超硬は、高速加工 (HSM) 工具材料の中で最も広く使用されているクラスであり、粉末冶金プロセスによって製造され、硬質超硬 (通常はタングステンカーバイド WC) 粒子とより柔らかい金属結合組成物で構成されています。現在、異なる組成の WC 基超硬合金が数百種類あり、そのほとんどは結合剤としてコバルト (Co) を使用しており、ニッケル (Ni) とクロム (Cr) も結合剤元素として一般的に使用されており、その他の元素を添加することもできます。 。いくつかの合金元素。超硬グレードがこれほど多いのはなぜですか?工具メーカーは特定の切削加工に適した工具材料をどのように選択するのでしょうか?これらの質問に答えるために、まず超硬合金を理想的な工具材料にするさまざまな特性を見てみましょう。
硬さと靱性
WC-Co超硬合金は、硬度と靭性の両方において独特の利点を持っています。炭化タングステン (WC) は本質的に非常に硬く (コランダムやアルミナよりも硬く)、動作温度が上昇しても硬度が低下することはほとんどありません。しかし、切削工具に不可欠な特性である靭性が十分ではありません。タングステンカーバイドの高い硬度を活かして靱性を向上させるために、メタルボンドを使用してタングステンカーバイドを結合することで、この材料は高速度鋼をはるかに超える硬度を持ちながら、ほとんどの切削に耐えることができます。操作。切断力。さらに、高速加工による高温の切削温度にも耐えることができます。
現在、ほぼすべての WC-Co ナイフとインサートはコーティングされているため、基材の役割はそれほど重要ではないようです。しかし実際には、コーティングの非変形性基材を提供するのは、WC-Co 材料の高い弾性率 (剛性の尺度であり、室温で高速度鋼の約 3 倍) です。 WC-Co マトリックスは、必要な靭性も提供します。これらの特性は WC-Co 材料の基本特性ですが、超硬合金粉末を製造する際に材料組成と微細構造を調整することによって材料特性を調整することもできます。したがって、特定の加工に対する工具の性能の適合性は、初期のフライス加工プロセスに大きく依存します。
フライス加工
炭化タングステン粉末は、タングステン（W）粉末を浸炭して得られます。炭化タングステン粉末の特性（特に粒径）は、主に原料タングステン粉末の粒径と浸炭温度、浸炭時間に依存します。化学的制御も重要であり、炭素含有量を一定に保つ必要があります (化学量論値の 6.13 重量% に近い)。浸炭処理前に、その後の工程での粉末粒径を制御するために、少量のバナジウムおよび／またはクロムを添加してもよい。さまざまな下流プロセス条件やさまざまな最終処理用途には、炭化タングステンの粒径、炭素含有量、バナジウム含有量、クロム含有量の特定の組み合わせが必要であり、それによってさまざまな異なる炭化タングステン粉末を製造できます。たとえば、炭化タングステン パウダー メーカーである ATI Alldyne は、23 の標準グレードの炭化タングステン パウダーを生産しており、ユーザーの要件に応じてカスタマイズされた炭化タングステン パウダーの種類は、標準グレードの炭化タングステン パウダーの 5 倍以上に達することがあります。
炭化タングステン粉末とメタルボンドを混合および粉砕して特定のグレードの超硬合金粉末を製造する場合、さまざまな組み合わせを使用できます。コバルトの含有量は3%～25%(重量比)が最も多く使用されており、工具の耐食性を高める必要がある場合にはニッケルやクロムを添加する必要があります。また、他の合金成分を添加することにより、金属結合をさらに向上させることができる。たとえば、WC-Co超硬合金にルテニウムを添加すると、硬度を低下させることなく靭性を大幅に向上させることができます。結合剤の含有量を増やすと超硬合金の靭性も向上しますが、硬度は低下します。
炭化タングステン粒子のサイズを小さくすると材料の硬度が増加しますが、炭化タングステンの粒子サイズは焼結プロセス中同じままでなければなりません。焼結中、炭化タングステン粒子は結合し、溶解と再沈殿のプロセスを通じて成長します。実際の焼結プロセスでは、十分に緻密な材料を形成するために、金属結合が液体になります（液相焼結と呼ばれます）。炭化タングステン粒子の成長速度は、炭化バナジウム (VC)、炭化クロム (Cr3C2)、炭化チタン (TiC)、炭化タンタル (TaC)、炭化ニオブ (NbC) などの他の遷移金属炭化物を添加することで制御できます。これらの金属炭化物は通常、炭化タングステン粉末を金属結合剤で混合および粉砕するときに添加されますが、炭化タングステン粉末が浸炭されるときに炭化バナジウムおよび炭化クロムも形成される可能性があります。
