JP2024512922A - 銅系合金およびそれを用いて形成された金属マトリックス複合材 - Google Patents

Abstract

本開示は、概して銅系合金に関し、より詳細には、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料の形成に適合した銅系合金、およびＭＭＣ材料の製造方法に関する。一態様では、ＭＭＣ材料のマトリックスを形成するための合金は、５．６～１０．４重量パーセント（重量％）のマンガン（Ｍｎ）、３．５～６．５重量％のニッケル（Ｎｉ）、１．４～４重量％のスズ（Ｓｎ）、および５５重量％を超えて元素組成の残部までの銅（Ｃｕ）を含む元素組成を有する。この合金は、Ｃｕの融解温度より低い固相線温度を有する。【選択図】図４

Description

関連出願の相互参照
本出願は、「ＣＯＰＰＥＲ－ＢＡＳＥＤ ＡＬＬＯＹ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬ ＭＡＴＲＩＸ ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＦＯＲＭＥＤ ＵＳＩＮＧ ＳＡＭＥ」と題する２０２１年４月１日出願の米国仮出願番号６３／１６９６６９の優先権の利益を主張するものであり、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

分野
本開示は、一般に炭化タングステン粒子に関し、より詳細には、テクスチャ加工された球状炭化タングステン、それから形成された複合材、およびその複合材を適用する方法に関する。

関連技術の説明
金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）は、金属マトリックス内に埋め込まれた粒子を含む複合材料を指す。ＭＭＣは、一般に、粉末よりも低い融解温度を有する単一の金属またはより一般的には合金を浸潤させた高融解温度金属粉末を含む。ＭＭＣは、採掘機器を含む様々な用途に使用されている。ＭＭＣの物理的特性は、構成材料とその製造プロセスによって設計することができる。

一態様では、合金が記載される。いくつかの態様では、合金は、５．６～１０．４重量パーセント（重量％）のマンガン（Ｍｎ）、３．５～６．５重量％のニッケル（Ｎｉ）、１．４～４重量％のスズ（Ｓｎ）、および５５重量％を超えて合金の残部までの銅（Ｃｕ）を含んでおり、合金は、Ｃｕの融解温度よりも低い固相線温度を有する。いくつかの実施形態では、合金は１３００Ｋより低い固相線温度を有する。

いくつかの実施形態では、合金は、固相線温度から少なくとも固相線温度より４００Ｋ低い温度まで、面心立方（ＦＣＣ）結晶構造を有する単相固溶体を形成する。いくつかの実施形態では、合金の９０重量％超が、室温で面心立方（ＦＣＣ）結晶構造を有する単相固溶体である。いくつかの実施形態では、合金は２重量％までの不純物をさらに含む。いくつかの実施形態では、元素組成は、Ｓｉ、ＢおよびＺｎのうちの１つ以上を含まない。

いくつかの態様では、本明細書に記載の技術は合金に関し、合金は、２．５ＭＳ／ｍより高い電気伝導率を有する。いくつかの実施形態では、合金は、１０Ｗ／ｍＫより高い熱伝導率を有する。

いくつかの実施形態では、合金は、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料のマトリックスを形成し、ＭＭＣ材料は、炭化タングステン粒子をさらに含む。いくつかの実施形態では、合金は金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料のマトリックスを形成し、ＭＭＣ材料はドリル部品の一部を形成する。いくつかの実施形態では、合金は、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料のマトリックスを形成し、ＭＭＣ材料は、４，０００ｉｎ＊ｌｂｆ／ｉｎ^３より大きい靭性を有する。

いくつかの態様では、本明細書に記載の技術は合金に関し、合金は金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料を形成するための原料の一部であり、原料は炭化タングステン粒子をさらに含む。

別の態様では、銅系マトリックスに埋め込まれた強化粒子を含む金属マトリックス複合材料が記載されており、銅系マトリックスは、５５重量％を超える銅（Ｃｕ）および１．４重量％を超えるスズ（Ｓｎ）を含む。

いくつかの実施形態では、銅系マトリックスは、１．４～２．６重量％のスズ（Ｓｎ）、５．６～１０．４重量％のマンガン（Ｍｎ）、および３．５～６．５重量％のニッケル（Ｎｉ）を含み、銅系マトリックスはＣｕよりも低い固相線温度を有する。いくつかの実施形態では、銅系マトリックスの固相線温度は１３００Ｋより低い。

いくつかの実施形態では、銅系マトリックスは、固相線温度から少なくとも固相線温度より４００Ｋ低い温度まで、面心立方（ＦＣＣ）結晶構造を有する単相固溶体を形成する。いくつかの実施形態では、銅系マトリックスの９０重量％超が、室温で面心立方（ＦＣＣ）結晶構造を有する単相固溶体である。いくつかの実施形態では、銅系マトリックスは２重量％以下の不純物を含む。

いくつかの実施形態では、銅系マトリックスは、Ｓｉ、ＢおよびＺｎのうちの１つ以上を含まない。いくつかの実施形態では、銅系マトリックスは、２．５ＭＳ／ｍより高い電気伝導率を有する。いくつかの実施形態では、銅系マトリックスは、１０Ｗ／ｍＫより高い熱伝導率を有する。いくつかの実施形態では、強化粒子は炭化タングステン粒子を含む。いくつかの実施形態では、炭化タングステン粒子は、金属マトリックス複合材料の５０～７０体積％を含む。いくつかの実施形態では、炭化タングステン粒子は、１～２００μｍの平均粒子サイズを有する。

いくつかの実施形態では、炭化タングステン粒子は、長軸に沿った第１の長さと短軸に沿った第２の長さの間の比が１．２０以下である球状の形状を有する。いくつかの実施形態では、炭化タングステン粒子は、５．０％より大きい粒界面積分率を有するようにテクスチャ加工された表面を有する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材料は、１７５ｋｓｉを超える横断破断強度を有する。いくつかの実施形態では、金属マトリックス複合材料は、ドリル部品の一部を形成する。

図１は、角張った粒子を有する先行技術の金属粉末の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。

図２は、角張った粒子を使用して調製された先行技術の金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）の光学顕微鏡写真を示す。

図３は、球状または実質的に球形の粒子を使用して調製されたＭＭＣの光学顕微鏡写真を示す。

図４は、ＭＭＣを製造するための装置を示す。

図５は、ドリルビットを有する土工具（earth-engaging tool）の実施形態を示す。

図６は、いくつかのＭＭＣ実施形態の強度および信頼性の向上を示す。

図７は、従来のＭＭＣの走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）を示す。

図８～９は、実施形態によるＭＭＣの走査型電子顕微鏡写真を示す。

図１０は、図７の二値画像を示す。

図１１は、図８の二値画像を示す。

図１２は、図９の二値画像を示す。

図１３は、実施形態による、Ｃｕ系マトリックスに埋め込まれた炭化タングステン粒子を含むＭＭＣの光学顕微鏡写真を示す。

図１４は、実施形態による、Ｃｕ系マトリックスおよび炭化タングステン粒子を有するＭＭＣを試験するために調製されたサンプルの例を示す。

図１５は、実施形態による、Ｃｕ系マトリックスに埋め込まれた炭化タングステン粒子を含むＭＭＣの強度試験の実験結果を示す。

発明の詳細な説明

本明細書に開示されるのは、球状（spheroidal）または実質的に球形（spherical）の溶融炭化タングステン粒子、および炭化タングステン粒子から形成される金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）の実施形態である。ＭＭＣは、炭化タングステン粒子とともに、銅および／または銅合金からなるマトリックスを含むことができる。いくつかの実施形態では、炭化タングステン粒子およびそれから形成されるＭＭＣは、従来の角張った溶融炭化タングステン粒子およびそれから形成されるＭＭＣよりも実質的に改善された特性を有することができる。特に、本開示の実施形態は、得られる金属マトリックス複合材の耐浸食性および耐衝撃性を改善するために使用することができる。

また、本明細書には、強化粒子を持つＭＭＣの銅系マトリックスを形成するための原料合金の実施形態も開示される。銅系マトリックス、および銅系マトリックスを一体化したＭＭＣは、いずれも粒子で強化してもよい。いくつかの実施形態では、粒子は球形の炭化タングステン粒子であってもよい。いくつかの実施形態では、銅系マトリックスおよびそれから形成されるＭＭＣは、従来のマトリックスまたはそれから形成されるＭＭＣよりも実質的に改善された特性を有することができる。いくつかの実施形態では、ＭＭＣおよびそれを組み込んだ部品の熱伝導率が改善される可能性がある。

球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子は、市販の溶融炭化タングステン粉末、またはタングステン、モノ炭化タングステンおよび／または炭素の混合物から作られ得る。いくつかの実施形態では、球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子は、タングステン（Ｗ）である組成の残部と組み合わせた、３．７～４．２（または約３．７～４．２）重量％の炭素（Ｃ）の炭素組成を有することができる。溶融炭化タングステン粒子は、いくつかの方法で製造することができる。いくつかの方法では、モノ炭化タングステンと炭素粉末をブレンドしたタングステン粉末の混合物を融解する。タングステン粉末、モノ炭化タングステン、および炭素粉末の融解した混合物は、回転霧化プロセスまたは超高温融解＆霧化プロセスによって霧化される。回転霧化プロセスは、遠心力によって液体が砕かれて、融解した金属が液滴のスプレーとして飛び散るように、融解した混合物をスピンさせることまたは回転させることを含む。これらの液滴はその後、粉末粒子として凝固する。霧化プロセスは、一般的に、融解した金属の表面張力に起因する急速な凝固プロセス中に、融解した炭化タングステンを球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子に球状化する。

球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子の製造のための他の方法は、通常の溶融炭化タングステン粉末の改変に基づいてもよい。微細な球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子を得るために、プラズマ溶射、電気誘導または電気抵抗炉融解を球状化プロセス中に使用することができる。

真球度は、球状または実質的に球形の粒子のアスペクト比によって定義することができる。アスペクト比は、粒子の短軸に沿った第２の長さに対する長軸に沿った第１の長さの比、または球状または実質的に球形の粒子の最短の軸長に対する最長の軸長の比とすることができる。例えば、完全な球形の粒子は、正確に１のアスペクト比を有する。一方、角張った粒子のアスペクト比は少なくとも１．３０である。

いくつかの実施形態では、球形または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子は、≦約１．２０、≦約１．１０、≦約１．０５、またはこれらの値の任意の範囲内の値のアスペクト比を有することができる。いくつかの実施形態において、アスペクト比は、複数の溶融炭化タングステン粒子のアスペクト比の平均値を表すことができる。いくつかの実施形態では、粒子の各々は、本明細書に開示される範囲内のアスペクト比を有し得る。

球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粉末の比重は、ビッカースピラミッド数（ＨＶ）で定義される微小硬度が２，７００～３，３００ＨＶ（または約２，７００～約３，３００ＨＶ）またはその間の任意の値で、約１６．５ｇ／ｃｍ^３であり得る。理論に限定されることなく、本発明者らは、これらの高い微小硬度値が、とりわけ、本明細書に記載されるような球状化プロセスから生じる粒子形状および内部微細構造に起因する可能性があることを見出した。これと比較すると、従来のほとんど角張った溶融炭化タングステン粒子は、約１，５００～２，２００ＨＶの実質的に劣る硬度を示す。本発明者らは、球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子を含むＭＭＣは、角張った溶融炭化タングステン粒子の同様のサイズと割合を含むものよりも耐摩耗性が高いことを発見した。

