JPS6241778A - ダイヤモンド結晶―焼結炭化物複合多結晶体 - 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】 発明の分野 本発明は、切削、機械加工、ドリル加工等の作業におい
て使用の為のまたラッピングストップ、弁坐、ノズル等
のような摩耗表面としての使用の為の耐摩耗及び耐＠％
材料に関する。特には、本発明は、多結晶ダイヤモンド
及び焼結金属炭化物（超硬合金と一般に呼ばれている）
を超高圧力及び温度においてプレスして成るそうした材
料に関する。

本明細書において、「多結晶ダイヤモンド（ＣＰＣＤ）
と略称）」とは、個々のダイヤモンド結晶を結晶量結合
が起るよう超高圧力及び温度の下ＫＩＮ＜ことにより生
成される材料型式を言及せんとするものである。一般に
、触媒／バインダ物質が充分する結晶量結合を保証する
よう使用される。斯界では、この材料はまた「焼結ダイ
ヤモンド」と呼ばれることが多い。また、本明細書にお
いて、「予備焼結（ｐｒｅｃｅｙｎｅｎｔｅｄ　）炭化
物」とは、ＩＶＢ、ＶＢ或いは■Ｂ族金属のいずれかの
炭化均粒がプレスされそして加熱されて（Ｃｏ、Ｎｉ或
いはＦｅ及びその様々の合金のようかバインダの存在下
でのことが非常に多い）、稠密一体部片を生成するに際
して得られる材料型式を呼称するものである。予備焼結
炭化物のもつとも一般的なそして容易に入手しうる形態
はコバルトバインダを含有する炭化タングステンである
。これは通称超硬合金と呼ばれている。予備・焼結とは
、本発明において使用する時読に焼結された状態にある
ことを指す。

先行技術 幾つかの用途において、多結晶ダイヤモンドは単結晶ダ
イヤモンドを上回る特別の有益さを示した。特に、多結
晶ダイヤモンドＰＣＤは、単結晶ダイヤモンドより耐Ｓ
撃性に優れている。単結晶ダイヤモンドは、比較的低い
応力で結晶の破砕を惹起する恐れのあるその特定性開面
を有するだけでなく、弾性モジュラスがきわめて高いの
で、比較的低い衝撃耐性しか有しない。他方、無秩序に
配向された個々の結晶を集合して成る多結晶ダイヤモン
ドは、単結晶形態における初開面により生じる問題を軽
減する。しかしながら、多結晶ダイヤモンドもまだ尚、
その高い弾性モジュラスの故に衝撃耐性において比較的
乏しい。この低い衝撃耐性は、多くの用途において多結
晶ダイヤモンドが原子層の侵食からでなくマクロ及びミ
クロスケール双方で生じる破砕及び剥落ちから磨損する
が故に問題である。

多結晶ダイヤモンドが比較的脆いことは早くから認識さ
れており、従ってその結果として最初の市販多結晶ダイ
ヤモンド製品は米国特許第＆　７４５．６２３号に示さ
れるようにダイヤモンドＪ脅に直接結合された金属質畏
当て揖即ち基板を含んでいた。この「複合突筒め体」の
今日までのもつとも一般的形態は、プレスサイクル中高
圧及び高温によって炭化タングステンの予備焼結盤上に
直接多結晶ダイヤモンドの平面状盤を焼結せしめたもの
である。

ＰＣＤが単一の予備焼結炭化物体或いは類似の基板によ
り支持されるようなこの構成はまたＰＣＤの工具等への
取付けの為の有利さをも与えた。ダイヤモンドは比較的
不活性である。その結果、従来からのろう接技術を介し
て工具支持体或いは他の表面にＰＣＤを接合することは
不可能でないにせよ困難である。従って、ＰＣＤにろう
接を可能ならしめる金ｔａｇ当てを設けることは、ＰＣ
ＤＣＤ複合突体を工具支持体にろう接する為の好適な手
段を提供する。

残念ながら、上述のようにして生成された即ちＰＣＤ層
を単一の平面状基板に直接付設した複合突筒め体におい
て成る種の問題が見出される。

一つの問題は、ダイヤモンド層が炭化物基板により充分
に支持されうるような形態のものしか作製しえないとい
う多結晶ダイヤモンド工具の設計上の制約であった。形
態についての可能性を拡大するべく研究が為されたけれ
ども（予備焼結炭化物の芯体の周囲に多結晶ダイヤモン
ドの筒状体を成長せしめる米国特許第４，２１５，９９
９号を例えば参照されたい）、支持体用の予備焼結炭化
物の基板を提供することの必要性により、従来からの被
合突筒め体を使用しては実現困難な或いは不可能な多結
晶ダイヤモンド工具用途が認められた。

例えば、小形砥石車及びドリルのような、一つの直線に
関して対称であることを必要としそして作動表面が接線
方向の力を受けるような回転工具は工業的に生みだしえ
なかった。

