JPH106109A - 複合多結晶ダイヤモンド成形体 - Google Patents

複合多結晶ダイヤモンド成形体

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JPH106109A
JPH106109A JP9010981A JP1098197A JPH106109A JP H106109 A JPH106109 A JP H106109A JP 9010981 A JP9010981 A JP 9010981A JP 1098197 A JP1098197 A JP 1098197A JP H106109 A JPH106109 A JP H106109A
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layer
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General Electric Co
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    • B23B27/145—Specially shaped plate-like cutting inserts, i.e. length greater or equal to width, width greater than or equal to thickness characterised by having a special shape
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    • B23C2226/31—Diamond
    • B23C2226/315—Diamond polycrystalline [PCD]

Abstract

(57)【要約】 【課題】 切削素子のダイヤモンド層と金属炭化物基体
との間の結合の改善。 【解決手段】 ダイヤモンド層と金属炭化物基体との界
面をエッグカートン形状に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】発明の分野 本発明は削岩、耐摩耗性金属の機械加工およびダイヤモ
ンド表面の高い耐摩耗強さあるいは耐摩耗性を必要とす
るその他の作業に使用するための焼結多結晶ダイヤモン
ド（ＰＣＤ）複合体に係わる。特に、本発明は超高圧力
及び温度での加工によって焼結金属炭化物合金（超硬合
金）基体にＰＣＤ層を結合させたこのような本体に係わ
る。
【０００２】従来技術 ＰＣＤ成形体は削岩および金属機械加工を含めた工業的
用途に多年にわたり使用されている。ＰＣＤの成功を制
限する因子の一つは多結晶ダイヤモンド層と焼結金属炭
化物基体との間の結合の強さである。例えば、深い穴の
削岩に使用されたドリルビットの破壊モードを分析する
と、そのおよそ３３％においてビットの破損または損耗
がダイヤモンドの金属炭化物基体からの層間剥離により
引き起こされていることが示されている。
【０００３】米国特許第３，７４５，６２３号（再発行
米国特許第３２，３８０号明細書）には炭化タングステ
ン支持材料へのダイヤモンドの結合が教示されている。
しかし、これは比較的低い衝撃抵抗の切削工具をもたら
している。この従来技術複合体の透視図を示す第１図は
金属炭化物支持体と多結晶ダイヤモンド層との間に非常
に急激な遷移部が存在していることを示している。ＰＣ
Ｄ層内のダイヤモンドおよび金属炭化物基体を結合する
のに使われている結合材金属の熱膨張の違いのために、
これら２つの層の間には２００，０００ｐｓｉを超える
応力が存在する。この応力によって働く力はＰＣＤ層を
金属炭化物基体に保持する結合媒体であるコバルトの極
めて薄い層によって克服されなければならない。この２
つの層の間のこの非常に高い応力が平坦な狭い遷移帯域
上に分配されているために、衝撃により成形体がこの領
域で層間剥離するのは比較的容易である。更に、層間剥
離はまた衝撃以外にも加熱あるいはその他の妨害によっ
ても起こりうることが知られている。
【０００４】この問題に対する１つの解決策が米国特許
第４，６０４，１０６号明細書の教示に提案されてい
る。この特許は種々の百分率でダイヤモンド、炭化タン
グステンおよびコバルトを有する粉末状の混合物を導入