図１は、角張った金属粉末の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。

図２は、角張った従来の溶融炭化タングステン粉末から金属組織学的技術を用いて調製されたＭＭＣの光学顕微鏡写真を示す。ＭＭＣは、軟質相２０２、図１に示すものと同様の粉末から形成された粒状相２０４、および粒状－軟質相界面２０６を含む。軟質相２０２は、最初に融解され、その後冷却されるマトリックス材料によって形成することができる。したがって、従来のＭＭＣは２つの主要な相を含む。軟質相２０２は、粒状相２０４の液体金属浸潤によって形成される。

粒状相２０４は、金属炭化物、ホウ化物または酸化物を含むことができる。例えば、粒状相２０４は、モノ炭化タングステン、溶融炭化タングステンまたは超硬炭化タングステンを含む炭化タングステンを含むことができる。典型的には、炭化タングステン粒子は、図１に示すように、角張っている。軟質相２０２と粒状相２０４の間には界面２０６がある。本発明者らは、３つの相２０２、２０４、および２０６のすべてが、ＭＭＣの強度および摩耗特性に寄与し得ることを発見した。

図３は、球状または実質的に球形の炭化物粒子を使用して調製された金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）３００の光学顕微鏡写真を示す。図示されるように、ＭＭＣ３００は、球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子３０２および軟質相３０４を含み、これらが組み合わされて金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）３００を形成している。ＭＭＣ３００はさらに、球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン－軟質相界面３０６を含む。

界面３０６は、炭化タングステン粒子３０２と軟質相３０４の間に形成される金属結合または冶金学的結合を含む。本明細書に開示される冶金学的結合は、拡散原子および／または原子相互作用を含んでもよく、粒子３０２の原子と軟質相３０４の原子の間に形成される化学結合を含んでもよいことが理解されるべきである。冶金学的結合は、単なる機械的結合を超えるものである。このような条件下では、構成部品は金属結合材料に対して、および金属結合材料によって湿潤されてもよい。湿潤とは、液体と固体表面とが一緒になったときに、分子間相互作用によって生じる固体表面との接触を維持する液体の能力のことである。

ＭＭＣに組み込まれる前に、球状または実質的に球形の炭化タングステン粒子を含む粉末混合物が形成される。球状または実質的に球形から形成されたＭＭＣは球形ＭＭＣと呼ばれることがあり、一方、角張った粉末から形成された従来のＭＭＣは角張ったＭＭＣと呼ばれることがある。

いくつかの実施形態では、液体金属浸潤経路を使用してＭＭＣを形成することができる。液体金属浸潤は、圧縮された粉末材料が液体金属（例えば、結合材料）内に浸漬されるか、または液体金属（例えば、結合材料）と接触するプロセスである。液体金属は圧縮された粉末材料の細孔を満たし、圧縮された粉末材料の表面エネルギーによって引き起こされるプロセスである。例えば、金属結合材料は、銅、クロム、スズ、銀、コバルトニッケル、カドミウム、マンガン、亜鉛および／またはコバルト、またはそれらの合金を含む、任意の適切なろう付け金属であってもよい。金属結合材料は、炭化タングステン粉末を通して液体キャストし、凝固させてＭＭＣを形成することができる。

具体的には、図４を参照して、成分を含む粉末の液体金属浸潤について説明する。ドリルビット５００の所望の形状のネガを反映するグラファイトモールドアセンブリ４１２、４１４が製造される。球状または実質的に球形の粒子を含む粉末４０８が、モールドアセンブリ４１２、４１４に注がれ、圧縮される。その後、結合剤４０６、例えば銅または銅合金、および鋼部品４０４を加えてもよい。構成されたモールドアセンブリ４１２、４１４は、少なくとも結合剤４０６を融解するために加熱される。鋳型４１２、４１４内には、得られる鋳物内にＭＭＣを含まない領域を画定する砂部品４０２がある。融解すると、結合剤４０６が粉末４０８に浸潤し、鋼部品４０４との結合を形成する。冷却すると、凝固した構造体には、強度と摩耗を考慮して有利に配置された複数の複合材が含まれる。

いくつかの実施形態では、結合剤は銅であってもよい。いくつかの実施形態では、結合剤は銅系合金であってもよい。いくつかの実施形態では、結合剤４０６として四元材料系を使用してもよい。いくつかの実施形態では、結合材料は、銅（４７～５８重量％または約４７～約５８）、マンガン（２３～２５重量％または約２３～約２５重量％）、ニッケル（１４～１６重量％または約１４～約１６重量％）および亜鉛（７～９重量％または約７～約９重量％）を含む四元系であり得る。

ドリルビット
本発明者らは、本開示のいくつかの実施形態による炭化タングステン粒子および炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣが、ドリルなどの採掘機器に適用するのに特に有用であり得ることを発見した。しかしながら、実施形態はそのように限定されず、炭化タングステン粒子およびそれから形成されたＭＭＣは、耐摩耗性材料が採用される他の様々な用途に使用することができることが理解されるであろう。

土合ドリルビットは、採鉱、石油およびガス産業を含む産業において、鉱物および炭化水素資源の探査および回収のために広く使用されている。土合ドリルビットの例には、多結晶ダイヤモンドコンパクト（ＰＤＣ）ビットが含まれる。

ドリルビットは、地中の金属や岩石の層、あるいは金属製ケーシングチューブと擦れると摩耗する。この摩耗は、ドリルビットの機能喪失や破損につながる可能性がある。掘削中、冷却および潤滑用の掘削流体は、高い液圧エネルギーを用いてドリルビット内を循環する。掘削流体には、研磨粒子、例えば砂が含まれていることがあり、この研磨粒子が高い液圧エネルギーによって押し出されると、ドリルビットの面やその他の場所の摩耗を悪化させる可能性がある。

ドリルビットは、焼入れ鋼および焼戻し鋼と、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）の少なくとも一方からなる本体を有してもよい。鋼製ドリルビット本体は延性が高く、製造がより容易になる場合がある。鋼製ドリルビット本体は、鋳造および鍛造製造技術を用いて製造してもよく、その例には、鍛造または圧延棒鋼技術が含まれるが、これらに限定されない。熱処理後の鋼の特性は一貫しており、再現性がある。鋼で作られたドリルビットの破砕はまれであるが、摩耗した鋼製ドリルビット本体は、作業者にとって修理が困難な場合がある。

ＭＭＣ製ドリルビット本体は、鋼製ドリルビット本体よりも摩耗が遅い場合がある。しかしながら、従来のＭＭＣ製ドリルビット本体は、鋳造および／または加工および／または使用中に、熱的および機械的衝撃によって、より頻繁に破砕する。破砕により、ドリルビット内の外観上または構造上の欠陥のために、ドリルビットは早期に使用できなくなる可能性がある。あるいは、従来のＭＭＣ製ドリルビット本体は、切削構造の一部を失って壊滅的に破損する可能性があり、その結果、掘削性能が最適でなくなり、ドリルビットが早期に回収されることがある。

多くの場合、破砕するのはドリルビットのウイングまたはブレードである。ウイングやブレードの破損は、ドリルビット製造業者にとって経済的損害である。例えば坑井やボアホールなどの掘削穴から、摩耗または破損したドリルビットを回収することは望ましくない。ドリルビットを回収し、交換用のドリルビットを掘削穴に導入するために必要な非生産的な時間には、数百万ドルのコストがかかる可能性がある。耐摩耗性が向上し、破損率が低下したドリルビットやその他の土工具は、時間と費用を大幅に節約できる可能性がある。したがって、掘削中の破砕を低減または防止するために、ドリルビット用の超高強度ＭＭＣを開発することが望ましい。

ＭＭＣのサンプルの強度は、横断破断強度（ＴＲＳ）試験を用いて決定することができる。ＴＲＳ試験では、２点間で支持された立方体状または円筒状のＭＭＣサンプルに対して中心に荷重をかける。破断強度は、ＭＭＣが支持することができる最大重量である。複数のサンプルを試験して、ＭＭＣを記述するのに使用できる平均強度と標準偏差を導き出してもよい。ＭＭＣのＴＲＳの信頼性解析は、様々な応力下での破壊確率などの追加情報を提供することができる。

ＭＭＣ製ドリルビットは一般に、鋼製ビットよりも浸食に対して優れた性能を発揮できるが、依然として作動流体中の粒子の急速な減速に遭遇し、その結果、材料が浸食されて除去されることがある。掘削中、高速の掘削泥がノズルから出てビットを冷却し、有害物質が排出される。掘削泥には、ベントナイト、粘土、界面活性剤などの物質が含まれ、さらに、岩石材料に由来する硬くて角張った鉱物も含まれている。ＰＤＣビットと掘削泥の接触により、ドリルビットの一部が浸食される可能性がある。本明細書に開示されるＭＭＣは、掘削中のドリルビットの信頼性と性能を改善するため、超高強度を伴う高い耐浸食性を有する。

図５は、ＭＭＣ図３００からなるビット本体５０２を備えるドリルビット５００の形態の土工具の実施形態の斜視図を示す。ビット本体５０２の一部または全部は、ＭＭＣ３００の実施形態から形成され得る。いくつかの実施形態では、ビット本体５０２の大部分は、ＭＭＣ３００の実施形態から形成される。さらに、工具は、例えば作動流体用のノズルポート５１６と、多結晶ダイヤモンドコンパクト（ＰＤＣ）カッターなどの切削要素５０８を支持する面５１０と、ドリルビット５００の面から流体中の切削屑を運び去るためのジャンクスロット５０６とを含むことができる。

なお、工具の他の実施形態は、記載された構造的特徴の一部または全部を有していなくてもよく、あるいは他の構造的特徴を有してもよいことが理解されるべきである。ビット本体５０２は、半径方向に突出し、長手方向に延びるウイングまたはブレード５０４の形態の突出部を有することができ、これらの突出部は、ドリルビット５００の面５１０のチャネルおよびドリルビット５００の側面のジャンクスロット５０６によって分離される。複数の超硬炭化タングステンまたはＰＤＣ切削要素５０８は、ビット本体５０２の面５１０上に延在するブレード５０４の前面のポケット内にろう付けされ得る。ＰＤＣ切削要素５０８は、例えば、ビット本体５０２と一体的に形成され得るバットレス５１２によって背後から支持されてもよい。

ドリルビット５００は、ドリルビット５００をドリルストリング（図示せず）に取り付けるための米国石油協会（ＡＰＩ）ねじ接続部の形態のシャンク５１４をさらに含んでもよい。さらに、長手方向の縦穴（図示せず）は、ビット本体５０２の少なくとも一部を通って長手方向に延びることができ、内部流体通路（図示せず）は、長手方向の縦穴と、ビット本体５１２の面５１０に設けられ、ドリル面から掘削流体および切削屑を除去するためのジャンクスロット５０６に通じるチャネル上に開口するノズル５１６の間の流体連通を提供してもよい。

地層切削中、ドリルビット５００は穴の底に位置付けられ、ビットに荷重がかかっている状態で回転する。掘削流体（例えば、ドリルビット５００が取り付けられたドリルストリングによって供給される掘削泥）は、ボア、内部流体通路、およびノズル５１６を通って、ビット本体５０２の面５１０およびＰＤＣ切削要素５０８に圧送される。ドリルビット５０８が回転すると、ＰＤＣ切削要素５０８が地層を削り、せん断する。地層の切削屑は掘削泥と混合し、その中に浮遊し、ジャンクスロット５０６を通り、穴の壁（例えば、坑井またはボアホールの形態）とドリルストリングの外面の間の環状空間を通って地層の表面まで上昇する。

