▶ エレメント シックス （ユーケイ） リミテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-02-14
(54)【発明の名称】鉄含有バインダーを含む多結晶ダイヤモンド
(51)【国際特許分類】
C04B 35/528 20060101AFI20230207BHJP
C22C 29/08 20060101ALI20230207BHJP
C22C 26/00 20060101ALI20230207BHJP
C22C 1/05 20230101ALI20230207BHJP
C22C 1/10 20230101ALI20230207BHJP
B24D 3/00 20060101ALI20230207BHJP
B24D 3/06 20060101ALI20230207BHJP
B23B 27/14 20060101ALI20230207BHJP
B23B 27/20 20060101ALI20230207BHJP
B23C 5/16 20060101ALI20230207BHJP
B23B 51/00 20060101ALI20230207BHJP
B28D 1/26 20060101ALI20230207BHJP
【ＦＩ】
C04B35/528
C22C29/08
C22C26/00 Z
C22C1/05 P
C22C1/10 E
B24D3/00 320B
B24D3/00 340
B24D3/06 A
B23B27/14 B
B23B27/20
B23C5/16
B23B51/00 M
B28D1/26
【審査請求】有
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2022534385
(86)(22)【出願日】2020-11-26
(85)【翻訳文提出日】2022-06-07
(86)【国際出願番号】 EP2020083522
(87)【国際公開番号】W WO2021115795
(87)【国際公開日】2021-06-17
(31)【優先権主張番号】1918378.9
(32)【優先日】2019-12-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】517007574
【氏名又は名称】エレメント シックス （ユーケイ） リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100119013
【弁理士】
【氏名又は名称】山崎 一夫
(74)【代理人】
【識別番号】100123777
【弁理士】
【氏名又は名称】市川 さつき
(74)【代理人】
【識別番号】100111796
【弁理士】
【氏名又は名称】服部 博信
(74)【代理人】
【識別番号】100123766
【弁理士】
【氏名又は名称】松田 七重
(72)【発明者】
【氏名】カン アンティオネッテ
(72)【発明者】
【氏名】チャン シャオシュエ
(72)【発明者】
【氏名】ペトルーシャ イーゴリ
(72)【発明者】
【氏名】オシポフ アレクサンダー
(72)【発明者】
【氏名】ストラティチュク デニス
(72)【発明者】
【氏名】トゥルケヴィチ ウラジーミル
【テーマコード（参考）】
3C037
3C046
3C063
3C069
4K018
4K020
【Ｆターム（参考）】
3C037FF04
3C037FF06
3C046FF35
3C046FF37
3C046FF38
3C046FF39
3C046FF45
3C046FF46
3C046FF57
3C046HH04
3C063AA02
3C063AB02
3C063BA02
3C063BB02
3C063BC01
3C063BC02
3C063CC04
3C063EE15
3C063EE20
3C063EE31
3C063FF08
3C063FF23
3C069AA05
3C069BA10
3C069BB02
3C069CA01
3C069EA03
4K018AB03
4K018AB07
4K018AD17
4K018BA04
4K018BA09
4K018BA13
4K018KA15
4K020BB29
(57)【要約】
本開示は、ダイヤモンドネットワークを形成する連晶ダイヤモンド砥粒及び鉄含有バインダーから形成されるＰＣＤ材料を含む多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）体に関する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ダイヤモンドネットワークを形成する連晶ダイヤモンド砥粒及び鉄含有バインダーから形成されるＰＣＤ材料を含む多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）体。
【請求項2】
前記鉄含有バインダーがＦｅxＮを含む、請求項１に記載のＰＣＤ体。
【請求項3】
前記鉄含有バインダーが析出物を含む、請求項１又は２に記載のＰＣＤ体。
【請求項4】
前記析出物がダイヤモンド砥粒の境界及び／又は前記ダイヤモンド砥粒内に位置する、請求項３に記載のＰＣＤ体。
【請求項5】
前記析出物の最大線寸法が５００ｎｍ以下である、請求項３又は４に記載のＰＣＤ体。
【請求項6】
前記析出物の最大線寸法が８０～１２０ｎｍ、好ましくは９０～１１０ｎｍの範囲である、請求項３～５のうちいずれか一項に記載のＰＣＤ体。
【請求項7】
前記ＰＣＤ体が超硬合金基材で裏打ちされている、請求項１～６のうちいずれか一項に記載のＰＣＤ体。
【請求項8】
前記鉄含有バインダーが、モリブデン、タングステン、鉄、及び／又は炭素のうちいずれか１つ又は複数を含有する析出物を含む、請求項３～６に従属する場合の請求項７に記載のＰＣＤ体。
【請求項9】
コバルトを含むバインダープールを含む、請求項１～８のうちいずれか一項に記載のＰＣＤ体。
【請求項10】
モリブデン及び／又はタングステンを含有する前記析出物が前記バインダープール内に存在する、請求項８に従属する場合の請求項９に記載のＰＣＤ体。
【請求項11】
前記ＰＣＤ体の厚さが３．０ｍｍ以下である、請求項１～１０のうちいずれか一項に記載のＰＣＤ体。
【請求項12】
前記ＰＣＤ体の厚さが２．５ｍｍ以下である、請求項１～１１のうちいずれか一項に記載のＰＣＤ体。
【請求項13】
切削加工、研削加工、機械加工、衝撃による岩石破砕などの岩石除去用途における、請求項１～１２のうちいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）体の使用。
【請求項14】
金属、金属マトリックス複合材料（ＭＭＣ）、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）、又はセラミック材料の機械加工における、請求項１～１３のうちいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）体の使用であって、前記機械加工に、旋盤加工、フライス加工、及び穴あけ加工を含む使用。
【請求項15】
以下のステップを含む多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）体の製造方法：ａ．ＦｅxＮとグラファイト粉末の前駆体バインダー混合物を形成すること；
ｂ．前記前駆体バインダー混合物を耐熱カップに層として添加すること；
ｃ．ダイヤモンド供給原料を、前記前駆体バインダー混合物に隣接させて前記カップに添加すること；
ｄ．前記カップ内で前記前駆体バインダー混合物及びダイヤモンド供給原料を圧縮成形し、グリーン体を形成すること；
ｅ．前記グリーン体を、１７００～２３００℃の温度及び約７ＧＰａ以上の圧力で少なくとも３０秒間焼結し、ＰＣＤ焼結体を形成すること。
【請求項16】
前記ＰＣＤ体が、請求項１～１２のうちいずれか一項に記載のものである、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
前記グリーン体を１８００～１９００℃の範囲の温度で焼結する、請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項18】
前記グリーン体を２２００～２３００℃の範囲の温度で焼結する、請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項19】
