JPH11239977A - ろう付け時の破損の低減した多結晶質ダイヤモンド成形体カッタ― - Google Patents
ろう付け時の破損の低減した多結晶質ダイヤモンド成形体カッタ―Info
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- JPH11239977A JPH11239977A JP10328943A JP32894398A JPH11239977A JP H11239977 A JPH11239977 A JP H11239977A JP 10328943 A JP10328943 A JP 10328943A JP 32894398 A JP32894398 A JP 32894398A JP H11239977 A JPH11239977 A JP H11239977A
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Classifications
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- E—FIXED CONSTRUCTIONS
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Abstract
(57)【要約】 (修正有)
【課題】高温高圧(HT/HP)処理条件下で製造され
る支持多結晶質ダイヤモンド成形体(PDC)に関する
もので、PDC層と超硬合金支持層との間に非平面界面
を有する支持PDC成形体に関する。装着時の割れに対
する抵抗性が改善されたPDCカッターを提供する。 【解決手段】ユニークな性質を有するPDCカッターを
製造するための改良方法として、WC−PCD界面の幾
何学的形状は、WC基材14とPCD層10との調和を
高める。かかる界面形状の主たる利点は、WC−PCD
界面における残留応力の改善により、性能が向上しかつ
装着及び/又はろう付け時の破損が低減することであ
る。
る支持多結晶質ダイヤモンド成形体(PDC)に関する
もので、PDC層と超硬合金支持層との間に非平面界面
を有する支持PDC成形体に関する。装着時の割れに対
する抵抗性が改善されたPDCカッターを提供する。 【解決手段】ユニークな性質を有するPDCカッターを
製造するための改良方法として、WC−PCD界面の幾
何学的形状は、WC基材14とPCD層10との調和を
高める。かかる界面形状の主たる利点は、WC−PCD
界面における残留応力の改善により、性能が向上しかつ
装着及び/又はろう付け時の破損が低減することであ
る。
Description
【0001】
【発明の分野】本発明は、高温高圧(HT/HP)処理
条件下で製造される支持多結晶質ダイヤモンド成形体
(PDC)に関するものであり、さらに具体的には、P
DC層と超硬合金支持層との間に非平面界面を有する支
持PDC成形体に関する。本発明の目的は、装着時の割
れに対する抵抗性が改善されたPDCカッターを提供す
ることにある。
条件下で製造される支持多結晶質ダイヤモンド成形体
(PDC)に関するものであり、さらに具体的には、P
DC層と超硬合金支持層との間に非平面界面を有する支
持PDC成形体に関する。本発明の目的は、装着時の割
れに対する抵抗性が改善されたPDCカッターを提供す
ることにある。
【0002】
【発明の背景】研磨材成形体は切削、フライス削り、研
削、穿孔その他の研磨作業に広く使われている。研磨材
成形体は通例多結晶質ダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ
素粒子を結合して凝集性硬質塊としたものからなる。研
磨材成形体の研磨材粒子含有量は高く、粒子と粒子が直
接結合したものが大量に存在している。研磨材成形体
は、多結晶質ダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素のいず
れの場合も、研磨材粒子が結晶学的に安定であるような
高温高圧条件下で製造される。
削、穿孔その他の研磨作業に広く使われている。研磨材
成形体は通例多結晶質ダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ
素粒子を結合して凝集性硬質塊としたものからなる。研
磨材成形体の研磨材粒子含有量は高く、粒子と粒子が直
接結合したものが大量に存在している。研磨材成形体
は、多結晶質ダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素のいず
れの場合も、研磨材粒子が結晶学的に安定であるような
高温高圧条件下で製造される。
【0003】研磨材成形体は脆くなりやすく、使用に際
しては超硬合金基材に結合して支持することが多い。か
かる支持研磨材成形体は、当技術分野では複合研磨材成
形体として知られる。複合研磨材成形体はそのまま研磨
工具の作用面に使用し得る。或いは、殊に穿孔及び掘削
作業では、これを細長い超硬合金ピンに結合していわゆ
る植込みカッターを形成するのが有利であることが判明
している。かかる植込みカッターを次いでドリルビット
又は掘削用ピックの作用面に装着する。
しては超硬合金基材に結合して支持することが多い。か
かる支持研磨材成形体は、当技術分野では複合研磨材成
形体として知られる。複合研磨材成形体はそのまま研磨
工具の作用面に使用し得る。或いは、殊に穿孔及び掘削
作業では、これを細長い超硬合金ピンに結合していわゆ
