超硬ボタン 超硬合金は、岩石破砕機や切削工具から伸線ダイスに至るまで、あらゆる産業機器に極めて優れた耐摩耗性を提供します。このガイドでは、超硬合金の等級、特性、製造方法、品質管理、用途、価格、および代替品について説明し、購入者に情報を提供します。
超硬バトンの概要
ハードメタルボタンとも呼ばれる超硬合金は、硬い耐火性炭化物を強靭なコバルトバインダーで固めた粉末冶金コンビネーションを指す。主な特性は以下の通り：
- 硬度1500HV以上で耐摩耗性
- 鋼鉄の2～3倍の圧縮強度
- 耐火性基材は1000℃を超える温度に対応
- 酸性、腐食性、溶剤系の環境でも腐食しにくい。
- 6-25%から調整可能なコバルトは、靭性に対して硬度を調整する。
工具鋼やステンレス鋼を超える高荷重・高温下での極限の摩耗性能を持つ、 超硬ボタン鉱業、掘削、石油化学、林産物、その他インピンジメント摩耗、スライディング摩耗、高温エロージョン摩耗が発生する産業において、スタッドと表面保護製品は重要な機器を保護します。
超硬合金組成物
炭化タングステン(WC)は、ほとんどの市販グレードの基礎を形成しており、その大部分は少数派の二次炭化物によって補完されている：
| 主なカーバイド | 説明 |
|---|---|
| 炭化タングステン（WC） | 88-97% 典型的。硬度と耐摩耗性を提供 |
| 炭化チタン（TiC） | 典型的な0-8%。靭性と潤滑性を付与。材料費率の低減 |
| 炭化タンタル（TaC） | 0-8%が高価なWCの代替となり、靭性に貢献 |
細かい追加
| カーバイド | インパクト | 使用レベル |
|---|---|---|
| 炭化ニオブ（NbC） | 高温ニッチで重要な耐食性と耐酸化性を向上させる | <4% |
| 炭化バナジウム（VC） | 微細構造と機械的性能を調整する粒成長抑制 | <1% |
表1. タングステンとコバルトの超硬合金にブレンドされた一般的な主要炭化物とマイナー炭化物。
WC、TaC、TiCをニオブ、バナジウム、クロムの分画で補完的に操作することで、耐摩耗性、靭性、腐食挙動を、工具鋼やステンレス鋼をはるかに上回り、セラミックスを下回る緩和を必要とする多様な機器の界面や機構におけるボタンの寿命要件に合わせてカスタマイズすることができる。
超硬合金製ボタンの特性と特徴
- 硬度 - 1300-2300ビッカース(HV30)、微細WC粒分散と固溶体合金化経由
- 密度 - 合金比により11-15g/cm3。ネットシェイプの品質が部品重量を削減する。
- 強さ - 圧縮強度4-9 GPa。鋼鉄の2～3倍。引張強さは圧縮強さの半分。
- タフネス - 周期的な荷重や衝撃に耐え、研ぎ澄まされた形状を保持する機械的完全性の測定。コバルトと合金添加が重要なチューナー。
- モジュラス - 550-650GPaの弾性率は、ブリネリングによる地下損傷のリスクなしに高単位荷重を支える軸受鋼に似ている。
- CTE - 熱膨張係数は3.5-5.5 x 10-6 m/K。実装時に考慮されるパラメータ。
- 熱伝導率 - 60～100W/m・Kで、放電加工電極の接触先端冷却を助ける。純金属より低いが、比較セラミックスより高い。
超硬合金は、各構成材料の特性をブレンドし、機械的特性を最適化することで、局所的な高圧力、周期的衝撃、複合摩耗の攻撃モードにも耐えることができます。
ボタン用超硬合金グレード
市販されている超硬材種は数十種類あるが、低 (C)、中(M)、高(K)というように、炭素含有量によっ て支配的な摩耗モード保護等級を区別すること で、選択を簡素化できる：
| グレード | 説明 | 総C含有量 | 主な用途 |
|---|---|---|---|
| YG11/12 | 超微粒子。600℃までの耐熱性、耐薬品性、耐摩耗性に優れる。 | ローC：4-6% | ブッシング、伸線、熱ガラスモールドプランジャー |
| YG15 | 高いコバルトは破砕に対して強靭。200℃の低温に対応 | ローC：6% | レンガプレス金型、サイザー粉砕機歯 |
| YG20 | 中程度の粗目で、適度な耐衝撃性と耐摩耗性に適している。 | ミディアムC: 8% | リング式粉砕機、粉砕ハンマー |
| YG6X | 超微粒子と粗粒の混合が摩耗を最適化 | ミディアムC：6% | ハイドロサイクロンスピゴット、スラリーポンプケーシング |
| YG35 | より高いTa、TiC炭化物が摩擦摩耗挙動を高める | ハイC：9% | バケットの歯、シャーブレード、丸太の皮むき |
表2. 炭素含有量によって分類される代表的な市販タングステンカーバイドボタングレードファミリーは、硬度と靭性のバランスを操作します。
