JP2594785B2 - Diamond crystal-sintered carbide composite polycrystal - Google Patents

Diamond crystal-sintered carbide composite polycrystal

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JP2594785B2 JP61097017A JP9701786A JP2594785B2 JP 2594785 B2 JP2594785 B2 JP 2594785B2 JP 61097017 A JP61097017 A JP 61097017A JP 9701786 A JP9701786 A JP 9701786A JP 2594785 B2 JP2594785 B2 JP 2594785B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、切削、機械加工、ドリル加工等の作業にお
いて使用の為のまたラツピングストツプ、弁坐、ノズル
等のような摩耗表面としての使用の為の耐摩耗及び耐衝
撃材料に関する。特には、本発明は、多結晶ダイヤモン
ド及び焼結金属炭化物(超硬合金と一般に呼ばれてい
る)を超高圧力及び温度においてプレスして成るそうし
た材料に関する。
Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention is directed to use in operations such as cutting, machining, drilling, and the like, and for use as wear surfaces such as wrapping stops, valve seats, nozzles, and the like. Abrasion and impact resistant materials. In particular, the invention relates to such materials formed by pressing polycrystalline diamond and sintered metal carbide (commonly referred to as cemented carbide) at very high pressures and temperatures.

本明細書において、「多結晶ダイヤモンド(CPCD)と
略称)」とは、個々のダイヤモンド結晶を結晶間結合が
起るよう超高圧力及び温度の下に置くことにより生成さ
れる材料型式を言及せんとするものである。一般に、触
媒/バインダ物質が充分な結晶間結合を保証するよう使
用される。斯界では、この材料はまた「焼結ダイヤモン
ド」と呼ばれることが多い。また、本明細書において、
「予備焼結(precemented)炭化物」とは、IVB、VB或い
はVIB族金属のいずれかの炭化物粒がプレスされそして
加熱されて(Co,Ni或いはFe及びその様々の合金のよう
なバインダの存在下でのことが非常に多い)、稠密一体
部片を生成するに際して得られる材料型式を呼称するも
のである。予備焼結炭化物のもつとも一般的なそして容
易に入手しうる形態はコバルトバインダを含有する炭化
タングステンである。これは通称超硬合金と呼ばれてい
る。予備焼結とは、本発明において使用する時既に焼結
された状態にあることを指す。
As used herein, "polycrystalline diamond (CPCD)" does not refer to the type of material produced by placing individual diamond crystals under ultra-high pressure and temperature to cause intercrystalline bonding. It is assumed that. Generally, a catalyst / binder material is used to ensure sufficient intercrystalline bonding. In the art, this material is also often referred to as "sintered diamond". In this specification,
"Pre-sintered carbide" means that carbide grains of any of the IVB, VB or VIB metals are pressed and heated (in the presence of a binder such as Co, Ni or Fe and various alloys thereof). ), Which refers to the type of material obtained in producing the dense unitary piece. The most common and readily available form of pre-sintered carbide is tungsten carbide containing a cobalt binder. This is commonly called a cemented carbide. Pre-sintering refers to being already sintered when used in the present invention.

先行技術 幾つかの用途において、多結晶ダイヤモンドは単結晶
ダイヤモンドを上回る特別の有益さを示した。特に、多
結晶ダイヤモンドPCDは、単結晶ダイヤモンドより耐衝
撃性に優れている。単結晶ダイヤモンドは、比較的低い
応力で結晶の破砕を惹起する恐れのあるその特定劈開面
を有するだけでなく、弾性モジユラスがきわめて高いの
で、比較的低い衝撃耐性しか有しない。他方、無秩序に
配向された個々の結晶を集合して成る多結晶ダイヤモン
ドは、単結晶形態における劈開面により生じる問題を軽
減する。しかしながら、多結晶ダイヤモンドもまだ尚、
その高い弾性モジユラスの故に衝撃耐性において比較的
乏しい。この低い衝撃耐性は、多くの用途において多結
晶ダイヤモンドが原子層の侵食からでなくマクロ及びミ
クロスケール双方で生じる破砕及び剥落ちから磨損する
が故に問題である。
Prior Art In some applications, polycrystalline diamond has shown particular advantages over single crystal diamond. In particular, polycrystalline diamond PCD has better impact resistance than single crystal diamond. Single crystal diamond has not only its specific cleavage plane, which can cause fracture of the crystal at relatively low stress, but also has relatively low impact resistance due to its very high elastic modulus. On the other hand, polycrystalline diamond, which consists of a collection of randomly oriented individual crystals, alleviates the problems caused by cleavage planes in single crystal form. However, polycrystalline diamond is still
Relatively poor in impact resistance due to its high elastic modulus. This low impact resistance is problematic in many applications because polycrystalline diamond wears not from erosion of the atomic layer but from crushing and spalling that occurs on both macro and micro scales.

多結晶ダイヤモンドが比較的脆いことは早くから認識
されており、従つてその結果として最初の市販多結晶ダ
イヤモンド製品は米国特許第3,745,623号に示されるよ
うにダイヤモンド層に直接結合された金属質裏当て層即
ち基板を含んでいた。この「複合突固め体」の今日まで
のもつとも一般的形態は、プレスサイクル中高圧及び高
温によつて炭化タングステンの予備焼結盤上に直接多結
晶ダイヤモンドの平面状盤を焼結せしめたものである。
It has long been recognized that polycrystalline diamond is relatively brittle, and consequently, the first commercially available polycrystalline diamond products have a metallic backing layer directly bonded to the diamond layer as shown in U.S. Pat.No. 3,745,623. That is, the substrate was included. The most common form of this "composite compact" to date has been the sintering of a plane disc of polycrystalline diamond directly on a pre-sintered tungsten carbide disc by high pressure and high temperature during a press cycle. is there.

PCDが単一の予備焼結炭化物体或いは類似の基板によ
り支持されるようなこの構成はまたPCDの工具等への取
付けの為の有利さをも与えた。ダイヤモンドは比較的不
活性である。その結果、従来からのろう接技術を介して
工具支持体或いは他の表面にPCDを接合することは不可
能でないにせよ困難である。従つて、PCDにろう接を可
能ならしめる金属裏当てを設けることは、PCD複合突固
め体を工具支持体にろう接する為の好適な手段を提供す
る。
This configuration, in which the PCD is supported by a single pre-sintered carbonized body or similar substrate, has also provided advantages for attachment of the PCD to tools and the like. Diamond is relatively inert. As a result, it is difficult, if not impossible, to join a PCD to a tool support or other surface via conventional brazing techniques. Thus, providing the PCD with a metal backing that enables brazing provides a suitable means for brazing the PCD composite compact to a tool support.

残念ながら、上述のようにして生成された即ちPCD層
を単一の平面状基板に直接付設した複合突固め体におい
て或る種の問題が見出される。
Unfortunately, certain problems are found in composite tamps produced as described above, i.e., with the PCD layer applied directly to a single planar substrate.

一つの問題は、ダイヤモンド層が炭化物基板により充
分に支持されうるような形態のものしか作製しえないと
いう多結晶ダイヤモンド工具の設計上の制約であつた。
形態についての可能性を拡大するべく研究が為されたけ
れども(予備焼結炭化物の芯体の周囲に多結晶ダイヤモ
ンドの筒状体を成長せしめる米国特許第4,215,999号を
例えば参照されたい)、支持体用の予備焼結炭化物の基
板を提供することの必要性により、従来からの複合突固
め体を使用しては実現困難な或いは不可能な多結晶ダイ
ヤモンド工具用途が認められた。例えば、小形砥石車及
びドリルのような、一つの直線に関して対称であること
を必要としそして作動表面が接線方向の力を受けるよう
な回転工具は工業的に生みだしえなかつた。
One problem has been the design constraints of polycrystalline diamond tools, which can only be made in such a form that the diamond layer can be sufficiently supported by the carbide substrate.
Although work has been done to expand the possibilities for morphology (see, for example, US Pat. No. 4,215,999, growing a cylinder of polycrystalline diamond around a core of pre-sintered carbide), The need to provide a pre-sintered carbide substrate for use has identified polycrystalline diamond tool applications that are difficult or impossible to achieve using conventional composite tamped bodies. For example, rotating tools that need to be symmetric about one straight line and whose working surfaces are subjected to tangential forces, such as small grinding wheels and drills, have not been industrially feasible.

