多結晶ダイヤモンド工具の製造と応用

PCD工具は、高温高圧焼結により多結晶ダイヤモンド刃先と炭化物マトリックスから構成されています。高硬度、高熱伝導率、低摩擦係数、低熱膨張係数、金属および非金属との親和性が低い、高弾性率、無割断面、等方性といった利点を十分に発揮できるだけでなく、硬質合金の高い強度も考慮されています。
熱安定性、衝撃靭性、耐摩耗性は、PCDの主要な性能指標です。PCDは主に高温・高応力環境で使用されるため、熱安定性は最も重要な要素です。研究によると、PCDの熱安定性は耐摩耗性と衝撃靭性に大きな影響を与えることが示されています。データによると、温度が750℃を超えると、PCDの耐摩耗性と衝撃靭性は一般的に5%～10%低下します。
PCDの結晶状態はその特性を決定します。微細構造において、炭素原子は隣接する4つの原子と共有結合を形成し、正四面体構造を獲得し、その後原子結晶を形成します。この結晶は強い配向性と結合力を持ち、硬度も高くなります。PCDの主な性能指標は次のとおりです。①硬度は8000HVに達し、炭化物の8～12倍です。②熱伝導率は700W / mKで、PCBNや銅よりも1.5～9倍高くなります。③摩擦係数は一般にわずか0.1～0.3で、炭化物の0.4～1よりもはるかに低く、切削力を大幅に低減します。④熱膨張係数は炭化物のわずか0.9x10-6～1.18x10-6,1 / 5であるため、熱変形を低減し、加工精度を向上させることができます。⑤非金属材料と親和性が低く、ノジュールを形成します。
立方晶窒化ホウ素は耐酸化性が強く、鉄含有材料を加工できますが、単結晶ダイヤモンドに比べて硬度が低いため、加工速度が遅く、効率が低いです。単結晶ダイヤモンドは硬度が高いですが、靭性が不十分です。異方性があるため、外力の影響下で（111）面に沿って解離しやすく、加工効率が制限されます。PCDは、ミクロンサイズのダイヤモンド粒子を特定の方法で合成したポリマーです。粒子が無秩序に蓄積する混沌とした性質は、その巨視的な等方性につながり、引張強度に方向性と劈開面がありません。単結晶ダイヤモンドと比較して、PCDの粒界は異方性を効果的に低減し、機械的特性を最適化します。
1. PCD切削工具の設計原理
（１）PCD粒子サイズの適切な選択
理論的には、PCDは結晶粒を微細化し、製品間の添加剤の分布を可能な限り均一にして異方性を克服する必要があります。PCD粒子サイズの選択は、加工条件にも関連しています。一般的に、高強度、良好な靭性、優れた耐衝撃性、微細粒子のPCDは仕上げ加工や超仕上げ加工に使用でき、粗粒のPCDは一般的な荒加工に使用できます。PCD粒子サイズは、工具の摩耗性能に大きな影響を与える可能性があります。関連文献によると、原料の粒子が大きい場合、粒子サイズの減少とともに耐摩耗性は徐々に向上しますが、粒子サイズが非常に小さい場合はこの規則は適用されません。
関連実験では、平均粒径が10um、5um、2um、1umの4種類のダイヤモンド粉末を選択し、次の結論を得ました。①原料の粒径が小さくなると、Coがより均一に拡散します。②の減少に伴い、PCDの耐摩耗性と耐熱性が徐々に低下します。
（２）刃口形状と刃厚の適切な選択
刃口の形状は主に4つの構造があります：反転刃、鈍円、反転刃鈍円複合、鋭角。鋭角構造は刃先を鋭くし、切削速度が速く、切削抵抗とバリを大幅に低減し、製品の表面品質を向上させ、低シリコンアルミニウム合金などの低硬度、均一な非鉄金属仕上げに適しています。鈍角円形構造は刃口を不動態化し、R角を形成し、刃の破損を効果的に防止し、中/高シリコンアルミニウム合金の加工に適しています。浅い切削深さや小さなナイフ送りなどの特殊なケースでは、鈍丸構造が好まれます。反転刃構造は、エッジとコーナーを増やし、ブレードを安定させますが、同時に圧力と切断抵抗が増加し、高シリコンアルミニウム合金の重負荷切断に適しています。
EDM加工を容易にするために、通常は薄いPDCシート層（0.3～1.0mm）と炭化物層を選択し、工具全体の厚さは約28mmになります。炭化物層は、接合面間の応力差による層状化を避けるため、厚すぎないようにする必要があります。
