JPH1135374A

JPH1135374A - 掘削ビット用焼結体およびその製造方法

Info

Publication number: JPH1135374A
Application number: JP9188358A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Sumiya; 均角谷; Shuichi Sato; 周一佐藤
Original assignee: SEKIYU SHIGEN KAIHATSU KK
Current assignee: SEKIYU SHIGEN KAIHATSU KK
Priority date: 1997-07-14
Filing date: 1997-07-14
Publication date: 1999-02-09

Abstract

(57)【要約】【課題】高強度で、優れた耐欠損性と、耐熱性、耐酸
性、耐摩耗性とを有する掘削用ダイヤモンド焼結体を提
供することを主要目的とする。【解決手段】鉄族金属と酸素を含有する化合物からな
る物質を１〜２０体積％含み、残部が平均粒径２０μｍ
以上２００μｍ以下のダイヤモンドからなる掘削ビット
用焼結体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、一般に掘削ビッ
ト用焼結体に関するものであり、より特定的には、石油
掘削等のドリルビットの刃先素材として用いられるダイ
ヤモンド焼結体に関する。この発明は、また、そのよう
な掘削ビット用焼結体の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の掘削ビット用ダイヤモンド焼結体
としては、焼結助剤あるいは結合剤としてＣｏ、Ｎｉ、
Ｆｅなどに鉄族金属を用いたものや、ＳｉＣなどのセラ
ミックスを用いたものが知られており、工業的に利用さ
れている。

【０００３】また、ダイヤモンド焼結体として焼結助剤
として炭酸塩を用いたものも知られている（特開平４−
７４７６６号公報、特開平４−１１４９６６号公報）
が、今のところ、掘削ビットとしては用いられていな
い。

【０００４】その他、天然のダイヤモンド焼結体（カー
ボナード）があるが、材質のばらつきが大きく、また産
出量も極少量であるため、あまり掘削ビットとしては使
用されていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】Ｃｏなどの鉄族金属を
焼結助剤としたダイヤモンド焼結体は、Ｃｏなどの鉄族
金属がダイヤモンドの黒鉛化を促す触媒として作用する
ため、耐熱性に劣る。すなわち、不活性ガス雰囲気中で
７００℃程度で黒鉛化してしまう。また、ダイヤモンド
粒の粒界にＣｏなどの金属が連続層として存在するた
め、焼結体の強度はあまり高くない。さらに、この金属
とダイヤモンドの熱膨張差のため熱劣化が起こりやすく
なる。このため、このようなダイヤモンド焼結体を掘削
ビットとして用いた場合、刃先が欠損、摩耗しやすいと
いった問題がある。

【０００６】耐熱性を上げるために、上記の粒界の金属
を酸処理により除去されたものも知られている。これに
より、耐熱温度は約１２００℃と向上するが、焼結体が
多孔質となるため、強度がさらに大幅に（３０％程
度）、低下する。

【０００７】ＳｉＣを結合剤としたダイヤモンド焼結体
は、耐熱性には優れるが、ダイヤモンド粒同士は結合が
ないため、強度は低い。

【０００８】一方、焼結助剤として炭酸塩を用いたダイ
ヤモンド焼結体は、Ｃｏ結合剤による焼結体に比べると
耐熱性に優れるが、１０００℃程度より、炭酸塩の分解
が始まり、焼結体の強度が低下する。また、炭酸塩は酸
に溶けるため、掘削ビットの用途には問題が生じる。ま
た、この場合、ダイヤモンド焼結体の製造に７．７ＧＰ
ａ、２０００℃以上と大変厳しい圧力、温度条件を要す
るため、コストがかなり高くなり、工業生産は難しい。

【０００９】本発明は、以上の問題点を解決するために
なされたもので、高強度で、優れた耐欠損性、耐熱性、
耐酸性、耐摩耗性を有する掘削用ダイヤモンド焼結体を
提供することを目的とする。

【００１０】本発明の他の目的は、そのような掘削用ダ
イヤモンド焼結体を工業生産可能な条件で、低コストで
製造する方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る掘削ビッ
ト用焼結体は、鉄族金属と酸素を含有する化合物からな
る物質を１〜２０体積％含み、残部が平均粒径２０μｍ
以上２００μｍ以下のダイヤモンドからなる。

【００１２】請求項２に記載の掘削ビット用焼結体にお
いては、鉄族金属と酸素を含有する上記化合物が、鉄族
金属の酸化物、複酸化物または固溶体である。

【００１３】請求項３に係る掘削ビット用焼結体の製造
方法は、焼結助剤として鉄族金属の酸化物または複酸化
物を用い、この粉末と、平均粒径２０μｍ以上２００μ
ｍ以下のダイヤモンド粉末もしくは、平均粒径２０μｍ
以上２００μｍ以下のダイヤモンドと非ダイヤモンド炭
素の混合粉末を混合し、これをダイヤモンドの熱力学的
安定領域の圧力、温度条件で保持し、焼結することを特
徴とする。

