촉매 물질이 고갈된 작업면을 갖는 고용적 밀도의다결정성 다이아몬드

촉매 물질이 고갈된 작업면을 갖는 고용적 밀도의 다결정성 다이아몬드{High Volume Density Polycrystalline Diamond With Working Surfaces Depleted Of Catalyzing Material}

다결정성 다이아몬드 및 다결정성 다이아몬드상 요소는, 설명 상 목적으로 PCD 요소로 알려져 있다. PCD 요소는 이웃하는 원자들 사이의 특별히 짧은 원자사이 간격을 갖는 탄소계 물질로부터 형성된다. PCD와 유사한 다이아몬드상 물질의 하나의 유형은, 미국 특허 제 5,776,615호에 기재된 탄질화물(carbonitride, CN)으로 알려져 있다. 일반적으로, PCD 요소는 고온 고압 환경에서 처리된 물질의 혼합으로부터 사이결합 초강화 탄소계 크리스탈의 다결정성 매트릭스로 형성된다. PCD 요소의 공통의 특성은, 서비스 중에 상기 요소의 최대 활용 작동 온도에의 제한치를 때때로 부과하는 잔여물을 그들의 형성(formation) 도중에 촉매 물질로 활용하는 것이다.

PCD 요소의 주지된 제조 형태는, 다결정성 다이아몬드의 페이싱 테이블이 텅스텐 탄화물과 같은 보다 낮은 경도의 재질에 일체적으로 결합되는 2층 또는 다층의 PCD 요소이다. 이 PCD 요소는 원형이나 부분적 원형의 타블렛의 형태로 되거나, 또는 할로우 다이스, 히트 싱크, 마찰 베어링, 밸브의 표면, 인덴터(indentors), 툴 맨드릴 등에의 적용에 적합한 다른 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 유형의 PCD 요소는 확실한 마모 및 부식에 대한 내성이 있는 물질이 요망되는 대부분의 적용에서 활용될 수 있다. 상기 PCD 요소의 기재는, 초경 텅스텐 탄화물로 이루어진 캐리어에 때때로 땜납처리될 수 있다. 이것은, 드릴 비트의 소켓에 수납되거나, 또는 기계화를 위한 공작기계에서의 포스트에 고정될 때, 예를 들어, 고정 커터나 압연(rolling) 커터 어스 보링에서 절삭 요소로서 사용된다. 이들 PCD 요소는 통상 다결정성 다이아몬드 커터(PDC)로 호칭된다.

이러한 PDC 의 요소의 제조의 방법에는 수많은 변형이 있다. 예를 들면, 평균 다이아몬드 입자 사이즈의 다양한 영역이, 본문에 참조로 병합된 미국 특허 제 4,861,350호, 5,468,268호, 및 5,545,748호에 예시된 바와 같이, 내마멸성을 증대하도록 제조에서 활용된다. 또, PDC의 작업면 사이에서의 내마멸성의 범위를 제공하기 위한 기법은, 미국 특허 제 5,135,061호 및 5,607,024호에 예시되어 있다. 다만, 상기 내마멸성은 다이아몬드 입자의 평균 사이즈를 변경함으로써 변동되기 때문에, 이러한 설계 상의 충격 강도와 내마멸성 사이에서의 고유의 교환(trade-off)이 있다. 그 결과, 상기 높은 내마멸성의 PDC 요소가 드릴링 기술에 사용된 PDC가 종종 승인되지 않는 낮은 충결 강도를 갖는 경향이 있었다.

전형적으로, 다이아몬드의 테이블에서의 보다 높은 다이아몬드 용적 밀도는 충격 강도를 희생하여 내마멸성을 증대시킨다. 다만, 현대의 PDC 요소는 상기 다이아몬드 테이블과 상기 기재(substrate) 사이에서의 복잡한 기하학적 인터페이스를 사용할 뿐만 아니라, 충격 강도를 증진하기 위한 다른 물리학적 설계 구성을 사용한다. 비록, 이것이 동시에 최대로 될 충격 강도와 내마멸성을 부여한다 하더라도, 여전히 교환(trade off)이 존재하고, 본 발명 이전에 수십년에 걸쳐 상당한 변경이 있지는 않았다.

PCD 요소의 다른 형태는, 일체형 기재가 없는 단일의 PCD 요소로서, 여기에서 기재는, 다결정성 다이아몬드의 테이블이 기계적 수단이나 결합 프로세스에 의해 도구 또는 작업면에 고정되는 기재를 의미한다. 이러한 PCD 요소는 다이아몬드 입자가 상기 요소 전체에 걸쳐 존재하는 상술한 바와는 다르다. 이러한 PCD 요소는 기계적으로 적소에 유지되고, 이들은 기재를 구비한 보다 큰 PCD 요소 내에 탑재되거나, 아니면, 땜납이나 용접 프로세스를 통해 결합되는 금속 층을 가지도록 제조되기도 한다. 이러한 다수의 PCD 요소는 예를 들어, 본문에 참조로 편입된 미국 특허 제 4,481,016호 및 4,525,179호에 개시된 바와 같이 단일의 PCD로부터 이루어질 수 있다.

PCD 요소는 고압, 고온의 프레스에서 적절한 바인더-촉매 물질을 사용하여 다이아몬드 파우더를 소결하여 대부분 형성된다. 다결정성 다이아몬드를 형성하는 하나의 특정 기법은 본문에 참조로 편입된 미국 특허 제 3,141,746호에 개시되어 있다. PCD 요소를 제조하기 위한 하나의 공통 프로세스에 있어, 다이아몬드 파우더는 코발트를 혼합한 수행된 텅스텐 탄화물 기재의 표면에 인가된다. 그 어셈블리는 프레스 내의 아주 높은 온도와 압력의 지배하여 놓인다. 이러한 프로세스 도중에, 코발트는 상기 기재로부터 상기 다이아몬드 층으로 이동하고, 다이아몬드 입자를 다이아몬드-투-다이아몬드 본딩을 통해 서로 결합하도록 하고, 또 다이아몬드 층을 상기 기재에 결합하도록 하는 바인더-촉매 물질로서 기능한다.

상기 완료된 PCD 요소는 상술한 바와 같이 바이더-촉매 물질을 함유하는 많은 틈새를 가지고 상호 결합된 다이아몬드 크리스탈의 매트릭스를 갖는 적어도 하나의 보디를 구비한다. 상기 다이아몬드 크리스탈은 다이아몬드의 제1 연속성 매트릭스와, 바인더-촉매 물질을 함유하는 틈새의 제2의 연속성 매트릭스를 형성하는 틈새를 구비한다. 게다가, 다이아몬드 투 다이아몬드 성장이 소정의 바인더-촉매 물질을 캡슐화하는 비교적 적은 영역을 필요로 한다. 이들 아일런드(islands)는 바인더-촉매 물질의 연속성 틈새 매트릭스의 일부는 아니다.

하나의 공통의 형태에 있어, 다이아몬드 보디는 85 용적% 내지 95 용적%로 구성하고, 또 바인더-촉매 물질은 다른 5% 내지 15%를 구성한다. 이와 같은 요소는, 대략 400℃ 의 온도에서 개시하는, 상기 틈새 코발트 바인더-촉매 물질과 다이아몬드 매트릭스 사이의 상이한 열팽창에 기인하는 열적 퇴화에 지배된다. 충분한 팽창 시, 다이아몬드-투-다이아몬드 결합은 파열되어, 크랙 및 칩이 발생한다.

또한, 다결정성 다이아몬드에서, 상기 다이아몬드 매트릭스의 다이아몬드 크리스탈에 고착하는 틈색 영역에서의 바인더-촉매 물질는, 열적 퇴화를 갖는 다른 형태를 유도한다. 상기 바인더-촉매 물질의 제공에 기인하여, 온도가 증대함에 따라 흑연화되도록 하고, 대략 750℃의 작동 온도를 한정하게 된다.

비록 코발트가 바인더-촉매 물질로서 통상 사용되더라도, 코발트, 니켈, 철, 및 그의 합금을 포함하는 임의의 그룹 VIII 요소가 채용될 수 있다.

