多結晶ダイヤモンド複合成形体
超硬合金基材に結合されたＰＣＤ構造を備える多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）複合成形体要素であって、基材の少なくとも周辺領域が、少なくとも約０．１ミクロン、かつ、多くとも約０．７ミクロンの平均自由行程（ＭＦＰ）特性および少なくとも約１．９ＧＰａの弾性限界を有する超硬合金材料を備える、多結晶ダイヤモンド複合成形体要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多結晶ダイヤモンド複合成形体、これを利用する工具、ならびにその製造方法および使用方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）は超硬質体であり、相互成長したダイヤモンド粒の塊およびそのダイヤモンド粒間の隙間を含む超砥粒材料としても知られている。ＰＣＤはダイヤモンド粒の凝集した塊を極めて高い圧力および温度にさらすことによって製造されることもある。隙間を全体的にまたは部分的に埋める材料は、充填材と称されることがある。ＰＣＤは、コバルトのような、ダイヤモンド粒の相互成長を促進することができる焼結助剤の存在下で形成されることがある。焼結助剤は、そのダイヤモンドをある程度溶解する機能からおよびダイヤモンドの析出を触媒する機能から、ダイヤモンド用の溶媒／触媒材料と称されることもある。ダイヤモンド用の溶媒／触媒は、ダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力および温度条件で、ダイヤモンドの成長またはダイヤモンド粒間のダイヤモンドからダイヤモンドへの直接相互成長を促進することができる材料であることが理解される。従って、焼結されたＰＣＤ製品内の隙間は、残留溶媒／触媒材料で全体的にまたは部分的に満たされることがある。ＰＣＤは、ＰＣＤへコバルト溶媒／触媒源を提供することがあるコバルト焼結炭化タングステン基材上に、形成されることもある。
【０００３】
ＰＣＤは、岩、金属、セラミックス、複合材料および木を含む材料のような硬質もしくは研削性材料を、切断し、機械加工し、穴あけし、または削り取る工具などの幅広い種類の工具に使用されることができる。例えば、ＰＣＤ要素は、石油およびガス採掘産業において、地面を穿孔するのに用いられるドリルビットの切断要素として用いられることがある。これらの用途の多くにおいて、高いエネルギーで岩石層、ワークピース、または塊に用いると、ＰＣＤ材料の温度が上昇することがある。残念ながら、硬度および強度のようなＰＣＤの機械的特性は、主に残留溶媒／触媒材料がその中で分散する結果として、高温で低下する傾向がある。
【０００４】
米国特許第３，７４５，６２３号には、９４重量パーセントの炭化タングステンと６重量パーセントのコバルトを含む超硬合金体に結合された、多結晶ダイヤモンド層を含むＰＣＤ要素が開示されている。米国特許第４，３８０，４７１号には、様々な等級の焼結炭化タングステンがＰＣＤ要素用の基材として用いられることがあると開示されており、その等級には、カーボロイ（Ｃａｒｂｏｌｏｙ）（登録商標）の種類で、４４Ａ、９０、８８３および９９９という、それぞれコバルトを６重量パーセント、１０重量パーセント、６重量パーセントおよび３重量パーセント含むものも含まれる。米国特許第５，３０４，３４２号では、所与の用途において、可能な限り硬いＷＣ−Ｃｏで超硬合金基材を提供し、それによりＰＣＤ層の偏向を最小限に抑え、ＰＣＤ破損の可能性を減らすことが望ましいと考察されている。しかし、弾性係数が高すぎると、挿入体が掘削中に折れて取れやすい。
【０００５】
米国特許第５，６６７，０２８号では、ビットが回転するにつれて、ＰＤＣカッターのＰＤＣ切断層の刃が接触し、ドリルで穴を空けられている地層で「切り」取ることが考察されている。同時に、露出したカッター体の一部も地層表面と接触する。この接触によってカッター体が摩滅する。また、多数の切断表面を備え、そのうちの少なくとも２つが隣接しておらず、高められた耐用年数をもたらす、改善された多結晶ダイヤモンド複合体（「ＰＤＣ」）ドラッグ・ビット（drag bit）カッターが開示されている。ＰＤＣカッターの液体腐食も起こる可能性がある。
【０００６】
米国特許第５，４３１，２３９号には、構造断面を横切って異なる材料特性を有することで、破壊靱性と呼ばれる、耐破壊性と組み合わさった硬質材料の耐摩耗性を提供する複合スタッド（stud）構造が開示されている。一態様において、スタッドは、大粒径炭化タングステンまたは高コバルト含有量の炭化タングステンのようなより高いまたは高められた破壊靱性を有する材料の内核からなり、硬く、かつ、耐摩耗性の材料の外層で囲まれている。典型的な材料は低コバルト焼結炭化タングステンである。６％のコバルトは可能であるが、約９〜１２％のコバルトが好ましい範囲である。コバルト含有量は焼結炭化タングステン中で通常６〜２０パーセントに及ぶ。高いコバルト含有量とは、約１５％より大きいことをいう。強度または高い破壊靱性を設計するために、炭化物粒径およびコバルト含有量はいずれも変化させられることができる。切断面は多結晶ダイヤモンドのような超硬材料から通常製造される。
【０００７】
米国特許第６，２１６，８０５号には、耐摩滅性、かつ、耐摩耗性の材料を含む基部を含む切断要素が開示されている。切断要素の刃は、それに固定された超砥粒切断台を有するように構成されている。ある態様において、基部は耐摩滅性、かつ、耐摩耗性の材料から組立てられている。例えば、基部は炭化物（例えば炭化タングステン）およびバインダー材料（例えば、コバルト）からなっていてよい。基部を組立てるのに比較的多くのバインダーを用いる場合、基部の耐摩滅性および耐摩耗性は低減する。より小さい炭化物粒を有する超硬合金構造は、典型的にはより耐摩滅性、かつ、耐摩耗性であるが、より大きな炭化物粒で形成された超硬合金構造に比べて、靱性、延性および耐衝撃性は低い。
【０００８】
米国特許第６，２５８，１３９号には、基材が十分に摩滅された場合に露出するための追加のダイヤモンドを提供する、基材中に内部ダイヤモンド核を有するＰＤＣ（多結晶ダイヤモンド成形体）が開示されている。また、ダイヤモンド領域における高い引っ張り強度を回避するために、ＰＤＣカッターのダイヤモンド領域で完全に包み込まれた、内部炭化物核を有するＰＤＣも開示されている。
【０００９】
Ｆｒｅｉｎｋｅｌは、１．６ミクロンから２．２ミクロンの範囲のＷＣ粒径が、焼結ＷＣにとって最適な耐摩耗性をもたらすと開示している（"Energy loss mechanisms in the erosion of cemented WC", Scripta Metallurgica, 23, 1989, pp. 659-664）。
【００１０】
米国特許第７，０１７，６７７号では、剪断機用の現行の基材が約１〜３ミクロンの範囲の粒径、約９重量パーセントから１６重量パーセントの範囲のコバルト含有量、および約８６Ｒａから８９Ｒａの範囲の硬度を有する焼結炭化タングステン粒子から一般的に形成されることが考察されている。
【００１１】
米国特許第７，５５６，６６８号には、約７５重量パーセントのＷＣのような硬質粒子、および約２５重量パーセントのＣｏのようなバインダー材料から製造した強化された硬質材料の態様が開示されている。また、多結晶ダイヤモンド成形体（ＰＤＣ）剪断型カッターも開示されており、この特許において開示された硬質材料は、著しく高い温度および圧力で基材の上に形成される多結晶ダイヤモンドの層または「台」を運ぶのに用いられる、剪断カッター基材を形成するのに用いられてもよい。
【００１２】
耐破壊性を実質的に妥協することなく、全体的な耐摩滅性を改善した多結晶ダイヤモンド成形体（ＰＤＣ）カッター要素が必要とされている。
【発明の概要】
【００１３】
本発明は、基材に結合されたＰＣＤ構造を備える多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）複合成形体要素であって、前記基材の少なくとも周辺領域が、少なくとも約０．１ミクロン、かつ、多くとも約０．７ミクロン、または多くとも約０．３５ミクロンの平均自由行程（ＭＦＰ）特性および少なくとも約１．９ＧＰａの弾性限界を有する超硬合金材料を備える、多結晶ダイヤモンド複合成形体要素を提供するものである。本発明の一態様において、前記基材の前記周辺領域は、前記基材の露出された周辺表面の少なくとも１つの領域に隣接していてもよい。
【００１４】
本発明のいくつかの態様において、超硬合金材料は金属炭化物粒子および金属バインダー材料を含んでいてよく、基材の少なくとも周辺領域内、または実質的に基材全体にわたって、金属バインダー材料の含有量は、超硬合金材料の、少なくとも約１重量パーセント、少なくとも約３重量パーセント、少なくとも約５重量パーセントまたは少なくとも６重量パーセントであり、多くとも約１２重量パーセント、多くとも約１１重量パーセント、または多くとも約１０重量パーセントであってよい。いくつかの態様において、金属バインダー材料の含有量は、９重量パーセント未満であってよい。本発明の一態様において、超硬合金材料は、超硬合金材料の約８重量パーセントから約１３重量パーセントの範囲で金属バインダーを含んでいてよい。
【００１５】
本発明のいくつかの態様において、少なくとも周辺領域内での金属炭化物の粒子は、少なくとも約０．１ミクロン、少なくとも約０．５ミクロン、少なくとも約１ミクロン、少なくとも約３ミクロンまたは少なくとも約５ミクロンであり、多くとも約２０ミクロン、多くとも約１０ミクロン、多くとも約２ミクロンまたは多くとも約１ミクロンの平均径を有していてよい。本発明の一態様において、超硬合金材料は、約１．５ミクロンから約３ミクロンの範囲の平均径を有する金属炭化物を含んでいてよい。
【００１６】
本発明のいくつかの態様において、金属炭化物材料は炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）または他の耐火性金属炭化物を含んでいてよい。本発明の一態様において、金属バインダー材料は、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、もしくは鉄（Ｆｅ）、またはＣｏ、ＦｅもしくはＮｉを含む合金を含んでいてよい。いくつかの態様において、金属バインダー材料は、実質的に面心立方（ｆｃｃ）形態または実質的に六方最密充填（ｈｃｐ）結晶学的形態のＣｏを含んでいてよい。
【００１７】
本発明の一態様において、金属バインダー材料は低いレベルの炭素および高いレベルのＷを含んでいてよい。一態様において、金属炭化物粒は、実質的に尖った面または端がなく、実質的に丸いＷＣ粒であってよい。本発明の一態様において、金属バインダー材料はタングステン（Ｗ）もしくは炭素（Ｃ）、またはＷとＣの両方のＣｏ中での固溶体を含んでいてよい。
【００１８】
本発明のいくつかの態様において、金属バインダー材料は、炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）もしくは炭化バナジウム（ＶＣ）の粒子、またはその中に分散されたＣｒ３Ｃ２とＶＣの粒子を含んでいてよく、いくつかの態様において、金属バインダー材料中のＣｒ３Ｃ２とＶＣの粒子の複合含有量は約１重量パーセント未満でよい。一態様において、金属バインダー材料はＣｏ、ＮｉおよびＣｒ３Ｃ２を含んでいてよく、さらに、一態様において、金属バインダー材料はＣｏおよびＣｒ３Ｃ２を含んでいてよく、そしてＮｉを実質的に含まなくてよい。
【００１９】
本発明のいくつかの態様において、金属バインダー材料は、Ｗ、Ｔｉ、ＴａおよびＣｒのような耐火性金属を、バインダー材料の約５原子パーセントから約３０原子パーセントの範囲の濃度で含んでいてよい。一態様において、金属バインダー材料は、約５原子パーセントから約３０原子パーセントの範囲、または約１０原子パーセントから約３０原子パーセントの範囲の高濃度のＷを含むＣｏを含んでいてよい。一態様において、バインダー材料中のＣｏの格子定数は、純粋なＣｏの格子定数（０．３５４５ｎｍ）よりも約１％〜約５％大きくてよい。
【００２０】
本発明のいくつかの態様において、約０．１ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲、または約０．１ｎｍ〜約２００ｎｍの範囲の平均径を有する金属炭化物または金属含有ナノ粒子が、金属バインダー材料中に分散されていてよい。金属バインダー材料中に分散したナノ粒子は、バインダーを著しく補強したり、強化したりする可能性がある。いくつかの態様において、金属バインダー材料中のナノ粒子の含有量は、金属バインダー材料の少なくとも５体積パーセントでよい。いくつかの態様において、超硬合金基材の少なくとも周辺領域に実質的にエータ相がない。
【００２１】
本発明のいくつかの態様において、超硬合金基材の少なくとも周辺領域、または実質的に基材の全体が、多くとも約７００Ｏｅ（エルステッド）もしくは同等に約５５．７ｋＡ／ｍ、であって少なくとも約１００Ｏｅもしくは同等に約７．９６ｋＡ／ｍ、または少なくとも約２００Ｏｅもしくは同等に約１５．９ｋＡ／ｍの磁気保磁力Ｈｃを有していてよい。
【００２２】
本発明の一態様において、金属炭化物材料はＷＣであってよく、金属バインダーの含有量が約１〜約１２重量パーセントの範囲、または約５〜約１１重量パーセントの範囲にあり、金属バインダーはＣｏを含み、ここで、超硬合金が最大１７．０ｋＡ／ｍ、最大９．５ｋＡ／ｍ、最大８ｋＡ／ｍまたは１．６〜６．４ｋＡ／ｍの範囲の磁気保磁力を有し、磁気モーメントσをマイクロテスラ立方メートル毎キログラムの単位で、超硬合金の重量パーセントにおけるＣｏ比率（Ｘ）の関数として、それぞれ、σ＝０．１１Ｘからσ＝０．１３７Ｘの範囲で有する。
【００２３】
