KR101918910B1 - 벌크 메탈 포일의 통합에 의한 다결정 다이아몬드의 인성 개선 - Google Patents

벌크 메탈 포일의 통합에 의한 다결정 다이아몬드의 인성 개선 Download PDF

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Abstract

커팅 요소는 기판과, 적어도 하나의 금속 카바이드 포일 부분에 의해서 분리된 적어도 2개의 다결정 다이아몬드 부분들을 포함하는 다이아몬드 콤팩트를 포함한다. 커팅 요소는 다이아몬드 분말을 반응 컨테이너에 배치하는 단계, 상기 반응 컨테이너에서 상기 다이아몬드 분말 및 바인더 위에 또는 주위에 박막 금속층을 배치하는 단계, 상기 반응 컨테이너에서 상기 박막 금속층 위에 또는 주위에 추가 다이아몬드 분말을 배치하는 단계, 그리고 상기 반응 컨테이너에서 모든 다이아몬드 분말 및 박막 금속층 성분들 위에 바인더를 수용하는 사전-소결된 기판을 상기 반응 컨테이너 안으로 배치하는 단계에 의해서 제조된다. 조립된 반응 컨테이너는 반응기 안으로 놓여 지고 고온 고압(HTHP) 소결 공정을 받게 한다. 상기 사전-소결된 기판 내의 상기 바인더는 스위프하여 제 1 다이아몬드 부분을 소결하고 그후 상기 금속층과 반응하여 금속 카바이드를 형성하고, 상기 바인더는 그후 계속해서 스위프하여 제 2 다이아몬드 분말을 소결한다.

Description

벌크 메탈 포일의 통합에 의한 다결정 다이아몬드의 인성 개선{IMPROVING TOUGHNESS OF POLYCRYSTALLINE DIAMOND BY INCORPORATION OF BULK METAL FOILS}
본원은 콤팩트 커터(compact cutter)에서 사용되는 다결정 다이아몬드(PCD) 및 콤팩트 커터에 관한 것이다. PCD 콤팩트 커터는 대체로 기판 또는 포스트(post) 또는 스터드(stud)에 의해서 또는 이들에 일체로 결합되는 다이아몬드 층 또는 테이블을 포함한다. 구체적으로, 본원은 소결 전에 다이아몬드 내의 연속 또는 불연속 부재들로서 PCD에서 합체된 벌크 메탈 포일과 같은 금속 또는 금속 화합물의 연속 구조로 제조된 박막 금속층을 갖는 PCD에 관한 것이다. 본원은 또한 그러한 다이아몬드의 제조 방법 및 그러한 다이아몬드를 포함하는 콤팩트 커터들에 관한 것이다.
하기 배경에 대한 논의에서, 임의 구조 및/또는 방법을 참조한다. 그러나, 다음과 같은 참조 설명은 상기 구조 및/또는 방법이 종래 기술을 구성한다는 것을 인정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 출원인은 이러한 구조 및/또는 방법이 종래기술로서 적격이지 않다는 것을 나타내는 권리를 유지한다.
현재 이용가능한 커터는 일반적으로 텅스텐 카바이드(Tungsten carbide)로 제조되는 기판, 포스트 또는 스터드에 의해서 지지되거나 또는 이들에 밀착하여 결합되는 PCD 층 또는 테이블을 포함한다. 텅스텐 카바이드는 일반적으로 내마모성 및 압축 강도와 같은 그 우수한 기계적 특성들로 인하여 기판에 대해서 선택된다.
다이아몬드 층을 기판에 접합하는 것은 일반적으로 고압 고온(HPHT)에서 다이아몬드 층의 소결 단계 중에 행해진다. 소결된 PCD 층은 주요 상으로서 직접적인 다이아몬드 대 다이아몬드 접합 또는 접촉의 확대 량으로 다이아몬드 입자들로 조성된다. 다이아몬드 입자들, 예로서, 3중 입경 포켓(grain pocket) 또는 입경 경계의 틈새에는, 또한 소위 금속 페이즈 또는 촉매 용제 페이즈으로 칭하는 바인더 페이즈(binder phase)가 있다. 제 2 페이즈는 또한 다이아몬드 네트워크와 섞이는 네트워크를 형성한다. 바인더 페이즈는 다이아몬드 대 다이아몬드 접합의 성장에 대한 촉매 또는 용해매체로서 작용한다. 바인더 페이즈는 일반적으로 적어도 하나의 활성 금속, 예로서 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 철(Fe) 등을 포함하지만, 이들에 국한되지 않는다.
추가 보조 페이즈들은 바인더 페이즈 및 다이아몬드 입자들 사이에서 또는 바인더 페이즈에서 형성된다. 이들 페이즈들은 소결 공정 중에 형성된 금속 카바이드를 포함할 수 있다. 이들 페이즈들은 다이아몬드 테이블 내에서 크랙 확산(crack propagation)을 증가시킬 수 있는 명확한 경계없이 고립된 섬 모양을 형성하고 바인더 페이즈에 포함될 수 있다.
현재 이용가능한 커팅 요소들을 소결하기 위하여 일반적으로 사용된 공정은 HPHT 공정이고, 그 예는 도 11 및 도 12에 도시되어 있다. 구체적으로, 공정은 다이아몬드 입자들(112) 및 선택형 소결 보조물(114)을 금속 컨테이너(110)에 추가하는 것을 포함한다. 그때, 카바이드 스터드(carbide stud;118), 일반적으로 텅스텐 카바이드(WC)는 선택형 소결 보조물을 포함하는 다이아몬드 공급부(116)와 접촉 상태로 금속 컨테이너(110) 안으로 삽입된다. 컨테이너(110), 다이아몬드 공급부(116) 및 카바이드 스터드(118)를 포함하는 조립체(120)는 HPHT 공정 처리를 받는다. HPHT 공정 중에, 카바이드 스터드에 최초로 제공된 바인더는 고온(124) 및 고압(122)으로 인하여 용융되어서 다이아몬드 콤팩트(diamond compact)로 압착된다. 바인더 페이즈의 유동은 용융된 바인더(화살표 "126"는 용융 바인더의 방향을 나타낸다)가 바인더 및 다른 재료들을 스터드로부터 다이아몬드 공급부로 운반하는 침투 중에 전면(128)을 형성한다는 사실로 인하여 소위 스위프(sweep)로 칭한다.
