JPH106228A - 改善された研摩切削素子およびドリルビット - Google Patents

改善された研摩切削素子およびドリルビット

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JPH106228A
JPH106228A JP9036802A JP3680297A JPH106228A JP H106228 A JPH106228 A JP H106228A JP 9036802 A JP9036802 A JP 9036802A JP 3680297 A JP3680297 A JP 3680297A JP H106228 A JPH106228 A JP H106228A
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abrasive cutting
abrasive
cutting element
metal substrate
diamond
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JP9036802A
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Gary Martin Flood
ガリィ・マーティン・フラッド
David Mark Johnson
デイビッド・マーク・ジョンソン
Bradley Earl Williams
ブラッドリー・アール・ウィリアムズ
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General Electric Co
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
    • E21B10/56—Button-type inserts
    • E21B10/567—Button-type inserts with preformed cutting elements mounted on a distinct support, e.g. polycrystalline inserts
    • E21B10/573—Button-type inserts with preformed cutting elements mounted on a distinct support, e.g. polycrystalline inserts characterised by support details, e.g. the substrate construction or the interface between the substrate and the cutting element
    • E21B10/5735—Interface between the substrate and the cutting element
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24D—TOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D5/00—Bonded abrasive wheels, or wheels with inserted abrasive blocks, designed for acting only by their periphery; Bushings or mountings therefor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 研摩切削素子における内部残留応力に起因し
た破損およびスポーリングに対するダイヤモンド層の感
受性を最小にする。 【解決手段】 本発明の研摩切削素子は研摩切削層と金
属基体とを含み、これらの間の界面に接線チャンファを
有し、この接線チャンファの平面が金属基体の円柱部の
表面の平面に対して約５乃至約８５°の角度を形成して
いる。このような切削素子はドリルビット内に導入され
ると改善された残留応力、積層割れに対する改善された
抵抗、成形体の破損に対する改善された抵抗および圧縮
負荷による破損に対する改善された抵抗を有する。研摩
切削層は好ましくはダイヤモンドまたは立方晶窒化硼素
であり、金属基体は好ましくは炭化タングステンであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】発明の分野 本発明は研摩切削素子の分野に係わり、特に研摩材粒子
