JP4903134B2 - 切断工具インサート - Google Patents

Description

本発明は、工具インサート、より詳しくは、地下岩層の穿孔又は穴あけに使用される切断工具インサートに関するものである。

ドリルの先端（ビット）に広く使用される切断工具インサートは、超硬合金基材に接合された多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）の層を有するものである。ＰＣＤ層は、作用面と、この作用面の周囲部分の周りの切削端を提供する。

ダイヤモンド研磨成形体としても知られている多結晶ダイヤモンドは、かなりの量のダイヤモンド−ダイヤモンド直接接合を含む多量のダイヤモンド粒子を含む。多結晶ダイヤモンドは一般に、コバルト、ニッケル、鉄或いはこれらの金属のうちの１つ又は複数を含有する合金などのダイヤモンド触媒／溶媒を含む第２の相を有する。

穿孔動作中は、そのような切断工具インサートは、その寿命における様々な段階で、大荷重及び高温に曝される。穿孔の初期の段階では、インサートの鋭い切削端が地下岩層に接触すると、切断工具は大きな接触圧力に曝される。この結果、疲労クラックなどのいくつかの破壊の進行が始まる可能性がある。

インサートの切削端が摩耗すると接触圧力は低下し、一般的に高エネルギー破壊を引き起こすには低い値になる。しかしながら、この圧力により、高接触圧力下で生じたクラックは、なおも広げられて、ついに結果として剥離型の破壊がおこる可能性がある。

穿孔産業においては、ＰＣＤカッター性能は、ますます要求が厳しくなる環境下で高穿孔速度を達成すること、及びそれでもなお穿孔後に良好な状態を保持する（したがって、再使用を可能とする）ことの両方に対するカッター能力によって決定される。どのような穿孔用途においても、カッターは、平滑な研磨タイプの摩耗と、剥離／チッピング・タイプの摩耗の組合せによって摩耗する可能性がある。平滑な研磨摩耗形態は、耐摩耗性の大きいＰＣＤ材料から最大限の利益を供給するので、望ましい。他方、剥離又はチッピング・タイプの摩耗は好ましくない。このタイプの磨耗による最小限の破壊損傷でさえ、切断寿命及び切断性能の両方に対して有害な影響を与える可能性がある。

剥離タイプの摩耗では、地下岩層へのドリル刃の侵入速度が低下するにつれて、切断効率が急速に減少する可能性がある。一旦チッピングが発生すると、次いで所定の切断深さを達成する必要のために垂直力が増加され、その結果として、テーブルの損傷量が継続的に増加する。したがって、カッター損傷が起き、ドリル刃の侵入速度が減少すると、刃への荷重を増加させる応答によりさらに悪化し、そして最終的に欠けの起こった切断用部品の破壊へと急速につながる可能性がある。

ＰＣＤカッター性能の最適化においては、（より良好なカッター寿命を達成するために）耐摩耗性を向上させることは、通常、平均ダイヤモンド結晶粒径、全体的な触媒／溶媒含有量、ダイヤモンド密度等などの変数を操作することによって達成される。しかしながら、通常は、ＰＣＤ材料がより耐摩耗性を有するようになされるに従い、より脆く又は破壊を受け易くなる。したがって、摩耗性能の改善のために設計されるＰＣＤ部品は、不十分な衝撃強度又は低下した耐剥離特性を有する傾向になる。耐衝撃特性と耐摩耗特性との間のこの妥協が、特に要求の厳しい用途に対して最適化されたＰＣＤ構造を設計することを、本質的に制約のあるものにしている。

より耐摩耗性のあるＰＣＤのチッピング挙動をなくす、又は制御することができるならば、これらの種類のＰＣＤカッターの潜在的性能の改善がより完全に実現できる。

従来から、面取りをすることにより切削端形状を変形させることが、このチッピング挙動を低下させるための有望な手法であることが知られている。ＰＣＤテーブルの切削端を予備面取りすること、又は丸くすることにより、ダイヤモンド切断テーブルの剥離傾向が大きく減少することが示されてきた（米国特許第５４３７３４３号明細書及び米国特許第５０１６７１８号明細書）。この丸くすることは、接触面積を増加させることによって、インサートを岩層に接触させるために加重する際に発生する初期の大きな応力による影響を減少させる。しかしながら、この面取りされた縁部はＰＣＤカッターの使用中に摩耗してなくなり、最終的に面取り部分の全く残っていない点に到達する。この点において、剥離タイプの摩耗に対する切削端の耐磨耗性は、保護されていない／面取りのされていないＰＣＤ材料の耐摩耗性まで低下する。