炭化タングステン粉末は、リサイクルされた廃棄超硬材料を使用して製造することもできます。スクラップカーバイドのリサイクルと再利用は超硬合金業界で長い歴史があり、業界の経済チェーン全体の重要な部分を占めており、材料コストの削減、天然資源の節約、廃棄物の回避に役立ちます。有害な廃棄。スクラップ超硬合金は、通常、APT（パラタングステン酸アンモニウム）プロセス、亜鉛回収プロセス、または粉砕によって再利用できます。これらの「リサイクル」炭化タングステン粉末は、タングステン浸炭プロセスで直接製造された炭化タングステン粉末よりも表面積が小さいため、通常、より優れた予測可能な緻密化を実現します。
炭化タングステン粉末とメタルボンドの混合粉砕の処理条件も重要なプロセスパラメータです。最も一般的に使用される 2 つのミリング技術は、ボールミリングとマイクロミリングです。どちらのプロセスでも、粉砕粉末を均一に混合し、粒径を小さくすることができます。後でプレスされるワークピースに十分な強度を持たせ、ワークピースの形状を維持し、オペレータまたはマニピュレータがワークピースを持ち上げて操作できるようにするために、通常、研削中に有機結合剤を添加する必要があります。この結合の化学組成は、プレスされたワークピースの密度と強度に影響を与える可能性があります。取り扱いを容易にするために、高強度のバインダーを添加することをお勧めしますが、これにより圧縮密度が低下し、最終製品に欠陥を引き起こす可能性のある塊が生成される可能性があります。
粉砕後、通常、粉末は噴霧乾燥されて、有機結合剤によって結合された自由流動性の凝集体が生成されます。有機バインダーの組成を調整することにより、これらの凝集体の流動性と電荷密度を必要に応じて調整できます。粗い粒子や細かい粒子をふるいにかけることにより、凝集体の粒径分布をさらに調整して、金型キャビティに充填したときの良好な流れを確保できます。
ワークの製造
超硬ワークピースはさまざまな加工方法で形成できます。ワークピースのサイズ、形状の複雑さのレベル、生産バッチに応じて、ほとんどの切削インサートは上部および下部圧力の剛性ダイスを使用して成形されます。各プレス中にワークピースの重量とサイズの一貫性を維持するには、キャビティに流入する粉末の量（質量と体積）が正確に同じであることを保証する必要があります。粉末の流動性は、主に凝集体のサイズ分布と有機バインダーの特性によって制御されます。成形されたワークピース (または「ブランク」) は、金型キャビティに充填された粉末に 10 ～ 80 ksi (キロポンド/平方フィート) の成形圧力を加えることによって形成されます。
非常に高い成形圧力下でも硬質な炭化タングステン粒子は変形したり割れたりすることなく、有機バインダーが炭化タングステン粒子の隙間に押し込まれ、粒子の位置が固定されます。圧力が高くなるほど、炭化タングステン粒子の結合が強まり、ワークピースの圧縮密度が高くなります。超硬合金粉末のグレードの成形特性は、金属結合剤の含有量、炭化タングステン粒子のサイズと形状、凝集の程度、有機結合剤の組成と添加によって異なります。超硬合金粉末のグレードの圧縮特性に関する定量的な情報を提供するために、通常、成形密度と成形圧力の関係は粉末メーカーによって設計および構築されます。この情報により、供給された粉末が工具メーカーの成形プロセスに適合していることが保証されます。
大型の超硬ワークピースまたは高アスペクト比の超硬ワークピース (エンドミルやドリルのシャンクなど) は、通常、柔軟な袋に入った均一に圧縮されたグレードの超硬粉末から製造されます。バランスプレス法はモールド法に比べて生産サイクルが長くなりますが、金型の製造コストが安くなるため、小ロット生産に適しています。
