JP2016538230A - 熱的に安定した多結晶ダイヤモンド及びそれを作製する方法 - Google Patents
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Abstract
切削要素を作製する方法は、ダイヤモンド粒子と炭酸塩材料との混合物を高圧高温の焼結条件にさらして、一緒に結合されたダイヤモンド粒のダイヤモンドマトリックスと、ダイヤモンド粒間の間隙領域に存在する炭酸塩とを有する焼結された炭酸塩多結晶ダイヤモンド体を形成する工程を含み、この炭酸塩材料は、ダイヤモンドマトリックス全体にわたって不均一に分布する。前記炭酸塩多結晶ダイヤモンド体は、炭酸塩材料の少なくとも部分的な分解をもたらすために、制御された温度、制御された圧力条件、またはこれらの組み合わせにさらされる。【選択図】図２
Description
（関連出願の相互参照）
本特許出願は、２０１４年９月９日に出願された米国特許出願第１４／４８１，５７０号及び２０１３年９月１１日に出願された米国仮特許出願第６１／８７６，６９６号の優先権及び利益を主張し、その両方の内容は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
本特許出願は、２０１４年９月９日に出願された米国特許出願第１４／４８１，５７０号及び２０１３年９月１１日に出願された米国仮特許出願第６１／８７６，６９６号の優先権及び利益を主張し、その両方の内容は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
多結晶ダイヤモンド（「ＰＣＤ」）材料及びそれから形成されるＰＣＤ要素は、当該技術分野において周知である。従来のＰＣＤは、好適な溶媒金属触媒材料の存在下で、ダイヤモンド粒子を高圧／高温（ＨＰＨＴ）の処理条件にさらすことによって形成することができ、溶媒金属触媒は、粒子間に所望の結晶間ダイヤモンド−ダイヤモンド結合を促進し、それによって、ＰＣＤ構造体を形成する。得られたＰＣＤ構造体は、耐摩耗性及び硬度の増強された特性を作り出し、そのようなＰＣＤ材料は、高レベルの耐摩耗性及び硬度が所望される浸食性の摩耗及び切削用途に極めて有用である。図１は、互いに結合されて結晶間ダイヤモンドマトリックス第１相を形成する複数のダイヤモンド粒１２を含む従来の方式で形成されたＰＣＤ材料１０の微細構造体を図示する。焼結プロセス中に発生するダイヤモンド−ダイヤモンド結合を助長するために使用される触媒／結合剤材料１４、例えば、コバルトが、ダイヤモンドマトリックス第１相間に形成された間隙領域内に分散されている。用語「粒子」は、超砥粒材料を焼結する前に採用される粉末を指すが、用語「粒」は、当該技術分野において公知であり、決定される、焼結後の識別可能な超砥粒領域を指す。
ダイヤモンド−ダイヤモンド結合を助長するために使用される触媒／結合剤材料は、一般に、２つの方法で提供され得る。触媒／結合剤は、焼結前にダイヤモンド粒または砂粒と予混合される原料粉末の形態で提供され得る。１つ以上の他の実施形態では、触媒／結合剤は、最終ＰＣＤ材料が結合される基礎となる基材材料からダイヤモンド材料への溶浸により（高温／高圧処理中）提供され得る。触媒／結合剤材料がダイヤモンド−ダイヤモンド結合を助長した後、触媒／結合剤材料は、一般に、結合されたダイヤモンド粒間に形成された間隙領域内のダイヤモンドマトリックス全体にわたって分布する。特に、図１に示される、結合剤材料１４は、従来のＰＣＤ材料１０内の微細構造体全体にわたって連続していない。むしろ、従来のＰＣＤ材料１０の微細構造体は、ＰＣＤ粒の間に結合剤が均一に分布し得る。よって、従来のＰＣＤ材料を通した亀裂伝播は、ダイヤモンド粒／結合剤接触面１５を通して粒内的、またはダイヤモンド粒／ダイヤモンド粒接触面１６を通して粒間的のいずれかにより、あまり延性ではなく、脆性のダイヤモンド粒を通して伝わることが多い。
溶媒触媒材料は、ダイヤモンド結晶間結合、ならびに互いの、及び基礎となる基材へのＰＣＤ層の結合を助長し得る。従来のＰＣＤを形成するために一般に使用される溶媒触媒材料は、コバルト、鉄、もしくはニッケル、及び／またはこれらの混合物もしくは合金などの周期表の第ＶＩＩＩ族の金属を含むが、コバルトが最も一般的である。従来のＰＣＤは、８５〜９５体積％のダイヤモンドを含み得、残りは溶媒触媒材料である。しかしながら、高金属含量は、一般に、得られるＰＣＤ材料の靭性を増加させるが、高金属含量は、ＰＣＤ材料の硬度も低下させるため、所望のレベルの硬度及び靭性の両方を有するＰＣＤコーティングを提供することができる柔軟性は制限される。加えて、ＰＣＤ材料の硬度を増加させるように変数が選択される場合、一般に脆性も増加し、それによって、ＰＣＤ材料の靭性が低下する。
