촉매 물질이 고갈된 면을 갖는 다결정 다이아몬드

촉매 물질이 고갈된 면을 갖는 다결정 다이아몬드{POLYCRYTALLINE DIAMOND WITH A SURFACE DEPLETED OF CATALYZING MATERIAL}

본 발명은 마모, 절삭, 인발, 그리고 가공된 초경질(superhard) 표면이 요망되는 적용(application)을 위한 초경질 다결정 물질 요소에 관한 것이다. 본 발명은 매우 향상된 내마모성을 갖는 다결정 다이아몬드(polycrystalline diamond) 및 다결정 다이아몬드상(polycrystalline diamond-like)(PCD라 통칭함) 요소들 및 그것들의 제조 방법에 관한 것이다.

다결정 다이아몬드 및 다결정 다이아몬드상(diamond-like: 다이아몬드와 유사한 특성을 가진 재료) 요소들은 본 명세서를 위해 PCD 요소들로서 인식된다. PCD 요소들은 이웃하는 원자들 사이의 간격이 유난히 짧은 탄소계 물질로부터 형성된다. 다결정 다이아몬드상 물질의 한 유형은 미국 특허 제5,776,615호에 기재된 탄질화물(carbonitride)(CN)로서 공지된다. 보다 일반적으로 사용되는 유형의 다른 PCD는 하기에 더 상세히 기술된다. 일반적으로, PCD 요소들은 고온 및 고압에서 처리된 물질들의 혼합물로부터 상호결합된 초경질 탄소계 결정들(crystals)의 다결정 모체(polycrystalline matrix)로 형성된다. PCD 요소들의 공통적인 특성은 그것들을 형성하는 동안 촉매 물질들(catalyzing materials)을 사용하는 것이고, 촉매 물질들로부터의 잔류물이 사용시 PCD 요소의 최대 유용 작동 온도에 제한을 가한다는 것이다.

PCD 요소의 주지의 제조된 형태는 다결정 다이아몬드로 이루어진 대면부(facing table)가 텅스텐 탄화물(tungsten carbide)같은, 보다 낮은 경도의(less hard) 물질로 이루어진 기재(substrate)에 일체적으로 결합되는 2층 또는 다층 PCD 요소이다. 이 PCD 요소는 원형 또는 부분적 원형 타블렛(tablet) 형태이거나, 중공금형(hollw die), 히트 싱크(heat sink), 마찰 베어링(friction bearing), 밸브면(valve surface), 인덴터(indentor), 툴 맨드릴(tool mandrel) 등의 적용에 적합한 다른 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 유형의 PCD 요소는 확실한 내마모성 및 내부식성 물질이 요망되는 대부분의 적용에서 활용될 수 있다. PCD 요소의 기재는 초경 텅스텐 탄화물(cemented tungsten carbide)로 이루어진 캐리어에 때때로 땜질처리될 수 있다. 이것은 예컨대 드릴비트(drill bit)의 소켓에 수용되거나 기계가공용 공작기계의 포스트(post)에 고정될 때, 고정 커터(fixed cutter)나 롤링 커터 굴착비트(rolling cutter earth boring bit)에서 절삭요소들로서 사용되는 PCD에 관한 공통 구성이다. 이러한 PCD 요소들은 통상 PDC로 호칭된다.

다른 형태의 PCD 요소는 통합 기재(integral substrate)가 없는 단일의 PCD 요소이고, 여기서 다결정 다이아몬드의 테이블이 기계적 수단이나 결합 프로세스에 의해 공구(tool) 또는 마모면에 고정된다. 이러한 PCD 요소들은 다이아몬드 입자가 PCD 요소의 전체에 걸쳐 존재하는 전술한 것들과 다르다. 이러한 PCD 요소들은 기계적으로 적소에 수용될 수 있고, 이것들은 기재를 가진 보다 큰 PCD 요소 내에 삽입되거나(embedded), 땜질 또는 용접 프로세스에 의해 결합될 수 있는 금속층을 가지도록 제작될 수 있다. 이러한 다수의 PCD 요소들은 예컨대 본문에 참조로 편입된 미국 특허 제4,481,016호 및 제4,525,179호에 개시된 바와 같이 단일 PCD로부터 만들어질 수 있다.

PCD 요소들은 대부분 고압, 고온의 프레스에서 적절한 결합제-촉매 물질(binder-catalysing material)을 사용하여 다이아몬드 파우더를 소결함으로써 형성된다. 다결정 다이아몬드를 형성하는 한 특정 방법은 본문에 참조로 편입된 미국 특허 제3,141,746호에 개시된다. PCD 요소들을 제조하기 위한 한 공통 프로세스에 있어, 다이아몬드 파우더가 코발트를 포함하는 예비성형된(preformed) 텅스텐 탄화물 기재의 표면에 적용된다. 그 어셈블리는 프레스 내의 아주 높은 온도와 압력을 받게 된다. 이러한 프로세스 중에, 코발트는 상기 기재로부터 다이아몬드층으로 이동하고 결합제-촉매 물질로서 작용하여, 다이아몬드 입자를 다이아몬드-대-다이아몬드 결합으로 서로 결합하게 하고 또한 다이아몬드층이 상기 기재에 결합하게 한다.

완성된 PCD 요소는 상술한 바와 같은 결합제-촉매 물질을 함유하는 다수의 틈새들(interstices)을 가진, 상호결합된 다이아몬드 결정들의 적어도 하나의 모체를 가진다. 다이아몬드 결정들은 다이아몬드의 제1의 연속 모체를 포함하고, 틈새들은 결합제-촉매 물질을 함유하는 틈새들의 제2의 연속 모체를 형성한다. 또한, 다이아몬드-대-다이아몬드 성장이 다소의 결합제-촉매 물질을 캡슐화하는(encapsulating) 비교적 소수의 영역들이 필연적으로 존재한다. 이러한 '고립부들'(islands)은 결합제-촉매 물질의 연속 틈새 모체(interstitial matrix) 부분이 아니다.

한 가지 공통 형태에서, 다이아몬드 요소는 용적의 85% 내지 95%를 구성하고 결합제-촉매 물질은 5% 내지 15%를 구성한다. 그러한 요소는 약 400℃의 온도에서 시작하는 틈새 코발트 결합제-촉매 물질과 다이아몬드 모체(diamond matrix) 사이의 상이한 열적 팽창으로 인하여 열적 퇴화(thermal degradation)를 겪게 될 수 있다. 충분한 팽창시 다이아몬드-대-다이아몬드 결합이 파열될 수 있고 크랙들(cracks)과 칩들(chips)이 발생할 수 있다.

또한, 다결정 다이아몬드에서, 다이아몬드 모체의 다이아몬드 결정들에 부착하는 틈새 영역들에서의 결합제-촉매 물질의 존재는 다른 형태의 열적 퇴화를 가져온다. 결합제-촉매 물질의 존재로 인하여, 다이아몬드는 온도가 증가함에 따라 흑연화되고, 약 750℃로 작동 온도를 제한한다.

