JPH03177507A - 掘削用および機械加工用のダイヤモンド成形体 - Google Patents

掘削用および機械加工用のダイヤモンド成形体

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JPH03177507A
JPH03177507A JP2269707A JP26970790A JPH03177507A JP H03177507 A JPH03177507 A JP H03177507A JP 2269707 A JP2269707 A JP 2269707A JP 26970790 A JP26970790 A JP 26970790A JP H03177507 A JPH03177507 A JP H03177507A
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carbide
diamond
disk
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boron nitride
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JP2269707A
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Suresh S Vagarali
スレシュ・エス・バガラリ
Bobby G Hoyle
ボビイ・ジー・ホイル
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General Electric Co
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    • E21B10/56—Button-type inserts
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D3/00—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents
    • B24D3/02—Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents the constituent being used as bonding agent
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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】 発明の背景 〔発明の分野〕 灰化ＴｖＪＡ支倚体から氏る研摩材成形体に関するもの
である。更に詳しく言えば本発明は、高温高圧処理時に
おける焼結炭化物支持体からのコバルト欠乏が実質的に
防止されるような上記のごとき成形体の製造方法並びに
それによって製造された製品に関する。
〔先行技術の説明〕
掘削や機械加工のごとき用途において使用するために適
した多結晶質ダイヤモンド工具は当業界において公知で
ある。再発行米国特許第３２３８０号明細書中には、ダ
イヤモンド濃度が７０容量％を越えかつ実質的に全ての
ダイヤモンド結晶が隣接するダイヤモンド結晶と直接に
結合しているような多結晶質ダイヤモンド層と、多結晶
質ダイヤモンド層の体積よりもかなり大きい体積を有す
る焼結炭化物支持体とから成る複合成形体が記載されて
いる０通例、焼結炭化物支持体は結合成分として金属コ
バルトを含有する炭化タングステンから成っている。
再発行米国特許第３２３８０号明細書中に記載されてい
る通り、焼結炭化物支持体または炭化物成形粉末中に含
有されるコバルトは炭化物を焼結するための結合金属と
して役立つと共に、黒鉛をダイヤモンドに転化するため
に必要なダイヤモンド生成触媒としても役立つ、再発行
米国特許第３２３８０号の方法に従って製造された成形
体は多くの目的のために適するものであるが、焼結炭化
物支持体からダイヤモンド層中にコバルトが無制御に浸
