JP6174135B2 - 切削インサート及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、例えば石油・ガス業界におけるボーリング（掘削）のためのカッタ又は機械工具用のインサートとして使用できる超硬度インサート及びかかる超硬度インサートの製作方法に関する。

異形トポグラフィを備えた切削表面を有するカッタ及び機械工具切削インサートが種々の用途で有利な場合のあることが判明した。かかる表面特徴部は、例えばカッタ又は機械工具によって加工されている作業面からの切り屑をそらすと共に／或いは場合によっては切り屑ブレーカとして作用する上で使用にあたり有益な場合があるからである。また、かかる表面トポグラフィは、平坦な表面切削工具幾何学的形状として論証できるほど良好な表面仕上げ品質をもたらすことができる。しかしながら、典型的にはかかる用途において切削要素又はインサートとして使用される材料、例えばＰＣＤ又はＰＣＢＮの極端に高い硬度及び耐磨耗性により、例えば切り屑ブレーカとして使用でき又は使用の際に生じたデブリをそらすために用いることができる所望の表面トポグラフィ特徴部を備えたこれら材料を機械加工するのが極めて困難であり且つ費用がかかる。

米国特許第６，１０６，５８５号明細書は、ダイヤモンドかＣＢＮかのいずれかの研磨結晶の塊状体及び研磨結晶と接触状態にある触媒金属の塊状体をセル又は缶内に配置することによって複合塊状体を形成するステップを含む切削要素の製作方法を開示しており、缶は、缶の内部の頂面がディンプルを備えた状態で予備成形された保護遮蔽金属エンクロージャである。このディンプル付き表面は、層の頂面上に切り屑ブレーカ特徴部として機能する特徴部を形成するパターンを提供する。

米国特許第６，１０６，５８５号明細書

効果的な性能を備えた超硬度インサート、例えば切削又は機械工具用のインサートを提供すると共にかかるインサートを製作する効率的な方法を提供する要望が存在する。

第１の観点から見て、カッタ構造体を製作する方法であって、
表面トポグラフィを有する硬質材料の予備成形本体をキャニスタ内に配置するステップを含み、
超硬度材料の結晶粒の凝集塊を、表面トポグラフィを有する硬質材料の予備成形本体の表面を覆った状態でキャニスタ内に配置するステップを含み、
パンチを超硬度材料の結晶粒の凝集塊と接触状態に配置するステップを含み、パンチは、硬質材料本体の表面トポグラフィと逆の表面トポグラフィを備えた表面を有し、パンチの表面トポグラフィは、パンチの表面トポグラフィと相補し且つ硬質材料本体の表面トポグラフィに対応したパターンを超硬度材料の結晶粒の凝集塊に刻印付けし、超硬度材料の結晶粒の凝集塊と接触状態にあるパンチの表面は、超硬度材料及び／又は超硬材料の結晶粒のための焼結触媒材料と化学的に反応しないセラミック材料で作られ、
超硬度材料の結晶粒の凝集塊、パンチ及び硬質材料本体に超硬度材料の結晶粒のための焼結触媒材料の存在下において触媒材料が溶融するのに十分に高い温度状態で約３ＧＰａ以上の圧力を加えるステップを含み、
結晶粒を焼結して硬質材料本体に接合され且つ硬質材料本体の表面トポグラフィに対応すると共にパンチの表面トポグラフィと相補した表面トポグラフィを有する多結晶超硬度材料の層を含むカッタ構造体を形成するステップを含み、
カッタ構造体をキャニスタから取り出すステップを含み、
パンチを多結晶超硬度材料の層から取り出すステップを含むことを特徴とする方法が提供される。

別の観点から見て、上述の方法に従って形成されたカッタ構造体を有する機械工具用インサートが提供される。

第３の観点から見て、地中へのボーリングを行うためのカッタであって、上述の方法に従って形成されたカッタ構造体を有することを特徴とするカッタが提供される。

別の観点から見て、地中へのボーリングを行うための回転剪断ビットのため、パーカッションドリルビットのため、又は採鉱若しくは劣化アスファルト用のピックのためのＰＣＤ要素であって、上述の方法に従って形成されたカッタ構造体を有することを特徴とするＰＣＤ要素が提供される。

さらに別の観点から見て、地中へのボーリングを行うためのドリルビット又はドリルビットのコンポーネントであって、上述の方法に従って形成されたカッタ構造体を有する、ドリルビット又はドリルビットのコンポーネントが提供される。

インサートが例えば石油・ガス業界においてボーリングのためのカッタとして用いられる実施形態では、表面トポグラフィは、カッタが取り付けられたドリルビットから岩石又は土壌を遠ざけ又はそらすために使用されるのが良い。代替的に又は追加的に、かかる使用のため又は工作物を機械加工するための機械工具用のインサートとして使用される場合、表面トポグラフィは、使用中に生じる切り屑のサイズ及び形状の観点を制御するのに適した切り屑ブレーカとして働くことができる。かかるトポグラフィは、インサートのすくい面上に形成される窪み及び／又は突起特徴部、例えば半径方向又は周辺方向隆起部及び谷部を含む場合がある。