ＰＣＤは、一般的に、土掘削作業、例えば、様々な種類のドリルビットに使用される切削要素（ｃｕｔｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）に使用される。ＰＣＤは非常に硬く、耐摩耗性であるが、ＰＣＤ切削要素は、それでも通常作業中に破損する可能性がある。破損は、一般的な３つの形態、つまり、摩耗、疲労、及び衝撃による亀裂において生じ得る。摩耗の機序は、地層に対するＰＣＤの相対すべりにより生じ、破損様態として際立って関係するのは、地層の摩損性、ならびに地層の硬さまたは強度などの他の要因、そして地層との接触中に伴う相対すべりの量である。非常に厳しいダウンホール環境に加えて、過度に高い接触応力及び高温も、ダイヤモンド層に深刻な摩耗を生じさせる傾向にある。疲労の機序は、亀裂が破砕または欠け落ちるのに十分な長さになるまで、ＰＣＤ層上で始まる表面の亀裂がＰＣＤ層下の材料内に漸進的に伝播することを伴う。最後に、衝撃の機序は、亀裂が破砕、欠け落ちるのに十分な長さになるまで、または切削要素が破局的に破損するまで、ＰＣＤ層上で始まる表面の亀裂または内部のキズがＰＣＤ層下の材料内に突然伝播することを伴う。
（要約）
本要約は、以下の発明を実施するための形態にさらに説明される概念の選択を導入するために提供される。本要約は、特許請求される主題の主なまたは本質的な特徴を特定することを意図せず、また特許請求される主題の範囲を制限することを補助するものとして使用されることを意図しない。
本要約は、以下の発明を実施するための形態にさらに説明される概念の選択を導入するために提供される。本要約は、特許請求される主題の主なまたは本質的な特徴を特定することを意図せず、また特許請求される主題の範囲を制限することを補助するものとして使用されることを意図しない。
一態様では、本開示の実施形態は、ダイヤモンド粒子と炭酸塩材料との混合物を高圧高温の焼結条件にさらして、一緒に結合されたダイヤモンド粒のダイヤモンドマトリックスと、ダイヤモンド粒間の間隙領域に存在する炭酸塩とを有する焼結された炭酸塩多結晶ダイヤモンド体を形成することであって、炭酸塩材料が、ダイヤモンドマトリックス全体にわたって不均一に分布する、形成することと、炭酸塩材料の少なくとも部分的な分解をもたらすために、炭酸塩多結晶ダイヤモンド体を、制御された温度、制御された圧力、またはこれらの組み合わせにさらにさらすこととを含む、切削要素を作製する方法に関する。
別の態様では、本開示の実施形態は、マトリックス相を形成する複数の一緒に結合されたダイヤモンド粒と、一緒に結合されたダイヤモンド粒間に介在する複数の間隙領域と、間隙領域内に不均一に配置された酸化物材料と、を含む酸化物系多結晶ダイヤモンド体を含む切削要素に関する。酸化物系多結晶ダイヤモンド体は、切削縁を形成し、かつそれに近接する第１の領域と、第１の領域から離れて軸方向、半径方向、またはその両方の組み合わせで延在する第２の領域とをさらに有し得、第２の領域は、第１の領域よりも高い濃度または炭酸塩材料を有する。
また別の態様では、本開示の実施形態は、マトリックス相を形成する複数の一緒に結合されたダイヤモンド粒と、一緒に結合されたダイヤモンド粒間に介在する複数の間隙領域と、間隙領域内に不均一に配置された炭酸塩材料と、を含む炭酸塩系多結晶ダイヤモンド体を含む切削要素に関する。酸化物系多結晶ダイヤモンド体は、切削縁を形成し、かつそれに近接する第１の領域と、第１の領域から離れて軸方向、半径方向、またはその両方の組み合わせで延在する第２の領域とをさらに有し得、第２の領域は、第１の領域よりも高い濃度または炭酸塩材料を有する。
特許請求される主題の他の態様及び利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲から明らかである。
本開示の実施形態は、以下の図を参照に説明される。同一の数字は、同一の特徴及び構成要素を示すために図全体にわたって使用される。
（詳細な説明）
本明細書で使用される、用語「炭酸塩系多結晶ダイヤモンド」は、炭酸塩材料の存在下で、個々のダイヤモンド粒子を、隣接するダイヤモンド結晶間で結晶間結合を生じさせる十分に高圧高温（ＨＰＨＴ）条件にさらして、ダイヤモンド−ダイヤモンド結合及び一緒に結合されたダイヤモンド粒間に分散された複数の間隙領域のネットワークまたはマトリックス相を形成することにより生成された得られた材料を指す。本開示の炭酸塩系多結晶ダイヤモンドは、多結晶ダイヤモンドまたはＰＣＤと称され得るが、遷移金属溶媒触媒と共に形成された従来の方式で形成された多結晶ダイヤモンド（背景技術のセクションにおいて記載される）とは区別される。さらに、１つ以上の実施形態はまた、炭酸塩系多結晶ダイヤモンド体の分解を通して形成された酸化物系多結晶ダイヤモンドも指す。
本明細書で使用される、用語「炭酸塩系多結晶ダイヤモンド」は、炭酸塩材料の存在下で、個々のダイヤモンド粒子を、隣接するダイヤモンド結晶間で結晶間結合を生じさせる十分に高圧高温（ＨＰＨＴ）条件にさらして、ダイヤモンド−ダイヤモンド結合及び一緒に結合されたダイヤモンド粒間に分散された複数の間隙領域のネットワークまたはマトリックス相を形成することにより生成された得られた材料を指す。本開示の炭酸塩系多結晶ダイヤモンドは、多結晶ダイヤモンドまたはＰＣＤと称され得るが、遷移金属溶媒触媒と共に形成された従来の方式で形成された多結晶ダイヤモンド（背景技術のセクションにおいて記載される）とは区別される。さらに、１つ以上の実施形態はまた、炭酸塩系多結晶ダイヤモンド体の分解を通して形成された酸化物系多結晶ダイヤモンドも指す。
