超硬アンビルは合成プレスに欠かせない消耗品であり、合成プレスはダイヤモンド単結晶の製造やダイヤモンドの育成の中核となる装置です。合成プレスの合成チャンバーは、ダイヤモンド単結晶を合成するための超高温（>1400℃）、超高圧（>5GPa）の成長環境を作り出すことができ、活性炭素原子を安定したダイヤモンド結晶に成長させることができます。

プレスの構造により、アンビルの作業面は油圧シリンダーのピストン面積よりもはるかに小さくなります。油圧シリンダーの駆動下で一組のアンビルが閉じられて高圧チャンバーが形成されると、チャンバー内は 10GPa を超える圧力と 1,000 ℃を超える温度に達する可能性があります。圧縮、引張、せん断応力など、さまざまな種類の応力に耐えます。したがって、超硬アンビルの品質は特に重要です。

生産の観点から品質を管理する

超硬合金内の炭素分布勾配を小さくする

高品質の超硬アンビルを得るには、アンビルの均一な構造を確保する必要があります。この要件には、合金内で均一な炭素分布を達成することが含まれます。前述したように、超硬アンビルは固体製品です。したがって、成形剤の除去中に、超硬アンビルのさまざまな部分に一定量の炭素残留物が残ります。これにより、アンビル内に炭素の勾配が生じ、品質に直接影響します。炭素勾配はアンビルの使用に望ましい構造とは異なるため、この勾配を最小限に抑えるか、さらには排除する努力が必要であり、製造プロセスに重大な課題をもたらします。

現在、この勾配を効果的に低減する一般的な方法がいくつかあります。

製造方法: 製造工程で連続脱蝋と焼結、または雰囲気制御焼結を伴う断続的脱蝋を採用します。

プロセスの最適化: アンビルの寸法に基づいて脱蝋プロセスを調整します。さまざまな仕様のアンビルに対して、低温、低速の脱蝋方法を採用すると、制御された方法で成形剤を除去するのに役立ちます。このアプローチは、アンビルの炭素勾配を狭い範囲内に維持するのに役立ちます。

 

用途に応じて適切な超硬材種を選択

超硬アンビルに適した材種としては、YG6、YG8、YG12xなどが挙げられます。

YG6 グレードの超硬合金は、94% WC (タングステンカーバイド) と 6% Co (コバルト) で構成され、主に中サイズの WC および Co 粒子を使用します。硬質相 WC の含有量が高いため、超硬アンビルに必要な圧縮性能が確保されます。しかし、結合相 Co の含有量が低いと、アンビルの引張強度に多少の影響があり、ダイヤモンド合成プロセス中に亀裂が発生する傾向が生じます。さらに、合成中に遊離炭素またはイータ相が形成され、アンビルの使用性に影響を与える可能性があるため、YG6 超硬アンビルの炭素 (C) 含有量の制御には課題が生じます。

YG8 グレードの超硬合金には 92% WC と 8% Co が含まれており、中程度の粒子の超硬合金です。優れた圧縮性能だけでなく、優れた引張強度も示します。耐用年数が長く、早期亀裂が発生しにくいです。

YG12x級超硬合金は微粒子超硬です。一定の Co 含有量を使用すると、WC の粒径がより細かくなり、密度、硬度、圧縮強度、その他の総合的な特性が大幅に向上します。このため、YG12x はアンビル用の超硬合金材料の中で理想的な選択肢となります。

 

使用中の超硬アンビルの損傷を防止します。

超硬アンビルの損傷形態

大部分のアンビルの破損は、46 度の傾斜面に 1 つまたは複数の亀裂が存在し、その位置から上面まで広がり、最終的に破壊につながることが特徴です。分析によると、アンビルが受ける最大せん断応力は中心軸に沿って発生し、最大の引張応力は 46 度の傾斜面の対称線に沿って発生します。そのため、合成時の高温高圧の条件下で局所的な応力が過度に集中すると、小さな内部亀裂が徐々に表面に向かって伝播していきます。これが、亀裂が通常 46 度の傾斜面から始まり、アンビルのかなりの部分が破損するまで広がり続ける理由です。

超硬アンビル使用時の温度ムラ

温度が不均一であると、アンビルに亀裂が生じる現象も発生する可能性があります。温度の変化により物体が膨張または収縮し、熱応力が発生することがあります。交互熱応力は、アンビルの疲労破壊に寄与する要因の 1 つです。アンビルの最高温度はアンビルと導電性鋼部品の間の接触点で発生し、最低温度はアンビルの底面の中心で発生します。アンビルの上面と下面の最大温度差は約500℃です。アンビルの表面全体にわたる不均一な温度分布は応力集中を引き起こし、その結果、破損が発生します。さらに、アンビルに電流が流れると、温度分布が不均一になるため、アンビルの寿命が大幅に短くなります。

圧力が不安定なプレスを使用する

プレス内の超高圧装置の安定性の悪さも事故の原因の一つです。たとえば、6 つの作動シリンダー間の圧力とストロークの不一致、または特定のシリンダー内の圧力の突然の低下が、これらのインシデントの原因となる可能性があります。

結論

現在、中国の超硬アンビルの品質は、重量が 3 kg 未満の初期バージョンから、重量が約 50 kg の現在のアンビルまで進化しています。大型の 6 面アンビルは、超硬材料合成チャンバーの中国市場で主流となっています。微粒子およびサブミクロンの微粒子超硬合金も、新しいアンビル材料の開発にとって重要な方向性となっています。圧縮強度と曲げ強度が大幅に向上しました。新素材アンビルの製造工程に先進の超硬技術が導入され、新素材大型アンビルの実用化はかなり高いレベルに達しています。ダイヤモンド製造におけるハンマーの消費量は 10,000 カラットあたり 1 kg 未満に制御されており、最良の結果は 10,000 カラットあたり 0.15 ～ 0.3 kg の範囲です。

現在、さまざまな超硬材料メーカーが効率化を図るためにプレスの大型化を追求しており、その結果、超硬アンビルも徐々に大型化しています。一般に、超硬アンビルが大きくなるとチャンバーのサイズも大きくなり、それに応じて寿命も短くなります。この観点からは、「大きな質量を支える」という原理に基づいてアンビルの幾何学的構造を設計することが重要です。同時に、アンビルと油圧シリンダーの寸法の拡大とその寿命の間の最適なパラメーターを模索し、技術的考慮事項と経済的考慮事項の間のより合理的なバランスを確保する必要があります。