米国特許第５１３５０６１号明細書は、剥離タイプの挙動は、下層のＰＣＤ材料よりも耐摩耗性の低いＰＣＤ材料の層で形成される切削面を有するカッターを製造することによって制御されること、したがってその剥離傾向を減少させることができることを示唆している。この切削端領域の耐摩耗性のより低い層が大きく摩耗すると、地下岩層と係合する切断用部品に、丸くされた縁部ができる。したがって、この発明によって切削端が丸くなることが達成されるが、これは、面取りと同様に剥離を起こしにくいという影響を与える。この手法の利点は、合成工程中にその場で、満足できる薄い、耐摩耗性のより小さい層を実現することが技術的に困難であることによって、大きな重要性をもつ可能性がある。（この剥離を起こしにくい層の一貫した且つ制御された挙動は、得られる幾何学的形状に明らかに大きく依存する。）さらに、この上側層の低減された耐摩耗性は、カッターの全体的な耐摩耗性を損ない始め、結果として切削端がより早く鈍くなり、次善の性能になる可能性がある。

ＪＰ−５９１１９５００は、作用面を化学処理すると、ＰＣＤ焼結材料の性能が改善されることを特許請求している。この処理は、作用面に近接する領域内の触媒／溶媒基質を溶解して取り除くものである。この発明は、焼結ダイヤモンドの強度を損なうことなく、基質が取り除かれた領域のＰＣＤ材料の耐熱性を増大させることを請求している。

衝撃強さを損失させないで耐摩耗性を改善したと言われるＰＣＤ切断用部品が、最近、市場に導入された。米国特許第６５４４３０８号明細書及び第６５６２４６２号明細書にはそのようなカッターの製造及び挙動が記載されている。このＰＣＤ切断用部品は、とりわけ、切断面に近接する領域に触媒材料が実質的にないことを特徴としている。この出願では、これらのカッターの性能の改良は、この領域でのＰＣＤの耐摩耗性の向上によってなされており、触媒材料の除去が結果としてＰＣＤの熱的劣化を減少させている。

この領域の触媒／溶媒の除去により、前縁部の非常に有害な剥離破壊の発生が大幅に減少するが、後縁部領域での特徴的な薄板状タイプの割れから始まる後縁部の剥離タイプの破壊も性能に対して重要な影響を及ぼす可能性がある。後縁部領域の応力は前縁部の応力ほどは大きくはないが、この領域内の割れはかなりの材料損失を引き起こし、したがって、カッター性能を悪化させる可能性がある。

本発明によれば、多結晶ダイヤモンド研磨部品、特に切断用部品が提供され、この多結晶ダイヤモンド研磨部品は、境界面に沿って基材、とりわけ超硬合金基材に接合された、好ましくは高品位の多結晶ダイヤモンド層を含む。この多結晶ダイヤモンド層は、境界面の反対側に作用面を有し、さらに作用面と境界面との間に延びる外側周囲面を有する。この多結晶ダイヤモンド研磨部品は、作用面から延びる周囲面に近接する環状領域を有し、この環状領域又はその一部分が触媒材料に乏しいことを特徴とする。

この多結晶ダイヤモンド層は、作用面に近接する、やはり触媒材料の乏しい領域、通常は層を含むことが好ましい。

結果として、この好ましい多結晶ダイヤモンド層は、作用面から延びる、完全な又は断続する環状部を形成する環状領域、及び作用面に近接する領域を含む。これらの領域は、触媒材料が乏しく、使用中の摩耗傷が発達する際に、その前縁部及び後縁部の両方が触媒材料の乏しい領域に位置するようになる。

この多結晶ダイヤモンド研磨部品は、公開された国際出願第ＷＯ２００４／１０６００３号パンフレット及び第ＷＯ２００４／１０６００４号パンフレットに記載されたようなものであることが好ましく、両者は本明細書に参考として援用する。

