JPH01503058A

JPH01503058A - ダイヤモンドコンパクト

Info

Publication number: JPH01503058A
Application number: JP63502381A
Authority: JP
Inventors: リングウッド，アルフレッド・エドワード
Original assignee: ザ・オーストラリアン・ナショナル・ユニバーシティ
Priority date: 1987-03-23
Filing date: 1988-03-02
Publication date: 1989-10-19
Anticipated expiration: 2012-11-05
Also published as: ZA881663B; EP0308440B1; CA1321885C; IN169981B; WO1988007409A1; IE880652L; JP2672136B2; US5010043A; EP0308440A1; IE60850B1; EP0308440A4

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】ダイヤモンドコンパクト技術分野本発明は、超硬材料の切断、機械加工、微粉砕、穴あけ加工、研摩、および加工等に有効に使用し得るよう十分に高品位の耐摩耗性、硬度および機械的強度を備えたダイヤモンドコンパクトの改良された製造方法に関する。これらの超硬材料は、シリコンカーバイド、ポロンカーバイド、シリコンナイトライド、サイアロン、アルミナ、部分的に安定化されたジルコニアおよびベリリアのような進歩したセラミックス、タングステンカーバイド、チタンカーバイド、チタンポライドおよび耐熱ニッケルやコバルト基合金のような金属化合物材料、並びに準宝石や宝石、ケイ石およびシマ状鉄層のような非常に硬い天然の鉱物および岩石を包含する。

多くの異なった品種のダイヤモンドコンパクトおよびダイヤモンド複合材料が文献に記載されており、これらの性質は非常に幅が広い。一般的に言えば、ダイヤモンドコンパクトは十分な耐摩耗性、硬度、および低いまたは無視できるポロシティ−（多孔性）を有し、５０体積％以上のダイヤモンド結晶からなり、その多量のダイヤモンド−ダイヤモンド接触を生じる多結晶体を意味するものと解されている。

ある種類のダイヤモンドコンパクトでは、通常約８５体積％以上のダイヤモンド結晶を含んでおり、該ダイヤモンドはダイヤモンド−ダイヤモンド結合によってその接触部で結合している。これは、ダイヤモンド結晶構造が隣接したダイヤモンド結晶間で本質的に連続しており、隣接した結晶間での結合の強度は単一のダイヤモンド結晶内のカーボン−カーボン結合の強度に匹敵することを意味する。

これらのコンパクトは、そのダイヤモンド−ダイヤモンド結合のために非常に高い硬度および圧縮強度を有する。

５０体積％以上のダイヤモンドおよび５０体積％以下の非ダイヤモンド結合材料を複合した第２の種類のダイヤモンドコンパクトが存在する。該ダイヤモンドが十分密に充填されており、実質的部分または大部分は直接接触しているため、該コンパクトは高い圧縮強度を有する。しかしながら、該ダイヤモンド自体はその相互接触部にて弱く結合するにすぎず、コンパクトの結合または引張強度は主にダイヤモンドと非ダイヤモンド結合材料間の結合によりもたらされる。コンパクトを、非ダイヤモンド結合を選択的に溶解する溶媒に溶解すると、これら２種間の相違が容易に明らかとなる。もしダイヤモンド−ダイヤモンド結合が存在するならば、該ダイヤモンド結合は強い結合を保持する。しかしながら、もしこの種の結合が存在しないか、または存在しても弱いと、個々のダイヤモンドはコンパクト溶融後に、例えば鋼製の針まｔ；は解剖用メスを用いて容易に分離できる。

本発明は、非ダイヤモンド結合マトリックスが主にシリコンカーバイドからなるこの第２の種類のダイヤモンドコンパクトに関する。

文献に提案されているダイヤモンドコンパクトにより示される品質は、その組成、構造、結合の種類、並びに製作時の圧力、温度および時間により極めて広範に変化するということは当業者に認められる所であろう。多くのコンパクト、特にｌＯキロバールの圧力未満で製造されたコンパクトは実質的な耐摩耗性を示すが、靭性および圧縮強度に欠ける。これらは研磨や一般的な削摩の目的には有用であるが、高硬度と高靭性村よび圧縮強度との組合せが要求される、例えば非常に硬いセラミックス、カーバイド、岩石および鉱物の穴あけ、研削、形削りおよび機械加工等の用途には実際に使用できない。この種のダイヤモンドコンパクトは、少なくとも１０キロバール、このましくは２０キロバ一ル以上の圧縮強度を有するべきである。本発明は、この後者の種類のコンパクトに関する。

しかしながら、たとえダイヤモンドコンパクトがかなりの硬度、圧縮強度および靭性を有するとしても、これらの特質は、コンパクトが前記のような超硬材料を加工する能力を有することを保証するものではない。コンパクトのミクロ組織もまた、これらの用途において有効であるかどうかを決定する重要な手段である。

もしダイヤモンド結晶が互いにあまり密に充填され、結晶間の間隙があまりに小さすぎると、コンパクトは超硬材料の表面を十分に研摩し、加工しない。この種類のコンパクトは加工部材に対して限定適用した後、小さい、平滑な摩耗面（ｗｅａｒ−ｆｌａｔ）を生じる。平滑な摩耗面を生じＩ；後、該コンパクトは非常に遅い速度で表面から素材を取り除きながら、またはさらに素材を取り除くことが全くできずに加工する表面滑るかまたは横滑りする。超硬材料の表面の切断、研摩、穴あけおよび他の加工を行うため、ダイヤモンドコンパクト工具に生じる摩耗面は平滑であるべきではなく、それよりも個々のダイヤモンド結晶の突端および角により設けられる有意な程度の小規模の粗さを生ずるべきである。このような切れ刃の確立および維持は、実質的な比率のダイヤモンド粒子の隣接端部間のある種の有限離隔距離を必要とする。この離隔距離はダイヤモンド結晶より柔らかい結合剤により設けられ、それにより顕微鏡的なダイヤモンド結晶の端部を暴露するため加工部材に着手できる。その他に、該離隔距離はコンパクト内の僅かな程度の開ポロシティ−（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）または制御されたミクロクラック（ｍｉｃｒｏｃｒａｃｋｉｎｇ）の存在により設けることができ、それにより顕微鏡的な規模での多数の切れ刃が生みだされ、コンパクトを自己研削する。

超硬材料の切断、穴あけ、研摩、旋削および他の加工を最適速度で行うため、結合剤が主にシリコンカーバイドである種類のダイヤモンドコンパクトは８５体積％以下のダイヤモンドを含有すべきである。好ましくは、この種のコンパクトは８０体積％以下のダイヤモンド結晶を含有すべきである。しかしながら、良好に加工を行うため、該コンパクトは５０体積％以上のダイヤモンド粒子を含有すべきである。この限界未満では、互いに直接接触するダイヤモンド結晶の比率が急激に低下し、そのためコンパクトは不十分な圧縮強度および過度の脆性を示す。

好ましくは、この種のコンパクトは６５体積％以上のダイヤモンド粒子を含有すべきである。

ドリル刃、切断工具、線引きダイスおよび関連した用途としての使用に適したダイヤモンドコンパクトは多くの技術により作製できる。１つのこのような技術（米国特許第４．１５１．６８６号および４．２３１．１９５号、トムリンソン（７０ｍｌ　１ｎｓｏｎ）らのインダストリアル・ダイヤモンド・レビュー（Ｉｎｄ、　Ｄｉａｍｏｎｄ　Ｒｅｖ、）、１９８５年、４５．２９９−３０４）では多結晶性ダイヤモンド粉末塊をシリコンまたは高シリコン含有合金塊と並列に配置する。ダイヤモンド−シリコンのアセンブリーを高圧−高温の装置内に置き、約５５キロバールの圧力に付す。次いで、該ダイヤモンド−シリコンのアセンブリーを圧力に付しながら約１２００〜１５００℃に加熱する。それにより、シリコンまたは高シリコン含有合金を溶融し、ダイヤモンド粉末塊を浸透する。温度および圧力を十分な時間保持し、大部分のシリコンがダイヤモンドと反応してダイヤモンド結晶間に強い結合を設けたシリコンカーバイドを得る。

