱膨張係数の差によりもたらされる応力変化効果が優位を占める。

他のＰＣＤ材料のタイプでは、大きく異なった熱膨張係数を有するが、弾性係数における僅かな及び比較的重要でない差を有することができることが観察された。そのようなＰＣＤ材料が使用される場合、弾性係数の差の効果は殆ど無視してよい。

さらなる検討に役立てるために、円柱状カッターのＰＣＤ層における残留応力を、円柱座標を使用して、軸方向、半径方向及び周方向成分に、すなわち、カッターの軸に沿って、それらの半径に沿って及び半径に対して接線方向に、それぞれ分解する。典型的な伝統的カッターにおいて、亀裂が開始及び／又は伝播し易い不安定領域を図１に図式的に示す。これらの不安定領域は、引っ張り応力の位置、大きさ及び方向が異なることもあり、以下のように定義することができる。

１．亀裂が始まる領域、即ち、図１中の領域Ａ１及びＡ２として示した、摩耗痕の中及び周りの表面領域。摩耗痕の典型的な位置を図１中の点線Ｘ−Ｙとして示す。領域Ａ１は、カッター摩耗の初期段階中に亀裂が開始する領域を示すが、それに対して領域Ａ２は摩耗の後期の段階を指す。領域Ａ１は周方向の引っ張り応力と関連し、Ａ２は軸方向の引っ張り応力と関連する。

２．図１中に領域Ｂ１及びＢ２として示した、亀裂が伝播してカッターの早発の剥落の原因となる、ＰＣＤ材料の上部表面に向かう方向の領域。領域Ａ１及びＡ２と同様に、領域Ｂ１及びＢ２は、摩耗の初期及び後期の段階と、それぞれ関連する。領域Ｂ１及びＢ２は半径方向の引っ張り及び軸方向の応力と関連する。

３．図１中の領域Ｃとして示した、亀裂の幾つかがカッターが実質的に摩耗した後に伝播する、炭化物基材の真上のＰＣＤ材料の中心に向かう領域。この領域中に伝播する亀裂は、それらがＰＣＤ材料の自由表面に出ていないので、有害さは小さいようである。領域Ｃは小さい軸方向の引っ張り応力と関連する。

４．図１中の領域Ｄは、これらの不安定領域の外側のＰＣＤ材料の全部の量塊を表すが、そこでは亀裂が伝播する傾向が著しく低い。この領域において、周方向及び半径方向の応力は、一般的に圧縮であり及び軸方向の応力は、半径方向で控えめな引っ張りから圧縮に移る。

上で記載した不安定領域は、一般的なカッター構造及びそれらを製作するプロセスから生じる残留応力分布を変更するために、異なったＰＣＤ材料の量塊が置かれ得るＰＣＤ表板における位置と同一になる。残留応力分布における所望の変更は、不安定領域における圧縮又は減少した張力の誘発を必要とする。あるいは、それらに伴う最大の引っ張り応力を含む不安定領域は、ＰＣＤ表板の自由表面から害の少ないＰＣＤ表板の内部の量塊に移すこともできる。応力分布に対するこれらの変更は、亀裂を抑止又は偏向させ又は自由表面から離して不安定さの小さい領域に、及びＰＣＤ表板の全量塊及び炭化物界面の方へ向かわせることに役立つ。順送りで、以前にはＰＣＤ表板の剥落の原因になった自由表面への亀裂伝播の発生が減少し、これはカッター寿命の望ましい延長に結びつくことができる。

不安定領域のこの同定及びこれらの領域により示される量塊に適当な材料を置くことが、超硬質構造体中の残留応力の再分布に役立つ。

ＰＣＤ材料を、不安定領域に関係して置くことができる多くの方法があり、これらの組合せの幾つかを、例として下で説明する。その結果生じた残留応力における変化は、異なった不安定領域を操作して部分的に独立の様式で変化させることを可能にすることができて、特定の実施形態の有効性を示すために使用することができる。

図２ａは、基材に結合したＰＣＤ材料などの超硬質材料の本体の半分の断面の模式的な部分的展望図を示し、それは図１の領域と関連する隣接する量塊を示す。これらの量塊は、構造及び組成が異なり、応力分布を改変することができるための性質と関連する材料で作製することができる。

図２ｂは、種々の領域の内部の配列を露出させる６０°の切り取り断面による図２ａの実施形態の３次元の表示である。これらの図中の第１の領域１は、図１の領域Ｄを主として含み、ＰＣＤ表板の大体の中心を占める。それは５つの隣接する及び結合した領域２、３、４、５及び６により取り巻かれている。第１の量塊１は、ＰＣＤ表板の円周の自由表面から第３の３、第４の４、及び第５の５の領域によって隔離されている。基材は７と名付けられる。第６の領域６は、第１の中心領域１及と基材７の間に位置し、それは例えば炭化物基材であってもよく、図１中の領域Ｃに関連するか又は対応する。第３の領域３は、第６の領域２に隣接し、且つ基材７及びＰＣＤ表板の円周の自由表面に隣接して位置する。この領域は図１の領域Ａ２と関連する。

第４の領域４は第３の領域３に隣接して、ＰＣＤ表板の円周の自由表面に位置する。この領域４は、図１の領域Ａ１と関連する。第５の領域５は、第４の領域４に隣接して、第１の領域１を、ＰＣＤ表板の上部の自由表面から隔離する。第５の領域５は、図１の領域Ｂ１と関連する。

第２の領域２は、第５の領域５に隣接して、第１の領域１をＰＣＤ表板の上部の自由表面の残部から隔離する。第２の領域２は、ＰＣＤ表板の上部の自由表面の中央を横切って延び、図１の領域Ｂ２と関連する。

熱膨張係数が最高の材料は、第１の又は第６の領域１及び６を占めるように選択することができる。例えば、幾つかの実施形態において、第１の領域１は、最高の熱膨張係数の材料を含むことができて、第２〜第６の領域２〜６のために選択される材料は、熱膨張係数に関して全て互いに異なってもよく、第１の領域１よりも全てのこの性質が低い。

第５の領域５の材料は、熱膨張係数が第４及び第２の領域４及び２の両方の材料より低くてもよい。同様に、第６の領域６の材料は、熱膨張係数が第３の領域３の材料より低くてもよく、第４の領域４の材料は、熱膨張係数が第３の領域３の材料より低くてもよい。

種々の領域を形成するために使用し得る材料として、例えば、ＰＣＤなどのダイヤモンド含有材料、及び銅、タングステンなどの他の金属との複合体、及び炭化ケイ素、炭化チタン及び窒化物などのセラミックスとの複合体が挙げられる。それに加えて、カッターの構造及び製作手順と適合性のダイヤモンドを含有しない材料も使用することができて、炭化タングステン／コバルト、炭化チタン／ニッケルなどの硬質金属、酸化アルミニウムとニッケルの組合せなどのサーメット、一般的セラミックス及び耐火性金属を含むことができる。ＰＣＤカッター中の応力場を適切に変更するためには、材料における相対的な熱膨張係数の差を利用することに加えて、弾性係数を使用することもできる。この例においては、第１の領域１の材料を、第２〜第６の領域２〜６の材料と比較して最低の弾性係数を有するように選択することができる。典型的なＰＣＤ材料は、しばしば膨張係数及び弾性係数の両方が異なる。ダイヤモンド焼結のために高圧高温条件下で製造されたＰＣＤ材料の場合、典型的には、熱膨張の不一致により誘発された応力が支配的である。

幾つかの実施形態において、第１の領域１は、周囲の領域中の応力に対して有意の影響を有するためにＰＣＤ表板の体積全体中で十分な比率である。例えば、第１の領域１は、ＰＣＤ表板全体の体積の約３０と９５％の間を占めることができる。第２、第３、第４、第５及び第６の領域、３、４、５及び６の各々の間の隣接する境界は、応力分布の所望の変化を最適化するために位置させることができる。

典型的であるが必ずではなく、ＰＣＤ材料は、３×１０^−６〜５×１０^−６／℃の範囲内の線熱膨張係数を有することが当技術分野において知られている。

線熱膨張係数における第１の領域１の材料と第２〜第６の領域２〜６の各々の材料との間の差の例は、少なくとも約０．３×１０^−６／℃である。直線的膨張係数における２つの隣接する材料間の差の例も少なくとも約０．１×１０^−６／℃である。領域４が、ＰＣＤ材料などの適当なカッティング性能に十分な耐久性の材料から作製されていれば、熱膨張基準を満たす他の硬質の材料及び上で概略を説明した選択を他の領域で使用することができる。ＰＣＤ材料は、ダイヤモンドとコバルト、ニッケルなどの遷移金属との組合せとして考慮することができる。ダイヤモンドの線熱膨張係数は非常に低く、文献値は０．８＋／−０．１×１０^−６／℃である。コバルトなどの金属は、遷移金属に典型的な高い、例えば１３×１０^−６／℃などの熱膨張係数を有する。

典型的なＰＣＤ材料の熱膨張係数は、ダイヤモンド対金属の組成比に対する強い依存性を有する。熱膨張係数が異なるＰＣＤ材料の変形種を実用的に製造する非常に便利な方法は、金属含有率が大きく異なったＰＣＤ材料を製作することである。ＰＣＤ材料の金属含有率は、典型的であるが必ずではなく、１〜１５体積パーセントの範囲内に入り、可能性として２５体積パーセントという高い金属を含む材料も製造することができる。

図２ａに例示した実施形態を参照して、第１の領域１中のＰＣＤ材料は、ＰＣＤ層中の応力分布を所望の様式で変更するために、その他の領域２〜６中のＰＣＤ材料を超える金属含有率を有する。それに加えて、第５の領域５の金属含有率は、第４の及び第２の領域４及び２未満であってよい。第２の領域２の材料の金属含有率は、第３の領域３の金属含有率未満であってよく、第４の領域４の材料の金属含有率は、第３の領域３の金属含有率以下であってよい。

第１の領域１と第２〜第６の領域２〜６との間のＰＣＤ材料の金属含有率の差は、少なくとも約１．５体積パーセントであってよい。それに加えて、第２〜第６の領域２〜６の隣接する材料のいずれかの間の金属含有率における差は、例えば、少なくとも約０．５体積パーセントであってよい。

