JPWO2017130283A1 - ダイヤモンド超硬複合材料 - Google Patents
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Abstract
ダイヤモンド粒子を超硬合金中に分散させた複合材料において、研削性、耐摩耗性を保持しながら、単純にダイヤモンド粒子を大きくして研削力をさらに向上させることは難しい。従来のダイヤモンド粒子の代わりに、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする超硬合金を核とし、ＷＣを主成分として燐（Ｐ）を含有する鉄族金属を結合材として、ダイヤモンド粒子を超硬合金核の表面を被覆するように固着させたダイヤモンド集合体を、ＷＣを主成分としてＰを含有する鉄族金属を含む超硬合金組織中に分散させたダイヤモンド超硬複合材料を提供する。
Description
本発明はダイヤモンド粒子を表面に付着させた超硬質粒子を含有する緻密で高硬度なダイヤモンド超硬複合材料及びその製造方法に関係する。
石油、天然ガス、地熱などのエネルギー開発に用いる掘削用ビットには、岩石を掘削するだけでなく、掘削した穴径を保持する特性が必要となる。図１に典型的な掘削用ビット（トリコンビット）の断面略図を示す（ビット１：３個あるビットの一つ）。例えば、掘削した穴の側壁とビットが接触する箇所（ゲージ部）２が岩石との摩擦で摩耗すると掘削穴は先細りになり、ビット交換した後の次のビットも側壁を再度掘削しなければならなくなる。従ってビットが激しく損傷するだけでなく、側壁の掘削により多くの時間がかかってしまうという問題がある。一方でビットの取り換えには膨大な費用を要するため、ビットの長寿命化も強く求められている。このため、掘削用ビットのゲージ部の耐摩耗性を向上させるべく、高価なダイヤモンド（人工、天然）を含めた、あらゆる耐摩耗性の材料が検討されている。
硬岩掘削時に最もよく用いられている多結晶ダイヤモンド焼結体（人工ダイヤモンド）（ＰＤＣ；Polycrystalline Diamond Compact）は最高の硬さと耐摩耗性を備えているが、岩石を削り取っていく研削性はない。ＰＤＣチップをゲージ部に適用したビットでは、ゲージ摩耗は強化されるが、研削性がないために、側壁からのビットに対する面圧８が増加する。その圧力はビットの構造上、ベアリング部３に影響を及ぼし、掘削ビットの寿命を短くする原因となる。ゲージ部２に掘削性を持たせるために、チップを頭出しして（１ｍｍ程度ゲージ面から突出させて）側壁を砕き落とす方法が適用されているが、カッターの回転により軸部に振動が発生し、シール部４への土砂の噛み込みが助長され、その土砂によりベアリング部が摩耗し、最終的に回転不良を引き起こす原因となる。
この問題を解決するためには、ゲージ部２のチップに、硬岩石を削り取るような研削性を持たせればよい。これを目的として、本願の発明者等は、超硬合金中にダイヤモンド粒子を分散して、耐摩耗性と研削性を併せ持った複合材料で形成されたチップを開発した（特許文献１）。このチップをビットゲージ部に適用することで、ゲージが岩石との摩擦で摩耗することによる掘削抗の先細りを防ぐだけでなく、側壁を研削して面圧８を減少させることでベアリング部を保護し、掘削ビットの長寿命化に貢献することができる。また、側壁を研削できるので、チップ頭出しを行う必要もなく、振動によるシールへの土砂噛み込みを減少させ、結果として掘削ビットの長寿命化に貢献することができる。
