工具と金型に超硬を採用

Aug 09, 2023

金属結合剤の含有量と粒径の組み合わせが多数あるため、炭化物はさまざまな用途に使用されます。

炭化物という言葉は、一般に、高い硬度と金属特性を特徴とする一連の材料を指します。 1921 年に開発された最初の超硬は非常に単純で、主に旋削加工に使用されていました。 金属光沢と比較的良好な電気伝導性および熱伝導性により、これらの材料は、炭化物が導入されるずっと前に研磨材として使用されていた非金属硬質材料とは決定的に異なります。

炭化物は、硬質材料相と結合金属相からなる二相粉末冶金 (PM) 材料です。 硬質材料は必要な耐摩耗性を提供し、バインダー金属は適切な靭性を保証します。 炭化物は、金属結合剤の含有量と粒径の組み合わせが数多くあるため、多くの用途に使用されています（「上部の画像）。

工具および金型業界で最も一般的に使用される超硬は、炭化タングステン (硬質材料) とコバルト (結合金属) でできています。

工具や金型の用途に適切な材種を選択するには、超硬とその特性がどのような影響を受けるかについて詳細な知識を持っていることが重要です。 主に次の 2 つの可能性があります。

平均粒径が小さくなると、炭化物はより硬くなり、耐摩耗性が増し、より脆くなります。 平均粒径が粗くなるにつれて、材料はより柔らかく、より強靭になります。

結合剤含有量が高いとグレードはより柔らかく、より強靱になりますが、結合剤含有量が低いと硬く、耐摩耗性が増し、脆くなります（「図1）。

特性に影響を与えるもう 1 つの方法は、炭化クロム (CrC)、炭化バナジウム (VC)、炭化チタン (TiC)、炭化タンタル (TaC) などの他の合金成分 (g 相とも呼ばれます) を使用することです。 これらの合金成分はドーピングとも呼ばれる最小限の量で使用され、高温での耐食性、靱性、強度などの特性を向上させたり、焼結中の粒子成長抑制剤として作用したりすることができます。

脆性と硬度のため、材料の均質性は、材料の横方向破壊強度と均一な摩耗の点で非常に重要です（「図2）。

超硬を工具や金型に使用する場合、その他のいくつかの特性が超硬に不可欠です。

ワイヤ放電加工 (EDM) パンチを使用した厚さ 0.065 インチのステンレス鋼の打ち抜き作業で、いくつかのグレードを比較しました。

図 1 画像をクリックすると拡大表示されます。 平均粒径とコバルト含有量は、いくつかの炭化物の特性に影響を与えます。

選択された最初のグレードは 15% サブミクロンでした。 これは、500 ヒット後のプルバック チッピングを示しています (「図4 ）。 徹底的な分析により、不十分な表面品質と腐食が刃先に沿ったかじりの原因であることがわかりました。 プルバック中にパンチが欠けて破壊された。

第 2 グレードは 15 パーセントの粗粒でした。 この素材は 5,000 回の打撃後に過度の摩耗を示しました (「図5）。

3 番目のグレードは耐食性があり、12 パーセントの中粒子でした。 その耐食性と表面品質により、プレス金型の寿命は 50,000 回のヒットに達しました。 潤滑の改良により、80,000 回のヒットに耐えられるようになりました (「図6）。

15 パーセントのサブミクロンと 12 パーセントの中粒子は硬度が似ていますが、12 パーセントのグレードは、正しい粒子サイズ、コバルト含有量を備えた高品質のバージン材料で作られており、耐食性により表面品質が向上しています。

材料グレードは衝撃に耐えるだけでなく、用途のすべての要件に対応する必要があります。 たとえば、工具寿命にとって重要な表面仕上げは、材種がコバルトの消耗に耐える場合に改善できます。 コバルト含有量を減らすと、プルバックチッピングの原因となるかじりの可能性が減ります。 最後に、バージンカーバイドは高い硬度を維持しながら、高い衝撃レベルに耐えることができます。