JP5268953B2 - 研磨材成形体 - Google Patents

Description

本発明は研磨材成形体に関する。

研磨材成形体は、切削、粉砕、研削、掘削、及び他の研磨剤の作業において広く用いられる。研磨材成形体は、結合して凝集性で多結晶質の集合体になった多くの超硬質粒子、一般にはダイヤモンドからなる。これらの研磨材成形体の研磨材粒子含有率は高く、一般に、多数の直接の粒子間結合又は接触がある。研磨材成形体は、一般に、ダイヤモンドが結晶学的又は熱力学的に安定である、高温及び高圧の条件下で焼結される。

いくつかの研磨材成形体は、触媒／溶媒、又はバインダー材料を含有する第２の相をさらに有することができる。特定の種類の高級な多結晶ダイヤモンド成形体の場合、この第２の相は、一般に、コバルト、ニッケル、鉄、又は１種若しくは複数のこのような金属を含有する合金等の金属である。

複合研磨材成形体の例が、米国特許の第３７４５６２３号、第３７６７３７１号及び第３７４３４８９号に記載されているのを見出すことができる。

ダイヤモンド粒子が、適切な、金属の溶媒／触媒と結合すると、この溶媒／触媒は、ダイヤモンド粒の間のダイヤモンド間結合を促進し、連晶構造及び焼結構造を生じる。最終的な焼結構造において、溶媒／触媒の材料は、焼結されたダイヤモンド粒の間に存在する間隙内に存在し残存する。これらの特有なＰＣＤ構造は、耐磨耗性及び硬度の極めて高い特性を示し、それらを、激しい磨耗及び切削の用途に非常に望ましいものとする。

しかし、この種類のＰＣＤ成形体で経験する周知の問題は、微細構造の間隙中での溶媒／触媒の材料の残余の存在が、高温で成形体の性能に不利な影響を有することである。熱的に過酷な条件下での性能のこの減退は、金属−ダイヤモンドの成形体の２つの異なる挙動から生じるものと仮定される。

第１には、間隙の溶媒／触媒と焼結ダイヤモンドネットワークとの熱膨張特性の間の違いから生じる。４００℃を大きく超える温度で、金属の成分は連晶のダイヤモンドネットワークよりはるかに膨張し、ダイヤモンド構造の微小破壊を生じ得る。この微小破壊は、結合ダイヤモンドの強度を高温で著しく減少させる。

さらに、高圧、高温の焼結条件下でダイヤモンド間結合を促進する溶媒／触媒の金属材料は、明白な性能の結果を伴う高温及び減圧で、ダイヤモンドをグラファイトに戻すことを同様に触媒することがある。この特有な影響は、たいてい、約７００℃を超える温度で観測される。

結果として、金属の溶媒／触媒の存在下で焼結されたＰＣＤを、その優れた研磨及び強度の特性に関わらず、７００℃未満の温度に保たなければならない。これは、この材料についての潜在的な工業的用途と、それらを工具に組み入れるために使用することができる潜在的な製造ルートとを著しく制限する。

この問題の潜在的な解決策は、当技術分野において周知である。ある種類の取り組みは、代替の又は改変した焼結助剤の使用に集中している。これらの材料は、最終的な焼結構造の中に存在するときに、高温ではるかに減退した逆触媒効果を示し、焼結されたダイヤモンド相の熱膨張挙動とより一致した熱膨張挙動を一般に有する。例えば、米国特許第４７９３８２８号には、ケイ素及び／又は炭化ケイ素からなる非触媒／溶媒をベースとしたマトリックス相をもつＰＣＤ成形体が記載されている。この成形体は、高圧及び高温でケイ素の粉末源又は箔源から浸潤させることにより製造される。この成形体は、ダイヤモンドの存在を著しく黒鉛化することなく、真空下又は減圧雰囲気中で１２００℃の温度に耐えられることが見出された。

しかし、これらの種類の成形体は、一般に、他の問題を有する。いくつかの場合において、合理的な度合いでダイヤモンド間の接触を達成することが可能であるが、この結合の性質は、従来の、金属の溶媒／触媒の焼結助剤により達成され得るものより一般に弱い。したがって、これらの材料の強度及び耐磨耗性は、従来の金属ベースのＰＣＤ材料に比べて低下している。さらに、ＵＳ６２１３３８０において議論されているように、炭化物基材への、特にケイ素含有ダイヤモンド成形体の結合は、その矛盾した冶金のためにさらなる問題を呈している。

