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スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ、WBNで精密加工を推進
はじめに
スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ(SAM)は、ウルツ鉱窒化ホウ素(WBN)の応用におけるサクセス・ストーリーをご紹介いたします。この超硬材料は、非常に高い硬度、熱安定性、耐衝撃性で珍重されています。SAMのWBNベースの工具ソリューションは、ある精密機械加工会社が焼入れ鋼の断続旋削加工において、工具の劣化の問題を克服するのに役立ちました。
SAMのシニアセラミックスエンジニア、リサ・ロス氏は次のように説明しています：
「ウルツ鉱型BN複合材料は、特に微細なダイヤモンド粒子で強化された場合、従来の超硬材料を凌ぐ靭性と耐熱性のユニークな組み合わせを提供します。これは、高度な機械加工の課題にとって画期的なものです」。
図1 カスタマイズされた窒化ホウ素部品
ウルツ鉱窒化ホウ素のケーススタディ
-課題：衝撃負荷加工での工具摩耗
焼入れ鋼部品を専門とする精密機械加工会社は、高速断続切削加工で深刻な問題に直面しました。同社の既存の工具は、特に硬度61～63HRCの100Cr6ベアリング鋼を使用する用途で、急激な刃先のチッピングと熱摩耗に悩まされていました。主な問題は以下の通りです：
- 断続切削中の刃先破断による工具の早期破損。
- 切削領域での過度の熱蓄積。
- 不均一な摩耗による寸法制御の不一致。
- 頻繁な工具交換による生産停止時間の増加。
同社は、熱劣化に耐えると同時に、断続切削に伴う機械的衝撃に耐える工具材料を必要としていた。
-SAMのソリューションWBN-ダイヤモンド複合インサート
顧客のアプリケーションを詳細に評価した後、SAMは、ナノダイヤモンド粒子で強化された多結晶ウルツ鉱窒化ホウ素（WBN）から作られた特殊な切削インサートを推奨した。この材料は、ダイヤモンドの熱伝導性とWBNの衝撃靭性を兼ね備えていることから選ばれました。
WBN-ダイヤモンド複合材の主な利点は、ダイヤモンド相が刃先から熱を放散させ、局所的な温度上昇を抑えるため、熱管理が大幅に改善されたことです。また、この材料は卓越した硬度を示し、強化多結晶WBNの硬度は54GPaに達しました。さらに、攻撃的で高衝撃の切削条件下でも、摩耗や刃先のマイクロチッピングに対して優れた耐性を示しました。
SAMは、切削パラメータ、推奨焼結温度、チップのダイヤモンド含有量の最適化に関する技術サポートを提供し、顧客のCNCオペレーションへの確実な統合を実現しました。
--実施と結果
WBNダイヤモンド工具は、硬化ベアリング鋼の仕上げ加工でテストされました。その結果は重要なものでした：
- 工具寿命が300%以上向上し、刃先の破損なしに複数サイクルの断続切削に耐えることができました。
- 切削界面の加工温度は約20%低下し、チップの性能が向上した。
- 仕上げ面粗さはRa 0.6μmからRa 0.3μmに向上し、顧客の航空宇宙グレードの公差を満たした。
- 交換回数が減少し、スクラップ率が低下したため、3ヶ月間の総工具費は27%削減されました。
窒化ウルツ鉱ホウ素とは？
ウルツ鉱型窒化ホウ素は、六方晶の結晶構造を持つ窒化ホウ素の高圧高温多形で、極端な条件下でウルツ鉱型に変化します。窒化ホウ素は、既知の合成材料の中で最も硬いもののひとつで、報告されているビッカース硬度は24GPaから複合材料では50GPa以上である。
WBNの主な特性は以下の通り：
|
特性 |
値 |
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硬度 |
~24～54GPa（相と組成による） |
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熱安定性 |
不活性雰囲気中、最高1400 °C |
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耐薬品性 |
鉄、鋼、ニッケル合金に対して不活性 |
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破壊靭性 |
ダイヤモンドやcBNより高い |
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電気抵抗 |
>10⁶ Ω-cm |
WBNは、通常、粉末または焼結チップとして製造され、従来の工具材料では対応できないような、高精度、高衝撃の機械加工に使用されることが多くなっています。
続きを読む窒化ホウ素(w-BN)：構造、特性、用途
図2 BNの結晶構造 ͑ a ͒ 立方晶閃亜鉛鉱相、͒ b ͒ ウルツ鉱相、͒ c ͒ 六方晶相[1]。
WBNとダイヤモンドの比較
ウルツ鉱型窒化ホウ素とダイヤモンドはどちらも超硬材料と考えられているが、工業的な有用性においては大きく異なる。ダイヤモンドは、既知の材料の中で最も硬いものの、高温では鉄系金属と化学反応を起こすため、鋼や鉄系合金の加工には使用が制限される。また、もろく、衝撃や断続切削で刃先が欠けやすい。
対照的に、WBNは鉄系材料と優れた化学的安定性を維持し、より大きな破壊靭性を示します。このため、熱サイクルや断続的な接触を伴う過酷な用途に特に適しています。複合構造のダイヤモンドと組み合わせることで、WBN工具は機械的信頼性を維持しながら、ダイヤモンドの熱的利点を得ることができ、バランスの取れた高性能ソリューションを提供します。
結論
スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ社は、精密機械加工の顧客が、先進的な窒化ウルツ鉱ホウ素によって工具劣化の課題を克服することに成功するのを支援した。SAM社は、アプリケーションに特化したガイダンスとともに、設計されたWBN-ダイヤモンド複合材を提供することで、工具寿命の延長、プロセスの信頼性の向上、表面品質の改善を実現しました。
WBN工具の詳細、またはカスタマイズされたソリューションのリクエストについては、www.samaterials.com。
参考文献
[1] Janotti, Anderson & Wei, Su-Huai & Singh, Dr. (2001).Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics.64.1741071-1741075.
Chin Trento