この多結晶ダイヤモンド層は、周囲面に近接する触媒材料の乏しい領域を有する。この領域は、周囲面から多結晶ダイヤモンド内に向かって、一般に約３０μｍ〜約５００μｍの深さに横方向に延びる。この領域は、また、作用面の周囲縁部から境界面に向かって、多結晶ダイヤモンド層の全体厚さの少なくとも半分の深さまで延びるが、少なくとも約５００μｍだけ境界面の手前で終了する。

この多結晶ダイヤモンド層は、また、作用面に近接する触媒材料の乏しい領域を有することが好ましい。一般に、この領域は実質的に触媒材料がない。この領域は、作用面から多結晶ダイヤモンド内に、一般に約３０μｍ程度の浅い深さから約５００μｍ未満の深さまで延びる。

この多結晶ダイヤモンドは、触媒材料の豊富な領域も有する。触媒材料は、多結晶ダイヤモンド層の製造における焼結剤として存在する。当技術分野で周知の任意のダイヤモンド触媒材料を使用することができる。好ましい触媒材料は、コバルト及びニッケルなどのＶＩＩＩ族遷移金属である。触媒材料の豊富な領域は、一般に、触媒材料の乏しい領域との境界面を有し、基材との境界面まで延在する。

この触媒材料の豊富な領域自体が複数の領域を含むことができる。これらの領域は、化学組成だけでなく、平均粒径も異なることができる。これらの領域が設けられる場合、これらの領域は一般に、多結晶ダイヤモンド層の作用面に平行な面内に位置する。

本発明の好ましい構造としては、触媒材料の乏しい領域が、触媒材料の豊富な領域又はその一部分の上に横たわる蓋状構造を形成する。

本発明の別の観点によれば、上記ＰＣＤ研磨部品を製造する方法は、非平面の境界面を含むことのできる基材を供給し、好ましくは高品位の多結晶ダイヤモンドを製造することができるように選択された多量のダイヤモンド粒子を基材上に配置し、ダイヤモンド粒子用の触媒材料源を供給することによって、接合されていない集合体を作製する段階と、前記接合されていない集合体を、多量のダイヤモンド粒子からなる多結晶ダイヤモンド層に形成し、かつその層が基材に接合されるのに適した高温及び高圧の状態に曝す段階と、露出された作用面及び周囲面のそれぞれに近接する多結晶ダイヤモンド層の領域から触媒材料を取り除く段階とを、それぞれ含む。

触媒材料は、多結晶ダイヤモンド層の全体厚さの少なくとも半分の深さまで取り除くことが好ましい。

基材は、一般に超硬合金基材である。触媒材料源は、一般に超硬合金基材である。いくつかの追加の触媒材料をダイヤモンド粒子に混合することができる。

触媒材料は、露出された表面に近接する多結晶ダイヤモンド層の領域から取り除かれる。一般にこれらの表面は、基材とは反対側の多結晶ダイヤモンド層側にあり、多結晶ダイヤモンド層の作用面、及び作用面と基材との間に延在する周囲面を提供する。触媒材料の除去は、電解エッチング、酸浸出及び蒸発技術などの、当分野で周知の方法を使用して行うことができる。

触媒材料は、通常、酸浸出によって取り除かれる。触媒材料の乏しいいわゆる断続環部を実現するために、酸の攻撃に対して不浸透性の薬剤を使用してマスクキングを施した浸出を行うことができる。

多数のダイヤモンド粒子から多結晶ダイヤモンド層を製造するために必要な高温及び高圧状態は当分野でよく知られている。通常、これらの状態は、４〜８ＧＰａの圧力範囲、及び１３００〜１７００℃の温度範囲である。

さらに本発明によれば、実質的にその全てが上記ＰＣＤ研磨部品である、複数のカッター部品を含む回転ドリル・ビットが提供される。

本発明は、両方の露出された表面に近接する多結晶ダイヤモンド層の領域から触媒材料を取り除く段階を含む、剥離及び／又はチッピング・タイプの摩耗を受け易い多結晶ダイヤモンド研磨部品からそのような摩耗を減少させる、好ましくはなくす方法にまで広がる。