焼結前に前記前駆体バインダー混合物の第２の層を添加するステップを更に含む、請求項１５～１８のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項20】
焼結前に炭化物基材を前記カップに添加するステップを更に含む、請求項１５～１９のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項21】
前記ダイヤモンド供給原料が前記前駆体バインダー混合物の第１の層と前記前駆体バインダー混合物の第２の層の間にあり、且つ前記炭化物基材が、前記前駆体バインダー混合物の第２の層に隣接し、前記ダイヤモンド供給原料から離間している、請求項１９に従属する場合の請求項２０に記載の方法。
【請求項22】
前記基材が、約８．５質量％、１０質量％、又は１３質量％のコバルトを含有する、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項23】
ダイヤモンドに対するバインダーの割合が、５～３０質量％、好ましくは５～２５質量％、より好ましくは５～２０質量％、又は更により好ましくは５～１５質量％である、請求項１５～２２のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項24】
ダイヤモンドに対するバインダーの割合が、７．５質量％、１０．０質量％、又は１２．５質量％である、請求項２３に記載の方法。
【請求項25】
前記前駆体バインダー混合物中のグラファイトに対するＦｅxＮの割合が４０～６０容量％である、請求項１５～２４のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項26】
前記前駆体バインダー混合物中のグラファイトに対するＦｅxＮの割合が約５０容量％である、請求項２５に記載の方法。
【請求項27】
前記ダイヤモンド供給原料が二峰性である、請求項１５～２６のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項28】
前記ダイヤモンド供給原料が単峰性である、請求項１５～２６のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項29】
前記ダイヤモンド供給原料が、砥粒粒径が１７～１９μｍのダイヤモンド源を含む、請求項１５～２８のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項30】
前記ダイヤモンド供給原料が、砥粒粒径が３～４μｍのダイヤモンド源を含む、請求項１５～２８のうちいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、鉄含有化合物を含む多結晶ダイヤモンド体を含む超硬構造体、及びそのような物体の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）及び多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）などの多結晶超硬材料は、岩石、金属、セラミック、複合材料、及び木材含有材料などの硬質材料又は研磨材料を切削加工、機械加工、穴あけ加工、又は削剥加工するための多種多様な工具で使用し得る。
研磨用成形体は、切削加工、旋盤加工、フライス加工、研削加工、穴あけ加工、及びその他研磨作業に広範に使用される。これらは一般に、超硬質研磨用粒子が分散した第２の相マトリックスを有する。マトリックスは、金属又はセラミック又はサーメットであり得る。超硬質研磨用粒子は、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、炭化ケイ素、又は窒化ケイ素などであり得る。これらの粒子は、一般に使用される高圧高温圧縮製造工程中に互いに結合して多結晶の塊を形成し得る、又は１つ若しくは複数の第２の相材料のマトリックスを介して結合し、焼結多結晶体を形成し得る。そのような物体は、一般に多結晶ダイヤモンド又は多結晶立方晶窒化ホウ素として知られ、それぞれ超硬質研磨剤としてダイヤモンド又はＣＢＮを含有する。
焼結多結晶体は基材上に形成することによって「裏打ち」し得る。好適な基材を形成するために使用し得る超硬炭化タングステンは、例えば、炭化タングステン粒子／砥粒とコバルトとを混合した後に加熱して凝固させることによって、炭化物粒子をコバルトマトリックス中に分散させて形成する。ＰＣＤ又はＰＣＢＮなどの超硬材料層を用いて切削要素を形成するには、ニオブ筐体などの耐熱金属筐体内でダイヤモンド粒子若しくは砥粒又はＣＢＮ砥粒を超硬炭化タングステン体に隣接配置し、高圧高温処理することで、ダイヤモンド砥粒又はＣＢＮ砥粒の粒子間結合を引き起こし、多結晶超硬ダイヤモンド又は多結晶ＣＢＮ層を形成する。
タングステン（Ｗ）とコバルト（Ｃｏ）は共に欧州では重要な原材料（ＣＲＭ）に分類されている。ＣＲＭは、欧州経済にとって経済的且つ戦略的に重要とみなされている原材料である。原則的に、これらは供給に関連するリスクが高く、家電、環境技術、自動車、航空宇宙、防衛、健康、及び鉄鋼といった欧州経済の主要部門にとって非常に重要であり、また（実用的な）代替品がない。タングステンとコバルトは共に、２種類の重要な硬質材料、超硬合金／ＷＣ－Ｃｏ、及びＰＣＤ／ダイヤモンド－Ｃｏの主成分である。
本発明の目的は、岩石除去用途や機械加工作業において、過酷な条件下で十分に機能する実用的な代替材料を開発することである。
研磨用成形体は、切削加工、旋盤加工、フライス加工、研削加工、穴あけ加工、及びその他研磨作業に広範に使用される。これらは一般に、超硬質研磨用粒子が分散した第２の相マトリックスを有する。マトリックスは、金属又はセラミック又はサーメットであり得る。超硬質研磨用粒子は、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、炭化ケイ素、又は窒化ケイ素などであり得る。これらの粒子は、一般に使用される高圧高温圧縮製造工程中に互いに結合して多結晶の塊を形成し得る、又は１つ若しくは複数の第２の相材料のマトリックスを介して結合し、焼結多結晶体を形成し得る。そのような物体は、一般に多結晶ダイヤモンド又は多結晶立方晶窒化ホウ素として知られ、それぞれ超硬質研磨剤としてダイヤモンド又はＣＢＮを含有する。
焼結多結晶体は基材上に形成することによって「裏打ち」し得る。好適な基材を形成するために使用し得る超硬炭化タングステンは、例えば、炭化タングステン粒子／砥粒とコバルトとを混合した後に加熱して凝固させることによって、炭化物粒子をコバルトマトリックス中に分散させて形成する。ＰＣＤ又はＰＣＢＮなどの超硬材料層を用いて切削要素を形成するには、ニオブ筐体などの耐熱金属筐体内でダイヤモンド粒子若しくは砥粒又はＣＢＮ砥粒を超硬炭化タングステン体に隣接配置し、高圧高温処理することで、ダイヤモンド砥粒又はＣＢＮ砥粒の粒子間結合を引き起こし、多結晶超硬ダイヤモンド又は多結晶ＣＢＮ層を形成する。
タングステン（Ｗ）とコバルト（Ｃｏ）は共に欧州では重要な原材料（ＣＲＭ）に分類されている。ＣＲＭは、欧州経済にとって経済的且つ戦略的に重要とみなされている原材料である。原則的に、これらは供給に関連するリスクが高く、家電、環境技術、自動車、航空宇宙、防衛、健康、及び鉄鋼といった欧州経済の主要部門にとって非常に重要であり、また（実用的な）代替品がない。タングステンとコバルトは共に、２種類の重要な硬質材料、超硬合金／ＷＣ－Ｃｏ、及びＰＣＤ／ダイヤモンド－Ｃｏの主成分である。
本発明の目的は、岩石除去用途や機械加工作業において、過酷な条件下で十分に機能する実用的な代替材料を開発することである。
【発明の概要】
【0003】
本発明の第１の態様では、ダイヤモンドネットワークを形成する連晶ダイヤモンド砥粒及び鉄含有バインダーから形成されるＰＣＤ材料を含む多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）体が提供される。
本発明の第１の態様の任意選択の及び／又は好ましい特徴は、従属請求項２～１２で提供される。
本発明の第２の態様では、以下のステップを含む多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）体の製造方法が提供される。
ａ．ＦｅxＮとグラファイト粉末の前駆体バインダー混合物を形成すること；
ｂ．前駆体バインダー混合物を耐熱カップに添加すること；