透することによってダイヤモンド粒子間に過剰量のコバ
ルトが存在する結果、該成形体の機械的性質（とりわけ
耐摩耗性）は決して最良とは言えない、その上、焼結炭
化物支持体からのコバルト欠乏の結果として、ダイヤモ
ンド／炭化物界面の近傍における焼結炭化物支持体は物
理的および機械的性質の低下を示すのである。
高温高圧処理に先立ってダイヤモンド層と焼結炭化物支
持体との間に薄い金属コバルト円板を配置すれば、焼結
炭化物支持体からのコバルト欠乏をある程度まで抑制す
ることが可能である。しかしながら、複合成形体の多結
晶質ダイヤモンド層中への過剰のコバルトの浸透および
その結果として生じる機械的性質の低下は、このような
対策によって解決されないのである。
上記のごとき問題を解決しようとする試みの一例が、米
国特許第４４１１６７２号明細書中に記載されている。
それによれば、微粉砕ダイヤモンド層が炭化タングステ
ン／コバルト層に隣接して配置されると共に、タング組
成物／コバルト組戒物の共融点より低い融点を有する金
属材料によってそれらの層が隔離される。かかる集合体
が、金属材料を融解させるが炭化タングステン／コバル
ト組成物の実質的な融解は引起こさないような温度で加
熱される。このようにすれば、制御された量の金属が微
粉砕ダイヤモンド層中に導入されて結合が促進されるの
である。
米国特許第４４４０５７３号明細書中には、焼結炭化物
支持体から多結晶質ダイヤモンド層中に浸透する金属の
量を制御するもう１つの手段が記載されている。米国特
許第４４４０５７３号の方法によれば、実質的に等しい
表面積を有するダイヤモンド粒子の塊状体および浸透金
属材料の塊状体が用意される。かかるダイヤモンド粒子
の塊状体と浸透金属材料の塊状体とが、これらの塊状体
の表面積の８５〜９７％に等しい表面積を有する高融点
金属の隔壁層によって隔離された状態で配置される。こ
のように配置された塊状体および隔壁層が、ダイヤモン
ド安定域内にありかつ隔壁層の融点よりも低い温度−圧
力条件に暴露される。
このようにすれば、制御された量の溶融した浸透金属材
料が隔壁層の周囲を通ってダイヤモンド粒子の塊状体中
に流れ込むことになる。
米国特許第４７６４４３４号明細書中には、化学蒸着法
または物理蒸着法によって焼結炭化物支持体上に窒化チ
タンの薄い連続層を設置すれば、ダイヤモンドテーブル
中へのコバルトの拡散を防止し、それによってダイヤモ
ンドテーブルに近接した焼結炭化物支持体の表面の脱化
を防止し得ることが記載されている。米国特許第４７６
４４３４号明細書によれば、かかる薄い窒化チタン層は
有効な拡散障壁として作用し、それによって焼結炭化物
支持体からの結合金属（たとえば、コバルト）の欠乏を
防止するために役立つものとされている。
発明の要約 本発明の目的の１つは、多結晶質ダイヤモンド層に十分
な星のダイヤモンド生成触媒を供給すると共に、ダイヤ
モンド層中への浸透によって焼結炭化物支持体からコバ
ルトか欠乏するのを実質的に防止するような、常用技術
に基づくダイヤモンド成形体の製造方法を提供すること
にある。
また、改善された機械的性質（とりわけ耐摩耗性）を有
すると共に、焼結炭化物支持体からのコバルトの欠乏を
示さないようなダイヤモンド成形体を提供することも本
発明の目的の１つである。
上記の目的を遠戚するため、本発明は多結晶質ダイヤモ
ンド／焼結炭化物複合成形体の新規な製造方法を提供す
る。かかる方法に従えば、ダイヤモンド粒子の層上に触
媒金属円板が配置され、触媒金属円板上に金属隔壁円板
が配置され、次いで金属隔壁円板上に焼結炭化物支持体
または炭化物成形粉末が配置される。この場合、金属隔
壁円板と焼結炭化物支持体または炭化物成形粉末とは実
質的に等しい表面積を有する。このようにして得られた
集合体が、炭素状態図のダイヤモンド安定域内にありか
つ金属隔壁円板の融点よりも低い温度−圧力条件に暴露
される。なお、焼結炭化物支持体はコバルトで結合され
た炭化タングステンから成り、触媒金属円板はコバルト
から戊り、かつ金属隔壁円板はタンタルから戒ることか
好ましい。
