焼結カーバイドプレート超硬合金板とも呼ばれ、耐火性金属炭化物の粉末を金属バインダーで圧縮・焼結して作られる。非常に高い硬度と耐摩耗性を持ち、過酷な条件下での耐久性が要求される用途に適しています。
超硬焼結板の概要
焼結カーバイドプレートは、複合材料で構成されている：
- 炭化タングステン(WC)、炭化チタン(TiC)、炭化タンタル(TaC)などの硬質炭化物粒子。
- コバルト、ニッケル、鉄などの金属バインダーが炭化物粒子をつなぎ合わせる。
粉末冶金法により製造され、粉末混合物を圧縮した後、高温で焼結する。これにより、炭化物粒子と結合材が融合し、結合材マトリックス中に炭化物が分散した微細構造になる。
焼結超硬プレートの利点：
- 極めて高い硬度と耐摩耗性
- 高温下でも強度を維持
- 耐摩耗性、耐侵食性、耐腐食性
- 幅広い温度範囲での寸法安定性
- 粉末の組成を変えることでテーラーメイドの特性を実現
- 複雑な形状の製造が可能
アプリケーション
焼結カーバイドプレートは、極度の機械的、熱的、化学的ストレス下での耐久性が要求される用途で使用されています：
- 切削工具、フライス、ドリル
- 金型、パンチ
- シール面、ノズル
- 高摩耗ライニングとプレート
- 採鉱・石油掘削機器
- 高温炉エレメント
ここでは、焼結カーバイドのグレードとその特性を比較する：
| グレード | 硬度（HRA） | 横方向の破断強度(MPa) | 主な用途 |
|---|---|---|---|
| P10-P20 | 86-90 | 340-550 | 汎用摩耗部品 |
| P30-P40 | 90-94 | 550-970 | 絞りダイス、シャーブレード |
| P50～P60 | 92-96 | 690-1100 | 切削チップ、ドリリング、フライス加工 |
| P01 | 89-93 | 480-690 | 高温および耐薬品性 |
超硬焼結板の組成
焼結カーバイドプレートの主成分は以下の通りである：
超硬パウダー：
- 炭化タングステン（WC） - 耐摩耗性により最も広く使用されている。
- 炭化チタン（TiC） - 高温で高い硬度
- 炭化タンタル(TaC) - 極めて硬く、化学的安定性が高い。
- 炭化ニオブ（NbC） - 高い強度と破壊靭性
バインダー金属：
- コバルト（Co） - 最も一般的で、強度と靭性をもたらす。
- ニッケル (Ni) - 耐酸性のために添加
- 鉄（Fe） - コバルトより安価な代替品
追加要素：
- バナジウム、クロム、モリブデン - 粒成長の抑制
- 炭素、窒素 - 相変態に影響を与える。
物理的、機械的、化学的特性を最適化するために、組成を変えることができる。いくつかの例を挙げる：
| グレード | 構成 |
|---|---|
| 汎用 | 88% WC - 12% Co |
| 高い靭性 | 76% WC - 10% TiC - 14% Co |
| 高い耐熱性 | 65% WC - 35% TaC - 9% Co |
| 耐酸性 | 73% WC - 8% TiC - 8% TaC - 3% Ni - 8% Co |
特性 超硬焼結板
焼結カーバイドプレートのユニークな特性は、より強靭な金属バインダーマトリックスに支えられた硬いカーバイド粒の特殊な複合微細構造に由来する：
物理的性質
| プロパティ | 価値 |
|---|---|
| 密度 | 13-16 g/cc |
| 多孔性 | <1%（P/Mグレード |
| 粒度 | 1～10ミクロン |
| 膨張係数 | 4-6 x 10-6 /K |
機械的特性
| プロパティ | 価値 |
|---|---|
| 硬度 | 最大96HRA（1700HV） |
| 横方向の破断強度 | 最大2.5 GPa |
| 圧縮強度 | 最大8 GPa |
| 破壊靭性 | 最大30 MPa√m |
| ヤング率 | 500-700 GPa |