ｃ．ダイヤモンド供給原料を前駆体バインダー混合物に隣接させてカップに添加すること；
ｄ．カップ内で前駆体バインダー混合物及びダイヤモンド供給原料を圧縮成形し、グリーン体を形成すること；
ｅ．グリーン体を、１７００～２３００℃の温度及び少なくとも７ＧＰａの圧力で少なくとも３０秒間焼結し、ＰＣＤ焼結体を形成すること。
ＦｅxＮ及びグラファイトをダイヤモンド成長の触媒として使用し、従来使用されているコバルトにうまく置き換えることができる。ＦｅxＮ、グラファイト、及びコバルトが共にダイヤモンド成長の触媒として同時に作用することで、裏打ちされたダイヤモンド体に必要なコバルトの量を減らすこともできる。
本発明の第２の態様の任意選択の及び／又は好ましい特徴は、従属請求項１６～３０で提供される。
以下に、非限定的な実施形態を、例として、添付の図面を参照しながら説明する。
本発明の第１の態様の任意選択の及び／又は好ましい特徴は、従属請求項２～１２で提供される。
本発明の第２の態様では、以下のステップを含む多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）体の製造方法が提供される。
ａ．ＦｅxＮとグラファイト粉末の前駆体バインダー混合物を形成すること；
ｂ．前駆体バインダー混合物を耐熱カップに添加すること；
ｃ．ダイヤモンド供給原料を前駆体バインダー混合物に隣接させてカップに添加すること；
ｄ．カップ内で前駆体バインダー混合物及びダイヤモンド供給原料を圧縮成形し、グリーン体を形成すること；
ｅ．グリーン体を、１７００～２３００℃の温度及び少なくとも７ＧＰａの圧力で少なくとも３０秒間焼結し、ＰＣＤ焼結体を形成すること。
ＦｅxＮ及びグラファイトをダイヤモンド成長の触媒として使用し、従来使用されているコバルトにうまく置き換えることができる。ＦｅxＮ、グラファイト、及びコバルトが共にダイヤモンド成長の触媒として同時に作用することで、裏打ちされたダイヤモンド体に必要なコバルトの量を減らすこともできる。
本発明の第２の態様の任意選択の及び／又は好ましい特徴は、従属請求項１６～３０で提供される。
以下に、非限定的な実施形態を、例として、添付の図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【0004】
【図1】ダイヤモンドと金属の界面で生じる、ファセットを有する相互貫入金属ネットワークを有するダイヤモンド砥粒の連晶ネットワークを示すＰＣＤ材料の微細構造の概略図である。
【図2】従来の裏打ちされたＰＣＤ体における侵入過程の概略図であり、矢印はＰＣＤ層の２～３ｍｍに及ぶ侵入の方向と長さを示す。
【図3】方法の実施形態を示す概略流れ図である。
【図4】一実施形態におけるグリーン体（即ち焼結前）の概略図である。
【図5】方法の更なる実施形態を示す概略流れ図である。
【図6】裏打ちされたＰＣＤ焼結体の図である。
【図7】ＰＣＤ台を通るＣｏ及びＦｅの侵入を示すグラフである。
【図8】性能試験で使用する標準的な手動旋盤と赤色花崗岩の塊の図である。
【図9】様々な試料の経時的な工具摩耗（ｍｍ）をプロットしたグラフである。
【図10】各摩耗痕ＶＢ＝０．５ｍｍにかかる時間を調べるＶＢ摩耗試験を示す棒グラフ。
【図11】第１の析出の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による顕微鏡写真である。
【図13】第２の析出のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図15】第３の析出のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図17】裏打ちされた試料及び裏打ちされていない試料の粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）パターンである。
【図18】二峰性のダイヤモンド粉末Ｙのダイヤモンド供給で、２ｍｍのＰＣＤ台を用い、１８００℃で焼結した、１０．０質量％のバインダーを含む裏打ちされた試料のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図19】単峰性のダイヤモンド粉末Ｘのダイヤモンド供給で、１９００℃で焼結した、１０．０質量％のバインダーを含む裏打ちされていない試料の、倍率５００倍でのＳＥＭ顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【0005】
本開示で検討する多結晶ダイヤモンド材料（ＰＣＤ）は、相互貫入金属ネットワークを有するダイヤモンド砥粒の連晶ネットワークからなる。これを概略的に図示した図１は、ダイヤモンドと金属の界面１４で生じる、ファセットを有する相互貫入金属ネットワーク１２を有するダイヤモンド砥粒１０の連晶ネットワークを含む既知のＰＣＤ材料の微細構造を示す。砥粒はそれぞれある程度の塑性変形１６を生じている。
本図の挿入図に示すように、新たに結晶化したダイヤモンド結合１８はダイヤモンド砥粒と結合する。ダイヤモンド砥粒のネットワークは、高圧高温で炭素用溶融金属触媒／溶媒で促進してダイヤモンド粉末を焼結することによって形成される。ダイヤモンド粉末は、粒子数又は質量粒度分布に単一の最大値が存在し、それによりダイヤモンドネットワークの砥粒粒度分布が単峰性となる単峰性粒度分布を有し得る。或いは、ダイヤモンド粉末は、粒子数又は質量粒度分布に２つ以上の最大値が存在し、それによりダイヤモンドネットワーク内の砥粒粒度分布が多峰性となる多峰性粒度分布を有し得る。本工程で使用される典型的な圧力は約４～７ＧＰａの範囲であるが、１０ＧＰａまで、又はそれ以上の高圧も実質的に利用可能であり、且つ使用できる。使用する温度は、そのような圧力における金属の融点よりも高い。金属ネットワークは、溶融金属が通常の室内条件に戻る際に凍結した結果であり、必然的に炭素含有量の高い合金となる。原則的に、このような条件でのダイヤモンド結晶化を可能にする任意の炭素用溶融金属溶媒を使用し得る。このような金属には、周期表の遷移金属及びこれらの合金などがあり得る。
本図の挿入図に示すように、新たに結晶化したダイヤモンド結合１８はダイヤモンド砥粒と結合する。ダイヤモンド砥粒のネットワークは、高圧高温で炭素用溶融金属触媒／溶媒で促進してダイヤモンド粉末を焼結することによって形成される。ダイヤモンド粉末は、粒子数又は質量粒度分布に単一の最大値が存在し、それによりダイヤモンドネットワークの砥粒粒度分布が単峰性となる単峰性粒度分布を有し得る。或いは、ダイヤモンド粉末は、粒子数又は質量粒度分布に２つ以上の最大値が存在し、それによりダイヤモンドネットワーク内の砥粒粒度分布が多峰性となる多峰性粒度分布を有し得る。本工程で使用される典型的な圧力は約４～７ＧＰａの範囲であるが、１０ＧＰａまで、又はそれ以上の高圧も実質的に利用可能であり、且つ使用できる。使用する温度は、そのような圧力における金属の融点よりも高い。金属ネットワークは、溶融金属が通常の室内条件に戻る際に凍結した結果であり、必然的に炭素含有量の高い合金となる。原則的に、このような条件でのダイヤモンド結晶化を可能にする任意の炭素用溶融金属溶媒を使用し得る。このような金属には、周期表の遷移金属及びこれらの合金などがあり得る。
【0006】
従来、先行技術において主流の慣習及び慣例では、硬質金属基材のバインダー金属を使用し、高温高圧でそのようなバインダーを溶解してダイヤモンド粉末の塊に侵入させる。これは、従来のＰＣＤ構造の巨視的スケールでの溶融金属の侵入、即ちミリメートルのスケールでの侵入である。先行技術で最も一般的な状況では、炭化タングステン、及び硬質金属基材としてコバルト金属バインダーを使用する。これにより必然的に、得られたＰＣＤに硬質金属基材がｉｎ ｓｉｔｕで結合される。これまでのＰＣＤ材料の商業利用の成功は、そのような慣習及び慣例によるところが極めて大きい。
溶融金属焼結助剤の供給源として硬質金属基材を使用し、指向性侵入及びこの基材へのｉｎ ｓｉｔｕでの結合を行うＰＣＤ構造が知られている。これを図２に示すが、これは従来のＰＣＤ体における侵入過程の概略図であり、矢印はＰＣＤ層の厚さの２～３ｍｍに及ぶ侵入の方向と長さを示す。挿入図２０の矢印も、侵入範囲が多くのダイヤモンド砥粒を越えていることを示している。従来のＰＣＤ体におけるＰＣＤ層２２は、通常、厚さ２～３ｍｍ程度である。基材２４は主に炭化タングステン／コバルト合金で作られている。番号２６は、高圧高温工程中にＰＣＤ層の厚みを通るコバルト溶浸材の侵入方向を大まかに示している。楕円形の領域２８は炭化物基材とＰＣＤ層の界面にあり、図２の挿入図は、コバルトの長距離侵入が起こるこの領域におけるダイヤモンド砥粒を有する領域２８の拡大図を概略的に示している。挿入図は、指向性侵入がＰＣＤ層の厚みを通して多くの砥粒を越えて進んでいることを強調している。ダイヤモンド砥粒３０及び３２は、通常、様々な大きさの物体であり得、ダイヤモンド粒子の多峰性の混合物で作ることが可能である。