ごく最近には、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａの粉末炭酸塩等の非金属の触媒／溶媒（又は複数の種類のこれらの炭酸塩）をダイヤモンドの焼結を促進するために用いる、別の種類のＰＣＤが入手可能になっている。この種類の多結晶ダイヤモンド材料は、例えば、日本国特許公開公報の第７４７６６／１９９２号及び第１１４９６６／１９９２号に記載されている。この種類のＰＣＤは、非金属触媒材料の触媒作用を活性化するために必要な温度がはるかにより高いために、一般に、より熱安定性である。しかし、焼結を達成するために、より非常に高い温度及び圧力が初めは必要なので、この材料を、商業的なスケールで製造することが困難である。さらに、この材料は、結合相の非金属的な性質のために、他の熱安定性ＰＣＤ材料への同様な接合の問題がある。

金属の触媒／溶媒で焼結されたＰＣＤの利点を保持しつつ、焼結後のこれらの成形体が受ける熱劣化の機構を妨げる別の取り組みが試みられている。それは、一般に、焼結後に、化学的な浸出により触媒相を削減若しくは除去すること、又は化学反応により触媒相を不活性に変質若しくは変化させることに集中している。

ＵＳ４２２４３８０及びＵＳ４２８８２４８には、金属の触媒／溶媒の存在下で初めに焼結された多結晶ダイヤモンド成形体が記載されており、ここでは、実質的な量のこの触媒／溶媒の相が、ダイヤモンドネットワークから浸出されている。この浸出させた生成物は、浸出させていない生成物より熱安定性であることが示されている。

改善された熱安定性を達成するこの取り組みに起因するいくつかの問題がある。第一に、それらの空孔のネットワークをもつこれらの浸出させたＰＣＤ種は、酸化への増大した脆弱性（特に、より高温で）につながることがある実質的に増大した表面積を有する。その結果、これは、異なる機構を経ているにもかかわらず、ＰＣＤ成形体の高温での減退した強度につながることがある。さらに、出願人は、この種類の浸出させたＰＣＤは、おそらく構造中に存在する支持空隙のために、特に工具の端で、より脆い傾向を有し、エッジチッピングにつながる。多孔質の浸出させたＰＣＤ成形体も、いまだにそれらを使用前に炭化物の基材にろう付けしなければならないという点で、技術的な接合の問題がある。（従来のＰＣＤ成形体は、一般に、焼結ステップに続いて接合される炭化物の基材により生成される。）このろう付けステップは、技術的に難しく、成形体の工具の構造内に次なる弱点をしばしば与える。

これらの種類の解決法のそれぞれがもつ問題が、成形体全体の内部で、より熱安定性のあるＰＣＤの要素又は成分を、より従来的な金属ベースの構造と結合して一緒にする試みにつながった。

ＵＳ５０２７９１２は、この取り組みの前身であり、ここでは、異なる種類の切削材料の部分で形成される切断面を有する切削部材が開示されている。例えば、第１の部分は、標準的な金属のＰＣＤ成形体で形成される一方で、第２の部分は、熱安定性ダイヤモンド生成物材料で形成される。この種の工具は、一般に、工具中に、次いでろう付け又は接合される、それぞれの種類の事前成形又は予備焼結されたＰＣＤ要素を用いて製造される。熱安定性の種類のＰＣＤについて以前に議論された、接合の問題及び複雑さを、未だここで経験するであろう。

ＪＰ５９１１９５００には、作業面すなわち上面のみの化学的な浸出処理後に、ＰＣＤの焼結された材料の性能の改善が主張されている。この処理により、作業面に直接隣接する領域中のみ、金属の触媒／溶媒のマトリックスが溶解され除去される。米国特許の第６５４４３０８号及び第６５６２４６２号にも、このようなＰＣＤ成形体の製造及び挙動が記載されている。この取り組みは、炭化物の基材への接合領域中に金属ベースのＰＣＤの長所を維持しつつ、作業面の領域中により熱安定性ＰＣＤを提供しているので、この取り組みが価値を有することが主張されている。この取り組みはいくつかの価値を有するが、浸出工程により、バルクのＰＣＤから金属の触媒／溶媒の材料が除かれることと、炭化物の基材自体が犠牲にされることとを防ぐことに実質的な技術的困難がある。さらに、この多数のステップの製造工程は、費用が嵩み時間がかかる。