る植込みカッターを形成するのが有利であることが判明
している。かかる植込みカッターを次いでドリルビット
又は掘削用ピックの作用面に装着する。
【0004】複合研磨材成形体の製造は通例プレスの容
器内に超硬合金基材を配置することによって行われる。
ダイヤモンド結晶粒又はダイヤモンド結晶粒と触媒結合
剤の混合物を基材上に配置し、高温高圧条件下で圧縮す
る。その際、金属結合剤が基材から移行してダイヤモン
ド結晶粒間に「浸透(sweep)」し、ダイヤモンド
結晶粒の焼結を促進する。その結果、ダイヤモンド結晶
粒が互いに結合してダイヤモンド層を形成し、ダイヤモ
ンド層が通常は平面的な界面に沿って基材に結合する。
ダイヤモンド結晶粒間の空隙は金属結合剤が埋めるの
で、焼結成形体にポロシティはほとんど或いは全く存在
しない。ダイヤモンド成形体及び複合成形体の製造方法
の詳細は米国特許第3141746号、同第37456
23号、同第3609818号、同第3850591
号、同第4394170号、同第4403015号、同
第4794326号及び同第4954139号に記載さ
れており、その開示内容は文献の援用によって本明細書
に取り込まれる。
器内に超硬合金基材を配置することによって行われる。
ダイヤモンド結晶粒又はダイヤモンド結晶粒と触媒結合
剤の混合物を基材上に配置し、高温高圧条件下で圧縮す
る。その際、金属結合剤が基材から移行してダイヤモン
ド結晶粒間に「浸透(sweep)」し、ダイヤモンド
結晶粒の焼結を促進する。その結果、ダイヤモンド結晶
粒が互いに結合してダイヤモンド層を形成し、ダイヤモ
ンド層が通常は平面的な界面に沿って基材に結合する。
ダイヤモンド結晶粒間の空隙は金属結合剤が埋めるの
で、焼結成形体にポロシティはほとんど或いは全く存在
しない。ダイヤモンド成形体及び複合成形体の製造方法
の詳細は米国特許第3141746号、同第37456
23号、同第3609818号、同第3850591
号、同第4394170号、同第4403015号、同
第4794326号及び同第4954139号に記載さ
れており、その開示内容は文献の援用によって本明細書
に取り込まれる。
【0005】上述のように形成される複合研磨材成形体
には幾つかの短所がみられることがある。例えば、超硬
合金とダイヤモンドでは熱膨張率及び弾性定数が異な
る。そのため、PDCの加熱又は冷却時に、ダイヤモン
ド層と超硬合金基材の界面に熱応力が生じる。かかる応
力の大きさは、印加圧力、ゼロ応力温度並びに熱膨張率
及び弾性定数の差に依存する。
には幾つかの短所がみられることがある。例えば、超硬
合金とダイヤモンドでは熱膨張率及び弾性定数が異な
る。そのため、PDCの加熱又は冷却時に、ダイヤモン
ド層と超硬合金基材の界面に熱応力が生じる。かかる応
力の大きさは、印加圧力、ゼロ応力温度並びに熱膨張率
及び弾性定数の差に依存する。
【0006】考慮すべきもう一つの潜在的短所として、
ダイヤモンド層中で発生してダイヤモンド層の破損をも
たらす可能性のある内部応力に関するものがある。かか
る応力も超硬合金基材の存在に起因し、超硬合金基材と
多結晶質ダイヤモンド層の寸法、幾何学的配置及び物理
的性質に応じて分布する。欧州特許出願第013338
6号には、多結晶質ダイヤモンド塊が金属結合剤を全く
含んでおらず、しかも金属基材に直接に装着されるPD
Cが示唆されている。しかし、ダイヤモンド塊を金属に
直接装着することは、金属がダイヤモンド塊を十分に支
持することができないという大きな問題を生ずる。上記
欧州特許出願は、ダイヤモンド層の底面に互いに離隔し
たリブを配置し、これらのリブを金属基材に埋め込むこ
とについても示唆している。
ダイヤモンド層中で発生してダイヤモンド層の破損をも
たらす可能性のある内部応力に関するものがある。かか
る応力も超硬合金基材の存在に起因し、超硬合金基材と
多結晶質ダイヤモンド層の寸法、幾何学的配置及び物理
的性質に応じて分布する。欧州特許出願第013338
6号には、多結晶質ダイヤモンド塊が金属結合剤を全く
含んでおらず、しかも金属基材に直接に装着されるPD
Cが示唆されている。しかし、ダイヤモンド塊を金属に
直接装着することは、金属がダイヤモンド塊を十分に支
持することができないという大きな問題を生ずる。上記
欧州特許出願は、ダイヤモンド層の底面に互いに離隔し
たリブを配置し、これらのリブを金属基材に埋め込むこ
とについても示唆している。
【0007】上記欧州特許出願によれば、ダイヤモンド
塊形成後に例えばレーザ加工又は放電加工等によって、
或いはプレス内でのダイヤモンド塊製造時に例えば不規
則性を有する型の使用等によって、ダイヤモンド塊に不
規則性を形成することができる。後者に関しては、適当
な型を超硬合金で作ることができるとも示唆されている
が、そうした場合、金属を含まないダイヤモンド塊を提
供するという所期の目標に反して、金属結合剤が型から
ダイヤモンド塊の中に移行することとなる。この文献に
は、こうして得られたダイヤモンド/超硬合金複合体
を、超硬合金の型を溶解するとともにダイヤモンド塊か
ら全ての金属結合剤を浸出するような酸浴に浸漬するこ
とによって、上記問題を軽減することが提案されてい
る。こうして、金属結合剤を全く含まず、金属基材に直
接に装着されるダイヤモンド塊が得られることになる。
かかる構造から何らかの利点が得られるとしても、以下
に述べる通り、大きな欠点が依然として残っている。
塊形成後に例えばレーザ加工又は放電加工等によって、
