第3章 超硬合金の物理的・化学的性質
タングステンセメントカーバイドは、その優れた物理的・化学的特性により、切削工具、耐摩耗部品、鉱山設備、航空宇宙、化学設備、原子力施設、深海機器などの中核材料となっています。これらの特性には、機械特性（硬度、靭性、圧縮強度、曲げ強度）、熱特性（熱伝導率、熱膨張係数、高温安定性、耐熱衝撃性）、化学的安定性（耐腐食性、耐酸化性）、電気的・磁気的特性（導電性、Co相磁性）などがあり、これらはタングステンカーバイド（WC）の共有結合剛性とコバルト（Co）またはニッケル（Ni）結合相の塑性相乗効果に由来しています。
本章では、各物理化学的特性、検査・試験方法、性能の様々な側面に影響を与える要因、そして応用事例の拡張を分析し、理論的根拠、試験技術、制御メカニズム、環境適応性、そして作業条件における性能について深く探究します。詳細な理論モデル、正確な実験データ、豊富な分野横断的な事例、そして性能影響分析を通じて、本章は物理化学的特性の本質的なメカニズムを明らかにし、超硬合金の性能最適化、極限作業条件への適応、そして学際的研究のための包括的な参考資料を提供します。
3.1 超硬合金の機械的性質
機械的特性は、高荷重、衝撃、摩耗、複雑な応力環境における超硬合金の信頼性の基盤であり、切削、採掘、プレス加工、航空、深海掘削など幅広い用途に使用されています。本セクションでは、硬度、靭性、圧縮強度、曲げ強度を一つずつ分析し、新たな検査・試験方法と影響要因を追加します。
3.1.1 超硬合金の硬度
硬度とは、材料が外部の物体から表面を押されたり、引っ掻かれたりすることに対する抵抗力を指し、材料の機械的特性を測定する重要な指標の一つです。硬度は一般的に、材料の強度、耐摩耗性、変形抵抗を反映し、圧縮、せん断、塑性変形に対する抵抗力によって特徴付けられます。一般的な測定方法には、ブリネル硬度（HB）、ロックウェル硬度（HR）、ビッカース硬度（HV）、ショア硬度（HS）などがあり、これらの値は圧子の種類（鋼球やダイヤモンドなど）、荷重の大きさ、圧痕面積に基づいて算出されます（ISO 6507、ASTM E10）。例えば、超硬合金のビッカース硬度は、粒径や結合相の含有量によって異なりますが、通常HV 1200～2400です。硬度は、材料の微細構造（粒径、相組成など）や熱処理と密接に関連しており、材料の選択や耐久性評価の重要な基準となります。
超硬合金のビッカース硬度（HV）は1500～2500±30で、高速度鋼（HV 800～1000）、セラミック（HV 1200～1800）、チタン合金（HV 300～400）をはるかに上回り、耐摩耗性の核となっています。この硬度は、WCの共有結合ネットワーク（WC結合エネルギー6.0 eV±0.2 eV、結合長2.0 ű0.05 Å）と、その六方晶系結晶構造（P6m2、ヤング率700 GPa±10 GPa）に由来し、塑性変形に対する耐性を付与しています。 10% Co を含む超硬合金の硬度は HV 1800 ± 30 ですが、20% Co を含む超硬合金の硬度は HV 1400 ± 30 まで低下します。これは、Co 相 (HV 300 – 400、面心立方 FCC 構造) の柔らかさによって圧縮強度が低下するためです。
超硬合金の硬度は抜群です。
6% Coを含む超硬合金の硬度は、600℃ではHV 1500±30を維持し、800℃ではHV 1200±20に低下し、1000℃ではHV 1000±30に低下します。これは、高速度鋼（600℃でHV 500に低下）やセラミック（1000℃でHV 800に低下）よりも優れた値です。Cr₃C₂（0.5%1%）を添加すると、固溶強化（Cr原子半径1.28Å、格子ひずみ<2%±0.2%）により、硬度はHV 1900～2200±50に上昇します。例えば、8%のCoと0.5%のCr₃C₂を含む超硬合金工具（HV 1900）は、ステンレス鋼（引張強度> 1000 MPa、切削速度200 m/分、摩擦係数<0.3±0.05）の高速切削において、摩耗量<0.1mm±0.02mm、寿命15時間±1時間を示し、これはセラミック工具（寿命<5時間、摩耗量> 0.3mm）よりも優れています。