粉体を袋に入れて袋の口を密閉し、粉体が詰まった袋をチャンバーに入れ、油圧装置により30～60ksiの圧力を加えてプレスする加工方法です。プレスされたワークピースは、多くの場合、焼結前に特定の形状に機械加工されます。袋のサイズは、圧縮中のワークピースの収縮に対応し、研削作業に十分なマージンを提供するために拡大されています。プレス後にワークを加工する必要があるため、充填の均一性の要求は成形法ほど厳しくありませんが、それでも毎回同じ量の粉体を袋に充填することが望ましい。粉体の投入密度が小さすぎると、袋内の粉体が不足し、ワークが小さくなりすぎて廃棄しなければならなくなる場合があります。粉体の充填密度が高すぎて袋に充填される粉体が多すぎる場合は、プレス後にワークピースを加工してさらに粉体を除去する必要があります。余分な粉体を除去して廃棄したワークはリサイクル可能ですが、生産性が低下します。
超硬ワークピースは、押出ダイや射出ダイを使用して成形することもできます。押出成形プロセスは軸対称形状のワークピースの大量生産に適していますが、射出成形プロセスは通常、複雑な形状のワークピースの大量生産に使用されます。どちらの成形プロセスでも、各グレードの超硬合金粉末が、超硬合金混合物に歯磨き粉のような粘稠度を与える有機結合剤中に懸濁されます。次に、コンパウンドを穴から押し出すか、キャビティに射出して成形します。超硬合金粉末のグレードの特性は、混合物中の粉末と結合剤の最適な比率を決定し、押出穴またはキャビティへの射出を通る混合物の流動性に重要な影響を与えます。
ワークピースが成形、静水圧プレス、押出成形または射出成形によって形成された後、最終の焼結段階の前にワークピースから有機結合剤を除去する必要があります。焼結によりワークピースから気孔が除去され、ワークピースが完全に（または実質的に）緻密になります。焼結中、プレス成形されたワークピース内の金属結合は液体になりますが、ワークピースは毛細管力と粒子結合の複合作用によりその形状を保持します。
焼結後、ワークピースの形状は変わりませんが、寸法は減少します。焼結後に必要なワークサイズを得るには、ツールの設計時に収縮率を考慮する必要があります。各工具の製造に使用される超硬粉末のグレードは、適切な圧力下で圧縮されたときに適切な収縮が得られるように設計する必要があります。
ほとんどの場合、焼結したワークピースの焼結後処理が必要です。切削工具の最も基本的な処理は、刃先を研ぐことです。多くの工具では、焼結後に形状や寸法を研磨する必要があります。一部のツールでは上下の研削が必要です。他のものは、外周研削（刃先の研ぎの有無にかかわらず）を必要とします。研削後の超硬チップはすべてリサイクル可能です。
ワークのコーティング
多くの場合、完成したワークピースにはコーティングが必要です。このコーティングは潤滑性と硬度の向上に加えて、基材に拡散バリアを提供し、高温にさらされたときの酸化を防ぎます。超硬合金基材はコーティングの性能にとって非常に重要です。マトリックス粉末の主な特性を調整することに加えて、マトリックスの表面特性も化学物質の選択と焼結方法の変更によって調整できます。コバルトの移動により、ワークピースの残りの部分と比較して、厚さ 20 ～ 30 μm 以内のブレード表面の最外層に、より多くのコバルトが濃縮されるため、基板の表面に優れた強度と靭性が与えられ、より多くのコバルトが得られます。変形しにくい。
工具メーカーは、独自の製造プロセス (脱蝋方法、加熱速度、焼結時間、温度、浸炭電圧など) に基づいて、使用する超硬合金粉末のグレードに対して特別な要件を設けている場合があります。一部の工具メーカーはワークピースを真空炉で焼結しますが、他の工具メーカーは熱間静水圧プレス (HIP) 焼結炉 (プロセス サイクルの終わり近くにワークピースを加圧して残留物を除去する) を使用する場合があります。真空炉で焼結されたワークピースは、ワークピースの密度を高めるために追加のプロセスを通じて熱間静水圧プレスする必要がある場合もあります。一部の工具メーカーは、コバルト含有量が低い混合物の焼結密度を高めるために、より高い真空焼結温度を使用する場合がありますが、このアプローチでは微細構造が粗くなる可能性があります。微細な粒径を維持するために、より小さい粒径の炭化タングステン粉末を選択できます。特定の製造装置に適合させるために、脱蝋条件および浸炭電圧にも、超硬合金粉末の炭素含有量に対する異なる要件があります。
グレード分類
異なる種類のタングステンカーバイド粉末の組み合わせの変更、混合組成と金属結合剤の含有量、粒成長抑制剤の種類と量などにより、さまざまな超硬グレードが構成されます。これらのパラメータにより、超硬合金の微細構造とその特性が決まります。いくつかの特定の加工用途では、特性の特定の組み合わせが優先されるため、さまざまな超硬合金グレードを分類することが重要になります。