열적 퇴화를 저감시키기 위해, 소위 열적 안정(thermally stable) 다결정 다이아몬드 구성요소가 여기에 모두를 위해 참조로 통합되는 미국 특허 제 4,224,380 에 개시된 바와 같이, 내절삭 및/또는 내마멸성 요소를 위해 PCD 요소를 예비형성함에 따라 제공된다. 열적 안정화 PCD 요소의 일 유형에 있어, 종래의 다결정성 다이아몬드에서의 코발트나 다른 바인더-촉매 물질은 형상화 이후 연속성 틈새 매트릭스로부터 걸러(leach out)진다. 바인더-촉매 물질을 용탈하기 위한 수많은 기법이 알려져 있다. 소정의 거르기 기법은 본문에 참조로 편입된 미국 특허 제 4,572,722호 및 4,797,241호에 개시되어 있다.

바인더-촉매 물질을 용탈하는 것은, 대략 1200 ℃로 다이아몬드의 온도 저항성을 증대시키는 반면, 상기 용탈(leaching) 프로세스는 초경 탄화물 기재를 제거한다. 게다가, 일체형 기재나 따른 결합성 표면이 없기 때문에, 작동 상 사용하기 위한 이러한 물질을 마운팅하기에 어려움이 아주 많다.

통상, 이러한 열적 안정 PCD 요소를 위한 제조 기법은 비교적 낮은 다이아몬드 용적 밀도 대략 80 용적%를 제공한다. 이러한 낮은 다이아몬드의 용적 밀도는 완전한 용탈 프로세스를 가능하게 하지만, 제공되는 마무리 부분은 충격 강도 상 비교적 약화된다. 이 낮은 용적 밀도는 15 미크론 이하의 평면 입자 사이즈를 갖는 비교적 작은 다이아몬드 크리스탈을 사용 및 혼화(admixtures) 프로세스를 사용함으로써 획득된다. 이러한 작은 입자들은 프로세싱 이전에 촉재 물질로서 코팅된다. 상기 혼화 프로세스는 다이아몬드 입자로 하여금 마무리 생성물에 넓게 간격지게끔 하고, 그의 외면의 비교적 작은 퍼센트, 때때로 50% 이하로, 다이아몬드-투-다이아몬드 결합에 전용되어, 낮은 충격 강도에 공헌한다.

이러한 이른바 "열적 안정" 다결정성 다이아몬드의 구성요소에 있어, 작업 도구에 보다 느린 부착을 위한 적절한 결합성 기재의 결핍은, 몇 명 방법에 의해 언급된바 있다. 열적 안정 다결정성 다이아몬드 예비형성에 결합성 기재를 부착하기 위한 이러한 방법 중 하나는, 본문에 참조로 편입된 미국 특허 제 4,944,772호에 개시되어 있다. 이러한 프로세스에 있어, 다공성의 다결정성 다이아몬드 프리폼은 처음에 제조되어, 다른 물질의 배리어 층을 가지고, 고온 고압에서 촉매 물질의 제공으로 재소결되어, 이론 상으로는 상기 촉매 물질로 하여금 다공성의 다결정성 다이아몬드 프리폼을 재소결하는 것을 방지하게 된다. 이 합성 제조물은 상기 프로폼과 배리어 층 사이에서 돌연의 전이가 있어, 서비스 상 문제시되는 응력 집중을 야기한다. 이러한 제조물은 일체형 보디 보다 더 결합된 합성물(joined composite)이 될 것으로 간주된다.

열적 안정 다결정성 다이아몬드 구성요소에 결합성 기재를 부착하기 위한 유사 프로세스들은 본문에 참조로 편입된 미국 특허 4,871,377호 및 5,127,923호에 개시되어 있다. 이들 모든 프로세스 상의 결점은 고온 고압 재소결 프로세스로부터의 다결정성 다이아몬드 프리폼에서의 다이아몬드-투-다이아몬드의 결속(bonds)의 저하이다. 이러한 파괴/분열 (destruction / disruption)은 상기 프리폼의 비승인성의 낮은 레벨 이하의 충격 강도로 최종 생성물의 충격 강도의 저하를 수반한다.

열적 안정 다결정성 다이아몬드의 다른 형태에 있어, 실리콘이 촉매 물질로서 사용된다. 실리콘 촉매 물질을 사용하여 다결정성 다이아몬드를 마련하기 위한 프로세스는, 통합(synthesis)의 온도와 압력에서, 대부분의 실리콘이 유효한 촉매물질이 아닌 실리콘 탄화물을 형성하도록 재반응하는 것을 제외하고는 상술한 바와 아주 유사하다. 상기 열저항은 일부 증진되지만, 열적 퇴화는 상기 틈새 매트릭스의 틈새에 균일하게 분포된 소정의 잔여 실리콘이 남아있는 데 연유하여 여전히 발생한다. 재차, 결합성 표면이 없는 관계로, 이러한 유형의 PCD 요소에서는 마운팅에 관련한 문제가 존재한다.

최근에는, 추가 타입의 PCD가 다이아몬드의 파우더를 소결시킬 때, 마그네슘, 칼슘, 스트론듐 및 바륨의 가루 상태의 탄산염과 같은 탄산염이 바인더-촉매 물질로서 사용될 수 있게 되었다. 이러한 유형의 PCD는 이전 유형의 PCD 요소보다 더 큰 내마멸성과 경도를 가지고 있다. 다만, 이 물질은 종래의 경우보다 소결하기에 보다 높은 압력과 열적 안정 다결정성 다이아몬드를 필요로 하기 때문에 상업적인 스케일로 제공되기가 어렵다. 이러한 연유로, 이러한 기법에 의해 제조된 다결정성 다이아몬드의 바디는 종래의 다결정성 다이아몬드 요소의 경우보다 더 작게 된다. 또, 잉여 바인더-촉매 물질이 상기 틈새내에 잔존하는 관계로, 열적 퇴화가 여전히 뒤따른다. 또한, 일체형 기재나 다른 결합성 표면이 없기 때문에, 작업면에 이러한 물질을 마운팅하기가 어렵다.

사용으로 증진된 온도 안정성을 부여하도록 마운팅 시스템과의 열적 안정PCD와의 조합에 대한 다른 노력은, 그들의 낮은 충격 강도에 기인하여 바람직한 정도로 성공적이지는 않았다. 예를 들어, 다중 PCD 요소를 마운팅하기 위한 수많은 기법이 본문에 참조로 편입된 미국 특허 제 4,726,718호, 5,199,832호, 5,025,684호, 5,238,074호, 및 6,009,963호에 개시되어 있다. 비록, 다수의 이러한 설계가 상업적 성공을 거두었지만, 이러한 설계(design)는, 비-열적 안정성 PCD에서 달성 가능한 인성의 수준을 유지하면서, 높은 내마멸성 및/또는 내마모성의 조합으로 부분적으로 성공하지는 않았다.

표면을 위한 다른 타입 다이아몬드나 다이아몬드 상 코팅은, 본문에 참조로 편입된 미국 특허 제 4,976,324호, 5,213,248호, 5,337,844호, 5,379,853호, 5,496,638호, 5,523,121호, 및 5,624,068호에 개시되어 있다. 또한, 이와 유사한 코팅이, 높은 적재의 도구 표면을 위해, 영국 특허 공개 제 2,268,768호, PCT 공개 제 96/34,131호 및 유럽특허 공개 제 500,253호, 787,820호, 및 860,515호에 개시되어 있다. 이들 공보에서, 다이아몬드 및/또는 다이아몬드 상 코팅은 내마멸성 및/또는 내마모성을 위해 표면들에 적용되는 것으로 예시되어 있다.

상기의 응용 대부분에서는, 물리적 기상 증착(PVD) 및/또는 화학적 기상 증착(CVD) 프로세스가 다이아몬드나 다이아몬드 상 코팅을 인가하는 데 사용된다. PVD 및 CVD 다이아몬드 코팅 프로세스는, 공지되어 있고, 예를 들어, 본문에 참조로 편입된, 미국 특허 제 5,439,492호, 4,707,384호, 4,645,977호, 4,504,519호, 및 4,486,286호에 개시되어 있다.

