JP5961194B2 - 切削工具又は穴開け工具に使用するための部材であって、バインダ相内に分散された硬質粒子を構成要素とする稠密材料の少なくとも１つのブロックを含む部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、延性のバインダ相内に分散された硬質粒子を構成要素とする少なくとも１つのブロックを含んでいる部材の製造に関し、膨潤によって稠密材料がバインダ相を局部的に富化されることを可能にする。

本発明の関連技術は、より特別には、同じくサーメットとして知られているセラミック／金属複合物によって作られた工具、更に特別には、石油掘削及び／又は鉱山掘削のための工具に関する。

膨潤は、少なくとも固相が液体の吸収によって効果的にその形体に適合して系をより安定化させることができる粒子形体である完全に稠密な固／液系の液体による富化として理解されるべきである。液体による富化は、このような系内に存在している移動圧力によって生じる駆動力の作用によってなされる。

穴開け工具は、岩石を切削し又は研磨するためのカッターが載置されるヘッドを構成要素とする。工具の動作部分であるカッターは、殆どの場合に、カーバイド、すなわち極めて硬度が高いが脆い材料を基体としている。この脆さは、特に、このような工具が種々の硬度の岩によって構成された地層を掘削するために使用されるときに不利である。このことは、このような不均一性がカッターに亀裂を生じさせてカッターの剥離又は破壊によるカッターの摩耗につながる衝撃を惹き起こす可能性がある。

カッターの早すぎる摩耗又は破壊の危険性を低くするために、岩に直接接触する外面よりもコアが脆いサーメットによって作られたカッターを形成することが考えられて来た。従って、カッターのコア（バインダ相が富化された領域）は、良好な切削能力（岩と接触するバインダ相が低い領域）を維持しつつ衝撃に対してより抵抗性があるであろう。

組成勾配又は特性勾配と呼ばれる機能等級材料（Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ Ｇｒａｄｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ：ＦＧＭ）を有する切削工具として知られているこのような切削工具を作るためには、サーメットのコア領域の延性を改良するために、気孔率勾配を有する非稠密サーメットを形成するか又は非稠密サーメットをバインダ相で湿潤させることが提案されて来た。しかしながら、この方法は、特にＷＣ−Ｃｏ系には向いていない。なぜならば、この方法は、含浸前に存在する炭化物の骨格の部分的な破壊につながり、従って、切削工具の所望の特性が得られないからである。

含浸は、毛管圧とも称される毛細管によってもたらされる駆動力のみによる不完全稠密な固／液系の液体による富化である。含浸は、前記２つの凝縮相（固体／液体）に加えて第三の相と称される非凝縮相（気相）を含んでいる。

各々の層が異なる組成を有している多層要素内の固相内に、（外圧を適用しない）自然焼結によって硬度が高い外面と脆いコアとを有する複合勾配を備えたサーメットを形成することも提案されて来た。しかしながら、この方法は、材料が完全に稠密化されるのを可能にせず且つ続いて費用のかかる熱間静圧圧密処理を行わなければならない。更に、組成勾配を有するサーメットの調製は複雑である。なぜならば、これは、各々の層が異なる組成を有する互いに嵌合した一連の基本的な層の形成を必要とするからである。最後に、複雑で且つ極めて費用のかかるこの方法は、連続的な組成勾配を得ることができない。従って、このようにして得られたサーメットは、実質的に異なる硬度及び膨張係数を有する連続した層を含み、これは、２つの連続する層の境界部の層間剥離の虞につながる。

固相焼結の欠点を除くために、完全に稠密な勾配構造を有する材料が極めて迅速に且つ単一のステップによって得られるのを可能にする材料を作ることが提案されて来た。しかしながら、この方法は、厚みが薄い層間に液体を浸透させることによって、組成勾配が全く弱められるという欠点を有している。更に且つ全く意外にも、組成勾配は、液体状態に留まる時間が臨界時間以下のままであるときには不連続なままである。この臨界時間を超えるとサーメットの完全な均質化が示される。

これらの種々の理由により、提案されて来たこれら３つの方法は、満足すべき使用特性、すなわち、表面の摩擦特性とコアの延性又は靱性との両方を有する穴開け工具の工業的生産には適していない。

更に、切削工具の作動寿命を改良するために、サーメットの表面に、窒化物、炭化物、酸化物又はホウ化物の硬度が高いコーティングを付着させることが提案されて来た。このような方法は、例えば、米国特許第４，５４８，７８６号又は第４，６１０，９３１号に記載されている。しかしながら、これらの方法は、研磨によってサーメットの耐摩擦性を改良するだけであり、ほんの薄い厚み（数ミクロン）に亘ってのみ改良がなされるだけであるという欠点を有している。更に、コーティングの性質がカッターの性質と異なるので、カッターの熱化学的応力に続く層間剥離又は層剥離が起こるかも知れない。

炭素に関して化学量論的であるサーメットを炭素に富む気相（メタン）と接触させることによって、ＷＣ−Ｃｏタイプのサーメットの表面の耐摩擦性と耐衝撃性との両方を改良することも提案されて来た。温度の作用により、気相からの炭素が化学量論的なサーメット内に拡散し且つ化学反応２Ｃ＋ＣＯ_３Ｗ_３Ｃ（η相）→３ＷＣ＋３ＣＯに従ってη相と反応してコバルトの解放をもたらし、このコバルトは、コバルトの量が少ない領域に向かって移動する。しかしながら、例えば米国特許第４，７４３，５１５号に記載されている方法は、１又は２ミリメートルに亘るコバルトに富むバインダ相勾配をもたらし、一方、サーメットのコアは、η相によって構成されており且つ繰り返される衝撃中に容易に亀裂が入り得るので、脆いままであるという欠点を有している。

