多結晶ダイヤモンド工具の製造と応用

PCDツールは、多結晶ダイヤモンドの刃先と超硬マトリックスを高温高圧焼結によって製造されています。これにより、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、劈開面がない、等方性といった利点を最大限に発揮できるだけでなく、超硬合金の高い強度も考慮されています。
PCDの主な性能指標は、熱安定性、衝撃靭性、耐摩耗性です。PCDは高温高応力環境で使用されることが多いため、熱安定性が最も重要です。本研究では、PCDの熱安定性が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ました。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の結晶状態がその特性を決定します。微細構造では、炭素原子が4つの隣接する原子と共有結合を形成し、四面体構造を得て、強い配向力と結合力、高硬度を持つ原子結晶を形成します。PCDの主な性能指標は次のとおりです。①硬度は8000 HVに達し、炭化物の8〜12倍です。②熱伝導率は700W/mKで、PCBNや銅の1.5〜9倍です。③摩擦係数は一般的に0.1〜0.3で、炭化物の0.4〜1よりもはるかに小さく、切削力を大幅に低減します。④熱膨張係数は0.9x10-6〜1.18x10-6で、炭化物の1/5であり、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非金属材料は結節を形成しにくいです。
立方晶窒化ホウ素は耐酸化性に優れ、鉄含有材料の加工が可能であるが、硬度が単結晶ダイヤモンドより低く、加工速度が遅く、効率が低い。単結晶ダイヤモンドは硬度が高いが、靭性が不十分である。異方性のため、外部からの衝撃で（111）面に沿って解離しやすく、加工効率が制限される。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ある。粒子の無秩序な蓄積による混沌とした性質により、巨視的な等方性を持ち、引張強度に方向性や劈開面がない。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する。
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は結晶粒を微細化するように努めるべきであり、異方性を克服するために、製品間の添加剤の分布はできるだけ均一であるべきです。PCDの粒径の選択は、加工条件にも関係します。一般的に、高強度、良好な靭性、良好な耐衝撃性、微細な結晶粒を持つPCDは仕上げ加工または超仕上げ加工に使用でき、粗粒のPCDは一般的な粗加工に使用できます。PCDの粒径は、工具の摩耗性能に大きく影響します。関連文献では、原材料の結晶粒が大きい場合、耐摩耗性は粒径の減少とともに徐々に増加しますが、結晶粒が非常に小さい場合は、この法則は適用されないと指摘されています。
関連実験では、平均粒径が10μm、5μm、2μm、1μmの4種類のダイヤモンド粉末を選択し、次の結論が得られました。①原料の粒径が小さくなるにつれて、Coはより均一に拡散します。②粒径が小さくなるにつれて、PCDの耐摩耗性と耐熱性は徐々に低下します。
（２）刃口形状及び刃厚の適切な選択
刃口の形状は主に、逆刃、鈍角、逆刃鈍角複合、鋭角の4つの構造に分類されます。鋭角構造は刃先が鋭く、切削速度が速く、切削力とバリを大幅に低減し、製品の表面品質を向上させることができ、低シリコンアルミニウム合金などの低硬度で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角を形成することで、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。切削深さが浅く、ナイフの送りが小さいなどの特殊なケースでは、鈍角円形構造が好まれます。逆刃構造は刃先と角を増や​​し、刃を安定させますが、同時に圧力と切削抵抗も増加させるため、高シリコンアルミニウム合金の重負荷切削に適しています。
放電加工を容易にするため、通常は薄いPDCシート層（0.3～1.0mm）に超硬層を重ね、工具全体の厚さは約28mmとなる。超硬層は、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る。
2. PCDツール製造プロセス
PCDツールの製造工程は、ツールの切削性能と耐用年数を直接決定づけるものであり、その応用と発展の鍵となる。PCDツールの製造工程を図5に示す。
（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）で混合して作られます。結合剤はTiC、SiC、Fe、Co、Niなどを主成分とする結合架橋を形成し、ダイヤモンド結晶は結合架橋の骨格に共有結合の形で埋め込まれます。PDCは一般的に一定の直径と厚さのディスク状に成形され、研削や研磨などの対応する物理的および化学的処理が施されます。本質的に、PDCの理想的な形状は、単結晶ダイヤモンドの優れた物理的特性をできるだけ保持する必要があり、そのため、焼結体中の添加物はできるだけ少なくし、同時に、粒子DD結合結合をできるだけ多くする必要があります。
② バインダーの分類と選定