上記ダイヤモンド複合材料の研削力はダイヤモンド粒子の大きさに比例する。ダイヤモンド粒子が大きいとチップ表面からの突出量が大きくなり、岩石に食い込む面積が大きくなるためである。一方で、ダイヤモンド粒子の大きさの増加とともにダイヤモンドに対する応力と衝撃値は増加するが、ダイヤモンドの靭性が本来低いために、ダイヤモンド自体が欠損し破壊されやすくなる。製造上においても、ダイヤモンド粒子と超硬粉末との比重差が大きいため、ダイヤモンド粒子が大きくなると、超硬合金内に均等に分散させて複合材料を形成することが困難となる。これらの理由から、特許文献１のダイヤモンド複合材料において、研削性、耐摩耗性を保持しながら、単純にダイヤモンド粒子を大きくすることは難しく、この方法で研削性をさらに向上させることは困難である。
本発明の目的は、特許文献１のダイヤモンド粒子の代わりに、超硬合金を核としてその周囲を小さいダイヤモンド粒子で包囲したダイヤモンド集合体を提供することである。さらに本発明の目的は、超硬合金中にダイヤモンド粒子を分散させた特許文献１のダイヤモンド複合材料のダイヤモンド粒子の代わりにこのダイヤモンド集合体を用いることにより、研削性をさらに強化したダイヤモンド超硬複合材料を提供することにある。
本発明の別の目的は、ダイヤモンド粒子等の超硬質粒子表面の炭化を防ぐために、焼結温度を低温にする事が可能なダイヤモンド超硬複合材料、及びその製造方法を提供することにある。
本発明によるダイヤモンド超硬複合材料は、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする超硬合金の粒子を核とし、ＷＣを主成分として燐（Ｐ）を含有する鉄族金属を結合材として前記核の周囲にダイヤモンド粒子を固着させたダイヤモンド集合体を含み、複数の前記ダイヤモンド集合体が、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分として燐（Ｐ）を含有する鉄族金属を含む超硬合金組織中に分散されている。
好ましくは、前記ダイヤモンド粒子の粒径は５μｍ〜５００μｍである。
本発明は、さらに前記ダイヤモンド集合体の製造方法を提供する。該製造方法は、核となるＷＣを主成分とする超硬合金の粒子の表面に粘着材を塗布する工程と、ダイヤモンド粒子を、ＷＣを主成分としてＰを含有する鉄族金属からなる結合材と混合して前記核の周囲に付着させる工程と、真空中で加熱して前記ダイヤモンド粒子を前記核の周囲に固着させる工程とを含む。
本発明は、さらに前記ダイヤモンド超硬複合材料の製造方法を提供する。該製造方法は、前記ダイヤモンド集合体と、炭化タングステンＷＣを主成分としてＰを含有する鉄族金属を含む超硬合金とを混合する工程と、該混合物を型に投入して予備プレスを行う工程と、それに続いて高真空下で昇温した後ホットプレスする工程とを含む。
本発明では、前記ダイヤモンド粒子の代わりにｃＢＮの粒子を用いてもよい。
本発明は、特許文献１のダイヤモンド粒子の代わりに、超硬金属を核としてその周囲を小さいダイヤモンド粒子で包囲したダイヤモンド集合体を超硬合金中に分散させることにより、従来のダイヤモンド複合材料の耐摩耗性と研削性を強化した上に、耐衝撃性も向上させることができる。
本発明においても、岩石との摩耗で地の超硬合金組織が摩耗し、ダイヤモンド集合体が表面から部分的に露出することでダイヤモンド超硬複合材料表面に凹凸を自然形成させ、研削性を向上させている。ダイヤモンド集合体の最表面は小さいダイヤモンド粒子であるため、従来と同等以上の耐摩耗性を保持している。さらに、ダイヤモンド集合体に掛かる衝撃を、ダイヤモンドよりも靭性のあるダイヤモンド集合体の核を形成する硬い超硬合金により緩和させることができるため、耐衝撃性も向上する。さらに大きな衝撃に対してはダイヤモンド集合体の外側にある、核となる硬い超硬合金よりも軟らかい地の超硬合金により吸収するため、より耐衝撃性に富んだ構造を実現することができる。
本発明のダイヤモンド超硬複合材料の構成要素となる超硬合金組織３４（試料Ｍ）とダイヤモンド集合体２０（試料Ｄ：３種類）を以下のように作製した。
（超硬合金組織）
