選択できる5種類の工具材料-炭化超硬

ダイヤモンドは炭素の異性体であり、自然界でこれまでに発見された最も硬い材料です。ダイヤモンド工具は、高硬度、高耐摩耗性、高熱伝導率を備えており、非鉄金属や非金属材料の加工に広く使用されています。特にアルミニウムおよびシリコン-アルミニウム合金の高速加工では、ダイヤモンド工具は主要な種類の切削工具に取って代わることが困難です。高効率、高安定性、長寿命の加工を実現できるダイヤモンド工具は、最新のCNC機械加工に不可欠な工具です。

ダイヤモンド工具の種類
天然ダイヤモンドカッター：天然ダイヤモンドは何百年もの間切削工具として使用されてきました。天然の単結晶ダイヤモンドカッターを細かく削り、刃先をシャープに研ぐことができます。刃先の半径は0.002μmに達し、極薄の切削が可能です。ワークピースの非常に高い精度と非常に低い表面粗さが認められ、理想的でかけがえのない超精密加工ツールです。
PCDダイヤモンドツール：天然ダイヤモンドは高価で、ダイヤモンドは切削または多結晶ダイヤモンド（PCD）で広く使用されています。 1970年代初頭以来、多結晶ダイヤモンド（Polycrystauinediamond、PCDブレード）は、高温高圧合成技術の後に成功裏に開発されてきました。多くの場合、天然ダイヤモンド工具は合成多結晶ダイヤモンドに置き換えられています。 PCDの原料は豊富で、価格は天然ダイヤモンドの1/10〜1/10程度です。

PCDカッターは非常に鋭いエッジを研削することができず、機械加工されたワークピースの表面品質は天然ダイヤモンドほど良くありません。業界でチップブレーカー付きのPCDインサートを製造することは容易ではありません。したがって、PCDは非鉄金属や非金属の微細切削にしか使用できず、超精密な鏡面切削は困難です。

CVDダイヤモンドツール：1970年代後半から1980年代初頭にかけて、CVDダイヤモンドテクノロジーが日本に登場しました。 CVDダイヤモンドとは、化学的気相成長法（CVD）による異種基板（超硬合金、セラミックなど）上のダイヤモンドフィルムの合成を指します。 CVDダイヤモンドの構造と特性は、天然ダイヤモンドとまったく同じです。

CVDダイヤモンドの性能は天然ダイヤモンドの性能に非常に近く、天然単結晶ダイヤモンドと多結晶ダイヤモンド（PCD）の利点があり、それらの欠点をある程度克服しています。

（2）ダイヤモンド工具の性能特性：

非常に高い硬度と耐摩耗性：天然ダイヤモンドは、自然界で最も硬い物質です。ダイヤモンドは非常に高い耐摩耗性を持っています。高硬度の材料を加工する場合、ダイヤモンド工具の寿命は超硬合金工具の10〜100倍、場合によっては数百倍です。
摩擦係数が非常に低い：ダイヤモンドと一部の非鉄金属間の摩擦係数が他の工具よりも低く、摩擦係数が低く、加工中の変形が小さく、切削抵抗を小さくすることができます。
刃先は非常に鋭利です。ダイヤモンド工具の刃先を鋭く研ぐことができ、天然の単結晶ダイヤモンド工具は、超薄切削や超精密加工で0.002〜0.008μmもの高さになります。
熱伝導率が高い：ダイヤモンドは熱伝導率と熱拡散率が高く、切削熱が放散しやすく、工具の切削温度が低いです。
熱膨張係数が低い：ダイヤモンドの熱膨張係数は超硬合金の数分の1であり、切削熱による工具サイズの変化は小さいため、高次元の精密加工や超精密加工に特に重要です。正確さ。

（3）ダイヤモンド工具の使用。

ダイヤモンド工具は、非鉄および非金属材料の高速での微細切削およびボーリングに使用されます。 FRP粉末冶金ブランク、セラミック材料など、あらゆる種類の耐摩耗性非金属の処理に適しています。さまざまなシリコンアルミニウム合金など、さまざまな耐摩耗性の非鉄金属。各種非鉄金属仕上げ。