【００１４】請求項４に係る掘削ビット用焼結体の製造
方法は、焼結助剤として鉄族金属の酸化物または複酸化
物を用い、この粉末の成形体と、平均粒径２０μｍ以上
２００μｍ以下のダイヤモンド粉末の成形体または、平
均粒径２０μｍ以上２００μｍ以下のダイヤモンドと非
ダイヤモンド炭素の混合粉末の成形体とを積層し、これ
をダイヤモンドの熱力学的安定領域の圧力、温度条件で
保持し、焼結することを特徴とする。

【００１５】請求項５に係る掘削ビット用焼結体の製造
方法は、平均粒径２０μｍ以上２００μｍ以下のダイヤ
モンド粉末の表面に鉄族金属の酸化物または複酸化物を
形成し、これをダイヤモンドの熱力学的安定領域の圧
力、温度条件で保持し、焼結することを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】従来、鉄族金属の酸化物や複酸化
物がダイヤモンド焼結体の有効な焼結助剤となることは
知られていなかった。この度、本発明者らにより、これ
らの酸化物や複酸化物を焼結助剤とすることで、従来に
ない高強度で、かつ耐欠損性、耐熱性、耐食性に優れた
ダイヤモンド焼結体が、従来の非金属触媒を焼結助剤と
した場合より低い圧力・温度条件で得られ、掘削ビット
として有効であることが新たに見出され、本発明に至っ
た。

【００１７】すなわち、本発明の特徴は、ダイヤモンド
焼結体の焼結助剤として鉄族金属の酸化物（ＦｅＯ、Ｆ
ｅ₂Ｏ₃、ＣｏＯなど）や複酸化物（ＣｏＦｅ₂Ｏ₄な
ど）を用い、原料に平均粒径２０μｍ以上２００μｍ以
下のダイヤモンドを用いた点にある。

【００１８】これらの鉄族金属の酸化物や複酸化物は、
ダイヤモンドに対し、強い触媒作用を示し、これらを焼
結助剤とするとダイヤモンド粒子が極めて強固に結合し
たマトリックスが形成される。

【００１９】さらに、これらの酸化物や複酸化物の触媒
作用は、炭酸塩触媒に比べ、約６００℃低い温度で起こ
る。このため、これらの複酸化物や混合物を焼結助剤と
した場合、６ＧＰａ、１５００℃といったマイルドな条
件で、上記のような強固な焼結体が得られる。

【００２０】すなわち、従来にない高強度で耐欠損性に
優れたダイヤモンド焼結体が、工業生産が容易な条件で
得られる。

【００２１】こうして得られるダイヤモンド焼結体は、
鉄族金属および酸素を含有する化合物からなる物質を含
むのが特徴で、このような物質としては、たとえば、Ｆ
ｅＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＣｏＯ、Ｃｏ₃Ｏ₄などの鉄族金属
酸化物やＣｏＦｅ₂Ｏ₄などの複酸化物が挙げられる。
このような物質は、１０００℃程度の高温下でも安定で
ある。このため、本発明のダイヤモンド焼結体は、高強
度で耐欠損性に優れる他、耐熱性にも優れた特性を示
し、掘削ビット用途として非常に有効である。

【００２２】本発明のダイヤモンド焼結体において、鉄
族金属および酸素を含有する化合物からなる物質の含有
量は、１〜２０体積％が好ましいが、この理由は１体積
％未満ではダイヤモンド粒子間の結合性、すなわち焼結
性が低下し、２０体積％を超えると過剰の化合物の影響
で、強度や耐欠損性が低下するからである。

【００２３】原料としては、平均粒径２０〜２００μｍ
の合成ダイヤモンド粉末、天然ダイヤモンド粉末、多結
晶ダイヤモンド粉末などを用いる。平均粒径が２０μｍ
より小さいと、焼結体の耐衝撃性や破壊靱性が低くな
り、２００μｍを超えると耐摩耗性が低下して、いずれ
も掘削用ビットとしては使用できない。なお、場合によ
っては、ダイヤモンド粒子の空隙を少なくするため、２
０μｍ以下の微細なダイヤモンド粒子を少量添加しても
よいが、全体の平均粒径は２０μｍ以上である必要があ
る。

【００２４】また、これらのダイヤモンドに、成形性、
焼結性を向上させるために、適量の黒鉛、グラッシーカ
ーボン、熱分解黒鉛などの非ダイヤモンドを添加しても
よい。