或いはプレス内でのダイヤモンド塊製造時に例えば不規
則性を有する型の使用等によって、ダイヤモンド塊に不
規則性を形成することができる。後者に関しては、適当
な型を超硬合金で作ることができるとも示唆されている
が、そうした場合、金属を含まないダイヤモンド塊を提
供するという所期の目標に反して、金属結合剤が型から
ダイヤモンド塊の中に移行することとなる。この文献に
は、こうして得られたダイヤモンド/超硬合金複合体
を、超硬合金の型を溶解するとともにダイヤモンド塊か
ら全ての金属結合剤を浸出するような酸浴に浸漬するこ
とによって、上記問題を軽減することが提案されてい
る。こうして、金属結合剤を全く含まず、金属基材に直
接に装着されるダイヤモンド塊が得られることになる。
かかる構造から何らかの利点が得られるとしても、以下
に述べる通り、大きな欠点が依然として残っている。
【0008】上記欧州特許出願は、要するに、超硬合金
基材の存在及びダイヤモンド層中の金属結合剤の存在に
関連した問題を、超硬合金基材及び金属結合剤を完全に
排除することにより解決することを提案している。しか
し、金属結合剤が存在しないことでダイヤモンド層の熱
安定性は高まるとしても、ダイヤモンド層の耐衝撃性は
低下する。すなわち、かかるダイヤモンド層は強い衝撃
によってチッピングを起こし易くなるのであって、岩石
等の硬い物質の掘削時に重大な問題となる特性である。
基材の存在及びダイヤモンド層中の金属結合剤の存在に
関連した問題を、超硬合金基材及び金属結合剤を完全に
排除することにより解決することを提案している。しか
し、金属結合剤が存在しないことでダイヤモンド層の熱
安定性は高まるとしても、ダイヤモンド層の耐衝撃性は
低下する。すなわち、かかるダイヤモンド層は強い衝撃
によってチッピングを起こし易くなるのであって、岩石
等の硬い物質の掘削時に重大な問題となる特性である。
【0009】また、金属基材にダイヤモンド塊を直接に
装着すること自体、ダイヤモンドと金属との界面におけ
る応力の発生に関する上述の問題については何の解決に
もならないことが認められよう。この問題はダイヤモン
ドと金属の間の熱膨張率の極めて大きな差に起因するか
らである。例えば、ダイヤモンドの熱膨張率が約45×
10-7cm/cm/℃であるのに対し、鋼の熱膨張率は15
0〜200×10-7cm/cm/℃である。そのためカッタ
ーには非常に大きな熱応力が誘起される。
装着すること自体、ダイヤモンドと金属との界面におけ
る応力の発生に関する上述の問題については何の解決に
もならないことが認められよう。この問題はダイヤモン
ドと金属の間の熱膨張率の極めて大きな差に起因するか
らである。例えば、ダイヤモンドの熱膨張率が約45×
10-7cm/cm/℃であるのに対し、鋼の熱膨張率は15
0〜200×10-7cm/cm/℃である。そのためカッタ
ーには非常に大きな熱応力が誘起される。
【0010】最近、ダイヤモンド/超硬合金界面の機械
的応力及び熱応力の受け易さを低減させることを目的と
して、ダイヤモンド/超硬合金界面に多数のリッジ(隆
起部)、溝又はその他の刻み目を設けた各種のPDC構
造物が提案されている。米国特許第4784023号で
は、PDCは多数の溝とリッジを交互に設けた界面を有
しており、溝とリッジの上面と底面は成形体表面と実質
的に平行で、それらの側面は成形体表面に対して実質的
に垂直である。
的応力及び熱応力の受け易さを低減させることを目的と
して、ダイヤモンド/超硬合金界面に多数のリッジ(隆
起部)、溝又はその他の刻み目を設けた各種のPDC構
造物が提案されている。米国特許第4784023号で
は、PDCは多数の溝とリッジを交互に設けた界面を有
しており、溝とリッジの上面と底面は成形体表面と実質
的に平行で、それらの側面は成形体表面に対して実質的
に垂直である。
【0011】米国特許第4972637号は、超硬合金
層中に不連続な複数の離隔した凹部が設けられた界面を
有するPDCであって、凹部は研磨材(ダイヤモンド
等)を収容し、かつ各々の凹部が隣の列の最も近接した
凹部と互い違いとなるように複数の列をなして配列され
ているPDCを提供する。米国特許第4972637号
では、摩耗がダイヤモンド/超硬合金界面に達したと
き、ダイヤモンドで埋まった凹部は超硬合金よりも摩耗
速度が遅く、事実上切削リッジもしくは突起として作用
すると述べられている。このPDCを米国特許第497
2637号の図5に示すように植込みカッターに装着す
ると、摩耗面38には凹部18内のダイヤモンド材料よ
りも格段に速く摩耗する超硬合金領域42が露出する。
その結果、この領域にはダイヤモンドで埋まった凹部間
で陥没が生じる。米国特許第4972637号では、こ
うした陥没領域はダイヤモンド材料の追加のエッジを露
出させ、PDCカッターの切削作用を高める旨主張され
ている。
層中に不連続な複数の離隔した凹部が設けられた界面を
有するPDCであって、凹部は研磨材(ダイヤモンド
等)を収容し、かつ各々の凹部が隣の列の最も近接した
凹部と互い違いとなるように複数の列をなして配列され
ているPDCを提供する。米国特許第4972637号
では、摩耗がダイヤモンド/超硬合金界面に達したと
き、ダイヤモンドで埋まった凹部は超硬合金よりも摩耗
速度が遅く、事実上切削リッジもしくは突起として作用
すると述べられている。このPDCを米国特許第497
2637号の図5に示すように植込みカッターに装着す
ると、摩耗面38には凹部18内のダイヤモンド材料よ