本発明の裏打ちされていない実施形態では、従来のコバルト（Ｃｏ）金属バインダーを、焼結前にＦｅxＮとグラファイトの混合物３４に置き換える。本発明の代替的な裏打ちされた実施形態では、従来のコバルト（Ｃｏ）金属バインダーがバインダーに侵入し、焼結及び最終的な微細構造に影響を及ぼす。以下に詳細を示す。
溶融金属焼結助剤の供給源として硬質金属基材を使用し、指向性侵入及びこの基材へのｉｎ ｓｉｔｕでの結合を行うＰＣＤ構造が知られている。これを図２に示すが、これは従来のＰＣＤ体における侵入過程の概略図であり、矢印はＰＣＤ層の厚さの２～３ｍｍに及ぶ侵入の方向と長さを示す。挿入図２０の矢印も、侵入範囲が多くのダイヤモンド砥粒を越えていることを示している。従来のＰＣＤ体におけるＰＣＤ層２２は、通常、厚さ２～３ｍｍ程度である。基材２４は主に炭化タングステン／コバルト合金で作られている。番号２６は、高圧高温工程中にＰＣＤ層の厚みを通るコバルト溶浸材の侵入方向を大まかに示している。楕円形の領域２８は炭化物基材とＰＣＤ層の界面にあり、図２の挿入図は、コバルトの長距離侵入が起こるこの領域におけるダイヤモンド砥粒を有する領域２８の拡大図を概略的に示している。挿入図は、指向性侵入がＰＣＤ層の厚みを通して多くの砥粒を越えて進んでいることを強調している。ダイヤモンド砥粒３０及び３２は、通常、様々な大きさの物体であり得、ダイヤモンド粒子の多峰性の混合物で作ることが可能である。
本発明の裏打ちされていない実施形態では、従来のコバルト（Ｃｏ）金属バインダーを、焼結前にＦｅxＮとグラファイトの混合物３４に置き換える。本発明の代替的な裏打ちされた実施形態では、従来のコバルト（Ｃｏ）金属バインダーがバインダーに侵入し、焼結及び最終的な微細構造に影響を及ぼす。以下に詳細を示す。
【0007】
方法
図３は例示的な方法のステップを示す流れ図であり、以下の番号は図３の番号に対応する。
Ｓ１．ＦｅxＮとグラファイトの前駆体粉末を混合し、前駆体バインダー混合物３４を形成する。
Ｓ２．前駆体バインダー混合物３４を、ニオブ、タンタル、又はモリブデンなどの耐熱材料で作られたカップ３６に添加する。
Ｓ３．次いで、ダイヤモンド供給原料３８をカップに添加する。カップ３６の底にある前駆体バインダー混合物３４の上にダイヤモンド供給原料３８を配置する。
任意で、カップ３６のダイヤモンド供給原料３８の上に、前駆体バインダー混合物３４の第２の層を添加し得る。そうすると、中間のダイヤモンド供給原料３８の片側に前駆体バインダー混合物３４の第１の層、もう片側に第２の層がある、前駆体バインダー混合物３４とダイヤモンド供給原料３８のサンドイッチが作られる。
前駆体バインダー混合物／ダイヤモンド３４の比率は５～３０質量％であり得る。好ましくは、前駆体バインダー混合物／ダイヤモンド３４の比率は５～２０質量％であり得る。より好ましくは、前駆体バインダー混合物／ダイヤモンド３４の比率は５～１５質量％であり得る。任意で、前駆体バインダー混合物／ダイヤモンド３４の比率は７．５質量％、１０質量％、又は１２．５質量％に定められている。
Ｓ３ａ．任意で、炭化物基材をカップ３６に添加し得る。
前駆体バインダー混合物３４の層が単一である場合、炭化物基材はダイヤモンド供給原料３８に隣接して配置される。積層系は、前駆体バインダー混合物３４－ダイヤモンド供給原料３８－炭化物基材となる。
前駆体バインダー混合物３４が２層、即ち第１の層及び第２の層が存在する場合、炭化物基材は、好ましくは前駆体バインダー混合物３４の第２の層に隣接して配置され、これにより前駆体バインダー混合物３４の第１の層と第２の層の間にダイヤモンド供給原料３８が挟まれ、炭化物基材が前駆体バインダー混合物３４の第２の層に隣接する。積層系は、前駆体バインダー混合物３４の第１の層－ダイヤモンド供給原料３８－前駆体バインダー混合物３４の第２の層－炭化物基材となる。
得られる物品が裏打ちされない、即ち炭化物基材を有さない場合、前駆体バインダー混合物３４が２層あることが好ましい。
Ｓ４．次いで、前駆体バインダー混合物３４とダイヤモンド供給原料３８をカップ３６内で、通常は手で圧縮してグリーン体を形成する。
Ｓ５．次いで、乾燥した圧縮グリーン体を、ＨＰＨＴベルトプレス又はＨＰＨＴキュービックプレス内のＨＰＨＴカプセルで、少なくとも１７００℃の温度及び約７ＧＰａの圧力で少なくとも３０秒間焼結する。
Ｓ６．焼結後、得られた焼結品は室温に冷却してから、ＨＰＨＴプレスから取り除く。冷却速度は制御しない。
図３は例示的な方法のステップを示す流れ図であり、以下の番号は図３の番号に対応する。
Ｓ１．ＦｅxＮとグラファイトの前駆体粉末を混合し、前駆体バインダー混合物３４を形成する。
Ｓ２．前駆体バインダー混合物３４を、ニオブ、タンタル、又はモリブデンなどの耐熱材料で作られたカップ３６に添加する。
Ｓ３．次いで、ダイヤモンド供給原料３８をカップに添加する。カップ３６の底にある前駆体バインダー混合物３４の上にダイヤモンド供給原料３８を配置する。
任意で、カップ３６のダイヤモンド供給原料３８の上に、前駆体バインダー混合物３４の第２の層を添加し得る。そうすると、中間のダイヤモンド供給原料３８の片側に前駆体バインダー混合物３４の第１の層、もう片側に第２の層がある、前駆体バインダー混合物３４とダイヤモンド供給原料３８のサンドイッチが作られる。
前駆体バインダー混合物／ダイヤモンド３４の比率は５～３０質量％であり得る。好ましくは、前駆体バインダー混合物／ダイヤモンド３４の比率は５～２０質量％であり得る。より好ましくは、前駆体バインダー混合物／ダイヤモンド３４の比率は５～１５質量％であり得る。任意で、前駆体バインダー混合物／ダイヤモンド３４の比率は７．５質量％、１０質量％、又は１２．５質量％に定められている。
Ｓ３ａ．任意で、炭化物基材をカップ３６に添加し得る。
前駆体バインダー混合物３４の層が単一である場合、炭化物基材はダイヤモンド供給原料３８に隣接して配置される。積層系は、前駆体バインダー混合物３４－ダイヤモンド供給原料３８－炭化物基材となる。
前駆体バインダー混合物３４が２層、即ち第１の層及び第２の層が存在する場合、炭化物基材は、好ましくは前駆体バインダー混合物３４の第２の層に隣接して配置され、これにより前駆体バインダー混合物３４の第１の層と第２の層の間にダイヤモンド供給原料３８が挟まれ、炭化物基材が前駆体バインダー混合物３４の第２の層に隣接する。積層系は、前駆体バインダー混合物３４の第１の層－ダイヤモンド供給原料３８－前駆体バインダー混合物３４の第２の層－炭化物基材となる。
得られる物品が裏打ちされない、即ち炭化物基材を有さない場合、前駆体バインダー混合物３４が２層あることが好ましい。
Ｓ４．次いで、前駆体バインダー混合物３４とダイヤモンド供給原料３８をカップ３６内で、通常は手で圧縮してグリーン体を形成する。
Ｓ５．次いで、乾燥した圧縮グリーン体を、ＨＰＨＴベルトプレス又はＨＰＨＴキュービックプレス内のＨＰＨＴカプセルで、少なくとも１７００℃の温度及び約７ＧＰａの圧力で少なくとも３０秒間焼結する。
Ｓ６．焼結後、得られた焼結品は室温に冷却してから、ＨＰＨＴプレスから取り除く。冷却速度は制御しない。
【実施例1】
【0008】
Ｓ１．サイズが３２５メッシュの窒化鉄（Ｆｅ2-4Ｎ）粉末（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ（登録商標）ＧｍｂＨ＆Ｃｏ ＫＧ）を、特別な低灰分の天然グラファイト（コード：ＧＯＳＴ１７０２２－８１、Ｚａｖａｌｅｖｓｋ鉱山（ウクライナ）産）であるグラファイト粉末（ＧＳＭ－１、サイズ１６０ｍｋｍ）に添加した。Ｘ線データより、ＦｅxＮはＦｅ4Ｎ（５３％）とＦｅ3Ｎがおおよそ等量であった。２５ｇのＦｅxＮを１１．６ｇのグラファイトに添加し、ＦｅxＮを含む混合物で、約５０容量％のグラファイトを得た。
ＦｅxＮとグラファイト粉末は実験用のＰｌａｎｅｔａｒｙ Ｍｏｎｏ Ｍｉｌｌ ＰＵＬＶＥＲＩＳＥＴＴＥ６（登録商標）、窒化ケイ素研削用カップ（２５０ｍＬ）、及び直径１０ｍｍの窒化ケイ素ボール５０個を用いて混合した。