2、PCD工具製造プロセス
PCD工具の製造プロセスは、工具の切削性能と寿命を直接決定し、その応用と開発の鍵となります。PCD工具の製造プロセスを図5に示します。
（１）PCD複合錠剤（PDC）の製造
① PDCの製造工程
PDCは、一般的に天然または合成ダイヤモンド粉末と結合剤を高温（1000～2000℃）・高圧（5～10気圧）で焼結し、TiC、SiC、Fe、Co、Niなどを主成分とする結合ブリッジを形成し、ダイヤモンド結晶は結合ブリッジの骨格に共価結合の形で埋め込まれます。PDCは通常、一定の直径と厚さを持つ円板状に成形され、研磨などの物理化学処理が施されます。PDCの理想的な形態は、単結晶ダイヤモンドの優れた物理的特性を最大限に保持することであり、そのため焼結体中の添加物は最小限に抑え、同時に粒子間のDD結合を可能な限り増加させる必要があります。
②バインダーの分類と選択
バインダーは、PCD ツールの熱安定性に影響を与える最も重要な要素であり、硬度、耐摩耗性、熱安定性に直接影響します。一般的な PCD 結合方法は、鉄、コバルト、ニッケルなどの遷移金属です。Co と W の混合粉末を結合剤として使用し、合成圧力が 5.5 GPa、焼結温度が 1450℃、絶縁が 4 分間のときに、焼結 PCD の総合的なパフォーマンスが最高になりました。SiC、TiC、WC、TiB2 などのセラミック材料。SiC SiC の熱安定性は Co よりも優れていますが、硬度と破壊靭性は比較的低いです。原料サイズを適切に縮小すると、PCD の硬度と靭性が向上します。接着剤はなく、グラファイトまたはその他の炭素源を超高温高圧で焼き付けてナノスケールのポリマーダイヤモンド (NPD) にします。グラファイトを前駆体として使用して NPD を調製することは最も厳しい条件ですが、合成 NPD は最高の硬度と最高の機械的特性を備えています。
③穀物の選択と管理
原料となるダイヤモンド粉末は、PCDの性能に影響を与える重要な要素です。ダイヤモンド微粉末を前処理し、異常ダイヤモンド粒子の成長を阻害する物質を少量添加し、焼結助剤を適切に選択することで、異常ダイヤモンド粒子の成長を抑制できます。
高純度で均一な構造のNPDは、異方性を効果的に排除し、機械的特性をさらに向上させます。高エネルギーボールグラインディング法で調製したナノグラファイト前駆体粉末は、高温予備焼結時の酸素含有量を制御し、18GPa、2100～2300℃の圧力下でグラファイトをダイヤモンドに変化させ、ラメラ状および粒状のNPDを生成しました。ラメラの厚さが減少するにつれて硬度が向上しました。
④後期化学処理
同じ温度（200℃）と時間（20時間）で、ルイス酸-FeCl3のコバルト除去効果は水よりも大幅に優れており、HClの最適比率は10〜15g / 100mlでした。PCDの熱安定性は、コバルト除去深度が深くなるほど向上します。粗粒成長PCDの場合、強酸処理はCoを完全に除去できますが、ポリマーの性能に大きな影響を与えます。TiCとWCを添加して合成多結晶構造を変化させ、強酸処理と組み合わせることで、PCDの安定性が向上します。現在、PCD材料の製造プロセスは改善されており、製品の靭性は良好で、異方性が大幅に改善され、商業生産が実現されており、関連産業は急速に発展しています。
（２）PCDブレードの加工
① 切断工程
PCD は硬度が高く、耐摩耗性に優れ、切削加工が非常に困難です。
②溶接手順
PDCとナイフ本体は機械的にクランプ、接合、ろう付けされます。ろう付けとは、PDCを炭化物マトリックスに押し付ける方法であり、真空ろう付け、真空拡散溶接、高周波誘導加熱ろう付け、レーザー溶接などが含まれます。高周波誘導加熱ろう付けは低コストで高収益性があり、広く使用されています。溶接品質は、フラックス、溶接合金、溶接温度に関係しています。溶接温度（一般的に700℃未満）が最も大きな影響を与えます。温度が高すぎるとPCDの黒鉛化、さらには「過燃焼」を引き起こしやすく、溶接効果に直接影響します。温度が低すぎると、溶接強度が不十分になります。溶接温度は、絶縁時間とPCDの赤化の深さによって制御できます。