この浸透技術により高い硬度およびかなりの靭性を有するコンパクトを製造することができる。これらのコンパクトは、頁岩、泥岩、砂岩、石灰岩および花こう岩のような軟ないし中硬度の岩石、相対的に軟ないし中硬度のセラミック材料およびいくつかの金属合金に対して穴あけし、加工するのに有効である。それらは、ジャリング、えぐりまたはプラウイングとして記載できる方法による材料表面からの素材を取り除く。しかしながら、この種のコンパクトは超硬セラミックス、カーバイド、金属および前記種類の岩石を加工するのには実際に有効ではない。小さい摩耗面の発生後、工具は加工部材の表面を滑りかつ横滑りする傾向にあり、実際に使用する速度で素材を取り除くことができない。この挙動の理由はダイヤモンド粒子の高充填密度、およびこれらコンパクト上の摩耗面を過度に滑らかにするダイヤモンド粒子間の小さい離隔距離である。米国特許第４゜１５１．６８６号および４，２３１．１９５号に記載の目的はダイヤモンド粒子の充填密度を最大限度にすることである。これは、第１に充填密度を最適化するように選択された比率でダイヤモンド粒径の範囲（小、中、大）を使用することにより達成される。第２に、粒径等級をつけｔ；ダイヤモンド粒子塊は非常な高圧、典型的には約５５キロバールに付されることによりさらに圧縮される。溶融シリコンまＩ；はシリコン合金をダイヤモンド結晶塊に注入し、それが反応して主にシリコンカーバイドの結合を生じる時のみ、ダイヤモンド粒子塊の充填密度は最大限となった。

この浸透技術はある種の欠点を有する。ダイヤモンド粉末塊を加熱する前に圧縮すると、結晶の広範なりラックを引き起こす非常に高い局部圧力が個々のダイヤモンド結晶の接触点で生じる。細かいクラックの幾つかはシリコンにより実質的に浸透されず、したがってコンパクトを弱くシ、脆化させる。

さらに、溶融シリコンがこれらの条件下でダイヤモンド粉末塊に十分浸透できる距離が限定され、この技術により約５ｍｍ以上の最小寸法（厚さ）を有する有用なコンパクトを製造できない。

ダイヤモンドコンパクトを製造する第２の方法は米国特許第３゜２３９．３２１号に記載されている。この方法では、ダイヤモンドをマトリックス材料と混合し、混合物をダイヤモンドのグラファイト化が抑制される高圧に付し、次いで該混合物を加熱してマトリックスを溶融する。明細書は、多種多様のマトリックス材料を用い、圧力５０〜７６キロバールのダイヤモンド安定領域内での操作を一般に包含する例を記載している。該明細書は４５キロバールの高圧での結合剤としてシリコンを用いた例を記載している。しかしながら、この方法で得られた製品は相対的に弱くかつ実用的価値がなく、′該特許は結合を提供する１；めにシリコンを用いる方法を特許請求していない。

本発明者らは国際特許出！［（番号）ＰＣＴ／ＡＵ８５１０　Ｏ２０１（国際公開番号ｗｏ８６１０１４３３）において、ダイヤモンド結晶およびシリコンの混合物を好ましくは１５〜３０キロバールの範囲の圧力および好ましくは１２００〜１６００℃の範囲の温度に少なくとも３分、好ましくは５〜３０分付すことを特徴とするダイヤモンドコンパクトおよびその製造方法を記載した。該混合物は、好ましくは５〜２０重量％のシリコンを含有する。ダイヤモンドの広範な塑性変形およびミクロクラックを生じる圧力および温度を続いて適用した。採用した処理時間は、全てのまたは大部分のシリコンがダイヤモンドと反応してシリコンカーバイド結合を形成するのに十分長い。製造されたコンパクトの厚さは典型的には５關以上および１０＋ｎｍに等しく、圧縮強度は典型的には２０キロバ一ル以上および５０キロバールに等しい。

同時係属の国際特許出ＩＩ（番号）ＰＣＴ／ＡＵ８５１０Ｏ２０１の全ての關示は参考として本明細書に引用されたと考えられる。

この発明の好ましい実施態様において、粒径１０〜６０ミクロンのダイヤモンド粉末９０重量％をさらに細かい（１〜５ミクロン）のシリコン粉末１０重量％とよく混合しｔ；。該混合物を高圧、高温の装置内のピストンシリンダーに配置した。試料温度を、シリコンの融点未満の１０００〜１２００℃に上昇させ、数分かけて圧力を３０キロバールに増加させｔ；。それにより、混合物の高密度化および圧密か生じた。この段階で、ダイヤモンドとシリコンの間で反応は生じない。ダイヤモンド−シリコン集合体の密度は約３．３ｇ／ｃｍ’に増大し、これはダイヤモンド＋１０％シリコンの完全稠密混合物の密度（３、３４ｇ　／ｃｍ” ）にほぼ等しい。広範な塑性変形およびダイヤモンドとシリコンの流動によって高密度化が達成される。この段階に達した後、ダイヤモンドは外表面からの圧力の伝達に耐えるのに役立つ剛性の枠組み構造を形成する。次いでシリコンの融点を越えるレベル、典型的には約１４７５℃まで温度を上昇させ、１５〜３０分° 保持した。溶融シリコンはダイヤモンド結晶と反応してシリコンカーバイド結合を形成する。シリコンの密度（２，３３ｇ／ｃａ＋つに比較してシリコンカーバイドの密度（３，２２ｇ／ｃ＋ｏりがより高いため、反応は体積の減少を伴って進行し、コンパクト内にはかなりのポロシティ−が生じる。この発明の実施において形成されたコンパクトの密度は、典型的には約３．３０〜３．３４ｇ／ｃｍ ”であり、一方、対応するダイヤモンドとシリコンカーバイドからなる完全稠密混合物の理論的密度は３．４７ｇ／ｃｍ３である。この差の大部分は２〜４％の残留ポロシティ−の存在より生じる。超音波での研究により、かなりの比率のポロシティ−が小さいミクロクラックの形態で存在することが示される。この特別の処方により調製したコンパクトは約８０〜８２体積％のダイヤモンドを含有する。この方法により調製したコンパクトは、しばしば前記のような非常に硬いカーバイド、セラミックスおよび岩石の機械加工、研摩およびおその他の加工を行う改良された能力を示す。疲労面が生じた後、該コンパクトは実際に有効な速度で切断および研摩を続け、素材を取り除く。

これは、主に平坦でない表面を有する疲労面を生じかつコンパクトを自己研削させるミクロクラ７り系と結合した小さいが有限のポロシティ−のためである。したがって、該コンパクトは曇る傾向がなく、摩耗するにつれて連続して新しい鋭敏な端部（エツジ）をさらす。

この方法により製造されたコンパクトは通常高い強度および高度を有するが、これらの特性は、明らかに同じ条件で実施された時でさえ、その操作によって実質的に変化する。これは、制御が難しい圧力セルから田な少量の化学汚染物に対するミクロクラック系の感受性により生じる。該ミクロクラックが過度に交差しなければ、コンパクトは優秀な特性を示す。しかしながら、もしミクロクラックの相互連結の交差があるレベルを越えると、コンパクトの強度および耐摩耗性は急に減少する。

本発明はこれらの問題点を解消する同時係属の国際出願における改良に関し、標準の条件によりコンパクトを製造すると、改良された耐摩耗性、靭性と圧縮強度、高密度および高度の再現性を有するコンパクトを生ずる。

発明の開示本発明はシリコン３〜３５重量％に対しダイヤモンド９７〜６５重量％の比率でダイヤモンドを良く混合し；このように混合したダイヤモンド結晶体を１つ以上のシリコン体に隣接して配置し；このように混合したダイヤモンド結晶およびシリコン体を、１１００〜１８００ ℃の範囲のシリコンの融点以上の温度および１０〜４０キロバールの範囲の圧力に付し、プレミックスしたシリコンおよび該シリコン体の溶融および該シリコン体からのシリコンのダイヤモンド結晶間の隙間空間への浸透を生じさせ、ダイヤモンド結晶間の大部分のシリコンをダイヤモンドと反応させてシリコンカーバイドを生じさせ、該シリコンカーバイドがダイヤモンド結晶間の結合を形成し、ダイヤモンドとシリコンの全比率が、少なくとも３゜３５ｇ／ｃがの密度および少なくともｌＯキロバールの圧縮強度を有し、５０〜８５体積％のダイヤモンドを含有するコンパクトを得るようなものであることからなる、主にシリコンカーバイドにより結合されたダイヤモンド結晶からなるダイヤモンドコンパクトの製造方法を提供するものである。

ダイヤモンド結晶とシリコンの良好な混合は、ダイヤモンド結晶とシリコン粒子を機械的に混合するか、またはダイヤモンド結晶を少なくとも０．２ミクロン厚さのシリコンフィルムでコーティングすることにより行ってもよい。

