超硬合金とは? 超硬工具(チップ)のメリットと種類ごとの使い分け方を解説

超硬合金とは? 超硬工具(チップ)のメリットと種類ごとの使い分け方を解説

切削工具などの材料には、超硬合金という素材が使われています。しかし、超硬合金は具体的にどのような特徴を持っているのでしょうか。
この記事では、超硬合金の特徴や、超硬合金を使った切削工具の種類などについてご紹介します。

超硬合金とは?

超硬合金とは、一般的な合金よりも極めて硬度を高めた合金のことです。タングステンカーバイト(WC)とコバルト(Co)の粉末を、加圧しながら高温で焼結して生成します。
超硬合金が求められるのは、主に金属加工に使用する工具や金型です。工具や金型には、加工する材質より数倍の硬さが求められます。硬度に優れた超硬合金は、そのような用途に適している素材だといえるでしょう。

また、超硬合金は切削工具でも使用されています。超硬合金が使われている切削工具は「超硬工具」と呼ばれ、高速加工を可能にしたハイス鋼(高速度鋼)よりもさらに硬度が高く、高速切削を行えるのが特徴です。

超硬合金の硬度

超硬合金は切削工具の材料として開発された人工金属で、鉄の2倍の重量があり、金と同等の比重を持っていることが特徴です。もともとは、ダイヤモンドが不足した際に、ダイヤモンドに次ぐ硬度を持つ工具用の合金として開発されました。
硬度の高さで知られる超硬合金ですが、工具に使う素材としては、CBN焼結体やセラミック、サーメットなど、近年は超硬合金より硬さに優れるものも複数あります。

とはいえ、超硬合金が優れているのは硬度だけではありません。ほかの超硬素材と比較した場合、超硬合金は強度や弾性に優れ、高温時の硬度低下も少ないです。高速切削が可能で工具寿命を延ばせるなど、超硬合金は切削工具の素材として適した特性を持っているため、刃先交換式の切削工具で先端のチップとして多く使われています。

超硬合金チップの種類と使い分け方

切削工具用の超硬合金は、材種ごとに大きく3種類に分けられます。この種類はJISでも規格化され、用途別に適した使用材種が規定されています。では、具体的にどのような種類があり、それぞれどんな用途で使われているのでしょうか。
超硬合金チップの種類と、使い分け方についてご紹介します。

・P種(青)

超硬合金の切削工具のうち、P種に分類されるものは識別色が青に指定され、工具の一部が青に塗られています。タングステンとコバルトのほか、炭化チタンやタンタルカーバイトを加えた合金で、合成成分はWC-TiC-TaC-Coで表されます。 耐熱性や耐溶着性に優れ、熱的損傷にも強く作られている点がP種の特徴です。鋼や合金鋼、ステンレス鋼など、一般的な鋼材の切削に適しています。

・M種(黄)

M種の識別色は黄で、合成成分はWC-TiC-TaC-Coです。炭化チタンと炭化タンタルを適度に含ませ、熱的損傷と機械的損傷の両方に強い特性を持たせているのが特徴で、P種とK種の中間的な性能を持ちます。 主にステンレス鋼加工用に開発されていますが、鋼や鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、非鉄金属など幅広い材質の切削に適応します。

・K種(赤)

K種の識別色は赤で、合成成分はWC-Coです。靭性に優れ機械的損傷に強いのが特徴で、鋳物やダクタイル鋳鉄、アルミニウム合金、銅合金などの非鉄金属に適しています

・その他の材種

P種やM種、K種のほかに、N種、S種、H種と分類されるものもあります。それぞれの簡単な特徴は、以下の通りです。

【N種】識別色が緑で、非鉄金属やアルミニウム合金などに適しています。
【S種】識別色が茶で、チタン合金や耐熱合金といった熱伝導率の悪い被削材に適しています。
【H種】識別色は灰で、高硬度材料や焼入れ鋼に使用されています。

また、超硬合金をさらに細かい粒子として焼結し、強度と靭性を高めた「超微粒子超硬合金」を使用している工具もあります。

超硬合金のデメリット

超硬合金でできたチップ(工具)は多くのメリットを持つ反面、デメリットもいくつか考えられます。
例えば、超硬合金は高い硬度を持つので、一般的な鉄合金に比べて靭性が低いです。刃先の欠けや剥がれが起こりやすく、靭性を要する被削材の加工には適していません。 また、衝撃に弱い点も超硬合金のデメリットのひとつです。落下や衝突で破損したり、断続加工によって工具に衝撃が加えられることで、折れていたりする恐れもあります。

ほかにも、チャックで固定する際の無理な締め付けによる破損や、焼き嵌めの際の過熱による割れにも注意が必要です。超硬合金は加熱と急冷の繰り返しに最も弱いため、焼き嵌め時の加熱・急冷によって熱亀裂が生じ、損傷する可能性が高くなります。

材質を知って工具選びに生かそう

超硬合金は優れたメリットを持つ反面、靱性が低い加熱・急冷に弱いなど、取り扱いには注意を必要とする面もあります。工具材質による特徴の違いを知っておき、加工に適した工具を選ぶ際の参考にしてください。