KR20030055267A - 촉매 물질이 고갈된 면을 갖는 다결정 다이아몬드 - Google Patents

촉매 물질이 고갈된 면을 갖는 다결정 다이아몬드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충격 세기의 손실없이 열적 퇴하에 매우 개선된 저항력을 갖는 초경질 다결정 다이아몬드 또는 다이아몬드형 요소를 제공한다. 공동적으로 명명된 PCD 요소들은 고온, 고압 프로세스에서 다인더-촉매 물질로 형성된다. PCD 요소는 촉매 물질을 포함하는 적어도 하나의 연속적인 틈새 매트릭스를 형성하는 다이아몬드 크리스탈간에 틈새와 적어도 하나의 연속적인 다이아몬드 매트릭스를 형성하는 다수의 부분 결합형 다이아몬드 또는 다이아몬드형 크리스탈을 구비한다. 요소는 작업면과 보디를 구비하며, 작업면에 인접한 보디에서 틈새 매트릭스의 일부분은 대체로 촉매 물질이 없으며, 나머지 틈새 매트릭스는 촉매 물질을 포함한다. 이는 절삭 어플리케이션에 더 높은 마멸 저항, 히트 싱크 어플리케이션에서 더높은 열 전달 용량으로 변환시키고, 중공 다이, 인덴터, 툴 심축, 및 마멸 요소를 포함하는 다수의 다른 어플리케이션에서 이점을 갖는다.

Description

촉매 물질이 고갈된 면을 갖는 다결정 다이아몬드{POLYCRYTALLINE DIAMOND WITH A SURFACE DEPLETED OF CATALYZING MATERIAL}
다결정성 다이아몬드 및 다결정성 다이아몬드상 요소는, 설명 상 목적으로 PCD 요소로 알려져 있다. PCD 요소는 이웃하는 원자들 사이의 특별히 짧은 원자사이 간격을 갖는 탄소계 물질로부터 형성된다. 다결정 다이아몬드형 물질의 하나의 유형은, 미국 특허 제 5,776,615호에 기재된 탄질화물(carbonitride, CN)으로 알려져 있다. PCD의 다른, 더 공통적 사용 형태는 하기에 더 상세히 기술되어 있다. 일반적으로, PCD 요소는 고온 고압 환경에서 처리된 물질의 혼합으로부터 사이결합 초강화 탄소계 크리스탈의 다결정성 매트릭스로 형성된다. PCD 요소의 공통의 특성은, 서비스 중에 상기 요소의 최대 활용 작동 온도에의 제한치를 때때로 부과하는 잔여물을 그들의 형성(formation) 도중에 촉매 물질로 활용하는 것이다.
PCD 요소의 주지된 제조 형태는, 다결정성 다이아몬드의 페이싱 테이블이 텅스텐 탄화물과 같은 보다 낮은 경도의 재질에 일체적으로 결합되는 2층 또는 다층의 PCD 요소이다. 이 PCD 요소는 원형이나 부분적 원형의 타블렛의 형태로 되거나, 또는 할로우 다이스, 히트 싱크, 마찰 베어링, 밸브의 표면, 인덴터(indentors), 툴 맨드릴 등에의 적용에 적합한 다른 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 유형의 PCD 요소는 확실한 마모 및 부식에 대한 내성이 있는 물질이 요망되는 대부분의 적용에서 활용될 수 있다. 상기 PCD 요소의 기재는, 초경 텅스텐 탄화물로 이루어진 캐리어에 때때로 땜납처리될 수 있다. 이것은, 드릴 비트의 소켓에 수납되거나, 또는 기계화를 위한 공작기계에서의 포스트에 고정될 때, 예를 들어, 고정 커터나 압연(rolling) 커터 어스 보링에서 절삭 요소로서 사용된다. 이들 PCD 요소는 통상 PDC 호칭된다.
PCD 요소의 다른 형태는, 일체형 기재가 없는 단일의 PCD 요소로서, 여기에서 기재는, 다결정성 다이아몬드의 테이블이 기계적 수단이나 결합 프로세스에 의해 도구 또는 작업면에 고정되는 기재를 의미한다. 이러한 PCD 요소는 다이아몬드 입자가 상기 요소 전체에 걸쳐 존재하는 상술한 바와는 다르다. 이러한 PCD 요소는 기계적으로 적소에 유지되고, 이들은 기재를 구비한 보다 큰 PCD 요소 내에 탑재되거나, 아니면, 땜납이나 용접 프로세스를 통해 결합되는 금속 층을 가지도록 제조되기도 한다. 이러한 다수의 PCD 요소는 예를 들어, 본문에 참조로 편입된 미국 특허 제 4,481,016호 및 4,525,179호에 개시된 바와 같이 단일의 PCD로부터 이루어질 수 있다.
PCD 요소는 고압, 고온의 프레스에서 적절한 결합-촉매 물질을 사용하여 다이아몬드 파우더를 소결하여 대부분 형성된다. 다결정성 다이아몬드를 형성하는 하나의 특정 기법은 본문에 참조로 편입된 미국 특허 제 3,141,746호에 개시되어 있다. PCD 요소를 제조하기 위한 하나의 공통 프로세스에 있어, 다이아몬드 파우더는 코발트를 혼합한 수행된 텅스텐 탄화물 기재의 표면에 인가된다. 그 어셈블리는 프레스 내의 아주 높은 온도와 압력의 지배하여 놓인다. 이러한 프로세스 도중에, 코발트는 상기 기재로부터 상기 다이아몬드 층으로 이동하고, 다이아몬드 입자를 다이아몬드-투-다이아몬드 본딩을 통해 서로 결합하도록 하고, 또 다이아몬드 층을 상기 기재에 결합하도록 하는 결합-촉매 물질로서 기능한다.
상기 완료된 PCD 요소는 상술한 바와 같이 바이더-촉매 물질을 함유하는 많은 틈새를 가지고 상호 결합된 다이아몬드 크리스탈의 적어도 하나의 매트릭스를 구비한다. 상기 다이아몬드 크리스탈은 다이아몬드의 제1 연속성 매트릭스와, 결합-촉매 물질을 함유하는 틈새의 제2의 연속성 매트릭스를 형성하는 틈새를 구비한다. 게다가, 다이아몬드 투 다이아몬드 성장이 소정의 결합-촉매 물질을 캡슐화하는 비교적 적은 영역을 필요로 한다. 이들 아일런드(islands)는 결합-촉매 물질의 연속성 틈새 매트릭스의 일부는 아니다.
한가지 공통 형태에서, 다이아몬드 요소는 체적의 85% 내지 95%를 구성하고 결합-촉매 물질은 5% 내지 15%를 구성한다. 그러한 요소는 약 400도C의 온도에서 시작하는 격자형 코발트 결합-촉매 물질와 다이아몬드 매트릭스간에 상이한 열적 팽창으로 인하여 열적 퇴하되기 싶다. 충분한 팽창시 다이아몬드-투-다이아몬드 결합이 파열되고 크랙과 칩(chip)들이 발생한다.
또한, 다결정성 다이아몬드에서, 상기 다이아몬드 매트릭스의 다이아몬드 크리스탈에 고착하는 틈색 영역에서의 결합-촉매 물질은, 열적 퇴화를 갖는 다른 형태를 유도한다. 상기 결합-촉매 물질의 제공에 기인하여, 온도가 증대함에 따라 흑연화되도록 하고, 대략 750 의 작동 온도를 한정하게 된다.
비록 코발트가 결합-촉매 물질로서 통상 사용되더라도, 코발트, 니켈, 철, 및 그의 합금을 포함하는 임의의 그룹 VIII 요소가 채용될 수 있다.