粒径２〜３μｍのＷＣ粉末を８５重量％、粒径２〜３μｍのＣｏを１２重量％、４０μｍ以下のＮｉＰ（Ｐ含有量：１０％）を３重量％秤量して、アルコール中で４８時間ボールミル混合を行った。
（超硬合金組織）
粒径２〜３μｍのＷＣ粉末を８５重量％、粒径２〜３μｍのＣｏを１２重量％、４０μｍ以下のＮｉＰ（Ｐ含有量：１０％）を３重量％秤量して、アルコール中で４８時間ボールミル混合を行った。
（ダイヤモンド集合体）
図２Ａに断面構造を模式的に示したように、本発明のダイヤモンド集合体２０は、超硬合金の粒子２１の周囲にダイヤモンド粒子２２を付着させ結合材２３で固着させたものである。具体的な作製法は、超硬合金の粒子（材種：Ｇ１；粒径：０．８〜１．１ｍｍ）の表面に粘着剤としてパラフィンを塗り、ダイヤモンドの平均粒径が異なる以下に示す３種類の混合物Ｄ１〜Ｄ３のそれぞれを表面に付着させ、真空中で１０００℃、１０分の熱処理を行ってダイヤモンド粒子を超硬合金の粒子の表面上に固着させた。上記粘着剤にはワセリンまたは有機溶剤を用いてもよい。
図２Ａに断面構造を模式的に示したように、本発明のダイヤモンド集合体２０は、超硬合金の粒子２１の周囲にダイヤモンド粒子２２を付着させ結合材２３で固着させたものである。具体的な作製法は、超硬合金の粒子（材種：Ｇ１；粒径：０．８〜１．１ｍｍ）の表面に粘着剤としてパラフィンを塗り、ダイヤモンドの平均粒径が異なる以下に示す３種類の混合物Ｄ１〜Ｄ３のそれぞれを表面に付着させ、真空中で１０００℃、１０分の熱処理を行ってダイヤモンド粒子を超硬合金の粒子の表面上に固着させた。上記粘着剤にはワセリンまたは有機溶剤を用いてもよい。
（Ｄ１）超硬合金に対して５重量％の７５％ダイヤモンド粒子（３２５／４００メッシュ、平均粒径４４μｍ）−２５％ＮｉＰ（Ｐ含有量：１０％）
（Ｄ２）超硬合金に対して５重量％の７５％ダイヤモンド粒子（１４０／１７０メッシュ、平均粒径１０５μｍ）−２５％ＮｉＰ（Ｐ含有量：１０％）
（Ｄ３）超硬合金に対して５重量％の７５％ダイヤモンド粒子（５０／６０メッシュ、平均粒径３００μｍ）−２５％ＮｉＰ（Ｐ含有量：１０％）
（Ｄ２）超硬合金に対して５重量％の７５％ダイヤモンド粒子（１４０／１７０メッシュ、平均粒径１０５μｍ）−２５％ＮｉＰ（Ｐ含有量：１０％）
（Ｄ３）超硬合金に対して５重量％の７５％ダイヤモンド粒子（５０／６０メッシュ、平均粒径３００μｍ）−２５％ＮｉＰ（Ｐ含有量：１０％）
図２Ｂは、作製したダイヤモンド集合体の一例の、拡大した外観写真を示す。
ダイヤモンド粒子の粒径が５００μｍ以上になると超硬合金粒に均等付着させることが難しく、かつ衝撃でダイヤモンド粒子の破壊、脱落が発生するため好ましくない。他方、粒径が５μｍ以下の場合は、以下に述べるダイヤモンド超硬複合材料の製作の際のホットプレス焼結中の熱の影響によってダイヤモンドの消耗が激しくなるため好ましくない。従って、最適粒径は１０〜３００μｍである。また理想的には、小さいダイヤモンド粒子で核となる超硬合金の表面積の１００％を覆うことが望ましい。
ダイヤモンド粒子の粒径が５００μｍ以上になると超硬合金粒に均等付着させることが難しく、かつ衝撃でダイヤモンド粒子の破壊、脱落が発生するため好ましくない。他方、粒径が５μｍ以下の場合は、以下に述べるダイヤモンド超硬複合材料の製作の際のホットプレス焼結中の熱の影響によってダイヤモンドの消耗が激しくなるため好ましくない。従って、最適粒径は１０〜３００μｍである。また理想的には、小さいダイヤモンド粒子で核となる超硬合金の表面積の１００％を覆うことが望ましい。
次に、本発明のダイヤモンド超硬複合材料について以下に説明する。
