超硬合金は、高速切削（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、硬い炭化物（通常は炭化タングステン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、WCベースの超硬合金は数百種類もの異なる組成を有しており、そのほとんどはコバルト（Co）をバインダーとして使用しています。ニッケル（Ni）とクロム（Cr）も一般的に使用されるバインダー元素であり、その他の合金元素を添加することもできます。なぜこれほど多くの超硬合金グレードが存在するのでしょうか？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とするさまざまな特性を見てみましょう。
硬度と靭性
WC-Co系超硬合金は、硬度と靭性の両方において独自の利点を備えています。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）、動作温度の上昇によって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。炭化タングステンの高い硬度を活かし、靭性を向上させるために、金属結合を用いて炭化タングステンを結合しています。その結果、この材料は高速度鋼をはるかに上回る硬度を持ちながら、ほとんどの切削加工に耐えることができます。切削力。さらに、高速加工による高い切削温度にも耐えることができます。
今日では、ほぼすべてのWC-Coナイフとインサートがコーティングされているため、母材の役割はそれほど重要ではないように思われます。しかし実際には、WC-Co材料の高い弾性率（剛性の指標で、室温では高速度鋼の約3倍）が、コーティングの非変形性基材となっています。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材料の基本的な特性ですが、超硬合金粉末の製造時に材料組成と微細構造を調整することで、材料特性をカスタマイズ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。
製粉工程
炭化タングステン粉末は、タングステン（W）粉末を浸炭処理することで得られます。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処理の温度および時間に依存します。化学的な制御も重要であり、炭素含有量を一定（化学量論値である6.13重量%に近い値）に保つ必要があります。浸炭処理前に少量のバナジウムおよび／またはクロムを添加することで、後続工程における粉末粒径を制御することができます。下流工程の条件や最終処理用途によって、炭化タングステン粒子径、炭素含有量、バナジウム含有量、およびクロム含有量の特定の組み合わせが求められ、それによって多様な炭化タングステン粉末を製造できます。例えば、タングステンカーバイド粉末メーカーのATI Alldyneは、23種類の標準グレードのタングステンカーバイド粉末を生産しており、ユーザーの要件に応じてカスタマイズされたタングステンカーバイド粉末の種類は、標準グレードのタングステンカーバイド粉末の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金属結合剤を混合・粉砕して一定グレードの超硬合金粉末を製造する場合、様々な組み合わせが考えられます。最も一般的に使用されるコバルト含有量は3％～25％（重量比）で、工具の耐食性を向上させる必要がある場合は、ニッケルやクロムを添加する必要があります。さらに、他の合金成分を添加することで、金属結合をさらに強化することができます。例えば、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ことでも超硬合金の靭性を向上させることができますが、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を高めることができますが、焼結プロセス中は炭化タングステン粒子のサイズを一定に保つ必要があります。焼結中、炭化タングステン粒子は溶解と再沈殿のプロセスを経て結合し、成長します。実際の焼結プロセスでは、完全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と混合して粉砕するときに添加されますが、炭化バナジウムや炭化クロムは炭化タングステン粉末を炭化するときにも形成されることがあります。
タングステンカーバイド粉末は、廃棄された超硬合金材料をリサイクルして製造することもできます。超硬合金スクラップ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において重要な役割を担っており、材料コストの削減、天然資源の節約、廃棄物の削減に貢献しています。有害廃棄物の削減。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」されたタングステンカーバイド粉末は、タングステン浸炭プロセスで直接製造されたタングステンカーバイド粉末よりも表面積が小さいため、一般的に密度が高く、予測可能です。