大きい平均粒子サイズのダイヤモンド粒子で作製されたＰＣＤ材料は、より小さい平均粒子サイズで作製されたものより低い金属含有率を有する傾向がある。それ故、金属含有率が異なり、それに伴って熱膨張係数が異なるＰＣＤ材料を、ダイヤモンド粒子の平均粒子サイズを選択することにより創出することは、実用的に可能である。

図２ａに示した実施形態において、第１の領域１中の材料の平均粒子サイズは、例えば、第２〜第６の領域２〜６の材料未満であってよい。

あるいは、第６の領域６中の材料の平均粒子サイズは、全ての他の領域、即ち、領域１〜５の材料の平均粒子サイズ未満であってよい。

幾つかの実施形態において、第１の領域１の材料の平均粒子サイズは、約１〜１０ミクロンの範囲内に入り、他の領域２〜６の材料の平均粒子サイズは約１０ミクロンを超える。

異なった構造のＰＣＤ材料の熱膨張係数が同様である状況においては、相対応力を誘発するために異なる弾性係数を使用することができる。そのような例において、図２ａの第１の領域１の材料又は第６の領域６の材料における弾性係数は、他の領域の各々における材料の弾性係数を超える。

典型的ではあるが必ずではなく、ＰＣＤ材料は、約７５０〜１０５０ＧＰａの範囲内に弾性係数を有する。第１の領域１中の材料又は第６の領域６中の材料とその他の領域の各々の材料との間の弾性係数における差は、例えば、少なくとも約２０ＧＰａであってよい。

第４の領域４の材料が、適切なカッティング性能について十分に耐久性のあるＰＣＤ材料などの材料から作製されていれば、弾性係数基準及び上で概略を説明した選択を満たす他の硬質の材料を使用することもできる。先に言及したように、ＰＣＤ材料は、ダイヤモンドとコバルト、ニッケルなどの遷移金属との組合せを含むと考えてよい。単結晶ダイヤモンドは、極端に高い弾性係数を有するヒトに知られた最も硬い材料の１つである。ＰＣＤ材料は、隙間に遷移金属が充填されて一緒に連晶した、合成でも天然でもよいダイヤモンド粒子を、それらの最大の成分として含有する。弾性係数を改変する方法は、全ダイヤモンド含有率を変えることである。ダイヤモンド含有率が高ければ高いほど、弾性係数の値は高い。

ＰＣＤ材料のダイヤモンド含有率は、典型的ではあるが必ずではなく７５〜９９体積パーセントの範囲内に入る。

次に、残留応力の発生において支配的である例では、図２ａの実施形態を参照すると、第１の領域１のＰＣＤ材料、又は第６の領域６のＰＣＤ材料は、その他の領域中のＰＣＤ材料を超えるダイヤモンド含有率を有することができる。

第１の領域１又は第６の領域６のＰＣＤ材料とその他の領域のＰＣＤ材料との間のダイヤモンド含有率における差は、例えば、少なくとも約０．２体積パーセントであってよい。

図２ａを参照すると、隣接する領域で選択された異なった材料間の界面における応力が非常に高く、急な望ましくない応力勾配がこれらの界面で生じて、それは、それ自体で局在化した亀裂開始の部位であり得ると考えられる。この状況を最小化又は減少させるために、隣接する材料間で構造及び組成に勾配をつけることが望ましいことがある。したがって、ダイヤモンド含有率、粒子サイズ及び金属含有率は、１つの領域から隣接する領域へ、材料の最大の平均粒子サイズの、例えば少なくとも３倍の距離にわたって徐々に変化するように選択することができる。

さらなる実施形態は、同じ熱膨張係数を有するように特に選択された量塊で材料を選択することにより達成せられる。

図３は、第１及び第６の領域１と６は、熱膨張係数が同じで且つ最高であり、第２、第３、第４及び第５の領域２、３、４、及び５は、熱膨張係数がそれより低くて異なる材料を有するＰＣＤカッターの模式図である。最高の熱膨張係数を有する材料は、ＰＣＤ表板の炭化物基材界面にまで延びるが、それでもＰＣＤ表板の円周の自由表面から、それより熱膨張係数が低い材料によって隔離されている。

図４は、やはり熱膨張係数が同じで最高の第１及び第６の領域１及び６を有するが、第２、第３、第４及び第５の領域２、３、４、及び５の材料は、熱膨張係数が互いに等しくて低いＰＣＤカッターの模式図である。この際、カッターのＰＣＤ表板は、熱膨張係数が異なる２つの領域で成り立つとみなしてよく、熱膨張係数が最高の領域はＰＣＤ表板と基材の界面で中心軸の周りに対称的に位置して、ＰＣＤ表板の自由表面から熱膨張係数が最低の領域により隔離されている。

図２、３及び４にしたがって作製されたカッターは、図１の領域Ａ２中の軸方向の引っ張り応力の有意の減少、及び領域Ａ１の周方向の引っ張り応力及び領域Ｂ１の半径方向の引っ張り応力の両方がＰＣＤの自由表面から離れる移動を生じる。したがって、図３及び４に示したこの性質の実施形態は、カッターの摩耗の初期及び後期の段階の間の亀裂挙動を、それぞれ処理することができる。

異なる材料を含有する隣接する領域間の境界を拡張して、隣接する領域を隔離する新しい領域を形成することができる。この方法においては、さらに複雑な３次元の設計を活用することができる。図５は、図４の組み合わされた第１及び第６の領域１及び６と組み合わされた第２、第３、第４及び第５の領域２、３、４、及び５との間の境界が拡張されて、第８の領域８と名付けられた新しい隔離体を作っているカッターの模式図である。図５において、組み合わされた第１及び第６の領域は、ここで第９の領域９と名付けられ、及び組み合わされた第２、第３、第４及び第５の領域は第１０の領域１０として示される。１実施形態において、第８、第９及び第１０の領域８、９、１０は、異なる熱膨張係数を有する材料から作製することができる。例えば、第８の又は第９の領域８、９は、最高の熱膨張係数の材料で作製することができる。

幾つかの実施形態において、第９の領域９の材料は、最高の熱膨張係数を有し、第８の及び第９の領域８、９はこの性質において相違する。第８の領域８の材料も、第９の領域９と第１０の領域１０の中間の熱膨張係数を有することができる。

後者の例により作製されたカッターは、図１の領域Ａ２において軸方向の引っ張り応力の有意の減少を有することができ、このこと及び領域Ｂ１の半径方向の引っ張り応力の移動に基づいて、全ての領域における周方向の応力は圧縮性になり得る。周方向の引っ張り応力の排除は非常に有利な結果であろう。

異なった材料の領域の数が増加したさらなる変形種は、図５における境界の拡大により、挿入図Ａにより示すように達成することができる。この方法において、カッター設計は４又は５個の領域を用いて達成され得るが、それでも元の境界の幾何学的形態は維持される。境界を拡大して新しい領域を形成するこの手順を継続することにより、図６に示すように元の境界の幾何学的形態をなおも維持する複数の量塊を有するカッターの設計をし遂げることができる。

複数の領域で組織化された異なった材料の非常に多くの入れ替えをすることができる。幾つかの実施形態においては、熱膨張係数が最高の材料を含有する最大の相対的体積を有する領域が、炭化物とＰＣＤの界面の中心領域を占めて、ＰＣＤ表板の中心領域から円周縁に延びる、順々に続く各隣接体において熱膨張係数の減少が進行する。複数の領域の数が非常に大きくなる場合には、これらの領域の厚さは、材料の微細構造のスケールの寸法に近づき、したがって、構造、組成物及び性質の連続した勾配が生じ得る。

ＰＣＤ表板は、この様式で大きく又は完全に勾配をつけることができ、ＰＣＤ表板の中心領域は、円周の自由表面から離れて位置し、及び熱膨張係数が最高の材料により占められる。

図５を参照すれば、第８の領域８の材料は、熱膨張係数が平均で第９の領域９と第１０の領域１０の間の中間であってよいが、構造の組成及び性質に第９の領域９の材料から第１０の領域１０の材料にかけて連続的に勾配がつくように配列することができる。これは、応力における１つの領域から他の領域への望ましくない如何なる急な変化も和らげることを可能にすることができるので、有利である。

さらなる実施形態は、図２をさらに考慮して、特に選択された領域において同じ熱膨張係数を有する材料を選択することにより到達することができる。第２、第３、第４、第５及び第６の領域２〜６の任意の２つ若しくは任意の３つ又は任意の４つ若しくは全てを同じ熱膨張係数を有する材料から作製することができる。それに加えて、第１の領域１の材料は、第２の２、第５の５、及び第６の６の領域における材料のいずれとも熱膨張係数を等しくすることができる。図７に示すように、第２、第３、第４、第５及び第６の領域２〜６が、全て同じ熱膨張係数を有するが、それでも熱膨張係数が第１の領域１の材料より低い材料で作製することもできる。第２、第３、第４、第５及び第６の領域の組合せは、この図中で１２と名付けてある。

後者の例により作製されたカッターは、図１における領域Ａ２の軸方向の引っ張り応力は大きく変化させることはないが、しかし、Ｂ１の半径方向の引っ張り応力及びＡ１の周方向の応力を両方とも減少させるとともに、重要なこととして、これらの２つの後者の不安定領域を自由表面から離してＰＣＤ表板の本体中に移動させることができる。

他の実施形態は、図２を考慮することから、例えば図８に示すように、ＰＣＤ表板の自由表面及び炭化物界面から離れた一般的にドーナツ形の量塊を占める、熱膨張係数が最高の材料を含む第１の領域１で達成することができる。第２〜第６の領域２〜６における材料の相対的熱膨張係数の入れ替えと関係する変形種が応用可能であり得る。

図９は、図８の第２、第３、第４、第５及び第６の領域２〜６が、熱膨張係数が最高の材料で作製されたドーナツ形の第１の領域１を取り囲む、ここで１１と名付けられた同じ熱膨張係数を有する材料で作製されている模式図である。

