JP5199871B2 - 多結晶ダイヤモンド研磨要素及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、多結晶ダイヤモンド研磨要素、該多結晶ダイヤモンド研磨要素の製造方法、及び該要素を組み込む多結晶ダイヤモンド研磨成形体に関する。
多結晶ダイヤモンド研磨成形体（ＰＤＣ）は、切削、粉砕、研削、掘削、及び他の研磨操作に広く使用されている。一般に使用されているＰＤＣは、超硬合金基材に接着した多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）の層を含むものである。ＰＣＤの層は、作用面（ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ）と、該作用面周囲の一部の周りの切削縁部とを提供している。
多結晶ダイヤモンドは、一般に、ダイヤモンド同士の相当な量の直接結合を含む多量のダイヤモンド粒子を含み、コバルト、ニッケル、鉄、又は１種若しくは複数種のかかる金属を含む合金などのダイヤモンド触媒／溶媒、好ましくはニッケル、より好ましくはコバルトを含む第２の相を一般に有する。
ＰＤＣは、ダイヤモンド粒子が結晶学的に安定となる高温高圧条件（ＨＰＨＴ）下で一般に製造される。
様々な形態のホウ素を、ＰＤＣなどの超硬研磨成形体及び超硬合金に添加することは周知である。融点の低下により、低圧低温（１２００℃以下、ＪＰ１０２１０３２）でダイヤモンドの黒鉛化を抑えながら焼結を生じさせること（米国特許第４，９０２，６５２号、ＪＰ１０１７８３６）、溶媒マトリックスの硬度の改善（英国特許第１４５６７６５号、米国特許第５，１８１，９３８号）、破壊靭性及び耐食性の増大（米国特許第４，９６１，７８０号、米国特許第６，０９８，７３１号）、低電気抵抗（英国特許第１３７６４６７号）、並びに成形体の再現性の改善（英国特許第１４９６１０６号、米国特許第４，９０７，３７７号）などの利点が説明されている。
しかし、上記の参照特許のいずれもが、焼結プロセスにおける酸素の役割を考慮していない。酸素の存在によって、焼成プロセスが妨害され、それによって最終的な成形体の耐摩耗性が低下することが、当技術分野では周知である。酸素は、ダイヤモンド粒子上に表面酸化物の形態で、又はダイヤモンド粉末に混ぜ込まれる金属粒子中に表面酸化物若しくはそれに溶解した酸素の形態で、焼結前の成形体に一般に導入される。したがって、ダイヤモンド粒子上又はダイヤモンド粉末に添加される任意の金属粒子上の任意の表面酸化物を除去するために、ＨＰＨＴ焼結ステップの前に真空下でダイヤモンド粉末混合物を脱ガスすることが、焼結多結晶ダイヤモンド研磨成形体の製造において標準的習慣となっている。この方法は、微量の酸素が依然として残存し、その結果焼結中にいくらかの酸素が必然的に存在し、それが焼結プロセスにとって有害になることから、部分的にしか成功していない。
先に参照した従来技術では、効率的な焼結を得る重要な本態様が無視されている。破壊靭性及び耐食性を高めるためのホウ素酸化物の添加が特許請求されている米国特許第４，９６１，７８０号でさえ、ホウ素酸化物添加物によって該系に導入される酸素の有害な影響については言及していない。
ＪＰ９１４２９３２（特開平９−１４２９３２号公報）には、ホウ素酸化物又はホウ素酸の高含量に起因する焼結ダイヤモンド成形体の強度及び耐摩耗性の低下が述べられているが、ホウ素−酸素添加物の量を３０体積パーセント未満に制限すること以外、この問題を克服する方法は述べられていない。
本発明の一態様によれば、ダイヤモンド材料に対して約０．０１〜約４重量％の少なくとも１種の金属又は金属化合物を含む多結晶ダイヤモンド研磨要素が提供され、該金属は、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、クロム、並びに希土類金属、特にセリウム及びランタンからなる群から選択される。