本発明のＰＣＤ研磨部品は、剥離及びチッピング摩耗構成要素を制御する結果として、従来技術のＰＣＤ研磨部品よりも顕著に改善された摩耗挙動を有することが見出された。

次に、本発明を例としてのみ、添付の図面を参照してより詳細に説明する。

本発明の多結晶ダイヤモンド研磨部品は、ドリル刃のカッター部品としての具体的な用途を有する。この用途では、前縁部又は後縁部のどちらにおいても、典型的な摩耗傷である剥離又はチッピングを受け易くなることなく、優れた摩耗抵抗性及び衝撃強度を有することが見出された。これらの特性により、大きな圧縮強度を有する地下岩層穿孔又は穴あけに効果的に使用することが可能である。

添付の図面の図１及び図２を参照すると、切断用部品１０は、基材１４に接合された多結晶ダイヤモンド層１２を有する。この多結晶ダイヤモンド層は、その周りに周囲切削端１８及び周囲面２０を有する上側作用面１６を有する。

この多結晶ダイヤモンド層１２は、触媒材料の乏しい各領域２２、２４及び触媒材料の豊富な領域２６を有する。触媒材料の乏しい領域２２、２４は、それぞれ、作用面１６及び周囲面２０から多結晶ダイヤモンド層１２内に延びる。各領域はそれぞれの面１６、２０から横に延びるので、各領域の深さは通常５００ミクロン以下であり、３０〜４００ミクロンであることが好ましく、６０〜３５０ミクロンであることが最も好ましい。さらに領域２４は、作用面１６から基材１４に向かって、多結晶ダイヤモンド層１２の全体厚さの少なくとも半分まで深さ方向に延びるが、境界面領域２８を誤って浸出することを防止するために、境界面領域２８の少なくとも５００μｍ手前で終わることが好ましい。

ＰＣＤ縁部が面取りされている場合は、通常、触媒材料の乏しい領域２２、２４は全体的にこの面取り部の形状に従い、面取り部の長さに沿って延びる。超硬合金基材１４まで延びる多結晶ダイヤモンド層１２の残部は触媒材料の豊富な領域２６である。さらに、ＰＣＤ部品の表面１６、２０は、低摩擦表面又は低摩擦仕上げを実現できるように機械的に研磨することができる。

使用中に、ＰＣＤ層１２が穿孔すべき素地に接触すると、前縁部３２及び後縁部３４を有する摩耗傷３０が成長する。触媒材料の乏しい各領域２２、２４を設けることによって、摩耗傷３０が成長する場合に、前縁部３２及び後縁部３４は共に触媒材料の乏しい領域に位置する。従って、ＰＣＤ研磨部品の作用面から触媒材料を取り除くという前記で明らかにした利点が後縁部３４まで拡大され、使用中におけるその性能がさらに改善される。本実施例では、領域２４は、触媒材料の乏しい完全に環状の領域の形態をしている。実際には、一般にいくつかのダイヤモンド層１２の部分しか穿孔動作に使用されない。例えば、摩耗傷３０があまりに大きく発達すると、インサートを９０°回転することができ、それによって新しい摩耗傷が形成される。この動作を繰り返すことによって、例えば、４つの摩耗傷を成長させることができる。したがって、それぞれの摩耗傷の形成される部分に対応する領域２４のこれらの部分のみ浸出させることができ、それによって触媒材料の乏しいいわゆる断続環状領域が形成される。

一般に、多結晶ダイヤモンド１２の層は、当分野で周知の方法によって製造され且つ超硬合金基材１４に接合される。その後、触媒材料は、多数の周知方法のうちの任意の１つを使用して、特定の実施例の作用面１６及び周囲面２０から取り除かれる。そのような方法の１つが高温の無機酸浸出、例えば、高温塩酸浸出の使用である。通常、酸の温度は約１１０℃であり、浸出時間は３〜６０時間である。多結晶ダイヤモンド層及び超硬合金基材のうちの浸出しない領域は、耐酸材料で適切にマスキングされる。断続領域２４を設ける場合もこの方法が適用される。

上記で説明した多結晶ダイヤモンド研磨部品を製造する場合、任意選択でいくつかの触媒材料と混合されたダイヤモンド粒子の層が、超硬合金基材上に置かれる。この接合されていない集合体は次いで、高温及び高圧の状態に曝され、超硬合金基材に接合されたダイヤモンド粒子からなる多結晶ダイヤモンドが製造される。これを達成するための条件及び工程は、当分野では周知である。

