超硬合金の粉末成形における工程・成形機の選び方

超硬合金の粉末プレス成形について、工程・他工法との違い・成形機の選び方を順に解説します。

超硬合金は粉末プレス成形で製造するのが一般的

超硬合金は、粉末を金型で押し固めるプレス成形で量産できます。原料粉末を混合・造粒し、プレス成形、予備焼結、形状加工、焼結の順に進むのが代表的な製造の流れです。主成分の炭化タングステン（WC）は融点が非常に高く、溶かして型に流す鋳造では製造が難しいため、粉末冶金法で製造するのが一般的です。

超硬合金の粉末プレス成形の工程

原料の湿式混合と造粒（スプレードライ）

原料のWC粉末とコバルト（Co）粉末は、決められた配合比で計量し、アトライターやボールミルなどの混合機で湿式混合・粉砕します。均一に分散したスラリー状の混合液に、プレス成形性を高めるためパラフィンなどの潤滑剤を加え、スプレードライ法などで乾燥・造粒します。造粒で粉末の流動性と粒度を整えるのは、金型の中へ均一に充填し、成形体の密度ムラを抑えるためです。

参照元：一般社団法人日本建設機械施工協会「建設・鉱山工具用超硬合金の製造法及び開発動向」（https://jcmanet.or.jp/bunken/kikanshi/2011/06/063.pdf）

参照元：超硬合金の製造方法を全工程で解説｜トーカロイ（https://www.tokaloy.co.jp/column/hard-alloy-manufacturing）

参照元：成形｜株式会社トウゴクセラミック（https://togoku.co.jp/equipment/molding/）

金型への充填と加圧成形

造粒した粉末を金型に充填し、上下のパンチで加圧して、目的の形状に近い圧粉体（グリーン体）をつくります。金型は基本的に上パンチ・下パンチ・ダイス（枠）で構成し、形状が複雑な場合はパンチやコアピンを追加します。製品のサイズや形状に合わせてプレス機と金型を使い分け、圧粉体全体ができるだけ均一な密度になるように管理することが、後工程の寸法精度を左右します。

予備焼結と焼結前の形状加工

成形後は潤滑剤のパラフィンを除去し、予備焼結で圧粉体を加工しやすい硬さに整えます。超硬合金は本焼結で線収縮が約20%（体積では約50%）と大きく縮むため、予備焼結体を調べて収縮率を算出し、加工寸法に反映します。本焼結後は非常に硬くなって後加工の負担が大きくなるため、予備焼結体の段階で最終形状に近い形まで加工しておく「ニアネット成形」が一般的です。

参照元：超硬合金の製造方法を全工程で解説｜トーカロイ（https://www.tokaloy.co.jp/column/hard-alloy-manufacturing）

超硬合金の粉末プレス成形と他の成形方法の違い

CIP成形（冷間等方圧加圧）との違い

CIP成形は、ゴム型に粉末を入れ、水圧で全方向から均一に加圧する方法です。上下から加圧する金型プレスに比べて成形体全体の密度が均一になりやすく、焼結時の収縮も安定します。一方で、成形体はブランク材として取り出し、機械加工で形状を出すのが基本です。金型が不要で試作や少量生産に向く反面、大量生産の効率では金型プレスが有利です。

参照元：成形｜株式会社トウゴクセラミック（https://togoku.co.jp/equipment/molding/）

参照元：粉末冶金｜株式会社モノト（https://monoto.co.jp/metallurgy/）

参照元：大阪府立産業技術総合研究所報告 No.20「新しい粉末加圧成形法の開発」（https://orist.jp/dl/izumi/archive/shohou20/TRI20(2006)09.pdf）

押出成形との違い

押出成形は、配合した原料をスクリューで混練しながら前方へ送り、口金（ダイス）から押し出して成形する方法です。パイプやシャフト、ピンといった長尺物を中量から大量につくるのに適しています。口金の断面形状で連続成形するため、短く単純な形状の部品にはプレス成形、長尺の棒状・管状品には押出成形が向くというのが、粉末成形全般に見られる傾向です。

金属粉末射出成形（MIM）との違い

金属粉末射出成形（MIM）は、金属粉にバインダー（結合剤）を加えた原料を、プラスチックの射出成形と同じ原理で金型に射出する方法です。プレス成形では難しい三次元的な複雑形状や肉薄形状を成形できます。ただし、射出用の原料はプレス用よりバインダーが多く、焼結前に長時間の脱脂工程が必要です。原料の選定から工程管理まで、管理すべき項目も増えます。