炭化タングステン粉末と金属結合材の混合研削における加工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つの粉砕技術は、ボールミル粉砕とマイクロミリングです。どちらのプロセスも、粉砕粉末の均一な混合と粒子サイズの縮小を可能にします。後にプレスされた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、オペレーターまたはマニピュレーターがワークピースを持ち上げて操作できるようにするには、通常、研削中に有機バインダーを添加する必要があります。この結合材の化学組成は、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発生する可能性があります。
粉砕後、粉末は通常スプレー乾燥され、有機バインダーで結合された流動性の高い凝集体となります。有機バインダーの組成を調整することで、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で、凝集体の粒度分布をさらに調整し、金型キャビティへの充填時に良好な流動性を確保することができます。
ワークピース製造
超硬合金ワークピースは、様々なプロセス方法で成形できます。ワークピースのサイズ、形状の複雑さ、および生産バッチに応じて、ほとんどの切削インサートは、上圧および下圧の剛性金型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ためには、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（平方フィートあたりキロポンド）の成形圧力を加えることで形成されます。
非常に高い成形圧力下でも、硬い炭化タングステン粒子は変形したり破損したりすることはありませんが、有機バインダーが炭化タングステン粒子間の隙間に押し込まれ、粒子の位置を固定します。圧力が高いほど、炭化タングステン粒子の結合が強固になり、ワークピースの圧縮密度が高くなります。各種の超硬合金粉末の成形特性は、金属バインダーの含有量、炭化タングステン粒子のサイズと形状、凝集度、有機バインダーの組成と添加量によって異なります。各種の超硬合金粉末の圧縮特性に関する定量的な情報を提供するために、成形密度と成形圧力の関係は通常、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、供給される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。
大型の超硬合金ワークピースや高アスペクト比の超硬合金ワークピース（エンドミルやドリルのシャンクなど）は、通常、フレキシブルバッグに均一に圧縮されたグレードの超硬合金粉末から製造されます。バランスプレス法は、成形法よりも製造サイクルが長くなりますが、工具の製造コストは低いため、小ロット生産に適しています。
この加工方法は、粉末を袋に入れ、袋の口を密閉した後、粉末が入った袋をチャンバーに入れ、油圧装置を通して30～60ksiの圧力を加えてプレスする。プレスされたワークピースは、焼結前に特定の形状に機械加工されることが多い。袋のサイズは、圧縮時のワークピースの収縮に対応し、研削作業に十分な余裕を持たせるために拡大される。ワークピースはプレス後に加工する必要があるため、充填の一貫性に対する要件は成形法ほど厳しくはないが、毎回同じ量の粉末が袋に充填されるようにすることが望ましい。粉末の充填密度が低すぎると、袋内の粉末が不足し、ワークピースが小さすぎて廃棄しなければならない可能性があります。粉末の充填密度が高く、袋に充填された粉末が多すぎる場合は、プレス後にワークピースを処理して粉末をさらに除去する必要があります。除去された余分な粉末や廃棄されたワークピースはリサイクルできますが、そうすると生産性が低下します。
超硬合金ワークピースは、押出成形ダイスまたは射出成形ダイスを用いて成形することもできます。軸対称形状のワークピースの大量生産には押出成形プロセスが適しており、複雑な形状のワークピースの大量生産には射出成形プロセスが一般的に使用されます。どちらの成形プロセスでも、各種グレードの超硬合金粉末を有機バインダーに分散させることで、超硬合金混合物に歯磨き粉のような粘稠度を与えます。その後、この混合物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特性によって、混合物中の粉末とバインダーの最適な比率が決まり、押出成形時の混合物の流動性やキャビティへの射出成形に重要な影響を与えます。
成形品が成形、等方圧プレス、押出成形、または射出成形によって成形された後、最終焼結段階の前に、有機バインダーを成形品から除去する必要があります。焼結により、成形品の気孔が除去され、完全に（または実質的に）緻密になります。焼結中、プレス成形された成形品内の金属結合は液体になりますが、毛細管力と粒子結合の複合作用により、成形品は形状を維持します。
焼結後、ワークピースの形状は変わりませんが、寸法は縮小します。焼結後に必要なワークピースサイズを得るためには、工具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する炭化物粉末のグレードは、適切な圧力下で成形された際に適切な収縮率を示すように設計する必要があります。
ほとんどの場合、焼結後のワークピースには焼結後処理が必要です。切削工具の最も基本的な処理は、刃先の研磨です。多くの工具は、焼結後に形状と寸法の研削が必要です。工具によっては、上面研削と底面研削が必要な場合があり、また、外周研削（刃先の研磨の有無は問いません）が必要な工具もあります。研削で発生する超硬合金の切削片はすべてリサイクル可能です。
ワークピースコーティング