本発明のいくつかの態様において、ＰＣＤ構造は少なくとも約０．５ミクロン、少なくとも約２ミクロン、または少なくとも約４ミクロンの平均径を有する相互に結合したダイヤモンド粒を含んでいてよく、さらにいくつかの態様において、ＰＣＤ構造は多くとも約２０ミクロン、多くとも約１５ミクロンまたは多くとも約１０ミクロンの平均径を有する相互に結合したダイヤモンド粒を含んでいてよい。一態様において、ＰＣＤ構造は熱的に安定なＰＣＤ材料を含んでいてよく、実質的に金属溶媒／触媒材料がない領域を少なくとも含んでよい。いくつかの態様において、ＰＣＤ構造は基材にろう付けされ、一態様において、ＰＣＤは一体的に形成されて基材に結合されてよい。
【００２４】
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）複合成形体要素の製造方法が提供され、この方法は、金属炭化物の粒子および金属バインダー材料を含む超硬合金基材を用意することを含み、ここで金属バインダーの含有量は少なくとも約１重量パーセント、少なくとも約３重量パーセント、少なくとも約５重量パーセント、または少なくとも約６重量パーセントであって、多くとも約１２重量パーセント、多くとも約１１重量パーセントまたは多くとも約１０重量パーセントであってよく、さらに、ダイヤモンド用の溶媒／触媒材料を含む、ダイヤモンド粒子の凝集した塊を用意すること、凝集した塊を基材の表面に接触させて結合していない組立品を形成すること、およびダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力および温度で結合していない組立品を焼結して、超硬合金基材に結合したＰＣＤ構造を形成すること、を含む。温度は少なくとも摂氏１，４００度であってよく、圧力は少なくとも５．５ＧＰａであってよい。本方法は本発明の一側面である。本発明のいくつかの態様において、焼結前組立品は、少なくとも約６ＧＰａ、少なくとも約６．５ＧＰａ、少なくとも約７ＧＰａそれとも少なくとも約７．５ＧＰａの圧力に曝されてもよい。
【００２５】
本発明の一つの変法において、基材の少なくとも周辺領域が、少なくとも約０．１ミクロン、かつ、多くとも約０．７ミクロンまたは多くとも約０．３５ミクロンの平均自由行程（ＭＦＰ）特性、および少なくとも約１．９ＧＰａの弾性限界を有する超硬合金材料を含んでいてよい。一つの変法において、基材の周辺領域は、基材の露出した周辺表面の少なくとも一部に隣接していてよい。
【００２６】
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）複合成形体要素の製造方法が提供され、その方法は、少なくとも周辺領域が少なくとも約０．１ミクロン、かつ、多くとも約０．７ミクロンの平均自由行程（ＭＦＰ）特性および少なくとも約１．９ＧＰａの弾性限界を有する超硬合金材料、を含む超硬合金基材を用意すること、金属炭化物の粒子および金属バインダー材料を含み、金属バインダーの含有量が少なくとも約１重量パーセント、かつ、多くとも約１２重量パーセントである周辺領域、ダイヤモンド粒子の凝集した塊を用意すること、ダイヤモンド用の溶媒／触媒材料を凝集した塊の中に導入すること、および基材と接触している凝集した塊をダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力および温度で焼結して、超硬合金基材に結合されたＰＣＤ構造を形成すること、を含む。本方法は本発明の一側面である。
【００２７】
いくつかの態様において、金属バインダーはダイヤモンド用の溶媒／触媒を含んでいてよい。
【００２８】
本方法のいくつかの態様において、ダイヤモンド用の溶媒／触媒は、焼結工程の前または焼結工程の一部として、溶媒／触媒材料を粉末形態でダイヤモンド粒と混合すること、溶媒／触媒材料をダイヤモンド粒の表面上に堆積させること、または溶媒／触媒材料を基材以外の材料源から凝集した塊の中に染み込ませること、によってダイヤモンド粒の凝集した塊の中に導入されてよい。
【００２９】
本発明の一態様において、本方法は ＰＣＤ構造の少なくとも一部、特にＰＣＤ複合成形体要素の作用表面に隣接するＰＣＤ構造の一部から、溶媒／触媒材料を取り除く工程を含んでよい。
【００３０】
本発明によるＰＣＤ複合成形体要素の態様は、石油およびガス採掘産業で用いられる回転剪断ビットのような、地面穿孔ドリルビットに適していてよい。ＰＣＤ複合成形体要素は、固定カッタードリルビット、回転コーン、穴あけ工具、拡張可能な工具(expandable tool)、リーマーまたは他の地面穿孔工具に適していてよい。
【００３１】
本発明の一側面によって、本発明によるＰＣＤ複合成形体要素の態様を備える工具が提供され、この工具は切断、フライス加工、破砕、穴あけ、地面穿孔、削岩または金属の切断および機械加工のような他の研磨用途用である。
【００３２】
一態様において、工具は地面穿孔用または削岩用のドリルビットを含んでいてよい。一態様において、工具は石油およびガス採掘産業で用いられる回転剪断ビットを含んでいてよい。いくつかの態様において、工具は回転コーンドリルビット、穴あけ工具、拡張可能な工具、リーマーまたは他の地面穿孔工具であってよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
本発明の非制限態様が、添付図面を参照しつつ説明される。
【図１】超硬合金の微細構造の模式図を示す図である。
【図２】ＰＣＤ複合成形体要素の一態様の模式斜視図を示す図である。
【図３】ＰＣＤ複合成形体要素の一態様の模式長手方向断面図を示す図である。
【図４Ａ】ＰＣＤ複合成形体要素の一態様の模式斜視図を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示されたＰＣＤ複合成形体要素の一態様の模式長手方向断面図を示す図である。
【図５Ａ】ＰＣＤ複合成形体要素の一態様の模式斜視図を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂに示されたＰＣＤ複合成形体要素の一態様の模式長手方向断面図を示す図である。
【図６】切断要素として表面にＰＣＤ要素を有する、回転地面穿孔ドリルビットの形態における工具の模式図を示す図である。 全ての図面において、参照番号は同じ個々の機能を参照する。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本明細書において、「ダイヤモンド用の触媒材料」は、「ダイヤモンド用の溶媒／触媒」としても称され、ダイヤモンドが熱力学的に安定である圧力および温度でのダイヤモンド粒の核生成、成長または相互結合を促進することができる材料である。ダイヤモンド用の触媒材料は、コバルト、鉄、ニッケル、マンガンおよびこれらの合金のような金属または非金属であってよい。
【００３５】
本明細書において、「多結晶ダイヤモンド」（ＰＣＤ）材料は、ダイヤモンド粒の塊を含み、このダイヤモンド粒の塊の相当な部分は直接的にお互いが相互結合したものであり、ダイヤモンドの含有量は少なくとも材料の約８０体積パーセントである。ＰＣＤ材料の一態様において、ダイヤモンド粒間の隙間は、ダイヤモンド用の触媒を含むバインダー材料で少なくとも部分的に満たされていてよい。本明細書において、「隙間」または「隙間領域」は、ＰＣＤ材料のダイヤモンド粒間の領域である。ＰＣＤ材料の態様において、隙間または隙間領域は、ダイヤモンド以外の材料で実質的にまたは部分的に満たされているか、または、実質的に空であってよい。本明細書において、「充填」材は、多結晶構造のような構造中の孔、隙間または隙間領域を、全体的にまたは部分的に満たす材料である。ＰＣＤ材料の熱的に安定な態様は、触媒材料が隙間から取り除かれ、ダイヤモンド粒間に隙間空間を残す少なくとも１つの領域を含んでいてよい。本明細書において、「熱的に安定なＰＣＤ」構造は、摂氏約４００度を超える温度に曝した後に、少なくとも一部が実質的に構造劣化、または硬度もしくは耐摩耗性の低下を示さないＰＣＤ構造である。
【００３６】
本明細書において、材料の「弾性限界」は、圧縮荷重下で、材料の歪みが０．０２％の値に達するときの圧力を意味する。
【００３７】
本明細書において、超硬合金のような複合材料の「平均自由行程」（ＭＦＰ）は、バインダー材料中で焼結された凝集した炭化物粒間の平均距離の長さである。超硬材料の平均自由行程特性は、材料の研磨された部分の顕微鏡写真を用いて測定することができる。例えば、この顕微鏡写真は倍率が約１５００×であってよい。図１を参照すると、均一な格子上の線と粒子境界線の各々の交差点の間の距離を測定することによって、ＭＦＰが決定されることができる。マトリックス線分Ｌｍが合計され、さらに粒線分Ｌｇが合計される。両軸を用いる平均マトリックス区分長が「平均自由行程」である。複数の分布の炭化タングステン粒子径の混合物が、同じマトリックス含有量に対する幅広い分布のＭＦＰ値をもたらし得る。
【００３８】
図２および図３を参照すると、ＰＣＤ複合成形体要素１００の態様は、金属炭化物の粒子および金属バインダー材料を含む超硬合金基材１２０に結合されたＰＣＤ構造１１０を備えていてもよく、基材１２０の少なくとも周辺領域１２１が、少なくとも約０．１ミクロン、かつ、多くとも約０．７ミクロン、または多くとも約０．３５ミクロンの平均自由行程（ＭＦＰ）特性、および少なくとも約１．９ＧＰａの弾性限界を有する超硬合金材料を含む。いくつかの態様において、基材１２０の領域１２１中の金属バインダー材料の含有量が約１重量パーセントから約１２重量パーセントの範囲にあり、その領域中の金属炭化物の粒子が約０．１ミクロンから約２０ミクロンの範囲の平均径を有する。
【００３９】
図４Ａおよび図４Ｂを参照して、ＰＣＤ複合成形体要素１００の態様は、金属炭化物の粒子および金属バインダー材料を含む超硬合金基材１２０に結合されたＰＣＤ構造１１０を備えていてもよく、実質的に基材１２０全体が少なくとも約０．１ミクロン、かつ、多くとも約０．７ミクロン、または多くとも約０．３５ミクロンの平均自由行程（ＭＦＰ）特性、および少なくとも約１．９ＧＰａの弾性限界を有する超硬合金材料を含む。
【００４０】
図５Ａおよび図５Ｂを参照して、ＰＣＤ複合成形体要素１００の態様は、金属炭化物の粒子および金属バインダー材料を含む超硬合金基材１２０に結合されたＰＣＤ構造１１０を備えていてもよく、基材１２０の少なくとも周辺領域が、少なくとも約０．１ミクロン、かつ、多くとも約０．７ミクロン、または多くとも約０．３５ミクロンの平均自由行程（ＭＦＰ）特性、および少なくとも約１．９ＧＰａの弾性限界を有する超硬合金材料を含み、ＰＣＤ構造１１０がろう付け層１４０を用いて基材１２０に結合される。
【００４１】
望ましいＭＦＰ特性は、当業界で知られたいくつかの方法で達成されることができる。例えば、より低いＭＦＰ値はより低い金属バインダー含有量を用いることによって達成され得る。コバルト約３重量パーセントの実際の下限が、超硬合金および従来の液層焼結に適用される。超硬合金基材が、例えば約５ＧＰａを超える圧力の超高圧と高温（例えば、約１，４００℃を超える）に曝される態様において、コバルトのような金属バインダーの低含有量が達成され得る。例えば、コバルト含有量が約３重量パーセント、かつ、ＷＣ粒の平均径が約０．５ミクロンである場合、ＭＦＰは約０．１ミクロンであり、ＷＣ粒の平均径が約２ミクロンである場合、ＭＦＰは約０．３５ミクロンであろうし、ＷＣ粒の平均径が約３ミクロンである場合、ＭＦＰは約０．７ミクロンであろう。これらの平均粒径は、粒子の対数正規分布を生み出す自然粉砕工程によって得られる単粉級（single powder class)に対応する。マトリックス（バインダー）含有量が高いほど、ＭＦＰ値は高くなるであろう。
【００４２】
種々の粉級を混合して粒径を変えること、および分布を変更することによって、粉末処理および混合の詳細に依存するＭＦＰ値の全範囲が達成され得る。正確な値は実験的に決定されるべきであろう。
【００４３】
超硬合金材料の磁気的性質は、重要な構造および組成特性に関連し得る。超硬合金中の炭素含有量を測定する最も一般的な手法は、間接的に比例するバインダーに溶解したタングステンの濃度を測定することによって間接的に行なわれ、バインダーに溶解した炭素の含有量が高いほど、バインダーに溶解したタングステンの濃度は低い。バインダー内のタングステン含有量は、磁気モーメントσまたは磁気飽和Ｍｓ＝４πσの測定から決定されることができ、これらの値はタングステンの含有量とは反比例の関係を有する（Roebuck (1996), "Magnetic moment (saturation) measurements on cemented carbide materials", Int. J. Refractory Met., Vol. 14, pp. 419-424）。以下の式は、磁気飽和Ｍｓを、バインダー中のＷおよびＣの濃度と関連づけるのに使用され得る。
【化１】
【００４４】
超硬合金材料内のバインダーのコバルト含有量は、間接的な方法を含む当業界でよく知られた様々な方法、例えば、超硬合金材料の磁気特性や、より直接的にはエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）を用いることによって測定されることができ、最も正確な方法はＣｏの化学的浸出に基づくものである。
【００４５】
ＷＣ粒のような、炭化物粒の平均粒径は、例えば平均直線妨害技術（mean linear intercept technique）を応用して、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて得られる顕微鏡写真または金属学的に調製された超硬号材料体の横断面の光学顕微鏡画像を観察することで決定され得る。あるいは、ＷＣ粒の平均径は、超硬合金材料の磁気保磁力を測定することによって間接的に測定され得るものであり、これはＣｏ平均自由行程が粒を仲介することを示し、それからＷＣ粒径が当業界でよく知られた単純な式を用いて計算され得る。この式は、Ｃｏ−焼結ＷＣ超硬合金材料の磁気保磁力とＣｏ平均自由行程、および結果として平均ＷＣ粒径、との間の反比例の関係を数値化する。磁気保磁力はＭＦＰと反比例の関係を有する。
【００４６】