りも格段に速く摩耗する超硬合金領域42が露出する。
その結果、この領域にはダイヤモンドで埋まった凹部間
で陥没が生じる。米国特許第4972637号では、こ
うした陥没領域はダイヤモンド材料の追加のエッジを露
出させ、PDCカッターの切削作用を高める旨主張され
ている。
【0012】米国特許第5007207号には、各々ダ
イヤモンドで埋まった複数の凹部を超硬合金層に有する
PDC構造で、円盤形の成形体を上から見下ろした場合
に上記凹部が渦巻状又は同心円状の模様をなすPDC構
造が開示されている。このように、米国特許第5007
207号の構造は、米国特許第4972637号の構造
とは、多数の離散した凹部を用いるのではなく、渦巻状
又は同心円状の模様をなす1又は少数の細長い凹部を用
いる点で異なる。米国特許第5007207号の図5に
は、このPDCを植込みカッターに装着して使用したと
きに発生する摩耗面が示されている。米国特許第497
2637号の場合と同様に、摩耗プロセスでダイヤモン
ドで埋まった凹部間の超硬合金材料に陥没が生じる。米
国特許第5007207号の場合と同じく、米国特許第
4972637号においても、摩耗プロセスで発生する
陥没が切削作用を向上させる旨の主張がなされている。
切削作用の向上に加えて、切削時の限界領域に好適な残
留応力をもつことでカッターの破損し易さを低減させる
非平面の界面も米国特許第5484330号、同第54
94477号及び同第5486137号に開示されてい
る。
イヤモンドで埋まった複数の凹部を超硬合金層に有する
PDC構造で、円盤形の成形体を上から見下ろした場合
に上記凹部が渦巻状又は同心円状の模様をなすPDC構
造が開示されている。このように、米国特許第5007
207号の構造は、米国特許第4972637号の構造
とは、多数の離散した凹部を用いるのではなく、渦巻状
又は同心円状の模様をなす1又は少数の細長い凹部を用
いる点で異なる。米国特許第5007207号の図5に
は、このPDCを植込みカッターに装着して使用したと
きに発生する摩耗面が示されている。米国特許第497
2637号の場合と同様に、摩耗プロセスでダイヤモン
ドで埋まった凹部間の超硬合金材料に陥没が生じる。米
国特許第5007207号の場合と同じく、米国特許第
4972637号においても、摩耗プロセスで発生する
陥没が切削作用を向上させる旨の主張がなされている。
切削作用の向上に加えて、切削時の限界領域に好適な残
留応力をもつことでカッターの破損し易さを低減させる
非平面の界面も米国特許第5484330号、同第54
94477号及び同第5486137号に開示されてい
る。
【0013】以上の米国特許では岩石での望ましい切削
作用及び切削時の好適な残留応力について述べられてい
るものの、ドリルビット装着時のダイヤモンド層の破損
し易さを最小限にすることも極めて望ましい。
作用及び切削時の好適な残留応力について述べられてい
るものの、ドリルビット装着時のダイヤモンド層の破損
し易さを最小限にすることも極めて望ましい。
【0014】
【発明の概要】本発明は、高温高圧処理条件下で製造さ
れる支持多結晶質ダイヤモンド成形体に関するものであ
り、さらに具体的には、剪断強さ及び耐衝撃性の改善さ
れた支持PDCに関する。PDCにおいて、炭化タング
ステン(WC)と多結晶質ダイヤモンド(PCD)の界
面は様々な表面形状を有し得る。今回、PCD層中のW
C突起(図1参照)がビットへのカッターのろう付け時
に往々にしてPCD層の割れを引起こすことが判明し
た。こうした割れはWCとPCDの熱的ミスマッチによ
って起こる。コバルト(Co)含有量の低いWC突起を
設けることで、ろう付け時のPDCの割れを回避或いは
大幅に軽減することができる。
れる支持多結晶質ダイヤモンド成形体に関するものであ
り、さらに具体的には、剪断強さ及び耐衝撃性の改善さ
れた支持PDCに関する。PDCにおいて、炭化タング
ステン(WC)と多結晶質ダイヤモンド(PCD)の界
面は様々な表面形状を有し得る。今回、PCD層中のW
C突起(図1参照)がビットへのカッターのろう付け時
に往々にしてPCD層の割れを引起こすことが判明し
た。こうした割れはWCとPCDの熱的ミスマッチによ
って起こる。コバルト(Co)含有量の低いWC突起を
設けることで、ろう付け時のPDCの割れを回避或いは
大幅に軽減することができる。
【0015】突起とは、PCD層中に突き出た超硬合金
の部分でその頂部と側面がPCDで取り囲まれた部分と
して定義される。その具体例としては、こぶ、くぼみ、
ブロック、鋸歯形、正弦波形として存在し、PCD層中
に突き出たWCの局部領域が挙げられる。別の具体例
は、WCで埋まった(WC−PCD界面の)PCD層中
の溝でカッターを完全に横断するものがある。カッター
設計に関してWC基材とPCD研磨材層の境界面の幾何
学的形状としては数多くのものが好ましい。
の部分でその頂部と側面がPCDで取り囲まれた部分と
して定義される。その具体例としては、こぶ、くぼみ、
ブロック、鋸歯形、正弦波形として存在し、PCD層中
に突き出たWCの局部領域が挙げられる。別の具体例
は、WCで埋まった(WC−PCD界面の)PCD層中
の溝でカッターを完全に横断するものがある。カッター
設計に関してWC基材とPCD研磨材層の境界面の幾何
学的形状としては数多くのものが好ましい。
【0016】研磨材層の割れは、(1)加工中の応力、
(2)残留応力、及び(3)カッター装着(ろう付け)
の加熱時に生じる熱応力、によって起こり得る。(カッ