成形方法の使い分けの目安

単純な形状の小型部品を大量生産するなら、プレス成形が第一候補です。セラミックスを含む粉末成形全般での目安は次のとおりです。

成形方法	型	数量の目安	適した形状
プレス成形	金型が必要	大量	小型・精密
CIP成形	金型は不要	試作〜少量	各種形状（機械加工が前提）
押出成形	口金が必要	中量〜大量	長尺物
射出成形	金型が必要	少量〜中量	三次元形状・肉薄

参照元：成形｜株式会社トウゴクセラミック（https://togoku.co.jp/equipment/molding/）

超硬合金を粉末プレス成形する際の注意点

密度ムラは焼結時の変形・寸法ズレの原因になる

圧粉体に密度ムラがあると、焼結時の収縮量が部位ごとに変わり、変形や寸法ズレにつながります。超硬合金は線収縮が約20%と大きいため、わずかな密度差でも寸法に表れやすくなります。なお、ゴム型を金型内で圧縮するRIP法では、除荷時のゴム型の弾性回復により、ドリルや歯車などの複雑形状でクラックや割れが生じる場合がある点は注意が必要です。造粒粉の流動性と粒度を整え、金型へ均一に充填することが基本の対策となります。

金型には耐摩耗性と靱性が求められる

粉末プレス金型は粉末を押し固めて複雑な形状に成形するため、高い精度に加えて耐摩耗性と靱性が必要です。金型材にも、用途に合った超硬合金の材種が使われます。離型不良や金型の摩耗を抑えるため、離型性を高める表面処理を併用するのも一つの方法です。

参照元：瑞穂工業株式会社「粉末プレス金型（電気機器・通信機向け）」イプロスものづくり（https://pr.mono.ipros.com/mizuho-loy/product/detail/2000617626）

超硬合金向け粉末プレス成形機の選び方

製品サイズ・形状に合った加圧能力と多段成形に対応しているか

まず、製品のサイズに見合った加圧能力の機種を選びます。必要な成形荷重は「成形圧力×加圧面積」で決まり、加圧面積が大きいほど大きくなるため、大型品ほど高荷重のプレスが必要です。段差のある製品なら多段成形用ダイセットに対応しているか、酸化しやすい粉末を扱うなら雰囲気中で成形できるかも確認しましょう。小型向けから大型品向けまで、加圧能力の異なる機種を揃えるメーカーもあります。

参照元：成形｜株式会社トウゴクセラミック（https://togoku.co.jp/equipment/molding/）

参照元：株式会社タナカカメ「【製品事例】粉末成形プレス機」イプロスものづくり（https://mono.ipros.com/product/detail/2000716984/）

上下パンチを精密に制御して密度を均一にできるか

密度を均一にするには、上下パンチの動きをどこまで細かく設定できるかが重要です。上下両方から圧縮する「両押し」と同等の圧縮性能が得られるウィズドロアル方式に対応した機種や、複数の軸を独立して制御しスライドの平行を保つ方式（放電精密加工研究所の「デルタ方式」など）を採用した機種があります。平行制御は、多数個取りでの品質安定にも役立ちます。

参照元：株式会社放電精密加工研究所「高品質な粉末成形用サーボプレス『ZENFormer plus』」イプロスものづくり（https://mono.ipros.com/product/detail/2000799306）

参照元：株式会社タナカカメ「【製品事例】粉末成形プレス機」イプロスものづくり（https://mono.ipros.com/product/detail/2000716984/）

超硬粉末の成形実績があり、テスト成形ができるか

超硬粉末は粉末の特性によって最適な成形条件が変わるため、超硬合金の成形実績があり、自社の粉末でテスト成形できるメーカーを選ぶと安心です。たとえば小林工業は、超硬にも対応する粉末成形でのヘリカル形状を提案しており、保有するCNCサーボプレス機でのテスト成形を受け付けています。導入前に試作品の密度や寸法を確かめてから判断しましょう。

参照元：小林工業株式会社「【ヘリカル形状】粉末成形によるコストダウン」イプロスものづくり（https://mono.ipros.com/product/detail/2000733823/）

まとめ

超硬合金は、造粒した粉末を金型でプレス成形し、予備焼結、形状加工、焼結を経て製造するのが一般的です。単純形状の小型品を大量生産するならプレス成形が適しており、複雑形状はMIM、長尺物は押出成形、少量の品やブランク材はCIP成形と使い分けます。成形機は、加圧能力、上下パンチの制御方式、超硬粉末の成形実績とテスト成形の可否を軸に比較しましょう。

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