超硬合金

超硬合金は、切削工具やその他の工業用途で広く使用されている硬質材料の一種です。超硬合金は、結合剤金属によって複合材料に固められた炭化物の微粒子で構成されています。超硬合金では、骨材として炭化タングステン(WC)、炭化チタン(TiC)、または炭化タンタル(TaC) が一般的に使用されます。工業分野で「炭化物」または「炭化タングステン」と言えば、通常はこれらの固められた複合材料を指します。

ほとんどの場合、超硬カッターを使用すると、部品の表面仕上げが良好になり、高速度鋼やその他の工具鋼よりも高速な加工が可能になります。超硬工​​具は、標準的な高速度鋼工具よりもカッターとワークピースの接合部でより高い温度に耐えることができます (これが、より高速な加工を可能にする主な理由です)。超硬は通常、炭素鋼やステンレス鋼などの強靭な材料の切削に優れているほか、大量生産など、他の切削工具では摩耗が早い状況でも優れています。超硬工​​具が必要ない場合は、コストが低い高速度鋼が好まれます。

超硬合金は金属マトリックス複合材であり、炭化物粒子が骨材として機能し、金属結合剤がマトリックスとして機能します (砂利骨材がセメントマトリックスに懸濁しているコンクリートに類似)。超硬合金の構造は概念的には研削ホイールの構造に似ていますが、研磨粒子ははるかに小さく、肉眼では超硬カッターの材料は均質に見えます。

炭化物粒子を結合剤と組み合わせるプロセスは、焼結または熱間静水圧プレス(HIP) と呼ばれます。このプロセスでは、結合剤が液相になるまで材料が加熱されますが、炭化物粒子 (融点がはるかに高い) は固体のままです。この高温高圧下で、炭化物粒子は再配置され、一緒に圧縮されて多孔質マトリックスを形成します。金属結合剤の延性は炭化物セラミックの脆さを相殺する役割を果たし、複合材料の全体的な靭性と耐久性を高めます。炭化物メーカーは、粒径、コバルト含有量、ドーション (合金炭化物など)、炭素含有量などのさまざまなパラメーターを制御することで、炭化物の性能を特定の用途に合わせて調整できます。

最初に開発された超硬合金は、コバルト金属結合剤で結合されたタングステンカーバイド粒子を使用するタングステンカーバイド（1927年に導入）でした。それ以来、鋼の切削に適したチタンカーバイドや、タングステンカーバイドよりも靭性の高いタンタルカーバイドなど、他の超硬合金も開発されました。 ^[1]

焼結炭化タングステンの熱膨張係数は、金属結合剤として使用されるコバルトの量によって変化することが判明しています。5.9%コバルトサンプルでは4.4 μm/m·Kの係数が測定されましたが、13%コバルトサンプルでは約5.0 μm/m·Kの係数が測定されました。両方の値は、熱膨張プロセスの非線形性のため、20 °C (68 °F) から 60 °C (140 °F) までしか有効ではありません。^[2]

超硬合金は、他の一般的な工具材料よりも単位当たりのコストが高く、脆いため、欠けたり折れたりしやすくなります。これらの問題を相殺するために、超硬切削チップ自体は、シャンクが別の材料（通常は炭素工具鋼）で作られたより大きな先端工具用の小さなインサートの形をしていることがよくあります。これにより、工具全体を超硬合金で作るという高コストや脆さがなく、切削インターフェースで超硬を使用できるという利点があります。ほとんどの最新のフェースミルは、多くの旋盤工具やエンドミルと同様に超硬インサートを使用しています。しかし、ここ数十年で、アプリケーションの特性により、利点（サイクルタイムの短縮など）が欠点（上記）を上回る場合は常に、超硬ソリッドエンドミルも一般的に使用されるようになりました。また、現代の旋盤工具では、ボーリングバーなどの超硬工具に超硬インサートを使用することがあります。超硬インサートは鋼インサートホルダーよりも剛性が高く、振動しにくくなっています。これは、工具直径の何倍もの深さまで部品に到達する必要があるボーリングバーやねじ切りバーでは特に重要です。

