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技術情報・技術コラム

超硬合金の加工方法を紹介! 素材の特徴や加工の種類も解説

超硬合金を加工するには、まず素材の特徴の把握がポイントとなります。特徴の把握や加工方法・条件の選定、技術者の育成を行えば、超硬合金の加工の成功につながります。超硬合金の加工の成功により、ノウハウや技術力が積み重ねられていくでしょう。

本記事では、超硬合金を加工する際のポイントについて解説します。そもそも超合金とは何なのかや、具体的な用途にも触れているので、ぜひ参考にしてみてください。

超硬合金とは?

超硬合金とは一般的に、炭化タングステン(WC)の粉末にコバルト(Co)の粉末を混ぜて結合させたものを指します。必要に応じて炭化チタン(TiC)や炭化タンタル(TaC)などを追加する場合もあり、金属を加工するための工具などに使われることが多いです。

関連記事:超硬合金とは?特徴や種類について解説!

超硬合金のメリット

超硬合金は、ダイヤモンドやセラミックなどに次ぐ硬度を誇ります。そのため硬い金属を加工するのにも適しており、高温時の硬度低下が少ないことから、金属加工の切削加工の工具などに使われることが多いです。

また超合金は圧縮強度の高さにも定評があり、金型工具使用時の大きな荷重にも耐えられます。

さらには超硬合金は耐熱性・耐摩耗性に優れ、ステンレスやチタンといった難削材や、特殊な耐熱性・耐摩耗性に優れた金属の加工にも活躍します。素材の組み合わせ次第で、腐食しにくい超硬合金(WC-Ni-Cr系超硬合金)を作ることも可能です。

超硬合金のデメリット

超硬合金にはメリットばかりでなくデメリットもあります。事前に知っておき、効果的に超硬合金を使いましょう。

超硬合金は硬度の高い合金であるがゆえ、靭性(じんせい)が低いです。靭性とは金属の粘り強さを表しています。例えば一般的な鉄合金などは、硬度がそこまで高くないため、靭性は高いです。

靭性が低いということは、衝撃に比較的弱くなり、欠損などが生じる可能性があります。硬度の高い超硬合金を、ある程度靭性を必要とする金属の加工などに用いると欠けてしまう可能性があるのです。

通常の金属と比較して、超硬合金は、素材そのものにコストがかかる傾向にあります。また一般的な研削加工を行うには素材が硬く、作業スピードが遅くなる分、人件費などのコストも増加するでしょう。

超硬合金の用途

超硬合金は硬度の高さや圧縮強度の高さなどから、工具として使用されることが多いです。実際に使われている工具としては、切削工具や研磨工具などがあります。その他の使い方としては、穴空けドリルや工業製品用ノズルなどにも幅広く使われています。

超硬合金は用途に応じて、以下の3つの種類に分けられます。

  • ・超微粒子超硬合金
  • ・微粒子合金金
  • ・一般的な超硬合金(耐摩耗・耐衝撃工具用)

(*メーカーごとに呼び名が異なります。)

超微粒子超硬合金は、主に精密な製品に使用する工具や精密部品として使用されます。例としては、航空機に使用される機械部品や金型を作るための切削工具、電子部品などの穴空けドリルなどです。

微粒子合金は、建設現場の工具や道路・ビルなどの基礎工事の工具に使用されています。

一般的な超硬合金は、主に強い力を加えて工具の形に成型する場合に使用されます。例えば圧延ロールなどは、一般的な超硬合金で作られる代表的な部品です。圧延ロールは、金属材料を薄く延ばす圧延機という工具の金属部品として使われています。

関連記事:超硬合金の用途とは?どんなところで使用されるの?

超硬合金の加工方法の種類

超硬合金の代表的な加工方法には、以下の種類があります。

  • ・研削加工
  • ・放電加工
  • ・ラップ加工
  • ・切削加工

それぞれについて説明します。

研削加工

超硬合金の加工方法は、一般的に、研削加工と、次に紹介する放電加工がメインの加工方法となります。理由としては、通常の金属材料と比較して切削加工の難易度が高いためです。

メイン加工方法の一つとなる研削加工は、ダイヤモンドを含んだ砥石(といし)に押し当てながら削っていく方法のことを指します。超硬合金の加工方法で用いるのは、平面研磨加工や円筒研磨加工などです。

平面研磨加工は、硬度の高い素材に対しても、高精度で威力を発揮する加工方法です。表面を滑らかに仕上げる際に行うことが多いです。

円筒研磨加工は、円筒状の超硬合金材料を仕上げる際に使います。直径や真円など高精度な仕上げが求められる場合に重宝する加工方法です。

注意点として研削加工は、切削加工や放電加工と比較すると加工に時間がかかります。そのため次にご紹介する、切削加工や放電加工などと組み合わせて加工する方法もおすすめです。

関連記事: 研削加工とは?切削・研磨との違いやメリット・デメリットなどを紹介

放電加工

放電加工は、除去加工技術で熱エネルギーを利用する加工方法です。電極と金属材料の間で放電を繰り返し、目的の形状以外の部分を溶かしながら材料を加工します。

熱エネルギーの除去加工方法である放電加工は、硬度が高くても電気を通す超硬合金に適した加工方法です。材料に触れずに除去加工が可能なため、超硬合金への負荷も少なくて済みます。そのため比較的複雑な形でも、対応が可能です。