好ましくは、ダイヤモンド結晶の実質的な塑性変形を得るため、十分な時間以上、連続して圧力および温度を適用する。

好ましくは、さらに少なくとも約３分間、高温、高圧で保持する。

高圧、高温条件に適用する前にシリコンと混合したダイヤモンド結晶が配置された間に一対の該シリコン体があってもよい。

本発明は、また前記方法により形成されたダイヤモンドコンパクトに関する。

さらに詳しくは、本発明は、少なくとも３．３５ｇ／ｃ■３の密度および少なくともｌＯキロバールの圧縮強度を有し、ダイヤモンド結晶全体に分散した主にシリコンカーバイドの隙間結合材により一体に結合された５０〜８５体積％のダイヤモンド結晶からなることを特徴とするダイヤモンドコンパクトに関する。

本発明の実施において、プレミックスしたダイヤモンドおよびシリコン粒子の間の反応の初期段階は、国際比Ｉｆ（番号）ＰＣＴ／ＡＵ８５１００２０１での記載と同様に進行する。しかしながら、該方法に対して本発明では、シリコンカーバイドを形成するためのシリコンとダイヤモンドの反応は体積収縮を伴って進行することにより、コンパクト内に実質的なポロシティ−およびミクロクラックを生じ、この収縮の間に外部の溶融シリコン体を連続してコンパクトに注入することにより大部分のポロシティ−およびミクロクラックを除去し、典型的に密度が３．３５〜３．４２ｇ／ｃかに増大する。

反応中にさらにシリコンをコンパクトに注入することによりコンパクト内のシリコンの全体量が増加する。例えば、最初のダイヤモンドとシリコンの混合物が１０重量％のシリコンを含有するのに対し、完成コンパクトは典型的には約１８重量％のシリコンを含有する。本発明の実施により、全シリコンの半分以上がシリコンカーバイドとして存在する。好ましくは、８０％以上のシリコンがシリコンカーバイドとして存在し、さらに好ましくは、９０％以上のシリコンがシリコンカーバイド結合剤として存在する。本発明の実施により形成されＩ；コンパクトは８５体積％以下、５０体積％以上のダイヤモンドを含有する。好ましくは、それらは８０体積％以下、６５体積％以上のダイヤモンドを含有する。本発明に記載した全比率のダイヤモンドを含有するコンパクトを製造するため、プレミックスするシリコンの比率および注入するシリコンの比率には柔軟性がある。プレミックスするシリコンの比率は３〜２５重量％の間で変化する。外部リザーバーからコンパクトに注入するシリコンの量はダイヤモンドの粒度分布および他の要因により影響されるが、典型的にはコンパクトの最終重量の５〜１５％の間で変化する。

本発明により形成したコンパクトは、本出願において後記する実施例に示すように、国際特許出願（番号）ＰＣＴ／ＡＵ８５１００２０１により製造されたコンパクトに比較して実質的に改良された超硬材料を加工する能力を示す。国際特許出願（番号）ＰＣＴ／ＡＵ８５１００２０１のコンパクトは、その鋭敏さが本来ミクロクランク系により造られた切れ刃を通して超硬材料の表面から素材を取り除く。このコンパクトは先の国際特許出願のコンパクトの密度（３，３０〜３− ３４　ｇ　／ｃｍ”）より太きく（３，３５〜３．４２ｇ／ａｍす、その超音波の低い減衰が示すように、比較的少ないミクロクラックを有する。硬い材料および超硬材料に適用すると、シリコンカーバイドはダイヤモンドに対して優先的に摩滅し、そのエツジはシリコンカーバイド上に突出する。突出したダイヤモンドエツジは、実質的な摩耗面が形成された後でも超硬材料を切断、研摩しかつそれから素材を取り除く。この様に加工するため、該コンパクトは前記の範囲内でのダイヤモンドと結合剤（シリコンンカーバイドーシリコン）の比率を有する。もし結合剤の比率が小さすぎ、ダイヤモンドが互いに密に充填しすぎると、疲労面は相対的に滑らかであり、コンパクトは実用に有効な速度で素材を取り除くのにあまり有効ではない。

米国特許第４．１５１２．６８６号に記載のように、単に溶融シリコンによる圧縮ダイヤモンド粉末の浸透により作製されたコンパクトが、超硬材料を加工する際、本発明に記載のコンパクトより実質的にあまり有用でないのは、本来この理由による。

この組合せＩ；プレミックス−浸透法により製造したコンパクトの特性は、高い再現性、および通常９０％を越える工業的に有用な耐摩耗性を有するコンパクトの製造にむける成功率である。これに対し、そのミクロクラック系の交差度の制御に問題があるため、国際特許出願（番号）ＰＣＴ／ＡＵ８５１００２０１のようにプレミックスのみで作製されｔ；コンパクトにおいて均一性を得ることは実質的により困難である。

本発明によれば、米国特許第４，１５１．６８６号に記載され、また「シンダックス−３（ＳＹＮＤＡＸ−３）Ｊとして市販されかつトムリンソン（Ｔｏｍ　Ｉ　ｉ　ｎ５ｏｎ）らのインダストリアル・ダイヤモンド・レビュー（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｄｉａｍｏｎｄ　Ｒｅｖｉｅｗ）、１９８５年、４５．２９９−３１０に記載された商品のように、浸透法のみを用いて製造できるものより大きいコンパクトが製造できる１例えば、コンパクトは直径１３ｍｍ、高さく厚さ）１３ｍｍの円筒状で製造され、一方、浸透法により製造されるコンパクトの最大厚さは約５關である。本発明の方法を用いて１３ｍ以上の最小寸法を有するコンパクトを製造できる。

その限界は、現在使用する高圧−高温装置の寸法による。より大きい能力を有する適当な装置を用いてより大きいコンパクトを製造できるごとが期待される。

ダイヤモンドとシリコンのプレミックスまたはシリコンによるダイヤモンドのコーティングにより、外層から内部へのシリコンの浸透を容易となる。コンパクト内の溶融シリコンはダイヤモンド結晶を湿らし、ダイヤモンド−シリコン混合物と外部シリコンの間に連続毛管系を確立する。それにより、米国特許第４．１５１．６８６号に記載のようにコンパクトが浸透のみにより形成された場合より外部溶融シリコンをコンパクト内により長い距離で注入でき、商業的に有利なより長いコンパクトの製造を容易にする。等量のシリコン粉末とプレミックスするよりはむしろシリコンでダイヤモンドを予めコーティングすると、浸透はより効果的であり、より長い距離を進む。

本発明により製造される大きい寸法のコンパクトは、削岩およびそれに関する目的用の工具にコンパクトを配置する場合、重要な商業的かつ実用的な利点を与える。例えば、それらは交換を必要とするまで非常に長い寿命を有する。これは特に削岩にコンパクトを使用する時に有利である。さらに、加工工具にセットする場合、１個の大きいダイヤモンドコンパクトの方が同じ重量の小さいコンパクトよりコストがずっと少ない。工具またはドリル刃に組み込むと、より大きい積み重ね型の複合材料の使用により、用途の範囲が広がる。

さらに、本発明の利点は、浸透法のみにより製造されたコンパクトよりダイヤモンドの破砕および破壊が少ないことである。後者の方法では、まだ冷たく支持されていない間にダイヤモンド粒子塊に全限定圧力が適用される。そのため、個々のダイヤモンド接触点で局部圧が生じ、結果として粒子の広範な破砕および破壊が生じる。

しかしながら、ダイヤモンドをダイヤモンドより容易に変形するシリコン粉末とプレミックスすると、圧縮の間にシリコン粉末はダイヤモンドを支持し、ダイヤモンド結晶間の接触点に発生する強い圧力を減する。例えばプラズマスパッタ（ｐｌａｓｍａ　ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）ｔタハ化学的蒸着によりシリコンフィルムでダイヤモンド結晶を予めコーティングすると、同様の利点が得られる。さらに、本発明を実施する好ましい手段によれば、全圧力の適用前にダイヤモンドおよびシリコン粉末の混合物を１０００〜１２００℃に加熱する。次いで全圧力を適用することにより、実質的な破砕および破壊なしにダイヤモンドおよびシリコンの広範な塑性変形および高密度化が生じる。

一般的には、本発明で使用するシリコンのプレミックスと浸透の組合せにより、浸透のみにより製造されるコンパクトに比較し、製造におけえるより大きい柔軟性並びに超硬材料を加工できるコンパクトを製造するのに必要なミクロ組織の制御が得られる。同様に、本願の後記実施例に記載のように、シリコンのプレミックスと浸透の組合せにより、プレミックスのみにより製造されたコンパクトより優れた特性を有するコンパクトが製造される。