混合工程の詳細は以下の通りである。
－ ＦｅxＮとグラファイトの混合物３６．６ｇをプラネタリーミキサーに添加する；
－ ２５０ｒｐｍで３０分間乾式混合する；更に
－ 混合後、１ｍｍふるいを用いて窒化ケイ素を取り除く。
次いで、ＦｅxＮとグラファイトの混合物０．４２ｇを、鋼製金型を用いて圧縮し、直径８ｍｍのディスクを製造した。加えた荷重は１．１５メートルトン（成形圧力は２．３メートルトン／ｃｍ2）であった。圧縮後、ディスクの厚さは約２．５ｍｍであった。
Ｓ２．ＦｅxＮ／グラファイトのディスクをモリブデン製のカップ内に配置した。
Ｓ３．ダイヤモンド供給原料には以下の２種類のダイヤモンドが含まれていた。
・粒径：１７．１～１８．９μｍ、量：１５ｇ
・粒径：３．０５～３．３７μｍ、量：５ｇ
粉末は、１５０ｍＬのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ポットで直径３ｍｍのＺｒＯ2ボール（混合ポットの充填物のうち５０ｍＬを占める）を用いて、１０分間６０ｒｐｍで乾式混合した。混合後、１ｍｍふるいを用いてＺｒＯ2ボールを取り除いた。次いで、得られた混合物を１５０℃のオーブンで２時間乾燥させ、密閉容器に保管した。
続いて、上述のダイヤモンド粉末の混合物を、ＦｅxＮ／グラファイトディスクが入ったカップに添加した。より具体的には、約１．３５～１．４０ｇのダイヤモンド粉末を取り、軽く圧縮した後、カップ内のＦｅxＮ／グラファイトディスクに隣接して配置した。
Ｓ３ａ．図４及び図５に示すように、任意で、カップ内のダイヤモンド供給原料に隣接させて炭化物の裏打ち４０を挿入し、ＰＣＤ体の裏打ちを促進する。実施例１の試料ではこれは行わなかったが、実施例２（詳細は後述）など他の試料には含まれている。
Ｓ４．カップ内のＦｅxＮ／グラファイトディスク及びダイヤモンド砥粒を手で圧縮してグリーン体を形成する。カップ内のグリーン体の最終的な厚さは約４．６ｍｍであった。
Ｓ５．次いで、グリーン体が入ったカップをＨＰＨＴカプセルに入れ、続いてＨＰＨＴプレスに入れた。圧力は１分間で７．７ＧＰａまで高めた。温度は次のように変化させた。
－ ３０秒間：温度を安定的に約２２００～２３００℃に上昇（ＨＰＨＴプレス内のグラファイトヒーターで電力を５．８ｋＷに上昇）
－ ９０秒間：この温度範囲で維持
－ １０秒間：１０秒かけて温度を安定的に低下（電力をゼロに）
焼結により、前述のコバルトの場合と同様に、ＦｅxＮ／グラファイトをディスクからダイヤモンドに濾過させることができた。
Ｓ６．次いで、焼結成形体をＨＰＨＴプレスから取り出し、室温まで放冷した。
ＦｅxＮとグラファイト粉末は実験用のＰｌａｎｅｔａｒｙ Ｍｏｎｏ Ｍｉｌｌ ＰＵＬＶＥＲＩＳＥＴＴＥ６（登録商標）、窒化ケイ素研削用カップ（２５０ｍＬ）、及び直径１０ｍｍの窒化ケイ素ボール５０個を用いて混合した。
混合工程の詳細は以下の通りである。
－ ＦｅxＮとグラファイトの混合物３６．６ｇをプラネタリーミキサーに添加する；
－ ２５０ｒｐｍで３０分間乾式混合する；更に
－ 混合後、１ｍｍふるいを用いて窒化ケイ素を取り除く。
次いで、ＦｅxＮとグラファイトの混合物０．４２ｇを、鋼製金型を用いて圧縮し、直径８ｍｍのディスクを製造した。加えた荷重は１．１５メートルトン（成形圧力は２．３メートルトン／ｃｍ2）であった。圧縮後、ディスクの厚さは約２．５ｍｍであった。
Ｓ２．ＦｅxＮ／グラファイトのディスクをモリブデン製のカップ内に配置した。
Ｓ３．ダイヤモンド供給原料には以下の２種類のダイヤモンドが含まれていた。
・粒径：１７．１～１８．９μｍ、量：１５ｇ
・粒径：３．０５～３．３７μｍ、量：５ｇ
粉末は、１５０ｍＬのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）ポットで直径３ｍｍのＺｒＯ2ボール（混合ポットの充填物のうち５０ｍＬを占める）を用いて、１０分間６０ｒｐｍで乾式混合した。混合後、１ｍｍふるいを用いてＺｒＯ2ボールを取り除いた。次いで、得られた混合物を１５０℃のオーブンで２時間乾燥させ、密閉容器に保管した。
続いて、上述のダイヤモンド粉末の混合物を、ＦｅxＮ／グラファイトディスクが入ったカップに添加した。より具体的には、約１．３５～１．４０ｇのダイヤモンド粉末を取り、軽く圧縮した後、カップ内のＦｅxＮ／グラファイトディスクに隣接して配置した。
Ｓ３ａ．図４及び図５に示すように、任意で、カップ内のダイヤモンド供給原料に隣接させて炭化物の裏打ち４０を挿入し、ＰＣＤ体の裏打ちを促進する。実施例１の試料ではこれは行わなかったが、実施例２（詳細は後述）など他の試料には含まれている。
Ｓ４．カップ内のＦｅxＮ／グラファイトディスク及びダイヤモンド砥粒を手で圧縮してグリーン体を形成する。カップ内のグリーン体の最終的な厚さは約４．６ｍｍであった。
Ｓ５．次いで、グリーン体が入ったカップをＨＰＨＴカプセルに入れ、続いてＨＰＨＴプレスに入れた。圧力は１分間で７．７ＧＰａまで高めた。温度は次のように変化させた。
－ ３０秒間：温度を安定的に約２２００～２３００℃に上昇（ＨＰＨＴプレス内のグラファイトヒーターで電力を５．８ｋＷに上昇）
－ ９０秒間：この温度範囲で維持
－ １０秒間：１０秒かけて温度を安定的に低下（電力をゼロに）
焼結により、前述のコバルトの場合と同様に、ＦｅxＮ／グラファイトをディスクからダイヤモンドに濾過させることができた。
Ｓ６．次いで、焼結成形体をＨＰＨＴプレスから取り出し、室温まで放冷した。
【0009】
図６は、後処理（例えばサンドブラスト）され、最終的な外径に至った裏打ちされたＰＣＤ焼結体の一例を示す。
図７は、ＰＣＤを通る鉄とコバルトの侵入プロファイルの一例、及びこれらがＰＣＤ焼結体の底部から上部へ、又はその逆に移動する程度を示す。
図７は、ＰＣＤを通る鉄とコバルトの侵入プロファイルの一例、及びこれらがＰＣＤ焼結体の底部から上部へ、又はその逆に移動する程度を示す。
【0010】
更なる試料の範囲
他の試料では、次の変動要素を調べた。
・２種類のダイヤモンド供給原料（Ｘ、Ｙ）
－ 単峰性のダイヤモンド粉末Ｘの平均粒径は約３０μｍであった。
－ 二峰性のダイヤモンド粉末Ｙは、平均粒径が２μｍのダイヤモンド粉末１５質量％、及び平均粒径が２２μｍのダイヤモンド粉末８５質量％を含んでいた。
・ダイヤモンドに対するバインダーの含有量は、７．５質量％、１０．０質量％、１２．５質量％
・ＰＣＤ台の厚さ：２～３．５ｍｍ
・裏打ちされた試料及び裏打ちされていない試料、即ちコバルトを含有する炭化タングステン基材の有無
・裏打ちされた試料では、基材中のコバルト含有量が、８．５％、１０％、及び１３％、並びに
・更に２つの焼結温度（１８００℃、１９００℃）
焼結成形体を岩石の機械加工用工具にろう付けすることが困難であったため、炭化物の裏打ちにダイヤモンドを焼結する追加作業を実施した（詳細は後述）。裏打ちされた試料は約１８００℃前後で焼結した。
厚いＰＣＤ台（厚さ＝３ｍｍ）ではクラックが発生したため、その後の試験ではＰＣＤの厚みを減らした。
初期の調査では、ＰＣＤ台の厚さが２ｍｍ、１３質量％のＣｏを含有する基材、１０質量％のＦｅxＮ＋Ｃ（グラファイトの形態）バインダーを有する裏打ちされたＰＣＤ体を１８００～１９００℃で焼結するのが最良の開始組み合わせであることが判明した。
他の試料では、次の変動要素を調べた。
・２種類のダイヤモンド供給原料（Ｘ、Ｙ）
－ 単峰性のダイヤモンド粉末Ｘの平均粒径は約３０μｍであった。
－ 二峰性のダイヤモンド粉末Ｙは、平均粒径が２μｍのダイヤモンド粉末１５質量％、及び平均粒径が２２μｍのダイヤモンド粉末８５質量％を含んでいた。
・ダイヤモンドに対するバインダーの含有量は、７．５質量％、１０．０質量％、１２．５質量％
・ＰＣＤ台の厚さ：２～３．５ｍｍ
・裏打ちされた試料及び裏打ちされていない試料、即ちコバルトを含有する炭化タングステン基材の有無
・裏打ちされた試料では、基材中のコバルト含有量が、８．５％、１０％、及び１３％、並びに
・更に２つの焼結温度（１８００℃、１９００℃）
焼結成形体を岩石の機械加工用工具にろう付けすることが困難であったため、炭化物の裏打ちにダイヤモンドを焼結する追加作業を実施した（詳細は後述）。裏打ちされた試料は約１８００℃前後で焼結した。
厚いＰＣＤ台（厚さ＝３ｍｍ）ではクラックが発生したため、その後の試験ではＰＣＤの厚みを減らした。
