JPH10265295A - ダイヤモンドリッジパターンを有する多結晶質ダイヤモンド切削素子 - Google Patents

ダイヤモンドリッジパターンを有する多結晶質ダイヤモンド切削素子

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JPH10265295A
JPH10265295A JP9347392A JP34739297A JPH10265295A JP H10265295 A JPH10265295 A JP H10265295A JP 9347392 A JP9347392 A JP 9347392A JP 34739297 A JP34739297 A JP 34739297A JP H10265295 A JPH10265295 A JP H10265295A
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polycrystalline
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ガリィ・マーティン・フラッド
David Mark Johnson
デイヴィッド・マーク・ジョンソン
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フリーデル・ジークフリート・ネメイアー
Bradley Earl Williams
ブラッドリー・アール・ウィリアムズ
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    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 炭化タングステン支持材に半球形研磨材層が
結合した新規ドーム形多結晶質研磨材切削素子の提供。 【解決手段】 遠位端とドリルビット１２内への装着に
適合した近位端とを有する金属炭化物スタッド１６を含
んでなる切削素子において、上記遠位端の上面に、所定
パターンの隆起リッジ２２を有する多結晶質研磨材層１
４を設ける。かかる研磨材層３２に一体成形されたリッ
ジ２２は、岩に高い局部的応力を引き起こして割れを生
じるように設計されている。局部的に割れを引き起こす
ことで、より低い力で破砕作用が達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、研磨材粒子成形体
を組み込んだ工具に関するものであり、より詳細には、
破砕作用がより低い力で遂行できる設計ジオメトリーを
有する新規スタッド装着ドーム形研磨材粒子成形体に関
する。かかる工具は、石油及びガス探鉱用及び鉱業用ド
リルビットに格段の有用性をもつ。
【０００２】
【従来の技術】研磨材粒子成形体は、ダイヤモンド及び
／又は立方晶窒化ホウ素のような研磨材粒子が結着して
一体強靭高強度塊を形成した多結晶質塊体である。この
ような成分は、研磨材粒子同士の自己結合、或いは粒子
間に配した結合剤、或いはそれらの組合せによって一体
に結合させることができる。例えば米国特許第３１３６
６１５号、同第３１４１７４６号及び同第３２３３９８
８号を参照されたい。支持研磨材粒子成形体（本明細書
中では複合成形体と呼ぶ）は、炭化タングステン系超硬
合金などの支持体材料に結合した研磨材粒子成形体であ
る。この種の成形体は、例えば米国特許第３７４３４８
９号、同第３７４５６２３号及び同第３７６７３７１号
に記載されている。支持体との結合は研磨材粒子成形体
の形成時又は形成後に形成できる。
【０００３】複合成形体はドリルビットにおける切削素
子として格段に有用であることが見いだされている。削
岩、耐摩耗性材料の機械加工その他高い耐磨耗性もしく
は耐摩耗性の必要とされる作業に使用されるドリルビッ
トは、概してホルダーに固定された複数の多結晶質研磨
材切削素子からなる。特に、米国特許第４１０９７３７
号及び同第５３７９８５４号には、多結晶質ダイヤモン
ド成形体を切削素子の表層に有する炭化タングステンス
タッド（支持材）が取り付けられたドリルビットが記載
されている。これら複数の切削素子は回転ドリルビット
などのドリルビットのクラウンに凹部への締り嵌めによ
って装着される。これらのドリルビットは概してドリル
加工作業中にドリルクラウンと被削材の境界に冷却水そ
の他の冷却液を供給するための手段を有している。一般
に、かかる切削素子は、焼結カーバイドもしくは超硬合
金（例えば炭化タングステンなど）のいずれかの形態を
取り得る金属炭化物の細長いピン（スタッド）を含んで