열적 퇴화를 저감시키기 위해, 소위 열적 안정(thermally stable) 다결정 다이아몬드 구성요소가 여기에 모두를 위해 참조로 통합되는 미국 특허 제 4,224,380 에 개시된 바와 같이, 내절삭 및/또는 내마멸성 요소를 위해 PCD 요소를 예비형성함에 따라 제공된다. 열적 안정화 PCD 요소의 일 유형에 있어, 종래의 다결정성 다이아몬드에서의 코발트나 다른 결합-촉매 물질은 형상화 이후 연속성 틈새 매트릭스로부터 걸러(leach out)진다. 이는 다이아몬드의 온도 저항력을 약 1200도C까지 증가시킬 때, 용탈 프로세스(leaching process)는 또한 접합된 카바이드 기판을 제거한다. 게다가, 어떠한 무결성 기판 또는 다른 결합형 기판이 없으므로, 실시중에 사용하기 위해 그러한 물질을 갖출시 심각한 어려움들이 있다.
통상, 이러한 "열적 안정" PCD 요소를 위한 제조 기법은 약 80% 이사의 비교적 낮은 다이아몬드 밀도를 제공한다. 이러한 낮은 다이아몬드의 밀도는 완전한 용탈 프로세스를 가능하게 하지만, 제공되는 마무리 부분은 충격 강도 상 비교적 약화된다.
열적 안정 다결정성 다이아몬드의 다른 형태에 있어, 실리콘이 촉매 물질로서 사용된다. 실리콘 촉매 물질을 사용하여 다결정성 다이아몬드를 마련하기 위한 프로세스는, 통합(synthesis)의 온도와 압력에서, 대부분의 실리콘이 유효한 촉매물질이 아닌 실리콘 탄화물을 형성하도록 재반응하는 것을 제외하고는 상술한 바와 아주 유사하다. 상기 열저항은 일부 증진되지만, 열적 퇴화는 상기 틈새 매트릭스의 틈새에 균일하게 분포된 소정의 잔여 실리콘이 남아있는 데 연유하여 여전히 발생한다. 재차, 결합성 표면이 없는 관계로, 이러한 유형의 PCD 요소에서는 마운팅에 관련한 문제가 존재한다.
최근에는, 추가 타입의 PCD가 다이아몬드의 파우더를 소결시킬 때, 마그네슘, 칼슘, 스트론듐 및 바륨의 가루 상태의 탄산염과 같은 탄산염이 결합-촉매 물질로서 사용될 수 있게 되었다. 이러한 유형의 PCD는 이전 유형의 PCD 요소보다 더 큰 내마멸성과 경도를 가지고 있다. 다만, 이 물질은 종래의 경우보다 소결하기에 보다 높은 압력과 열적 안정 다결정성 다이아몬드를 필요로 하기 때문에 상업적인 스케일로 제공되기가 어렵다. 이러한 연유로, 이러한 기법에 의해 제조된 다결정성 다이아몬드의 바디는 종래의 다결정성 다이아몬드 요소의 경우보다 더 작게 된다. 또, 잉여 결합-촉매 물질이 상기 틈새내에 잔존하는 관계로, 열적 퇴화가 여전히 뒤따른다. 또한, 일체형 기재나 다른 결합성 표면이 없기 때문에, 작업면에 이러한 물질을 마운팅하기가 어렵다.
사용으로 증진된 온도 안정성을 부여하도록 마운팅 시스템과의 열적 안정 PCD와의 조합에 대한 노력은, 그들의 낮은 충격 강도에 기인하여 바람직한 정도로 성공적이지는 않았다. 예를 들어, 다중 PCD 요소를 마운팅하기 위한 수많은 기법이본문에 참조로 편입된 미국 특허 제 4,726,718호, 5,199,832호, 5,025,684호, 5,238,074호, 및 6,009,963호에 개시되어 있다. 비록, 다수의 이러한 설계가 상업적 성공을 거두었지만, 이러한 설계(design)는, 비-열적 안정성 PCD에서 달성 가능한 인성의 수준을 유지하면서, 높은 내마멸성 및/또는 내마모성의 조합으로 부분적으로 성공하지는 않았다.
표면을 위한 다른 타입 다이아몬드나 다이아몬드 상 코팅은, 본문에 참조로 편입된 미국 특허 제 4,976,324호, 5,213,248호, 5,337,844호, 5,379,853호, 5,496,638호, 5,523,121호, 및 5,624,068호에 개시되어 있다. 또한, 이와 유사한 코팅이, 높은 적재의 도구 표면을 위해, 영국 특허 공개 제 2,268,768호, PCT 공개 제 96/34,131호 및 유럽특허 공개 제 500,253호, 787,820호, 및 860,515호에 개시되어 있다. 이들 공보에서, 다이아몬드 및/또는 다이아몬드 상 코팅은 내마멸성 및/또는 내마모성을 위해 표면들에 적용되는 것으로 예시되어 있다.
상기의 응용 대부분에서는, 물리적 기상 증착(PVD) 및/또는 화학적 기상 증착(CVD) 프로세스가 다이아몬드나 다이아몬드 상 코팅을 인가하는 데 사용된다. PVD 및 CVD 다이아몬드 코팅 프로세스는, 공지되어 있고, 예를 들어, 본문에 참조로 편입된, 미국 특허 제 5,439,492호, 4,707,384호, 4,645,977호, 4,504,519호, 및 4,486,286호에 개시되어 있다.
다이아몬드나 다이아몬드 상 코팅을 갖는 표면을 도포하기 위한 PVD 및/또는 CVD 프로세스는, 예를 들어, 다이아몬드의 표면 상에 밀접하게 팩키지화된 일조의 에픽텍셜 배향 크리스탈이나 다른 초경 크리스탈을 제공하도록 사용될 수 있다. 비록 이러한 물질이, 아주 밀접하게 팩키지화되기 때문에 아주 높은 다이아몬드 밀도를 가지기는 하지만, 인접한 크리스탈들 사이에서의 다이아몬드 투 다이아몬드 결속이 상당한 양에 이르지 않아, 전체적으로 매우 약화시키게 되고, 또 높은 전단 하중이 걸릴 때 파손되기가 쉬워진다. 결과적으로, 이들 코팅이 아주 높은 다이아몬드 밀도를 가지더라도, 기계적으로 약화되기가 쉬워, 절삭 요소, 베어링 장치, 마모 요소 및 다이스 등과 같은 아주 높은 하중적용 기술에 적용할 때, 아주 약한 충격 인성과 내마모성을 초래하게 된다.
텅스텐 탄화물 기재에 응용하고, 미국 특허 제 5,264,283호, 5,496,638호, 및 5,624,068호에 기재된 바와 같이, 고온 고압 환경에서의 일련의 프로세싱에 따라 이러한 다이아몬드나 다이아몬드 상 코팅의 인성 및 내마멸성을 증진하기 위해 소정의 시도가 이루어져 왔다. 비록 이러한 유형의 프로세싱이 다이아몬드 층의 내마멸성을 증진시키더라도, 높은 밀도의 다이아몬드 층과 기재 사이에서의 돌연의 전이가 아주 낮은 응력에서 교환(interface) 시, 대대적인 파손에 다이아몬드 층이 민감하게 이루어지게 된다. 이것은 서비스 상, 아주 낮은 인성과 내충격성을 이루게 된다.
베어링 물질로서 상호 접하여 사용되는 다른 그룹 VIII의 금속 결합-촉매 물질나 코발트로 PCD 요소가 이루어지면, 마찰 계수가 사용으로 증가하는 경향이 있는 것으로 판명되었다. 유럽 특허 출원 제 617,207호에 개시된 바와 같이, PCD 베이링 요소의 표면으로부터 서비스 상 축조될 수 있는 코발트-풍부한 트리보필름(tribofilm)의 제거(염화수소산 와이프(wipe)의 사용에 의함)가, 본 문제를 경감할 수 있음이 판명되었다. 명백히, 2개의 PCD 요소가 베어링으로서 서로 기능할 때, 증가된 마찰을 야기하는, 상기 표면에서의 PCD로부터 소정의 코발트를, 조작 도중에 상기 베어링의 부하 영역으로 이동하는 것으로 고려된다. 이러한 코발트 소스는, 상기 엑시드 와이프 구제책(remedy)이 표면의 상당한 깊이 이하로 코발트를 유효하게 제거할 수 없음에 따라, 상기 베어링 요소의 마무리 프로세스의 생성물에 의한 잉여물로 됨은 물론이다.