好ましくは、該金属は、希土類金属、特にセリウム及び／又はランタンから選択される。
金属又は金属化合物は、好ましくはダイヤモンド材料に対して約２重量％未満、より好ましくは約１．０重量％未満、最も好ましくは約０．７重量％未満の量で存在し、好ましくは約０．０１重量％を超え、より好ましくは約０．１重量％を超え、最も好ましくは約０．２重量％を超える量で存在する。金属又は金属化合物は、存在する微量の酸素と反応するのに十分な量で存在して、安定な金属酸化物を形成するが、必ずしも金属化学種の大部分を含む必要はない。
多結晶ダイヤモンド研磨要素は、好ましくは、その製造に使用される焼結助剤となるホウ素を含む。
金属又は金属化合物は、多結晶ダイヤモンド材料全体に分配することができ、或いは多結晶ダイヤモンド材料とは別の１つ又は複数の領域内に、例えば研磨要素の作用面に隣接する層の中に位置することができる。
本発明のさらなる一態様によれば、多結晶ダイヤモンド研磨要素の製造方法は、多量のダイヤモンド粒子を、好ましくは触媒材料の供給源及び少なくとも１種の金属ホウ化物の供給源と共に提供して（少なくとも１種の金属ホウ化物の金属成分は、強度の酸素ゲッター（捕捉剤）である）、未接着組立体を形成するステップと、該未接着組立体を、多結晶ダイヤモンド研磨要素の製造に適した高温高圧条件に曝すステップとを含む。
金属ホウ化物の金属成分の酸化物は、好ましくは、一般に２０００℃超の高融点を有し、該金属は、好ましくは、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、クロム、並びに希土類金属、特にセリウム及びランタンからなる群から選択される。特に、本発明においては、希土類金属ホウ化物が有益である。
未接着組立体は、好ましくは基材を含み、それによって、未接着組立体の焼結の際に多結晶ダイヤモンド研磨成形体が製造される。
該基材は、一般に超硬合金基材であり、これが一般に触媒材料の供給源ともなる。数種類のさらなる触媒材料を、一般に、ダイヤモンド触媒／溶媒を含む第２の相の形態でダイヤモンド粒子に混ぜ込むことができる。
多量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のに必要な高温高圧条件は、当技術分野で周知である。一般に、これらの条件は、圧力が４〜８ＧＰａの範囲であり、温度が１１００〜１７００℃の範囲である。
ここで本発明を、添付の図を参照しながら、例示のみによってさらに詳細に説明する。
本発明は、多結晶ダイヤモンド研磨要素、それらを組み込む成形体、及びそれらの製造に関する。また本発明は、ホウ素を多結晶ダイヤモンド研磨成形体に添加すると同時に、酸素の存在による有害な影響を最小限に抑え、又は排除するという利点を活用する。金属ホウ化物をダイヤモンド粉末に添加することによって（ホウ化物の金属成分は、強度の酸素ゲッターである）、研磨要素の改善された性能が観測されることが見出された。かかる金属ホウ化物の金属成分の酸化物は、一般に、高融点（２０００℃超）を有する。その具体例は、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、及びクロム、並びに希土類金属、特にセリウム及びランタンである。