おり、そのピンの一端には研磨材粒子成形体（例えば多
結晶質ダイヤモンド）が付いていて複合成形体を形成す
る。
【０００４】先行技術文献に開示されている通り、多結
晶質ダイヤモンド層は、回転ドリルビット、ドラグビッ
ト、パーカッションビット又は機械加工ビットに使用さ
れる研磨材切削素子の切削面全体を完全に覆っている。
回転ドリルビットはローラーコーンとしても知られる。
ダイヤモンド層は切削素子を保持するドリルビットの表
面にまで広がる。これは米国特許第４１０９７３７号及
び同第５３７９８５４号に明示されている。簡単にいう
と、ダイヤモンド層は切削素子もしくは研磨素子の露出
端の露出（切削）面（もしくは半径）全体を覆ってい
る。
【０００５】
【発明の概要】本発明は、炭化タングステンスタッドと
通称される炭化タングステン支持材に半球形ダイヤモン
ド層が結合した新規ドーム形多結晶質ダイヤモンド切削
素子に関する。広義には、岩に高い局部的応力を引き起
こして割れを生じるように設計された所定パターンのリ
ッジ(ridge) もしくはバンプ(bump)が上記研磨材層に一
体成形されている。局部的に割れを引き起こすことで、
破砕作用がより低い力で遂行できる。
【０００６】
【発明の実施の形態】まず添付図面について簡単に説明
しておく。図１は、ダイヤモンドドームがリッジパター
ンを含んでいる切削素子の断面図を示す。図２は、図１
に示す切削素子の上面図である。
【０００７】図３は、図１及び図２に示したリッジの拡
大図である。図４は、図２に示したものとは別のリッジ
パターンの上面図である。図５は、図２に示したものと
は別のリッジパターンの上面図である。図６は、図２に
示したものとは別のリッジパターンの上面図である。図
７は、本発明の新規切削素子を用いた改良ローラーコー
ンドリルビットの側面図である。
【０００８】図８は、別の実施形態に係る切削素子の断
面図であり、この実施形態ではダイヤモンドドームと炭
化物スタッドの境界面は角鋸歯状の輪郭を有する。図９
は、別の実施形態に係る切削素子の断面図であり、この
実施形態ではダイヤモンドドームと炭化物スタッドの外
側境界面は平坦である。図１０は、別の実施形態に係る
切削素子の断面図であり、この実施形態では炭化物の半
球形端部は複数の平面を有しており、それらにダイヤモ
ンドドームが結合している。
【０００９】図１１は、別の実施形態に係る切削素子の
断面図であり、この実施形態ではダイヤモンドドームと
炭化物スタッドの境界面は外縁部における境界面が上向
きに傾いた構成の鋸歯状である。図１２は、別の実施形
態に係る切削素子の断面図であり、この実施形態ではダ
イヤモンドドームと炭化物スタッドの境界面は外縁部に
おける境界面が下向きに傾いた構成の鋸歯状である。
【００１０】図１３は、別の実施形態に係る切削素子の
断面図であり、この実施形態ではダイヤモンドドームは
炭化物スタッドの中央下方に伸びた脚(pillar)を有す
る。図１４ａは、別の実施形態に係る切削素子の断面図
であり、この実施形態では実質的に平坦な炭化物先端に
図１４ｂの上面図にも示すように該先端部を直線的に横
切る角溝が付けられている。
【００１１】図１５ａは、別の実施形態に係る切削素子
の断面図であり、この実施形態では実質的に平坦な炭化
物先端に図１５ｂの上面図にも示すような環状の角溝が
付けられている。図１６ａは、別の実施形態に係る切削
素子の断面図であり、この実施形態では実質的に平坦な
炭化物先端に図１６ｂの上面図にも示すように該先端部
を直線的に横切る正弦曲線形溝が付けられている。
【００１２】図１７ａは、別の実施形態に係る切削素子
の断面図であり、この実施形態では実質的に平坦な炭化
物先端に図１７ｂの上面図にも示すような環状の正弦曲
線形溝が付けられている。これらの図面について以下詳
細に説明する。図１を参照すると、ドリルビット本体１
２（その一部だけを図示）に装着された切削素子１０が
示されている。切削素子１０はビット本体１２の凹部に
締り嵌めによって嵌合する。切削素子１０は炭化物スタ
ッド１６に固着した多結晶質ダイヤモンドドーム１４か
らなる。ダイヤモンドドーム１４は、同一出願人に係る
米国特許出願第０８／６４５３９８号で提案されている
ように、ドリルビット本体１２の外面１８から上方に突
き出たスタッド１６の露出半球端部全体を被覆している
必要はなく、炭化物環周部２０が露出されていてもよい
し、或いは、従来通りスタッド１６の露出半球端部全体
を被覆していてもよい（図８〜１７参照）。本発明の実
施において、驚くべき特徴は、岩に高い局部的応力を引