ＵＳ６２４８４４７には、第２の熱安定性ＰＣＤ要素が、従来の金属焼結されたＰＣＤ成分内に構造的に埋め込まれている成形体構造が開示されている。この別々に形成されたＰＣＤ要素は、焼結する触媒／溶媒として炭酸塩を組み入れ、金属焼結されたＰＣＤの支持体により少なくとも部分的に囲まれている。最終的な成形体は、一般に、予備焼結された炭酸塩ベースの要素を、バルクの非焼結成形体の事前成形に組み入れた後の第２のステップで、金属のＰＣＤを焼結することにより製造される。この場合において、組み入れられた熱安定性要素は、巨視的、すなわち、金属のＰＣＤ支持体中に存在するダイヤモンド粒子の粒径に比べて大きなスケールと呼ばれるであろうものである。

ＵＳ２００６０２６６５５８には、成形体の表面に隣接して位置する熱安定性領域を含む、同様の種類のＰＣＤ成形体が開示されている。熱安定性領域は、約７５０℃を超える温度で熱安定性である圧密材料から形成される。この熱安定性領域は、超硬質材料本体の一部分又は全体を占める。超硬質材料本体は、本体の異なる領域をそれぞれ形成する別々の超硬質材料要素の複合体を含むことができ、この領域の少なくとも１つが熱安定性である。超硬質材料本体は所望の基材に接合され、中間材料が本体と基材との間に挿入され、中間材料は高圧／高温の工程により基材と本体とを互いに結合する。超硬質材料本体は、ＨｐＨＴ工程の間にそれぞれ互いに結合される、同一又は異なる種類の超硬質材料、又は硬質でない材料から形成される、多数の異なる層、本体又は領域を有して提供され得る。

これらの取り組みの問題は、任意の空間的に制限された熱安定性の体積が、それが工具中に空間的に存在することにより制限された効果を有するであろうということである。また、熱安定性ＰＣＤの相と金属ベースのＰＣＤとの材料特性の間の顕著な違いは、工具中に発生する相当な構造的応力につながり、特に、高温により悪化されることがある。

本発明によれば、結合したダイヤモンド粒子の第１の多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料と、第１のＰＣＤ材料又はその領域の至るところに散在する第２のＰＣＤ材料とを含み、第２のＰＣＤ材料が、熱安定性多結晶ダイヤモンド（ＴＳＰＣＤ）材料の微粒子又は顆粒を含むことを特徴とする多結晶ダイヤモンド研磨材成形体が提供される。

一般に、ＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒は、第１のＰＣＤ材料又はその領域の内部に一様又は均一に分散されている。

特に、第１のＰＣＤ材料は、従来の金属の触媒／溶媒ベースのＰＣＤを含み、それは、予備焼結されたＴＳＰＣＤの微細に分散された微粒子又は顆粒の存在下で、高圧及び高温で形成される。或いは、ＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒は、一般に高圧及び高温で焼結することにより、その場で形成され得る。

ＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒は、第１のすなわち金属のＰＣＤを形成するために用いられる個々のダイヤモンド粒子の最初の大きさより好ましくは大きいが、成形体全体の大きさに比べればなお非常に微細なスケールである。

ＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒に最適な大きさは、１から５００μｍの間、より好ましくは５から２５０μｍの間の範囲にあると思われる。これらの微粒子又は顆粒の内部の個々のダイヤモンド粒の平均径は、ナノ大から約５０μｍ以下の範囲であることができ、ここで、最適な大きさは、最終的な所望の材料特性に応じて選択されるであろう。ＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒の粒径分布は、さらに多峰性であり得る。

ＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒は、
・非金属の触媒／溶媒で焼結されたＰＣＤ
・浸出させたＰＣＤ、及び
・焼結されたセラミックマトリックス中のダイヤモンド粒子、特に、ケイ素ベースのセラミックマトリックス中のダイヤモンド
等の、様々な材料種から選択され得る（しかしそれらに限定されるものではない）。

