超硬棒 は、高性能の機械加工、工具、工業用途に不可欠なものである。しかし、見落とされがちな特性として 熱膨張-高温条件下での材料性能を決定する重要な要素である。
熱膨張特性 超硬棒
熱膨張とは何か？
熱膨張とは、材料が熱にさらされると膨張する傾向を指す。この現象は、温度の上昇によって原子が振動し、材料の寸法が大きくなるために起こります。機械加工では、たとえ微小な膨張であっても、切削の不正確さにつながり、材料の無駄や製品の欠陥につながります。
なぜ超硬ロッドでは熱膨張が重要なのか？
炭化タングステン（WC）とコバルト（Co）バインダーを主成分とする超硬ロッドは、鋼やアルミニウムに比べて熱膨張係数（CTE）が小さい。しかし、特に発熱が大きい高速加工では、膨張が発生します。膨張を考慮しないと、工具のミスアライメント、精度の低下、工具寿命の短縮につながります。
一般的な超硬合金の熱膨張係数
超硬合金の等級によって、膨張特性は異なります。以下はその比較である：
| 超硬グレード | 組成（WC/Co） | CTE (µm/m-K) | 硬度（HRA） | 密度 (g/cm³) |
|---|---|---|---|---|
| YG6X | 94/6 | 5.0 | 91.5 | 14.9 |
| YG8 | 92/8 | 5.2 | 90.5 | 14.8 |
| YL10.2 | 90/10 | 5.3 | 92.0 | 14.7 |
| K40 | 88/12 | 5.6 | 91.2 | 14.6 |
| YG15 | 85/15 | 6.0 | 89.5 | 14.4 |
| GT55 | 95/5 | 4.9 | 92.5 | 15.0 |
| H10F | 91/9 | 5.4 | 92.3 | 14.7 |
| ZK30UF | 93/7 | 5.1 | 92.8 | 14.8 |
| MG18 | 88/12 | 5.7 | 91.0 | 14.5 |
| TF15 | 86/14 | 5.8 | 90.0 | 14.3 |
超硬合金と他の素材との比較
- スチール： 11-13 µm/m・K（炭化タングステンの2倍の膨張率）
- アルミニウムだ： 23-25 µm/m・K（5倍の膨張率）
- セラミックス： 2-5 µm/m・K（炭化物に似ているが脆い）
熱膨張に影響する要因
1.バインダーの内容
超硬合金に含まれるコバルト（Co）の割合は、熱膨張に直接影響する。 Co含有量が高い＝膨張率が高い コバルトは炭化タングステンよりもCTEが高いためである。
2.粒度
微粒炭化物には 低膨張・高硬度一方、粗い粒は膨張が大きくなるが、靭性は向上する。
3.温度範囲
ほとんどのタングステン 超硬棒 温度 800℃以下膨張は管理可能な範囲にとどまる。これを超えると、酸化や構造劣化が起こる可能性がある。
4.荷重と応力条件
高い機械的応力と熱膨張が相まって、反りや亀裂、材料の破損を引き起こす可能性があります。適切な設計補償が重要です。
熱膨張の用途とソリューション
1.高速加工工具
エンドミル、ドリル、リーマに使用される超硬ロッドは、工具のミスアライメントや摩耗を防ぐため、熱下でも寸法安定性を維持する必要があります。
2.航空宇宙・自動車部品
精密部品は、温度変化にもかかわらず動作精度を確保するために、低膨張材料を必要とする。
3.金型産業
超硬ダイと金型は、頻繁に加熱と冷却を繰り返します。低CTEグレードは歪みを最小限に抑えます。
4.電子・半導体産業
タングステンカーバイドは、銅やアルミニウムのような金属に比べて熱膨張に強いため、半導体装置に最適です。
タングステンの選び方 超硬棒 アプリケーションのニーズに合わせて
| ファクター | 推薦 |
|---|---|
| 高精度切断 | 粒子が細かく、Co含有量の少ない超硬合金を選択する。 |
| 重切削加工 | 靭性を高めるため、Co含有量の高い鋼種（YG15、MG18）を選択する。 |
| 酷暑環境 | GT55やTF15のような特殊耐熱グレードを使用する。 |
| コスト | Co含有率の低いグレードはコスト効率に優れるが、やや脆い。 |
よくあるご質問
| 質問 | 回答 |
|---|---|
| 炭化タングステンの典型的な熱膨張率は？ | まである。 4.9～6.0μm/m・Kバインダーの含有量と粒度による。 |
| 熱膨張は工具の性能にどのような影響を与えますか？ | 過度の膨張はミスアライメントを引き起こし、精度エラーや摩耗の進行を早める。 |
| タングステンカーバイドは極端な温度にも耐えられるのか？ | はい。 800°C 酸化や構造変化を避けるためである。 |
| どうすれば超硬合金の熱膨張を補正できますか？ | 使用 CTE成績の低さまた、適切なクランプとクーラントシステムにより、膨張の影響を最小限に抑えることができる。 |
| タングステンカーバイドは、高熱用途ではスチールよりも優れていますか？ | スチールよりも膨張が少なく、硬度を保ち、変形しにくいからだ。 |