また別の問題は、炭化物基板が多結晶ダイヤモンドよ
り高い熱膨脹係数を有するが故に生ずる。ダイヤモンド
層と予備焼結炭化物基板との間の結合は、両材料が1,30
0〜2,000℃の範囲の温度にある時に形成されるから、複
合突固め体が冷えそして炭化物基板がダイヤモンド以上
に収縮するに際して応力が発生する。ダイヤモンド層は
炭化物基板より弾性に乏しいから、これら応力は、複合
突固め体の冷却期間中、ろう接中或いは使用中いずれか
においてダイヤモンド層の割れをもたらすことが多い。
Another problem arises because the carbide substrate has a higher coefficient of thermal expansion than polycrystalline diamond. The bond between the diamond layer and the pre-sintered carbide substrate was 1,30 for both materials.
Since formed at temperatures in the range of 0 to 2,000 ° C., stress is generated as the composite compact cools and the carbide substrate shrinks more than diamond. Since the diamond layer is less elastic than the carbide substrate, these stresses often result in cracking of the diamond layer during the cooling of the composite compact, either during brazing or during use.

PCD突固め体を支持或いは接合する為の基板の使用に
おけるまた別の制約は、基板の組成が化学的に適合性の
あるものでなければならないという要件である。特に、
基板材料がダイヤモンドに対して或いは触媒/バインダ
材料に対して有害な反応を呈さないことが重要である。
例えば、鋼或いは他の鉄基合金基板にPCDを焼結するこ
とは不可能ではないにしろ困難であつた。これは、鉄が
溶けダイヤモンドのグラフアイト化を触媒する傾向が強
いためである。これは、鋼が焼結炭化物の場合よりも加
工しやすく、またその他の点でも良好な基板材料たりう
る点で残念なことである。鋼はまた、低い弾性モジュラ
スを有し従つて砕岩ビツト等のような高い衝撃力と遭遇
する幾つかの用途において好ましい。鋼基板はまた、そ
れらが簡単な締まりばめでもつて工具内に定着しやすく
また工具に溶接しやすい点でも好ましい。
Another limitation on the use of a substrate to support or bond a PCD compact is the requirement that the composition of the substrate must be chemically compatible. Especially,
It is important that the substrate material does not react detrimentally to the diamond or to the catalyst / binder material.
For example, sintering PCD on steel or other iron-based alloy substrates has been difficult, if not impossible. This is because iron has a strong tendency to melt and catalyze the conversion of diamond to graphite. This is unfortunate in that it is easier to process than when the steel is a cemented carbide, and may be an otherwise good substrate material. Steel is also preferred in some applications where it has a low modulus of elasticity and thus encounters high impact forces, such as rock bits. Steel substrates are also preferred because they are easy to settle into the tool with a simple interference fit and easy to weld to the tool.

更に、多結晶ダイヤモンドの耐衝撃性の増加を予備焼
結炭化物支持体に依存する場合、ダイヤモンド層はダイ
ヤモンドがその支持体からあまり隔たることのないよう
比較的薄いことが好ましい。このダイヤモンド層の厚さ
の制約は当然に、使用下での複合突固め体の予測寿命及
び多結晶ダイヤモンド工具に対する設計両方を制約す
る。
Furthermore, if the impact resistance of polycrystalline diamond is dependent on a pre-sintered carbide support, the diamond layer is preferably relatively thin so that the diamond is not too far from the support. This restriction on the thickness of the diamond layer naturally limits both the expected life of the composite compact in use and the design for the polycrystalline diamond tool.

複合突固め体においてダイヤモンド層の厚さを制約し
たまた別の問題は、「ブリツジング」の問題により生ず
る。ブリツジングとは、微粉末が多数の方向からプレス
される時に生じる現象を云う。プレスされている粉末中
の個々の粒子が集積しそしてアーチ或いは橋を形成する
傾向があり、その為圧力の全量がプレスされている粉末
の中央部に達しないことが多いことが観察された。本発
明者は、1ミクロンのダイヤモンド粉末が1.52mm厚を越
える多結晶ダイヤモンド体を作製するのに使用される
時、部片の中央部の方の多結晶ダイヤモンドは、外周部
程良好に形成されていないのが普通であることを知見し
た。この状態はダイヤモンド層の割れや欠けをもたらす
恐れがある。
Another problem that has limited the thickness of the diamond layer in composite compacts is caused by the "bridging" problem. Bridging refers to a phenomenon that occurs when a fine powder is pressed from multiple directions. It has been observed that the individual particles in the pressed powder tend to accumulate and form arches or bridges, so that the total amount of pressure often does not reach the center of the pressed powder. The present inventors have found that when 1 micron diamond powder is used to make a polycrystalline diamond body exceeding 1.52 mm thick, the polycrystalline diamond toward the center of the piece is better formed as the outer periphery. It was found that it was not normal. This condition may cause cracking or chipping of the diamond layer.

特願昭60-78614号において、上記問題を部分的に軽減
した、改善されたPCD複合材料が記載された。概説すれ
ば、そこに開示された材料は、ダイヤモンド結晶と予備
焼結炭化物片の混合物を充分の熱及び圧力の下でプレス
して、焼結炭化物を分散せしめた多結晶ダイヤモンドマ
トリツクス或いは多結晶ダイヤモンドを分散せしめた焼
結炭化物マトリツクスを形成してなるものである。この
複合PCD/焼結炭化物材料は標準PCDを上回る靭性を有す
ることが見出され、堀削穿孔やセメント鋸引き等のよう
な高衝撃用途に対してその利用を魅力的なものとする。
Japanese Patent Application No. 60-78614 describes an improved PCD composite material which partially alleviates the above problems. Briefly, the disclosed material is a polycrystalline diamond matrix or polycrystal in which a mixture of diamond crystals and pre-sintered carbide pieces is pressed under sufficient heat and pressure to disperse the sintered carbides. It is formed by forming a sintered carbide matrix in which diamond is dispersed. This composite PCD / sintered carbide material has been found to have higher toughness than standard PCD, making it attractive for high impact applications such as drilling, cement sawing and the like.

また、PCDへの予備焼結炭化物片の添加は焼結炭化物
裏当を備える複合突固め体にとつて、有益であることも
見出された。特に、熱膨脹係数の差異により生じるPCD
層と裏当てとの間の界面における応力は、PCD層内に分
散される予備焼結炭化物片の存在がPCD層の熱膨脹性質
を裏当てのそれに一層近いものとする傾向があるため、
軽減される。
It has also been found that the addition of pre-sintered carbide pieces to the PCD is beneficial for composite compacts with a sintered carbide backing. In particular, PCD caused by the difference in thermal expansion coefficient
The stress at the interface between the layer and the backing is due to the fact that the presence of the pre-sintered carbide pieces dispersed within the PCD layer tends to make the thermal expansion properties of the PCD layer closer to that of the backing.
It is reduced.

加えて、PCDへの予備焼結炭化物片の含入はブリツジ
ングにより生起される問題を軽減することが見出され
た。特に、予備焼結炭化物片は認めうる程に圧縮され
ず、それによりプレス用セル内での圧力分布を改善し
た。従つて、この新規な複合PCD材料は従来よりもつと
厚い部片でも良好にプレスしえた。
In addition, the inclusion of pre-sintered carbide pieces in the PCD has been found to reduce the problems caused by bridging. In particular, the pre-sintered carbide pieces did not appreciably compress, thereby improving the pressure distribution in the pressing cell. Therefore, the new composite PCD material was able to press well even with thicker pieces than before.

分散焼結炭化物濃度が低い場合でもこの複合材料の耐
摩耗性は標準PCDより驚く程に高かつたけれども、一般
に耐摩耗性は標準PCDのそれより劣る。予想されうるよ
うに、焼結炭化物の濃度が高い程、耐摩耗性は低くな
る。多くの用途において、増大せる靭性を実現する為に
PCD体の耐摩耗性をある程度犠牲にすることは容認され
うる。しかし、耐摩耗性と衝撃耐性の両方の最適化を図
ることが本来所望されていることは確かである。また、
PCD製ベアリングのような或る種の摩耗部品用途におい
ては、PCD部品の表面が一様な速度で摩耗しうるよう均
質であることが重要である。
Although the wear resistance of this composite is surprisingly higher than the standard PCD even at low dispersed carbide concentrations, the wear resistance is generally inferior to that of the standard PCD. As can be expected, the higher the concentration of cemented carbide, the lower the wear resistance. To achieve increased toughness in many applications
It is acceptable to sacrifice the wear resistance of the PCD body to some extent. However, it is certainly desirable to optimize both wear resistance and impact resistance. Also,
In some wear component applications, such as PCD bearings, it is important that the surface of the PCD component be uniform so that it can wear at a uniform rate.