다이아몬드가 스위핑 바인더 페이즈에 의해서 잠겨지거나 또는 둘러싸일 때, 다이아몬드 소결은 용융-운송 침전의 액체-소결 메카니즘을 통해서 행해진다. 여기서 다이아몬드 대 다이아몬드 접합이 형성되고 다이아몬드의 네트워크가 형성된다. 따라서, 소결 후에, 계면에서 함께 접합된 다이아몬드 층(102) 및 카바이드 스터드(104)를 구비한 콤팩트(100)가 형성된다.
스터드로부터의 바인더는 또한 스터드로부터 다이아몬드 층으로 임의의 양의 용해된 종류(specie)들을 운반한다. 종류들의 양은 압력 및 온도에 크게 의존한다. 바인더와 함께 운반되는 종류들은 예로서, 텅스텐 및 탄소를 포함한다. 용해된 텅스텐은 다이아몬드 공급부 및 카바이드 스터드로부터의 용해 금속 및/또는 탄소와 반응한다. 압력, 온도 및 조성에 따라서, 반응 생성물은 공정이 마칠 때 실온으로 냉각된 후에 카바이드 기반 페이즈로서 또는 고형 용해 종류들로서 바인더 페이즈로 체류할 수 있다. 이 바인더 페이즈 및 다른 침전된 보조 페이즈는 입경들 사이의 소결된 다이아몬드 층으로 잔류하고 네트워크를 형성한다.
또한, 드릴링 용례들에서,PCD 커터들은 큰 충격 부하를 받아서 커터들의 부서짐(chipping) 및 깨짐(spalling)을 유발할 수 있다. 깨짐은 큰 응력 지점들에서 발생한 미세크랙에서 발생된다. 이들 크랙들은 PCD 내의 더욱 단단한 페이즈에 도달하면, 휘어지거나 또는 구속되므로, PCD의 충격 인성(impact toughness)을 개선한다. 이러한 개선된 충격 인성을 제공하기 위하여 여러 방법들이 제안되었다. 예로서, 미국 특허 제 6,974,624호는 PCD-WC 복합 커터를 나타내고, PCD는 벌집형 WC 쉘들 내에 봉입된다. 또한, 유럽 특허 제 0 699 642호는 충격 인성을 개선하기 위하여 PCDrk 섬유들로 보장되는 것을 개시하고 있다. 만약, 섬유들이 소결 공정을 견디어 내면, 섬유들은 PCD 내에서 인성 페이즈로 작용하고 PCD 내에서 크랙들을 구속 및 편향시킨다.
그러나, 종래기술은 소결 공정 중에 형성된 커터에 대해서 기존의 다이아몬드 층의 모든 단점들을 해결하지 못한다.
개시된 제조 방법은 PCD와, 금속의 연속 구조로 제조된 박막 금속층 또는 소결 전에 PCD에서 금속 포일과 같은 금속 화합물들을 통합함으로써 적어도 개선된 충격 인성 및 내파괴성을 갖는 PCD를 수용하는 커터를 제조한다.
본 발명의 제 1 형태는 다이아몬드 콤팩트를 포함하고, 상기 다이아몬드 콤팩트는 적어도 하나의 금속 카바이드 포일 부분에 의해서 분리된 적어도 2개의 다결정 다이아몬드(PCD) 부분들을 포함하는 다이아몬드 콤팩트를 포함한다.
본 발명의 제 2 형태는 기판 및 다이아몬드 테이블을 포함하는 커팅 요소를 포함하고, 상기 다이아몬드 테이블은 적어도 2개의 다결정 다이아몬드(PCD) 부분들 및 2개의 다이아몬드 부분들을 분리하는 적어도 하나의 박막 금속층 부분을 포함한다.
본 발명의 제 3 형태는 커팅 요소의 제조 방법을 포함하며, 이 방법은 다이아몬드 분말을 반응 컨테이너에 배치하는 단계, 상기 반응 컨테이너 내의 상기 다이아몬드 분말 및 바인더 위에 또는 주위에 박막 금속층을 배치하는 단계, 상기 반응 컨테이너 내의 상기 박막 금속층 위에 또는 주위에 추가 다이아몬드 분말을 배치하는 단계, 그리고 상기 반응 컨테이너 안으로 모든 다이아몬드 분말 및 박막 금속층 성분들 위에 바인더를 수용하는 사전-소결된 기판을 배치하는 단계를 포함한다. 조립된 반응 컨테이너는 반응기 내에 놓여지고 고온 고압(HTHP) 소결 공정을 받게 한다. 다이아몬드 분말 및 추가 다이아몬드 분말은 다결정 다이아몬드의 동일한 등급들 또는 상이한 등급들일 수 있다.
상술한 일반적인 설명 및 하기 상세한 설명은 예시적이고 설명적이며 청구된 본 발명의 추가 설명을 제공하도록 계획된 것임을 이해해야 한다.
하기 상세한 설명은 유사 부호로 유사 요소를 지정한 첨부된 도면을 참조하여 읽혀질 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 커터의 사시도.
도 2a는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 커터의 상면도.
도 2b는 라인 A-A를 따라 절취한 도 2a의 커터의 단면도.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 커터의 사시도.
도 4a는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 커터의 상면도.
도 4b는 라인 B-B를 따라 절취한 도 4a의 커터의 단면도.
도 5는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 커터의 사시도.
도 6a는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 커터의 상면도.
도 6b는 라인 C-C를 따라 절취한 도 6a의 커터의 단면도.
도 7은 본 발명의 제 7 실시예에 따른 커터의 단면도.
도 8은 본 발명의 제 8 실시예에 따른 커터의 단면도.
도 9a는 도 1의 커터를 제조하기 위한 예시적인 조립체 단계의 도면.
도 10은 도 1의 커터를 제조하기 위한 예시적인 소결 단계의 도면.