炭酸塩系多結晶ダイヤモンド体は、一緒に結合されたダイヤモンド粒間に介在する複数の間隙領域及び間隙領域内に配置された炭酸塩材料を伴う複数の一緒に結合されたダイヤモンド粒のマトリックス相を含む微細構造体を有し得、炭酸塩材料は、アルカリ土類金属炭酸塩から選択される。本開示の炭酸塩系多結晶ダイヤモンド材料において、遷移金属触媒、ケイ素、及び／またはケイ素含有化合物を含むことは、ダイヤモンド−ダイヤモンド結合の形成に必要ではなく、よって、炭酸塩系多結晶ダイヤモンド体は、そのような材料を含まない場合がある。さらに、酸化物系多結晶ダイヤモンド体は、一緒に結合されたダイヤモンド粒間に介在する複数の間隙領域及び間隙領域内に配置された酸化物材料を伴う複数の一緒に結合されたダイヤモンド粒のマトリックス相を含む微細構造体を有し得る。そのような酸化物は、アルカリ土類金属炭酸塩の分解を通して形成され得る。
１つ以上の実施形態では、本開示の炭酸塩系多結晶ダイヤモンド体は、炭酸塩焼結助剤及び任意の溶浸材材料の両方を使用することにより形成され得る。例えば、多結晶ダイヤモンド体を作製する方法は、予混合ダイヤモンド粒子と炭酸塩材料の多層を形成することを含み得、炭酸塩材料は、アルカリ土類金属炭酸塩から選択される。本明細書で使用される、層は、厚さ及び厚さに対して垂直に測定された面積を拡張するある量の予混合ダイヤモンド粒子と炭酸塩材料を含み得る。予混合材料の層は、層の厚さを通して及び／または面積にわたって均一または不均一であるダイヤモンドの炭酸塩に対する質量パーセント比を有し得る。１つ以上の実施形態では、各層が異なるダイヤモンド及び炭酸塩濃度を有する複数の均一な層が組み合わされ得る。１つ以上の他の実施形態では、少なくとも１つの層は、厚さ及び面積のうちの１つにわたってダイヤモンド及び炭酸塩が不均一に分布する。層が厚さに沿って均一な面積を有する必要がない（上述に定義される通りである）、または層が軸方向に積み重ねられる必要がないことも、本開示の範囲内である。よって、層は、互いに同心であるか、あるいは別の方法で形成され得る。さらに、層は、ディスク、シリンダ、環状体等以外の他の形状の形態を取ってよく、得られる炭酸塩体内の所望の炭酸塩の配置により変動し得る。予混合層は、６ＧＰａを超える圧力及び１７００℃を超える温度など、ならびにダイヤモンドの熱力学的安定性の領域内の高圧高温条件に層をさらすことによって一緒に焼結され得る。例えば、いくつかの実施形態では、予混合層は、６〜１０ＧＰａの圧力及び２，０００℃を超える温度下で、または７〜９ＧＰａの圧力及び２，０００℃を超える温度下で一緒に焼結され得る。さらに、アルカリ土類金属の１つ以上の炭酸塩から作製された溶浸層は、予混合層のうちの１つに隣接して位置付けられ得、焼結プロセス中、溶浸層の炭酸塩は、予混合層内深くに溶浸する。溶浸の深さは、例えば、予混合層の組成及び焼結条件に依存し得る。
本明細書に開示される方法による炭酸塩系多結晶ダイヤモンド体の形成は、固い多結晶ダイヤモンドの形成を可能にする。例えば、図２は、本開示のいくつかの実施形態による炭酸塩多結晶ダイヤモンド高圧高温焼結体を示す。本体２００は、上面２０１、底面２０２、上面と底面との間に円周側面２０３、及び上面と円周側面との間に円周切削縁２０４を有し、高さ２０５は、上面と底面との間で測定される。いくつかの実施形態によると、炭酸塩多結晶ダイヤモンド高圧高温焼結体の高さ２０５は、直径２０６よりも小さい。本明細書で使用される、作業表面は、作業片または地層と接触し、それを切削する多結晶ダイヤモンド体の外面を指し得る。よって、図２に示される作業表面は、本体２００の上面２０１を含み得、円周側面２０３の一部分も含み得るが、非作業表面は、本体の底面２０２であるように示される。さらに、図２に示される本体は、円柱形状を有する。しかしながら、本開示の炭酸塩系多結晶ダイヤモンド材料は、矩形または三角プリズムなどの他の形状に形成されるか、またはドーム形状、サドル形状（双曲放物面）、放物柱形状、円錐、または弾丸形状の切削端など、非平面状の切削端を有し得る。しかしながら、他の幾何形状が使用され得ることも意図される。
図２に示されるように、本体２００は、第１の領域２０７及び第２の領域２０８を含む。第１の領域２０７は、一緒に結合されたダイヤモンド粒の間隙領域に配置される第１の炭酸塩材料を含み、円周切削縁を形成する。具体的には、図示される実施形態では、第１の領域は、上面２０１及び円周切削縁２０４から本体２００内に軸方向深くに延在し、よって、全上面２０１、全円周切削縁２０４、及び円周側面２０３の一部分を形成する。示されるように、第１の領域２０７は、ダイヤモンド体内深くに不均一に延在する。具体的には、第１の領域２０７は、本体２００の半径方向に最も内側の部分よりも円周側面２０３に沿って深く延在する。第２の領域２０８は、第１の領域から軸方向下向きに少なくとも延在し、第２の領域は、一緒に結合されたダイヤモンド粒の間隙領域に配置される第２の炭酸塩材料を含み、底面２０２及び円周側面２０３の残りの部分を形成する。
１つ以上の実施形態では、第２の領域は、第１の領域よりも高い濃度の炭酸塩材料を有し得る。別の実施形態では、第１の領域は、一緒に結合されたダイヤモンド粒の間隙領域内に配置される炭酸マグネシウムを有し得、第２の領域は、一緒に結合されたダイヤモンド粒の間隙領域内に配置される炭酸カルシウムを有し得る。他の実施形態では、第１の領域は、ダイヤモンド及び炭酸マグネシウムから形成され得、第２の領域は、ダイヤモンド、炭酸マグネシウム、及び炭酸カルシウムから形成され得る。しかしながら、また他の実施形態では、全多結晶ダイヤモンド体は、一緒に結合されたダイヤモンド粒の間隙領域内に配置される１種類の炭酸塩、または1種類以上の炭酸塩の均一な分布から形成され得る。特定の実施形態では、炭酸塩系多結晶ダイヤモンド体の第１の領域は、約０．５〜５質量パーセントの炭酸塩材料を含む。また別の実施形態では、第２の領域は、約２〜９質量パーセントの炭酸塩材料を含む。上記実施形態の各々は、炭酸塩とダイヤモンド粉末との混合物から分離する炭酸塩材料の層を組み込むことができ、その層は、ＨＰＨＴ焼結中に炭酸塩溶浸源をダイヤモンド含有領域内に提供する目的を果たす。