物理的特性
ＭＭＣのサンプルの強度は、ＴＲＳ試験を用いて決定することができるが、ＴＲＳの結果を分析するために平均化や他の統計的方法を使用することも重要である。数値が十分に分析されていない場合、ＴＲＳデータは以下のような可能性がある。
１．破損の可能性を示さない、
２．特定の応力値における破損確率にアクセスしない、および／または
３．粉末組成およびその粉末で作られたＭＭＣの変更や改善、特に応力と信頼性との関係が測定できない。

土工具および他の工具で使用されるＭＭＣのサンプルの母集団における強度分布は、ワイブル統計を使用して決定してもよく、ワイブル統計は、所定の印加応力において破損の可能性の計算を確立できるようにする確率論的アプローチである。開示されたＭＭＣの実施形態は、例えば、一般にワイブル分布に従うドリルビット５００などの土工具と共に使用することができる。

ワイブル強度分布は、次の数式で記述される。

式中の変数は次の通りである。Ｆは、サンプルの破損確率である。σは、印加応力である。σ_ｕは、破損を引き起こすために必要な応力の下限であり、多くの場合ゼロと仮定される。σ_０は、特性強度である。ｍは、ワイブル係数であり、材料の強度のばらつきの尺度である。Ｖは、試料の体積である。

上記の式は、通常σ_ｕがゼロであると仮定して、σの対数とｍの計算に使用される勾配に対する（１／（１－Ｆ）））の両対数プロットに並べ替えて示される。

図６は、図２に示したものと同様の、主に角張った粒子を含む同じタイプの角張ったＭＭＣ６０２と、図３に示したものと同様の、主に球状または実質的に球形の粒子６０４を含むＭＭＣとの複数のサンプルに関する経験的強度データのワイブルプロットを示す。図６に示されるＭＭＣは、テクスチャ加工された球状または実質的に球形の炭化タングステンと、公知の銅合金であるＣｕ５３銅結合剤とから構成される。最も左側のｙ軸の値は破損確率の関数を示し、最も右側のｙ軸の値は破損確率のパーセンテージを示している。ｘ軸の値は、ＴＲＳ試験中の破損時の印加応力の関数を示している。角張ったＭＭＣ６０２のサンプルと球形ＭＭＣ６０４のサンプルに関する経験的強度データは、ワイブル分布に従っている。それぞれの直線の傾きは、それぞれのワイブル係数を定義している。角張ったＭＭＣ６０２のワイブル係数は１３．７６、球形ＭＭＣ６０４のワイブル係数は２７．９４である。ワイブル係数は、材料強度のばらつきの１つの尺度である。例えば、ワイブル係数が４の場合、強度に３０％のばらつき（１σ標準偏差）がある。

いくつかの実施形態では、球形ＭＭＣ６０４は、≧１５（または約１５）、≧２０（または約２０）、≧２５（または約２５）またはそれより大きい、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値であるワイブル係数を有する。

ワイブルプロットは、所定の破損率に対するドリルビット本体のブレードの高さおよび幅を設計するために使用することができ、特に、所定の破損率に対してドリルビット本体のブレードをどの程度薄くおよび高くすることができるかを決定することができる。背が高く薄いブレードは、背が低く幅の広いブレードよりも早く地層を除去することができる可能性がある。しかしながら、背が高く薄いブレードは、許容できない破損確率を持つ可能性がある。あるいは、角張ったＭＭＣ６０４を含むドリルビットの信頼性を、球形ＭＭＣ６０２を含む別の同一構成のドリルビットの信頼性と比較することができる。

１０，０００分の１の破損確率への線形外挿は、角張ったＭＭＣ６０２については約６０ｋｓｉ（キロポンド／平方インチ）、非球形ＭＭＣ６０４については１８８ｋｓｉの印加応力に相当する。いくつかの実施形態では、球形ＭＭＣ６０４の１０，０００分の１の破損確率への線形外挿は、８０（または約８０）ｋｓｉ以上、１００（または約１００）ｋｓｉ以上、１２０（または約１２０）ｋｓｉ以上、１４０（または約１４０）ｋｓｉ以上、１６０（または約１６０）ｋｓｉ以上、１８０（または約１８０）ｋｓｉ以上、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値に相当する。

微細構造
本発明者らは、新規な球状または実質的に球形の溶融炭化タングステンが、テクスチャ加工された表面を有することを発見した。本発明者らはこのテクスチャが、図３に示すように、軟質相３０４と球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子３０２の間の界面３０６において利用可能な表面積を増大させ得ることをさらに発見した。

ＭＭＣ系の強度は、銅結合剤の強度、炭化タングステン粒子の強度、および／または、銅結合剤と組み込まれた炭化タングステン粒子との結合強度の３つの異なる成分のうちの１つ以上と関連付けることができる。そのため、炭化タングステン粒子と銅がうまく結合しないと、ＭＭＣが高い応力を受けたときに破損が起こり得る。表面積のより大きな炭化物粒子を持つことで、合金は炭化物粒子と結合する面積が増え、これにより界面強度が向上する。

図７は、従来のＭＭＣにおけるタングステン粒子の表面形態を示す。図示されるように、微細構造は、従来の溶融炭化タングステン粒子のサッカーボール状の地形的特徴を有する。表面は比較的平滑であるため、ＭＭＣ内に組み込まれた場合、表面積が小さく、界面強度が比較的低くなる。

図８は、ＭＭＣ中の球状または実質的に球形のタングステン粒子の表面形態を示す。微細構造は、球状または実質的に球形の溶融炭化タングステンの針状の地形的特徴（例えば、テクスチャリング）を含む。表面は大部分が細かい粒子の構造でテクスチャ化されており、ＭＭＣ内に組み込まれた場合に表面積が大きく優れた界面強度が得られる。

図９は、ＭＭＣ中の球状または実質的に球形のタングステン粒子の表面形態を示す。微細構造は、球状または実質的に球形の溶融炭化タングステンの密な針状の地形的特徴を含む。表面は、大部分がより細かい粒子の構造でテクスチャ化されており、ＭＭＣ内に組み込まれた場合にさらに表面積が大きく卓越した界面強度をもたらす。

球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子をその表面特徴によって定量化するために、光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像の固定視野における表面積のうち、粒界に起因する面積の割合を分析する。粒界の面積分率とは、例えば炭化タングステン粒子の表面などのサンプルの表面の画像、例えば光学またはＳＥＭ画像において、粒界に起因する可能性がある面積を指す。粒界の面積分率は、画像、例えば図１０～１２に示すような高コントラスト画像または二値画像を用いて定量化することができる。例えば、画像化されたフィールド内のピクセルの総数に占める暗いピクセルの数が、粒界の面積分率に対応し得る。本発明者らは、炭化タングステン粒子の従来のサッカーボール状の表面形態は、炭化タングステン粒子の表面上の粒界の面積分率が比較的低く、例えば５％未満であることを発見した。球状ＭＭＣの炭化タングステン粒子の針状の表面形態は、炭化タングステン粒子の表面上の粒界の比較的高い面積分率、例えば１０％（または約１０％）超をもたらす。例えば、従来のＭＭＣを示す図７のＭＭＣの二値画像である図１０の粒界の面積分率は、３．６％である。一方、球状または実質的に球形の炭化タングステンから作られたＭＭＣを示す図８のＭＭＣの二値画像である図１１における粒界の面積分率は、１４．２％である。図１２は、図９の二値画像であり、球状または実質的に球形の炭化タングステンから作られたＭＭＣを示し、ここでは、粒界の面積分率は２０．１％である。粒界の面積分率が高いほど、全体的により均一でより細かい粒子が得られる可能性がある。

本発明者らは、炭化タングステン粒子の球状の形状と、形成されたＭＭＣの針状の表面形態との組み合わせが、炭化タングステン粒子の比較的高い表面積を生じさせ、これが比較的高い粒界面積分率を生じさせる可能性があることを発見した。高い粒界面積分率は、炭化タングステン粒子と金属マトリックスの間に形成される高強度界面の量に比例する可能性がある。多量の高強度界面は、高いＴＲＳ値や耐浸食性の向上など、ＭＭＣの機械的特性およびトライボロジー特性の向上をもたらし得る。

針状トポグラフィは、炭化タングステン粒子の表面に沿って延びる針状構造を含む。針状構造は、例えば０．５、１、２、３、４、５μｍ、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値を超える長さを有する一方、２、１、０．５、０．２、０．１μｍ、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値未満の幅を有する、少なくとも一部の長さ部分を有する。針状構造は、針状構造の最も短い幅に対する最も長い長さの比が２、５、１０、２０、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値を超えるものであってもよい。

本開示のいくつかの実施形態では、球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子は、５．０％（または約５．０％）以上、１０．０％（または約１０．０％）以上、１２．０％（または約１２．０％）以上、１２．０％（または約１２．０％）以上、２０．０％（または約２０．０％）以上、またはこれらの値によって定義される範囲の値である粒界面積分率を有する。

粒子表面の粒界分布の均質性も特徴付けられた。図１０～１２の各微細構造画像は９等分された。各分離部における粒界面積分率を個別に測定した。次に、９等分した部分の粒界面積分率のばらつきを計算した。ばらつきの値が小さいほど、粒界の分布が均一であることを意味する。このようにばらつきが小さいほど、ＭＭＣの強度を向上させることができる。例えば、図１０のばらつきは３．８％と測定され、これは図１１で測定された値９．４％よりも低く、図１０と比較して図１１では粒界の分布がより均一であることを示している。

図１０は、図７の二値画像を示す図である。図１１は、図８の二値画像を示し、これは、１４．２％の分析された面積分率、９．４％の９分割時のばらつきを含む。図１２は、図９の二値画像を示し、これは、２０．１％の分析された面積分率、３．８％の９分割時のばらつきを含む。

物理的特性
いくつかの実施形態では、球状または実質的に球形の溶融タングステン粒子のサイズは、１～２００μｍの間であってもよい。球状または実質的に球形の溶融タングステン粒子のサイズの変動は、最終的な浸潤ＭＭＣのＴＲＳの変化をもたらす可能性がある。

粉末粒度分布は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれるＡＳＴＭ Ｂ８２２に従ってＭｉｃｒｏＴｒａｃにより測定および決定される。粉末粒度分布は、以下の値によって定義される。
－Ｄ１０または１０パーセンタイル粒子径（μｍ）
－Ｄ５０または平均粒子径（μｍ）
－Ｄ９０または９０パーセンタイル粒子径（μｍ）

本発明者らは、炭化タングステン粒子のＤ５０を調整して目標ＴＲＳ値を達成できることを発見した。いくつかの実施形態では、１μｍと１０μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子から形成されるＭＭＣは、３６０ｋｓｉ（または約３６０ｋｓｉ）以上、５３０ｋｓｉ（または約５３０ｋｓｉ）以上、７００ｋｓｉ（または約７００ｋｓｉ）以上、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値であるＴＲＳを有する。

いくつかの実施形態では、１１μｍと２０μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、２８０ｋｓｉ（または約２８０ｋｓｉ）以上、３６５ｋｓｉ（または約３６５ｋｓｉ）以上、４５０ｋｓｉ（または約４５０ｋｓｉ）以上、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値であるＴＲＳを有する。

いくつかの実施形態では、２１μｍと４０μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、２３０ｋｓｉ（または約２３０ｋｓｉ）以上、２６０ｋｓｉ（または約ｋｓｉ）以上、２９０ｋｓｉ（または約２９０ｋｓｉ）以上、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値であるＴＲＳを有する。