다이아몬드나 다이아몬드 상 코팅을 갖는 표면을 도포하기 위한 PVD 및/또는CVD 프로세스는, 예를 들어, 다이아몬드의 표면 상에 밀접하게 팩키지화된 일조의 에픽텍셜 배향 크리스탈이나 다른 초경 크리스탈을 제공하도록 사용될 수 있다. 비록 이러한 물질가, 아주 밀접하게 팩키지화되기 때문에 아주 높은 다이아몬드 밀도를 가지기는 하지만, 인접한 크리스탈들 사이에서의 다이아몬드 투 다이아몬드 결속이 상당한 양에 이르지 않아, 전체적으로 매우 약화시키게 되고, 또 높은 전단 하중이 걸릴 때 파손되기가 쉬워진다. 결과적으로, 이들 코팅이 아주 높은 다이아몬드 밀도를 가지더라도, 기계적으로 약화되기가 쉬워, 절삭 요소, 베어링 장치, 마모 요소 및 다이스 등과 같은 아주 높은 하중적용 기술에 적용할 때, 아주 약한 충격 인성과 내마모성을 초래하게 된다.

텅스텐 탄화물 기재에 응용하고, 미국 특허 제 5,264,283호, 5,496,638호, 및 5,624,068호에 기재된 바와 같이, 고온 고압 환경에서의 일련의 프로세싱에 따라 이러한 다이아몬드나 다이아몬드 상 코팅의 인성 및 내마멸성을 증진하기 위해 소정의 시도가 이루어져 왔다. 비록 이러한 유형의 프로세싱이 다이아몬드 층의 내마멸성을 증진시키더라도, 높은 밀도의 다이아몬드 층과 기재 사이에서의 돌연의 전이가 배리어 층을 갖는 복합 구조에서 직면하는 상술한 문제점과 유사하게, 아주 낮은 응력에서 교환(interface) 시, 대대적인 파손에 다이아몬드 층이 민감하게 이루어지게 된다. 또, 이것은 서비스 상, 아주 낮은 인성과 내충격성을 이루게 된다.

베어링 물질로서 상호 접하여 사용되는 다른 그룹 VIII의 금속 바인더-촉매 물질나 코발트로 PCD 요소가 이루어지면, 마찰 계수가 사용으로 증가하는 경향이 있는 것으로 판명되었다. 본문에 참조로 편입된 미국 특허 제 5,560,716호와 결과적인 유럽 특허 출원 제 617,207호에 개시된 바와 같이, PCD 베이링 요소의 표면으로부터 서비스 상 축조될 수 있는 코발트-풍부한 트리보필름(tribofilm)의 제거(염화수소산 와이프(wipe)의 사용에 의함)가, 일시적으로는 본 문제를 경감할 수 있음이 판명되었다. 2개의 PCD 요소가 베어링으로서 서로 기능할 때, 증가된 마찰을 야기하는, 상기 표면에서의 PCD로부터 소정의 코발트를, 조작 도중에 상기 베어링의 부하 영역으로 이동하는 것으로 고려된다. 이러한 코발트 소스는, 상기 엑시드 와이프 구제책(remedy)이 표면의 상당한 깊이 이하로 코발트를 유효하게 제거할 수 없음에 따라, 상기 베어링 요소의 마무리 프로세스의 생성물에 의한 잉여물로 됨은 물론이다.

상기 코발트는 상기 PCD의 표면으로부터만 제거되기 때문에, 이들 베어링 요소에서 열적 퇴화가 발생하는 온도로 유효하게 변경되지 않는다. 따라서, 바인더-촉매 물질의 유해한 영향이 남아있고, 상기 촉매 물질의 제공에 기인한, 상기 다이아몬드 층의 열적 퇴화가 여전히 발생한다.

본 발명은, 마모, 절삭, 드로잉 및 다른 응용 즉, 엔지니어가공된 초강도 표면이 요망되는 분야에서의 활용을 위한 초강도의 다결정성 물질 요소에 관한 것이다. 본 발명은 상당히 증진된 내마모성을 갖는 다결정성 다이아몬드 및 다결정성 다이아몬드상(PCD라 통칭함) 요소 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

도 1a는 본 발명의 전형적 PCD 요소를 나타낸 도면,

도 1b는 절삭 요소로 예시된 본 발명의 PCD를 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 PCD 요소를 사용한 고정형 커터 로터리 드릴 비트의 측면도,

도 3은 본 발명의 PCD 요소를 사용한 롤링 커터 로터리 드릴 비트의 사시도,

도 4는 본 발명의 PCD 요소를 사용하는 공작기계에 채용된 인서트의 사시도,

도 5는 롤링 커터 드릴 비트와 고정형 커터 드릴 비트에 모두 사용하기에 적합한 돔형 PCD 요소의 사시도,

도 6은 틈새 영역에서의 바인더-촉매 물질을 예시하는 선행 기술의 PCD 요소의 표면의 광학-미세사진,

도 7은 틈새 영역에서의 촉매 물질을 갖는 제1 부분과, 틈새 영역에서의 촉매 물질이 없는 제2 부분을 예시하는 본 발명의 PCD 요소의 광학-미세사진,

도 8은 틈새 영역을 갖는 결합성 다이아몬드 크리스탈과 개별 크리스탈의 랜덤한 결정학적 배향을 예시하는 선행 기술의 PCD 요소의 미세구조 표시 도면,

도 9는 PCD 요소의 표면에 대한 촉매 물질-프리 영역의 깊이를 표시하는, 도 7에 도시된 바와 같은 본 발명의 PCD 요소의 미세-구조 표시 도면,

도 10은 본 발명의 PCD 요소의 수개의 실시예의 관련 마모 색인의 그래프,

도 11a는 본 발명의 PCD 요소의 밀봉형 PCD 실시예의 정면도,

도 11b는 본 발명의 PCD 요소의 다른 밀봉형 PCD 실시예를 도시한 단면도,

도 11c는 본 발명의 PCD 요소의 또 다른 밀봉형 PCD 실시예를 도시한 단면도,

도 12a는 본 발명의 PCD 요소의 다른 실시예를 위한 CVD/PVD 적용 표면의 사시도,

도 12b는 도 12a에 도시된 본 발명의 PCD 요소의 실시예의 크리스탈 구조에 대한 확대 사시도,

도 13은 본 발명의 PCD 요소를 갖는 와이어 드로잉 다이의 단면도,

도 14는 본 발명의 PCD 요소를 갖는 히트 싱크의 사시도,

도 15는 본 발명의 PCD 요소를 갖는 베어링의 사시도,

도 16a 및 도 16b는 본 발명의 PCD 요소를 갖는 밸브의 정합부를 도시한 정면도,

도 17a는 본 발명의 PCD 요소를 갖는 인덴터의 단면도,

도 17b는 본 발명의 PCD 요소를 갖는 펀치의 부분 단면도,

도 18은 본 발명의 PCD 요소를 갖는 측정 장치의 사시도, 및

도 19는 본 발명의 절삭 요소와 비교된 종래의 절삭 요소의 내마모성에 대한 충격 저항의 관계를 나타낸 그래프.

본 발명은 충격 강도의 손실 없이 아주 증진된 내마멸성을 갖는 초경의 다결정성 다이아몬드나 다이아몬드 상 요소를 제공한다. 본 명세서 상에서 통칭을 목적으로 하는 PCD 요소는, 고온, 고압(HTHP) 프로세스에서 바인더-촉매 물질로 형성된다. 상기 PCD 요소는, 85% 이상의 다이아몬드 용적 밀도를 갖는 연속성 다이아몬드 매트릭스 보디를 형성하는 부분적으로 결합된 다수의 다이아몬드나 다이아몬드 상 크리스탈을 구비한다. 상기 다이아몬드 크리스탈 중의 틈새는, 촉매 물질을 함유하는 연속성 틈새 매트릭스를 형성한다. 상기 다이아몬드 매트릭스 테이블은, HTHP 프로세스 도중에 촉매 물질을 함유하는 기재에 형성 및 일체로 결합된다. 상기 다이아몬드 매트릭스 보디는, 상기 작업면에 인접한 보디에서의 틈새 매트릭스의 일부가 실제로 촉매 물질이 프리(free)한, 작업면을 구비하고, 그 나머지의 틈새 매트릭스는 촉매 물질을 함유한다. 통상, 상기 다이아몬드 매트릭스 테이블의 보디의 대략 70% 이하가 상기 촉매작용 물질이 없다.

상기 촉매 물질이 실제로 없는 작업면은, 상기 작업면의 다른 영역에서 직면하는 열적 퇴화에 지배되지는 않아, 충격 강도의 손실이 없는 증진된 내마멸성을 제공하게 된다. 절삭 요소에 있어, 상기 프로세싱된 작업면은 상기 보디의 페이싱 테이블의 일부, 상기 보디의 주변 표면의 일부, 또는 모든 이러한 표면의 일부로 될 수 있다.