図３Ａに模式的断面図を示すように、本発明のダイヤモンド超硬複合材料３０は、超硬合金の核３１の表面上にダイヤモンド粒子３２を結合剤３３で固着させたダイヤモンド集合体を、超硬複合材料の組織３４の中に複数個分散させた構造を有している。本実施例では、超硬複合材料の組織３４（試料Ｍ）は超硬合金の核３１（試料Ｄ１〜Ｄ３）とは異なる、より軟らかい組成により構成されている。
図３Ａに模式的断面図を示すように、本発明のダイヤモンド超硬複合材料３０は、超硬合金の核３１の表面上にダイヤモンド粒子３２を結合剤３３で固着させたダイヤモンド集合体を、超硬複合材料の組織３４の中に複数個分散させた構造を有している。本実施例では、超硬複合材料の組織３４（試料Ｍ）は超硬合金の核３１（試料Ｄ１〜Ｄ３）とは異なる、より軟らかい組成により構成されている。
次に、上記試料Ｄ１〜Ｄ３を用いたダイヤモンド超硬複合材料の試料片（ＴＰ１〜ＴＰ３）の作製方法を以下に述べる。
（ＴＰ１）試料Ｍを１００ｇと試料Ｄ１を３０ｇ混合して、Φ２０ｍｍのカーボン型に１０ｇ投入して２００ｋｇ／ｃｍ２で仮プレスした後、高真空下で１０００℃に昇温後、荷重１ｔ／ｃｍ２でホットプレス（３０分間保持）した。
（ＴＰ２）試料Ｍを１００ｇと試料Ｄ２を３０ｇ混合して、Φ２０ｍｍのカーボン型に１０ｇ投入して２００ｋｇ／ｃｍ２で仮プレスした後、高真空下で１０００℃に昇温後、荷重１ｔ／ｃｍ２でホットプレス（３０分間保持）した。
（ＴＰ３）試料Ｍを１００ｇと試料Ｄ３を３０ｇ混合して、Φ２０ｍｍのカーボン型に１０ｇ投入して２００ｋｇ／ｃｍ２で仮プレスした後、高真空下で１０００℃に昇温後、荷重１ｔ／ｃｍ２でホットプレス（３０分間保持）した。
（ＴＰ１）試料Ｍを１００ｇと試料Ｄ１を３０ｇ混合して、Φ２０ｍｍのカーボン型に１０ｇ投入して２００ｋｇ／ｃｍ２で仮プレスした後、高真空下で１０００℃に昇温後、荷重１ｔ／ｃｍ２でホットプレス（３０分間保持）した。
（ＴＰ２）試料Ｍを１００ｇと試料Ｄ２を３０ｇ混合して、Φ２０ｍｍのカーボン型に１０ｇ投入して２００ｋｇ／ｃｍ２で仮プレスした後、高真空下で１０００℃に昇温後、荷重１ｔ／ｃｍ２でホットプレス（３０分間保持）した。
（ＴＰ３）試料Ｍを１００ｇと試料Ｄ３を３０ｇ混合して、Φ２０ｍｍのカーボン型に１０ｇ投入して２００ｋｇ／ｃｍ２で仮プレスした後、高真空下で１０００℃に昇温後、荷重１ｔ／ｃｍ２でホットプレス（３０分間保持）した。
このようにして、超硬合金組織（試料Ｍ）中に、ダイヤモンド集合体（試料Ｄ１〜Ｄ３）をそれぞれ分散させたダイヤモンド超硬複合材料の試料片を作製した。図３Ｂはダイヤモンド集合体の光学顕微鏡による拡大した断面写真である。また、ダイヤモンド超硬複合材料の断面写真を図３Ｃ〜３Ｅに示す。なお、これらの図の断面は、図３Ａ上部に示されたダイヤモンド超硬複合材料の表面に平行（紙面に垂直）な断面であり、同一の試料の別の箇所の写真である。図３Ｃ〜３Ｅから見積もった、ダイヤモンド粒子の核の表面に対する平均被覆率はそれぞれ、約６８％、約５０％、約６３％である。この実施例において、超硬合金組織のビッカース硬度は１１００ＨＶ、ダイヤモンド集合体の核となる超硬合金のビッカース硬度は１７００ＨＶ程度である。
このようにして得られたダイヤモンド超硬複合材料の試験片を、図４に示すようなボーリングマシンの先端部のリングビットに図５のように取り付け、花崗岩上を荷重：３００ｋｇ／ｃｍ２、回転速度：３００ｒｐｍで回転摺動する試験を行った。また、比較として特許文献１のダイヤモンド複合材料、およびダイヤモンドを用いていない超硬合金（Ｇ１）も試験片として同様の試験を行った。その結果を図６に示す。
いずれのダイヤモンドの粒径（メッシュサイズ）においても、本発明によるダイヤモンド超硬複合材料は、特許文献１のダイヤモンド複合材料、およびダイヤモンドを用いていない超硬合金（Ｇ１）と比較してかなり大きな掘進率を示した。本実施例では、１４０／１７０メッシュサイズで最大の掘進率：２５ｍｍ／ｍｉｎが得られた。