判明の概要 本発明に従えば、加工材と接触する少なくとも一つの
露出表面を備えそしてダイヤモンド結晶と予備焼結炭化
物片の混合物を互いに結合しそして互いに分散せしめて
なる複合多結晶体において、露出表面からのダイヤモン
ド結晶の濃度が変化され、露出表面に近いほどダイヤモ
ンド濃度が100%を含めて高くされ、(A)加工材と接
触する少なくとも一つの露出表面を備えそしてダイヤモ
ンド結晶と予備焼結炭化物片の混合物を互いに結合しそ
して互いに分散せしめてなり、その場合前記露出表面の
隣り合う部分がダイヤモンド結晶をのみを結合してなる
ことを特徴とする複合多結晶体、並びに(B)加工材と
接触する少なくとも一つの露出表面を備えそしてダイヤ
モンド結晶と予備焼結炭化物片の混合物を互いに結合し
そして互いに分散せしめてなり、その場合該混合物中の
ダイヤモンド結晶の容積%が前記露出表面から離れる方
向に減少されることを特徴とする複合多結晶体が提供さ
れる。複合多結晶体を支持するための基板を備えること
ができる。混合物中のダイヤモンド結晶の容積%は露出
表面から離れる方向に段階的にもしくは連続的に減少さ
れる。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, there is provided a composite polycrystal comprising at least one exposed surface in contact with a workpiece and comprising a mixture of diamond crystals and pre-sintered carbide pieces bonded together and dispersed together. The concentration of diamond crystals from the material is varied, the diamond concentration is increased including 100% closer to the exposed surface, (A) comprising at least one exposed surface in contact with the workpiece and the diamond crystal and pre-sintered carbide pieces A mixture of polycrystalline materials, wherein adjacent portions of the exposed surface are only bonded with diamond crystals, and (B) contacting with a workpiece. At least one exposed surface and bond the mixture of diamond crystals and pre-sintered carbide pieces together and Wherein the volume percentage of diamond crystals in the mixture is reduced away from the exposed surface. A substrate for supporting the composite polycrystal can be provided. The volume percentage of diamond crystals in the mixture is reduced stepwise or continuously away from the exposed surface.

本発明は、加工材と係合の為の、多結晶ダイヤモンド
と予備焼結炭化物とから成る複合体である。本複合体
は、加工材と接触するに適応した露出表面を有する第1
層を具備している。この層は、多結晶ダイヤモンド、即
ちダイヤモンド結晶を隣りあうダイヤモンド結晶が互い
に結合するに充分の温度及び圧力の下でプレスしたもの
から成る。本複合体はまた、第一層に隣りあいそして多
結晶ダイヤモンドと予備焼結炭化物の混合物から成る第
2層を具備する。即ち、第2層は、隣りあうダイヤモン
ド結晶を互いにそしてまた予備焼結炭化物片に結合せし
めるに充分の熱及び圧力の下でプレスされたダイヤモン
ド結晶と予備焼結炭化物片の混合物層から成り、それに
よりダイヤモンド結晶及び予備焼結炭化物片は互いに分
散される。予備焼結炭化物片或いはダイヤモンド結晶い
ずれかが複合材料に対するマトリツクスを構成する。
The present invention is a composite of polycrystalline diamond and pre-sintered carbide for engagement with a workpiece. The composite has a first surface having an exposed surface adapted to contact the workpiece.
Layer. This layer consists of polycrystalline diamond, ie, a diamond crystal pressed at a temperature and pressure sufficient to allow adjacent diamond crystals to bond together. The composite also includes a second layer adjacent to the first layer and comprising a mixture of polycrystalline diamond and pre-sintered carbide. That is, the second layer comprises a mixture layer of diamond crystals and pre-sintered carbide pieces pressed under sufficient heat and pressure to bond adjacent diamond crystals to one another and also to the pre-sintered carbide pieces. As a result, the diamond crystal and the pre-sintered carbide pieces are dispersed to each other. Either the pre-sintered carbide pieces or the diamond crystals constitute the matrix for the composite.

本発明の一具体例に従えば、第1層はまた予備焼結炭
化物をも含むが、但し第2層より低い濃度とされる。即
ち、第1層におけるPCDの容積%は、第2層におけるPCD
の容積%より大きい。
According to one embodiment of the present invention, the first layer also includes a pre-sintered carbide, but at a lower concentration than the second layer. That is, the volume% of the PCD in the first layer is the PCD in the second layer.
% By volume.

本発明の別の具体例に従えば、第3層が複合体に付加
される。この第3層は第2層に隣りあいそしてPCDと予
備焼結炭化物から成り、第2層におけるより低いダイヤ
モンド濃度を有している。
According to another embodiment of the present invention, a third layer is added to the composite. This third layer is adjacent to the second layer and consists of PCD and pre-sintered carbide and has a lower diamond concentration in the second layer.

本発明の更に別の具体例に従えば、PCDの容積%は2
つの層の各々を通して一様でない。第1層においては、
PCDの容積%は露出即ち作動(作用)表面において側定
する時最大(もつとも好ましくは100%)でありそして
第2層との界面に向けて漸減する。同じく、第2層にお
いても、PCDの容積%は第1層との界面において最大で
ありそして界面から離れるに従い減少する。もつとも好
ましい形態において、2つの層間の境界は区別されな
い。即ち、各層のダイヤモンドの容積%とダイヤモンド
濃度の変化様相は、界面における第1層のダイヤモンド
の容積%が界面における第2層のダイヤモンドの容積%
よりごく僅か高いか或いは同等であるよう選択される。
結果的に、この具体例は、ダイヤモンドの容積%が露出
表面から離れる方向に減少していくような唯一つの多結
晶層を有するものとして定義されうる。別様には、これ
は、露出層が最大ダイヤモンド容積%を有しそして残り
の層が各々ダイヤモンド濃度を僅かに減少していくもの
としての複数の薄層を有するものとして定義づけも可能
である。
According to yet another embodiment of the present invention, the volume percentage of PCD is 2%.
Uneven throughout each of the three layers. In the first layer,
The volume percentage of PCD is maximum (almost preferably 100%) when defined at the exposed or working (working) surface and decreases toward the interface with the second layer. Similarly, also in the second layer, the volume percentage of PCD is greatest at the interface with the first layer and decreases with distance from the interface. In a highly preferred form, the boundary between the two layers is not distinguished. That is, the change in the volume percentage of diamond in each layer and the diamond concentration is such that the volume percentage of diamond in the first layer at the interface is the volume percentage of diamond in the second layer at the interface.
It is selected to be only slightly higher or equivalent.
Consequently, this embodiment can be defined as having only one polycrystalline layer such that the volume percentage of diamond decreases away from the exposed surface. Alternatively, this can be defined as having an exposed layer having a maximum diamond volume percent and the remaining layers having a plurality of thin layers, each with a slight decrease in diamond concentration. .

本発明の更に別の具体例に従えば、複合体は2つ以上
の明確な層から構成される。この場合、各層は比較的一
様なダイヤモンド容積%を有し、露出層が最大限とされ
る。
According to yet another embodiment of the present invention, the composite is composed of two or more distinct layers. In this case, each layer has a relatively uniform diamond volume percentage, maximizing the exposed layer.

更に別の態様において、複合体はまた基板をも包含す
る。こうした基板は、焼結炭化物、鋼、或いは他の金属
質、セラミツク或いはサーメツト材料として構成しう
る。一つの好ましい具体例において、基板は焼結炭化タ
ングステンから成る。別の好ましい具体例において、基
板は、鋼或いは別の鉄基金属から成りそして複合体は更
に基板とPCD含有最近接層との間に配置される予備焼結
炭化物障壁層を包含する。
In yet another aspect, the composite also includes a substrate. Such a substrate may be constructed as a cemented carbide, steel, or other metallic, ceramic or cermet material. In one preferred embodiment, the substrate comprises sintered tungsten carbide. In another preferred embodiment, the substrate comprises steel or another iron-based metal and the composite further comprises a pre-sintered carbide barrier layer disposed between the substrate and the PCD-containing closest layer.

更に別の具体例に従えば、加工材と係合の為の露出表
面を呈する層は2つのPCD/炭化物複合材料の間に狭まれ
る。この特定例は、切削縁刃が中間層から突出しそして
2つの複合材料の側層がドリル軸へのスペードドリン挿
入体の取付けを支持しそして容易ならしめるようなスペ
ードドリル用の挿入体といつた用途に有用である。
According to yet another embodiment, the layer that exhibits an exposed surface for engagement with the workpiece is narrowed between the two PCD / carbide composites. This particular example is an insert for a spade drill such that the cutting edge protrudes from the middle layer and the two composite side layers support and facilitate the attachment of the spade drone insert to the drill shaft. Useful for applications.