ダイヤモンドカッターの欠点は、熱安定性が低いことです。切断温度が700°C〜800°Cを超えると、硬度が完全に失われます。また、ダイヤモンド（炭素）は高温で鉄になりやすいため、鉄系金属の切断には適していません。原子は炭素原子をグラファイト構造に変換する働きがあり、工具は非常に壊れやすいものです。

立方晶窒化ホウ素工具材料

ダイヤモンドの製造方法と同様の方法で合成された2番目の超硬材料である立方晶窒化ホウ素（CBN）は、硬度と熱伝導率の点でダイヤモンドに次いで2番目であり、優れた熱安定性を持っています。大気中では10,000℃まで加熱されます。酸化は起こりません。 CBNは非鉄金属に対して非常に安定した化学的性質を有し、鉄鋼製品の処理に広く使用できます。

（1）立方晶窒化ホウ素工具の種類

立方晶窒化ホウ素（CBN）は、自然界には存在しない物質です。単結晶と多結晶、つまりCBN単結晶と多結晶立方晶窒化ホウ素（PCBN）があります。 CBNは、窒化ホウ素（BN）の異性体の1つであり、ダイヤモンドの構造に似ています。

PCBN（多結晶立方晶窒化ホウ素）は、高温および高圧下で結合相（TiC、TiN、Al、Tiなど）を通じて微細なCBN材料が一緒に焼結された多結晶材料です。超硬工具材料と総称されるダイヤモンド工具材料。 PCBNは主にツールやその他のツールを作成するために使用されます。

PCBNツールは、一体型PCBNインサートと超硬合金で焼結したPCBN複合インサートに分けることができます。

PCBN複合ブレードは、良好な強度と靭性を備えた超硬合金上に厚さ0.5〜1.0 mmのPCBNの層を焼結することによって作成されます。その性能は、優れた靭性と高い硬度および耐摩耗性を備えています。 CBNインサートの低い曲げ強度と難しい溶接の問題を解決します。

（2）立方晶窒化ホウ素の主な性能と特性

立方晶窒化ホウ素の硬度はダイヤモンドの硬度よりわずかに低いですが、それは他の高硬度材料よりもはるかに高いです。 CBNの卓越した利点は、熱安定性がダイヤモンドよりもはるかに高く、最高1200°C（ダイヤモンドの場合は300〜800°C）であることです。もう1つの優れた利点は、化学的に不活性であり、1200〜1300°Cで鉄と化学反応しないことです。反応。立方晶窒化ホウ素の主な性能特性は以下の通りです。

a高硬度と耐摩耗性：CBN結晶構造はダイヤモンドと同様であり、ダイヤモンドと同様の硬度と強度を備えています。 PCBNは、前にしか研磨できない高硬度材料の加工に特に適しており、ワークピースの表面品質を向上させることができます。
非常に高い熱安定性を備えています。CBNの耐熱性は1400〜1500°Cに達することができ、ダイヤモンドの耐熱性（700〜800°C）のほぼ1倍です。 PCBNツールは、超硬合金ツールよりも3〜5倍高速に、高温合金と硬化鋼を切断できます。
優れた化学的安定性：1200〜1300°Cまでの鉄ベースの材料では化学的役割を果たしません。ダイヤモンドのようにキレが悪い。このとき、超硬合金の硬度を維持することができます。 PCBNカッターは、硬化鋼の切断に適しています。鋳鉄の高速切削用部品とチルド鋳鉄。
良好な熱伝導率があります。CBNの熱伝導率はダイヤモンドに追いつくことができませんが、あらゆる種類の工具材料におけるPCBNの熱伝導率は、ダイヤモンドに次ぐものであり、高速度鋼や硬質合金よりもはるかに高いです。
摩擦係数が低い：摩擦係数が低いと、切削中の切削抵抗が低下し、切削温度が下がり、表面品質が向上します。

（3）立方晶窒化ホウ素ツールアプリケーション：

立方晶窒化ホウ素は、焼入れ鋼、硬質鋳鉄、超合金、硬質合金、表面溶射材料などの難削材の仕上げに適しています。加工精度はIT5（穴はIT6）に達し、表面粗さはRa1.25〜0.20μmまで小さくなります。