【００２５】本発明のダイヤモンド焼結体の製造方法と
しては、ダイヤモンド粉末や非ダイヤモンド粉末を含む
ダイヤモンド粉末と、鉄族金属の酸化物や複酸化物を、
ダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力、温度条件下で保
持する方法と、ダイヤモンド粉末や非ダイヤモンド黒鉛
を含むダイヤモンド粉末の成形体と、鉄族金属の酸化物
や複酸化物の成形体を積層したものを原料として、上記
の圧力、温度条件下で保持する方法がある。

【００２６】また、鉄族金属の酸化物や複酸化物を予め
原料のダイヤモンド粉末の表面に形成しておき、これを
上記の圧力、温度条件で焼結すると、より均質な焼結体
が得られる。

【００２７】

【実施例】実施例１焼結助剤として粒径１μｍのＦｅＯを用いた。粒径２０
〜４０μｍ（平均粒径３０μｍ）の天然ダイヤモンド粉
末と、ＦｅＯ粉末をそれぞれ９０体積％、１０体積％の
割合で十分に混合し、この混合物をＭｏカプセルに入
れ、ベルト型の超高圧高温発生装置を用いて、６．５Ｇ
Ｐａ、１６５０℃の圧力、温度条件で１５分間保持し、
焼結させた。得られたダイヤモンド焼結体について、Ｘ
線回析により組成を同定したところ、ダイヤモンドの
他、約１０体積％の鉄の酸化物が検出された。この焼結
体の硬度をヌープ圧子により評価したところ、８１００
Ｋｇ／ｍｍ²と高硬度であった。また、破壊靱性をイン
デンテーション法により従来の市販のＣｏバインダ焼結
体に対し相対比較したところ、従来の焼結体の約１．５
倍の相対靱性であった。また、得られた焼結体を真空中
で１０００℃に加熱処理した後、硬度、靱性を測定した
が、処理前とほとんど変化がなかった。また、得られた
焼結体で切削工具を作製し、花崗岩を切削して耐摩耗性
を評価すると、この焼結体の耐摩耗性は従来のＣｏバイ
ンダの掘削ビット用焼結体の１０倍以上であった。

【００２８】実施例２焼結助剤にＦｅ₂Ｏ₃を用いた他は、実施例１と同様に
して、ダイヤモンド焼結体を作製した。得られた焼結体
には、鉄の酸化物が含まれており、硬度、靱性、耐熱
性、耐摩耗性とも実施例１と同様であった。

【００２９】実施例３焼結助剤として、ＣｏＯとＦｅ₂Ｏ₃をモル比で１：１
で混合したものを焼結体助剤とした他は、実施例１と同
様にして、ダイヤモンド焼結体を作製した。得られた焼
結体には、コバルトと鉄の複酸化物が含まれており、硬
度、靱性、耐熱性、耐摩耗性とも実施例１と同様であっ
た。

【００３０】実施例４焼結助剤として、ＣｏＯを焼結助剤とした他は、実施例
１と同様にして、ダイヤモンド焼結体を作製した。得ら
れた焼結体には、コバルトの酸化物が含まれており、硬
度、靱性、耐熱性、耐摩耗性とも実施例１と同様であっ
た。

【００３１】実施例５焼結助剤として、粒径１μｍのＦｅＯを用いた。粒径４
０〜８０μｍの合成ダイヤモンド粉末と、ＦｅＯ粉末を
それぞれ厚み２ｍｍ、１ｍｍに成形したものを交互に積
層して、Ｍｏカプセルに入れ、ベルト型の超高圧高温発
生装置を用いて、６．５ＧＰａ、１６００℃の圧力、温
度条件で１５分間保持し、焼結した。得られたダイヤモ
ンド焼結体についてＸ線回析により組成を同定したとこ
ろ、ダイヤモンドの他、約２体積％の鉄の酸化物が検出
された。この焼結体の硬度をヌープ圧子により評価した
ところ、約７１００Ｋｇ／ｍｍ²と高硬度であった。ま
た、破壊靱性をインデンテーション法により、従来の市
販のＣｏバインダ焼結体に対し相対比較したところ、従
来の焼結体の約１．５倍の相対靱性であった。また、得
られた焼結体を真空中で１０００℃に加熱処理した後、
硬度、靱性を測定したが、処理前とほとんど変化がなか
った。

【００３２】実施例６焼結助剤として、ＣｏＦｅ₂Ｏ₄を焼結助剤とした他
は、実施例５と同様にしてダイヤモンド焼結体を作製し
た。得られた焼結体には、コバルトと鉄の複酸化物が含
まれており、硬度、靱性、耐熱性、耐摩耗性とも実施例
５と同様であった。