③ 刃研削工程
PCD工具の研削工程は製造工程の鍵です。一般的に、刃先と刃先のピーク値は5μm以内、円弧半径は4μm以内です。前面と背面の切削面は一定の表面仕上げを確保し、さらに前面切削面のRaを0.01μmまで下げることで鏡面仕上げの要件を満たし、切削片が前面刃先面に沿って流れるようにすることで刃先への固着を防止します。
ブレード研削加工には、ダイヤモンド砥石を用いた機械式ブレード研削、電気火花ブレード研削（EDG）、金属バインダー超硬質砥粒砥石を用いたオンライン電解仕上げブレード研削（ELID）、複合材ブレード研削加工が含まれます。これらの中で、ダイヤモンド砥石を用いた機械式ブレード研削は最も成熟しており、最も広く使用されています。
関連実験：①粗粒子研削ホイールは深刻なブレードの崩壊につながり、研削ホイールの粒子サイズが小さくなると、ブレードの品質が向上します。②研削ホイールの粒子サイズは、微粒子または超微粒子PCD工具のブレード品質と密接に関係していますが、粗粒子PCD工具への影響は限られています。
国内外の関連研究は、主にブレード研削のメカニズムとプロセスに焦点を当てています。ブレード研削のメカニズムでは、熱化学的除去と機械的除去が支配的であり、脆性除去と疲労除去は比較的小さいです。研削時には、異なる結合剤ダイヤモンド砥石の強度と耐熱性に応じて、砥石の速度と振動周波数を可能な限り向上させ、脆性および疲労除去を回避し、熱化学的除去の割合を高め、表面粗さを低減します。乾式研削の表面粗さは低いですが、処理温度が高いため、工具表面が焼けやすく、
ブレード研削工程では、以下の点に注意する必要があります。1. 適切なブレード研削工程パラメータを選択することで、刃先品質が向上し、ブレードの表裏の表面仕上げが向上します。ただし、研削抵抗が高く、損失が大きく、研削効率が低く、コストが高くなるという点にも留意してください。2. 適切な砥石品質（バインダーの種類、粒度、濃度、バインダー、砥石ドレッシングなど）を選択し、適切な乾式および湿式ブレード研削条件を適用することで、工具の表裏コーナー、刃先不動態化値などのパラメータを最適化し、工具の表面品質を向上させることができます。
結合剤が異なるダイヤモンド砥石にはそれぞれ異なる特性があり、研削機構と効果も異なります。樹脂バインダーダイヤモンドサンドホイールは柔らかく、研削粒子が早期に脱落しやすく、耐熱性がなく、表面が熱によって変形しやすく、ブレード研削面に摩耗跡が残りやすく、粗さが大きくなります。金属バインダーダイヤモンド砥石は、研削粉砕によって鋭利に保たれ、成形性、表面仕上げが良好で、ブレード研削面粗さが低く、効率が高いですが、研削粒子の結合力により自生発芽性が悪く、切れ刃に衝突ギャップが残りやすく、深刻な限界損傷を引き起こします。セラミックバインダーダイヤモンド砥石は適度な強度があり、自励性能が良好で、内部気孔が多く、除塵と放熱に優れ、さまざまなクーラントに適応でき、研削温度が低く、砥石の摩耗が少なく、形状保持性が良好で、精度が最高効率ですが、ダイヤモンド研削とバインダーの本体により、工具表面にピットが形成されます。加工材料、総合的な研削効率、研磨耐久性、ワークピースの表面品質に応じて使用します。
研削効率に関する研究は、主に生産性の向上とコスト管理に焦点を当てています。一般的には、研削速度Q（単位時間あたりのPCD除去量）と摩耗率G（PCD除去量と研削ホイールの摩耗量の比）が評価基準として用いられます。
ドイツの学者KENTERは、定圧下でPCD工具を研削し、以下の実験を行いました。(1) 砥石回転数、PDC粒子サイズ、クーラント濃度を上げると、研削速度と摩耗率が低下します。(2) 研削粒子サイズを大きくし、定圧を上げると、砥石内のダイヤモンド濃度が高まり、研削速度と摩耗率が向上します。(3) バインダーの種類が異なれば、研削速度と摩耗率も異なります。KENTER PCD工具のブレード研削工程は体系的に研究されましたが、ブレード研削工程の影響については体系的に分析されていませんでした。

3. PCD切削工具の使用と故障
（1）工具切削パラメータの選択