き起こして割れを生じるように設計された所定パターン
のリッジを上記研磨材層に一体成形したことにより、切
削作用に予想外の改善が得られたことである。局部的に
割れを引き起こすことで、例えばドリルビット構成に使
用したときに、破砕作用がより低い力で遂行できる。よ
り大型のチップでどの程度大きな割れが生じるかも予見
できる。このような作用は、その本質として、岩の除去
体積当たりの岩同士の結合の破壊が減少するので、良好
な切削効率を示すはずである。
【００１３】各添付図面に示した通り、多結晶質ダイヤ
モンド層の表面は、同一出願人に係る米国特許出願第０
８／６４５３９８号に開示されているような、ドーム
形、半球形、半径縮小型半球形、或いは複数の平面の集
合からなる半球形の形態を取り得る。ダイヤモンドドー
ムと炭化物支持材との境界面は、ダイヤモンド層と炭化
物支持材との付着性を向上させるための様々な形状を取
り得る。
【００１４】再び図１を参照すると、研磨材ドーム１４
がリッジ２２を有しているのが分かるが、このリッジは
図２に図示したスポーク形パターンの一部である。リッ
ジ２２の半径方向断面を図３に示す。リッジ２２はドー
ム１４に対して４５°の角度を有するのが好ましい。た
だし、効率は若干変化するであろうがその他の角度も使
用できる。リッジの設置及びパターンは具体的用途に応
じて決定される。研磨材ドーム３０に形成した追加のリ
ッジパターン２４、２６及び２８をそれぞれ図４、図５
及び図６に示す。その他、本明細書の記載に基づいて様
々なパターンを設計することができ、期待通りの効果を
収めるであろう。そうした設計も本発明の原則に含まれ
る。
【００１５】図７は、ねじ付き端部１３８と３つ（図に
は２つしか示してない）のカッターコーン１４０を有す
る金属ドリル本体１３６で構成された慣用のローラーコ
ーンドリルビット（当技術分野で公知のトリコーンロー
ラービット）を示す。各々のカッターコーンは複数のカ
ッター素子（すなわち符号１４２を付した切削素子）を
有する。かかる切削素子は本発明の新規切削素子であ
る。
【００１６】多結晶質ドーム層は好ましくは多結晶質ダ
イヤモンド（ＰＣＤ）である。ただし、本発明の範囲に
属するその他の材料として、人工及び天然ダイヤモン
ド、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、ウルツ鉱型窒化ホウ
素、これらの組合せなどがある。多結晶質ダイヤモンド
が好ましい多結晶質層である。金属炭化物系超硬合金支
持材は慣用の組成のものであり、したがって第IVＢ族、
第ＶＢ族又は第VIＢ族金属のいずれの炭化物でもよく、
コバルト、ニッケル又は鉄或いはそれらの合金から選択
される結合剤の存在下で圧縮成形して焼結したものであ
る。好ましい金属炭化物は炭化タングステンである。
【００１７】さらに、本発明の実施に際して、ダイヤモ
ンド層の表面の形状は決定的重要性をもつものではない
が、ダイヤモンド層は基本的に半球形であるのが好まし
い。ダイヤモンド層の表面形状は、また、円錐形でも、
半径の縮小もしくは拡大した形のものでも、チゼル形で
も、或いは非軸対称形でもよい。一般に、掘削産業で用
いられている炭化タングステンインサートの形態すべて
をダイヤモンド層の添加で向上させることができ、本明
細書の開示内容にしたがって所定パターンのリッジを加
えることでさらに改善できる。
【００１８】さらに、炭化物とダイヤモンド層の境界面
は概して、ドーム形、半球形、半径縮小形、平面、円錐
形などの任意の形態でよい。境界面は、また、平滑でも
鋸歯状でもよい。ただし、凹凸のある境界面が特に炭化
物支持材の焼結及びダイヤモンド層の形成に当たってダ
イヤモンド層と炭化物支持材の間のより良好な結合をも
たらすので好ましい。これに関して、図８〜図１７を参
照する。
【００１９】図８では、ダイヤモンドドーム３２が炭化
物スタッド３４に付着している。スタッド３４の外端
は、該スタッド３４へのダイヤモンドドーム３２の付着
性を高めるための角溝を有する。図９では、ダイヤモン
ドドーム４２が炭化物スタッド４４に付着している。た
だし、この構成では、ダイヤモンドドーム４２と炭化物
スタッド４４の外側付着領域は平坦である（平坦環周
部）。
【００２０】図１０では、炭化物スタッド５４の外端は
頂部が平坦で外側平坦環周部を有する。ダイヤモンドド
ーム５２はこれらの平面に付着している。図１１では、
炭化物ピン６４の実質的に水平な鋸歯状端部がダイヤモ
ンドドーム６２との境界面を形成しており、炭化物はダ
イヤモンドドーム６２との最も外側の境界面でドリルビ
ット本体１２から上向きに傾いている。