初期の調査では、ＰＣＤ台の厚さが２ｍｍ、１３質量％のＣｏを含有する基材、１０質量％のＦｅxＮ＋Ｃ（グラファイトの形態）バインダーを有する裏打ちされたＰＣＤ体を１８００～１９００℃で焼結するのが最良の開始組み合わせであることが判明した。
【実施例2】
【0011】
実施例２は、ダイヤモンドに対するバインダーの含有量が１０質量％である裏打ちされたＰＣＤ体である。実施例１と同様の方法で、ただし、低めの焼結温度１８００～１９００℃で作製した。
【0012】
プレスクリーニング試験の実施
プレスクリーニング試験のために、次の表１及び表２の変動要素を選択した。
プレスクリーニング試験は、以下の切削条件下で選択したＰＣＤ変形体を用いて、赤色花崗岩の機械加工で実施した：表面切削速度ｖc＝１００ｍ／分、送り速度ｆ＝０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み量ａp＝０．２５ｍｍ、水道水を使用した湿式加工条件。図８に示す標準的な手動旋盤を使用した。
力はＫｉｓｔｌｅｒ（登録商標）９１２９ＡＡ圧電式動力計を用いて測定した。
側面摩耗は光学顕微鏡Ｏｌｙｍｐｕｓ（登録商標）ＳＺＸ７を用いて測定した。
経時的な工具摩耗（ｍｍ）を図９に示す。図１０は、各工具でＶＢ摩耗が０．５ｍｍに達するのにかかる時間を示す。
実施例２が最高性能のＰＣＤ変形体であり、実施例１がそれに近いことが確認された。実施例２は、参考試料ＣＴ１０９９Ｅ０１及びＣＴ１０９９Ｅ０２と比べて、有意な性能向上（７０％）を示した。
参考までに、参考試料ＣＴ１０９９Ｅ０１及びＣＴ１０９９Ｅ０２は、以前の試験で、選択した岩石切断用途において従来の炭化物材料よりも性能が優れていたＰＣＤグレードである。
プレスクリーニング試験のために、次の表１及び表２の変動要素を選択した。
【表1】
【表2】
プレスクリーニング試験は、以下の切削条件下で選択したＰＣＤ変形体を用いて、赤色花崗岩の機械加工で実施した：表面切削速度ｖc＝１００ｍ／分、送り速度ｆ＝０．２ｍｍ／ｒｅｖ、切り込み量ａp＝０．２５ｍｍ、水道水を使用した湿式加工条件。図８に示す標準的な手動旋盤を使用した。
力はＫｉｓｔｌｅｒ（登録商標）９１２９ＡＡ圧電式動力計を用いて測定した。
側面摩耗は光学顕微鏡Ｏｌｙｍｐｕｓ（登録商標）ＳＺＸ７を用いて測定した。
経時的な工具摩耗（ｍｍ）を図９に示す。図１０は、各工具でＶＢ摩耗が０．５ｍｍに達するのにかかる時間を示す。
実施例２が最高性能のＰＣＤ変形体であり、実施例１がそれに近いことが確認された。実施例２は、参考試料ＣＴ１０９９Ｅ０１及びＣＴ１０９９Ｅ０２と比べて、有意な性能向上（７０％）を示した。
参考までに、参考試料ＣＴ１０９９Ｅ０１及びＣＴ１０９９Ｅ０２は、以前の試験で、選択した岩石切断用途において従来の炭化物材料よりも性能が優れていたＰＣＤグレードである。
【0013】
微細構造分析
最も結果が良かった変化形の微細構造を調べた。
微細構造を詳細に調べると、ダイヤモンド砥粒の連晶ネットワークに特定の析出４２が存在することが判明した。図１１と図１２、図１２と図１４、及び図１５と図１６で最もよくわかるように、析出の証拠が認められた。ＥＤＳを用いてそのような析出を調べると、Ｍｏ、Ｗ、及びＣを含有することがわかった。これらは主にＦｅxＮ析出を含み、ｘ＝２、３などであった。ＳＥＭで二次電子と透過モードを組み合わせると、析出がダイヤモンド砥粒構造内に存在し、ダイヤモンド砥粒構造の上には存在しないことが確認された。
Ｍｏは、ＨＰＨＴ焼結の際に使用した耐熱（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ）カップから侵入したと考えられる。
図１７で、裏打ちされた試料及び裏打ちされていない試料に存在する相が確認できる。
裏打ちされた試料では、例えば図１８に示すように、バインダープールに更にＦｅ及びＣｏが含まれていた。
裏打ちされていない試料では、例えば図１９及び図２０に示すように、Ｃ、Ｆｅ、Ｏ、及びＮの証拠が認められた。
析出は、小板状、針状、及び球状のうちいずれか１つ又は複数の形状である。析出の最大線寸法は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で測定して１μｍ以下、通常は５００ｎｍ未満であった。析出の平均最大線寸法は約１００ｎｍであった。
こうした析出が、参考変化形に匹敵する摩耗性能に寄与していると考えられる。
最も結果が良かった変化形の微細構造を調べた。
微細構造を詳細に調べると、ダイヤモンド砥粒の連晶ネットワークに特定の析出４２が存在することが判明した。図１１と図１２、図１２と図１４、及び図１５と図１６で最もよくわかるように、析出の証拠が認められた。ＥＤＳを用いてそのような析出を調べると、Ｍｏ、Ｗ、及びＣを含有することがわかった。これらは主にＦｅxＮ析出を含み、ｘ＝２、３などであった。ＳＥＭで二次電子と透過モードを組み合わせると、析出がダイヤモンド砥粒構造内に存在し、ダイヤモンド砥粒構造の上には存在しないことが確認された。
Ｍｏは、ＨＰＨＴ焼結の際に使用した耐熱（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ）カップから侵入したと考えられる。
図１７で、裏打ちされた試料及び裏打ちされていない試料に存在する相が確認できる。
裏打ちされた試料では、例えば図１８に示すように、バインダープールに更にＦｅ及びＣｏが含まれていた。
裏打ちされていない試料では、例えば図１９及び図２０に示すように、Ｃ、Ｆｅ、Ｏ、及びＮの証拠が認められた。
析出は、小板状、針状、及び球状のうちいずれか１つ又は複数の形状である。析出の最大線寸法は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で測定して１μｍ以下、通常は５００ｎｍ未満であった。析出の平均最大線寸法は約１００ｎｍであった。
こうした析出が、参考変化形に匹敵する摩耗性能に寄与していると考えられる。
【0014】
結論
要約すると、本発明者らは、過酷な工具用途での使用に適し、ＣＲＭの実用的な代替品となるいくつかの材料の特定に成功した。特に、ＦｅxＮバインダーを用いたＰＣＤ材料は、従来のＣｏ－ＰＣＤ参考グレードと同等の性能を有しており、従って、Ｃｏの使用量を削減するための相応の代用品となるであろう。
ＰＣＤ材料は、切削加工、研削加工、機械加工、衝撃による岩石破砕などの岩石除去用途に有用である。同様にＰＣＤ材料は、金属、金属マトリックス複合材料（ＭＭＣ）、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）、及びセラミック材料の機械加工にも有望である。機械加工は、旋盤加工、フライス加工、及び穴あけ加工などであるとみなされる。
実施形態を参照して本発明を具体的に示し、説明してきたが、当業者は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に種々な変更をなし得ることを理解するであろう。
要約すると、本発明者らは、過酷な工具用途での使用に適し、ＣＲＭの実用的な代替品となるいくつかの材料の特定に成功した。特に、ＦｅxＮバインダーを用いたＰＣＤ材料は、従来のＣｏ－ＰＣＤ参考グレードと同等の性能を有しており、従って、Ｃｏの使用量を削減するための相応の代用品となるであろう。
ＰＣＤ材料は、切削加工、研削加工、機械加工、衝撃による岩石破砕などの岩石除去用途に有用である。同様にＰＣＤ材料は、金属、金属マトリックス複合材料（ＭＭＣ）、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）、及びセラミック材料の機械加工にも有望である。機械加工は、旋盤加工、フライス加工、及び穴あけ加工などであるとみなされる。
実施形態を参照して本発明を具体的に示し、説明してきたが、当業者は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に種々な変更をなし得ることを理解するであろう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【手続補正書】
【提出日】2022-06-07
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
以下のステップを含む多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）体の製造方法：ａ．ＦｅxＮとグラファイト粉末の前駆体バインダー混合物を形成すること；