また別の問題は、炭化物基板が多結晶ダイヤモンドより
高い熱膨張係数を有するが故に生ずる。

ダイヤモンド層と予備焼結炭化物基板との間の結合は、
両材料がｔ３００〜２．　ＯＯＯｏＣの範囲の温度にあ
る時に形成されるから、抱合突筒め体が冷えそして炭化
物基板がダイヤモンド以上に収縮するに際して応力が発
生する。ダイヤモンドｊ−は炭化物基板より弾性に乏し
いから、これら応力は、複合矢面め体の冷却期間中、ろ
う接中或いは使用中いずれかにおいてダイヤモンド層の
割れをもたらすことが多い。

ＰＣ’Ｄ突固め突筒支持或いは接合する為の基板の使用
におけるまた別の制約は、基板の組成が化学的に適合性
のあるものでなければならないという要件である。特に
、基板材料がダイヤモンドに対して或いは触媒／バイン
ダ材料に対して有害な反応を呈さないことが重要である
８例えば、釧或いは他の鉄基合金基板にＰＣＤを焼結す
ることは不可能ではないにしろ困難であった。これは、
鉄が溶はダイヤモンドのグラファイト化を触媒する傾向
が強いためである。これは、仙が焼結炭化物の場合より
も加工しやすく、またその他の点でも良好な基板材料た
りうる点で残念なことである。

鋼はまた、低い弾性モジュラスを有し従って砂岩ビット
等のような高い衝撃力と遭遇する幾つかの用途において
好ましい。鋼基板はまた、それらが簡単な締まりはめで
もって工具内に定着しやすくまた工具に溶接しやすい点
でも好ましい。

更に、多結晶ダイヤモンドの耐衝撃性の増加を予備焼結
炭化物支持体に依存する場合、ダイヤモンド層はダイヤ
モンドがその支持体からあまり隔たることのないよう比
較的薄いことが好ましい。

このダイヤモンド層の厚さの制約は当然に、使用下での
複合矢面め体の予測寿命及び多結晶ダイヤモンド工具に
対する設計両方を制約する。

６合突筒め体においてダイヤモンド層の厚さを制約した
また別の問題は、「ブリッジング」の問題により生ずる
。ブリッジングとは、微粉末が多数の方向からプレスさ
れる時に生じる現象を云う。

プレスされている粉末中の個々の粒子が集積しそしてア
ーチ或いは橋を形成する傾向があり、その為圧力の全量
がプレスされている粉末の中央部に達しないことが多い
ことが観察された。本発明者は、１ミクロンのダイヤモ
ンド粉末が０．０６インチ厚を越える多結晶ダイヤモン
ド体を作製するのに使用される時、部片の中央部の方の
多結晶ダイヤモンドは、外周部程良好に形成されていな
いのが普通であることを知見した。この状態はダイヤモ
ンド層の割れや欠けをもたらす恐れがある。

特願昭６０−７１６１４号において、上記問題を部分的
に軽減した、改善されたＰＣＤｎ合材料が記載された。

概説すれば、そこに開示された材料は、ダイヤモンド結
晶と予備焼結炭化物片の混合物を充分の熱及び圧力の下
でプレスして、焼結炭化物を分散せしめた多結晶ダイヤ
モンドマトリックス或いは多結晶ダイヤモンドを分散せ
しめた焼結炭化物マトリックスを形成してなるものであ
る。この複合ＰＣＤ／焼結炭化物材料は標準ＰＣＤを上
回る靭性な有することが見出され、掘削穿孔やセメント
の二引き等のよ５な高衝撃用途に対してその利用を魅力
的なものとする。

また、ＰＣＤへの予備焼結炭化物片の添加は焼結炭化物
裏当を備える複合矢面め体にとって、有益であることも
見出された。特に、熱膨張係数の差異により生じるＰＣ
Ｄ層と裏当てとの間の界面における応力は、ＰＣＤ層内
に分散される予備焼結炭化物片の存在がＰＣＤ層の熱膨
張性質を裏当てのそれに一層近いものとする傾向がある
ため、軽減される。

加えて、ＰＣＤへの予備焼結炭化物片の含入はブリッジ
ングにより生起される問題を軽減することが見出された
。特に、予備焼結炭化物片は認めうる程に圧縮されず、
それによりプレス用セル内での圧力分布を改善した。従
って、この新規な複合ＰＣＤ材料は従来よりもつと厚い
部片でも良好にプレスしえた。

分散焼結炭化物濃度が低い場合でもこの複合材料の耐摩
耗性は標準ＰＣＤより驚く程に高かったけれども、一般
に耐摩耗性は標準ＰＣＤのそれより劣る。予想されうる
ように、焼結炭化物の濃度が高い程、耐摩耗性は低くな
る。多くの用途において、増大せる靭性を実現する為に
ＰＣＤ体の耐摩耗性をある程度犠性にすることは容認さ
れうる。