비록 코발트가 결합제-촉매 물질로서 통상 사용되더라도, 코발트, 니켈, 철, 및 그것들의 합금을 포함하는 임의의 Ⅷ족 원소가 사용될 수 있다.

열적 퇴화를 감소시키기 위해, 소위 "열적 안정성"(thermally stable) 다결정 다이아몬드 성분들이, 여기에 참조로 편입되는 미국 특허 제4,224,380호에 개시된 바와 같이, 절삭 및/또는 내마모성 요소들을 위한 PCD 요소들을 예비형성함으로써 제공되어 왔다. 열적 안정성 PCD 요소의 한 유형에 있어, 종래의 다결정 다이아몬드에서의 코발트 또는 다른 결합제-촉매 물질은 형상화 이후 연속 틈새 모체로부터 침출된다(leach out). 이것은 다이아몬드의 온도 저항력을 약 1200℃까지 증가시킬 수 있는 한편, 침출 프로세스는 초경 탄화물 기재(cemented carbide substrate)를 또한 제거한다. 게다가, 통합 기재나 다른 결합가능한 표면이 없으므로, 작동 중 사용하기 위한 그러한 물질을 장착(mounting)하는데 있어 심각한 어려움이 있다.

통상, 이러한 '열적 안정성' PCD 요소를 위한 제작 방법은 80% 이하 차수의 비교적 낮은 다이아몬드 밀도를 제공한다. 이러한 낮은 다이아몬드 밀도는 완전한 침출 프로세스를 가능하게 하지만, 그 결과 완성된 부분은 일반적으로 충격 강도에 있어 비교적 약하다.

열적 안정성 다결정 다이아몬드의 다른 형태에 있어서, 실리콘이 촉매 물질로서 사용된다. 실리콘 촉매 물질을 사용하여 다결정 다이아몬드를 만드는 프로세스는 합성 온도와 압력에서 대부분의 실리콘이 유효 촉매 물질이 아닌 실리콘 탄화물을 형성하도록 반응한다는 것을 제외하고는 상술한 바와 아주 유사하다. 열적 저항이 다소 개선되지만, 열적 퇴화는 틈새 모체의 틈새들에 일반적으로 균일하게 분포된 일부 잔여 실리콘이 잔존하기 때문에 여전히 발생한다. 또한, 결합가능한 표면이 없기 때문에, 이러한 유형의 PCD 요소는 장착 문제가 존재한다.

최근에는, 다른 유형의 PCD가 이용가능하게 되었고, 여기서 마그네슘, 칼슘, 스트론듐 및 바륨의 탄산염 파우더 같은 탄산염들이 다이아몬드 파우더를 소결시킬 때 결합제-촉매 물질로서 사용된다. 이러한 유형의 PCD는 이전 유형의 PCD 요소들보다 큰 내마모성과 경도를 일반적으로 가진다. 다만, 이 물질은 종래의 열적으로 안정한 다결정 다이아몬드를 사용하는 경우보다 훨씬 높은 압력이 소결을 위해 필요하기 때문에 상업적 규모로 생산하기가 어렵다. 이러한 연유로, 이 방법에 의해 생산된 다결정 다이아몬드의 보디(body)는 종래의 다결정 다이아몬드 요소들보다 작다. 또한, 잔여 결합제-촉매 물질이 틈새들에 잔존하기 때문에 열적 퇴화가 여전히 발생한다. 또한, 통합 기재나 다른 결합가능한 표면이 없기 때문에, 이 물질을 작업면(working surface)에 장착하는 것이 곤란하다.

열적 안정성 PCD와 장착 시스템을 조합하여 사용시 개선된 온도 안정성을 부여하기 위한 노력은 낮은 충격 강도로 인해 기대만큼 성공하지 못했다. 예를 들어, 다중 PCD 요소들을 장착하는 여러 방식이 본문에 참조로 편입된 미국 특허 제4,726,718호, 제5,199,832호, 제5,025,684호, 제5,238,074, 및 제6,009,963호에 개시된다. 비록 다수의 이러한 설계가 상업적 성공을 거두었지만, 이러한 설계는 비-열적으로(non-thermally) 안정한 PCD에서 도달할 수 있는 인성(toughness) 수준을 유지하면서 높은 내마모성 및/또는 내마멸성을 조합하는데 각별히 성공하지는 못했다.

표면을 위한 다른 유형의 다이아몬드 또는 다이아몬드상 코팅이 본문에 참조로 편입된 미국 특허 제4,976,324호, 제5,213,248호, 제5,337,844호, 제5,379,853호, 제5,496,638호, 제5,523,121호 및 제5,624,068호에 개시된다. 또한, 이와 유사한 코팅이 고도로 부하된(highly loaded) 공구 표면을 위해, 영국 특허 공보 제2,268,768호, PCT 공보 제96/34,131호 및 유럽특허 공보 제500,253호, 제787,820호 및 제860,515호에 개시된다. 이들 공보에서, 다이아몬드 및/또는 다이아몬드상 코팅은 내마모성 및/또는 내부식성을 위해 표면에 적용되는 것으로 제시된다.

다수의 상기 적용에 있어서, 물리적 기상 증착(PVD) 및/또는 화학적 기상 증착(CVD) 프로세스가 다이아몬드 또는 다이아몬드상 코팅을 적용하는데 사용된다. PVD 및 CVD 다이아몬드 코팅 프로세스는 공지된 것으로서 예컨대, 본문에 참조로 편입된 미국 특허 제5,439,492호, 제4,707,384호, 제4,645,977호, 제4,504,519호 및 제4,486,286호에 개시된다.

다이아몬드 또는 다이아몬드상 코팅으로 표면을 코팅하기 위한 PVD 및/또는 CVD 프로세스는 예컨대, 다이아몬드의 에피택시하게(epitaxially) 배향된 결정들 또는 다른 초경질 결정들의 밀접하게 팩키징된 세트를 표면에 제공하는 것이다. 이러한 물질은 아주 밀접하게 팩키징되기 때문에 아주 높은 다이아몬드 밀도를 가지지만, 인접한 결정들 사이에서 다이아몬드-대-다이아몬드 결합의 양이 상당하지 않아서, 전체적으로 매우 약하게 하고 높은 전단 하중이 가해지면 파손되기 쉽다. 결과적으로, 이러한 코팅이 아주 높은 다이아몬드 밀도를 가지더라도, 기계적으로 부서지기 쉬워 절삭요소, 베어링장치, 마모요소 및 다이 같은 고도로 부하된 적용에 사용될 때, 아주 약한 충격 인성과 내마멸성을 초래한다.

미국 특허 제5,264,283호, 제5,496,638호 및 제5,624,068호에 기재된 바와 같이, 텅스텐 탄화물 기재에 적용하고 이어서 고온 고압 환경에서 처리함으로써 이러한 다이아몬드 또는 다이아몬드상 코팅의 인성 및 내마모성을 개선하기 위한 시도가 있어왔다. 비록 이러한 유형의 처리가 다이아몬드층의 내마모성을 개선하더라도, 고밀도 다이아몬드층과 기재 사이의 급격한 변환(abrupt transition)으로 인해 아주 낮은 응력변형시에도 경계면(interface)에서 다이아몬드층이 대대적으로 파손될 수 있다. 이것은 사용시 아주 낮은 인성과 내충격성으로 나타난다.