それに加えて、任意の領域間の境界を拡大して適当な性質を有する材料の新しい領域を作製する手法を使用して、複数の領域についての設計を、図７、８、及び９に示した設計のために誘導することができる。ドーナツ形の第１の領域１の周りに同心円的に組織された数個の新しい領域についての例を、図１０に示す。

記載した実施形態の任意の１つ又は複数に関して、熱膨張係数が最高の材料を有する領域は、２つ以上の隔離した領域に細分することができ、その全てがＰＣＤ表板の円周の自由表面から熱膨張係数がより低い少なくとも１種の材料により隔離され得る。同じ最高の熱膨張係数を有するこれらの複数の量塊は、例えば、ドーナツ形、楕円面、円柱、球などの任意の３次元の幾何学的形状であってよい。熱膨張係数が最高の材料の合計体積は、例えば、ＰＣＤ表板の全体積の３０〜９５％を占めることができる。

図１１は、ＰＣＤ表板中に分布する４つのドーナツ形の量塊の例である。

これまでに記載した全ての実施形態は、一般的な先行技術の円柱状の幾何学的形態のカッターに対して、軸方向に対称的であり、図１に示すように亀裂開始及び伝播に不安定な領域に関係づけられる。一般的に、選択された似ていない材料（それらに付随の似ていない選択された性質を有する）を含む量塊の円周方向の、軸方向に対称的及び非対称的の両方での細分を活用して、残留応力分布を変更することができて、有利に亀裂開始及び伝播に影響を及ぼすことができる。この手法を使用することにより、残留応力分布を、軸方向に対称的から軸方向に非対称に変更することができて、その結果、摩耗痕の全体的所在における望ましくない引っ張り応力を減少させ又は排除することができる。

特定のＰＣＤ材料は、岩石カッティングにおけるその摩耗性及び挙動に関して特に優れているが、理想的材料ではなく、カッターの末梢部における周囲の量塊との関係で理想的とは言えない熱膨張係数及び／又は弾性係数を有し、したがって理想的とは言えない残留応力をその量塊で有することがあるということも考えられる。そのような場合には、記載した、及び図２〜１２により図式的に表した任意の軸対称的な実施形態又は任意の他のそのような変形種を、上記のような材料の量塊に隣接し及び接触するように使用して、その結果、その境界内の残留応力場を有利に変更することができる。「接触する」はこの関係で、選択されたセクターに隣接する材料の量塊を支持する手段を意味し、それは有利な応力変更を前記セクターに課する。これは、軸対称な実施形態に不連続部を導入し且つカッティング領域として使用すべき材料の量塊を「挿入する」ことにより達成することができる。有利な変更として、張力の減少、圧縮の増大及びＰＣＤ表板の自由表面から離れる最大の引っ張り応力の変位及び移動（特に次に、最大の引っ張り応力が圧縮応力場により自由表面から隔離される場合）が挙げられる。優れた摩耗挙動を有するそのような材料のセグメント又はセクターは、記載した及び図２〜１２により表したいずれかの実施形態で創出される周辺の不連続部の中に挿入することができる。次に、このセグメント又はセクターは、岩石カッティングのための部位として使用され、それに続いて摩耗痕が形成されるであろう。２つ以上のそのようなセグメント又はセクターは、ＰＣＤ表板の周辺に配置され、対称的又は非対称的のいずれかで配列されて、そのようなカッターの複数回の再使用を容易にすることができる。

ＦＥＡ分析を摩耗痕を有する記載された実施形態のカッターについて実施した。摩耗痕におけるＰＣＤの除去の結果として残留応力場は実質的には変化していないと結論した。理由は、典型的な摩耗痕で除去された材料の体積は、ＰＣＤの全体積に対して小さいということである。任意の特定の実施形態に特徴的な、軸方向、半径方向及び周方向の残留最大の引っ張り応力場は、典型的な寸法の摩耗痕の進行性形成によって、大きさが顕著に減少することも位置が変位することもない。

ここで、幾つかの実施形態を、本発明を限定するとはみなされず又は限定を意図しない下の実施例を参照して、さらに詳細に説明する。

実施例１
図２ａ、２ｂの実施形態に基づくＰＣＤカッターを製作した。図１３は、これらのカッターのために使用された特定の設計の図である。最終のＰＣＤ表板の厚さは２．２ｍｍであり、長さ１３．８ｍｍの炭化タングステンと１３重量パーセントコバルトの硬質金属基材に結合した。直円柱カッターは、直径１６ｍｍ、全長１６ｍｍであり、ＰＣＤ表板と炭化物基材の間に平坦な界面を有した。

図１３を参照して、異なるＰＣＤ材料の量塊１〜６は、当技術分野において知られたテープキャスティング製作技法を使用することにより作製した。６種の異なったダイヤモンド粉末の未焼結のディスク又はワッシャを、水溶性結合剤を使用して作製した。各場合に、図１３の幾何学的形態を形成するためのディスクとワッシャの組立て部品一式を耐火性金属のカップに入れて、次にそれを予め焼結した炭化タングステン／コバルトの硬質金属の円柱に合わせて被せた。次に、これらの集成体を、結合剤材料を除去するために、炉中で十分な温度で及び十分な時間真空で脱ガスした。次に、集成体を、高圧装置中で約１４５０℃の温度で約５．５ＧＰａの圧力にかけた。これらの条件で、炭化タングステンの硬質金属のコバルト結合剤は溶融してダイヤモンド粉末集合体の空孔に浸透し、ダイヤモンドの焼結が起こった。

ダイヤモンドの焼結が完了後、条件を室内の温度及び圧力に落とした。高圧及び高温で、カッターの材料は熱弾性平衡にある。室内の条件に急速に戻した後、種々のＰＣＤ材料及び硬質金属基材間の性質の差により、カッターＰＣＤ表板中に生じた残留応力分布が固まる。

図１３を参照すると、異なるＰＣＤ材料の６つの領域は以下のように作製された。

第１の領域１の材料は、２ミクロン〜１６ミクロンに広がる多峰のサイズ分布で平均粒子サイズ約６ミクロンのダイヤモンド粉末から作製された。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温の条件で、コバルト含有率約１２体積パーセント、線熱膨張係数４．５×１０^−６／℃、及び弾性係数８６０ＧＰａのＰＣＤ材料を形成することが知られている。これは熱膨張係数が最高の材料である。

第２の領域２の材料は、２ミクロン〜３０ミクロンに広がる多峰のサイズ分布で平均粒子サイズ約１２．５ミクロンのダイヤモンド粉末から作製された。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温条件で、コバルト含有率１０．２体積パーセント、線熱膨張係数４．１５×１０^−６／℃、及び弾性係数９８０ＧＰａのＰＣＤ材料を形成することが知られている。

第３の領域３の材料は、１ミクロン〜１２ミクロンに広がる多峰のサイズ分布で平均粒子サイズ約５．７ミクロンのダイヤモンド粉末から作製された。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温条件で、コバルト含有率１０体積パーセント、線熱膨張係数４．０×１０^−６／℃、及び弾性係数１００５ＧＰａのＰＣＤ材料を形成することが知られている。

第４の領域４の材料は、４ミクロン〜４５ミクロンに広がる多峰のサイズ分布で平均粒子サイズ約２５ミクロンのダイヤモンド粉末から作製された。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温条件で、コバルト含有率７．７体積パーセント、線熱膨張係数３．７×１０^−６／℃、及び弾性係数１０３０ＧＰａのＰＣＤ材料を形成することが知られている。

第５の領域５の材料は、４ミクロン〜７５ミクロンに広がる多峰のサイズ分布で平均粒子サイズ約３３．５ミクロンのダイヤモンド粉末から作製された。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温条件で、コバルト含有率７．０体積パーセント、線熱膨張係数３．４×１０^−６／℃、及び弾性係数１０４０ＧＰａのＰＣＤ材料を形成することが知られている。これは、９３体積パーセントという最高のダイヤモンド含有率で熱膨張係数が最低の材料である。

第６の領域６の材料は、３ミクロン〜１６ミクロンに広がる３峰のサイズ分布で平均粒子サイズ約６．４ミクロンのダイヤモンド粉末から作製された。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温条件で、コバルト含有率１１．５体積パーセント、線熱膨張係数４．２５×１０^−６／℃、及び弾性係数９２５ＧＰａのＰＣＤ材料を形成することが知られている。

高圧装置から取り出した後、各カッターを、当技術分野において知られた研削及び研磨手順により、最終のサイズにする。そのカッターの試料を切って断面を出し、異なったＰＣＤ材料の量塊の寸法を測定し、ＰＣＤ表板の全体積に対するそれらの体積を見積もった。

熱膨張係数が最高の材料でできた第１の領域１の材料は、ＰＣＤ表板の全体積の約７５％を占めると見積もった。

第６の領域６の材料は、ＰＣＤ表板の全体積の約３％を占め、中心軸から放射状に約４ｍｍ延びており、厚さ約０．２５ｍｍであり、第１の領域１の材料を炭化タングステンの硬質金属基材から隔離していた。

第３の領域３の材料は、ＰＣＤ表板の全体積の約８％を占め、第６の領域６の材料に隣接し、表板の周辺の自由表面の方に放射状にさらに４ｍｍ延びており、厚さ約０．２５であり、第１の領域１の材料を炭化タングステンの硬質金属基材から隔離していた。

第４の領域４の材料は、ＰＣＤ表板の全体積の約５％を占め、第３の領域３の材料に隣接し、ＰＣＤ表板の円周の自由表面に位置して、第１の領域１の材料をＰＣＤ表板の円周の自由表面から隔離していた。

第５の領域５の材料は、ＰＣＤ表板の全体積の約６％を占め、第４の量塊４の材料に隣接し、厚さ約０．２５ｍｍであり、第１の領域１の材料をＰＣＤ表板の上部の自由表面から隔離していた。

第２の領域２の材料は、ＰＣＤ表板の全体積の約３％を占め、厚さ約０．２５ｍｍであり、第５の領域５の材料に隣接し、中心軸から放射状に約４ｍｍ延びて、カッターの上部の自由表面の中央を横切って延び、第１の領域１の材料を、カッターの上部の自由表面から隔離していた。