しかし、耐摩耗性と衝撃耐性の両方の最適化を図ること
が本来所望されていることは確６・である。

マタ、ＰＣＤ製ベアリングのような成る種の摩耗部品用
途においては、ＰＣＤ部品の表面が一様な速度で摩耗し
うるよう均質であることが重要である。

発明の概要 本発明は、加工材と係合の為の、多結晶ダイヤモンドと
予備焼結炭化物とから成る複合体である。

本祈合体は、加工材と接触するに適応した露出表面を有
する第１層を具備している。この層は、多結晶ダイヤモ
ンド、即ちダイヤモンド結晶を隣りあうダイヤモンド結
晶が互いに結合するに充分の温度及び圧力の下でプレス
したものから成る。本初合体はまた、第一層に隣りあい
そして多結晶ダイヤモンドと予備焼結炭化物の混合物か
ら成る第２層を具備する。即ち、第２層は、隣りあうダ
イヤモンド結晶を互いにそしてまた予備焼結炭化物片に
結合せしめるに充分の熱及び圧力の下でプレスされたダ
イヤモンド結晶と予備焼結炭化物片の混合物層から成り
、それによりダイヤモンド結晶及び予備焼結炭化物片は
互いに分散される。予備焼結炭化物片或いはダイヤモン
ド結晶いずれかが仲介材料に対するマトリックスを構成
する。

本発明の一具体例に従えば、第１層はまた予備焼結炭化
物をも含むが、但し第２層より低い濃度とされる。即ち
、第１層におけるＰＣＤの容積チは、第２層におけるＰ
ＣＤの容積チより大きい。

本発明の別の具体例に従えば、第３層が複合体に付加さ
れる。この第３層は第２層に隣りあいそしてＰＣＤと予
備焼結炭化物から成り、第２層におけるより低いダイヤ
モンド濃度を有している。

本発明の更に別の具体例に従えば、ＰＣＤの容ｆｊｔ、
％は２つの層の各々を通して一様で々い。第１層におい
ては、ＰＣＤの容積係は鱈出即ち作動（作用）表面にお
いて測定する時最大（もっとも好ましくは１００％）で
ありそして第２層との界面に向けて漸減する。同じく、
第２層においても、ＰＣＤの容積チは第１層との界面に
おいて最大でありそして界面から離れるに従い減少する
。もつとも好ましい形態において、２つの層間の境界は
区別されない。即ち、各層のダイヤモンドの容積チとダ
イヤモンド濃度の変化様相は、界面における第１層のダ
イヤモンドの容８％が界面における第２層のダイヤモン
ドの容積チよりごく僅か高いか或いは同等であるよう選
択される。結果的に、この具体例は、ダイヤモンドの容
積チが露出表面から離れる方向に減少していくよりな唯
一つの多結晶層を有するものとして定義されうる。別様
には、これは、露出層が最大ダイヤモンド容積チを有し
そして残りの層が各々ダイヤモンド濃度を僅かに減少し
２ていくものとしての複数の薄層な有するものとして定
義づけも可能である。

本発明の更に別の具体例に従えば、複合体は２つ以上の
明確１層から構成される。この場合、各層は比較的一様
なダイヤモンド容積チを有し、露出層が最大限とされる
。

更に別の態様において、複合体はまた基板をも包含する
。こうした基板は、焼結炭化物、鋼、或いは他の金属質
、セラミック或いはサーメット材料として構成しうる。

一つの好ましい具体例において、基板は焼結炭化タング
ステンから成る。別の好ましい具体例において、基板は
、鋼或いは別の鉄基金属から成りそして複合体は更に基
板とＰＣＤ含有最近接層との間に配置される予備焼結炭
化物障壁層を包含する。

更に別の具体例に従えば、加工材と係合の為の露出表面
を呈する層は２つのＰＣＤ／炭化物複合材料の間に狭ま
れる。この特定例は、切削縁刃が中間層から突出しそし
て２つの袂合材料の側層がドリル軸へのスペードドリン
挿人体の取付けを支持しモして容易々らしめるようなス
ペードドリル用の挿入体といった用途に有用である。

図面を参照すると、第１図は、多結晶ダイヤモンド層１
２とそれを支持する焼結炭化物裏当て即ち基板１１から
構成される先行技術の複合突筒め体１０を例示する。例
えば米国特許第’５，７４５，６２５号を参照されたい
。ダイヤモンド、１ｉ１１２は、個々のダイヤモンド結
晶を結晶量結合をもたらすに充分の熱及び圧力の下で処
理してなる。焼結炭化物裏当て１１は、ダイヤモンド層
１２に界面１３において緊密に結合される。プレスサイ
クル中２つの層１１．１２の間の界面１３において強固
力化学的結合が形成されている。焼結炭化物裏車て１１
がダイヤモンド層１２より多く収縮する為に、ダイヤモ
ンド層内に早期割れをもたらす恐れのある残留応力が２
つの層間に惹起される。

第２図は、本発明の複合多結晶ダイヤモンド体を製造す
るのに使用されうるプレス用ユニット２０の断面を示す
。プレス用ユニット２０は、筒状でありそして米国特許
第４９１３．２８０号（キュービックプレスにおいて使
用の為）或いは米国特許第３．７４５，６２３号（ベル
ト型プレスにおいて使用の為）に記載されるもののよう
な超高圧力及び温間セルの中央空洞内に嵌まるよう設計
されている。プレス用ユニット２０は中空管１４を含み
、その上下にディスクｉ５，１６が置かれる。

’ｇＷ’　ｉ　４並びにディスク１５及び１６は、可塑
性圧力伝達媒体とし７て機能しそして好まし２くはプレ
スされたＮａＣ１から成る。但し、メルク或いは六方晶
２化硼素もまた使用されうる。