すべての摩耗問題を普遍的に解決する最適な単一材種は存在せず、むしろ特定の摩耗攻撃モード、負荷条件、故障リスクを定義し、何世紀も前の限られた材料技術の選択から、部品のライフサイクルを早める劣化界面に抵抗する適切な解決策材料を特定する必要があります。幸いなことに、世界的な超硬合金メーカーの競争圧力が継続することで、毎年、費用対効果の高い開発が進められている。
超硬ボタン製造
質の高いボタン製造工程が要求される：
ミーリング - ボールミルによるプレアロイ粉末ブレンドは、粒子の凝集を抑え、均質な粉末分布を確保することで、最終コンポーネント全体にわたって最適な固溶体強化反応を実現します。
コンパクション - 最大20トンのシングルアクションプレスは、二次バインダーを必要とせず、粉砕された粉末をほぼ完全なウィジェット密度にまで圧縮します。アイソスタティック高圧成形プレスは、より高い均一性と複雑な形状に対応するオプションです。
焼結 - 真空炉は、コバルトと合金元素間の毛細管液相輸送メカニズムを利用して、圧縮された形状を緻密化します。1300～1500℃、1～10時間で、典型的には98%以上の電荷密度に達します。過酷な条件下で、期待される寿命の間、故障のない品質が要求されるサイクル負荷アプリケーションをサポートする閉鎖気孔率を確保するためには、代替材料の候補が、持続可能性が要求される必要なコスト・パフォーマンス比を満たすのに苦戦していることを維持することが極めて重要です。
研磨 - 最終的な寸法と表面品質の公差を達成します。ダイヤモンド研削は、0.5ミクロン以下の粗さに達するほとんどの超硬合金に最も適していますが、より骨格が硬く脆い材種では、引き抜き損傷のリスクがあるため、代わりにEDM輪郭加工を好みます。
品質管理 - 光学計測とコンピュータ・トモグラフィによって、化学的性質、材料の完全性、寸法適合性を検証し、除去が必要な表面下の欠陥を表示することができる。これにより、顧客の生産アップタイムを維持し、予定外のダウンタイムによるサービスコールの発生を防ぐことができる。
超硬製ボタンの用途
極端な1900ビッカース硬度、4GPa以上の圧縮強度、800℃までの化学的不活性の恩恵を受ける非包括的ニッチには、以下が含まれる：
鉱業 - 破砕、粉砕、浮遊、材料処理の各設備分野では、特にコデルコ社が数十年にわ たって超硬合金を多用し、今や世界の銅生産をリードしている、優先順位の抜本的な転換により、シニア・エンジニアは初期プラント設計を再検討し、「より低いところにぶら下がっている果実」を探し求めることが要求されるようになりました。真のオペレーショナル・エクセレンスをテストし、クラス最高のパフォーマー を分離することで、十分な内部留保を築くこと 長引く人材不況を乗り切り、必然的なコモディティ不況の再来を待つ 生産者とサプライヤーが事前に準備を整え、信頼関係を再構築することで、何年も かかって疲弊した生産者よりも大きな市場シェアを獲得すること技術や在庫を近視眼的に失い、ゼロベースの予算編成を追い求める最近の傾向そのものが、突然の価格改善時に素早く操業能力を復活させることに何度も失敗していることを示している。したがって、超硬合金が鉱山における実際の生産とメンテナンスの問題に合理的に対処できるかどうか疑問がある場合は、装置エンジニアや製品ラインの管理者に近いところで調査してください：
石油化学 - 分解装置、コークス化装置、脱炭酸装置の流量制御弁。回収機のバケットの歯。超合金上部の固体粒子浸食領域。
林業 - デバーカーコンポーネンツとチップハーベスターの摩耗ゾーンは、以前は毎週のようにシートメタルスタックを更新する必要がありましたが、今では定期的な軽微なメンテナンス介入でオンライン年数を超えるようになり、伐採機器の稼働率と利用率が大幅に向上しました。
ガラス製造 - 攪拌機、プランジャー、オリフィスリングプレート、排出ローラーなどの高温ガラス接触部品は、従来は鋼鉄製で1週間のキャンペーンを実施していましたが、現在では四半期ごとのサイクルに変更され、ライン切り替えの混乱が軽減され、炉の燃料費と人件費が削減されるため、投資回収率が最も高くなります。
つまり、極端な3体磨耗、金属同士の繰り返しハンマーによる打撃、固体粒子による侵食、腐食性の化学的攻撃、あるいは温度変動により、数日から数週間以内に代替の軸受鋼、鉄または青銅合金が劣化するような部品仕様であれば、すでに商業的に開発されている可能性の高い超硬合金グレードを探索する必要があります。
超硬ボタン 供給者
国際的な大手超硬ボタンメーカーには以下のようなものがある：
| 会社概要 | 所在地 | 説明 |
|---|---|---|
| セラチジット | ルクセンブルク | 化学用途に特化したニッケルバインダー添加を含む、世界で最も幅広いカーバイドグレードのラインナップ |
| 三菱マテリアル | 日本 | 品質管理のため、原料粉末から完成部品まで自社で供給する業界リーダー |