超硬工具の寿命を延ばすために、コーティングが施されることがあります。そのようなコーティングには、TiN (窒化チタン)、TiC (炭化チタン)、Ti(C)N (炭化窒化チタン)、TiAlN (窒化アルミニウムチタン)、AlTiN (窒化アルミニウムチタン) の 5 種類があります。(DLC (ダイヤモンドライクカーボン) と呼ばれる新しいコーティングが登場し始めており、本物のダイヤモンドと鉄の間の望ましくない化学反応を起こすことなく、ダイヤモンドの切削力を実現しています^[要出典]。) ほとんどのコーティングは一般に、工具の硬度や潤滑性を高めます。コーティングにより、工具の刃先が材料にこびりつくことなく、材料をきれいに通過できるようになります。また、コーティングは、切削プロセスに関連する温度を下げ、工具の寿命を延ばすのにも役立ちます。コーティングは通常、熱化学蒸着法(CVD) で堆積されますが、特定の用途では機械物理蒸着法 (PVD) で堆積されます。しかし、堆積が高すぎる温度で行われると、炭化物とコバルト相の界面にCo ₆ W _{6 C 三次炭化物の}イータ相が形成され、コーティングの接着不良につながる可能性があります。

採鉱やトンネル掘削の切削工具には、ほとんどの場合、超硬合金の先端、いわゆる「ボタンビット」が取り付けられています。人工ダイヤモンドは、条件が理想的な場合にのみ超硬合金のボタンの代わりに使用できますが、岩盤掘削は困難な作業であるため、超硬合金のボタンビットは世界中で最も多く使用されています。

1960 年代半ば以降、世界中の製鉄所では、管、棒、平鋼の熱間圧延と冷間圧延の両方に、圧延機のロールに超硬合金を採用してきました。

このカテゴリには無数のアプリケーションが含まれますが、主に次の 3 つの領域に分けられます。

• エンジニアリングコンポーネント
• 摩耗部品
• ツールとツールブランク

超硬合金部品が使用される主な分野:

• 自動車部品
• ツーピース缶の深絞り用缶詰工具
• 人工繊維の高速切断用ロータリーカッター
• 線引きダイスなどの線引きおよびスタンピング用途の金属成形ツール。
• バンプおよびシール用途向けのリングおよびブッシング
• 木工、例えば鋸引きやかんな掛け用途
• 高性能ポンプ用ポンプピストン（原子力施設など）
• ノズル、例えば石油掘削用途の高性能ノズル
• 耐摩耗性に優れたルーフとテールのツールとコンポーネント
• ボールベアリングやボールペン用のボール

タングステンカーバイドは、その極めて高い硬度と傷に対する高い耐性により、ブライダルジュエリー業界で人気の素材となっています。しかし、その脆さから、ジュエリー用途では欠けたり、割れたり、砕けたりしがちです。一度破損すると修復できません。

焼結炭化物の最初の開発は、1920年代にドイツで行われました。^[3] ティッセンクルップは[歴史的現在形で]、「焼結炭化タングステンが、金属加工材料としてダイヤモンドの代わりとなる「オスラム電気照明研究会」によって開発されました。この材料を工業規模で利用する設備がなかったため、オスラムは1925年末にクルップにライセンスを売却しました。1926年、クルップは焼結炭化物をWIDIA（WIe DIAmant = ダイヤモンドのような）という名前で市場に投入しました。」と述べています。^[4] / ˈ v iː d i ə /『機械ハンドブック』^[3]では、超硬工具の商業導入日は1927年とされている。バーグハートとアクセルロッド^[5]は、超硬工具が米国で商業導入されたのは1928年としている。その後の開発は様々な国で行われた。^[3]

マーケティングの売り文句はやや誇張されたものでしたが (超硬合金はダイヤモンドと完全に同じというわけではありません)、超硬工具は切削速度と送りを非常に顕著に改善したため、20 年前の高速度鋼の場合と同様に、工作機械の設計者は、さらに高い剛性とさらに優れたスピンドルベアリングを念頭に、既存の設計のあらゆる側面を再考せざるを得なくなりました。