管１４内には、やはり筒状でありそして底端において閉
成される保穫金属包囲体１７が配置される。この包囲体
１７は好ましくは高い融点の故にモリブデン製とされる
が、ジルコニウム或いはタンタルのような他の金属もま
た良好に使用し５る。

通常包囲体１７と同じ金属から成るディスク１８が包囲
体１７の上端に蓋として置かれる。

基板２１が包囲体１７の底部に置かれる。この基板は好
ましい具体例ではコバルトバインダを使用した焼結炭化
タングステン（所謂超硬合金）から成る。この組成の基
板は、多結晶ダイヤモンドを形成するのに使用される触
媒／バインダ系の多くと化学的に適合しうろことが判明
した。また、他の金属、セラミック或いはサーメットか
ら成る基板も使用しうる。例えば、鋼その他の鉄基合金
が使用しうる。しかし、ＰＣＤを生成するのに使用され
る触媒／バインダ系と化学的に反応性の或いはその他の
点で不適合な鋼その他の材料を使用する時、基板とダイ
ヤモンドとの間に障壁として機能する追加層を含めるこ
とが所望される。予備焼結炭化物片から成る層がこの役
目をなすものとして好首尾に使用された。基板２１は生
成される突固め体に対して支持作用をなしうる。また、
基板２１は突固め体を工具に接合するのに使用されうる
。

基板２１に隣りあって、予備焼結炭化物片２２とダイヤ
モンド結晶２３並びに多結晶ダイヤモンドの形成の為の
触媒／バインダ材料の混合物から成る遷移層２４が配置
される。この混合物は、予備焼結炭化物片２２をダイヤ
モンド結晶２３及び適当な触媒／バインダ材料と共にボ
ールミル処理することにより生成されうる。この粉砕混
合物が金属保四体１７内に基板２１上に注入される。こ
の好ましい具体例において、ダイヤモンド結晶２５と予
備焼結炭化物片２２の比率は、炭化物片がこの遷移層の
約６０容積係を占めるものとして表すことが出来る。す
なわち、ダイヤモンドがその触媒／バインダと共に約４
０容１′＊チを占める。

予備焼結炭化物片２２は、コバルトバインダを使用する
焼結炭化タングステンから成る。現在の所、化学的適合
性の理由により、予備焼結炭化物片２２がバインダ相を
含めて基板２１と同じ組成を有するものとすることが好
ましい。しかし、炭化物片２２の弾性モジュラスを基板
２１のそれとは異った性質を持たせるようにする為予備
焼結炭化物片におけるバインダ含景を変えることもまた
所望されよう。同じく、２つ以上の遷移層を有する別の
具体例では、予備焼結炭化物片肉のバインダ含量或いは
炭化タングステン粒寸が同じ結果を達成する為ＫＮ毎に
変更されうる。

予備焼結炭化物片２２の寸法と形状は様々の結果を実現
するべく様々に変更されうる。形状は規則的な場合も、
不規則的な場合もありうる。予備焼結炭化物片のもつと
も経済的な源が粉砕グリッド或いは火炎噴射予備焼結グ
リッドであることからして、不規則形状の片が現在の所
好ましい。便宜上及び明示上、炭化物片２２０寸法は図
面には誇張して示されている。実際上、それらは拡大な
しでは見えない程小さいものであることが好ましい。特
に、−３２５メツシユ（米国篩基準）の粒寸が好ましい
。加えて、炭化物片がダイヤモンド対ダイヤモンド結合
の形成を妨げる程度を軽減する為にダイヤモンド結晶よ
り充分に犬きガ炭化物片を使用することが好まし２いよ
うに思われる。

使用されるダイヤモンド結晶２５０寸法もまた、特定の
用途の必要性に合うよう周知の手段により変化されうる
。好まｌ、２い具体例では、１〜１００ミクロンの、も
つとも好ましくは４〜１２ミクロンのダイヤモンド混合
物が使用される。ＰＣＤの形成の為の様々の触媒／バイ
ンダ物質が斯界でよく知られている。この好まＬ７い具
体例においては、コバルト粉末から成りそＩ２てダイヤ
モンド−コバルト混合物（ハ塙合１対１０容積比におい
て存在する）Ｍ　４！ｉＪ　／バ・インダがダイヤモン
ド結晶と混合されて）。

別（大には１．′：の１−２４においてダイヤモンド結
晶を互いに結・１）する為の触媒は予備焼結炭化物片中
に存在するバインダから部分的に或いは全面的に誘導さ
れうる。換害すれば、予備焼結炭化物片２２中σ）コバ
ルトその他のバインダがプレスサイクル中グイヤ壬ンド
結晶２５に対する触媒／バインダど［２，て作用するに
充分の量において予備焼結炭化物片から取込まれうる。

上記混合物に隣りあって、成る量のダイヤモンド結晶と
適当な触媒／バインダ材料、好ましくは遷移層における
のと同一の触媒／バインダ材料とから成る別の層２５が
置かれる。やはり、この層２５における触媒／バインダ
は、部分的に或いは全面的に予備焼結炭化物片２２から
移入するバインダから供給されさる。この層２５は、包
囲体１７内に遷移層２４上に注入すればよい。この層２
５は、生成する複合突筒め体の賞出表面即ち作動（用）
表面を形成する。