エータ相組成物はＭｘＭ’ｙＣｚの一般式を有し、式中ＭがＷ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｈｆ、ＺｒおよびＮｂからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、Ｍ’はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、Ｃが炭素である、炭化物化合物を意味すると本明細書において理解される。Ｍがタングステン（Ｗ）でＭ’がコバルト（Ｃｏ）の場合、これは最も典型的な組合せであり、従って、エータ相はＣｏ３Ｗ３Ｃ（エータ‐１）またはＣｏ６Ｗ６Ｃ（エータ‐２）および少量のこれらの準化学量論および超化学量論変動を意味すると本明細書において理解される。Ｗｏ−Ｃｏ−Ｃ系には、Ｃｏ３Ｗ６Ｃ２、Ｃｏ４Ｗ４ＣおよびＣｏ２Ｗ４Ｃのシータ相、ならびにＣｏ３Ｗ９Ｃ４およびＣｏＷ３Ｃのカッパ相のような他の相もいくつかある（これらの相は、文献において広い意味でのエータ相の中に時々分類される）。
【００４７】
いくつかの態様において、超硬合金基材は実質的にエータ相を有していない。エータ相が存在しないことは、基材の強度および破壊靱性にとって有益であり得る。
【００４８】
米国特許出願公開第２００６／００９３８５９号に、炭化タングステン（ＷＣ）を含む超硬合金材料であって、金属バインダーの含有量が５〜２５重量パーセントの範囲であり、金属バインダーがＣｏを含み、少なくともその領域の超硬合金が、最大１７．０ｋＡ／ｍ、最大９．５ｋＡ／ｍ、最大８ｋＡ／ｍ、または１．６〜６．４ｋＡ／ｍの範囲の磁気保磁力強度を有し、磁気モーメントσをマイクロテスラ立方メートル毎キログラムの単位で、超硬合金の重量パーセントにおけるＣｏ比率（Ｘ）の関数として、それぞれ、σ＝０．１１Ｘからσ＝０．１３７Ｘの範囲内で有する、超硬合金材料の詳細が開示されている。これらの特性を有する超硬合金材料の一例は、ドイツのElement Six Hard Materials GmbHから、マスターグレード（Master Grade）ＴＭという名称で入手可能である。
【００４９】
Ｃｏバインダー中のＷの濃度は、Ｃ含有量に依存する。例えば、低Ｃ含有量でのＷ濃度は著しく高い。Ｃｏ焼結ＷＣ（ＷＣ−Ｃｏ）材料のＣｏバインダー中のＷ濃度およびＣ含有量は、磁気飽和の値から決定されることができる。例えば焼結した炭化タングステンの硬質金属の磁気飽和は、単位重量当たりの磁気モーメントσ、同様に単位重量当たりの飽和誘導４πσとして定義される。純粋なＣｏの磁気モーメントσは１６．１マイクロテスラ立方メートル毎キログラム（μＴ・ｍ３／ｋｇ）であり、純粋なＣｏについての、磁気飽和とも称される飽和誘導４πσは２０１．９μＴ・ｍ３／ｋｇである。
【００５０】
いくつかの態様において、約０．１ｎｍ〜約１ｎｍの範囲の平均径を有し、コバルト、タングステンおよび炭素を含むナノ粒子がバインダー中に分散されていてよい。一態様において、ｆｃｃ結晶構造の１型エータ相のＣｏ３Ｗ３Ｃ、２型エータ相のＣｏ６Ｗ６Ｃ、およびシータ層のＣｏ２Ｗ４Ｃの粒子はバインダー中に分散され、それぞれが約０．２１３ｎｍ、０．２０９ｎｍおよび０．２１５ｎｍの平均径を有する。これらのナノ粒子の存在は、高分解能透過電子顕微鏡法（ＨＲＴＥＭ）を用いた電子回折像を用いて検出されることができる。暗視野ＨＲＴＥＭを用いると、ナノ粒子は灰色点として見える。バインダー中のナノ粒子の存在は、バインダーを強化する効果を有し得る。
【００５１】
ＰＣＤの形成を触媒するために、焼結工程の間にＣｏの一部は基材からＰＣＤ層の中へと移動する必要があるという事実から、実質的に低いコバルト含有量を有する超硬合金等級のＰＣＤ挿入体の、基材としての実用的用途は限られている。この理由から、例え望ましいことであったとしても、低Ｃｏ含有量の基材上にＰＣＤを作製するのはより困難である。
【００５２】
ＰＣＤ複合成形体要素の一態様は、超硬合金基材を用意すること、凝集した、実質的に結合していないダイヤモンド粒子の塊を基材の表面に対して接触させて焼結前組立品を形成すること、焼結前組立品を超高圧炉用カプセルの中に封入すること、焼結前組立品を少なくとも約５．５ＧＰａの圧力および少なくとも摂氏約１，２５０度の温度に付すこと、ダイヤモンド粒子を焼結して、超硬合金基材上に一体的に形成して接合されたＰＣＤ構造を含むＰＣＤ複合成形体要素を形成することを含む方法で製造されてもよい。本発明のいくつかの態様において、焼結前組立品は、少なくとも約６ＧＰａ、少なくとも約６．５ＧＰａ、少なくとも約７ＧＰａ、それとも少なくとも約７．５ＧＰａの圧力に付されてよい。
【００５３】
焼結炭化タングステン基材の硬度は、基材を超高圧および高温、特にダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力および温度、に付することによって高められてもよい。硬度の向上の大きさは、圧力および温度条件に依存し得る。具体的には、硬度向上は圧力が高いほど増加し得る。
【００５４】
一態様において、基材は超硬合金材料を含んでいてもよく、この超硬合金材料は約１．５ミクロンから約３ミクロンの範囲の平均径を有する超硬合金ＷＣ粒子およびＣｏバインダー材料を含んでいてもよく、ＷＣ粒子の含有量は超硬合金材料の約９０重量パーセントから約９２重量パーセントの範囲であり、Ｃｏの含有量は超硬合金材料の約８重量パーセントから約１０重量パーセントの範囲である。超硬合金材料は、バインダー中に分散したＣｒ３Ｃ２粒子をさらに含んでいてもよい。Ｃｒ３Ｃ２の含有量は、超硬合金材料の約０．１重量パーセントから０．５重量パーセントの範囲であってよい。
【００５５】
超硬合金基材がダイヤモンド用の十分な溶媒／触媒を含まず、さらに超高圧での焼結の間にＰＣＤ構造が基材上に一体化して形成される態様において、溶媒／触媒材料は、超硬合金基材以外の材料の源から、ダイヤモンド粒の凝集した塊の中へ包含されるかまたは導入されてもよい。溶媒／触媒材料は、超高圧での焼結工程の直前および焼結工程の間に、基材からダイヤモンド粒の凝集した塊の中へ浸透するコバルトを含んでいてもよい。しかし、基材中のコバルトまたは他の溶媒／触媒材料の含有量が低い態様、特に超硬合金材料の約１１重量パーセント未満の場合、結果として凝集した塊の良好な焼結を保証してＰＣＤを形成するためには代替源が提供される必要があり得る。
【００５６】
ダイヤモンド用の溶媒／触媒は、焼結工程の前または焼結工程の一部としてのいずれかで、粉末形態の溶媒／触媒材料をダイヤモンド粒と混合させること、溶媒／触媒材料をダイヤモンド粒の表面上へ堆積させること、または基材以外の材料の源から溶媒／触媒材料を凝集した塊の中へ染み込ませること、を含む種々の方法によってダイヤモンド粒の凝集した塊の中へと導入されてもよい。コバルトのような、ダイヤモンド用の溶媒／触媒のダイヤモンド粒上への堆積方法は当業界でよく知られており、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、スパッタコーティング、電気化学的方法、無電解コーティング法および原子層堆積法（ＡＬＤ）を含む。それぞれの利点および不利な点は、焼結助剤材料および堆積されるコーティング構造の性質および粒の特性に依存することが十分に理解される。
【００５７】
本発明の方法の一態様において、コバルトは、最初に前駆体材料を堆積し、次いで前駆体材料を金属コバルト元素を含む材料に転換することによって、堆積ダイヤモンド粒の表面上に堆積されてもよい。例えば、第１段階において、炭酸コバルトが、以下の反応を用いてダイヤモンド粒表面に堆積されてもよい。
【化２】
【００５８】
炭酸コバルトもしくは他のコバルトの前駆体、または他のダイヤモンド用の溶媒／触媒の堆積は、ＰＣＴ特許公開番号ＷＯ／２００６／０３２９８２に記載された方法を用いることで達成され得る。炭酸コバルトは、次いで、例えば以下のような熱分解反応を用いることで、コバルトと水に転換されてよい。
【化３】
【００５９】
本発明の方法の他の態様において、コバルト粉末または、炭酸コバルトのようなコバルトへの前駆体が、ダイヤモンド粒と混合されてもよい。コバルトのような溶媒／触媒への前駆体が用いられる場合、反応を起こして元素形態で溶媒／触媒材料を提供するために、凝集した塊を焼結する前に、材料を熱処理する必要があるだろう。
【００６０】
一態様において、超硬合金基材は、約１．４ミクロンの平均径、１３重量パーセントのＣｏ系金属バインダー含有量、ならびにＣｏ、Ｎｉ、およびＣｒ３Ｃ２を非限定例として重量比で約９．７９：２．９５：０．３０含む金属バインダーを有するＷＣ粒子を含んでいてもよい。
【００６１】
一態様において、超硬合金基材は、約２．５ミクロンの平均径を有するＷＣ粒子および９重量パーセントのＣｏ金属バインダー含有量を含んでいてもよい。
【００６２】
一態様において、超硬合金基材は、約２．５ミクロンの平均径を有するＷＣ粒子、９重量パーセントのＣｏ金属バインダー含有量、および０．３重量パーセントのＣｒ３Ｃ２を含んでいてもよい。
【００６３】
一態様において、超硬合金基材は、約０．８ミクロンの平均径を有するＷＣ粒子、１３重量パーセントのＣｏ金属バインダー含有量、０．４重量パーセントのＶＣ、および０．５重量パーセントのＣｒ３Ｃ２を含んでいてもよい。
【００６４】
一態様において、超硬合金基材は、約０．８ミクロンの平均径を有するＷＣ粒子、１０重量パーセントのＣｏ金属バインダー含有量、０．２重量パーセントのＶＣ、および０．３重量パーセントのＣｒ３Ｃ２を含んでいてもよい。
【００６５】
一態様において、超硬合金基材はマイクロ波焼結炭化ＷＣ−Ｃｏを含んでいてもよい。
【００６６】
図６を参照して、本発明の地面穿孔回転ドリルビット８００の態様は、例えば、本明細書で図２、図３、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａまたは図５Ｂに関して前述したような切断要素６００を複数含む。地面穿孔回転ドリルビット８００は、ドリルビット８００をドリルストリング(drill string)（図示せず）に取り付けるためのねじ山を付けられた結合部８０６（例えば、工業標準に準拠するねじ山を付けられた結合部８０６、例えばAmerican Petroleum Institute（ＡＰＩ）から推奨されたもの）を有するシャンク８０４に固定されたビット体８０２を含む。ビット体８０２は、粒子‐マトリックス複合材料またはスチールのような金属合金を含んでいてもよい。ビット体８０２は、それらの境界面で、ねじ山を付けられた結合部、接合部、およびろう付け合金の１つ以上によってシャンク８０４に固定されていてもよい。いくつかの態様において、ビット体８０２は、当業界で知られているように、それらの間で金属ブランクまたは拡張部を介してシャンク８０４に間接的に固定されていてもよい。
【００６７】
ビット体８０２は、ビット体８０２の表面（face）８０３との間に伸びる内部液体通路（図示せず）、およびシャンク８０４および延長部８０８を通り、ビット体８０２にも部分的に通って伸びる縦穴（図示せず）を含んでいてもよい。ノズル挿入部８２４も、内部液体通路の中でビット体８０２の表面８０３に設けられてよい。ビット体８０２は、ジャンクスロット（junk slot）８１８によって分離された複数のブレード８１６をさらに含んでいてよい。いくつかの態様において、ビット体８０２はゲージ摩耗プラグ８２２および摩耗ノット（knot）８２８を含んでいてもよい。１以上の態様の複数のＰＣＤ切断要素１００、２００、３００および４００は、本明細書で前述の通り、一般的に図６中で参照番号６００によって示されており、ビット体８０２の表面８０３上でそれぞれのブレード８１６に沿って配置される切断要素ポケット８１２に取り付けられてもよい。他の態様において、ＰＤＣ切断要素７００は、図２、図３、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａもしくは図５Ｂ、または本発明のＰＤＣ切断要素の他のいずれの態様に関して前述したように、切断要素ポケット８１２に設けられてよい。
【００６８】
中心線Ｌ８００の周囲の掘削孔の中でドリルビット８００がビット荷重（ＷＯＢ）下で回転している間、掘削されている地下層を切断するために切断要素６００が配置される。
【００６９】
本発明のＰＤＣ切断要素の態様は、ゲージトリマー（gauge trimmer）としても用いられてよく、また他のタイプの地面穿孔工具に用いられてもよい。例えば、本発明の切断要素の態様はローラーコーンドリルビット（roller cone drill bit）のコーン、リーマー、ミル、バイセンタービット（bi-center bit）、偏心ビット、コアリングビット、および固定カッターと回転カッターの両方を含むいわゆるハイブリッドビットにも用いられてよい。
【００７０】
本発明の態様は、向上した耐摩滅性および向上した表面耐破壊性、ならびに延長された潜在可使時間を示すものである。
【００７１】
本発明による磁気特性を有する基材を含む態様は、向上した耐破壊性および高い耐摩耗性を有する。特定の理論に縛られることを望むものではないが、これらの磁気特性に内在する微細構造的特徴は、金属バインダーに溶解しているタングステンおよび炭素の量、およびバインダー中に分散されているナノ粒化された粒子、Ｗ、ＣおよびＣｏを含む粒子（いわゆるエータ相またはシータ相）を含んでいてよい。
【００７２】
本発明の態様は、耐摩滅性または破壊靱性のような超硬合金の主要な特性が、超硬合金を超高圧、かつ、ダイヤモンドが熱力学的に安定な温度にさらすことによって、有害に影響されないという利点を有する。
【００７３】
本発明の態様は、内部にエータ相が存在しないことが基材の強度および破壊靱性に有益であり得るという利点を有する。
【００７４】
本発明の態様は、向上された強度を有するバインダー材料を含むという利点を有する。特定の理論に縛られることを望むものではないが、バインダー中の高レベルの溶解したＷまたはＴｉもしくはＴａのような他の耐火金属がバインダーを強化し得る。バインダー中の溶解したＷそれともＴｉもしくはＴａのような他の耐火金属は、バインダーの格子定数を増加させる効果を有し得る。本発明の態様は、向上された腐食耐性および強度を有するコバルトバインダー材料を含むという利点を有する。