カッタ構造体及びインサートに関する種々の例示としての構成及び組み合わせは、本発明の範囲に含まれる。カッタ構造体は、天然若しくは合性ダイヤモンド材料又はｃＢＮ材料から成るのが良い。ダイヤモンド材料の例としては、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料、熱安定性ＰＣＤ材料、結晶ダイヤモンド材料、化学気相成長（ＣＶＤ）法によって作られたダイヤモンド材料又は炭化珪素結合ダイヤモンドが挙げられる。ｃＢＮ材料の一例は、多結晶立方晶窒化硼素（ＰＣＢＮ）である。

開示される例示としての方法は、複雑さが比較的少なく且つ／或いは費用効果が良いと言え、又、開示する例としてのインサート及びカッタ構造体は、向上した機械加工又は切削性能を有すると言える。

次に、添付の図面を参照して実施形態について説明する。

超硬度材料の層とこれに取り付けられた基体との間に異形インターフェースを有する第１のカッタ構造体の概略断面図であり、パンチがカッタ構造体の上方に設けられた状態を示す図である。 実施形態としてのキャニスタ及び２つのカッタ構造体の概略断面図である。 図２ａのキャニスタの概略平面図である。 図１及び図２ａのカッタ構造体のうちの１つの概略平面図である。 図２ａに示されていて、キャニスタ内に配置されたパンチの概略断面図である。 別の実施形態としてのキャニスタ及び２つのカッタ構造体の概略断面図である。 図３ａのキャニスタの概略平面図である。 図３ａのカッタ構造体のうちの１つの概略断面図である。 図３ａに示されていて、キャニスタに配置されたパンチの概略断面図である。 別の実施形態としてのキャニスタ及びカッタ構造体の概略断面図である。 図４ａのキャニスタの概略平面図である。 図４ａのカッタ構造体のうちの１つの概略断面図である。 図４ａに示されていて、キャニスタに配置されたパンチの概略断面図である。 図４ａに示されていて、キャニスタ内に配置された端面支持パンチの概略断面図である。

同一の参照符号が共通の特徴部を示すために図面全体にわたって用いられている。

本明細書で用いられる或る特定の用語及び概念について以下に簡単に説明する。

本明細書で用いられる「超硬度」又は極超硬度材料は、少なくとも約２５ＧＰａのビッカース硬さを有する。合成ダイヤモンド、天然ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）及び多結晶ＣＢＮ（ＰＣＢＮ）材料は、超硬度材料の例である。人工ダイヤモンドと呼ばれることもある合成ダイヤモンドは、製造されたダイヤモンド材料である。ＰＣＤ構造体は、ＰＣＤ材料を含み又は本質的ＰＣＤ材料から成り、ＰＣＢＮ構造体は、ＰＣＢＮ材料を含む又は本質的にＰＣＢＮ材料から成る。超硬度材料の他の例としては、セラミック材料、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）を含むマトリックス又は焼結炭化物材料、例えばＣｏ結合ＷＣ材料（例えば、米国特許第５，４５３，１０５号明細書又は同第６，９１９，０４０号明細書に記載されている）によって結合されたダイヤモンド又はｃＢＮ結晶粒を含む或る特定の複合材料が挙げられる。例えば、或る特定のＳｉＣ結合ダイヤモンド材料は、少なくとも約３０体積パーセントのダイヤモンド結晶粒をＳｉＣマトリックス（これは、少量のＳｉをＳｉＣ以外の形態で含む場合がある）中に分散させたものであるのが良い。ＳｉＣ結合ダイヤモンド材料の例は、米国特許第７，００８，６７２号明細書、同第６，７０９，７４７号明細書、同第６，１７９，８８６号明細書、同第６，４４７，８５２号明細書及び国際公開第２００９／０１３７１３号パンフレットに記載されている。

本明細書で用いられる多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料は、複数のダイヤモンド結晶粒の塊状体（複数のダイヤモンド結晶粒の凝集体）から成り、ダイヤモンド結晶粒の大部分は、互いに直接的に内部結合され、かかる材料中のダイヤモンド含有量は、この材料の少なくとも約８０体積パーセントである。ダイヤモンド結晶粒相互間の隙間は、少なくとも部分的に、合成ダイヤモンドのための触媒材料を含む結合材料で満たされているのが良いが、実質的に空であっても良い。合成ダイヤモンド用の触媒材料は、合成又は天然ダイヤモンドが黒鉛よりも熱力学的に安定状態にある温度及び圧力において、合成ダイヤモンド結晶粒の成長及び／又は合成又は天然ダイヤモンド結晶粒の直接的内方成長を促進することができる。ダイヤモンド用の触媒材料の例は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、及びＭｎ、並びにこれら元素を含む或る特定の合金である。ＰＣＤ材料から成る物体は、隙間からの触媒材料の除去元である少なくとも一領域を含むのが良く、後にはダイヤモンド結晶粒相互間に隙間ボイドが残る。