この具体例において、ダイヤモンド結晶は遷移層におけ
るのと同等の寸法のものの混合物として存在する。１７
かし５、この層は最終製品の作動表面を含んでいるので
、特定用途に合うようダイヤモンド粒寸を変えることも
所望されよう。例えば、精密研削、ワイヤ引抜き等のよ
うな用途の為に霧出表面の仕上り度を改善する為に０〜
５ミ、クロンのような微細なダイヤモンド結晶を使用す
ることが好まれよう。更に、最小ダイヤモンド結晶から
成シ）土層？備えで２層ノー】Ｊ、上のダイヤモンド結
晶層を浩めることか所望される場合もある、。

第６図は、本発明（（従−）て作製さねた複合体へ００
斜視図である。切削、研削、粉砕、機械加工並びにべ”
アリングのよう外厳し７い耐摩耗性及び耐衝撃性を必そ
とするその他の用途向けに適当な複合体３０は、基板５
１を含Ｘ７でいる。ここに示される基板し」、コバルト
をバインダとした炭化タングステンの焼結盤から成る。

上述１．たように、基板３１として他の材料も使用可能
である。幾つかの用途において、基板５１は工具ホＡ・
ダ或いは他の支持体にろう接される。

基＆へ１に−すぐ隣りあって、遷移層３４が存在する。

遷移層５４は、多結晶ダイヤモンド５７と予備焼結炭化
物片６６（好まり、＜は例示よりはるかに小さい）の一
体結合混合物から成る。詳り、　＜は、追移層３４は、
ダイヤモンド結晶と触媒／バインダ材料及び予備焼結炭
化物片の混合物を隣りあうダイヤモンド結晶を互いにま
た予備焼結炭化物片に結合せしめるに充分の熱及び圧力
の下でブレス１、て構成きれる。遷移層３４はまた、プ
レス後多結晶組織中に残った残留触媒／バインダ材料を
含んでいる。（移層３４）Ｃおける多結晶ダイヤモンド
の回度（僅かの穿孔及び残留触媒／バインダを含む）は
２０〜６０％、もつとも好ましくは４０ヂ前後である。

しか［８７、前記出願に８議した様々の理由のために、
この濃度は特定用途に合うよう上下に調節されうる。

９１移層′５４に隣りあって、縛出表面即ち作動表面（
作用表面）３９を含む上層（図示されるものと１〜て）
３５が存在する。この。上層３５は多結晶ダイヤモンド
３８から成る。詳しくは、多結晶ダイヤモンド５８は、
ダイヤモンド結晶と触媒／バインダ材料を隣りあうダイ
ヤモンド結晶を互いに結合せしめるに充分の熱及び圧力
の下でプレスすることから形成される。好ましくは、触
媒／バインダ材料はコバルト粉末であり、そしてこの上
層及び遷移層中にダイヤモンドに対して１対１０容積比
で存在する。別様には、この上層に対する触媒／バイン
ダは部分的に或いは全面的に遷移層から移入するバイン
ダから得られる。

第４図は、第３図の４−４線に沿う断面図である。遷移
層３４は界面３２において基板３１と面している。上述
したように、代表的な先行技術の複合突固め体において
、基板とＰＣＤ層との界面は熱膨張差により生じる応力
の故に構造体における弱点となる可能性があった。しか
し、本発明の遷移層３４を使用すれば、遷移層が全体と
して焼結炭化物基板５１と多結晶ダイヤモンド層３５と
の中間の熱膨張特性を有しているという事実により熱膨
張問題が軽減される。即ち、突固め体３０のプレス後の
冷却段階中、遷移層はＰＣＤＣＤ層上５大きく収縮する
が基板３１よりは収縮度は小さい。その結果、複合突固
め体への歪みは特に界面３２において大巾に減少する。

これは重要な利点である。本発明者の経験において、先
行技術の突固め体において焼結炭化物基板とＰＣＤ層と
の間の収縮速度の差異はＰＣＤ層中にり２ツクを発生せ
しめ、３０％にものぼる高い不甲格率をもたらした。こ
れとは対照的に、本発明に従５遷移層を備えて作製され
た複合突固め体のバッチは５チ以下のクラック発生によ
る不甲格率しか示さなかった。

第４図はまた、本発明の別の利点を示している。

図示されるように、基板３１と遷移層３４との間の界面
３２において、基板３１に隣接して多数の予備焼結炭化
物片３６が存在している。プレスサイクル中、これら隣
接炭化物片は基板３１に焼付く。その結果、炭化物基板
−ダイヤモンド界面は非平面状となる。斯くして、両者
間の潜在応力は更に減少する。

本発明のまた別の重要な利点は、１００チＰＣＤの作動
表面を保持したまま複合ＰＣＤ／炭化物材料の利益を実
現することを可能ならしめたという事実である。これは
、最大摩耗耐性を最大限に維持しつつ先行技術のＰＣＤ
突固突筒の問題の幾つかを軽減するので有利である。１
００％ＰＣＤ作動表面は均質な狭面がもつとも所望され
るベアリングのような用途において特に重要である。