図２は、炭酸塩系多結晶ダイヤモンド体に関して説明されてきたが、本開示により形成された炭酸塩系本体は、炭酸塩を二酸化炭素と金属酸化物とに分解するために、分解プロセスも受けてもよい。分解にかかわらず、図２に示される、得られた本体２００は、炭酸塩系本体がどのように形成されたかにより、依然として、炭酸塩の代わりに金属酸化物ならびに／または２つの領域で異なるダイヤモンド濃度を含む第１及び第２の領域２０７及び２０８を有することができる。
さらに、いくつかの実施形態では、第２の領域は、第１の領域から離れて軸方向及び／または半径方向に延在することができる。１つ以上の実施形態では、第２の領域（第１の領域よりも大量の炭酸塩を有する）は、ダイヤモンド体の円周側面及び上面のうちの少なくとも１つに延在してよい。そのような実施形態では、第２の領域は、円周切削縁から０．０５０インチ〜０．２５０インチ（０．１２７ｃｍ〜０．６３５ｃｍ）の距離で引き離され得る。
図３は、本開示のいくつかの実施形態による炭酸塩多結晶ダイヤモンド高圧高温焼結体３００を示し、ダイヤモンド体３００は、円周切削縁３０４を形成し、かつそれに近接する第１の領域３０７と、第１の領域３０７から離れて軸方向及び半径方向に離れて延在する第２の領域３０８とを含み、第２の領域３０８は、第１の領域３０７よりも高い濃度の炭酸塩材料を有する。具体的には、図３は、上面３０１が第１の領域３０７及び第２の領域３０８の両方から形成され、第１の領域３０７は、上面３０１及び円周側面３０３の一部分に沿って第２の領域３０８より半径方向に外側である。この実施形態では、第１の領域３０７は、円周側面３０３に沿って本体３００の高さの５０％未満、具体的には３０％未満延在する。１つ以上の実施形態では、第１の領域３０７は、円周側面３０３の少なくとも１５％、または少なくとも２０％もしくは２５％（最大１００％を含む）を占めてよい。この軸方向の延在は、上面３０１からの深さと考えられてもよい。１つ以上の実施形態では、円周側面３０３に沿った第１の領域３０７の深さは、少なくとも１００ミクロン、または１つ以上の他の実施形態では、少なくとも２００、２５０、もしくは５００ミクロンであってよい。
円周側面３０３は、第１の領域３０７及び第２の領域３０８の両方を含むように示されるが、本開示はそのように制限されない。例えば、ここで図４を参照すると、１つ以上の実施形態では、第１の領域４０７は、本体４００の全円周側面４０３に沿って延在してよい。図３と同様に、本体４００は、第１の領域４０７及び第２の領域４０８の両方を含む上面４０１を含み、第１の領域４０７は、第２の領域４０８より半径方向に外側である。しかしながら、この実施形態では、第１の領域４０７は、図３に図示される実施形態よりさらに半径方向中心４１０に延在する。図３に図示される実施形態では、第１の領域３０７は、上面３０１の少なくとも半分が半径方向中心に延在する一方、図４に図示される実施形態では、第１の領域４０７は、端部４０４から半径方向中心４１０に少なくとも７５％の距離延在する。よって、１つ以上の実施形態では、第１の領域は、少なくとも３０％、少なくとも５０％、少なくとも７５％の距離、または本体の円周端から半径方向中心に、全体の距離延在し得る。
本開示の実施形態によると、第１及び／または第２の領域を形成するために使用された予混合層中の炭酸塩の質量パーセントは、０質量パーセントを超える炭酸塩から約２０質量パーセント未満の炭酸塩の範囲であってよく、予混合層中のダイヤモンドの質量パーセントは、８０質量パーセントを超えるダイヤモンドから１００質量パーセント未満のダイヤモンドの範囲であってよい。例えば、いくつかの実施形態は、約９０質量パーセントを超えるダイヤモンド及び約１０質量パーセント未満の炭酸塩材料を含むダイヤモンドと炭酸塩の質量パーセント比を有する、ダイヤモンドと炭酸塩との混合物を含み得る。別の実施形態では、１つ以上の予混合層は、９５質量パーセントを超えるダイヤモンド及び５質量パーセント未満の炭酸塩を含むダイヤモンドと炭酸塩の質量パーセント比を有し得る。例えば、いくつかの実施形態では、予混合層アセンブリのうちの１つまたは両方の外層は、４質量パーセント以下の炭酸塩材料、及び９６質量パーセント以上のダイヤモンドを有し得る。他の実施形態では、予混合層アセンブリのうちの１つまたは両方の外層は、粒径により、２質量パーセント以下の炭酸塩材料、及び９８質量パーセント以上のダイヤモンドを有し得る。いくつかの実施形態では、第１の領域の予混合層は、約０．１〜１０質量％の炭酸塩を含み得、第２の領域の予混合層は、約１〜３０質量％の炭酸塩を含み得る。他の実施形態では、第１の領域の予混合層は、約０．５〜３質量％の炭酸塩を含み得、第２の領域の予混合層は、約２〜７質量％の炭酸塩を含み得る。上記実施形態の各々は、炭酸塩とダイヤモンド粉末との混合物から分離する炭酸塩材料の層を組み込むことができ、その層は、ＨＰＨＴ焼結中に炭酸塩溶浸源をダイヤモンド含有領域内に提供する目的を果たす。
