JPS60242291A - 複数の多結晶ダイヤモンドデイスクを有するカツタ− - Google Patents

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〕 （７）発明の分野 本発明は、地層ポーリング工具の分野に関するものであ
シ、特に、ロータリービットに用いられるダイヤモンド
カッターに関するものである。

以下余白 ０）先行技術の説明 回転ダイヤモンドドリルビットは、当初、工業用品位の
天然ダイヤモンドで作られていた。ダイヤモンドは四角
、丸あるいは異形であシ、かつ粉末冶金技術によって通
例作られる金属ビット本体内に完全に埋込まれていた。

天然ダイヤモンドは種々のグレードの粒子（ｇｒｉｔ）
からより大きなサイズまでの範囲の小サイズであり、典
型的には、１カラツト当シ５又は６粒の天然ダイヤモン
ドが金属基地中に完全に埋込まれていた。小さいサイズ
の天然ダイヤモンドなので、ドリルビットが岩石掘進中
に受ける非常に大きな圧力および力のもとてビット面に
これらダイヤモンドを保持するためにはダイヤモンドを
金属基地内に完全に埋込むことが必要であった。

その後、合成製造されたダイヤモンド粒子および多結晶
粒の商業的製造が実現された。例えば、人造ダイヤモン
ドはよシ大きなディスク形状に焼結され、これらは典型
的には、多結晶的に焼結されたダイヤモンドおよび炭化
コバルトの結合体を形成している金属コンパクトとして
作られた。このようなダイヤモンドテーブルはジェネラ
ル・エレクトリック社（Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｅｌｅｃｔｒ
ｉｃ　Ｃｏｍｐａｎｙ）によって商品名５ＴＲＡＴＡＰ
ＡＸとして商業的に製造されている。ダイヤモンドテー
ブルは普通ダイヤモンドプレス内で炭化コバルト小片（
ｓｌｕｇ）に接着されて一体の小片カッターとして販売
されている。小片カッター（ｓｌｕｇ　ｃｕｔｔｅｒｓ
　）は次にドリルビット製造者によって炭化タングステ
ン小片にくっつけられ、それがビット製造者の設計にし
たがってドリルビット本体内に固定される。

しかしながら、このような先行技術の多結晶ダイヤモン
ド（ＰＣＤ）コンパクト切削片（ｃｕｔｔｉｎｇｓｌｕ
ｇお）は低い温度安定性の特徴がある。したがって、こ
れら切削片の溶浸された基地ビット本体内への直接組込
みは実際的でなくまた可能でない。

改善された硬さ、耐摩耗性および温度安定性のダイヤモ
ンド切削具（ｃｕｔｔｉｎｇ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ）　ｆ
製造する試みにおいて、先行技術のダイヤモンド合成者
は、多結晶焼結ダイヤモンド具から隙間金属成分（典型
的には、炭化コバルトなど）を抽出又は別な方法での除
去したものを開発した。このような抽出された多結晶人
造ダイヤモンドはジェネラル・エレクトリック社によっ
て商品名ＧＥＯ８ＥＴとして製造されており、例えば、
２１０２　ＧＥＯ８ＥＴＳは一辺４１１ＩＩの等辺土角
柱で２．６＋ｌ＋＋＋深さくカラノド当シ３）の形状に
形成され、および２１０３ＧＥＯ８ＥＴとしては一辺６
鱈の等辺土角柱具で３．７簡深さくカラソト当り１）の
形状に形成されている。しかしながら、人造焼結多結晶
ダイヤモンドを抽出しかつ改善された温度安定性を達成
するためには、現在の製造技術ではこれらダイヤモンド
具をサイズ的に制限することが必要である。したがって
、ダイヤモンドコンパクト小片カッター（５ＴＲＡＴＡ
ＰＡＸ）は直径３／８インチ（９，５調）〜ＩＡインチ
（１２，７ｍ＋）の円形ディスクの形状に形成されるで
あろうが、抽出された三角柱ダイヤモンド（ＧＥＯ８Ｅ
ＴＳ　）は最大寸法が４〜６ｆｌＩＩＩＩごある。ダイ
ヤモンド回転ビットの切削速度は有効切削に役立つ表出
されたダイヤモンド具のサイズによって実質的に改善さ
れることがわかっている。したがって、先行技術による
と、抽出されたダイヤモンド製品の高められた温度安定
性は、ダイヤモンド具のサイズおよびしたがって有効な
切削作用のためにビット設計で役立つダイヤモンドの量
全犠牲にして達成された。

