JP2014531967A - ダイヤモンドと基板との間に結晶粒成長阻止剤層を有する微細な多結晶質ダイヤモンドコンパクト - Google Patents

Abstract

切削工具および削岩工具用の多結晶質ダイヤモンドコンパクト、より詳細には、結晶粒成長阻止剤層を有しかつ異常な結晶粒成長を低減させた、非常に微細な多結晶質ダイヤモンドコンパクト。そのような多結晶質ダイヤモンド材料を製作する方法は、ナノサイズの結晶粒成長阻止剤粒子の粉末層を、約１μｍ以下の平均粒度を有するダイヤモンド粒子の混合物に接して配置するステップと、高圧および高温で焼結して、焼結ダイヤモンド結晶粒の多結晶質構造を生成するステップとを含む。焼結ダイヤモンド結晶粒は、約１μｍ以下の平均サイズを有する。

Description

本発明は、切削工具用の多結晶質ダイヤモンドコンパクトに関し、より詳細には、結晶粒成長阻止剤層を有しかつ異常な結晶粒成長が低減された、非常に微細な多結晶質ダイヤモンドコンパクトに関する。

焼結した多結晶質ダイヤモンド材料は、その良好な耐摩耗性および機械的強度で知られており、切削工具および削岩工具でしばしば使用される。多結晶質ダイヤモンド（ＰＣＤ）を形成するには、ダイヤモンド粒子を高圧および高温で焼結して（ＨＰＨＴ焼結）超硬質多結晶質構造を生成する。コバルトまたは別の金属などの触媒材料を、焼結前にダイヤモンド粒子混合物に添加してもよく、かつ／またはＨＰＨＴ焼結中にダイヤモンド結晶の連晶を促進させるために焼結中にダイヤモンド粒子混合物に浸潤させてもよい。得られたＰＣＤ構造は、互いに結合した相互接続ダイヤモンド結晶または結晶粒の網状構造を含み、結合したダイヤモンド結晶の間の空間または細孔を触媒材料が占有する。ダイヤモンド粒子混合物は、基板に結合したＰＣＤコンパクトが形成されるように、基板の存在下でＨＰＨＴ焼結されてもよい。

約１μｍ程度またはそれ以下のサイズの焼結ダイヤモンド結晶粒を有するＰＣＤなどの超微細ＰＣＤは、その優れた機械的性質および性能で知られている。しかし、超微細焼結ＰＣＤは、ダイヤモンド粒子が小さいサイズであるために、生成するのが難しい。非常に小さいダイヤモンド粒子は、表面積と体積との比が大きく、この表面積と体積との大きな比は、焼結中にダイヤモンド結晶の異常な結晶粒成長を引き起こす可能性がある。特に、ＨＰＨＴ焼結中に、非常に微細なダイヤモンド粒子が相互接続して非常に大きなダイヤモンド結晶粒に成長する可能性があり、粉末混合物中の当初のダイヤモンド粒子のサイズの何倍も大きいサイズに成長する可能性がある。その結果、ＰＣＤ構造には大きく異常な結晶粒成長のエリアが割り込むため、焼結材料は均一ではない。結晶粒サイズのこの不均衡状態および均一な多結晶質構造が不十分であることにより、焼結ＰＣＤ材料の性能および材料特性が低下する。平均粒度が０．５μｍ以下のような非常に微細なダイヤモンド粒子混合物で均一な多結晶質構造を実現することは難しかった。このサイズ以下での異常な結晶粒成長は、ＨＰＨＴ焼結後に一般的である。
したがって、ＨＰＨＴ焼結中の大きく異常なダイヤモンド結晶の成長を制限するために、ダイヤモンド粒子混合物と共に結晶粒成長阻止剤を提供することが知られている。ＨＰＨＴ焼結中、結晶粒成長阻止剤は、ダイヤモンド粒子間の境界の空間を占有し、粒子が一緒に成長してより大きな結晶粒サイズになるのを防止する。結晶粒成長阻止剤は、焼結前にダイヤモンド粒子と物理的にブレンドされてもよく、または物理気相成長（ＰＶＤ）もしくは化学気相成長（ＣＶＤ）により堆積されてもよい。

しかし、異常な結晶粒成長は、超微細ダイヤモンド結晶粒を有するＰＣＤで、特にＰＣＤと基板との間の境界に沿って、観察され続けている。したがって、異常な結晶粒成長が低減した超微細焼結ＰＣＤコンパクトおよびそれを製作するための方法が、依然として求められている。