本開示の炭酸塩系多結晶ダイヤモンド体を形成するためにダイヤモンドと炭酸塩との混合物に使用されるダイヤモンド粒子は、例えば、天然または合成ダイヤモンドを含み得、最終使用用途により、様々な粒径を有し得る。例えば、ダイヤモンド粒子は、サイズがサブミクロン〜１００ミクロン（微細及び／または粗サイズ）、いくつかの実施形態では、１〜５ミクロン、他の実施形態では、５〜１０ミクロン、他の実施形態では、１０〜１５ミクロン、また他の実施形態では、１５〜２０ミクロンの範囲であり得る。さらに、ダイヤモンド粒子は、単峰形分布（同じ一般平均粒径を有する）または多峰形分布（異なる体積の異なる平均粒径を有する）を有し得る。本開示の予混合層を形成するダイヤモンドと炭酸塩との混合物に使用され得る（いくつかの実施形態では、溶浸材料として）炭酸塩材料は、例えば、炭酸マグネシウムまたは炭酸カルシウムなどのアルカリ土類金属炭酸塩を含み得る。炭酸塩材料は、サブミクロン〜１００ミクロン、いくつかの実施形態では、０．１〜３０ミクロンの範囲の粒径を有し得る。
焼結助剤及び／または溶浸材材料も、任意に炭素添加物を含み得る。例えば、アルカリ金属炭酸塩及び／またはアルカリ土類金属炭酸塩材料に加えて、焼結助剤及び／または溶浸材材料も、黒鉛、ダイヤモンド、煤、または非晶質炭素などの炭素添加物を含み得る。予混合層及び隣接する溶浸層をＨＰＨＴにさらすと、炭素添加物が組み込まれ、多結晶ダイヤモンド体全体にわたって分散され得る。例えば、いくつかの実施形態によると、焼結助剤は、予混合層全体にわたって分散される黒鉛（炭酸塩材料に加えて）を含み得、ＨＰＨＴ条件にさらされるとダイヤモンドに変換され得、それによって、多結晶ダイヤモンド体内に増加したダイヤモンド密度を提供する。いくつかの実施形態によると、焼結助剤は、最大約６体積パーセントの炭素添加物を含み得、溶浸材材料は、最大約２０体積パーセントの炭素添加物を含み得る。
本開示のいくつかの実施形態によると、焼結助剤及び溶浸材材料は、同じ材料から形成され得る。例えば、予混合層は、ある量の炭酸マグネシウムとダイヤモンド粉末とを混合することにより形成され得、炭酸マグネシウムから作製された溶浸層は、予混合層に隣接して形成され得、そのため、層を高圧高温条件にさらすと、溶浸層の炭酸マグネシウムは、予混合層内に溶浸する。
しかしながら、本開示の他の実施形態によると、焼結助剤及び溶浸材材料は、異なる材料から形成され得る。例えば、予混合層は、ある量の焼結助剤とダイヤモンド粉末とを混合することにより形成され、溶浸材材料から作製された溶浸層は、予混合層に隣接して形成され得、焼結助剤は、溶浸材材料よりも低い融点を有する。例えば、予混合層は、炭酸カルシウムと混合されたダイヤモンド粉末を含み得、隣接する溶浸層は、炭酸マグネシウム溶浸材材料から形成され得る。さらに、いくつかの実施形態によると、予混合層は２つ以上の炭酸塩材料を含み得、かつ／または溶浸層は２つ以上の炭酸塩材料を含み得る。例えば、１つ以上の実施形態によると、予混合層及び／または溶浸層は、炭酸マグネシウム及び炭酸カルシウムの両方を含み得る。加えて、炭酸塩材料が純粋ではない可能性がある場合、予混合層及び／または溶浸層は、加えて、少なくとも１つの炭酸塩材料、わずかな比率のＳｉＯ2及び／またはＡｌ2Ｏ3を含み得る。
予混合炭酸塩／ダイヤモンド層は、多結晶ダイヤモンド体の粒径及び厚さにより、予混合層の０体積パーセント超〜約８体積パーセントの範囲の量の焼結助剤を含み得る。他の実施形態は、０．１体積パーセント、１．０体積パーセント、２．０体積パーセント、または３．０体積パーセントのうちのいずれかの下限から、２．０体積パーセント、または３．０体積パーセント、４．０体積パーセント、５．０体積パーセント、６．０体積パーセント、７．０体積パーセント、８．０体積パーセント、９．０体積パーセント、または１０．０体積パーセントのうちのいずれかの上限の範囲の量の焼結助剤を含み得、任意の下限は、任意の上限と組み合わせて使用され得る。少量の予混合炭酸塩の使用は、溶浸の深さを促進し、最終焼結の質を増強し得る。
加えて、溶浸層は、焼結多結晶ダイヤモンド体の約１〜約２０体積パーセントの範囲の量の溶浸材材料を含み得る。他の実施形態によると、溶浸材材料の量は、焼結多結晶ダイヤモンド体の２０体積パーセント超、３０体積パーセント超、または５０体積パーセント超であってよい。しかしながら、全予混合層にわたる溶浸を確実にするために、他の量の溶浸材材料が提供され得る。例えば、予混合層に隣接して配置された、及び溶浸層を形成する溶浸材材料の量は、その量が予混合層の完全な溶浸に十分であるように、予混合層のサイズ及び厚さにより変動し得る。例えば、比較的厚い予混合層を有する実施形態では、予混合層及び隣接する溶浸層をＨＰＨＴにさらすと、溶浸材材料が全予混合層を溶浸し、多結晶ダイヤモンド体を形成するように、比較的大きい質量パーセントの溶浸材材料が提供され得る。比較的薄い予混合層を有するいくつかの実施形態では、比較的小さい質量パーセントの溶浸材材料が全予混合層を溶浸するために使用され得る。