다른 실시예에 있어, 상기 촉매 물질는, 코발트나 다른 철 그룹의 금속이고, 상기 촉매 물질을 줄이는 기법은, 산성 식각 프로세스(acid etching)에서 PCD 요소의 표면 근처의 틈새로부터 용탈되는 것이다. 상기 표면에서 촉매 물질을 제거하는 방법은 전기 방출(electrical discharge)이나, 다른 전기적 또는 갈바니 프로세스 또는 증발 프로세스에 의해 이루어질 수 있음이 예견된다.

추가의 PCD 요소의 제조 기법은, 금속성 기재와 일체로 형성된 보디를 구비하고, 이 보디는 결합성 다이아몬드 크리스탈과 개시된 촉매 물질을 구비한다. 그 처리(treatment)는 촉매 물질이 실제로 없는 그의 용적을 부여하도록 상기 보디를 처리함으로써 수행되며, 상기 보디의 나머지 용적의 적어도 일부에서 잔존하도록상기 촉매 물질을 수행하고, 또 상기 보디를 처리할 때 대폭적으로 영향받지 않고 유지하도록 상기 기재를 수행한다.

다수의 부분 결합성 다이아몬드 크리스탈, 촉매 물질 및 틈새 매트릭스를 구비하는 보디를 갖는 요소가 개시되고, 이 보디는 작업면을 포함한다. 상기 작업면에 인접한 보디의 틈새 매트릭스는, 실제로 촉매 물질이 없으며, 그 나마지 틈새 매트릭스는 촉매 물질을 함유한다.

마찬가지로, PCD 요소는, 촉매 물질, 틈새 매트릭스, 및 작용면을 갖는 보디를 가진다. 상기 작업면에 인접한 보디의 틈새 매트릭스는 실제로 촉매 물질이 없고, 그 나머지 틈색 매트릭스는 촉매 물질을 함유한다.

또한, PCD 요소는 작업면을 갖는 보디를 구비하여 개시되어 있다. 상기 작업면으로부터 원격지에 있는 보디의 제1 용적은 촉매 물질을 포함하고, 상기 작업면에 인접한 보디의 제2 용적에는 실제로 촉매 물질을 함유하고 있지 않다.

또한, PCD 요소는 금속성 기재와 일체로 형성된 보디를 함유하는 다이아몬드를 구비하고 있다. 상기 보디는 적어도 85%의 용적 다이아몬드 밀도와 틈새 매트릭스를 가진다. 작업면에 인접한 보디에서의 상기 틈새 매트릭스는 실제로 촉매 물질을 함유치 않고, 상기 표면에 상기 보디가 접하는 틈새 영역은 촉매 물질을 포함하고, 평균 두께가 0.15mm 이상이다.

또한, PCD 요소는 금속성 기재와 일체로 형성된 작업면을 갖는 결합성 다이이몬드의 보디를 구비하고 있다. 상기 보디는 적어도 85%의 용적 다이아몬드 밀도를 가진다. 상기 작업면으로부터 원격지의 보디의 제1 용적은 촉매 물질을 함유하고, 상기 작업면에 인접한 보디의 제2 용적은 실제로 촉매 물질을 함유치 않는다.

또한, PCD 요소는 금속성 기재와 일체로 형성된 보디를 구비한다. 상기 보디는 85 용적%의 다이아몬드 밀도를 갖는다. 상기 보디에서의 크리스탈의 적어도 30%는 촉매 물질과 접촉하고, 작업면으로부터 적어도 0.1mm 깊이 이내에 있는 나머지 크리스탈의 주요 표면은 실제로 촉매 물질을 함유치 않는다.

또한, 프리폼의 절삭 요소가 개시되어 있다. 상기 절삭 요소는 금속성 기재와 일체로 형성된 다수의 부분적 결합성 초경 크리스탈과, 상기 초경 크리스탈 사이에서의 다수의 틈새 영역과, 촉매 물질을 구비하는 초경 다결정성 물질로 된 보디를 포함한다. 상기 보디는 적어도 85 용적%의 다이아몬드 밀도와 절삭면을 갖는다. 상기 절삭면의 적어도 일부에 인접하는 틈새 영역은 실제로 촉매 물질이 없고, 적어도 30%에 달하는 나머지 틈새 영역은 촉매 물질을 함유한다.

본 발명의 PCD 요소는 마모, 절삭, 드로잉 및 공학 설계된 다이아몬드 표면이 요망되는 다른 응용기술에 사용될 수 있다. 특정 응용은 할로우 다이스, 히트 싱크, 마찰 베어링, 밸브 표면, 툴 맨드릴(일명, 용구의 회전축)과 같은 롤링 커터 타입 및 고정형 커터 타입 중의 회전 드릴 비트에서의 절삭 요소와 같다. 본 발명의 PCD 요소는 연마 목재 제품, 철 및 비철 물질 및 돌과 아스팔트 등과 같은 하드 또는 연마 공학 물질을 기계가공하는 데 사용된다.

본 발명의 다결정성 다이아몬드 또는 다이아몬드 상 물질(PCD) 요소(2)는, 도 1adp 예시되어 있다. 상기 PCD 요소(2)는 다수의 부분적 결합성 초경 다이아몬드 또는 다이아몬드상 크리스탈(60, 도 7 및 도 9에 도시함), 촉매 물질(64) 및, 상기 크리스탈(60) 사이의 틈새(62)에 의해 형성된 틈새 매트릭스(68)를 구비한다. 또 상기 요소(2)는 하나 이상의 작업면(4)과, 다이아몬드 크리스탈(60)과, 상기 PCD 요소(2)의 보디(8)의 용적을 형성하는 틈새(62)를 구비한다. 또한, 상기요소(2)는 코발트 바인더 물질과 함께 텅스텐 탄화물인 금속성 기재(6)와 일체로 형성된다. 연마 마모 기술에 채용될 때 유효화하기 위해, 상기 보디(8)의 다이아몬드의 밀도는 85 용적% 이상, 바람직하기로는 90% 이상으로 되어야 한다.

상기 작업면(4)은, 작동 상 가공될 대상물과 접촉하는 PCD 보디(8)의 임의의 부분이다. 본 명세서에 있어, 상기 작업면(4)이 거론될 때, 작업면으로서 노출 및/또는 채용되는 상기 보디(8)의 임의의 부분에 적용됨은 물론이다. 더욱이, 상기 작업면(4)의 어느 한 부위는 작업면 내에 있을 수도 있고, 그 자체로 될 수도 있다.

고온, 고압(HTHP)의 조건 하에서 제조 도중에, 상기 크리스탈(60) 사이의 틈새(62)는 상기 크리스탈(60) 사이에 형성하는 본드에 의해 수반되는 촉매 물질(64)로 충전된다. 이 제조 상 추가 단계에서, 상기 소정의 촉매 물질(64)는 소정의 틈새(62)로부터 선택적으로 고갈된다. 이러한 고갈의 결과로서, 상기 작업면(4)로부터 원격지에 있는 PCD 요소(2)의 보디(8)의 제1 용적은 촉매 물질(64)를 함유하고, 상기 작업면(4)으로부터 인접한 보디(8)의 제2 용적은 실제로 촉매 물질(64)를 함유치 않는다. 상기 촉매 물질(64)가 실제로 없는 틈새(62)는 부호(66)로 명기되어 있다.

따라서, 상기 작업면(4)의 최소 부위에 인접한 틈새 매트릭스(68)는, 실제로 촉매 물질(64)를 함유치 않고, 그 나머지 틈새 매트릭스(68)는 촉매 물질(64)를 함유한다. 상술한 바와 같이, 상기 PCD 요소(2)는 보다 더 경화한 물질, 통상 초경 텅스텐 탄화물이나 다른 금속성 물질로 된 기재(6)에 고온고압(HPHT) 프로세스에서 결합됨이 바람직하지만, 기재(6)의 사용이 필수적이지는 않다.