発明の詳細な説明 本発明に一側面に従えば、ダイヤモンド粒子の層および
焼結炭化物支持体または炭化物成形粉末を用意した後、
ダイヤモンド粒子の層に隣接して触媒金属円板を配置す
ると共に、焼結炭化物支持体または炭化物成形粉末との
界面においてそれの表面積と実質的に等しい表面積を有
する金属隔壁円板を触媒金属円板と焼結炭化物支持体ま
たは炭化物成形粉末との間に配置することを特徴とする
研摩材成形体の製造方法が提供される。
第１図を見ると、高温高圧装置内において使用するため
の反応セルアセンブリが示されている。
かかる反応セルアセンブリ内には、ダイヤモンド粒子の
層ｌおよび焼結炭化物支持体または炭化物成形粉末４が
配置されている。かかるダイヤモンド粒子および焼結炭
化物支持体または炭化物成形粉末は当業界において公知
であって、たとえば、本発明の場合と同じ譲受人に譲渡
された再発行米国特許第３２３８０号明細書中に記載さ
れている。
ダイヤモンド層１は、その大部分もしくは全部が一般に
約０．１〜約５００ミクロンの最大直径を有するダイヤ
モンド粒子から戊っている。好ましくはないが、ダイヤ
モンド粒子に加えて少量の黒鉛粉末または炭化物成形粉
末がダイヤモンド層１中に含まれていても差支えない。
焼結炭化物支持体または炭化物成形粉末４は、炭化タン
グステン、炭化チタン、炭化タンタル、炭化モリブデン
およびそれらの混合物から成る群より選ばれた金属炭化
物から戒ることか好ましい。
中でも、炭化タングステンが最も好適である。その他の
有用な金属炭化物は当業者にとって自明であろう。
焼結炭化物支持体または炭化物成形粉末４用の結合金属
は、コバルト、ニッケル、鉄およびそれらの混合物から
成る群より選ばれることが好ましい。なお、炭化タング
ステンに対してはコバルトが特に好適である０本発明の
焼結炭化物支持体または炭化物成形粉末４中に使用され
る結合金属の濃度は特に限定されないが、一般には金属
炭化物の重量を基準として約１〜約１６重量％の範囲内
にある。
触媒金属円板２は、たとえば米国特許第２９４７６０９
および２９４７６１０号明細書中に開示されているよう
な、ダイヤモンド製造業界において公知の任意の触媒兼
溶媒材料から作製することができる。なお、触媒金属円
板２はコバルト、ニッケルおよび鉄から成る群より選ば
れた金属で作製されていることが好ましく、中でもコバ
ルトが最も好適である。触媒金属円板２は隣接するダイ
ヤモンド層１と同じ表面積を有することが好ましいが、
それが不可欠というわけではない。なお、ダイヤモンド
層１中に浸透する触媒金属の量を調節するため、触媒金
属円板２の厚さを様々に変化させることができる。一般
に、触媒金属円板２の厚さは約０．０００５〜約０．０
０５インチの範囲内にあればよいが、好ましくは約０．
００２インチである。
金属隔壁円板３は、任意の高融点金属材料で作製するこ
とができる。かかる金属材料としては、タンタル、ニオ
ブ、タングステン、チタン、モリブデン、およびダイヤ
モンド成形体の製造に際して使用される高温高圧条件下
で融解しないような高い融点を有するその他の金属材料
が挙げられる。
金属隔壁円板３の厚さは、処理条件下で該円板が固体状
態のままで存在するように選定される。
般に、金属隔壁円板３の厚さは０．０００５〜０゜００
５インチの範囲内にあればよいが、特に好ましくは約０
．００２インチである０本発明においては、金属隔壁円
板３の表面積（または横断面積）が焼結炭化物支持体ま
たは炭化物成形粉末４の表面積（または横断面積）と実
質的に等しいことが重要である。これは、一般に、金属
隔壁円板３および焼結炭化物支持体または炭化物成形粉
末４が反応セル５の内部横断面積に等しい表面積を有す
ることを意味している。このような構成によれば、焼結
炭化物支持体または炭化物成形粉末４中に含まれる（た
とえば〉コバルトは金属隔壁円板３の周囲を通ってダイ
ヤモンド層１中に流れることができないわけである。
本発明に従ってダイヤモンド成形体を製造する際には、
たとえばタンタル製の円筒形容器から成る反応セル５内
に所定量のダイヤモンド粒子の層１が装填される。かか