本発明によれば、高圧、高温に付す前に、固体粒状のシリコンをダイヤモンド結晶とともによく混合する。シリコン（Ｓ）とダイヤモンド（Ｄ）の間の相対的な重量比率は、組＊ＤｓｓＳｓｓとＤ　ｓ　ｔ　Ｓ　ｓの間で変化する。ダイヤモンドとシリコンの十分な混合は、有利には、商業的に入手可能なボールミル内で行える。良好な混合を保証するため、シリコンの粒径は、好ましくは５０ミクロン以下であり、さらに好ましくは１０ミクロン以下である。しかしながら、シリコンの粒径は好ましくは０．１ミクロン以下であるべきではない。これより細かい粉末は、有害な比較的大きい酸化膜により覆われる。

結合剤とダイヤモンド結晶の混合物を得る他の方法は、例えば化学的蒸着またはアルゴンプラズマスバフタによりダイヤモンド結晶の表面に実質的に均一なシリコンのコーティングを適用することである。ダイヤモンド塊に対するシリコンコーティングの重量比率は一般に、ダイヤモンドとシリコンの粉末混合物用に記載された範囲内にとどまる。しかしながら、シリコンフィルムの使用により、最初にダイヤモンド−シリコン混合物に導入されるシリコン量は粉末としてシリコンをプレミックスするよりも少ない。これは、シリコンフィルムがしばしばガラス状であり、シリコン粉末よりも低密度であるために起こる。さらに、溶融時にダイヤモンド表面を湿らすシリコンにより、ダイヤモンド結晶の実質的に全ての表面が予めコーティングされるため、外部源からのシリコンのダイヤモンド集合体への浸透および毛管的侵入がより遠い距離を通して十分に行われる。かくして、約０．２ミクロン厚さのガラス状シリコンフィルムにより先にコーティングされたダイヤモンド結晶の集合体にシリコンを浸透することにより優秀な機械的特性および５ｍｍより大きい最小寸法を有するコンパクトが調製されＩ；。

ダイヤモンド粉末の粒径は、好ましくはｌ−１０００ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは５〜２００ミクロンの範囲である。

さらに好ましくは、ダイヤモンドは充填の効果を改良するように選択された粒度分布を有する５〜１００ミクロンの粒径の範囲である。

１ミクロン以下のダイヤモンドも使用できるが、グラファイト化されやすいことが判明した。本発明の実施における利点は、ダイヤモンドおよび結合材の表面が清浄であり、酸化された表面コーテイングおよび他の汚染物がないことが保証されることである。これは、製造前にダイヤモンドおよびシリコンを別々に水素雰囲気中、６００〜８００℃の温度で加熱することにより達成できる。

図面の簡単な説明添付図面は、本発明を実施するための高温−高圧ピストンシリンダー装置内での使用に適しｔ；圧力セルを示す。

本発明実施の最良の方法本発明の実施においては、ダイヤモンド・シリコン混合物を収容するために不活性で変形可能な材料からなる容器を使用する。好ましくは、該容器は六方晶のポロンナイトライドから作製する。便利な形状は中空円筒である。粉末としてまたは固体ディスクとしてのシリコン層を床の上に置く。次いでダイヤモンドとシリコンの混合物またはシリコンコーティングされたダイヤモンドの混合物を、ポロシナイトライドの円筒状容器内のシリコンの上に置き、詰め込む。

次いで第２のシリコン層（粉末としての、または固体ディスクとしての）をダイヤモンド−シリコン混合物の上に置き、容器をポロンナイトライドの蓋で閉じる。シリコン層またはディスクの厚さは、典型的にはダイヤモンド−シリコン混合物の高さの約ｌ／２０〜１／２である。この形状は珍しいものではない。その他に、シリコン層をその円筒状外面の周囲のダイヤモンド−シリコン混合物に隣接してまたはその軸に沿ったロッドとして置くことができる。他の形状は当業者により容易に予想し、使用できる。例えば外側のシリコン体をダイヤモンド−シリコン混合物の一端にのみ置き、外側シリコンを一方向でコンパクト内に浸透させるのも、しばしば有利である。次いで、図示するように容器を圧力セル内に置き、高温−高圧装置内で所望の高圧、高温に付す。該装置はエフ・ボイドおよびジェイ・イングランド（Ｆ、Ｂｏｙｄ　ａｎｄ　Ｊ、Ｅｎｇｌａｎｄ）らにより記載されたタイプである（ジャーナル・オブ・ジオフィジカル・リサーチ（Ｊ、Ｇｅｏｐｈｙｓ。

Ｒｅ５）６５．７４１Ｓ　１９６０年）。

図面は、２つのシリコン層３の間の中空円筒状のポロンナイトライド製容器２内に置かれたダイヤモンドとシリコンの混合物ｌを示す。該容器２はポロンナイトライド族の蓋４により閉じられてい容器２は、高電流により所望の温度に加熱できる管状のグラファイト炉内で固定されたパイロフィライト製インサート５の間に置かれる。温度は熱電対７によりモニターされる。

炉６は、グラファイト炉の片端上のグラファイト製フランジｌＯと該炉の他端にある管状のマグネシア製ディスク１１との間で伸延するパイレックスガラス製スリーブ８および外側のタルク製スリーブ９内に配置され、圧力セル用の圧力媒体として機能する。

好ましくは、使用する外部のシリコンの量は高圧−高温処理後に過剰のシリコンがコンパクトの表面に残留する程度であるべきである。この過剰のシリコンは。

製造後に濃沸化水素酸および硝酸の混合液中で溶解することによりコンパクトの表面から除去できる。

本発明を実施する上で圧力は重要な変数である。前記の好ましい一連の条件の範囲内で他の変数を一定に保つと、装置内の平均限定圧力が５から１０キロバールに増加するにつれコンパクトの機械的強度、耐摩耗性および密度が有意に増加する。５キロバールでは２回の別々の操作で３．２１および３．２３ｇ／ａｍ”の密度が得られ、一方、ｌＯキロバールでは別々の操作で３６２８および３．３４ｇ／ｃｍ”の密度が得られた。密度は、本発明の実施により形成したコンパクトの耐摩耗性および強度にしばしば有効な指標を与える。約１０キロバールを越える操作圧力で形成したコンパクトは、通常ｌＯキロバールを越える強度を示す。

圧力がｌＯから１５キロバールに増加するにつれ、さらに強度および耐摩耗性の改良が生じる。３゜３５ｇ／ｃがの密度は１５キロバールで典型的に得られ、１５キロバールで製造したコンパクトの強度は、通常２０キロバールを越える。限定圧力が１５ないし２０から３０キロバールに増加すると、機械的性質および耐摩耗性には有意な改良がしばしば見られるが、圧力が３０キロバールから６０キロバールに増加すると機械的強度および耐摩耗性には殆ど改良が見られない。これらの要因の見地から、コンパクトを製造に用いる最適圧力は１５〜３０キロバールの範囲である。

４０キロバ一ル未満の圧力で本発明を実施する重要な利点は、５０キロバール近傍のより高い圧力が得られるのに必要な装置より大きい作業容量を有する相対的に単純な装置の使用が可能であることである。後者の場合、圧力容器およびピストンがタングステンカーバイドから構成され、作業容量の大きさを厳しく制限する複雑な形状寸法を有する米国特許第２．４９１．２４８号（ホール（Ｈａｌｌ））に記載のような装置を使用する必要がある。一方、良い品質のコンパクトを製造するために必要な圧力は４０キロバ一ル未満である場合、使用する装置は、ストレートシリンダー内で圧力媒体を軸方向に圧縮するストレートピストンのような非常に単純な寸法形状を有する。

この種の装置は容易に増量して大きい作業容量をもたらすことができる。さらに、圧力容器は全体に鋼により構成され、これはタングステンカーバイドより安価である。これらの要因のため、実質的な圧縮強度を有するコンパクトは４０キロバ一ル未満で製造でき、より高い圧力が必要なより複雑な装置よりコストが安い。本発明の重要な利点は、ピストンシリンダー高圧装置を用いて超硬材料を加工で、与る機械的に強いコンパクトを製造できることである。しかしながら、本発明はこの装置に限定されず、約６０キロバールの実用可能な上限を有する高圧で、他の種類の装置内で実施できる。

本発明の実施において、温度は重要な変数である。好ましくは、混合したダイヤモンドおよびシリコン結晶はシリコンの融点未満の温度（約１２００〜１４００ °Ｃ１圧力に依存する）で塑性変形され、高密度化される。これは、固体状態のダイヤモンド−シリコン混合物を低圧下、８００〜１２００℃の高温に加熱し、数分かけてその最高レベルにまで圧力を増大させることにより有利に達成できる。