상기 작업면(4)에 인접한 보디는 실제로 촉매 물질(64)를 함유하지 않기 때문에, 상기 촉매 물질(64)의 제공에 기인한 작업면(4)의 열적 퇴화가 효과적으로 제거된다. 그 결과로서, 상기 소위 열정 안정 PCD 요소라 불리우는 진보된 열적 성능을 갖는 신규한 PCD 요소(2)가 발생되고, 그러면서도 인성, 제조상 용이화 및 종래의 PDC 요소의 결합 능력을 유지한다. 이것은 절삭 응용기술에서의 보다 높은 내마멸성, 히트 싱크 기술에서의 보다 높은 열 전달, 베어링 기술에서의 보다 높은 부하 능력, 밸브 기술에서의 보다 낮은 표면 왜곡으로 변형되고, 할로우 다이스, 인덴터, 툴 맨드릴 및 마모 요소를 포함한 수많은 다른 기술에서 잇점을 가진다. 이러한 잇점은, 상기 요소들에서의 충격 강도의 손실없이 획득된다. 신규한 PCD 요소의 특정 기술에서의 상세 내역은 본 명세서에 후술되어 있다.

도 6에서의 선행 기술 상의 PCD 요소의 광학-미세사진과, 도 8에서의 선행 기술 상의 PCD 요소의 미세구조상 표시를 참조하면, 각각의 크리스탈(60)의 분할 평면(cleavage planes)을 나타내는 평행선으로 표시된 다이아몬드나 다이아몬드상 크리스탈(60)의 랜덤한 결정학적 배위가 있음이 알려져 있다. 예시된 바와 같이, 인접한 크리스탈(60)은 그들 사이의 틈색 공간(62)과 함께 결합되어 있다. 상기 분할 평면은 인접한 크리스탈(60) 상에서의 방향과 다르게 배향되기 때문에, 다이아몬드 파손(fracture)을 위해 가용한 직선형 경로가 없다. 이러한 구조는 PCD 물질로 하여금 높은 충격 하중이 통용되는 극도의 부하 환경에서 잘 수행되게끔 한다.

고온, 고압 프레스에서 크리스탈(60)을 결합하는 프로세스에서, 상기 크리스탈(60) 사이의 틈새 공간(62)은 바인더-촉매 물질(64)로 충적된다. 이러한 촉매 물질(64)로 인해, 상기 결합(bonds)이 상기 프레스에 제공된 비교적 낮은 압력과 온도에서 이웃하는 다이아몬드 크리스탈(60) 사이에 형성되게끔 한다.

종래 PCD 요소는 결합-촉매 물질(64)을, 통상적으로 코발트 또는 다른 그룹Ⅷ 원소, 함유하는 많은 틈새(62)와 서로 결합하는 적어도 하나의 연속 크리스탈(60) 매트릭스를 가진다. 크리스탈(60)은 다이아몬드의 제1 연속 매트릭스를 포함하며 그리고 틈새(62)는 결합-촉매 물질을 함유하는 틈새 매트릭스(68)로서 알려진 제2 연속 매트릭스를 형성한다. 추가로, 다이아몬드-다이아몬드 성장이 결합-촉매 물질의 몇몇을 둘러싸는 상대적으로 적은 구역이 필요하다. 이런 고립 구역은 결합-촉매 물질(64)의 연속 틈새 매트릭스(68)의 부분이 아니다.

도7 및 9를 참조하면, 본 발명의 PCD 요소(2)의 단면을 도시되어 있다. PCD 요소(2)는 상술된 종래의 PCD 요소와 같은 방법으로 형성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 예비 세정작업 또는 제조공정에서 그 후의 소정의 시간 후에, PCD 요소(2)의 작업 표면(4,70,72)은 인접 바디로부터 결합-촉매 물질의 부분을 제거하는 방법으로 처리된다. 결과는 작업표면에 인접한 다이아몬드 결정(60)사이의 틈새(62)는 도면 번호(66)으로 표시된 촉매 물질(64)에 실질적으로 자유롭다는(free of) 것이다. 촉매 물질(64)에 자유로운 작업 표면(4,70,72)의 부분에는 PCD의 다른 구역에서 마주치는 열 분해(thermal degradation)가 일어나지 않아서, 그 결과 열 특성이 개선된다.

본 발명의 PCD 요소(2)의 바디(8)의 평균 다이아몬드 체적 밀도는 약 85%에서 99%사이의 범위이다. 고 다이아몬드 체적 밀도는 약 30에서 약 60 미크론사이의평균 입자 크기를 갖는 입자 크기 범위에서 다이아몬드 크리스탈(60)을 사용하는 것에 의해 달성된다. 비록 많은 다른 크기 범위 및 퍼센트가 사용되어도, 통상적으로, 다이아몬드 복합체는 5-15 미크론 범위에서 20-60% 다이아몬드 크리스탈(60), 25-40 미크론 범위에서 25-40% 다이아몬드 크리스탈(60), 그리고 50-80% 미크론 직경 범위에서 20-40% 다이아몬드 크리스탈(60)을 포함한다. 크고 작은 다이아몬드 크리스탈(60)의 혼합체는 다이아몬드(60)가 다이아몬드-다이아몬드 결합에 제공되는 그것들의 외면 영역의 상대적 고 퍼센트를 가지도록 하며, 상대적으로 매우 큰 마모 저항성에 도움이 되도록 종종 95%에 도달한다.

틈새(62)로부터 촉매 물질(64)을 제거 또는 고갈시키는 많은 방법이 있다. 하나의 방법으로, 촉매 물질(64)은 코발트 또는 다른 철 그룹 물질이여, 그리고 촉매 물질(64)을 제거하는 방법은 산 에칭 공정에서 PCD 요소(2)의 작동 표면(4,70,72) 근처에서 틈새로부터 약 0.2mm보다 큰 깊이로 걸러내는 것이다. 그 표면 근처로부터 촉매 물질(64)을 제거하는 방법은 전기 방전 또는 다른 전기적 또는 갈바니 공정 또는 증발에 의할 수 있는 것도 가능하다.

틈새(62)로부터 촉매 물질(64)을 고갈시키는 또 다른 방법에서, 촉매 물질(64)은 또 다른 물질과 얼로잉(alloying)과 같은 화학적 결합에 의해 고갈되어 더 이상 촉매 물질로서 작용하지 않게 된다. 이 방법에서, 물질은 다이아몬드 크리스탈(60)사이에 틈새가 남아있을 수 있으나, 그 물질은 촉매 물질(64)로서 더 이상 작용하지 않고 효과적으로 제거된다.

틈새(62)로부터 촉매 물질(64)을 고갈시키기 위한 또 다른 방법에서, 촉매물질(64)은 더 이상 촉매 물질로서 작용하지 않는 물질로 변함으로써 제거된다. 이것은 크리스탈 구조 변경, 상 변경, 기계적 작용, 열 처리 또는 다른 처리 방법에 의해 이루어질 수 있다. 이 방법은 비-금속 또는 비-반응성 촉매 물질에 적용될 수 있다. 다시, 물질이 다이아몬드 크리스탈 사이의 틈새(62)에 남아있을 수 있으나, 그 물질은 촉매 물질(64)로서 더 이상 작용하지 않아 효과적으로 촉매 물질은 제거된다.

작용 표면(4,70,72)에 인접한 촉매 물질(64)이 비효율적으로 정제되면(rendered), 본 발명의 PCD 요소(2)는 종래의 PCD 요소에서 발생하는 것으로 알려진 열 분해형태로 될 여지가 더 이상 없다. 상술된 바와 같이, 촉매 물질(64)에 의해 야기되는 것으로 알려진 두가지 모드(mode)의 열 분해가 존재한다. 열 분해의 제1모드는 약 400℃이하의 온도에서 시작되는데 틈새(62)의 촉매 물질(64)과 크리스탈(60)사이의 다른 열팽창 때문이다. 충분한 열팽창시, 다이아몬드-다이아몬드 결합은 파열될 수 있고 크랙 및 칩이 발생할 수 있다.

열 분해의 제2모드는 약 750 ℃의 온도에서 시작한다. 이 모드는 결합-촉매 물질(64)을 크리스탈(60)에 접촉시키는 촉매 능력에 의해 일어나고, 그리고 크리스탈이 약 750℃를 초과할 때 크리스탈(60)이 흑연화(graphitize)되도록 한다. 크리스탈(60)이 흑연화될 때, 그것들은 크랙되고 바디(4)로부터 분해되어 체적이 크게 증가한다. 다이아몬드 크리스탈(60)의 표면의 촉매 물질(64)의 수 미크론의 코팅도 이 모드를 열 분해 시킬 수 있다.