本開示は、切削工具および削岩工具用の多結晶質ダイヤモンドコンパクトに関し、より詳細には、結晶粒成長阻止剤層を有し異常な結晶粒成長が低減された、非常に微細な多結晶質ダイヤモンドコンパクトに関する。一実施形態では、均一な焼結結晶粒サイズを有する超微細ＰＣＤ材料を製作する方法が提供される。この方法は、超微細ダイヤモンド粒子の混合物を用意するステップを含み、一実施形態では、ダイヤモンド粒子はそのサイズが１μｍ未満であり、例えばそのサイズが０．５μｍ未満である。次いで、本方法は、固定されていない粉末の形態の結晶粒成長阻止剤の層を、ダイヤモンド粒子混合物上に均一に分布させるステップを含む。結晶粒成長阻止剤は、ＴｉＣＮ、ＴｉＮおよび／またはＴｉＣなどのチタン含有粒子であってもよく、結晶粒成長阻止剤の粒子は、そのサイズが５００ｎｍ程度またはそれよりも小さく、例えばそのサイズが１００ｎｍ以下である。次いで、本方法は、結晶粒成長阻止剤粉末層上に基板を配置し、その後、３つの構成要素をＨＰＨＴ焼結して、基板に結合された、均一なダイヤモンド結晶粒サイズを有する焼結ＰＣＤ構造を生成するステップを含む。
一実施形態では、多結晶質ダイヤモンド材料を製作する方法は、ナノサイズの結晶粒成長阻止剤粒子の粉末層を、ダイヤモンド粒子の混合物に接して配置するステップを含む。ダイヤモンド粒子の混合物は、約１μｍ以下の平均粒度を有する。本方法は、基板を粉末層に接して配置し、ダイヤモンド粒子の混合物および結晶粒成長阻止剤粒子の粉末層を高圧および高温で焼結して、焼結ダイヤモンド結晶粒の多結晶質構造を生成するステップも含む。焼結ダイヤモンド結晶粒は、約１μｍ以下の平均サイズを有する。

一実施形態では、多結晶質ダイヤモンドコンパクトは、複数の一体になるように結合されたダイヤモンド結晶粒およびダイヤモンド結晶粒の間の間隙領域を有する材料ミクロ構造を有する、多結晶質ダイヤモンド本体を含む。コンパクトは、炭化タングステンおよび触媒金属を有する基板と、多結晶質ダイヤモンド本体と基板との間の結晶粒成長阻止剤層も含む。結晶粒成長阻止剤層は、タングステンおよび触媒金属が散在する複数のチタン含有粒子を含む。チタン含有粒子は、そのサイズが８００ｎｍ未満である。結晶粒成長阻止剤層は、その両面が基板と多結晶質ダイヤモンド本体とに結合され、厚さが約２０〜１００μｍである。焼結ダイヤモンド結晶粒は、約１μｍ以下の平均サイズを有する。

本開示の実施形態による、均一な焼結結晶粒サイズを有する超微細ＰＣＤ材料を製作する方法を示すフローチャートである。 異常な結晶粒成長を有する焼結ＰＣＤ材料の拡大断面を示す図である。 本開示の実施形態による、均一な焼結結晶粒サイズを有する焼結ＰＣＤコンパクトの拡大断面を（倍率を上げて）示す図である。 本開示の実施形態による、均一な焼結結晶粒サイズを有する焼結ＰＣＤコンパクトの拡大断面を（倍率を上げて）示す図である。 本開示の実施形態による、均一な焼結結晶粒サイズを有する焼結ＰＣＤコンパクトの拡大断面を（倍率を上げて）示す図である。 本開示の実施形態による、焼結前の、基板、ダイヤモンド粉末混合物および結晶粒成長阻止剤層の斜視図である（明確にするために、寸法は誇張されており、縮尺は合っていない）。 本開示の実施形態による、焼結ＰＣＤコンパクトを示す図である。 本開示の実施形態による、超微細ＰＣＤ材料から切り取った小片が先端に付けられた、切削工具インサートを示す図である。

本開示は、切削工具および削岩工具用の多結晶質ダイヤモンドコンパクトに関し、より詳細には、結晶粒成長阻止剤層を有しかつ異常な結晶粒成長が低減された、非常に微細な多結晶質ダイヤモンドコンパクトに関する。一実施形態では、均一な焼結結晶粒サイズを有する超微細ＰＣＤ材料を製作する方法が提供される。この方法は、超微細ダイヤモンド粒子の混合物を用意するステップを含み、一実施形態では、ダイヤモンド粒子はそのサイズが１μｍ未満であり、例えばそのサイズが０．５μｍ未満である。次いで、本方法は、固定されていない粉末の形態の結晶粒成長阻止剤の層を、ダイヤモンド粒子混合物上に均一に分布させるステップを含む。結晶粒成長阻止剤は、ＴｉＣＮ、ＴｉＮおよび／またはＴｉＣなどのチタン含有粒子であってもよく、結晶粒成長阻止剤の粒子は、そのサイズが５００ｎｍ程度またはそれよりも小さく、例えばそのサイズが１００ｎｍ以下である。次いで、本方法は、結晶粒成長阻止剤粉末層上に基板を配置し、その後、３つの構成要素をＨＰＨＴ焼結して、基板に結合された、均一なダイヤモンド結晶粒サイズを有する焼結ＰＣＤ構造を生成するステップを含む。