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、その硬度、耐摩耗性、および熱安定性に直接影響します。一般的な PCD の結合方法は、鉄、コバルト、ニッケル、およびその他の遷移金属です。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 ℃、絶縁時間が 4 分間のときに焼結 PCD の総合的な性能が最高でした。SiC、TiC、WC、TiB2、およびその他のセラミック材料。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くなっています。原料のサイズを適切に縮小すると、PCD の硬度と靭性を向上させることができます。接着剤を使用せず、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 を準備することは最も要求の厳しい条件ですが、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穀物の選別と管理
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の前処理、異常ダイヤモンド粒子の成長を阻害する少量の物質の添加、および焼結添加剤の適切な選択により、異常ダイヤモンド粒子の成長を抑制することができます。
均一な構造を持つ高純度NPDは、異方性を効果的に除去し、機械的特性をさらに向上させることができる。高エネルギーボールミル法で調製したナノグラファイト前駆体粉末を用いて高温予備焼結時の酸素含有量を調整し、18 GPa、2100～2300℃の条件下でグラファイトをダイヤモンドに変換し、ラメラ状および粒状のNPDを生成した。硬度はラメラ厚の減少とともに増加した。
④ 後期化学処理
同じ温度 (200 °C) と時間 (20 時間) では、ルイス酸 FeCl3 のコバルト除去効果は水よりも著しく優れており、HCl の最適比率は 10-15 g / 100 ml であった。コバルト除去深さが増加するにつれて、PCD の熱安定性が向上する。粗粒成長 PCD の場合、強酸処理により Co を完全に除去できるが、ポリマー性能に大きな影響を与える。TiC と WC を添加して合成多結晶構造を変更し、強酸処理と組み合わせることで PCD の安定性を向上させる。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、異方性は大幅に改善され、商業生産が実現しており、関連産業は急速に発展している。
（２）PCDブレードの加工
①切断工程
PCDは、高い硬度、優れた耐摩耗性、そして非常に難しい切削加工性を有する。
②溶接手順
PDCとナイフ本体は、機械的クランプ、接着、ろう付けによって接合されます。ろう付けは、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、PDCを炭化物マトリックスに押し付けることです。高周波誘導加熱ろう付けは低コストで収益性が高く、広く使用されています。溶接品質は、フラックス、溶接合金、溶接温度に関係します。溶接温度（一般的に700℃未満）が最も影響が大きく、温度が高すぎるとPCDの黒鉛化や「過燃焼」を引き起こしやすく、溶接効果に直接影響し、温度が低すぎると溶接強度が不足します。溶接温度は、絶縁時間とPCDの赤み深さによって制御できます。
③ 刃の研削工程
PCD工具の研削加工は、製造工程の鍵となります。一般的に、刃のピーク値と刃先は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、前面の切削面のRaを0.01μmまで低減して鏡面仕上げの要件を満たし、切りくずが前面の刃面に沿って流れ、刃に付着するのを防ぎます。
刃物研削工程には、ダイヤモンド砥石を用いた機械式刃物研削、放電式刃物研削（EDG）、金属結合超硬砥石を用いたオンライン電解仕上げ刃物研削（ELID）、複合刃物研削加工などがあります。中でも、ダイヤモンド砥石を用いた機械式刃物研削は最も成熟しており、最も広く用いられています。
関連実験：①粗粒砥石は深刻な刃の崩壊を引き起こし、砥石の粒度が小さくなると刃の品質が向上します。②砥石の粒度は、微粒子または超微粒子のPCDツールの刃の品質と密接に関係していますが、粗粒PCDツールには限定的な影響しかありません。
国内外の関連研究は主に刃物研削のメカニズムとプロセスに焦点を当てている。刃物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。研削時には、異なる結合剤のダイヤモンド研削砥石の強度と耐熱性に応じて、研削砥石の速度と振れ周波数をできるだけ向上させ、脆性除去と疲労除去を避け、熱化学的除去の割合を向上させ、表面粗さを低減する。乾式研削の表面粗さは低いが、加工温度が高いため工具表面が焼けやすく、
刃物の研削工程では、次の点に注意する必要があります。①適切な刃物研削工程パラメータを選択することで、刃先の品質をより良くし、刃の表裏表面の仕上げを向上させることができます。ただし、研削力が高いと損失が大きく、研削効率が低く、コストが高くなることも考慮する必要があります。②適切な砥石の品質を選択することで、バインダーの種類、粒度、濃度、バインダー、砥石のドレッシングなどを含め、適切な乾式および湿式刃物研削条件により、工具の表裏コーナー、刃先パッシベーション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。
