Polycrystalline diamond having a surface depleted of catalyst material

【０００１】
【発明の背景】
１． 発明の分野
本発明は、工学処理超硬質表面が必要とされる磨耗、切削、延伸および他の用途向けの超硬質多結晶物質エレメントに関する。 本発明は、大いに改善された耐磨耗性を有する多結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンド様（包括的にＰＣＤと称される）エレメント、およびそれらの製造方法に特に関する。
【０００２】
２． 関連技術の説明
多結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンド様エレメントは、この明細書の目的に沿い、ＰＣＤエレメントとして知られている。 ＰＣＤエレメントは、隣接原子間の原子間距離が格別に短い炭素ベース物質から形成されている。 多結晶ダイヤモンド様物質の１タイプは、ＵＳ特許５，７７６，６１５で記載された炭窒化物（ＣＮ）として知られている。 それよりもよく用いられる別な形のＰＣＤが、以下で更に詳細に記載されている。 一般的に、ＰＣＤエレメントは、高温および高圧下で処理された物質のマトリックスから、結合間超硬質炭素ベース結晶の多結晶マトリックスへと形成されている。 ＰＣＤエレメントの共通した特徴はそれらの形成に際する触媒物質の使用であり、その残留物が使用時にエレメントの最大有用操作温度にしばしば制限を加えてしまうのである。
【０００３】
周知製造形のＰＣＤエレメントは、多結晶ダイヤモンドのフェーシングテーブル（ｆａｃｉｎｇ ｔａｂｌｅ）がタングステンカーバイドのようなそれより硬質でない物質の基体へ一体的に結合された、二層または多層ＰＣＤエレメントである。 ＰＣＤエレメントは円形または部分円形タブレットの形でも、あるいは中空ダイ、ヒートシンク、摩擦ベアリング、バルブ表面、圧子、マンドレル工具などのような用途に適した他の形状へ成形してもよい。 このタイプのＰＣＤエレメントは、硬質の耐磨耗および耐蝕性物質が要求されるほぼあらゆる用途で用いうる。 ＰＣＤエレメントの基体は、多くの場合に超硬（ｃｅｍｅｎｔｅｄ）タングステンカーバイドからなる、キャリアへロウ付けされることがある。 これは、例えば固定カッターまたはローリングカッターアースボーリングビットで、ドリルビットのソケットへ入れたとき、または機械加工用の工作機械でポストへ固定されたときに、切削エレメントとして用いられるＰＣＤの一般的形態である。 これらのＰＣＤエレメントは典型的にはＰＤＣと称されている。
【０００４】
別な形のＰＣＤエレメントは、多結晶ダイヤモンドのテーブルが機械的手段または結合プロセスで工具または磨耗表面へ固定された、一体型基体でない不可分ＰＣＤエレメントである。 ダイヤモンド粒子がエレメント全体に存在している点で、これらのＰＣＤエレメントは前記のものと異なる。 これらのＰＣＤエレメントは適所へ機械的に取り付けても、それらは基体を有するもっと大きなＰＣＤエレメント内に埋め込んでも、あるいはそれらはロウ付けまたは溶接プロセスで結合された金属層で仕上げてもよい。 開示全体について参考のためここに組み込まれる、例えばＵＳ特許４，４８１，０１６および４，５２５，１７９で示されているように、複数のこれらＰＣＤエレメントが単一ＰＣＤから作製されうる。
【０００５】
ＰＣＤエレメントは、高圧、高温プレスで適切な結合剤触媒物質と共にダイヤモンド粉末を焼結することにより、ほとんどの場合で形成される。 この多結晶ダイヤモンドを形成する１つの具体的な方法が、例えばＵＳ特許３，１４１，７４６で開示されており、それらが開示するすべてについて参考のためここに組み込まれる。 ＰＣＤエレメントを製造する１つの一般的プロセスでは、コバルトを配合したプレフォームタングステンカーバイド基体の表面へダイヤモンド粉末が適用される。 次いで、そのアセンブリーがプレスで非常に高い温度および圧力に付される。 このプロセスに際して、コバルトは基体からダイヤモンド層へ移行し、結合剤触媒物質として作用して、ダイヤモンド粒子をダイヤモンド間結合で互いに結合させ、しかもダイヤモンド層を基体へ結合させる。
【０００６】
完成したＰＣＤエレメントは、前記のような結合剤触媒物質を多くの間隙に含有して互いに結合されたダイヤモンド結晶のマトリックスを少くとも１つ有している。 ダイヤモンド結晶はダイヤモンドの第一連続マトリックスを形成し、間隙は結合剤触媒物質を含有した間隙の第二連続マトリックスを形成している。 加えて、ダイヤモンド間の成長で結合剤触媒物質の一部を封入した領域が比較的少数で必ず存在している。 これらの'アイランド（ｉｓｌａｎｄ）'は結合剤触媒物質の連続間隙マトリックスの一部ではない。
【０００７】
１つの一般形において、ダイヤモンドエレメントは８５〜９５容積％、結合剤触媒物質が残り５〜１５％を占める。 このようなエレメントは、約４００℃の温度で始まる、間隙コバルト結合剤触媒物質とダイヤモンドマトリックスとの熱膨張差による熱分解をうけることがある。 膨張が大きすぎると、ダイヤモンド間結合が壊れて、クラックおよびチップが生じうる。
【０００８】
多結晶ダイヤモンドでも、ダイヤモンドマトリックスのダイヤモンド結晶へ付着した間隙領域における結合剤触媒物質の存在は、別な形の熱分解を招く。 結合剤触媒物質の存在のために、ダイヤモンドは温度が上昇すると黒鉛化されるため、典型的には操作温度を約７５０℃以下に限定する。
【０００９】