ターは高温高圧プロセスで製造される。)本発明の主題
は、(2)と(3)による割れの問題に対処することで
ある。大半のPCDカッターは、未焼結ダイヤモンド砥
粒原料を含んだ耐火性金属容器内に一体WC支持体を取
り付けることによって製造される。本発明の目的は、P
CD層中のWC突起部のCo含量を低下させることによ
って、装着時の割れに対する抵抗性が向上したPDCカ
ッターを提供することである。
(2)残留応力、及び(3)カッター装着(ろう付け)
の加熱時に生じる熱応力、によって起こり得る。(カッ
ターは高温高圧プロセスで製造される。)本発明の主題
は、(2)と(3)による割れの問題に対処することで
ある。大半のPCDカッターは、未焼結ダイヤモンド砥
粒原料を含んだ耐火性金属容器内に一体WC支持体を取
り付けることによって製造される。本発明の目的は、P
CD層中のWC突起部のCo含量を低下させることによ
って、装着時の割れに対する抵抗性が向上したPDCカ
ッターを提供することである。
【0017】本発明の上記以外の目的、態様及び特徴、
並びに構造体における関連要素の運用法及び機能は、添
付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を斟酌すること
によって一段と明確になるであろう。
並びに構造体における関連要素の運用法及び機能は、添
付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を斟酌すること
によって一段と明確になるであろう。
【0018】
【好適な実施形態の詳細な説明】以下の詳細な説明で
は、添付の図面に照らして本発明の好ましい実施形態を
説明する。多結晶質ダイヤモンド成形体(PDC)は、
超硬合金基材に結合した多結晶質ダイヤモンド層(PC
D層)からなる。PCD層と超硬合金基材との結合は、
高温高圧(HT/HP)条件にて形成される。次いで温
度と圧力を周囲条件まで下げると、結合した両層間の熱
膨張及び圧縮性の差のため、PCD層と超硬合金基材の
いずれにも応力が発生する。温度と圧力を下げるときの
熱膨張の差と圧縮性の差は応力発生に相反する効果を有
しており、温度低下時の熱膨張の差はPCD層では圧縮
を生じ超硬合金基材では引張を生じる傾向があるのに対
し、圧縮性の差はPCD層では引張を生じ超硬合金基材
では圧縮を生じる傾向がある。
は、添付の図面に照らして本発明の好ましい実施形態を
説明する。多結晶質ダイヤモンド成形体(PDC)は、
超硬合金基材に結合した多結晶質ダイヤモンド層(PC
D層)からなる。PCD層と超硬合金基材との結合は、
高温高圧(HT/HP)条件にて形成される。次いで温
度と圧力を周囲条件まで下げると、結合した両層間の熱
膨張及び圧縮性の差のため、PCD層と超硬合金基材の
いずれにも応力が発生する。温度と圧力を下げるときの
熱膨張の差と圧縮性の差は応力発生に相反する効果を有
しており、温度低下時の熱膨張の差はPCD層では圧縮
を生じ超硬合金基材では引張を生じる傾向があるのに対
し、圧縮性の差はPCD層では引張を生じ超硬合金基材
では圧縮を生じる傾向がある。
【0019】応力発生の有限要素分析(FEA)及び歪
ゲージによる測定で、熱膨張差による効果が優勢であっ
て、その結果PCD層に概して残留圧縮応力が生じるこ
とが確認される(ただし、引張応力が存在する局在化領
域もある)。カッターを加熱した場合、ダイヤモンドの
応力状態は概略圧縮から概略引張へと変化する。こうし
た残留応力の「反転(flip)」は700℃未満の範
囲で起こる。その「反転」温度は結合圧力(カッター温
度がCo凝固点に達して結合が起こる圧力)の減少に伴
って上昇する。
ゲージによる測定で、熱膨張差による効果が優勢であっ
て、その結果PCD層に概して残留圧縮応力が生じるこ
とが確認される(ただし、引張応力が存在する局在化領
域もある)。カッターを加熱した場合、ダイヤモンドの
応力状態は概略圧縮から概略引張へと変化する。こうし
た残留応力の「反転(flip)」は700℃未満の範
囲で起こる。その「反転」温度は結合圧力(カッター温
度がCo凝固点に達して結合が起こる圧力)の減少に伴
って上昇する。
【0020】PCD層中のWC突起の上方では、室温・
常圧条件で隣接PCD層に大きな圧縮応力が存在する。
PDCカッターがろう付けサイクルで加熱されると、こ
れらの圧縮応力は引張応力へと反転するが、かかる応力
は2通りの方法によって緩和することができる。 (1)凝固の起こる圧力を低下させることによって「反
転」温度を上昇させる方法。
常圧条件で隣接PCD層に大きな圧縮応力が存在する。
PDCカッターがろう付けサイクルで加熱されると、こ
れらの圧縮応力は引張応力へと反転するが、かかる応力
は2通りの方法によって緩和することができる。 (1)凝固の起こる圧力を低下させることによって「反
転」温度を上昇させる方法。
【0021】(2)突起の熱膨張がPDC層の熱膨張に
近くなるように突起の局所領域におけるCo含有量を低
下させること。この2番目の方法が本発明の主題であ
る。図1は、通常のCo含有量のWC基材14と、PC
D層10中に延びたCo含有量の低いWC突起12とを
含んでなるPDCカッターの断面図である。本発明で
は、突起12は6±3%のCo含有量を有するのが好ま
しい。これは低Co含有量のWCとみなされる。主WC
基材14は13±3%のCo含有量を有する。これは通
常のCo含有量のWCとみなされる。通常のCo含有量