生じた測定された量塊の寸法及び期待されるＰＣＤ材料の性質を有する作製されたままのカッターを、有限要素解析（ＦＥＡ）を使用してモデル化した。これは、カッターの寸法全体にわたる応力分布の計算を可能にする数値応力解析技法である。比較の目的で、第４の領域４の材料に対応する１種の材料だけで作製された表板を用いる平坦カッターの応力分布を計算し、参照として使用した。

図１４ａ、ｂ、ｃは、１種のＰＣＤ材料だけで作製されたそのような平坦カッターにおける応力分布の模式的表示である。

図１４ａに、軸方向の引っ張り場及び圧縮場を引っ張り及び圧縮が最大の位置と一緒に示す。点線は、引っ張り場と圧縮場との間の境界を示し、引っ張り場をハッチした。軸方向の最大の引っ張りが、基材との界面の直上のＰＣＤ表板の円周の自由表面に位置することが見て取れる。この軸方向の最大の引っ張りは、図１のＡ２の不安定領域と関係する。基材界面からＰＣＤの上部の自由表面に延びて、軸方向の引っ張り場により円周の自由表面から隔離されている軸方向の圧縮応力場を例外として、ＰＣＤ表板の大部分が軸方向の張力下にある。最大の圧縮は、基材界面の真上の圧縮場の中に位置する。

図１４ｂに、半径方向の引っ張り場及び圧縮場を最大の引っ張り位置及び圧縮位置と一緒に示す。単一の半径方向の引っ張り場を図１４ｂに示すようにハッチしてあり、半径方向の最大の引っ張りはＰＣＤ表板の上部の自由表面に位置する。この半径方向の最大は、図１の不安定領域Ｂ１と関係する。最大の圧縮は示したように基材界面に位置する。

図１４ｃに、周方向の引っ張り場及び圧縮場を、最大の引っ張り位置及び圧縮位置と一緒に示す。ＰＣＤ表板の大部分は、ハッチした領域に示した張力下にある円周の上部の隅にある限られた量塊と別の周方向の圧縮にある。最大の周方向の引っ張りは自由表面に位置し図１のＡ１の不安定領域と関係する。

下の表１は、参照の平坦カッターと比較したこの例についての応力成分の大きさとして表した比較のＦＥＡを示す。

軸方向の最大の引っ張りは図１の不安定領域Ａ２と関係し、３２％減少していることが表１から見て取れる。この最大の位置は、図１３中のＡにより示したように図１４ａ中の最大の位置と変わらない。

図１の不安定領域Ｂ１と関係する半径方向の最大の引っ張りは、同様に２９％減少している。しかしながら、この最大の位置は、変位して、ＰＣＤの自由表面カッターから離れて移動し、図１３中にＲで示した領域１の材料内に位置を占める。

図１の不安定領域Ａ１と関係する最大の周方向の引っ張りは、１２６％減少して、その結果今度は最低の圧縮の位置になっており、且つ変位してＰＣＤ表板の自由表面から離れて移動した。それは、図１３中にＨと示した領域１の材料の中側に位置を占める。その上、ＰＣＤ表板の全量塊が今度は周方向の圧縮下にあり、それ故如何なる周方向の引っ張り応力も存在しない。したがって、不安定領域Ａ２、Ｂ１及びＡ１は、参照の平坦な単一材料カッターと比較して、張力が著しく減少したことがわかる。不安定領域Ｂ１及びＡ１の場合に、それらは移動してＰＣＤ表板の自由表面から離れ、且つ上部の自由表面から半径方向及び周方向の圧縮下にある材料により隔離される。

まとめると、一般的な図２ａ及びｂの実施形態に対応して作製された実施例１のカッターのＦＥＡ分析は、亀裂が優先的に伝播する図１の不安定領域中の応力は、張力が減少するか又は圧縮が増大することを示す。それに加えて、一部の不安定領域は変位して、それらは最早ＰＣＤ表板の自由表面に拘束されない。このようにして、亀裂がカッターの自由表面に伝播する傾向が阻止され又は多分防止されると期待される。したがって、この一般的設計のカッターには、当然剥落発生の減少及び穿孔用途におけるカッター寿命の増大が伴う。

実施例２
図７の実施形態に基づくＰＣＤカッターを製作した。図１５は、これらのカッターに使用された特定の設計図である。実施例１におけるように、最終のＰＣＤ表板厚さは２．２ｍｍであり、炭化タングステンに結合した、長さ１３．８ｍｍの１３重量パーセントコバルトの硬質金属基材であった。直円柱カッターは直径１６ｍｍ、全長１６ｍｍであり、ＰＣＤ表板と炭化物基材の間に平坦な界面を有した。

この例において、ＰＣＤ表板は、異なったＰＣＤ材料の２つの量塊のみから作製される。熱膨張係数が最高の材料であるＰＣＤは、図１５で１と表示した円板を形成し、それは基材界面、ＰＣＤ表板の上部の表面及び円周の自由表面から、図１５中で１２と表示した周囲の熱膨張係数がより低いＰＣＤ材料の量塊により隔離されている。

上の実施例１に記載した作製技法及び手順を使用した。

しかしながら、この場合には、使用した温度及び圧力条件は、それぞれ約１４７０℃及び５．７ＧＰａであった。

図１５を参照して、異なるＰＣＤ材料の２箇所の領域を以下のようにして作製した。

第１の領域１は、２ミクロン〜１６ミクロンに広がる多峰のサイズ分布を有する平均粒子サイズ約１２．６ミクロンのダイヤモンド粉末から作製された。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温条件で、コバルト含有率が約９体積パーセント、線熱膨張係数４．０×１０^−６／℃及び弾性係数１０２０ＧＰａのＰＣＤ材料を形成することが知られている。これは熱膨張係数が最高の材料である。

図１５において第１の領域１を取り囲む第２の領域１２は、６ミクロン〜７５ミクロンに広がる多峰のサイズ分布を有する平均粒子サイズが約３３ミクロンのダイヤモンド粉末から作製された。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温条件で、コバルト含有率約６．５体積パーセント、線熱膨張係数３．４×１０^−６／℃及び弾性係数１０４０ＧＰａのＰＣＤ材料を形成することが知られている。

高圧装置から取り出した後、各カッターを、当技術分野において知られた研削及び研磨手順により最終のサイズにした。カッターの試料を切って断面を出し、異なったＰＣＤ材料の量塊の寸法を測定し、ＰＣＤ表板の全体積に対するそれらの体積を見積もった。

熱膨張係数が最高の材料でできた第１の領域１が、ＰＣＤ表板の全体積の約６７％を占め、周囲の領域の体積は約３３％であると推定した。第１の領域１は、基材から約０．２５ｍｍ、表板の上部の表面から約０．４ｍｍ及び表板の円周の自由表面から約０．４ｍｍ隔離していた。

生じた測定された量塊の寸法で製作されたカッター及び期待されるＰＣＤ材料の性質を、有限要素解析法（ＦＥＡ）を使用してモデル化した。この技法は、カッターの寸法全体にわたる応力分布の計算を可能にする。比較の目的で、図１５中で１２と表示された周囲の量塊の材料に対応する１種の材料のみで作製された表板を有する平坦カッターの応力分布を計算して、参照として使用した。下の表２は、最大の原応力として、及び便利な円柱座標で、軸方向、半径方向及び周方向の成分としても表されたＦＥＡ結果を示す。

軸方向の及び半径方向の最大の引っ張り応力は、大きさがそれぞれ約９％及び６％減少したことが表２から見て取れる。しかしながら、周方向の最大の引っ張り応力の成分は、大きさが約１２％増大した。

図１５中でＡと表記した軸方向の最大の位置は不変であったこと、及び強化された軸方向の大きさ−４２４ＭＰａの圧縮場が、第１の領域１、境界に直ぐ隣接して形成され、ＰＣＤ表板の円周の自由表面からその量塊を隔離したことも注目される。

半径方向の及び周方向の最大の引っ張り応力の位置の変化が注目された。半径方向の及び周方向の両方の最大の引っ張りが変位して、今度は図１５中でＲ及びＨとそれぞれ表示した第１の領域１の境界の内側の位置を占め、したがって、ＰＣＤ表板の自由表面から、半径方向の及び周方向の圧縮の堅固な量塊により隔離される。亀裂伝播を考慮すると、周方向の最大の引っ張り応力の変位は、大きさの増大を阻止する。伝播する亀裂は、これらの引っ張り応力により引き寄せられるが、その亀裂は、引っ張り領域を自由表面から隔離する圧縮で、材料を通過することを阻止されるであろう。 したがって、亀裂は、容易に自由表面に至り得ず、剥落を惹起しない。

したがって、図７の実施形態により作製されたカッターは、隣接する軸方向の圧縮の強化とともに、図１中の領域Ａ２の軸方向の引っ張り応力が減少することになりそうであることが、ＦＥＡにより示された。領域Ｂ１の半径方向の引っ張り応力は減少して移動し、その結果、それはＰＣＤ表板の上部の自由表面によっては最早拘束されず、半径方向の圧縮帯により上部の自由表面から隔離された。それに加えて、不安定領域Ａ１に関わる周方向の最大の引っ張り応力は減少しないで、実際には増大したが、それもＰＣＤ表板の自由表面から遠ざかった。この周方向の最大の引っ張りは、今度は第１の領域１内の直ぐ隣接する位置を占め、全てのＰＣＤ表板の自由表面及び基材界面全体からそれを隔離する周方向の圧縮により完全に取り巻かれていた。

これらの結果を合わせると、穿孔適用において、そのようなカッターの摩耗痕の背後で伝播する亀裂は、それらの進行を阻止されて、ＰＣＤ表板の自由表面からそれらを隔離する圧縮障壁を越えないであろうと期待される。そのような亀裂は、ＰＣＤ表板の本体にとどまって、それによりこの設計のカッターの剥落及び早発の破損を阻止するように作用し得る。