第５図は、本発明の別の具体例に従って作製された複合
突固め体５０の断面である。特に、この具体例は、２つ
の明確に区別しうる多結晶ダイヤモンド層を有さずに、
ＰＣＤ５４と予備焼結炭化物５５との混合物から成る単
一の多結晶ダイヤモンド＃５５を具備している。ＰＣＤ
濃度は露出表面即ち作動表面５９において最大である。

好ましくは、ＰＣＤ５４の濃度はここで示すように１０
０容積チ（残留触媒／バインダ材料含めて）である。

ＰＣＤ５４の濃度は、露出表面から離れて基板５１との
界面５２に向う方向に成る勾配において漸減する。逆に
言うと、予備焼結炭化物の容積チが同方向に増加する。

より好ましくは、ＰＣＤ５４の容積チは界面５２におい
て０チ乃至その近傍とされる。

別様には、この具体例は、各々が露出表面５９を含む層
から離れるに従いＰＣＤ濃度を減少するような幾つかの
薄い層を集合したものとしても定義しうる。実際上、こ
れがこの具体例を実現する為のもつとも容易な方法であ
る。即ち、この濃度勾配は、プレス用セル内に多結晶ダ
イヤモンド濃度が増大する幾つかの薄い層を順次置くこ
とにより生成され、最終的に？ｌｌＦ勾配型突固め突筒
０が作製される。

濃度勾配型突筒め体５０を生成するまた別の方法は、プ
レス用セルへのダイヤそンド及び予備焼結炭化物片の添
加割合を注意深く制御しつつ変化づけることである。ま
た別の方法は、ダイヤモンドと予備焼結炭化物混合物の
注意深く制御された遠心作用の利用である。この遠心方
法は、プレスに先立って容易に除去されうるアセトンの
ような分散媒体を必要としよう。

第６図は、本発明のまた別の具体例に従って作製された
、ローラコーン砂岩ビットにおいての使用に適した挿入
体６０の断面図である。この挿入体６０は基体即ち挿入
体胴体６１を含んでいる。

好ましい具体例では、胴体６１は鋼製である。鋼の方が
焼結炭化物より好ましい。理由は、鋼の方が作製容易で
あり、溶接により接合できそしてより低い弾性モジュラ
スを有し、それにより挿入体を一層耐衝撃性となしまた
ビット内に締まりばめによって好適に取付は可能とする
からである。周知の技術によって、胴体６１はローラコ
ーン砂岩ビットの特定切削構造体において使用するに好
適であるよう適正に賦形される。

胴体６１にすぐ隣りあって障壁６２が存在する。

この場合、障壁層は予備焼結炭化物グリッドをプレスサ
イクル生瓦いに溶接せしめて構成される。

この障壁層は多結晶ダイヤモンドと鋼とを分離するとい
う重要な作用を果す。これは、鋼からの鉄元素が溶けそ
れによりダイヤモンドのグラファイト化を触媒する強い
傾向の故に必要とされる。この結果はまた別には、プレ
スサイクル生麩がダイヤモンドと接触状態になるなら起
ろう。ＰＣＤが鋼に隣接して存在すると使用中遭遇する
グラファイト化を生みやすいので、突固め体の使用中鋼
を多結晶ダイヤモンドから隔離状態に維持することも同
じく重要である。

ＣＢＮが溶融鉄基合金に低い溶解度しか持たないことが
知られているから、炭素拡散に対する障壁として多結晶
ＣＢＮ（プレスサイクル中焼結された）遷移層を組込ん
だ別の具体例も所望されよう。

この分離作用は第５図に示されるような多結晶層によっ
て同じく果されよう。即ち、もし予備焼結炭化物片の勾
配浸度が基板と接触する前に１００チに達したなら、基
板として鋼、別の鉄基合金或いは別の不適合材料の使用
が可能である。

次いで、遷移層６３が障壁層６２にすぐ隣りあって設け
られる。遷移層は、予備焼結炭化物片とダイヤモンド結
晶の混合物を両者の相互分散マトリックスを生成するに
充分の熱及び圧力においてプレスして構成される。好ま
しくは、この遷移層は約４０容積チＰＣＤを含む。

遷移層６５にすぐ隣りあって、作動ｆｇ４６４が設けら
れる。この層６４は切削或いは粉砕されるべき岩盤と実
際に接触することになる作動表面６５を含んでいる。こ
の層６４は遷移層におけるのとはまた別の予備焼結炭化
物−ＰＣＤ混合物から成る。しかし、この層においては
、ＰＣＤは一層高い容積チ、好ましくは６０％にある。

岩盤ドリル作業における挿入体にかかる激しい衝撃力の
故に、作動層に予備焼結炭化物片を含めることが好まし
いと考えられる。炭化物濃度の高い遷移層が高い衝撃力
に耐える挿入体の能力を改善する点で有益であることが
見出された。

これら層６２．６３及び６４をプレスに先立って胴体６
１に適用する為には、プレスの為これら層を然るべく保
持するべくパラフィンのような一時結合剤を微量使用す
ることが必要となるかもしれない。しかし、そうした一
時結合剤を使用せずともこれら混合物は成る程度まで然
るべく付着しそしてとどまっていることが認められた。