るダイヤモンド層１の上に触媒金属円板２が配置され、
触媒金属円板２の上に金属隔壁円板３が配置され、次い
で金属隔壁円板３の上に焼結炭化物支持体または炭化物
成形粉末４が配置される。なお、金属隔壁円板３は反応
セル５の内部横断面積と実質的に等しい表面積を有して
いる。こうして得られた反応セルアセンブリが高温高圧
装置内に装入され、そして炭素状態図のダイヤモンド安
定域内にありかつ金属隔壁円板３の融点よりも低い温度
−圧力条件に暴露される、こうして得られた複合物を高
温高圧装置から取出し、そして（たとえば研削により〉
追加の仕上を施せば、掘削および機械加工用途において
特に有用なダイヤモンド成形体が得られる。
本発明に従って製造されたダイヤモンド成形体が従来の
ダイヤモンド成形体と異なる点は、ダイヤモンド層１中
に制御された量のダイヤモンド生成触媒が含有されると
共に、金属隔壁円板３の存在のためにダイヤモンド層１
との界面の近傍における焼結炭化物支持体４からの結合
金属の欠乏が実質的に生じないということである９その
結果、本発明のダイヤモンド成形体は従来のダイヤモン
ド成形体に比べて実質的に改善された機械的性質（たと
えば耐摩耗性）を示すのである。
本発明はまた、たとえば米国特許第３７６７３７１号明
細書中に記載されているような種類の支持された立方晶
系窒化ホウ素（ｃＢＮ）成形体にも等しく適用し得るこ
とが予想される。
当業者が本発明を一層明確に理解し得る・ようにするた
め、以下に実施例を示す。これらの実施例は例示を目的
としたものであって、本発明の範囲を制限するものと解
すべきでない。
実施例１ 次の手順に従って本発明のダイヤモンド成形体を製造し
た。すなわち、約２５ミクロンの平均直径を有する約０
．６５ｇのダイヤモンド粒子をタンタル製の反応容器内
に装填した。かかるダイヤモンド粒子上に厚さ０．００
２インチのコバルト円板を配置し、反応容器の内部横断
面積にほぼ等しい表面積を有する厚さ０．００２インチ
のタンタル円板をコバルト円板上に配置した。次に、約
０．３５０インチの厚さを有するコバルト結合炭化タン
グステン円板をタンタル円板上に配置した。
反応容器の両端をタンタル板で閉鎖した後、得られた集
合体を約１５分間にわたって約５５ｋｂおよび約１４０
０°Ｃの温度−圧力条件に暴露した。
また、隔壁円板を含まない点以外は本発明の場合と同様
にして対照品を製造した。こうして得られたダイヤモン
ド成形体について、バール（Ｂａｒｒｅ）花崗岩を使用
しながら標準的な試験条件下で耐摩耗性および耐ｉ撃性
を試験した。耐摩耗性は、除去された材料の体積と工具
摩耗面積との比である工具効率として測定された。耐衝
撃性は、衝撃試験時における工具摩耗量の逆数として測
定された。
こうして得られた結果を下記第１表中に示す。
対照品 試験品 ９４６ ３６０ ９９ １４ ００ ２１ 対照品 試験品 　００７１ ０．００７２ ０．００１５ ｏ、ｏｏｉｓ ００ ９ 上記の試験結果によれば、本発明に従って製造されたダ
イヤモンド成形体と金属隔壁円板を含まないダイヤモン
ド成形体とを比較した場合、前者は耐衝撃性を犠牲にす
ることなく実質的に優れた耐摩耗性を示すことがわかる
。更にまた、本発明に従って製造されたダイヤモンド成
形体はダイヤモンド／炭化物界面の近傍における焼結炭
化物支持体からのコバルト欠乏を示さなかった。
実施例２ タンタル円板の代りに厚さ０．００２インチのニオブ円
板を使用して実施例１の手順を繰返した。
こうして得られたダイヤモンド成形体もまた、ダイヤモ
ンド／炭化物界面の近傍における焼結炭化物支持体から
のコバルト欠乏を示さながった。
【図面の簡単な説明】
第１図は高温高圧装置内において使用するための反応セ
ルアセンブリの断面図である。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. １．（ａ）ダイヤモンドまたは立方晶系窒化ホウ素粒子
    の層および焼結炭化物支持体または炭化物成形粉末を用
    意し、 （ｂ）前記ダイヤモンドまたは立方晶系窒化ホウ素粒子