次いで温度をシリコンの融点以上の所望のレベルまで上昇させ、大部分のシリコンがダイヤモンドと反応してシリコンカーバイドを形成するまでほぼ一定に保持する。これをベストで達成できる温度範囲は１３００〜１６００°Ｃであり、１４５０〜１５５０°Ｃが好ましい。良好な特性を有するコンパクトは、３〜５分の短い操作時間で１８００℃まであるいは１８００℃超の高温で作製できる。しかしながら、明らかにダイヤモンドの局部的なグラファイト化のため、良い品質のコンパクトの製造における成功率はこのような高温では低下する。好ましくは、コンパクト中のグラファイト量は２％未満、さらに好ましくは１％以下である。これらの条件は１４５０〜１５５０°Ｃでベストで達成される。これらの極限を達成するため、反応時間は１８００℃では短くしなければならない。本発明を実施するための実用的な上限温度レベルは約１８００℃であり、実用的な低温度は約１２５０℃である。

まず全圧を適用し、次いで温度を操作値に上昇させるより単純な圧力一温度サイクルも使用できる。例えば数分かけて十分にゆっくり温度を上昇させると、シリコンが溶融する前にダイヤモンド−シリコン混合物の実質的な塑性変形および高密度化が得られる。このサイクルは前記サイクルより大きい比率のダイヤモンドを破壊する傾向にある。しかしながら、混合または被覆したシリコンにより得られた支持により、米国特許第４．１５１．６８６号に記載の浸透法よりダイヤモンドの破壊および破砕が少ない。

本発明を実施するのに用いる反応時間は、ダイヤモンドの塑性変形の所望の程度、ダイヤモンドと結合部との間の化学反応の実質的または本質的な完了度並びに遊離グラファイトの最小限の形成を得る目的により決定される。反応時間は、好ましくは３〜６０分の範囲であり、５〜３０分の期間が最も普通に用いられる。

３分以下の期間では、シリコンカーバイドを形成するためのシリコンとダイヤモンドの間での十分な反応が起こらないため一般的に不十分である。

６０分より長い期間では、通常コンパクトに実質的に改良された特性を与えない。最適な反応時間は操作温度に依存する。コンパクトを１２５０〜１４００°Ｃで製造する時、３０〜６０分の期間が望ましい。１４００〜１６００℃では、好ましい反応時間は１０〜３０分である。

さらに本発明の目的は、大部分のダイヤモンド成分の実質的な塑性変形を引き起こすことにより、点またはエツジよりはむしろ完全な曲面に沿った平面でのダイヤモンド−ダイヤモンド接触を提供することである。ある場合には、シリコンカーバイドのフィルムがこのように密接する結晶間に形成される。この構造により、結果として生じたコンパクトにより大きい圧縮強度および剛性が与えられる。

その他の利点は、塑性変形したダイヤモンドが未変形のダイヤモンドより硬いことである。ダイヤモンド結晶中での所望の程度の塑性変形は、前記にように、時間およびコンパクトの製造中に圧力および温度が適用される順序を注意深く制御することにより達成される。

ホットプレス工程の前に、ダイヤモンドおよび／またはそれに隣接するシリコン塊と混合されるシリコンに小比率のある金属を添加することにより、改良された特性、例えば耐摩耗性および導電性を有するコンパクトを生じる。しかしながら、これらの金属の添加により、ダイヤモンドを湿らせかつダイヤモンド塊を浸透するシリコンの能力を改良することが判明した。

この具体例で使用する金属添加物の量は、原子％として測定すると、全シリコンに対して小比率である。特に、金属添加物の量は全シリコン％の３０原千％以下である。このように使用する場合、有利な特性を与える金属は２つのグループから選択される。第１のグループはカーボンと反応して１６００℃超の融点を有する安定なカーバイドを形成する金属からなり、チタン、シリコン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、タングステン、モリブデン、バナジウム、ウラン、トリウム、スカンジウムおよびベリリウムを包含する。第２のグループは安定なカーバイドを形成しないが高温でダイヤモンドと強く結合し、ダイヤモンドの存在下、１６００℃未満の温度で溶融しない金属からなる。この第２の金属はレニウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウムおよびプラチナを包含する。

少量の１つ以上の前記金属を用いてコンパクトを調製すると、後者はシリコンまｔ；はカーバイドと反応し、ダイヤモンド結晶用の主要な結合剤を提供し続けるシリコンカーバイド全体に分散された導電性カーバイドまｔ；はシリサイドの小粒子を形成することが判明しＩ；。さらに、これらの金属の少量をシリコンカーバイド結晶格子中に導入することにより、シリコンカーバイドの導電性を増大する。

金属添加物は、シリサイドまたはカーバイド、あるいは他のエレメントのように粒状でシリコンとよく混合され、隣接のシリコン塊と合金される。

このように使用すると、チタンは添加物として特別有利であることが判明した。

１５ｉ子％のシリコンをチタンに置き換える通常の方法でコンパクトを調製した。該コンパクトは通常の無金属コンパクトにより示されたものの半分の導電性を有することが判明した。

この特性は、非常に有利な放電機械加工（ＥＤＭ）法による形削りを非常に容易にした。チタン添加物は、シリコンによりダイヤモンドを湿らせ、ダイヤモンド塊全体をシリコンで浸透することを改良することが判明した。添加物として、レニウムをシリコン９０原千％に対しレニウムｌＯＷ子％程度使用すると、得られたコンパクトの耐摩耗性を実質的に改良しＩ；。

本発明により製造したダイヤモンドコンパクトは数多くの望ましい特性を示す。

硬度および耐摩耗性はタングステンカーバイドより典型的に高く、一方、圧縮強度はタングステンカーバイドと同様である。５０キロバールの圧縮強度が測定された。それらは本質的にそのマクロ的な物性において等方性であり、非常に異方性である天然のダイヤモンドと異なる。

本発明により製造したコンパクトは、米国特許第４，１５１．６８６号に記載の望ましい浸透技術によってのみ製造されたコンパクト以上の重要な実用的かつ商業的利点を有する。それらは、通常、タングステンカーバイド、シリコンカーバイド、ポロンカーバイド、ジルコニア、アルミナ、ベリリア、サイアロン、シリコンナイトライド、°石英岩、サファイヤおよび他のダイヤモンドのような超硬材料の機械加工、切断、研摩、穴あけおよび他の加工を行う優れた能力を示し、一方、泥岩、頁岩、砂岩、石灰石、片岩、片麻岩、玄武岩、緑色岩および花こう岩のような軟ないし中硬度の岩石に対する耐摩耗性は、浸透によってのみ製造されたコンパクトの耐摩耗性に匹敵する。本発明に記載のコンパクトがより大きい物理的寸法で製造できるという事実は削岩に用いる場合に実用的価値を与える。

さらに、このコンパクトの実用的利点は、放電加工技術によって二次加工しかつ形削りできるのに十分高い導電性を通常示すことである。

導電性は、ダイヤモンドの塑性変形により生じた格子欠陥から発生すると考えられている。これに対し、浸透のみによって製造されたシンダックス−３のような市販のコンパクトは、通常高い導電性を有するが放電加工技術により形削りできない。

本発明により製造したコンパクトは、同時係属の国際特許出Ｉｔ（番号）ＰＣＴ／ＡＵ８５１００２０１に記載のダイヤモンドとシリコンのプレミックスにより製造されＩ；コンパクト以上の重要な実用的利点を有する。それらは、その超音波ＰおよびＳ波の低減衰により示されるように、有意な高密度並びに僅かな気孔空間およびミクロクラックを有する。それらは、実質的に前記のような超硬材料の機械加工、切断、穴あけおよび加工を行う能力に優れる。さらに、それらは広範な普通の岩石の機械加工、切断、穴あけおよび加工を行う能力においてかなり優れる。それらは、また、標準の方法により製造すると、高い再現性および物性の均一性を示す。

本発明によるダイヤモンドコンパクトの製造および特性を以下の実施例に記載するが、これらは本発明の範囲の限定を意図するものではない。これらの実施例において、異なったコンパクトの性能を評価し、比較するために標準の摩耗試験を行った。一方の試験では、直径２０〜２５＋ｎ＋ｎの加工部材（例えば、Ｋ６８タングステンカーバイド、部分的に安定化したジルコニア、シリコンカーバイド、ポロンカーバイド）からなるシリンダーを旋盤内で回転し、その固定端に０．１または０．０５ｍｍ深さの横方向のカットを作製するようにコンパクトをセットした。典型的には５０〜１００の多くのカットを行った後、旋削中に加工部材シリンダーおよびコンパクトから取り除かれた体積量を測定した。特別の加工部材に対するコンパクトの「摩耗率」は、取り除かれたダイヤモンドコンパクトの体積に対する取り除かれた加工部材の体積の比とした。