코발트 또는 다른 Ⅷ족 금속 결합제-촉매 물질을 사용하여 만들어진 PCD 요소들이 베어링 재료로서 서로에 대하여 사용됐을 때, 마찰계수는 사용과 함께 증가하는 경향이 있는 것으로 판명되었다. 유럽 특허 명세서 번호 제617,207호에 개시된 바와 같이, PCD 베어링 요소의 표면으로부터 사용시 축적되는 경향이 있는 코발트-풍부 트리보필름(tribofilm)의 (염화수소산 와이프(wipe)의 사용에 의한) 제거가 본 문제를 경감시킬 수 있는 것으로 판명되었다. 명백히, 작동 중 PCD 표면으로부터의 일부 코발트가 베어링의 하중 영역으로 이동하고, 2개의 PCD 요소들이 베어링으로서 서로에 대하여 작용할 때 마찰을 증가시켰다. 이러한 코발트의 원천은, 산성 와이프 요법이 표면 아래로 상당한 깊이까지 코발트를 효과적으로 제거할 수 없기 때문에, 베어링 요소들의 마감 프로세스의 잔여 부산물일 수 있는 것으로 믿어진다.

코발트가 오직 PCD의 표면으로부터만 제거되기 때문에, 베어링 요소들에서 열적 퇴화가 발생하는 온도에서 효과적인 변화가 없다. 따라서 결합제-촉매 물질의 악영향이 잔존하고, 촉매 물질의 존재로 인한 다이아몬드층의 열적 퇴화가 여전히 발생한다.

본 발명은 충격 강도의 손실 없이 열적 퇴화에 대하여 매우 개선된 내성을 갖는 초경질 다결정 다이아몬드 또는 다이아몬드상 요소를 제공한다. 본 명세서를 위해 통칭된 PCD 요소들은 고온, 고압 프로세스에서 결합제-촉매 물질을 사용하여 형성된다. PCD 요소는 적어도 하나의 연속 다이아몬드 모체를 형성하는 다수의 부분적으로 결합된 다이아몬드 또는 다이아몬드상 결정들, 그리고 촉매 물질을 함유하는 적어도 하나의 연속 틈새 모체를 형성하는, 다이아몬드 결정들 사이의 틈새들을 갖는다. PCD 요소는 작업면과 보디를 가지며, 작업면에 인접한 보디에서의 틈새 모체의 부분에는 촉매 물질이 실질적으로 없고, 나머지 틈새 모체는 촉매 물질을 함유한다.

PCD 요소의 보디 상의 작업면의 부분은 초경질 결정들 사이의 틈새들이 촉매 물질을 실질적으로 함유하지 않도록 후처리될 수 있다. 촉매 물질이 실질적으로 없는 작업면은 작업면의 다른 영역들에서 부닥치는 열적 퇴화를 받지 않아서, 열적 퇴화에 대한 내성이 개선되는 결과를 가져온다. 절삭요소들에 있어, 처리된 작업면은 보디의 대면부 부분, 보디의 주변 표면 부분, 또는 이러한 모든 표면 부분일 수 있다.

다른 실시예에 있어, 촉매 물질은 코발트 또는 다른 철 그룹 금속이고, 촉매 물질을 고갈시키는 방법은 산 에칭(acid etching) 프로세스에서 PCD 요소의 표면 근처 틈새들로부터 그것을 침출시키는 것이다. 표면에서 촉매 물질을 제거하는 방법은 전기 방전(electrical discharge) 또는 다른 전기적 또는 갈바니 프로세스에 의해, 또는 증발법(evaporation)에 의해 또한 수행될 수 있다.

다른 실시예에서, 촉매 물질은 그것이 촉매 물질로서 더 이상 작용하지 않도록 다른 물질과 화학적으로 결합시킴으로써 PCD 요소의 작업면으로부터 후속 제거된다. 이러한 방법에서, 물질이 다이아몬드 입자들 사이의 격자들에 잔존할 수 있지만, 그 물질은 촉매 물질로서 더 이상 작용하지 않고 촉매 물질을 효과적으로 제거하거나 고갈시킨다.

다른 실시예에 있어, 촉매 물질은 그것이 더 이상 촉매 물질로서 작용하지 않는 물질로 변환하게 함으로써 제거된다. 이것은 결정 구조 변화, 기계적 '작업'(working), 열처리 또는 다른 처리 방법에 의해 달성될 수 있다. 이러한 방법은 비-금속성 또는 비-반응성 촉매 물질에 적용될 수 있다. 또한, 물질이 초경질 물질 결정들 사이의 틈새들에 잔존할 수 있지만, 그 물질은 촉매 물질로서 더 이상 작용하지 않고 촉매 물질을 효과적으로 제거하거나 고갈시킨다.

다수의 부분적으로 결합된 다이아몬드 결정들, 촉매 물질, 틈새 모체, 및 작업면을 갖는 보디를 포함하는 요소가 개시된다. 작업면에 인접한 보디에서의 틈새 모체에는 촉매 물질이 실질적으로 없고, 나머지 틈새 모체는 촉매 물질을 함유한다.

유사하게, 촉매 물질, 틈새 모체, 및 작업면을 갖는 보디를 가진 PCD 요소가 개시된다. 작업면에 인접한 보디에서의 틈새 모체에는 촉매 물질이 실질적으로 없고, 나머지 틈새 모체는 촉매 물질을 함유한다.

또한, 다수의 초경질 결정들, 촉매 물질, 및 작업면을 갖는 보디를 가진 PCD 요소가 개시된다. 이 요소에서, 작업면으로부터 적어도 0.1㎜ 깊이 내의 보디에 있는 대다수의 결정들은 촉매 물질이 실질적으로 없는 표면을 가지고, 나머지 결정들은 촉매 물질과 접촉한다.

또한, 작업면을 가진 보디를 갖는 PCD 요소가 개시된다. 작업면으로부터 멀리 위치한 보디의 제1용적은 촉매 물질을 함유하고, 작업면에 인접한 보디의 제2용적에는 촉매 물질이 실질적으로 없다.

또한, 다수의 부분적으로 결합된 다이아몬드 결정들, 촉매 물질, 및 작업면을 갖는 보디를 가진 요소가 개시된다. 작업면에 인접한 보디의 용적은 보디의 다른 곳보다 실질적으로 높은 다이아몬드 밀도를 가지고, 상기 용적에는 촉매 물질이 실질적으로 없다.

또한, 작업면을 갖는 보디를 가진 PCD 요소가 개시된다. 작업면에 인접한 보디의 용적은 보디의 다른 곳보다 실질적으로 높은 다이아몬드 밀도를 가지고, 상기 용적에는 촉매 물질이 실질적으로 없다.