これは恐らくコバルト粉末触媒／バインダの存在による
か或いは粉末の微細さによるものと思われる。

実施例１ 上述したようにして、プレス用ユニットの底に焼結炭化
物基板を置いた。この基板は、コバルトバインダを全体
の１４重ｔ％用いた炭化タングステンの予備焼結盤とし
た。この盤はタングステンカーバイドマニアアクチャリ
ング社からコード屑６１４として得た。

ダイヤモンド結晶、触媒／バインダ材料及び予備焼結炭
化物片の混合物を、ダイヤモンド、コバルト粉末及び予
備焼結炭化タングステングリッド片を炭化タングステン
内張りボールミル内で完全にミリング（粉砕混合）処理
することによって得た。生成混合物は、４〜８ミクロン
において６５チそしてＣＬ５〜１ミクロンにおいて３５
ｔｓのダイヤモンド粒寸を有した。コバルト粉末の形で
の触媒／バインダはダイヤモンドコバルト混合物の１３
重ｉｔｓとして含めた。予備焼結炭化物片は３０ミクロ
ンの平均寸法と１１％のコバルトバインダ含有量を有し
た。予備焼結炭化物片はこの混合物の６０容積チを占め
た。

この混合物を浄化されそして８００℃において水素ガス
と真空で交互に処理することによって還元した。１４　
ｍＮのこの混合物層を基板の上面に注入して、遷移層と
した。

次いで、ダイヤモンド結晶及びコバルト粉末の混合物（
粒寸及びコバルト含有量は遷移層におけるの（同様）を
遷移層上に注いだ。この上層もまた０、４Ｎ厚とした。

プレス用セルをキュービックプレス機のアノビル間に置
きそして約６０Ｋｂａｒにまで加圧しそして約１４５０
℃に約２分加熱した。その後、圧力及び温度を減じそし
てセルを冷却せしめた。

回収した突固め体は、クラック発生の兆候を全く示さな
かった。回転している花崗岩丸材に押しつけての摩耗試
験において、この突固め体は標準ＰＣＤ突固突筒と同様
の耐摩耗性を示した。

実施例２ 上層にその４０容積チの量において予備焼結炭化物片を
含めた点を除いて、例１と同様にして突固め体を作製し
た。回収した突固め体はクラック発生の兆候を全く示さ
なかった。

実施例５ 鋼基板の上に４層を形成したことを除いて例１と同様に
して突固め体を作製した。詳しくは、予備焼結炭化タン
グステングリッドから成る（即ち１００％）ＣＬ２５ｍ
厚の層を鋼基板上に置いた。

次いで、６０容積チ予備焼結炭化タングステングリツド
と４０容積チダイヤモンド結晶及びコバルトバインダか
ら成る同様の厚さの層をセル内に置いた。その上に、４
０容積チ予備焼結炭化タングステングリツドと６０容積
チダイヤモンド及びそのコバルトバインダから成る０−
２５ｍ厚の層を形成した。最後に１００容積チダイヤモ
ンド及びそのコバルトバインダから成る上層を付加した
。回収された突固め体はクラック発生の兆候を全く示さ
なかった。加えて、鋼基板の使用によるマイナスの影響
は見られなかった。

例示した具体例はすべて基板を含めたけれども、こうし
た基板を必要としない、本発明ＰＣＤＣＤ複合突体に対
する多くの用途が存在する。実際上、本発明は炭化物含
有遷移層が支持体に直接ろう接されうるという利点を提
供する。即ち、複合材料中の炭化物片にろうが付着しう
るから、遷移層に直接ろ５接することが可能である。

例示具体例はすべては突固め体の主面を構成する作動表
面を示したけれども、突固め体の副次的な面を作動面と
することも可能である。例えば、スペードドリル用挿入
体を作製する際、高濃度のＰＣＤから成る切削層はその
２つの主側面においてもつと低いＰＣＤｅ度を持つ複合
体層によって側面を囲われる。切削層は側面層を越えて
突出しそしてそれらにより支持される。加えて、側面層
はスペードドリル挿入体をドリル軸内に取付けるのを容
易ならしめるのに使用出来る。

本発明の範囲内で多くの改変が為しうろことを銘記され
たい。

第１図は先行技術の複合突固め体の一例の斜視図である
。

第２図は、本発明の複合体作製に使用されるプレス用セ
ルの断面図である。

第５図は、本発明の一具体例の斜視図である。

第４図は第５図の４−４線に沿う断面図である。

第５図は、ダイヤモンド容積チが霧出面から離れる方向
に減少する、本発明のまた別の具体例の断面図である。

第６図は、本発明のまた別の具体例に従って作製された
ローラコーン砂岩ビット用の挿入体の断面図である。

１０：従来技術の複合突固め体 １１：基板 １２：ダイヤモンド層 １５：界面 ２０ニブレス用ユ；ット ２１：基板 ２２：予備焼結炭化物片 ２５：ダイヤモンド結晶 ２４：遷移層 ２５：上層 ３１：基板 ６４：遷移層 ３５：上層 ３９：作動表面 ３６：予備焼結炭化物片 ３７：ダイヤモンド ５８：多結晶ダイヤモンド