さらに、焼結助剤が予混合層全体にわたって均一に分布するように、焼結助剤は、ダイヤモンド粉末と混合され、予混合層を形成することができる。１つ以上の他の実施形態では、焼結助剤は、予混合層全体にわたって不均一に分布し得る。例えば、焼結助剤は、予混合層全体にわたって勾配として分布し得る。予混合炭酸塩／ダイヤモンド層全体にわたって分布され、ＨＰＨＴ条件にさらされる予混合焼結助剤は、予混合炭酸塩／ダイヤモンド層全体にわたってダイヤモンド粒子を湿潤する局所領域を提供することができる。液状予混合炭酸塩のこれらの領域は、ダイヤモンド材料を通してチャネルを提供することができ、これは、隣接する炭酸塩溶浸材材料がＨＰＨＴ状態中に溶融し、流れるための通路を提供することに役立ち得る。よって、本開示の方法により予混合層及び隣接する溶浸層をＨＰＨＴ条件にさらすと、溶浸材材料は、全焼結多結晶ダイヤモンド体にわたって配置され得る。
本開示の方法は、従来の方式で使用されるコバルトなどの金属触媒ではなく、焼結助剤としての炭酸塩及び任意の溶浸材材料の使用により、熱的に安定した多結晶ダイヤモンドを提供することができる。さらに、溶浸材材料が全ダイヤモンド層中に流れ、溶浸するための予混合焼結助剤によって提供される通路は、炭酸塩材料の量に対してダイヤモンドの量の増加を可能にし（すなわち、高体積密度のダイヤモンド）、よって、増加した耐摩耗性または摩擦抵抗を有する多結晶ダイヤモンド体を提供することができる。
様々な実施形態では、間隙領域に存在する炭酸塩材料を有する形成された炭酸塩多結晶ダイヤモンド体は、制御された温度及び／または制御された圧力条件下で、炭酸塩の分解プロセスを受けてよく、それによって、炭酸塩材料は、高温及び／または高圧にさらされると、化学反応を通して少なくとも部分的に除去される。炭酸塩材料の分解は、金属酸化物及びマトリックス全体にわたって分布するチャネルの形成をもたらし得る。いくつかの場合では、炭酸塩材料の分解の進行と共に二酸化炭素の分圧を低下させるための方法を使用することが有利であり得る。これを行うための方法は、ゼオライト、規則的なメソ多孔質シリカ組成物、炭素質材料（グラフェン及び／またはカーボンナノチューブなど）、リチウム系材料、及びカルシウム系材料などの二酸化炭素を吸着／吸収することができる化学物質の使用を含む。
炭酸塩の分解プロセスは、分解される炭酸塩の曝露を伴い得る。そのため、ＢａＣＯ3、ＭｇＣＯ3、ＣａＣＯ3、及びＣａＭｇ（ＣＯ3）2が６００℃〜１３００℃の温度、真空下、または減圧雰囲気下で加熱を受ける際、それらは、化学反応により、酸化物、すなわち、酸化バリウム、酸化マグネシウム、及び酸化カルシウムに変わる。１つ以上の実施形態では、温度は、６００℃、８００℃、または１０００℃のうちのいずれかの下限、及び１０００℃、１２００℃、１３００℃、または１４００℃のうちのいずれかの上限を含み得、任意の下限は、任意の上限と組み合わせて使用され得る。熱処理に使用される圧力は、１０-8、１０-6、または１０-5ｍｍＨｇの任意の下限から１０-1、１０-2、または１０-3ｍｍＨｇの任意の上限の範囲であってよく、任意の下限は、任意の上限と組み合わせて使用され得る。これらの圧力で、加熱は、空気中、酸素中、窒素中などで、また１つ以上の特定の実施形態では、ダイヤモンドの燃焼を避けるために、不活性雰囲気下で行われ得る。温度は、任意の速度で、または特定の実施形態では、１分毎に０．１〜２０℃で上昇され得る。
分解プロセスが完了し、多結晶ダイヤモンド体が形成されたら、ダイヤモンド体の分解部分の得られた材料の微細構造体は、マトリックス相を形成する複数の一緒に結合されたダイヤモンド粒、一緒に結合されたダイヤモンド粒間に介在する複数の空の間隙領域またはチャネル、及び間隙領域内に不均一に配置された酸化物材料を含み得る。よって、ダイヤモンド体の分解部分は、最初にダイヤモンド体を形成または焼結するために使用された炭酸塩材料を実質的に含まなくてよく、酸化物系多結晶ダイヤモンドと称され得る。特定の実施形態では、間隙領域に存在する炭酸塩材料を有する炭酸塩多結晶ダイヤモンド体は、炭酸塩の部分的分解を受ける場合がある。また別の実施形態では、ＳｉＯ2などの不純物を含む炭酸塩材料を有する炭酸塩多結晶ダイヤモンド体を伴う分解プロセスは、マトリックス相を形成する複数の一緒に結合されたダイヤモンド粒、一緒に結合されたダイヤモンド粒間に介在する複数の空の間隙領域またはチャネル、間隙領域内に不均一に配置された酸化物材料、及び熱処理中に形成された金属ケイ酸塩を含み得る多結晶ダイヤモンド体の形成をもたらす。
１つ以上の実施形態では、分解は、金属酸化物及びチャネルの形成と共に生じ、多結晶ダイヤモンド体中のチャネルは、拡散制御プロセスによる予混合炭酸塩の分解反応からの二酸化炭素ガスの放出により形成される。金属炭酸塩は二酸化炭素と金属酸化物に分かれるため、存在する金属酸化物は、使用された金属炭酸塩の種類に依存し得る。例示的な実施形態では、金属酸化物は、アルカリ土類金属酸化物であってよい。別の例示的な実施形態では、金属酸化物は、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、またはこれらの組み合わせであってよい。いくつかの実施形態では、炭酸塩が分解される際、金属酸化物の質量は、金属炭酸塩の質量の約７５％であるが、別の実施形態では、金属酸化物の質量は、金属炭酸塩の質量の約５０％である（例えば、金属酸化物の質量は、金属炭酸塩の質量の約５０〜７５％である）。金属炭酸塩の分解後に残る金属酸化物の質量は、使用された金属及びもたらされる分解の程度を含む、いくつかの要因に依存する。ある実施形態では、酸化物系多結晶ダイヤモンド体の第１の領域は、約０．２〜５質量パーセントの酸化物材料を含み得る。また別の実施形態では、第２の領域は、約０．５〜９質量パーセントの酸化物材料を含み得る。ある実施形態では、酸化物系多結晶ダイヤモンド体の第１の領域は、約０．２〜５質量パーセントの酸化物材料を含み得、第２の領域は、約０．５〜９質量パーセントの酸化物材料を含み得、第２の領域は、第１の領域よりも多い酸化物材料を含み得る。