立方晶窒化ホウ素工具材料は、靭性と曲げ強度に乏しい。したがって、立方晶窒化ホウ素旋削工具は、低速で大きな衝撃荷重を伴う荒加工には適していません。同時に、プラスチック材料（アルミニウム合金、銅合金、ニッケル基合金、プラスチック製大型鋼など）の切断には適していません。これらの金属を切断すると、深刻な肉盛エッジが発生し、機械加工が劣化する可能性があるためです。表面。

セラミック工具材料

セラミック包丁は硬度が高く、耐摩耗性に優れ、耐熱性と化学的安定性に優れ、金属と結合しにくいという特徴があります。セラミック工具は、CNC 加工において重要な役割を果たします。セラミック工具は、材料の高速切削と難削材の主要な工具の 1 つになりました。セラミック工具は、高速切削、乾式切削、硬質切削、難削材の加工に広く使用されています。セラミック工具は、従来の工具ではまったく加工できなかった高硬度材料を効率的に加工し、「車の研削」を実現できます。セラミック工具の最適切削速度は、硬質合金工具の 2 ～ 10 倍であり、切削加工の効率が大幅に向上します。セラミック工具材料に使用される主な原材料は、地殻に最も豊富に存在する元素です。したがって、セラミックツールの普及と適用は、生産性の向上、加工コストの削減、および戦略的貴金属の節約にとって非常に重要です。また、切削技術の大幅な向上にもなります。進捗。

（1）セラミック工具材料の種類

セラミック工具材料の種類は、一般に3つのカテゴリに分類できます。アルミナベースのセラミック、窒化ケイ素ベースのセラミック、複合窒化ケイ素-アルミナベースのセラミックです。その中で、アルミナベースと窒化ケイ素ベースのセラミック工具材料が最も広く使用されています。窒化ケイ素ベースのセラミックは、アルミナベースのセラミックよりも優れています。

（2）セラミック工具の性能と特性

セラミックツールのパフォーマンス特性は次のとおりです。

高い硬度と優れた耐摩耗性：セラミック工具の硬度はPCDやPCBNほど高くありませんが、硬質合金および高速度鋼工具よりもはるかに高く、93-95HRAに達します。セラミック工具は、従来の工具では加工が困難な高硬度材料を処理でき、高速切削やハード切削に適しています。
高温耐性と耐熱性：セラミック工具は1200°Cを超える温度でも切断できます。セラミック工具は、非常に優れた高温機械特性を備えています。 A12O3セラミックツールは優れた耐酸化性を備えており、刃先は真っ赤な状態でも継続的に使用できます。したがって、セラミック工具はドライ切削を実現でき、切削液の必要性を排除します。
優れた化学的安定性：セラミックツールは金属との接合が容易ではなく、優れた耐食性と化学的安定性を備えているため、ツールの接合摩耗を低減できます。
低摩擦係数：セラミックツールは金属との親和性が低く、摩擦係数が低いため、切削抵抗と切削温度を下げることができます。

（3）セラミックナイフには用途があります

セラミックは、主に高速仕上げと中仕上げに使用される工具材料の1つです。セラミックカッターは、あらゆる種類の鋳鉄（ねずみ鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、可鍛鋳鉄、チルド鋳鉄、高合金耐摩耗性鋳鉄）および鋼（炭素構造鋼、合金構造鋼、高強度鋼、高マンガン鋼、硬化鋼）。など）は、銅合金、グラファイト、エンジニアリングプラスチック、複合材の切断にも使用できます。

セラミック工具材料の性能は、曲げ強度が低く、衝撃靭性が低いため、低速および衝撃荷重での切削には適していません。

コーティングされた工具材料

ツールのコーティングは、ツールのパフォーマンスを向上させる重要な方法の1つです。コーティングされた工具の出現は、工具の切削性能に大きな進歩をもたらしました。コーティングされた工具は、耐摩耗性の高い高抵抗の耐火性コンパウンドの1つ以上の層にコーティングされます。ツールベースとハードコーティングを組み合わせて、ツールの性能を大幅に向上させます。コーティングされた工具は、加工効率を高め、加工精度を高め、工具寿命を延ばし、加工コストを削減します。