なお、上記記載は実施例についてなされたが、本発明はそれに限定されず、本発明の精神と添付の請求の範囲の範囲内で種々の変更、及び修正をすることができることは当業者に明らかである。
例えば、上記実施例ではダイヤモンド粒子を用いたが、これに代えて同様に高硬度な材料である立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の粒子を用いても良い。また、ダイヤモンド粒子層の内部（核）、及び外部（組織）の超硬合金材料は任意の組成に変えることができる。
本発明によるダイヤモンド超硬複合材料は耐摩耗性と研削性を併せ持つため、複合材料石油、天然ガス、地熱などのエネルギー開発に用いる掘削用ビット、その他の掘削用工具の耐摩耗部材として利用が可能である。
１ ビット
２ ゲージ部
３ ベアリング
４ シール部
７ 掘削荷重
８ 側壁からの面圧
２０ ダイヤモンド集合体
２１、３１ 超硬合金核
２２、３２ ダイヤモンド粒子
２３、３３ 結合剤
３０ ダイヤモンド超硬複合材料
３４ 超硬合金組織
２ ゲージ部
３ ベアリング
４ シール部
７ 掘削荷重
８ 側壁からの面圧
２０ ダイヤモンド集合体
２１、３１ 超硬合金核
２２、３２ ダイヤモンド粒子
２３、３３ 結合剤
３０ ダイヤモンド超硬複合材料
３４ 超硬合金組織
【０００３】
させることは困難である。
［０００７］
本発明の目的は、特許文献１のダイヤモンド粒子の代わりに、球状の超硬合金を核としてその周囲を核の径よりも十分小さいダイヤモンド粒子で包囲したダイヤモンド集合体を提供することである。さらに本発明の目的は、超硬合金中にダイヤモンド粒子を分散させた特許文献１のダイヤモンド複合材料のダイヤモンド粒子の代わりにこのダイヤモンド集合体を用いることにより、研削性をさらに強化したダイヤモンド超硬複合材料を提供することにある。
［０００８］
本発明の別の目的は、ダイヤモンド粒子等の超硬質粒子表面の炭化を防ぐために、焼結温度を低温にする事が可能なダイヤモンド超硬複合材料、及びその製造方法を提供することにある。
課題を解決するための手段
［０００９］
本発明によるダイヤモンド超硬複合材料は、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする超硬合金の球状の粒子を核とし、ＷＣを主成分として燐（Ｐ）を含有する鉄族金属を結合材として、少なくとも１層の複数の微小なダイヤモンド粒子で前記核の表面を均一に被覆し、固着させたダイヤモンド集合体を含み、複数の前記ダイヤモンド集合体が、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分として燐（Ｐ）を含有する鉄族金属を含む超硬合金組織中に分散されている。
［００１０］
好ましくは、前記ダイヤモンド粒子の粒径は５μｍ〜２００μｍである。
［００１１］
本発明は、さらに前記ダイヤモンド集合体の製造方法を提供する。該製造方法は、核となるＷＣを主成分とする超硬合金の球状粒子の表面に粘着材を塗布する工程と、少なくとも１層の複数のダイヤモンド粒子を、ＷＣを主成分としてＰを含有する鉄族金属からなる結合材と混合して前記核の表面を均一に被覆するように付着させる工程と、真空中で加熱して前記ダイヤモンド粒子の層を前記核の表面に固着させる工程とを含む。
［００１２］
本発明は、さらに前記ダイヤモンド超硬複合材料の製造方法を提供する。該製造方法は、前記ダイヤモンド集合体と、炭化タングステンＷＣを主成分としてＰを含有する鉄族金属を含む超硬合金とを混合する工程と、該混合物を型に投入して予備プレスを行う工程と、それに続いて高真空下で昇温した後ホットプレスする工程とを含む。
させることは困難である。
［０００７］