    の層に隣接して触媒金属円板を配置すると共に、前記焼
    結炭化物支持体または炭化物成形粉末との界面において
    それの表面積と実質的に等しい表面積を有する金属隔壁
    円板を前記触媒金属円板と前記焼結炭化物支持体または
    炭化物成形粉末との間に配置し、次いで （ｃ）かかる集合体を炭素または窒化ホウ素状態図のダ
    イヤモンドまたは立方晶系窒化ホウ素安定域内にありか
    つ前記金属隔壁円板の融点よりも低い温度−圧力条件に
    暴露する諸工程から成ることを特徴とするダイヤモンド
    または立方晶系窒化ホウ素成形体の製造方法。
  2. ２．前記焼結炭化物支持体または炭化物成形粉末が炭化
    タングステン、炭化チタン、炭化タンタル、炭化モリブ
    デンおよびそれらの混合物から成る群より選ばれた金属
    炭化物から成る請求項１記載の方法。
  3. ３．前記焼結炭化物支持体または炭化物成形粉末がコバ
    ルト、ニッケル、鉄およびそれらの混合物から成る群よ
    り選ばれた結合金属を含有する請求項２記載の方法。
  4. ４．前記触媒金属円板がコバルト、ニッケルおよび鉄か
    ら成る群より選ばれた金属で作製されている請求項１記
    載の方法。
  5. ５．前記触媒金属円板が約０．０００５〜約０．００５
    インチの厚さを有する請求項１記載の方法。
  6. ６．前記金属隔壁円板がタンタル、ニオブ、タングステ
    ン、チタンおよびモリブデンから成る群より選ばれた金
    属で作製されている請求項１記載の方法。
  7. ７．前記金属隔壁円板が約０．０００５〜約０．００５
    インチの厚さを有する請求項６記載の方法。
  8. ８．（ａ）ダイヤモンドまたは立方晶系窒化ホウ素粒子
    の層と焼結炭化物支持体または炭化物成形粉末との間に
    触媒金属円板を配置し、次いで （ｂ）前記ダイヤモンドまたは立方晶系窒化ホウ素粒子
    の層、前記触媒金属円板および前記焼結炭化物支持体ま
    たは炭化物成形粉末から成る集合体を炭素または窒化ホ
    ウ素状態図のダイヤモンドまたは立方晶系窒化ホウ素安
    定域内にある温度−圧力条件に暴露する両工程から成る
    ダイヤモンドまたは立方晶系窒化ホウ素成形体の製造方
    法において、前記触媒金属円板と前記焼結炭化物支持体
    または炭化物成形粉末との間に金属隔壁円板が配置され
    、前記金属隔壁円板の表面積は前記焼結炭化物支持体ま
    たは炭化物成形粉末の表面積と実質的に等しく、かつ前
    記集合体が暴露される温度−圧力条件は前記金属隔壁円
    板を融解するほどに高くないことを特徴とする方法。
  9. ９．（ａ）ダイヤモンドまたは立方晶系窒化ホウ素粒子
    の層および焼結炭化物支持体または炭化物成形粉末を用
    意し、 （ｂ）前記ダイヤモンドまたは立方晶系窒化ホウ素粒子
    の層に隣接して触媒金属円板を配置すると共に、前記焼
    結炭化物支持体または炭化物成形粉末との界面において
    それの表面積と実質的に等しい表面積を有する金属隔壁
    円板を前記触媒金属円板と前記焼結炭化物支持体または
    炭化物成形粉末との間に配置し、次いで （ｃ）前記ダイヤモンドまたは立方晶系窒化ホウ素粒子
    の層、前記焼結炭化物支持体または炭化物成形粉末、前
    記触媒金属円板および前記金属隔壁円板から成る集合体
    を、炭素または窒化ホウ素状態図のダイヤモンドまたは
    立方晶系窒化ホウ素安定域内にありかつ前記金属隔壁円
    板の融点よりも低い温度−圧力条件に暴露する諸工程か
    ら成るような方法によって製造されたことを特徴とする
    ダイヤモンドまたは立方晶系窒化ホウ素成形体。
JP2269707A 1989-10-12 1990-10-09 掘削用および機械加工用のダイヤモンド成形体 Pending JPH03177507A (ja)

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