도 11은 종래 기술의 커터를 제조하기 위한 조립체 단계의 도면.
도 12는 종래 기술의 커터를 제조하기 위한 소결 단계의 도면.
도 13은 본 발명의 제 9 실시예에 따른 커터의 단면도.
도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 제 10 실시예에 따른 커터의 단면의 사진.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 제 11 실시예에 따른 커터의 단면의 사진.
개선된 다결정 다이아몬드(PCD) 및 정상층으로서의 개선된 PCD 또는 커터 테이블을 수용하는 개선된 커터가 개시되어 있다. 이러한 커터들은 예로서 드래그 비트(drag bit)에서 사용된 초연마 커팅 요소로서 사용될 수 있지만, 이들에 국한되지 않는다. 개선된 PCD는 다른 개선사항들중에서 양호한 충격 인성 및 내파괴성을 포함하고, 이들은 개선된 PCD를 수용하는 커터들의 수명을 증가시킬 수 있다. 양호한 충격 인성 및 내파괴성에서의 개선은 적어도 부분적으로 소결 전에 다이아몬드 층에서 적어도 하나의 박막 금속층의 추가에 기인한다.
개선된 PCD를 수용하는 커터의 제 1 실시예는 도 1에 도시되어 있다. 커터(10)는 기판(12), 제 1 다이아몬드층(14), 포일층(16) 및 제 2 다이아몬드층(18)을 포함한다. 포일층(16)은 소결 전에 제 1 다이아몬드층(14) 및 제 2 다이아몬드층(18)을 분리하는 금속층이다. 소결 공정 중에, 바인더 요소는 포일층(16)을 스위프한다. 바인더 요소는 금속층과 반응하기 때문에, 금속층은 금속 화합물로 변환된다. 반응 공정은 바인더가 금속 포일을 통해서 이동할 수 있게 하고, 포일의 다른 측부 상에서 스위츠 공정을 지속할 수 있게 한다. 반응 공정의 동력 및 최종 생성물은 반응 공정에 참여하는 요소들 및 화합물들에 의존한다. 반응 공정의 특정 예로서, 반응 공정에서 용해된 탄소와 코발트의 바인더는 탄탈 포일과 반응하여 탄탈 카바이드를 형성한다. 반응이 진행됨에 따라, 코발트 농후 반응 프런트(cobalt rich reaction front)는 탄탈 포일을 통해서 진행하고 그 웨이크(wake)에서 탄탈 카바이드를 증착시킨다. 결국, 코발트 농후 프런트는 포일의 다른 측부로부터 나와서 다이아몬드 분말을 통한 스위프를 지속한다.
금속 카바이드 포일 부분은 동일한 양의 다이아몬드가 금속 카바이드 포일 부분의 양쪽에 제공되도록 배치될 수 있거나 또는 대안으로, 금속 카바이드 포일 부분은 금속 카바이드 포일 부분 밑 또는 위에 있는 다이아몬드 부분이 더 커지도록 배치될 수 있다.
임의의 실시예에서, 포일층은 소결 단계 중에 필터로서 작용한다. 바인더가 포일을 통해서 스위프될 때, 바인더에 용해된 텅스텐 및 다른 첨가물과 같은 요소들은 포일 물질과 반응한다. 바인더에서의 그 농도는 그에 따라 감소되고 차후에 PCD는 텅스텐 카바이드와 같은 감소된 양의 침전물을 가질 것이며, 이는 PCD의 파괴 인성을 개선시킬 것이다. 추가로, 다이아몬드 테이블에 통합된 그에 따른 금속/금속 카바이드층은 다이아몬드 테이블에 고응력 지점에서 발생된 미세크랙을 편향 또는 억제할 수 있는 터퍼 페이즈(tougher phase)를 제공한다. 미세크랙들을 편향 또는 억제하는 것에 의해서, 포일층은 그러한 미세크랙들로부터 발생되는 깨짐 현상을 감소시킴으로써 다이아몬드 테이블에 개선된 충격 인성을 제공한다. 이러한 개선된 충격 인성 및 감소된 깨짐 현상은 커터 수명을 개선시킬 수 있다.
임의의 실시예에서, 기판은 카바이드와 같은 기판 재료를 포함한다. 예시적인 카바이드는 텅스텐 카바이드, 티타늄 카바이드 또는 탄탈 카바이드 또는 그 조합물을 포함한다. 기판으로서 사용하기 위한 특정 카바이드는 텅스텐 카바이드이다. 기판은 예로서 니오븀 카바이드, 바나듐 카바이드, 하프늄 카바이드(hafnium carbide), 크롬 카바이드 및 지르코늄 카바이드 등의 입방형 카바이드와 같은 소수 비율의 첨가물들을 추가로 포함할 수 있다.
기판은 기판 재료로 합체된 바인더를 추가로 포함할 수 있다. 커터의 다른 층들에서 소결되는 조립 전의 기판은 원하는 형상의 스터드로 가압된 바인더 및 기판 재료로 형성된 소결된 스터드로 예비성형된다. 소결 단계 중에, 소결된 스터드로부터 바인더의 일부는 다이아몬드층 및 박막 금속층으로 스위프될 것이다.
바인더 요소는 예로서 카바이드를 포함하는 기판 재료 및 PCD에 대한 바인더로서 당기술에 공지되어 있다. 예시적인 바인더 요소들은 코발트, 니켈, 철 또는 하나 이상의 상기 금속을 수용하는 합금과 같은 금속 뿐 아니라 실리콘과 같은 비금속을 포함한다. 임의의 실시예에서, 바인더 요소는 코발트를 포함한다. 바인더 요소들은 카바이드의 바인더 페이즈에 사용된 임의의 공지된 첨가물 및/또는 초연마 재료를 추가로 포함할 수 있다. 첨가물은 예로서, 크롬, 몰리브덴, 마그네슘, 바나듐, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 니오븀 또는 탈탈 또는 그 조합물들 등의 그룹 IVB 내지 VⅢB에서 선택된 전이 금속들을 포함할 수 있다. 임의의 실시예들에서, 첨가물은 크롬, 몰리브덴 또는 바나듐 또는 그 조합물들을 포함할 수 있다.