した１つあるいはそれ以上の遷移層を利用して、熱膨張
の違いにより引き起こされる応力を大きな領域にわたり
分配している。この解決策の問題は金属性触媒焼結剤の
「掃引拡散」がこの混合物中の遊離のコバルトおよびコ
バルト焼結炭化物によって妨げられることである。
【０００５】米国特許第４，７８４，０２３号明細書は
多結晶ダイヤモンド基体の溝の形成を教示しているが、
しかし多結晶ダイヤモンド層と基体支持層との間の応力
を均一に減少するように設計されたパターンを形成した
基体の使用については教示していない。事実、この特許
は特に基体の溝のアンダーカット（またはダブテール）
の使用を述べているが、これは局部的な応力の増加に貢
献し従って本発明により厳しく禁じられている。第２図
はダブテール方式に溝を切られた基体を使って多結晶ダ
イヤモンド複合体を製作することにより生ずる高度に集
中された応力領域を示している。多結晶ダイヤモンド層
と金属性基体との間の応力を減少するどころか、これに
よって実際上状況はかえってずっと悪くなっている。こ
れは、畝部の頂部にある大きな容積の金属が加熱サイク
ルの間に多結晶ダイヤモンドよりも大きな度合いで膨張
収縮して複合体が図面に示される１および２の箇所での
破壊を強いられるためである。
【０００６】平面状の側壁を有する比較的少ない平行に
配列された溝を使用することの欠点は、応力が各溝の頂
部および基部に沿って再び集中され、その結果溝の頂部
および底部の縁部に沿って金属性基体およびダイヤモン
ドの顕著なひび割れを生ずることになる。このひび割れ
が第３図に示されている。その結果、米国特許第４，７
８４，０２３号明細書によって提供された教示に従った
多結晶ダイヤモンドカッターの製作は、パーカッション
ドリルにおけるような繰り返し高い衝撃力に遭遇する切
削用途には適さずまた極端な熱衝撃が考えられる用途に
も適さない。
【０００７】基体に溝を形成することを教示する米国特
許第４，５９２，４３３号明細書は、これらの複合体が
基体の頂部表面全体にわたり固体のダイヤモンドテーブ
ルを持っておらず、従って同じタイプの層間剥離の破壊
を受けないので、本発明には適用できない。ダイヤモン
ドの頂部層が表面全体を覆っていないので、この複合体
は激しい研摩用途においては他の従来技術の成形体およ
び本件に述べる本発明の成形体とは競合できない。
【０００８】米国特許第４，６２９，３７３号明細書は
基体を結合されていない多結晶ダイヤモンド本体の上に
種々のタイプの不規則部を形成することを記載してい
る。これらの不規則部の目的は、ダイヤモンドの表面積
を増大して、ダイヤモンドを後に支持体にろう付したり
或いは金属マトリックス中に置いたりしたときに機械的
な相互固着を提供するためである。この特許は特に、多
結晶ダイヤモンドと金属基体支持体との間の応力は一工
程プロセスによる成形体の製造に起因する問題であると
述べている。それ故、この特許では、表面に不規則部を
形成された多結晶ダイヤモンド本体を成形加工後に超高
圧力および温度において第二の工程で支持体マトリック
スに結合することが提案されている。しかしながらこの
タイプの結合は残念ながら、ダイヤモンド安定条件下で
ダイヤモンドと基体金属との間に形成される結合の強度
よりも著しく強度が低い。それ故に、このプロセスによ
って作られた成形体は高い衝撃の用途あるいは多結晶ダ
イヤモンドテーブルにかなりの力が加わるようなその他
の用途には使用できない。
【０００９】Ｆｒｕｓｃｈｏｕｒの米国特許第５，０１
１，５１５号明細書には不規則部の間の間隔が頂部にお
けるよりも基部におけるほうが大きくなるように基体表
面上にピラミッド状の形をした種々の不規則部を形成す
ることが記載されている。第４図を参照されたい。従来
技術の切削素子に比較してダイヤモンドと金属炭化物支
持体との間の応力が大きな領域に拡散されているが、こ
のＦｒｕｓｃｈｏｕｒの特許は応力を全体の領域にわた
って均一に分配するという目的を達成することに失敗し
ている。このピラミッド形状をした不規則部の鋭い先端
部における応力は実質的に増大されてダイヤモンドと金
属炭化物基体との間の層間剥離およびひび割れ破損およ
び切削素子内部のひび割れ破損を引き起こす可能性があ
る。
【００１０】Ｓｍｉｔｈの米国特許第５，３５１，７７
２号明細書には基体の周辺の回りに間隔をおかれて配さ