一般に、これらは、別々の焼結ステップにおいて製造され、適切な大きさに破砕又は粉砕され、次いで焼結前に、従来の第１の、すなわち金属ベースのＰＣＤのための非焼結の粉末混合物に組み入れられる。或いは、ＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒を形成するための前駆体材料を、非焼結の粉末混合物に組み入れ、焼結の間にその場でＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒を形成することができる。

予備焼結されたＴＳＰＣＤの質量パーセントは、２％をわずかに超えるところから５０質量％をわずかに下回るところまで、好ましくは１０％から４０質量％の間の範囲であり得ることが見出された。この質量パーセントを変化させることにより、適合させられるべき複合体の特定の特性を、特有の用途の要求に合わせる。この取り組みが、平均ダイヤモンド粒径５０μｍ以下、より好ましくは２５μｍ以下の第１のＰＣＤ材料の性能を改善することに、最も顕著な利点を有することも見出された。

本発明は、例えば基材の切削若しくは研磨のための、又は掘削用途における、研磨材の切削要素として、本発明の研磨材成形体を使用することまでを対象とする。

実施例１の多結晶ダイヤモンド成形体（ＰＣＤ）の微細構造を示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像であり、ここで、熱安定性多結晶ダイヤモンド顆粒は、第１の多結晶ダイヤモンドマトリックスにより囲まれている。 図１のＰＣＤ成形体と従来のダイヤモンド成形体との間の熱安定性の違いを示す棒グラフである。 図１のＰＣＤ成形体と従来のダイヤモンド成形体との間の耐酸化性の違いを示す棒グラフである。 図１のＰＣＤ成形体と従来のダイヤモンド成形体との間の耐磨耗性の違いを示す棒グラフである。 実施例２の多結晶ダイヤモンド成形体（ＰＣＤ）の微細構造を示すＳＥＭ画像であり、ここで、熱安定性多結晶ダイヤモンド顆粒は、第１の多結晶ダイヤモンドマトリックスにより囲まれている。 図５のＰＣＤ成形体と従来のダイヤモンド成形体との間の熱安定性の違いを示す棒グラフである。 図５のＰＣＤ成形体と従来のダイヤモンド成形体との間の耐酸化性の違いを示す棒グラフである。

本発明は、多結晶ダイヤモンド研磨材成形体、特に、高圧／高温の条件下で作製される超硬質多結晶ダイヤモンド研磨材成形体を対象とする。多結晶ダイヤモンド研磨材成形体は、第１のＰＣＤ成形体材料中に存在する、微細に分散された、熱安定性のＰＣＤの微粒子又は顆粒がさらにあることを特徴とする。

第１のダイヤモンド粒子の群は、研磨材成形体を製造するのに必要な既知の温度及び圧力の条件を受けるであろう。これらの条件は、一般に、ダイヤモンド研磨材粒子自体を合成するために必要なものである。一般に、用いられる圧力は、４０から７０キロバールの範囲内であり、用いられる温度は、１３００℃から１７００℃の範囲内であるであろう。

ダイヤモンド成形体は、一般に、複合ダイヤモンド成形体を形成する、超硬合金の支持体又は基材に結合されるであろう。このような複合ダイヤモンド成形体を製造するために、ダイヤモンド粒子の大部分は、それが成形体の製造に必要な高温及び高圧の条件を受ける前は、超硬合金体の表面に配置されているであろう。超硬合金の支持体又は基材は、超硬質炭化タングステン、超硬質炭化タンタル、超硬質炭化チタン、超硬質炭化モリブデン、又はそれらの混合物等の、当技術分野において既知で任意のものであり得る。このような炭化物のためのバインダーの金属は、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、又はこれらの金属の１種若しくは複数を含有する合金等の、当技術分野において既知で任意のものであり得る。一般に、このバインダーは、１０から２０質量％の量で存在するであろうが、これは、６質量％の低さであってもよい。バインダー金属のいくつかは、一般に、成形体の形成の間にダイヤモンド成形体へ浸潤するであろう。

この方法において用いられるダイヤモンド粒子は、天然又は合成のものであり得る。粒子の混合物は多峰性であり得る、すなわち、それらの平均粒径で識別できて互いに異なる画分の混合物を含む。「平均粒径」は、それぞれの粒子が、中間の粒径が「平均」を表す一連の大きさを有することを意味する。したがって、特定の大きさを超える及び下回る限られた数の粒子があるが、多くの量の粒子は、平均の大きさに近いであろう。したがって、粒の分布におけるピークは特定の大きさであるであろう。焼結された成形体において、「平均粒径」の用語は、同様の方法で解釈されるべきである。しかし、それぞれの凝集体又は微粒子を記述するための「平均粒径」の用語の使用は、群全体の大きさには適合するが、それを構成するそれぞれの粒子には適合しない。この違いは、説明の文脈から明白であるはずである。