本発明の目的は、特許文献１のダイヤモンド粒子の代わりに、球状の超硬合金を核としてその周囲を核の径よりも十分小さいダイヤモンド粒子で包囲したダイヤモンド集合体を提供することである。さらに本発明の目的は、超硬合金中にダイヤモンド粒子を分散させた特許文献１のダイヤモンド複合材料のダイヤモンド粒子の代わりにこのダイヤモンド集合体を用いることにより、研削性をさらに強化したダイヤモンド超硬複合材料を提供することにある。
［０００８］
本発明の別の目的は、ダイヤモンド粒子等の超硬質粒子表面の炭化を防ぐために、焼結温度を低温にする事が可能なダイヤモンド超硬複合材料、及びその製造方法を提供することにある。
課題を解決するための手段
［０００９］
本発明によるダイヤモンド超硬複合材料は、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする超硬合金の球状の粒子を核とし、ＷＣを主成分として燐（Ｐ）を含有する鉄族金属を結合材として、少なくとも１層の複数の微小なダイヤモンド粒子で前記核の表面を均一に被覆し、固着させたダイヤモンド集合体を含み、複数の前記ダイヤモンド集合体が、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分として燐（Ｐ）を含有する鉄族金属を含む超硬合金組織中に分散されている。
［００１０］
好ましくは、前記ダイヤモンド粒子の粒径は５μｍ〜２００μｍである。
［００１１］
本発明は、さらに前記ダイヤモンド集合体の製造方法を提供する。該製造方法は、核となるＷＣを主成分とする超硬合金の球状粒子の表面に粘着材を塗布する工程と、少なくとも１層の複数のダイヤモンド粒子を、ＷＣを主成分としてＰを含有する鉄族金属からなる結合材と混合して前記核の表面を均一に被覆するように付着させる工程と、真空中で加熱して前記ダイヤモンド粒子の層を前記核の表面に固着させる工程とを含む。
［００１２］
本発明は、さらに前記ダイヤモンド超硬複合材料の製造方法を提供する。該製造方法は、前記ダイヤモンド集合体と、炭化タングステンＷＣを主成分としてＰを含有する鉄族金属を含む超硬合金とを混合する工程と、該混合物を型に投入して予備プレスを行う工程と、それに続いて高真空下で昇温した後ホットプレスする工程とを含む。
【０００５】
モンド超硬複合材料の別の箇所の断面写真である。
［図３Ｅ］本発明によるダイヤモンド集合体を超硬合金組織中に分散したダイヤモンド超硬複合材料のまた別の箇所の断面写真である。
［図４］本発明によるダイヤモンド超硬複合材料の試験片の岩石掘削試験に用いたボーリングマシンの外観図である。
［図５］本発明によるダイヤモンド超硬複合材料の試験片を取り付けた掘削ビットの先端部の外観図である。
［図６］本発明によるダイヤモンド超硬複合材料、および比較の材料を試験片に用いた掘削ビットの掘進率の、ダイヤモンド粒子の大きさ依存性を示すグラフである。
発明を実施するための形態
実施例１
［００１７］
本発明のダイヤモンド超硬複合材料の構成要素となる超硬合金組織３４（試料Ｍ）とダイヤモンド集合体２０（試料Ｄ：３種類）を以下のように作製した。
（超硬合金組織）
粒径２〜３μｍのＷＣ粉末を８５重量％、粒径２〜３μｍのＣｏを１２重量％、４０μｍ以下のＮｉＰ（Ｐ含有量：１０％）を３重量％秤量して、アルコール中で４８時間ボールミル混合を行った。
［００１８］
（ダイヤモンド集合体）
図２Ａに断面構造を模式的に示したように、本発明のダイヤモンド集合体２０は、超硬合金の球状の粒子２１の周囲に微小なダイヤモンド粒子２２を付着させ結合材２３で固着させたものである。具体的な作製法は、超硬合金の粒子（材種：Ｇ１；粒径：０．８〜１．１ｍｍ）の表面に粘着剤としてパラフィンを塗り、ダイヤモンドの平均粒径が異なる以下に示す３種類の混合物Ｄ１〜Ｄ３のそれぞれを表面に付着させ、真空中で１０００℃、１０分の熱処理を行ってダイヤモンド粒子を超硬合金の粒子の表面上に固着させた。上記粘着剤にはワセリンまたは有機溶剤を用いてもよい。