박막 금속층은 예로서 탄탈, 몰리브덴, 니오븀, 티타늄, 지르코늄, 텅스텐, 바나듐 또는 크롬 또는 그 조합물들과 같은 내화 금속(refractory metal)을 포함하는 전이 금속을 포함한다. 내화 금속은 소결 온도에서 용융되지 않고 다이아몬드를 통해서 스위프된다. 금속의 선택은 코발트가 소결 스터드에서 바인더 재료로서 사용될 때 소결 온도에서 코발트와의 반응 속도에 의존할 수 있다. 임의의 실시예에서, 박막 금속층은 예로서 탄탈, 몰리브덴, 니오븀 또는 지르코늄 또는 그 조합물들을 포함한다. 박막 금속층으로서 사용하기 위한 특정 금속은 탄탈이다. 박막 금속층은 금속 포일과 같은 연속적인 박막 시트이거나 또는 금속 분말로 형성될 수 있다. 금속 분말이 사용되는 경우에, 분말은 가압 약품과 혼합되어서 소결 전에 다이아몬드 공급부에 배치되기 전에 원하는 형상으로 가압될 수 있다. 가압 약품은 금속 분말의 그린 바디(green body)를 형성하는데 통상적으로 사용되는 임의의 바인더 재료를 포함할 수 있다. 예시적인 가압 약품은 웍스 또는 폴리에틸렌 글리콜(PEG)을 포함한다. 이러한 가압 약품은 소결 전에 연소된다.
임의의 실시예에서, 박막 금속층 및 그에 따른 금속 카바이드 포일은 약 .00001 내지 약 0.010 인치의 두께를 가진다. 다른 임의의 실시예에서, 두께는 0.0005 내지 약 0.005 인치이다. 또다른 임의의 실시예에서, 두께는 약 0.001 내지 약 0.002 인치이다.
도 2a 내지 도 8 및 도 13 내지 도 15b는 다이아몬드 부분들 사이에 있는 금속 카바이드 포일 부분들의 상이한 구성 및 배치를 갖는 추가 실시예를 도시한다. 상술한 박막 금속층, 기판 또는 다이아몬드 부분들의 조성 및 크기의 임의의 기술은 하기 설명한 실시예들중 임의의 것에 동일하게 관련된 것이다. 도 2a 및 도 2b는 커팅 요소의 제 2 실시예를 도시한다. 커팅 요소(20)는 기판(22), 제 1 다이아몬드층(24), 금속 카바이드 포일 부분(26) 및 제 2 다이아몬드층(28)을 포함한다. 제 1 다이아몬드층(24)은 기판(22)과 직접 접촉하고 제 2 다이아몬드층(28)을 추가로 둘러싸는 금속 카바이드 포일 부분(26)를 둘러싼다. 이러한 구성에서, 소결 중에, 기판(22)의 용융 바인더는 제 1 다이아몬드층(24)을 걸쳐 스위프하고 금속 카바이드로 변환될 때까지 박막 금속층과 반응을 개시한다. 금속 카바이드가 형성된 후에, 용융 바인더는 포일 부분을 통과하여 제 2 다이아몬드층(28)을 소결하는 것을 개시할 수 있다. 금속 카바이드 포일 부분(26)은 필터로서 작용하므로 제 1 다이아몬드층(24)과 비교할 때 제 2 다이아몬드층(28)과 반응하는 기판 입자들의 수는 거의 없다. 또한, 금속 카바이드 포일 부분(26)은 다이아몬드 부분을 단단하게 하고 크랙들이 커지는 것을 감소시킨다.
도 3은 커팅 요소의 제 3 실시예를 도시한다. 커팅 요소(30)는 기판(32), 제 1 다이아몬드 부분(34), 제 1 금속 카바이드 포일 부분(35) 및 제 2 다이아몬드 부분(36), 제 2 금속 카바이드 포일 부분(37) 및 제 3 다이아몬드 부분(38)을 포함한다. 제 1 실시예와 유사하게, 소결 페이즈 중에, 기판(32)으로부터 용융 바인더는 제 1 다이아몬드 부분(34)을 통해 스위프되고, 그후 제 1 박막 금속층과 반응한다. 그때 금속 카바이드로 변환 후에, 용융 바인더는 제 1 금속 카바이드 포일 부분(35)을 통해서 스위프되어서 제 2 금속층과 접촉하여 반응하기 전에 제 2 다이아몬드 부분(36)을 소결시킨다. 그때 금속 카바이드로 변환 후에, 용융 바인더는 제 2 금속 카바이드 포일 부분(37)을 통해서 스위프되어서 제 3 다이아몬드 부분(38)을 소결시킨다.
다른 실시예에서, 수직 교대 다이아몬드 부분들 및 금속 카바이드 포일 부분들은 3개 다이아몬드 부분들보다 많고 2개 금속 카바이드 포일 부분들보다 많이 있도록 반복될 수 있다. 또다른 실시예에서, 5개 또는 그 이상의 다이아몬드 부분들이 있고 4개 또는 그 이상의 금속 카바이드 포일 부분들이 있다. 또다른 실시예에서, 임의의 수의 다이아몬드 부분들 및 금속 카바이드 포일 부분들이 추가될 수 있다. 실제 수는 커팅 요소의 크기 뿐 아니라 개별 부분들의 두께에 의해서 제한될 수 있다.