本発明の方法により製造されるダイヤモンド成形体は、さらに、用いたダイヤモンド粒子のための触媒／溶媒の形で存在するバインダーの相を有するであろう。ダイヤモンドのための触媒／溶媒は、当技術分野において周知である。バインダーは、好ましくは、コバルト、ニッケル、鉄、又はこれらの金属の１種若しくは複数を含有する合金である。このバインダーを、焼結処理の間に大部分の研磨材粒子中に浸潤させることにより、又は大部分の研磨材粒子内の混合物としての微粒子の形でのいずれかで導入することができる。浸潤は、バインダー金属の、又は炭化物支持体からの、供給されたシム又は層のいずれかから生じ得る。一般に、取り組みは組み合わせて用いられる。

高圧、高温の処理の間に、触媒／溶媒の材料は、融解し、成形体層を通って移動して、触媒／溶媒として作用し、したがって、超硬質粒子を、再沈殿した超硬質相の形成により互いに結合させる。したがって、製造されるとすぐに、成形体は、互いに結合した超硬質ダイヤモンド粒子の凝集性マトリックスを含み、それにより、上述のようにバインダー、又は溶媒／触媒の材料を含有する多くの間隙をもつ超硬質多結晶ダイヤモンド複合材料を形成する。ある形では、超硬質ダイヤモンド相は、７５体積％から９５体積％の間であり、溶媒／触媒の材料、及び他の相は、残りの５％から２５％である。

驚くべきことに、ＰＣＤ構造全体の内部の熱安定性ＰＣＤの微粒子又は顆粒の微粉化した分布がさらに存在することにより、様々な熱的に厳しい用途におけるＰＣＤの挙動が顕著に改善されることが見出された。成形体の嵩強度又は耐磨耗性は連続マトリックス（すなわち、第１のＰＣＤ）相により決定されるであろうと予想されるであろうから、これは驚くべきである。さらに、ＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒は、顕著に互いと結合しているのではなく、したがって、所定の位置にそれらを保持する結合相を犠牲にすることは、同様に材料全体を犠牲にするであろうと予想された。したがって、このバルク材料の中で受ける熱劣化は、ＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒から見られる任意の改善を顕著に見劣りさせるであろうと予想された。それにもかかわらず、かなり低い水準でさえも、標準的なＰＣＤの微小構造中のＴＳＰＣＤ島の存在は、実質的な利点を有し得ると思われる。ＴＳＰＣＤ微粒子が導入される体積中のそれらの最適な水準は、約２質量％から５０質量％をわずかに下回る、又はより好ましくは１０質量％から４０質量％の間であると思われる。

ＴＳＰＣＤの用語は、任意の熱劣化機構の開始が、第１のマトリックスのＰＣＤについて観察されるそれと比べてより高い温度へ正に移動することを示す、任意のＰＣＤ材料を指すと理解される。これには、一般に、７００℃を超える温度で、任意の顕著な特性低下を受けない任意のＰＣＤ材料が含まれるであろう。

ＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒は、
・例えば、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の炭酸塩、硫酸塩又は水酸化物塩等の、非金属の触媒／溶媒の存在下で焼結されたＰＣＤ
・浸出させたＰＣＤ、すなわち、金属相が、いくつかの種類の物理化学的処理により次いで大部分除去された、標準的な金属の触媒／溶媒を用いて生成されるＰＣＤ材料、及び
・セラミックマトリックスが、酸化物、窒化物、炭化物、及びそれらの任意の組合せであり得る、焼結されたセラミックマトリックス中のダイヤモンド粒子
等の、様々な材料の種類から選択され得る（しかしそれらに限定されるものではない）。