一実施形態では、４１μｍと６０μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、１８０ｋｓｉ以上、２００ｋｓｉ以上、２２０ｋｓｉ以上、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値であるＴＲＳを有する。

いくつかの実施形態では、６１μｍと８０μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、１６０ｋｓｉ（または約１６０ｋｓｉ）以上、１７０ｋｓｉ（または約１７０ｋｓｉ）以上、１８０ｋｓｉ（または１８０ｋｓｉ）以上、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値であるＴＲＳを有する。

いくつかの実施形態では、８１μｍと１００μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、１４０ｋｓｉ（または約１４０ｋｓｉ）以上、１５０ｋｓｉ（または約１５０ｋｓｉ）以上、１６０ｋｓｉ（または約１６０ｋｓｉ）以上、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値であるＴＲＳを有する。

いくつかの実施形態では、１０１μｍと２００μｍの間の平均粒子サイズ（Ｄ５０）を有する球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子から形成されたＭＭＣは、１００ｋｓｉ（または約１００ｋｓｉ）以上、１２０ｋｓｉ（または約１２０ｋｓｉ）以上、１４０ｋｓｉ（または約１４０ｋｓｉ）以上、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値であるＴＲＳを有する。

実験室内の試験により、角張ったＭＭＣおよび球形ＭＭＣの耐摩耗性および耐浸食性を測定して、互いに比較することができた。

改変した高圧アブレシブウォータージェット切断機を使用して、実際の掘削条件をシミュレートする浸食試験を実施した。ウォータージェットに対して０°と９０°の間で調整可能な特殊なサンプルホルダーを設計し、サンプル表面とウォータージェット切断機から発生するスラリー噴流との衝突角度を調整できるようにした。ノズルとサンプルの距離は、サンプルの切断を避け、ジェットとサンプルの接触面積を大きくするため、１，０００ｍｍに選択した。浸食剤にはガーネットを用いた。ウォータージェットの圧力は５０ｋｓｉ、試験時間は１０分であった。精度１ｍｇの天秤を使用して、試験前後のクーポンの重量を測定した。

球形の溶融炭化タングステン粒子から液体浸潤法で製造されたＭＭＣサンプルを３０°の衝突角度で浸食試験し、０．０２２ｃｍ^３の体積損失だった。角張った溶融炭化タングステン粒子から作られた参照用ＭＭＣは、同じ条件で試験され、０．１７ｃｍ^３の体積損失を受けた。

いくつかの実施形態では、球形ＭＭＣは、０．１０（または約０．１０）ｃｍ^３以下、０．０８（または約０．０８）ｃｍ^３以下、０．０６（または約０．０６）ｃｍ^３以下、０．０４（または約０．０４）ｃｍ^３以下、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値である浸食体積損失を有する。

参照によりその全体が本明細書に組み込まれる標準ＡＳＴＭ ６１１高応力摩耗試験が、球形の溶融炭化タングステン粒子から製造されたＭＭＣおよび角張った溶融炭化タングステン粒子から作られた参照ＭＭＣに対して実施された。試験条件下で球形の溶融炭化タングステン粒子から製造されたＭＭＣは０．５１ｃｍ^３の体積損失を有する一方、角張った溶融炭化タングステン粒子から製造された参照ＭＭＣは同じ試験条件下で１．２８ｃｍ^３の体積損失を有した。

本開示のいくつかの実施形態では、球形ＭＭＣは、１．００（または約１．００）ｃｍ^３以下、０．８０（または約０．８０）ｃｍ^３以下、０．６０（または約０．６０）ｃｍ^３以下、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値であるＡＳＴＭ ６１１体積損失を有する。

高熱伝導性および低融解温度の原料合金、原料合金から形成された金属マトリックス、および原料合金を用いて形成されたＭＭＣ
上述したように、金属マトリックス複合材料（ＭＭＣ）はマトリックスに埋め込まれた強化粒子を含む。強化粒子とマトリックスの物理的特性は相乗的に補完し合い、単一の材料では達成困難な独自の特性を有する金属マトリックス複合材料を形成することができる。例えば、上述したように、Ｃｕ系マトリックスに埋め込まれた炭化タングステン粒子を含むＭＭＣは、単一の材料では同時に達成することが困難な高強度と高硬度の組み合わせを提供することができる。

上述したように、ＭＭＣの恩恵を受けることができる技術分野の一つは、掘削技術、例えば炭化水素燃料を抽出するための地中掘削技術である。掘削に使用される部品、例えばドリルビットは、優れた強度、硬度、耐摩耗性を示す必要がある。さらに、用途によっては、これらの特性の組み合わせが比較的過酷な条件下で要求されることもあり得る。過酷な条件には、ドリルビットの動作による摩擦に起因する高温が含まれる場合がある。一部のＭＭＣの性能レベルは、中程度の温度では十分であっても、高温では許容できない性能レベルまで低下する場合がある。したがって、Ｃｕ系マトリックスに埋め込まれた炭化タングステン粒子をベースとするＭＭＣの様々な有利な機械的特性を組み合わせると同時に、熱を効率的に放散することによって発熱条件下でも有利な特性を維持するように設計されたＭＭＣが必要とされている。

したがって、球状または実質的に球形の溶融炭化タングステン粒子から作られたＭＭＣは、そこから作製される部品の耐熱衝撃性を向上させる。いくつかの実施形態では、掘削を含む様々な用途のために、高い熱伝導率を有するＭＭＣのマトリックスを形成するように構成された合金、例えば原料合金が製造される。原料合金を使用して形成されたＭＭＣは、ＭＭＣの耐熱衝撃性を大幅に改善することに加えて、上述したような様々な有利な性能基準を維持することができる。熱衝撃の低減は、ひいては破砕による破損を減少させることができる。掘削用途では、作業中にドリルビット本体が破砕する傾向を低減することで、生産性を大幅に向上させ、その交換または修理に関連するコストを削減することができる。

ＭＭＣの相乗的なマトリックスとして機能するためには、高い熱伝導率を有することに加えて、マトリックスを形成するための原料合金は、強化粒子との適合性があり、うまく一体化する必要があることが理解されるべきである。これは、上述したように、ＭＭＣを作製するためのプロセスの１つが、強化粒子によって形成された細孔のネットワークの浸潤を含むためである。効果的な浸潤剤として機能するために、マトリックスを形成するための合金は、強化粒子の融解温度よりも低い融解温度を有することができる。合金は、融解したときに、高い流動性を有し、浸潤プロセスを促進するための表面張力および毛管力を提供する必要がある。液体状態において、合金は強化粒子の表面と小さい接触角度を形成すべきである。さらに、合金と強化粒子の間の化学反応は、原料合金に対するマトリックスの組成を変化させることによって浸潤プロセスを阻害するとともに、得られるＭＭＣの性能に有害な影響を与える可能性があることから、比較的低いレベルに保たれるべきである。

これらおよび他のニーズに対処するために、ＭＭＣのマトリックスを形成するための原料合金は、銅（Ｃｕ）を主要な元素として含む元素組成を含む。炭化タングステン粒子のような一部の強化粒子は、比較的低い熱伝導率を有し、ＭＭＣの熱伝導率は、比較的高い熱伝導率を有するマトリックスの熱伝導率によって制限される場合がある。さらに、ドリルビットの場合、炭化タングステン含有量が増加すると、マトリックスの体積分率が低下するため、それに比例してＭＭＣの熱伝導率が低下する。強化粒子含有量の増加に伴うＭＭＣの熱伝導率の低下は、比較的高い銅含有量を組み込むことによって相殺することができる。しかしながら、炭化タングステン粒子の中には、ＭＭＣよりも高い熱伝導率を持つものもある。それにもかかわらず、いくつかの比較的孤立した強化粒子とは異なり、マトリックスは熱が移動することができる相互接続ネットワークを形成することができるため、および／またはマトリックスは最終的なＭＭＣの熱質量分率のかなりの部分を構成するため、マトリックスの高い熱伝導率が望ましい。

様々な実施形態によれば、ＭＭＣのマトリックスを形成するための原料合金は、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５重量パーセント（重量％）を超える銅（Ｃｕ）濃度、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値を含む元素組成を含む。高いＣｕ含有量は、他の利点の中でも特に熱伝導率の向上をもたらすことができる。

元素銅は最も高い熱伝導率の１つを提供する可能性があり、ＭＭＣの作製やその結果としての機械的特性に関連する、１つ以上の他の望ましい特性を提供しない可能性がある。ＭＭＣのマトリックスの強度、硬度および耐摩耗性を含むマトリックスの様々な機械的特性を向上させ、ひいては得られるＭＭＣの対応する機械的特性を向上させ、さらにマトリックスを液体状態で形成するための上述の浸潤特性を向上させるために、本発明者らは、マトリックスを形成するための原料合金を形成するために、Ｃｕと合金化するための合金元素の組み合わせを発見した。様々な実施形態によれば、上述の比較的高いＣｕ含有量に加えて、マトリックスを形成するための原料合金の元素組成は、１．４重量％を超える濃度のスズ（Ｓｎ）、３．５重量％を超える濃度のニッケル（Ｎｉ）、および５．６重量％を超える濃度のマンガン（Ｍｎ）を含む。上述の高いＣｕ含有量を維持するために、実施形態によれば、Ｓｎ、ＮｉおよびＭｎの合計濃度は、２０重量％未満、３０重量％未満、４０重量％未満、４５重量％未満、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値である。

いくつかの実施形態では、ＭＭＣのマトリックスを形成するための原料合金の元素組成は、１．４、１．６、１．７、１．８、１．９、２．０、２．１、２．２、２．３、２．４、２．６、２．８、３．０、３．２、３．４、３．６、３．８、４．０重量％を超える濃度、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲内の濃度のＳｎを含む。いくつかの実施形態では、元素組成は、１．４～４重量％、１．７～２．３重量％、または約２．０重量％のＳｎを含んでもよい。いくつかの実施形態では、原料合金の元素組成は、５．６、６．４、６．８、７．２、７，６、８．０、８．４、８．８、９．２、９．６、１０．４重量％を超える濃度、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲内の濃度のＭｎをさらに含む。いくつかの実施形態では、元素組成は、５．６～１０．４重量％、６．８～９．２重量％、または約８．０重量％のＭｎを含む。いくつかの実施形態では、原料合金の組成は、３．５、４．０、４．３、４．５、４．７、５．０、５．３、５．５、５．８、６．０、６．５重量％を超える濃度、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の濃度のＮｉをさらに含む。いくつかの実施形態では、元素組成は、３．５～６．５重量％、４．３～５．８重量％、または約５．０重量％のＮｉを含む。

いくつかの実施形態では、原料合金の元素組成は、１０重量％未満、５重量％未満、２重量％未満、１重量％未満、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値の合計濃度で、不可避の不純物を含むことができる追加元素を含んでもよい。いくつかの実施形態では、Ｃｕは、追加元素または不純物元素に加えて、元素組成の残部として存在してもよい。