ＰＣＢＮ材料は、金属又はセラミック材料から成るマトリックス内に分散して設けられた立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）の結晶粒から成る。例えば、ＰＣＢＮ材料は、Ｔｉ含有化合物、例えばチタン炭窒化物及び／又はＡｌ含有化合物、例えば窒化アルミニウム及び／又は金属例えばＣｏ及び／又はＷを含む化合物から成る結合剤マトリックス材料中に分散して設けられた少なくとも約６０体積パーセントＣＢＮを含むのが良い。ＰＣＢＮ材料の幾つかのバージョン（又は「等級」）は、少なくとも約８０体積パーセント又はそれどころか少なくとも約８５体積パーセントｃＢＮ結晶粒を含む場合がある。

熱的安定性ＰＣＤ材料は、約４００℃を超え又はそれどころか約７００℃を超える温度への暴露後に実質的な構造的劣化を示さず又は硬度若しくは耐研磨性の低下を示さない少なくとも一部又は体積部を有する。例えば、ＰＣＤ材料は、ダイヤモンドのための約２重量パーセント未満の触媒金属、例えばＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎを触媒作用的に活性の形態（例えば、元素の形態）で含むＰＣＤ材料は、熱的に安定していると言える。実質的に触媒作用的に活性の形態の触媒材料を含まないＰＣＤ材料は、熱的に安定性のあるＰＣＤの一例である。隙間が実質的にボイドであり、又は少なくとも部分的にセラミック材料、例えばＳｉＣ又は塩材料、例えば炭酸化合物で満たされたＰＣＤ材料は、例えば熱的に安定していると言える。ダイヤモンドのための触媒材料の減損元であり又は触媒材料が触媒として比較的活性度の小さい形態で存在する少なくとも相当に広い領域を有するＰＣＤ構造体は、熱的に安定性のあるＰＣＤとして説明できる。

上述したように、ＰＣＤ材料及びＰＣＢＮ材料は、適当な接合材料又は触媒材料の存在下で複数のダイヤモンド結晶粒又はｃＢＮ結晶粒をそれぞれ基体、例えば焼結炭化物基体上に焼結することによって提供できる。このようにして作られたＰＣＤ又はＰＣＢＮ構造体は、基体に接合された状態で形成される可能性があり、それぞれの構造体を焼結物体の状態に形成するプロセスの実施中、基体に結合されたＰＣＤ又はＰＣＢＮ構造体を含む成形体の一体部分である。

機械工具は、動力式機械装置であり、これは、機械加工により例えば金属、複合材料、木材又はポリマーのような材料から成るコンポーネントを製造するために使用でき、かかる機械加工は、工作物と呼ばれる物体からの材料の選択的除去である。カッタインサートのすくい面は、機械工具を用いて材料を物体から除去したときに切り屑の流れる１つ又は複数の表面であり、すくい角は、新たに生じる切り屑の流れを方向付ける。切り屑は、使用中、機械工具により物体の加工面から除去された物体の小片である。小片の生成を制御すると共に切り屑の流れを方向付けることは、アルミニウム、チタン及びニッケルの新型合金の高生産性機械加工及び／又は高表面仕上げ機械加工のための工具の重要な観点である。切り屑ブレーカ特徴部の幾何学的形状は、種々の機械加工要因、例えば工作物材料、切削速度、切削作業及び必要な表面仕上げに従って選択されるのが良い。

図１、図２ａ、図２ｃ、図３ａ、図３ｃ、図４ａ及び図４ｃは、使用の際、機械工具段取り用途のために機械工具（図示せず）に取り付けることができるカッタ構造体を示している。カッタ構造体１は、例えば、インターフェース３に沿って基体４、例えば炭化タングステン基体に結合されたＰＣＤ又はＰＣＢＮで作られた薄い超硬度層２を有する。基体４と薄い超硬度層２との間のインターフェース３は、異形表面トポグラフィを有している。基体４に結合され又は結合されるべき薄い超硬度層２は、これらの間のインターフェース３の輪郭を辿っており、かかる薄い超硬度層は、その自由表面６上に表面トポグラフィを有し、この表面トポグラフィは、インターフェース３のところの基体４の表面トポグラフィにマッチしており、自由表面６は、基体４とのインターフェース３を形成する表面と反対側の表面である。

薄い超硬度層２の自由表面６上にマッチした状態の表面トポグラフィを達成するため、図１、図２ａ、図２ｄ、図３ａ及び図３ｄに示されているパンチ１０が超硬度層２の自由表面中に押し込まれ又はかかる自由表面上に押し付けられ、パンチ１０は、超硬度層２の自由表面６及び基体４と超硬度層２との間のインターフェース３の表面トポグラフィに一致した表面トポグラフィ１２を有している。

図２ａ〜図２ｄに示された実施形態では、カッタ構造体１は、実質的に円筒形である。図３ａ〜図３ｄに示されたカッタ構造体は、図３ａ〜図３ｄのカッタ構造体の断面形状が図２ａ〜図２ｄのカッタ構造体の場合のように丸形ではなく、実質的に正方形であるという点でのみ図２ａ〜図２ｄに示されたカッタ構造体とは異なっている。図４ａ〜図４ｅに示されたカッタ構造体は、図４ａ〜図４ｅのカッタ構造体の断面形状が図２ａ〜図２ｄ及び図３ａ〜図３ｄのカッタ構造体の場合のように長方形ではなく、円錐形であるという点においてのみ図２ａ〜図２ｄ及び図３ａ〜図３ｄに示されたカッタ構造体とは異なっている。しかしながら、これらは例示に過ぎない。精密機械加工構造体として使用可能な他のカッタ構造体、例えば、ＩＳＯ１８３２‐２００４に示されたカッタ構造体も又採用可能である。