それでめられている多結晶ダイヤモンドカンタ−は、抽
出されたダイヤモンド製品の温度安定性および特性で特
色づけられしかもなおより大きな抽出されないダイヤモ
ンド製品で特色づけられる有効切削作用に役立つサイズ
を有するものである。

〔発明の概要〕

本発明は、複数の熱安定性多結晶ダイヤモンドディスク
を含んでなるドリルビットに用いるカッターである。切
削片（ｃｕｔｔｉｎｇ　ｓｌｕｇ　）は基地材料で形成
されそして複数のダイヤモンドディスクは切削片内に配
置されている。基地材料はダイヤモンド粒子を含んでお
り、それは少なくとも切削片の一部分であるダイヤモン
ドディスクが表出しているところ（すなわち、カッター
の切削面）の近くにおいてである。要素のこのような組
合せのために、大きくされたカッターがドリルビット内
への装着用に製造される。

特に、本発明は、それぞれが少なくともひとつの端面（
ｅｎｄ　５ｕｒｆａｃｅ　）　ｆｔ有する複数の抽出さ
れて前もって作られた円形の人造多結晶ダイヤモンドデ
ィスクを含んでなる回転ビットでのダイヤモンドカッタ
ーである。切削片は基地材料で形成されそして複数の多
結晶ダイヤモンドディスクは切削片内に配置されている
。基地材料は複数の多結晶ダイヤモンドディスクの間の
隙間全充填している。切削片は切削面を有しその切削面
で各多結晶ダイヤモンドディスクのひとつの端面が完全
に表出している。切削片を形成する基地材料はさらにダ
イヤモンド粒子を含有しており、このダイヤモンド粒子
は少なくとも切削片の切削面に近い部分に含まれている
。ダイヤモンド粒子が基地材料の全体にわたって均一に
分散されることは好ましい。

要素のこのような組合せのために、大きくされたダイヤ
モンドテーブルが回転ビット内への装着用カッターとし
て提供される。

本発明のこれらおよびその他の実施態様例は、要素が番
号で参照されている添付図面を考慮することでよくわか
る。

〔実施例〕

本発明の実施態様例が添付図面を参照した以下の説明か
らよくわかるであろう。

本発明は大きくなったダイヤモンドカッターにあり、こ
のカッターは切削片すなわちテーブル内に配列された複
数の直円柱の熱安定又は抽出された多結晶ダイヤモンド
（ＰＣＤ）ディスクを含んでなる。そして、この切削片
は金属粉末からなり、この粉末は多結晶ダイヤモンドデ
ィスクの配列体の回りに浸入され、モールドされ又は圧
縮されて結合された一体物を形成する。複数の多結晶ダ
イヤモンドディスクの多数ニップが合計ダイヤモンド切
削周辺長さを増すのに役立つ。