この開示および特許請求の範囲の全体を通して、窒化炭素、窒化物および炭化物、例えばＴｉＣＮ、ＴｉＮおよびＴｉＣへの言及は、化学量論的な化合物のみならず、非化学量論的な化合物をも含む。即ち、これらの化合物は、元素が１：１の比のみならず、その他の比の化合物をも含む。例えば、ＴｉＮと言う場合には、ＴｉＮ_x（式中、０＜ｘ≦１）を含む。ＴｉＣと言う場合には、ＴｉＣ_x（式中、０＜ｘ≦１）を含む。ＴｉＣＮと言う場合には、ＴｉＣ_xＮ_y（式中、０＜ｘ≦１および０＜ｙ≦１）を含む。
本開示の実施形態による、異常な結晶粒成長が低減された超微細ＰＣＤ材料を製作するための方法を、図１に示す。この実施形態によれば、方法は、超微細ダイヤモンド粒子の混合物を用意するステップ１１０を含む。本明細書で使用される「超微細」ダイヤモンド粒子混合物という言い方は、平均粒度が約１μｍ以下の混合物を含む。一実施形態では、超微細ダイヤモンド粒子混合物は、約０．５μｍ以下のようにさらに小さい平均粒度を含む。ダイヤモンド粒子混合物は、サイズが０〜０．５μｍの範囲の、別の実施形態では０〜１μｍの範囲の、別の実施形態では０．５〜１μｍの範囲の粒子のブレンドなどのサイズ範囲の粒子のブレンドの均一な分布を含む。ダイヤモンド粒子混合物は、様々なダイヤモンド粒子が一緒に均一にブレンドされた粉末形態で提供される。

図１に示されるように、方法は、基板を用意するステップ１１２と、結晶粒成長阻止剤粒子の粉末混合物を用意するステップ１１４も含む。基板は、超硬炭化タングステンディスクであってもよく、このディスクは、ＨＰＨＴ焼結中にＰＣＤ層に結合されて、焼結ＰＣＤコンパクト用の支持体を提供する。基板は、ダイヤモンド結晶成長によるダイヤモンド粒子の結合を促進させるため、焼結中にＰＣＤ層に浸潤する触媒材料の供給源も提供する。結晶粒成長阻止剤混合物は、以下により詳細に記述されるように、ＴｉＣもしくはＴｉＣＮもしくはＴｉＮのナノサイズの粒子またはこれらの組合せであってそのサイズが約５００ｎｍ以下、またはいくつかの実施形態では２００ｎｍ以下、またはいくつかの実施形態では１００ｎｍ以下であるものを均一な分布状態で含む。一実施形態では、結晶粒成長阻止剤混合物は、サイズが約８００ｎｍ以下の粒子を含む。

次に方法は、結晶粒成長阻止剤粉末を、ダイヤモンド混合物と基板との間の均一な層に配置構成するステップ１１６を含む。これは、まず超微細ダイヤモンド粉末混合物を、耐熱金属缶内で平らで均一な層に配置構成することによって、行うことができる。ダイヤモンド粒子の層は、約１ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲の厚さを有していてもよい。次に、結晶粒成長阻止剤粒子の粉末層を計量し、次いでダイヤモンド粒子混合物上に拡げる。この粉末層も、約８０μｍ〜１００μｍの範囲の厚さを有する平らで均一な層に配置構成される。結晶粒成長阻止剤粉末は、緩く圧密化された粉末ディスクとして提供されてもよい。これらの粉末層、ダイヤモンドおよび結晶粒成長阻止剤を共に、慎重に計量して、それぞれを所望の量で用意する。基板を、結晶粒成長阻止剤層上に配置する。これら３つの構成要素を図４Ａに示すが、明確にするために寸法は誇張されている（縮尺に合っていない）。図４Ａは、基板３１６’の下に結晶粒成長阻止剤粉末層３１４’、その下にダイヤモンド粉末混合物３１２’を示している（プライム符号は、焼結前であることを示す）。これら３つの構成要素を、ＨＰＨＴ焼結に向けて、耐熱金属缶内にこの順序で配置構成する。これら３つの構成要素は、逆の順序で配置構成されてもよい。

結晶粒成長阻止剤粉末層およびダイヤモンド層は、ダイヤモンド層での均一なミクロ構造を促進させるため、および結晶粒成長阻止剤粉末層をダイヤモンド層上に均一に拡げるために、ＨＰＨＴ焼結前に部分的にまたは軽く圧密化されてもよい。圧密化は、粉末層を約１００ＭＰａで液圧プレス内に配置することによってもたらされてもよい。そのような圧密化後、粉末結晶粒成長阻止剤層は、理論密度の約３０〜７０％の間の密度、例えば理論密度の５５％程度を有していてもよい。結晶粒成長阻止剤層中の粒子は、互いに不連続のままであり、互いに接触しているが互いにまたは任意の隣接層に強固に結合しているわけではない。焼結前、結晶粒成長阻止剤粒子は、互いにまたは任意の隣接層に化学結合していない。結晶粒成長阻止剤粒子は、ひとまとめに接合されて固体コーティングまたは被膜になっているのではなく、互いに接着していない。粒子自体は、粒子間の弱い相互作用（例えば、ファンデルワールス力など）により凝集する可能性があるが、粒子はひとまとめに結合していない。粒子間の相互作用および接触は、固定されていない粉末材料の混合および圧密化により得られるものに限定される。