実施例３
ＰＣＤカッターは、ＰＣＤ表板が異なったＰＣＤ材料の３つの量塊から作製されている図５の実施形態に基づく特別設計の図１６ａにより作製した。図１６ａ中で１３と表示した熱膨張係数が最高の及び金属含有率が最高のＰＣＤ材料が円板を形成し、その円板はカッターの中心軸の周りに、中央に対称的に基材界面に位置した。図１６ａ中で１５と表示した、最低の熱膨張係数及び金属含有率のＰＣＤ材料から作製された材料の量塊は、ＰＣＤ表板の全ての自由表面、即ち円周及び上部両方の表面にわたって延びた。図１６ａ中で１４と表示した、領域１３及び１５の材料と比較して中間の熱膨張係数及び金属含有率の材料から作製されたＰＣＤ材料は、領域１３及び１５を隔離する量塊を占める。

最終のＰＣＤ表板厚さは２．２ｍｍであり、長さ１３．８ｍｍの炭化タングステン、１３％重量コバルトの硬質金属基材に結合していた。直円柱カッターは直径１６ｍｍであり、ＰＣＤ表板と炭化物基材の間に平坦な界面を有した。

実施例１及び２におけるように、当技術分野において知られたテープキャスト技法を使用して、水溶性有機結合剤で結合した３種の適当に選択されたダイヤモンド粉末のいわゆる未焼結ディスク及びワッシャを形成した。これらのディスク及びワッシャを耐火性金属容器中で組み立てることにより、図１６ａの幾何学的形態を製造した。次に炭化タングステンの円柱、１３％コバルトの硬質金属の円柱を耐火性金属容器中に挿入して基材を提供した。

次に、これらの集成体を、真空の炉中で、結合剤材料を追い出すのに十分な温度で十分な時間脱ガスした。次に、当技術分野において十分確立されているように、高圧装置中で集成体に約１４６０℃の温度で約５．６ＧＰａの圧力をかけた。これらの条件で、炭化タングステンの硬質金属結合剤であるコバルト結合剤が溶融してダイヤモンド粉末集合体の空孔に浸透し、ダイヤモンドの焼結が起こる。ダイヤモンドの焼結が完了した後、条件を室温及び室内圧力に落とした。高圧及び高温で、カッターの材料は熱弾性平衡にある。室内の条件に急速に落とした後、種々のＰＣＤ材料間の性質の差が、硬質金属基材の性質とともに、カッターＰＣＤ表板中に生じる応力分布を決める。

図１６ａを参照して、異なるＰＣＤ材料の３つの領域は以下のように作製された。

図１６ａの領域１３のＰＣＤ材料は、１ミクロン〜１２ミクロンに広がる多峰のサイズ分布を有する平均粒子サイズ約５．７ミクロンのダイヤモンド粉末から作製された。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温条件で、コバルト含有率約１０体積パーセントで、線熱膨張係数４．１×１０^−６／℃及び弾性係数１００６ＧＰａのＰＣＤ材料を形成することが知られている。これは熱膨張係数が最高の及び最高の金属含有率の材料である。

図１６ａにおける外側の領域１５は、４ミクロン〜４５ミクロンに広がる多峰のサイズ分布を有する、平均粒子サイズ約２５ミクロンのダイヤモンド粉末から作製された。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温条件で、コバルト含有率約７．４体積パーセントで、線熱膨張係数３．６×１０^−６／℃及び弾性係数１０３０ＧＰａのＰＣＤ材料を形成することが知られている。

図１６ａにおける中間領域１４は、２ミクロン〜３０ミクロンに広がる多峰のサイズ分布を有する平均粒子サイズ約１２．６ミクロンのダイヤモンド粉末から作製された。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温条件で、コバルト含有率約８．９体積パーセントで、線熱膨張係数３．９×１０^−６／℃及び弾性係数１０２０ＧＰａのＰＣＤ材料を形成することが知られている。

高圧装置から取り出した後、各カッターを、当技術分野において知られた研削及び研磨手順により最終のサイズにした。カッターの試料を切って断面を出し、異なったＰＣＤ材料の量塊の寸法を測定してＰＣＤ表板の全体積に対するそれらの体積を見積もった。領域１３と１４の間の境界は、基材界面から軸方向に約１．０ｍｍ及び円周の自由表面から約０．５ｍｍ離れて位置した。領域１５と１４の間の境界は、ＰＣＤ表板の上部自由表面から約０．６ｍｍ、及び円周の自由表面から約０．２５ｍｍ離れて位置した。

領域１３は、ＰＣＤ表板の全体積の約３８％であると見積もられた。領域１４及び１５は、ＰＣＤ表板の全体積のそれぞれ約２３％及び４７％であると見積もられた。

生じた測定された量塊寸法で製作されて期待されるＰＣＤ材料性質のカッターを、有限要素解析（ＦＥＡ）を使用してモデル化した。この技法によれば、カッターの寸法全体の応力分布の計算が可能である。比較の目的で、図１６ａ中で１５と表示した周囲の領域の材料に対応する１種類の材料のみで作製された表板を有する平坦カッターの応力分布を計算して、参照として使用した。図１４ａ、ｂ及びｃは、この参照の平坦カッターについて、軸方向、半径方向及び周方向に分解した引っ張り応力及び圧縮応力の位置及び大きさを、それぞれ示す。同様に、図１６ａ、ｂ及びｃは、現在の例について計算した分解応力を示す。引っ張り応力はハッチにより示し、張力と圧縮の境界は点線により示す。引っ張り及び圧縮が最大の位置も図に示す。図１４ａにおける参照カッターについての軸方向の最大の引っ張りは、図１の不安定領域Ａ２と関連し、図１４ｂにおける半径方向の最大の引っ張りは、図１の不安定領域Ｂ１と関連し、図１４ｃにおける周方向の最大の引っ張りは図１の不安定領域Ａ１と関連する。

表３は、参照の平坦カッター（図１４ａ、ｂ及びｃ）と比較して、図１６ａ、ｂ及びｃの実施例３のカッターの便利な円柱座標の、軸方向、半径方向及び周方向の最大応力成分として表した比較のＦＥＡ結果を示す。

表３は、実施例３のカッターの不安定領域Ａ２、Ｂ１及びＡ１における応力が引っ張りにおいて著しく低下したことを明確に示す。その上、不安定領域Ａ１と関連する周方向の応力が著しく圧縮力を与えられて、ＣＤ表板全体が周方向に圧縮される結果を生じた。

図１６ａの軸方向の応力分布を参照の図１４ａのものと比較すると、円周の自由表面における引っ張り場は、表３に示した大きさにおける減少と同様な程度で著しく減少したことが見て取れる。これらの結果により、亀裂開始の傾向が低下して、開始しそうな如何なる亀裂も大きさが限定されるであろうと期待される。

図１６ｂの半径方向の応力分布を参照の図１４ｂのものと比較すると、最大の引っ張りが移動して、ＰＣＤ表板の自由表面から遠ざかり、中間材料の領域１４に位置したことが見て取れる。この位置は、ＰＣＤ表板の全量塊中に十分入っており、今は自由表面から半径方向の圧縮応力場により隔離されている。したがって、図１の不安定領域Ｂ１は移動して、その結果、ＰＣＤ表板の自由表面によっては最早拘束されず、その上、今や自由表面から圧縮バリアにより隔離されているとみなすことができる。不安定領域の位置のこの変化により、半径方向の張力が大きく減少するとともに伝播する亀裂が阻止されて、カッターの上部の自由表面に伝播することが防止される結果になると期待される。

図１６ｃの周方向の応力分布を参照図１４ｃのものと比較すると、引っ張り場が完全に排除されて、ＰＣＤ表板全体が周方向に圧縮されていることがわかる。その上、図１の不安定領域Ａ１と関連する最大の引っ張り位置が今は最小の圧縮により置き換えられて移動し、それは最早ＰＣＤ表板の自由表面により拘束されない。この最小の圧縮は、今、領域１４の材料の位置にある。

全てのこれらの効果が組み合わさって、岩石カッティングで使用中に生じた摩耗痕と関連する如何なる亀裂形成も伝播を阻止され、カッターの自由表面に延びてＰＣＤ表板を破砕することが防止されるであろうと期待される。

実施例４
ＰＣＤカッターは、図１７にしたがって作製され、その場合、単一のＰＣＤ材料の６０°セグメントだけがカッター上部の周辺の端部に形成されて、カッターの残りの３００°の部分で実施例３の設計と隣接し接触する。図１７は、この新しい設計の一部を切り取った３次元の模式的表示であり、この場合、図１６ａ，ｂ，ｃの外側の量塊の６０°の周辺の１５と表示したセグメントが、図１７中で１６と表示した材料により置き換えられた。このＰＣＤ材料は、岩石カッティング試験で決定した非常に優れた摩耗挙動を有することがわかった。６０°のセグメントに接するカッターの３００°の残部においては、図１６の設計を使用した。

実施例１、２及び３の場合と同様に、最終のＰＣＤ表板の厚さは２．２ｍｍであり、長さ１３．８ｍｍの炭化タングステン、１３％重量コバルト硬質金属基材に結合した。直円柱カッターは直径１６ｍｍで、ＰＣＤ表板と炭化物基材の間に平坦な界面を有した。

実施例１、２及び３の場合と同様に、当技術分野において知られたテープキャスティング技法を使用して、水溶性有機結合剤と結合した４種の適切に選択されたダイヤモンド粉末のいわゆる未焼結のディスク、ワッシャ、及びセクターを形成した。これらのディスク、ワッシャ及びセクターを、耐火性金属容器中で組み立てることにより、図１７の幾何学的形態を製造した。次に、炭化タングステンの円柱、１３％コバルト硬質金属円柱を耐火性金属容器中に挿入して、基材を形成して提供した。

次に、これらの集成体を、炉中で結合剤材料を追い出すのに十分な温度で十分な時間真空で脱ガスし、それから当技術分野において十分確立されているように、高圧装置中で約１４６０℃の温度で約５．６ＧＰａの圧力をかけた。