有利なことに、原料のＣｕ濃度が比較的高いため、高い熱伝導率および／または電気伝導率が得られる。高い熱伝導率は、許容の電気伝導率を測定することによって間接的に測定できることが理解されるであろう。いくつかの実施形態において、原料は、２．０メガシーメンス（ＭＳ）／メートル（ｍ）、２．５ＭＳ／ｍ、３．０ＭＳ／ｍ、３．５ＭＳ／ｍ、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値よりも大きい電気伝導率を有する。いかなる理論にも束縛されることなく、原料は、例えば、ウィーデマン・フランツの法則によって電気伝導率に関連する値を有し得る熱伝導率を有する可能性がある。ウィーデマン・フランツの法則は、電気伝導率に対する熱伝導率の電子的寄与の比が温度に比例することを述べている。実施形態によれば、原料は、１０Ｗ／ｍＫ、１１Ｗ／ｍＫ、１２Ｗ／ｍＫ、１３Ｗ／ｍＫ、１４Ｗ／ｍＫ、１５Ｗ／ｍＫ、１６Ｗ／ｍＫ、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値よりも大きい熱伝導率を有する可能性がある。

開示された量で存在する場合、Ｃｕ、Ｓｎ、ＭｎおよびＮｉの組み合わせは、ＭＭＣのマトリックスの供給源として比較的純粋な元素Ｃｕよりも様々な利点を提供することができる原料合金を形成する。この利点には、融解温度が低いこと、炭化タングステンとの接触角度が小さいこと、および／または炭化タングステンとの反応性が低いことのうちの１つ以上が含まれる場合がある。元素の組み合わせは、さらに、より高い強度、より高い耐摩耗性、および／またはより高い硬度のうちの１つ以上を含む、ＭＭＣのマトリックスの供給源としての比較的純粋な元素のＣｕを上回る利点を提供することができる。

いくつかの実施形態では、原料合金の元素組成がＳｉ、Ｂおよび／またはＺｎの１つ以上を含まない場合、または存在する場合には、Ｓｉ、Ｂおよび／またはＺｎが、１０重量％、５重量％、２重量％、１重量％、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値よりも小さい合計濃度で存在する場合、原料合金中の元素の組み合わせは、元素Ｃｕを上回る更なる利点を提供することができる。

様々な実施形態において、ＭＭＣのマトリックスを形成するための原料合金は、合金組成を有する液体から、例えば、構成元素の各々を融解するのに十分な温度で構成元素を融解することによって凝固した予備形成合金である。元素粉末の混合物とは対照的に、原料を予備形成合金の形態にすることで、ＭＭＣをより低い温度で効率的に形成することができるように、原料合金の融解温度を低下させることができるという様々な利点を提供することができる。原料の融解温度が低いと、異なる化学組成の原料を、上述したものを含む既存のＭＭＣ製造方法に適合させることができる。いくつかの既存の製造方法の温度制約により、１３００Ｋを超える融解温度を有するＭＭＣのマトリックスを形成するための原料は、製造用の強化粒子をＭＭＣのマトリックスに浸潤させるために完全に融解することが困難な場合がある。したがって、本発明者らは、それぞれ１０８３℃（１３５６Ｋ）、１２４４℃（１５１７Ｋ）、１４５３℃（１７２６Ｋ）であるＣｕ、ＭｎおよびＮｉの融解温度に基づいて、これらの元素を含む原料が、これらの個々の元素のそれぞれよりも低い融解温度を有する合金形態であることが有利であることを見出した。したがって、実施形態によれば、合金の形態の原料は、合金が実質的に純粋なＣｕの融解温度よりも低い固相線温度を有するような組成を有する。いくつかの実施形態では、合金の固相線温度は、１３００Ｋ、１２７５Ｋ、１２５０Ｋ、１２２５Ｋ、１２００Ｋ、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の固相線温度よりも低い。

いくつかの実施形態では、原料合金は、単相固溶体として存在するか、または液化して固化することができる。単相固溶体の形態の合金またはマトリックスは、多相合金と比較して、様々な機械的特性および熱的特性において利点を提供することができる。いかなる理論にも束縛されることなく、単相固溶体として存在する場合、熱伝導率は、例えば、相境界で発生し得るフォノン散乱の抑制により向上し得る。相境界がないことは、転位のような境界に起因する欠陥を減少させることにより、合金の強度を向上させることもできる。

本発明者らは、単相固溶体としての合金の利用可能性の１つの尺度が、合金が単相固溶体として存在する、または熱力学的平衡条件下で存在すると予測される固相線温度より低い温度範囲であることを見出した。このような温度範囲は、単相温度範囲と呼ばれることがある。いくつかの実施形態において、本明細書に開示されるようなＣｕ、Ｓｎ、ＭｎおよびＮｉを含む合金の元素組成は、固相線温度から少なくとも固相温度より４００Ｋ低い温度まで、合金が面心立方（ＦＣＣ）結晶構造を有する単相固溶体を形成するように、４００Ｋより大きい単相温度範囲を有する。いくつかの実施形態では、合金が存在する固相線温度より低い原料合金の単相温度範囲は、３７５Ｋ、４００Ｋ、４２５Ｋ、４５０Ｋ、４７５Ｋ、またはこれらの温度のいずれかによって定義される範囲の値を超えてもよい。

ＦＣＣ結晶構造は、Ｓｎ、ＭｎおよびＮｉが置換元素および／または格子間元素として存在し得るＣｕの基本結晶構造に対応してもよい。原料合金が、本明細書に記載されるような比較的広い単相温度範囲を有する場合、原料合金は、室温で実質的に単相合金として存在するマトリックスに形成され得る。いくつかの実施形態では、室温で、８０重量％、８５重量％、９０重量％、９５重量％、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値より大きい合金および得らえるマトリックスでは、面心立方（ＦＣＣ）結晶構造を有する単相固溶体が存在する。

本明細書に記載されるような原料合金は、銅系マトリックスに埋め込まれた強化粒子からなる金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料を形成するために使用することができる。形成された銅系マトリックスは、元素組成を含め、記載されるようなマトリックスを形成するために使用される原料合金の物理的・化学的特性のいずれか、および／またはすべてを有することができる。いくつかの実施形態では、原料合金と、そこから形成されるＭＭＣ材料のマトリックスの化学組成は、実質的に同じであり得る。例えば、いくつかの実施形態では、ＭＭＣのマトリックスは、５５重量％を超える銅（Ｃｕ）および１．４重量％を超えるスズ（Ｓｎ）を含む元素組成を有する。原料合金と同様に、マトリックスの元素組成は、１．４、１．６、１．７、１．８、１．９、２．０、２．１、２．２、２．３、２．４、２．６、２．８、３．０、３．２、３．４、３．６、３．８、４．０重量％を超える濃度、またはこれらの値のいずれかで定義される範囲内の濃度を有するＳｎ、５．６、６．４、６．８、７．２、７，６、８．０、８．４、８．８、９．２、９．６、１０．４重量％を超える濃度、またはこれらの値で定義される範囲内の濃度のＭｎ、および、３．５、４．０、４．３、４．５、４．７、５．０、５．３、５．５、５．８、６．０、６．５重量％を超える濃度、またはこれらの値で定義される範囲内の濃度のＮｉを含む。

同様に、ＭＭＣのマトリックスは、上述したような固相線温度、単相温度範囲、電気伝導率、熱伝導率を含む原料合金の物理的および化学的特性のいずれかおよび／またはすべてを有することができるが、重複する詳細については簡潔にするためにここでは省略する。

様々な実施形態によれば、強化粒子は炭化タングステン粒子を含むことができる。炭化タングステン粒子は、上述した球状炭化タングステン粒子の特性のいずれかおよび／またはすべてを有することができるが、その重複する詳細については簡潔にするためにここでは省略する。例えば、いくつかの実施形態において、炭化タングステン粒子は、短軸に沿った第２の長さに対する長軸に沿った第１の長さの比が１．２０以下である球状の形状を有することができる。いくつかの実施形態では、炭化タングステン粒子は、５．０％より大きい粒界面積分率を有するようにテクスチャ加工された表面を有する。いくつかの実施形態において、炭化タングステン粒子は、１μｍと１０μｍの間、１１μｍと２０μｍの間、２１μｍと４０μｍの間、４１μｍと６０μｍの間、６１μｍと８０μｍの間、８１μｍと１００μｍの間、１０１μｍと２００μｍの間、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲のＤ５０を有することができ、ここで、寸法Ｄは、強化炭化タングステン粒子の最も長い横方向の寸法を指し、Ｄ５０は、炭化タングステン粒子の最も長い横方向の寸法の中央値を指す。

しかしながら、実施形態によるＭＭＣ材料の強化粒子はそれほど限定されず、いくつかの他の実施形態では、炭化タングステン粒子は、短軸に沿った第２の長さに対する長軸に沿った第１の長さとの比が１．２０以上である球状の形状、および／または５．０％より小さい粒界面積分率を有するようにテクスチャ加工された表面を有することができる。

いくつかの実施形態では、炭化タングステン粒子は、球状の形状および／またはテクスチャ加工された表面を有していない。図１３は、実施形態による、Ｃｕ系マトリックス１３０２に埋め込まれた炭化タングステン粒子１３０１を含むＭＭＣの光学顕微鏡写真を示す。図３に関して上述したＭＭＣの球状炭化タングステン粒子とは異なり、図２に関して上述したＭＭＣの炭化タングステン粒子と同様に、図１３に示すＭＭＣの炭化タングステン粒子１３０１は、不規則な形状を有する角張った粒子である。

様々な実施形態によれば、強化粒子、例えば炭化タングステン粒子は、Ｃｕ系マトリックスを含むＭＭＣ中に、４０体積％、５０体積％、６０体積％、７０体積％、８０体積％、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値より多く存在し、例えば５０～７０体積％存在する。

実施形態によるＭＭＣは、図４に関して上述した方法と同様の方法を用いて作製することができるが、その重複する詳細については簡潔にするためにここでは省略する。例えば、図４に戻って参照すると、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料を形成する方法は、強化粒子４０８、例えば、炭化タングステン粒子、および銅系マトリックスを形成するための原料合金４１０をモールドアセンブリ４１２、４１４内に提供する工程を含み、原料合金４１０は、５５重量パーセント（重量％）を超える銅（Ｃｕ）および１．４重量％を超えるスズ（Ｓｎ）を含む元素組成を有する。強化粒子４０８は、液化した合金４１０が強化粒子４０８によって形成された多孔質ネットワークに重力で引き込まれるように、原料合金４１０の下方に配置される。次いで、本方法は、合金４１０を融解する工程、強化粒子４０８によって形成された細孔のネットワークに液化した合金４１０を浸潤させる工程、および強化粒子４０８の表面を湿潤させる工程をさらに含む。次いで、液化した合金４１０をネットワーク内で凝固させ、銅系マトリックス中に埋め込まれた強化粒子４０８からなるＭＭＣ材料を形成する。

上述したように、原料は合金４１０の形態であるため、原料は、Ｃｕ、ＭｎおよびＮｉを含む元素金属のいくつかの融解温度よりも実質的に低い温度で液化することができる。実施形態によれば、融解は、Ｃｕ、ＭｎおよびＮｉの１つ以上の融解温度よりも低い温度、または１０８３℃（１３５６Ｋ）、１２４４℃（１５１７Ｋ）、１４５３℃（１７２６Ｋ）よりも低い温度に鋳型を加熱することを含む。例えば、融解は、鋳型を１０００～１２００℃の温度に加熱することを含む。このようにして作製されたＭＭＣは、上述したようなドリルビットなどのドリル部品の少なくとも一部を形成することができるが、その詳細については簡潔にするためにここでは省略する。

上述したように、ＭＭＣの強度の尺度である１つの機械的特性は、横断破断強度（ＴＲＳ）であるが、その測定の詳細については簡潔にするためにここでは繰り返さない。実施形態によるＭＭＣは、上述したように炭化タングステン粒子およびＣｕ系合金で作製された場合、１７５ｋｓｉ、２００ｋｓｉ、２２０ｋｓｉ、２５０ｋｓｉ、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値よりも大きいＴＲＳ値を有することができる。