상기 코발트는 상기 PCD의 표면으로부터만 제거되기 때문에, 이들 베어링 요소에서 열적 퇴화가 발생하는 온도로 유효하게 변경되지 않는다. 따라서, 결합-촉매 물질의 유해한 영향이 남아있고, 상기 촉매 물질의 제공에 기인한, 상기 다이아몬드 층의 열적 퇴화가 여전히 발생한다.
본 발명은, 마모, 절삭, 드로잉 및 다른 응용 즉, 엔지니어가공된 초강도 표면이 요망되는 분야에서의 활용을 위한 초강도의 다결정성 물질 요소에 관한 것이다. 본 발명은 상당히 증진된 내마모성을 갖는 다결정성 다이아몬드 및 다결정성 다이아몬드상(PCD라 통칭함) 요소 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
도 1A는 본 발명의 일반적인 PCD 요소이다.
도 1B는 절삭 요소로서 예시된 본 발명의 일반적인 PCD이다.
도 2는 본 발명의 PCD 요소를 사용하는 고정 절삭기 로터리 드릴 비트의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 PCD 요소를 사용하는 롤링 절삭기 로터리 드릴 비트의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 PCD 요소를 이용하는 기계 툴에 사용되는 삽입 부재의 사시도이다.
도 5는 롤링 절삭기 드릴 비트와 고정 절삭기 드릴 비트에 사용하기에 적합한 돔형 PCD 요소의 사시도이다.
도 6은 틈새 영역에 있는 결합-촉매 물질을 나타내는 종래 기술의 PCD 요소 표면의 현미경 사진이다.
도 7은 틈새 영역에 촉매 물질을 지닌 제 1 부분과 틈새 영역에 촉매 물질이 없는 제 2 부분을 나타내는 본 발명의 PCD 요소의 현미경 사진이다.
도 8은 개별 크리스탈의 틈새 영역과 결정학적 배향을 지닌 결합형 다이아몬드 크리스탈을 나타내는 종래 기술의 PCD 요소의 마이크로-구조도이다.
도 9는 PCD 요소의 표면에 비례하여 촉매 물질 자유 영역의 깊이를 지시하는, 도 7에 예시된것과 같은 본 발명의 PCD 요소의 마이크로-구조도이다.
도 10은 본 발명의 PCD 요소의 몇가지 실시예의 상대적 마모율의 그래프이다.
도 11A는 본 발명의 PCD 요소의 밀봉형 PCD 실시예의 정면도이다.
도 11B는 본 발명의 PCD 요소의 다른 밀봉형 PCD 실시예의 단면도이다.
도 11C는 본 발명의 PCD 요소의 또 다른 밀봉형 PCD 실시예의 단면도이다.
도 12A는 본 발명의 PCD 요소의 다른 실시예에 대해 적용되는 CVD/PVD의 사이도이다.
도 12B는 도 12A에 예시된 본 발명의 PCD 요소의 실시예의 크리스탈 구조의 확대 사시도이다.
도 13은 본 발명의 PCD 요소를 갖는 와이어 인출 다이의 단면도이다.
도 14는 본 발명의 PCD 요소를 갖는 히트 싱크의 사시도이다.
도 15는 본 발명의 PCD 요소를 갖는 베어링의 사시도이다.
도 16A와 16B는 본 발명의 PCD 요소를 갖는 밸브의 연결 부분의 정면도이다.
도 17A는 본 발명의 PCD 요소를 갖는 인덴터(indentor)의 측면도이다.
도 17B는 본 발명의 PCD 요소를 갖는 펀치(punch)의 부분 측면도이다.
도 18은 본 발명의 PCD 요소를 갖는 측정 디바이스의 사시도이다.
본 발명은 충격 강도의 손실 없이 열적 퇴하에 아주 증진된 내마멸성을 갖는 초경의 다결정성 다이아몬드나 다이아몬드 상 요소를 제공한다. 본 명세서 상에서 통칭을 목적으로 하는 PCD 요소는, 고온, 고압 프로세스에서 결합-촉매 물질로 형성된다. 상기 PCD 요소는 적어도 하나의 연속성 다이아몬드 매트릭스를 형성하는 다수의 부분적으로 결합된 다이아몬드 또는 다이아몬드-유사 크리스탈과, 상기 다이아몬드 크리스칼간에 촉매 물질을 포함하는 적어도 하나의 연속성 틈새 매트릭스를 형성하는 틈새를 갖는다. 상기 요소는 작업면에 인접한 바디에 틈새 매트릭스의 일부분이 대체로 촉매 물질이 없으며, 나머지 틈새 매트릭스가 촉매 물질을 포함하는 바디와 작업면을 구비한다.
PCD 요소의 바디위에있는 작업면의 일부분은 사후 -처리되어 초경질 크리스탈간의 틈새들은 대체로 촉매 물질이 없다. 상기 촉매 물질이 실제로 없는 작업면은, 상기 작업면의 다른 영역에서 직면하는 열적 퇴화에 지배되지는 않아, 열적 퇴하에 증진된 내마멸성을 제공하게 된다. 절삭 요소에 있어, 상기 프로세싱된 작업면은 상기 보디의 페이싱 테이블의 일부, 상기 보디의 주변 표면의 일부, 또는 모든 이러한 표면의 일부로 될 수 있다.
다른 실시예에 있어, 상기 촉매 물질은, 코발트나 다른 철 그룹의 금속이고, 상기 촉매 물질을 줄이는 기법은, 산성 식각 프로세스(acid etching)에서 PCD 요소의 표면 근처에 틈새로부터 걸러내는 것이다. 상기 표면에서 촉매 물질을 제거하는 방법은 전기 방출(electrical discharge)이나, 다른 전기적 또는 갈바니 프로세스 또는 증발 프로세스에 의해 이루어질 수 있음이 예견된다.
다른 실시예에 있어, 촉매 물질은 다른 물질와 화학적으로 결합시킴으로써 PCD 요소의 작업면으로부터 후속적으로 제거되어 더이상 촉매 물질로서 역할을 하지 않는다. 이러한 방법에서, 물질은 다이아몬드 크리스탈간의 틈새들에 남아있지만, 그 물질은 효과적으로 촉매 물질을 제거 또는 고갈시킴으로써 촉매 물질로서 더 이상 역할을 하지 않는다.
다른 실시예에 있어, 촉매 물질은 촉매 물질로서 더 이상 역할을 하지 않는 물질로 변형시킴으로써 제거된다. 이는 크리스탈 구조 변화, 기계적 "작업", 열처리 또는 다른 처리 방법에 의해 달성된다. 이러한 방법은 비-금속 또는 비-반응 촉매 물질에 적용된다. 또, 물질은 초경질 물질 크리스탈간의 틈새에 남아있지만, 그물질은 효과적으로 촉매 물질을 제거 또는 고갈시킴으로써 촉매 물질로서 더 이상 역할을 하지 않는다.
다수의 부분 결합성 다이아몬드 크리스탈, 촉매 물질, 틈새 매트릭스 작업면을 갖는 보디로 이루어지는 요소가 개시되어 있다. 상기 작업면에 인접한 보디의 틈새 매트릭스는, 실제로 촉매 물질이 없으며, 그 나마지 틈새 매트릭스는 촉매 물질을 함유한다.
마찬가지로, PCD 요소는, 촉매 물질, 틈새 매트릭스, 및 작용면을 갖는 보디를 구비하여 개시되어 있다. 상기 작업면에 인접한 보디의 틈새 매트릭스는 실제로 촉매 물질이 없고, 그 나머지 틈색 매트릭스는 촉매 물질을 함유한다.
또한, PCD 요소는 다수의 초경질 크리스탈, 촉매 물질 및 작업면을 갖는 보디를 구비하여 개시되어 있다. 이 요소에서, 작업면으로부터 적어도 0.1mm 깊이내의 보디에 다수의 크리스탈들은 대체로 촉매 물질이 없는 표면을 가지며 나머지 크리스탈들은 촉매 물질와 접촉한다.