ｂ．前記前駆体バインダー混合物を耐熱カップに層として添加すること；
ｃ．ダイヤモンド供給原料を、前記前駆体バインダー混合物に隣接させて前記カップに添加すること；
ｄ．前記カップ内で前記前駆体バインダー混合物及びダイヤモンド供給原料を圧縮成形し、グリーン体を形成すること；
ｅ．前記グリーン体を、１７００～２３００℃の温度及び約７ＧＰａ以上の圧力で少なくとも３０秒間焼結し、ＰＣＤ焼結体を形成すること。
【請求項2】
前記ＰＣＤ体が、ダイヤモンドネットワークを形成する連晶ダイヤモンド砥粒及び鉄含有バインダーから形成されるＰＣＤ材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記グリーン体を１８００～１９００℃の範囲の温度で焼結する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項4】
前記グリーン体を２２００～２３００℃の範囲の温度で焼結する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項5】
焼結前に前記前駆体バインダー混合物の第２の層を添加するステップを更に含む、請求項１～４のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
焼結前に炭化物基材を前記カップに添加するステップを更に含む、請求項１～５のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項7】
前記ダイヤモンド供給原料が前記前駆体バインダー混合物の第１の層と前記前駆体バインダー混合物の第２の層の間にあり、且つ前記炭化物基材が、前記前駆体バインダー混合物の第２の層に隣接し、前記ダイヤモンド供給原料から離間している、請求項５に従属する場合の請求項６に記載の方法。
【請求項8】
前記基材が、約８．５質量％、１０質量％、又は１３質量％のコバルトを含有する、請求項６又は７に記載の方法。
【請求項9】
ダイヤモンドに対するバインダーの割合が、５～３０質量％、好ましくは５～２５質量％、より好ましくは５～２０質量％、又は更により好ましくは５～１５質量％である、請求項１～８のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項10】
ダイヤモンドに対するバインダーの割合が、７．５質量％、１０．０質量％、又は１２．５質量％である、請求項９に記載の方法。
【請求項11】
前記前駆体バインダー混合物中のグラファイトに対するＦｅxＮの割合が４０～６０容量％である、請求項１～１０のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項12】
前記前駆体バインダー混合物中のグラファイトに対するＦｅxＮの割合が約５０容量％である、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記ダイヤモンド供給原料が二峰性である、請求項１～１２のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項14】
前記ダイヤモンド供給原料が単峰性である、請求項１～１２のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項15】
前記ダイヤモンド供給原料が、砥粒粒径が１７～１９μｍのダイヤモンド源を含む、請求項１～１４のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項16】
前記ダイヤモンド供給原料が、砥粒粒径が３～４μｍのダイヤモンド源を含む、請求項１～１４のうちいずれか一項に記載の方法。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0014】
結論
要約すると、本発明者らは、過酷な工具用途での使用に適し、ＣＲＭの実用的な代替品となるいくつかの材料の特定に成功した。特に、ＦｅxＮバインダーを用いたＰＣＤ材料は、従来のＣｏ－ＰＣＤ参考グレードと同等の性能を有しており、従って、Ｃｏの使用量を削減するための相応の代用品となるであろう。
ＰＣＤ材料は、切削加工、研削加工、機械加工、衝撃による岩石破砕などの岩石除去用途に有用である。同様にＰＣＤ材料は、金属、金属マトリックス複合材料（ＭＭＣ）、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）、及びセラミック材料の機械加工にも有望である。機械加工は、旋盤加工、フライス加工、及び穴あけ加工などであるとみなされる。
実施形態を参照して本発明を具体的に示し、説明してきたが、当業者は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に種々な変更をなし得ることを理解するであろう。
次に、本発明の好ましい態様を示す。
１． ダイヤモンドネットワークを形成する連晶ダイヤモンド砥粒及び鉄含有バインダーから形成されるＰＣＤ材料を含む多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）体。
２． 前記鉄含有バインダーがＦｅ x Ｎを含む、上記１に記載のＰＣＤ体。
３． 前記鉄含有バインダーが析出物を含む、上記１又は２に記載のＰＣＤ体。
４． 前記析出物がダイヤモンド砥粒の境界及び／又は前記ダイヤモンド砥粒内に位置する、上記３に記載のＰＣＤ体。
５． 前記析出物の最大線寸法が５００ｎｍ以下である、上記３又は４に記載のＰＣＤ体。
６． 前記析出物の最大線寸法が８０～１２０ｎｍ、好ましくは９０～１１０ｎｍの範囲である、上記３～５のうちいずれか一項に記載のＰＣＤ体。
７． 前記ＰＣＤ体が超硬合金基材で裏打ちされている、上記１～６のうちいずれか一項に記載のＰＣＤ体。
８． 前記鉄含有バインダーが、モリブデン、タングステン、鉄、及び／又は炭素のうちいずれか１つ又は複数を含有する析出物を含む、上記３～６に従属する場合の上記７に記載のＰＣＤ体。
９． コバルトを含むバインダープールを含む、上記１～８のうちいずれか一項に記載のＰＣＤ体。
１０． モリブデン及び／又はタングステンを含有する前記析出物が前記バインダープール内に存在する、上記８に従属する場合の上記９に記載のＰＣＤ体。
１１． 前記ＰＣＤ体の厚さが３．０ｍｍ以下である、上記１～１０のうちいずれか一項に記載のＰＣＤ体。
１２． 前記ＰＣＤ体の厚さが２．５ｍｍ以下である、上記１～１１のうちいずれか一項に記載のＰＣＤ体。
１３． 切削加工、研削加工、機械加工、衝撃による岩石破砕などの岩石除去用途における、上記１～１２のうちいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）体の使用。
１４． 金属、金属マトリックス複合材料（ＭＭＣ）、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）、又はセラミック材料の機械加工における、上記１～１３のうちいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）体の使用であって、前記機械加工に、旋盤加工、フライス加工、及び穴あけ加工を含む使用。
１５． 以下のステップを含む多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）体の製造方法：
ａ．Ｆｅ x Ｎとグラファイト粉末の前駆体バインダー混合物を形成すること；
ｂ．前記前駆体バインダー混合物を耐熱カップに層として添加すること；
ｃ．ダイヤモンド供給原料を、前記前駆体バインダー混合物に隣接させて前記カップに添加すること；
ｄ．前記カップ内で前記前駆体バインダー混合物及びダイヤモンド供給原料を圧縮成形し、グリーン体を形成すること；
ｅ．前記グリーン体を、１７００～２３００℃の温度及び約７ＧＰａ以上の圧力で少なくとも３０秒間焼結し、ＰＣＤ焼結体を形成すること。
１６． 前記ＰＣＤ体が、上記１～１２のうちいずれか一項に記載のものである、上記１５に記載の方法。
１７． 前記グリーン体を１８００～１９００℃の範囲の温度で焼結する、上記１５又は１６に記載の方法。
１８． 前記グリーン体を２２００～２３００℃の範囲の温度で焼結する、上記１５又は１６に記載の方法。