本明細書に開示されるＣｕ系合金は、ＭＭＣの結合剤成分として使用した場合に、さらなる靭性を提供する。Ｃｕ系合金は、３，０００ｉｎ＊ｌｂｆ／ｉｎ^３、４，０００ｉｎ＊ｌｂｆ／ｉｎ^３、５，０００ｉｎ＊ｌｂｆ／ｉｎ^３、またはこれらの値のいずれかによって定義される範囲の値を超える靭性レベルを有することができる。

図１４は、本明細書に記載されるようなＣｕ系マトリックスおよび炭化タングステン粒子を有するＭＭＣを試験するために調製されたサンプルの例を示す。実施形態によるＭＭＣのＴＲＳを測定するために、直径０．５ｍｍ、長さ１００ｍｍの円筒状ＭＭＣサンプルを、適切な寸法のグラファイト鋳型を用いて、まず鋳型に炭化タングステン粒子を充填し、炭化タングステン粒子の上にＣｕ系原料合金の断片を配置することによって調製した。その後、鋳型を１１８０℃の炉に１時間入れてＣｕ系合金を融解させ、炭化タングステン粒子に液化したＣｕ系合金を浸潤させ、その後合金を凝固させて、図示されているような最終的なＭＭＣ円筒状サンプルを形成した。その後、円筒状サンプルを標準的な３点曲げ試験で試験し、横断破断強度を測定した。図に示すサンプルは、３２～７５ミクロン（２００メッシュと４５０メッシュ、７０ミクロンのＤ５０に相当）の上限と下限で定義される粒度分布（ＰＳＤ）を持つ球形の炭化タングステン粒子を用いて作製した。図１４に示すように調製されたＭＭＣ円筒状サンプルは、１７５～２５０ｋｓｉのＴＲＳを有することが実証された。

Ｃｕ５３合金と上記実施形態による化学物質、例えば開示されたＣｕ合金から作られた円筒状ＭＭＣサンプルを、上述したものと同様のプロセスで製造した。Ｃｕ５３合金を用いたＭＭＣサンプルの熱伝導率は１３．９６Ｗ／ｍＫであり、開示された合金を用いたドリルビットサンプルの熱伝導率は１６．７７Ｗ／ｍＫであった。開示された銅合金を使用したＭＭＣサンプルの平均ＴＲＳ強度は２４０ｋｓｉで、Ｃｕ５３合金の２２４ｋｓｉを上回った。比較実験結果を表１に示す。開示された銅合金の弾性率は３２０ＧＰａで、Ｃｕ５３合金の３４０ＧＰａより低かった。

さらに、ＴＲＳ試験により、開示された銅合金は、Ｃｕ５３製ＭＭＣと比較して、ＭＭＣサンプルにおいて改善された靭性を示すことが明らかになった。Ｃｕ５３ＭＭＣサンプルは、２，９６５ｉｎ＊ｌｂｆ／ｉｎ３の靭性を示すのに対し、開示された銅合金は、５，５１１ｉｎ＊ｌｂｆ／ｉｎ３の靭性を示す。

図１５は、本明細書に記載されるようなＣｕ系マトリックスと炭化タングステン粒子を有するＭＭＣのＴＲＳ試験結果を示す。２．８９％のスズ（Ｓｎ）、７．５６％のマンガン（Ｍｎ）、４．８８％のニッケル（Ｎｉ）、および８４．６７重量％のＣｕを含む銅系マトリックスを有する円筒状ＭＭＣサンプル（Ｘ１７Ｃ ＭＭＣサンプル）、およびＣｕ５３合金から作られた参照ＭＭＣサンプルを、図１４で上述したものと同様のプロセスによって製造した。図１５を参照すると、Ｃｕ５３ＭＭＣサンプルとＸ１７Ｃ ＭＭＣサンプルの両方でＴＲＳ試験を実施した。ＵＨＳ＋Ｘ１７Ｃサンプルは、Ｃｕ５３サンプルと比較して強度と靭性の両方の向上を示した。

追加実施例Ｉ
１． 溶融炭化タングステン粒子を含む粉末ブレンドであって、溶融炭化タングステン粒子が、
短軸に沿った第２の長さに対する長軸に沿った第１の長さの比が１．２０以下である球状の形状、および
５．０％より大きい粒界面積分率を有するようにテクスチャ加工された表面を有する、粉末ブレンド。
２． 金属タングステン粒子をさらに含む、実施例１に記載の粉末ブレンド。
３． テクスチャ加工された表面が針状トポグラフィを有する、実施例１または２に記載の粉末ブレンド。
４． 針状トポグラフィが、炭化タングステン粒子の表面に沿って細長い針状構造からなり、針状構造の少なくとも一部が１μｍを超えない幅を有する部分を有する、実施例１～３のいずれか１つに記載の粉末ブレンド。
５． マトリックス中に埋め込まれた溶融炭化タングステン粒子を含む金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）を形成するように構成されている、実施例１～４のいずれか１つに記載の粉末ブレンド。
６． マトリックスが銅または銅合金を含む、実施例５に記載の粉末ブレンド。
７． １５以上のワイブル係数を有する高強度ＭＭＣを形成するように構成されている、実施例１～６のいずれか１つに記載の粉末ブレンド。
８． ８０ｋｓｉ以上の印加応力に相当する１０，０００分の１の破損確率へのワイブルプロットの線形外挿を有する高強度ＭＭＣを形成するように構成されている、実施例１～７のいずれか１つに記載の粉末ブレンド。
９． ０．１０ｃｍ^３以下の浸食体積損失を有する高強度ＭＭＣを形成するために使用される、実施例１～８のいずれか１つに記載の粉末ブレンド。
１０． １．００ｃｍ^３以下のＡＳＴＭ ６１１体積損失を有する高強度ＭＭＣを形成するように構成されている、実施例１～９のいずれか１つに記載の粉末ブレンド。
１１． 溶融炭化タングステン粒子および銅または銅合金マトリックスを含む金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）を含む高強度ドリルビットの一部を形成するように構成されている、実施例１～１０のいずれか１つに記載の粉末ブレンド。
１２．溶融炭化タングステン粒子が１～２００μｍの平均粒子サイズを有する、実施例１～１１のいずれか１つに記載の粉末ブレンド。
１３． 球状の形状を有し、５．０％より大きい粒界面積分率を有するようにテクスチャ加工された表面を有する溶融炭化タングステン粒子、および
溶融炭化タングステン粒子が埋め込まれたマトリックスを含む、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料。
１４． 溶融炭化タングステン粒子の少なくとも一部が、短軸に沿った第２の長さに対する長軸に沿った第１の長さの比が１．２０以下である、実施例１３に記載のＭＭＣ材料。
１５． マトリックスが銅または銅合金を含む、実施例１３または１４に記載のＭＭＣ材料。
１６． １５以上のワイブル係数を有する、実施例１３～１５のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
１７． ８０ｋｓｉ以上の印加応力に相当する１０，０００分の１の破損確率へのワイブルプロットの線形外挿を有する、実施例１３～１６のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
１８． ０．１０ｃｍ^３以下の浸食体積損失を有する、実施例１３～１７のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
１９． １．００ｃｍ^３以下のＡＳＴＭ ６１１体積損失を有する、実施例１３～１８のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
２０． 溶融炭化タングステン粒子が１μｍと１０μｍの間のＤ５０を有し、３６０ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する、実施例１３～１９のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
２１． 溶融炭化タングステン粒子が１１μｍと２０μｍの間のＤ５０を有し、２８０ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する、実施例１３～２０のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
２２． 溶融炭化タングステン粒子が２１μｍと４０μｍの間のＤ５０を有し、２３０ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する、実施例１３～２１のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
２３． 溶融炭化タングステン粒子が４１μｍと６０μｍの間のＤ５０を有し、１８０ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する、実施例１３～２２のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
２４． 溶融炭化タングステン粒子が６１μｍと８０μｍの間のＤ５０を有し、１６０ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する、実施例１３～２３のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
２５． 溶融炭化タングステンが８１μｍと１００μｍの間のＤ５０を有し、１４０ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する、実施例１３～２４のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
２６． 溶融炭化タングステンが１０１μｍと２００μｍの間のＤ５０を有し、１００ｋｓｉ以上の横断破断強度を有する、実施例１３～２５のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
２７． 高強度ドリルビットの一部を形成する、実施例１３～２６のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
２８． 金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料を形成する方法であって、
球状の形状を有し、５．０％より大きい粒界面積分率を有するようにテクスチャ加工された表面を有する溶融炭化タングステン粒子を鋳型に添加する工程、
銅を含む結合剤材料を鋳型に添加する工程、
結合剤材料を融解して、溶融炭化タングステン粒子に浸潤させる工程、および
融解した結合剤材料を凝固させ、ＭＭＣ材料を形成する工程、を含む方法。
２９． 溶融炭化タングステン粒子が少なくとも１０．０％の粒界面積分率を有する、実施例２８に記載の方法。
３０． 溶融炭化タングステン粒子が少なくとも１２．０％の粒界面積分率を有する、実施例２８または２９に記載の方法。
３１． 溶融炭化タングステン粒子が少なくとも２０．０％の粒界面積分率を有する、実施例２８～３０のいずれか１つに記載の方法。
３２． ＭＭＣ材料が１５以上のワイブル係数を有する、実施例２８～３１のいずれか１つに記載の方法。
３３． ＭＭＣ材料が２０以上のワイブル係数を有する、実施例２８～３２のいずれか１つに記載の方法。
３４． ＭＭＣ材料が２５以上のワイブル係数を有する、実施例２８～３３のいずれか１つに記載の方法。
３５． ＭＭＣ材料の１０，０００分の１の破損確率への線形外挿が８０ｋｓｉ以上に相当する、実施例２８～３４のいずれか１つに記載の方法。
３６． ＭＭＣ材料の１０，０００分の１の破損確率への線形外挿が１４０ｋｓｉ以上に相当する、実施例２８～３５のいずれか１つに記載の方法。
３７． ＭＭＣ材料の１０，０００分の１の破損確率への線形外挿が１８０ｋｓｉ以上に相当する、実施例２８～３６のいずれか１つに記載の方法。
３８． ＭＭＣ材料が少なくとも１４０ｋｓｉの横断破断強度を有する、実施例２８～３７のいずれか１つに記載の方法。
３９． ＭＭＣ材料が少なくとも４５０ｋｓｉの横断破断強度を有する、実施例２８～３８のいずれか１つに記載の方法。
４０． ＭＭＣ材料が少なくとも７００ｋｓｉの横断破断強度を有する、実施例２８～３９のいずれか１つに記載の方法。
４１． ＭＭＣ材料が０．１０ｃｍ^３以下の浸食体積損失を有する、実施例２８～４０のいずれか１つに記載の方法。
４２． ＭＭＣ材料が０．０８ｃｍ^３以下の浸食体積損失を有する、実施例２８～４１のいずれか１つに記載の方法。
４３． ＭＭＣ材料が０．０４ｃｍ^３以下の浸食体積損失を有する、実施例２８～４２のいずれか１つに記載の方法。
４４． ＭＭＣ材料を高強度ドリルビットの一部として形成する工程を含み、鋼成分を鋳型に添加する工程をさらに含み、結合剤材料を融解する工程が、鋼成分を少なくとも部分的に取り囲む工程を含む、実施例２８～４３のいずれか１つに記載の方法。
４５． マトリックス内に溶融炭化タングステン粒子を含む金属マトリックス複合材を含み、該溶融炭化タングステン粒子が、球状の形状を有し、少なくとも５．０％の粒界面積分率を有するようにテクスチャ加工された表面を有する、高強度ドリルビット。
４６． 溶融炭化タングステン粒子が少なくとも１０．０％の粒界面積分率を有する、実施例４５に記載のドリルビット。
４７． 溶融炭化タングステン粒子が少なくとも１２．０％の粒界面積分率を有する、実施例４５または４６に記載のドリルビット。
４８． 溶融炭化タングステン粒子が少なくとも２０．０％の粒界面積分率を有する、実施例４５～４７のいずれか１つに記載のドリルビット。
４９． 金属マトリックス複合材が１５以上のワイブル係数を有する、実施例４５～４８のいずれか１つに記載のドリルビット。
５０． 金属マトリックス複合材が２０以上のワイブル係数を有する、実施例４５～４９のいずれか１つに記載のドリルビット。
５１． 金属マトリックス複合材が２５以上のワイブル係数を有する、実施例４５～５０のいずれか１つに記載のドリルビット。
５２． 金属マトリックス複合材の１０，０００分の１の破損確率への線形外挿が８０ｋｓｉ以上に相当する、実施例４５～５１のいずれか１つに記載のドリルビット。
５３． 金属マトリックス複合材の１０，０００分の１の破損確率への線形外挿が１４０ｋｓｉ以上に相当する、実施例４５～５２のいずれか１つに記載のドリルビット。
５４． 金属マトリックス複合材の１０，０００分の１の破損確率への線形外挿が１８０ｋｓｉ以上に相当する、実施例４５～５３のいずれか１つに記載のドリルビット。
５５． 金属マトリックス複合材が少なくとも１４０ｋｓｉの横断破断強度を有する、実施例４５～５４のいずれか１つに記載のドリルビット。
５６． 金属マトリックス複合材が少なくとも４５０ｋｓｉの横断破断強度を有する、実施例４５～５５のいずれか１つに記載のドリルビット。
５７． 金属マトリックス複合材が少なくとも７００ｋｓｉの横断破断強度を有する、実施例４５～５６のいずれか１つに記載のドリルビット。
５８． 金属マトリックス複合材が０．１０ｃｍ^３以下の浸食体積損失を有する、実施例４５～５７のいずれか１つに記載のドリルビット。
５９． 金属マトリックス複合材が０．０８ｃｍ^３以下の浸食体積損失を有する、実施例４５～５８のいずれか１つに記載のドリルビット。
６０． 金属マトリックス複合材が０．０４ｃｍ^３以下の浸食体積損失を有する、実施例４５～５９のいずれか１つに記載のドリルビット。
６１． 追加実施例ＩＩの実施例１～１２の合金で形成されたマトリックスに埋め込まれた溶融炭化タングステン粒子を含む金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）を形成するように構成されている、実施例１～１２のいずれか１つに記載の粉末ブレンド。
６２． マトリックスが、追加実施例ＩＩの実施例６５～７６の合金で形成される、実施例１３～２７のいずれか１つに記載のＭＭＣ材料。
６３． ＭＭＣが、追加実施例ＩＩの実施例６５～７６の合金で形成されたマトリックスを含む、実施例２８～４４のいずれか１つに記載の方法。
６４． 金属マトリックス複合材が、追加実施例ＩＩの実施例６５～７７の合金で形成されたマトリックスを含む、実施例４５～６０のいずれか１つに記載のドリルビット。