最後に、良好な耐摩耗性と良好な靱性とを組み合わせた利点を有する特別な構造、特にハニカム構造を有する切削工具を作ることが提案されて来た。機能的微細構造を有するこのようなサーメットは、興味のある延性／靱性に関する歩み寄りを示すけれども、意図した用途に対しては不適切なままである。この複合材料は米国特許第５，８８０，３８２号の主題である。

本発明の目的は、従来の工具と比較して改良された寿命を有するために、表面の極めて良好な耐摩耗性とコアの良好な靱性との両方を有する切削工具又は穴開け工具が意図されている稠密なサーメットを基材とする材料ブロックを満足すべき工業条件下で製造することを可能にする手段を提案することによって上記の欠点を解消することである。

この目的のために、本発明は、バインダ相内に分散せしめられた硬質粒子を構成要素とする稠密材料の少なくとも１つのブロックを含む部材の製造方法に関し、この方法は、稠密材料が膨潤材料の湿潤によってバインダ相が局部的に且つミリメートル単位の長さで富化されることを可能にする。

当該方法によれば、保護材料が、少なくとも膨潤領域は自由な状態のままで残しつつ、ブロックの表面全体又は一部分に付着せしめられる。当該保護材料は、保護材料が付着せしめられた壁を通って膨潤材料が移動するのを阻止し、おそらくは、ブロック内へのバインダ相の移動動力学を変え、次いで、膨潤領域が、ブロックを局部的にバインダ相に富むようにすることができる膨潤材料と接触状態となり、次いで、膨潤材料と接触状態となったブロックは、加熱、加熱温度維持及び冷却によって構成される適切な熱サイクルを受け、膨潤材料を部分的に又は完全に液体状態としてバインダ相の富化が膨潤領域のみにおいて生じるようにすることができる。

この熱サイクルは、稠密材料と膨潤材料とによって構成されたアセンブリ内に温度勾配を形成して、ブロックと膨潤材料との間の境界部において最少の膨潤温度が達成されるようにし且つブロック内では温度が最低の膨潤温度よりも高く、膨潤材料内では少なくとも境界部の近くで温度が最低の膨潤温度よりも低くなるようになされる。

熱サイクルはまた、液体状態に維持される時間及び保持温度が所望の富化のために全く十分な量の膨潤材料を発生するようにして行うことができる。
膨潤材料は、負荷がかけられた状態で低い温度で凝集される粉末の圧密体によって作られ且つ一つの面が稠密材料のブロックの面と接触状態にあるパレットによって構成される。

膨潤材料はまた、ブラシによって稠密材料のブロックの表面上に付着されたペースト（粉末と水性セメントとの混合物）の形体とすることもでき又はプラズマ若しくはレーザー射出コーティングの形態とすることもできる。膨潤材料のこのような形態の利点は、全てのブロックの幾何学的構造に適合させることができることである。

膨潤材料と接触している稠密材料のブロックは、当該膨潤材料に対して化学的に不活性な耐熱材料例えば酸化アルミニウムによって作られた坩堝内に配置され、制御された雰囲気下又は減圧下の炉内で加熱されるのが好ましい。

当該ブロックを構成している相は、少なくとも１以上の金属炭化物の硬質粒子と、金属炭化物と共にある温度で共晶を形成するのが好ましい延性の金属バインダ相とを含んでいる。当該ブロックは更に、ダイヤモンド粒子のような他の硬質粒子によって構成することができる。

膨潤材料は、稠密材料のバインダ相に類似した組成を有しているのが好ましい。特に、膨潤温度の下では、膨潤材料の組成は、ほぼ稠密材料内のブロックのバインダ相の組成である。例えば、この湿潤材料は、ブロックの金属炭化物と金属バインダ相との間に形成された少なくとも８５重量％ の共晶によって構成されており、当該湿潤材料の融点は、ブロックのバインダ相の融点より低いか又は等しか又は若干高く、当該湿潤材料の金属バインダ相は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉから選択された１以上の金属元素と、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選択された１以上の金属元素１５重量％以下と、不純物の残余とによって構成されている。

湿潤温度は、ほぼ湿潤材料の湿潤点Ｔｅであり且つ一般的にはブロックのバインダ相の融点に対応している。
熱サイクルは、湿潤材料の共晶温度Ｔｅより高いか又は等しい保持温度Ｔｍ（好ましくはＴｅ＋２００℃未満であるのが好ましく、Ｔｅ＋１００℃未満であるのがより好ましい）まで温度を上昇させることと、好ましくはそれに続いて温度Ｔｍに短時間保持することと、次いで、Ｔｅより低い温度まで急速に（約５０℃／分）冷却することと、最後に、雰囲気温度まで更にゆっくりと冷却すること（１０〜５℃／分）を含んでいる。