物理的および機械的特性は、組成、粉末特性、焼結パラメータ、熱処理条件に基づいて調整することができる。
主な素材特性：
- 金属バインダーに支持された角張った炭化物粒を有する微細構造
- 高い相対密度 > 98% 理論密度
- 1～10ミクロンの微細な炭化物粒が均一に分布
- 強度と靭性に最適なバインダー量
- 気孔や亀裂のような本質的欠陥が少ない。
超硬焼結板の製造工程
焼結カーバイドプレートおよび各種製品は、粉末冶金技術によって製造される：
ステップ
- ミーリング:超硬合金粉末とバインダー金属粉末は、均一に混合するために一緒に粉砕される。
- コンパクト化:粒状混合粉末を100～300MPaの圧力で所望の形状に圧縮する。
- 脱バインダー:圧縮された形状から有機バインダーを除去する。
- 焼結:グリーンコンパクトは、制御雰囲気炉で1400～1500℃に加熱して高密度化する。
- 仕上げ:焼結部品は、最終寸法に研磨、機械加工、ラップ加工される。
焼結プロセスパラメータ：
- 温度1350-1500°C
- 雰囲気真空または不活性水素/窒素
- 時間：数時間から数十時間
- 圧力補助：熱間プレスまたは熱間静水圧プレス
- 冷却速度：最適な微細構造の形成に重要
高度な製造方法
- 金属射出成形（MIM）は複雑な形状を可能にする
- バインダージェットと選択的レーザー溶融による積層造形（AM）
- AMと機械加工を組み合わせたハイブリッド積層造形（HLM）
特徴と特徴
微細構造の特徴
- エタ相を含むCoマトリックス中の角張ったWC結晶粒
- 平均WC粒径1～10ミクロン
- 異常に大きな結晶粒のない均一な微細構造
- 完全密度に近く、固有気孔率が最小
- クラック、ボイド、インクルージョン、または類似の欠陥がないこと。
身体的特徴
- 相対密度の高い緻密な構造 >98% 理論値
- 設計仕様に沿った均一な形状と形状
- 10ミクロンRa以下の滑らかな表面仕上げ
- 面取りエッジまたは外部および内部プロファイル
- 寸法公差 ±0.2% 公称寸法
機械的特性
- ビッカース硬度1600-1800HV（グレードによる
- 優れた耐摩耗性と耐侵食性
- チッピング、ひび割れ、割れに対する強い耐性
- 優れたエッジ強度と耐衝撃性
- 平均破壊靭性約12～18MPa√m
パフォーマンス特性
- 使用条件下での一貫した予測可能な摩耗挙動
- 過酷な圧力と温度下でも長く信頼性の高い工具寿命
- 低熱膨張率による優れた耐熱衝撃性
- 硝酸やフッ化水素以外のほとんどの酸に対して化学的に不活性である。
- 湿潤環境での腐食を最小限に抑える
超硬焼結板の代表的な用途
硬度、強度、耐火性の最適化されたバランスにより、焼結カーバイドプレートは、以下の過酷な用途において卓越した耐用年数を提供します：
耐摩耗性
- 切削インサートと切削工具
- ドローイング・ダイス
- ノズル、シール、バルブシート
- ポンプのインペラとケーシング
- ペレタイジング装置ライナー
- 鉱業におけるシュート、スクリュー、ミル
高温および耐食性
- キルンカーおよびファーネスライニング
- 熱電対保護管
- 半導体産業におけるスパッタリングターゲット
- 化学産業におけるプランジャーとステム
特殊エンジニアリング用途
- 防弾アーマーと複合プレート
- マイクロドリルビット
- 光学およびレーザー機器部品
ほとんどの用途では、必要とされる靭性、耐衝撃性、耐熱衝撃性のレベルに応じて、さまざまな量の金属バインダーを含む炭化物焼結グレードが使用されます。プレートの適切な等級、厚さ、サイズ、および公差は、使用条件に基づいて選択できます。
| 産業 | コンポーネント | グレード例 |
|---|---|---|
| 機械加工 | 切削インサート | 鋼旋削用P25 アルミニウム加工用P35 高速加工用P50-P60 |
| 金属成形 | 絞りダイ、パンチ | P20-P40とミックスセラミックス |
| 石油掘削 | シール面、流体ノズル | 耐浸食性のためのC1-C3 耐摩耗性のためのC5-C7 |