ＴＳＰＣＤ材料のこの後記する部類に関して特に注目すべきなのは、ケイ素ベースのセラミックをマトリックスとして用いるＴＳＰＣＤ材料である。これらのマトリックスには、炭化ケイ素（ＳｉＣ）と、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）と、サイアロン、並びにケイ素、炭素、窒素、アルミニウム、チタン及び酸素の組合せにより形成される材料等の誘導セラミックとが挙げられる。この材料の好ましい例は、炭化ケイ素マトリックス中のダイヤモンドである。この材料種を、超高圧（４０から９０ｋｂａｒ）、及び選択された圧力でケイ素の融点より高い温度を含む、温度及び圧力の様々な条件での、ダイヤモンドの溶融ケイ素との反応、並びに温度単独による自由焼結を含む方法にもより作製することができる。ケイ素ベースのセラミック材料中にダイヤモンドを含むＴＳＰＣＤを、前駆体としてプレセラミックポリマーを用いて作製することもできる。この場合において、生成セラミックバインダーは、性質上、ナノ粒径又は非晶質であり得る。

窒化チタン、炭化チタン及び炭窒化チタン、また並びに一般的な遷移金属の炭化物、窒化物及び炭窒化物等（しかしそれらに限定されるものではない）のチタン及びジルコニウムのベースのセラミック中でダイヤモンドを破砕することにより生成されるＴＳＰＣＤ微粒子材料も特に興味深い。

本発明のある実施形態において、ＴＳＰＣＤ微粒子は別々の焼結ステップで製造されるが、これは必ずしも高圧又は高温の焼結ステップでなくともよい。一般に、これは、炭化物の基材又は裏地の存在下でないこともあるであろう。次いで、焼結された群は、適切な大きさに破砕又は粉砕されるであろう。次いで、それは、微粒子の、又は凝集した／顆粒の形で、焼結前に、従来の金属ベースのＰＣＤのための焼結されていない粉末混合物に組み入れられる。

本発明のこの実施形態に係る成形体を生成するためのある方法は、予備焼結された熱安定性のＰＣＤの、微粒子、又は凝集体／顆粒を、用いられる焼結されていないダイヤモンド研磨材粒子混合物に加えることを特徴とする。特定の種類のＴＳＰＣＤ微粒子は、転移層又は活性化コーティングによりコーティングされて、バルクＰＣＤのマトリックスの周囲に容易に結合することを促進する、又はＴＳＰＣＤと第１のＰＣＤ材料との間の過度の化学的相互作用を防ぐ場合に、最も良好に機能し得ることが予想されるが、この添加の方法は、一般に、任意の追加的な事前合成工程を必要としない。

本発明のさらなる実施形態において、ＴＳＰＣＤ微粒子を、その場で形成することができる。この実施形態において、ＴＳＰＣＤ微粒子を形成するための前駆体材料を、焼結前に、用いられる焼結されていないダイヤモンド粒子混合物に組み入れることができる。次いで、これらの微粒子は、バルクのＰＣＤの周囲を焼結するために用いられる、同じＨｐＨＴ焼結サイクルの間に、その場で焼結又は圧密化される。この取り組みは、ＰＣＤの周囲を焼結するのに必要な条件により限定されることがあると予想され得るが、そうすることに利点があり得る。

ダイヤモンド研磨材成形体中の、ＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒の最適な大きさは、１から５００μｍ、より好ましくは５から２５０μｍの間であることが見出された。微粒子が微細すぎる場合、不十分な凝集性のＴＳＰＣＤの性質が構造内に現れて、顕著な影響を有すると思われ、それらが粗すぎる場合、２種類の材料の間の構造的な不一致から発生する応力が現れて、逆の影響を成形体に及ぼす。

ＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒が、多結晶ダイヤモンド複合材料の至るところに導入される必要は必ずしもない。作用面に最も近い特定の領域中の複合材料だけが、加えられたＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒を有するときでも、実質的な利点を認識することができる。しかし、一般にＰＣＤ成形体のバルク中で改善された性能が必要な場合、多結晶ダイヤモンド複合材料のすべて又は大部分が、加えられたＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒を有する必要があり得る。製造を容易にするために、複合体のバルク全体がこの種類であることも好ましいことがある。