新しいCNC工作機械で使用されている切削工具の約80%は、コーティングされた工具を使用しています。コーティングされたツールは、将来的にCNC機械加工の分野で最も重要なツールになります。

（1）コーティング工具の種類

コーティング方法によって、コーティングされたツールは、化学蒸着（CVD）コーティングされたツールと物理蒸着（PVD）コーティングされたツールに分けることができます。コーティングされた超硬合金ツールは、一般的に化学蒸着であり、蒸着温度は約1000°Cです。コーティングされた高速度鋼ツールは一般的に物理蒸着法を採用しており、堆積温度は約500°Cです。

被覆工具の材質によって、超硬被覆工具、高速度鋼被覆工具、セラミックおよび超硬材料（ダイヤモンドおよび立方晶窒化ホウ素）の被覆工具に分類できます。

コーティング材料の性質に応じて、コーティングされたツールは、「ハード」コーティングされたツールと「ソフト」コーティングされたツールの 2 つの大きなカテゴリに分類できます。「ハード」コーティング工具が追求する主な目標は、高い硬度と耐摩耗性です。性別、その主な利点は、高硬度と優れた耐摩耗性であり、通常はTiCおよびTiNコーティングです。「ソフト」コーティングツールの目標は、低摩擦係数 (自己潤滑ツールとも呼ばれる) であり、被削材をこすります。係数は非常に低く、約 0.1 にすぎません。これにより、結合が減少し、摩擦が減少し、切削力と切削温度が低下します。

Nanoeoatingツールが最近開発されました。このコーティングツールは、コーティング材料（金属/金属、金属/セラミック、セラミック/セラミックなど）のさまざまな組み合わせで使用して、さまざまな機能要件とパフォーマンス要件を満たすことができます。適切に設計されたナノコーティングにより、工具材料は優れた減摩性と耐摩耗性を備え、高速乾式切削に適しています。

（2）コーティング工具の特徴

コーティングされた工具の性能特性は次のとおりです。

機械的および切削性能：

コーティングツールは、基材とコーティング材の優れた特性を兼ね備えており、基材の優れた靭性と高強度を維持するだけでなく、高硬度、高耐摩耗性、低コーティングを備えています。摩擦係数。その結果、コーティングされた工具は、コーティングされていない工具の2倍以上の速さで切断でき、より高い送り速度を可能にします。コーティングされた工具の寿命も改善されます。

汎用性：

コーティングツールは、汎用性が高く、幅広い加工が可能です。コーティングされたツールは、いくつかのコーティングされていないツールを置き換えることができます。

コーティング厚：

コーティングの厚さが増すと工具寿命は長くなりますが、コーティングの厚さが飽和に達すると、工具寿命はそれほど長くなりません。コーティングが厚すぎると、剥離が起こりやすくなります。コーティングが薄すぎると、耐摩耗性が低下します。

再粉砕：

コーティングブレードは、再研磨が不十分で、コーティング装置が複雑で、プロセス要件が高く、コーティング時間が長い。

コーティング材料：

コーティング材料が異なる工具は、切削性能が異なります。たとえば、TiCコーティングは低速で切断する場合に利点があります。 TiNは高速切削に適しています。

（3）コーティング工具の用途

コーティングされたツールは、CNC加工の分野で大きな可能性を秘めており、将来的にはCNC加工の分野で最も重要なツールになるでしょう。コーティング技術は、エンドミル、リーマー、ドリル、複合穴加工ツール、ギアホブ、ギアシェーピングカッター、シェービングカッター、成形ブローチ、およびさまざまなマシンクリップのインデックス可能なインサートに適用され、高速切削作業に対応しています。鋼および鋳鉄、耐熱合金、非鉄金属の必要性。

超硬工具材料

超硬工具、特に割り出し可能な超硬工具は、CNC機械加工工具の主要製品です。 1980年代以降、さまざまなタイプの一体型で割り出し可能な超硬工具またはインサートが拡張され、切削工具の分野では、割り出し可能な超硬工具は、単純な旋削工具や正面フライスから、さまざまな精密で複雑な成形工具に拡張されています。