하나 초과의 금속 카바이드 포일 부분이 제공되는 임의의 실시예에서, 다중 금속 카바이드 포일 부분들은 모두 동일하고, 모두 상이하거나 또는 그 조합일 수 있다. 금속 카바이드 포일 부분들은 크기, 형상 또는 조성물에서 상이할 수 있고, 이는 포일에 사용된 금속에서 또는 첨가물에서 또는 금속에 부가된 압축 보조물에서의 차이를 포함한다. 또한, 금속 카바이드 포일 부분들은 동일한 양의 다이아몬드가 금속 카바이드 포일 부분들의 각각의 양 측부 상에 제공되도록 배치되거나 또는 대안으로, 금속 카바이드 포일 부분들은 금속 카바이드 포일 부분들의 각각의 밑에 또는 위에 있는 다이아몬드 부분이 더 커지도록 배치될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 커팅 요소의 제 4 실시예를 도시한다. 커팅 요소(40)는 기판(42), 제 1 다이아몬드 부분(44), 제 1 금속 카바이드 포일 부분(45) 및 제 2 다이아몬드 부분(46), 제 2 금속 카바이드 포일 부분(47) 및 제 3 다이아몬드 부분(48)을 포함한다. 다이아몬드 부분들 및 금속 카바이드 포일 부분들은 제 1 다이아몬드 부분으로부터 제 3 다이아몬드 부분까지의 각 부분이 뒤 부분을 둘러싸도록 포개진다. 이러한 포개짐(nesting)은 뒤에 부가된 다이아몬드 분말이 박막 금속층 컵에 부가되는 상태에서 이전에 놓여진 다이아몬드 분말 내에 배치되는 박막 금속층 컵들을 형성함으로써 이루어진다. 제 2 실시예와 유사한 이러한 방식에서, 소결 페이즈 중에, 기판(42)으로부터 용융 바인더는 제 1 다이아몬드 부분(44)을 통해서 스위프되어서 제 1 박막 금속층을 둘러싸는 소결된 다이아몬드 부분을 형성한다. 일단 용융 바인더가 도달하고 제 1 박막 금속층과 반응하여 제 1 금속 카바이드 포일 부분(45)을 형성하면, 용융 바인더는 제 1 금속 카바이드 포일 부분을 통과하여 제 2 다이아몬드 부분(46)을 소결한다. 일단 용융 바인더가 도달하고 제 2 박막 금속층과 반응하여 제 2 금속 카바이드 포일 부분(47)을 형성하면, 용융 바인더는 제 2 금속 카바이드 포일 부분(47)을 통과하여 제 3 다이아몬드 부분(48)을 소결한다.
다른 실시예에서, 다이아몬드 부분들로 채워진 금속 카바이드 포일 부분들의 포개짐은 3개 다이아몬드 부분들보다 많이 제공되고 2개 금속 카바이드 포일 부분들보다 많이 제공되도록 반복될 수 있다. 또다른 실시예에서, 포개짐은 5개 또는 그 이상의 다이아몬드 부분들과 4개 또는 그 이상의 금속 카바이드 포일 부분들을 포함할 수 있다. 또다른 실시예에서, 임의의 수의 다이아몬드 부분들 및 금속 카바이드 포일 부분들이 포개질 수 있다. 실제 수는 커팅 요소의 크기 뿐 아니라 개별 부분들의 두께에 의해서 제한될 수 있다. 상술한 제 4 실시예에 따라 다이아몬드 및 금속 카바이드 포일 부분들의 포개짐을 포함하는 실시예들은 다이아몬드 부분들이 정상면을 제외한 모든 측부들을 둘러싸는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 포개질 수 있다. 대안으로, 다이아몬드 부분들은 금속 카바이드 포일 부분에 의해서 분리되는 외부 다이아몬드 부분에 의해서 완전히 둘러싸여질 수 있다. 비록 상술한 포개짐이 컵 형상을 형성하는 금속 카바이드 포일 부분에 의해서 예시되었지만, 다이아몬드 부분을 둘러싸는 임의의 형상이 예시된 컵 형상을 대체할 수 있다. 또한, 금속 카바이드 포일 부분 및 내부 금속 카바이드 포일 부분 사이의 각 금속 카바이드 포일 부분의 용적 또는 각 컵의 크기는 동일하게 유지될 수 있어서, 각 내부 금속 카바이드 포일 부분 또는 임의의 그 조합에 대해서 점차 작아지거나 또는 커질 수 있다.
도 5는 커팅 요소의 제 5 실시예를 도시한다. 커팅 요소(50)는 기판(52), 제 1 다이아몬드 부분(54), 금속 카바이드 포일 부분(56) 및 제 2 다이아몬드 부분(58)을 포함한다. 본 실시예에서, 금속 카바이드 포일 부분(56)은 커팅 요소에서 다이아몬드의 대부분이 금속 카바이드 포일 부분(56)의 여과 기능에 기초하여 적은 기판 입자들을 수용하는 제 2 다이아몬드 부분(58)에 제공되도록 다이아몬드 기판 계면에 배치된다.
도 6a 및 도 6b는 커팅 요소의 제 6 실시예를 도시한다. 커팅 요소(60)는 기판(62), 제 1 다이아몬드 부분(64), 제 1 금속 카바이드 포일 부분(65) 및 제 2 다이아몬드 부분(66), 제 2 금속 카바이드 포일 부분(67) 및 제 3 다이아몬드 부분(68)을 포함한다. 본 실시예에서, 제 1 금속 카바이드 포일 부분(65)은 제 1, 제 3 및 제 5 실시예와 유사한 평면형이고, 제 2 금속 카바이드 포일 부분(67)은 제 2 및 제 4 실시예와 유사한 컵 형상을 가진다. 제 1, 제 5 실시예들에 대해서 상술한 모든 대안들은 본 발명에 대해서도 역시 사용될 수 있지만, 예로서, 커팅 요소는 내부 다이아몬드 부분들을 둘러싸는 다중 평면형 금속 카바이드 포일 부분들 및/또는 다중 금속 카바이드 포일 부분들을 수용할 수 있다.
도 7은 커팅 요소의 제 7 실시예를 도시한다. 커팅 요소(70)는 기판(72), 제 1 다이아몬드 부분(74), 금속 카바이드 포일 부분(76) 및 제 2 다이아몬드 부분(78)을 포함한다. 본 실시예에는, 제 2 실시예와 유사한 둘러싸는 금속 카바이드 포일 부분이 있다. 그러나, 제 2 실시예와 대조적으로, 금속 카바이드 포일 부분은 중심보다 커팅 요소의 일 측부 상에 위치한다. 제 2 다이아몬드 부분을 커팅 요소의 일 측부 상에 위치시키면, 커팅 요소의 커팅 에지에 커팅 요소의 정상면 및 주변면을 연결하는 에지가 커팅 에지로서 사용되는 제 2 다이아몬드 부분의 장점을 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 둘러싸는 금속 카바이드 포일 부분에 대한 다른 위치들은 커팅 요소의 계획된 용도 따라 선택될 수 있다. 예로서, 크랙 확산을 유발할 수 있는 커팅 요소의 사용 중에 내부 힘에 기초하여 배치가 결정될 수 있다.