炭酸塩材料の二酸化炭素及び金属酸化物への分解中、二酸化炭素が高内部ガス圧をもたらす可能性があり、これは、ＰＣＤの熱安定性及び／またはＰＣＤ材料における亀裂の形成に悪影響を及ぼす可能性がある。ＰＣＤ材料の亀裂を避けるために、ゆっくりとした制御速度による低温で炭酸塩材料を分解することが望ましい場合がある。本発明の発明者は、異なる予混合炭酸塩濃度を有する炭酸塩系ダイヤモンドの２つの異なる領域を使用することにより、分解プロセス中に異なるチャネルサイズが形成されることをも見出した。よって、炭酸塩材料の分解反応から放出される二酸化炭素は、ＰＣＤ層の外に迅速に拡散する。
第１の領域（高ダイヤモンド濃度及び低炭酸塩濃度を有する）が円周切削縁にあり、かつ半径方向内向き及び軸方向下方に延在し、第２の領域（低ダイヤモンド濃度及び高炭酸塩濃度を有する）が円周切削縁から離れるように、第１及び第２の領域を戦略的に配置することにより、切削縁での耐摩耗性を損なうことなく、望ましいチャネル形成を形成することもできる。さらに、不均一に分布する炭酸塩材料の分解後に形成されたチャネルは、炭酸塩材料の金属酸化物への変換をより効率的に進行させることができ、したがって、ダイヤモンド体の熱安定性を改善する。
本開示の実施形態により作製された多結晶ダイヤモンド体は、ドリルビットなどのダウンホール切削ツールの切削要素として使用され得る。例えば、本開示のダウンホールツールは、本体と、本体から延在する複数のブレードと、複数のブレード上に配置された、本開示の実施形態による少なくとも１つの多結晶ダイヤモンド切削要素とを有し得る。少なくとも１つの多結晶ダイヤモンド切削要素は、作業表面、すなわち、掘削される地層と接触し、それを切削する作業表面がブレードの先導面に位置付けられ、ドリルの回転方向に面するようにブレード上に配置される。多結晶ダイヤモンド切削要素は、マトリックス相を形成する複数の一緒に結合されたダイヤモンド粒、一緒に結合されたダイヤモンド粒間に介在する複数の間隙領域、及び間隙領域内に配置された炭酸塩材料から作製された多結晶ダイヤモンド体を含み得、炭酸塩材料は、アルカリ金属炭酸塩及びアルカリ土類金属炭酸塩のうちの少なくとも１つから選択される。例えば、図５は、ビット本体５０１を有する回転ドリルビット５００を示す。ビット本体５０１の下面は、複数のブレード５０２で形成され、これは、ドリルビットの回転５０３の中央長手方向軸から離れて略外向きに延在する。複数のＰＤＣカッター５０４は、各ブレードの長さに沿って並んで配置される。各ブレードによって担持されるＰＤＣカッター５０４の数は変動し得る。
多結晶ダイヤモンド切削要素は、ビット上にろう付けされるか、または機械的に保持され得る。そのような機械保持は、例えば、切削要素の先導面に隣接する機械保持機構、バネ保持機構、ピン、ネジ、クランプ、保持リング、背止めなどを含む、ポケット（または他の支持構造体）内の削要素の動作を制限する１つ以上の構成要素を含み得る。使用される機械保持の種類により、切削要素は、いくつかの実施形態では、それ自体の軸の周囲を自由に回転することができる（それでも制限された軸方向及び側方動作を通してビット上に尚も保持される）。また他の実施形態では、本開示の多結晶ダイヤモンド切削要素は、ダウンホール切削ツールのブレードまたは本体に形成されたポケット内にろう付けされ得る。
いくつかの例示的な実施例のみが上記に詳細に説明されてきたが、当業者は、本開示から実質的に逸脱することなく、例示的実施例において多くの修正が可能であることを容易に理解するだろう。したがって、全てのそのような修正は、本開示の範囲内に含まれることが意図される。特許請求の範囲において、手段プラス機能節は、列挙される機能を行うように本明細書に記載される構造体、及び構造的同等物だけでなく、同等の構造も網羅することが意図される。よって、釘及びネジは、木製部品を締結する環境において、釘は木製部品を一緒に固定するために円柱面を用いるが、ネジはらせん面を用いるという点で、構造的に同等ではない場合があるが、釘及びネジは、同等の構造であってよい。請求項が関連する機能と一緒に用語「〜の手段」を明確に使用するものを除き、本明細書における請求項のいずれかの任意の制限に関して、米国特許法第１１２条６項を行使しないという出願人の意図を表す。
Claims (22)
- 切削要素を作製する方法であって、
ダイヤモンド粒子と炭酸塩材料との混合物を高圧高温の焼結条件にさらして、一緒に結合されたダイヤモンド粒のダイヤモンドマトリックスと、前記ダイヤモンド粒間の間隙領域に存在する炭酸塩とを有する焼結された炭酸塩多結晶ダイヤモンド体を形成する工程であって、前記炭酸塩材料が、前記ダイヤモンドマトリックス全体にわたって不均一に分布する工程と、