環境が硬度に与える影響には注意が必要です。
高温多湿環境（40℃、湿度90%、168時間）では、Co相のミクロ腐食が誘発され（重量減少<0.1 mg/cm² ± 0.02 mg/cm²、腐食深さ<1μm±0.2μm）、硬度が<2%±0.5%減少します。極寒環境（40℃）では、Co相の脆化により硬度が1%±0.3%わずかに増加します（塑性ひずみが<3%±0.3%減少）。高圧（>100 MPa、深海5000m）では、大きな変化はありません（<0.5%±0.1%の減少）。放射線（原子力、10⁴Gy、γ線）により点欠陥が誘発され、硬度が<1%±0.2%減少します。
Ni含有超硬合金（Ni含有量12%、HV 1700±30）は、海洋環境（塩分濃度3.5%、pH 8、Cl⁻19 g/L）においてより安定しており、硬度の低下は1%未満です。実用例において、6% Co含有超硬合金ローラーは、鉱業（花崗岩、岩石硬度>1000 MPa、衝撃頻度>1000回/分）において、摩耗深さ<0.05mm±0.01mm、寿命>300時間±20時間を達成しており、高速度鋼（寿命<50時間）よりも優れています。
硬度を最適化するには、靭性とのトレードオフが必要です。
TiC（10%～15%、硬度20GPa±1GPa）を添加すると、硬度がHV 2000±50に上昇する一方で、密度は12g/cm³±0.1g/cm³に低下します。これは、タービンブレード金型（荷重>2000MPa、変形許容差<0.01mm）などの軽量航空部品に適しています。複合プレス加工（600℃、周波数>10⁴回/時間）において、15% TiCを含む超硬合金金型の表面粗さはRa<0.1μm±0.02μmとなり、寿命は40%±5%向上します。これは、鋼製金型（Ra>0.5μm、寿命<2000時間）よりも優れています。ドメイン間の比較により、超硬合金の硬度は高強度鋼 (HV 600800) やチタン合金 (HV 300400) よりも優れていますが、ダイヤモンド (HV >8000) より劣っていることがわかります。
3.1.1.1 硬度の表現方法
硬度を表現する方法は数多くあり、さまざまなテストシナリオや材料の比較に適しています。
ビッカース硬度（HV）
ビッカース硬度（HV）は、材料の硬度を正確に測定する標準的な方法です。ダイヤモンドピラミッド型圧子（頂点角136°）を使用して、指定された荷重（通常5〜100 kgf、範囲は1〜120 kgfまで拡張可能）で材料表面に押し付け、10〜15秒間保持した後、圧痕の対角線の長さ（d、単位mm）を測定して硬度値を算出します。計算式はHV = 1.8544 × F / d²で、Fは適用荷重（kgf）、dは圧痕の平均対角線の長さ（mm）です。結果はkgf / mm²で表され、通常はHV値（ISO 6507-1:2018）として直接示されます。
ビッカース硬度は、微細な圧痕（直径0.01～1 mm）、高精度（誤差<5%）、広い試験範囲（HV 10～3000+）を特徴としており、超硬合金、鋼、セラミックス、薄層材料など、様々な材料に適用できます。例えば、従来の超硬合金のHVは1200～2000ですが、ナノスケール超硬合金（粒子径0.05～0.2 μm）では2000～2400に達することもあります（Journal of Materials Science 2025）。その利点は、微小領域（コーティングなど）や薄板（厚さ>0.1 mm）を試験できることですが、試験時間が長く、表面平坦性に対する要求も高い（Ra<0.8 μm、ITIA 2024）。
ロックウェル硬度（HRC/HRB）