稠密材料のブロックを構成している材料は、任意にダイヤモンドの粒子が添加されているＷＣ−Ｃｏ又はＷＣ−［Ｃｏ及び／又はＮｉ及び／又はＦｅ］型のサーメットとすることができ、湿潤材料は、ＷＣ−Ｍ型の共晶（ＭはＣｏ、Ｎｉ及びＦｅから選択される１以上の金属からなる）である。

稠密材料のブロックを構成しているサーメットは、特に、ＷＣ−Ｃｏ型とすることができ且つ３５重量％以下のコバルトを含むことができ、湿潤材料は、特に、６５重量％以下のコバルトを含んでいるＷＣ−Ｃｏ型の共晶とすることができる。保護層が稠密材料のブロックの表面に付着される場合には、この保護層は特に窒化ホウ素によって構成することができるが、任意にグラファイト又は酸化アルミニウムによって構成することもできる。

稠密材料のブロックは、例えば、穴開け工具用のカッターであり、湿潤処理の後にはＰＤＣ（多結晶ダイヤモンドの圧密体）型又はＴＳＰ（熱安定性の多結晶ダイヤモンド）型のダイヤモンド添加チップをブロックの一つの面に適用することができる。

ダイヤモンド添加チップは、ＨＰＨＴ（高圧−高温）プロセスによって、湿潤によって既に処理された稠密材料のブロックに直に適用することができる。ダイヤモンド添加チップを異なる均質なサーメット支持ブロックに適用することもでき、このブロックは、続いて、湿潤によって処理された最初のブロックに、続いて湿潤によって適用される。

本発明の関連技術はまた、穴開けビット、採鉱ピック、トリコーンビット、含浸工具のような岩石を切削し且つ／又は研磨するための穴開け工具のためのカッターに関し、これは、特に、ＷＣ−Ｃｏ型のバインダ相内に分散された硬質粒子（任意に、ダイヤモンドが添加されている）によって構成され、バインダ相に富む靱性の高いコアと、高い硬度を有するバインダ相が少ない表面とを得るために、０．５ｍｍを超える長さに亘って、工具の機能によって規定される形態の連続する組成勾配を含んでいる。

当該カッターは、更に、ブロックの一つの面にＰＤＣ又はＴＳＰ型のダイヤモンドを添加チップを取り付けることができる。
最後に、本発明の関連技術は、本発明の関連技術による少なくとも１つのカッター又はブレードを含んでいる削岩機に関し、この工具は、例えば、石油掘削工具又は採鉱掘削工具又は土木工具又は地面若しくは地盤掘削具である。

最後に、本発明の関連技術は、本発明の関連技術による少なくとも１つのカッターを含んでいる削岩機及び／又は石切機に関する。
本発明の関連技術には、下記形態が含まれている。
（形態１）
削岩機のためのカッターであり、バインダ相に富む靱性の高いコアと、バインダ相含有量が少ない高い硬度の表面とを得るために、０．５ｍｍを超える長さに亘って工具の機能によって規定される形状のバインダ相の連続する組成勾配を有していることを特徴とするカッター。
（形態２）
形態１の削岩機のためのカッターであり、
バインダ相内に分散せしめられた硬質粒子によって構成されているブロックからなることを特徴とするカッター。
（形態３）
形態２の削岩機のためのカッターであり、前記ブロックの前記バインダ相がＷＣ−Ｃｏ型であることを特徴とするカッター。
（形態４）
形態３に記載の削岩機のためのカッターであり、前記ブロックの前記バインダ相がダイヤモンド粒子が添加されているＷＣ−Ｃｏ型であることを特徴とするカッター。
（形態５）
形態１乃至４のうちのいずれか一つの削岩機のためのカッターであって、多結晶ダイヤモンドの圧密体又は熱安定性の多結晶ダイヤモンド型のダイヤモンド添加チップが付加されていることを特徴とするカッター。
（形態６）
形態１乃至５のうちのいずれか一つの少なくとも１つの削岩機のためのカッターを備えている削岩工具。
（形態７）
形態６の削岩工具であり、石油掘削工具又は採鉱掘削工具又は土木工具又は地面若しくは地盤掘削具である削岩工具。

図１は、硬度が高い外面と靱性の高いコアとを有する稠密なサーメットブロックの湿潤による製造方法を示している図である。 図２は、硬度が高い外面と靱性の高いコアとを有する稠密なサーメットブロックの熱による湿潤サイクルを示している図である。 図３は、コアが湿潤によってより靱性が高くされた稠密なサーメットの高さに沿った断面図である。 図４は、図３に示されたコアが湿潤によってより靱性が高くされた稠密なサーメットの下面から上面までの高さｈに沿ったバインダ相の再分布曲線である。 図５は、コアがより靱性が高くされ、ダイヤモンドチップが適用された稠密なサーメットブロックによって構成された穴開け工具のためのビットの断面図である。 図６は、コアがより靱性が高くされ、湿潤によってダイヤモンドチップが付加された稠密な材料の第二のブロックが適用された第一のサーメットブロックを含んでいる穴開け工具のためのビットの断面図である。