コバルトが最も一般的に結合剤触媒物質として用いられるが、コバルト、ニッケル、鉄およびそれらの合金を含めたＶＩＩＩ族元素であればいずれも用いてよい。
【００１０】
熱分解を減少させるために、いわゆる“熱安定性”多結晶ダイヤモンド部品が、開示全体について参考のためここに組み込まれるＵＳ特許４，２２４，３８０で開示されているように、切削および／または耐磨耗性エレメント用のプレフォームＰＣＤエレメントとして製造された。 １タイプの熱安定性ＰＣＤエレメントでは、従来の多結晶ダイヤモンド中におけるコバルトまたは他の結合剤触媒物質が、成形後に、連続間隙マトリックスから滲出してくる。 これはダイヤモンドの耐熱性を約１２００℃に上げるが、滲出プロセスは超硬カーバイド基体も取り去る。 加えて、一体型基体または他の結合可能な表面がないため、操作用にこのような物質を取り付けることは極めて難しい。
【００１１】
この'熱安定性'ＰＣＤエレメントの加工法は、典型的には８０％程度またはそれ以下の比較的低いダイヤモンド密度を生じる。 この低いダイヤモンド密度では完全な滲出プロセスを行えるが、得られる最終部品は典型的には衝撃強度が比較的弱い。
【００１２】
別な形の熱安定性多結晶ダイヤモンドでは、ケイ素が触媒物質として用いられている。 ケイ素触媒物質で多結晶ダイヤモンドを製造するための方法は上記の場合と全く同様であるが、但し合成温度および圧力でほとんどのケイ素は反応して、有効な触媒物質ではない炭化ケイ素を形成する。 耐熱性はやや改善されるが、間隙マトリックスの間隙で通常均一に分布する一部の残留ケイ素のために、熱分解がなお生じる。 しかも、結合可能な表面がないため、このタイプのＰＣＤエレメントでは取付け問題がある。
【００１３】
更に最近になり、ダイヤモンド粉末を焼結させるときに、Ｍｇ、Ｃａ、ＳｒおよびＢａの粉末カーボネートのようなカーボネートが結合剤触媒物質として用いられた、別のタイプのＰＣＤが利用しうるようになった。 このタイプのＰＣＤは、典型的には、従来タイプのＰＣＤエレメントよりも大きな耐磨耗性および硬度を有している。 しかしながら、従来の熱安定性多結晶ダイヤモンドの場合よりもかなり高い圧力が焼結に要されることから、その物質は商業規模で生産することが難しい。 この１つの結果は、この方法で生産される多結晶ダイヤモンドの本体が従来の多結晶ダイヤモンドエレメントよりも小さいことである。 しかも、間隙に残留した結合剤触媒物質のために、熱分解がなお生じうる。 更に、一体型基体または他の結合可能な表面がないため、この物質を作業面へ取り付けることが難しい。
【００１４】
熱安定性ＰＣＤを取付システムと組み合わせて、それらの改善された温度安定性を利用する努力は、低い衝撃強度のせいで、望んだほどにはうまくいかなかった。 例えば、多数のＰＣＤエレメントを取り付ける様々な手法が、ＵＳ特許４，７２６，７１８、５，１９９，８３２、５，０２５，６８４、５，２３８，０７４、６，００９，９６３で示されており、それらが開示するすべてついて参考のためここに組み込まれる。 これら手法のうち多くは商業的に成功したが、非熱安定性ＰＣＤで達成しうる靭性のレベルを維持しながら、高い耐磨耗および／または摩擦性を組み合わせる上で、その手法は特に成功したとはいえなかった。
【００１５】
表面用のダイヤモンドまたはダイヤモンド様コーティングの他のタイプは、ＵＳ特許４，９７６，３２４、５，２１３，２４８、５，３３７，８４４、５，３７９，８５３、５，４９６，６３８、５，５２３，１２１、５，６２４，０６８で開示されており、それらが開示するすべてについて参考のためここに組み込まれる。 同様のコーティングは、高度に荷重される工具表面について、ＧＢ特許公開２，２６８，７６８、ＰＣＴ公開９６／３４，１３１およびＥＰＣ公開５００，２５３、７８７，８２０、８６０，５１５でも開示されている。 これらの公開文献では、耐磨耗および／または摩擦性のために表面へ適用されたダイヤモンドおよび／またはダイヤモンド様コーティングが示されている。
【００１６】
上記用途の多くにおいて、物理的蒸着（ＰＶＤ）および／または化学的蒸着（ＣＶＤ）プロセスがダイヤモンドまたはダイヤモンド様コーティングを施すために用いられている。 ＰＶＤおよびＣＶＤダイヤモンドコーティングプロセスは周知であり、すべて参考のためここに組み込まれる、例えばＵＳ特許５，４３９，４９２、４，７０７，３８４、４，６４５，９７７、４，５０４，５１９、４，４８６，２８６で記載されている。
【００１７】
表面をダイヤモンドまたはダイヤモンド様コーティングで被覆するＰＶＤおよび／またはＣＶＤプロセスは、例えば、ダイヤモンドまたは他の超硬質結晶のエピタキシャル向き結晶の密充填物を表面に形成するために用いられる。 これらの物質は密に詰め込まれているため、それらは非常に高いダイヤモンド密度を有しているが、隣接結晶間に有意量のダイヤモンド間結合はなく、それらを全体的にかなり弱いものにして、高剪断荷重が加えられたときに破損しやすい。 その結果として、これらのコーティングが非常に高いダイヤモンド密度を有していながら、切削エレメント、ベアリング装置、磨耗エレメントおよびダイのような高荷重用途で用いられたときに、それらが機械的に弱くなりがちで、非常に乏しい衝撃靭性および耐摩擦性を呈する。
【００１８】