のWC基材14は耐衝撃性及び引張強さの点で望まし
い。低いCo含有量のWCは突起12の領域においての
み望ましい。
近くなるように突起の局所領域におけるCo含有量を低
下させること。この2番目の方法が本発明の主題であ
る。図1は、通常のCo含有量のWC基材14と、PC
D層10中に延びたCo含有量の低いWC突起12とを
含んでなるPDCカッターの断面図である。本発明で
は、突起12は6±3%のCo含有量を有するのが好ま
しい。これは低Co含有量のWCとみなされる。主WC
基材14は13±3%のCo含有量を有する。これは通
常のCo含有量のWCとみなされる。通常のCo含有量
のWC基材14は耐衝撃性及び引張強さの点で望まし
い。低いCo含有量のWCは突起12の領域においての
み望ましい。
【0022】図2及び図3は、上記(2)の方法がろう
付け温度において実際に応力を緩和することを裏付ける
有限要素モデル分析の結果を示している。図2において
WC突起22は通常のCo含有量を有していたのに対
し、図3ではWC突起22は低いCo含有量を有してい
た。各々の図に示す通り、有限要素モデル分析結果は、
700℃のろう付け温度において最大応力20がWC突
起22中のCo含有量の低下によって26%低減される
ことを示している。
付け温度において実際に応力を緩和することを裏付ける
有限要素モデル分析の結果を示している。図2において
WC突起22は通常のCo含有量を有していたのに対
し、図3ではWC突起22は低いCo含有量を有してい
た。各々の図に示す通り、有限要素モデル分析結果は、
700℃のろう付け温度において最大応力20がWC突
起22中のCo含有量の低下によって26%低減される
ことを示している。
【0023】低いCo含有量のWC突起という望ましい
結果を達成するには、数多くの方法があることは当業者
には自明であろう。その幾つかを以下に述べる。一つの
方法では、ばらばらのWC部材をHT/HPプロセスに
配置して、それらを所望の形状に組み立てる。PCD層
に入り込んだWC突起は低Co含有量のWCからなるの
に対し、残りの基材は通常のCo含有量のWCからな
る。図4、図5及び図6に、かかるコンセプトの幾つか
の実施形態を示す。
結果を達成するには、数多くの方法があることは当業者
には自明であろう。その幾つかを以下に述べる。一つの
方法では、ばらばらのWC部材をHT/HPプロセスに
配置して、それらを所望の形状に組み立てる。PCD層
に入り込んだWC突起は低Co含有量のWCからなるの
に対し、残りの基材は通常のCo含有量のWCからな
る。図4、図5及び図6に、かかるコンセプトの幾つか
の実施形態を示す。
【0024】各々の図は、HT/HPプロセスに使用し
て所望の形状に組み立てるための独立した部材を示して
いる。本発明の好ましい実施形態は、PCD供給原料3
2と、通常のCo含有量のWC基材3と、(1)低Co
含有量の溝付WC円盤36、(2)低Co含有量のWC
ボール38、及び(3)低Co含有量のWC棒材40の
いずれかとを、それぞれ図4、図5及び図6に示す通
り、耐火性金属カップ30内で集合することを含んでな
る。これらの図は本発明の実施形態のごくわずかを示し
たに過ぎない。
て所望の形状に組み立てるための独立した部材を示して
いる。本発明の好ましい実施形態は、PCD供給原料3
2と、通常のCo含有量のWC基材3と、(1)低Co
含有量の溝付WC円盤36、(2)低Co含有量のWC
ボール38、及び(3)低Co含有量のWC棒材40の
いずれかとを、それぞれ図4、図5及び図6に示す通
り、耐火性金属カップ30内で集合することを含んでな
る。これらの図は本発明の実施形態のごくわずかを示し
たに過ぎない。
【0025】別の方法は、漸変Co含有量のWC基材を
WC製造業者から供給してもらうというもので、WC製
造業者に突起のCo含有量が低く残りが基本的に通常の
Co含有量であるような一体WC基材を供給させる。C
o含有量を下げるのが望ましいのは突起だけであること
を注意しておくのが重要である。さらに別のそして本発
明の最も好ましい方法は、PDCカッターの焼結時にW
C突起からのCoの除去を制御することからなる。PD
Cカッターの焼結時に、WCに含まれるCoは溶解して
PCD層中に浸透する。CoがWC基材からPCD層中
に浸透する際にWC突起からCoを優先的に除去すれ
ば、本発明の目的である熱膨張の少ないWC突起が得ら
れる。優先的に除去されるCoの量は、WC突起の幾何
学的形状及び(PCD層中の)WC突起と(WC基材中
の)PCD突起との体積比を変えることによって制御す
ることができる。
WC製造業者から供給してもらうというもので、WC製
造業者に突起のCo含有量が低く残りが基本的に通常の
Co含有量であるような一体WC基材を供給させる。C
o含有量を下げるのが望ましいのは突起だけであること
を注意しておくのが重要である。さらに別のそして本発
明の最も好ましい方法は、PDCカッターの焼結時にW
C突起からのCoの除去を制御することからなる。PD
Cカッターの焼結時に、WCに含まれるCoは溶解して
PCD層中に浸透する。CoがWC基材からPCD層中
に浸透する際にWC突起からCoを優先的に除去すれ
ば、本発明の目的である熱膨張の少ないWC突起が得ら
れる。優先的に除去されるCoの量は、WC突起の幾何
学的形状及び(PCD層中の)WC突起と(WC基材中
の)PCD突起との体積比を変えることによって制御す
ることができる。
【0026】図7〜図10は、低倍率(図7)並びに高