（1）超硬工具の種類

主な化学組成によれば、超硬合金は炭化タングステン系硬質合金と炭素（窒化チタン）（TiC（N））系硬質合金に分けることができます。

炭化タングステン系硬質合金には、タングステンコバルト（YG）、タングステンコバルトチタン（YT）、およびレアタイプカーバイド（YW）があり、それぞれに長所と短所があります。主成分は炭化タングステン（WC）と炭化チタンです。（TiC）、炭化タンタル（TaC）、炭化ニオブ（NbC）など。一般的に使用される金属結合相はCoです。

炭素（窒素）チタン基超硬合金は、TiCを主成分（一部は他の炭化物または窒化物とともに添加）を含む硬質合金であり、一般的に使用される金属結合相はMoおよびNiです。

ISO（国際標準化機構）は、超硬合金を3つのカテゴリーに分類します。

Kl0～K40を含むKクラスは、中国のYGクラス（主成分はWC.Co）に相当します。

P01からP50を含むクラスPは、中国のYTに相当します（主成分はWC.TiC.Coです）。

M10からM40を含むクラスMは、中国のYWに相当します（主成分はWC-TiC-TaC（NbC）-Co）。

各グレードは、高硬度から最大靭性までの一連の合金を表しており、それぞれ01から50までの数値があります。

（2）超硬工具の性能特性

超硬工具の性能特性は次のとおりです。

高硬度：

超硬工具は、粉末冶金法による高硬度と高融点の炭化物（硬質相と呼ばれる）と金属結合剤（結合相と呼ばれる）でできており、硬度は89-93 HRAです。ハイスよりはるかに高いです。 540℃でも、硬度は82-87HRAに達する可能性があります。これは、室温での高速度鋼の硬度（83-86HRA）と同じです。超硬合金の硬度値は、炭化物の金属バインダー相の性質、量、粒子サイズおよび含有量によって異なり、バインダー金属相の含有量が増加するにつれて一般に減少する。結合相の含有量が同じ場合、ＹＴ系合金はＹＧ系合金よりも硬度が高く、ＴａＣ（ＮｂＣ）を添加した合金は高温硬度が高い。

曲げ強度と靭性：

一般的に使用される超硬合金の曲げ強度は、900〜1500 MPaの範囲です。金属結合相の含有量が高いほど、曲げ強度は高くなります。バインダーの含有量が同じ場合、YGベース（WC-Co）合金の強度はYTベース（WC-TiC-Co）合金の強度よりも高く、TiC含有量が増加するにつれて強度は減少します。。超硬合金は脆い材料であり、その衝撃靱性は、室温での高速度鋼のそれのわずか1/30から1/8です。

一般的に使用される超硬合金工具の用途

YG合金は主に鋳鉄、非鉄金属、非金属材料の加工に使用されます。微細な硬質合金（YG3X、YG6Xなど）は、コバルトの含有量が同じ場合、中程度の結晶粒よりも硬度と耐摩耗性が高くなります。特殊なハード鋳鉄、オーステナイト系ステンレス鋼、耐熱合金、チタン合金、硬質青銅、耐摩耗性絶縁材料の処理に適しています。

YTベースの超硬合金の優れた利点は、高硬度、優れた耐熱性、高温での高硬度および圧縮強度、YGに対する高い耐性と優れた耐酸化性です。したがって、ナイフに高い耐熱性と耐摩耗性が要求される場合は、TiC含有量の高いグレードを選択する必要があります。 YT合金は鋼などのプラスチック材料の加工には適していますが、チタン合金やシリコンアルミニウム合金の加工には適していません。

YW合金はYGおよびYT合金の特性を持ち、優れた総合性能を備えています。鋼の加工や鋳鉄、非鉄金属の加工に使用できます。そのような合金は、コバルト含有量に適切に追加された場合、高強度で使用でき、さまざまな難削材の荒加工および断続切削に使用できます。

一般に、PCBN、セラミック工具、被覆炭化物およびTiCNベースの炭化物工具は、鋼などの非鉄金属のCNC機械加工に適しています。 PCDツールは、Al、Mg、Cuおよびそれらの合金などの非鉄材料に適しています。非金属材料の処理。表3-3-2に、上記の工具材料の加工に適したワーク材料をいくつか示します。

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