도 8은 커팅 요소의 제 8 실시예를 도시한다. 커팅 요소(80)는 기판(82), 제 1 다이아몬드 부분(84), 제 1 금속 카바이드 포일 부분(85), 제 2 금속 카바이드 포일 부분(86), 제 2 다이아몬드 부분(87) 및 제 3 다이아몬드 부분(88)을 포함한다. 본 실시예에는, 제 7 실시예와 유사한 둘러싸는 금속 카바이드 포일 부분이 있다. 제 1 다이아몬드 부분(84)은 기판(82)과 직접 접촉하고, 제 1 금속 카바이드 포일 부분(85)은 커팅 요소의 일 측부 상의 제 2 다이아몬드 부분(87)을 둘러싸고 제 2 금속 카바이드 포일 부분(86)은 커팅 요소의 대향 측부 상의 제 3 다이아몬드 부분(88)을 둘러싼다. 본 실시예는 제 7 실시예에 대해서 상술한 많은 장점들을 제공한다. 추가로, 금속 카바이드 포일 부분에 의해서 둘러싸인 하나 보다 많은 다이아몬드 부분을 가짐으로써, 커팅 요소는 커팅 요소의 대향 측부들에서 유리한 다이아몬드 부분으로 색인될 수 있다(indexable).
다른 실시예에서, 2개보다 많은 둘러싸는 금속 카바이드 포일 부분들이 추가 색인성(indexability)을 위하여 커팅 요소의 상이한 측부들에 형성될 수 있다. 또다른 실시예에서, 4개 이상의 둘러싸는 금속 카바이드 포일 부분이 커팅 요소의 상이한 측부들에 형성될 수 있다. 또다른 실시예에서, 둘러싸는 금속 카바이드 포일 부분들이 커팅 요소에 대해서 상이한 측부들 또는 중심에 또는 임의의 다른 위치에 형성될 수 있다. 이러한 위치들은 다른 이유들 중에서 커팅 요소의 크기 및 형상에 기초하여, 적은 기판 입자들을 갖는 다이아몬드 부분들이 바람직한 곳에, 그리고 크랙 확산을 방지하는 것을 돕는 금속 카바이드 포일 부분들이 가장 유용한 곳에, 결정될 수 있다.
상술한 실시예들의 조합도 역시 고려된다. 예로서, 하나 이상의 평면형 금속 카바이드 포일 부분들은 둘러싸는 금속 카바이드 포일 부분 내에 분배될 수 있다. 마찬가지로, 예로서 하나 이상의 평면형 금속 카바이드 포일 부분들은 둘러싸는 금속 카바이드 포일 부분들 밑에 또는 위에 분배될 수 있다. 또한, 예로서, 포개지는 그리고 포개지지 않는 둘러싸는 금속 카바이드 포일 부분들의 조합들은 커팅 요소의 다이아몬드층을 거쳐 분배될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 기판 없는 다이아몬드 콤팩트는 기판을 포함하는 커팅 요소에 대해서 상술한 것과 유사한 방식으로 형성될 수 있다. 독립형 다이아몬드 콤팩트는 기판을 제거하는 단계에 의해서 추종되는 상술한 바와 같이 형성될 수 있다. 대안으로, 다이아몬드 콤팩트는 반응 컨테이너에 기판이 배치되지 않는 것을 제외하면, 상술한 유사 방법으로 형성될 수 있다. 대신에, 분리 바인더 요소는 소결 중에 용융되고 다이아몬드 분말 안으로 스위프되어서 상술한 바와 같이 금속 포일과 반응한다. 상술한 모든 요소들 및 실시예들도 역시 기판에 접속되지 않은 다이아몬드 콤팩트에 속할 수 있다.
도 9 및 도 10은 적어도 제 1 실시예에 따라 커팅 요소를 형성하기 위한 예시적인 방법을 도시한다. 도 9는 반응 컨테이너, 예로서 금속 컵(90)을 획득하는 것을 포함하는 조립 단계를 도시한다. 제 1 다이아몬드 분말(92)을 선택적인 제 1 소결 보조물(93)과 함께 금속 컵(90)의 저부 안으로 배치하시오. 이러한 경우에, 박막 금속층(94)을 평면형 시트 형태로 형성하시오. 비록 상술한 바와 같이, 박막 금속층은 대상물을 둘러쌀 수 있는 컵 또는 다른 형상의 형태일 수 있다. 박막 금속층(94)은 연속적인 시트를 형성하도록 연속적인 금속 시트이거나 또는 가압 약품과 혼합된 금속 분말일 수 있다. 박막 금속층(94)은 박막 금속층(94)의 배치 후에 부가되는 제 2 다이아몬드 분말(96) 및 선택형 제 2 소결 보조물(97)로부터 제 1 다이아몬드 분말 및 선택형 제 1 소결 보조물을 분리시키기 위하여 금속 컵(90)에 배치된다. 일단 모든 박막 금속층 및 다이아몬드층이 부가되면, 그때 단단한 재료 및 바인더 재료를 포함하는 사전 소결된 기판(98)은 최종 조립체(100)를 형성하기 위하여 금속 컵(90) 내에 배치된다. 기판에 대한 특정 계면 패턴들은 HPHT 공정 후에 잔류 응력을 경감시키도록 설계될 수 있다. 이러한 계면 패턴의 예는 도 9에 도시된다.