【００７５】
特定の理論に縛られることを望むものではないが、コバルト金属バインダー中の溶解されたＷそれともＴｉもしくはＴａのような他の耐火金属が、ｆｃｃ型のコバルトのｈｃｐ型への転換を安定化し得るものであり、これはコバルトバインダーの強度および耐摩滅性を改善する効果を有し得る。
【００７６】
特定の理論に縛られることを望むものではないが、金属バインダー中に分散されたＣｒ３Ｃ２の粒子は、超硬合金の降伏強度および弾性限界を高め、ｆｃｃ型のＣｏの耐摩滅性を向上させ得るｈｃｐ型への転換を防止する可能性がある。
【００７７】
本発明の態様は、高いダイヤモンド粒近接性を有する、十分に焼結されたＰＣＤ構造に結合した、向上した耐摩滅性を有する基材を含むという利点を有する。
【００７８】
本発明の態様は、十分な耐破壊性と組み合わせて、基材の向上した耐摩滅性を示す。
【００７９】
本発明の態様は、本発明を限定することを意図していない以下の例を参照しつつ、より詳細に説明される。
【００８０】
例１
平均径が約２．５ミクロンであるＷＣ粒を含み、約９．３重量パーセントのバインダーを含有し、この値が約９重量パーセントのＣｏと約０．３重量パーセントのＣｒ２Ｃ３で構成されている、ＷＣ−Ｃｏ基材を用意した。基材は一般的に形状が円筒状であり、約１６ｍｍの直径および約１３ｍｍの高さを有していた。結合されていないダイヤモンド粒の凝集した塊を含む層を基材の端面上に堆積し、接着されていない組立品を形成した。ダイヤモンド粒は多様な径分布、および約７ミクロンの平均径を有していた。結合されていない組立品を超高圧炉用のカプセルの中に埋め込み、カプセルを約５．５ＧＰａ〜約６ＧＰａの範囲の超高圧、および摂氏約１，４００度の温度に約５分間さらし、焼結されたＰＣＤ複合成形体を形成した。焼結後、ＰＣＤ複合成形体を処理し、約１５．９ｍｍの直径および約１．７〜２．１ｍｍの範囲の厚さのＰＣＤ構造を有する挿入体を形成した。
【００８１】
超高圧での焼結後の基材の平均自由行程特性が約０．３ミクロンから約０．６ミクロンの範囲であると推定し、弾性限界が約２．０ＧＰａ〜約２．４ＧＰａの範囲であると推定した。基材の磁気保持力Ｈｃが約１１０Ｏｅ〜約１５０Ｏｅ、または同等に約８．７ｋＡ／ｍ〜約１１．９ｋＡ／ｍ、の範囲であると推定した。
【００８２】
例２
約６．５重量パーセントのＣｏ含有量および低炭素含有量を有する耐摩耗性のＷＣ−Ｃｏ基材を公開番号ＵＳ２００６−００９３８５９の教示に従って製造してもよい。基材は、一般的に形状が円筒状であり、、約１６ｍｍの直径を有してもよい。基材材料の保磁力は、約７．０ｋＡ／ｍであってよく、飽和磁気モーメントσは約０．８μＴ・ｍ３／ｋｇ（Ｍｓ、４πσ、は１０．０μＴ・ｍ３／ｋｇであってよい）であってよく、ビッカース硬度ＨＶ３０は約１，１００であってよく、さらに抗折力は約２，４００ＭＰａであってよい。ＷＣ粒の平均径は約１０ミクロンであってよい。光学顕微鏡を使用した場合、ＷＣ粒は丸みを帯びた外観を有していてよい。基材材料は実質的にエータ相を含んでいなくてよい。ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）による検査のために、薄膜試料を製造してもよい。Ｃｏ格子定数をＴＥＭおよびＸ線検査によって決定してもよい。
【００８３】
ＥＤＸを用いて決定される、試料のバインダー中のＷ濃度は、約１８〜約１９原子パーセントの範囲であってよい。基材材料の薄膜試料のＴＥＭ分析（透過型電子顕微鏡）によって、バインダー中に分散したナノ粒子化された粒子の存在が明らかになる可能性がある。電子回折解析によって、バインダーが面心立方格子（ｆｃｃ）構造を有するタングステン含有立方コバルトマトリックスを含み、その格子定数が約０．３６６ｎｍであり得ることが明らかになる可能性がある。電子回折解析によって、ナノ粒子化された粒子が約３ｎｍ〜約１０ｎｍの範囲の平均径を有することが明らかになる可能性もある。
【００８４】
約１６ｍｍの直径および約２．２ｍｍの厚さを有する熱的に安定なＰＣＤディスクを製造してもよい。ダイヤモンド原料粉を、約７ミクロンの複合平均粒径を有する４つのソースからダイヤモンド粒を混合することで調製してもよい。混合した混合物を凝集した塊に形成し、コバルト焼結炭化タングステン（ＷＣ−Ｃｏ）基材上へ、約６．８ＧＰａの圧力および摂氏約１，５００度の温度で超高圧炉用を用いて焼結し、焼結されたＰＣＤ複合成形体を形成してもよい。
【００８５】
複合成形体は、基材上へ一体的に結合されたＰＣＤの層を含むであろう。上述のように製造されたＰＣＤ材料は、約９２体積パーセント（±１パーセント）のダイヤモンド含有量、およびコバルトおよび少量の析出相である残部であって、該コバルトは焼結工程の間に基材からダイヤモンドの凝集した塊の中へと浸透したものである残部を有するであろう。ＰＣＤ切断構造内のダイヤモンド粒は、同等な円の直径の観点から表わされる平均径が約１１ミクロン（±５．５パーセント）で、多様な径分布を有するであろう。粒の相互成長および接触は、ダイヤモンド粒接触の観点から表わすことができ、ＰＣＤの平均接触は６２．０パーセント（±１．９パーセント）であろう。ＰＣＤの格子間の平均自由行程は、約０．７（±０．６）ミクロンであろう。
【００８６】
超硬合金基材を、次いで、研削によって複合成形体から取り除き、支持されていない（un-backed）独立のＰＣＤディスクを残してもよい。ＰＣＤディスクを約２．２ミクロンの厚さに研磨し、次いで酸の中で処理（浸出）して、ＰＣＤ切断構造全体を通して実質的に全てのコバルト溶媒／触媒材料を除去してもよい。
【００８７】
約８０ミクロンの厚さおよび約１６ｍｍの直径を有する活性ろう付け材料の箔を、ＰＣＤセグメントおよび耐摩耗性基材の端面で各々挟み込んでもよい。６３．００重量％のＡｇ、３２．２５重量％のＣｕおよび１．７５重量％のＴｉを含むろう付け材料が、Ｃｕｓｉｌ ＡＢＴＭという商品名で入手可能である。ろう付けの前に、ＰＣＤセグメントを超音波洗浄してもよく、炭化タングステン基材およびろう付け箔の両方をわずかに研磨し、次いで超音波洗浄した。予備成形した要素組立品を、真空中で熱処理に付してもよい。温度を摂氏９２０度まで１５分にわたって上げ、このレベルで５分間保持し、次いで約８〜９時間にわたって大気温度まで下げてもよい。少なくとも１０−５ミリバールの真空を熱処理の間維持してもよい。炉の環境内での酸素および他の不純物を回避するかまたはその量を最小限にするために、注意を払う必要がある。
【００８８】
例３
約６．５重量パーセントのＣｏ含有量を有し、かつ、約８ミクロンの平均径を有するＷＣ粒を含む、耐摩耗性のＷＣ−Ｃｏ基材を用意してもよい。基材は、一般的に形状が円筒状であり、、約１６ｍｍの直径を有してもよい。保磁力は、約６．４ｋＡ／ｍであってよく、飽和磁気モーメントσは約０．９５μＴ・ｍ３／ｋｇ（Ｍｓ、４πσ、は１１．９μＴ・ｍ３／ｋｇであってよい）であってよく、ビッカースＨＶ３０硬度は約１，１４０であってよく、さらに抗折力は約１，９５０ＭＰａであってよい。
【００８９】
多様な径分布および約７ミクロンの平均径を有する複数のダイヤモンド粒を、５重量パーセントのコバルト粉末と混合してよい。混合した混合物を、基材の上面に対して層状の結合していない凝集した塊に形成し、結合していない組立品を形成してもよく、次いでこの組立品を超高圧炉用のカプセルに埋め込んでもよい。カプセルを約５．５ＧＰａの圧力および約１，４００℃の温度に約５分間さらしてもよい。焼結後、第一および第二の基材要素を一緒に焼結してよく、ＰＣＤ複合成形体を処理して、約１５．９ｍｍの直径および約１．７〜２．１ｍｍの範囲の厚さを有するＰＣＤ構造を有する挿入体を形成してよい。
【技術分野】
【０００１】
本発明は多結晶ダイヤモンド複合成形体、これを利用する工具、ならびにその製造方法および使用方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）は超硬質体であり、相互成長したダイヤモンド粒の塊およびそのダイヤモンド粒間の隙間を含む超砥粒材料としても知られている。ＰＣＤはダイヤモンド粒の凝集した塊を極めて高い圧力および温度にさらすことによって製造されることもある。隙間を全体的にまたは部分的に埋める材料は、充填材と称されることがある。ＰＣＤは、コバルトのような、ダイヤモンド粒の相互成長を促進することができる焼結助剤の存在下で形成されることがある。焼結助剤は、そのダイヤモンドをある程度溶解する機能からおよびダイヤモンドの析出を触媒する機能から、ダイヤモンド用の溶媒／触媒材料と称されることもある。ダイヤモンド用の溶媒／触媒は、ダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力および温度条件で、ダイヤモンドの成長またはダイヤモンド粒間のダイヤモンドからダイヤモンドへの直接相互成長を促進することができる材料であることが理解される。従って、焼結されたＰＣＤ製品内の隙間は、残留溶媒／触媒材料で全体的にまたは部分的に満たされることがある。ＰＣＤは、ＰＣＤへコバルト溶媒／触媒源を提供することがあるコバルト焼結炭化タングステン基材上に、形成されることもある。
【０００３】
ＰＣＤは、岩、金属、セラミックス、複合材料および木を含む材料のような硬質もしくは研削性材料を、切断し、機械加工し、穴あけし、または削り取る工具などの幅広い種類の工具に使用されることができる。例えば、ＰＣＤ要素は、石油およびガス採掘産業において、地面を穿孔するのに用いられるドリルビットの切断要素として用いられることがある。これらの用途の多くにおいて、高いエネルギーで岩石層、ワークピース、または塊に用いると、ＰＣＤ材料の温度が上昇することがある。残念ながら、硬度および強度のようなＰＣＤの機械的特性は、主に残留溶媒／触媒材料がその中で分散する結果として、高温で低下する傾向がある。
【０００４】
米国特許第３，７４５，６２３号には、９４重量パーセントの炭化タングステンと６重量パーセントのコバルトを含む超硬合金体に結合された、多結晶ダイヤモンド層を含むＰＣＤ要素が開示されている。米国特許第４，３８０，４７１号には、様々な等級の焼結炭化タングステンがＰＣＤ要素用の基材として用いられることがあると開示されており、その等級には、カーボロイ（Ｃａｒｂｏｌｏｙ）（登録商標）の種類で、４４Ａ、９０、８８３および９９９という、それぞれコバルトを６重量パーセント、１０重量パーセント、６重量パーセントおよび３重量パーセント含むものも含まれる。米国特許第５，３０４，３４２号では、所与の用途において、可能な限り硬いＷＣ−Ｃｏで超硬合金基材を提供し、それによりＰＣＤ層の偏向を最小限に抑え、ＰＣＤ破損の可能性を減らすことが望ましいと考察されている。しかし、弾性係数が高すぎると、挿入体が掘削中に折れて取れやすい。
【０００５】
米国特許第５，６６７，０２８号では、ビットが回転するにつれて、ＰＤＣカッターのＰＤＣ切断層の刃が接触し、ドリルで穴を空けられている地層で「切り」取ることが考察されている。同時に、露出したカッター体の一部も地層表面と接触する。この接触によってカッター体が摩滅する。また、多数の切断表面を備え、そのうちの少なくとも２つが隣接しておらず、高められた耐用年数をもたらす、改善された多結晶ダイヤモンド複合体（「ＰＤＣ」）ドラッグ・ビット（drag bit）カッターが開示されている。ＰＤＣカッターの液体腐食も起こる可能性がある。
【０００６】
米国特許第５，４３１，２３９号には、構造断面を横切って異なる材料特性を有することで、破壊靱性と呼ばれる、耐破壊性と組み合わさった硬質材料の耐摩耗性を提供する複合スタッド（stud）構造が開示されている。一態様において、スタッドは、大粒径炭化タングステンまたは高コバルト含有量の炭化タングステンのようなより高いまたは高められた破壊靱性を有する材料の内核からなり、硬く、かつ、耐摩耗性の材料の外層で囲まれている。典型的な材料は低コバルト焼結炭化タングステンである。６％のコバルトは可能であるが、約９〜１２％のコバルトが好ましい範囲である。コバルト含有量は焼結炭化タングステン中で通常６〜２０パーセントに及ぶ。高いコバルト含有量とは、約１５％より大きいことをいう。強度または高い破壊靱性を設計するために、炭化物粒径およびコバルト含有量はいずれも変化させられることができる。切断面は多結晶ダイヤモンドのような超硬材料から通常製造される。
【０００７】
米国特許第６，２１６，８０５号には、耐摩滅性、かつ、耐摩耗性の材料を含む基部を含む切断要素が開示されている。切断要素の刃は、それに固定された超砥粒切断台を有するように構成されている。ある態様において、基部は耐摩滅性、かつ、耐摩耗性の材料から組立てられている。例えば、基部は炭化物（例えば炭化タングステン）およびバインダー材料（例えば、コバルト）からなっていてよい。基部を組立てるのに比較的多くのバインダーを用いる場合、基部の耐摩滅性および耐摩耗性は低減する。より小さい炭化物粒を有する超硬合金構造は、典型的にはより耐摩滅性、かつ、耐摩耗性であるが、より大きな炭化物粒で形成された超硬合金構造に比べて、靱性、延性および耐衝撃性は低い。
【０００８】
米国特許第６，２５８，１３９号には、基材が十分に摩滅された場合に露出するための追加のダイヤモンドを提供する、基材中に内部ダイヤモンド核を有するＰＤＣ（多結晶ダイヤモンド成形体）が開示されている。また、ダイヤモンド領域における高い引っ張り強度を回避するために、ＰＤＣカッターのダイヤモンド領域で完全に包み込まれた、内部炭化物核を有するＰＤＣも開示されている。
【０００９】
Ｆｒｅｉｎｋｅｌは、１．６ミクロンから２．２ミクロンの範囲のＷＣ粒径が、焼結ＷＣにとって最適な耐摩耗性をもたらすと開示している（"Energy loss mechanisms in the erosion of cemented WC", Scripta Metallurgica, 23, 1989, pp. 659-664）。
【００１０】