モンド超硬複合材料の別の箇所の断面写真である。
［図３Ｅ］本発明によるダイヤモンド集合体を超硬合金組織中に分散したダイヤモンド超硬複合材料のまた別の箇所の断面写真である。
［図４］本発明によるダイヤモンド超硬複合材料の試験片の岩石掘削試験に用いたボーリングマシンの外観図である。
［図５］本発明によるダイヤモンド超硬複合材料の試験片を取り付けた掘削ビットの先端部の外観図である。
［図６］本発明によるダイヤモンド超硬複合材料、および比較の材料を試験片に用いた掘削ビットの掘進率の、ダイヤモンド粒子の大きさ依存性を示すグラフである。
発明を実施するための形態
実施例１
［００１７］
本発明のダイヤモンド超硬複合材料の構成要素となる超硬合金組織３４（試料Ｍ）とダイヤモンド集合体２０（試料Ｄ：３種類）を以下のように作製した。
（超硬合金組織）
粒径２〜３μｍのＷＣ粉末を８５重量％、粒径２〜３μｍのＣｏを１２重量％、４０μｍ以下のＮｉＰ（Ｐ含有量：１０％）を３重量％秤量して、アルコール中で４８時間ボールミル混合を行った。
［００１８］
（ダイヤモンド集合体）
図２Ａに断面構造を模式的に示したように、本発明のダイヤモンド集合体２０は、超硬合金の球状の粒子２１の周囲に微小なダイヤモンド粒子２２を付着させ結合材２３で固着させたものである。具体的な作製法は、超硬合金の粒子（材種：Ｇ１；粒径：０．８〜１．１ｍｍ）の表面に粘着剤としてパラフィンを塗り、ダイヤモンドの平均粒径が異なる以下に示す３種類の混合物Ｄ１〜Ｄ３のそれぞれを表面に付着させ、真空中で１０００℃、１０分の熱処理を行ってダイヤモンド粒子を超硬合金の粒子の表面上に固着させた。上記粘着剤にはワセリンまたは有機溶剤を用いてもよい。
Claims (8)
- 炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする超硬合金を核とし、ＷＣを主成分として燐（Ｐ）を含有する鉄族金属を結合材として、複数のダイヤモンド粒子を前記核の表面を被覆するように固着させたダイヤモンド集合体。
- 前記ダイヤモンド粒子の粒径が５μｍ〜５００μｍである、請求項１に記載のダイヤモンド集合体。
- 請求項１または２に記載の前記ダイヤモンド集合体が、ＷＣを主成分としてＰを含有する鉄族金属を含む超硬合金組織中に複数個分散された、ダイヤモンド超硬複合材料。
- 核となる炭化タングステン（ＷＣ）を主成分とする超硬合金の粒子の表面に粘着材を塗布する工程と、
複数のダイヤモンド粒子を、ＷＣを主成分としてＰを含有する鉄族金属からなる結合材と混合して、前記核の表面を被覆するように付着させる工程と、
さらに真空中で加熱して前記複数のダイヤモンド粒子を前記核の表面に固着させる工程と
を含むダイヤモンド集合体の製造方法。 - 請求項１または２に記載のダイヤモンド集合体と、炭化タングステン（ＷＣ）を主成分として燐（Ｐ）を含有する鉄族金属を含む超硬合金の粒子とを混合する工程と、
該混合物を型に投入して予備プレスを行う工程と、
その後、前記混合物を高真空下で昇温した後ホットプレスする工程と
を含むダイヤモンド超硬複合材料の製造方法。 - 請求項１〜３に記載のダイヤモンド粒子の代わりに、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）粒子を用いた超硬複合材料。
- 前記請求項３に記載のダイヤモンド超硬複合材料、あるいは前記請求項６に記載の超硬複合材料を耐摩耗用部材として用いた、掘削用工具。
- 請求項４または５に記載のダイヤモンド粒子の代わりにｃＢＮ粒子を用いた超硬複合材料の製造方法。
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