このダイヤモンド粒子は、平均粒径の異なるダイヤモンド粒子の混合物を含むことが好ましい。一実施例では、この混合物は以下の５つの異なる平均粒径を有する粒子を含む。

別の実施例では、この多結晶ダイヤモンド層は、粒子の混合の異なる２つの層を有する。作用面に近接する第１の層は、上記で説明したタイプの粒子混合物を有する。第１の層と基材との間に配置される第２の層は、（ｉ）粒子の大部分が１０〜１００ミクロンの範囲の平均粒径を有し、少なくとも３つの異なる平均粒径からなり、（ｉｉ）質量で少なくとも４パーセントの粒子は、１０ミクロン未満の平均粒径を有するものである。第１及び第２の層に用いられるダイヤモンド混合物の両方とも、混合された触媒材料を含むこともできる。

本発明の多結晶ダイヤモンド研磨部品の好ましい実施例の斜視図。 図１の多結晶ダイヤモンド研磨部品の線２−２に沿った横断面図。

Claims (13)

1. 境界面に沿って基材に接合された多結晶ダイヤモンド層を含む多結晶ダイヤモンド研磨部品において、
   前記多結晶ダイヤモンド層が、前記境界面の反対側の作用面と、前記作用面と前記境界面との間に延在する外側周囲面とを有し、
   前記多結晶ダイヤモンド研磨部品が、触媒材料の豊富な領域と、前記作用面から前記境界面の手前まで延びる前記外側周囲面に近接する環状領域を有し、該環状領域又は環状領域の一部分は、前記触媒材料の豊富な領域の外側に位置して前記外側周囲面まで延在し、触媒材料が乏しいことを特徴とする、多結晶ダイヤモンド研磨部品。
2. 前記多結晶ダイヤモンド層が、前記作用面に近接する触媒材料の乏しい領域も有する、請求項１に記載された多結晶ダイヤモンド研磨部品。
3. 前記触媒材料の乏しい領域の各々が、前記周囲面及び／又は前記作用面から前記多結晶ダイヤモンド内に、約３０μｍ〜約５００μｍの深さで延在する、請求項２に記載された多結晶ダイヤモンド研磨部品。
4. 前記触媒材料の乏しい環状領域又は環状領域の一部分が、前記周囲面から前記多結晶ダイヤモンド内に、約３０μｍ〜約５００μｍの深さで延在する、請求項１に記載された多結晶ダイヤモンド研磨部品。
5. 前記環状領域又は前記環状領域の触媒材料の乏しい領域が、前記作用面から前記境界面に向かって、前記多結晶ダイヤモンド層の全体厚さの少なくとも半分の深さまで延在するが、少なくとも５００μｍだけ境界面の手前で終わる、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された多結晶ダイヤモンド研磨部品。
6. 前記触媒材料が、前記多結晶ダイヤモンド層の製造における焼結剤として存在している、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された多結晶ダイヤモンド研磨部品。
7. 触媒材料の豊富な領域自体が、平均粒径又は化学組成の異なる複数の領域を含む、請求項１又は請求項６に記載された多結晶ダイヤモンド研磨部品。
8. 前記多結晶ダイヤモンド研磨部品が切断用部品である、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された多結晶ダイヤモンド研磨部品。
9. 前記多結晶ダイヤモンド層が、前記触媒材料の乏しい前記作用面の周囲縁部に斜面を有する、請求項２に記載された多結晶ダイヤモンド研磨部品。
10. 前記基材が超硬合金基材である、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載された多結晶ダイヤモンド研磨部品。
11. 触媒材料が乏しい前記環状領域および前記触媒材料の乏しい前記作用面が、前記触媒材料の豊富な領域の一部分の上に横たわる蓋状構造を形成する請求項２に記載された多結晶ダイヤモンド研磨部品。
12. 触媒材料が乏しい前記環状領域が、前記作用面から前記境界面に向かって、前記多結晶ダイヤモンド層の全体厚さの少なくとも半分の深さまで延在する請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載された多結晶ダイヤモンド研磨部品。
13. 前記多結晶ダイヤモンド研磨部品が切断用部品であり、該切断用部品がドリル工具に取り付けられている請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載された多結晶ダイヤモンド研磨部品。

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