層の外縁と金属基体とを有し、これらの間の界面に、前
記研摩材層が結合された基体のラジアス部分および基体
の円柱部分と交差する接線チャンファを有する、このよ
うな研摩切削素子に係わる。
【０００２】発明の背景 研摩材成形体は切削、フライス削り、研摩、きりもみお
よびその他の研摩作業に広く使用されている。こうした
研摩材成形体は代表的には多結晶ダイヤモンドあるいは
立方晶窒化硼素（ＣＢＮ）粒子が凝集した硬い集塊体に
結合されてなっている。この研摩材成形体の研摩材粒子
の含有量は高くそしてこれには粒子−粒子の直接結合が
大規模な量で存在している。研摩材成形体は、ダイヤモ
ンドであっても立方晶窒化硼素であっても、研摩材粒子
が結晶学的に安定な高い温度および圧力条件の下で製造
される。
【０００３】研摩材成形体は脆い傾向があり、従って使
用に際してしばしば炭化物基体のような燒結金属基体に
結合されて支持されている。このような支持された研摩
材成形体は複合研摩材成形体として当業界で知られてい
る。この複合研摩材成形体はそのまま研摩工具の作業面
に使用することができる。別の態様としては、特に掘削
および採鉱作業においては、この複合研摩材成形体を細
長い焼結炭化物（超硬合金）製ピンに結合してスタッド
カッタとして知られるものを製造するのが有利なことが
分かっている。次いで、このスタッドカッタを例えばド
リルビットあるいは採鉱ピックの作業面に装着する。
【０００４】この複合研摩材成形体を作るには典型的に
は先ずプレスの容器内に焼結炭化物基体を入れる。次い
で、この基体の上にダイヤモンド粒子の混合物あるいは
ダイヤモンド粒子と触媒結合材の混合物を置いて高圧及
び高温（ＨＰ／ＨＴ）条件下で圧縮成形する。この際、
金属結合材が基体から移行してダイヤモンド粒子中に
「掃引拡散」してダイヤモンド粒子の焼結を促進する。
その結果、ダイヤモンド粒子は互いに結合されてダイヤ
モンド層を形成し、これに伴いダイヤモンド層が従来平
面状である界面に沿って基体に結合される。金属結合材
はダイヤモンド粒子間に区画される孔に配置されてダイ
ヤモンド層内に残留する。
【０００５】上述した態様で形成される複合研摩材成形
体は多くの欠点を受けやすい。例えば、焼結炭化物とダ
イヤモンドの熱膨張係数と弾性率は近いとはいえ、正確
には同じではない。従って、多結晶ダイヤモンド成形体
（ＰＤＣ）の加熱あるいは冷却の間に、熱的に誘発され
た応力がダイヤモンド層と焼結炭化物基体との間の界面
に発生し、このような応力の大きさは例えば熱膨張係数
および弾性率の不均衡に左右される。
【０００６】考慮すべき別の潜在的な欠点はダイヤモン
ド層内の内部応力の発生に係わり、これによりダイヤモ
ンド層に破損を生ずる可能性がある。このような応力は
また焼結炭化物基体の存在からも生じそして焼結炭化物
基体および多結晶ダイヤモンド層の大きさ、幾何学形状
および物理的特性に従って分布している。ヨーロッパ特
許出願第０１３３３８６号には多結晶ダイヤモンド体を
完全に金属結合材を含まないようにして金属支持体上に
直接装着するようにしたＰＤＣが示唆されている。しか
しながら、ダイヤモンド体を金属上に直接装着すること
は金属がダイヤモンド体に対して十分な支持を提供する
能力に欠ける点に関する重大な問題をもたらす。このヨ
ーロッパ特許出願は更にダイヤモンド層の底面に間隔を
置いてリブを設けこれを金属支持体内に埋設することを
示唆している。
【０００７】このヨーロッパ特許出願によれば、ダイヤ
モンド体を形成した後に例えばレーザーあるいは電子放
電処理によって、またはダイヤモンド体のプレス内での
成形に際して例えば凹凸のある型を使用することによっ
て、ダイヤモンド体内に不規則な凹凸を形成できるとさ
れている。この後者の態様に関して、ヨーロッパ特許出
願では更に適当な型は焼結炭化物で形成することができ
ると示唆されているが、このような場合には、しかしな
がら、金属結合材は型からダイヤモンド体内に移行する
こととなり、金属を含まないダイヤモンド層を提供する
との記述されたゴールとは矛盾する結果となろう。この
文献ではこのようにして形成したダイヤモンド／炭化物
複合体を酸の浴に浸漬して炭化物の型を溶解しそしてダ
イヤモンド体から全ての金属結合材を浸出することによ
りこの問題を軽減することを提案している。その結果、
金属結合材を含まないダイヤモンド体が生成されてダイ
ヤモンド体が金属支持体上に直接装着されることになろ
う。このような構造からは何らかの利益がもたらされる
かもしれないとはいえ、後述するように、重大な不利益