再び図１を参照すると、方法は、３つの構成要素−−ダイヤモンド粉末混合物、結晶粒成長阻止剤層および基板を、ＨＰＨＴ焼結するステップ１１８を含む。一実施形態では、ＨＰＨＴ焼結は、５〜８ＧＰａの範囲の圧力で、１３００〜１６５０℃の範囲の高温で構成要素を加圧することを含む。一実施形態では、圧力を全焼結圧力（５〜８ＧＰａ）に上昇させ、次いで、引き続き熱を焼結温度（１３００〜１６５０℃）に上昇させると共に高圧を維持する。焼結は、この高温で生じる。焼結後、プレス機を冷却し、次いで圧力を解放する。得られた焼結ダイヤモンドコンパクト３１０を図４Ｂに示す。焼結ＰＣＤ層３１２は焼結基板３１６に結合され、焼結結晶粒成長阻止剤層３１４が基板とＰＣＤ層との間の界面にある。

触媒材料は、結晶粒成長阻止剤層の配置の前に、ダイヤモンド混合物に添加してもよい。例えば、ダイヤモンド粒子には、結晶粒成長阻止剤をブレンドする前に、湿式化学法によってコバルト粒子をコーティングしてもよい（触媒材料として）。結晶粒成長阻止剤材料は、ＰＣＤ構造の形成を促進させる触媒材料と同じではないことを理解すべきである。

ダイヤモンド粒子と基板との間の結晶粒成長阻止剤粒子３０４の粉末層は、ダイヤモンド層と基板との間の界面での異常な結晶粒成長を阻止する。非常に微細なダイヤモンド粒子は、ダイヤモンド粒子と基板との間の界面に沿って異常な結晶粒成長を起こし易い。焼結中、コバルトなどの基板からの金属は、高熱および高圧力下で液化し、基板からダイヤモンド粉末層に流入する。基板から流動するコバルト金属は、基板とダイヤモンド粉末層との間の界面に沿って、コバルトに富む区域を生成する。このエリアでの大量のコバルトは、ダイヤモンド粒子を濡らし、焼結中に新しいダイヤモンド結晶の形成を促進させ、急速で異常なダイヤモンド結晶粒成長をもたらす可能性があり、非常に大きなダイヤモンド結晶粒が形成される。

実施形態では、基板とダイヤモンド粒子との間の結晶粒成長阻止剤粒子の粉末層は、障壁層として作用し、ダイヤモンド層に流入する液体コバルトの浸潤速度を遅くし、界面付近のダイヤモンド領域での液体コバルトの大量の初期蓄積を防止する。結晶粒成長阻止剤粒子は、粉末層内に配置構成され、液体コバルトの流動を遅くするが、その流動を完全に遮断するわけではない。液体コバルトは、より遅くかつより制御された速度で、結晶粒成長阻止剤層内を移動しダイヤモンド粉末混合物にゆっくりと浸潤する。このより遅い拡散速度で、ダイヤモンド粒子は、それぞれが個々に液体コバルトで濡れているので、より制御された手法でひとまとめに焼結される。これらの個々のダイヤモンド粒子が濡れて融合するとき、近くのその他のダイヤモンド粒子は、液体コバルトによってまだ完全に濡れていない可能性があり、したがってこれらの粒子は、恐らくひとまとめに融合しない。その結果、これらの粒子の間での急速な結晶粒成長が回避される。また、ダイヤモド結晶粒の成長は、結晶粒成長阻止剤層がない焼結に比べ、コバルトの相対パーセンテージが低いときに生じる。その結果、ダイヤモンド結晶粒はより均一に成長し、急速で異常な結晶粒成長が低減する。
このように、結晶粒成長阻止剤粒子の層は基板からの液体触媒の流動を遅くし、一方、この層の粉末配置構成は依然として、触媒を層内に通してダイヤモンド混合物に流入させ、その結果、正常なダイヤモンド結晶粒の制御された成長を促進させる。一実施形態では、結晶粒成長阻止剤が、完全に稠密な層またはＰＶＤもしくはＣＶＤにより提供されたコーティングなどの固体コーティングとしてではなく、粉末層として提供される。代わりにこの阻止剤は、結合固体層ではなく、粉末形態をとる不連続粒子の混合物として所定位置に置かれる。粉末層内では粒子が互いに接触し、圧力が上昇するにつれ、互いに対して破砕または変形するようになる可能性がある。しかし、これらの粒子はひとまとめに化学結合しない。また、結晶粒成長阻止剤粉末層は、基板およびダイヤモンド層とは別々に設けられ、これらの層のいずれにも結合しない。

結晶粒成長阻止剤粉末層は、ダイヤモンド層上に粉末を均一に拡げるのを助けるために、結合剤と予備混合されてもよい。結合剤の例には、パラフィン蝋、ポリエチレングリコール、およびその他のセラミック粉末と共に使用される一般的な有機結合剤が含まれる。しかし、その他の実施形態では、焼結前に結晶粒成長阻止剤層には結合剤またはその他の添加剤が含まれず、結晶粒成長阻止剤層は全体が結晶粒成長阻止剤粒子で作製され、その他の構成要素がない。一実施形態では、結晶粒成長阻止剤粉末層には、ダイヤモンドまたは立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）などのいかなる超硬質粒子もない。

ダイヤモンド層への液体コバルトの流入速度を遅くするのに加え、結晶粒成長阻止剤粒子は、ダイヤモンド層内に移動することによって異常な結晶粒成長も低減させる。結晶粒成長阻止剤粒子は、ＨＰＨＴ焼結中に液体コバルト相に部分的に溶解する。液体コバルトは、部分的に溶解したまた溶解していない結晶粒成長阻止剤粒子を保持し、ダイヤモンド層内に移す。その結果、ダイヤモンド内に流入するコバルトは、炭化チタンまたは類似の結晶粒成長阻止剤材料に富む。ダイヤモンドおよびコバルトと共にチタン（またはその他のセラミック材料）が存在することにより、ダイヤモンド結晶粒間の急速な結晶粒成長が低減することが知られている。