米国特許第７，０１７，６７７号では、剪断機用の現行の基材が約１〜３ミクロンの範囲の粒径、約９重量パーセントから１６重量パーセントの範囲のコバルト含有量、および約８６Ｒａから８９Ｒａの範囲の硬度を有する焼結炭化タングステン粒子から一般的に形成されることが考察されている。
【００１１】
米国特許第７，５５６，６６８号には、約７５重量パーセントのＷＣのような硬質粒子、および約２５重量パーセントのＣｏのようなバインダー材料から製造した強化された硬質材料の態様が開示されている。また、多結晶ダイヤモンド成形体（ＰＤＣ）剪断型カッターも開示されており、この特許において開示された硬質材料は、著しく高い温度および圧力で基材の上に形成される多結晶ダイヤモンドの層または「台」を運ぶのに用いられる、剪断カッター基材を形成するのに用いられてもよい。
【００１２】
耐破壊性を実質的に妥協することなく、全体的な耐摩滅性を改善した多結晶ダイヤモンド成形体（ＰＤＣ）カッター要素が必要とされている。
【発明の概要】
【００１３】
本発明は、基材に結合されたＰＣＤ構造を備える多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）複合成形体要素であって、前記基材の少なくとも周辺領域が、少なくとも約０．１ミクロン、かつ、多くとも約０．７ミクロン、または多くとも約０．３５ミクロンの平均自由行程（ＭＦＰ）特性および少なくとも約１．９ＧＰａの弾性限界を有する超硬合金材料を備える、多結晶ダイヤモンド複合成形体要素を提供するものである。本発明の一態様において、前記基材の前記周辺領域は、前記基材の露出された周辺表面の少なくとも１つの領域に隣接していてもよい。
【００１４】
本発明のいくつかの態様において、超硬合金材料は金属炭化物粒子および金属バインダー材料を含んでいてよく、基材の少なくとも周辺領域内、または実質的に基材全体にわたって、金属バインダー材料の含有量は、超硬合金材料の、少なくとも約１重量パーセント、少なくとも約３重量パーセント、少なくとも約５重量パーセントまたは少なくとも６重量パーセントであり、多くとも約１２重量パーセント、多くとも約１１重量パーセント、または多くとも約１０重量パーセントであってよい。いくつかの態様において、金属バインダー材料の含有量は、９重量パーセント未満であってよい。本発明の一態様において、超硬合金材料は、超硬合金材料の約８重量パーセントから約１３重量パーセントの範囲で金属バインダーを含んでいてよい。
【００１５】
本発明のいくつかの態様において、少なくとも周辺領域内での金属炭化物の粒子は、少なくとも約０．１ミクロン、少なくとも約０．５ミクロン、少なくとも約１ミクロン、少なくとも約３ミクロンまたは少なくとも約５ミクロンであり、多くとも約２０ミクロン、多くとも約１０ミクロン、多くとも約２ミクロンまたは多くとも約１ミクロンの平均径を有していてよい。本発明の一態様において、超硬合金材料は、約１．５ミクロンから約３ミクロンの範囲の平均径を有する金属炭化物を含んでいてよい。
【００１６】
本発明のいくつかの態様において、金属炭化物材料は炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）または他の耐火性金属炭化物を含んでいてよい。本発明の一態様において、金属バインダー材料は、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、もしくは鉄（Ｆｅ）、またはＣｏ、ＦｅもしくはＮｉを含む合金を含んでいてよい。いくつかの態様において、金属バインダー材料は、実質的に面心立方（ｆｃｃ）形態または実質的に六方最密充填（ｈｃｐ）結晶学的形態のＣｏを含んでいてよい。
【００１７】
本発明の一態様において、金属バインダー材料は低いレベルの炭素および高いレベルのＷを含んでいてよい。一態様において、金属炭化物粒は、実質的に尖った面または端がなく、実質的に丸いＷＣ粒であってよい。本発明の一態様において、金属バインダー材料はタングステン（Ｗ）もしくは炭素（Ｃ）、またはＷとＣの両方のＣｏ中での固溶体を含んでいてよい。
【００１８】
本発明のいくつかの態様において、金属バインダー材料は、炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）もしくは炭化バナジウム（ＶＣ）の粒子、またはその中に分散されたＣｒ３Ｃ２とＶＣの粒子を含んでいてよく、いくつかの態様において、金属バインダー材料中のＣｒ３Ｃ２とＶＣの粒子の複合含有量は約１重量パーセント未満でよい。一態様において、金属バインダー材料はＣｏ、ＮｉおよびＣｒ３Ｃ２を含んでいてよく、さらに、一態様において、金属バインダー材料はＣｏおよびＣｒ３Ｃ２を含んでいてよく、そしてＮｉを実質的に含まなくてよい。
【００１９】
本発明のいくつかの態様において、金属バインダー材料は、Ｗ、Ｔｉ、ＴａおよびＣｒのような耐火性金属を、バインダー材料の約５原子パーセントから約３０原子パーセントの範囲の濃度で含んでいてよい。一態様において、金属バインダー材料は、約５原子パーセントから約３０原子パーセントの範囲、または約１０原子パーセントから約３０原子パーセントの範囲の高濃度のＷを含むＣｏを含んでいてよい。一態様において、バインダー材料中のＣｏの格子定数は、純粋なＣｏの格子定数（０．３５４５ｎｍ）よりも約１％〜約５％大きくてよい。
【００２０】
本発明のいくつかの態様において、約０．１ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲、または約０．１ｎｍ〜約２００ｎｍの範囲の平均径を有する金属炭化物または金属含有ナノ粒子が、金属バインダー材料中に分散されていてよい。金属バインダー材料中に分散したナノ粒子は、バインダーを著しく補強したり、強化したりする可能性がある。いくつかの態様において、金属バインダー材料中のナノ粒子の含有量は、金属バインダー材料の少なくとも５体積パーセントでよい。いくつかの態様において、超硬合金基材の少なくとも周辺領域に実質的にエータ相がない。
【００２１】
本発明のいくつかの態様において、超硬合金基材の少なくとも周辺領域、または実質的に基材の全体が、多くとも約７００Ｏｅ（エルステッド）もしくは同等に約５５．７ｋＡ／ｍ、であって少なくとも約１００Ｏｅもしくは同等に約７．９６ｋＡ／ｍ、または少なくとも約２００Ｏｅもしくは同等に約１５．９ｋＡ／ｍの磁気保磁力Ｈｃを有していてよい。
【００２２】
本発明の一態様において、金属炭化物材料はＷＣであってよく、金属バインダーの含有量が約１〜約１２重量パーセントの範囲、または約５〜約１１重量パーセントの範囲にあり、金属バインダーはＣｏを含み、ここで、超硬合金が最大１７．０ｋＡ／ｍ、最大９．５ｋＡ／ｍ、最大８ｋＡ／ｍまたは１．６〜６．４ｋＡ／ｍの範囲の磁気保磁力を有し、磁気モーメントσをマイクロテスラ立方メートル毎キログラムの単位で、超硬合金の重量パーセントにおけるＣｏ比率（Ｘ）の関数として、それぞれ、σ＝０．１１Ｘからσ＝０．１３７Ｘの範囲で有する。
【００２３】
本発明のいくつかの態様において、ＰＣＤ構造は少なくとも約０．５ミクロン、少なくとも約２ミクロン、または少なくとも約４ミクロンの平均径を有する相互に結合したダイヤモンド粒を含んでいてよく、さらにいくつかの態様において、ＰＣＤ構造は多くとも約２０ミクロン、多くとも約１５ミクロンまたは多くとも約１０ミクロンの平均径を有する相互に結合したダイヤモンド粒を含んでいてよい。一態様において、ＰＣＤ構造は熱的に安定なＰＣＤ材料を含んでいてよく、実質的に金属溶媒／触媒材料がない領域を少なくとも含んでよい。いくつかの態様において、ＰＣＤ構造は基材にろう付けされ、一態様において、ＰＣＤは一体的に形成されて基材に結合されてよい。
【００２４】
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）複合成形体要素の製造方法が提供され、この方法は、金属炭化物の粒子および金属バインダー材料を含む超硬合金基材を用意することを含み、ここで金属バインダーの含有量は少なくとも約１重量パーセント、少なくとも約３重量パーセント、少なくとも約５重量パーセント、または少なくとも約６重量パーセントであって、多くとも約１２重量パーセント、多くとも約１１重量パーセントまたは多くとも約１０重量パーセントであってよく、さらに、ダイヤモンド用の溶媒／触媒材料を含む、ダイヤモンド粒子の凝集した塊を用意すること、凝集した塊を基材の表面に接触させて結合していない組立品を形成すること、およびダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力および温度で結合していない組立品を焼結して、超硬合金基材に結合したＰＣＤ構造を形成すること、を含む。温度は少なくとも摂氏１，４００度であってよく、圧力は少なくとも５．５ＧＰａであってよい。本方法は本発明の一側面である。本発明のいくつかの態様において、焼結前組立品は、少なくとも約６ＧＰａ、少なくとも約６．５ＧＰａ、少なくとも約７ＧＰａそれとも少なくとも約７．５ＧＰａの圧力に曝されてもよい。
【００２５】
本発明の一つの変法において、基材の少なくとも周辺領域が、少なくとも約０．１ミクロン、かつ、多くとも約０．７ミクロンまたは多くとも約０．３５ミクロンの平均自由行程（ＭＦＰ）特性、および少なくとも約１．９ＧＰａの弾性限界を有する超硬合金材料を含んでいてよい。一つの変法において、基材の周辺領域は、基材の露出した周辺表面の少なくとも一部に隣接していてよい。
【００２６】
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）複合成形体要素の製造方法が提供され、その方法は、少なくとも周辺領域が少なくとも約０．１ミクロン、かつ、多くとも約０．７ミクロンの平均自由行程（ＭＦＰ）特性および少なくとも約１．９ＧＰａの弾性限界を有する超硬合金材料、を含む超硬合金基材を用意すること、金属炭化物の粒子および金属バインダー材料を含み、金属バインダーの含有量が少なくとも約１重量パーセント、かつ、多くとも約１２重量パーセントである周辺領域、ダイヤモンド粒子の凝集した塊を用意すること、ダイヤモンド用の溶媒／触媒材料を凝集した塊の中に導入すること、および基材と接触している凝集した塊をダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力および温度で焼結して、超硬合金基材に結合されたＰＣＤ構造を形成すること、を含む。本方法は本発明の一側面である。
【００２７】
いくつかの態様において、金属バインダーはダイヤモンド用の溶媒／触媒を含んでいてよい。
【００２８】
本方法のいくつかの態様において、ダイヤモンド用の溶媒／触媒は、焼結工程の前または焼結工程の一部として、溶媒／触媒材料を粉末形態でダイヤモンド粒と混合すること、溶媒／触媒材料をダイヤモンド粒の表面上に堆積させること、または溶媒／触媒材料を基材以外の材料源から凝集した塊の中に染み込ませること、によってダイヤモンド粒の凝集した塊の中に導入されてよい。
【００２９】
本発明の一態様において、本方法は ＰＣＤ構造の少なくとも一部、特にＰＣＤ複合成形体要素の作用表面に隣接するＰＣＤ構造の一部から、溶媒／触媒材料を取り除く工程を含んでよい。
【００３０】
本発明によるＰＣＤ複合成形体要素の態様は、石油およびガス採掘産業で用いられる回転剪断ビットのような、地面穿孔ドリルビットに適していてよい。ＰＣＤ複合成形体要素は、固定カッタードリルビット、回転コーン、穴あけ工具、拡張可能な工具(expandable tool)、リーマーまたは他の地面穿孔工具に適していてよい。
【００３１】
本発明の一側面によって、本発明によるＰＣＤ複合成形体要素の態様を備える工具が提供され、この工具は切断、フライス加工、破砕、穴あけ、地面穿孔、削岩または金属の切断および機械加工のような他の研磨用途用である。
【００３２】
一態様において、工具は地面穿孔用または削岩用のドリルビットを含んでいてよい。一態様において、工具は石油およびガス採掘産業で用いられる回転剪断ビットを含んでいてよい。いくつかの態様において、工具は回転コーンドリルビット、穴あけ工具、拡張可能な工具、リーマーまたは他の地面穿孔工具であってよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
本発明の非制限態様が、添付図面を参照しつつ説明される。
【図１】超硬合金の微細構造の模式図を示す図である。
【図２】ＰＣＤ複合成形体要素の一態様の模式斜視図を示す図である。
【図３】ＰＣＤ複合成形体要素の一態様の模式長手方向断面図を示す図である。
【図４Ａ】ＰＣＤ複合成形体要素の一態様の模式斜視図を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示されたＰＣＤ複合成形体要素の一態様の模式長手方向断面図を示す図である。
【図５Ａ】ＰＣＤ複合成形体要素の一態様の模式斜視図を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂに示されたＰＣＤ複合成形体要素の一態様の模式長手方向断面図を示す図である。
【図６】切断要素として表面にＰＣＤ要素を有する、回転地面穿孔ドリルビットの形態における工具の模式図を示す図である。 全ての図面において、参照番号は同じ個々の機能を参照する。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本明細書において、「ダイヤモンド用の触媒材料」は、「ダイヤモンド用の溶媒／触媒」としても称され、ダイヤモンドが熱力学的に安定である圧力および温度でのダイヤモンド粒の核生成、成長または相互結合を促進することができる材料である。ダイヤモンド用の触媒材料は、コバルト、鉄、ニッケル、マンガンおよびこれらの合金のような金属または非金属であってよい。
【００３５】