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。コーティングは潤滑性と硬度の向上をもたらすだけでなく、基材への拡散バリアとして機能し、高温にさらされた際の酸化を防ぎます。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だけでなく、化学物質の選択や焼結方法の変更によって、マトリックスの表面特性も調整できます。コバルトの移動により、ブレード表面の最外層（厚さ20～30μm以内）に、ワークピースの他の部分と比較してより多くのコバルトを濃縮することができ、基材表面の強度と靭性が向上し、変形に対する耐性が向上します。
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ついて特別な要件を持っている場合があります。工具メーカーによっては、ワークピースを真空炉で焼結する場合もあれば、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）を使用する場合もあります。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、追加のプロセスを経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、コバルト含有量の少な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、この方法では微細構造が粗くなる可能性があります。細かい粒径を維持するために、より小さな粒子サイズのタングステンカーバイドの粉末を選択できます。特定の生産設備に合わせるために、脱蝋条件と浸炭電圧では、超硬合金粉末の炭素含有量に対しても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、混合組成と金属バインダー含有量、粒成長抑制剤の種類と量などによって、様々な超硬合金グレードが構成されます。これらのパラメータによって、超硬合金の微細構造とその特性が決まります。特定の加工用途では、特定の特性の組み合わせが優先されるため、様々な超硬合金グレードを分類することが意味を持ちます。
機械加工用途において最も一般的に用いられる超硬合金の分類体系は、C呼称体系とISO呼称体系の2つです。どちらの体系も、超硬合金材種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、議論の出発点となります。各分類において、多くのメーカーが独自の特殊材種を提供しており、その結果、多種多様な超硬合金材種が存在します。
炭化物グレードは、組成によっても分類できます。タングステンカーバイド (WC) グレードは、単純、微結晶、合金の 3 つの基本タイプに分けられます。単純グレードは、主にタングステンカーバイドとコバルトバインダーで構成されていますが、少量の粒成長抑制剤が含まれている場合もあります。微結晶グレードは、数千分の一の炭化バナジウム (VC) および (または) 炭化クロム (Cr3C2) が添加されたタングステンカーバイドとコバルトバインダーで構成され、その粒径は 1 μm 以下に達することがあります。合金グレードは、数パーセントの炭化チタン (TiC)、炭化タンタル (TaC)、および炭化ニオブ (NbC) を含むタングステンカーバイドとコバルトバインダーで構成されています。これらの添加物は、焼結特性のため、立方晶炭化物とも呼ばれます。結果として得られる微細構造は、不均一な 3 相構造を示します。
1) 単純な炭化物グレード
金属切削用のこれらのグレードは、通常、コバルト含有量が3%～12%（重量比）です。炭化タングステン粒子の粒径は通常1～8μmです。他のグレードと同様に、炭化タングステンの粒子径を小さくすると、硬度と抗折強度（TRS）は向上しますが、靭性は低下します。純粋タイプの硬度は通常HRA89～93.5、抗折強度は通常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ている場合があります。
単純型鋼種は、C級体系ではC1～C4に分類され、ISO級体系ではK、N、S、H級シリーズに分類されます。中間特性を持つ単純鋼種は汎用鋼種（C2、K20など）に分類され、旋削、フライス加工、平削り、ボーリング加工などに使用できます。結晶粒度が小さい、またはコバルト含有量が少なく硬度が高い鋼種は仕上げ鋼種（C4、K01など）に分類され、結晶粒度が大きい、またはコバルト含有量が多く靭性に優れた鋼種は荒加工鋼種（C1、K30など）に分類されます。
シンプレックス材種の工具は、鋳鉄、200シリーズおよび300シリーズのステンレス鋼、アルミニウム、その他の非鉄金属、超合金、焼入れ鋼の加工に使用できます。これらの材種は、岩石掘削工具や地質掘削工具などの非金属切削用途にも使用可能で、粒径は1.5～10μm（またはそれ以上）で、コバルト含有量は6～16%です。単純炭化材種の非金属切削用途としては、ダイスやパンチの製造も挙げられます。これらの材種は通常、中粒度で、コバルト含有量は16～30%です。
（２）微結晶超硬合金グレード
これらのグレードは通常、6%～15%のコバルトを含みます。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ことで、粒成長を制御し、粒径1μm未満の微細粒構造を得ることができます。この微細粒グレードは、非常に高い硬度と500ksiを超える抗折強度を備えています。高い強度と十分な靭性の組み合わせにより、これらのグレードではより大きな正のすくい角を使用でき、切削抵抗を低減し、金属材料を押し込むのではなく切断することでより薄い切りくずを生成します。