追加実施例ＩＩ
６５． ５．６～１０．４重量パーセント（重量％）のマンガン（Ｍｎ）、
３．５～６．５重量％のニッケル（Ｎｉ）、
１．４～４重量％のスズ（Ｓｎ）、および
５５重量％を超えて合金の残部までの銅（Ｃｕ）を含み、
Ｃｕの融解温度より低い固相線温度を有する、合金。
６６． １．４～２．６重量％のスズ（Ｓｎ）を含む、実施例６５に記載の合金。
６７． 固相線温度が１３００Ｋより低い、実施例６６に記載の合金。
６８． 固相線温度から少なくとも固相線温度より４００Ｋ低い温度まで、面心立方（ＦＣＣ）結晶構造を有する単相固溶体を形成する、実施例６６または６７に記載の合金。
６９． 合金の９０重量％超が、室温で面心立方（ＦＣＣ）結晶構造を有する単相固溶体である、実施例６５～６８のいずれか１つに記載の合金。
７０． ２重量％までの不純物をさらに含む、実施例６５～６８のいずれか１つに記載の合金。
７１． 元素組成が、Ｓｉ、ＢおよびＺｎのうちの１つ以上を含まない、実施例６５～７０のいずれか１つに記載の合金。
７２． ２．５ＭＳ／ｍより高い電気伝導率を有する、実施例６５～７１のいずれか１つに記載の合金。
７３． １０Ｗ／ｍＫより高い熱伝導率を有する、実施例６５～７２のいずれか１つに記載の合金。
７４． 金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料のマトリックスを形成する合金であって、ＭＭＣ材料が炭化タングステン粒子をさらに含む、実施例６５～７３のいずれか１つに記載の合金。
７５． 金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料のマトリックスを形成する合金であって、ＭＭＣ材料がドリル部品の一部を形成する、実施例６５～７４のいずれか１つに記載の合金。
７６． 金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料のマトリックスを形成する合金であって、ＭＭＣ材料が４，０００ｉｎ＊ｌｂｆ．ｉｎ^３より大きい靭性を有する、実施例６５～７５のいずれか１つに記載の合金。
７７． 金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料を形成するための原料の一部である合金であって、原料が炭化タングステン粒子をさらに含む、実施例６５～７６のいずれか１つに記載の合金。
７８． 銅系マトリックスに埋め込まれた強化粒子を含む金属マトリックス複合材料であって、銅系マトリックスが、５５重量％を超える銅（Ｃｕ）と１．４重量％を超えるスズ（Ｓｎ）とを含む、金属マトリックス複合材料。
７９． 銅系マトリックスが、
１．４～４重量％のスズ（Ｓｎ）、
５．６～１０．４重量％のマンガン（Ｍｎ）、および
３．５～６．５重量％のニッケル（Ｎｉ）を含み、
銅系マトリックスが、Ｃｕよりも低い固相線温度を有する、実施例７８に記載の金属マトリックス複合材料。
８０． 銅系マトリックスが１．４～２．６重量％のスズ（Ｓｎ）を含む、実施例７９に記載の金属マトリックス複合材料。
８１． 銅系マトリックスの固相線温度が１３００Ｋより低い、実施例７８～８０のいずれか１つに記載の金属マトリックス複合材料。
８２． 銅系マトリックスが、固相線温度から少なくとも固相線温度より４００Ｋ低い温度まで、面心立方（ＦＣＣ）結晶構造を有する単相固溶体を形成する、実施例７８～８０のいずれか１つに記載の金属マトリックス複合材料。
８３． 銅系マトリックスの９０重量％超が、室温で面心立方（ＦＣＣ）結晶構造を有する単相固溶体である、実施例７８～８２のいずれか１つに記載の金属マトリックス複合材料。
８４． 銅系マトリックスが２重量％以下の不純物を含む、実施例７８～８３のいずれか１つに記載の金属マトリックス複合材料。
８５． 銅系マトリックスが、Ｓｉ、ＢおよびＺｎのうちの１つ以上を含まない、実施例７８～８４のいずれか１つに記載の金属マトリックス複合材料。
８６． 銅系マトリックスが、２．５ＭＳ／ｍより高い電気伝導率を有する、実施例７８～８５のいずれか１つに記載の金属マトリックス複合材料。
８７． 銅系マトリックスが、１０Ｗ／ｍＫより高い熱伝導率を有する、実施例７８～８６のいずれか１つに記載の金属マトリックス複合材料。
８８． 強化粒子が炭化タングステン粒子を含む、実施例７８に記載の金属マトリックス複合材料。
８９． 炭化タングステン粒子が、金属マトリックス複合材料の５０～７０体積％を構成する、実施例８８に記載の金属マトリックス複合材料。
９０． 炭化タングステン粒子が１～２００μｍの平均粒子サイズを有する、実施例８８または８９に記載の金属マトリックス複合材料。
９１． 炭化タングステン粒子が、長軸に沿った第１の長さと短軸に沿った第２の長さの間の比が１．２０以下の球状の形状を有する、実施例８８～９０のいずれか１つに記載の金属マトリックス複合材料。
９２． 炭化タングステン粒子が、５．０％より大きい粒界面積分率を有するようにテクスチャ加工された表面を有する、実施例７８～９１のいずれか１つに記載の金属マトリックス複合材料。
９３． １７５ｋｓｉを超える横断破断強度を有する、実施例７８～９２のいずれか１つに記載の金属マトリックス複合材料。
９４． ドリル部品の一部を形成する、実施例７８～９３のいずれか１つに記載の金属マトリックス複合材料。
９５． 金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料を形成する方法であって、
鋳型内で銅系マトリックスを形成するための強化粒子および合金を提供し、ここで合金が、
＞５５重量％の銅（Ｃｕ）と
＞１．４重量％のスズ（Ｓｎ）、
を含む元素組成を有する、工程、
少なくとも合金を融解する工程、および
合金を凝固させて金属マトリックス複合材料を形成し、ここで強化粒子が銅系マトリックスに埋め込まれる、工程、を含む方法。
９６． 合金が、
１．４～４重量％のスズ（Ｓｎ）、
５．６～１０．４重量％のマンガン（Ｍｎ）、および
３．５～６．５重量％のニッケル（Ｎｉ）、を含み、
合金が、Ｃｕの融解温度よりも低い固相線温度を有する、実施例９５に記載の方法。
９７． 合金が１．４～２．６重量％のスズ（Ｓｎ）を含む、実施例９５に記載の方法。
９８． 合金を融解する工程が、Ｃｕ、ＭｎおよびＮｉの１つ以上の融解温度よりも低い温度に鋳型を加熱する工程を含む、実施例９５～９７のいずれか１つに記載の方法。
９９． 合金を融解する工程が、鋳型を１０００～１２００℃に加熱する工程を含む、実施例９５～９８のいずれか１つに記載の方法。
１００． 液化した合金を凝固させる前に、強化粒子によって形成された多孔質ネットワークを浸潤させる工程と、融解した合金で強化粒子の表面を湿潤させる工程とをさらに含む、実施例９５～９９のいずれか１つに記載の方法。
１０１． 強化粒子および合金を提供する工程が、融解した合金が強化粒子によって形成された多孔質ネットワークに重力で引き込まれるように、強化粒子を合金の下方に配置する工程を含む、実施例９５～１００のいずれか１つに記載の方法。
１０２． 合金を凝固させる工程が、融解した合金を室温まで冷却する工程を含み、銅系マトリックスの９０重量％超が、面心立方（ＦＣＣ）結晶構造を有する単相固溶体に凝固する、実施例９５～１０１のいずれか１つに記載の方法。
１０３． 合金が２重量％以下の不純物を含み、合金の残部が銅である、実施例９５～１０２のいずれか１つに記載の方法。
１０４． 合金がＳｉ、ＢおよびＺｎのうちの１つ以上を含まない、実施例９５～１０３のいずれか１つに記載の方法。
１０５． 銅系マトリックスが２．５ＭＳ／ｍより高い電気伝導率を有する、実施例９５～１０４のいずれか１つに記載の方法。
１０６． 銅系マトリックスが１０Ｗ／ｍＫより高い熱伝導率を有する、実施例９５～１０６のいずれか１つに記載の方法。
１０７． 強化粒子が炭化タングステン粒子を含む、実施例９５～１０７のいずれか１つに記載の方法。
１０８． 金属マトリックス複合材料の５０～７０体積％が炭化タングステン粒子からなる、実施例１０７に記載の方法。
１０９． 炭化タングステン粒子が１～２００μｍの平均粒子サイズを有する、実施例１０７または１０８に記載の方法。
１１０． 炭化タングステン粒子が、粒子の長軸に沿った第１の長さと粒子の短軸に沿った第２の長さの間の比が１．２０以下の球状の形状を有する、実施例１０７～１０９のいずれか１つに記載の方法。
１１１． 炭化タングステン粒子が、５．０％より大きい粒界面積分率を有するようにテクスチャ加工された表面を有する、実施例１０７～１１０のいずれか１つに記載の方法。
１１２． 金属マトリックス複合材料が１７５ｋｓｉを超える横断破断強度を有する、実施例９５～１１１のいずれか１つに記載の方法。
１１３． 金属マトリックス複合材料をドリル部品に形成することをさらに含む、実施例９５～１１２のいずれか１つに記載の方法。
１１４． 金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料を形成するための原料の一部である合金であって、原料が、追加実施例Ｉの実施例１～１２による粉末ブレンドをさらに含む、実施例６５～７７に記載の合金。
１１５． 強化粒子が、追加実施例Ｉの実施例１～１２による粉末ブレンドからなる、実施例７８～９４に記載のＭＭＣ材料。
１１６． 強化粒子が、追加実施例Ｉの実施例１～１２による粉末ブレンドからなる、実施例９５～１１３に記載の方法。

