JP4676700B2 - 研磨性層状圧粉体 - Google Patents
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Description
研磨性圧粉体は壊れ易い傾向があり、そのような圧粉体はしばしば、使用する際、焼結炭化物の基体(substrate)に結合して支持を与える。そのような支持を受けた研磨性圧粉体は、当該技術では、複合研磨性圧粉体として知られている。複合研磨性圧粉体は、研磨工具の使用面のようなものとして使用されることがある。
種々の研磨性圧粉体の構造体であって、その構造体における研磨性の層と支持基体の間の境界面が、機械的応力及び熱的応力に対する前記境界面の感受性を減少させるための、同一タイプ又は異なるタイプの、多数の隆起部、溝、刻み目又は凹凸を有している該構造体が提案されてきた。そのような構造は、例えば、米国特許第4784203号、同第5011515号、同第5486137号、同第5564511号、同第5906246号、及び同第6148937号明細書に教示されている。実際、これらの特許明細書は、残留応力をできるだけ広い領域に亘って分配することを中心に扱っている。
米国特許第5370717号、同第5875862号、及び同第6189634号明細書によって提案されている問題に対するもう一つの解決法は、複合研磨性圧粉体の使用面の上に基体領域を与えるために基体から研磨性の層を通して1つ以上の突起部を伸ばすことである。
本発明による複合研磨性圧粉体は、
基体(通常、焼結炭化物製)に結合された研磨性圧粉体層を含み、
該研磨性圧粉体層が、
(i) 前記基体の表面と接触している内部領域と、
(ii) 前記内部領域と接触している第1の中間領域と、
(iii) 前記第1の中間領域と接触している第2の中間領域と、
(iv) 前記第2の中間領域と接触しており且つ少なくとも3種の異なる平均粒径を有する研磨性超硬粒子を含有している外部領域とを有し、
前記内部領域、前記第1および第2の中間領域の組成が互いに異なっていて、前記基体と前記外部領域の間の研磨性圧粉体層の熱膨張に段階的変化が存在し、また、
前記内部領域、前記第1および第2の中間領域が、それぞれ、前記外部領域に存在する種類の研磨性超硬粒子と1種以上の耐熱性粒子との混合物を含み、前記各領域における該混合物は互いに異なっており、
前記外部領域の研磨性超硬粒子が、以下の組成:
平均粒径 質量%
10μmより大きいもの 少なくとも20
5〜10μmのもの 少なくとも15
5μm未満のもの 少なくとも15
で存在する。
本発明の本質は、基体と外部領域の間の3種類の領域又は層の準備であって、該基体と該外部領域の間に研磨性圧粉体層の熱膨張の段階的変化が達成されるように組成が異なっている上記3種類の領域又は層を与えることである。この、熱膨張の段階的変化は、外部領域に存在する研磨性超硬粒子と1種類以上の耐熱性粒子の混合物であって、3種類の領域の混合物が互いに異なっている該混合物を伴う3種類の領域の各々に与えることによって達成するのが好ましい。例えば、内部領域の混合物は、第1の中間領域の混合物よりもいっそう少ない研磨性超硬粒子を含むことができ、第1の中間領域自体は、第2の中間領域の混合物よりもいっそう少ない研磨性超硬粒子を含むことができる。
研磨性圧粉体層と接触している、基体の表面は、平面であっても非平面(断面図に描かれている表面を包含する)であってもよい。高圧高温(HPHT)による焼結操作を行い、次いで、複合研磨性圧粉体を造った結果として生じた機械的応力/弾性応力は、非平面の表面によって最小限に抑えられる。
本発明は、ドリル用ビット(例えば、ローラーコーン)及び衝撃式ドリルビットにおける工具インサートとして使用することのできる複合研磨性圧粉体であって、研磨性圧粉体層と基体の間の境界面が凸状であり且つ外部領域の使用面も凸状である該複合研磨性圧粉体に対して特殊用途を有している。基体が円筒状である場合、複合研磨性圧粉体の形状は、例えば、弾丸状のものとなる。種々の領域の間の境界面もまた、凸状であるのが好ましい。
