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超硬工具ソリューションの開発と応用
超硬工具材料とは、天然ダイヤモンドおよびその硬度・性能に近い人工ダイヤモンドとCBN（立方窒化ホウ素）を指します。天然ダイヤモンドは高価であるため、超硬工具の製造には主に人工多結晶ダイヤモンド、多結晶立方窒化ホウ素、ならびにそれらの複合材料が用いられています。それでは、以下で超硬工具ソリューションの発展と応用についてご説明しましょう。
公開日:
2022-05-12
超硬工具材料とは、天然ダイヤモンドおよびその硬度・性能に近い人工ダイヤモンドとCBN（立方窒化ホウ素）を指す。天然ダイヤモンドは価格が高いため、超硬工具の製造には主に人工多結晶ダイヤモンド、多結晶立方窒化ホウ素およびそれらの複合材料が用いられる。それでは、以下で詳しく見ていこう。 超硬工具ソリューション の発展と応用ですね！
ダイヤモンドは極めて高い硬度と耐摩耗性を有し、その顕微硬度は最大で10,000 HVに達するため、工具材料の中でも最も硬い材料である。さらに、摩擦係数が小さく、非鉄金属との親和性が低いため切屑がスムーズに排出され、熱伝導率も高いため切削時に発生する切屑が少なく、加工面の品質が良好である。一方で、銅やアルミニウムなどの非鉄金属およびその合金、セラミックス、焼結前の超硬合金、各種繊維・粒子強化複合材料などは、700～800℃程度で容易に炭化するため、鉄鋼材料の加工には適していない。これは、高温下で鉄原子が炭素原子と反応してグラファイト構造へと変化しやすいためである。また、ニッケル基合金を同材料で切削する場合にも、同様に急速に摩耗してしまう。
超硬工具ソリューション 主な品種および用途
現在、世界で実用化されているか、あるいは試験段階にある超硬合金工具材料の主な種類は以下のとおりである：
1. 天然および人工合成の大単結晶ダイヤモンド
単結晶ダイヤモンドには、天然ダイヤモンド（ND）と人工合成ダイヤモンドの二種類があります。単結晶ダイヤモンドは、切削工具の製造に用いるためには必ず大粒径でなければならず、その質量は0.1 g以上、かつ小径部の長さは3 mm以下であることが求められます。NDは現在知られている鉱物の中で最も硬い物質であり、その顕微硬度は最大10,000 HVに達し、優れた耐摩耗性を有するだけでなく、切削刃が極めて鋭利で、刃先の粗さ値が小さく、摩擦係数が低く、接着に対する耐性も高く、さらに高い熱伝導率を示します。切削時の工具の硬度、耐摩耗性、耐腐食性および化学的安定性が確保されることで、工具の超長寿命が実現し、長期にわたり正常な切削が保証されるほか、工具の磨耗が被加工部品に及ぼす影響を低減できます。また、その高い熱伝導率により切削温度の上昇や部品の熱変形を抑えることも可能です。これが超硬工具ソリューションです。
2. ポリクリスタルダイヤモンドとポリクリスタルダイヤモンド複合刃
PCDは、いわゆる超硬合金焼結体とも呼ばれ、高温・高圧条件下でコバルトなどの金属結合剤により多数のダイヤモンド単結晶粉末を凝集させた多結晶材料である。その硬度は天然の単結晶ダイヤモンドよりやや低いが、結晶粒がランダムに配向して集積しているため等方性を示し、解理面も存在しない。したがって、大きな単結晶ダイヤモンドのように異なる結晶面間で強度・硬度および耐摩耗性に大きな差が生じることはなく、解理面の存在による脆性も見られない。
3. CVDダイヤモンド
CVDダイヤモンドは低圧条件下で製造されるのに対し、大型単結晶ダイヤモンドとは異なり、PCDおよびPDCは高温高圧下で合成される。CVDダイヤモンドには三種類があり、第一に適切な基材上に堆積されたCVDダイヤモンドコーティング（ダイヤモンド様炭素DLCコーティングを含む）、第二に厚さ1mmの支持なしCVDダイヤモンド厚膜、第三にダイヤモンド結晶種上でのエピタキシャル成長により形成されたCVDダイヤモンド単結晶膜または準単結晶膜である。CVDダイヤモンドは金属触媒を一切含まない純粋なダイヤモンドであるため、熱安定性は天然ダイヤモンドに近い。高温高圧下で人工的に合成されたポリクリスタルダイヤモンドと同様に、CVDポリクリスタルダイヤモンドも結晶粒が無秩序に配列し、脆性解理面を持たず、等方性を示す。CVDコーティング工具はPCDおよびPDC工具に比べて、工具形状が複雑でコストが低く、一枚の工具に多数の刃を持つといった利点がある。しかし、超硬工具ソリューションには、ダイヤモンドコーティングと基材との接合強度が低いこと、ならびにCVDダイヤモンドコーティングを施したエッジ部の研磨加工において剥離が生じやすいという欠点もある。現時点では、CVDダイヤモンドの応用市場はまだ大きくない。CVDダイヤモンド厚膜はPDCと比較して、主な利点として優れた熱安定性が挙げられる一方、結晶粒間の集積強度が低く、内部応力が大きく、相対的に脆性が高く、電気伝導性がないという欠点もある。特に電気伝導性の欠如は、放電加工（EDM）による切断や研削加工技術への適用を妨げている。この技術はダイヤモンド工具の加工業界、とりわけ木材加工工具の製造および仕上げにおいて広く利用されている。
以上がご紹介した内容です。 超硬工具ソリューション の開発と応用について、さらに詳しくお知りになりたい場合は、いつでもお問い合わせください！
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