PCD工具の初期段階では、鋭利な刃先が徐々に不動態化され、加工面品質が向上しました。不動態化は、刃先研削によって生じる微小な隙間やバリを効果的に除去し、刃先の表面品質を向上させると同時に、円形の刃先半径を形成することで加工面を圧搾・修復し、ワークピースの表面品質を向上させます。
PCD工具によるアルミ合金の平面フライス加工では、切削速度は通常4000m/分、穴加工は通常800m/分です。高弾性・高塑性非鉄金属の加工では、より高い旋削速度（300～1000m/分）が必要です。送り量は通常0.08～0.15mm/rが推奨されます。送り量が大きすぎると切削抵抗が増加し、ワーク表面の残留幾何学的面積が増加します。送り量が小さすぎると、切削熱が増加し、摩耗が増加します。切込み深さが深くなると、切削抵抗が増加し、切削熱が増加し、寿命が短くなります。また、切込み深さが大きすぎると、刃の破損が発生しやすくなります。切込み深さが浅いと、加工硬化、摩耗、さらには刃の破損につながります。
（２）摩耗形態
工具加工ワークは、摩擦、高温などの原因により、摩耗を避けられません。ダイヤモンド工具の摩耗は、初期の急速摩耗期（遷移期とも呼ばれます）、摩耗速度が一定である安定摩耗期、そしてその後の急速摩耗期の3段階に分けられます。急速摩耗期は、工具が機能していないことを示し、再研磨が必要です。切削工具の摩耗形態には、凝着摩耗（冷間溶接摩耗）、拡散摩耗、アブレシブ摩耗、酸化摩耗などがあります。
従来の工具とは異なり、PCD工具の摩耗形態は凝着摩耗、拡散摩耗、多結晶層の損傷の3つに分けられます。中でも多結晶層の損傷は主な原因であり、外部からの衝撃による刃の微細な潰れや、PCD工具の粘着剤の消失による隙間の形成といった形で現れます。これは物理的機械的損傷であり、加工精度の低下やワークのスクラップ発生につながる可能性があります。PCDの粒子径、刃の形状、刃の角度、ワーク材質、加工パラメータなどは、刃の強度や切削力に影響を与え、多結晶層の損傷につながります。エンジニアリングの実務においては、加工条件に応じて適切な原料粒子径、工具パラメータ、加工パラメータを選択する必要があります。

4. PCD切削工具の開発動向
現在、PCD工具の応用範囲は、従来の旋削加工から穴あけ加工、フライス加工、高速切削加工へと拡大し、国内外で広く利用されています。電気自動車の急速な発展は、従来の自動車産業に影響を与えただけでなく、工具業界にも前例のない課題をもたらし、工具業界の最適化と革新を加速させることを迫っています。
PCD切削工具の幅広い応用は、切削工具の研究開発を深化させ、促進してきました。研究の深化に伴い、PCD規格はますます微細化し、結晶粒微細化の品質最適化、性能均一性、研削速度と摩耗率の上昇、形状と構造の多様化が進んでいます。PCD工具の研究方向は、以下の通りです。1. 薄いPCD層の研究開発。2. 新しいPCD工具材料の研究開発。3. PCD工具の溶接性向上とコスト削減の研究。4. PCD工具ブレードの研削工程の改善による効率向上の研究。5. PCD工具パラメータの最適化と局所的な条件に応じた工具の選定の研究。6. 加工材料に応じた切削パラメータの合理的な選択の研究。
簡単な要約
（1）PCD工具の切削性能は、多くの超硬工具の不足を補います。同時に、価格は単結晶ダイヤモンド工具よりもはるかに低く、現代の切削において、有望な工具です。
（２）加工対象材料の種類と性能に応じて、PCD工具の粒度とパラメータを適正に選択し、工具製造と使用の前提とする。
（3）PCD材は硬度が高く、切削工具の加工に最適な材料ですが、切削工具の製造には難しさも伴います。製造においては、加工の難易度と加工ニーズを総合的に考慮し、最適なコストパフォーマンスを実現する必要があります。
（4）ナイフ郡におけるPCD加工材料については、製品の性能を満たすことを前提に、切削パラメータを合理的に選択し、工具寿命、生産効率、製品品質のバランスをとるために、工具の耐用年数をできるだけ延ばす必要があります。
（５）PCD工具の固有の欠点を克服するための新しいPCD工具材料の研究開発
この記事は「超硬材料ネットワーク"