開示全体について参考のためここに組み込まれるＵＳ特許５，２６４，２８３、５，４９６，６３８、５，６２４，０６８で記載されているように、タングステンカーバイド基体へ適用してから、高圧、高温環境で処理することにより、これらダイヤモンドまたはダイヤモンド様コーティングの靭性および耐磨耗性を改善する試みが行われた。 このタイプの処理はダイヤモンド層の耐磨耗性を改善しうるが、高密度ダイヤモンド層と基体との間における急激な変遷が、非常に低い歪でダイヤモンド層を界面で大規模破損しやすくさせる。 これは使用時に非常に乏しい靭性および耐衝撃性へとつながる。
【００１９】
コバルトまたは他のＶＩＩＩ族金属結合剤触媒物質で作製されたＰＣＤエレメントがベアリング物質として対峙して用いられたときに、摩擦係数が使用時に増加しやすいことがわかった。 欧州特許明細書６１７，２０７で記載されているように、ＰＣＤベアリングエレメントの表面から使用時に蓄積しがちなコバルトに富むトリボフィルム（ｔｒｉｂｏｆｉｌｍ）の（塩酸拭取りの適用による）除去は、この問題を軽減する傾向のあることがわかった。 一見したところ、操作に際して、表面でＰＣＤから一部のコバルトがベアリングの荷重面に移動し、２つのＰＣＤエレメントがベアリングとして対峙して作用し合うときに摩擦を増加させるようである。 酸拭取り策では表面下かなりの深さまでコバルトを有効に除去することができないため、このコバルト源がベアリングエレメントの仕上げプロセスの残留副産物となることもありうると、今では考えられている。
【００２０】
コバルトはＰＣＤの表面のみから除去されるため、熱分解がこれらのベアリングエレメントで生じる温度では有効な変化はない。 したがって、結合剤触媒物質の有害な影響が残存して、触媒物質の存在によるダイヤモンド層の熱分解がなお生じるのである。
【００２１】
【発明の簡単な要旨】
本発明は、衝撃強度の損失なしに、かなり改善された耐熱分解性を有する、超硬質多結晶ダイヤモンドまたはダイヤモンド様エレメントを提供する。 これらのエレメントは、この明細書の目的に関してＰＣＤエレメントと総称されるものであり、高温、高圧プロセスで結合剤触媒物質と共に形成される。 ＰＣＤエレメントは、少くとも１つの連続ダイヤモンドマトリックスを形成してなる多数の部分的結合ダイヤモンドまたはダイヤモンド様結晶、および触媒物質を含有した少くとも１つの連続間隙マトリックスを形成するダイヤモンド結晶間の間隙を有している。 エレメントは作業面および本体を有しており、そこでは作業面近くの本体で間隙マトリックスの一部が触媒物質を実質的に含まず、残部の間隙マトリックスが触媒物質を含有している。
【００２２】
ＰＣＤエレメントの本体における作業面の一部は、超硬質結晶間の間隙が触媒物質を実質的に含まないように後処理してもよい。 触媒物質を実質的に含まない作業面は、作業面の他部分で起きる熱分解に付されることはなく、改善された耐熱分解性をもたらす。 切削エレメントでは、処理される作業面は本体のフェーシングテーブルの一部でも、本体の周辺表面の一部でも、またはこれらすべての表面の一部でもよい。
【００２３】
別な態様において、触媒物質はコバルトまたは他の鉄族金属であり、触媒物質を枯渇させる方法は、酸エッチングプロセスでＰＣＤエレメントの表面近くの間隙からそれを滲出させることである。 表面から触媒物質を除去する方法は、放電、または他の電気もしくはガルヴァーニ電気プロセスでも、または蒸発でもよいと考えられている。
【００２４】
別な態様では、触媒物質がＰＣＤエレメントの作業面から、それがもはや触媒物質として作用しないように、それを化学的に他の物質と混合することにより除去される。 この方法では、物質がダイヤモンド結晶間の間隙に残留しうるが、その物質はもはや触媒物質として作用せず、触媒物質を有効に除去または枯渇させる。
【００２５】
更に別の態様において、触媒物質は、もはや触媒物質として作用しない物質へそれを変換させることにより除去される。 これは結晶構造変化、機械'作業'、熱処理または他の処理法により行える。 この方法は非金属または非反応性触媒物質にも適用しうる。 その場合にも、物質は超硬質物質結晶間の間隙に残留しうるが、その物質はもはや触媒物質として作用せず、触媒物質を有効に除去または枯渇させる。
【００２６】
多数の部分的結合ダイヤモンド結晶、触媒物質、間隙マトリックスおよび作業面保有本体を含んでなるエレメントが開示されている。 作業面に近い本体の間隙マトリックスは触媒物質を実質的に含まず、残部の間隙マトリックスは触媒物質を含有している。
【００２７】
同様に、触媒物質、間隙マトリックスおよび作業面保有本体を有するＰＣＤエレメントが開示されている。 作業面に近い本体の間隙マトリックスは触媒物質を実質的に含まず、残部の間隙マトリックスは触媒物質を含有している。
【００２８】
多数の超硬質結晶、触媒物質および作業面保有本体を有するＰＣＤエレメントも開示されている。 このエレメントでは、本体で作業面から少くとも０．１ｍｍの深度内における大部分の結晶は、触媒物質を実質的に含まない表面を有し、残部の結晶は触媒物質と接触している。
【００２９】
更に、作業面保有本体を有するＰＣＤエレメントが開示されている。 作業面から離れた本体の第一容積部分は触媒物質を含有し、作業面に近い本体の第二容積部分は触媒物質を実質的に含まない。
【００３０】
多数の部分的結合ダイヤモンド結晶、触媒物質および作業面保有本体を有するエレメントも開示されている。 作業面に近い本体の容積部分は本体の他部分よりも実質的に高いダイヤモンド密度を有し、その容積部分は触媒物質を実質的に含まない。
【００３１】
作業面保有本体を有するＰＣＤエレメントも開示されている。 作業面に近い本体の容積部分は本体の他部分よりも実質的に高いダイヤモンド密度を有し、その容積部分は触媒物質を実質的に含まない。
