超硬合金の許容応力

超硬合金 超硬合金の許容応力を理解することは、エンジニアが適切な材料を選択するのに役立ちます。許容応力とは、材料が長期にわたって安全に耐えられる最大応力のことで、この値を超えると変形や破壊を起こす可能性があります。代表的な硬質合金である超硬合金の許容応力は、組成、温度、加工技術などの影響を受けます。具体的な値は、実際の条件に基づいて分析する必要があります。

タングステンと炭素原子で構成される超硬合金は、天然ダイヤモンドの硬度に近づき、卓越した耐摩耗性を示す。この材料は、結合相としてコバルトを使用することが多いが、コバルト含有量が多いほど靭性は向上するが、硬度と許容応力が低下する可能性がある。例えば、6%コバルトを使用した超硬合金は、通常4,000～5,000MPaの圧縮強度を持つが、実用的な許容応力には安全係数が適用され、通常は圧縮強度の1/5～1/3である。

温度は許容応力に大きく影響する。超硬合金は室温では安定していますが、500℃を超えると軟化し、許容応力が急激に低下します。実験データによると、許容応力は100℃の温度上昇につき約8%-12%減少する。高温用途では、冷却システムの設計と温度監視に注意する必要があります。

低圧焼結法で製造された超硬合金は、従来の方法に比べて気孔率が0.5%-1%減少し、許容応力が15%以上増加します。化学蒸着(CVD)コーティングのような表面処理は、5-10μmの窒化チタン層を形成し、バルク靭性を損なうことなく、表面の許容応力を約20%向上させます。

実用的な用途では応力集中に対処しなければならない。脆いため、部品設計では鋭利な刃先は避けるべきである。ある工具メーカーは、刃先半径を0.1mmから0.3mmにすることで工具寿命が3倍に延びたと報告している。過度の応力はマイクロクラックを引き起こす可能性があるため、組み立て時の予圧管理も重要である。

許容応力値は規格によって異なる。ASTM B657は、工業用超硬合金の許容応力範囲を800～1,200MPaと規定しているが、DIN 4990は、特定の条件下で600～1,000MPaを規定している。例えば、衝撃荷重の場合は低い値、静的荷重の 場合は中間から上の値といった具合です。

メンテナンスは許容応力の耐久性に影響する。0.2mmを超える剥落は、耐荷重を30%減少させる可能性があります。潤滑剤の選定も重要です。 潤滑油 は、標準的なオイルと比較して15%-20%接触応力を低減することができる。

許容応力を確保するためには、材料検査が重要です。超音波検査は0.1mmの内部欠陥を検出し、X線回折は残留応力分布を分析します。設計要件への準拠を確認するために、3点曲げ試験や圧縮試験などの破壊試験をバッチごとに実施する必要があります。

あるエンジニアリングのケーススタディでは、採掘機械のギアシャフトを超硬合金に置き換えることで、元の設計に比べて許容応力が50%増加しましたが、これにはサポート構造の改良が必要でした。この改良により、装置の寿命が6ヶ月から3年に延び、許容応力データを適切に適用することの大きな利点が実証されました。材料パラメータは決してやみくもに適用すべきではなく、特定の運転条件に合わせた包括的な解析が不可欠であることに注意してください。