基体は、焼結した炭化物(例えば、焼結した炭化タングステン、焼結した炭化タンタル、焼結した炭化チタン、焼結した炭化モリブデン、又はそれらの混合物)の基体であるのが好ましい。該焼結した炭化物基体は、粒子抑制剤(例えば、炭化チタン、炭化タンタル、炭化バナジウム、又はそれらの混合物)の粒子を含有することができる。そのような焼結した炭化物のための結合剤金属は、当該技術で知られているいずれかの結合剤金属(例えば、ニッケル、コバルト、鉄、又はこれら金属の1種以上を含有する合金)でもよい。該結合剤は典型的には、6〜20質量%の量で存在する。結合剤金属の幾らかは、HPHT(高圧高温)処理の間、研磨性圧粉体に浸潤することができる。この目的のために、結合剤のシム又は層を使用することができる。
領域18の外部表面22は、該複合研磨性圧粉体のための使用面を与える。
連続的領域の間の境界面(24、26及び28)は、形状が全て凸状である。同様に、領域12と基体10の間の境界面30は凸状である。
図2aは、研磨性圧粉体層20の領域が点34に合流している実施態様を例示している。
図2bは、研磨性圧粉体層20の領域が縁又は平面36の上で終っている実施態様を例示している。
図2cは、境界面22及び境界面24が外周点38で合流していることを除き、図2bの実施態様に類似する実施態様を例示している。
図2dは、境界面26もまた外周点40で終っていることを除き、図2cの実施態様に類似する実施態様を例示している。
図2eの実施態様において、領域(18、16及び14)は全て、挿入部(insert)の周辺42で終っており、また、図2fの実施態様において、研磨性圧粉体層20の全ての領域は、挿入部の周辺42で終っている。
内部領域、並びに、第1及び第2の中間領域において、超硬研磨性粒子は、通常、5〜100μmの粒径範囲、好ましくは15〜30μmの粒径範囲で存在する。
平均粒径 質量%
10μmより大きいもの 少なくとも20
5〜10μmのもの 少なくとも15
5μm未満のもの 少なくとも15
上記及び以下で使用する用語「質量%」は、割合が、全研磨性粒子質量の質量百分率であることを意味する。
平均粒度 質量%
12μm 25
8μm 25
4μm 50
平均粒径 質量%
25〜50μm 25〜70
15〜24μm 15〜30
8〜14μm 5〜45
8μm未満 最小限量5
である。
平均粒径 質量%
30μm 65
22μm 20
12μm 10
4μm 5
平均粒径 質量%
22μm 28
12μm 44
6μm 7
4μm 16
2μm 5
全ての領域において、結合剤金属粉末は、存在する場合、通常、10μm未満の粒径を有し、好ましくは約3μmである。
該複合研磨性圧粉体は、高圧高温装置から回収した後、従来の方法(例えば、心無し研削)によって所望の寸法に仕上げることができる。
外部領域は、通常0.2mm以上で通常1mm以下の厚さを有している。外部領域の厚さは、0.3mm〜0.7mmの範囲であるのが好ましい。
Claims (16)
- 基体に結合された研磨性圧粉体層を含む複合研磨性圧粉体であり、
前記研磨性圧粉体層が、
(i) 前記基体の表面と接触している内部領域と、
(ii) 前記内部領域と接触している第1の中間領域と、
(iii) 前記第1の中間領域と接触している第2の中間領域と、
(iv) 前記第2の中間領域と接触しており且つ少なくとも3種の異なる平均粒径を有する研磨性超硬粒子を含有している外部領域とを有し、
前記基体と前記外部領域の間の研磨性圧粉体層の熱膨張に段階的変化が存在するように、前記内部領域、前記第1および第2の中間領域の組成が互いに異なっており、それによって、前記研磨性圧粉体層と前記基体の間の残留応力が減少し、
また、
前記内部領域、前記第1および第2の中間領域が、それぞれ、前記外部領域に存在する種類の研磨性超硬粒子と1種以上の耐熱性粒子との混合物を含み、前記各領域における該混合物は互いに異なっており、