具体例の説明 図面を参照すると、第1図は、多結晶ダイヤモンド層
12とそれを支持する焼結炭化物裏当て即ち基板11から構
成される先行技術の複合突固め体10を例示する。例えば
米国特許第3,745,623号を参照されたい。ダイヤモンド
層12は、個々のダイヤモンド結晶を結晶間結合をもたら
すに充分の熱及び圧力の下で処理してなる。焼結炭化物
裏当て11は、ダイヤモンド層12に界面13において緊密に
結合される。プレスサイクル中2つの層11、12の間の界
面13において強固な化学的結合が形成されている。焼結
炭化物裏当て11がダイヤモンド層12より多く収縮する為
に、ダイヤモンド層内に早期割れをもたらす恐れのある
残留応力が2つの層間に惹起される。
Description of specific examples Referring to the drawings, FIG.
A prior art composite tamped body 10 consisting of 12 and a sintered carbide backing or substrate 11 supporting it is illustrated. See, for example, U.S. Patent No. 3,745,623. Diamond layer 12 is obtained by treating individual diamond crystals under heat and pressure sufficient to provide intercrystalline bonding. The cemented carbide backing 11 is tightly bonded to the diamond layer 12 at the interface 13. During the press cycle, a strong chemical bond is formed at the interface 13 between the two layers 11,12. Because the cemented carbide backing 11 shrinks more than the diamond layer 12, residual stresses are created between the two layers that can lead to premature cracking in the diamond layer.

第2図は、本発明の複合多結晶ダイヤモンド体を製造
するのに使用されうるプレス用ユニツト20の断面を示
す。プレス用ユニツト20は、筒状でありそして米国特許
第3,913,280号(キユービツクプレスにおいて使用の
為)或いは米国特許第3,745,623号(ベルト型プレスに
おいて使用の為)に記載されるもののような超高圧力及
び温度セルの中央空洞内に嵌まるよう設計されている。
プレス用ユニツト20は中空管14を含み、その上下にデイ
スク15,16が置かれる。管14並びにデイスク15及び16
は、可塑性圧力伝達媒体として機能しそして好ましくは
プレスされたNaC1から成る。但し、タルク或いは六方晶
窒化硼素もまた使用されうる。
FIG. 2 shows a cross section of a pressing unit 20 that can be used to produce the composite polycrystalline diamond body of the present invention. The pressing unit 20 is cylindrical and may be ultra-high such as those described in US Pat. No. 3,913,280 (for use in a cubic press) or US Pat. No. 3,745,623 (for use in a belt-type press). Designed to fit within the central cavity of the pressure and temperature cell.
The pressing unit 20 includes a hollow tube 14 on which disks 15, 16 are placed. Tube 14 and disks 15 and 16
Serves as a plastic pressure transmitting medium and preferably consists of pressed NaCl. However, talc or hexagonal boron nitride can also be used.

管14内には、やはり筒状でありそして底端において閉
成される保護金属包囲体17が配置される。この包囲体17
は好ましくは高い融点の故にモリブデン製とされるが、
ジルコニウム或いはタンタルのような他の金属もまた良
好に使用しうる。通常包囲体17と同じ金属から成るデイ
スク18が包囲体17の上端に蓋として置かれる。
Disposed within the tube 14 is a protective metal enclosure 17, also cylindrical and closed at the bottom end. This enclosure 17
Is preferably made of molybdenum because of its high melting point,
Other metals such as zirconium or tantalum may also be used successfully. A disk 18 usually made of the same metal as the enclosure 17 is placed as a lid on the upper end of the enclosure 17.

基板21が包囲体17の底部に置かれる。この基板は好ま
しい具体例ではコバルトバインダを使用した焼結炭化タ
ングステン(所謂超硬合金)から成る。この組成の基板
は、多結晶ダイヤモンドを形成するのに使用される触媒
/バインダ系の多くと化学的に適合しうることが判明し
た。また、他の金属、セラミツク或いはサーメツトから
成る基板も使用しうる。例えば、鋼その他の鉄基合金が
使用しうる。しかし、PCDを生成するのに使用される触
媒/バインダ系と化学的に反応性の或いはその他の点で
不適合な鋼その他の材料を使用する時、基板とダイヤモ
ンドとの間に障壁として機能する追加層を含めることが
所望される。予備焼結炭化物粒から成る層がこの役目を
なすものととして好首尾に使用された。基板21は生成さ
れる突固め体に対して支持作用をなしうる。また、基板
21は突固め体を工具に接合するのに使用されうる。
The substrate 21 is placed on the bottom of the enclosure 17. This substrate is made of sintered tungsten carbide (a so-called cemented carbide) using a cobalt binder in a preferred embodiment. It has been found that substrates of this composition can be chemically compatible with many of the catalyst / binder systems used to form polycrystalline diamond. Substrates made of other metals, ceramics or cermets can also be used. For example, steel or other iron-based alloys may be used. However, when using steel or other materials that are chemically reactive or otherwise incompatible with the catalyst / binder system used to generate the PCD, an additional barrier that acts as a barrier between the substrate and diamond It is desirable to include a layer. A layer of pre-sintered carbide grains has been successfully used to do this. The substrate 21 can serve as a support for the compacted body to be produced. Also, the substrate
21 can be used to join the tamped body to the tool.

基板21に隣りあつて、予備焼結炭化物片22とダイヤモ
ンド結晶23並びに多結晶ダイヤモンドの形成の為の触媒
/バインダ材料の混合物から成る遷移層24が配置され
る。この混合物は、予備焼結炭化物片22をダイヤモンド
結晶23及び適当な触媒/バインダ材料と共にボールミル
処理することにより生成されうる。この粉砕混合物が金
属包囲体17内に基板21上に注入される。この好ましい具
体例において、ダイヤモンド結晶23と予備焼結炭化物片
22の比率は、炭化物片がこの遷移層の約60容積%を占め
るものとして表すことが出来る。すなわち、ダイヤモン
ドがその触媒/バインダと共に約40容積%を占める。
Adjacent to the substrate 21 is a pre-sintered carbide piece 22 and a diamond crystal 23 as well as a transition layer 24 comprising a mixture of a catalyst / binder material for the formation of polycrystalline diamond. This mixture can be produced by ball milling a pre-sintered carbide piece 22 with diamond crystals 23 and a suitable catalyst / binder material. This pulverized mixture is injected into the metal enclosure 17 on the substrate 21. In this preferred embodiment, the diamond crystal 23 and the pre-sintered carbide pieces
A ratio of 22 can be expressed as carbide pieces occupying about 60% by volume of this transition layer. That is, diamond occupies about 40% by volume with its catalyst / binder.

予備焼結炭化物片22は、コバルトバインダを使用する
焼結炭化タングステンから成る。現在の所、化学的適合
性の理由により、予備焼結炭化物片22がバインダ相を含
めて基板21と同じ組成を有するものとすることが好まし
い。しかし、炭化物片22の弾性モジユラスを基板21のそ
れとは異つた性質を持たせるようにする為予備焼結炭化
物片におけるバインダ含量を変えることもまた所望され
よう。同じく、2つ以上の遷移層を有する別の具体例で
は、予備焼結炭化物片内のバインダ含量或いは炭化タン
グステン粒寸が同じ結果を達成する為に層毎に変更され
うる。
Pre-sintered carbide pieces 22 consist of sintered tungsten carbide using a cobalt binder. At present, for chemical compatibility reasons, it is preferred that the pre-sintered carbide pieces 22 have the same composition as the substrate 21, including the binder phase. However, it may also be desirable to vary the binder content in the pre-sintered carbide piece so that the elastic modulus of the carbide piece 22 has different properties than that of the substrate 21. Also, in other embodiments having more than one transition layer, the binder content or tungsten carbide grain size in the pre-sintered carbide pieces can be varied from layer to layer to achieve the same result.

予備焼結炭化物片22の寸法と形状は様々の結果を実現
するべく様々に変更されうる。形状は規則的な場合も、
不規則的な場合もありうる。予備焼結炭化物片のもつと
も経済的な源が粉砕グリツト或いは火災噴射予備焼結グ
リツトであることからして、不規則形状の片が現在の所
好ましい。便宜上及び明示上、炭化物片22の寸法は図面
には跨張して示されている。実際上、それらは拡大なし
では見えない程小さいものであることが好ましい。特
に、−325メツシユ(米国篩基準)の粒寸が好ましい。
加えて、炭化物片がダイヤモンド対ダイヤモンド結合の
形成を妨げる程度を軽減する為にダイヤモンド結晶より
充分に大きな炭化物片を使用することが好ましいように
思われる。
The size and shape of the pre-sintered carbide pieces 22 can be varied to achieve various results. Even if the shape is regular,
It can be irregular. Irregular shaped pieces are presently preferred because the most economical source of pre-sintered carbide pieces is crushed or fire-blasted pre-sintered grit. For convenience and clarity, the dimensions of the carbide pieces 22 are shown straddling in the drawing. In practice, they are preferably small enough to be invisible without magnification. In particular, a particle size of -325 mesh (US sieve standard) is preferred.
In addition, it may seem preferable to use carbide pieces that are sufficiently larger than the diamond crystal to reduce the extent to which the carbide pieces prevent the formation of diamond-to-diamond bonds.