これから、本発明を、以下の非限定的な実施例として説明する。

（実施例１）
浸潤させ、ダイヤモンド粒と反応させるための元素ケイ素を用いて従来の熱安定性のＰＣＤ成形体を製造して、高圧及び高温の条件下でＳｉＣ−ダイヤモンド成形体を製造した。この場合におけるダイヤモンド粒は、約２０μｍ大であった。この成形体は、炭化物の基材により支持されていなかった。次いで、焼結された本体は、破砕及び粉砕されて、凝集した又は焼結されたＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒を生成した。次いで、これらの微粒子又は顆粒を篩いにかけて、所望の大きさ、すなわち５０から１５０μｍの間の予備焼結した粒子又は顆粒を得た。

次いで、ダイヤモンド粉末の多峰性の混合物を、従来のＰＣＤ合成のための一般的なダイヤモンド粉末混合物の製法により調製した。この金属ベースのＰＣＤのための平均ダイヤモンド粒径は約２０μｍであった。次いで、ＴＳＰＣＤ凝集体粒子を３０質量％の水準でこの混合物に加え、完全に混合した。次いで、この粉末混合物を、基材によく結合した多結晶ダイヤモンド層を製造するために、一般的な圧力及び温度の条件下で、標準的な超硬質ＷＣ基材上に焼結させた。

添付の図１に示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像は、ＴＳＰＣＤ顆粒の形の第２のＰＣＤ材料が、第１のＰＣＤマトリックスにより囲まれた、生成ＰＣＤの微細構造を図解している。この顕微鏡写真は、第２のＰＣＤを作り上げている顆粒又は微粒子が、第１の（金属ベースの）ＰＣＤの個々のダイヤモンド顆粒より大きいことを示している。ＴＳＰＣＤの顆粒又は微粒子の平均径は１００μｍであるが、構成するダイヤモンド粒のそれぞれの粒径は約２０μｍである。この顕微鏡写真中の黒い領域はダイヤモンド相を表し、灰色の領域はバインダー／触媒のコバルトを表し、より明るい領域は炭化タングステンを表す。ＴＳＰＣＤ顆粒中の灰色の領域は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を表す。さらに、電子線回折分光法（ＥＤＳ）を用いて、試料中の元素分布を特徴付けた。この分析により、ＴＳＰＣＤの第２の相を囲むより明るい領域は、コバルト及びケイ素の存在を表すことが確認され、さらに、Ｘ線回折（ＸＲＤ）により、これら２つの金属からのＣｏＳｉの形成が確認された。Ｓｉ源は第２の相のＴＳＰＣＤであり、Ｃｏは第１の相の中に存在するバインダーに由来する。ＳＥＭ分析により、ＴＳＰＣＤの顆粒が、第１の相のＰＣＤ構造の至るところに適度に均一に分布していたことが示された。

この実施例の複合ダイヤモンド成形体は、熱安定性試験を受け、第２の相としてコバルトをもつＰＣＤ層を有する従来の複合ダイヤモンド成形体と比較された。添付の図２に図で示すように、標準（従来の複合ダイヤモンド成形体）と比べた場合、この試験により、本発明の複合ダイヤモンド成形体の熱安定性に明らかな改善が示された。次いで、添付の図３において図で見ることができるように、この実施例の複合ダイヤモンド成形体は、耐酸化性試験において標準と比較され、標準的な従来のダイヤモンド成形体より顕著に優れていることを再度証明した。

この実施例の複合ダイヤモンド成形体は、標準的なグラニット磨耗（耐磨耗性）試験で標準的なダイヤモンド成形体とも比較した。添付の図４において図で見ることができるように、第２の相のＴＳＰＣＤを含むＰＣＤは、標準と比べて約３０％減退した耐磨耗性を示した。組み入れられる第２の相のＴＳＰＣＤ微粒子の量をさらに最適化することにより、本発明の材料の耐磨耗性を顕著に改善することができたものと予想される。

（実施例２）
実施例１と同様に、ＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒を、約６μｍ大のダイヤモンド粒により調製し、３０から１００μｍの間の所望の大きさに篩った。

次いで、ダイヤモンド粉末の多峰性の混合物を、従来のＰＣＤ合成のための一般的なダイヤモンド粉末混合物の製法により調製した。この金属ベースのＰＣＤのための平均ダイヤモンド粒径は約１０μｍであった。次いで、ＴＳＰＣＤ顆粒を２０質量％の水準でこの混合物に加え、完全に混合させた。次いで、この粉末混合物を、基材によく結合した多結晶ダイヤモンド層を製造するために、一般的なＨｐＨＴ条件下で、標準的な超硬質炭化タングステン基材上に焼結させた。