初めに、第１図に図示した実施例の参照によって本発明
がよくわかるであろう。第１図には参照番号１０である
ダイヤモンドテーブルすなわち切削片の斜視図を示す。

切削片１０は多結晶ダイヤモンド素子１２のアレイを含
んでなる。図示の実施例では多結晶ダイヤモンド素子１
２は真円柱ディスクであシ、これらはダイヤモンドプレ
ス内で形成され、抽出された多結晶人造ダイヤモンドか
らなる。このような材料は、ジェネラルエレクトリック
社によって商品名ＧＥ０８ＫＴとしであるいは中華人民
共和国の人民の種々の代理人によって製造販売されてい
る人造ダイヤモンドと実質的に同じ組成である。中国か
ら得られる人造ダイヤモンドの場合には、ダイヤモンド
系材が長さ約０．０フインチ（２，００霧）〜０．３９
４インチ（１０，０瓢）で直径０．０７８インチ（２ｍ
）〜０．３１５インチ（８■）の棒状の円柱形状で販売
されている。円柱形状の素材は、次に、レーデ切断、放
電Δ〈は他の同等手段によって所望厚さに切断して円柱
ディスク（素子）１２を作る。例えば、図示の実施例で
は、ディスクダイヤモンド素子１２は直径０．１５フイ
ンチ（４閣）の厚さ０．０３９インチ（１ｍ’）である
。

第１図の実施例での切削片１０はその全体的形状が真円
柱ディスクである。図示の実施例において、切削片１０
の厚さはダイヤモンド素子１２の厚さに実質的に等しく
、所望ならは厚さを増すことも減らすことも可能である
。ダイヤモンド素子１２は密に形成されるであろう配列
で切削片１０内に配置され、ここで各ダイヤモンド素子
１２は少なくとも１個の隣接ダイヤモンド素子に接触す
るか又は非常に接近している。コンノ４クト配列での本
発明の多結晶ダイヤモンド素子は、相互に実除に接触す
るか又は隣接する多結晶ダイヤモンド素子を一諸に結合
するのに役立つ基地材料の薄層によって隔てられている
。本明細書においては、このような状態又は同等の状態
のいずれでも「極めて接近した」形態として定義してい
る。

代案的には、隣接する２個のダイヤモンド素子１２が相
互に接触しないでこれらダイヤモンド素子間の隙間を基
地利料１４で完全に満たすように隔てた関係でダイヤモ
ンド素子１２が切削片ｌ。

内で配列される。加えて、ダイヤモンドカバー範囲を全
ディスクの画分部分を用いることによって拡大すること
ができる。基地材料１４は当業者に知られている粉末金
属の混合物（ａｍａｌｇａｍ）でちゃ、主に炭化、タン
グステンからなる。他の元素又は化合物が心太とされる
基地材料１４の物理的／化学的特性金山すために添加さ
れてもよい。

本発明は基地材料１４が天然又は人造ダイヤモンド粒子
をも含むことを特に特徴としている。当業者に公知のあ
らゆるメツシュ又は粒子サイズが公知の原理によって規
定されるような必要性能特性に応じて使用されるであろ
う。一般的に、直径テ０．０１　イン＋　（０，００２
５４ｖａｎ）〜０．０５インチ（１，２７ｍ）の粒子サ
イズが使用される。基地材料１４内に組み込まれられる
すなわち含まれるダイヤモンド粒子は、切削片１０の切
削面１６近くの層を形成する基地材料１４の一部分に少
なくとも散布されである。好ましい実施例では、ダイヤ
モンド粒子は基地材料の全体にわたって５０体積％〜１
００体積−の濃度で均一に分散される。

このようにして、切削面１６は各ダイヤモンド素子１２
の表出端面１８およびダイヤモンド担持基地材料１４の
隙間に表出した表面からなる。図示の実施例においては
、ダイヤモンド粒子は切削面１６の近くだけでなく基地
材料１４の全体積にわたって実質的に均一に分散される
。