使用されるダイヤモンド結晶23の寸法もまた、特定の
用途の必要性に合うよう周知の手段により変化されう
る。好ましい具体例では、1〜100ミクロンの、もつと
も好ましくは4〜12ミクロンのダイヤモンド混合物が使
用される。PCDの形成の為の様々の触媒/バインダ物質
が斯界でよく知られている。この好ましい具体例におい
ては、コバルト粉末から成りそしてダイヤモンド−コバ
ルト混合物の場合1対10容積比において存在する触媒/
バインダがダイヤモンド結晶と混合される。
The dimensions of the diamond crystal 23 used can also be varied by known means to meet the needs of a particular application. In a preferred embodiment, a 1-100 micron, and preferably 4-12 micron, diamond mixture is used. Various catalyst / binder materials for the formation of PCD are well known in the art. In this preferred embodiment, the catalyst / catalyst comprising cobalt powder and present in a 1 to 10 volume ratio in the case of a diamond-cobalt mixture
A binder is mixed with the diamond crystals.

別様には、この層24においてダイヤモンド結晶を互い
に結合する為の触媒は予備焼結炭化物片中に存在するバ
インダから部分的に或いは全面的に誘導されうる。換言
すれば、予備焼結炭化物片22中のコバルトその他のバイ
ンダがプレスサイクル中ダイヤモンド結晶23に対する触
媒/バインダとして作用するに充分の量において予備焼
結炭化物片から取込まれうる。
Alternatively, the catalyst for bonding the diamond crystals together in this layer 24 may be partially or entirely derived from the binder present in the pre-sintered carbide pieces. In other words, the cobalt or other binder in the pre-sintered carbide pieces 22 may be taken from the pre-sintered carbide pieces in an amount sufficient to act as a catalyst / binder for the diamond crystals 23 during the press cycle.

上記混合物に隣りあつて、或る量のダイヤモンド結晶
と適当な触媒/バインダ材料、好ましくは遷移層におけ
るのと同一の触媒/バインダ材料とから成る別の層25が
置かれる。やはり、この層25における触媒/バインダ
は、部分的に或いは全面的に予備焼結炭化物片22から移
入するバインダから供給されうる。この層25は、包囲体
17内に遷移層24上に注入すればよい。この層25は、生成
する複合突固め体の露出表面即ち作動(用)表面を形成
する。
Adjacent to the mixture is another layer 25 of an amount of diamond crystals and a suitable catalyst / binder material, preferably the same catalyst / binder material as in the transition layer. Again, the catalyst / binder in this layer 25 may be supplied in part or in whole from a binder which is introduced from the pre-sintered carbide pieces 22. This layer 25 is
What is necessary is just to implant in the transition layer 24 in 17. This layer 25 forms the exposed or working surface of the resulting composite compact.

この具体例において、ダイヤモンド結晶は遷移層にお
けるのと同等の寸法のものの混合物として存在する。し
かし、この層は最終製品の作動表面を含んでいるので、
特定用途に合うようダイヤモンド粒寸を変えることも所
望されよう。例えば、精密研削、ワイヤ引抜き等のよう
な用途の為に露出表面の仕上り度を改善する為に0〜5
ミクロンのような微細なダイヤモンド結晶を使用するこ
とが好まれよう。更に、最小ダイヤモンド結晶から成る
上層を備えて2層以上のダイヤモンド結晶層を含めるこ
とが所望される場合もある。
In this embodiment, the diamond crystals are present as a mixture of comparable dimensions as in the transition layer. However, since this layer contains the working surface of the final product,
It would also be desirable to vary the diamond grain size to suit a particular application. For example, 0-5 to improve the finish of the exposed surface for applications such as precision grinding, wire drawing, etc.
It would be preferable to use fine diamond crystals, such as microns. In addition, it may be desirable to include more than one diamond crystal layer with an upper layer comprising the smallest diamond crystal.

第3図は、本発明に従つて作製された複合体30の斜視
図である。切削、研削、粉砕、機械加工並びにベアリン
グのような厳しい耐摩耗性及び耐衝撃性を必要とするそ
の他の用途向けに適当な複合体30は、基板31を含んでい
る。ここに示される基板はコバルトをバインダとした炭
化タングステンの焼結盤から成る。上述したように、基
板31として他の材料も使用可能である。幾つかの用途に
おいて、基板31は工具ホルダ或いは他の支持体にろう接
される。
FIG. 3 is a perspective view of a composite 30 made in accordance with the present invention. A composite 30 suitable for cutting, grinding, crushing, machining, and other applications requiring severe wear and impact resistance, such as bearings, includes a substrate 31. The substrate shown here comprises a tungsten carbide sinter with cobalt as a binder. As described above, other materials can be used for the substrate 31. In some applications, the substrate 31 is soldered to a tool holder or other support.

基板31にすぐ隣りあつて、遷移層34が存在する。遷移
層34は、多結晶ダイヤモンド37と予備焼結炭化物片36
(好ましくは例示よりはるかに小さい)の一体結合混合
物から成る。詳しくは、遷移層34は、ダイヤモンド結晶
と触媒/バインダ材料及び予備焼結炭化物片の混合物を
隣りあうダイヤモンド結晶を互いにまた予備焼結炭化物
片に結合せしめるに充分の熱及び圧力の下でプレスして
構成される。遷移層34はまた、プレス後多結晶組織中に
残つた残留触媒/バインダ材料を含んでいる。遷移層34
における多結晶ダイヤモンドの濃度(僅かの穿孔及び残
留触媒/バインダを含む)は20〜60%、もつとも好まし
くは40%前後である。しかし、前記出願に論議した様々
の理由のために、この濃度は特定用途に合うよう上下に
調節されうる。
Immediately adjacent to the substrate 31, there is a transition layer. Transition layer 34 comprises polycrystalline diamond 37 and pre-sintered carbide pieces 36.
(Preferably much smaller than illustrated). Specifically, transition layer 34 is formed by pressing a mixture of diamond crystals and catalyst / binder material and pre-sintered carbide pieces under heat and pressure sufficient to bond adjacent diamond crystals to each other and to the pre-sintered carbide pieces. It is composed. The transition layer 34 also includes residual catalyst / binder material left in the polycrystalline structure after pressing. Transition layer 34
The concentration of polycrystalline diamond (including slight perforations and residual catalyst / binder) is between 20 and 60%, and preferably around 40%. However, for various reasons discussed in the application, this concentration may be adjusted up or down to suit a particular application.

遷移層34に隣りあつて、露出表面即ち作動表面(作用
表面)39を含む上層(図示されるものとして)35が存在
する。この上層35は多結晶ダイヤモンド38から成る。詳
しくは、多結晶ダイヤモンド38は、ダイヤモンド結晶と
触媒/バインダ材料を隣りあうダイヤモンド結晶を互い
に結合せしめるに充分の熱及び圧力の下でプレスするこ
とから形成される。好ましくは、触媒/バインダ材料は
コバルト粉末であり、そしてこの上層及び遷移層中にダ
イヤモンドに対して1対10容積比で存在する。別様に
は、この上層に対する触媒/バインダは部分的に或いは
全面的に遷移層から移入するバインダから得られる。
Adjacent to the transition layer 34 is an upper layer (as shown) 35 that includes an exposed or working surface 39. This upper layer 35 is made of polycrystalline diamond 38. Specifically, the polycrystalline diamond 38 is formed by pressing the diamond crystal and catalyst / binder material under sufficient heat and pressure to bond the adjacent diamond crystals together. Preferably, the catalyst / binder material is cobalt powder and is present in the upper and transition layers in a 1 to 10 volume ratio to diamond. Alternatively, the catalyst / binder for this upper layer may be partially or wholly obtained from a binder that migrates from the transition layer.