前記炭酸塩材料の少なくとも部分的な分解をもたらすために、前記炭酸塩多結晶ダイヤモンド体を、制御された温度、制御された圧力、またはこれらの組み合わせにさらにさらす工程と、
を含むことを特徴とする、方法。 - 前記炭酸塩材料の金属酸化物への部分的分解が、前記マトリックスを通して分布するチャネルの形成をもたらす、請求項１に記載の方法。
- 前記炭酸塩材料の分解後に形成されたチャネルが、不均一に分布している、請求項２に記載の方法。
- 前記炭酸塩材料が、不純物としてＳｉＯ2を含む、請求項１に記載の方法。
- 前記炭酸塩材料の少なくとも１つの金属酸化物への部分的分解中、前記少なくとも１つの金属酸化物が、前記炭酸塩材料中の不純物として存在するＳｉＯ2と反応し、それによって、少なくとも１つの金属ケイ酸塩の形成をもたらす、請求項４に記載の方法。
- 前記炭酸塩材料が、アルカリ土類金属炭酸塩を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
- 前記炭酸塩材料が、炭酸マグネシウムまたは炭酸カルシウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載の方法。
- 前記炭酸塩材料が、炭酸マグネシウムである、請求項６に記載の方法。
- 前記炭酸塩多結晶ダイヤモンド高圧高温焼結体が、上面と、底面と、前記上面及び底面の間の円周側面と、前記上面及び前記円周側面の間の円周切削縁と、を備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
- 前記炭酸塩多結晶ダイヤモンド高圧高温焼結体の高さが、前記炭酸塩多結晶ダイヤモンド高圧高温焼結体の直径よりも小さい、請求項９に記載の方法。
- 前記炭酸塩多結晶ダイヤモンド体が、前記円周切削縁を形成し、かつそれに近接する第１の領域と、前記第１の領域から離れて軸方向、半径方向、またはその両方の組み合わせに広がっている第２の領域と、を有し、前記第２の領域が、前記第１の領域よりも高い濃度または炭酸塩材料を有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
- 前記炭酸塩系多結晶ダイヤモンド体の第１の領域が、約０〜約５質量パーセントの前記炭酸塩材料を含む、請求項１１に記載の方法。
- 前記炭酸塩系多結晶ダイヤモンド体の前記第２の領域が、約２〜９質量パーセントの前記炭酸塩材料を含む、請求項１１に記載の方法。
- 切削要素であって、
酸化物系多結晶ダイヤモンド体を含み、前記酸化物系多結晶ダイヤモンド体が、
マトリックス相を形成する複数の一緒に結合されたダイヤモンド粒と、
前記一緒に結合されたダイヤモンド粒間に介在する複数の間隙領域と、
前記間隙領域内に不均一に配置された酸化物材料と、を備え、
前記酸化物系多結晶ダイヤモンド体が、切削縁を形成し、かつそれに近接する第１の領域と、前記第１の領域から離れて軸方向、半径方向、またはその両方の組み合わせに広がっている第２の領域と、をさらに備え、前記第２の領域が、前記第１の領域よりも高い濃度の炭酸塩材料を有することを特徴とする、切削要素。 - 前記酸化物材料が、アルカリ土類金属酸化物から選択される、請求項１４に記載の切削要素。
- 前記酸化物材料が、酸化マグネシウムまたは酸化カルシウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載の切削要素。
- 前記酸化物材料が、酸化マグネシウムである、請求項１５に記載の切削要素。
- 前記酸化物系多結晶ダイヤモンド体が、その中に少なくとも１つの金属ケイ酸塩をさらに含む、請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の切削要素。
- 前記酸化物系多結晶ダイヤモンド体の前記第１の領域が、約１〜３質量パーセントの前記酸化物材料を含む、請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の切削要素。
- 前記酸化物系多結晶ダイヤモンド体の前記第２の領域が、約２〜９質量パーセントの前記酸化物材料を含む、請求項１４〜１９のいずれか一項に記載の切削要素。
- 前記酸化物系多結晶ダイヤモンド体が、酸化マグネシウム及び／もしくは酸化カルシウムのうちの少なくとも１つ、またはこれらの組み合わせをさらに含み、前記酸化物系多結晶ダイヤモンド体が、チャネルをさらに含み、酸化マグネシウム、酸化カルシウムのうちの前記少なくとも１つ、またはこれらの組み合わせが、前記ダイヤモンドマトリックス全体にわたって分布している、請求項１４〜２０のいずれか一項に記載の切削要素。
- 切削要素であって、
炭酸塩系多結晶ダイヤモンド体を含み、前記炭酸塩系多結晶ダイヤモンド体が、
マトリックス相を形成する複数の一緒に結合されたダイヤモンド粒と、
前記一緒に結合されたダイヤモンド粒間に介在する複数の間隙領域と、
前記間隙領域内に不均一に配置された炭酸塩材料と、を備え、
前記炭酸塩系多結晶ダイヤモンド体が、切削縁を形成し、かつそれに近接する第１の領域と、前記第１の領域から離れて軸方向、半径方向、またはその両方の組み合わせに広がっている第２の領域と、をさらに備え、前記第２の領域が、前記第１の領域よりも高い濃度の炭酸塩材料を有することを特徴とする、切削要素。
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