第１の実施形態では、例えば図１〜図４ｅに示された実施形態では、カッタ構造体１は、以下の方法によって形成されるのが良い。超硬度材料２の結晶粒の凝集塊を予備成形焼結炭化物基体４の頂部上に載せた状態でキャニスタ１４内に配置する。ダイヤモンド結晶粒２の凝集塊は、例えば薄いミクロンダイヤモンドペーパー又はばらばらのダイヤモンド結晶粒の層の形態をしているのが良い。パンチ１０は、例えば、超硬度材料と化学的に反応しないセラミック材料で作られるのが良く又は例えばＰＶＤ技術によってインサート１の形成中に超硬度層２に接触することになっているパンチ１０の異形表面に被着されたかかるセラミック材料の被膜を備えた別の材料、例えば硬質金属、例えばモリブテン又は焼結炭化タングステンで形成されるのが良い。パンチ１０の異形表面を超硬度材料２の結晶粒の凝集塊と接触状態に配置する。セラミック材料は、追加的に又は代替的に、これが焼結中、超硬度材料の結晶粒を互いに結合するために用いられた焼結触媒材料と化学的に反応しないようなものであるのが良い。

幾つかの実施形態では、パンチの表面トポグラフィを超硬度材料の結晶粒と直接的な接触状態に配置してこの表面トポグラフィと相補するパターンをかかる結晶粒中に刻印付けする。かかる実施形態では、パンチは、上述の種類のセラミック材料で作られている。パンチが別の材料、例えば焼結炭化タングステンで作られている他の実施形態では、セラミック被膜又は層をパンチの表面トポグラフィに被着させて焼結済みの超硬度材料からのセラミック材料の焼結後分離を助ける。これら実施形態では、被膜又は追加の層も又、超硬度材料及び／又は焼結触媒材料と化学的に反応しない材料で作られる。

幾つかの実施形態では、キャニスタ１４も又、超硬度材料２又は別の耐火（耐熱）金属、例えばニオブと化学的に反応しないセラミック材料、例えばアルミナ又はジルコニアで作られるのが良い。

次に、超硬度材料２の結晶粒の凝集塊、基板４及びパンチ１０に超硬度材料の結晶粒のための焼結触媒材料の存在下において、触媒材料が溶融するのに十分に高い温度で、超硬度材料の性状に応じて約３ＧＰａ以上の圧力を加える。次に、結晶粒を焼結して基体４に結合された多結晶超硬度材料の本体を形成し、超硬度材料の本体は、パンチ１０の表面トポグラフィと相補した表面トポグラフィを有する。次に、パンチ１０を例えば衝撃によって多結晶超硬度材料から取り出す。また、ブラシホーニング加工によって表面テキスチャを改善することが必要な場合がある。

パンチを焼結カッタ構造体から容易に取り出すことができる。と言うのは、パンチの構成材料であり又はパンチを被覆され、２つの本体の容易な分離を可能にするセラミック材料との化学反応が生じないからである。任意の残留セラミックを軽サンドブラストによって除去することができ、その結果良好な半研磨表面仕上げが得られる。超硬度材料中に表面トポグラフィを作るために使用できるセラミック材料としては、例えば、炭素熱反応によっては還元されない酸化物セラミック材料の群が挙げられ、かかる酸化物セラミック材料としては、マグネシア、カルシア、ジルコニア、アルミナが挙げられる。

例えば約３ＧＰａから約７ＧＰａを超える圧力を用いて多結晶超硬度材料を焼結するのが良く、焼結は、例えば約１３００〜約１８００℃の温度で行われるのが良い。

上述したように、幾つかの実施形態では、セラミック材料の表面トポグラフィを焼結前に結晶粒に直接接触し、且つ多結晶超硬度材料の焼結本体からセラミック本体の取り出しを容易にするような組成のものである層で被覆するのが良い。かかる被膜の例としては、ジルコニア、アルミナ、炭酸カルシウム又は酸化カルシウムが挙げられる。

変形実施形態では、セラミック材料は、焼結されるべき多結晶超硬度材料の結晶粒に直接接触する。

超硬度材料の例としては、ダイヤモンド材料の結晶粒、例えば天然若しくは合性ダイヤモンド結晶粒の凝集塊又は例えば立方晶窒化硼素結晶粒の凝集塊が挙げられる。超硬度材料２の結晶粒をキャニスタ１４内に配置するステップは、幾つかの実施形態では、結晶粒を含む１枚又は複数枚のシートを用意するステップ及びこれらシートをキャニスタ１４内に配置し又は積み重ねて超硬度結晶粒２の凝集体を形成するステップを含むのが良い。他の実施形態では、沈降又は電気泳動法を用いて超硬度材料２の結晶粒をキャニスタ１４内に堆積させるのが良い。