れたランドを有する炭化タングステン基体にＰＣＤダイ
ヤモンドテーブルが結合された切削素子が教示されてい
る。オール−ダイヤモンドの切削表面が存在するように
ダイヤモンドテーブルの深さが基体のランドの高さを越
えるようにされている。第５図を参照されたい。Ｆｒｕ
ｓｃｈｏｕｒの特許と同様に、Ｓｍｉｔｈの特許もダイ
ヤモンドと炭化物基体との間の応力を均一に分散するこ
とを教示していない。残留する応力が鋭い先端部におい
て増加して切削素子内に層間剥離およびひび割れ破損を
もたらす恐れがある。
【００１１】従って、触媒焼結金属の効率的な掃引拡散
によりもたらされるダイヤモンド−ダイヤモンド結合の
如何なる損失を生ずることなく複合体工具の衝撃抵抗が
改善されるようにダイヤモンドと金属炭化物基体との間
の応力をより大きい領域にわたって均一に分散しそして
ダイヤモンドと金属炭化物との間の結合を強化した複合
成形体を提供することが望ましいことであろう。
【００１２】発明の要約 従来技術とは対照的に、本発明の切削素子は金属炭化物
基体層にＰＣＤダイヤモンドテーブルが結合されてなる
円形の断面をした実質的に平面状の構造からなってい
る。焼結金属炭化物基体の表面のトポグラフィーをダイ
ヤモンドと接触する基体の全領域にわたり均一に分配さ
れた交互の凹部表面および凸部表面を提供するように変
更することにより、本発明は前述の問題に対する解決策
を提供するものである。ダイヤモンドと金属炭化物基体
との間の応力がダイヤモンドと接触した基体の全領域に
わたって均一に分配され同時に両者の結合領域が実質的
に増大される。金属炭化物基体の表面は、鋭い先端部の
ある平坦な二次元領域から、複合体中のダイヤモンドの
百分率が金属炭化物基体と多結晶ダイヤモンド層との間
に存在する領域にわたり連続して変動できるような態様
の三次元パターンに変更される。断面積におけるダイヤ
モンド百分率と同様に遷移帯域の厚さを制御することが
できる。
【００１３】金属炭化物基体の表面トポグラフィーは予
め定めたあるいはランダムな態様でパターン付けするこ
とができるが、基体の装着用表面が比較的に均一な分布
で上方および下方に向け湾曲していることが本発明の重
要な面である。この均一性はダイヤモンドと金属炭化物
基体物質との間の熱膨張の差から生ずる応力を均一に分
配するために必要とされる。
【００１４】図６および７は本発明の実施の態様を示し
ている。これらの図はＰＣＤダイヤモンド層と金属炭化
物基体との間の界面を示している。この界面は断面全体
にわたり均一に分配された交互の凹部表面および凸部表
面からなる連続したエッグカートンの形状をしている。
こうしたエッグカートンの形状をした界面によりダイヤ
モンドと金属炭化物基体との間の接触表面積が増大す
る。この表面積の増大はこれに対応してダイヤモンド層
の基体への結合の強度の増大をもたらす。
【００１５】本発明の最も重要な面はＰＣＤダイヤモン
ド層と金属炭化物基体との間の界面が如何なる断面にお
いても急激な角度のある変化を引き起こすような突出を
していないことである。その結果、内部応力の分布がＰ
ＣＤ複合成形体内で均一に拡散されて、これにより多結
晶ダイヤモンドテーブルと基体との間に層間剥離を起こ
しそして基体のひび割れを引き起こす従来技術の切削素
子における鋭い先端部での力の集中を減少する。
【００１６】図６は交互の凹部表面および凸部表面が金
属炭化物基体の装着用表面全体にわたって均一に分配さ
れている本発明の基体の断面図である。図７は装着表面
の一部のみに交互の凹凸の特徴を備えている本発明の基
体の断面図である。装着表面の周辺は実質的に平坦であ
る。装着表面の周辺部はまた切削縁部に向かって外側下
方に傾斜させて、それによりダイヤモンド層を切削縁部
の半径方向直ぐ内側の領域よりも周辺においてより厚く
なるようにすることができる。
【００１７】金属炭化物基体の表面のトポグラフィーの
変更は、研摩、ＥＤＭ機械加工、グリットブラストある
いは焼結前の予備成形などの任意の方法によって行うこ
とができる。このエッグカートンの形状をした金属炭化
物基体のハンプは意味のある十分に厚い帯域にわたり応
力を分散するのに十分深くなければならず、そしてこの
パターンには応力を均一に分配しかつまたＰＣＤ層と金
属炭化物基体層との間の接触表面積を改善された結合を
与えるに十分なほど増大するに十分なハンプがなければ