これらのシリンダーが直径３０〜３５ｍｍであることを途いて、モルヤ（Ｍｏｒｕｙａ）産花こう岩およびヘビトリー（Ｈｅａｖｉ　ｔｒｅｅ）産石英岩からなるシリンダー上で類似の試験を行った。

実施例１４０〜６０ミクロンのダイヤモンド粉末８０％および４〜８ミクロンのダイヤモンド粉末２０％からなる混合物を調製した。この混合物をさらにシリコン１０％に対してダイヤモンド９０％の重量比率で１〜５ミクロンのシリコン粉末と良く混合した。内径１２關、内部高さ１５．５ｍｍのポロンナイトライド製の円筒状容器を調製した。厚さ０　、５　＋ＩＩｍ、直径１２關のシリコンの固体ディスクを該容器の底全体に配置した。次いで、ダイヤモンド−シリコンの混合物を該シリコンディスクの上の容器に詰め込んだ。最後に第２の１．ｏｍｍ厚さのシリコンディスクをダイヤモンド−シリコン混合物上に置き、ポロンナイトライド製ディスクで容器を閉じた。得られたカプセルを、ここに図示し記載した種類の圧力セル内に置き、エフ・ボイドおよびジェイ・イングランド（Ｆ、Ｂｏｙｄ　ａｎｄ　Ｊ、Ｅｎｇｌａｎｄ）により記載された（ジャーナル・オブ・ジオフィジカル・リサーチ（Ｊ、Ｇｅｏｐｈｙｓ、Ｒｅ５）、７４１．１９６０年）種類のピストンシリンダー装置内で高温、高圧に付した。

まず、２キロバールの圧力を適用して圧力セルの構成材料を固めた。次いで、ダイヤモンド−シリコン混合物の温度を５分かけて１１００℃に上昇させた。この温度はシリコンを溶融するか、またはダイヤモンドにかなりのグラファイト化を起こすのには不十分であった。次いで、装置内の圧力を５分かけて３０キロバールに増加させた。１１００℃の温でさらに５分以上保持した後、２分かけて１５５０℃に温度を上昇させ、２５分一定保持した。

操作の完了後、３０分かけて温度および圧力をゆっくりと環境条件に戻した。次いで、試料カプセルを装置から取り除いｔ；。

粉末混合物は、完全なシリンダーの形態で回収されたダイヤモンドコンパクトに成形されたことが判明した。濃硝酸と滓化水素酸の混合液中で溶解することにより、該コンパクトに付着した過剰なシリコンを取り除いた後、該円筒状のコンパクトが直径１１．５ｍｍ、高さ１０．５＋＋＋ｍ、密度３．４０ｇ／ｃｍ３を有することが判明した。該コンパクトは優秀な強度と硬度を有していた。破壊すると、破面はダイヤモンド結晶全体に伸延し、これはダイヤモンド−シリコン結合の強さを示すものであることが判明した。Ｘ線照射分析および研摩面の評価により、コンパクトは少量にシリコンとブラフアイトラ有するダイヤモンドおよびシリコンカーバイドからなることが示された。グラファイト量は１％以下であり、シリコン量は約２％であった。コンパクトに浸透された過剰のシリコンは、重量分析により８重量％と判定された。かくして、コンパクトは全シリコン１８％を含有し、その殆どは２３重量％に達するシリコンカーバイドに含まれる。これらの数字は、コンパクトが約７３体積％のダイヤモンドを含有することを意味し、これは研摩面の写真中のダイヤモンドの表面積により確認された。

放電加工により形削りされた試験片をコンパクトから切り出し、工具内に取り付けた。それらは、Ｋ６８タングステンカーバイド、アルミナ、部分的に安定化したジルコニア、サイアロン、シリコンカーバイド、ポロンカーバイド、および石英者や花こう岩のような岩石を包含する超硬セラミックスおよびカーバイドを容易に旋削し、穴あけすることが判明した。異なった材料を用いた一連の標準摩耗試験の結果を菓１表に示し、国際特許出願（番号）ＰＣＴ／ＡＵ８５１００２０１の実施例１に記載された方法により製造されたコンパクトの性能との比較を行う。本発明により調製したコンパクトは、ＰＣＴ／ＡＵ８５１００２０１のコンパクトに比べてかなり改良された超硬セラミックスおよびカーバイドを旋削する能力を示し、花こう岩のような普通の中硬度の岩石の旋削においても非常に優れていると考えられる。

第１表本発明および国際特許出願（番号）ＰＣＴ／ＡＵ８５１００２０１に記載の方法により作製したダイヤモンドコンパクトについての異なった材料での摩耗率の比較＊一旦、切削性が安定化した後の摩耗により取り除かれた工具の体積に対する取り除かれた素材の体積比（明細書参照）トムリンソン（Ｔｏｍｌ　１ｎｓｏｎ）らによりインダストリアル・ダイヤモンド・レビュー（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｄｉａ＋１Ｉｏｎｄ　Ｒｅｖｉｅｗ）、６，２９９（１９８５年）に記載された２つの試料、シンダックス（シリコンカーバイド結合ダイヤモンドコンパクト工具、商品名：デ・ビアーズ（Ｄｅ　Ｂｅｅｒｓ））を用いて同様の一連の試験を行った。シンダツクス−３は、ダイヤモンド粒径が１５３０ミクロンであることを除いて、本質的に米国特許第４．１５１，６８６号の方法による約５５ｋｂ、１５００℃での浸透法により製造されることがわかっている。ダイヤモンド粒子の有効な体積充填が少ないため、シンダツクス−３は米国特許第４゜１５１．６８６号のダイヤモンドコンパクトより幾分少ないダイヤモンド８５体積％を含有する。試料は異なった製造ロフトから得られた。

前記の標準旋削試験において、一方のシンダツクスー３製工具は、Ｋ６８タングステンカーバイド、部分的に安定化されたジルコニアおよび石英者から有意な量の素材を取り除くことができなかった。

該工具は加工部材上を滑りかつ横滑りした。第２の工具はタングステンカーバイドから素材を取り除くことができなかった。しかしながら、それは部分的に安定化されたジルコニアおよび石英者に対して有効であった。それにもかかわらず、その超硬材料および石英者の範囲に対する全性能は、第２表に示すように、本発明のコンパクトより実質的に劣っていた。

第２表本方法により製作しＩ；ダイヤモンドコンパクトと２つの試料、シンダックス− ３（デ・ビアーズ）を用いた摩擦率の比較（第２表続き）＊異なった時間に、異なった製造ロフトで得られＩ；商業生産された２つの試料、シンダックスー３十〇は、少量の素材を取り除き、摩耗面を生じＩ；後、工具が全く素材を取り除かなくなっｌこことを意味する。

実施例２シリコン製ディスクの代わりにポロンナイトライド製カプセルの底に４０〜６０ミクロン粒度の２ａｍ厚さのシリコンカーバイド粉末層を置いたことを除いて実施例１にしたがった。頂部のシリコン製ディスクの厚さは１．５ｍｍに増大した。したがって、シリコンの浸透は１方向性であり、シリコンカーバイドの底層は過剰シリコンのシンクとして機能する。圧力が２５キロバールである以外は実施例１のように操作を行った。操作後、過剰のシリコンカーバイドからなる端部を放電加工により取り除いた。得られたダイヤモンドコンパクトは、高さ９關、直径１１＋ａｍを有していた。それは密度３．４關ｇ／ｃｍ３を有し、７６体積％のダイヤモンドを含有していた。それは！！施何例１同じ強度および耐摩耗性を示した。

実施例３用いた圧力が２０キロバールであることを除いて実Ｎｆｌｕｌにしたがった。得られたコンパクトの密度は３　、３９　ｇ／ｃｍ”であり、７０体積％のダイヤモンドを含有していた。その強度および耐摩耗性は実施例１とほぼ同じであった。

実施例４本実施例で使用した圧力容器は内径１．５９ｍｍであり、ポロンナイトライド製の容器は内径６　、６　ｍｍ、高さ８．２關であった。実施例１で使用したものと同じダイヤモンド−シリコン混合物の上下に、０．５〜０．７５＋ｎ＋ｎ厚さのシリコン粉末層を置いた。製造条件は実施例１と同一である。