【００３２】
加えて、プレフォーム切削エレメントが開示されている。 そのエレメントは、多数の部分的結合超硬質結晶、その超硬質結晶間の多数の間隙領域および触媒物質をもつ、超硬質多結晶物質のフェーシングテーブルを有している。 フェーシングテーブルは切削面および本体を有している。 少くとも一部の切削面における間隙領域は触媒物質を実質的に含まず、間隙領域の残部は触媒物質を含有している。
【００３３】
本発明のＰＣＤエレメントは、工学処理ダイヤモンド表面が必要とされる磨耗、切削、延伸および他の用途に用いられる。 具体的な用途は、固定カッタータイプおよびローリングカッタータイプ双方のロータリードリルビットで切削エレメントとして、中空ダイ、ヒートシンク、摩擦ベアリング、バルブ表面、圧子、マンドレル工具などとしてである。 本発明のＰＣＤエレメントは、機械研磨木材製品、鉄および非鉄物質、更には石およびアスファルトなどのような非常に硬いまたは研磨工学処理の物質へ用いてもよい。
【００３４】
【発明の具体的な説明および好ましい態様】
本発明の多結晶ダイヤモンドまたはダイヤモンド様物質（ＰＣＤ）エレメント２が図１Ａで示されている。 ＰＣＤエレメント２は、多数の部分的結合超硬質ダイヤモンドまたはダイヤモンド様結晶６０（図７および９で示されている）、触媒物質６４、および結晶６０間の間隙６２により形成される間隙マトリックス６８を有している。 エレメント２は１以上の作業面４およびダイヤモンド結晶６０も有し、間隙６２はＰＣＤエレメント２の本体８の容積部分を形成している。
【００３５】
作業面４は、操作に際して作業対象と接触しうるＰＣＤ本体８のどの部分でもよい。 この明細書では、作業面４について記載されているとき、それは作業面として暴露および／または使用されうる本体８のどの部分にもあてはまると理解される。 更に、いかなる作業面４のどの部分もそれ自体が作業面４である。
【００３６】
製造に際して、高温および高圧の条件下で、結晶６０間の結合がちょうど形成されているときに、結晶６０間の間隙６２が触媒物質６４で満たされる。 製造の別なステップで、触媒物質６４の一部は間隙６２の一部から選択的に枯渇される。 その結果として、作業面４から離れたＰＣＤエレメント２の本体８の第一容積部分が触媒物質６４を含有し、作業面４に近い本体８の第二容積部分が触媒物質６４を実質的に含まない。 触媒物質６４を実質的に含まない間隙６２は、数字６６で示されている。
【００３７】
このように、作業面４の少くとも一部に近い本体８の間隙マトリックス６８は触媒物質６４を実質的に含まず、残部の間隙マトリックス６８は触媒物質６４を含有している。 ＰＣＤエレメント２は比較的硬くない物質、通常超硬タングステンカーバイドの基体６へ結合させてもよいが、基体６の使用は不要である。
【００３８】
作業面４近くの本体は触媒物質６４を実質的に含まないため、結合剤触媒物質６４の有害な影響は実質的に減少して、触媒物質６４の存在による作業面４の熱分解は有効に減少する。 その結果は、伝統的ＰＤＣエレメントの靭性、製造の便宜および結合能力を維持しながら、いわゆる熱安定性ＰＣＤエレメントの場合に近い向上した熱的性質を有する、新規なＰＣＤエレメント２である。 これは切削用途で高い耐磨耗性、ヒートシンク用途で高い伝熱能、ベアリング用途で高い荷重能、バルブ用途で低い表面歪みにつながり、中空ダイ、圧子、マンドレル工具および磨耗エレメントを含めた多くの他の用途で利点を有している。 新規ＰＣＤエレメント２の具体的用途の詳細は、後の明細書で更に詳しく記載されている。
【００３９】
図６の従来ＰＣＤエレメントの顕微鏡写真、および図８の従来のＰＣＤエレメントの微細構造図において、各結晶６０の劈開面を表わす平行線で示されるようなダイヤモンドまたはダイヤモンド様結晶６０のランダム結晶方向があることは周知である。 みられるように、隣接結晶６０はそれらの間で間隙スペース６２と一緒に結合している。 劈開面は隣接結晶６０で異なる方向に向いているため、ダイヤモンド割れに利用しうる直線路は通常ない。 この構造のおかげで、高い衝撃荷重が一般的な極限荷重環境でもＰＣＤ物質をうまく働かせられる。
【００４０】
高温、高圧プレスで結晶６０を結合させるプロセスにおいて、結晶６０間の間隙スペース６２は結合剤触媒物質６４で満たされるようになる。 プレスに存在する比較的低い圧力および温度で隣接ダイヤモンド結晶６０間に結合を形成させているのは、この触媒物質６４である。
【００４１】
従来のＰＣＤエレメントは、結合剤触媒物質６４、典型的にはコバルトまたは他のＶＩＩＩ族元素を含有する多くの間隙６２で互いに結合された、結晶６０の少くとも１つの連続マトリックスを有している。 結晶６０はダイヤモンドの第一連続マトリックスを形成し、間隙６２は、結合剤触媒物質を含有した、間隙マトリックス６８として知られる間隙６２の第二連続マトリックスを形成している。 加えて、ダイヤモンド間の成長で結合剤触媒物質の一部を封入した領域が比較的少数で必ず存在している。 これらの'アイランド'は結合剤触媒物質６４の連続間隙マトリックス６８の一部ではない。
【００４２】
図７および９では、本発明のＰＣＤエレメント２の断面図が示されている。 ＰＣＤエレメント２は前記された従来のＰＣＤエレメントと同様の手法で形成される。 好ましい態様において、予備掃除操作後または製造プロセスでその後のいずれかの時点で、ＰＣＤエレメント２の作業面４、７０、７２は、隣接本体から結合剤触媒物質の一部を除去するように処理される。 その結果として、作業面に近いダイヤモンド結晶６０間の間隙６２は、数字６６で示される触媒物質６４を実質的に含まない。 触媒物質６４を含まない作業面４、７０、７２の一部はＰＣＤの他部分で起きる熱分解に付されることはなく、改善された熱的特徴をもたらす。