、第」図の実施例の切削片１０は従来のホットプレス（
高温圧縮）技術又は溶浸技術によって製造されるであろ
う。初めに、ホットプレスによる製造について考察する
。真円柱空隙がその中にある黒鉛型（カーデンモールド
）が可動端部すなわちアンビルを有して作られる。複数
の多結晶人造ダイヤモンド素子１２を、次に、黒鉛型内
に規定された円柱空隙内に配置する。これらダイヤモン
ド素子は典型的にはダイヤモンドプレス内であらかじめ
作られたものである。ダイヤモンド素子配置は密な配列
又は隔てた配列あるいは適切と思われるその他の配列で
ある。その後に、ダイヤモンド粒が均一に混合された金
属粉末を型内でダイヤモンド素子１２の間にかつ少なく
ともこれら素子の上に又は下に置かれる。基地羽料の圧
縮率が人造多結晶ダイヤモンド１２と比べて太き℃・こ
とを考慮して、ダイヤモンド含有基地粉末をダイヤモン
ド素子１２の厚さよりも厚く型内に装填する。次に、封
止アンビル金充填された黒鉛型の円柱空隙の上面又は底
面あるいは両方に置き、そして型およびアンビルをホッ
トプレス内に置く。充填された型およびその内容物を従
来の誘導加熱器によって加熱しかつ圧力金かげる。圧力
および温度が基地粉末を結合させかつ圧縮して第１図の
切削片１０のように示した円形ディスクを形成する。ホ
ットプレスで用いられる圧力と温度はダイヤモンド合成
相領域のかなシ外でありかつダイヤモンドが仁の工程中
に合成されたりあるいは黒鉛へ転換されたシすることは
ない。例えは、１９００　”Ｆ（１０３８℃）に保持さ
れている充填された型の内容物に２００　ｐｓｉ　（１
４，０６ｋｌ？／ｍ”　）の圧力を３分間加える。その
結果は直径約０．５１２インチ（１３ｗｎ）の円柱ディ
スク１０内の多結晶ダイヤモンド素子１２の複数構成物
からなる配列である。

同じディスクが従来の溶浸技術によって製造されてもよ
く、この場合にダイヤモンド素子１２が基地粉末で裏込
めされた黒鉛型内に再び置かれる。

次に、充填された型が加圧されそして粉末が固められか
つ浸透して型で規定された形状の結合された焼結体を形
成する。

第２図を参照して、ここでは切削片１０が側断面図で示
されている。切削片１０は当業者に公知の鋼又は炭化タ
ングステンのスタッド２０にはんだ付は又はろう付けに
よって接着されるであろり。

このスタッド２０はプレス嵌め、ろう付は又はその他公
知手段によってドリルビット本体内に配置される。図示
の実施例では切削片１０は第２図中誇張した断面で示し
た接着層２２ｔ−形成するろう又ははんだによってスタ
ッド２０に接着されている。このようにして切削面１６
は完全に表出しておりかつ有効な切削表面となっている
。したがって、高温安定なかつ抽出されたダイヤモンド
素子１２を用いることによって、現在入手可能なダイヤ
モンドコンパクトカッター（５ＴＲＡＴＡＰＡＸカツタ
ーなど）に匹敵するか又はよシ大きい拡大した切削片１
０を従来のビット設計で又は第２図に示したような従来
のスタッドカッターとの組合せで使用することができる
。

第３図の側断面図に溶浸された基地本体ビット内に配置
されている切削片１０全示す。基地本体の歯部分のみを
図示している。切削片１０を従来の溶浸技術にしたがっ
て黒鉛型内に配置する。その後、型を金属基地で満たす
。充填した型を熱することで金属粉末が焼結されかつ型
内金下方へ浸透して一体物全形成する。第３図に示した
よりに、切削片１０は基地本体の一体物へ結合されかつ
型内で規定されたビット設計および歯構造にしたがって
基地本体内に埋め込まれる。例えば、第３図の図示した
実施例では、切削片１０はビットの表面２４の上方で完
全に表出されかつこの切削片１０の支持および担持をす
るたなびくような一体に成形された部分２６を備えてい
る。切削面１６は完全に表出されかつ複合歯構造の前方
移動表面を形成し、このことはこれまで熱安定性の低い
ために溶浸基地ビット内に作ることのできなかったダイ
ヤモンドコンパクトスタッドカッターによって特色づけ
もれる全体サイズおよび形状を特徴としている。