게다가, PCD 요소는 작업면을 갖는 보디를 구비하여 개시되어 있다. 상기 작업면으로부터 원격지에 있는 보디의 제1 용적은 촉매 물질을 포함하고, 상기 작업면에 인접한 보디의 제2 용적에는 실제로 촉매 물질을 함유하고 있지 않다.
또한, 요소는 다수의 부분 결합형 다이아몬드 크리스탈, 촉매 물질, 및 작업면을 갖는 보디를 구비하여 개시되어 있다. 작업면에 인접한 보디의 용적은 보디의 어떤 곳보다도 대체로 높은 다이아몬드 밀도를 가지며 그 용적은 대체로 촉매 물질이 없다.
또한, PCD 요소는 작업면을 갖는 보디를 구비하여 개시되어 있다. 작업면에 인접한 보디의 용적은 보디의 어떤 곳보다도 대체로 높은 다이아몬드 밀도를 가지며, 그 용은 대체로 촉매 물질이 없다.
또한, 프리폼의 절삭 요소가 개시되어 있다. 상기 요소는 다수의 부분 결합형 초경질 크리스탈, 초경질 크리스탈간에 다수의 틈새 영역 및 촉매 물질을 갖는 초경질 다결정 물질의 페이싱 테이블(facing table)을 갖는다. 페이싱 테이블은 절삭면과 보디를 갖는다. 절삭면의 적어도 일부분의 틈새 영역들은 대체로 촉매 물질이 없으며 나머지 틈새 영역들은 촉매 물질을 포함한다.
본 발명의 PCD 요소는 마모, 절삭, 드로잉 및 공학 설계된 다이아몬드 표면이 요망되는 다른 응용기술에 사용될 수 있다. 특정 응용은 할로우 다이스, 히트 싱크, 마찰 베어링, 밸브 표면, 툴 맨드릴(일명, 용구의 회전축)과 같은 롤링 커터 타입 및 고정형 커터 타입 중의 회전 드릴 비트에서의 절삭 요소와 같다. 본 발명의 PCD 요소는 연마 목재 제품, 철 및 비철 물질 및 돌과 아스팔트 등과 같은 하드 또는 연마 공학 물질을 기계가공하는 데 사용된다.
본 발명의 다결정성 다이아몬드 또는 다이아몬드형 물질(PCD) 요소(2)는, 도 1adp 예시되어 있다. 상기 PCD 요소(2)는 다수의 부분적 결합성 초경 다이아몬드 또는 다이아몬드상 크리스탈(60, 도 7 및 도 9에 도시함), 촉매 물질(64) 및, 상기 크리스탈(60) 사이의 틈새(62)에 의해 형성된 틈새 매트릭스(68)를 구비한다. 또 상기 요소(2)는 하나 이상의 작업면(4)과, 다이아몬드 크리스탈(60)과, 상기 PCD 요소(2)의 보디(8)의 용적을 형성하는 틈새(62)를 구비한다.
상기 작업면(4)은, 작동 상 가공될 대상물과 접촉하는 PCD 보디(8)의 임의의 부분이다. 본 명세서에 있어, 상기 작업면(4)이 거론될 때, 작업면으로서 노출 및/또는 채용되는 상기 보디(8)의 임의의 부분에 적용됨은 물론이다. 더욱이, 상기 작업면(4)의 어느 한 부위는 작업면 내에 있을 수도 있고, 그 자체로 될 수도 있다.
고온, 고압의 조건 하에서 제조 도중에, 상기 크리스탈(60) 사이의 틈새(62)는 상기 크리스탈(60) 사이에 결합들이 형성되는 것처럼 촉매 물질(64)로 충전된다. 이 제조 상 추가 단계에서, 상기 소정의 촉매 물질(64)는 소정의 틈새(62)로부터 선택적으로 고갈된다. 이러한 고갈의 결과로서, 상기 작업면(4)로부터 원격지에 있는 PCD 요소(2)의 보디(8)의 제1 용적은 촉매 물질(64)를 함유하고, 상기 작업면(4)으로부터 인접한 보디(8)의 제2 용적은 실제로 촉매 물질(64)를 함유치 않는다. 상기 촉매 물질(64)가 실제로 없는 틈새(62)는 부호(66)로 명기되어 있다.
따라서, 상기 작업면(4)의 최소 부위에 인접한 틈새 매트릭스(68)는, 실제로 촉매 물질(64)를 함유치 않고, 그 나머지 틈새 매트릭스(68)는 촉매 물질(64)를 함유한다. PCD 요소(2)는 보다 덜 경화한 물질, 통상 초경 텅스텐 탄화물의 기재(6)에 사용되지만, 기재(6)의 사용이 필수적이지는 않다.
상기 작업면(4)에 인접한 보디는 실제로 촉매 물질(64)를 함유하지 않기 때문에, 상기 촉매 물질(64)의 제공에 기인한 작업면(4)의 열적 퇴화가 효과적으로 제거된다. 그 결과로서, 상기 소위 열정 안정 PCD 요소라 불리우는 진보된 열적 성능을 갖는 신규한 PCD 요소(2)가 발생되고, 그러면서도 인성, 제조상 용이화 및 종래의 PDC 요소의 결합 능력을 유지한다. 이것은 절삭 응용기술에서의 보다 높은 내마멸성, 히트 싱크 기술에서의 보다 높은 열 전달, 베어링 기술에서의 보다 높은 부하 능력, 밸브 기술에서의 보다 낮은 표면 왜곡으로 변형되고, 할로우 다이스, 인덴터, 툴 맨드릴 및 마모 요소를 포함한 수많은 다른 기술에서 잇점을 가진다. 이러한 잇점은, 상기 요소들에서의 충격 강도의 손실없이 획득된다. 신규한 PCD 요소의 특정 기술에서의 상세 내역은 본 명세서에 후술되어 있다.
도 6에서의 선행 기술 상의 PCD 요소의 광학-미세사진과, 도 8에서의 선행 기술 상의 PCD 요소의 미세구조상 표시를 참조하면, 각각의 크리스탈(60)의 분할 평면(cleavage planes)을 나타내는 평행선으로 표시된 다이아몬드나 다이아몬드상 크리스탈(60)의 랜덤한 결정학적 배위가 있음이 알려져 있다. 예시된 바와 같이, 인접한 크리스탈(60)은 그들 사이의 틈색 공간(62)과 함께 결합되어 있다. 상기 분할 평면은 인접한 크리스탈(60) 상에서의 방향과 다르게 배향되기 때문에, 다이아몬드 파손(fracture)을 위해 가용한 직선형 경로가 없다. 이러한 구조는 PCD 물질로 하여금 높은 충격 하중이 통용되는 극도의 부하 환경에서 잘 수행되게끔 한다.
고온, 고압 프레스에서 크리스탈(60)을 결합하는 프로세스에 있어서, 상기 크리스탈(60) 사이의 틈새 공간(62)은 결합-촉매 물질(64)로 충전된다. 이러한 촉매 물질(64)로 인해, 상기 결합(bonds)은 프레스에 제시된 상대적으로 낮은 압력과 온도에서 인접 다이아몬드 크리스탈(60)간에 형성된다.
고온, 고압 프레스에서 크리스탈(60)을 결합하는 프로세스에서, 상기 크리스탈(60) 사이의 틈새 공간(62)은 결합-촉매 물질(64)로 충적된다. 이러한 촉매 물질(64)로 인해, 상기 결합(bonds)이 상기 프레스에 제공된 비교적 낮은 압력과 온도에서 이웃하는 다이아몬드 크리스탈(60) 사이에 형성되게끔 한다.
종래 PCD 요소는 결합-촉매 물질(64)을, 통상적으로 코발트 또는 다른 그룹Ⅷ 원소, 함유하는 많은 틈새(62)와 서로 결합하는 적어도 하나의 연속 크리스탈(60) 매트릭스를 가진다. 크리스탈(60)은 다이아몬드의 제1 연속 매트릭스를 포함하며 그리고 틈새(62)는 결합-촉매 물질을 함유하는 틈새 매트릭스(68)로서 알려진 틈새(62)의 제2 연속 매트릭스를 형성한다. 추가로, 다이아몬드-다이아몬드 성장이 결합-촉매 물질의 몇몇을 둘러싸는 상대적으로 적은 구역이 필요하다. 이런 고립 구역은 결합-촉매 물질(64)의 연속 틈새 매트릭스(68)의 부분이 아니다.