도 10은 소결 단계를 도시한다. 최종 조립체(100)는 HPHT 소결 장치 내에 배치되어서, 열(102) 및 압력(101)은 다이아몬드 부분들을 소결시키기에 충분히 인가되고 다이아몬드 부분들을 기판에 일체로 접합한다. 특정 실시예에서, HPHT 소결 공정은 조립체(30)를 약 40 내지 약 75 킬로바아(kilobar)의 압력과 약 1300℃ 내지 약 1700℃의 온도에 놓이게 한다. 임의의 실시예에서, 압력은 약 55 내지 약 70 킬로바아이고, 온도는 약 약 1430℃ 내지 약 1630℃이다.
소결 공정 중에, 사전 소결된 기판(98)에 제공된 용융 바인더는 제 2 다이아몬드 분말(6) 안으로 스위프된다. 스위핑 용융 바인더(104)는 도 10에서 화살표와 이동 라인에 의해서 제시된다. 용융 바인더가 제 2 다이아몬드 분말을 통과하는 동안, 제 2 다이아몬드 분말은 소결되고 제 1 다이아몬드 부분(105)이 된다. 일단 용융 바인더가 박막 금속층(94)에 도달하면, 금속과 반응하여 금속 카바이드 포일(106)을 형성한다. 금속 카바이드 포일(106)이 형성된 후에, 용융 바인더는 제 1 다이아몬드 분말(92)로 통과할 수 있다. 용융 바인더가 제 1 다이아몬드 분말을 통과하는 동안, 제 1 다이아몬드 분말은 소결되고 제 1 다이아몬드 부분이 된다. 공정에 의해서 완전히 소결된 커팅 요소는(108)는 예로서 동일 구성요소들을 포함하는 제 1 실시예의 커팅 요소(10)와 유사하다.
상기 공정에서, 반응 컨테이너는 몰리브덴, 니오븀, 탄탈, 바나듐, 하프늄 또는 텅스텐 또는 그 조합물들을 포함할 수 있다. 임의의 실시예에서, 반응 컨테이너는 박막 금속층과 동일 금속으로 형성된다. 대안으로, 반응 컨테이너는 박막 금속층과 상이한 금속으로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 반응 컨테이너는 이중 컵 디자인을 가진다. 이중 컵 디자인은 커팅 요소를 형성하는데 사용된 재료 및 반응기 요소들 사이에서 유해 반응을 더욱 잘 회피하고 그 형상을 더욱 잘 유지함으로써 그 일체성을 유지하는 능력을 개선하였다. 다른 실시예에서, 금속 컨테이너는 금속 부식을 효과적으로 견디고 그리고/또는 크랙현상을 더욱 잘 저항하기 위하여 예로서 약 0.003 내지 약 0.01 인치의 두께를 갖는 두꺼운 벽을 가진다.
도 13은 커팅 요소의 제 9 실시예를 도시한다. 커팅 요소(130)는 기판(132), 제 1 다이아몬드 부분(134), 금속 카바이드 포일 부분(136), 및 제 2 다이아몬드 부분(138)을 포함한다. 본 실시예에서, 금속 카바이드 포일 부분(136)은 제 2 다이아몬드 부분(138)을 둘러싸는 파우치를 형성한다.
도 14a 내지 도 14c는 본 발명의 제 10 실시예에 따른 커팅 요소의 사진을 도시한다. 도 14a는 2개의 절반부들이 서로 대면하는 정상면들을 갖는 절반이 잘려진 커팅 요소를 도시한다. 커팅 요소는 파우치를 형성하는 금속 카바이드가 제 1 다이아몬드 부분 내에 발견된다는 점에서 제 9 실시예와 유사하다. 파우치는 제 2 다이아몬드 부분을 둘러싼다. 도 14b는 크게 확대한 도 14a의 커팅 요소의 도면이다. 도 14c는 큰 확대 상태에서 도 14a의 커팅 요소의 절반부들중 하나의 일 부분만을 도시한다. 도 14c의 큰 확대는 제 1 다이아몬드 부분이 미세 다이아몬드 입자들을 수용하고 제 2 다이아몬드 부분이 거친 다이아몬드 입자들을 수용한다는 것을 명확하게 도시한다. 다이아몬드 입자들에서의 이러한 차이는 제 2 다이아몬드 부분을 둘러싸는 파우치를 형성하는 금속 카바이드 포일층에 의해서 발생된다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 제 11 실시예에 따른 커팅 요소의 사진이다. 도 15a는 절반부들중 하나가 위를 향하는 정상면들을 갖는 절반이 잘려진 커팅 요소를 도시한다. 도 15a의 커팅 요소는 도 1의 실시예와 유사하다. 도 15a에 있는 사진의 저부 부분 상의 흰색 칼라는 기판이고, 기판 바로 위의 회색 부분은 제 1 다이아몬드 부분이고, 박막 백색층은 금속 카바이드 포일 부분이고, 금속 카바이드 포일 부분 바로 위의 제 2 회색층은 제 2 다이아몬드 부분이다. 사진의 정상부에 있는 어두운 회색 부분은 커팅 요소가 사진인 단순 배경이고 커팅 요소의 일 부분이 아니다. 도 15b는 도 15a의 커팅 요소의 확대 사진을 제공한다. 도 15b의 큰 확대는 제 1 다이아몬드 부분이 제 2 다이아몬드 부분보다 더욱 흰색 점들을 수용하고 있다는 것을 명확하게 도시한다. 다이아몬드 부분들 내의 흰색 점들은 텅스텐 카바이드이다. 텅스텐으로부터 침전된 텅스텐 카바이드는 기판에서 코발트 바인더에 용해되었다. 용융 코발트는 제 1 다이아몬드 부분으로부터 제 2 다이아몬드 부분으로 소결 중에 이동하므로, 중간부에서 탄탈 포일을 통과해야 한다. 제 2 다이아몬드 부분에는 흰색 점들에서 명확한 차이점이 있으며, 이는 코발트가 탄탈 포일을 통과할 때 텅스텐이 여과되었다는 것을 표시한다.