一般的に、穴開け工具、より一般的には、切削工具のためのカッターは、概して、平行六面体又は円筒形のブロックを含んでおり、当該ブロックは、粉末冶金によって得られ、一方では、金属炭化物、特に、タングステン炭化物のような硬質粒子によって構成され、他方においては、前記炭化物に接触する金属又は金属合金によって構成されたバインダ相によって構成され、ある温度で、炭化物の融点及び金属又は金属合金の融点の両方よりも低い融点を有する共晶を形成することができる。当該金属又は金属合金は、例えば、コバルトであるが、鉄又はニッケル又はこれらの金属の混合物としても良い。更に、バインダ相は、その含有量の合計が１５重量％に達することができるが、通常は、１重量％を超えない合金を含むことができる。当該合金は、導電性を改良するための銅又はシリコンとすることができ、その効果は、炭化物及びバインダ相によって構成された系に対して表面張力を低くすることができ又は混合された炭化物若しくはタングステン炭化物以外のＭ_ｘＣ_ｙ型の炭化物とすることができる。これらの種々の元素は、特に、マンガン、クロム、モリブデン、バナジウム、ニオビウム、タンタル、チタン、ジルコニウム及びハフニウムである。

これらの基本元素に加えて、バインダ相の組成は、このような物質内に一般的に見出され且つ硬質粒子の形状を変え且つ／又は当該硬質粒子の成長を妨げる合金元素を含むことができる。当業者は、このような元素がわかる。最後に、これらの材料の化学組成は、製造過程によって生じる不可避不純物を含んでいる。当業者はこのような不純物がわかる。

幾つかの用途のためには、カッターの耐摩耗性を増すためにダイヤモンド粒子が添加される。このようなダイヤモンド粒子は、焼結によってブロックを製造するために使用される粉末混合物に添加される。

一般的には、焼結の後に、ブロックは稠密であり且つバインダ相内に分散せしめられた硬質粒子によって構成されている。このようにして、当該ブロックは稠密材料によって作られる。

ＷＣ−Ｃｏ系の場合には、ある温度で形成する共晶の組成は、約６５重量％のコバルト含有量を有している。もちろん、このようにして得られるブロックの使用特性は、特に、炭化物及び金属若しくは金属合金の相対的割合に依存する。穴開け材料の場合には、当該穴開け材料のバインダ相含有量は、一般的に、共晶の含有量よりも遙かに低く、ほぼ３５重量％未満でさえある。実際には、バインダ相含有量が少なくなればなるほど、硬度は益々高くなり、従って、材料の耐摩耗性が高くなる。しかしながら、バインダ相含有量が少なくなればなるほど、サーメットの靱性は益々低くなる。これらの材料、すなわち“サーメット”のこれらの特性は、当業者に知られている。

更に、サーメットの特性はまた、炭化物粒子の大きさ及び形状にも依存する。
本発明によるブロックの特性を改良するために、ブロックの一部をバインダ相によって富化させ且つ任意にその組成を好ましくは均質な組成を有する稠密な焼結されたサーメットから湿潤によって変える方法が使用される。

湿潤現象は、ある種の条件を満たす二相系（硬質粒子−バインダ相）において可能である。従って、湿潤温度（Ｔ≧Ｔｅ）においては、液体であるバインダ相は、硬質粒子を湿潤させなければならず、これらの同じ硬質粒子は、液体バインダ相内に部分的に溶解されなければならず、当該系は、必ずしも溶解− 再沈殿現象によって粒子の大きさを増大させることなく、硬質粒子の形状の変形によってオストワルド成熟を呈しなければならない。

湿潤を行うためには、臨界含有量（ＷＣ−Ｃｏ系の場合には３５重量％）未満のバインダ相の含有量のサーメットを適切な湿潤材料と接触状態とし且つ全体を湿潤材料及びバインダ相が液体であるか又は少なくとも部分的に液体であるような温度にすることが必要である。これらの条件に合っているときに、サーメット内部へのバインダ相の移動が起こり、従って、サーメットはバインダ相に富むようになる。一般的に、湿潤材料の組成は、問題となっているサーメットの共晶の組成に等しいか又は類似しているのが好ましい。この場合には、湿潤は、材料の化学組成を変えることなく、サーメット内のバインダ相の含有量を増大させる。この現象は、サーメットがバインダ相によって飽和するまで続くことができる。同じ特性の湿潤材料を有するタングステン炭化物／コバルト型のサーメットに対しては、サーメット内の約３５重量％のコバルト含有量に対して飽和が得られる。

湿潤材料は、稠密サーメットのバインダ相の組成と異なる組成を有することができる。この場合には、サーメットは、バインダ相に富むばかりでなく、その化学組成及び任意に炭化物相の化学組成も変わる。

湿潤現象は、熱的に活性化され、従って、その動力学は、温度に関連付けられているが、サーメット内のバインダ相の初期含有量のみならず硬質粒子の大きさ及び形状にも関連付けられている。

湿潤は、一般的に、問題となっているサーメットの共晶組成を有する液体内にサーメットブロックの一方の端部を浸漬することによって稠密なサーメットブロックがバインダ相に富むようにするために使用される。この方法の欠点は、湿潤材料が液体となって接触領域ばかりでなく接触領域に隣接した面を介してサーメット内へ広がって勾配の形状を制御し難くさせるという点である。