１９． 焼結前に前記前駆体バインダー混合物の第２の層を添加するステップを更に含む、上記１５～１８のうちいずれか一項に記載の方法。
２０． 焼結前に炭化物基材を前記カップに添加するステップを更に含む、上記１５～１９のうちいずれか一項に記載の方法。
２１． 前記ダイヤモンド供給原料が前記前駆体バインダー混合物の第１の層と前記前駆体バインダー混合物の第２の層の間にあり、且つ前記炭化物基材が、前記前駆体バインダー混合物の第２の層に隣接し、前記ダイヤモンド供給原料から離間している、上記１９に従属する場合の上記２０に記載の方法。
２２． 前記基材が、約８．５質量％、１０質量％、又は１３質量％のコバルトを含有する、上記２０又は２１に記載の方法。
２３． ダイヤモンドに対するバインダーの割合が、５～３０質量％、好ましくは５～２５質量％、より好ましくは５～２０質量％、又は更により好ましくは５～１５質量％である、上記１５～２２のうちいずれか一項に記載の方法。
２４． ダイヤモンドに対するバインダーの割合が、７．５質量％、１０．０質量％、又は１２．５質量％である、上記２３に記載の方法。
２５． 前記前駆体バインダー混合物中のグラファイトに対するＦｅ x Ｎの割合が４０～６０容量％である、上記１５～２４のうちいずれか一項に記載の方法。
２６． 前記前駆体バインダー混合物中のグラファイトに対するＦｅ x Ｎの割合が約５０容量％である、上記２５に記載の方法。
２７． 前記ダイヤモンド供給原料が二峰性である、上記１５～２６のうちいずれか一項に記載の方法。
２８． 前記ダイヤモンド供給原料が単峰性である、上記１５～２６のうちいずれか一項に記載の方法。
２９． 前記ダイヤモンド供給原料が、砥粒粒径が１７～１９μｍのダイヤモンド源を含む、上記１５～２８のうちいずれか一項に記載の方法。
３０． 前記ダイヤモンド供給原料が、砥粒粒径が３～４μｍのダイヤモンド源を含む、上記１５～２８のうちいずれか一項に記載の方法。
要約すると、本発明者らは、過酷な工具用途での使用に適し、ＣＲＭの実用的な代替品となるいくつかの材料の特定に成功した。特に、ＦｅxＮバインダーを用いたＰＣＤ材料は、従来のＣｏ－ＰＣＤ参考グレードと同等の性能を有しており、従って、Ｃｏの使用量を削減するための相応の代用品となるであろう。
ＰＣＤ材料は、切削加工、研削加工、機械加工、衝撃による岩石破砕などの岩石除去用途に有用である。同様にＰＣＤ材料は、金属、金属マトリックス複合材料（ＭＭＣ）、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）、及びセラミック材料の機械加工にも有望である。機械加工は、旋盤加工、フライス加工、及び穴あけ加工などであるとみなされる。
実施形態を参照して本発明を具体的に示し、説明してきたが、当業者は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に種々な変更をなし得ることを理解するであろう。
次に、本発明の好ましい態様を示す。
１． ダイヤモンドネットワークを形成する連晶ダイヤモンド砥粒及び鉄含有バインダーから形成されるＰＣＤ材料を含む多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）体。
２． 前記鉄含有バインダーがＦｅ x Ｎを含む、上記１に記載のＰＣＤ体。
３． 前記鉄含有バインダーが析出物を含む、上記１又は２に記載のＰＣＤ体。
４． 前記析出物がダイヤモンド砥粒の境界及び／又は前記ダイヤモンド砥粒内に位置する、上記３に記載のＰＣＤ体。
５． 前記析出物の最大線寸法が５００ｎｍ以下である、上記３又は４に記載のＰＣＤ体。
６． 前記析出物の最大線寸法が８０～１２０ｎｍ、好ましくは９０～１１０ｎｍの範囲である、上記３～５のうちいずれか一項に記載のＰＣＤ体。
７． 前記ＰＣＤ体が超硬合金基材で裏打ちされている、上記１～６のうちいずれか一項に記載のＰＣＤ体。
８． 前記鉄含有バインダーが、モリブデン、タングステン、鉄、及び／又は炭素のうちいずれか１つ又は複数を含有する析出物を含む、上記３～６に従属する場合の上記７に記載のＰＣＤ体。
９． コバルトを含むバインダープールを含む、上記１～８のうちいずれか一項に記載のＰＣＤ体。
１０． モリブデン及び／又はタングステンを含有する前記析出物が前記バインダープール内に存在する、上記８に従属する場合の上記９に記載のＰＣＤ体。
１１． 前記ＰＣＤ体の厚さが３．０ｍｍ以下である、上記１～１０のうちいずれか一項に記載のＰＣＤ体。
１２． 前記ＰＣＤ体の厚さが２．５ｍｍ以下である、上記１～１１のうちいずれか一項に記載のＰＣＤ体。
１３． 切削加工、研削加工、機械加工、衝撃による岩石破砕などの岩石除去用途における、上記１～１２のうちいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）体の使用。
１４． 金属、金属マトリックス複合材料（ＭＭＣ）、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）、又はセラミック材料の機械加工における、上記１～１３のうちいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）体の使用であって、前記機械加工に、旋盤加工、フライス加工、及び穴あけ加工を含む使用。
１５． 以下のステップを含む多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）体の製造方法：
ａ．Ｆｅ x Ｎとグラファイト粉末の前駆体バインダー混合物を形成すること；
ｂ．前記前駆体バインダー混合物を耐熱カップに層として添加すること；
ｃ．ダイヤモンド供給原料を、前記前駆体バインダー混合物に隣接させて前記カップに添加すること；
ｄ．前記カップ内で前記前駆体バインダー混合物及びダイヤモンド供給原料を圧縮成形し、グリーン体を形成すること；
ｅ．前記グリーン体を、１７００～２３００℃の温度及び約７ＧＰａ以上の圧力で少なくとも３０秒間焼結し、ＰＣＤ焼結体を形成すること。
１６． 前記ＰＣＤ体が、上記１～１２のうちいずれか一項に記載のものである、上記１５に記載の方法。
１７． 前記グリーン体を１８００～１９００℃の範囲の温度で焼結する、上記１５又は１６に記載の方法。
１８． 前記グリーン体を２２００～２３００℃の範囲の温度で焼結する、上記１５又は１６に記載の方法。
１９． 焼結前に前記前駆体バインダー混合物の第２の層を添加するステップを更に含む、上記１５～１８のうちいずれか一項に記載の方法。
２０． 焼結前に炭化物基材を前記カップに添加するステップを更に含む、上記１５～１９のうちいずれか一項に記載の方法。
２１． 前記ダイヤモンド供給原料が前記前駆体バインダー混合物の第１の層と前記前駆体バインダー混合物の第２の層の間にあり、且つ前記炭化物基材が、前記前駆体バインダー混合物の第２の層に隣接し、前記ダイヤモンド供給原料から離間している、上記１９に従属する場合の上記２０に記載の方法。
２２． 前記基材が、約８．５質量％、１０質量％、又は１３質量％のコバルトを含有する、上記２０又は２１に記載の方法。
２３． ダイヤモンドに対するバインダーの割合が、５～３０質量％、好ましくは５～２５質量％、より好ましくは５～２０質量％、又は更により好ましくは５～１５質量％である、上記１５～２２のうちいずれか一項に記載の方法。
２４． ダイヤモンドに対するバインダーの割合が、７．５質量％、１０．０質量％、又は１２．５質量％である、上記２３に記載の方法。
２５． 前記前駆体バインダー混合物中のグラファイトに対するＦｅ x Ｎの割合が４０～６０容量％である、上記１５～２４のうちいずれか一項に記載の方法。
２６． 前記前駆体バインダー混合物中のグラファイトに対するＦｅ x Ｎの割合が約５０容量％である、上記２５に記載の方法。
２７． 前記ダイヤモンド供給原料が二峰性である、上記１５～２６のうちいずれか一項に記載の方法。
２８． 前記ダイヤモンド供給原料が単峰性である、上記１５～２６のうちいずれか一項に記載の方法。
２９． 前記ダイヤモンド供給原料が、砥粒粒径が１７～１９μｍのダイヤモンド源を含む、上記１５～２８のうちいずれか一項に記載の方法。
３０． 前記ダイヤモンド供給原料が、砥粒粒径が３～４μｍのダイヤモンド源を含む、上記１５～２８のうちいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】