【００３３】実施例７粒径２０〜４０μｍのダイヤモンド粉体の表面に、約１
０体積％のＦｅＯをコーティングし、これをＭｏカプセ
ルに入れ、ベルト型の超高圧高温発生装置を用いて、６
ＧＰａ、１５５０℃の圧力、温度条件で１５分間保持
し、焼結させた。得られたダイヤモンド焼結体につい
て、Ｘ線回析により組成を同定したところ、ダイヤモン
ドの他、約１０体積％の鉄の酸化物が検出された。この
焼結体の硬度をヌープ圧子により評価したところ、約７
５００Ｋｇ／ｍｍ²と高硬度であった。また、破壊靱性
をインデンテーション法により、従来の市販のＣｏバイ
ンダ焼結体に対し相対比較したところ、従来の焼結体の
約１．５倍の相対靱性であった。また、得られた焼結体
を真空中で１０００℃に加熱処理した後、硬度、靱性を
測定したが、処理前とほとんど変化がなかった。また、
得られた焼結体で切削工具を作製し、花崗岩を切削して
耐摩耗性を評価すると、この焼結体の耐摩耗性は、従来
のＣｏバインダの掘削ビット用焼結体の１０倍以上であ
った。

【００３４】比較例１焼結助剤として、ＦｅＯを用いた。粒径２０〜４０μｍ
の合成ダイヤモンド粉末に、微量の上記混合物の粉末
（約０．１体積％）を添加し、十分に混合したものを原
料にした他は、実施例１と同様にダイヤモンド焼結体の
製造を試みた。しかし、得られた焼結体には、未焼結部
が多く残留していた。

【００３５】比較例２焼結助剤として、ＦｅＯを用いた。粒径４０〜８０μｍ
の合成ダイヤモンド粉末６０体積％と、上記混合物の粉
末３０体積％を添加し、十分に混合したものを原料にし
た他は、実施例１と同様にダイヤモンド焼結体の製造を
試みた。しかし、得られた焼結体には、粒子同士の結合
が十分でなく、硬度は３３００Ｋｇ／ｍｍ²程度と低か
った。

【００３６】比較例３焼結助剤として、ＦｅＯを用いた。平均粒径３μｍの合
成ダイヤモンド粉末９５体積％と、上記混合物の粉末５
体積％を添加し、十分に混合したものを原料にした他
は、実施例１と同様にダイヤモンド焼結体の製造を試み
た。しかし、得られた焼結体は、破壊靱性値が従来のＣ
ｏバインダのものと同程度で、大幅な向上は認められな
かった。

【００３７】比較例４焼結助剤として、Ｙ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂を用いた。平均粒径２
７０μｍの合成ダイヤモンド粉末９５体積％と、上記混
合物の粉末５体積％を添加し、十分に混合したものを原
料にした他は、実施例１と同様にダイヤモンド焼結体の
製造を試みた。しかし、得られた焼結体で切削工具を作
製し、花崗岩を切削して耐摩耗性を評価すると、この焼
結体の耐摩耗性は従来のＣｏバインダの掘削ビット用焼
結体と同程度か数倍程度で、大幅な向上は見られなかっ
た。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明のダイヤモ
ンド焼結体は、従来にない高強度で、耐熱性、耐欠損
性、耐摩耗性を有するので、石油掘削用途等のドリルビ
ットの刃先素材として有効に使用できるという効果を奏
する。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄族金属と酸素を含有する化合物からな
る物質を１〜２０体積％含み、残部が平均粒径２０μｍ
以上２００μｍ以下のダイヤモンドからなる掘削ビット
用焼結体。
【請求項２】鉄族金属と酸素を含有する前記化合物
が、鉄族金属の酸化物、複酸化物または固溶体である、
請求項１に記載の掘削ビット用焼結体。
【請求項３】焼結助剤として鉄族金属の酸化物または
複酸化物を用い、この粉末と、平均粒径２０μｍ以上２
００μｍ以下のダイヤモンド粉末もしくは、平均粒径２
０μｍ以上２００μｍ以下のダイヤモンドと非ダイヤモ
ンド炭素の混合粉末を混合し、これをダイヤモンドの熱
力学的安定領域の圧力、温度条件で保持し、焼結するこ
とを特徴とする、掘削ビット用焼結体の製造方法。
【請求項４】焼結助剤として鉄族金属の酸化物または
複酸化物を用い、この粉末の成形体と、平均粒径２０μ
ｍ以上２００μｍ以下のダイヤモンド粉末の成形体また
は、平均粒径２０μｍ以上２００μｍ以下のダイヤモン
ドと非ダイヤモンド炭素の混合粉末の成形体とを積層
し、これをダイヤモンドの熱力学的安定領域の圧力、温
度条件で保持し、焼結することを特徴とする、掘削ビッ
ト用焼結体の製造方法。
【請求項５】平均粒径２０μｍ以上２００μｍ以下の
ダイヤモンド粉末の表面に鉄族金属の酸化物または複酸
化物を形成し、これをダイヤモンドの熱力学的安定領域
の圧力、温度条件で保持し、焼結することを特徴とす
る、掘削ビット用焼結体の製造方法。