幾つかの実施形態では、セラミック材料は、例えば、結晶粒との接触状態では炭素熱反応によって還元されることのない酸化物セラミック材料の群のうちの任意のうちの１つ又は２つ以上で作られるのが良い。かかる材料の例としては、マグネシア、カルシア、ジルコニア及び／又はアルミナの酸化物を含む酸化物セラミック材料の群のうちの任意の１つ又は２つ以上が挙げられる。

超硬度材料をキャニスタ１４内に配置するステップを逆にしても良く又はこれらの順序を変えても良く、例えば、パンチ１０を結晶粒２の凝集塊と接触状態に配置するステップは、結晶粒をキャニスタ１４内に配置するステップの実施後に行われても良い。変形例として、パンチ１０を結晶粒２及び予備成形基体４がキャニスタ１４内に配置される前にキャニスタ１４内に配置しても良い。

図２ａ〜図２ｄ及び図３ａ〜図３ｄに示された実施形態では、２つのカッタ構造体１を単一のキャニスタ１４内で同時に形成する。かかる実施形態では、予備成形基体４をセパレータ２０がこれら２つの基体４の相互間に位置すると共に異形表面が外方に向いた状態で背中合わせに配置する。次に、超硬度材料層２を基体４のうちの一方のインターフェース３に隣接して一方のカッタ構造体のためにキャニスタ１４内に配置する。次に、第１のパンチ１０をキャニスタ１４内に押し込んで対応の表面トポグラフィを第１のカッタ構造体１の超硬度層２中に刻印付けする。次に、第２の超硬度層をキャニスタ１４内で第２の基体のインターフェースに隣接して配置し、第２のパンチ１０を第２の超硬度層中に押し込む。次に、キャニスタ１４及びその収納物に上述の高い圧力及び高い温度を加えてカッタ構造体１を焼結する。

この方法によって形成された多結晶超硬度材料の本体は、この本体からのセラミック層の除去の際に自由外面を有するのが良く、この自由外面は、多結晶材料の本体のバルクと同じ品質のものである。これは、例えば、焼結中に用いられるキャニスタ材料と直接的な接触状態にあるＰＣＤ層が通常、ダイヤモンドとコバルト結合剤とキャニスタ材料との相互作用に起因してバルクＰＣＤと比較して品質も劣るものである従来通り形成されたＰＣＤとは対照的である。かくして、従来型ＰＣＤカッタでは、通常、研削、サンドブラスチング又は他の方法によって頂面を除去することが必要である。かかるステップは、１つ又は２つ以上の実施形態に従って形成されたＰＣＤでは不要である。と言うのは、多結晶超硬度材料の本体は、第１の表面上に表面トポグラフィを有し、この第１の表面には、カッタ構造体１の形成の際に用いられたキャニスタからの材料が実質的にないからである。従来型加工法、例えばラップ仕上げや研削を回避した場合のもう１つの利点は、内層面中の残留欠陥を減少させ又はなくすことができ、それにより利用の際の材料の耐チッピング性が向上するということにある。

セラミックス材料の表面トポグラフィは、カッタ構造体１の所与の用途の要件及びカッタ構造体１の最終的な使用に応じたかかるカッタ構造体１の意図した形状に顧慮した用途に従って設計されるのが良い。

幾つかの実施形態では、１つ又は２つ以上のピン止め穴（図示せず）を焼結に先立って超硬度層２及び基板４を貫通して形成し、焼結に先立って且つ焼結中、これにプラグを嵌め込むのが良い。ピンホール用の穴は、例えば、超硬度材料２と化学的に反応しないセラミック、例えばアルミナ又はジルコニアで作られるのが良い。焼結後、プラグをピン止め穴からたたき出すのが良く、それにより、インサートを使用の際に機械工具に固定するためにこの穴を使用することができる。

幾つかの実施形態では、超硬度材料の層２の厚さは、例えば、約５０〜６００ミクロン又は５０〜５００ミクロン又は１００〜２００ミクロン又は５０〜３００ミクロンの範囲にあるのが良い。精密機械加工用途に関し、ＰＣＤ又はＰＣＢＮ材料に従来用いられた層よりも薄い層、例えば約２００ミクロン以下の層を用いるのが良い。と言うのは、このことが周辺研削又は侵食（エロージョン）の費用を軽減させることができるからである。

パンチ１０がセラミック材料で被覆される幾つかの実施形態では、被膜の厚さは、例えば、約３〜５０ミクロン又は約３〜１０ミクロンの範囲にあるのが良い。

上述の方法に従って形成されたカッタ構造体１は、多くの用途を有することができる。例えば、かかるカッタ構造体は、機械工具用のインサートとして使用でき、かかる機械工具では、このインサートは、１つ又は２つ以上の実施形態としてのカッタ構造体１を有し、基体及びこの基体に結合された超硬度材料の表面トポグラフィは、かかる用途では切り屑ブレーカとして使用できる。かかるインサートでは、インサートベースに接合できるカッタ構造体は、例えば、例えば少なくとも約１００ミクロンの平均厚さを有するのが良く、幾つかの実施形態では、多くとも１，０００ミクロンの平均厚さを有するのが良い。