前述の説明から、合金に関する本発明の製品およびアプローチが開示されていることが理解されるであろう。いくつかの構成要素、技術および態様をある程度特定して説明してきたが、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書で上述した特定の設計、構造および方法論において多くの変更が可能であることは明らかである。

別個の実施態様の文脈で本開示に記載されている特定の特徴は、単一の実施態様において組み合わせて実施することもできる。逆に、単一の実施態様の文脈で説明されている様々な特徴も、複数の実施態様において個別に、または任意の好適なサブコンビネーションで実施することができる。さらに、特定の組み合わせで作用するものとして特徴を上述したが、場合によっては、クレームされている組み合わせから１つ以上の特徴を除外することができ、組み合わせを任意のサブコンビネーションまたは任意のサブコンビネーションのバリエーションとしてクレームすることができる。

さらに、方法が、特定の順序で図面に示され、または明細書に記載されている場合があるが、そのような方法は、望ましい結果を達成するために、示された特定の順序で、または連続した順序で実行される必要はなく、すべての方法が実行される必要はない。図示または記載されていない他の方法を、例示の方法およびプロセスに組み込むことができる。例えば、記載された方法のいずれかの前に、後に、同時に、またはその間に、１つ以上の追加の方法を実行することができる。さらに、他の実施態様において、方法を並べ替えたり、順序を変えたりすることもできる。また、上述した実施態様における様々なシステム構成要素の分離は、全ての実施態様においてそのような分離を必要とするものとして理解されるべきではなく、記載された構成要素およびシステムは、一般に、単一の製品において一緒に統合され得るか、または複数の製品にパッケージされ得ると理解されるべきである。さらに、他の実施態様も本開示の範囲内である。

「できる」、「できた」、「かもしれない」、または「してもよい」などの条件付き文言は、特に断りのない限り、または使用される文脈内で別段理解されない限り、一般に、特定の実施形態が特定の特徴、要素、および／またはステップを含むこと、または含まないことを伝えることを意図している。したがって、このような条件付き文言は、一般に、特徴、要素、および／またはステップが、１つ以上の実施形態に何らかの形で必要であることを意味することを意図していない。

「Ｘ、Ｙ、およびＺのうちの少なくとも１つ」という語句のような接続語句は、特に断りのない限り、項目、用語などがＸ、Ｙ、またはＺのいずれかである可能性があることを伝えるために一般的に使用されるものとして、文脈とともに理解される。したがって、このような接続語句は、一般的に、特定の実施形態がＸのうちの少なくとも１つ、Ｙのうちの少なくとも１つ、およびＺのうちの少なくとも１つの存在を必要とすることを暗示することを意図するものではない。

本明細書で使用される「およそ」、「約」、「概して」、および「実質的に」という用語などの本明細書で使用される程度の文言は、所望の機能を果たすか、または所望の結果を達成する、記載された値、量、または特性に近い値、量、または特性を表す。例えば、「およそ」、「約」、「概して」、および「実質的に」という用語は、記載された量の１０％以下の範囲内、５％以下の範囲内、１％以下の範囲内、０．１％以下の範囲内、および０．０１％以下の範囲内にある量を指す場合がある。記載された量が０（例えば、なし、有しない）である場合、上記の記載された範囲は特定の範囲であって、値の特定の％の範囲ではない場合がある。例えば、記載された量の１０重量／体積％以下の範囲内、５重量／体積％以下の範囲内、１重量／体積％以下の範囲内、０．１重量／体積％以下の範囲内、０．０１重量／体積％以下の範囲内である。

いくつかの実施形態を添付の図面に関連して説明した。図は一定の縮尺で描かれているが、図示されている以外の寸法および比率も想定され、開示された発明の範囲内であるため、このような縮尺は限定的であってはならない。距離、角度などは単なる例示であり、図示された装置の実際の寸法およびレイアウトと必ずしも正確な関係を有するものではない。構成要素は、追加、削除、および／または再配置することができる。さらに、様々な実施形態に関連する任意の特定の特徴、態様、方法、特性、品質、属性、要素などの本明細書における開示は、本明細書に記載される他のすべての実施形態において使用することができる。さらに、本明細書に記載される任意の方法は、列挙されたステップを実行するのに適した任意の装置を使用して実施され得ることが認識されるであろう。

多数の実施形態およびその変形例を詳細に説明したが、当業者には他の改変および使用方法が明らかであろう。したがって、本明細書における独創的かつ進歩的な開示または特許請求の範囲から逸脱することなく、等価物の様々な応用、改変、材料、および置換を行うことができることが理解されるべきである。

Claims (30)

1. ５．６～１０．４重量パーセント（重量％）のマンガン（Ｍｎ）、
   ３．５～６．５重量％のニッケル（Ｎｉ）、
   １．４～４重量％のスズ（Ｓｎ）、および
   ５５重量％を超えて合金の残部までの銅（Ｃｕ）を含み、
   Ｃｕの融解温度より低い固相線温度を有する、合金。
2. １．４～２．６重量％のスズ（Ｓｎ）を含む、請求項１に記載の合金。
3. 前記固相線温度が１３００Ｋより低い、請求項１に記載の合金。
4. 固相線温度から少なくとも当該固相線温度より４００Ｋ低い温度まで、面心立方（ＦＣＣ）結晶構造を有する単相固溶体を形成する、請求項１に記載の合金。
5. 合金の９０重量％超が、室温で面心立方（ＦＣＣ）結晶構造を有する単相固溶体である、請求項１に記載の合金。
6. ２重量％までの不純物をさらに含む、請求項１に記載の合金。
7. 元素組成がＳｉ、ＢおよびＺｎのうちの１つ以上を含まない、請求項１に記載の合金。
8. ２．５ＭＳ／ｍより高い電気伝導率を有する、請求項１～７のいずれか１つに記載の合金。
9. １０Ｗ／ｍＫより高い熱伝導率を有する、請求項１～７のいずれか１つに記載の合金。
10. 金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料のマトリックスを形成する合金であって、前記ＭＭＣ材料が炭化タングステン粒子をさらに含む、請求項１～７のいずれか１つに記載の合金。
11. 金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料のマトリックスを形成する合金であって、前記ＭＭＣ材料がドリル部品の一部を形成する、請求項１～７のいずれか１つに記載の合金。
12. 金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料のマトリックスを形成する合金であって、前記ＭＭＣ材料が４，０００ｉｎ＊ｌｂｆ．ｉｎ^３より大きい靭性を有する、請求項１～７のいずれか１つに記載の合金。
13. 金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）材料を形成するための原料の一部である合金であって、前記原料が炭化タングステン粒子をさらに含む、請求項１～７のいずれか１つに記載の合金。
14. 銅系マトリックスに埋め込まれた強化粒子を含む金属マトリックス複合材料であって、前記銅系マトリックスが、５５重量％を超える銅（Ｃｕ）と１．４重量％を超えるスズ（Ｓｎ）とを含む、金属マトリックス複合材料。
15. 前記銅系マトリックスが、
    １．４～４重量％のスズ（Ｓｎ）、
    ５．６～１０．４重量％のマンガン（Ｍｎ）、および
    ３．５～６．５重量％のニッケル（Ｎｉ）を含み、
    前記銅系マトリックスがＣｕより低い固相線温度を有する、請求項１４に記載の金属マトリックス複合材料。
16. 前記銅系マトリックスが１．４～２．６重量％のスズ（Ｓｎ）を含む、請求項１５に記載の金属マトリックス複合材料。
17. 前記銅系マトリックスの固相線温度が１３００Ｋより低い、請求項１４に記載の金属マトリックス複合材料。
18. 前記銅系マトリックスが、固相線温度から少なくとも当該固相線温度より４００Ｋ低い温度まで、面心立方（ＦＣＣ）結晶構造を有する単相固溶体を形成する、請求項１４に記載の金属マトリックス複合材料。
19. 前記銅系マトリックスの９０重量％超が、室温で面心立方（ＦＣＣ）結晶構造を有する単相固溶体である、請求項１４に記載の金属マトリックス複合材料。
20. 前記銅系マトリックスが２重量％以下の不純物を含む、請求項１４に記載の金属マトリックス複合材料。
21. 前記銅系マトリックスが、Ｓｉ、ＢおよびＺｎのうちの１つ以上を含まない、請求項１４に記載の金属マトリックス複合材料。
22. 前記銅系マトリックスが、２．５ＭＳ／ｍより高い電気伝導率を有する、請求項１４～２１のいずれか１つに記載の金属マトリックス複合材料。
23. 前記銅系マトリックスが、１０Ｗ／ｍＫより高い熱伝導率を有する、請求項１４～２１のいずれか１つに記載の金属マトリックス複合材料。
24. 前記強化粒子が炭化タングステン粒子を含む、請求項１４～２１のいずれか１つに記載の金属マトリックス複合材料。
25. 炭化タングステン粒子が金属マトリックス複合材料の５０～７０体積％を構成する、請求項２４に記載の金属マトリックス複合材料。
26. 前記炭化タングステン粒子が１～２００μｍの平均粒子サイズを有する、請求項２４に記載の金属マトリックス複合材料。
27. 前記炭化タングステン粒子が、長軸に沿った第１の長さと短軸に沿った第２の長さの間の比が１．２０以下の球状の形状を有する、請求項２４に記載の金属マトリックス複合材料。
28. 前記炭化タングステン粒子が、５．０％より大きい粒界面積分率を有するようにテクスチャ加工された表面を有する、請求項２４に記載の金属マトリックス複合材料。
29. １７５ｋｓｉを超える横断破断強度を有する、請求項１４～２１のいずれか１つに記載の金属マトリックス複合材料。
30. ドリル部品の一部を形成する、請求項１４～２１のいずれか１つに記載の金属マトリックス複合材料。