倍率(図8、図9及び図10)の走査電子顕微鏡(SE
M)写真であり、PCD層に隣接するWC基材の領域か
らCoが除去され、除去が突起の幾何学的形状に依存す
ることを実証している。図7は低倍率のSEM写真であ
って、PCD層50に延びるWC基材60の突起66を
示しており、PCD層50は写真上部の暗い部分で、W
C基材60は写真下部の明るい部分である。図7はWC
−PCD界面を低倍率で示すもので、図8、図9及び図
10に示す特定部分の位置の参照として役立つ。図8、
図9及び図10に示す拡大領域の位置は、図7のSEM
写真でそれぞれ70、80及び90として示す3つの長
方形で表わされる。
倍率(図8、図9及び図10)の走査電子顕微鏡(SE
M)写真であり、PCD層に隣接するWC基材の領域か
らCoが除去され、除去が突起の幾何学的形状に依存す
ることを実証している。図7は低倍率のSEM写真であ
って、PCD層50に延びるWC基材60の突起66を
示しており、PCD層50は写真上部の暗い部分で、W
C基材60は写真下部の明るい部分である。図7はWC
−PCD界面を低倍率で示すもので、図8、図9及び図
10に示す特定部分の位置の参照として役立つ。図8、
図9及び図10に示す拡大領域の位置は、図7のSEM
写真でそれぞれ70、80及び90として示す3つの長
方形で表わされる。
【0027】図8、図9及び図10では、図7の特定部
分の高倍率SEM写真を示す。1つのWC突起66の角
部を撮影した図8は、突起66の中心部を撮影した図9
のCo含有量に比べて、WC基材60のCo64が減少
していることを示している。1つの突起66の中心部を
撮影した図9は、WC−ダイヤモンド界面52から一定
距離離れたWC基材60の中心部を撮影した図10のC
o含有量に比べて、WC基材60のCo64が減少して
いることを示している。
分の高倍率SEM写真を示す。1つのWC突起66の角
部を撮影した図8は、突起66の中心部を撮影した図9
のCo含有量に比べて、WC基材60のCo64が減少
していることを示している。1つの突起66の中心部を
撮影した図9は、WC−ダイヤモンド界面52から一定
距離離れたWC基材60の中心部を撮影した図10のC
o含有量に比べて、WC基材60のCo64が減少して
いることを示している。
【0028】図8及び図9に示す通り、WC突起66で
Co64が減少すれば、WC突起66の平均熱膨張率は
好適に低下する。これらのSEM写真は、WC突起66
の表面積がWC突起66の体積に比して大きければ、C
o64の平均含有量が減少し、突起66の平均熱膨張率
が低下することを明確に示している。図8、図9及び図
10のSEM写真に示す通り、WC−PCD界面52に
近い領域ほどWC基材のCo含有量が低下していること
は明らかである。
Co64が減少すれば、WC突起66の平均熱膨張率は
好適に低下する。これらのSEM写真は、WC突起66
の表面積がWC突起66の体積に比して大きければ、C
o64の平均含有量が減少し、突起66の平均熱膨張率
が低下することを明確に示している。図8、図9及び図
10のSEM写真に示す通り、WC−PCD界面52に
近い領域ほどWC基材のCo含有量が低下していること
は明らかである。
【0029】従って、WC突起66の特定の幾何学的形
状は、WC基材のCo64をPCD層50に浸透させる
効果をもつ。WC突起66の面積/体積比が高いほど、
Coの減少度は大きくなり、突起66の平均熱膨張率は
低くなる。その結果、WC基材60とPCD層50との
調和が改善され、それによりWC−PCD界面52の残
留応力の改善を通して性能が向上する。
状は、WC基材のCo64をPCD層50に浸透させる
効果をもつ。WC突起66の面積/体積比が高いほど、
Coの減少度は大きくなり、突起66の平均熱膨張率は
低くなる。その結果、WC基材60とPCD層50との
調和が改善され、それによりWC−PCD界面52の残
留応力の改善を通して性能が向上する。
【0030】本発明は、ユニークな性質を有するPDC
カッターを製造するための改良方法として貴重である。
本発明におけるWC−PCD界面の幾何学的形状は、W
C基材とPCD層との調和を高める。かかる界面形状の
主たる利点は、WC−PCD界面における残留応力の改
善により、性能が向上しかつ装着及び/又はろう付け時
の破損が低減することである。
カッターを製造するための改良方法として貴重である。
本発明におけるWC−PCD界面の幾何学的形状は、W
C基材とPCD層との調和を高める。かかる界面形状の
主たる利点は、WC−PCD界面における残留応力の改
善により、性能が向上しかつ装着及び/又はろう付け時
の破損が低減することである。
【0031】以上、本発明を好ましい実施形態を参照し
て説明してきたが、かかる実施形態は例示的なものに過
ぎず、本発明を限定するためのものでも本発明のすべて
の態様を列挙するためのものでもない。従って、本発明
の技術的範囲は特許請求の範囲によってのみ定められ
る。さらに、本発明の技術的思想及び原理から逸脱する
ことなく、細部に様々な変更を加え得ることは当業者に
は自明であろう。
て説明してきたが、かかる実施形態は例示的なものに過
ぎず、本発明を限定するためのものでも本発明のすべて
の態様を列挙するためのものでもない。従って、本発明
の技術的範囲は特許請求の範囲によってのみ定められ
る。さらに、本発明の技術的思想及び原理から逸脱する
ことなく、細部に様々な変更を加え得ることは当業者に