従って、浸漬によって一般的に得られる結果と逆の所望の結果を得るために、本発明者らは、以下に説明する方法を想到した。
図１に示されているように、処理されるべきブロック１が存在する。ブロック１は、ある温度から、湿潤によってブロック１の内部へと広がることができる湿潤材料によって構成されたペレット２と接触するバインダ相内に埋設された硬質粒子を構成要素とする材料によって作られる。ブロック１は、一般的に、形状が円筒形又は平行六面体であり、下面３、１以上の側面５及び上面６を備えている。湿潤材料のペレット２はブロック１の下面３と接触しており、湿潤材料のペレット２とブロック１との間の接触領域４（湿潤領域とも称される）は、ブロック１の下面の表面積よりも実質的に小さい。勾配の形状は、特に、サーメットの下面３に対する湿潤領域の位置決め及び湿潤領域の広さによって決まる。ブロック１の横面５と上面６とは、保護材料の層７によって覆われている。窒化ホウ素である保護材料は、例えば、一方では保護層を介する湿潤材料の移動を阻止し、他方ではブロック内へのバインダ相の移動の動力学を変えることを意図している。ブロック１によって構成され、保護層７を備え、湿潤材料のペレット２によって構成されているアセンブリは、坩堝内に配置される。当該坩堝は、熱処理温度において化学的に不活性であり、例えば酸化アルミニウム８によって作られ、制御された雰囲気下の炉９内に配置される。炉９は、真空炉又は窒素若しくはアルゴン雰囲気下の炉とすることができる。炉は、湿潤材料及びブロックのバインダ相は、例えば１３５０℃又はＷＣ−Ｃｏのブロックの場合には１３２０℃でさえある温度で部分的に又は全体的に液体状態にあるように十分高い温度に到達することができなければならない。高い加熱及び冷却速度によれば、当該アセンブリが処理される系の共晶温度（湿潤が起こる温度より高く、ＷＯ−Ｃｏ型のサーメットの場合には１３００℃程度である）より高い温度にある時間を制御し特に最短にすることができる。炉は、抵抗炉、誘導炉、マイクロ波炉又はＳＰＳ（放電焼結）設備とすることができる。

次いで、ブロックは熱サイクルを受ける。当該熱サイクルは、まず最初に、少なくとも湿潤材料のペレット２とブロック１の下面３との間の接触領域が液体状態へと移る温度より高い温度又は等しい温度まで加熱することを含む。加熱は、ブロック内の温度がブロックの共晶の融点Ｔｅよりも高い状態で行われる。

ペレット２の少なくとも一部分内の温度が湿潤材料の融点より低いままであるようにして加熱が行われるように、炉の自然な温度勾配が使用されるのが好ましい。
このようにして処理することにより、湿潤材料は、移動によって、湿潤材料のペレットとブロックの下面との間の接触領域において稠密材料のブロックの内部へと浸透する。一方、湿潤材料はブロックの外壁５又は上壁６からは浸透しない。従って、稠密材料のブロックの湿潤材料による富化は、実質的には、下方の壁３が開口し且つブロックの内側に向かって延びている内側領域で起こる。

より正確には、熱処理は、図２に示されているように、共晶の融点Ｔｅまで加熱する段階１５、次いで、ブロックが温度Ｔｅよりも高い保持温度Ｔｍまで維持され且つ保持時間ｔ_ｍに亘って当該保持温度Ｔｍに維持される段階１６、次いで、ブロックが温度Ｔｅ以下の温度まで極めて急速に冷却される段階１７、及び最後に雰囲気温度までゆっくり冷却される段階１８を含んでいる。

加熱段階中において、Ｔｅより低い温度では、前記湿潤材料は凝固し且つ収縮を受ける。Ｔｅより高い温度では、共晶液が接触面に形成される。
閾値温度は、温度Ｔｅと大きく異なってはならないが、十分な液体を生成し且つ湿潤されるために稠密サーメットと化学平衡状態にある液体の湿潤及び浸透を許容するためには十分に異なったものでなければならない。この温度差は、例えば、２００℃以下であり、１００℃以下であるのがより好ましく、５０℃未満であるのが好ましい。

最低の湿潤温度Ｔｅより高い温度にある時間の合計時間ｔ_ｔ（一般的には１５分未満）のみならず、保持温度Ｔｍ及び保持時間ｔ_ｍは、ブロック内での湿潤材料の適切な分布を確保するように選択される。当業者は、これらのパラメータを選択する方法を知っている。

閾値温度と共晶湿潤温度との間の冷却は、湿潤材料の制御されない移動を避けるために迅速に行われる。
この目的のためには、急速な冷却速度は、４０℃／分より速いのが望ましく、５０℃／分より速いのがより好ましく、６０℃／分より速いのがより好ましい。しかしながら、稠密材料のブロック内に過剰な応力が生じるのを避けるためには、当該冷却速度は１００℃／分より遅い速度に維持されることが好ましい。

共晶温度以下では、湿潤材料の移動が阻止されるので、冷却は、稠密材料のブロック内に過剰な残留応力が発生するのを避けるために実質的により遅い速度で行われる。
このような方法で処理することにより、バインダ相の含有量が多いコア２０と、バインダ相の含有量が少ない外側領域２１とを含む図３に断面で示されているもののようなブロックが得られる。バインダ相の含有量が少ないことにより、外側領域２１は極めて高い硬度従って高い耐摩耗性を有するが、靱性は低い。これと対照的に、バインダ相の高い含有量により、内側領域２０は極めて良好な靱性を有する。

上記し且つサーメット内のバインダ相が次第に富化されることに対応する湿潤プロセスにより、バインダ相の含有量の変化が連続的に起こり且つブロックのコアから作動面に向かって減少させる。このことは、図３におけるバインダ相の等含有量線２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ及び図４における稠密なサーメットの下面から上面への高さに沿ったバインダの再分配の概要図によって図式的に示されている。