비록 그 양호한 실시예와 연계하여 기술되었지만, 당업자는 첨부된 청구범위에 규정된 본 발명의 정신 및 범주 내에서, 구체적으로 기술되지 않은 추가, 삭제, 변형 및 대체가 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 바인더를 갖는 기판; 및
    다이아몬드 테이블;을 구비하는 다이아몬드 콤팩트(diamond compact)로서,
    상기 다이아몬드 테이블은
    적어도 하나의 금속 카바이드 포일 부분에 의해서 분리된 적어도 2개의 다결정 다이아몬드(PCD) 부분들을 갖고, 상기 기판의 용융 바인더는 제 1 다결정 다이아몬드 부분 및 박막 금속 카바이드 포일 부분을 통하여 제 2 다결정 다이아몬드 부분으로 스위프하는, 다이아몬드 콤팩트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 금속 카바이드 포일 부분은 소결 전에 금속의 불연속 조각들의 층 또는 연속적인 박막 금속층을 구비하는 다이아몬드 콤팩트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 카바이드 포일 부분은 상기 2개의 다결정 다이아몬드 부분들을 수직으로 분리하되, 상기 금속 카바이드 포일 부분은 상기 제 1 다결정 다이아몬드 부분의 전체 정상면 위로 연장하고 상기 제 2 다결정 다이아몬드 부분의 전체 저부면 위로 연장하는 다이아몬드 콤팩트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 카바이드 포일 부분은 상기 2개의 다결정 다이아몬드 부분들을 분리하고 상기 제 2 다결정 다이아몬드 부분을 둘러싸는 컵(cup)을 형성하는 다이아몬드 콤팩트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 콤팩트는 적어도 3개의 다결정 다이아몬드 부분들 및 다결정 다이아몬드 부분들을 분리하는 적어도 2개의 금속 카바이드 포일 부분들을 구비하는 다이아몬드 콤팩트.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 적어도 3개의 다결정 다이아몬드 부분들 및 상기 적어도 2개의 금속 카바이드 포일 부분들은 저부면으로부터 정상면까지 제 1 다결정 다이아몬드 부분, 제 1 금속 카바이드 포일 부분, 제 2 다결정 다이아몬드 부분, 제 2 금속 카바이드 포일 부분, 및 제 3 다결정 다이아몬드 부분을 포함하는 부분들을 갖는 수직 교번 복합물(vertical alternating composite)을 형성하는 다이아몬드 콤팩트.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 금속 카바이드 포일 부분들 중 적어도 하나의 금속 카바이드 포일 부분은, 상기 적어도 3개의 다결정 다이아몬드 부분들 중 적어도 2개의 다결정 다이아몬드 부분들을 분리하고 분리된 상기 적어도 2개의 다결정 다이아몬드 부분들 중 적어도 하나를 둘러싸는 컵을 형성하는 다이아몬드 콤팩트.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 금속 카바이드 포일 부분은 몰리브덴, 니오븀(niobium), 지르코늄 또는 탄탈(tantalum) 또는 그 조합물들을 구비하는 다이아몬드 콤팩트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 다결정 다이아몬드 부분들은 다결정 다이아몬드 및 바인더를 구비하는 다이아몬드 콤팩트.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 바인더는 Si, Co, Fe, 또는 Ni, 또는 그 합금들 또는 그 조합물들을 구비하는 다이아몬드 콤팩트.
  11. 기판; 및
    다이아몬드 테이블을 구비하는 커팅 요소로서,
    상기 다이아몬드 테이블은
    적어도 2개의 다결정 다이아몬드(PCD) 부분들; 및
    2개의 다결정 다이아몬드 부분들을 분리하는 적어도 하나의 박막 금속층 부분을 구비하고, 상기 기판의 용융 바인더는 제 1 다결정 다이아몬드 부분 및 박막 금속층 부분을 통하여 제 2 다결정 다이아몬드 부분으로 스위프하는, 커팅 요소.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 다결정 다이아몬드 부분은 상기 기판과 접촉하고 상기 제 2 다결정 다이아몬드 부분은 상기 제 1 다결정 다이아몬드 부분보다 적은 수의 기판 입자들을 함유하는 커팅 요소.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판은 카바이드를 구비하는 커팅 요소.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판은 텅스텐 카바이드를 구비하는 커팅 요소.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판은 Si, Co, Fe, 또는 Ni, 또는 그 합금들 또는 그 조합물들을 구비하는 바인더를 추가로 구비하는 커팅 요소.
  16. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 커팅 요소의 제조 방법으로서,
    다이아몬드 분말을 반응 컨테이너에 배치하는 단계;
    상기 반응 컨테이너 내에서 상기 다이아몬드 분말 및 바인더 위에 또는 주위에 박막 금속층을 배치하는 단계;
    상기 반응 컨테이너 내에서 상기 박막 금속층 위에 또는 주위에 추가 다이아몬드 분말을 배치하는 단계;
    상기 반응 컨테이너 안으로 모든 다이아몬드 분말 및 박막 금속층 성분들 위에 바인더를 함유하는 사전-소결된 기판을 배치하는 단계; 그리고
    상기 반응 컨테이너를 반응기 안으로 넣고 상기 반응 컨테이너를 고온 고압(HTHP) 소결 공정을 받게 하는 단계;를 구비하는 커팅 요소의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 HTHP 소결 공정 중에, 상기 사전-소결된 기판 내의 바인더는 상기 추가 다이아몬드 분말을 소결하고 추가 다이아몬드와 상기 기판 사이에 일체 접합부를 형성하도록 상기 추가 다이아몬드 분말을 통해서 침투 또는 스위프(sweep)하고, 상기 바인더는 금속 카바이드를 형성하도록 금속과 추가로 반응하며, 그 후 상기 다이아몬드 분말을 소결하고 상기 금속 카바이드 및 추가 다이아몬드와의 일체 접합부를 형성하도록 상기 다이아몬드 분말 안으로 스위프하는, 커팅 요소의 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 금속 카바이드는 텅스텐 카바이드를 구비하는 커팅 요소의 제조 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 분말 및 추가 다이아몬드 분말은 다결정 다이아몬드의 상이한 등급들인 커팅 요소의 제조 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 분말 및 추가 다이아몬드 분말은 다결정 다이아몬드의 동일한 등급들인 커팅 요소의 제조 방법.
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