各種超硬合金粉末の製造においては、各種原材料の品質を厳格に管理し、焼結工程の条件を厳密に管理することで、材料微細構造における異常に大きい粒子の形成を防ぐことで、適切な材料特性を得ることができます。粒子径を小さく均一に保つために、リサイクルされた再生粉末は、原材料と回収工程を完全に管理し、徹底的な品質試験を実施した場合に限り使用する必要があります。
微結晶グレードは、ISOグレードシステムにおけるMグレードシリーズに分類されます。また、CグレードシステムおよびISOグレードシステムにおけるその他の分類方法は、純粋グレードと同じです。微結晶グレードは、工具表面を非常に滑らかに加工でき、非常に鋭い切れ刃を維持できるため、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、1200℃までの切削温度に耐えられるため、ニッケル基超合金の加工にも使用できます。超合金などの特殊材料の加工では、微結晶グレードの工具と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、靭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、せん断応力を発生するドリルなどの回転工具の製造にも適しています。複合グレードの超硬合金で作られたドリルもあります。同じドリルでも、特定の部位では材料中のコバルト含有量が異なるため、加工ニーズに応じてドリルの硬度と靭性が最適化されます。
（３）合金型超硬合金グレード
これらのグレード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です。4％～25％の炭化チタン（TiC）を添加することで、炭化タングステン（WC）が鋼切粉の表面に拡散する傾向を低減できます。最大25％の炭化タンタル（TaC）と炭化ニオブ（NbC）を添加することで、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。これらの立方晶炭化物の添加は工具の赤硬度も高め、重切削や刃先が高温になるその他の加工において工具の熱変形を防ぐのに役立ちます。さらに、炭化チタンは焼結中に核生成サイトを提供し、ワークピース内の立方晶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、横方向破壊強度は150〜300ksiです。純グレードと比較して、合金グレードは耐摩耗性が悪く、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に分けられ、ISOグレードシステムではPグレードと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グレードは、汎用グレード（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。最も硬いグレードは、仕上げ旋削およびボーリング作業用の仕上げグレード（C8やP01など）に分類できます。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いです。ただし、立方晶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。最も靭性の高い材種は、荒加工用材種（例：C5またはP50）に分類されます。これらの材種は、通常、中程度の粒径と高いコバルト含有量を有し、立方晶炭化物の添加量が少ないため、亀裂成長を抑制して所望の靭性を達成します。断続旋削加工では、工具表面のコバルト含有量が高い前述のコバルト高含有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。
炭化チタン含有量の少ない合金種は、ステンレス鋼や可鍛鋳鉄の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加工にも使用できます。これらの合金種の結晶粒径は通常1μm未満で、コバルト含有量は8～12%です。M10などのより硬い合金種は可鍛鋳鉄の旋削加工に使用でき、M40などのより硬い合金種は鋼のフライス加工やプレーニング加工、あるいはステンレス鋼や超合金の旋削加工に使用できます。
合金系超硬合金グレードは、非金属切削用途にも使用でき、主に耐摩耗部品の製造に使用されます。これらのグレードの粒子径は通常1.2～2μmで、コバルト含有量は7～10％です。これらのグレードの製造には、通常、リサイクル原料を高濃度で添加するため、摩耗部品用途において高い費用対効果が得られます。摩耗部品には優れた耐食性と高い硬度が求められますが、これらのグレードの製造時にニッケル炭化物とクロム炭化物を添加することで、これらの特性を実現できます。
工具メーカーの技術的および経済的要件を満たすには、超硬合金粉末が重要な要素となります。工具メーカーの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確保し、数百種類の超硬合金グレードを生み出しています。超硬合金材料のリサイクル性と粉末サプライヤーとの直接連携により、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