が尚残されている。
【０００８】要するに、このヨーロッパ特許出願は焼結
炭化物基体および金属結合材を完全に除去することによ
りダイヤモンド層内の焼結炭化物基体の存在および金属
結合材の存在に伴う問題を排除することを提案してい
る。しかしながら、金属結合材が存在しないことはダイ
ヤモンド層を熱的により安定にするが、同時にこれによ
り又ダイヤモンド層が衝撃抵抗性に乏しくされる。即
ち、ダイヤモンド層は激しい衝撃によるチッピングをよ
り受けやすくなり、この特性により岩石のような硬い物
質の掘削の際に重大な問題が引き起こされる。
【０００９】また、ダイヤモンド体を金属支持体上に直
接装着することは本来的にはダイヤモンドおよび金属の
間の界面における応力の発生に係わる従来から指摘され
ている問題を軽減することはなく、この問題はダイヤモ
ンドと金属との間の熱膨張係数の非常に大きな不均衡か
ら生じていることが理解されよう。例えば、鋼鉄に対す
る熱膨張係数が１５０−２００×１０-7ｃｍ／ｃｍ／℃
であるのに比較して、ダイヤモンドの熱膨張係数は約４
５×１０-7ｃｍ／ｃｍ／℃である。従って、熱により誘
発される非常に実質的な応力が界面に発生しよう。更
に、ダイヤモンドのリブを持たない部分が一度その背後
の金属を露出するに十分な程度に摩耗し始めると、その
金属はその比較的延性の特性および低い摩耗／浸食抵抗
のために急速に損耗し、この金属の損耗によりダイヤモ
ンドと金属支持体との間の結合の完全性が次第に損なわ
れる。
【００１０】最近、ダイヤモンド／炭化物界面の機械的
およぞ熱的応力に対する感受性を減少する目的で多くの
尾根部、溝あるいはその他のくぼみをダイヤモンド／炭
化物界面に含ませた種々のＰＤＣ構造物が提案されてい
る。米国特許第４，７８４，０２３号明細書では、ＰＤ
Ｃの界面に交互の溝および尾根が多く含まれていて、こ
れらの頂部および底部は成形体表面と実質的に平行にさ
れそして側部は成形体表面と実質的に垂直にされてい
る。
【００１１】米国特許第４，９７２，６３７号明細書に
より提供されるＰＤＣの界面には離散され間隔を置かれ
た複数の凹所が焼結炭化物層内に伸びており、この凹所
は研摩材物質（例えば、ダイヤモンド）を内蔵していて
一連の列をなして配列されており、各凹所は隣接した列
の最も近接した隣の凹所に対して食い違うように配され
ている。米国特許第４，９７２，６３７号明細書では、
摩耗がダイヤモンド／炭化物界面に達すると、ダイヤモ
ンドを充填されている凹所は焼結炭化物より損耗が遅く
そして実際上は切削用尾根部または突出部として働くと
強調されている。ＰＤＣをスタッドカッタ上に装着する
と、米国特許第４，９７２，６３７号明細書の第５図に
示されているように、摩耗面３８が炭化物領域４２を露
出し、この炭化物領域４２は凹所１８内のダイヤモンド
物質より急速に摩耗する。その結果、ダイヤモンドで充
填されている凹所の間のこうした領域にくぼみが発達す
る。米国特許第４，９７２，６３７号明細書はこれらの
くぼんだ領域はダイヤモンド材料の追加の縁部を露出す
ることによりＰＤＣの切削作用を高めると強調してい
る。
【００１２】米国特許第５，００７，２０７号明細書に
は別のＰＤＣ構造が提供されており、このＰＤＣ構造に
は炭化物層に多くの凹所が形成されており、各凹所はダ
イヤモンドで充填されており、これらの凹所は（ディス
ク形状をした成形体を見おろしてみて）渦巻き状あるい
は同心円形パターンに形づけられている。従って、米国
特許第５，００７，２０７号明細書記載の構造の米国特
許第４，９７２，６３７号明細書記載の構造との違い
は、米国特許第５，００７，２０７号明細書記載の構造
が、非常に多くの離散された凹所を使わずに、渦巻き状
または同心円形パターンを形成する一個または二三の細
長い凹所を使用していることである。米国特許第５，０
０７，２０７号明細書の第５図はＰＤＣがスタッドカッ
タに装着されて使用されたときに発達する摩耗面を示し
ている。米国特許第４，９７２，６３７号明細書記載の
構造と同様に、米国特許第５，００７，２０７号明細書
記載の構造でも、摩耗過程において炭化物材料中にはダ
イヤモンドで充填された凹所間にくぼみが形成される。
米国特許第４，９７２，６３７号明細書と同じく、米国
特許第５，００７，２０７号明細書でも摩耗過程で発達
するこれらのくぼみが切削作用を高めることを強調して
いる。
【００１３】上述した米国特許明細書では岩石での所望
の切削作用が強調されているが、幾分は内部残留応力に
起因する破損およびスポーリングに対するダイヤモンド
層の感受性を最小にすることも同じく大いに望ましいこ
