タングステンとタングステンカーバイドの違い

タングステンと炭化タングステンは、よく同じものと間違われますが、似た名前の下には、それぞれを区別する異なる特性があります。どちらも希少金属元素のタングステンから派生していますが、炭化タングステンに炭素原子が追加されることで、独自の特性を持つユニークな化合物が生まれます。

このブログ記事では、タングステンとタングステンカーバイドの主な違いを詳しく説明し、硬度、脆さ、密度、耐腐食性、コストなどの要素を探ります。

タングステンとは

タングステンは、化学記号 W としても知られ、天然に存在する金属元素です。地球の地殻にわずか 1.5 ppm しか含まれていない希少金属と考えられています。タングステンの原子番号は 74 で、周期表の第 6 周期、第 6 族に位置し、遷移金属に分類されます。

純粋な元素形態では、タングステンは鋼鉄灰色から錫白色の金属です。タングステンは、すべての金属の中で最も高い融点 (3422°C、6192°F) と最も高い引張強度など、いくつかの注目すべき特性を備えています。また、タングステンは、ウランに次いで、すべての天然元素の中で 2 番目に高い原子量 (183.84 u) を持っています。その密度は 19.3 g/cm³ で、金 (19.32 g/cm³) に匹敵し、鉛 (11.34 g/cm³) よりもはるかに高くなっています。

タングステンカーバイドとは

タングステンカーバイド (WC) は、タングステンと炭素原子を同量含む無機化合物です。タングステン一炭化物とも呼ばれ、タングステンの炭化物の中で最も重要で、広く使用されています。

WC のタングステンと炭素原子は六方晶構造で結合しており、セラミックのような材料特性を持っています。モース硬度は 9 ～ 9.5 で、タングステンカーバイドの硬度はダイヤモンドに近づきます (10)。融点は 2,870°C (5,200°F) と高いですが、炭素が含まれているため純粋なタングステンよりも低くなります。

炭化タングステン用バインダーの種類

純粋な炭化タングステンは硬度に優れていますが、脆く、特に衝撃を受けると砕けやすいという欠点があります。タングステンカーバイドの強度と耐久性を高めるために、炭化タングステン粉末を金属結合剤と混合してから焼結して固体部品にします。

コバルト（Co）

コバルトは、タングステン カーバイドの結合剤として最も広く使用されています。コバルト結合タングステン カーバイドは、単にカーバイドと呼ばれることが多く、切削工具や摩耗部品の業界標準です。コバルト含有量は通常、重量で 3% から 30% の範囲で、コバルトの割合が高いほど、硬度と耐摩耗性が多少犠牲になりますが、靭性が向上します。コバルトはタングステン カーバイドとの濡れ性と接着性に優れているため、高密度でボイドのない焼結部品の製造が可能です。

ニッケル（Ni）

ニッケルは、タングステン カーバイド複合材のコバルトの代わりのバインダーとして使用できます。コバルトと比較すると、ニッケル バインダーは、特に酸性環境に対して、耐腐食性と化学的安定性が向上します。ただし、ニッケル結合炭化物は、硬度と耐摩耗性の評価が低くなります。ニッケルは、タングステン カーバイド複合材の特性を微調整するために、コバルトと組み合わせて使用されることがあります。

その他のバインダー

クロムや鉄などの他の金属は、単独の結合剤としてはあまり一般的ではありませんが、コバルトやニッケルと組み合わせて特定の特性を与えることができます。

• クロムは、炭化タングステン複合材の耐腐食性と耐酸化性を高めます。ニッケルバインダーと組み合わせて使用されることが多いです。
• 鉄は、コバルト結合剤の経済的な代替品または追加品として使用できます。フェロタングステンカーバイドは、コバルト結合グレードに比べて硬度は低くなりますが、靭性は高くなります。

タングステンとタングステンカーバイドの違い

硬度と耐久性

炭化タングステンは、純粋なタングステン金属よりもかなり硬いです。モース硬度スケールでは、炭化タングステンはおよそ 9 ～ 9.5 で、ダイヤモンド (10) とほぼ同じ硬さです。対照的に、タングステンの硬度は約 7.5 で、硬化鋼などの他の硬い金属と同等です。

タングステン カーバイドの極めて高い硬度は、優れた耐摩耗性と耐久性につながります。タングステン カーバイドの工具と部品は、厳しい条件下でも鋭い刃先を維持し、タングステンよりも優れた耐摩耗性を発揮します。ただし、タングステン カーバイドは硬度が高いため、脆くもなります。

脆性と耐衝撃性

炭化タングステンの優れた硬度の代償として、純粋なタングステンに比べて脆さが増します。タングステン金属は比較的延性があり、耐衝撃性に優れています。欠けたり割れたりすることなく、より強い衝撃に耐えることができます。

衝撃や振動が大きい用途では、タングステンがより良い選択肢となることがよくあります。切削工具、金型、研磨材など、衝撃力は低いが耐摩耗性が極めて高いことが求められる用途には、タングステンカーバイドがより適しています。

密度と重量

タングステンは密度が最も高い金属の 1 つで、密度は 19.3 g/cm³ で、鉛の約 1.7 倍です。

タングステンの密度は約 15.6 g/cm³ とわずかに低いですが、それでも鋼鉄 (7.8 g/cm³) よりはるかに重いです。

耐腐食性

タングステンと炭化タングステンはどちらも、表面に薄い酸化物層が形成されるため、耐腐食性に優れています。ただし、炭化タングステンには通常、コバルトまたはニッケルの結合剤が含まれており、特定の環境、特に酸性条件では腐食の影響を受けやすくなります。

純粋なタングステンは、一般的に、より広範囲の環境において優れた耐腐食性を発揮します。最も要求の厳しい用途では、通常、炭化物よりも純粋なタングステンまたはタングステン合金が好まれます。

耐熱性

タングステンは、すべての金属の中で最も高い融点（3422°C、6192°F）を持ちます。このため、照明フィラメント、ロケットエンジンのノズル、溶接電極など、非常に高温の用途に最適です。

タングステンの融点は 2870°C (5198°F) 程度と低いですが、それでも他のほとんどの材料に比べると非常に高い値です。タングステン カーバイドは、高温でも硬度と強度のほとんどを維持します。

電気伝導性

純粋なタングステンは電気の良導体で、電気接点や電極によく使用されます。抵抗率は 5.6 μΩ·cm で、ニッケルや炭素鋼よりも低くなっています。

対照的に、タングステンは電気絶縁体であり、結合剤材料に応じて約 20 μΩ·cm 以上の非常に高い抵抗率を持ちます。超硬合金のコバルト結合剤は導電性を与えますが、純粋なタングステンよりはるかに低くなります。

外観

純粋なタングステンは、他の金属と同様に灰白色の金属光沢を持っています。

炭化タングステンは、炭素含有量と結合剤の成分により、通常はマットな灰色の木炭色です。正確な色合いは、炭化タングステンの比率と結合剤の特定の組成によって異なります。

料金

タングステンカーバイド粉末は、単位体積あたりのタングステン使用量が少ないため、純タングステンよりも安価です。

ただし、炭化タングステン部品の加工と焼結は、コストが高く、エネルギーを大量に消費する傾向があります。炭化物の脆い性質により、機械加工作業で無駄が多くなります。そのため、一般的に、完成した炭化タングステン部品は、純粋なタングステンよりも高価です。