稠密なブロックがタングステン炭化物型であるときには、３５重量％より少ないコバルト含有量を有しなければならない。この含有量を超えると、湿潤プロセスは不可能である。このようなブロックをそれ自体のバインダで富化させるためには、当該ブロックは、コバルト含有量が３５重量％から６５重量％まで変化し得るタングステン炭化物／コバルト混合物を構成要素とする湿潤材料と接触状態とされる。好ましくは、ＷＣ−Ｃｏ系に対しては、この混合物は、６５重量％のコバルトに対応する共晶組成を有している。タングステン炭化物／コバルト混合物は、例えば、好ましくは撹拌機内で数時間、乾湿法によって均質化される。この混合物は、次いで、例えば単動型内で低温で圧密化されるか又は水性セメントと混合される。湿潤材料が低温で圧密化されるときには、当該湿潤材料は、処理されるべきブロックと接触状態とされるペレットの形態である。湿潤材料が水性セメントと混合された粉末によって構成されているときには、当該湿潤材料は、ブロック上の如何なる形状ともすることができる区画領域にブラシによって付着させることができる。当該湿潤材料は、プラズマ噴射又はレーザー噴射型の技術によって付着させることもできる。ブラシ又は噴射による付着技術は、湿潤材料を、形状が平行六面体又は円筒形の形状よりも複雑であり得るブロックの如何なる領域にも付着させることができるという利点を有する。

処理されるべき各ブロックのための湿潤領域の大きさ及び形状は、ブロックの内部で発生されるべき勾配の形状に適合されなければならないことは注目されるであろう。当業者は、このような適合方法を知っている。

他の点において、本発明者らは、全く突然に、稠密材料のブロックの外面に保護層が存在することは、ブロックの内部での湿潤材料の移動に対して著しい効果を有することを発見した。特に、本発明者らは、保護層が、バインダ相の勾配及び結果的には保護材料がないときに得ることができるものよりも遙かに大きい硬度の勾配を得ることを可能にすることを発見した。更に、当該バインダ相の勾配は、ドーム形状を有することができる。

この効果は、以下の２つの例によって示される。これら２つの例は、両方とも、処理前のコバルト含有量が１３重量％であるタングステン炭化物／コバルトの稠密なブロックの処理に関し、前記湿潤材料は、約６５重量％のコバルトを含んでいる共晶組成を有する所謂タングステン炭化物／コバルトのペレットを構成要素としている。ＷＣ粒子の大きさは例えば約１μｍの大きさであり、これは１２３０ＨＶの初期硬度に対応する。これら両方の場合に、アセンブリは、電気炉内の酸化アルミニウムの坩堝内に配置され、１３５０℃の温度（試料温度）で３分間加熱される。

第一の例においては、湿潤材料と接触状態とならなかったブロックの外壁は、窒化ホウ素を構成要素とする保護材料によって覆われていた。処理後のブロックの外面近くの硬度は１３７０ＨＶ程度であり、一方、ブロックのコア内の最低硬度はほんの８９０ＨＶであった。すなわち、４８０ＨＶ程度の硬度の差があり、この硬度の差は、５ｍｍ程度の距離に亘って得ることができる。

比較例として提供されている第二の例においては、ブロックの外壁は、保護層によって覆われていなかった。観察された最大硬度はブロックの外面上で１２００ＨＶであり、ブロックのコアにおける最小硬度は１０１０ＨＶであり、これは、ほんの１９０ＨＶの差に相当する。

これら２つの結果の間の差に対しては種々の説明がある。特に、保護材料は、バインダ相と炭化物相との間の界面エネルギを増し、従って、ブロックの内部へのバインダ相の移動に対して作用を有すると考えることができる。

上記した工具のカッターを構成するためのブロックの製造を可能にする方法は、外側部分は硬度が高く、内側部分は靱性が高いブロックが得られるようにするという利点を有する。このような硬度の変化はミリメートル単位の長さで起こる。特に、硬度の変化は、０．５ｍｍより長い長さ、好ましくは１ｍｍよりも長い長さ、３ｍｍよりも長い長さでさえなされるが、３０ｍｍ未満の長さが好ましく、８ｍｍ未満の長さが好ましく、５ｍｍ未満でも良い。

更に、本発明者らは、ブロックの湿潤の後に、湿潤処理によって得られた勾配を部分的に維持しつつ、合成ダイヤモンドチップをブロックの上面に付着させることができる。比較的厚いダイヤモンドの層、好ましくは０．５ｍｍより厚いダイヤモンドの層を、ＨＰＨＴ（高圧−高温）プロセスによってグラファイト粉末を加圧成形させることによって定位置に配置させることができる。次いで、図５に断面で示されているビットが得られる。このビットは、コア４１はより靱性を高くするために湿潤によってバインダ相が富化されているサーメットの支持ブロック４０と、当該支持ブロックの面４３に適用されたダイヤモンドチップ４２とによって構成されている。

上記したように保護層によって処理されたブロックにダイヤモンドチップが適用されると、支持ブロックの内側の硬度の勾配の大きさは、４８０ＨＶではなくほんの３５０ＨＶであるが、サンプルの外周の最大硬度は１３７０ＨＶではなく１５５０ＨＶとなり、ブロックの底部における最小硬度は８９０ＨＶではなく１２００ＨＶであり、すなわち、ＨＰＨＴ処理前に同じ処理がされたブロックと比較して、コアは、表面はより硬度が高くなるが、コアは若干靱性が小さくなる。