그러므로 당업자는 최대의 효과를 위해 크리스탈 물질(64)은 다이아몬드 크리스탈(60)사이의 틈새로부터 그리고 다이아몬드 크리스탈(60)의 표면으로부터 모두에서 제거되어야만 한다는 것을 인식할 수 있다. 만약 촉매 물질(64)은 다이아몬드 크리스탈(60)의 표면 및 틈새(62) 모두로부터 제거된다면 그 구역의 다이아몬드 크리스탈(60)을 위한 열 분해의 개시는 약 1200℃까지 도달할 것이다.

이 이중 분해 모드는, 그러나, 몇몇 예측하지 못한 이익을 제공한다. 예를 들면, 많은 응용예에서 작업 표면의 마모 비율을 설계하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는, 이것이 처리 공정을 변경하여 달성되어, 최대 마모 비율을 요구하는 영역에서, 크리스탈 물질이 틈새(62)로부터 그리고 다이아몬드 크리스탈(60)의 표면으로부터 고갈된다. 적은 마모가 바람직한 영역에서는, 예를 들면 자생작용 툴(self sharpening tool)에서 이런 영역들은 틈새(62)로부터 촉매 물질(64)을 우선적으로 고갈시키도록 처리되나, 다이아몬드 크리스탈(60)의 전부가 아니라면 몇 개라도 촉매 물질(64)과 접촉하도록 남아있게 된다.

촉매 물질(64)을 틈새(62)로부터 보다는 다이아몬드 크리스탈(60)의 표면으로부터 제거하는 것이 더 힘들다는 것은 또한 명백하다. 이러한 이유로, 촉매 물질이 고갈되는 방법에 따라 열 분해를 효과적으로 고갈시키도록 하기 위하여, 작업 표면(4)으로부터 촉매 물질(64)의 감소 깊이는 촉매 물질(64)을 고갈시키기 위해 사용되는 방법에 다라서 매우 다양할 수 있다.

몇몇 예에서, 400℃와 750℃사이에서 열 역치(thermal threshold)의 개선이 적당하며, 그러므로 다소 약한 강도의 촉매 물질(64) 감소 공정이 허용된다. 결론적으로, 특정한 적용을 위해 요구되는 촉매 물질(64) 감소의 수준을 달성하기 위하여 적용될 수 있는 촉매 물질(64) 감소 방법의 많은 조합이 있음을 인식할 수 있다.

이 명세서에서, '실질적으로 자유(substantially free)' 란 용어가 틈새(62)내, 틈새 매트릭스(68)내, 또는 바디(8)의 체적내의 촉매 물질(64)을 가르키기 위해 사용될 때, 그것은 인접한 다이아몬드 크리스탈(60)이 표면의 전부 또는 많은 부분이 촉매 물질(64)의 코팅을 가지고 있음을 이해하여야만 한다. 유사하게 용어 "실질적으로 자유"가 크리스탈 다이아몬드(60)의 표면의 촉매 물질(64)과 관련되어 사용될 때, 인접한 틈새(62)에 촉매 물질(64)이 여전히 존재할 수 있다.

촉매 물질(64)이 제거 또는 고갈되면, 열 분해를 위한 두 개의 주 메카니즘이 더 이상 존재하지 않는다. 그러나, 촉매 물질(64)이 존재하는 크리스탈(60)의 분해 온도 이하로 열 이벤트(event)에 의해 발생된 열을 결합된 크리스탈(60)이 전도배출 하도록 충분한 깊이에서 촉매 물질(64)이 제거되어야만 한다는 것이 밝혀졌다.

한 세트의 연구소 실험에서, 열은 절단 요소(10)로서 형상화된 PCD 요소(2)로 들어갔다. 이 실험이 이런 절단 요소를 위한 표준 마모 실험으로서 설계되었기 때문에, 그것은 촉매 물질(64) 제거의 다양한 깊이를 가지고 절단 요소(10)의 정당한 비교를 제공한다. 이 실험들에서, 관심사는 틈새(62)로부터 및 다이아몬드 크리스탈(60)의 표면으로부터 촉매 물질(64)을 제거하는 고갈 공정을 확인하는데 주어졌다. 이 실험은 열의 반복 입력이 공지의 간격 시간동안 PCD 절단 요소(10)의 절단 모서리에 가해지도록 설계되었다.

실험이 완료되었을 때, 마모 인덱스(index)가 계산되었다. 마모 인덱스가 높으면 높을수록 마모 저항은 더 나아졌다. 이 실험의 본질 덕택에, 증가된 마모 인덱스 수는 절단 요소(10)의 작업 표면(70,72)의 열분해의 증가된 저항성을 나타내는 것으로 여겨진다.

도 10의 그래프에서 곡선 A에서 보여지는 바와 같이, 촉매 물질(64)감소 깊이에 도달될 때 절단 요소(10)에 대한 마모 인덱스 결과에서 극적인 증가가 존재한다. 그러므로, 절단 요소(10)에서 통상적인 형태의 열 입력에 대하여, 촉매 물질(64)이 틈새(62)로부터 그리고 다이아몬드 크리스탈(60)의 표면으로부터 제거 될 때 0.1 mm 깊이는 작업표면(4,70,72)으로부터 크리티컬한 고갈 깊이이다.

다른 실험에서, 촉매 물질(64)을 제거하기 위한 더 경제적인 공정으로 만들어진 절단 요소(10)에서, 마모 대 고갈의 깊이는 대략 도10의 "곡선 B"로 나타난 것으로 믿어진다. 이러한 절단기에서 사용된 촉매 물질(64) 고갈 공정은 다이아몬드 크리스탈(60)의 표면으로부터 촉매 물질(64)을 제거하는데 곡선'A'의 공정만큼 효과적이지 않다. 그러므로, 마모율은 곡선['A']의 비율만큼 개선되는 것은 대부분의 촉매 물질(64)이 틈새(62)로부터 약 0.2mm의 깊이로 제거 될 때까지는 아니다. 이러한 절삭 요소(10)의 충격 강도는 실제로 비처리된 요소로부터 실제로 변경된 것은 아님이 판명되었다.

도19를 참고하면, 충격 강도를 유지하면서 본 발명의 내마모성 증진의 비교를 시각적으로 설명하기 위해, 잘 공지되고 잘 확립된 선행 기술 절삭 요소에 대한 통상적인, 충격 내성 대 내마모성 곡선이 곡선 W로 표시되어 있다. 그래프 상의점 P는 상대적으로 본 발명의 절삭요소의 특성을 표시한다. 도시된 바와 같이, P는 그래프의 상단 우측 구석 영역에 위치되어, 당업자들에게 충격 강도를 유지하면서 절삭 요소들의 내마모성의 상당히 크고 실질적인 증진을 나타낸다.

도10의 곡선 'C'에 도시된 바와 같은 마모율에 관련한 열 감퇴가 그것이 이득이 되는 PCD 요소(2)들로 엔지니어 가공될 수 있음이 신뢰된다. 예를 들어, 중심 점보다 신속하게 마모하도록 접촉 중심으로부터 원거리에 곡면 절삭 요소(10)들의 에지들을 가지는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 평면이되는 것 보다는 오히려 곡면형의 절삭 요소를 유지하는 경향이 있다.

증진된 열 감퇴 내성은 다이아몬드가 극히 우수한 열 전도체이기 때문에 마모율을 증진시킨다. 작업면(4,70,72)에서의 마찰 사고(event)가 갑작스런, 극도의 열 입력을 초래하는 경우, 본딩된 다이아몬드 크리스탈들은 사고부로부터 떨어진 모든 방향들로 열을 전도시킬 것이다. 이것은 물질을 통해 극히 높은 온도의 기울기(gradient), 가능하게는 mm 당 1000C 또는 그 이상을 허용할 것이다. 이런 가파른 기울기는 작업면(4,70,72)이 950Ｃ에 도달하도록 할 수 있지만 틈새(62) 및 작업면에 인접한 다이아몬드 크리스탈의 표면은 열원으로부터 단지 0.2mm 깊이까지 촉매물질이 없다면 큰 열 감퇴를 초래하지는 않는다.