第4図は、第3図の4-4線に沿う断面図である。遷移
層34は界面32において基板31と面している。上述したよ
うに、代表的な先行技術の複合突固め体において、基板
とPCD層との界面は熱膨脹差により生じる応力の故に構
造体における弱点となる可能性があつた。しかし、本発
明の遷移層34を使用すれば、遷移層が全体として焼結炭
化物基板31と多結晶ダイヤモンド層35との中間の熱膨脹
特性を有しているという事実により熱膨脹問題が軽減さ
れる。即ち、突固め体30のプレス後の冷却段階中、遷移
層はPCD層35より大きく収縮する基板31よりは収縮度は
小さい。その結果、複合突固め体への歪みは特に界面32
において大巾に減少する。
FIG. 4 is a sectional view taken along the line 4-4 in FIG. Transition layer 34 faces substrate 31 at interface 32. As noted above, in typical prior art composite compacts, the interface between the substrate and the PCD layer could be a weak point in the structure due to the stress caused by the differential thermal expansion. However, the use of the transition layer 34 of the present invention alleviates the thermal expansion problem due to the fact that the transition layer as a whole has a thermal expansion characteristic intermediate between that of the sintered carbide substrate 31 and the polycrystalline diamond layer 35. That is, during the cooling stage after pressing of the compact 30, the transition layer has a smaller degree of shrinkage than the substrate 31 which shrinks more than the PCD layer 35. As a result, the strain on the composite compact is
At a large decrease.

これは重要な利点である。本発明者の経験において、
先行技術の突固め体において焼結炭化物基板とPCD層と
の間の収縮速度の差異はPCD層中にクラツクを発生せし
め、30%にものぼる高い不合格率をもたらした。これと
は対照的に、本発明に従う遷移層を備えて作製された複
合突固め体のバツチは5%以下のクラツク発生による不
合格率しか示さなかつた。
This is an important advantage. In our experience,
The difference in shrinkage rate between the cemented carbide substrate and the PCD layer in prior art compacts resulted in cracks in the PCD layer, resulting in high reject rates as high as 30%. In contrast, batches of composite tamped bodies made with the transition layer according to the present invention only showed a rejection rate of less than 5% due to cracking.

第4図はまた、本発明の別の利点を示している。図示
されるように、基板31と遷移層34との間の界面32におい
て、基板31に隣接して多数の予備焼結炭化物片36が存在
している。プレスサイクル中、これら隣接炭化物片は基
板31に焼付く。その結果、炭化物基板−ダイヤモンド界
面は非平面状となる。斯くして、両者間の潜在応力は更
に減少する。
FIG. 4 also illustrates another advantage of the present invention. As shown, at the interface 32 between the substrate 31 and the transition layer 34, there are a number of pre-sintered carbide pieces 36 adjacent to the substrate 31. During the press cycle, these adjacent carbide pieces burn into the substrate 31. As a result, the carbide substrate-diamond interface becomes non-planar. Thus, the potential stress between the two is further reduced.

本発明のまた別の重要な利点は、100%PCDの作動表面
を保持したまま複合PCD/炭化物材料の利益を実現するこ
とを可能ならしめたという事実である。これは、最大摩
耗耐性を最大限に維持しつつ先行技術のPCD突固め体の
問題の幾つかを軽減するので有利である。100%PCD作動
表面は均質な表面がもつとも所望されるベアリングのよ
うな用途において特に重要である。
Another important advantage of the present invention is the fact that it has become possible to realize the benefits of a composite PCD / carbide material while retaining a working surface of 100% PCD. This is advantageous because it alleviates some of the problems of prior art PCD compacts while maximizing maximum wear resistance. A 100% PCD working surface is particularly important in applications such as bearings where a homogeneous surface is also desired.

第5図は、本発明の別の具体例に従つて作製された複
合突固め体50の断面である。特に、この具体例は、2つ
の明確に区別しうる多結晶ダイヤモンド層を有さずに、
PCD54と予備焼結炭化物55との混合物から成る単一の多
結晶ダイヤモンド層53を具備している。PCD濃度は露出
表面即ち作動表面59において最大である。好ましくは、
PCD54の濃度はここで示すように100容積%(残留触媒/
バインダ材料含めて)である。PCD54の濃度は、露出表
面から離れて基板51との界面52に向う方向に或る勾配に
おいて漸減する。逆に言うと、予備焼結炭化物の容積%
が同方向に増加する。より好ましくは、PCD54の容積%
は界面52において0%乃至その近傍とされる。
FIG. 5 is a cross section of a composite compact 50 made in accordance with another embodiment of the present invention. In particular, this embodiment does not have two distinct diamond layers,
It comprises a single polycrystalline diamond layer 53 consisting of a mixture of PCD 54 and pre-sintered carbide 55. The PCD concentration is greatest at the exposed or working surface 59. Preferably,
The concentration of PCD54 was 100% by volume (residual catalyst /
(Including binder material). The concentration of PCD 54 gradually decreases in a direction away from the exposed surface and toward interface 52 with substrate 51. Conversely, volume% of pre-sintered carbide
Increases in the same direction. More preferably, the volume% of PCD54
At the interface 52 is 0% or more.

別様には、この具体例は、各々が露出表面59を含む層
から離れるに従いPCD濃度を減少するような幾つかの薄
い層を集合したものとしても定義しうる。実際上、これ
がこの具体例を実現する為のもつとも容易な方法であ
る。即ち、この濃度勾配は、プレス用セル内に多結晶ダ
イヤモンド濃度が増大する幾つかの薄い層を順次置くこ
とにより生成され、最終的に濃度勾配型突固め体50が作
製される。
Alternatively, this embodiment may be defined as a collection of several thin layers, each decreasing the PCD concentration as one moves away from the layer containing the exposed surface 59. In practice, this is an easy way to implement this embodiment. That is, this concentration gradient is generated by sequentially placing several thin layers of increasing polycrystalline diamond concentration in the pressing cell, and finally the concentration gradient compact 50 is produced.

濃度勾配型突固め体50を生成するまた別の方法は、プ
レス用セルへのダイヤモンド及び予備焼結炭化物片の添
加割合を注意深く制御しつつ変化づけることである。ま
た別の方法は、ダイヤモンドと予備焼結炭化物混合物の
注意深く制御された遠心作用の利用である。この遠心方
法は、プレスに先立つて容易に除去されうるアセトンの
ような分散媒体を必要としよう。
Another method of producing the gradient compact 50 is to vary the proportion of diamond and pre-sintered carbide pieces added to the pressing cell with careful control. Yet another approach is to use a carefully controlled centrifugal action of the diamond and pre-sintered carbide mixture. This centrifugation method will require a dispersing medium such as acetone, which can be easily removed prior to pressing.

第6図は、本発明のまた別の具体例に従つて作製され
た、ローラコーン砕岩ビツトにおいての使用に適した挿
入体60の断面図である。この挿入体60は基体即ち挿入体
胴体61を含んでいる。好ましい具体例では、胴体61は鋼
製である。鋼の方が焼結炭化物より好ましい。理由は、
鋼の方が作製容易であり、溶接により接合できそしてよ
り低い弾性モジユラスを有し、それにより挿入体を一層
耐衝撃性となしまたビツト内に締まりばめによつて好適
に取付け可能とするからである。周知の技術によつて、
胴体61はローラコーン砕岩ビツトの特定切削構造体にお
いて使用するに好適であるよう適正に賦形される。
FIG. 6 is a cross-sectional view of an insert 60 made in accordance with yet another embodiment of the present invention and suitable for use in roller cone crushed bits. The insert 60 includes a base or insert body 61. In a preferred embodiment, the fuselage 61 is made of steel. Steel is preferred over sintered carbide. Reason,
Steel is easier to make, can be joined by welding, and has a lower elastic modulus, which makes the insert more impact resistant and can be suitably mounted in the bit by an interference fit. It is. According to well-known technology,
The fuselage 61 is properly shaped to be suitable for use in a specific cutting structure of roller cone rock bits.

胴体61にすぐ隣りあつて障壁62が存在する。この場
合、障壁層は予備焼結炭化物グリツトをプレスサイクル
中互いに溶接せしめて構成される。この障壁層は多結晶
ダイヤモンドと鋼とを分離するという重要な作用を果
す。これは、鋼からの鉄元素が溶けそれによりダイヤモ
ンドのグラフアイト化を触発する強い傾向の故に必要と
される。この結果はまた別には、プレスサイクル中鉄が
ダイヤモンドと接触状態になるなら起ろう。PCDが鋼に
隣接して存在すると使用中遭遇するグラフアイト化を生
みやすいので、突固め体の使用中鋼を多結晶ダイヤモン
ドから隔離状態に維持することも同じく重要である。
A barrier 62 exists immediately adjacent to the body 61. In this case, the barrier layer is constructed by welding pre-sintered carbide grit to one another during a press cycle. This barrier layer plays an important role in separating polycrystalline diamond from steel. This is required due to the strong tendency of the iron element from the steel to melt and thereby trigger the graphitization of the diamond. This result would otherwise occur if the iron came into contact with the diamond during the press cycle. It is also important to keep the steel isolated from the polycrystalline diamond during use of the compacted body, as the PCD adjacent to the steel is likely to produce the graphite encountered during use.