この硬度の変化は、ダイヤモンドの加圧成形によってもたらされ、このダイヤモンド加圧動作は、コバルトの勾配、従って、ダイヤモンドの支持部の硬度に作用する。
サーメット支持ブロックにダイヤモンドの層を付着さるためには、図６に示された第二の方法に従って処理することも可能である。

第二の方法に従って、バインダ相の含有量を増すことによって靱性が改良されたコアを付与するために、上記した一つの又はその他の湿潤方法によって処理されたサーメットブロック５０が使用される。当該サーメットには、表面５５を介する湿潤によって、予めダイヤモンドチップ５４が加圧された均質な稠密サーメットの支持ブロックを構成要素とするカッター５２が適用される。

ブロック５３及び５０の組成は、これらのブロックが共晶温度よりも高いか又は等しい温度と接触状態とされるか又はこの温度にされると、一つのブロックの完全なアセンブリが確保されるように選択される。この結果を得るためには、移動圧力が異なるように硬質粒子の組成及び／又は大きさ及び／又は形状を有するサーメットをブロック５３及び５０として選択することが便利である。これらの移動圧力は、特に、炭化物粒子の大きさ及び形状並びにバインダ相の含有量に依存する。当業者は、このようなサーメット構造を選択する方法を知っている。

上記した方法は、トリコーンドリル、ＰＤＣ若しくはＴＳＰカッター、石油掘削のための含浸工具又は採鉱分野における削岩機の若しくは岩砕工具のための若しくは爆破穴の穴開けカッター、土木工具又は材料加工工具のような穴開け工具のヘッドのためのカッターの製造を可能にする。

このようなカッターは、本発明による方法によって得られる稠密材料の少なくとも１つのブロックを含み且つこのようなブロックを構成要素とする部材である。このようなブロックは、意図された工具に適用される極めて異なる形状を有することができる。これらのカッターは相当するようにブレードを構成することができる。

このようなカッターは、石油掘削又は採鉱掘削又は土木分野特に地面又は地盤掘削機に適合させることができる。これらの用途は、特に選択すると、“局部的な掘削”型又は“連続採鉱”型又は“採炭機”型の掘削機又は軟らかい岩に坑道を掘るための機械に使用される。このような適用はまた、特に、掘進機又は道路穿孔機又は回転穴開けカッター又はターボ撃発穴開けカッターのようなフルセクションの機械において使用されるホイールとすることもできる。

この方法はまた、靱性がより高い本体上に極めて硬度が高い作動面を得ることが望ましい金属加工工具のための部材を製造するために使用することもできる。

１ ブロック、
２ ペレット、
３ 下面、
４ 接触領域、
５ 側面、
７ 保護材料層、
８ 坩堝

Claims (24)