図１７を参照して、６０°セグメントに接する３００°の部分を構成する異なるＰＣＤ材料の３つの領域を、実施例３において図１６及び１７の両者中で１３、１４及び１５と表示した厳密に同じ粉末を使用して作製した。

図１７において１６と表示した６０°セグメントの材料は、２ミクロン〜３０ミクロンに広がる多峰のサイズ分布を有する平均粒子サイズ約１３．０ミクロンのダイヤモンド粉末から作製した。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温条件で、コバルト含有率約８．８体積パーセントで、線熱膨張係数３．９５×１０^−６／℃及び弾性係数１０２５ＧＰａのＰＣＤ材料を形成することが知られている。この特定の材料は、岩石カッティング試験で非常に良好な低い摩耗特性を有することが示されている。高圧装置から取り出した後、各カッターを当技術分野において知られた研削及び研磨手順により最終のサイズにした。カッター試料をカットして断面を出し、異なったＰＣＤ材料の量塊の寸法を測定して、ＰＣＤ表板の全体積に対するそれらの体積を見積もった。領域１３と１４の間の境界は、基材界面から軸方向に約１．０ｍｍ、円周の自由表面から約０．５ｍｍ離れて位置した。領域１５と１４の間の境界は、ＰＣＤ表板の上部の自由表面から約０．６ｍｍ及び円周の自由表面から約０．２５ｍｍ離れて位置した。６０°のセグメントは円周の自由表面から半径方向に約２ｍｍ延び、厚さはＰＣＤ表板の上部の自由表面で約０．６ｍｍ及び円周の自由表面で約０．２５であった。

領域１３、１４及び１５は、ＰＣＤ表板の全体積のそれぞれ約３８％、２３％及び４４％であると見積もられた。６０°セグメントの領域１６は、ＰＣＤ表板の全体積の約３％を占めると見積もられた。

生じた見積もられた体積及び寸法及び期待されるＰＣＤ材料性質を有して製作されるカッターを、有限要素解析（ＦＥＡ）を使用してモデル化した。図１４ａ、ｂ、ｃにおけるような平坦カッターを参照として、６０°セグメントに期待されるものと同じ性質の材料について、図１７における１６を考察した。典型として、図１４ａ、ｂ、及びｃに示すような平坦カッターのための応力分布の必須の性質が得られた。境界条件及び計算のために選択したメッシュのタイプは、参照及び実施例の設計に対して一定であり、その結果、最大応力の大きさを比較することができた。

表４は、６０°セグメントにおいて計算された最大応力を、ＰＣＤ材料が図１７の材料１６と同じである参照の平坦カッターの対応する最大応力と比較した、比較のＦＥＡ結果を示す。

軸方向の最大の引っ張り応力は、基材界面の真上のＰＣＤ表板の円周の自由表面で、平坦参照カッターにおけるように図１の不安定領域Ａ２と関連するが、図１７中のＡにより示したセグメントの円周の境界に関して３０°の位置にあった。この軸方向の最大の引っ張りは、平坦参照カッターと比較して約４７％減少した。

セグメントにおける半径方向の最大の引っ張り応力は、参照の平坦カッターにおけるように及び図１の不安定領域Ｂ１と関連して、図１７中でＲにより指示される、ＰＣＤ表板の上部の自由表面に位置した。この半径方向の最大の引っ張りは、平坦参照カッターと比較して約６６％減少した。

セグメントにおける周方向最大の引っ張り応力は、平坦カッター参照におけるように及び図１の不安定領域Ａ１と関連して、図１７中でＨにより指示されるＰＣＤ表板の上部の自由表面に位置した。この周方向最大の引っ張りは、平坦参照カッターと比較して約５２％減少した。したがって、ＰＣＤ材料のセグメントに隣接し及び接触して使用される実施例３のカッター設計は、そのセグメントの材料における引っ張り応力の大きい減少を誘発し得る。実施例３の有利な応力分布は、実施例４の接触する材料においても顕著に見出されるが、しかしながら、６０°のセグメントの境界に直接隣接する引っ張り応力には若干の増大があることも見出された。

したがって、セグメントの材料中の亀裂伝播の傾向は、同じ材料から作製された平坦カッターと比較して減少し、その結果剥落傾向が減少し、セグメント材料の優れた摩耗性質が岩石カッティング用途において活用され得るであろうと期待される。その上、実施例３の設計による隣接する及び接触する材料における非常に有利な応力分布は、実施例３におけるように、亀裂伝播も阻止して、亀裂がＰＣＤ表板の自由表面に達することを阻止することができる。これは、剥落の発生の減少に貢献することもできる。

これらの結果は、有利な残留応力分布を有する幾つかの実施形態に基づくカッター設計は、セグメント材料が単独で使用される場合と比較して、ＰＣＤ材料の隣接し及び接触するセグメントに使用することができ、且つこれらのセグメント中の引っ張り応力を有利に減少させることができることを示した。

同様な結果が２つ以上のセグメントが使用される場合にも起こるはずであると期待される。

ＰＣＤ表板とそれに結合した炭化物基材との間の境界は、ＰＣＤ表板中の残留応力場を変化させるために幾何学的に改変することができる。これらの改変された界面は、非平面界面と称され、界面に直近の位置における応力分布全般に対する影響を有し得る。図１において記載し且つ示した不安定領域の一般的特性は、非平面界面設計を採用することにより実質的に変化することはないが、幾つかの実施形態とともに使用することができる。 図２ａ及び２ｂに示した第１〜第６の領域、１〜６を有するが、炭化物基材界面がＰＣＤ表板の上部の表面に対して一般的に凸面である非平面界面を有する例を図１２に示した。

さらに、早発の破砕事象を減少させるために、先端部の幾何学的形態の改変を、例えば面取り等を含むことにより行うことができる。この実施は、任意の又は全ての実施形態との協調で使用することができる。

さらに、自由表面から選択された深さまでＰＣＤ材料の金属成分を全部又は一部除去する処理を使用して、ＰＣＤカッターの性能に利することができる。利用される典型的な深さは、５０〜５００ミクロンの間である。利益は主として、処理された深さにある材料の熱的安定性の改善にあると考えられる。しかしながら、この処理プロセスに関連する不利点は、処理された層（複数可）に隣接するＰＣＤ材料における引っ張り応力の増大が生じて、それが望ましくない亀裂伝播を生じ得ることである。実施形態は、選択された材料の置き換えにより生じた既に存在する圧縮により引っ張り応力を相殺することにより、この不利点を緩和する手段を提供することができる。それ故、１つ又は複数の実施形態とともにそのような処理を使用することが可能である。

ある熱処理も、残留応力を部分的に焼き鈍して、それにより残留応力の大きさを減少させることができる。典型的なそのような処理は、高圧装置から取り出した後のＰＣＤカッターを、真空下で５５０℃〜７５０℃の温度で２〜３時間続けて加熱することである。そのような処理は、残留応力分布を有利に変化させることができるが、限度があるものに過ぎない。この性質の熱処理は実施形態に適用することができる。

超硬質構造体、製造方法、及びそのような構造及び方法の種々の用途の上述の記載は、多くの特定の事物を含むが、これらは本発明の範囲を限定すると解釈されるべきではなく、単に幾つかの実施形態の例示を提供するだけと解釈されるべきである。同様に、本発明の範囲から逸脱しない他の実施形態も案出することができる。例えば、記載した性質及び組成が異なる材料から作製された隣接する３次元の帯域、量塊又は領域を有するように配列された超硬質の及び他の材料を含む構造体は、材料集合体及びテープキャスティング、射出成形、粉末押出し、インクジェット印刷、電気泳動堆積などの調製技法及びそのような方法の任意の組合せ、即ち、ダイヤモンド及びｃＢＮなどの超硬質材料の粉末に適用することができる全てを使用して製作することができる。本明細書において記載した実施形態は、多結晶ダイヤモンド材料に特定して言及したが、他の超硬質材料も使用することができる。それに加えて、ダイヤモンドを含有することが多い他の硬質の材料も、適当な領域におけるこれらの材料の置き換えにより多結晶材料の本体における応力分布を変化させるために使用することができる。

実施例５
２種類の似ていないＰＣＤ材料を用いる図７の実施形態を、試験目的で行った。図１５は、このカッターの変形種のために利用した特別の設計の図である。この場合については、最高の熱膨張係数を有するＰＣＤ材料が図１５で１と表示した量塊を占め、相対的に低い熱膨張係数の材料は図１５で１２と表示した量塊を占めた。図１５中の量塊１を占めるＰＣＤ材料は、２ミクロン〜１６ミクロンに広がる多峰のサイズ分布を有する平均粒子サイズ約６．４ミクロンのダイヤモンド粉末から作製された。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温条件で、コバルト含有率約１１．５体積パーセントで、線熱膨張係数４．４×１０^−６／℃及び弾性係数９３０ＧＰａのＰＣＤ材料を形成することが知られている。

図１５の量塊１２の材料は、１．５ミクロン〜１６ミクロンに広がる多峰のサイズ分布を有する平均粒子サイズ約１２．６ミクロンのダイヤモンド粉末から作製された。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温条件で、コバルト含有率約８．９体積パーセントで、線熱膨張係数４．０×１０^−６／℃及び弾性係数１０２０ＧＰａのＰＣＤ材料を形成することが知られている。

実施例１におけるように、最終のＰＣＤ表板は厚さ２．２ｍｍであり、長さ１３．８ｍｍの炭化タングステン、３重量パーセントコバルトの硬質金属の基材に結合していた。直円柱カッターは、直径１６ｍｍ、全長１６ｍｍであり、ＰＣＤ表板と炭化物基材の間に平坦界面を有した。