他の実施形態では、上述の方法に従って形成されたカッタ構造体１は、地中へのボーリングを行うためのカッタとして又は地中へのボーリングを行うための回転剪断ビットのため、パーカッションドリルビットのため又は採鉱若しくは劣化アスファルトのためのピックのためのＰＣＤ要素として使用されるのが良い。変形例として、地中へのボーリングを行うためのドリルビット又はドリルビットのコンポーネントは、任意の１つ又は２つ以上の実施形態としてのカッタ構造体１を有しても良い。

基体を形成する際に基体４の表面トポグラフィを作るのが良く、かかる方法は、基体のための前駆物質を含む未加工本体の表面上に特徴部を形成するステップ及び未加工本体を焼結して基体を形成するステップを含むのが良い。変形例として、或る程度、基体４に含まれる材料の種類に応じて、例えば機械加工技術、例えばレーザ機械加工を用いて又は機械工具によって又はエッチングによって基体４の形成後に基体材料４の表面トポグラフィを生じさせても良い。

以下にこの方法を説明するために非限定的な実施例について詳細に説明する。

実施例１

所与のボーリング又は機械加工用途の要件に従い且つカッタ構造体又は機械工具インサートの意図した形状に注意して表面トポロジー形態を設計するのが良い。コバルト焼結炭化物基体４及びセラミックパンチ１０を用意し、セラミックパンチ１０は、カッタ又は機械工具インサート１について所望の表面トポグラフィと相補した（即ち、これとは逆の）表面トポグラフィを備えた表面を有する。複数個のダイヤモンド結晶粒を基体４の異形表面３に押し付けて凝集体を形成し、組立体を例えばアルミナ又は他のセラミック材料で作られたジャケット又はキャニスタ１４内に封入することによって予備圧縮組立体を調製するのが良い。焼結の際にカッタ構造体１に与えられるべき所望の表面トポグラフィを備えたセラミックパンチ１０の表面を図１に示すようにダイヤモンド結晶粒２と接触状態に配置する。ダイヤモンド結晶粒は、少なくとも約１ミクロン且つ多くとも約２０ミクロンの平均粒径を有するのが良く、凝集体は、カッタ構造体の意図した用途に応じて、製造されるべき約５０〜６００ミクロン、場合によっては少なくとも約１ｍｍの厚さを有するＰＣＤ層にとって十分な厚さのものであるのが良い（即ち、十分な数のダイヤモンド結晶粒を含む）。予備圧縮組立体に少なくとも約５．５ＧＰａの超高圧及び少なくとも約１，２５０℃の温度を加えて基体中のコバルトを溶解させてダイヤモンド結晶粒を互いに焼結し、それにより基体４に接合されたＰＣＤ層２を含むカッタ構造体１を形成するのが良い。セラミック本体１０を例えば軽い衝撃によって焼結ＰＣＤ材料から取り出すのが良い。カッタ構造体が例えばドリルビットのためのカッタとして用いられる場合、ＰＣＤ層２を焼結後、例えば酸に入れて処理して成長間ダイヤモンド結晶粒相互間の隙間領域内の残留コバルトを除去することが有利な場合がある。ＰＣＤ構造体からの相当な量のコバルトの除去は、ＰＣＤ構造体の熱的安定性を実質的に増大させる可能性が多分にあると共にかかる用途における使用の際、ＰＣＤ材料の劣化の恐れを恐らくは減少させる。

カッタ構造体１の意図した用途に応じてカッタ構造体１を更に処理するのが良い。例えば、カッタ構造体が機械工具インサートとして用いられる場合、カッタ構造体を例えば研削によって更に加工すると、くっきりとした切り屑ブレーカ特徴部を有するＰＣＤカッタ構造体を含む機械工具インサートを提供することができる。

実施例２

所与の機械加工用途の要件に従い且つ機械工具インサートの意図した形状に注意して表面トポロジー形態を設計するのが良い。セラミックパンチ１０を用意するのが良く、かかるセラミックパンチは、カッタ構造体１に関する所望の表面トポロジーと相補する（即ち、これと逆である）表面トポロジーを含む表面を有する。複数個の立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）結晶粒２を予備成形基体４の表面に押し付けて凝集体を形成し、組立体を例えばセラミック材料、例えばアルミナで作られたジャケット又はキャニスタ１４内に封入することによって予備圧縮組立体を調製するのが良い。金属ジャケット内に封入することによって予備圧縮組立体を調製するのが良い。焼結の際に超硬度層２に付与されるべき所望の表面トポグラフィを備えたセラミックパンチ１０の表面を図１に示すように立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）結晶粒と接触状態に配置する。凝集体は、８６重量％ｃＢＮ結晶粒と、７０．０重量％Ａｌ、１１．７重量％Ｃｏ及び１８．３重量％Ｗから成る結合剤とを含む粉末のブレンドを更に含むのが良い。ｃＢＮ結晶粒は、例えば約１２ミクロンから約１７ミクロンまでの範囲の平均サイズを有するのが良く、凝集体は、カッタ構造体の意図した使用が機械工具用のインサートである実施形態の場合ＰＣＢＮ層が約３０〜６００ミクロンの厚さを有する状態で形成され、意図した使用が別の形式のカッタとしての使用である実施形態についてはＰＣＢＮ層が少なくとも約１ｍｍ以上の厚さを有する状態で形成されるのに十分厚いものであるのが良い。予備圧縮組立体に少なくとも約３ＧＰａ、場合によっては例えば約４．５ＧＰａの超高圧及び少なくとも約１，３００℃の温度を加えて凝集体を焼結し、それにより基体４に接合されたＰＣＢＮ構造体２を含むカッタ構造体１を形成するのが良い。セラミックパンチ１０は、軽い衝撃によって実質的に取り出されるのが良く、ＰＣＢＮ構造体は、例えばサンドブラスチングによって処理されて残留セラミック材料（もし存在する場合）が除去されるのが良い。このようにして形成されたカッタ構造体を例えば研削によって更に加工すると、例えば、くっきりとした切り屑ブレーカ特徴部を有するＰＣＢＮカッタ構造体を含む機械工具インサートを提供することができる。