도7 및 9를 참조하면, 본 발명의 PCD 요소(2)의 단면을 도시되어 있다. PCD 요소(2)는 상술된 종래의 PCD 요소와 같은 방법으로 형성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 예비 세정작업 또는 제조공정에서 그 후의 소정의 시간 후에, PCD 요소(2)의 작업 표면(4,70,72)은 인접 바디로부터 결합-촉매 물질의 부분을 제거하는 방법으로 처리된다. 결과는 작업표면에 인접한 다이아몬드 결정(60)사이의 틈새(62)는 도면 번호(66)으로 표시된 촉매 물질(64)에 실질적으로 자유롭다는(free of) 것이다. 촉매 물질(64)에 자유로운 작업 표면(4,70,72)의 부분에는 PCD의 다른 구역에서 마주치는 열 분해(thermal degradation)가 일어나지 않아서, 그 결과 열 특성이 개선된다.
틈새(62)로부터 촉매 물질(64)을 제거 또는 고갈시키는 많은 방법이 있다. 하나의 방법으로, 촉매 물질(64)은 코발트 또는 다른 철 그룹 물질이여, 그리고 촉매 물질(64)을 제거하는 방법은 산 에칭 공정에서 PCD 요소(2)의 작동 표면(4,70,72) 근처에서 틈새로부터 약 0.2mm보다 큰 깊이로 걸러내는 것이다. 그 표면 근처로부터 촉매 물질(64)을 제거하는 방법은 전기 방전 또는 다른 전기적 또는 갈바니 공정 또는 증발에 의할 수 있는 것도 가능하다.
틈새(62)로부터 촉매 물질(64)을 고갈시키는 또 다른 방법에서, 촉매물질(64)은 또 다른 물질과 얼로잉(alloying)과 같은 화학적 결합에 의해 고갈되어 더 이상 촉매 물질로서 작용하지 않게 된다. 이 방법에서, 물질은 다이아몬드 크리스탈(60)사이에 틈새가 남아있을 수 있으나, 그 물질은 촉매 물질(64)로서 더 이상 작용하지 않고 효과적으로 제거된다.
틈새(62)로부터 촉매 물질(64)을 고갈시키기 위한 또 다른 방법에서, 촉매 물질(64)은 더 이상 촉매 물질로서 작용하지 않는 물질로 변함으로써 제거된다. 이것은 크리스탈 구조 변경, 상 변경, 기계적 작용, 열 처리 또는 다른 처리 방법에 의해 이루어질 수 있다. 이 방법은 비-금속 또는 비-반응성 촉매 물질에 적용될 수 있다. 다시, 물질이 다이아몬드 크리스탈 사이의 틈새(62)에 남아있을 수 있으나, 그 물질은 촉매 물질(64)로서 더 이상 작용하지 않아 효과적으로 촉매 물질은 제거된다.
작용 표면(4,70,72)에 인접한 촉매 물질(64)이 비효율적으로 정제되면(rendered), 본 발명의 PCD 요소(2)는 종래의 PCD 요소에서 발생하는 것으로 알려진 열 분해형태로 될 여지가 더 이상 없다. 상술된 바와 같이, 촉매 물질(64)에 의해 야기되는 것으로 알려진 두가지 모드(mode)의 열 분해가 존재한다. 열 분해의 제1모드는 약 400℃이하의 온도에서 시작되는데 틈새(62)의 촉매 물질(64)과 크리스탈(60)사이의 다른 열팽창 때문이다. 충분한 열팽창시, 다이아몬드-다이아몬드 결합은 파열될 수 있고 크랙 및 칩이 발생할 수 있다.
열 분해의 제2모드는 약 750 ℃의 온도에서 시작한다. 이 모드는 결합-촉매 물질(64)을 크리스탈(60)에 접촉시키는 촉매 능력에 의해 일어나고, 그리고 크리스탈이 약 750℃에 가까운 온도로서 크리스탈(60)이 흑연화(graphitize)되도록 한다. 크리스탈(60)이 흑연화될 때, 그것들은 크랙되고 바디(4)로부터 분해되어 체적이 크게 증가한다. 다이아몬드 크리스탈(60)의 표면의 촉매 물질(64)의 수 미크론의 두께도 이 모드를 열 분해 시킬 수 있다.
그러므로 당업자는 최대의 효과를 위해 크리스탈 물질(64)은 다이아몬드 크리스탈(60)사이의 틈새로부터 그리고 다이아몬드 크리스탈(60)의 표면으로부터 모두에서 제거되어야만 한다는 것을 인식할 수 있다. 만약 촉매 물질(64)은 다이아몬드 크리스탈(60)의 표면 및 틈새(62) 모두로부터 제거된다면 그 구역의 다이아몬드 크리스탈(60)을 위한 열 분해의 개시는 약 1200℃까지 도달할 것이다.
이 이중 분해 모드는, 그러나, 몇몇 예측하지 못한 이익을 제공한다. 예를 들면, 많은 응용예에서 작업 표면의 마모 비율을 설계하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는, 이것이 처리 공정을 변경하여 달성되어, 최대 마모 비율을 요구하는 영역에서, 크리스탈 물질이 틈새(62)로부터 그리고 다이아몬드 크리스탈(60)의 표면으로부터 고갈된다. 적은 마모가 바람직한 영역에서는, 예를 들면 자생작용 툴(self sharpening tool)에서 이런 영역들은 틈새(62)로부터 촉매 물질(64)을 우선적으로 고갈시키도록 처리되나, 다이아몬드 크리스탈(60)의 전부가 아니라면 몇 개라도 촉매 물질(64)과 접촉하도록 남아있게 된다.
촉매 물질(64)을 틈새(62)로부터 보다는 다이아몬드 크리스탈(60)의 표면으로부터 제거하는 것이 더 힘들다는 것은 또한 명백하다. 이러한 이유로, 촉매 물질이 고갈되는 방법에 따라 열 분해를 효과적으로 고갈시키도록 하기 위하여, 작업표면(4)으로부터 촉매 물질(64)의 감소 깊이는 촉매 물질(64)을 고갈시키기 위해 사용되는 방법에 다라서 매우 다양할 수 있다.
몇몇 예에서, 400℃와 750℃사이에서 열 역치(thermal threshold)의 개선이 적당하며, 그러므로 다소 약한 강도의 촉매 물질(64) 감소 공정이 허용된다. 결론적으로, 특정한 적용을 위해 요구되는 촉매 물질(64) 감소의 수준을 달성하기 위하여 적용될 수 있는 촉매 물질(64) 감소 방법의 많은 조합이 있음을 인식할 수 있다.
이 명세서에서, '실질적으로 자유(substantially free)' 란 용어가 틈새(62)내, 틈새 매트릭스(68)내, 또는 바디(8)의 체적내의 촉매 물질(64)을 가르키기 위해 사용될 때, 그것은 인접한 다이아몬드 크리스탈(60)이 표면의 전부 또는 많은 부분이 촉매 물질(64)의 코팅을 가지고 있음을 이해하여야만 한다. 유사하게 용어 "실질적으로 자유"가 크리스탈 다이아몬드(60)의 표면의 촉매 물질(64)과 관련되어 사용될 때, 인접한 틈새(62)에 촉매 물질(64)이 여전히 존재할 수 있다.
촉매 물질(64)이 제거 또는 고갈되면, 열 분해를 위한 두 개의 주 메카니즘이 더 이상 존재하지 않는다. 그러나, 촉매 물질(64)이 존재하는 크리스탈(60)의 분해 온도 이하로 열 이벤트(event)에 의해 발생된 열을 결합된 크리스탈(60)이 전도배출 하도록 충분한 깊이에서 촉매 물질(64)이 제거되어야만 한다는 것이 밝혀졌다.