第４図の第２実施例においては、参照番号２８で示され
た切削片が三角形チーグルの形状に形成されている。複
数の人造多結晶ダイヤモンド真円柱ディスク１２が切削
片２８内に配置されている。

ダイヤモンド素子１２は密にか隔℃てかのいずれかの配
列に配置される。切削片２８内でダイヤモンド素子１２
の間および周シの隙間が上述したダイヤモンド含有金属
基地１４からなる。以前のようにダイヤモンド素子１２
は切削片２８の切削面３０に表出した少なくともひとつ
の円形端面を有する。切削片２８の厚さはダイヤモンド
素子１２の厚さと実質的に同じであってもよい。切削片
２８は従来のホットプレス技術又は溶浸技術によって形
成され、そして第２図に関連して示したようにスタンド
上に装着されるか又は第３図に関連して述べたように溶
浸された基地本体内に直接配置されるであろう。

第５図に本発明の第３実施例を示し、ここで参照番号３
２で示されたダイヤモンドテーブルすなわち切削片は矩
形又は正方形に形成されている。

上述したのと同じ円形ダイヤモンド素子１２は切削片３
２内に配列され、ダイヤモンド素子１２０問および周り
の隙間がダイヤモンド含有基地材料１４で満たされてい
る。第５図の実施例は第４図および第１図の実施例とは
切削片の全体形状輪郭のみが異なるが、その構成あるい
は製造方法の詳細は異なっていない。切削片はホットプ
レス技術又は溶浸技術を用いて製造され、そして第２図
で簡単に記述したようにスタッドカッター上に装着され
るか又は第３図にて示唆されたように基地ビットに直接
に装着される。

多くの変更および修正態様例が本発明の精神および範囲
から逸脱することなく当業者によってなされるであろう
。図示した実施例は明瞭化および例示のためにのみ示し
たのであって特許請求の範囲に規定した発明を限定する
ものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明に係る円板の形状に形成した複数構成
物からなるカッターの斜視図であり、第２図は、第１図
に示した円板をスタッドカッターに取り付けたときの側
断面図であり、第３図は、第１図に示したタイプの複数
構成物からなるカッターを溶浸された基地ビット内に一
体成形された基地面内に装着したときの側断面図であシ
、 第４図は、本発明の第２実施態様例である複数構成物か
らなる三角形状カッターの斜視図であり、第５図は、本
発明の第３実施態様例である複数構成物からなる矩形形
状カッターの斜視図である。 １０・・・切削片、１２・・・多結晶ダイヤモンドテー
ブル（素子）、１４・・・基地材料、１６・・・切削面
、２０・・・スタッド、２８・・・切削片、３２・・・
切削片。 以Ｔｉ、白