또한, 예비성형(preform) 절삭요소가 개시된다. 상기 절삭요소는 다수의 부분적으로 결합된 초경질 결정들, 초경질 결정들 사이의 다수의 틈새 영역들, 및 촉매 물질을 갖는 초경질 다결정 물질로 이루어진 대면부를 가진다. 대면부는 절삭면과 보디를 가진다. 절삭면의 적어도 일부에서의 틈새 영역들에는 촉매 물질이 실질적으로 없고, 나머지 틈새 영역들은 촉매 물질을 함유한다.

본 발명의 PCD 요소들은 마모, 절삭, 인발, 그리고 가공된 다이아몬드 표면이 요망되는 다른 적용을 위하여 사용될 수 있다. 특정 적용은 중공금형, 히트 싱크, 마찰 베어링, 밸브면, 툴 맨드릴 등 같은, 고정 커터형 및 롤링 커터형 모두의 회전 드릴비트에서의 절삭요소들 같은 것이다. 본 발명의 PCD 요소는 연마용 목재 제품, 철 및 비철 재료들 그리고 돌과 아스팔트 등과 같은 매우 단단하거나 연마용인 공학 재료들을 기계가공하는데 사용될 수 있다.

도 1A는 본 발명의 일반적인 PCD 요소이다.

도 1B는 절삭 요소로서 예시된 본 발명의 일반적인 PCD이다.

도 2는 본 발명의 PCD 요소를 사용하는 고정 커터형 회전 드릴비트의 측면도이다.

도 3은 본 발명의 PCD 요소를 사용하는 롤링 커터형 회전 드릴비트의 사시도이다.

도 4는 본 발명의 PCD 요소를 이용하는 기계 공구에 사용되는 삽입물의 사시도이다.

도 5는 롤링 커터형 드릴비트와 고정 커터형 드릴비트 모두에 사용하기에 적합한 돔형(dome shaped) PCD 요소의 사시도이다.

도 6은 틈새 영역들에 있는 결합제-촉매 물질을 나타내는 종래기술의 PCD 요소 표면의 현미경 사진이다.

도 7은 틈새 영역들에 촉매 물질이 있는 제1부분과 틈새 영역들에 촉매 물질이 없는 제2부분을 나타내는 본 발명의 PCD 요소의 현미경 사진이다.

도 8은 개별 결정들의 결정학적 배향과 틈새 영역들이 있는 결합된 다이아몬드 결정들을 나타내는 종래기술의 PCD 요소의 미세-구조도이다.

도 9는 PCD 요소의 표면과 관련하여 촉매 물질이 없는 영역의 깊이를 나타내는, 도 7에 나타난 것과 같은 본 발명의 PCD 요소의 미세-구조도이다.

도 10은 본 발명의 PCD 요소의 몇몇 실시예들의 상대적 마모지수의 그래프이다.

도 11A는 본 발명의 PCD 요소의 캡슐화된 PCD 실시예의 정면도이다.

도 11B는 본 발명의 PCD 요소의 다른 캡슐화된 PCD 실시예의 단면도이다.

도 11C는 본 발명의 PCD 요소의 또 다른 캡슐화된 PCD 실시예의 단면도이다.

도 12A는 본 발명의 PCD 요소의 다른 실시예에 관한 CVD/PVD 적용된 표면의 사시도이다.

도 12B는 도 12A에 나타난 본 발명의 PCD 요소의 실시예의 결정 구조의 확대 사시도이다.

도 13은 본 발명의 PCD 요소를 갖는 와이어 인발 금형의 단면도이다.

도 14는 본 발명의 PCD 요소를 갖는 히트 싱크의 사시도이다.

도 15는 본 발명의 PCD 요소를 갖는 베어링의 사시도이다.

도 16A와 16B는 본 발명의 PCD 요소를 갖는 밸브의 교접부분들(mating parts)의 정면도이다.

도 17A는 본 발명의 PCD 요소를 갖는 인덴터(indentor)의 측면도이다.

도 17B는 본 발명의 PCD 요소를 갖는 천공기(punch)의 부분 측면도이다.

도 18은 본 발명의 PCD 요소를 갖는 측정장치의 사시도이다.

본 발명의 다결정 다이아몬드 또는 다이아몬드상 물질(PCD) 요소(2)가 도 1에 도시된다. PCD 요소(2)는 다수의 부분적으로 결합된 초경질 다이아몬드 또는 다이아몬드상 결정들(60), 촉매 물질(64), 및 결정들(60) 사이의 틈새들(62)에 의해 형성된 틈새 모체(68)를 가진다(도 7 및 도 9에 도시됨). 상기 요소(2)는 하나 이상의 작업면(working surface)(4)과 다이아몬드 결정들(60)과 PCD 요소(2)의 보디(8)의 용적을 형성하는 틈새들(62)을 또한 가진다.

작업면(4)은 작동시 취급될 대상물과 접촉할 수 있는 PCD 보디(8)의 임의의 부분이다. 본 명세서에서, 작업면(4)이 논의되는 경우, 그것은 작업면으로서 노출 및/또는 사용될 수 있는 보디(8)의 임의의 부분에 적용되는 것으로 이해된다. 또한, 작업면(4)의 임의의 부분은 그 자체로서 작업면이 될 수 있다.

고온 및 고압 조건에서 제조 중에, 결정들(60) 사이의 틈새들(62)은 결정들(60) 사이에 결합들이 형성되는 것과 같이 촉매 물질(64)로 충전된다. 제조를 위한 추가 단계에서, 일부 촉매 물질(64)은 일부 틈새들(62)로부터 선택적으로 고갈된다. 그 결과, 작업면(4)로부터 멀리 위치한 PCD 요소(2)의 보디(8)의 제1용적은 촉매 물질(64)을 함유하고, 작업면(4)에 인접한 보디(8)의 제2용적에는 촉매 물질(64)이 실질적으로 없다. 촉매 물질(64)이 실질적으로 없는 틈새들(62)은 숫자 66으로 표시된다.

따라서 작업면(4)의 적어도 일부에 인접한 틈새 모체(68)에는 촉매 물질(64)이 실질적으로 없고, 나머지 틈새 모체(68)는 촉매 물질(64)을 함유한다. PCD 요소(2)는 통상적으로 초경 텅스텐 탄화물인, 보다 낮은 경도의 물질의 기재(6)에 결합될 수 있지만, 기재(6)의 사용이 필수적인 것은 아니다.

작업면(4)에 인접한 보디는 촉매 물질(64)을 실질적으로 함유하지 않기 때문에, 촉매 물질(64)의 존재로 인한 작업면(4)의 열적 퇴화가 효과적으로 제거된다. 그 결과, 새로운 PCD 요소(2)는, 인성, 제조 편리성, 및 기존 PCD 요소들의 결합 능력을 유지함과 동시에, 소위 열적 안정성 PCD 요소들의 열적 특성에 접근하는 개선된 열적 특성들을 가진다. 이것은 절삭 적용에서 높은 내마모성, 히트 싱크 적용에서 높은 열전달 용량, 베어링 적용에서 높은 하중 용량, 밸브 적용에서 낮은 표면 왜곡으로 나타나고, 중공금형, 인덴터, 툴 맨드릴, 및 마모요소들을 포함하는 다수의 다른 적용에서 이점을 가진다. 이러한 이점은 상기 요소들에서 충격강도의 손실 없이 얻어진다. 새로운 PCD 요소(2)의 특정 적용의 상세한 사항은 본 명세서에 후술될 것이다.