1. バインダ相内に分散せしめられ、かつ、焼結によって得られた同じ特性か又は異なる特性の硬質粒子を構成要素とする稠密材料の少なくとも１つのブロック（１，４０，５０）を含む部材の製造方法であり、前記稠密材料は、湿潤材料による湿潤によって局部的にバインダ相に富むようにすることができ、少なくとも湿潤領域は自由なままとしつつ前記ブロックの表面全体又は一部分に保護材料が付着せしめられ、当該保護材料は、当該保護材料が付着された壁を介する前記湿潤材料の浸透を阻止し、前記ブロック内への前記バインダ相の浸透動作を変化させ、次いで、前記ブロック（１）の表面（３）の少なくとも１つの湿潤領域（４）が、前記ブロックを前記バインダ相で局部的に富化させることができる湿潤材料（２）と接触状態とされ、次いで、前記湿潤材料と接触しているブロックが、加熱、温度保持及び冷却からなる適切な熱サイクルを受けて、前記湿潤材料及び前記ブロックのバインダ相を部分的に又は完全に液体状態として、前記バインダ相の富化が前記湿潤領域を介してのみ起こるようにし、前記ブロックが、バインダ相の含有量がより多いコアとバインダ相の含有量がより少ない外側領域とを含むようになることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であり、
   前記熱サイクルが、前記ブロックと前記湿潤材料とを構成要素とするアセンブリにおいて、前記ブロックと前記湿潤材料との間の境界部で最低の湿潤温度が達成され、前記ブロック内では少なくとも前記境界部の近くの温度が前記最低の湿潤温度より高い温度に達し、前記湿潤材料内では少なくとも前記境界部の近くの温度が前記最低の湿潤温度より低くなるような温度勾配が形成され、又は、前記熱サイクルが、前記液体状態に維持される時間及び保持温度が、所望の富化に対して全く十分である前記湿潤材料の液体量を発生するように行われることを特徴とする方法。
3. 請求項１乃至２のうちのいずれか一の項に記載の方法であり、
   前記湿潤材料が、凝集された粉末混合物によって構成されたペレット（２）であり、当該ペレットの一つの面が前記ブロックの表面に接触していることを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至２のうちのいずれか一の項に記載の方法であり、
   前記湿潤材料が、前記付着せしめられたブロックの表面上の被覆形態であることを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法であり、
   前記湿潤材料が、ブラシ、プラズマ噴射又はレーザー噴射によって前記付着せしめられたブロックの表面上の被覆形態であることを特徴とする方法。
6. 請求項１乃至５のうちのいずれか一の項に記載の方法であり、
   前記湿潤材料（２）と接触している前記ブロック（１）が、制御された雰囲気下の炉内で又は真空内で加熱されることを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至６のうちのいずれか一の項に記載の方法であり、
   前記ブロックの材料を構成している硬質粒子が、少なくとも硬質の金属炭化物粒子を含んでおり、前記バインダ相が金属の特性を有していることを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法であり、
   前記ブロックが、直径が１ｍｍ未満の大きさの天然の又は人工のダイヤモンド粒子を更に含んでいることを特徴とする方法。
9. 請求項７又は８に記載の方法であり、
   前記湿潤材料がバインダ相内に分散せしめられた硬質粒子を構成要素としていることを特徴とする方法。
10. 請求項９に記載の方法であり、
    前記湿潤材料の粒子と該湿潤材料のバインダ相とが、前記ブロックの粒子及びバインダ相と同じ特性を有している、ことを特徴とする方法。
11. 請求項９に記載の方法であり、
    前記湿潤材料の粒子と該湿潤材料のバインダ相とが、前記ブロックの粒子及びバインダ相と異なる特性を有している、ことを特徴とする方法。
12. 請求項９に記載の方法であり、
    前記湿潤材料の粒子が前記ブロックの粒子と同じ特性を有しており、前記湿潤材料のバインダ相が前記ブロックのバインダ相と異なる特性を有している、ことを特徴とする方法。
13. 請求項９に記載の方法であり、
    前記湿潤材料の粒子が前記ブロックの粒子と異なる特性を有しており、前記湿潤材料のバインダ相が前記ブロックのバインダ相と同じ特性を有している、ことを特徴とする方法。
14. 請求項１０乃至１３のうちのいずれか一の項に記載の方法であり、
    前記湿潤材料の粒子と該湿潤材料のバインダ相との割合が、前記ブロックの粒子及びバインダ相の割合と異なる、ことを特徴とする方法。
15. 請求項１０乃至１３のうちのいずれか一の項に記載の方法であり、
    前記湿潤材料の粒子と該湿潤材料のバインダ相との割合が、系が共晶系である場合の共晶組成に相応する割合である、ことを特徴とする方法。
16. 請求項７乃至９のうちのいずれか一の項に記載の方法であり、
    前記湿潤材料の化学組成が、前記ブロックの金属炭化物と金属バインダ相との間に形成された少なくとも８５重量％の共晶によって構成されて、前記湿潤材料のバインダ相と前記ブロックのバインダ相との融点の差が２００℃未満であり且つ１５重量％以下のＣｕ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選択された１以上の金属元素と残余量の不純物とによって構成されていることを特徴とする方法。
17. 請求項９乃至１６のうちのいずれか一の項に記載の方法であり、
    前記湿潤温度が、前記湿潤材料の共晶の融点Ｔｅであることを特徴とする方法。
18. 請求項９乃至１７のうちのいずれか一の項に記載の方法であって、
    前記湿潤材料と接触している前記ブロックが受ける熱サイクルが、０〜１５分の保持時間ｔ_ｍ内で、湿潤材料の共晶温度ＴｅからＴｅ＋１００℃までの範囲の保持温度Ｔｍまで温度を上昇させることと、次いで、Ｔｅより低い温度まで、４０℃／分より速い速度で第一の急速な冷却を行うことと、１０℃／分より遅い最後のゆっくりとした速度で周囲温度まで冷却することと、を含んでいることを特徴とする方法。
19. 請求項７乃至１８のうちのいずれか一項に記載の方法であって、
    前記ブロックを構成している材料が、ＷＣ−Ｍ型（Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅから選択される１以上の金属によって構成される）のサーメットであり、前記湿潤材料がＷＣ−Ｍ型（Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅから選択される１以上の金属によって構成される）であることを特徴とする方法。
20. 請求項１９に記載の方法であって、
    前記ブロックを構成しているサーメットがＷＣ−Ｃｏ型であり且つ３５重量％以下のコバルトを含んでおり、前記湿潤材料が３５〜６５重量％のコバルト成分を有していることを特徴とする方法。
21. 請求項７乃至２０のうちのいずれか一項に記載の方法であって、
    前記保護層が、窒化ホウ素、グラファイト又は酸化アルミニウムを構成要素とすることを特徴とする方法。
22. 請求項１乃至２１のうちのいずれか一項に記載の方法であって、
    前記ブロック（４０，５０）が穴開け工具のためのカッターであり、前記ブロックの湿潤処理の後に、多結晶ダイヤモンド圧密体又は熱的安定性の多結晶ダイヤモンド型のダイヤモンド添加チップ（４２，５４）が前記ブロックの一つの面（４３）に付着せしめられていることを特徴とする方法。
23. 請求項２２に記載の方法であって、
    前記ダイヤモンド添加チップ（４３）が、高圧−高温プロセスによって前記ブロック（４０）に直に適用されることを特徴とする方法。
24. 請求項２２に記載の方法であって、
    前記ダイヤモンド添加チップ（５４）が、湿潤によって前記ブロック（５０）に適用されたサーメット（５３）によって担持されていることを特徴とする方法。
    

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