CBNが溶融鉄基合金に低い溶解度しか持たないことが
知られているから、炭素拡散に対する障壁として多結晶
CBN(プレスサイクル中焼結された)遷移層を組込んだ
別の具体例も所望されよう。
Since CBN is known to have low solubility in molten iron-based alloys, polycrystalline as a barrier to carbon diffusion
Other embodiments incorporating a CBN (sintered during press cycle) transition layer would also be desirable.

この分離作用は第5図に示されるような多結晶層によ
つて同じく果されよう。即ち、もし予備焼結炭化物片の
勾配濃度が基板と接触する前に100%に達したなら、基
板として鋼、別の鉄基合金或いは別の不適合材料の使用
が可能である。
This separation effect will also be achieved by a polycrystalline layer as shown in FIG. That is, if the gradient concentration of the pre-sintered carbide pieces reaches 100% before contacting the substrate, steel, another iron-based alloy or another incompatible material can be used as the substrate.

次いで、遷移層63が障壁層62にすぐ隣りあつて設けら
れる。遷移層は、予備焼結炭化物片とダイヤモンド結晶
の混合物を両者の相互分散マトリツクスを生成するに充
分の熱及び圧力においてプレスして構成される。好まし
くは、この遷移層は約40容積%PCDを含む。
Next, a transition layer 63 is provided immediately adjacent to the barrier layer 62. The transition layer is constructed by pressing a mixture of pre-sintered carbide pieces and diamond crystals at heat and pressure sufficient to produce an interdispersed matrix of both. Preferably, the transition layer comprises about 40% PCD by volume.

遷移層63にすぐ隣りあつて、作動層64が設けられる。
この層64は切削或いは粉砕されるべき岩盤と実際に接触
することになる作動表面65を含んでいる。この層64は遷
移層におけるのとはまた別の予備焼結炭化物−PCD混合
物から成る。しかし、この層においては、PCDは一層高
い容積%、好ましくは60%にある。岩盤ドリル作業にお
ける挿入体にかかる激しい衝撃力の故に、作動層に予備
焼結炭化物片を含めることが好ましいと考えられる。炭
化物濃度の高い遷移層が高い衝撃力に耐える挿入体の能
力を改善する点で有益であることが見出された。
Immediately adjacent to the transition layer 63, an actuation layer 64 is provided.
This layer 64 includes a working surface 65 that will actually make contact with the rock to be cut or ground. This layer 64 comprises another pre-sintered carbide-PCD mixture than in the transition layer. However, in this layer, the PCD is at a higher volume percentage, preferably at 60%. It may be preferable to include a pre-sintered carbide piece in the working layer because of the high impact forces on the insert during rock drilling operations. High carbide transition layers have been found to be beneficial in improving the insert's ability to withstand high impact forces.

これら層62,63及び64をプレスに先立つて胴体61に適
用する為には、プレスの為これら層を然るべく保持する
べくパラフインのような一時結合剤を微量使用すること
が必要となるかもしれない。しかし、そうした一時結合
剤を使用せずともこれら混合物は或る程度まで然るべく
付着しそしてとどまつていることが認められた。これは
恐らくコバルト粉末触媒/バインダの存在によるか或い
は粉末の微細さによるものと思われる。
Applying these layers 62, 63 and 64 to the fuselage 61 prior to pressing may require the use of traces of temporary binders such as paraffin to hold these layers in place for pressing. unknown. However, even without the use of such temporary binders, it was observed that these mixtures adhered and stayed to some extent. This is probably due to the presence of the cobalt powder catalyst / binder or the fineness of the powder.

実施例1 上述したようにして、プレス用ユニツトの底に焼結炭
化物基板を置いた。この基板は、コバルトバインダを全
体の14重量%用いた炭化タングステンの予備焼結盤とし
た。この盤はタングステンカーバイドマニフアクチヤリ
ング社からコードNo.614として得た。
Example 1 A sintered carbide substrate was placed on the bottom of a pressing unit as described above. This substrate was a pre-sintering plate of tungsten carbide using a cobalt binder of 14% by weight. This disc was obtained from Tungsten Carbide Manifacturing as Code No. 614.

ダイヤモンド結晶、触媒/バインダ材料及び予備焼結
炭化物片の混合物を、ダイヤモンド、コバルト粉末及び
予備焼結炭化タングステングリツト片を炭化タングステ
ン内張りボールミル内で完全にミリング(粉砕混合)処
理することによつて得た。生成混合物は、4〜8ミクロ
ンにおいて65%そして0.5〜1ミクロンにおいて35%の
ダイヤモンド粒寸を有した。コバルト粉末の形での触媒
/バインダはダイヤモンドコバルト混合物の13重量%と
して含めた。予備焼結炭化物片は30ミクロンの平均寸法
と11%のコバルトバインダ含有量を有した。予備焼結炭
化物片はこの混合物の60容積%を占めた。
The mixture of diamond crystals, catalyst / binder material and pre-sintered carbide pieces is completely milled (pulverized and mixed) of diamond, cobalt powder and pre-sintered tungsten carbide pieces in a tungsten carbide lined ball mill. Obtained. The resulting mixture had a diamond grain size of 65% at 4-8 microns and 35% at 0.5-1 micron. The catalyst / binder in the form of cobalt powder was included as 13% by weight of the diamond cobalt mixture. The pre-sintered carbide pieces had an average size of 30 microns and a cobalt binder content of 11%. Pre-sintered carbide pieces accounted for 60% by volume of the mixture.

この混合物を浄化されそして800℃において水素ガス
と真空で交互に処理することによつて還元した。0.4mm
のこの混合物層を基板の上面に注入して、遷移層とし
た。
The mixture was clarified and reduced at 800 ° C. by alternating treatment with hydrogen gas and vacuum. 0.4mm
Was injected into the upper surface of the substrate to form a transition layer.

次いで、ダイヤモンド結晶及びコバルト粉末の混合物
(粒寸及びコバルト含有量は遷移層におけるの(同様)
を遷移層上に注いだ。この上層もまた0.4mm厚とした。
Then a mixture of diamond crystals and cobalt powder (grain size and cobalt content in transition layer (similar)
Was poured onto the transition layer. This upper layer was also 0.4 mm thick.

プレス用セルをキュービツクプレス機のアンビル間に
置きそして約60Kbarにまで加圧しそして約1450℃に約2
分加熱した。その後、圧力及び温度を減じそしてセルを
冷却せしめた。
The pressing cell is placed between the anvils of a cubic press and pressurized to about 60 Kbar and at about 1450 ° C.
Heated for a minute. Thereafter, the pressure and temperature were reduced and the cell was allowed to cool.

回収した突固め体は、クラツク発生の兆候を全く示さ
なかつた。回転している花岡岩丸材に押しつけての摩耗
試験において、この突固め体は標準PCD突固め体と同様
の耐摩耗性を示した。
The recovered compact did not show any signs of cracking. In a wear test against the rotating Hanaokaiwa round material, this compact showed the same abrasion resistance as the standard PCD compact.

実施例2 上層にその40容積%の量において予備焼結炭化物片を
含めた点を除いて、例1と同様にして突固め体を作製し
た。回収した突固め体はクラツク発生の兆候を全く示さ
なかつた。
Example 2 A compact was produced in the same manner as in Example 1 except that the upper layer contained a pre-sintered carbide piece in an amount of 40% by volume. The recovered compact did not show any signs of cracking.

実施例3 鋼基板の上に4層を形成したことを除いて例1と同様
にして突固め体を作製した。詳しくは、予備焼結炭化タ
ングステングリツトから成る(即ち100%)0.25mm厚の
層を鋼基板上に置いた。次いで、60容積%予備焼結炭化
タングステングリツトと40容積%ダイヤモンド結晶及び
コバルトバインダから成る同様の厚さの層をセル内に置
いた。その上に、40容積%予備焼結炭化タングステング
リツトと60容積%ダイヤモンド及びそのコバルトバイン
ダから成る0.25mm厚の層を形成した。最後に100容積%
ダイヤモンド及びそのコバルトバインダから成る上層を
付加した。回収された突固め体はクラツク発生の兆候を
全く示さなかつた。加えて、鋼基板の使用によるマイナ
スの影響は見られなかつた。
Example 3 A compacted body was produced in the same manner as in Example 1 except that four layers were formed on a steel substrate. Specifically, a 0.25 mm thick layer of pre-sintered tungsten carbide grit (ie, 100%) was placed on a steel substrate. A layer of similar thickness consisting of 60% by volume pre-sintered tungsten carbide grit and 40% by volume diamond crystal and cobalt binder was then placed in the cell. A 0.25 mm thick layer of 40% by volume pre-sintered tungsten carbide grit and 60% by volume diamond and its cobalt binder was formed thereon. Finally 100% by volume
An upper layer consisting of diamond and its cobalt binder was added. The recovered compact did not show any signs of cracking. In addition, no negative effects were seen with the use of steel substrates.