한 세트의 연구소 실험에서, 열은 절삭 요소(10)로서 형상화된 PCD 요소(2)로 들어갔다. 이 실험이 이런 절삭 요소를 위한 표준 마모 실험으로서 설계되었기때문에, 그것은 촉매 물질(64) 제거의 다양한 깊이를 가지고 절삭 요소(10)의 정당한 비교를 제공한다. 이 실험들에서, 관심사는 틈새(62)로부터 및 다이아몬드 크리스탈(60)의 표면으로부터 촉매 물질(64)을 제거하는 고갈 공정을 확인하는데 주어졌다. 이 실험은 열의 반복 입력이 공지의 간격 시간동안 PCD 절삭 요소(10)의 절삭 모서리에 가해지도록 설계되었다.
실험이 완료되었을 때, 마모 인덱스(index)가 계산되었다. 마모 인덱스가 높으면 높을수록 마모 저항은 더 나아졌다. 이 실험의 본질 덕택에, 증가된 마모 인덱스 수는 절삭 요소(10)의 작업 표면(70,72)의 열분해의 증가된 저항성을 나타내는 것으로 여겨진다.
도 10의 그래프에서 곡선 A에서 보여지는 바와 같이, 촉매 물질(64)감소 깊이에 도달될 때 절삭 요소(10)에 대한 마모 인덱스 결과에서 극적인 증가가 존재한다. 그러므로, 절삭 요소(10)에서 통상적인 형태의 열 입력에 대하여, 촉매 물질(64)이 틈새(62)로부터 그리고 다이아몬드 크리스탈(60)의 표면으로부터 제거 될 때 0.1 mm 깊이는 작업표면(4,70,72)으로부터 크리티컬한 고갈 깊이이다.
다른 실험에서, 촉매 물질(64)을 제거하기 위한 더 경제적인 공정으로 만들어진 절삭 요소(10)에서, 마모 대 고갈의 깊이는 대략 도10의 "곡선 B"로 나타난 것으로 믿어진다. 이러한 절삭기에서 사용된 촉매 물질(64) 고갈 공정은 다이아몬드 크리스탈(60)의 표면으로부터 촉매 물질(64)을 제거하는데 곡선'A'의 공정만큼 효과적이지 않다. 그러므로, 마모율은 곡선['A']의 비율만큼 개선되는 것은 대부분의 촉매 물질(64)이 틈새(62)로부터 약 0.2mm의 깊이로 제거 될 때까지는 아니다.
도10의 곡선 'C'에 도시된 바와 같은 마모율에 관련한 열 감퇴가 그것이 이득이 되는 PCD 요소(2)들로 엔지니어 가공될 수 있음이 신뢰된다. 예를 들어, 중심 점보다 신속하게 마모하도록 접촉 중심으로부터 원거리에 곡면 절삭 요소(10)들의 에지들을 가지는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 평면이되는 것 보다는 오히려 곡면형의 절삭 요소를 유지하는 경향이 있다.
증진된 열 감퇴 내성은 다이아몬드가 극히 우수한 열 전도체이기 때문에 마모율을 증진시킨다. 작업면(4,70,72)에서의 마찰 사고(event)가 갑작스런, 극도의 열 입력을 초래하는 경우, 본딩된 다이아몬드 크리스탈들은 사고부로부터 떨어진 모든 방향들로 열을 전도시킬 것이다. 이것은 물질을 통해 극히 높은 온도의 기울기(gradient), 가능하게는 mm 당 1000C 또는 그 이상을 허용할 것이다. 이런 가파른 기울기는 작업면(4,70,72)이 950Ｃ에 도달하도록 할 수 있지만 틈새(62) 및 작업면에 인접한 다이아몬드 크리스탈의 표면은 열원으로부터 단지 0.2mm 깊이까지 촉매물질이 없다면 큰 열 감퇴를 초래하지는 않는다.
온도 구배가 크리스탈(60) 크기와 내부크리스탈 본딩의 양에 따라 변동될 것이 명백하다. 그러나, 굴착 비트들을 위한 절삭 요소(10)들의 현장 실험에 있어, 작업면(4,70,72)으로부터 약 0.2mm 내지 약 0.3mm 거리 D까지 틈새(62)로부터의 실질적으로 모든 촉매 물질(64)의 제거는 내마모성의 극적인 증진을 발생시키고, 더불어 내마모성의 40% 증진 및 침투율의 40% 증가의 조합을 발생시킨다. 내마모성의 증진은 열 감퇴를 유발한 촉매물질(64)로 인해 다이아몬드 크리스탈(60)의 마멸이 극적으로 감소되는 것을 지시한다. 침투율 증가는 증가된 내마모성으로 인해 "보다 예리함(sharper)"을 더 길게 유지할 수 있는 커터 때문으로 믿어진다.
상기 촉매 물질(64)의 삭제(depletion) 또는 제거(removal)로 이득을 얻는 PCD 요소들의 다른 가능한 구성들이 존재한다. 도11A,11B 및 11C에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예는 복합 PCD 요소(102)이다. PCD 요소(102)는 제2 예비형성 PCD 요소(110)가 그 내부에 내포된 VIII족 결합-촉매 물질을 갖는 보디(108)를 가진다. 내포된 PCD 요소(110)는 도11A에 도시된 밀봉(encapsulating) PCD 요소의 작업면(104)과 동일평면으로 될 수 있거나, 또는 도11B에 도시된 밀봉 PCD 요소(120)내에 완전히 내포될 수 있다. 이 내포된 PCD 요소(110)가 결합-촉매 물질로서 Mg, CA, Sr 및 Ba의 가루 탄산염(powdery carbonates)들을 사용하는 처리에서 제조되고 본문에 참고로 인용되는, 동시 양도된 동시계류중인 미국 특허 출원 제09/390,074호에 기술되는 복합 PCD 요소로 형성된다.
이런 실시예에서, 내포된 예비성형 PCD 요소(110)가 고압들에서 형성되기 때문에, 다이아몬드 밀도가 밀봉 PCD 요소(120)의 밀도보다 높게 제조될 수 있다. 이런 구성에, 내포 PCD 요소(110)가 보다 높은 활성 온도를 갖는 촉매물질을 가지기 때문에, 예를 들어, 밀봉 PCD 요소(120)의 작업면에서 촉매물질만을 삭제하는게 이득이 될 수 있다. 더욱이, 내포된 PCD 요소(110)가 밀봉 요소(120)의 증진된 내마모성과 결합된 내포된 PCD 요소(110)의 보다 큰 충격내성을 사용하기 위해 밀봉 PCD 요소(120)내에 위치될 수 있다.
도9, 11A, 11B 및 11C에 도시된 바와 같이, 요소(102)는 다수의 본딩된 다이아몬드 크리스탈(60), 촉매 물질(64) 및 작업면(104)을 갖는 보디(108)를 가진다.작업면(104)에 인접한 보디의 부피(112)는 보디(108)의 다른곳(114)보다 실질적으로 큰 다이아몬드 밀도를 가지며 부피(112)는 실질적으로 촉매물질(64)이 없다.
여러 내포된 PCD 요소(110)들은 가장 우수한 충격 내성 및 증진된 내마모성 둘모두가 실현될 수 있는 방식으로, 도11C에 도시된 바와 같이, 복합 요소(100)로 배열될 수 있다.
밀봉 PCD 요소(120)의 촉매물질 뿐만아니라 내포된 PCD 요소(110)의 촉매물질도 고갈시키는(deplete)게 바람직할 수 있다. 이런 조합이 상업적 용도의 다이아몬드 요소들에 유효한 가장 가능한 내마모성과 결합된 가장 가능한 충격 강도를 요소에 제공할 것이다.
도12A 및 12B에 있어서, 본 발명의 PCD 요소(202)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이런 실시예에서, PCD 요소(202)가 선행기술의 방식으로 처음에 형성된다. 표면이 준비된 이후에, CVD 또는 PVD 처리가 PCD 요소(202)의 일부(210)상에서 미래의 작업면(204)상에 증착된 다이아몬드(260)의 에피텍셜 지향 크리스탈의 근접 팩 세트(closely packed set)를 제공하기 위해 사용된다. 조립체는 이후 고압 고온 처리되어 증착된 다이아몬드 크리스탈(260)들이 서로에 대해 다이아몬드 대 다이아몬드 본드 및 모체 PCD의 다이아몬드 대 다이아몬드 크리스탈을 형성한다. 이런 다이아몬드-대-다이아몬드 본딩은 모체 PCD 요소(202)의 표면으로부터 중입되는 촉매물질(64)의 존재 때문에 가능하다.