は自明であろう。
【図1】 PDCカッターの断面図であり、WC突起が
WC基材よりも低いCo含有量を有することを示す。
WC基材よりも低いCo含有量を有することを示す。
【図2】 WC突起が通常のCo含有量を有する場合
の、700℃における有限要素モデル分析結果を示す。
の、700℃における有限要素モデル分析結果を示す。
【図3】 WC突起が低いCo含有量を有する場合の、
700℃における有限要素モデル分析結果を示す。
700℃における有限要素モデル分析結果を示す。
【図4】 本発明に従って、WC突起の形成に低Co含
有量の溝付WC円盤を使用してPCDカッターを製造す
るための方法を示す。
有量の溝付WC円盤を使用してPCDカッターを製造す
るための方法を示す。
【図5】 本発明に従って、WC突起の形成に低Co含
有量のWCボールを使用してPCDカッターを製造する
ための方法を示す。
有量のWCボールを使用してPCDカッターを製造する
ための方法を示す。
【図6】 本発明に従って、WC突起の形成に低Co含
有量のWC棒材を使用してPCDカッターを製造するた
めの方法を示す。
有量のWC棒材を使用してPCDカッターを製造するた
めの方法を示す。
【図7】 嵌合したWC突起とPCD突起を示す低倍率
の走査電子顕微鏡(SEM)写真であり、PCDは写真
上部の暗い部分である。
の走査電子顕微鏡(SEM)写真であり、PCDは写真
上部の暗い部分である。
【図8】 図7のWC突起の角部の部分を撮影した高倍
率のSEM写真であり、WCのCo含有量が低減してい
ることを示す。
率のSEM写真であり、WCのCo含有量が低減してい
ることを示す。
【図9】 図7のWC突起の中心部の部分を撮影した高
倍率のSEM写真であり、WCのCo含有量は図8に示
す突起の端よりも高いことを示す。
倍率のSEM写真であり、WCのCo含有量は図8に示
す突起の端よりも高いことを示す。
【図10】 図7のWC基材の中心部の部分を撮影した
高倍率のSEM写真であり、WCのCo含有量が図8及
び図9に示す突起よりも高いことを示す。
高倍率のSEM写真であり、WCのCo含有量が図8及
び図9に示す突起よりも高いことを示す。
Claims (10)
- 【請求項1】 研磨材層と該研磨材層に結合した超硬合
金基材とを含んでなる改良研磨材工具インサートであっ
て、1又はそれ以上の超硬合金突起が上記基材から上記
研磨材層中に延びているとともに、各々の突起の金属結
合剤含有量が上記基材の金属結合剤含有量よりも低い、
研磨材工具インサート。 - 【請求項2】 前記研磨材層が多結晶質ダイヤモンドか
らなる、請求項1記載の工具インサート。 - 【請求項3】 前記超硬合金が炭化タングステンであ
る、請求項1記載の工具インサート。 - 【請求項4】 前記金属結合剤がコバルト、鉄、ニッケ
ル、白金、チタン、クロム、タンタル及びそれらの合金
からなる群から選択される、請求項1記載の工具インサ
ート。 - 【請求項5】 前記突起の金属結合剤含有量が平均約3
〜9重量%であり、前記基材の金属結合剤含有量が平均
約10〜16重量%である、請求項1記載の工具インサ
ート。 - 【請求項6】 前記突起が角錐形、円錐形又は円錐台形
である、請求項1記載の工具インサート。 - 【請求項7】 前記突起がブロック形である、請求項1
記載の工具インサート。 - 【請求項8】 前記突起が正弦波形、楕円体形又は球形
である、請求項1記載の工具インサート。 - 【請求項9】 多結晶質ダイヤモンド層と該ダイヤモン
ド層に結合した炭化タングステン基材とを含んでなる改
良研磨材工具インサートであって、上記炭化タングステ
ン基材が平均約10〜16重量%の金属結合剤含有量を
有し、かつ1又はそれ以上の炭化タングステン突起が上
記炭化タングステン基材から上記ダイヤモンド層中に延
びているとともに、上記炭化タングステン突起が平均約
3〜9重量%の金属結合剤含有量を有する、研磨材工具
インサート。 - 【請求項10】 標準的な高温/高圧装置装置の反応容
器内で研磨材工具インサートを製造するための方法であ
って、 上記反応容器内に、標準的な金属結合剤含有量を有する
超硬合金基材を配置する段階、 上記基材上に、金属結合剤含有量の低い賦形超硬合金部
材を配置する段階、 上記超硬合金部材が研磨材粒子層中に突き出すように上
記超硬合金部材を研磨材粒子層で覆う段階、及び上記反
応容器を高温高圧条件に付す段階含んでなる方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/975028 | 1997-11-20 | ||
US08/975,028 US6042463A (en) | 1997-11-20 | 1997-11-20 | Polycrystalline diamond compact cutter with reduced failure during brazing |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11239977A true JPH11239977A (ja) | 1999-09-07 |
Family
ID=25522635
Family Applications (1)
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A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20060207 |