タングステン加工について解説

最終更新日時: 2024/05/16 09:00

タングステンは、高い融点、高い硬度、優れた耐摩耗性を持つ希少金属です。これらの特性から、切削工具や耐摩耗部品、電子部品など、様々な分野で使用されています。一方で、タングステンの加工は難しいとされ、特殊な技術が必要とされます。この記事では、タングステン加工の特徴や方法、留意点などについて詳しく解説します。

タングステンの特性

タングステンは、以下のような特性を持っています。

高融点：3,422°Cと、全元素中で最も高い融点を持つ。
高硬度：モース硬度で7.5程度と、非常に硬い材料である。
高密度：19.3g/cm³と、金属の中で最も密度が高い。
優れた耐摩耗性：高硬度により、摩耗に強い。
良好な電気伝導性と熱伝導性：電気を通しやすく、熱も伝えやすい。

これらの特性により、タングステンは耐摩耗部品や電極材料、X線シールド材など、過酷な環境下で使用される部品に適しています。

タングステン加工の難しさ

タングステンは、上記の特性ゆえに加工が難しい材料とされています。主な理由は以下の通りです。

高硬度：硬度が高いため、切削や研削が困難である。
高融点：融点が高いため、溶解や鋳造が難しい。
延性の低さ：常温での延性が低いため、プレス加工が困難である。
酸化しやすさ：高温で酸化しやすいため、加工雰囲気の管理が必要である。

このため、タングステンの加工には特殊な技術や設備が必要とされます。

タングステン加工の方法

タングステンの加工方法には、以下のようなものがあります。

粉末冶金：タングステン粉末を成形・焼結する方法。複雑な形状の部品を製造できる。
- 圧縮成形：金型内でタングステン粉末を加圧して成形する。
- CIP（Cold Isostatic Pressing）：ゴム型に粉末を充填し、静水圧で等方的に加圧成形する。
- HIP（Hot Isostatic Pressing）：高温・高圧のガス中で粉末を焼結する。緻密な製品が得られる。
機械加工：切削や研削により形状を加工する方法。硬質工具の使用が必要。
- 切削加工：超硬合金やCBN（立方晶窒化ホウ素）工具を用いて切削する。低速・高剛性の加工機が必要。
- 研削加工：ダイヤモンド砥石を用いて研削する。砥石の目づまりに注意が必要。
- 放電加工：電極と工作物の間で放電を発生させ、放電熱で工作物を溶融・除去する。難削材の加工に適する。
塑性加工：高温で加工性を向上させ、プレス加工や鍛造を行う方法。
- 温間鍛造：800～1,200°Cで加熱し、プレスや鍛造により成形する。
- ロール成形：高温に加熱したタングステンをロールで圧延し、板材や棒材を製造する。
接合：タングステン同士や、他の材料とタングステンを接合する方法。
- 拡散接合：高温・高圧下で材料を密着させ、原子の相互拡散により接合する。
- ロウ付け：低融点の金属（ロウ材）を用いて接合する。モリブデンマンガンなどのロウ材が使われる。

これらの方法を適切に選択・組み合わせることで、用途に応じたタングステン部品を製造することができます。

タングステン加工の留意点

タングステンを加工する際は、以下のような点に留意が必要です。

工具の選定：タングステンの高硬度に耐えうる工具材種の選定が重要。超硬合金やCBN、ダイヤモンドなどを用いる。
加工条件の最適化：切削速度や送り量、加工荷重などの条件を最適化し、工具寿命と加工効率のバランスを取る。
加工雰囲気の管理：高温での酸化を防ぐため、真空や不活性ガス雰囲気での加工が必要な場合がある。
ひずみの制御：加工による残留応力やひずみを最小限に抑える工夫が必要。応力除去焼鈍などの熱処理を行う。
安全対策：タングステン粉末は人体に有害であるため、粉塵の吸入を防ぐ対策が必要。

これらの点に注意しながら、適切な加工方法を選択・実施することが、高品質なタングステン部品の製造につながります。

タングステン加工の応用分野

タングステン加工技術は、以下のような分野で応用されています。

切削工具：旋削用バイトや切削工具のチップに使用される。
耐摩耗部品：土木機械や鉱山機械の摩耗部品に使用される。
電極材料：放電加工用電極や溶接電極に使用される。
X線シールド：医療用X線装置のコリメータなどに使用される。
重錘材：ゴルフクラブやダーツの重りに使用される。

タングステンの優れた特性を活かし、これらの分野で高性能な部品が製造されています。

今後の展望

タングステン加工技術は、今後さらなる発展が期待されています。以下のような研究開発が進められています。

新材料の開発：タングステン系の新しい合金や複合材料の開発が進められている。
加工技術の高度化：レーザー加工やアディティブマニュファクチャリング（3Dプリンティング）など、新しい加工技術の適用が検討されている。
シミュレーション技術の活用：加工プロセスの最適化にCAEシミュレーションが活用されつつある。

これらの技術開発により、タングステン加工のさらなる高度化と効率化が期待されます。

まとめ

タングステンは、高融点、高硬度、優れた耐摩耗性を持つ希少金属です。その特性ゆえに加工が難しい材料ですが、粉末冶金や機械加工、塑性加工、接合などの様々な方法で加工することができます。

タングステン加工では、工具の選定や加工条件の最適化、加工雰囲気の管理、ひずみの制御、安全対策などに留意が必要です。適切な加工方法を選択・実施することが、高品質なタングステン部品の製造につながります。

切削工具や耐摩耗部品、電極材料、X線シールドなど、様々な分野でタングステン加工技術が応用されています。今後は、新材料の開発や加工技術の高度化、シミュレーション技術の活用などにより、さらなる発展が期待されます。

タングステンの特性を理解し、適切な加工技術を適用することが、高性能な製品の開発と製造につながります。難加工材であるタングステンに挑戦し、新たな可能性を切り拓くことが、ものづくり企業の競争力強化に役立つでしょう。