정화(cleanup) 이후, 작업면(204)의 일부가 CVD 또는 PVD 증착된 층으로부터 촉매물질(64)을 제거하도록 처리된다. 최종 산물은 PCD 요소(202)의 다른 면(280)들의 것보다 훨씬 큰 다이아몬드 밀도의 부피(214)를 갖는 작업면(204)의 일부를 가지는 PCD 요소이다. 높은 다이아몬드 밀도의 이러한 영역(214)은 결과적으로 촉매물질(64)로 제거된다. PCD 요소(202)의 다른 표면(280)들의 부분들은 결합결합질로 잘 제거될 수 있다.
일반적으로, 도11A,11B,11C,12A 및 12B에 도시된 요소(102,202)들은 작업면(104,204)을 구비한 보디(108,208)를 가지는 PCD 요소(102,102)로서 특성화될 수 있다. 작업면(104,204)에 인접한 다이아몬드 밀도는 보디(108,208)의 다른 곳보다 실질적으로 높고, 실질적으로 촉매물질(64)이 없다.
본 발명의 PCD 요소(2)에 대한 특정한 하나의 유용한 적용은 도1B,4, 및 5에 도시된 바와 같이 절삭 요소(10,50,52)들로서의 적용이다. PCD 절삭 요소(10,50,52)들의 작업면은 상단 작업면(70) 및/또는 주변 작업면(72)일 수 있다. 도1B의 PCD 절삭 요소(10)는 통상적으로 고정 커터 타입 회전 드릴 비트(12)에 사용될 수 있거나 또는 다른 형태의 공저툴(downhole tools)의 계기 보호를 위한 것이다. 도5에 도시된 PCD 절삭 요소(50)는 돔(dome)(39)으로서 형성될 수 있다. 이런 형태의 PCD 절삭요소(50)는 회전 커터 드릴 비트(38)내 또는 상세히 기술되는 바와 같은 두 가지 형태의 회전드릴 비트(12,38)들의 보디내 소켓으로 삽입을 위해 연장된 베이스(51)를 가진다.
도4의 PCD 절삭 요소(52)는 기계가공 처리에 사용하기에 적합하다. 도4의 절삭 요소(52)의 구성이 직사각형이지만, 당업자들은 이런 요소가 통상적인 툴들로 기계가공하기에 어려운 고 마모성 제품들을 기계가공하기에 적합한, 3각형, 4변형또는 다수의 다른 형태들일 수 있음을 인지한다.
PCD 절삭 요소(10)는 고정 커터 회전드릴 비트(12)(도2에 도시됨)의 예비성형 절삭 요소(10)일 수 있다. 드릴 비트의 비트 몸체(14)는 일반적으로 드릴 비트의 중심 회전축(18)으로부터 외측으로 떨어져 연장되는 다수의 칼날(16)들로 형성된다. 각각의 칼날의 선단면(leading face)(20)을 따라 나란히 이격된 것은 본 발명의 다수의 PCD 절삭 요소(10)들이다.
통상적으로, PCD 절삭 요소(10)는 굳어진(cemented) 텅스텐 카바이드 같은 덜한 경화 물질의 기판(32)에 대해 고압 고온 압력으로 본딩된, 다이아몬드 또는 다이아몬드형(diamond-like)(PCD) 물질의 얇은 전면 테이블(30)을 가지는 원형 판 평상의 보디를 가진다. 절삭 요소(10)는 예비성형되어 통상적으로 굳어진 텅스텐 카바이드로 형성되는 일반적 원통형 운반체(34)상에 본딩되거나, 또는 변형적으로 칼날에 직접 부착될 수 있다. PCD 절삭 요소(10)는 작업면(70,72)들을 가진다.
원통형 운반체(34)는 상응되게 형성된 소켓 또는 칼날(16)의 오목부 내에 수용된다. 운반체(34)는 일반적으로 소켓에 땜질되거나 또는 수축 끼워맞춤(shrink fit)될 것이다. 작동에 있어, 고정 커터 드릴 비트(12)가 회전되고 중량이 인가된다. 이것이 절삭 요소(10)들을 천공되는 토양속으로 강제하여, 절삭 및/또는 드릴링 작업을 한다.
PCD 절삭 요소(10)는 계기 영역(36)의 초과 마모로부터 비트(12)를 보호할 뿐만아니라 계기 확공 작동을 제공하도록 비트(12)의 계기 영역(36)에 인가될 수 있다. 이런 절삭 요소(10)들을 가능한 근접하게 이격시키기 위해, 보다 용이하게계기 영역(36)에 피팅되는, 도시된 직사각형 같은, 형태로 요소들을 절삭하는 것이 바람직할 수 있다.
제2실시예에 있어, 본 발명의 절삭 요소(50)(도5에 도시됨)는 도3에 도시된 회전 커터형 드릴 비트(38)상에 있다. 회전 커터드릴 비트(38)는 통상적으로 비트 보디(46)의 레그(44)상의 베어링 스핀들상에 조립된 하나 이상의 절두 회전 원뿔 커터(40,41,42)들을 가진다. 절삭 요소(50)들은 히전 커터(40,41,42)들상에 열로 배열된 하나 이상의 다수의 절삭 인서트들로서 장착될 수 있거나, 또는 변형적으로 PCD 절삭 요소(50)들은 비트(38)의 레그(44)를 따라 배열될 수 있다. PCD 절삭 요소(50)는 덜한 경화 기판(37)에 본딩된 다이아몬드 또는 다이아몬드형 물질의 면 테이블(facing table) 형태의 보디를 가진다. 본 발명의 이런 실시예의 면테이블(35)은 돔형 면(39) 형태이고 작업면(70,72)을 가진다. 따라서, 당업자들에게 잘 알려진바와 같이, 제조중에 발생된 응력을 보다 균일하게 분산시키기 위해 면 테이블(35)과 기판(37) 사이에 종종 다수의 과도층(transitional layer)들이 존재한다.
작동에 있어, 회전 커터 드릴 비트(38)가 회전되고 중량이 인가된다. 이것은 회전 원뿔 커터(40,41,42)의 열들의 절삭 인서트(50)들을 땅속으로 강제하고, 비트(36)가 회전됨에 따라 회전 커터(40,41,42)들이 회전되어 드릴링 작동을 한다.
다른 실시예에 있어, 본 발명의 PCD 절삭 요소(52)가 삼각형, 직사각형 또는 기계가공 작동에 절삭 인서트로서 사용하기 위한 다른 형태의 물질 형태로 된다. 이런 실시예에서, 절삭 요소(52)는 작업면(70,72)들을 갖는 덜한 경화 기판(56)에본딩된 다이아몬드 또는 다이아몬드형 물질의 면 테이블(54) 형태의 보디를 가진다. 통상적으로, 절삭 요소(52)는 기계 툴의 툴 홀더에 장착되는 인서트(insert)(58)에 결과적으로 부착되는 다수의 소형 피스들속으로 절삭될 것이다. 절삭 요소(52)는 땜질, 접착, 용접 또는 클램핑에 의해 인서트에 부착될 수 있다. 고온 고압 제조 공정에서 인서트 형태로 절삭 요소(52)를 완결 형성하는 것이 또한 가능하다.
도13-18에 도시된 바와 같이, 본 발명의 PCD 요소(2,102,202)들은 또한, 예를 들어, 본 발명의 PCD 요소(302)를 사용하는 도13의 와이어 드로잉 다이(300)로서 도시된, 중공 다이(hollow dies) 같은 다른 응용들에 대해서도 사용될 수 있다. 본 발명의 PCD 요소(312)를 갖는 히트 싱크(310)로 그 전기적 절연 특성과 함께 PCD 요소(2,102,202)의 우수한 열전달 능력을 사용하는 것이 도한 바람직하다.