【００２１】図１２では、炭化物ピン７４の実質的に水
平な鋸歯状端部がダイヤモンドドーム７２との境界面を
形成しており、炭化物はダイヤモンドドーム７２との最
も外側の境界面でドリルビット本体１２に向かって下向
きに傾いている。図１３では、ダイヤモンドドーム８２
は炭化物スタッド８４内に伸びた脚８８を有する。な
お、脚８８はダイヤモンドドーム８２の残りの部分より
も粗いダイヤモンドグリットから形成し得る。
【００２２】図１４ａでは、炭化物スタッド９４は、ダ
イヤモンドドーム９２の付着性を高めるために、その実
質的に平坦な外表面を横切る角溝９８ａ〜ｃ（図１４
ｂ）を有している。図１５ａでは、炭化物スタッド１０
４は、ダイヤモンドドーム１０２の付着性を高めるため
に、その実質的に平坦な外表面に環状の角溝１０８ａ〜
ｃ（図１５ｂ）を有している。
【００２３】図１６ａでは、炭化物スタッド１１４は、
ダイヤモンドドーム１１２の付着性を高めるために、そ
の実質的に平坦な外表面を横切る正弦曲線形の溝１１８
ａ〜ｃ（図１６ｂ）を有している。図１７ａでは、炭化
物スタッド１２４は、ダイヤモンドドーム１２２の付着
性を高めるために、その実質的に平坦な外表面に環状の
正弦曲線形溝１２８ａ〜ｃ（図１７ｂ）を有している。
【００２４】本発明を幾つかの好ましい実施形態に関連
して説明し、例示してきたが、本発明がそれらに限定さ
れないことは当業者には自明であろう。したがって、本
明細書の特許請求の範囲は、本発明の技術的思想及び技
術的範囲に属するすべての変形をカバーする。本明細書
中で引用した文献はすべて援用によって本明細書の内容
の一部をなす。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係るリッジ付き切削素子
の断面図
【図２】 図１に示す切削素子の上面図
【図３】 図１及び図２に示すリッジの拡大図
【図４】 本発明の別の実施形態に係るリッジパターン
の上面図
【図５】 本発明の別の実施形態に係るリッジパターン
の上面図
【図６】 本発明の別の実施形態に係るリッジパターン
の上面図
【図７】 本発明の新規切削素子を用いたローラーコー
ンドリルビットの側面図
【図８】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削素
子の断面図
【図９】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削素
子の断面図
【図１０】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削
素子の断面図
【図１１】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削
素子の断面図
【図１２】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削
素子の断面図
【図１３】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削
素子の断面図
【図１４】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削
素子の断面図（ａ）及びその上面図（ｂ）
【図１５】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削
素子の断面図（ａ）及びその上面図（ｂ）
【図１６】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削
素子の断面図（ａ）及びその上面図（ｂ）
【図１７】 本発明の別の実施形態に係るドーム形切削
素子の断面図（ａ）及びその上面図（ｂ）
【符号の説明】
１０ 切削素子 １２ ドリルビット本体 １４ 多結晶質ダイヤモンド層 １６ 金属炭化物スタッド ２０ 金属炭化物環周部 ２２ リッジ １３６ ドリル本体 １３８ ねじ付き端 １４０ カッターコーン １４２ 切削素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デイヴィッド・マーク・ジョンソン アメリカ合衆国、オハイオ州、ウェスター ヴィル、ロリー・レーン、1172番 (72)発明者 フリーデル・ジークフリート・ネメイアー アメリカ合衆国、オハイオ州、グランヴィ ル、ロンドン・ストリート、2402番 (72)発明者 ブラッドリー・アール・ウィリアムズ アメリカ合衆国、オハイオ州、ワーシント ン、ライリー・アヴェニュー、544番