焼結プロセス中、ダイヤモンド粉末に添加された金属ホウ化物は、一般には１２００℃超、一般には１１００〜１７００℃の範囲の焼結に必要とされる高温で、溶融触媒／溶媒中に溶解することによって解離する。解離の際には、ダイヤモンドに添加される金属粉末（一般にはコバルト）とのホウ素化合物合金、又は超硬炭化タングステン基材からダイヤモンド層に浸潤する溶融コバルト金属とのホウ素化合物合金、及び／又はそれ自体粒界に位置するホウ素成分合金が、新しく再結晶化するダイヤモンド中に組み込まれることになり、且つ／又はダイヤモンド粒子の中にいくらか拡散して、従来技術で説明されている多くの利点を提供する。同時に、金属ホウ化物から解放されたセリウムなどの金属成分は、例えばその系に存在する酸素と優先的に結合し、不活性金属酸化物の個別粒子を形成し、それによって、酸素が焼結プロセスを妨害することになる粒界の界面から酸素を効果的に除去すると考えられている。このようにして、非常に高い耐摩耗性を備えた焼結ダイヤモンド研磨成形体が得られる。
ダイヤモンド粉末に添加される金属ホウ化物の一般的濃度は、ダイヤモンド粉末に対して約４重量％未満、好ましくは約２重量％未満、より好ましくは約１．０重量％未満、最も好ましくは約０．７重量％未満であり、約０．０１重量％を超え、より好ましくは約０．１重量％を超え、最も好ましくは約０．２重量％を超える。最も好ましい濃度は、各金属ホウ化物のタイプで異なり、特有となろう。金属ホウ化物の粒径は、ナノサイズ粒子（１０ナノメートル程度）からミクロンサイズ粒子、一般には１０μｍまで、好ましくは０．１μｍ〜２μｍの範囲である。金属ホウ化物は、粉末としてダイヤモンド粉末に添加し、焼結の前に混合することができ、又はそれ自体若しくはダイヤモンド粉末と共に造粒することができる。また、金属ホウ化物を、個別のダイヤモンド粒子上に、例えばソルゲル技術を用いて被覆してもよく、又は場合によっては、金属ホウ化物を添加物として含む基材から浸潤させることさえもできると予想される。金属ホウ化物供給源は、異なる金属ホウ化物の混合物からなることもできるが、全体としてダイヤモンド粉末の最大４重量％までとなろう。
金属ホウ化物は、一般に層の形態の多結晶ダイヤモンド材料の厚み全体に分配し得る。或いは、多結晶ダイヤモンド材料とは別の領域に、例えば研磨要素の作用表面に隣接した層に位置することができる。このような場合、金属ホウ化物は、ダイヤモンド層を覆う粉末層若しくは成形体層としての予備混合物中に、又はカップ状の予備混合物の内部被覆として存在することができ、或いは単独に混合したダイヤモンド／金属ホウ化物層として存在することもできる。
ダイヤモンド粒子は、粒度が５ナノメートル〜１００μｍ、好ましくは０．７５μｍ〜４５μｍの範囲である。ダイヤモンド粉末は、これらの範囲内の様々な粒度画分の混合物からなって、多様な粒度分布をもたらすことができ（欧州特許第０６２６２３７号及び米国特許第５，４６８，２８６号に教示）、又はこれらの粒度の１つだけにして、単一の粒度分布をもたらすこともできる。
溶媒／触媒相は、ダイヤモンド粉末／金属ホウ化物混合物に添加される金属粉末として組み込むことができ、且つ／又はＨＰＨＴ処理中に、基材／バッキングから浸潤させることによって組み込むこともできる。ダイヤモンド層と基材との間に所望の溶浸材（一般にはＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、又は合金）の金属フィルム（シム）を用意して、焼結中に、溶融金属フィルムをダイヤモンド層に浸潤させることも可能である。基材／バッキングは、超硬炭化タングステン（例えば、Ｃｏ／ＷＣ）、サーメット（例えば、Ｗ／ＴｉＣ、Ｗ／Ｔｉ／Ｔａ、又は類似材料）、或いは多結晶ダイヤモンドがそれに対して良好な接着性を示し得る任意の材料であってよい。溶媒／触媒は、成形体中に、一般にダイヤモンド層の３０体積％未満、好ましくは２０体積％以下で存在することになる。
ダイヤモンド層は、非平面の性質であってもよい基材で支持することができ、又は独立型の耐摩耗性材料として使用するために、裏打ちしなくてもよい。この一例には、削岩用途におけるゲージカッターや、高温に曝される摩耗部品など、熱安定性が重要となる用途のものがある。
ダイヤモンド粒子が金属ボンドに埋め込まれ、焼結中にダイヤモンド粒子間に連晶が生じない、のこぎり部分などのダイヤモンド工具の製造も、本発明のプロセスから利益を得るはずである。