도 6에서 선행기술 PCD 요소의 광학-현미경 사진과 도 8에서 선행기술 PCD 요소의 미세구조 묘사를 참조하면, 각각의 결정(60)의 벽개면들(cleavage planes)을 나타내는 평행선들에 의해 나타난 것과 같은, 다이아몬드 또는 다이아몬드상 결정들(60)의 랜덤 결정학적 배향이 있음을 알 수 있다. 도시된 바와 같이, 인접한 결정들(60)은 그것들 사이에 틈새 공간들(62)을 가지고 함께 결합된다. 벽개면들은 인접한 결정들(60) 상에서 다른 방향으로 배향되기 때문에, 다이아몬드 파손(fracture)에 관하여 소용될 수 있는 일직선 경로가 없다. 이러한 구조는 고 충격 하중이 통용되는 극도의 부하 환경에서 PCD 물질들이 잘 수행될 수 있게 한다.

고온, 고압 프레스에서 결정들(60)을 결합하는 프로세스에서, 결정들(60) 사이의 틈새 공간들(62)은 결합제-촉매 물질(64)로 충전된다. 이 촉매 물질(64)은 프레스 내에 존재하는 상대적으로 낮은 압력과 온도에서 인접한 다이아몬드 결정들(60) 사이에 결합이 형성되게 한다.

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종래 PCD 요소는, 결합제-촉매 물질(64), 통상적으로 코발트 또는 다른 Ⅷ족 원소를 함유하는 다수의 틈새들(62)과 함께, 서로 결합되는 결정들(60)의 적어도 하나의 연속 모체를 가진다. 결정들(60)은 다이아몬드의 제1 연속 모체를 포함하고, 틈새들(62)은 결합제-촉매 물질을 함유하는, 틈새 모체(68)로서 알려진 틈새들(62)의 제2 연속 모체를 형성한다. 또한, 다이아몬드-대-다이아몬드 성장이 일부 결합제-촉매 물질을 캡슐화한, 상대적으로 소수의 영역들이 필연적으로 존재한다. 이러한 '고립부들'은 결합제-촉매 물질(64)의 연속 틈새 모체(68) 부분이 아니다.

도 7 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 PCD 요소(2)의 단면이 도시된다. PCD 요소(2)는 전술한 종래 PCD 요소와 동일한 방식으로 형성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 예비 정화(cleanup) 작업 후 또는 그 후 제조 프로세스에서 소정 시간에, PCD 요소(2)의 작업면(4,70,72)은 인접 보디로부터 결합제-촉매 물질의 부분을 제거하는 방식으로 처리된다. 그 결과, 작업면에 인접한 다이아몬드 결정들(60) 사이의 틈새들(62)에는 번호 66으로 표시된 촉매 물질(64)이 실질적으로 없다. 촉매 물질(64)이 없는 작업면(4,70,72)의 부분은 PCD의 다른 영역들에서 부닥치는 열적 퇴화를 받지 않고, 그 결과 열적 특성이 개선된다.

틈새들(62)로부터 촉매 물질(64)을 제거하거나 고갈시키기 위한 많은 방법이 있다. 한 방법에 있어서, 촉매 물질(64)은 코발트 또는 다른 철 그룹 물질이고, 촉매 물질(64)을 제거하는 방법은 약 0.2㎜보다 깊은 깊이까지 산 에칭 프로세스에서 PCD 요소(2)의 작업면(4,70,72) 근처 틈새들(62)로부터 그것을 침출시키는 것이다. 작업면 근처로부터 촉매 물질(64)을 제거하는 방법은 전기 방전 또는 다른 전기적 또는 갈바니 프로세스에 의해, 또는 증발법에 의할 수 있음이 또한 가능하다.

틈새들(62)로부터 촉매 물질(64)을 고갈시키기 위한 다른 방법에서, 촉매 물질(64)은, 그것이 촉매 물질로서 더 이상 작용하지 않도록, 그것을 다른 물질과 합금(alloying) 같은 화학적으로 결합시킴으로써 고갈된다. 이 방법에서, 물질이 다이아몬드 결정들(60) 사이의 틈새들에 잔존할 수 있지만, 그 물질은 촉매 물질(64)로서 더 이상 작용하지 않고, 그것을 효과적으로 제거한다.

틈새들(62)로부터 촉매 물질(64)을 고갈시키기 위한 또 다른 방법에서, 촉매 물질(64)은 그것을 촉매 물질로서 더 이상 작용하지 않은 물질로 변환시킴으로써 제거된다. 이것은 결정 구조 변화, 상(phase) 변화, 기계적 '작업', 열 처리 또는 다른 처리 방법에 의해 달성될 수 있다. 이 방법은 비-금속성 또는 비-반응성 촉매 물질들에 적용될 수 있다. 또한, 물질이 다이아몬드 결정들 사이의 틈새들(62)에 잔존할 수 있으나, 그 물질은 촉매 물질(64)로서 더 이상 작용하지 않고, 촉매 물질을 효과적으로 제거한다.

작업면(4,70,72)에 인접한 촉매 물질(64)이 무효하게 되면, 본 발명의 PCD 요소(2)는 종래 PCD 요소들에서 발생하는 것으로 알려진 열적 퇴화 형태에 더 이상 영향을 받지 않는다. 전술한 바와 같이, 촉매 물질(64)에 의해 야기되는 것으로 알려진 두 가지 양상의 열적 퇴화가 있다. 열적 퇴화의 제1양상은 약 400℃ 이하의 온도에서 시작하고, 틈새들(62) 내의 촉매 물질(64)과 결정들(60) 사이의 열팽창 차이로 인한 것이다. 충분한 열팽창 시, 다이아몬드-대-다이아몬드 결합이 파열될 수 있고 크랙들과 및 칩들이 발생할 수 있다.

열적 퇴화의 제2양상은 약 750℃의 온도에서 시작한다. 이 양상은 결정들(60)과 접촉하는 결합제-촉매 물질(64)의 촉매 능력에 의해 유발되고, 결정들(60)이 750℃에 가까운 온도로서 흑연화되도록 한다. 결정들(60)이 흑연화됨에 따라, 그것들은 막대한 용적 증가를 겪게 되어, 크랙들이 발생하고 보디(4)로부터 분리된다. 다이아몬드 결정들(60)의 표면들 상의 촉매 물질(64)의 수 미크론의 두께도 열적 퇴화의 이러한 양상을 가능하게 할 수 있다.

따라서 최대 이익을 위해서, 촉매 물질(64)이 다이아몬드 결정들(60) 사이의 틈새들로부터 그리고 또한 다이아몬드 결정들(60)의 표면들로부터 제거되어야만 한다는 것이 당업자에 의해 인식될 것이다. 촉매 물질(64)이 다이아몬드 결정들(60)의 표면들과 틈새들(62) 모두로부터 제거되면, 그 영역에서 다이아몬드 결정들(60)에 관한 열적 퇴화의 개시는 약 1200℃까지 도달할 것이다.