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 (ａ)遠位端及びドリルビット内への装着
    に適合した近位端を有する金属炭化物スタッド、及び
    (ｂ)上記遠位端の上面に配置された多結晶質研磨材層で
    あって、当該研磨材層が所定パターンの隆起リッジを有
    する多結晶質研磨材層を含んでなる切削素子。
  2. 【請求項２】 金属炭化物スタッドと多結晶質研磨材と
    の境界面が非平面である、請求項１記載の切削素子。
  3. 【請求項３】 金属炭化物スタッドと多結晶質研磨材と
    の境界面が非平面で鋸歯状である、請求項２記載の切削
    素子。
  4. 【請求項４】 前記鋸歯状の境界面が直線状である、請
    求項３記載の切削素子。
  5. 【請求項５】 前記鋸歯状の境界面が環状である、請求
    項３記載の切削素子。
  6. 【請求項６】 最も外側の境界面がドリルビットから上
    向き又はドリルビットに向かって下向きに傾いている、
    請求項２記載の切削素子。
  7. 【請求項７】 前記金属炭化物スタッドの中央下方に多
    結晶質研磨材の脚が伸びている、請求項２記載の切削素
    子。
  8. 【請求項８】 前記多結晶質研磨材層が基本的に半球形
    である、請求項１記載の切削素子。
  9. 【請求項９】 前記パターンが多結晶質研磨材層の中心
    から放射状に突き出た複数のアームをもつ星形である、
    請求項１記載の切削素子。
  10. 【請求項１０】 切削素子を保持するための凹部を有す
    る細長いドリルビット本体の改良ドリルビットにおい
    て、上記切削素子が(ａ)遠位端及びドリルビットの凹部
    への装着に適合した近位端を有する金属炭化物スタッ
    ド、及び(ｂ)上記遠位端の上面に配置された多結晶質研
    磨材層であって、当該研磨材層が所定パターンの隆起リ
    ッジを有する多結晶質研磨材層を含んでなることを改良
    点として含む、改良ドリルビット。
JP9347392A 1996-12-27 1997-12-17 ダイヤモンドリッジパターンを有する多結晶質ダイヤモンド切削素子 Withdrawn JPH10265295A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/777222 1996-12-27
US08/777,222 US5829541A (en) 1996-12-27 1996-12-27 Polycrystalline diamond cutting element with diamond ridge pattern

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH10265295A true JPH10265295A (ja) 1998-10-06

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ID=25109634

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP9347392A Withdrawn JPH10265295A (ja) 1996-12-27 1997-12-17 ダイヤモンドリッジパターンを有する多結晶質ダイヤモンド切削素子

Country Status (4)

Country Link
US (1) US5829541A (ja)
EP (1) EP0852283A3 (ja)
JP (1) JPH10265295A (ja)
KR (1) KR19980064769A (ja)

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