온도 구배가 크리스탈(60) 크기와 내부크리스탈 본딩의 양에 따라 변동될 것이 명백하다. 이것을 특성화하기 위한 한가지 편리한 방식이 보디(8)내 다이아몬드의 부피 밀도이다. 다이아몬드의 부피 밀도가 증가되는 정상적인 제조 방법들 하에서, 물질을 통한 온위(potential temperature) 기울기는 증가된다. 이것은 도10의 곡선'B'를 생성시킨 것이, 증가된 다이아몬드 부피 밀도를 절약하는 것과 동일한 다른 물질이 결과적으로 도10의 곡선 'A'에 근접한 마모 지수를 생산하는 것을 의미한다.

굴착 비트들을 위한 절삭 요소(10)들의 현장 실험에 있어, 작업면(4,70,72)으로부터 약 0.2mm 내지 약 0.3mm 거리 D까지 틈새(62)로부터의 실질적으로 모든 촉매 물질(64)의 제거는 내마모성의 극적인 증진을 발생시키고, 더불어 충격 감도의 손실 없이 내마모성의 40% 증진 및 침투율의 40% 증가의 조합을 발생시킨다. 내마모성의 증진은 열 감퇴를 유발한 촉매물질(64)로 인해 다이아몬드 크리스탈(60)의 마멸이 극적으로 감소되는 것을 지시한다. 침투율 증가는 증가된 내마모성으로 인해 "보다 예리함"sharper"을 더 길게 유지할 수 있는 커터 때문으로 믿어진다.

그러나, 보디(8)내 다이아몬드의 부피밀도가 85%-90% 범위에서 95%-99%범위로 증가됨에 따라 특정 마모 지수를 발생시키기 위해 필요한 거리 D는 증가됨이 인지된다. 그러므로, 0.1mm 이하의 거리 D가 85% 내지 90% 다이아몬드 부피 밀도를 갖는 보디의 0.2mm 내지 0.3mm D 거리와 거의 동일한 99%에 접근하는 보디의 다이아몬드 밀도를 갖는 절삭 요소의 마모 지수를 제공할 수 있다.

틈새(62)로부터 촉매 물질(64)을 제거할 때, 하부의 기판(6,32)이 영향받지 않는 것은 중요하다. 그러므로, 다아아몬드 층의 최소한 일부분이 틈새(62)에 유지되는 촉매 물질(64)을 가지는 것은 매우 중요하다. 촉매물질(64)을 기판(6,32)과의 평면 계면을 가지는 평면의 표면으로부터 삭제할 때, 촉매 물질(64)을 포함하는 약 0.15mm의 최소 두께를 갖는 층은 하부 기판(6,32)이 영향받지 않음을 보장하도록 유지해야만 한다.

일반적으로 PDC에 대해 정량(quantifying)하는 것은 제거 처리의 일부 상호작용 및 기판이 견딜수 있기 때문에 문제가 있고, 기하학적 외형이 복잡할 수 있다. 그러나, 이것을 정량하기 위한 한가지 방법은 기판(6,32)에 접촉하는 보디(8)의 일부가 0.15mm 이상의 ??균 두께 까지 틈새(62)에서 유지되는 촉매 물질(64)을 가져야만하는 것이다.

이것을 정량하기 위한 다른 방법은 부피 비율로서 틈새(62)에 유지되는 촉매 물질(64)의 최소 량을 표현하는 것이다. 매우 얇은 평면의 다이아몬드 층을 가지고, 촉매 물질(64)을 포함하는 0.15mm층이 0.5mm 두께 보디에서 필요한 것이 공지되어 있다. 그러므로, 보디(8) 부피의 최소 30%가 특히, 통상적으로 사용된 PDC 커터들의 크기 범위를 갖는, 본 발명의 PDC 요소들을 위한 촉매 물질(64)을 포함하는 틈새(62)를 가져야 하는 것을 가정하는 것이 정당하다.

상기 촉매 물질(64)의 삭제(depletion) 또는 제거(removal)로 이득을 얻는 PCD 요소들의 다른 가능한 구성들이 존재한다. 도11A,11B 및 11C에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예는 복합 PCD 요소(102)이다. PCD 요소(102)는 제2 예비형성 PCD 요소(110)가 그 내부에 내포된 VIII족 바인더-촉매 물질을 갖는 보디(108)를 가진다. 내포된 PCD 요소(110)는 도11A에 도시된 밀봉(encapsulating) PCD 요소의 작업면(104)과 동일평면으로 될 수 있거나, 또는 도11B에 도시된 밀봉 PCD 요소(120)내에 완전히 내포될 수 있다. 이 내포된 PCD 요소(110)가 바인더-촉매 물질로서 Mg, CA, Sr 및 Ba의 가루 탄산염(powdery carbonates)들을 사용하는처리에서 제조되고 본문에 참고로 인용되는, 동시 양도된 동시계류중인 미국 특허 출원 제09/390,074호에 기술되는 복합 PCD 요소로 형성된다.

이런 실시예에서, 내포된 예비성형 PCD 요소(110)가 고압들에서 형성되기 때문에, 다이아몬드 밀도가 밀봉 PCD 요소(120)의 밀도보다 높게 제조될 수 있다. 이런 구성에, 내포 PCD 요소(110)가 보다 높은 활성 온도를 갖는 촉매물질을 가지기 때문에, 예를 들어, 밀봉 PCD 요소(120)의 작업면에서 촉매물질만을 삭제하는게 이득이 될 수 있다. 더욱이, 내포된 PCD 요소(110)가 밀봉 요소(120)의 증진된 내마모성과 결합된 내포된 PCD 요소(110)의 보다 큰 충격내성을 사용하기 위해 밀봉 PCD 요소(120)내에 위치될 수 있다.

도9, 11A, 11B 및 11C에 도시된 바와 같이, 요소(102)는 다수의 본딩된 다이아몬드 크리스탈(60), 촉매 물질(64) 및 작업면(104)을 갖는 보디(108)를 가진다. 작업면(104)에 인접한 보디의 부피(112)는 보디(108)의 다른곳(114)보다 실질적으로 큰 다이아몬드 밀도를 가지며 부피(112)는 실질적으로 촉매물질(64)이 없다.

여러 임베디드 PCD 요소(110)들은 가장 우수한 충격 내성 및 증진된 내마모성 둘모두가 실현될 수 있는 방식으로, 도11C에 도시된 바와 같이, 복합 요소(100)로 배열될 수 있다.

밀봉 PCD 요소(120)의 촉매물질 뿐만아니라 내포된 PCD 요소(110)의 촉매물질도 고갈시키는(deplete)게 바람직할 수 있다. 이런 조합이 상업적 용도의 다이아몬드 요소들에 유효한 가장 가능한 내마모성과 결합된 가장 가능한 충격 강도를 요소에 제공할 것이다.

도12A 및 12B에 있어서, 본 발명의 PCD 요소(202)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이런 실시예에서, PCD 요소(202)가 선행기술의 방식으로 처음에 형성된다. 표면이 준비된 이후에, CVD 또는 PVD 처리가 PCD 요소(202)의 일부(210)상에서 미래의 작업면(204)상에 증착된 다이아몬드(260)의 에피텍셜 지향 크리스탈의 근접 팩 세트(closely packed set)를 제공하기 위해 사용된다. 조립체는 이후 고압 고온 처리되어 증착된 다이아몬드 크리스탈(260)들이 서로에 대해 다이아몬드 대 다이아몬드 본드 및 모체 PCD의 다이아몬드 대 다이아몬드 크리스탈을 형성한다. 이런 다이아몬드-대-다이아몬드 본딩은 모체 PCD 요소(202)의 표면으로부터 중입되는 촉매물질(64)의 존재 때문에 가능하다.

정화(cleanup) 이후, 작업면(204)의 일부가 CVD 또는 PVD 증착된 층으로부터 촉매물질(64)을 제거하도록 처리된다. 최종 산물은 PCD 요소(202)의 다른 면(280)들의 것보다 훨씬 큰 다이아몬드 밀도의 부피(214)를 갖는 작업면(204)의 일부를 가지는 PCD 요소이다. 높은 다이아몬드 밀도의 이러한 영역(214)은 결과적으로 촉매물질(64)로 제거된다. PCD 요소(202)의 다른 표면(280)들의 부분들은 바인더 촉매물질로 잘 제거될 수 있다.