一実施形態では、結晶粒成長阻止剤粒子は、厚さ約５０〜１００μｍ、例えば厚さ約８０〜１００μｍまたは約５０〜６０μｍ（焼結前）の均一な粉末層に配置構成された、ナノサイズ（さらに以下に定義される）のチタン含有粒子である。一実施形態では、結晶粒成長阻止剤層は、その厚さが最大で５００μｍであり、別の実施形態では、その厚さは１０μｍ以上である。結晶粒成長阻止剤層は、１０〜５００μｍの範囲、例えば、約４０〜１００μｍ、または約５０〜６０μｍの厚さを有していてもよい。結晶粒成長阻止剤層の厚さは、基板のコバルト含量に基づいて様々であってもよい。一実施形態では、基板のコバルト含量は約１４％であり、結晶粒成長阻止剤層（焼結前）は、約１０〜５００μｍ、または４０〜１００μｍ、または５０〜６０μｍの厚さを有する。層は、基板からダイヤモンド層への触媒（コバルトなど）の流動を効果的に制御するのに十分な厚さを有するべきである。

チタン含有粒子は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭窒化チタン（ＴｉＣ_xＮ_y）または窒化チタン（ＴｉＮ）であってもよい。それぞれの場合において、チタン含有粒子は均質な均一粉末混合物に配置構成され、次いで、この固定されていない粉末混合物を、焼結前にダイヤモンド混合物上に拡げる。一実施形態では、粉末混合物は、ＴｉＣのみまたはＴｉＣ_xＮ_yのみまたはＴｉＮのみなど、ただ１つのタイプのチタン含有粉末に限定される。その他の実施形態では、粉末混合物は、これら粒子のブレンド（ＴｉＣおよび／またはＴｉＣ_xＮ_yおよび／またはＴｉＮ）を含有していてもよい。さらに、その他の実施形態では、チタン含有粒子の代わりにその他の炭化物、炭窒化物または窒化物の一群、例えば、周期表上のＩＶＢ、ＶＢおよびＶＩＢ族金属の全て、即ちＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、ＴａおよびＷの炭化物、窒化物および炭窒化物を、結晶粒成長阻止剤として使用してもよい。この開示の全体を通して、チタンと言う場合には、これらの金属のいずれか１種が提供され得ることを理解すべきである。これらの（ＩＶＢ、ＶＢ、およびＶＩＢ族金属の）炭化物、炭窒化物および窒化物の一群を、まとめて結晶粒成長阻止剤粒子と呼ぶ。

一実施形態では、結晶粒成長阻止剤粉末混合物は、炭化物、炭窒化物または窒化物粒子のみに限定される。即ち、粉末混合物は、これら粒子のみの均質な混合物である。例えば一実施形態では、粉末混合物はチタン含有粒子に限定される。即ち、焼結前に提供された結晶粒成長阻止剤粉末混合物に含まれる唯一の粒子が、ＴｉＣまたはＴｉＣ_xＮ_yまたはＴｉＮなどのチタン含有粒子である。
一実施形態では、結晶粒成長阻止剤の粒子の平均サイズは、平均ダイヤモンド粒度よりも小さい。一実施形態では、結晶粒成長阻止剤の粒子の実質的に全てが、平均ダイヤモンド粒度よりも小さく、別の実施形態では、ダイヤモンド粒子の実質的に全てよりも小さい。一実施形態では、結晶粒成長阻止剤粒子は、平均ダイヤモンド粒度とほぼ同じかそれよりも小さい。別の実施形態では、結晶粒成長阻止剤粒子は平均ダイヤモンド粒度より小さい（例えば、およそ一桁小さい）である。別の実施形態では、ダイヤモンド粒子はそのサイズが約１μｍ以下、例えば約０．５μｍ以下であり、結晶粒成長阻止剤粒子はそのサイズがおよそ１００ｎｍ以下である。別の実施形態では、結晶粒成長阻止剤粒子は、そのサイズが約１０〜約２００ｎｍの範囲であり、その平均粒度は約５０ｎｍである。本明細書で使用される「ナノサイズ」という用語は、サイズが約１〜５００ｎｍの間であることを意味し、例えば約２００ｎｍ以下もしくは１００ｎｍ以下など、または例えばサイズがおよそ５０ｎｍ程度である。これらの小さな粒子は比較的広い表面積を有し、結晶粒成長阻止剤層内のコバルトの流動を制御するのを助ける。別の実施形態では、結晶粒成長阻止剤粒子はより大きくてもよく、例えばそのサイズは８００ｎｍまで、または１μｍまでである。

超微細ＰＣＤ本体を図１の方法に従い製作した。その結果を図３Ａ〜Ｃに示す。図３Ａは、本開示の実施形態による、焼結ＰＣＤコンパクトの拡大断面図を示す。図３Ａに示されるように、焼結構造は、ＰＣＤ層１２、結晶粒成長阻止剤層１４、および炭化タングステン（ＷＣ）基板１６を含む。結晶粒成長阻止剤層１４は、他の２つの層の間にある。図３Ｂおよび３Ｃは、より大きな倍率で同じ構造を示す。