다른 응용들은 도15에 도시된 PCD 베어링 요소(322)를 갖는 마찰 베어링(320)들 및 도16A 및 16B에 도시되는 본 발명의 PCD 요소(342)를 가지는 표면들(342)을 갖는 밸브(340,344)의 교배 부분(mating part)들을 포함한다. 추가적으로, 스크립을 위한 인덴터(360), 경도 시험기, 표면 거칠게 가공하기 등은 도17A에 도시된 본 발명의 PCD 요소(362)들을 가질 수 있다. 천공기(punch)(370)는 도17B에 도시되는 본 발명의 PCD 물질로 제조된 다이(372,374)들 중 어느 하나 또는 둘 모두를 가질 수 있다. 또한, 툴 맨드렐(382)들 및 도18에 도시된 측정 장치(380)를 위한 다른 형태의 마모 요소들은 본 발명의 PCD 요소들로 제조될 수 있다. 폴리크리스탈린 다이아몬드에 대한 거의 모든 적용이 본 발명의 촉매물질 삭제 PCD 요소들로부터 이득을 얻을 것임이 이해되어야 한다.
본 발명이 부착된 도면들에 관련하여 기술되었지만, 본문에 도시되고 제안된 것들과 별개의 다른 부가적인 수정들은 본 발명의 사상 및 범위내에서 이루어질 수 있음을 인지해야한다.

Claims (34)

  1. 작업면을 지닌 보디로 이루어지며, 상기 작업면으로부터 원거리에 있는 보디의 제 1 용적이 촉매 물질을 포함하고, 작업면에 인접한 보디의 제 2 용적이 대체로 촉매 물질이 없는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보디는 다수의 부분 결합형 다이아몬드 크리스탈과 틈새 매트릭스로 이루어지며, 제 1 용적내에 위치된 틈새 매트릭스의 부분은 촉매 물질을 포함하고, 제 2 용적내에 위치된 틈새 매트릭스의 부분은 대체로 촉매 물질이 없는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  3. 제 1 또는 제 2 항에 있어서, 제 2 용적은 작업면으로부터 적어도 약 0.1mm의 깊이까지 연장하는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  4. 제 3 항에 있어서, 제 2 용적은 작업면으로부터 약 0.2mm와 0.3mm사이의 깊이까지 연자아는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  5. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보디의 제 2 용적은 보디내의 어떤 곳보다도 더 높은 다이아몬드 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  6. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 보디의 제 2 용적내에 위치된 다수의 다이아몬드 크리스탈들은 대체로 촉매 물질이 없는 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  7. 제 1 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 보디의 제 2 용적에 남아있는 다수의 촉매 물질은 다이아몬드 크리스탈의 표면에 부착하는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  8. 제 7 항에 있어서, 제 1 용적으로부터 원거리에 있는 제 2 용적의 다이아몬드 크리스탈들은 제 1 용적에 인접한 제 2 용적의 다이아몬드 크리스탈들보다도 그 표면에 부착하는 촉매 물질을 더 갖는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  9. 상기 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 보디의 제 2 용적내에서 촉매 물질의 양은 제 1 용적으로부터의 거리에 따라 연속적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  10. 상기 항중 어는 한 항에 있어서, 상기 보디의 제 2 용적내에서 촉매 물질의 양은 제 1 용적으로부터 거리를 증가시킴에 따라 증가하는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  11. 제 10 항에 있어서, 제 2 용적내에서 촉매 물질의 양은 단계적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  12. 상기 항중 어느 한 항에 있어서, 페이싱 테이블과 절면면을 갖는 프리포옴 절삭 요소롤 포함하며, 작업면은 상기 절삭면의 일부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 절삭 요소는 고정 커터형 로터리 드릴 비트의 절삭면에 장착되는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 절삭 요소는 롤링 커터형 드릴 비트의 보디에 장착되는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  15. 제 1 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서, 기계 작동시 절삭 삽입부재로서 사용하기 위해 개조된 절삭면을 지닌 절삭 요소를 포함하며, 상기 작업면은 절삭면의 일부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  16. 제 1 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서, 인출 다이를 포함하며, 상기 작업면은 상기 인출 다이 접촉면의 일부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  17. 제 1 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서, 히트 싱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  18. 제 1 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서, 밸브면, 인덴터, 툴 심축, 및 측정 디바이스용 마멸 요소를 포함하는 그룹으로부터 선택된 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  19. 상기 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 보디는 덜 경화한 물질의 기재에 결합되는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 덜 경화한 물질은 굳어진 텅스텐 카바이드인 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  21. 대체로 촉매 물질이 없는 제 2 용적을 만들도록 촉매 물질을 포함하는 보디를 처리하는 동안 촉매 물질이 보디의 제 1 용적에 남도록 허용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 PCD 요소의 제조 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 제 2 용적은 촉매 물질을 제 2 용적으로부터 용탈시킴으로써 대체로 촉매 물질이 없도록 만들어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 21 항에 있어서, 제 2 용적은 제 2 용적의 촉매 물질을 촉매 효과를 갖지 않는 형태로 변환시킴으로써 대체로 촉매 물질이 없도록 만들어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 21 항에 있어서, 제 2 용적은 상기 촉매 물질을 촉매 효과를 갖지 않는 물질로 형성하도록 반응시킴으로써 대체로 촉매 물질이 없도록 만들어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 21 항에 있어서, 제 2 용적은 전기 방전에 의해 대체로 촉매 물질이 없도록 만들어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 21 항에 있어서, 제 2 용적은 갈바니 프로세스를 사용하여 대체로 촉매 물질이 없도록 만들어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 21 항에 있어서, 제 2 용적은 증발 프로세스를 사용하여 대체로 촉매 물질이 없도록 만들어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 다수의 부분 결합형 초경질 크리스탈, 상기 초경질 크리스탈간의 다수의 틈새 영역과 촉매 물질을 갖는 초경질 다결정 물질의 페이싱 테이블로 이루어지며, 상기 페이싱 테이블은 절삭면과 보디를 구비하고, 상기 절삭면의 적어도 일부분에인접한 틈새 영역들은 대체로 촉매 물질이 없으며 나머지 틈새 영역들은 촉매 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 프리포옴 절삭 요소.
  29. 다수의 부분 결합형 다이아몬드 크리스탈, 촉매 물질, 틈새 매트릭스, 및 작업면을 갖는 보디로 이루어지며, 상기 작업면에 인접한 보디의 틈새 매트릭스는 대체로 촉매 물질이 없으며, 나머지 틈새 매트릭스는 촉매 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 요소.
  30. 촉매 물질, 틈새 매트릭스, 및 작업면을 갖는 보디로 이루어지며, 상기 작업면에 인접한 보디의 틈새 매트릭스는 대체로 촉매 물질이 없으며, 나머지 틈새 매트릭스는 촉매 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  31. 다수의 초경질 크리스탈, 촉매 물질, 및 작업면을 갖는 보디로 이루어지며, 상기 작업면으로부터 적어도 0.1mm 깊이내에서 보디의 대다수 크리스탈은 촉매 물질이 대체로 없는 표면을 가지며, 나머지 크리스탈들은 촉매 물질과 접촉하는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  32. 다수의 부분 결합형 다이아몬드 크리스탈, 촉매 물질, 및 작업면을 갖는 보디로 이루어지며, 상기 작업면에 인접한 보디의 용적은 상기 보디의 어떤 곳보다도 대체로 높은 다이아몬드 밀도를 가지며, 그 용적은 대체로 촉매 물질이 없는 것을특징으로 하는 요소.
  33. 작업면을 갖는 보디로 이루어지며, 상기 작업면에 인접한 보디의 용적은 상기 보디의 어떤 곳보다도 대체로 높은 다이아몬드 밀도를 가지며, 상기 용적은 대체로 촉매 물질이 없는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
  34. 작업면을 갖는 보디로 이루어지며, 상기 작업면에 인접한 다이아몬드 밀도는 상기 보디의 어떤 곳보다도 대체로 높으며, 대체로 촉매 물질이 없는 것을 특징으로 하는 PCD 요소.
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