本明細書において、「多結晶ダイヤモンド」（ＰＣＤ）材料は、ダイヤモンド粒の塊を含み、このダイヤモンド粒の塊の相当な部分は直接的にお互いが相互結合したものであり、ダイヤモンドの含有量は少なくとも材料の約８０体積パーセントである。ＰＣＤ材料の一態様において、ダイヤモンド粒間の隙間は、ダイヤモンド用の触媒を含むバインダー材料で少なくとも部分的に満たされていてよい。本明細書において、「隙間」または「隙間領域」は、ＰＣＤ材料のダイヤモンド粒間の領域である。ＰＣＤ材料の態様において、隙間または隙間領域は、ダイヤモンド以外の材料で実質的にまたは部分的に満たされているか、または、実質的に空であってよい。本明細書において、「充填」材は、多結晶構造のような構造中の孔、隙間または隙間領域を、全体的にまたは部分的に満たす材料である。ＰＣＤ材料の熱的に安定な態様は、触媒材料が隙間から取り除かれ、ダイヤモンド粒間に隙間空間を残す少なくとも１つの領域を含んでいてよい。本明細書において、「熱的に安定なＰＣＤ」構造は、摂氏約４００度を超える温度に曝した後に、少なくとも一部が実質的に構造劣化、または硬度もしくは耐摩耗性の低下を示さないＰＣＤ構造である。
【００３６】
本明細書において、材料の「弾性限界」は、圧縮荷重下で、材料の歪みが０．０２％の値に達するときの圧力を意味する。
【００３７】
本明細書において、超硬合金のような複合材料の「平均自由行程」（ＭＦＰ）は、バインダー材料中で焼結された凝集した炭化物粒間の平均距離の長さである。超硬材料の平均自由行程特性は、材料の研磨された部分の顕微鏡写真を用いて測定することができる。例えば、この顕微鏡写真は倍率が約１５００×であってよい。図１を参照すると、均一な格子上の線と粒子境界線の各々の交差点の間の距離を測定することによって、ＭＦＰが決定されることができる。マトリックス線分Ｌｍが合計され、さらに粒線分Ｌｇが合計される。両軸を用いる平均マトリックス区分長が「平均自由行程」である。複数の分布の炭化タングステン粒子径の混合物が、同じマトリックス含有量に対する幅広い分布のＭＦＰ値をもたらし得る。
【００３８】
図２および図３を参照すると、ＰＣＤ複合成形体要素１００の態様は、金属炭化物の粒子および金属バインダー材料を含む超硬合金基材１２０に結合されたＰＣＤ構造１１０を備えていてもよく、基材１２０の少なくとも周辺領域１２１が、少なくとも約０．１ミクロン、かつ、多くとも約０．７ミクロン、または多くとも約０．３５ミクロンの平均自由行程（ＭＦＰ）特性、および少なくとも約１．９ＧＰａの弾性限界を有する超硬合金材料を含む。いくつかの態様において、基材１２０の領域１２１中の金属バインダー材料の含有量が約１重量パーセントから約１２重量パーセントの範囲にあり、その領域中の金属炭化物の粒子が約０．１ミクロンから約２０ミクロンの範囲の平均径を有する。
【００３９】
図４Ａおよび図４Ｂを参照して、ＰＣＤ複合成形体要素１００の態様は、金属炭化物の粒子および金属バインダー材料を含む超硬合金基材１２０に結合されたＰＣＤ構造１１０を備えていてもよく、実質的に基材１２０全体が少なくとも約０．１ミクロン、かつ、多くとも約０．７ミクロン、または多くとも約０．３５ミクロンの平均自由行程（ＭＦＰ）特性、および少なくとも約１．９ＧＰａの弾性限界を有する超硬合金材料を含む。
【００４０】
図５Ａおよび図５Ｂを参照して、ＰＣＤ複合成形体要素１００の態様は、金属炭化物の粒子および金属バインダー材料を含む超硬合金基材１２０に結合されたＰＣＤ構造１１０を備えていてもよく、基材１２０の少なくとも周辺領域が、少なくとも約０．１ミクロン、かつ、多くとも約０．７ミクロン、または多くとも約０．３５ミクロンの平均自由行程（ＭＦＰ）特性、および少なくとも約１．９ＧＰａの弾性限界を有する超硬合金材料を含み、ＰＣＤ構造１１０がろう付け層１４０を用いて基材１２０に結合される。
【００４１】
望ましいＭＦＰ特性は、当業界で知られたいくつかの方法で達成されることができる。例えば、より低いＭＦＰ値はより低い金属バインダー含有量を用いることによって達成され得る。コバルト約３重量パーセントの実際の下限が、超硬合金および従来の液層焼結に適用される。超硬合金基材が、例えば約５ＧＰａを超える圧力の超高圧と高温（例えば、約１，４００℃を超える）に曝される態様において、コバルトのような金属バインダーの低含有量が達成され得る。例えば、コバルト含有量が約３重量パーセント、かつ、ＷＣ粒の平均径が約０．５ミクロンである場合、ＭＦＰは約０．１ミクロンであり、ＷＣ粒の平均径が約２ミクロンである場合、ＭＦＰは約０．３５ミクロンであろうし、ＷＣ粒の平均径が約３ミクロンである場合、ＭＦＰは約０．７ミクロンであろう。これらの平均粒径は、粒子の対数正規分布を生み出す自然粉砕工程によって得られる単粉級（single powder class)に対応する。マトリックス（バインダー）含有量が高いほど、ＭＦＰ値は高くなるであろう。
【００４２】
種々の粉級を混合して粒径を変えること、および分布を変更することによって、粉末処理および混合の詳細に依存するＭＦＰ値の全範囲が達成され得る。正確な値は実験的に決定されるべきであろう。
【００４３】
超硬合金材料の磁気的性質は、重要な構造および組成特性に関連し得る。超硬合金中の炭素含有量を測定する最も一般的な手法は、間接的に比例するバインダーに溶解したタングステンの濃度を測定することによって間接的に行なわれ、バインダーに溶解した炭素の含有量が高いほど、バインダーに溶解したタングステンの濃度は低い。バインダー内のタングステン含有量は、磁気モーメントσまたは磁気飽和Ｍｓ＝４πσの測定から決定されることができ、これらの値はタングステンの含有量とは反比例の関係を有する（Roebuck (1996), "Magnetic moment (saturation) measurements on cemented carbide materials", Int. J. Refractory Met., Vol. 14, pp. 419-424）。以下の式は、磁気飽和Ｍｓを、バインダー中のＷおよびＣの濃度と関連づけるのに使用され得る。
【化１】
【００４４】
超硬合金材料内のバインダーのコバルト含有量は、間接的な方法を含む当業界でよく知られた様々な方法、例えば、超硬合金材料の磁気特性や、より直接的にはエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）を用いることによって測定されることができ、最も正確な方法はＣｏの化学的浸出に基づくものである。
【００４５】
ＷＣ粒のような、炭化物粒の平均粒径は、例えば平均直線妨害技術（mean linear intercept technique）を応用して、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて得られる顕微鏡写真または金属学的に調製された超硬号材料体の横断面の光学顕微鏡画像を観察することで決定され得る。あるいは、ＷＣ粒の平均径は、超硬合金材料の磁気保磁力を測定することによって間接的に測定され得るものであり、これはＣｏ平均自由行程が粒を仲介することを示し、それからＷＣ粒径が当業界でよく知られた単純な式を用いて計算され得る。この式は、Ｃｏ−焼結ＷＣ超硬合金材料の磁気保磁力とＣｏ平均自由行程、および結果として平均ＷＣ粒径、との間の反比例の関係を数値化する。磁気保磁力はＭＦＰと反比例の関係を有する。
【００４６】
エータ相組成物はＭｘＭ’ｙＣｚの一般式を有し、式中ＭがＷ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔａ、Ｈｆ、ＺｒおよびＮｂからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、Ｍ’はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、Ｃが炭素である、炭化物化合物を意味すると本明細書において理解される。Ｍがタングステン（Ｗ）でＭ’がコバルト（Ｃｏ）の場合、これは最も典型的な組合せであり、従って、エータ相はＣｏ３Ｗ３Ｃ（エータ‐１）またはＣｏ６Ｗ６Ｃ（エータ‐２）および少量のこれらの準化学量論および超化学量論変動を意味すると本明細書において理解される。Ｗｏ−Ｃｏ−Ｃ系には、Ｃｏ３Ｗ６Ｃ２、Ｃｏ４Ｗ４ＣおよびＣｏ２Ｗ４Ｃのシータ相、ならびにＣｏ３Ｗ９Ｃ４およびＣｏＷ３Ｃのカッパ相のような他の相もいくつかある（これらの相は、文献において広い意味でのエータ相の中に時々分類される）。
【００４７】
いくつかの態様において、超硬合金基材は実質的にエータ相を有していない。エータ相が存在しないことは、基材の強度および破壊靱性にとって有益であり得る。
【００４８】
米国特許出願公開第２００６／００９３８５９号に、炭化タングステン（ＷＣ）を含む超硬合金材料であって、金属バインダーの含有量が５〜２５重量パーセントの範囲であり、金属バインダーがＣｏを含み、少なくともその領域の超硬合金が、最大１７．０ｋＡ／ｍ、最大９．５ｋＡ／ｍ、最大８ｋＡ／ｍ、または１．６〜６．４ｋＡ／ｍの範囲の磁気保磁力強度を有し、磁気モーメントσをマイクロテスラ立方メートル毎キログラムの単位で、超硬合金の重量パーセントにおけるＣｏ比率（Ｘ）の関数として、それぞれ、σ＝０．１１Ｘからσ＝０．１３７Ｘの範囲内で有する、超硬合金材料の詳細が開示されている。これらの特性を有する超硬合金材料の一例は、ドイツのElement Six Hard Materials GmbHから、マスターグレード（Master Grade）ＴＭという名称で入手可能である。
【００４９】
Ｃｏバインダー中のＷの濃度は、Ｃ含有量に依存する。例えば、低Ｃ含有量でのＷ濃度は著しく高い。Ｃｏ焼結ＷＣ（ＷＣ−Ｃｏ）材料のＣｏバインダー中のＷ濃度およびＣ含有量は、磁気飽和の値から決定されることができる。例えば焼結した炭化タングステンの硬質金属の磁気飽和は、単位重量当たりの磁気モーメントσ、同様に単位重量当たりの飽和誘導４πσとして定義される。純粋なＣｏの磁気モーメントσは１６．１マイクロテスラ立方メートル毎キログラム（μＴ・ｍ３／ｋｇ）であり、純粋なＣｏについての、磁気飽和とも称される飽和誘導４πσは２０１．９μＴ・ｍ３／ｋｇである。
【００５０】
いくつかの態様において、約０．１ｎｍ〜約１ｎｍの範囲の平均径を有し、コバルト、タングステンおよび炭素を含むナノ粒子がバインダー中に分散されていてよい。一態様において、ｆｃｃ結晶構造の１型エータ相のＣｏ３Ｗ３Ｃ、２型エータ相のＣｏ６Ｗ６Ｃ、およびシータ層のＣｏ２Ｗ４Ｃの粒子はバインダー中に分散され、それぞれが約０．２１３ｎｍ、０．２０９ｎｍおよび０．２１５ｎｍの平均径を有する。これらのナノ粒子の存在は、高分解能透過電子顕微鏡法（ＨＲＴＥＭ）を用いた電子回折像を用いて検出されることができる。暗視野ＨＲＴＥＭを用いると、ナノ粒子は灰色点として見える。バインダー中のナノ粒子の存在は、バインダーを強化する効果を有し得る。
【００５１】
ＰＣＤの形成を触媒するために、焼結工程の間にＣｏの一部は基材からＰＣＤ層の中へと移動する必要があるという事実から、実質的に低いコバルト含有量を有する超硬合金等級のＰＣＤ挿入体の、基材としての実用的用途は限られている。この理由から、例え望ましいことであったとしても、低Ｃｏ含有量の基材上にＰＣＤを作製するのはより困難である。
【００５２】
ＰＣＤ複合成形体要素の一態様は、超硬合金基材を用意すること、凝集した、実質的に結合していないダイヤモンド粒子の塊を基材の表面に対して接触させて焼結前組立品を形成すること、焼結前組立品を超高圧炉用カプセルの中に封入すること、焼結前組立品を少なくとも約５．５ＧＰａの圧力および少なくとも摂氏約１，２５０度の温度に付すこと、ダイヤモンド粒子を焼結して、超硬合金基材上に一体的に形成して接合されたＰＣＤ構造を含むＰＣＤ複合成形体要素を形成することを含む方法で製造されてもよい。本発明のいくつかの態様において、焼結前組立品は、少なくとも約６ＧＰａ、少なくとも約６．５ＧＰａ、少なくとも約７ＧＰａ、それとも少なくとも約７．５ＧＰａの圧力に付されてよい。
【００５３】
焼結炭化タングステン基材の硬度は、基材を超高圧および高温、特にダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力および温度、に付することによって高められてもよい。硬度の向上の大きさは、圧力および温度条件に依存し得る。具体的には、硬度向上は圧力が高いほど増加し得る。
【００５４】
一態様において、基材は超硬合金材料を含んでいてもよく、この超硬合金材料は約１．５ミクロンから約３ミクロンの範囲の平均径を有する超硬合金ＷＣ粒子およびＣｏバインダー材料を含んでいてもよく、ＷＣ粒子の含有量は超硬合金材料の約９０重量パーセントから約９２重量パーセントの範囲であり、Ｃｏの含有量は超硬合金材料の約８重量パーセントから約１０重量パーセントの範囲である。超硬合金材料は、バインダー中に分散したＣｒ３Ｃ２粒子をさらに含んでいてもよい。Ｃｒ３Ｃ２の含有量は、超硬合金材料の約０．１重量パーセントから０．５重量パーセントの範囲であってよい。
【００５５】
超硬合金基材がダイヤモンド用の十分な溶媒／触媒を含まず、さらに超高圧での焼結の間にＰＣＤ構造が基材上に一体化して形成される態様において、溶媒／触媒材料は、超硬合金基材以外の材料の源から、ダイヤモンド粒の凝集した塊の中へ包含されるかまたは導入されてもよい。溶媒／触媒材料は、超高圧での焼結工程の直前および焼結工程の間に、基材からダイヤモンド粒の凝集した塊の中へ浸透するコバルトを含んでいてもよい。しかし、基材中のコバルトまたは他の溶媒／触媒材料の含有量が低い態様、特に超硬合金材料の約１１重量パーセント未満の場合、結果として凝集した塊の良好な焼結を保証してＰＣＤを形成するためには代替源が提供される必要があり得る。
【００５６】
ダイヤモンド用の溶媒／触媒は、焼結工程の前または焼結工程の一部としてのいずれかで、粉末形態の溶媒／触媒材料をダイヤモンド粒と混合させること、溶媒／触媒材料をダイヤモンド粒の表面上へ堆積させること、または基材以外の材料の源から溶媒／触媒材料を凝集した塊の中へ染み込ませること、を含む種々の方法によってダイヤモンド粒の凝集した塊の中へと導入されてもよい。コバルトのような、ダイヤモンド用の溶媒／触媒のダイヤモンド粒上への堆積方法は当業界でよく知られており、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、スパッタコーティング、電気化学的方法、無電解コーティング法および原子層堆積法（ＡＬＤ）を含む。それぞれの利点および不利な点は、焼結助剤材料および堆積されるコーティング構造の性質および粒の特性に依存することが十分に理解される。