この例において、ダイヤモンド粉末混合物は、０．５μｍ未満の平均粒度を含んでいた。炭化チタン（ＴｉＣ）粒子を結晶粒成長阻止剤として使用した。焼結前に、結晶粒成長阻止剤層をＴｉＣ粒子の均一な粉末層として配置構成した。焼結後、この層は、ＴｉＣ粒子ならびにいくらかのコバルトおよび炭化タングステンを含み、これは基板１６からから層１４に拡散したものである。焼結後、結晶粒成長阻止剤層１４はその厚さが約６０〜７０μｍである。一実施形態では、結晶粒成長阻止剤層が焼結中に圧縮され、その厚さは焼結中に約４０％減少する。したがって一実施形態では、結晶粒成長阻止剤層は、その厚さが焼結前に約１００μｍであり、焼結後はその厚さが約６０〜７０μｍである。その他の実施形態では、結晶粒成長阻止剤層は、その厚さが焼結後に約２０〜１００μｍである。
図３Ａ〜３Ｃに示されるように、焼結ＰＣＤ層１２は、異常なダイヤモンド結晶粒成長を実質的に含まずかつダイヤモンド結晶と同じ規模の結晶粒成長阻止剤粒子の目に見える凝塊形成のない、均一な構造を含む。比較のため、異常な結晶粒成長を有するＰＣＤ材料を図２に示す。図２は、炭化タングステン基板２１６に結合されたＰＣＤ層２１２を示す。ＰＣＤ層と基板との間の界面に沿って、ＰＣＤミクロ構造は、異常な結晶粒成長２２０の広い領域を含む。これらの異常なダイヤモンド結晶粒は、そのサイズが周囲のダイヤモンド結晶のサイズよりも実質的に大きい。

図３Ｄは、焼結後の結晶粒成長阻止剤層１４の拡大図を示す。焼結結晶粒成長阻止剤層は、タングステンおよびコバルトに富む領域１４Ａを、チタン含有粒子およびコバルトに富む領域１４Ｂの間に含む。基板からのコバルトおよびタングステンは、ＨＰＨＴ焼結中に結晶粒成長阻止剤層に入ってその内部に拡散し、これら粒子のいくらかは、結晶粒成長阻止剤粒子間の結晶粒成長阻止剤層内に捕えられたままになる可能性がある。結晶粒成長阻止剤層は、当初は粉末層として設けられるので、基板からのコバルトおよびタングステンはこの層内を通過することができ、その結果、タングステンおよびコバルト（またはその他の触媒金属）が散在する焼結層１４が得られる。一実施形態では、タングステンおよびコバルト（またはその他の触媒金属）は、焼結層１４全体にわたって均等に分散される。ＴｉＣが結晶粒成長阻止剤として使用される場合、焼結結晶粒成長阻止剤層はコバルト超硬ＴｉＣ−ＷＣを形成する。一実施形態では、この焼結層１４は約２０〜１００μｍの厚さを有し、別の実施形態では約５０〜７０μｍの厚さを有する。

一実施形態では、焼結結晶粒成長阻止剤層（即ち、ＨＰＨＴ焼結後の層）は、約１〜２５原子％のタングステン、２０〜７０原子％のチタン、２〜３５原子％のコバルト、およびその残分としての炭素および窒素を含む。これらの構成要素は、焼結結晶粒成長阻止剤層の全体にわたって均等に分散させることができ、または、これらの構成要素は、触媒構成要素がＨＰＨＴ焼結中に粉末結晶粒成長阻止剤層の内部を通過しこの層を崩壊させるときに、凝集し凝塊となってもよい。

一実施形態では、図１の方法により形成された焼結ＰＣＤ材料は、均一ミクロ構造を有し、この均一ミクロ構造は、ダイヤモンド結晶のサイズの規模の、結晶粒成長阻止剤の目に見える凝集形成を実質的に含まず、かつ異常な結晶粒成長を実質的に含まないことを意味する（拡大されたＰＣＤミクロ構造を示す、図３Ｃ参照）。焼結ダイヤモンド結晶粒の約９５％は、そのサイズが約１μｍまたはそれよりも小さい。最大焼結ダイヤモンド結晶粒は約５μｍ以下であり、別の実施形態では約３μｍ以下である。別の実施形態では、焼結ダイヤモンド結晶粒は、約０．５μｍの平均サイズを有し、最大焼結ダイヤモンド結晶粒は約１μｍである。
上述の方法は、結晶粒成長阻止剤粒子の粉末層を提供し、効果的な結晶粒成長の抑制を実現する。超微細ＰＣＤは、優れた耐摩耗性および機械的強度を示し、砥粒アルミニウム合金加工、黒鉛複合体加工、およびチタン加工など、切削工具用途で十分機能する。ＰＣＤ材料は、掘削、回転およびミリングの用途で使用されてもよい。