ならない。
【００１８】複合成形体の外側表面は殆どダイヤモンド
からなっている。しかしながら、ダイヤモンドの化学反
応性が有害であるような用途にたいしては、既述の好ま
しい実施の態様の記載において、ダイヤモンド層の代わ
りに、立方晶窒化硼素およびダイヤモンドと立方晶窒化
硼素との混合物を使用することができる。複合体は典型
的には平滑な頂部表面および底部表面を有する金属炭化
物基体を最初に成形加工（例えば、焼結）によって製造
することができる。基体は又予め成形しそして焼結する
こともできる。次いで、適当な切削およびエッチングプ
ロセスにより表面内にエッグカートンの形状を形成す
る。次に基体を慣用のプレス内に入れ、そして表面を覆
いかつまた表面上に粒子の更なる層が形成されるに十分
なように、基体のエッグカートン形状表面に多結晶ダイ
ヤモンドの粒子を塗布する。それからダイヤモンド粒子
および金属炭化物基体を高温および高圧条件にかけれ
ば、ダイヤモンドの粒子が互いに結合される一方ダイヤ
モンドの粒子が金属炭化物基体に結合されてダイヤモン
ド層と金属炭化物との間の界面に真に一体化された集合
体が形成される。プレス加工の教示は例えばＷｅｎｆｏ
ｒｔ，Ｊｒ．の米国特許第３，７６７，３７１号明細書
説明されている。
【００１９】プレス内で熱および圧力が加えられている
間に、結合剤金属例えばコバルトが金属炭化物から掃引
拡散により出ていき液体拡散によってダイヤモンド中に
入り込む。この挙動により、コバルトはダイヤモンド粒
子を焼結しそしてダイヤモンド粒子間に配置される孔を
占拠する。エッグカートン形状の界面はＰＣＤ層の装着
表面全体にわたり金属結合剤をより均一に分散させるこ
とを可能にすることが分かった。これに関して、エッグ
カートン形状をした界面の存在はダイヤモンドと金属炭
化物との全接触面積を増大し、これによりコバルトが流
れ出ることのできる表面積が増大されることが認められ
よう。更に、懸念される炭化物のハンプがダイヤモンド
層内に十分突出するのでコバルトが移動しなければなら
ない距離が減少される。また、コバルトは実質的に単一
の方向よりはむしろ三次元的にダイヤモンド層内を流れ
ることができる。その結果、金属炭化物はダイヤモンド
層全体により均一に分散される。既に説明した理由によ
り、応力がランダムに方向付けられて互いに抵抗し合う
傾向がありこれにより自己平衡作用が働くので、複合体
が加熱あるいは冷却されたときにこのような均一な分散
によりダイヤモンド層内の応力の集中の発生は抵抗を受
けることになる。
【００２０】また、本発明により形成された複合体がダ
イヤモンドと金属炭化物との間に起こる熱応力を最小に
することも認識されよう。これに関して、ダイヤモンド
と金属炭化物基体との間の界面に鋭い先端部を含む従来
技術の複合体の場合には、これら二つの成分間の熱膨張
係数の差がこの界面特にこの鋭い先端部に応力を発生さ
せる。このダイヤモンド−炭化物の界面の幾何学形状を
変更させることにより、本発明は応力を受けやすいこの
ような鋭い先端部を除去するものである。本発明の複合
体は、３つの帯域、即ち、ダイヤモンドの帯域、金属炭
化物の帯域およびダイヤモンド／金属炭化物中間帯域か
らなるものと考えることができよう。このダイヤモンド
／金属炭化物中間帯域は従ってダイヤモンド帯域と金属
炭化物帯域の熱膨張係数のほぼ中間の値の熱膨張係数を
有する。その結果、この中間帯域はダイヤモンド帯域と
金属炭化物帯域の間に発生する応力を最小にするための
ころびまたは漸変応力界面として働く。
【００２１】従って、ダイヤモンドと金属炭化物基体と
の間の界面に鋭い先端部を含むタイプの複合体に今まで
共通して起きていた欠点の多くが本発明により著しく軽
減されることを認められよう。本発明はその幾つかの好
ましい実施態様に関連して例示され既述されたが、本発
明がこれらに限定されないことは当業者に明らかであろ
う。従って、添付の特許請求の範囲は本発明の真なる精
神と範囲に入るあらゆる改変を包含するものであると考
えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のＰＣＤ複合成形体の透視図である。
【図２】ダイヤモンドと基体の界面にアンダーカット形
態の溝を有する基体が一体的に結合されている従来技術
のＰＣＤの透視図である。
