炭化タングステンの圧縮強さと引張降伏強さ

炭化タングステン重要な超硬合金材料その機械的特性は、耐用年数や信頼性に直接影響する。その機械的特性は、耐用年数と信頼性に直接影響します。圧縮降伏強さと引張降伏強さはともに、材料の耐荷重性を評価するための中心的な指標となります。これらのパラメータを理解するには、材料構造、試験方法、実際の応用という3つの観点から検討する必要があります。

炭化タングステンは、タングステンと炭素原子が高温で結合することにより、緻密な焼結結晶構造を形成し、非常に高い硬度を持つ材料です。圧縮降伏強さは、連続的な圧縮荷重をかけたときに塑性変形が始まる臨界応力値を示し、通常は万能試験機を用いて測定される。試験中、円柱状の試験片は圧縮プレートの間に置かれ、一定の速度で軸方向の圧力を受けます。応力-ひずみ曲線の明確な変曲点に対応する応力値が圧縮降伏強さを定義します。セラミック材料として、純粋な炭化タングステンは高い硬度と脆性を示し、製造工程（焼結密度、粒径など）に大きく影響される引張強度は比較的低い。 純タングステンカーバイドの引張強さは344MPaです。.工業グレードの炭化タングステンは、通常、コバルト（Co）やニッケル（Ni）などのバインダー金属と組み合わされ、炭化タングステン粒子を結合し、脆性を大幅に改善し、引張強度を向上させます。この複合材料は一般に超硬合金と呼ばれる。 超硬合金の圧縮強度は、一般に4,000～6,000MPa（580,151～870,226psi）を示します。これは、1平方ミリ当たり400～600キログラムの耐荷重に相当する。以下の表は、特定のグレードの超硬合金の引張強さと降伏強さを示しています：

超硬合金	グレード	化学組成	引張強さ（MPa）	降伏強度（MPa）
WC-Co 低コバルト	YG6	WC-6%Co	1400~1800	1500~1800
WC-Co 中コバルト	YG8	WC-8%Co	1800~2200	1600~2000
WC-Co 高コバルト	YG15	WC-15%Co	2400~2800	1200~1500
超微粒子WC-Co	YG10X	超微粒子 WC-10% Co	3000~3500	2000~2500
WC-TiC-Co	YT15	WC-15%TiC-6%Co	1100~1500	1000~1300
WC-Ni-Fe	YN10	WC-10%Ni-5%Fe	1600~2000	1400~1700

超硬合金の引張降伏強さは、引張下での破壊に対する材料の抵抗能力を反映します。試験中、試験片の両端は引張試験機にクランプされます。引張力が増加するにつれて、材料が弾性変形から塑性変形に移行する遷移点が引張降伏強さです。超硬合金は脆性が大きいため、引張降伏強さは圧縮強さよりも著しく低く、通常1000MPaから1500MPaです。この特性により、超硬合金の部品を設計する際には、切削工具の刃先に丸みを帯びた移行部を採用するなど、引張応力の集中を避けることに特別な注意を払う必要があります。

材料組成比は機械的特性に直接影響する。結合相であるコバルト含有量が1%増加するごとに、圧縮強度は約80MPa低下するが、靭性は向上する。例えば、6%のコバルトを含む鉱業用削岩合金の特定のモデルは、5800MPaの圧縮強度を達成しますが、15%のコバルトを含む切削インサートの圧縮強度は4200MPaに低下します。炭化タングステンの粒径を0.5～2マイクロメートルの間で制御することで、最適な強度バランスが得られます。粒径が細かすぎると結合相が不均一に分布し、粒径が粗すぎると亀裂の発生部位が形成されやすくなります。

温度変化は強度指標に非線形に影響する。実験データによると、使用温度が600℃を超えると、炭化タングステンの圧縮強度は1℃あたり0.8%の割合で低下します。例えば、800℃で使用される航空エンジンのシールリングの圧縮強度は、室温の5200MPaから3200MPaに低下します。高温強度低下の主な原因は、熱応力によるマイクロクラックの進展である。クロムやバナジウムのような元素を添加することで、高温安定性を高めることができる。

石油掘削では、PDCカッターは地層の圧縮と衝撃張力に同時に耐えなければならない。特定のカッタ・モデルは、勾配構造設計を採用しており、表層は0.8マイクロメートルに微細化された炭化タングステン粒を備え、コアは2マイクロメートルの粒を維持している。テストによると、圧縮強度は5500MPa、引張強度は1300MPaで、均質構造と比較して40%の長寿命化を実現している。金属切削では、切削工具のすくい角設計が応力状態に直接影響します。負のすくい角設計は、切削力を圧縮応力に変換し、材料の圧縮強度の利点を十分に活用します。

品質管理には欠陥の検出に特別な注意が必要です。0.05%を超える空隙は、圧縮強度を15%低下させます。超音波探傷は0.1mm以上の内部欠陥を検出することができる。ある冷間圧造用金型の故障解析では、金型内部に0.3mmの未焼結気孔が見つかり、実際の圧縮強度は公称値の72%しかありませんでした。

材料改良の研究は画期的な進歩を遂げた：ナノ-層構造の炭化タングステンは、圧縮強度を4800MPaに維持しながら、引張強度を1800MPaに向上させた。厚さ5nmの炭化タングステン層と厚さ2nmの金属層を交互に蒸着させたこの構造は、クラックの伝播を効果的に抑制する。実験室のデータによると、この改良材の破壊靭性は2.3倍に向上し、精密プレス金型製造に応用されている。

実際の選択は、作業条件を総合的に考慮する必要がある。衝撃荷重が頻繁にかかる用途では、圧縮強度は低いが靭性の高い配合を選択すべきである。持続的な高圧環境では、ピーク圧縮強度を持つ材料が優先される。例えば、ある鉱山用破砕機のハンマーヘッドを高コバルト（12%）配合に置き換えたところ、圧縮強度は4500MPaに低下したものの、材料の靭性が向上したことで繰り返し衝撃に効果的に耐えるようになったため、耐用年数は3倍に延びた。

故障事例の分析から、強度指標の相互依存性が明らかになった。精密ベアリングケージの破断は、原材料の引張強さが設計要求値の1200MPaを下回る980MPaしかなかったことに起因する。さらに分析を進めると、焼結温度が低いために粒界結合強度が不十分であり、硬度は基準を満たしていたものの、実際の強度は不十分であった。このケースは、材料の選定は硬度だけに頼ることはできず、包括的な機械的特性試験が不可欠であることを示している。

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