例示した具体例はすべて基板を含めたけれども、こう
した基板を必要としない、本発明PCD複合突固め体に対
する多くの用途が存在する。実際上、本発明は炭化物含
有遷移層が支持体に直接ろう接されうるという利点を提
供する。即ち、複合材料中の炭化物片にろうが付着しう
るから、遷移層に直接ろう接することが可能である。
Although all of the illustrated embodiments include a substrate, there are many uses for the PCD composite compacts of the present invention that do not require such a substrate. In effect, the present invention provides the advantage that the carbide-containing transition layer can be brazed directly to the support. That is, the braze can adhere to the carbide pieces in the composite material, and thus can be directly brazed to the transition layer.

例示具体例はすべては突固め体の主面を構成する作動
表面を示したけれども、突固め体の副次的な面を作動面
とすることも可能である。例えば、スペードドリル用挿
入体を作製する際、高濃度のPCDから成る切削層はその
2つの主側面においてもつと低いPCD濃度を持つ複合体
層によつて側面を囲われる。切削層は側面層を越えて突
出しそしてそれらにより支持される。加えて、側面層は
スペードドリル挿入体をドリル軸内に取付けるのを容易
ならしめるのに使用出来る。
Although all of the illustrated embodiments show the working surface constituting the main surface of the compacted body, it is also possible to make the secondary surface of the compacted body the working surface. For example, when making inserts for spade drills, the cutting layer of high PCD concentration is flanked on its two major sides by a composite layer having a low PCD concentration. The cutting layers project beyond the side layers and are supported by them. In addition, the side layers can be used to facilitate mounting the spade drill insert within the drill shaft.

本発明の範囲内で多くの改変が為しうることを銘記さ
れたい。
It should be noted that many modifications can be made within the scope of the present invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は先行技術の複合突固め体の一例の斜視図であ
る。 第2図は、本発明の複合体作製に使用されるプレス用セ
ルの断面図である。 第3図は、本発明の一具体例の斜視図である。 第4図は第3図の4-4線に沿う断面図である。 第5図は、ダイヤモンド容積%が露出面から離れる方向
に減少する、本発明のまた別の具体例の断面図である。 第6図は、本発明のまた別の具体例に従つて作製された
ローラコーン砕岩ビツト用の挿入体の断面図である。 10:従来技術の複合突固め体 11:基板 12:ダイヤモンド層 13:界面 20:プレス用ユニツト 21:基板 22:予備焼結炭化物片 23:ダイヤモンド結晶 24遷移層 25:上層 31:基板 34:遷移層 35:上層 39:作動表面 36:予備焼結炭化物片 37:ダイヤモンド 38:多結晶ダイヤモンド
FIG. 1 is a perspective view of an example of a composite compacted body of the prior art. FIG. 2 is a cross-sectional view of a press cell used for producing the composite of the present invention. FIG. 3 is a perspective view of one embodiment of the present invention. FIG. 4 is a sectional view taken along the line 4-4 in FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view of yet another embodiment of the present invention in which the diamond volume percentage decreases away from the exposed surface. FIG. 6 is a cross-sectional view of a roller cone rock bit insert made in accordance with yet another embodiment of the present invention. 10: Conventional compacted compact 11: Substrate 12: Diamond layer 13: Interface 20: Pressing unit 21: Substrate 22: Pre-sintered carbide piece 23: Diamond crystal 24 Transition layer 25: Upper layer 31: Substrate 34: Transition Layer 35: Upper layer 39: Working surface 36: Pre-sintered carbide pieces 37: Diamond 38: Polycrystalline diamond

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C04B 37/00 C04B 37/00 A ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Agency reference number FI Technical display location C04B 37/00 C04B 37/00 A

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】加工材と接触する露出表面を備え、そして
ダイヤモンド結晶と予備焼結炭化物片の混合物を加熱及
び加圧下でプレスして隣り合うダイヤモンド結晶を互い
に結合して形成された多結晶ダイヤモンド材を予備焼結
炭化物片に結合した複合多結晶材料からなり、該多結晶
ダイヤモンド材と該予備焼結炭化物片とが混合物中のダ
イヤモンド結晶の容積%が前記露出表面に向かう方向に
増大するよう互いに分散せしめられていることを特徴と
する複合多結晶体。
1. A polycrystalline diamond having an exposed surface in contact with a workpiece and formed by pressing a mixture of diamond crystals and pre-sintered carbide pieces under heat and pressure to bond adjacent diamond crystals together. A composite polycrystalline material having the material bonded to a pre-sintered carbide piece such that the polycrystalline diamond material and the pre-sintered carbide piece increase the volume percent of diamond crystals in the mixture toward the exposed surface. A composite polycrystal which is dispersed in each other.
【請求項2】複合多結晶体を支持するための基板を備え
る特許請求の範囲第1項記載の複合多結晶体。
2. The composite polycrystal according to claim 1, further comprising a substrate for supporting the composite polycrystal.
【請求項3】基板が焼結炭化物から成る特許請求の範囲
第2項記載の複合多結晶体。
3. The composite polycrystalline body according to claim 2, wherein said substrate is made of a cemented carbide.
【請求項4】基板が鋼から成る特許請求の範囲第2項記
載の複合多結晶体。
4. The composite polycrystalline body according to claim 2, wherein said substrate is made of steel.
【請求項5】露出表面に隣り合う部分において予備焼結
炭化物片が存在しない特許請求の範囲第1項記載の複合
多結晶体。
5. The composite polycrystalline body according to claim 1, wherein no pre-sintered carbide pieces exist in a portion adjacent to the exposed surface.
【請求項6】前記露出表面に隣り合う部分以外の残りの
部分におけるダイヤモンド結晶の総容積が20〜80%の範
囲にある特許請求の範囲第5項記載の複合多結晶体。
6. The composite polycrystal according to claim 5, wherein the total volume of the diamond crystal in the remaining portion other than the portion adjacent to the exposed surface is in the range of 20 to 80%.
【請求項7】前記露出表面に隣り合う部分以外の残りの
部分におけるダイヤモンド結晶の総容積が35〜45%の範
囲にある特許請求の範囲第5項記載の複合多結晶体。
7. The composite polycrystal according to claim 5, wherein the total volume of the diamond crystal in the remaining portion other than the portion adjacent to the exposed surface is in the range of 35 to 45%.
【請求項8】混合物中のダイヤモンド結晶の容積%が前
記露出表面に向かう方向に段階的に増大される特許請求
の範囲第1項記載の複合多結晶体。
8. The composite polycrystal of claim 1, wherein the volume percent of diamond crystals in the mixture is increased stepwise in a direction toward said exposed surface.
【請求項9】70〜98容積%の範囲内の一様なダイヤモン
ド結晶%を有する、前記露出表面に近い第1層と、2〜
70容積%の範囲内の一様なダイヤモンド結晶%を有しそ
して該第1層に結合されている第2層とから構成される
特許請求の範囲第8項記載の複合多結晶体。
9. A first layer proximate to the exposed surface having a uniform diamond crystal percentage in the range of 70-98% by volume;
9. The composite polycrystal of claim 8, comprising a second layer bonded to said first layer having a uniform diamond crystal percentage in the range of 70% by volume.
【請求項10】混合物中のダイヤモンド結晶の容積%が
前記露出表面に向かう方向に連続的に増大される特許請
求の範囲第1項記載の複合多結晶体。
10. The composite polycrystal of claim 1, wherein the volume percent of diamond crystals in the mixture is continuously increased in a direction toward said exposed surface.
【請求項11】ダイヤモンド結晶の総容積が20〜80%の
範囲にある特許請求の範囲第10項記載の複合多結晶体。
11. The composite polycrystal according to claim 10, wherein the total volume of the diamond crystal is in the range of 20 to 80%.
【請求項12】ダイヤモンド結晶の総容積が40〜50%の
範囲にある特許請求の範囲第10項記載の複合多結晶体。
12. The composite polycrystal according to claim 10, wherein the total volume of the diamond crystal is in the range of 40 to 50%.
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