６．８ＧＰａ及び１４５０℃の高圧高温の焼結条件を１０分間維持した。次に、典型的カッターを、実験室の岩石ドリルシミュレート装置を使用して試験した。カッターの上部の周辺の端部の一部が、花崗岩の試料を圧迫するように作製され、剪断作用によりもたらされる有力な岩石破裂により、連続した溝が岩石試料中に作製された。試験は、カッター上で発達する摩耗痕が、炭化タングステンとＰＣＤ表板の界面領域に丁度到達するまで継続した。明白な破砕又は剥落は起こっていなかった。摩耗した試料を、摩耗痕を横切るように放射状に切断し、断面を研磨して顕微鏡検査のために準備した。図１８は、約２０×拡大の光学顕微鏡写真であり、図１５の量塊１による中心領域におけるＰＣＤ材料は、厚さが約１．５ｍｍであることが明確に見て取れる。この材料は、基材界面から、図１５の量塊１２による低熱膨張係数のＰＣＤ材料の約０．３ｍｍの厚さだけ隔離されている。中心領域のＰＣＤ材料は、ＰＣＤ表板の上部の自由表面から図１５の量塊１２による低熱膨張係数材料の０．４ｍｍ厚さだけ隔離されている。摩耗痕１７は、ＰＣＤ、炭化タングステン基材界面及び量塊１の材料が丁度露出されるまで延びる。摩耗痕から広がる優勢な亀裂が、主として量塊１のカッターの中央のＰＣＤ量塊において伝播し、急角度で曲がって上部のＰＣＤの自由表面層の方向からそれて、ＰＣＤ、炭化タングステン基材界面の方に向かうことが見て取れる。したがって、そのような亀裂は、ＰＣＤ材料の大きい量塊がＰＣＤ表板の上部の自由表面から離れる剥落の原因ではあり得ない。このことは、亀裂がＰＣＤ表板の自由表面からそれる誘導が、この一般的実施形態のために実施例１で示した残留応力分布と矛盾せず、幾つかの実施形態の特徴であることを示した。

実施例６
ＰＣＤカッターは、図２ａから導かれた実施形態に合わせて作製した（図２ａで２、４及び５と表示した量塊も同じＰＣＤ材料で作製した）。図１９は、１９と表示したこの強化された量塊を示す。図２ａの量塊１、３及び６は、量塊１９の材料よりも線熱膨張係数及び金属含有率が高い図１９で２０と表示した、異なったＰＣＤ材料で作製した。図１９の量塊２０は、量塊１９より実質的に厚く、量塊１９を炭化タングステン基材から隔離して、ＰＣＤ表板の円周の自由表面にＰＣＤ表板と基材の界面の真上の狭い位置においてのみ広がる。量塊１９はＰＣＤ表板の上部の自由表面及び円周のＰＣＤの自由表面の大部分にわたって広がる。

図１９の量塊１９の材料は、１．５ミクロン〜１６ミクロンに広がる多峰のサイズ分布を有する平均粒子サイズ約１２．６ミクロンのダイヤモンド粉末から作製した。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温条件で、コバルト含有率約８．９体積パーセントで、線熱膨張係数４．０×１０^−６／℃及び弾性係数の１０２０ＧＰａＰＣＤ材料を形成することが知られている。

図１９中の量塊２０を占めるＰＣＤ材料は、２ミクロン〜１６ミクロンに広がる多峰のサイズ分布を有する平均粒子サイズ約６．４ミクロンのダイヤモンド粉末から作製した。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温条件で、コバルト含有率約１１．５体積パーセントで、線熱膨張係数４．４×１０^−６／℃及び弾性係数９３０ＧＰａのＰＣＤ材料を形成することが知られている。

ＰＣＤ表板、炭化タングステン基材の寸法及びカッター全体のサイズ及び形状は、ＰＣＤ材料が焼結された条件とともに、実施例５に従った。

図２０は、試験して部分的に摩耗したカッターの半断面の光学顕微鏡写真であり、１９及び２０と表示した２種のＰＣＤ材料及び摩耗痕のある表面２１を示す。摩耗痕の最終的な位置も図１９で２１と表示して示す。２２と表示した主要な亀裂が、摩耗痕から延びて、ＰＣＤ表板と基材の界面に向かって誘導され、その結果、ＰＣＤ表板の自由表面からそれたこと、及びこれらの亀裂は、それ故、剥落挙動に至り得ないことが、図２０で見て取れる。２３と表示した亀裂は、最初に、この実施形態の有限要素解析により示された周方向及び半径方向両方の最大の引っ張り応力が占拠する材料２０の境界の直ぐ内側の位置に伝播する傾向があった。これらの亀裂は、最初は、所望の様式でＰＣＤ表板の上部の自由表面から離れるように誘導されたが、摩耗痕が材料１９と２０の間の境界を越えて延びると、突然変化方向を変えたように見える。

これは、別の他の実施形態、即ち、所望の、及び幾つかの実施形態の特徴であるＰＣＤ表板における残留応力分布の改変によりもたらされた予想された破裂挙動である。

実施例７
ＰＣＤカッターは、実施例６の実施形態から導かれた設計により作製し、それにより、線熱膨張係数及び金属含有率が中間の材料が図２１及び２２中で１９と表示して示した量塊を占めた。この量塊は、図２１及び２２中で２４と表示したＰＣＤ表板上部の自由表面の広がる線熱膨張係数及び金属含有率が最低の材料と、図２１及び２２中で２０と表示した、ＰＣＤ表板及び炭化タングステンと基材の界面に広がる線熱膨張係数及び金属含有率が最高のＰＣＤ材料とを隔離する。

図２１の量塊２４中の材料は、約４ミクロン〜約４５ミクロンに広がる多峰のサイズ分布を有する平均粒子サイズ約２０ミクロンのダイヤモンド粉末から作製された。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温条件で、コバルト含有率約７体積パーセントで、線熱膨張係数３．５×１０^−６／℃及び弾性係数１０４０ＧＰａのＰＣＤ材料を形成することが知られている。

図２１の量塊１９中の材料は、１．５ミクロン〜１６ミクロンに広がる多峰のサイズ分布を有する平均粒子サイズ約１２．６ミクロンのダイヤモンド粉末から作製された。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温条件で、コバルト含有率約８．９体積パーセントで、線熱膨張係数４．０×１０^−６／℃及び弾性係数１０２０ＧＰａのＰＣＤ材料を形成することが知られている。

図２１中の量塊２０を占めるＰＣＤ材料は、２ミクロン〜１６ミクロンに広がる多峰のサイズ分布を有する平均粒子サイズ約６．４ミクロンのダイヤモンド粉末から作製された。このダイヤモンド粉末は、使用された高圧及び高温条件で、コバルト含有率約１１．５体積パーセントで、線熱膨張係数４．４×１０^−６／℃及び弾性係数９３０ＧＰａのＰＣＤ材料を形成することが知られている。

ＰＣＤ表板、炭化タングステン基材の寸法及びカッター全体のサイズ及び形状はＰＣＤ材料が焼結された条件とともに実施例５及び６に従った。図２２は、実験室的シミュレーションの岩石穿孔試験後の部分的に摩耗した一部の断面の光学顕微鏡写真である。２５と表示した摩耗痕は、ＰＣＤ表板の上部の自由表面からＰＣＤ表板に近い円周の自由表面、炭化タングステン基材界面上の位置に広がり、上部の層、材料２４を通して、部分的に摩耗しており、材料１９中まで摩耗していた。２６と表示した主要な亀裂は、摩耗痕の低い方の部分から広がり、下方のＰＣＤ表板と炭化タングステン基材との間の界面に向かっていることが明確に見て取れる。これらの亀裂は、ＰＣＤ表板の上部の自由表面を横切ることはないと思われ、したがって、剥落挙動の原因になることはないであろう。

これは、幾つかの実施形態の有益な挙動のさらに他の例であり、それによれば、特別に選択されたＰＣＤ材料の隣接する配列により改変された、ＰＣＤ表板における残留応力分布が、亀裂をカッターの自由表面からそれるように導く。

Claims (53)