【００４３】
間隙６２から触媒物質６４を除去または枯渇させる多くの方法がある。 一方法において、触媒物質６４はコバルトまたは他の鉄族物質であり、触媒物質６４を除去する方法は、約０．２ｍｍ以上の深さまで酸エッチングプロセスでＰＣＤエレメント２の作業面４、７０、７２近くの間隙６２からそれを滲出させることである。 表面近くから触媒物質６４を除去する方法は、放電、または他の電気もしくはガルヴァーニ電気プロセス、または蒸発によることも可能である。
【００４４】
間隙６２から触媒物質６４を枯渇させる別な方法では、触媒物質６４がもはや触媒物質として作用しないように、合金のように、それを化学的に他の物質と混合することにより枯渇させる。 この方法では、物質がダイヤモンド結晶６０間の間隙に残留しうるが、その物質はもはや触媒物質６４として作用せず、それを有効に除去する。
【００４５】
間隙６２から触媒物質６４を枯渇させる更に別の方法において、触媒物質６４は、もはや触媒物質として作用しない物質へそれを変換させることにより除去される。 これは結晶構造変化、相変化、機械'作業'、熱処理または他の処理法により行える。 この方法は非金属または非反応性触媒物質にもあてはまる。 その場合にも、物質はダイヤモンド結晶間の間隙６２に残留しうるが、その物質はもはや触媒物質６４として作用せず、触媒物質を有効に除去する。
【００４６】
作業面４、７０、７２近くの触媒物質６４が無効になると、本発明のＰＣＤエレメント２は従来のＰＣＤエレメントで生じることが知られたタイプの熱分解をもはやうけない。 前記のように、触媒物質６４により生じることが知られた２様式の熱分解がある。 第一様式の熱分解は約４００℃の低い温度で始まり、間隙６２の触媒物質６４と結晶６０との熱膨張差によるものである。 膨張が大きすぎると、ダイヤモンド間結合が壊れて、クラックおよびチップが生じうる。
【００４７】
第二様式の熱分解は約７５０℃の温度で始まる。 この様式は、結晶６０と接触している結合剤触媒物質６４の触媒能力により生じ、温度が７５０℃に近づくと結晶６０を黒鉛化させる。 結晶６０が黒鉛化すると、それらは膨大な容積増加をうけて、本体４からクラッキングおよび結合弱化を招く。 ダイヤモンド結晶６０の表面で触媒物質６４の厚さが数ミクロンでも、この様式の熱分解を生じうる。
【００４８】
したがって、最大効果のためには、触媒物質６４がダイヤモンド結晶６０間の間隙６２およびダイヤモンド結晶６０の表面の双方から除去されねばならないことは、当業者に明らかであろう。 触媒物質６４がダイヤモンド結晶６０間の表面および間隙６２の双方から除去されるならば、その領域におけるダイヤモンド結晶６０の熱分解の開始は１２００℃に近づくであろう。
【００４９】
しかしながら、この二重分解様式は望ましくない影響をおよぼす。 例えば、多くの用途において、作業面の磨耗率を巧みに工作することが望まれる。 本発明において、これは、最大耐磨耗性を要する部分では、触媒物質が間隙６２およびダイヤモンド結晶６０の表面の双方から枯渇されるように、処理プロセスを変えることにより行える。 高い耐磨耗性がそれほど望まれない部分、例えば自己研磨工具（ｓｅｌｆ ｓｈａｒｐｅｎｉｎｇ ｔｏｏｌ）では、主に間隙６２から触媒物質６４を枯渇させるが、ダイヤモンド結晶６０の全部でなければ一部を触媒物質と接触させたままにしておけるように、それらの部分が処理される。
【００５０】
間隙６２からよりもダイヤモンド結晶６０の表面から触媒物質６４を除去するする方が難しいことも明らかであろう。 この理由から、熱分解を減少させる上で有効な、触媒物質が枯渇される手法に応じて、作業面４から触媒物質６４を枯渇させる深さは、触媒物質６４を枯渇させるために用いられる方法次第で変わることがある。
【００５１】
一部の用途では、４００℃以上だが７５０℃以下への熱的限界の改善で十分であり、そのため比較的激しくない触媒物質６４枯渇プロセスでも許容される。 結果的に、特定の用途に必要な触媒物質６４枯渇レベルに達する上で適用しうる触媒物質６４枯渇法に多くの組合せがあることは明らかであろう。
【００５２】
この明細書では、'実質的に含まない'という用語が、間隙６２、間隙マトリックス６８または本体８の容積部分で触媒物質６４に関して用いられているとき、隣接ダイヤモンド結晶６０の表面の、全部ではなく多くで、なお触媒物質６４のコーティングを有してよいことが理解されるべきである。 同様に、'実質的に含まない'という用語がダイヤモンド結晶６０の表面で触媒物質６４に関して用いられているとき、隣接間隙６２には触媒物質６４がなお存在してもよい。
【００５３】
触媒物質６４が除去または枯渇されると、熱分解の２つの主要メカニズムはもはや存在しない。 しかしながら、触媒物質６４が存在する結晶６０の分解温度以下に、熱現象により生じた熱を結合結晶６０から取り去れるほど十分な深さで、触媒物質６４が除去されねばならないことがわかった。
【００５４】
一連の実験室試験で、切削エレメント１０として成形されたＰＣＤエレメント２に熱が加えられた。 この試験はこれら切削エレメント用の標準磨耗試験として考案されているため、様々な深さまで触媒物質６４を除去して切削エレメント１０の合理的比較を行った。 これらの試験では、枯渇プロセスが間隙６２およびダイヤモンド結晶６０の表面の双方から触媒物質６４を除去することを保証するような注意が払われた。 既知時間にわたりＰＣＤ切削エレメント１０の切削端へ加熱が繰返し行われるように、試験が考案された。