【００５７】
本発明の方法の一態様において、コバルトは、最初に前駆体材料を堆積し、次いで前駆体材料を金属コバルト元素を含む材料に転換することによって、堆積ダイヤモンド粒の表面上に堆積されてもよい。例えば、第１段階において、炭酸コバルトが、以下の反応を用いてダイヤモンド粒表面に堆積されてもよい。
【化２】
【００５８】
炭酸コバルトもしくは他のコバルトの前駆体、または他のダイヤモンド用の溶媒／触媒の堆積は、ＰＣＴ特許公開番号ＷＯ／２００６／０３２９８２に記載された方法を用いることで達成され得る。炭酸コバルトは、次いで、例えば以下のような熱分解反応を用いることで、コバルトと水に転換されてよい。
【化３】
【００５９】
本発明の方法の他の態様において、コバルト粉末または、炭酸コバルトのようなコバルトへの前駆体が、ダイヤモンド粒と混合されてもよい。コバルトのような溶媒／触媒への前駆体が用いられる場合、反応を起こして元素形態で溶媒／触媒材料を提供するために、凝集した塊を焼結する前に、材料を熱処理する必要があるだろう。
【００６０】
一態様において、超硬合金基材は、約１．４ミクロンの平均径、１３重量パーセントのＣｏ系金属バインダー含有量、ならびにＣｏ、Ｎｉ、およびＣｒ３Ｃ２を非限定例として重量比で約９．７９：２．９５：０．３０含む金属バインダーを有するＷＣ粒子を含んでいてもよい。
【００６１】
一態様において、超硬合金基材は、約２．５ミクロンの平均径を有するＷＣ粒子および９重量パーセントのＣｏ金属バインダー含有量を含んでいてもよい。
【００６２】
一態様において、超硬合金基材は、約２．５ミクロンの平均径を有するＷＣ粒子、９重量パーセントのＣｏ金属バインダー含有量、および０．３重量パーセントのＣｒ３Ｃ２を含んでいてもよい。
【００６３】
一態様において、超硬合金基材は、約０．８ミクロンの平均径を有するＷＣ粒子、１３重量パーセントのＣｏ金属バインダー含有量、０．４重量パーセントのＶＣ、および０．５重量パーセントのＣｒ３Ｃ２を含んでいてもよい。
【００６４】
一態様において、超硬合金基材は、約０．８ミクロンの平均径を有するＷＣ粒子、１０重量パーセントのＣｏ金属バインダー含有量、０．２重量パーセントのＶＣ、および０．３重量パーセントのＣｒ３Ｃ２を含んでいてもよい。
【００６５】
一態様において、超硬合金基材はマイクロ波焼結炭化ＷＣ−Ｃｏを含んでいてもよい。
【００６６】
図６を参照して、本発明の地面穿孔回転ドリルビット８００の態様は、例えば、本明細書で図２、図３、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａまたは図５Ｂに関して前述したような切断要素６００を複数含む。地面穿孔回転ドリルビット８００は、ドリルビット８００をドリルストリング(drill string)（図示せず）に取り付けるためのねじ山を付けられた結合部８０６（例えば、工業標準に準拠するねじ山を付けられた結合部８０６、例えばAmerican Petroleum Institute（ＡＰＩ）から推奨されたもの）を有するシャンク８０４に固定されたビット体８０２を含む。ビット体８０２は、粒子‐マトリックス複合材料またはスチールのような金属合金を含んでいてもよい。ビット体８０２は、それらの境界面で、ねじ山を付けられた結合部、接合部、およびろう付け合金の１つ以上によってシャンク８０４に固定されていてもよい。いくつかの態様において、ビット体８０２は、当業界で知られているように、それらの間で金属ブランクまたは拡張部を介してシャンク８０４に間接的に固定されていてもよい。
【００６７】
ビット体８０２は、ビット体８０２の表面（face）８０３との間に伸びる内部液体通路（図示せず）、およびシャンク８０４および延長部８０８を通り、ビット体８０２にも部分的に通って伸びる縦穴（図示せず）を含んでいてもよい。ノズル挿入部８２４も、内部液体通路の中でビット体８０２の表面８０３に設けられてよい。ビット体８０２は、ジャンクスロット（junk slot）８１８によって分離された複数のブレード８１６をさらに含んでいてよい。いくつかの態様において、ビット体８０２はゲージ摩耗プラグ８２２および摩耗ノット（knot）８２８を含んでいてもよい。１以上の態様の複数のＰＣＤ切断要素１００、２００、３００および４００は、本明細書で前述の通り、一般的に図６中で参照番号６００によって示されており、ビット体８０２の表面８０３上でそれぞれのブレード８１６に沿って配置される切断要素ポケット８１２に取り付けられてもよい。他の態様において、ＰＤＣ切断要素７００は、図２、図３、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａもしくは図５Ｂ、または本発明のＰＤＣ切断要素の他のいずれの態様に関して前述したように、切断要素ポケット８１２に設けられてよい。
【００６８】
中心線Ｌ８００の周囲の掘削孔の中でドリルビット８００がビット荷重（ＷＯＢ）下で回転している間、掘削されている地下層を切断するために切断要素６００が配置される。
【００６９】
本発明のＰＤＣ切断要素の態様は、ゲージトリマー（gauge trimmer）としても用いられてよく、また他のタイプの地面穿孔工具に用いられてもよい。例えば、本発明の切断要素の態様はローラーコーンドリルビット（roller cone drill bit）のコーン、リーマー、ミル、バイセンタービット（bi-center bit）、偏心ビット、コアリングビット、および固定カッターと回転カッターの両方を含むいわゆるハイブリッドビットにも用いられてよい。
【００７０】
本発明の態様は、向上した耐摩滅性および向上した表面耐破壊性、ならびに延長された潜在可使時間を示すものである。
【００７１】
本発明による磁気特性を有する基材を含む態様は、向上した耐破壊性および高い耐摩耗性を有する。特定の理論に縛られることを望むものではないが、これらの磁気特性に内在する微細構造的特徴は、金属バインダーに溶解しているタングステンおよび炭素の量、およびバインダー中に分散されているナノ粒化された粒子、Ｗ、ＣおよびＣｏを含む粒子（いわゆるエータ相またはシータ相）を含んでいてよい。
【００７２】
本発明の態様は、耐摩滅性または破壊靱性のような超硬合金の主要な特性が、超硬合金を超高圧、かつ、ダイヤモンドが熱力学的に安定な温度にさらすことによって、有害に影響されないという利点を有する。
【００７３】
本発明の態様は、内部にエータ相が存在しないことが基材の強度および破壊靱性に有益であり得るという利点を有する。
【００７４】
本発明の態様は、向上された強度を有するバインダー材料を含むという利点を有する。特定の理論に縛られることを望むものではないが、バインダー中の高レベルの溶解したＷまたはＴｉもしくはＴａのような他の耐火金属がバインダーを強化し得る。バインダー中の溶解したＷそれともＴｉもしくはＴａのような他の耐火金属は、バインダーの格子定数を増加させる効果を有し得る。本発明の態様は、向上された腐食耐性および強度を有するコバルトバインダー材料を含むという利点を有する。
【００７５】
特定の理論に縛られることを望むものではないが、コバルト金属バインダー中の溶解されたＷそれともＴｉもしくはＴａのような他の耐火金属が、ｆｃｃ型のコバルトのｈｃｐ型への転換を安定化し得るものであり、これはコバルトバインダーの強度および耐摩滅性を改善する効果を有し得る。
【００７６】
特定の理論に縛られることを望むものではないが、金属バインダー中に分散されたＣｒ３Ｃ２の粒子は、超硬合金の降伏強度および弾性限界を高め、ｆｃｃ型のＣｏの耐摩滅性を向上させ得るｈｃｐ型への転換を防止する可能性がある。
【００７７】
本発明の態様は、高いダイヤモンド粒近接性を有する、十分に焼結されたＰＣＤ構造に結合した、向上した耐摩滅性を有する基材を含むという利点を有する。
【００７８】
本発明の態様は、十分な耐破壊性と組み合わせて、基材の向上した耐摩滅性を示す。
【００７９】
本発明の態様は、本発明を限定することを意図していない以下の例を参照しつつ、より詳細に説明される。
【００８０】
例１
平均径が約２．５ミクロンであるＷＣ粒を含み、約９．３重量パーセントのバインダーを含有し、この値が約９重量パーセントのＣｏと約０．３重量パーセントのＣｒ２Ｃ３で構成されている、ＷＣ−Ｃｏ基材を用意した。基材は一般的に形状が円筒状であり、約１６ｍｍの直径および約１３ｍｍの高さを有していた。結合されていないダイヤモンド粒の凝集した塊を含む層を基材の端面上に堆積し、接着されていない組立品を形成した。ダイヤモンド粒は多様な径分布、および約７ミクロンの平均径を有していた。結合されていない組立品を超高圧炉用のカプセルの中に埋め込み、カプセルを約５．５ＧＰａ〜約６ＧＰａの範囲の超高圧、および摂氏約１，４００度の温度に約５分間さらし、焼結されたＰＣＤ複合成形体を形成した。焼結後、ＰＣＤ複合成形体を処理し、約１５．９ｍｍの直径および約１．７〜２．１ｍｍの範囲の厚さのＰＣＤ構造を有する挿入体を形成した。
【００８１】
超高圧での焼結後の基材の平均自由行程特性が約０．３ミクロンから約０．６ミクロンの範囲であると推定し、弾性限界が約２．０ＧＰａ〜約２．４ＧＰａの範囲であると推定した。基材の磁気保持力Ｈｃが約１１０Ｏｅ〜約１５０Ｏｅ、または同等に約８．７ｋＡ／ｍ〜約１１．９ｋＡ／ｍ、の範囲であると推定した。
【００８２】
例２
約６．５重量パーセントのＣｏ含有量および低炭素含有量を有する耐摩耗性のＷＣ−Ｃｏ基材を公開番号ＵＳ２００６−００９３８５９の教示に従って製造してもよい。基材は、一般的に形状が円筒状であり、、約１６ｍｍの直径を有してもよい。基材材料の保磁力は、約７．０ｋＡ／ｍであってよく、飽和磁気モーメントσは約０．８μＴ・ｍ３／ｋｇ（Ｍｓ、４πσ、は１０．０μＴ・ｍ３／ｋｇであってよい）であってよく、ビッカース硬度ＨＶ３０は約１，１００であってよく、さらに抗折力は約２，４００ＭＰａであってよい。ＷＣ粒の平均径は約１０ミクロンであってよい。光学顕微鏡を使用した場合、ＷＣ粒は丸みを帯びた外観を有していてよい。基材材料は実質的にエータ相を含んでいなくてよい。ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）による検査のために、薄膜試料を製造してもよい。Ｃｏ格子定数をＴＥＭおよびＸ線検査によって決定してもよい。
【００８３】
ＥＤＸを用いて決定される、試料のバインダー中のＷ濃度は、約１８〜約１９原子パーセントの範囲であってよい。基材材料の薄膜試料のＴＥＭ分析（透過型電子顕微鏡）によって、バインダー中に分散したナノ粒子化された粒子の存在が明らかになる可能性がある。電子回折解析によって、バインダーが面心立方格子（ｆｃｃ）構造を有するタングステン含有立方コバルトマトリックスを含み、その格子定数が約０．３６６ｎｍであり得ることが明らかになる可能性がある。電子回折解析によって、ナノ粒子化された粒子が約３ｎｍ〜約１０ｎｍの範囲の平均径を有することが明らかになる可能性もある。
【００８４】
約１６ｍｍの直径および約２．２ｍｍの厚さを有する熱的に安定なＰＣＤディスクを製造してもよい。ダイヤモンド原料粉を、約７ミクロンの複合平均粒径を有する４つのソースからダイヤモンド粒を混合することで調製してもよい。混合した混合物を凝集した塊に形成し、コバルト焼結炭化タングステン（ＷＣ−Ｃｏ）基材上へ、約６．８ＧＰａの圧力および摂氏約１，５００度の温度で超高圧炉用を用いて焼結し、焼結されたＰＣＤ複合成形体を形成してもよい。
【００８５】
複合成形体は、基材上へ一体的に結合されたＰＣＤの層を含むであろう。上述のように製造されたＰＣＤ材料は、約９２体積パーセント（±１パーセント）のダイヤモンド含有量、およびコバルトおよび少量の析出相である残部であって、該コバルトは焼結工程の間に基材からダイヤモンドの凝集した塊の中へと浸透したものである残部を有するであろう。ＰＣＤ切断構造内のダイヤモンド粒は、同等な円の直径の観点から表わされる平均径が約１１ミクロン（±５．５パーセント）で、多様な径分布を有するであろう。粒の相互成長および接触は、ダイヤモンド粒接触の観点から表わすことができ、ＰＣＤの平均接触は６２．０パーセント（±１．９パーセント）であろう。ＰＣＤの格子間の平均自由行程は、約０．７（±０．６）ミクロンであろう。
【００８６】
超硬合金基材を、次いで、研削によって複合成形体から取り除き、支持されていない（un-backed）独立のＰＣＤディスクを残してもよい。ＰＣＤディスクを約２．２ミクロンの厚さに研磨し、次いで酸の中で処理（浸出）して、ＰＣＤ切断構造全体を通して実質的に全てのコバルト溶媒／触媒材料を除去してもよい。
【００８７】
約８０ミクロンの厚さおよび約１６ｍｍの直径を有する活性ろう付け材料の箔を、ＰＣＤセグメントおよび耐摩耗性基材の端面で各々挟み込んでもよい。６３．００重量％のＡｇ、３２．２５重量％のＣｕおよび１．７５重量％のＴｉを含むろう付け材料が、Ｃｕｓｉｌ ＡＢＴＭという商品名で入手可能である。ろう付けの前に、ＰＣＤセグメントを超音波洗浄してもよく、炭化タングステン基材およびろう付け箔の両方をわずかに研磨し、次いで超音波洗浄した。予備成形した要素組立品を、真空中で熱処理に付してもよい。温度を摂氏９２０度まで１５分にわたって上げ、このレベルで５分間保持し、次いで約８〜９時間にわたって大気温度まで下げてもよい。少なくとも１０−５ミリバールの真空を熱処理の間維持してもよい。炉の環境内での酸素および他の不純物を回避するかまたはその量を最小限にするために、注意を払う必要がある。
【００８８】
例３