上述したように、両方の実施例では、カッタ構造体１の形成の際に超硬度材料と化学的に反応しないセラミック材料でセラミックパンチ１０全体を形成するのではなく、別の硬質材料、例えば焼結炭化タングステンで形成されたパンチ１０を用いるのが良く、かかるパンチの表面トポグラフィが焼結プロセスの際、超硬度材料又は焼結の際に用いられた結合剤と化学的に反応しないセラミック材料で被覆された超硬度材料２に接触することになる。

形成されたカッタ構造体１の表面トポグラフィの幾何学的形状は、カッタ構造体が利用されるべき用途に応じて選択されるのが良く、かかる幾何学的形状は、例えば、種々の機械加工上の要因、例えば工作物材料、切削速度、必要な切削作業及び表面仕上げで左右される場合がある。かかる幾何学的形状は、例えば、隆起部、突起、谷部若しくは他の表面特徴部又は表面上に設けられる幾何学的形状を含む場合がある。

以上要約すると、幾つかの実施形態は、切削工具、ボーリング（掘削）及び他の用途で使用されるべき特別設計の形状及び表面特徴部を備えたＰＣＤ／ＰＣＢＮコンパクトに関する。予備複合体及びカプセル組み立て用コンポーネントを製作するために用いられる高圧システム内において予備複合体及びカプセル組み立て用コンポーネントを特別設計することによってかかるコンパクトを製作する方法も又説明する。これは、１５００℃という高い温度では展性のある状態になるが、コンパクトを作るために用いられる高圧条件下においては依然としてその形状を保つことになるセラミックネスティング材料、例えばアルミナの使用を含む。このように作られた超硬度材料本体は、切削工具として使用可能な最終的公差を達成するために最小限の機械加工を必要とするＨＰＨＴ焼結サイクルからの回収後に表面特徴部を有する。

Claims (21)