前記外部領域の研磨性超硬粒子が、以下の組成:
平均粒径 質量%
10μmより大きいもの 少なくとも20
5〜10μmのもの 少なくとも15
5μm未満のもの 少なくとも15
で存在している複合研磨性圧粉体。 - 前記研磨性圧粉体層の前記領域が複数層形態で存在する請求項1に記載された複合研磨性圧粉体。
- 前記複数層の間の境界面が平行ではなく同心でもない請求項2に記載された複合研磨性圧粉体。
- 前記研磨性圧粉体層と前記基体の間の境界面が凸状であり、かつ、前記外部領域の作業面が凸状である請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載された複合研磨性圧粉体。
- 前記各種領域の間の境界面が凸状である請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載された複合研磨性圧粉体。
- 前記内部領域の前記混合物が、前記第1の中間領域の前記混合物よりも少ない研磨性超硬粒子を含み、前記第1の中間領域の混合物は、前記第2の中間領域の前記混合物よりも少ない研磨性超硬粒子を含んでいる請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載された複合研磨性圧粉体。
- 前記耐熱性粒子が、低熱膨張性であって、ケイ素、ハフニウム、チタン、ジルコニウム、バナジウム及びニオブの炭化物、酸化物及び窒化物、アルミニウムの酸化物及び窒化物、立方晶窒化ホウ素、並びに、タングステン、タンタル及びモリブデンの炭化物から選ばれる請求項6に記載された複合研磨性圧粉体。
- 前記内部領域の前記混合物が、20〜30体積%の前記研磨性超硬粒子と、80〜70体積%の前記耐熱性粒子とを含む請求項6または請求項7に記載された複合研磨性圧粉体。
- 前記内部領域の前記混合物が、前記研磨性超硬粒子および前記耐熱性粒子の全体積の8〜10体積%の量で存在する金属結合剤をも含む請求項8に記載された複合研磨性圧粉体。
- 前記第1の中間領域の前記混合物が、55〜45体積%の前記研磨性超硬粒子と、45〜55体積%の前記耐熱性粒子とを含む請求項7から請求項9までのいずれか1項に記載された複合研磨性圧粉体。
- 前記第1の中間領域の前記混合物が、前記研磨性超硬粒子および前記耐熱性粒子の全体積の5〜12体積%の量で存在する金属結合剤をも含む請求項10に記載された複合研磨性圧粉体。
- 前記第2の中間領域の前記混合物が、70〜80体積%の前記研磨性超硬粒子と、30〜20体積%の前記耐熱性粒子とを含む請求項7から請求項11までのいずれか1項に記載された複合研磨性圧粉体。
- 前記第2の中間領域の前記混合物が、前記研磨性超硬粒子および前記耐熱性粒子の全体積の3〜7体積%の量で存在する金属結合剤をも含む請求項12に記載された複合研磨性圧粉体。
- 前記外部領域の前記研磨性超硬粒子が、以下の組成:
平均粒径 質量%
20〜25μmのもの 25〜70
15〜24μmのもの 15〜30
8〜14μmのもの 5〜45
8μm未満のもの 最小限量5
で存在している請求項1から請求項13までのいずれか1項に記載された複合研磨性圧粉体。 - 前記基体が焼結炭化物製である請求項1から請求項14までのいずれか1項に記載された複合研磨性圧粉体。
- 前記内部領域の前記混合物が、20〜30体積%の前記研磨性超硬粒子と、80〜70体積%の前記耐熱性粒子とを含み、
前記第1の中間領域の前記混合物が、55〜45体積%の前記研磨性超硬粒子と、45〜55体積%の前記耐熱性粒子とを含み、
前記第2の中間領域の前記混合物が、70〜80体積%の前記研磨性超硬粒子と、30〜20体積%の前記耐熱性粒子とを含む請求項1から請求項15までのいずれか1項に記載された複合研磨性圧粉体。
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