第二次世界大戦中、ドイツではタングステンが不足していました。超硬合金のタングステンの方が高速度鋼のタングステンよりも金属を効率的に切断できることがわかったため、タングステンの使用量を節約するために、金属の切断には可能な限り超硬合金が使用されるようになりました。

Widia  [de]という名称は、英語 (widia, / ˈ w ɪ d i ə / ) を含む様々な国や言語で一般化された商標となっ^たが、英語では一般化された意味が特に広まったことはなかった (「carbide」が通常の一般用語である)。2009年以来、この名称はケナメタルによってブランド名として復活し、^[6]このブランドは多くの人気の切削工具ブランドを包含している。

コーティングされていないチップをシャンクにろう付けしたものが最初の形でした。クランプ式のインデックス可能なインサートと今日のさまざまなコーティングは、その後の数十年間に実現された進歩です。^[3] 10 年ごとに、超硬合金の使用は「特別」ではなく、より普遍的なものになってきました。^{[独自の研究? ]}

微粒子超硬合金に関しては、その製造に関連する科学的および技術的手順を追跡する試みがなされてきたが、商業組織、場合によっては研究組織によって、最初の研究の日付からかなり後まで関連情報を公表しないという制限があるため、この作業は容易ではない。したがって、データを歴史的、時系列的に並べることはやや難しい。しかし、最初の特許が付与されてから約 6 年後の 1929 年に、クルップ/オスラムの研究者が炭化タングステンの粒子微細化の利点を認識していたことは立証可能であった。1939 年までに、彼らはまた、少量の炭化バナジウムと炭化タンタルを添加することの有益な効果を発見した。これにより、不連続な粒子成長が効果的に制御された。^[7]

ある十年間に「微細」とみなされたものが、次の十年間にはそれほど微細ではないとみなされるようになりました。したがって、初期には 0.5～3.0 μm の範囲の粒径が微細とみなされていましたが、1990 年代までには、粒径が 20～50 nm のナノ結晶材料の時代が到来しました。

ポベディット（ロシア語：победи́т）は、硬質相として約90％の炭化タングステン、結合相として約10％のコバルト（Co）と少量の炭素を含む焼結炭化合金である。 1929年にソビエト連邦で開発され、切削工具の材料として説明されている。後に、タングステンとコバルトをベースにした同様の合金がいくつか開発され、それらにも「ポベディット」という名前が付けられた。^{[8] [9] [10]}

ポベディットは通常、粉末冶金法によって、さまざまな形や大きさの板状に製造されます。製造プロセスは次のとおりです。炭化タングステン (またはその他の耐火炭化物) の微粉末と、コバルトやニッケルなどの結合材の微粉末を混ぜ合わせ、適切な形にプレスします。プレスされた板は結合材の融点に近い温度で焼結され、非常に緻密で固体の物質になります。

この超硬質複合材のプレートは、金属切削工具や穴あけ工具の製造に使用され、通常は切削工具の先端にはんだ付けされます。熱処理は必要ありません。ドリルビットの先端のポベディットインサートは、ロシアでは現在でも広く普及しています。

• 超硬鋸

• Burghardt, Henry D.; Axelrod, Aaron (1954)。『工作機械の操作』第 2 巻 (第 3 版)。McGraw-Hill。LCCN 52011537  。
• オバーグ、エリック; ジョーンズ、フランクリン D.; ホートン、ホルブルック L.; リフェル、ヘンリー H. (1996)、グリーン、ロバート E.; マコーリー、クリストファー J. (編)、『機械ハンドブック』 (第 25 版)、ニューヨーク:インダストリアル プレス、ISBN 978-0-8311-2575-2、OCLC  473691581。

• Schubert, W.-D.; Lassner, E.; Böhlke, W (2010 年 6 月)。「超硬合金 - 成功事例」(PDF)。ITIAニュースレター。
• 「ソ連の超硬合金 - 知られざる歴史」。タングステン（ITIAニュースレター）。

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