| エレメント・シックス | グローバル | 90%+超微粒子およびナノ粒子強化グレードに特化 |
| ケナメタル | 米国 | 深い採鉱と鉱物処理アプリケーションの専門知識 |
| サンドビック | スウェーデン | 刃先交換式工具を含む、小型および中空形状の部品を対象 |
表3. ボタンスタッドとカスタマイズされた摩耗部品を提供する注目すべき超硬合金サプライヤー
さらに数多くの地元メーカーが標準合金を提供しているが、カスタムグレードや用途開発のニーズについては、世界的に多様な技術革新が熾烈な競争を繰り広げる中で、協力的な冶金学的パートナーシップを構築する必要がある。
超硬製ボタンのコスト
| サイズ | 価格帯 |
|---|---|
| 直径25mm（1インチ）以下 | $5〜$30/ボタン |
| 直径25～75mm（1～3インチ | 各$30～$250 |
| 75mm（3インチ）以上 | プロポーズを受ける |
より大きなカスタム形状は、個々の機器の嵌合面に適合し、部品界面を最適化します。これにより、超硬部品に導入される一貫した力の分布を妨げる隙間を最小限に抑え、耐クラック性を維持することができます。
超硬合金と代替材料の比較
| パラメータ | 超硬合金 | セラミックス | ハードフェース溶接 | ハードクローム |
|---|---|---|---|---|
| 硬度 | 1600-2300 HV | 2000-3500 HV | 550-650 HV | 1000-1300 HV |
| タフネス | より高い | 非常に脆い | 最低 | 低い |
| 最高使用温度 | 1200°C | 1800°C | アプローチ基板 | 900°C |
| 耐食性 | ミディアム-ハイ | ミディアム | 合金により低-高 | 高い |
| コンポーネント・サイズ | 大型 | 小型またはコーティング | 溶接可能なもの | コーティングのみ |
| コスト | $$$ | $$$$ | $ | $$ |
表4. 超硬合金と他の極限摩耗材料技術との定性的比較
超硬合金のスイートスポットは、部品のライフサイクル・コストに見合う硬さのバランスを最適化する一方で、後処理なしで酸化物セラミックスを悩ませる壊滅的な脆性破壊モードを回避することである。一方、溶接合金は凝固したままの微小クラックを発生させ、腐食性能と延性特性を劣化させるため、広範な使用が制限される。
そのため、オーステナイト系マンガン鋼や400系マルテンサイト系バルブ鋼を超え、絶縁電気強度特性を必要としない状況においては、完全に緻密な合金化カーバイド部品は、「実験的」アップグレードのような艦隊を追跡する特定の生産ライン項目を懲戒配分する関連データ収集の宿題を欠くあまりに頻繁に却下される、潜在的により優しい移行材料節約の機会を評価する検討に値する。
一般的なガイドラインでは、800℃以下で主に摺動性または侵食性摩耗に曝される用途では、タングステンまたはタンタル超硬合金コンポーネントのアップグレードが有効である可能性が高いのに対し、1000℃を超えたり、動的/付着性の高い摩耗モードでは、代わりにセラミックまたは特殊コーティングのオプションを検討するようエンジニアに促しています。
よくあるご質問
Q: 超硬合金は、特殊なコーティングや処理を施しても使用できますか？
A:セラミック、DLC、窒化物、または特殊な拡散アルマイト、クロマイジング層により、耐酸化性/耐腐食性、固体潤滑性、電気絶縁性、熱管理特性が向上し、超硬合金の代替品とは比較になりません。コーティングの厚さは、界面破壊が達成される総利得を制限する前に、最大使用温度の制限を課しますが、各層は、追加のリスクなしに顧客の使用中に期待される相乗効果を確実に変換する互換性の監視を必要とします。
Q: クラックの原因は何ですか？ 超硬ボタン?
A: 破断は、繰返し荷重、基板との不一致による制御不能な膨張、または落下や不適切な機械加工/研磨のような取り扱いの損傷から生じる臨界しきい値を超える引張応力によって発生します。リスクを管理するには、品質管理がユーザーを傷つけることなく、ユーザーを助けることを確実にするための根本的な転換が必要です。
Q:タングステンカーバイドは、工具鋼の加工用途を代替できますか？
A: 1000個以下の同一部品を生産する経済的な工具鋼インサートは、絶対に代替可能ですが、特殊な微細加工のニッチな例外を除いては、高い材料コストは、そのような数量以上の使用を正当化しません。進歩的な金型と工具室は、潜在的なハードメタルの利点を迅速に評価することができます。
Q: 超硬合金の溶接性は？
A:合金は、鉄や炭素の不純物によって急速に感作され、膨張性亀裂が発生し、腐食が加速される危険性があるため、溶接アセンブリは、ろう付け/はんだ付けまたは機械的締結接続に重点を置いています。