機械加工用途で最も一般的に使用される 2 つの超硬分類システムは、C 指定システムと ISO 指定システムです。どちらのシステムも超硬合金グレードの選択に影響を与える材料特性を完全に反映しているわけではありませんが、議論の出発点にはなります。各分類ごとに、多くのメーカーが独自の特殊グレードを持っており、その結果、多種多様な超硬グレードが存在します。
超硬グレードは組成によっても分類できます。炭化タングステン (WC) グレードは、単純、微結晶、合金の 3 つの基本タイプに分類できます。シンプレックスグレードは主に炭化タングステンとコバルト結合剤で構成されていますが、少量の粒子成長阻害剤も含まれる場合があります。微結晶グレードは、炭化タングステンとコバルト結合剤に数千分の1の炭化バナジウム（VC）および（または）炭化クロム（Cr3C2）を添加したもので構成されており、その粒径は1μm以下に達する場合もあります。合金グレードは、炭化タングステンと、数パーセントの炭化チタン (TiC)、炭化タンタル (TaC)、炭化ニオブ (NbC) を含むコバルト結合剤で構成されています。これらの添加物は、その焼結特性により立方晶系炭化物としても知られています。得られた微細構造は、不均一な三相構造を示します。
1) 簡易超硬材種
金属切断用のこれらのグレードには、通常 3% ～ 12% (重量比) のコバルトが含まれています。炭化タングステン粒子のサイズ範囲は通常 1 ～ 8 μm です。他のグレードと同様に、炭化タングステンの粒径を小さくすると、硬度と抗折力 (TRS) が増加しますが、靱性は低下します。純正タイプの硬度は通常HRA89〜93.5です。抗折力は通常 175 ～ 350ksi です。これらのグレードの粉末には、大量のリサイクル材料が含まれる場合があります。
簡易型グレードは、Cグレード体系ではC1～C4に分けられ、ISOグレード体系ではK、N、S、Hグレードシリーズに分類されます。中間の特性を持つシンプレックス材種は汎用材種 (C2 または K20 など) として分類でき、旋削、フライス加工、プレーニング、ボーリングに使用できます。粒子サイズが小さい、またはコバルト含有量が低く、硬度が高いグレードは、仕上げグレード (C4 または K01 など) として分類できます。より大きな粒径またはより高いコバルト含有量とより優れた靭性を備えたグレードは、粗加工グレード (C1 または K30 など) として分類できます。
シンプレックス グレードで製造された工具は、鋳鉄、200 および 300 シリーズのステンレス鋼、アルミニウムおよびその他の非鉄金属、超合金、焼き入れ鋼の加工に使用できます。これらのグレードは非金属切削用途 (岩石や地質掘削ツールなど) にも使用でき、これらのグレードの粒径範囲は 1.5 ～ 10 μm (またはそれ以上)、コバルト含有量は 6% ～ 16% です。単純な超硬グレードの非金属切削用途のもう 1 つは、ダイとパンチの製造です。これらのグレードは通常、中程度の粒径を持ち、コバルト含有量は 16% ～ 30% です。
(2) 微結晶超硬合金グレード
このようなグレードには通常 6% ～ 15% のコバルトが含まれています。液相焼結中に、炭化バナジウムおよび/または炭化クロムを添加すると、粒子の成長を制御して、粒径 1 μm 未満の微細粒子構造を得ることができます。この細粒グレードは非常に高い硬度と 500ksi を超える抗折力を備えています。高強度と十分な靭性の組み合わせにより、これらの材種ではより大きなポジティブすくい角を使用できるため、切削抵抗が低減され、金属材料を押すのではなく切削することでより薄い切りくずが生成されます。
超硬合金粉末のグレードを製造する際のさまざまな原材料の品質を厳密に識別し、材料の微細構造に異常に大きな粒子が形成されないように焼結プロセス条件を厳密に制御することにより、適切な材料特性を得ることができます。粒子サイズを小さく均一に保つために、リサイクルされたリサイクル粉末は、原材料と回収プロセスが完全に制御され、広範な品質テストが行われている場合にのみ使用する必要があります。