とである。発明の要約 本発明は研摩材粒子の外側層と、この研摩材粒子外側層
が結合されている金属基体との間に特定の界面形状を有
する研摩切削素子に関連している。多結晶ダイヤモンド
切削素子に関連した問題の一つは例えば切削素子上に於
ける応力分布である。即ち、切削素子は最も高い応力の
箇所で破損する傾向がある。しかしながら、これらの応
力は研摩切削素子の設計により変えることができる。本
発明の切削素子の外側研摩切削表面は多結晶ダイヤモン
ド層または成形体に関して記載されるが、研摩切削素子
の切削表面または面には立方晶窒化硼素、ウルツ鉱型窒
化硼素、あるいはこのような超硬研摩材物質の任意の組
合せも同様に適用できる。
【００１４】ＰＤＣは文献でおよびこの出願でしばしば
言及されている物質であり金属基体を有するが、この金
属基体は一般にコバルト、ニッケル、鉄またはこれらの
合金からなる結合材の存在下で第ＩＶＢ族、第ＶＢ族お
よび第ＶＩＢ族の金属の一種をプレスまたは焼結してな
る焼結金属炭化物であることができる。ここでは切削素
子の外面が切削面を形成する。切削素子の面と切削素子
層が結合されている金属基体との間の界面は基体のラジ
アス部分および基体の円柱部分と交差した、あるいは簡
単にはチャンファ角をなした、接線チャンファを有す
る。金属基体はときどきスタッドとして言及される。切
削素子の外縁は円錐または半球状をしている。本発明の
改善された界面は、（１）残留応力、（２）積層割れに
対する抵抗、（３）衝撃破損に対する抵抗および（４）
圧縮負荷による破損に対する抵抗が改善された切削素子
を提供する。基体またはスタッドは好ましくは炭化タン
グステンである。
【００１５】接線チャンファの角度またはチャンファ角
は約５ないし約８５°で変化でき好ましくは約３０乃至
約７５°であり、特に好ましい角度は約４０乃至約５５
°である。図で見れば、これは角度Φである。この界面
の残部即ち残りの部分の形状は本質的には半球状、円錐
状または平面状である。本発明にはまた改善されたドリ
ルビットも含まれ、このドリルビットはシャフトおよび
複数の露出された研摩切削素子を含んだ切削素子ホルダ
を含んでいる。ドリルビットのタイプはドラグ型のドリ
ルビットあるいはロータリ型のドリルビットのいずれで
もよい。ロータリ型ドリルビットは米国特許第４，１０
９，２３７号明細書に記載されている。
【００１６】好ましい実施例の説明 第１図は本発明の研摩切削素子の第一の実施の態様の断
面図であり、金属基体（スタッド）２、研摩切削外縁
４、接線チャンファ６および円錐状界面８を含んでい
る。角度Φはチャンファ６の平面と基体２の円柱表面１
０の平面との間の角度である。基体２は焼結金属炭化物
好ましくは炭化タングステンからなりそして研摩切削層
４は基体２に一体的に結合された研摩材粒子からなって
いる。切削層４は好ましくは多結晶ダイヤモンドである
が、立方晶窒化硼素等の如きその他の超硬研摩材の任意
のものでもよい。
【００１７】第２図は本発明の研摩切削素子の別の実施
の態様の断面図であり、金属基体（スタッド）２、研摩
切削外縁４、接線チャンファ６および平面状界面８を含
んでいる。角度Φはチャンファ６の平面と基体２の円柱
表面１０の平面との間の角度である。第３図は本発明の
改善されたドリルビットを例示しており、本発明の研摩
切削素子が複数装着されている。ビット２０はシャフト
２２およびドリルクラウン２４からなっており、ドリル
クラウン２４には凹所２８内に複数の切削素子２６が装
着されている。水路３０は従来技術に従って設計された
水路であり、流体ポート３２がドリル本体に長手方向に
設けられている。一つの切削素子２６（拡大されてい
る）の断面図が研摩材層３４と金属基体３６との間の界
面に接線チャンファ３８が形成されていることを例示し
ている。
【００１８】このように、先の記載で明らかにされたな
かでも、とりわけ上記に示した本発明の目的が効果的に
達成されており、上記した発明を実施するにあたりある
種の変更をなしうる故、本発明が厳密な形態に制限され
るべきでないことが理解されよう。従って、添付特許請
求の範囲に定義された本発明の範囲及び精神から逸脱す
ることなく本発明に変更および改変を加えることができ
よう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の研摩切削素子の第一の実施態様の断面
図。
【図２】本発明の研摩切削素子の別の実施態様の断面
図。
【図３】本発明の改善されたドリルビットの略図。
【符号の説明】