超硬焼結板の寸法規格
焼結カーバイドプレートは標準サイズと特注サイズで製造され、一般的な厚さは1mmから50mmです。4mmを超える厚さのプレートは焼結HIPで製造され、1～3mmの薄いプレートはプレスと焼結で製造されます：
標準サイズあり
- 最大400 mm x 400 mmサイズの正方形プレート
- 様々な長さと幅の長方形プレート
- 直径300mmまでの円形プレートまたはディスク
- お客様のご要望に応じたサイズにカット
厚さ範囲
- 厚さ0.5mm～1mmの極薄プレート
- 厚さ1mm超から4mmまでの標準プレート
- 熱間静水圧プレスによる4mm以上の厚板
寸法公差
| 寸法 | 寛容 |
|---|---|
| 長さ／幅 | ±0.20% |
| 厚さ | ±0.25% |
| 平坦性 | 25mmあたり±0.10% |
| アンギュラリティ | 1度 |
板厚、表面積、サイズなどの適切な寸法は、最終用途の要件に基づいて選択されます。0.5～1mmの薄いグレードはシール面やスパッタリングターゲットとして使用されます。
超硬焼結板のグレードと規格
焼結炭化物グレードは、ISO、ASTM、および各国の標準化団体によって公表された分類システムの下、複合材料クラス、粉末ソース、およびプロセスによって参照される標準化された組成を有する：
複合クラス
- 組織に基づきP、MまたはK等級に指定された超硬合金
- WC-Coをベースに各種カーバイドを添加したPグレード
- 高温強度用Mo添加Mグレード
- 耐摩耗性のためにNbCとTaCを含有するKグレード
粉末原料
- 純度に基づいて認定されたカーバイド粉末ソース
- 金属バインダー粉末は、粒子径と形状が必要である。
- 炭素含有量、抑制剤、粒成長剤
分類基準
| スタンダード | グレードの定義 |
|---|---|
| ISO 513 | 超硬合金グレードの組成と用途 |
| ASTM B766 | 微細構造、物理的および機械的特性に関する要求事項 |
| JIS C 4020 | 超硬合金の日本工業規格 |
これらの規格は、焼結カーバイド製品の仕様とグレードが、品質管理と部品の互換性のために世界的に標準化された特性を持つことを保証します。
超硬焼結板のサプライヤーとコスト
焼結カーバイドプレートは、超硬合金とテクニカルセラミックスの製造を専門とするいくつかのグローバルサプライヤーから提供されている。アジアのメーカーが市場を支配しているのは、原材料とエネルギーコストが低いためである。
主な超硬合金サプライヤー
- サンドビック・ハード・マテリアルズ（スウェーデン）
- セラティジット・グループ（ルクセンブルク）
- NTK切削工具 (日本)
- 株洲超硬合金（中国）
- 株式会社タンガロイ（日本）
価格
- プレート1枚当たりのコストは、サイズ、必要なグレード、注文量によって異なる。
- P10グレードの1個当たり$5から、超微粉またはホットプレス・グレードの1個当たり$250までの範囲
- 平均コストは、一般的な中級グレードで1枚あたり$25-50
調達に関する考慮事項
- カスタマイズされたグレードのリードタイムは10-12週間です。
- 標準的なカタログサイズであれば、すぐに在庫が入手可能
- 正規代理店経由での調達が最適
予算を見積もる際、最終的な用途の要件が材 種の選択を促し、それが板当たりのコストを決定す る。アプリケーション・エンジニアに相談し、与えられた作業条件に対して最も費用対効果の高い鋼種を選択することが役立ちます。
長所と短所 超硬焼結板
| メリット | デメリット |
|---|---|
| 優れた硬度と耐摩耗性 | 破壊靭性が低く脆い |
| 高温でも強度を維持 | 熱衝撃クラックに敏感 |
| ほとんどの酸および溶剤に対して化学的に不活性である。 | スチールより比較的高価 |
| 一貫した信頼できる行動 | 硬いためダイヤモンド研磨が必要 |
