ハードメタルとその用途

何なのか？ ハードメタルハードメタルの別名は 超硬合金.ハードメタルは重要なエンジニアリング材料として、その優れた硬度、耐摩耗性、高温安定性により、機械加工、鉱業、航空宇宙などの分野で広く使用されている。本稿では、ハードメタルの組成、調製プロセス、微細構造、機械的特性、および応用について詳しく説明し、関連分野の研究者および技術者に参考情報を提供することを目的とする。

1.はじめに ハードメタルは、耐火性金属炭化物(以下のような)からなる複合材料である。 炭化タングステン WC、炭化チタンTiCなど）、および粉末冶金による結合金属（コバルトCo、ニッケルNiなど）。1920年代の登場以来、ハードメタルはその優れた機械的特性と幅広い応用の可能性から、材料科学と工学の分野で急速に研究のホットスポットとなった。

2.硬質金属の組成と分類 

2.1 硬質金属の組成 硬質金属は、主に次の2つの部分から構成される。 ウォルフラムカーバイド (WC）、炭化チタン（TiC）、炭化タンタル（TaC）など。これらの炭化物は極めて高い硬度と耐摩耗性を持ち、ハードメタルの主な耐荷重相となる。結合相：通常、コバルト（Co）やニッケル（Ni）などの金属。結合相の機能は、硬質相粒子を結合させ、一定の靭性と耐衝撃性を与えることである。

2.2 分類 硬質相と結合相の違いにより、硬質金属は次のように分類される：WC-Co硬質金属：WC-Co系硬質金属：最も一般的な硬質金属で、切削工具、金型、耐摩耗部品などに広く使用されている。WC-TiC-Co系ハードメタル：TiCを添加することにより、合金の高温性能と耐酸化性が向上し、高速切削に適しています。TiC-Ni-Mo系硬質金属：TiCを硬質相とし、Ni-Moを結合相とすることにより、高硬度、高耐摩耗性を有し、高精度加工に適する。

3. ハードメタルの調製プロセス 

3.1 粉末の調製 ハードメタルの調製にはまず、高純度の硬質相と結合相の粉末を得る必要がある。一般的な方法には次のようなものがある：炭化法：金属粉末と炭素粉末を高温で反応させて炭化物を生成する。還元法：金属酸化物を還元して金属粉末を得る。

3.2 混合と成形 硬質相と結合相の粉末を一定の割合で混合し、ボールミルなどの工程を経て均一にする。混合した粉末をプレス成形し、所望の形状のブランクを形成する。

3.3 焼結 成形されたブランクは高温で焼結され、結合相が溶融し、硬質相粒 子が湿潤して緻密な合金組織が形成される。焼結プロセスは、ハードメタルの最終性能に決定的な影響を与える。

4. 硬質金属の微細構造 

4.1 硬質相と結合相の分布 ハードメタルの微細構造は、主に硬質相粒子と結合相マ トリックスで構成されている。硬質相粒子のサイズ、形状、分布は合金の性能に重要な影響を与える。微細な硬質相粒子は合金の硬度と耐摩耗性を向上させ、均一な分布は合金の靭性を向上させるのに役立ちます。

4.2 粒界と相界面 硬質金属の粒界と相界面は、その機械的特性に影響を与える重要な要因である。粒界の強度と相界の結合状態は、合金の耐破壊性と耐摩耗性を直接決定する。

5.ハードメタルの機械的性質 

5.1 硬度 硬質金属の硬度は、主に硬質相の種類と含有量に依存する。WC-Co硬鋼の硬度は通常HRA 88-94で、普通鋼よりはるかに高い。

5.2 耐摩耗性 ハードメタルの耐摩耗性は最も重要な特性の一つである。硬質相の高い硬度と結合相の良好な靭性により、ハードメタルは高速切削や高負荷条件下で優れた耐摩耗性を示す。5.3 曲げ強さ ハードメタルの曲げ強さは、主に結合相の含有量と硬質相の粒径に影響される。適切な結合相含有率は合金の曲げ強さを向上させるが、結合相含有率が高すぎると合金の硬さが低下する。

5.4 高温性能 ハードメタルは高温でも高い硬度と強度を維持できるため、高温切断や熱間加工に広く使用されている。

6.ハードメタルの応用 

6.1 切削工具 硬質金属は、以下のような切削工具に広く使用されている。 旋削工具フライスカッター 超硬ドリルビット.例えば、Hardmetalロッドはフライスカッターやドリルビットの加工に使用されます。その高い硬度と耐摩耗性により、高速切削や高負荷切削条件下で優れた性能を発揮します。

6.2 採掘工具 ハードメタルは、削岩機用ドリルビットやピックな どの採掘工具の製造に使用される。高い耐摩耗性と耐衝撃性により、過酷な採掘環境でも優れた性能を発揮する。

6.3 金型 ハードメタル は、冷間圧造ダイス、伸線ダイスおよびその他のダイスの製造に使用されます。硬度が高く、耐摩耗性に優れているため、高圧、高摩耗条件下でも長寿命です。

6.4 航空宇宙 航空宇宙分野の高温部品や耐摩耗部品の製造に使用される。優れた高温性能と耐摩耗性により、過酷な環境下でも優れた性能を発揮する。

7.ハードメタルの研究開発動向 

7.1 ナノハードメタルの開発 ナノテクノロジーナノハードメタルが研究のホットスポットとなっている。ナノハードメタルはより高い硬度と靭性を持ち、超精密加工やマイクロナノ製造への応用が期待されている。

7.2 コーティング技術 ハードメタルの表面に耐摩耗性コーティング（TiN、 TiAlNなど）を蒸着することにより、耐摩耗性と寿命 をさらに向上させることができる。コーティング技術は、ハードメタル研究の重要な方向となっている。

7.3 新しい結合相 ハードメタルの靭性と高温性能を改善するための新しい結合相（Fe、Ni基合金など）の研究は、今後の開発の重要な方向性である。

8.結論 ハードメタルは重要なエンジニアリング材料として、その優れた機械的特性と幅広い応用の可能性から、材料科学と工学の分野で重要な位置を占めている。ナノテクノロジー、コーティング技術、新しいバインダー相の研究の進展に伴い、ハードメタルの性能はさらに向上し、その応用分野は拡大し続けるだろう。