그러나 이러한 두 가지 퇴화 양상은 몇몇 예측하지 못한 이익을 제공한다. 예를 들면, 많은 적용에서 작업면의 마모율을 설계하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는, 이것이 최대 마모율을 요하는 구역들에서 촉매 물질이 격자들(62) 및 다이아몬드 결정들(60)의 표면들 모두로부터 고갈되도록 처리 프로세스를 변경하여 달성될 수 있다. 보다 낮은 내마모성을 원하는 구역들에서, 예컨대 자기 첨예화 공구(self sharpening tool)에서, 이런 구역들이 틈새들(62)로부터 우선적으로 촉매 물질(64)을 고갈시키도록 처리되지만, 다이아몬드 결정들(60)의 전부가 아닐지라도 일부는 촉매 물질(64)과 접촉한 상태로 존속하게 한다.

촉매 물질(64)을 틈새들(62)로부터 제거하는 것보다 다이아몬드 결정들(60)의 표면들로부터 제거하는 것이 어렵다는 것은 또한 명백하다. 이러한 이유로, 열적 퇴화를 감소시키는데 있어서 효과적인, 촉매 물질이 고갈되는 방식에 따라, 작업면(4)으로부터의 촉매 물질(64)의 고갈 깊이가 촉매 물질(64)을 고갈시키기 위해 사용되는 방법에 따라서 달라질 수 있다.

일부 적용에서, 400℃와 750℃ 사이로 열 역치(thermal threshold)를 개선하는 것이 적당하고, 그러므로 덜 강렬한 촉매 물질(64) 고갈 프로세스가 허용된다. 결과적으로, 특정 적용을 위해 요구되는 촉매 물질(64) 고갈의 수준을 달성하기 위하여 적용될 수 있는 촉매 물질(64) 고갈 방법의 수많은 조합이 있다는 것이 인식될 것이다.

본 명세서에서, 용어 '실질적으로 없는'(substantially free)이 틈새들(62) 내, 틈새 모체(68) 내, 또는 보디(8)의 용적 내 촉매 물질(64)을 지칭하는데 사용되는 경우, 인접한 다이아몬드 결정들(60)의 전체 표면 또는 많은 표면이 촉매 물질(64)의 코팅을 여전히 가질 수 있음이 이해되어야 한다. 마찬가지로, 용어 '실질적으로 없는'이 다이아몬드 결정들(60)의 표면들 상의 촉매 물질(64)을 지칭하는데 사용되는 경우, 인접한 틈새들(62)에 존재하는 촉매 물질(64)들이 여전히 존재할 수 있다.

촉매 물질(64)이 제거되거나 고갈되면, 열적 퇴화를 위한 두 가지 주요 메커니즘은 더 이상 존재하지 않는다. 그러나 열적 이벤트에 의해 발생한 열을 촉매 물질(64)이 존재하는 결정들(60)의 퇴화 온도 이하로 결합된 결정들(60)이 전도처리하도록(conduct away) 하는데 충분한 깊이로 촉매 물질(64)이 제거되어야 한다는 것으로 밝혀진다.

한 세트의 실험실 시험들에서, 절삭요소(10)로서 형상화된 PCD 요소(2)로 열(heat)이 투입되었다. 이 시험은 이러한 절삭요소들을 위한 표준마모시험으로서 설계되었기 때문에, 그것은 촉매 물질(64) 제거의 다양한 깊이를 가지고 절삭요소(10)의 정당한 비교를 제공하였다. 이 시험들에서, 고갈 프로세스가 틈새들(62) 및 다이아몬드 결정들(60)의 표면들 모두로부터 촉매 물질(64)을 제거하는 것을 확인하는 것에 관심이 기울어졌다. 이 시험은 열의 반복가능한 투입이 알려진 시간 주기 동안 PCD 절삭요소(10)의 절삭 모서리에 가해지도록 설계되었다.

시험이 완료되었을 때, 마모지수(wear index)가 계산되었다. 마모지수가 높을수록 내마모성은 우수하다. 이 시험의 성질로부터, 증가한 마모지수는 절삭요소(10)의 작업면(70,72)의 열적 퇴화에 대해 증가한 저항성을 나타내는 것으로 여겨진다.

도 10의 그래프에서 곡선 A에서 볼 수 있는 바와 같이, 촉매 물질(64) 고갈 깊이가 0.1㎜에 도달할 때 절삭요소들(10)에 관한 마모지수 결과에 있어 극적인 증가가 있다. 그러므로 절삭요소들(10)에서 공통적인 열 투입(heat input) 유형들에 관하여, 촉매 물질(64)이 틈새들(62) 및 다이아몬드 결정들(60)의 표면들 모두로부터 제거될 때 0.1㎜ 깊이가 작업면(4,70,72)으로부터의 임계적 고갈 깊이이다.

다른 시험들에서, 촉매 물질(64)을 제거하기 위한 보다 경제적인 프로세스로 만들어진 절삭요소들(10) 상에서, 마모 대 고갈 깊이는 도 10의 곡선 'B'로 나타난 것에 근사한 것으로 믿어진다. 이러한 절삭기들에서 사용된 촉매 물질(64) 고갈 프로세스는 다이아몬드 결정들(60)의 표면들로부터 촉매 물질(64)을 제거하는데 곡선 'A'의 프로세스만큼 효과적이지 않았다. 따라서 대부분의 촉매 물질(64)이 약 0.2㎜ 깊이까지 틈새들(62)로부터 제거되고 나서야 마모율이 곡선 'A'의 마모율까지 개선되었다.

도 10의 곡선 'C'에 도시된 것과 같은 마모율에 관한 열적 퇴화는 그것이 유리한 PCD 요소들(2)로 설계될 수 있다고 여겨진다. 예컨대, 중심점보다 빠르게 마모하는, 접촉 중심으로부터 먼, 곡선형 절삭요소들(10)의 에지들을 가지는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 절삭요소의 곡선형 형상을 평면으로 되게 하기보다는 그것을 보존할 것이다.

개선된 열적 퇴화 저항성은 마모율을 개선하는데, 다이아몬드가 매우 우수한 열 전도체이기 때문이다. 작업면(4,70,72)에서의 마찰 이벤트가 갑작스런 극도의 열 투입을 초래하는 경우, 결합된 다이아몬드 결정들은 마찰 이벤트로부터 멀어지는 모든 방향으로 열을 전도시킬 것이다. 이것은 물질을 통해 매우 높은 온도의 기울기, 가능하게는 ㎜당 1000℃ 또는 그 이상을 허용할 것이다. 이런 가파른 기울기는 작업면(4,70,72)이 950℃에 이르게 할 수 있지만, 틈새들(62) 및 작업면에 인접한 다이아몬드 결정들(62)의 표면들이 열원으로부터 0.2㎜ 깊이까지 촉매 물질(64)을 실질적으로 함유하지 않는다면 상당한 열적 퇴화를 초래하지 않는다.