| 複雑な形状の製造が可能 | 鋼鉄に比べて曲げ強度が低い |
| コンポジションと加工により調整可能 | 強度のためにコバルト・バインダーが必要 |
| 鋳造炭化物よりも優れた仕上げ | 硬いため機械加工が難しい |
超硬合金の使用時期
鋼が使用条件に耐えられない場合は、焼結炭化物を検討する：
- 非常に摩耗しやすい
- 高荷重と接触応力
- 繰り返し衝撃または繰り返し荷重
- 500℃を超える温度
- 非常に腐食性の高い化学物質への暴露
超硬合金を避けるべき時とは？
- スプリングバックを必要とする柔軟な部品用
- 機械的衝撃荷重の可能性がある用途
- 高い破壊靭性が要求される状況
- スチール製で十分なコスト重視の用途
ノズル、シール、ダイのような過酷な条件下で使用される多くの重要な部品には、初期費用は高くなりますが、焼結超硬合金が最適な材料です。
他の超硬合金との比較
| パラメータ | 超硬合金 | 鋳造超硬合金 | PVDコーティング超硬合金 |
|---|---|---|---|
| 構成 | 焼結によるWC-Co | バインダーなし、鋳造組織 | PVDコーティングを施したWC-Co基板 |
| 硬度 | 最大96HRA | 85-88 HRA | 92-94 HRA |
| 横方向の破断強度 | 550 - 1100 MPa | 210 - 350 MPa | 500 - 600 MPa |
| 破壊靭性 | 10 - 25 MPa√m | 3 - 6 MPa√m | 8 - 15 MPa√m |
| 耐薬品性 | 平均 | 素晴らしい | 良好な耐食性 |
| 耐熱衝撃性 | フェア | ベスト | 熱疲労に対する優れた耐性 |
| 製造可能性 | 複雑なPM部品 | 鋳造の幾何学的限界 | 焼結後のコーティング |
| アプリケーション例 | 切削工具、金型 | シール面、バルブ部品 | ドリル、フライス、旋盤用チップ |
主な違い
- 鋳造超硬合金はバインダーが少ないため非常に脆い。
- 焼結グレードは、調整されたWC-Co組成により、硬度と靭性のベストバランスを提供します。
- PVDコーティングにより不活性と耐酸化性を向上
最適な超硬ソリューションは、予想される応力、温度、精度の必要性など、最終用途の要件によって異なります。材料の専門家にご相談されることをお勧めします。
よくあるご質問
Q: 超硬合金は酸の中での使用に適していますか？
A: 焼結カーバイドプレートは平均的な耐薬品性を備えています。ニッケルバインダーを使用した特注グレードは酸に対する耐性が向上します。しかし、WCとバインダーの両方を侵す濃HF、HNO3、高温H2SO4には使用しないでください。
Q: 超硬合金における粒成長抑制剤の機能とは何ですか？
A: VC、Cr3C2、TaCの少量添加は、焼結中のWC結晶粒径を制御する。2ミクロン以下の微細粒は硬度と強度を向上させる。粒成長抑制剤は、WC-Co境界に第二相を形成することにより、オストワルド熟成を制限する。
Q: コバルト含有量の高いグレードと低いグレードのどちらを使うべきですか？
A: 9-15%コバルトが高いと、WC結晶粒が結合し、破壊強度と耐衝撃性が向上するが、硬度が若干低下する。より低い3-6%コバルトは、耐摩耗性のために硬度を最大にするが、製品をより脆くし、TRSを低くする。
Q: 超硬合金焼結部品の熱亀裂の原因は何ですか？
A: 超硬合金は、鋼部品に比べて熱膨張率がはるかに低い。急速な加熱や冷却は、CTE不整合による熱応力を誘発します。これらの一時的な応力は、超硬合金の内部での亀裂の発生と進展につながり、強度を大幅に低下させます。
Q:複雑な形状のシールや金型は、どのようにして超硬合金焼結体から製造されるのですか？
A: 複雑なニアネットシェイプの部品は、粉末射出成形によって微粉末から製造されます。これにより、バインダーを除去し高密度化した後、設計仕様に合致した精密な部品を焼結することができます。