ロックウェル硬さ（HRC/HRB）は、材料の硬さを測定する一般的な方法です。圧子（ダイヤモンドコーンまたは鋼球）を材料に初期荷重（10 kgf ）と総荷重（60～150 kgf ）をかけ、圧痕の深さの差を測定することで硬度値を求めます（ASTM E18-22）。試験時間が短く、圧痕が小さく、操作が簡単ななどの特徴があり、金属材料に広く使用されています。
HRC ：ダイヤモンドコーンインデンター（頂点角120°）を使用し、総荷重150kgfで高硬度材料（焼入れ鋼、超硬合金など）に適しています。HRC値は、HRC = 100 – (h/0.002) という式で計算されます。ここで、hは圧痕深さ（mm）です。HRCの範囲は通常20～70です。例えば、超硬合金の場合、HRC 60～70はビッカース硬度HV 1200～2400に相当します。
HRB ：1/16インチの鋼球圧子を使用し、総荷重100 kgfの試験片を作製します。軟質材料（焼鈍鋼、銅合金など）に適しています。HRB値の計算式は、HRB = 130 – (h/0.002) で、範囲は20～100です。例えば、焼鈍鋼のHRB値は約70～90です（ITIA 2024）。
ロックウェル硬度の利点は、高精度（誤差 <3%）で直接読み取ることができることですが、薄い材料や小さな領域には適していません（ISO 6508-1:2016）。
ブリネル硬度（HB）
ブリネル硬度（HB）は、材料の硬度を測定する方法です。 指定の荷重（F、通常500～3000 kgf）をかけながら、硬化鋼球または炭化タングステン球の圧子（通常、直径2.5、5、または10 mm）を材料表面に押し付け、一定時間（10～30秒）保持した後、圧子の直径（d、単位はmm）を測定して硬度を計算します。 計算式は、HB = (2F) / (πD(D – √(D ² – d ²)))で、Dは圧子の直径（mm）、Fは荷重（kgf）、dは圧子の直径（mm）で、結果はkgf / mm ²（ASTM E10-18）で表されます。
ブリネル硬さは、軟質または中硬さの材料（鋼、鋳鉄、非鉄金属など）に適しており、その範囲は通常HB 30～650です。例えば、未硬化鋼のHBは約120～200ですが、超硬合金は硬度が高い（HV 1200～2400）ため、通常はこの方法には適していません（ITIA 2024）。その利点は、圧痕面積が広く、材料の平均的な性能を反映することです。また、不均一な材料に適していますが、薄肉部品や高硬度材料には適していません（誤差は約3％～5％、ISO 6506-1:2014）。
モース硬度
モース硬度は、物質の硬さを定性的に測定する相対的な尺度です。1812年にドイツの鉱物学者フリードリヒ・モースによって提唱され、物質の引っかき抵抗力を比較することで硬度を評価する方法でした。この方法では、10種類の標準鉱物を基準として、1（最も柔らかい）から10（最も硬い）までの硬度の等級が付けられています。1：タルク、2：石膏、3：方解石、4：蛍石、5：アパタイト、6：正長石、7：石英、8：トパーズ、9：コランダム、10：ダイヤモンドです。試験では、標準サンプルで物質の表面を引っ掻きます。引っ掻いた跡が残れば、その物質の硬度は標準サンプルよりも低いことになります。
モース硬度はシンプルで直感的であり、鉱物や一部のエンジニアリング材料に適用できますが、精度が低く、相対的な値に過ぎません。例えば、超硬合金のモース硬度は約9～9.5で、コランダムに近く、鋼（約5～6）よりもはるかに高くなります（ITIA 2024）。その限界は、硬度差を定量化できないこと（例えば、9と10の差は1と2の差よりもはるかに大きい）、そして不均質な材料や薄層の試験には適していないこと（誤差は約±0.5）です。
換算する際は、HV≈10·HRC+900（誤差<5%）、HBとモース硬度の換算誤差>10%という非線形関係にご注意ください。実際の用途では、HVを主な方法とし、HRC/HSを補助的な方法とすることで、性能の一貫性>95%±2%を確保します。
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