生成材料のＳＥＭ分析は、第１のＰＣＤマトリックスにより囲まれた、一般的なＴＳＰＣＤ顆粒をもつ生成ＰＣＤ成形体の微細構造を示している（添付の図５に示されるように）。この顕微鏡写真は、第２のＴＳＰＣＤを作り上げている顆粒又は微粒子が、第１の（金属の）ＰＣＤの個々のダイヤモンド粒より大きいことを示している。この実施例において、ＴＳＰＣＤ微粒子のダイヤモンド粒径は、囲んでいる第１のＰＣＤ領域のダイヤモンド粒径より微細である。

次いで、この実施例の焼結された成形体は、熱安定性試験を受け、従来の複合ダイヤモンド成形体と比較された。添付の図６に図で示すように、標準的な従来のＰＣＤ成形体と比べた場合、この試験により、本発明の複合ダイヤモンド成形体の熱安定性の改善が明らかに示された。従来の混合技術を用いて、ＰＣＤ成形体中のＴＳＰＣＤ顆粒の分布の均一性を改善することにより、さらに、熱安定性の任意の可変性が改善できたものと予想される。

添付の図７に図で見ることができるように、この実施例の複合ダイヤモンド成形体は、耐酸化性試験においても標準と比較され、優れていることが証明された。

Claims (14)

1. 結合したダイヤモンド粒子の第１の多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料と、前記第１のＰＣＤ材料の至るところに散在するか又は前記第１のＰＣＤ材料の所定の領域に散在する第２のＰＣＤ材料とを含み、前記第２のＰＣＤ材料が、熱安定性多結晶ダイヤモンド（ＴＳＰＣＤ）材料の微粒子又は顆粒を含み、前記ＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒の大きさが、１から５００μｍの間の範囲内であることを特徴とする多結晶ダイヤモンド研磨材成形体。
2. 前記第２のＰＣＤ材料のＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒が、前記第１のＰＣＤ材料の内部又は前記第１のＰＣＤ材料の所定の領域の内部に一様又は均一に分散されている、請求項１に記載の多結晶ダイヤモンド研磨材成形体。
3. ＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒の大きさが、５から２５０μｍの間の範囲内である、請求項１又は２に記載の多結晶ダイヤモンド研磨材成形体。
4. ＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒中の粒径分布が多峰性である、請求項１から３までのいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド研磨材成形体。
5. 予備焼結されたＴＳＰＣＤの質量パーセントが、２％から５０質量％の間の範囲内である、請求項１から４までのいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド研磨材成形体。
6. 予備焼結されたＴＳＰＣＤの質量パーセントが、１０％から４０質量％の間の範囲内である、請求項１から５までのいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド研磨材成形体。
7. ＴＳＰＣＤの微粒子又は顆粒が、非金属の触媒／溶媒で焼結されたＰＣＤ、浸出させたＰＣＤ、若しくは焼結されたセラミックマトリックス中のダイヤモンド粒子、又はそれらの組合せを含む、請求項１から６までのいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド研磨材成形体。
8. 非金属の触媒／溶媒が、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の炭酸塩、硫酸塩又は水酸化物塩を含む、請求項７に記載の多結晶ダイヤモンド研磨材成形体。
9. 焼結されたセラミックマトリックスが、酸化物、窒化物、炭化物、若しくはケイ素ベースのセラミック、又はそれらの組合せを含む、請求項７に記載の多結晶ダイヤモンド研磨材成形体。
10. ケイ素ベースのセラミックが、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイアロン、又はケイ素、炭素、窒素、アルミニウム、チタン及び酸素の組合せにより形成される材料を含む、請求項９に記載の多結晶ダイヤモンド研磨材成形体。
11. 第１のＰＣＤの平均ダイヤモンド粒径が、５０μｍ以下である、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド研磨材成形体。
12. 第１のＰＣＤの平均ダイヤモンド粒径が、２５μｍ以下である、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド研磨材成形体。
13. 多結晶ダイヤモンド研磨材成形体が、超硬合金の支持体又は基材に結合している、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド研磨材成形体。
14. 請求項１から１３までのいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド研磨材成形体を含む、基材の切削若しくは研磨に適した、又は掘削用途の、研磨材の切削要素。

Images