直円柱形の切削要素又は研磨要素に加えて、本発明の多結晶ダイヤモンド研磨要素は、例えば、ビュレット、ボタン、又はスタッドなどのドーム型切削機の形態にすることもできる。
焼結を生じさせる金属溶浸材又は金属添加物は、鉄、コバルト、ニッケル、又はそれらの混合物、或いは金属ボンドを使用するのこぎり部分の製造に一般に使用される合金であってよい。
ここで、本発明を、以下の非限定的な実施例を参照しながら、例示のみによってより詳細に説明する。
（実施例１）（比較例）
幾つかの多結晶ダイヤモンド成形体を、以下のように製造した。平均粒径が２２μｍのダイヤモンド粉末３ｇを、炭化タングステン基材に接触させて置き、高温高圧で処理した（約１３００℃及び５ＧＰａ）。焼結後、ＰＤＣ切削機を、適当な粒度に粉砕し、多結晶ダイヤモンド切削縁部を高速で回転する花崗岩の棒に押し付けることによって摩耗試験にかけた。こうして測定した耐摩耗性を、金属ホウ化物でドープした実施例２〜４のＰＤＣ切削機と比較するための基準とした。
幾つかの多結晶ダイヤモンド成形体を、以下のように製造した。平均粒径が２２μｍのダイヤモンド粉末３ｇを、炭化タングステン基材に接触させて置き、高温高圧で処理した（約１３００℃及び５ＧＰａ）。焼結後、ＰＤＣ切削機を、適当な粒度に粉砕し、多結晶ダイヤモンド切削縁部を高速で回転する花崗岩の棒に押し付けることによって摩耗試験にかけた。こうして測定した耐摩耗性を、金属ホウ化物でドープした実施例２〜４のＰＤＣ切削機と比較するための基準とした。
（実施例２）
実施例１に従って多結晶ダイヤモンド成形体を製造し、ダイヤモンド粉末に対して０．５重量％の量の粒子状二ホウ化アルミニウムを、焼結前に高温高圧で添加した。これらの切削機の耐摩耗性を実施例１で得られたものと比較し、平均で４％の増加が示され、ＰＤＣ切削機における二ホウ化アルミニウムの存在に起因して、耐摩耗性が改善されたことが示された。
実施例１に従って多結晶ダイヤモンド成形体を製造し、ダイヤモンド粉末に対して０．５重量％の量の粒子状二ホウ化アルミニウムを、焼結前に高温高圧で添加した。これらの切削機の耐摩耗性を実施例１で得られたものと比較し、平均で４％の増加が示され、ＰＤＣ切削機における二ホウ化アルミニウムの存在に起因して、耐摩耗性が改善されたことが示された。
（実施例３）
実施例１に従って多結晶ダイヤモンド成形体を製造し、ダイヤモンド粉末に対して０．７重量％の粒子状六ホウ化セリウムを、焼結前に高温高圧で添加した。耐摩耗性は６％の改善を示した。図２に示すように、セリウムの存在をＸＲＦ分析によって検出した。
実施例１に従って多結晶ダイヤモンド成形体を製造し、ダイヤモンド粉末に対して０．７重量％の粒子状六ホウ化セリウムを、焼結前に高温高圧で添加した。耐摩耗性は６％の改善を示した。図２に示すように、セリウムの存在をＸＲＦ分析によって検出した。
（実施例４）
粒子状六ホウ化ランタン０．７重量％を含む多結晶ダイヤモンド成形体を、上記の方法に従って製造し、耐摩耗性は６％の改善を示した。図３に示すように、ランタンの存在をＸＲＦ分析によって検出した。
粒子状六ホウ化ランタン０．７重量％を含む多結晶ダイヤモンド成形体を、上記の方法に従って製造し、耐摩耗性は６％の改善を示した。図３に示すように、ランタンの存在をＸＲＦ分析によって検出した。
Claims (22)
- 溶媒／触媒相と、ホウ素と、ダイヤモンド材料に対して０．０１〜４重量％の少なくとも１種の金属又は金属化合物を含むダイヤモンド材料とを含む多結晶ダイヤモンド研磨要素であって、前記金属が、強度の酸素ゲッターであって、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、クロム、及び希土類金属を含む群から選択される、前記多結晶ダイヤモンド研磨要素。