【００５５】
試験が終了すると、磨耗指数が計算された。 磨耗指数が高いほど、耐磨耗性は良くなる。 試験の本質から、高い磨耗指数は切削エレメント１０の作業面７０、７２で高い耐熱分解性を示すと思われる。
【００５６】
図１０のグラフで曲線Ａでみられるように、触媒物質６４の枯渇深さが０．１ｍｍに近づいたとき、切削エレメント１０の磨耗指数結果に劇的な増加がある。 したがって、切削エレメント１０で一般的な加熱のタイプでは、触媒物質６４が間隙６２およびダイヤモンド結晶６０の表面の双方から除去されるとき、０．１ｍｍの深さが作業面４、７０、７２からの臨界枯渇深さである。
【００５７】
他の試験では、触媒物質６４を除去するより経済的なプロセスで作製された切削エレメント１０の場合、磨耗対枯渇深さは図１０の曲線'Ｂ'で示されたものに近いと考えられている。 これらのカッターで用いられる触媒物質６４の枯渇プロセスは、ダイヤモンド結晶６０の表面から触媒物質６４を除去する上で、曲線'Ａ'のプロセスほど有効でなかった。 したがって、触媒物質６４のほとんどが約０．２ｍｍの深さまで間隙６２から除去されて、ようやく磨耗率が曲線'Ａ'の場合まで改善された。
【００５８】
図１０の曲線'Ｃ'で示されたような磨耗率に関連した熱分解で、それが有益なＰＣＤエレメント２へと工学処理しうる、と考えられている。 例えば、接触の中心から離れた湾曲切削エレメント１０の端部を中心点よりも早く磨耗させることが望ましいこともある。 これは、切削エレメントを平坦な表面とするよりも、湾曲形状を維持しやすいであろう。
【００５９】
ダイヤモンドは極めて良い熱伝導体であるため、改善された耐熱分解性が磨耗率を改善している。 作業面４、７０、７２の摩擦現象が突然の極度な加熱を生じるならば、結合したダイヤモンド結晶はその箇所からすべての方向に熱を放散させる。 こうして、おそらく１０００℃／ｍｍ以上の極めて高い温度勾配をその物質に形成するようになる。 この急激な勾配は作業面４、７０、７２を９５０℃に到達させうるが、作業面に近い間隙６２およびダイヤモンド結晶６２の表面が熱源からちょうど０．２ｍｍの深さまで触媒物質６４を実質的に含まないならば、さほどの熱分解を起さないであろう。
【００６０】
温度勾配が結晶６０サイズおよび結晶間結合の程度に応じて変わることは明らかであろう。 しかしながら、アースボーリングビット用の切削エレメント１０の実地試験では、作業面４、７０、７２から約０．２〜約０．３ｍｍの距離Ｄまで間隙６２から実質的にすべての触媒物質６４を除去すると、耐磨耗性に劇的な改善をもたらし、貫入率で４０％の増加および耐磨耗性で４０％の改善がみられた。 耐磨耗性の改善は、触媒物質６４起因の熱分解によるダイヤモンド結晶６０の摩砕が劇的に減ったことを示している。 貫入率の増加は、耐磨耗性増加のために'鋭さ'を長く留めうるカッターの能力のおかげであると考えられる。
【００６１】
上記のような触媒物質６４の枯渇または除去から効果を生じるＰＣＤエレメントとして、他の可能な構築物がある。 図１１Ａ、１１Ｂおよび１１Ｃで示されているように、本発明の別な態様はコンパウンドＰＣＤエレメント１０２である。 ＰＣＤエレメント１０２はＶＩＩＩ族結合剤触媒物質含有の本体１０８を有し、第二プレフォームＰＣＤエレメント１１０をその内部へ埋め込んでいる。 埋込みＰＣＤエレメント１１０は図１１Ａで示されているように封入ＰＣＤエレメント１２０の作業面１０４と同一平面にしても、またはそれは図１１Ｂで示されているように封入ＰＣＤエレメント１２０内へ全体で埋め込んでもよい。 この埋込みＰＣＤエレメント１１０は結合剤触媒物質としてＭｇ、Ｃａ、ＳｒおよびＢａの粉末カーボネートを用いるプロセスで作製され、参考のためここに組み込まれる、一般譲渡された同時係属ＵＳ特許出願０９／３９０，０７４で記載されているようなコンパウンドＰＣＤエレメントへ成形される。
【００６２】
この態様では、埋込みプレフォームＰＣＤエレメント１１０が高圧で成形されるため、ダイヤモンド密度は封入ＰＣＤエレメント１２０の場合より高くなることもある。 この構築では、埋込みＰＣＤエレメント１１０が高い活性化温度の触媒物質を有しているため、例えば、封入ＰＣＤエレメント１２０の作業面のみで触媒物質を枯渇させることが有利かもしれない。 更に、埋込みＰＣＤエレメント１１０は、封入エレメント１２０の改善された耐磨耗性と共に、埋込みＰＣＤエレメント１１０の高い耐衝撃性を活用するために、封入ＰＣＤエレメント１２０内に置いてもよい。
【００６３】
図９、１１Ａ、１１Ｂおよび１１Ｃで示されているように、エレメント１０２は、多数の部分的結合ダイヤモンド結晶６０、触媒物質６４、および作業面１０４保有本体１０８を有している。 作業面１０４に近い本体の容積部分１１２は本体１０８の他の箇所１１４よりも実質的に高いダイヤモンド密度を有し、容積部分１１２は触媒物質６４を実質的に含まない。
【００６４】
最善の耐衝撃性および改善された耐磨耗性の双方が実現されるように、数個の埋込みＰＣＤエレメント１１０を図１１Ｃで示されたようにコンパウンドエレメント１００に配置してもよい。
【００６５】