微結晶グレードは、ISOグレードシステムのMグレードシリーズに従って分類できます。なお、Cグレード体系およびISOグレード体系におけるその他の分類方法は純正グレードと同様です。微結晶グレードは、工具の表面が非常に滑らかに加工でき、非常に鋭い刃先を維持できるため、より柔らかい被削材を切削する工具の製造に使用できます。
微結晶グレードは、最大 1200°C の切削温度に耐えることができるため、ニッケル基超合金の機械加工にも使用できます。超合金やその他の特殊材料の加工には、微結晶グレードの工具やルテニウムを含む純グレードの工具を使用することで、耐摩耗性、耐変形性、靱性を同時に向上させることができます。微結晶グレードは、せん断応力を発生させるドリルなどの回転工具の製造にも適しています。複合材種の超硬合金を使用したドリルがあります。同じドリルの特定の部分では、材料中のコバルト含有量が異なるため、ドリルの硬度と靱性は加工ニーズに応じて最適化されます。
(3) 合金系超硬材種
これらの材種は主に鋼部品の切削に使用され、コバルト含有量は通常 5% ～ 10%、粒径は 0.8 ～ 2μm の範囲です。炭化チタン (TiC) を 4% ～ 25% 添加することにより、炭化タングステン (WC) が鋼チップの表面に拡散する傾向を軽減できます。炭化タンタル (TaC) と炭化ニオブ (NbC) を最大 25% 添加することで、工具強度、耐クレーター摩耗性、耐熱衝撃性を向上させることができます。このような立方晶系炭化物の添加により、工具の赤色硬度も増加し、重切削や刃先が高温になるその他の作業における工具の熱変形を回避するのに役立ちます。さらに、炭化チタンは焼結中に核生成サイトを提供し、ワークピース内での立方晶系炭化物の分布の均一性を向上させることができます。
一般的に、合金系超硬合金グレードの硬度範囲は HRA91 ～ 94、抗折強度は 150 ～ 300ksi です。純グレードと比較すると、合金グレードは耐摩耗性が低く、強度も低いですが、凝着摩耗に対する耐性は優れています。合金グレードは、CグレードシステムではC5〜C8に分類でき、ISOグレードシステムではPおよびMグレードシリーズに従って分類できます。中間の特性を持つ合金材種は汎用材種 (C6 や P30 など) に分類でき、旋削、タッピング、プレーニング、フライス加工に使用できます。最も硬い材種は、仕上げ旋削加工やボーリング加工用の仕上げ材（C8 や P01 など）として分類できます。これらのグレードは通常、必要な硬度と耐摩耗性を得るために、粒径が小さく、コバルト含有量が低くなります。ただし、立方晶系炭化物をさらに追加することで、同様の材料特性を得ることができます。最高の靭性を備えたグレードは、粗加工グレード (C5 または P50 など) として分類できます。これらのグレードは通常、中程度の粒径と高いコバルト含有量を持ち、立方晶系炭化物の添加量が少なく、亀裂の成長を抑制することで望ましい靭性を実現します。断続旋削加工では、工具表面のコバルト含有量が高い上記のコバルトリッチ材種を使用することで、切削性能をさらに向上させることができます。
炭化チタンの含有量が低い合金グレードは、ステンレス鋼や可鍛鉄の機械加工に使用されますが、ニッケル基超合金などの非鉄金属の機械加工にも使用できます。これらのグレードの粒径は通常 1 μm 未満で、コバルト含有量は 8% ～ 12% です。 M10 などのより硬い材種は、可鍛鉄の旋削に使用できます。 M40 などのより頑丈な材種は、鋼のフライス加工や平削り、あるいはステンレス鋼や超合金の旋削に使用できます。
合金タイプの超硬合金グレードは、主に耐摩耗部品の製造など、非金属の切削目的にも使用できます。これらのグレードの粒径は通常 1.2 ～ 2 μm、コバルト含有量は 7% ～ 10% です。これらのグレードを製造する際には、通常、高い割合でリサイクル原材料が追加されるため、摩耗部品の用途において高い費用対効果が得られます。摩耗部品には良好な耐食性と高硬度が必要ですが、これらのグレードの製造時にニッケルと炭化クロムを添加することで得られます。
工具メーカーの技術的および経済的要件を満たすために、超硬粉末は重要な要素です。工具メーカーの機械加工装置とプロセスパラメータに合わせて設計された粉末は、完成したワークピースの性能を保証し、数百もの超硬グレードを生み出しています。超硬材料のリサイクル可能な性質と粉末サプライヤーと直接連携できるため、工具メーカーは製品の品質と材料コストを効果的に管理できます。
投稿日時: 2022 年 10 月 18 日