ただし放電加工は、超硬合金をゆっくり溶かしながら行うため、切削加工に比べると加工に時間がかかります。あくまで少量生産向きであり、研削加工前の時間短縮の荒加工に用いられるのが一般的です。

その他の例では、超硬合金の深穴加工や異形穴加工などに利用されるケースもあります。

関連記事: 放電加工とは?メリット、デメリット、精度についても解説

ラップ加工

ラップ加工とは、研削加工方法の一つです。ラップ材(ダイヤモンドパウダーなど)とラップ液を金属素材の表面に薄く塗布し、超音波ツールで振動させ、表面を磨きます。

LAP加工には、主に湿式ラッピングと乾式ラッピングの2つがあります。湿式ラッピングは鏡面仕上げではなく無光沢仕上げで、主に荒加工や中間の仕上げとして利用します。乾式ラッピングは、加工の最終段階で光沢鏡面仕上げにする際に効果的です。

超硬合金にラップ加工をほどこすと、表面の細かな凹凸の誤差がなくなり、滑らかさを実現できます。またラップ加工には溶着防止効果が期待でき、超硬合金の寿命を伸ばせます。

ただし研削加工方法であるラップ加工は、比較的時間のかかる仕上げ作業です。さらには、ラップ材にダイヤモンドパウダーなどを必要とするため、高コストになりがちです。

関連記事:ラップ加工とは?超硬合金だからこそ高精度な表面粗さを実現できる!

切削加工

切削加工は、機械工具などを使用して、不必要な金属材料を削り取る加工方法です。超硬合金の加工に用いる場合には、刃先がダイヤモンドなどの高硬度金属でできている工具が必要になります。

超硬合金に切削加工を用いると、他の加工方法と比べて時間短縮になりますが、コストが高くなってしまう点がデメリットです。そのため超合金の場合は、先述した通り、比較的コストを抑えられる放電加工を荒加工に用いるのが一般的です。

関連記事:切削加工とは?メリット・デメリットや種類、加工時の注意点などを紹介

超硬合金の加工を成功させるポイント

超硬合金の加工は、ダイヤモンドやセラミックなどと比較すると加工の難易度も下がります。ただし精密加工に関しては、超硬合金自体の硬度が高いため、工具の摩耗度も高く難易度も高いです。超硬合金の加工を成功させるには、以下のポイントを押さえる必要があります。

  • Co含有量の把握
  • 高い技術力を持つ人材の育成
  • 加工条件の最適化

それぞれについて解説します。

Co含有量の把握

超硬合金の加工を行う際は、切削加工などに使用する超硬合金のCo(コバルト)含有量に注意しましょう。基本的には、Coの含有量が少なければ少ないほど、超硬合金の硬度は高くなります。Coの含有量が多い超硬合金は、加工が容易になるということです。

超硬合金を超硬合金の工具で切削加工する場合、Co含有量の少ない素材をCo含有量の多い工具で行うのと、工具の破損や素材の欠けなどにつながる恐れがあります。超硬合金を加工する際は、精密な加工を行うために、素材と工具のCo含有量を把握しておきましょう。

高い技術力を持つ人材の育成

超硬合金のみに限った話ではありませんが、金属の最終段階での研削加工や組み立て、製品の仕上げといった工程は、高い技術力を持つ人材が必要となります。超硬合金の加工をするには、求められる精密性が上がるほど、技術力を持つ人材の確保が欠かせないことといえます。

加工条件の最適化

超硬合金の加工を成功させるには、切削加工方法などの条件出しがポイントとなってきます。条件出しとは、工作機械の切削速度や送り量などの数値を機械に指定することです。

超硬合金の加工条件出しは、他の金属加工と比較して難易度が高いです。加工条件出しを決定する前には、材料の硬度と工具の硬度を分析し、何度もテストを繰り返して試行錯誤しながら最適化を目指す作業が求められます。

当然、切削速度を速くすれば、仕上がりまでの時間は短縮されるでしょう。しかし速度を上げ過ぎると、今度は熱の発生によって摩耗した工具の寿命が短くなります。反対に切削速度が遅ければ、工具の摩耗を防げる分、時間がかかってしまいます。

このようなことから、条件出しの最適化には企業の知識や経験、ノウハウ、実績などが求められるのです。

人材育成や加工条件の最適化で、超硬合金の加工を成功させよう

超硬合金は、硬度や強度が高い切削工具として利用されるのが一般的です。切削工具としては、さまざまな金属素材にも対応可能という魅力があります。

本記事でご紹介した通り、超硬合金の加工を成功させるには、技術力を持つ人材の育成や切削加工条件の最適化といった企業努力が求められます。そのため超硬合金の加工が必要となった際は、高度な技術を持った機関へ依頼するのがおすすめです。

エバーロイ商事株式会社は、超硬合金の加工において、高い加工技術力と製品製造のノウハウを持っています。超硬素材の選定から、製品の提供まで対応しており、お客さまに適した加工方法をご提案します。超硬製品の開発や超硬素材の選定などでお困りの際は、ぜひお気軽にご相談ください。

この記事を監修した人

エバーロイ商事株式会社

大久保 文正

エバーロイ商事株式会社

昭和33年の設立以来、長年にわたり超硬工具の販売。
その製品はエバーロイの名で、広く多くのお客様からご支持をいただいております。
技術革新の激しい時代の中、お客様のあらゆるニーズに対応すべく、製販一体となって当社のオリジナリティを生かした営業活動を推進して参ります。

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