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）加工材と接触する少くとも１つの露出表面を備え、
   そしてダイヤモンド結晶を、隣りあうダイヤモンド結晶
   が互いに結合された多結晶ダイヤモンドを生成するに充
   分の温度及び圧力の下でプレスして成る第１層と、 前記第１層と界面において接合され、そしてダイヤモン
   ド結晶と予備焼結炭化物片との混合物を、隣りあうダイ
   ヤモンド結晶が互いに結合して多結晶ダイヤモンドを生
   成すると共に予備焼結炭化物片と結合した複合多結晶材
   料を生成するに充分の温度及び圧力の下でプレスして成
   りそして多結晶ダイヤモンドと予備焼結炭化物片とが互
   いに相互分散している第２層と を備える加工材係合用複合多結晶体。 ２）複合多結晶体を支持する為の基板を備える特許請求
   の範囲第１項記載の複合多結晶体。 ３）基板が焼結炭化物から成る特許請求の範囲第２項記
   載の複合多結晶体。 ４）基板が鋼から成る特許請求の範囲第２項記載の複合
   多結晶体。 ５）第２層における多結晶ダイヤモンドの総容積が２０
   〜８０％の範囲にある特許請求の範囲第１項記載の複合
   多結晶体。 ６）第２層における多結晶ダイヤモンドの総容積が３５
   〜４５％の範囲にある特許請求の範囲第１項記載の複合
   多結晶体。 ７）多結晶ダイヤモンドの容積％が第２層において変化
   しそして界面から離れる方向にある勾配に沿つて全体的
   に減少する特許請求の範囲第１項記載の複合多結晶体。 ８）加工材と接触する少くとも１つの露出表面を備え、
   そしてダイヤモンド結晶と予備焼結炭化物片の第１混合
   物を、隣りあうダイヤモンド結晶が互いに結合して多結
   晶ダイヤモンドを生成すると共に予備焼結炭化物片と結
   合した複合多結晶材料を生成するに充分の温度及び圧力
   の下でプレスして成りそして多結晶ダイヤモンドと予備
   焼結炭化物片が互いに相互分散している第１層と、 前記第１層と界面において接合され、そしてダイヤモン
   ド結晶と予備焼結炭化物片の第２混合物を、隣りあうダ
   イヤモンド結晶が互いに結合して多結晶ダイヤモンドを
   生成すると共に予備焼結炭化物片と結合した複合多結晶
   材料を生成するに充分の温度及び圧力の下でプレスして
   成りそして多結晶ダイヤモンドと予備焼結炭化物片が互
   いに相互分散している第２層と を備え、前記第１層が第２層より高い容積％の多結晶ダ
   イヤモンドを有していることを特徴とする加工材係合用
   複合多結晶体。 ９）複合多結晶体を支持する為の基板を備える特許請求
   の範囲第８項記載の複合多結晶体。 １０）基板が焼結炭化物から成る特許請求の範囲第９項
   記載の複合多結晶体。 １１）基板が鋼から成る特許請求の範囲第９項記載の複
   合多結晶体。 １２）第１層における多結晶ダイヤモンドの総容積が７
   ０〜９８％の範囲にある特許請求の範囲第８項記載の複
   合多結晶体。 １３）第２層における多結晶ダイヤモンドの総容積が２
   〜７０％の範囲にある特許請求の範囲第８項記載の複合
   多結晶体。 １４）多結晶ダイヤモンドの容積５が第１層全体を通し
   て比較的一様である特許請求の範囲第８項記載の複合多
   結晶体。 １５）多結晶ダイヤモンドの容積％が第２層全体を通し
   て比較的一様である特許請求の範囲第８項記載の複合多
   結晶体。 １６）多結晶ダイヤモンドの容積％が第１層において変
   化しそして露出表面から離れて界面に向う方向において
   ある勾配に沿つて全体的に減少する特許請求の範囲第８
   項記載の複合多結晶体。 １７）多結晶ダイヤモンドの容積％が第２層において変
   化しそして界面に向う方向に全体的に増大する特許請求
   の範囲第１６項記載の複合多結晶体。 １８）ダイヤモンド結晶と予備焼結炭化物片との混合物
   を加工材と接触するに適した露出表面を備えた複合多結
   晶体を生成するに充分の温度及び圧力の下でプレスして
   成り、そして隣りあうダイヤモンド結晶が互いに結合し
   て多結晶ダイヤモンドを生成すると共に予備焼結炭化物
   片と結合し、そしてダイヤモンド結晶と予備焼結炭化物
   片が互いに相互分散しており且つ多結晶ダイヤモンドの
   容積％が露出表面から離れる方向にある勾配に沿つて全
   体的に減少することを特徴とする複合多結晶体。 １９）複合多結晶体を支持する為の基板を備える特許請
   求の範囲第１８項記載の複合多結晶体。 ２０）基板が焼結炭化物から成る特許請求の範囲第１９
   項記載の複合多結晶体。 ２１）基板が鋼から成る特許請求の範囲第１９項記載の
   複合多結晶体。 ２２）多結晶ダイヤモンドの総容積が２０〜８０％の範
   囲にある特許請求の範囲第１８項記載の複合多結晶体。 ２３）多結晶ダイヤモンドの総容積が４０〜５０％の範
   囲にある特許請求の範囲第１８項記載の複合多結晶体。 ２４）露出表面における多結晶ダイヤモンドの容積チが
   ９０〜１００％である特許請求の範囲第１８項記載の複
   合多結晶体。