封入ＰＤＣエレメント１２０の触媒物質にかぎらず、埋込みＰＣＤエレメント１１０で触媒物質を枯渇させることも望まれる。 この組合せで、市販向けのダイヤモンドエレメントに利用しうる、できるだけ最大の耐磨耗性と共に、できるだけ最大の衝撃強度を有するエレメントを提供しうるであろう。
【００６６】
図１２Ａおよび１２Ｂに、本発明のＰＣＤエレメント２０２の別な態様が示されている。 この態様では、ＰＣＤエレメント２０２が従来のように最初に形成される。 表面が作製された後、ＰＣＤエレメント２０２の部分２１０で将来の作業面２０４上にダイヤモンド２６０のエピタキシャル向き結晶の密充填物を置くために、ＣＶＤまたはＰＶＤプロセスが用いられる。 次いで、そのアセンブリーが高圧高温プロセスに付され、それにより積載ダイヤモンド結晶２６０が互いにおよび親ＰＣＤのダイヤモンド結晶とダイヤモンド間結合を形成する。 このダイヤモンド間結合は、親ＰＣＤエレメント２０２の表面から浸出する触媒物質６４の存在のおかげで可能である。
【００６７】
掃除後、作業面２０４の一部はＣＶＤまたはＰＶＤ積載層から触媒物質６４を枯渇させるために処理される。 最終製品は、ＰＣＤエレメント２０２の他表面２８０の場合よりもダイヤモンド密度がかなり高い容積部分２１４として作業面２０４の一部を有した、ＰＣＤエレメントである。 こうして高ダイヤモンド密度のこの領域２１４は触媒物質６４を枯渇させている。 ＰＣＤエレメント２０２の他表面２８０の一部も、結合剤触媒物質を枯渇させてよい。
【００６８】
一般的に、図１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１２Ａおよび１２Ｂで示されたエレメント１０２、２０２は、作業面１０４、２０４保有の本体１０８、２０８を有したＰＣＤエレメント１０２、２０２として特徴づけられる。 作業面１０４、２０４近くのダイヤモンド密度は本体１０８、２０８の他の箇所よりも実質的に高く、触媒物質６４を実質的に含まない。
【００６９】
本発明のＰＣＤエレメント２で１つの特に有用な用途は、図１Ｂ、４および５で示されているように、切削エレメント１０、５０、５２としてである。 ＰＣＤ切削エレメント１０、５０、５２の作業面は、トップ作業面７０および／または周辺作業面７２でもよい。 図１ＢのＰＣＤ切削エレメント１０は、固定カッタータイプロータリードリルビット１２、または他タイプのダウンホール（ｄｏｗｎｈｏｌｅ）工具でゲージ防御で典型的に用いられるものである。 図５で示されたＰＣＤ切削エレメント５０は、ドーム３９として成形されている。 このタイプのＰＣＤ切削エレメント５０は、詳細に記載されているように、ローリングカッタードリルビット３８またはロータリードリルビット１２、３８双方のタイプの本体に、ソケットへの挿入用の延長ベース５１を有している。
【００７０】
図４のＰＣＤ切削エレメント５２は、機械加工プロセス向けに適応されている。 図４で切削エレメント５２の形態は長方形であるが、このエレメントが従来の工具で工作することが難しい高度研磨製品を工作するために適した三角形、四角形または他の多くの形状でもよいことは、当業者に明らかであろう。
【００７１】
ＰＣＤ切削エレメント１０は、（図２で示されているような）固定カッターロータリードリルビット１２のプレフォーム切削エレメント１０でもよい。 ドリルビットのビット本体１４は、ドリルビットの回転の中心縦軸１８から通常外側に伸びる複数のブレード１６で形成されている。 各ブレードの先端面２０に沿い並んで離して置かれているのは、多数の本発明のＰＣＤ切削エレメント１０である。
【００７２】
典型的には、ＰＣＤ切削エレメント１０は、超硬タングステンカーバイドのような比較的硬くない物質の基体３２へ高圧高温プレスで結合された、ダイヤモンドまたはダイヤモンド様（ＰＣＤ）物質の薄いフロントフェーシングテーブル３０を有する円形テーブルの形で、本体を有している。 切削エレメント１０は、プレフォームされてから、典型的には超硬タングステンカーバイドからも成形される通常円柱形のキャリア３４上に結合させても、またはブレードへ直接付着させてもよい。 ＰＣＤ切削エレメント１０は作業面７０および７２を有している。
【００７３】
円柱形キャリア３４は、ブレード１６で対応形状のソケットまたはくぼみ内に入れられる。 キャリア３４はソケットへ通常ロウ付けまたは収縮嵌めされる。 操作で、固定カッタードリルビット１２が回転され、重量が加えられる。 こうして掘削される地中へ切削エレメント１０を押込んで、切削および／または掘削作業を行う。
【００７４】
ＰＣＤ切削エレメント１０は、ゲージ領域３６でビット１２を過度な磨耗から防御することはもちろん、ゲージリーミング（ｇａｕｇｅ ｒｅａｍｉｎｇ）作用を施すために、ビット１２のゲージ領域３６へ適用してもよい。 できるだけ接近させてこれらの切削エレメント１０を配置するために、直ちにゲージ領域３６へ取り付られる、示された長方形のような形状にエレメントを切削することが望ましい。
【００７５】
第二の態様において、本発明の（図５で示されたような）切削エレメント５０は図３で示されたローリングカッタータイプドリルビット３８に存在している。 ローリングカッタードリルビット３８は、典型的には、ビット本体４６の脚部４４においてベアリングスピンドルで組み合わされた１個以上の平頭ローリングコーンカッター４０、４１、４２を有している。 切削エレメント５０はローリングカッター４０、４１、４２で数列に配置された１以上の複数の切削インサートとして取り付けても、またはＰＣＤ切削エレメント５０はビット３８の脚部４４に沿い配置してもよい。 ＰＣＤ切削エレメント５０は、比較的硬くない基体３７へ結合されたダイヤモンドまたはダイヤモンド様物質のフェーシングテーブル３５の形で、本体を有している。 本発明のこの態様におけるフェーシングテーブル３５はドーム状表面３９の形をとり、作業面７０および７２を有している。 したがって、当業者に周知のように、加工中に生じる応力を更に均等に分散させるために、フェーシングテーブル３５と基体３７との間にはいくつかの変遷層が多くの場合に存在する。