図５は、本開示の実施形態による、超微細ＰＣＤ材料から切り取られた小片４１０が先端に付けられた、切削工具インサート４２０を示す。切削インサート４２０は超硬炭化物インサート本体４１２を含み、超微細焼結ＰＣＤから切り取られた先端小片４１０が、本体の隅で本体４１２に蝋付けされる。切削インサート４２０は、回転またはミリングなどの切削適用例で使用される機械工具に取り付けられてもよい。インサート４２０のＰＣＤ先端小片４１０は、優れた切削性能に向けて、靱性および耐摩耗性の組合せを提供する。一実施形態では、超微細ＰＣＤ材料を、掘削適用例のための剪断カッターに組み込んでもよい。

本発明について、様々な実施形態に関し記述し例示してきたが、本発明はそれらに限定されるものではなく、これらの実施形態において、以下の特許請求の範囲に記載される本発明の意図する範囲全体の中で変更および修正を加え得ることを理解されたい。

本発明について、様々な実施形態に関し記述し例示してきたが、本発明はそれらに限定されるものではなく、これらの実施形態において、以下の特許請求の範囲に記載される本発明の意図する範囲全体の中で変更および修正を加え得ることを理解されたい。
次に、本発明の好ましい態様を示す。
１． ナノサイズの結晶粒成長阻止剤粒子の粉末層を、約１μｍ以下の平均粒度を有するダイヤモンド粒子の混合物に接して配置するステップと、
基板を、前記粉末層に接して配置するステップと、
前記ダイヤモンド粒子の混合物および前記結晶粒成長阻止剤粒子の粉末層を、高圧および高温で焼結して、焼結ダイヤモンド結晶粒の多結晶質構造を生成するステップと
を含み、前記焼結ダイヤモンド結晶粒が、約１μｍ以下の平均サイズを有する
多結晶質ダイヤモンド材料を製作する方法。
２． 前記ダイヤモンド粒子が、約０．５μｍ以下の平均粒度を有する、上記１に記載の方法。
３． 前記ナノサイズの結晶粒成長阻止剤粒子の粉末層が、ＩＶＢ、ＶＢまたはＶＩＢ族金属の炭化物、窒化物または炭窒化物を含む、上記１に記載の方法。
４． 前記結晶粒成長阻止剤粒子が、２００ｎｍ未満の粒度を有する、上記１に記載の方法。
５． 前記結晶粒成長阻止剤粒子が、１００ｎｍ未満の平均粒度を有する、上記４に記載の方法。
６． 最大焼結ダイヤモンド結晶粒のサイズが３μｍ以下の大きさである、上記１に記載の方法。
７． 前記結晶粒成長阻止剤粒子の粉末層が、結晶粒成長阻止剤粒子の均質な混合物を含む、上記１に記載の方法。
８． 前記結晶粒成長阻止剤粒子の一部を、焼結中に前記ダイヤモンド粒子の混合物中に移すステップをさらに含む、上記１に記載の方法。
９． 焼結中における前記基板から前記ダイヤモンド粒子の混合物への触媒の浸潤速度を低減させるステップをさらに含む、上記１に記載の方法。
１０． 焼結前に、理論密度の３０％〜７０％の範囲にある密度を有する前記結晶粒成長阻止剤、および前記ダイヤモンド粒子を、部分的に圧密化するステップをさらに含む、上記１に記載の方法。
１１． 前記結晶粒成長阻止剤粒子が、前記ダイヤモンド粒子の平均サイズ粒度よりも小さい平均粒度を有する、上記１に記載の方法。
１２． 前記結晶粒成長阻止剤が、ＴｉＣ、ＴｉＣ _x Ｎ _y およびＴｉＮから本質的になる群から選択されたただ１つのタイプのチタン含有粒子を含むチタン含有粒子である、上記１に記載の方法。
１３． 前記結晶粒成長阻止剤が、ＴｉＣ、ＴｉＣ _x Ｎ _y 、ＴｉＮおよびこれらの組合せから本質的になる群から選択されたチタン含有粒子を含むチタン含有粒子である、上記１に記載の方法。
１４． 上記１から１３のいずれかに記載の方法によって製造された、多結晶質ダイヤモンド材料。
１５． 複数の一体になるように結合されたダイヤモンド結晶粒およびダイヤモンド結晶粒の間の間隙領域を含む材料ミクロ構造を含む、多結晶質ダイヤモンド本体と、
タングステンおよび触媒金属を含む基板と、
前記多結晶質ダイヤモンド本体と前記基板との間にある、タングステンおよび前記触媒金属が散在する複数のチタン含有粒子を含む結晶粒成長阻止剤層と
を含み、
前記チタン含有粒子は、そのサイズが８００ｎｍ未満であり、
前記結晶粒成長阻止剤層は、その両面が前記基板と前記多結晶質ダイヤモンド本体とに結合され、厚さが約２０〜１００μｍであり、
前記ダイヤモンド結晶粒は、約１μｍ以下の平均サイズを有する
多結晶質ダイヤモンドコンパクト。
１６． 前記結晶粒成長阻止剤層が、約１〜２５原子％のタングステン、２０〜７０原子％のチタン、２〜３５原子％のコバルト、およびその残分としての炭素および窒素を含む、上記１５に記載の多結晶質ダイヤモンドコンパクト。
１７． 前記タングステン、チタンおよびコバルトが、前記結晶粒成長阻止剤層全体にわたって均等に分散されている、上記１６に記載の多結晶質ダイヤモンドコンパクト。
１８． 前記結晶粒成長阻止剤層は、その両面が前記基板と前記多結晶質ダイヤモンド本体とに結合され、厚さが約５０〜７０μｍである、上記１５に記載の多結晶質ダイヤモンドコンパクト。
１９． 前記ダイヤモンド結晶粒が、０．５μｍ以下の平均サイズを有する、上記１５に記載の多結晶質ダイヤモンドコンパクト。
２０． 工具本体と、それに配置された少なくとも１つの、上記１５から１９のいずれかに記載の多結晶質ダイヤモンドコンパクトとを含む、切削工具。