ダイヤモンドコンパクトは直径６　、２　ｍ＋ｏ、高さ５−２　ｍｍ、密度３゜４２ｇ／ｃｍ３を有する完全なシリンダーとして回収された。超音波干渉計を用い、その音響（ａｃｏｕｓｔｉｃ）Ｐ波速度を測定し、低い減衰を伴う１６．８ｋｍ／秒であることが判明した。これは国際特許出願（番号）ＰＣＴ／ＡＵ８５１００２０１によるプレミックスのみにより形成されたコンパクトのＰ波速度に匹敵し、該速度は、１３．５〜１４．８ｋｍ／秒であり、ミクロクラックの存在により高い減衰を示すことが判明している。Ｓ波速度は、国際特許比ＩＩ（番号）ＰＣＴ／ＡＵ８５１００２０１のコンパクトの８．３〜９９−５ｋ／秒に比べて非常に低い減衰を伴う１０．２ｋｍ／秒であった。後者は非常に高い減衰を示し、その幾つかは、高密度のミクロクラックのｔ；めにＳ波を伝達しない。

実施例５使用した圧力が１５キロバールであることを除いて、実施例４と同様にコンパクトを調製した。該コンパクトは３．３６　ｇ／ｃ＋ｌ＋３の密度を有し、５Ｉ！施例１の場合とほぼ同じ耐摩耗性を有していた。

東１気ｉ使用した圧力がｌＯキロバールであることを除いて、実施例４と同様にコンパクトを調製した。該コンパクトは３．２８　ｇ／ｃｍ”の密度を有し、前記９！施例にくらべて実質的に低い摩耗抵抗および強度を有していた。それにもかかわらず、商業的に有効な速度で、花こう岩およタングステンカーバイドの旋削試験中に素材を取り゛除くことができた。Ｘ線照射により、該コンパクトが５〜１０％の実質的な量の未反応シリコンを有することが示された。

実施例７使用した圧力が５キロバールであることを除いて、実施例４と同様にコンパクトを調製した。該コンパクトは３．２１　ｇ／ｃｍ”の密度を有し、低い強度および劣った耐摩耗性を有していた。

実施例８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ操作温度カ、（ａ）１４００℃で６０分、（ｂ）１４５０’ｃテロ　ｏ分、（ｃ）１５００℃で３０分、（ｄ）１５５０℃？２０分、（ｅ）１６００℃で１０分、（ｆ）１６５０℃−ｔ’ｌｏ分、（ｇ）ｌ　７００’Ｃ？’５分、（ｈ）１７５０℃で５分および（ｉ）１８００℃で５分であることを除いて実施例４にしたがった。

試料は実施例４と同じ寸法を有する完全なシリンダーとして回収した。試料ａｓ　ｂ１Ｃ％　ｄ、６およびｆの密度は３．３７−３．４０ｇ　７０ｍ”の間で変化し、それらは５ｉ！施例１とほぼ同じ耐摩耗性を有していた。試料ｇ％ｈおよびｉの密度は３．３６〜３．３１ｇ／ｃ♂であり、耐摩耗性はやや低かった。

実施例９４０〜６０ミクロンのダイヤモンド粉末８０％および２０〜４０ミクロンのダイヤモンド粉末２０％からなる混合物を調製した。この混合物をさらにシリコン１０％に対しダイヤモンド９０％の重量比率で１〜５ミクロンのシリコン粉末と良く混合した。内径１２ｍｍ、内部高さ１４ｍｍのポロシナイトライド製の円筒状容器を調製した。

該容器は、その中心軸に沿って直径３ｍｍのポロンナイトライド製の円筒状線を有する。厚さ０　、５　ｍｍの固体シリコンの環核容器の底金体に配置した。次いで、ダイヤモンド−シリコンの混合物を該シリコンディスクの上の容器に詰め込んだ。最後に１．Ｏｍｍ厚さのシリコンディスクをダイヤモンド−シリコン混合物上に置き、ポロンナイトライド製ディスクで容器を閉じた。次いで、カプセルを実施例１に記載のように高温、高圧処理に付した。

装置から取り除いた後、試料は、その軸に沿ったボロシナイトライド製の棒を含有する完全なシリンダーの形態で回収されたダイヤモンドコンパクトに成形されたことが判明した。試料に付着した過剰のシリコンを溶解し、軸方向のボロシナイトライド棒を取り除いた後、コンパクトが直径１０．５＋ａｍ、高さ１０．２ｍｍ、密度３．３７　ｇ／ｃ１１１３を有することが判明した。該コンパクトは優秀な強度と硬度を有していた。破壊すると、破面はダイヤモンド結晶全体に伸延し、これはダイヤモンド−シリコン結合の強さを示すものであることが判明した。Ｘ線照射分析および研摩面の評価により、コンパクトは少量にシリコンとグラフフィトを有するダイヤモンドおよびシリコンカーバイドからなることが示された。該コンパクトは、約２％のシリコン、２４％のシリコンカーバイドおよび１重量％以下のグラファイトを含有していた。コンパクトは７１体積％のダイヤモンドを含有していた。

コンパクトは実施例１のコンパクトとほぼ同じ機械的特性および耐摩耗性を有していた。しかしながら、超硬材料の一点旋削に用いる場合、靭性がおるが摩耗抵抗はやや低い。該コンパクトは、超硬材料の研摩および穴あけ用工具として優秀であることが判明した。

同様に調製したコンパクトを鋼製の棒上に軸方向に取り付け、回転グラインダーに挿入しｓ　１２．ｏｏｏｒｐｍで回転させた。コンパクトの回転する円筒状の表面を、旋盤に取り付けた超硬および中硬度材料の棒の表面に対して置き、６００　ｒｐｍで回転させた。該コンパクトは加工部材の表面から素材を取り除き、滑らかな仕上げとするのに非常に有効であることがわかつｔ；。異なった材料に対する一連の試験結果を第３表に示す。該コンパクトは必要に応じ、６００℃の溶慰水酸化カリウム中に２分間浸漬することにより研ぎかつ目直しできる。この処理はシリコンカーバイドを腐食し、表面から疲労したダイヤモンド結晶を取り除く。

ダイヤモンドコンパクトのシリンダーを１２．０００ｒｐｍで回転させ、単結晶ダイヤモンドの粗表面を通過させると、単結晶ダイヤモンド上に研摩された小面が急速に生じる。この結果により、本実東側により製造したダイヤモンドコンパクトは宝石用ダイヤモンドおよび他の貴石の形削りおよび研摩に実用的に有効であることが示される。

同様に製造した他のコンパクトを放電加工により３＋ｏ＋ｉ厚さのディスクにスライスした。該ディスクは、付は刃ドリルを形成するように、該ディスクの直径に平行な軸を有する鋼製のシャフトに対称に固定された。旋盤に取り付けて１２．００Ｏｒｐｍで回転させると、該ドリルは、タングステンカーバイド、部分的に安定化されたジルコニア、アルミナおよび石英者のような超硬材料を容易に貫通することが判明した。部分的に安定化されたジルコニアに直径１１＋＋ｗ＋、深さ２＋ａｍの穴をあけるのに要する時間は３０分であった。約１時間でタングステンカーバイドに同様の穴をあけた。

第３表多くの超硬材料に対する研摩方法において、円筒状のコンパクトの素材除去速度を調製し、操作した。コンパクトの調製および試験は実施例９に記載のように行った。素材除去速度は、１０分間隔以上で行った試験の平均である。

４０〜６０ミクロンのダイヤモンド粉末８５％および１０〜２０ミクロンのダイヤモンド粉末１５％からなる混合物を調製した。

この混合物をさらにシリコン７％に対しダイヤモンド９３％の重量比率で１〜５ミクロンのシリコン粉末と良く混合しｔ：、次いで、実施例４で用いたのと同じ方法を用い、この混合物からダイヤモンドコンパクトを製造した。直径６　、５　ｍｍ１高さ５關、密度３．３９　ｇ／ｃｍ’を有する完全なシリンダーとしてダイヤモンドコンパクトを回収した。それは実施例１と同様の耐摩耗性を有し、７８体積％のダイヤモンドを有することが判明した。破壊すると、シリコンで均一に浸透され、全体に均一な硬度を有することが判明した。

実施例１１９６重量％のダイヤモンド混合物を４％のシリコン粉末と良く混合することを除いて実施例１Ｏにしたがった。得られｔ；コンパクトは実施例１Ｏのコンパクトと外部特性、耐摩耗性および密度において同じであった。それは８１体積％のダイヤモンドを含有していた。

しかしながら、破壊すると、内部に粗表面を有する暗い斑点を示し、それは表面近傍域よりも実質的に軟らかであった。最初の混合物中のシリコン粉末の比率が約５％未満であると、明らかに内部へのシリコンの浸透はあまり有効ではない。