２：金属基体（スタッド） ４：研摩切削外縁 ６：接線チャンファ ８：界面 １０：円柱表面 Φ：チャンファ角 ２０：ドリルビット ２２：シャフト ２４：ドリルクラウン ２６：研摩切削素子 ２８：凹所 ３４：研摩材層 ３６：金属基体 ３８：接線チャンファ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デイビッド・マーク・ジョンソン アメリカ合衆国、オハイオ州、ウェスター ビル、ロリー・レーン、1172番 (72)発明者 ブラッドリー・アール・ウィリアムズ アメリカ合衆国、オハイオ州、ワーシント ン、ライリー・アベニュー、544番

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ホルダの表面より上方に露出される端部
    に半球状の形状を有する研摩切削素子において、該素子
    が金属基体と、これに結合された研摩材粒子からなる研
    摩切削層とから本質的になり、これら両者間の界面が接
    線チャンファを有し、該接線チャンファの平面が前記金
    属基体の円柱部の表面の平面に対して約５乃至約８５°
    の角度を形成している、前記研摩切削素子。
  2. 【請求項２】 前記界面の接線チャンファ以外の残部が
    本質的に円錐状または平面状をしている請求項１記載の
    研摩切削素子。
  3. 【請求項３】 前記研摩切削層が多結晶ダイヤモンドか
    らなる請求項１記載の研摩切削素子。
  4. 【請求項４】 前記研摩切削層が立方晶窒化硼素からな
    る請求項１記載の研摩切削素子。
  5. 【請求項５】 前記切削素子の金属基体が第ＩＶＢ族、
    第ＶＢ族および第ＶＩＢ族金属の炭化物からなる群から
    選択される請求項１記載の研摩切削素子。
  6. 【請求項６】 前記金属基体が炭化タングステンである
    請求項１記載の研摩切削素子。
  7. 【請求項７】 前記接線チャンファの角度が約３０乃至
    約７５°である請求項１記載の研摩切削素子。
  8. 【請求項８】 前記接線チャンファの角度が約４０乃至
    約５５°である請求項１記載の研摩切削素子。
  9. 【請求項９】 シャフトと、該シャフトの一端にあるク
    ラウンとを含み、該クラウンに複数の露出された研摩切
    削素子を含み、該研摩切削素子に研摩表面を持ち、そし
    て研摩表面の露出部が本質的に半球状をしたドリルビッ
    トにおいて、前記研摩切削素子が、金属基体と、これに
    結合された研摩材粒子からなる研摩切削層とから本質的
    になり、これら両者間の界面が接線チャンファを有し、
    該接線チャンファの平面が前記金属基体の円柱部の表面
    の平面に対して約５乃至約８５°の角度を形成する、よ
    うに改善されている、改善された前記ドリルビット。
  10. 【請求項１０】 前記ドリルビットがロータリ型ドリル
    ビットまたはドラグ型ドリルビットである請求項９記載
    のドリルビット。
JP9036802A 1996-03-06 1997-02-21 改善された研摩切削素子およびドリルビット Withdrawn JPH106228A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/611,896 US5743346A (en) 1996-03-06 1996-03-06 Abrasive cutting element and drill bit
US08/611896 1996-03-06

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JPH106228A true JPH106228A (ja) 1998-01-13

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JP9036802A Withdrawn JPH106228A (ja) 1996-03-06 1997-02-21 改善された研摩切削素子およびドリルビット

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US (1) US5743346A (ja)
EP (1) EP0794314A1 (ja)
JP (1) JPH106228A (ja)
KR (1) KR970064826A (ja)

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