Claims (20)

1. ナノサイズの結晶粒成長阻止剤粒子の粉末層を、約１μｍ以下の平均粒度を有するダイヤモンド粒子の混合物に接して配置するステップと、
   基板を、前記粉末層に接して配置するステップと、
   前記ダイヤモンド粒子の混合物および前記結晶粒成長阻止剤粒子の粉末層を、高圧および高温で焼結して、焼結ダイヤモンド結晶粒の多結晶質構造を生成するステップと
   を含み、前記焼結ダイヤモンド結晶粒が、約１μｍ以下の平均サイズを有する
   多結晶質ダイヤモンド材料を製作する方法。
2. 前記ダイヤモンド粒子が、約０．５μｍ以下の平均粒度を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記ナノサイズの結晶粒成長阻止剤粒子の粉末層が、ＩＶＢ、ＶＢまたはＶＩＢ族金属の炭化物、窒化物または炭窒化物を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記結晶粒成長阻止剤粒子が、２００ｎｍ未満の粒度を有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記結晶粒成長阻止剤粒子が、１００ｎｍ未満の平均粒度を有する、請求項４に記載の方法。
6. 最大焼結ダイヤモンド結晶粒のサイズが３μｍ以下の大きさである、請求項１に記載の方法。
7. 前記結晶粒成長阻止剤粒子の粉末層が、結晶粒成長阻止剤粒子の均質な混合物を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記結晶粒成長阻止剤粒子の一部を、焼結中に前記ダイヤモンド粒子の混合物中に移すステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 焼結中における前記基板から前記ダイヤモンド粒子の混合物への触媒の浸潤速度を低減させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 焼結前に、理論密度の３０％〜７０％の範囲にある密度を有する前記結晶粒成長阻止剤、および前記ダイヤモンド粒子を、部分的に圧密化するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記結晶粒成長阻止剤粒子が、前記ダイヤモンド粒子の平均サイズ粒度よりも小さい平均粒度を有する、請求項１に記載の方法。
12. 前記結晶粒成長阻止剤が、ＴｉＣ、ＴｉＣ_xＮ_yおよびＴｉＮから本質的になる群から選択されたただ１つのタイプのチタン含有粒子を含むチタン含有粒子である、請求項１に記載の方法。
13. 前記結晶粒成長阻止剤が、ＴｉＣ、ＴｉＣ_xＮ_y、ＴｉＮおよびこれらの組合せから本質的になる群から選択されたチタン含有粒子を含むチタン含有粒子である、請求項１に記載の方法。
14. 請求項１から１３のいずれかに記載の方法によって製造された、多結晶質ダイヤモンド材料。
15. 複数の一体になるように結合されたダイヤモンド結晶粒およびダイヤモンド結晶粒の間の間隙領域を含む材料ミクロ構造を含む、多結晶質ダイヤモンド本体と、
    タングステンおよび触媒金属を含む基板と、
    前記多結晶質ダイヤモンド本体と前記基板との間にある、タングステンおよび前記触媒金属が散在する複数のチタン含有粒子を含む結晶粒成長阻止剤層と
    を含み、
    前記チタン含有粒子は、そのサイズが８００ｎｍ未満であり、
    前記結晶粒成長阻止剤層は、その両面が前記基板と前記多結晶質ダイヤモンド本体とに結合され、厚さが約２０〜１００μｍであり、
    前記ダイヤモンド結晶粒は、約１μｍ以下の平均サイズを有する
    多結晶質ダイヤモンドコンパクト。
16. 前記結晶粒成長阻止剤層が、約１〜２５原子％のタングステン、２０〜７０原子％のチタン、２〜３５原子％のコバルト、およびその残分としての炭素および窒素を含む、請求項１５に記載の多結晶質ダイヤモンドコンパクト。
17. 前記タングステン、チタンおよびコバルトが、前記結晶粒成長阻止剤層全体にわたって均等に分散されている、請求項１６に記載の多結晶質ダイヤモンドコンパクト。
18. 前記結晶粒成長阻止剤層は、その両面が前記基板と前記多結晶質ダイヤモンド本体とに結合され、厚さが約５０〜７０μｍである、請求項１５に記載の多結晶質ダイヤモンドコンパクト。
19. 前記ダイヤモンド結晶粒が、０．５μｍ以下の平均サイズを有する、請求項１５に記載の多結晶質ダイヤモンドコンパクト。
20. 工具本体と、それに配置された少なくとも１つの、請求項１５から１９のいずれかに記載の多結晶質ダイヤモンドコンパクトとを含む、切削工具。