일반적으로, 도11A,11B,11C,12A 및 12B에 도시된 요소(102,202)들은 작업면(104,204)을 구비한 보디(108,208)를 가지는 PCD 요소(102,102)로서 특성화될 수 있다. 작업면(104,204)에 인접한 다이아몬드 밀도는 보디(108,208)의 다른 곳보다 실질적으로 높고, 실질적으로 촉매물질(64)이 없다.

본 발명의 PCD 요소(2)에 대한 특정한 하나의 유용한 적용은 도1B,4, 및 5에도시된 바와 같이 절삭 요소(10,50,52)들로서의 적용이다. PCD 절삭 요소(10,50,52)들의 작업면은 상단 작업면(70) 및/또는 주변 작업면(72)일 수 있다. 도1B의 PCD 절삭 요소(10)는 통상적으로 고정 커터 타입 회전드릴 비트(12)에 사용될 수 있거나 또는 다른 형태의 공저툴(downhole tools)의 계기 보호를 위한 것이다. 도5에 도시된 PCD 절삭 요소(50)는 돔(dome)(39)으로서 형성될 수 있다. 이런 형태의 PCD 절삭요소(50)는 회전 커터 드릴 비트(38)내 또는 상세히 기술되는 바와 같은 두 가지 형태의 회전드릴 비트(12,38)들의 보디내 소켓으로 삽입을 위해 연장된 베이스(51)를 가진다.

도 4의 PCD 절삭 요소(52)는 기계가공 처리에 사용하기에 적합하다. 도4의 절삭 요소(52)의 구성이 직사각형이지만, 당업자들은 이런 요소가 통상적인 툴들로 기계가공하기에 어려운 고 마모성 제품들을 기계가공하기에 적합한, 3각형, 4변형 또는 다수의 다른 형태들일 수 있음을 인지한다.

PCD 절삭 요소(10)는 고정 커터 회전드릴 비트(12)(도2에 도시됨)의 예비성형 절삭 요소(10)일 수 있다. 드릴 비트의 비트 몸체(14)는 일반적으로 드릴 비트의 중심 회전축(18)으로부터 외측으로 떨어져 연장되는 다수의 칼날(16)들로 형성된다. 각각의 칼날의 선단면(leading face)(20)을 따라 나란히 이격된 것은 본 발명의 다수의 PCD 절삭 요소(10)들이다.

통상적으로, PCD 절삭 요소(10)는 굳어진(cemented) 텅스텐 카바이드 또는 다른 금속 물질 같은 덜한 경화 물질의 기판(32)에 대해 고압 고온 압력으로 본딩된, 다이아몬드 또는 다이아몬드형(diamond-like)(PCD) 물질의 얇은 전면테이블(30)을 가지는 원형 판 평상의 보디를 가진다. 절삭 요소(10)는 예비성형되어 통상적으로 굳어진 텅스텐 카바이드로 형성되는 일반적 원통형 운반체(34)상에 본딩되거나, 또는 변형적으로 칼날에 직접 부착될 수 있다. PCD 절삭 요소(10)는 작업면(70,72)들을 가진다.

원통형 캐리어(34)는 상응되게 형성된 소켓 또는 칼날(16)의 오목부 내에 수용된다. 운반체(34)는 일반적으로 소켓에 땜질되거나 또는 수축 끼워맞춤(shrink fit)될 것이다. 작??에 있어, 고정 커터 드릴 비트(12)가 회전되고 중량이 인가된다. 이것이 절삭 요소(10)들을 천공되는 토양 속으로 강제하여, 절삭 및/또는 드릴링 작업을 한다.

PCD 절삭 요소(10)는 계기 영역(36)의 초과 마모로부터 비트(12)를 보호할 뿐만아니라 계기 확공 작동을 제공하도록 비트(12)의 계기 영역(36)에 인가될 수 있다. 이런 절삭 요소(10)들을 가능한 근접하게 이격시키기 위해, 보다 용이하게 계기 영역(36)에 피팅되는, 도시된 직사각형 같은, 형태로 요소들을 절삭하는 것이 바람직할 수 있다.

제2 실시예에 있어, 본 발명의 절삭 요소(50)(도5에 도시됨)는 도3에 도시된 회전 커터형 드릴 비트(38)상에 있다. 회전 커터드릴 ??트(38)는 통상적으로 비트 보디(46)의 레그(44)상의 베어링 스핀들상에 조립된 하나 이상의 절두 회전 원뿔 커터(40,41,42)들을 가진다. 절삭 요소(50)들은 히전 커터(40,41,42)들 상에 열로 배열된 하나 이상의 다수의 절삭 인서트들로서 장착될 수 있거나, 또는 변형적으로 PCD 절삭 요소(50)들은 비트(38)의 레그(44)를 따라 배열될 수 있다. PCD 절삭 요소(50)는 덜한 경화 기판(37)에 본딩된 다이아몬드 또는 다이아몬드형 물질의 면 테이블(facing table) 형태의 보디를 가진다. 본 발명의 이런 실시예의 면테이블(35)은 돔형 면(39) 형태이고 작업면(70,72)을 가진다. 따라서, 당업자들에게 잘 알려진 바와 같이, 제조중에 발생된 응력을 보다 균일하게 분산시키기 위해 면 테이블(35)과 기판(37) 사이에 종종 다수의 과도층(transitional layer)들이 존재한다.

작동에 있어, 회전 커터 드릴 비트(38)가 회전되고 중량이 인가된다. 이것은 회전 원뿔 커터(40,41,42)의 열들의 절삭 인서트(50)들을 땅속으로 강제하고, 비트(36)가 회전됨에 따라 회전 커터(40,41,42)들이 회전되어 드릴링 작동을 한다.

다른 실시예에 있어, 본 발명의 PCD 절삭 요소(52)가 삼각형, 직사각형 또는 기계가공 작동에 절삭 인서트로서 사용하기 위한 다른 형태의 물질 형태로 된다. 이런 실시예에서, 절삭 요소(52)는 작업면(70,72)들을 갖는 덜한 경화 기판(56)에 본딩된 다이아몬드 또는 다이아몬드형 물질의 면 테이블(54) 형태의 보디를 가진다. 통상적으로, 절삭 요소(52)는 기계 툴의 툴 홀더에 장착되는 인서트(insert)(58)에 결과적으로 부착되는 다수의 소형 피스들속으로 절삭될 것이다. 절삭 요소(52)는 땜질, 접착, 용접 또는 클램핑에 의해 인서트에 부착될 수 있다. 고온 고압 제조 공정에서 인서트 형태로 절삭 요소(52)를 완결 형성하는 것이 또한 가능하다.

도13-18에 도시된 바와 같이, 본 발명의 PCD 요소(2,102,202)들은 또한, 예를 들어, 본 발명의 PCD 요소(302)를 사용하는 도13의 와이어 드로잉 다이(300)로서 도시된, 중공 다이(hollow dies) 같은 다른 응용들에 대해서도 사용될 수 있다. 본 발명의 PCD 요소(312)를 갖는 히트 싱크(310)로 그 전기적 절연 특성과 함께 PCD 요소(2,102,202)의 우수한 열전달 능력을 사용하는 것이 도한 바람직하다.

다른 응용들은 도15에 도시된 PCD 베어링 요소(322)를 갖는 마찰 베어링(320)들 및 도16A 및 16B에 도시되는 본 발명의 PCD 요소(342)를 가지는 표면들(342)을 갖는 밸브(340,344)의 정합 부분(mating part)들을 포함한다. 추가적으로, 스크립을 위한 인덴터(360), 경도 시험기, 표면 거칠게 가공하기 등은 도17A에 도시된 본 발명의 PCD 요소(362)들을 가질 수 있다. 천공기(punch)(370)는 도17B에 도시되는 본 발명의 PCD 물질로 제조된 다이(372,374)들 중 어느 하나 또는 둘 모두를 가질 수 있다. 또한, 툴 맨드렐(382)들 및 도18에 도시된 측정 장치(380)를 위한 다른 형태의 마모 요소들은 본 발명의 PCD 요소들로 제조될 수 있다. 다결정성 다이아몬드에 대한 거의 모든 적용이 본 발명의 촉매물질 삭제 PCD 요소들로부터 이득을 얻을 것임이 이해되어야 한다.

본 발명이 부착된 도면들에 관련하여 기술되었지만, 본문에 도시되고 제안된 것들과 별개의 다른 부가적인 수정들은 본 발명의 사상 및 범위 내에서 이루어질 수 있음을 인지해야한다.