【００７６】
操作に際して、ローリングカッタードリルビット３８が回転して、重量が加えられる。 こうして、数列のローリングコーンカッター４０、４１、４２で切削インサート５０を地中に押込み、ビット３６が回転すると、ローリングカッター４０、４１、４２が回って、掘削作業を行う。
【００７７】
別な態様では、本発明のＰＣＤ切削エレメント５２は、機械加工操作の切削インサート向けに、三角形、長方形または他の形状の物質の形をとる。 この態様では、切削エレメント５２は、作業面７０および７２を有する、比較的硬くない基体５６へ結合されたダイヤモンドまたはダイヤモンド様物質のフェーシングテーブル５４の形で、本体を有している。 典型的には、切削エレメント５２は複数の小さな部分に切削され、それが工作機械のツールホルダーに取り付けられたインサート５８へ設置される。 切削エレメント５２は、ロウ付け、接着剤、溶接または締付けにより、インサートへ設置される。 高温高圧製造プロセスでインサートの形状で切削エレメント５２の成形を仕上げることも可能である。
【００７８】
図１３〜１８で示されているように、本発明のＰＣＤエレメント２、１０２、２０２は、本発明のＰＣＤエレメント３０２を利用した図１３の伸線ダイ３００として例えば示された、中空ダイのような他の用途に用いてもよい。 本発明のＰＣＤエレメント３１２を有するヒートシンク３１０として、電気絶縁性と共にＰＣＤエレメント２、１０２、２０２の優れた伝熱能力を利用することも望ましい。
【００７９】
他の用途として、図１５で示されたＰＣＤベアリングエレメント３２２を有する摩擦ベアリング３２０と、図１６Ａおよび１６Ｂで示されたように本発明のＰＣＤエレメント３４２を有する表面３４２をもつバルブ３４０、３４４の嵌合部品がある。 加えて、けがき、硬度テスタ−、粗面化などのための圧子３６０は、図１７Ａで示されているように、本発明のＰＣＤエレメント３６２を有してもよい。 パンチ３７０は、図１７Ｂで示されているように、ダイ３７２、３７４の一方または双方を本発明のＰＣＤ物質から作製しうる。 図１８で示されている、マンドレル工具３８２および測定装置３８０用の他のタイプの磨耗エレメントも、本発明のＰＣＤエレメントから作製してよい。 多結晶ダイヤモンドのほぼすべての用途で、本発明の触媒物質枯渇ＰＣＤエレメントから得るところがある、と理解される。
【００８０】
本発明はそこに添付された図面と特に関連して記載されてきたが、ここで記載または示唆されたもの以外の他のおよび別な修正が本発明の範囲および精神内で行えるものと理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
本発明の代表的ＰＣＤエレメントである。
【図１Ｂ】
切削エレメントとして示された本発明の代表的ＰＣＤである。
【図２】
本発明のＰＣＤエレメントを用いた固定カッターロータリードリルビットの側面図である。
【図３】
本発明のＰＣＤエレメントを用いたローリングカッターロータリードリルビットの斜視図である。
【図４】
本発明のＰＣＤエレメントを利用した工作機械で用いられるインサートの斜視図である。
【図５】
ローリングカッタードリルビットおよび固定カッタードリルビットの双方で使用に適したドーム形状ＰＣＤエレメントの斜視図である。
【図６】
間隙領域で結合剤触媒物質を示した、従来のＰＣＤエレメントの表面の顕微鏡写真である。
【図７】
間隙領域に触媒物質のある第一部分と、間隙領域に触媒物質のない第二部分とを示した、本発明のＰＣＤエレメントの顕微鏡写真である。
【図８】
図８は、間隙領域および個別結晶の結晶方向と一緒に、結合ダイヤモンド結晶を示した、従来のＰＣＤエレメントの微細構造図である。
【図９】
ＰＣＤエレメント表面からの触媒物質フリー領域の深さを示した、図７で示されたような本発明のＰＣＤエレメントの微細構造図である。
【図１０】
本発明のＰＣＤエレメントのいくつかの態様の相対磨耗指数のグラフである。
【図１１Ａ】
本発明のＰＣＤエレメントの封入ＰＣＤ態様の正面図である。
【図１１Ｂ】
本発明のＰＣＤエレメントの別な封入ＰＣＤ態様の断面図である。
【図１１Ｃ】
本発明のＰＣＤエレメントの更に別な封入ＰＣＤ態様の断面図である。
【図１２Ａ】
本発明のＰＣＤエレメントの別な態様におけるＣＶＤ／ＰＶＤ適用表面の斜視図である。
【図１２Ｂ】
図１２Ａで示された本発明のＰＣＤエレメントの態様の結晶構造の拡大斜視図である。
【図１３】
本発明のＰＣＤエレメントを有する伸線ダイの断面図である。
【図１４】
本発明のＰＣＤエレメントを有するヒートシンクの斜視図である。
【図１５】
本発明のＰＣＤエレメントを有するベアリングの斜視図である。
【図１６Ａ】
本発明のＰＣＤエレメントを有する嵌合部品の正面図である。
【図１６Ｂ】
本発明のＰＣＤエレメントを有する嵌合部品の正面図である。
【図１７Ａ】
本発明のＰＣＤエレメントを有する圧子の側面図である。
【図１７Ｂ】
本発明のＰＣＤエレメントを有するパンチの部分断面図である。
【図１８】
本発明のＰＣＤエレメントを有する測定装置の斜視図である。