実施例１２４０〜６０ミクロンのダイヤモンド粉末８０％および２０〜４０ミクロンのダイヤモンド粉末２０％からなる混合物を調製した。次いで、標準のアルゴンスパッタ技術およびシリコンターゲットを用いてダイヤモンドをガラス状シリコンでコーティングした。シリコンコーティングは厚さがほぼ均一であり、コーティングとして存在するシリコンの全比率は全混合物の１Ｏ９２質量％であった。実施例４に記載の形状寸法および条件で該混合物を高圧、高温に付した。

得られたコンパクトは長さ４　、３　ｍｍ、直径６．５ｍｍであり、密度３．３７ｇ／ａｍ”を有していた。それは非常に高い靭性および圧縮強度を示した。

里裏町上ｌダイヤモンド混合物中のダイヤモンドが約０．２ミクロン厚さのシリコンフィルムでコーティングされ、該ダイヤモンドマスと隣接するシリコン粉末パッドが１．３＋ｍ厚さであることを除いて実施例１２にしたがった。得られたダイヤモンドコンパクトは長さ４　、１　ｍｍであり、密度３．３８ｇ／ｃがを有していた。それは非常に高い靭性と圧縮強度を有していた。破壊すると、シリコンで均一に浸透され、全体に均一に硬いことが判明した。ダイヤモンドがシリコンのフィルムで予めコーティングされると、その後の外部パッドからのシリコンの浸透が容易になり、シリコンコーティングがない場合よりさらにダイヤモンドマス内に浸透が進むことが本実施例により証明された。シリコンフィルムはダイヤモンド結晶の全表面を湿らせ、外部シリコンの浸透を増大する。

実施例１４チタン１５ｆ子％に対しシリコン８５ｗ、千％の比率からなるシリコンおよびチタン粉末のよく混ざった混合物をシリコン粉末の代わりとすることを除いて実施例１にしたがっｔ；。同様に、シリコン製ディスクを、各々１．５ｍｍ厚さの同じ混合粉末層に代えた。チタン粉末は３０ミクロンの最大粒径を有していた。

実施例１に記載の方法にしたがってコンパクトを製造した。このチタン添加コンパクトの導電性は実施例１のコンパクトの約２倍であった。さらに、該チタン添加コンパクトは放電機械加工（ＥＤＭ）により実施例１のコンパクトより容易に形削りできることが判明した。その耐摩耗性および強度は実施例１と同様であった。

実施例１５レニウムｌＯＪ＊子％に対しシリコン９０ｉ子％の比率からなるシリコンおよびチタン粉末のよく混ざった混合物をシリコン粉末の代わりとすることを除いて実施例１にしたがった。同様に、シリコン製ディスクを、各々１．５＋＋ｍ厚さの同じ混合粉末層に代えた。レニウム粉末は１０ミクロンの最大粒径を有していた。

実施例１に記載の方法にしたがってコンパクトを製造した。得られｔ；コンパクトは、第２表に記載の超硬材料に対する摩耗率を有し、それは実施例１に記載を実施することにより製造されｔ；中で最も耐摩耗性の大きいコンパクトより３０〜５０％高いことが判明した。

Ｆりｌ。

国際調査報告Ｊ５　４Ｂ１６８６　ＣＡ　１１０５４９７

Claims

【特許請求の範囲】

１．シリコン３〜３５重量％に対しダイヤモンド９７〜６５重量％の比率でダイヤモンド結晶をシリコンと良く混合し；このように混合したダイヤモンド結晶およびシリコンを１つ以上のシリコン体に隣接して配置し；このように混合したダイヤモンド結晶およびシリコン体を、１１００〜１８００ ℃の範囲のシリコンの融点以上の温度および１０〜４０キロバールの範囲の圧力に付し、プレミックスしたシリコンおよび該シリコン体の溶融および該シリコン体からのシリコンのダイヤモンド結晶間の隙間空間への浸透を生じ、ダイヤモンド結晶間の大部分のシリコンをダイヤモンドと反応させてシリコンカーバイドを生じさせ、該シリコンカーバイドがダイヤモンド結晶間の結合を形成し、ダイヤモンドとシリコンの全比率が、少なくとも３．３５ｇ／ｃｍ３の密度および少なくとも１０キロバールの圧縮強度を有し、５０〜８５体積％のダイヤモンドを含有するコンパクトを得るようなものであることからなる、主にシリコンカーバイドにより結合されたダイヤモンド結晶からなるダイヤモンドコンパクトの製造方法。
２．圧力および温度を実質的なダイヤモンドの塑性変形を生じさせるに十分な時間、連続して適用する特許請求の範囲第１項記載の方法。
３．少なくとも０．２ミクロン厚さのシリコンのコーティングまたはフイルムの形態でダイヤモンド結晶の表面に結合剤を適用することにより、良好な混合を行う特許請求の範囲第１または２項記載の方法。
４．高圧、高温条件の適用前に、一対のシリコン体があり、その間にシリコンと良く混合されたダイヤモンド結晶が置かれる前記特許請求の範囲いずれか１項記載の方法。
５．少なくとも約３分間、高温および高圧を保持する前記特許請求の範囲いずれか１項記載の方法。
６．３〜６０分の範囲の反応時間、高温、高圧を保持する特許請求の範囲第５項記載の方法。
７．高温が１４００〜１６００℃の範囲であり、反応時間が１０〜３０分の範囲である特許請求の範囲第６項記載の方法。
８．高温が１２５０〜１４００℃の範囲であり、反応時間が１５〜６０分の範囲である特許請求の範囲第６項記載の方法。
９．シリコンおよびシリコン体と良く混合されたダイヤモンド結晶をまずシリコンの融点未満の高温に付し、高圧に付してダイヤモンドの塑性変形を生じさせ、次いで、シリコンの融点以上に温度を上昇させてシリコンの浸透並びに大部分のシリコンとダイヤモンドの反応を生じさせてシリコンカーバイドを形成する前記特許請求の範囲いずれか１項記載の方法。
１０．最初の高温が８００〜１２００℃の範囲であり、その後の高温が１２５０〜１６００℃の範囲である特許請求の範囲第９項記載の方法。
１１．コンパクトが８０体積％以下、６５体積％以上のダイヤモンドを含有するようなダイヤモンドとシリコンの全比率である前記特許請求の範囲いずれか１項記載の方法。
１２．ダイヤモンド結晶が１〜１０００ミクロンの範囲の粒径を有する前記特許請求の範囲いずれか１項記載の方法。
１３．ダイヤモンド結晶が５〜１００ミクロンのサイズの範囲にある特許請求の範囲第１２項記載の方法。
１４．（ａ）カーボンと反応して約１６００℃超の融点を有する安定なカーバイドを形成する元素および（ｂ）カーボンの存在下、１６００℃未満の温度でカーバイドを形成せず、溶融しない元素から選択される１種以上の金属からなる金属添加物を、ダイヤモンド結晶および／または１つ以上のシリコン体と混合されたシリコンに小比率で添加し、得られるコンパクト全体に分散させる前記特許請求の範囲いずれか１項記載の方法。
１５．全シリコン量に対する金属の原子比率が０．１〜３０原子％である特許請求の範囲第１４項記載の方法。
１６．添加物の金属が、チタン、ジルコン、ハフニウム、ニオブ、タンタル、タングステン、モリブデン、バナジウム、ウラン、トリウム、スカンジウム、ベリリウム、レニウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウムおよびプラチナからなる群より選択される特許請求の範囲第１５項記載の方法。
１７．該金属添加物がチタンからなる特許請求の範囲第１５項記載の方法。
１８．該金属添加物がレニウムからなる特許請求の範囲第１５項記載の方法。
１９．金属添加物をシリサイド、カーバイドまたは合金の形態で導入する特許請求の範囲第１５項記載の方法。
２０．主にシリコンカーバイドにより結合されたダイヤモンド結晶からなり、前記特許請求の範囲いずれか１項に記載された方法により製造されるダイヤモンドコンパクト。
２１．ダイヤモンド結晶全体に分散され、主にシリコンカーバイドからなる隙間結合材により一体に結合された５０〜８５体積％のダイヤモンド結晶からなり、該コンパクトが、少なくとも３．３５ｇ／ｃｍ３の密度、３％以下のポロシティーおよび少なくとも１０キロパールの圧縮強度を有するコンパクト。
２２．シリコンに対するチタンの比率が０．１〜３０原子％であるような量で、チタンをコンパクト全体に分散した特許請求の範囲第２１項記載のコンパクト。
２３．全シリコンに対するレニウムの比率が１〜３０原子％であるような量で、レニウムをコンパクト全体に分散した特許請求の範囲第２１項記載のコンパクト。