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　ドリルビットに使用するためのカッターが複数の
   熱安定な多結晶ダイヤモンドディスクと、切削片を形成
   する基地材料とを営んでなり、前記複数の多結晶ダイヤ
   モンドディスクは前記切削片内に配置寄れ、それで大き
   くされたカッターが前記ドリルビット内への装着用に製
   造されることを特徴とするドリルビット用カッター。 ２、前記基地材料は、前記多結晶ダイヤモンドディスク
   が表出しているところの前記切削片の少なくともその部
   分にダイヤモンド粒子を含有していること金％徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のカッター。 ３、前記複数の多結晶ダイヤモンドディスクのそれぞれ
   は真円柱ディスクとして形成される前もって製造された
   人造多結晶ダイヤモンドで形成されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のカッター。 ４、前記基地材料で形成された前記切削片は円板の全体
   輪郭によって特色づけられていること全特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のカッター。 ５、前記基地材料で形成された前記切削片は三角形板形
   状の全体輪郭によって特色づけられていることを特徴と
   する特許請求の範囲第３項記載のカッター。 ６、前記基地材料で形成された前記切削片は矩形板形状
   の全体輪郭によって特色づけられていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第３項記載のカッター。 ７、前記真円柱ディスクは前記切削片内に配列されて置
   かれており、その配列は前記多結晶ダイヤモンドディス
   クのそれぞれが少なくとも１個の多結晶ダイヤモンドデ
   ィスクに極めて近接している密な形であることを特徴と
   する特許請求の範囲第３項記載のカッター。 ８、前記多結晶ダイヤモンドディスクは前記切削片内に
   これら多結晶ダイヤモンドディスクが隔てられている関
   係で配列されて置かれておシ、前記基地材料が各多結晶
   ダイヤモンドディスクの間にあること全特徴とする特許
   請求の範囲第３項記載のカッター。 ９、前記ダイヤモンド含有基地材料は前記切削片にわた
   って均一に分散されたダイヤモンド粒子金言有している
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のカッター
   。 １０、前記切削片は切削面によって特色づけられており
   、前記基地材料中に包含された前記ダイヤモンド粒子が
   前記切削片の前記切削面近く９部分のみにあることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のカッター。 １１、前記複数の多結晶ダイヤモンドディスクのそれぞ
   れは少なくともひとつの端面を有しかつ前記切削片は切
   削面によって特色づけられておシ、前記各多結晶ダイヤ
   モンドディスクの前記端面が前記切削面に完全に表出し
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のカ
   ッター。 １２、前記切削片はスタッドカッターに装着されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のカッター
   。 １３、前記切削片は基地本体歯肉に置かれていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のカッター。 １４、回転ビットのダイヤモンドカッターが、それぞれ
   に少なくともひとつの端面のある円形で、抽出され、前
   もって作られた人造多結晶ダイヤモンドディスクの複数
   個と、基地材料で形成された切削片とを含んでなシ、前
   記複数の多結晶ダイヤモンドディスクは前記切削片内に
   配置されかつ前記基地材料は前記複数の多結晶ダイヤモ
   ンドディスクの間を満たし、前記切削片は切削面によっ
   て特色づけられ、前記多結晶ダイヤモンドディスクの前
   記端面は前記切削面に完全に表出し、前記切削片を形成
   する前記基地材料は前記切削片の前記切削面近くの部分
   には少なくとも入れられたダイヤモンド粒子を含み、そ
   れで大きくされたダイヤモンドカッターが前記ビット内
   装着用に提供されることを特徴とする回転ビットのダイ
   ヤモンドカッター。 １５、前記切削片全形成する前記基地材料内に含有され
   た前記ダイヤモンド粒子は前記切削片全体にわたって実
   質的に均一に分散されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１４項記載のカッタ１６、前記切削片はその厚
   さが前記多結晶ダイヤモンドディスクの厚さに実質的に
   等しいことを特色づけられていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１５項記載のカッター。 １７、前記切削片は標準に合った形状をしておりそれで
   前記ダイヤモンドカッターは一体ダイヤモンドテーブル
   を構成することを特徴とする特許請求の範囲第１６項記
   載のカッター。 １８、前記切削片はスタッドカッターに接着されること
   を特徴とする特許請求の範囲第１７項記載のカッター。 １９、前記切削片は基地本体ビットの一体切削歯内に直
   接に浸入されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １７項記載のカッター。 ２０、前記円形多結晶ダイヤモンドディスクは前記切削
   片内に密な配列で置かれており、この配列で前記多結晶
   ダイヤモンドディスクのそれぞれは少なくとも１個の多
   結晶ダイヤモンドディスクに極めて近接していることを
   特徴とする特許請求の範囲第１７項記載のカッター。 ２１、前記複数の円形多結晶ダイヤモンドディスクは前
   記切削片内に隔てられている関係で配列されて置かれて
   おシ、前記切削片を形成する前記ダイヤモンド含有基地
   材料が隔てられた前記円形多結晶ダイヤモンドディスク
   の間にあることを特徴とする特許請求の範囲第１７項記
   載のカッター。