異なる結合剤のダイヤモンド砥石は、特性、研削メカニズム、および効果が異なります。樹脂結合ダイヤモンド砥石は柔らかく、研削粒子が早期に脱落しやすく、耐熱性がなく、表面が熱で変形しやすく、刃の研削面が摩耗痕を起こしやすく、粗さが大きくなります。金属結合ダイヤモンド砥石は、研削による粉砕で鋭さを維持し、成形性、表面仕上げが良好で、刃の研削面の表面粗さが低く、効率が高くなります。ただし、研削粒子の結合能力により自己研磨が悪く、切削刃に衝撃による隙間が生じやすく、深刻な辺縁損傷を引き起こします。セラミック結合ダイヤモンド砥石は、適度な強度、良好な自己励起性能、より多くの内部気孔、粉塵除去と放熱に適しており、さまざまなクーラントに対応でき、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、最高の効率の精度を実現します。ただし、ダイヤモンド砥石本体と結合剤により、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、耐摩耗性、およびワークピースの表面品質に応じて使用してください。
研削効率に関する研究は、主に生産性の向上とコスト削減に焦点を当てています。一般的に、研削速度Q（単位時間あたりのPCD除去量）と摩耗率G（PCD除去量と砥石摩耗量の比）が評価基準として用いられます。
ドイツの学者KENTERは、定圧でPCDツールを研削し、テストしました。①研削ホイール速度、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、研削ホイール内のダイヤモンド濃度を上げると、研削速度と摩耗率が増加します。③バインダーの種類が異なると、研削速度と摩耗率も異なります。KENTERはPCDツールのブレード研削プロセスを体系的に研究しましたが、ブレード研削プロセスの影響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定
PCDツールの初期段階では、鋭利な刃先が徐々に不動態化し、加工面の品質が向上します。不動態化処理により、刃の研削によって生じる微細な隙間や小さなバリを効果的に除去し、切削刃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して加工面を圧縮・修復し、ワークピースの表面品質を向上させます。
PCD工具によるアルミニウム合金の表面フライス加工では、切削速度は一般的に4000m/分、穴加工は一般的に800m/分です。高弾性塑性非鉄金属の加工には、より高い回転速度（300～1000m/分）が必要です。送り量は一般的に0.08～0.15mm/rが推奨されます。送り量が大きすぎると、切削力が増加し、ワークピース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。切削深さが増加すると、切削力が増加し、切削熱が増加し、寿命が減少します。切削深さが大きすぎると、刃が折れやすくなります。切削深さが小さすぎると、加工硬化、摩耗、さらには刃の折れにつながります。
（２）摩耗形態
工具加工において、摩擦や高温などの理由により、摩耗は避けられません。ダイヤモンド工具の摩耗は、初期の急速摩耗段階（遷移段階とも呼ばれる）、一定の摩耗速度で安定摩耗する段階、およびその後の急速摩耗段階の3つの段階から構成されます。急速摩耗段階は、工具が機能しなくなり、再研磨が必要であることを示しています。切削工具の摩耗形態には、凝着摩耗（冷間溶着摩耗）、拡散摩耗、研削摩耗、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、多結晶層損傷です。中でも、多結晶層損傷が主な原因であり、外部からの衝撃による刃の微細な崩壊や、PDCにおける凝着物の喪失によって隙間が生じるという形で現れます。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ピースの不良につながります。PCD粒子のサイズ、刃の形状、刃の角度、ワークピースの材質、加工パラメータは、刃の強度と切削力に影響を与え、多結晶層損傷を引き起こします。実際の加工においては、加工条件に応じて適切な原材料の粒子サイズ、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ツールの適用範囲は、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、工具業界に最適化と革新の加速を促しています。
PCD切削工具の幅広い応用により、切削工具の研究開発が深化・促進されています。研究が深まるにつれて、PDCの仕様はますます小さくなり、結晶粒微細化品質の最適化、性能の均一性、研削速度と摩耗率の向上、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、①薄型PCD層の研究開発、②新しいPCD工具材料の研究開発、③PCD工具の溶接の改善とコスト削減、④PCD工具刃研削工程の改善による効率向上、⑤PCD工具パラメータの最適化と現場条件に応じた工具の使用、⑥加工材料に応じた切削パラメータの合理的な選択、などです。
簡単な要約
（１）PCD工具の切削性能は、多くの超硬工具の欠点を補い、同時に単結晶ダイヤモンド工具よりもはるかに低価格であり、現代の切削において有望な工具である。
（２）加工材料の種類と性能に応じて、PCDツールの粒度とパラメータを合理的に選択すること。これはツールの製造と使用の前提条件である。
（３）PCD材料は硬度が高く、切削ナイフの材料としては理想的ですが、切削工具の製造には困難も伴います。製造時には、工程の難しさや加工の必要性を総合的に考慮し、最高のコストパフォーマンスを実現する必要があります。
（４）PCD加工材料のナイフ加工においては、製品性能を満たしつつ、工具寿命、生産効率、製品品質のバランスを実現するために、切削パラメータを合理的に選択し、可能な限り工具の耐用年数を延ばす必要がある。
（５）PCDツールの固有の欠点を克服するための新しいツール材料の研究開発
この記事は「超硬質材料ネットワーク"