온도 기울기가 결정(60) 크기 및 결정 간 결합 양에 따라 변할 것임이 명백할 것이다. 그러나 굴착비트에 관한 절삭요소들(10)의 현장시험에 있어, 작업면(4,70,72)으로부터 약 0.2㎜ 내지 약 0.3㎜ 거리(D)까지 틈새들(62)로부터 실질적으로 모든 촉매 물질(64)을 제거하면, 침투율 40% 향상과 내마모성 40% 향상의 조합과 함께, 내마모성에 있어 극적인 향상을 가져온다. 내마모성 향상은 열적 퇴화를 유발한 촉매 물질(64)로 인한 다이아몬드 결정들(60)의 마멸이 극적으로 감소하였다는 것을 나타낸다. 침투율 증가는 증가한 내마모성으로 인해 '예리함'(sharper)을 더욱 오래 유지하게 하는 커터의 능력 때문인 것으로 여겨진다.

전술한 바와 같은 촉매 물질(64)의 고갈 또는 제거로 이득을 얻는 PCD 요소들의 다른 가능한 구성들이 있다. 도 11A, 11B 및 11C에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예는 복합 PCD 요소(102)이다. PCD 요소(102)는 Ⅷ족 결합제-촉매 물질을 갖는 보디(108)를 가지며, 그 안에 제2의 예비성형된 PCD 요소(110)가 삽입되어 있다. 삽입된 PCD 요소(110)는 도 11A에 도시된 바와 같이 캡슐화 PCD 요소(120)의 작업면(104)과 동일평면으로 될 수 있거나, 도 11B에 도시된 바와 같은 캡슐화 PCD 요소(120) 내에 완전히 삽입될 수 있다. 이 삽입된 PCD 요소(110)는 결합제-촉매 물질로서 Mg, Ca, Sr 및 Ba의 탄산염들의 가루를 사용하는 프로세스에서 만들어지고, 본문에 참고로 인용되는 미국 특허 출원 제09/390,074호에 기술되는 바와 같은 복합 PCD 요소로 형성된다.

이 실시예에서, 삽입된 예비성형된 PCD 요소(110)가 보다 높은 압력에서 형성되기 때문에, 다이아몬드 밀도는 캡슐화 PCD 요소(120)의 밀도보다 높게 될 수 있다. 이 구성에서 삽입된 PCD 요소(110)는 보다 높은 활성화 온도를 갖는 촉매 물질을 가지기 때문에, 예컨대 캡슐화 PCD 요소(120)의 작업면에서만 촉매 물질을 고갈시키는 것이 이로울 수 있다. 더욱이, 삽입된 PCD 요소(110)는, 캡슐화 PCD 요소(120)의 개선된 내마모성과 조합된 삽입된 PCD 요소(110)의 보다 높은 내충격성을 이용하기 위해서, 캡슐화 PCD 요소(120) 내에 위치될 수 있다.

도 9, 11A, 11B 및 11C에 도시된 바와 같이, 요소(102)는 다수의 결합된 다이아몬드 결정들(60), 촉매 물질(64), 및 작업면(104)을 갖는 보디(108)를 가진다. 작업면(104)에 인접한 보디의 용적(112)은 보디(108)의 다른 곳(114)보다 실질적으로 높은 다이아몬드 밀도를 가지며, 용적(112)에는 촉매 물질(64)이 실질적으로 없다.

몇몇 삽입된 PCD 요소들(110)은 가장 우수한 내충격성 및 개선된 내마모성 모두가 실현될 수 있는 방식으로, 도 11C에 도시된 바와 같이, 복합요소(100)에 배열될 수 있다.

캡슐화 PCD 요소(120)의 촉매물질뿐만 아니라 삽입된 PCD 요소(110)에 있는 촉매 물질을 고갈시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 조합은 상업용 다이아몬드 요소들에서 유효한, 가능한 한도의 내마모성을 겸비한 가능한 한도의 충격강도를 요소에 제공할 것이다.

도 12A 및 12B에는 본 발명의 PCD 요소(202)의 다른 실시예가 도시된다. 이 실시예에서, PCD 요소(202)는 선행기술의 방식으로 우선 형성된다. 표면이 준비된 후에, PCD 요소(202)의 부분(210) 상에서 미래의 작업면(204) 상에 증착된, 다이아몬드(260)의 에피택시하게 배향된 결정들의 밀접하게 패키징된 세트를 제공하기 위해서 CVD 또는 PVD 프로세스가 사용된다. 조립체(assembly)는 이후 고압 고온 처리되어, 증착된 다이아몬드 결정들(260)은 서로 다이아몬드-대-다이아몬드 결합들을 형성하고, 모체 PCD의 다이아몬드 결정들과 다이아몬드-대-다이아몬드 결정들을 형성한다. 이러한 다이아몬드-대-다이아몬드 결합은 모체 PCD 요소(202)의 표면으로부터 나오는 촉매 물질(64)의 존재 때문에 가능하다.

정화 후, 작업면(204)의 부분이 CVD 또는 PVD 증착된 층으로부터 촉매 물질(64)을 제거하기 위해 처리된다. 최종 산물은 PCD 요소(202)의 다른 면들(280)보다 훨씬 높은 다이아몬드 밀도의 용적(214)을 갖는 작업면(204)의 일 부분을 가진 PCD 요소이다. 높은 다이아몬드 밀도의 이러한 영역(214)은 촉매 물질(64)이 그 결과 고갈된다. PCD 요소(202)의 다른 면들(280)의 부분들은 결합제 촉매 물질이 마찬가지로 고갈될 수 있다.

일반적으로, 도 11A, 11B, 11C, 12A 및 12B에 도시된 요소들(102,202)은 작업면(104,204)을 갖는 보디(108,208)를 가진 PCD 요소(102,102)로서 특징화될 수 있다. 작업면(104,204)에 인접한 다이아몬드 밀도는 보디(108,208)의 다른 곳보다 실질적으로 높고, 촉매 물질(64)이 실질적으로 없다.

본 발명의 PCD 요소(2)에 관한 하나의 특히 유용한 적용은 도 1B, 4 및 5에 도시된 바와 같은 절삭요소들(10,50,52)이다. PCD 절삭요소들(10,50,52)의 작업면은 상부 작업면(70) 및/또는 주변 작업면(72)일 수 있다. 도 1B의 PCD 절삭요소(10)는 고정 커터형 회전 드릴비트들(12)에 전형적으로 사용될 수 있거나, 다른 유형의 공저툴(downhole tool)에서 게이지 보호(gauge protection)를 위한 것일 수 있다. 도 5에 도시된 PCD 절삭요소(50)는 돔(dome)(39)으로서 형상화될 수 있다. 이러한 유형의 PCD 절삭요소(50)는 롤링 커터형 드릴비트(38) 내 또는 상세히 기술될 두 가지 유형의 회전 드릴비트들(12,38)의 보디 내 소켓들로 삽입을 위한 연장된 기부(51)를 가진다.