1. カッタ構造体を製作する方法であって、
   表面トポグラフィを有する硬質材料の予備成形本体をキャニスタ内に配置するステップを含み、
   ダイヤモンド結晶粒の凝集塊を、前記表面トポグラフィを有する硬質材料の前記予備成形本体の表面を覆った状態で前記キャニスタ内に配置するステップを含み、
   パンチを前記ダイヤモンド結晶粒の凝集塊と接触状態に配置するステップを含み、前記パンチは、硬質材料の前記予備成形本体の前記表面トポグラフィと逆の表面トポグラフィを備えた表面を有し、前記パンチの前記表面トポグラフィは、前記パンチの前記表面トポグラフィと相補し且つ硬質材料の前記予備成形本体の前記表面トポグラフィに対応したパターンを前記ダイヤモンド結晶粒の凝集塊に刻印付けし、前記ダイヤモンド結晶粒の凝集塊と接触状態にある前記パンチの前記表面は、前記ダイヤモンド結晶粒と化学的に反応しないセラミック材料及び／又は前記ダイヤモンド結晶粒のための焼結触媒材料と化学的に反応しないセラミック材料で作られ、前記セラミック材料は、マグネシア、カルシア、ジルコニア、及び／又はアルミナを含む酸化物セラミック材料の群のうちの任意の１つ又は２つ以上で作られ、
   前記ダイヤモンド結晶粒の凝集塊、前記パンチ及び硬質材料の前記予備成形本体に前記ダイヤモンド結晶粒のための焼結触媒材料の存在下において前記触媒材料が溶融するのに十分に高い温度状態で３ＧＰａ以上の圧力を加えて前記結晶粒を焼結し、硬質材料の前記予備成形本体に接合され且つ硬質材料の前記予備成形本体の前記表面トポグラフィに対応すると共に前記パンチの前記表面トポグラフィと相補した表面トポグラフィを有する多結晶ダイヤモンド材料の層を含む前記カッタ構造体を形成するステップを含み、
   前記カッタ構造体を前記キャニスタから取り出すステップを含み、
   前記パンチを前記多結晶ダイヤモンド材料の層から取り出すステップを含む、方法。
2. 前記パンチを前記結晶粒の凝集塊と接触状態に配置する前記ステップは、前記結晶粒をキャニスタ内に配置する前記ステップの後に実施される、請求項１記載の方法。
3. 前記パンチを前記結晶粒の凝集塊と接触状態に配置する前記ステップは、前記結晶粒をキャニスタ内に配置する前記ステップの前に実施される、請求項１記載の方法。
4. 表面トポグラフィを有する硬質材料の第２の予備成形本体を前記キャニスタ内に前記第１の予備成形本体から分離材料の層により間隔を隔てた状態で配置するステップを含み、
   ダイヤモンド結晶粒の第２の凝集塊を前記表面トポグラフィを有する硬質材料の前記第２の予備成形本体の表面を覆って前記キャニスタ内に配置するステップを含み、
   第２のパンチを前記ダイヤモンド結晶粒の第２の凝集塊と接触状態に配置するステップを含み、
   前記焼結ステップは、前記キャニスタ内で第１及び第２のカッタ構造体を形成するよう焼結するステップを含む、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の方法。
5. 前記第１のカッタ構造体を形成するための前記パンチ、前記ダイヤモンド結晶粒及び硬質材料の前記予備成形本体は、前記第２のカッタ構造体を形成するための前記パンチ、前記ダイヤモンド結晶粒及び硬質材料の前記予備成形本体が前記キャニスタ内に配置される前に、前記キャニスタ内に配置される、請求項４記載の方法。
6. 前記ダイヤモンド結晶粒に圧力を加える前記ステップは、前記結晶粒に５ＧＰａ以上の圧力を加えるステップを含む、請求項１〜５のうちいずれか一に記載の方法。
7. 前記カッタ構造体を形成する前記ステップは、自由外面を備えた多結晶ダイヤモンド材料を該多結晶ダイヤモンド材料からの前記パンチの取り出しの際に形成するステップを含み、前記自由外面は、前記多結晶ダイヤモンド材料のバルクと同じ品質のものである、請求項１〜６のうちいずれか一に記載の方法。
8. 前記ダイヤモンド結晶粒の凝集塊をキャニスタ内に配置する前記ステップは、天然又は合成ダイヤモンド結晶粒の凝集塊を前記キャニスタ内に配置するステップを含む、請求項１〜７のうちいずれか一に記載の方法。
9. 前記パンチを取り出す前記ステップは、前記パンチを衝撃によって取り出すステップを含む、請求項１〜８のうちいずれか一に記載の方法。
10. 前記パンチを取り出す前記ステップの実施後に前記カッタ構造体をホーニング加工するステップを更に含む、請求項１〜９のうちいずれか一に記載の方法。
11. 前記焼結ステップは、１３００〜１８００℃の温度で焼結するステップを含む、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載の方法。
12. 前記焼結多結晶ダイヤモンド材料を処理して前記焼結後の前記多結晶ダイヤモンド材料中の結合間結晶粒相互間の隙間から触媒材料を取り出すステップを更に含む、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載の方法。
13. 前記ダイヤモンド結晶粒をキャニスタ内に配置する前記ステップは、前記結晶粒から成る複数のシートを提供するステップ及び該シートを前記キャニスタ内に積み重ねて前記結晶粒の凝集体を形成するステップを含む、請求項１〜１２のうちいずれか一に記載の方法。
14. 前記ダイヤモンド結晶粒の凝集塊をキャニスタ内に配置する前記ステップは、ばらばらの結晶粒の凝集塊を前記キャニスタ内に配置するステップを含む、請求項１〜１３のうちいずれか一に記載の方法。
15. 前記ダイヤモンド結晶粒を前記キャニスタ内に配置する前記ステップは、沈降又は電気泳動法を用いて前記結晶粒を前記キャニスタ内に堆積させるステップを含む、請求項１〜１３のうちいずれか一に記載の方法。
16. 前記方法は、機械工具用のインサートを有するカッタ構造体を製作する方法であり、前記多結晶ダイヤモンド層上の前記表面トポグラフィは、切り屑ブレーカトポグラフィを形成する、請求項１〜１５のうちいずれか一に記載の方法。
17. １つ又は２つ以上の中間層を硬質材料の前記予備形成本体と前記超硬度材料の凝集塊との間に配置するステップを更に含む、請求項１〜１６のうちいずれか一に記載の方法。
18. 前記中間層は、凝集ダイヤモンド結晶粒の別の塊を含むことを請求項１７記載の方法。
19. 焼結に先立って前記ダイヤモンド結晶粒の凝集塊及び硬質材料の本体を貫通して延びる１つ又は２つ以上のピン止め穴を形成するステップ、プラグを前記穴の中に配置するステップ、及び前記プラグを前記焼結ステップ後に取り出すステップを更に含む、請求項１〜１８のうちいずれか一に記載の方法。
20. 前記プラグは、超硬度材料と化学的に反応しないセラミックで作られ、前記セラミック材料は、マグネシア、カルシア、ジルコニア、及び／又はアルミナを含む酸化物セラミック材料の群のうちの任意の１つ又は２つ以上で作られている、請求項１９記載の方法。
21. 前記ダイヤモンド結晶粒に圧力を加える前記ステップにおいて、前記結晶粒に７ＧＰａ以上の圧力を加える、請求項１〜５のうち何れか一に記載の方法。

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