1. 第１の領域と、
   超硬質構造の露出した表面に隣接し、ダイヤモンド材料又は立方体の窒化ホウ素を含み、ダイヤモンド材料を含む場合には密度が立方メートル当たり３．４×１０^３キログラムを超える、第２の領域と、
   を含む多結晶超硬質材料の本体を含む超硬質構造体であって、
   第１の領域及び第２の領域を形成する１種又は複数種の材料が熱膨張係数に差を有し、第１の領域及び第２の領域は、熱膨張係数間の差により露出した表面に隣接する第２の領域において圧縮が誘発されるように配列され；且つ第１の領域又はさらなる領域は、多結晶性本体の最高の熱膨張係数を有し、多結晶超硬質材料の本体の周辺の自由表面から、第２の領域又はさらに熱膨張係数の低い１種又は複数種の材料で形成された１つ又は複数のさらなる領域により隔離され、これらの領域が多結晶超硬質材料の複数の粒子を含む、超硬質構造体。
2. 第１の領域及び第２の領域が、物理的性質において１つ又は複数のさらなる差を有する、請求項１に記載の超硬質構造体。
3. 物理的性質における１つ又は複数のさらなる差が、第１の領域及び第２の領域を形成する１種又は複数種の材料の弾性係数における差を含む、請求項２に記載の超硬質構造体。
4. 多結晶超硬質材料の本体が、多結晶ダイヤモンド材料を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の超硬質構造体。
5. 界面に沿った多結晶材料の本体の面に結合した基材をさらに含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の超硬質構造体。
6. 前記基材が炭化物材料で形成されている、請求項５に記載の超硬質構造体。
7. 第３の領域、第４の領域、第５の領域及び第６の領域をさらに含み、第１〜第６の領域は軸対称であり、第２〜第６の領域は第１の領域に隣接しており、第２〜第６の各領域は第１の領域の熱膨張係数より低い熱膨張係数を有し、
   ａ）第１の領域は、第２の領域と基材の間に位置し；
   ｂ）第３の領域は、第１の領域に隣接し且つ基材と多結晶材料の本体の界面に位置し、第３の領域は、多結晶材料の本体の周辺の自由表面の一部及び第１の領域と基材の間に位置し且つそれらを形成し；
   ｃ）第４の領域は、第３の領域に隣接し、且つ多結晶超硬質材料の周辺の自由表面に位置し；
   ｄ）第５の領域は、第４の領域及び第２の領域に隣接し、第２の領域を第４の領域から隔離しており；
   ｅ）第６の領域は第１の領域に隣接し、第１の領域を基材から隔離している、
   請求項５又は６に記載の超硬質構造体。
8. 第２〜第６の領域の各々が熱膨張係数の異なる１種又は複数種の材料から作製されている、請求項７に記載の超硬質構造体。
9. 第６の領域が超硬質構造体中で最高の熱膨張係数を有する材料で作製されている、請求項７に記載の超硬質構造体。
10. 第１、第２、第３、第４及び第５の領域を形成する材料が、異なる熱膨張係数を有する、請求項９に記載の超硬質構造体。
11. 第１の領域と第６の領域が同じ材料で形成され、且つ最高の熱膨張係数を有し、第１の領域及び第６の領域を形成している材料は、第２、第３、第４及び第５の領域を形成している１種又は複数種の材料よりも高い熱膨張係数を有する、請求項７に記載の超硬質構造体。
12. 第２、第３、第４及び第５の領域が、異なる熱膨張係数を有する１種又は複数種の材料で形成されている、請求項７に記載の超硬質構造体。
13. 第１の領域が、超硬質構造体中で最高の熱膨張係数を有する材料で形成され、第１の領域は、本体の多結晶材料と基材の界面において超硬質構造体の中心軸の周りに実質的に対称的に位置し、且つ超硬質材料の自由表面から第２の領域により隔離されており、第２の領域は、超硬質構造体中で最低の熱膨張係数を有する材料で形成されている、請求項５〜１２のいずれか一項に記載の超硬質構造体。
14. 第１の領域が２つ以上の隔離された量塊に細分割され、全ての量塊が超硬質構造体の周辺の自由表面からそれより熱膨張係数の低い少なくとも１種の材料により隔離されている、請求項１３に記載の超硬質構造体。
15. １つ又は複数の隔離されている量塊が、超硬質構造体中で最高の熱膨張係数を有する材料で形成され、且つドーナツ形である、請求項１４に記載の超硬質構造体。
16. 第１の領域と第２の領域の間に第３の量塊をさらに含み、第３の量塊は、第２の領域を形成する材料と異なった熱膨張係数を有する材料で形成されている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の超硬質構造体。
17. 第３の量塊が、第２の領域を形成する材料と超硬質構造体中で最高の膨張係数を有する材料を有する１つ又は複数の領域を形成する材料との中間の熱膨張係数を有する材料で形成されている、請求項１６に記載の超硬質構造体。
18. 熱膨張係数が最高の材料で形成されたドーナツ形の量塊の１つ又は複数が分裂して、１つ又は複数の不連続面を有する、請求項１７に記載の超硬質構造体。
19. 多結晶材料の本体が隣接及び接触する周辺の自由端部の一部に結合した材料の１つ又は複数のセグメントをさらに含む、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の超硬質構造体。
20. 最高の熱膨張係数を有する材料で形成された領域の体積が、多結晶材料の本体の全体積の約３０％〜９５％を占める、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の超硬質構造体。
21. 最高の熱膨張係数を有する材料の熱膨張係数が、隣接する領域の材料の熱膨張係数と少なくとも約０．３×１０^−６／℃だけ異なる、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の超硬質構造体。
22. 多結晶材料の本体が多結晶ダイヤモンド材料であり、且つ最高の熱膨張係数を有する材料で形成された領域が、他の領域中の１種又は複数種の多結晶ダイヤモンド材料と比較して最高の金属含有率を有する多結晶ダイヤモンド材料で形成されている、請求項２１に記載の超硬質構造体。
23. 各量塊中の多結晶ダイヤモンド材料における金属含有率が約１０体積パーセント以下である、請求項２２に記載の超硬質構造体。
24. 領域間の金属含有率の差が、少なくとも約１．０体積パーセントである、請求項２２又は２３に記載の超硬質構造体。
25. 多結晶材料の本体が、遷移金属合金である金属成分を含む、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の超硬質構造体。
26. 多結晶材料の本体が、コバルト合金である金属成分を含む、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の超硬質構造体。
27. 多結晶材料の本体が金属成分を含み、前記金属成分が、約４×１０^−６／℃未満の熱膨張係数を有する合金である、請求項１〜２６のいずれか一項に記載の超硬質構造体。
28. 多結晶材料の本体が金属成分を含み、前記金属成分が、多結晶材料の熱膨張係数を改変する材料の第２相を含有する、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の超硬質構造体。
29. 第２相の材料が金属炭化物を含む、請求項２８に記載の超硬質構造体。
30. 前記金属炭化物が、炭化タングステン又は炭化ケイ素を含む、請求項２９に記載の超硬質構造体。
31. 第２相がセラミック酸化物を含む、請求項２８に記載の超硬質構造体。
32. 前記セラミック酸化物が、アルミナＡｌ_２Ｏ_３及びジルコニアＺｒＯ_２の１つ又は複数を含む、請求項３１に記載の超硬質構造体。
33. 領域の１つ又は複数が、複合体材料を含有するダイヤモンドで形成されている、請求項１〜３２のいずれか一項に記載の超硬質構造体。
34. 前記複合体材料が、ダイヤモンド−セラミック複合体材料を含む、請求項３３に記載の超硬質構造体。
35. 多結晶材料の本体が、熱膨張係数の異なる材料で形成された３を超える領域を含み、前記領域間の境界が実質的に平行であり、前記領域は幾何学的形態が同じである、請求項１に記載の超硬質構造体。
36. 熱膨張係数が、多結晶材料の本体の隣接する領域を越えて緩やかに変化する、請求項１〜３５のいずれか一項に記載の超硬質構造体。
37. 多結晶材料の本体と基材の間の界面が非平面である、請求項５に記載の超硬質構造体。
38. 多結晶材料の本体と基材の間の界面が一般的に凸面である、請求項５に記載の超硬質構造体。
39. 多結晶材料の本体が、面取りをした周辺の端部を有する、請求項１〜３８のいずれか一項に記載の超硬質構造体。
40. 多結晶材料の本体の自由表面の一部又は全体が、含有金属の全部又は一部が除去された層を含む、請求項１〜３９のいずれか一項に記載の超硬質構造体。
41. 多結晶材料の本体の自由表面の一部又は全体が、含有金属の全部又は一部が５０ミクロン〜５００ミクロンの間の深さの部分まで除去された層を含む、請求項１〜４０のいずれか一項に記載の超硬質構造体。
42. 温度範囲５５０〜７５０℃で応力を緩和する熱処理にかけられた、請求項１〜４１のいずれか一項に記載の超硬質構造体。
43. 多結晶超硬質構造体の製造方法であって：
    ａ）多結晶材料の第１の領域を形成する工程と、
    ｂ）多結晶ダイヤモンド又は立方体の窒化ホウ素を含み、第１の領域に隣接し且つ露出した表面として多結晶材料の第２の領域を形成する工程であって、第１の領域及び第２の領域を形成する１種又は複数種の材料が物理的性質において１つ又は複数の差を有する、工程と、
    ｃ）第１の領域及び第２の領域を、４ＧＰａを超える圧力及び１２００℃を超える温度に所定の時間かける工程と、
    ｄ）物理的性質間の１つ又は複数の差が、露出した表面に隣接する第２の領域における圧縮を誘発するように、圧力及び温度を周囲条件まで低下させる工程であって、第１の領域又はさらなる領域が、多結晶性本体で最高の熱膨張係数を有し、且つ多結晶超硬質材料の本体の周辺の自由表面から、熱膨張係数がより低い１種又は複数種の材料で形成された第２の領域又は１つ若しくは複数のさらなる領域により隔離される、工程と、
    を含み、各領域が多結晶超硬質材料の複数の粒子を含む、方法。
44. 物理的性質における１つ又は複数の差が、第１の領域と第２の領域を形成する１種又は複数種の材料の熱膨張係数における差及び／又は弾性係数における差である、請求項４３に記載の方法。
45. 第１の領域及び第２の領域を圧力及び温度にかける工程の前に、第１の領域、第２の領域及び基材を容器中に入れる工程をさらに含み；第１の領域及び第２の領域を圧力及び温度にかける工程が、第１の領域及び第２の領域及び基材を入れた容器を前記圧力及び温度にかけることを含む、請求項４３又は４４に記載の方法。
46. 基材を容器中に入れる工程が、固結された金属炭化物で形成された基材を容器中に入れることを含む、請求項４５に記載の方法。
47. 基材を容器に入れる工程が、コバルトで固結された炭化タングステンで形成された基材を容器に入れることを含む、請求項４６に記載の方法。
48. 第３の領域、第４の領域、第５の領域及び第６の領域を形成する工程をさらに含み、第１〜第６の領域は軸対称であり、第２〜第６の領域は第１の領域に隣接し、及び第２〜第６の各領域は、第１の領域より低い熱膨張係数を有する、４５〜４７のいずれか一項に記載の方法。
49. ａ．第１の領域を、第２の領域と基材の間に配置する工程と、
    ｂ．第３の領域を、第１の領域に隣接させ、且つ基材と多結晶材料本体との界面に位置させる工程であって、第３の領域が、多結晶材料の本体の周辺の自由表面の一部及び第１の領域と基材の間に配置され且つそれらを形成する、工程と、
    ｃ．第４の領域を、第３の領域に隣接させ、且つ多結晶超硬質材料の周辺の自由表面に位置させる工程と、
    ｄ．第５の領域を、第４の領域及び第２の領域に隣接させて配置し、第２の領域を第４の領域から隔離する工程と、
    ｅ．第６の領域を第１の領域に隣接させて配置し、第１の領域を基材から隔離する工程と、
    を含む、請求項４８に記載の方法。
50. 請求項１〜４２のいずれか一項に記載の超硬質構造体を含む穿孔工具又はカッター又はそれらの成分。
51. 添付の図面で例示されているような実施形態の任意の１つの実施形態を参照して、本明細書において上記で実質的に記載した超硬質構造体を形成する方法。
52. 添付の図面で例示されているような実施形態の任意の１つの実施形態を参照して、本明細書において上記で実質的に記載した超硬質構造体。
53. 添付の図面で例示されている実施形態のいずれか１つの実施形態を参照して、本明細書において上記で実質的に記載した穿孔工具又はカッター。

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