【図３】基体の溝の側壁がアンダーカットでなく成形体
の頂部表面に直角になっていること以外は第２図に示し
たのと同様な従来技術の複合体の透視図である。
【図４】基体材料の濃度がダイヤモンド層内に深く浸入
していくにつれ連続的にそして徐々に減少するように角
度づけて配置された側壁を有する不規則部を形成したト
ポグラフィーによって層間の界面が区画されているよう
な従来技術の複合体の透視図である。
【図５】片側に半径方向に伸びる隆起したランドを有す
る基体上にＰＣＤテーブルが形成され結合されている従
来技術の態様を示した頂部立面図である。
【図６】本発明の金属炭化物基体の透視図である。
【図７】本発明の金属炭化物基体の別の態様の透視図で
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｃ０４Ｂ 35/56 Ｃ０４Ｂ 35/56 Ｚ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 多結晶材料層および金属炭化物で形成さ
    れた基体を含み、前記多結晶材料層および前記基体が界
    面を形成し、該界面が複数の交互の弧形状をした凹部お
    よび凸部を含む、切削素子。
  2. 【請求項２】 多結晶材料層がダイヤモンドから形成さ
    れている請求項１記載の切削素子。
  3. 【請求項３】 多結晶材料層が立方晶窒化硼素から形成
    されている請求項１記載の切削素子。
  4. 【請求項４】 多結晶材料層が立方晶窒化硼素とダイヤ
    モンドの混合物から形成されている請求項１記載の切削
    素子。
  5. 【請求項５】 弧形状をした凹部および凸部が均一に分
    配されている請求項１記載の切削素子。
  6. 【請求項６】 界面が外側に傾斜した周辺を更に含む請
    求項１記載の切削素子。
  7. 【請求項７】 基体が炭化タングステンで形成されてい
    る請求項１記載の切削素子。
  8. 【請求項８】 （１）装着用の表面を有する金属炭化物
    の基体を形成し、（２）基体の装着用表面上に複数の交
    互の弧形状をした凹部および凸部を形成し、（３）粒子
    により基体上に固体の層が形成されるように基体の装着
    用表面をダイヤモンド粒子の層で被覆し、そして（４）
    基体とダイヤモンド粒子に熱および圧力を加えてダイヤ
    モンド粒子同士を固着しそしてダイヤモンド粒子を基体
    に固着させることからなる、切削素子の製造方法。
  9. 【請求項９】 熱および圧力を加える工程が金属炭化物
    を基体からダイヤモンド粒子の層内に流動させることを
    含む請求項８記載の方法。
JP9010981A 1996-01-26 1997-01-24 複合多結晶ダイヤモンド成形体 Pending JPH106109A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/591879 1996-01-26
US08/591,879 US5662720A (en) 1996-01-26 1996-01-26 Composite polycrystalline diamond compact

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH106109A true JPH106109A (ja) 1998-01-13

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ID=24368336

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP9010981A Pending JPH106109A (ja) 1996-01-26 1997-01-24 複合多結晶ダイヤモンド成形体

Country Status (5)

Country Link
US (1) US5662720A (ja)
EP (1) EP0786300B1 (ja)
JP (1) JPH106109A (ja)
KR (1) KR970059466A (ja)
DE (1) DE69715057T2 (ja)

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