約６．５重量パーセントのＣｏ含有量を有し、かつ、約８ミクロンの平均径を有するＷＣ粒を含む、耐摩耗性のＷＣ−Ｃｏ基材を用意してもよい。基材は、一般的に形状が円筒状であり、、約１６ｍｍの直径を有してもよい。保磁力は、約６．４ｋＡ／ｍであってよく、飽和磁気モーメントσは約０．９５μＴ・ｍ３／ｋｇ（Ｍｓ、４πσ、は１１．９μＴ・ｍ３／ｋｇであってよい）であってよく、ビッカースＨＶ３０硬度は約１，１４０であってよく、さらに抗折力は約１，９５０ＭＰａであってよい。
【００８９】
多様な径分布および約７ミクロンの平均径を有する複数のダイヤモンド粒を、５重量パーセントのコバルト粉末と混合してよい。混合した混合物を、基材の上面に対して層状の結合していない凝集した塊に形成し、結合していない組立品を形成してもよく、次いでこの組立品を超高圧炉用のカプセルに埋め込んでもよい。カプセルを約５．５ＧＰａの圧力および約１，４００℃の温度に約５分間さらしてもよい。焼結後、第一および第二の基材要素を一緒に焼結してよく、ＰＣＤ複合成形体を処理して、約１５．９ｍｍの直径および約１．７〜２．１ｍｍの範囲の厚さを有するＰＣＤ構造を有する挿入体を形成してよい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超硬合金基材に結合されたＰＣＤ構造を備える多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）複合成形体要素であって、前記基材の少なくとも周辺領域が、少なくとも０．１ミクロン、かつ、多くとも０．７ミクロンの平均自由行程（ＭＦＰ）特性および少なくとも１．９ＧＰａの弾性限界を有する超硬合金材料を備える、多結晶ダイヤモンド複合成形体要素。
【請求項２】
前記周辺領域の前記超硬合金材料が金属炭化物粒子および金属バインダー材料を含み、前記周辺領域の前記金属バインダーの含有量が、少なくとも１重量パーセント、かつ、多くとも１２重量パーセントである、請求項１に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項３】
前記周辺領域内の前記金属炭化物粒子が、少なくとも０．１ミクロン、かつ、多くとも２０ミクロンの平均径を有する、請求項１または２に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項４】
前記周辺領域が、少なくとも１００Ｏｅ、かつ、多くとも７００Ｏｅの磁気保磁力を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項５】
前記金属バインダー材料がコバルトを含み、前記金属炭化物が炭化タングステンである、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項６】
前記金属バインダー材料が、タングステンおよび炭素のうちの少なくとも１つの、コバルト中での固溶体を含んでなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項７】
炭化クロムおよび炭化バナジウムの少なくとも１つからなる粒が、前記金属バインダー材料中に分散される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項８】
前記金属バインダー材料がコバルト、ニッケルおよびＣｒ３Ｃ２を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項９】
前記金属炭化物がＴｉＣ、ＷＣ、ＴａＣまたは他の耐火性金属炭化物である、請求項１〜８のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項１０】
前記金属炭化物が炭化タングステン（ＷＣ）であり前記周辺領域の前記超硬合金が最大で１７．０ｋＡ／ｍの磁気保磁力強度を有し、磁気モーメントσをマイクロテスラ立方メートル毎キログラムの単位で、前記超硬合金の重量パーセントにおけるＣｏ比率（Ｘ）の関数として、それぞれ、σ＝０．１１Ｘからσ＝０．１３７Ｘの範囲内で有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項１１】
前記周辺領域の前記超硬合金にエータ相が実質的にない、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項１２】
０．１ｎｍ〜５００ｎｍの範囲の平均径を有する金属炭化物または金属含有ナノ粒子が、前記金属バインダー材料中に分散される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項１３】
前記金属バインダー材料が、前記バインダー材料の５原子パーセントから３０原子パーセントの範囲の濃度のタングステンを含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素を製造する方法であって、少なくとも周辺領域が少なくとも０．１ミクロン、かつ、多くとも０．７ミクロンの平均自由行程（ＭＦＰ）特性および少なくとも１．９ＧＰａの弾性限界を有する超硬合金材料、を含む超硬合金基材を用意すること、金属炭化物の粒子および金属バインダー材料を含み、前記金属バインダーの含有量が少なくとも１重量パーセント、かつ、多くとも１２重量パーセントである前記周辺領域、ダイヤモンド粒子の凝集した塊を用意すること、ダイヤモンド用の溶媒／触媒材料を前記凝集した塊の中に導入すること、および前記基材と接触している前記凝集した塊をダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力および温度で焼結して、超硬合金基材に結合されたＰＣＤ構造を形成すること、を含む、方法
【請求項１５】
前記基材がダイヤモンド用の溶媒／触媒材料を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
粉末形態の溶媒／触媒材料をダイヤモンド粒と混合させること、溶媒／触媒材料をダイヤモンド粒の表面上に堆積すること、および前記基材以外の前記材料の源から溶媒／触媒材料を前記凝集した塊の中に染み込ませること、のいずれか１つによって、前記ダイヤモンド用の溶媒／触媒を前記ダイヤモンド粒の凝集した塊の中に導入することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素を備える工具であって、前記工具が切断、フライス加工、破砕、穴あけ、地面穿孔、削岩または他の研磨用途用である、工具。
【請求項１８】
前記工具が地面穿孔用または削岩用のドリルビットを備える、請求項１７に記載の工具。
【請求項１９】
前記工具が、石油およびガス採掘産業における用途用の回転固定カッタービットを備える、請求項１８に記載の工具。
【請求項２０】
前記工具が、回転コーンドリルビット、穴あけ工具、拡張可能な工具、リーマーまたは地面穿孔工具である、請求項１７に記載の工具。
【請求項１】
超硬合金基材に結合されたＰＣＤ構造を備える多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）複合成形体要素であって、前記基材の少なくとも周辺領域が、少なくとも０．１ミクロン、かつ、多くとも０．７ミクロンの平均自由行程（ＭＦＰ）特性および少なくとも１．９ＧＰａの弾性限界を有する超硬合金材料を備える、多結晶ダイヤモンド複合成形体要素。
【請求項２】
前記周辺領域の前記超硬合金材料が金属炭化物粒子および金属バインダー材料を含み、前記周辺領域の前記金属バインダーの含有量が、少なくとも１重量パーセント、かつ、多くとも１２重量パーセントである、請求項１に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項３】
前記周辺領域内の前記金属炭化物粒子が、少なくとも０．１ミクロン、かつ、多くとも２０ミクロンの平均径を有する、請求項１または２に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項４】
前記周辺領域が、少なくとも１００Ｏｅ、かつ、多くとも７００Ｏｅの磁気保磁力を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項５】
前記金属バインダー材料がコバルトを含み、前記金属炭化物が炭化タングステンである、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項６】
前記金属バインダー材料が、タングステンおよび炭素のうちの少なくとも１つの、コバルト中での固溶体を含んでなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項７】
炭化クロムおよび炭化バナジウムの少なくとも１つからなる粒が、前記金属バインダー材料中に分散される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項８】
前記金属バインダー材料がコバルト、ニッケルおよびＣｒ３Ｃ２を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項９】
前記金属炭化物がＴｉＣ、ＷＣ、ＴａＣまたは他の耐火性金属炭化物である、請求項１〜８のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項１０】
前記金属炭化物が炭化タングステン（ＷＣ）であり前記周辺領域の前記超硬合金が最大で１７．０ｋＡ／ｍの磁気保磁力強度を有し、磁気モーメントσをマイクロテスラ立方メートル毎キログラムの単位で、前記超硬合金の重量パーセントにおけるＣｏ比率（Ｘ）の関数として、それぞれ、σ＝０．１１Ｘからσ＝０．１３７Ｘの範囲内で有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項１１】
前記周辺領域の前記超硬合金にエータ相が実質的にない、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項１２】
０．１ｎｍ〜５００ｎｍの範囲の平均径を有する金属炭化物または金属含有ナノ粒子が、前記金属バインダー材料中に分散される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項１３】
前記金属バインダー材料が、前記バインダー材料の５原子パーセントから３０原子パーセントの範囲の濃度のタングステンを含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素を製造する方法であって、少なくとも周辺領域が少なくとも０．１ミクロン、かつ、多くとも０．７ミクロンの平均自由行程（ＭＦＰ）特性および少なくとも１．９ＧＰａの弾性限界を有する超硬合金材料、を含む超硬合金基材を用意すること、金属炭化物の粒子および金属バインダー材料を含み、前記金属バインダーの含有量が少なくとも１重量パーセント、かつ、多くとも１２重量パーセントである前記周辺領域、ダイヤモンド粒子の凝集した塊を用意すること、ダイヤモンド用の溶媒／触媒材料を前記凝集した塊の中に導入すること、および前記基材と接触している前記凝集した塊をダイヤモンドが熱力学的に安定な圧力および温度で焼結して、超硬合金基材に結合されたＰＣＤ構造を形成すること、を含む、方法
【請求項１５】
前記基材がダイヤモンド用の溶媒／触媒材料を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
粉末形態の溶媒／触媒材料をダイヤモンド粒と混合させること、溶媒／触媒材料をダイヤモンド粒の表面上に堆積すること、および前記基材以外の前記材料の源から溶媒／触媒材料を前記凝集した塊の中に染み込ませること、のいずれか１つによって、前記ダイヤモンド用の溶媒／触媒を前記ダイヤモンド粒の凝集した塊の中に導入することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のＰＣＤ複合成形体要素を備える工具であって、前記工具が切断、フライス加工、破砕、穴あけ、地面穿孔、削岩または他の研磨用途用である、工具。
【請求項１８】
前記工具が地面穿孔用または削岩用のドリルビットを備える、請求項１７に記載の工具。
【請求項１９】
前記工具が、石油およびガス採掘産業における用途用の回転固定カッタービットを備える、請求項１８に記載の工具。
【請求項２０】
前記工具が、回転コーンドリルビット、穴あけ工具、拡張可能な工具、リーマーまたは地面穿孔工具である、請求項１７に記載の工具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【公表番号】特表２０１３−５０４６８８（Ｐ２０１３−５０４６８８Ａ）
【公表日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２８３２４（Ｐ２０１２−５２８３２４）
【出願日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０６２９１３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２９７７３
【国際公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【出願人】（５０６２３１８９２）エレメント シックス リミテッド (15)
【出願人】（３０１００８５３４）ベイカー ヒューズ インコーポレイテッド (21)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０６２９１３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０２９７７３
【国際公開日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【出願人】（５０６２３１８９２）エレメント シックス リミテッド (15)
【出願人】（３０１００８５３４）ベイカー ヒューズ インコーポレイテッド (21)
【Ｆターム（参考）】
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