도 4의 PCD 절삭요소(52)는 기계가공 프로세스에서 사용하기에 적합하다. 도 4의 절삭요소(52)의 구성이 직사각형일지라도, 이 요소가 종래의 공구들로 기계가공하기 곤란한 고 연마성 제품들을 기계가공하기에 적합한 삼각형, 사변형 또는 다수의 다른 형상들일 수 있음이 당업자에 의해 인식될 것이다.

PCD 절삭요소(10)는 (도 2에 도시된 것과 같은) 고정 커터형 회전 드릴비트(12)의 예비성형 절삭요소(10)일 수 있다. 드릴비트의 비트 보디(14)는 드릴비트의 중심 회전축(18)으로부터 바깥쪽으로 멀어지게 연장하는 다수의 블레이드들(16)로 형성된다. 본 발명의 다수의 PCD 절삭요소들(10)은 각 블레이드의 선행면(leading face)(20)을 따라 나란히 떨어져 간격진다.

전형적으로, PCD 절삭요소(10)는 고압 고온 프레스에서 초경 텅스텐 탄화물 같은 보다 낮은 경도의 물질의 기재(32)에 결합된, 다이아몬드 또는 다이아몬드상(PCD) 물질로 이루어진 얇은 전면 대면부(30)를 가진 원형 타블렛 형태의 보디를 가진다. 절삭요소(10)는 예비성형된 후 초경 텅스텐 탄화물로 또한 형성되는 일반적으로 원통형인 캐리어(34) 상에 전형적으로 결합되거나, 대안적으로 블레이드에 직접 부착될 수 있다. PCD 절삭요소(10)는 작업면들(70,72)을 가진다.

원통형 운반체(34)는 상응하게 형상화된, 블레이드(16)의 소켓 또는 오목부 내에 수용된다. 운반체(34)는 일반적으로 소켓에 땜질되거나 수축 끼워맞춤(shrink fit)될 것이다. 작동시 고정 커터형 드릴비트(12)가 회전되고 중량이 가해진다. 이것은 절삭요소들(10)을 천공되는 토양으로 밀어넣어, 절삭 및/또는 천공을 실행한다.

PCD 절삭요소들(10)은 게이지 영역(36)의 과도한 마모로부터 비트(12)를 보호하고 게이지 확공 작용(gauge reaming action)을 제공하기 위해서 비트(12)의 게이지 영역(36)에 또한 적용될 수 있다. 이러한 절삭요소들(10)을 가능한 한 밀접하게 간격지게 하기 위해서, 도시된 직사각형 같은, 게이지 영역(25)으로 보다 쉽게 장착되는 형상들로 요소들을 절삭하는 것이 바람직할 수 있다.

제2실시예에 있어, (도 5에 도시된 것과 같은) 본 발명의 절삭요소(50)는 도 3에 도시된 롤링 커터형 드릴비트(38) 상에 있다. 롤링 커터형 드릴비트(38)는 비트 보디(46)의 레그(44) 상의 베어링 스핀들 상에 조립된 하나 이상의 절두원뿔형 롤링 커터들(40,41,42)을 가진다. 절삭요소들(50)은 롤링 커터들(40,41,42) 상에 열을 지어 배열된 하나 이상의 다수의 절삭 삽입물들로서 장착될 수 있거나, 대안적으로 PCD 절삭요소들(50)은 비트(38)의 레그(44)를 따라 배열될 수 있다. PCD 절삭요소(50)는 보다 낮은 경도의 기재(37)에 결합된 다이아몬드 또는 다이아몬드상 물질로 이루어진 대면부 형태로 보디를 가진다. 본 발명의 이 실시예에서 대면부(35)는 돔형 표면(39) 형태이고, 작업면들(70,72)을 가진다. 따라서 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 제작 중에 발생한 응력을 더욱 균일하게 분산시키는 것을 돕기 위해 대면부(35)와 기재(37) 사이에 종종 다수의 과도층들(transitional layer)이 존재한다.

작동시 롤링 커터형 드릴비트(38)가 회전되고 중량이 가해진다. 이것은 롤링 원뿔형 커터들(40,41,42)의 열들에 있는 절삭 삽입물들(50)을 토양으로 밀어넣고, 비트(36)가 회전됨에 따라 롤링 커터들(40,41,42)이 회전하여 천공을 실행한다.

다른 실시예에 있어서, 본 발명의 PCD 절삭요소(52)는 삼각형, 직사각형, 또는 기계가공 작업에서 절삭 삽입물로서 사용하기 위한 다른 형상의 물질 형태이다. 이 실시예에서, 절삭요소(52)는 작업면들(70,72)을 갖는 보다 낮은 경도의 기재(56)에 결합된, 다이아몬드 또는 다이아몬드상 물질로 이루어진 대면부(54) 형태로 보디를 가진다. 통상적으로, 절삭요소(52)는 기계 공구의 툴 홀더(tool holder)에 장착되는 삽입물(58)에 부착될 다수의 소형 피스들(smaller pieces)로 절삭될 것이다. 절삭요소(52)는 땜질, 접착, 용접 또는 클램핑에 의해 삽입물에 부착될 수 있다. 고온 고압 제조 프로세스에서 삽입물 형태로 절삭요소(52)를 마감 형성하는 것이 또한 가능하다.

도 13 내지 18에 도시된 바와 같이, 본 발명의 PCD 요소들(2,102,202)은 예컨대 본 발명의 PCD 요소(302)를 사용하는 도 13의 와이어 인발 금형(300)으로서 도시된, 중공 금형 같은 다른 적용들을 위해서 또한 사용될 수 있다. 본 발명의 PCD 요소(312)를 갖는 히트 싱크(310) 같이, 전기적 절연 특성과 함께 PCD 요소(2,102,202)의 우수한 열전달 성능을 이용하는 것이 또한 바람직할 수 있다.

다른 적용들은 도 15에 도시된 PCD 베어링 요소(322)를 갖는 마찰 베어링들(320) 및 도 16A 및 16B에 도시된 것과 같은 본 발명의 PCD 요소(342)를 갖는 표면들(342)이 있는 밸브(340,344)의 교접부분들(mating part)을 포함한다. 또한, 스크립(scribe)용 인덴터(360), 경도 시험기, 표면 러프닝(surface roughening) 등은 도 17A에 도시된 바와 같은 본 발명의 PCD 요소들(362)을 가질 수 있다. 천공기(370)는 도 17B에 도시된 바와 같은 본 발명의 PCD 물질로 만들어진 금형들(372,374) 중 하나 또는 모두를 가질 수 있다. 또한, 툴 맨드릴(382) 및 도 18에 도시된 측정장치(380)를 위한 다른 유형의 마모요소들이 본 발명의 PCD 요소들로 제조될 수 있다. 다결정 다이아몬드에 관한 거의 모든 적용이 본 발명의 촉매 물질 고갈된 PCD 요소들로부터 이득을 얻을 것임이 이해되어야 한다.

본 발명은 첨부 도면들과 관련하여 특히 설명되었지만, 여기서 나타나고 시사되는 것들과 별개로 다른 또는 추가적인 수정들이 본 발명의 범위와 사항 내에서 이루어질 수 있음을 이해되어야 한다.