- 前記金属が、希土類金属から選択される、請求項１に記載の研磨要素。
- 前記金属が、セリウム及び／又はランタンである、請求項１又は２に記載の研磨要素。
- 前記金属が、ダイヤモンド材料に対して２重量％未満の量で存在する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の研磨要素。
- 前記金属が、ダイヤモンド材料に対して０．７重量％未満の量で存在する、請求項４に記載の研磨要素。
- 前記金属が、ダイヤモンド材料に対して０．１重量％を超える量で存在する、請求項１から５までのいずれか一項に記載の研磨要素。
- 前記金属が、ダイヤモンド材料に対して０．２重量％を超える量で存在する、請求項６に記載の研磨要素。
- 前記溶媒／触媒相が、コバルト、ニッケル、鉄、又はそれらの合金である、請求項１から７までのいずれか一項に記載の研磨要素。
- 前記少なくとも１種の金属化合物が、前記金属の酸化物である、請求項１から８までのいずれか一項に記載の研磨要素。
- 前記少なくとも１種の金属又は金属化合物が、前記多結晶ダイヤモンド材料全体に分配される、請求項１から９までのいずれか一項に記載の研磨要素。
- 前記少なくとも１種の金属又は金属化合物が、研磨要素とは別の１つ又は複数の領域内に位置する、請求項１から９までのいずれか一項に記載の研磨要素。
- 前記少なくとも１種の金属又は金属化合物が、研磨要素の作用表面に隣接する層の中に位置する、請求項１１に記載の研磨要素。
- 未接着組立体を形成するために多量のダイヤモンド粒子及び少なくとも１種の金属ホウ化物の供給源を用意するステップと、前記未接着組立体を多結晶ダイヤモンド研磨要素の製造に適した高温高圧条件に曝すステップとを含む多結晶ダイヤモンド研磨要素の製造方法であって、前記少なくとも１種の金属ホウ化物の金属成分は、強度の酸素ゲッター（捕捉剤）であり、前記多量のダイヤモンド粒子及び前記少なくとも１種の金属ホウ化物の供給源は、触媒材料の供給源と共に用意されて、前記未接着組立体を形成するものである、前記多結晶ダイヤモンド研磨要素の製造方法。
- 前記金属成分の酸化物が、２０００℃を超える融点を有する、請求項１３に記載の方法。
- 前記金属成分が、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、クロム、及び希土類金属からなる群から選択される、請求項１３又は請求項１４に記載の方法。
- 前記少なくとも１種の金属ホウ化物が、希土類金属のホウ化物から選択される、請求項１３から１５までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記少なくとも１種の金属ホウ化物の金属が、セリウム及び／又はランタンである、請求項１６に記載の方法。
- 前記未接着組立体が基材をさらに含み、それによって、前記未接着組立体の焼結の際に多結晶ダイヤモンド研磨成形体が製造される、請求項１３から１７までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記基材が超硬合金基材である、請求項１８に記載の方法。
- 前記基材が、触媒材料の供給源である、請求項１９に記載の方法。
- さらなる触媒材料が、ダイヤモンド触媒／溶媒を含む第２の相の形態で前記ダイヤモンド粒子に混ぜ込まれる、請求項１３から２０までのいずれか一項に記載の方法。
- 請求項１から１２までのいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド研磨要素を含む、又は請求項１３から２１までのいずれか一項に記載の方法によって製造される多結晶ダイヤモンド研磨成形体。
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