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コバール加工
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コバールは硬質ガラスやセラミックと組み合わせやすい金属材料で、電子部品やトランジスタなどに活用されています。しかし、コバールは難削材のひとつでもあり、切削加工をするのが難しい合金です。今回はコバールの成分や特徴、特性、用途の説明を踏まえた上で、切削性の問題点と切削時の対策を解説します。
コバールとは
コバール（Kovar）は鉄（Fe）とニッケル（Ni）、コバルト（Co）から構成される合金です。コバールの名称はCarpenter Technology Corporation社の登録商標ですが、ニッケル合金の一種として一般名詞のように使われることもあります。
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コバールの成分
コバールの主成分は、鉄（約54%）、ニッケル（約29%）、コバルト（約17%）です。ニッケル含有量が大きいことから、熱伝導率が低く粘り気のある金属となっています。コバルトも多く含むため、ニッケル合金でありながらコバルト合金でもあるユニークな合金材料です。
コバールの特徴
コバールは真空溶解によって作られる鉄・ニッケル・コバルトの低膨張合金ですが、その化学組成の幅は狭い範囲に限定されているため、均一な熱膨張特性を有しています。常温付近での熱膨張率が低くて耐熱性が高いことから、一般的な使用で想定される温度帯での寸法安定性は優秀です。
また、コバールは広い温度範囲で硬質ガラスやセラミックと熱膨張係数における近似性を維持します。これらの素材と封着や封入、接触をさせても熱割れしにくいのがコバールの特徴です。金属同士では、鋼や銅、ニッケルと溶接・ろう付けをすることもできます。
封着：金属製の導電部材とガラス製の発光管を気密封止すること。ガラスの熱膨張係数に近い金属でなければ、熱膨張または熱収縮で発光管が割れてしまう。
封入：ガス封入管の製造におけるガス封入のこと。ヘリウムやネオン、アルゴンなどのガスを封入する。ガラス封入管とセラミック封入管がある。
コバールの機械的特性
コバール材料の機械的特性は下表のとおりです。
| 密度（g/cm3） | 8.00 - 8.35 |
|---|---|
| 融点（℃） | 1450 |
| ビッカース硬さ（HV） | 150 - 160 |
| ヤング率（GPa） | 159 |
| 伸び（%） | 35 |
| 耐力（MPa） | 270 |
| 引張強さ（Kg/mm2） | 55 |
| 熱伝導率（W/Km） | 17 |
| キュリー温度（℃） | 435 |
| 電気抵抗率（Ω mm2/m） | 0.49 |
| 比熱（J/gK） | 0.46 |
熱膨張係数（10-6 K-1）
| 25 - 200℃ | 5.2 |
|---|---|
| 25 - 300℃ | 5.1 |
| 25 - 400℃ | 4.9 |
| 25 - 450℃ | 5.3 |
| 25 - 500℃ | 6.2 |
コバールの活用用途
電子部品やトランジスタに関わる用途において、コバールが多く活用されています。これはコバールの代表的な特性である「低熱膨張率」が重宝されているためです。
電子部品の製造や組み立ての過程では、異種材を組み合わせた部品が必要になります。その際には、金属とガラス、あるいはセラミックを安定的に接着する方法を用意しなければなりません。異なる材料同士の組み合わせでは、熱膨張率の違いによって熱割れなどの問題が発生します。硬質ガラスやセラミックと熱膨張係数が近いコバールは、こういった異種材接着の熱膨張問題を解決するための接合部材として最適です。
特に、硬質ガラスやセラミックの封着用途でコバールは理想的な材料として利用され、各種電子部品の接合部材にもよく活用されています。具体例を挙げると、トランジスタのリードキャップやICリードフレーム、高出力通信管部品、水晶振動ケースなどです。このように光通信関連部品の製造や電子管等のガラス封入材料として活用することが、コバールの性質を最大限に活かせる用途といえるでしょう。
コバールの切削性の問題点
コバールは切削加工が難しい「難削材」として知られています。その主な理由は「切削時に熱がこもる」「加工硬化が発生する」「工具に切粉が溶着する」の3つです。以下、それぞれ解説します。
切削時に熱がこもる
コバールは熱伝導率が低く放熱性が悪いため、切削箇所に熱がこもりやすくなります。刃先の温度が上がりすぎてしまうと、工具の劣化は避けられません。コバールの熱伝導率は17W/Kmですが、これは同じニッケル合金で切削加工が難しいとされるインコネル（11.5～14.8W/Km）に近い数値です。
インコネル：ステンレス鋼（SUS）やチタンなどと並ぶ、代表的な難削材のひとつ。
加工硬化が発生する
加工硬化とは、金属を塑性変形させた時に硬くなる現象のことです。プレス加工では役に立つ場合がありますが、切削加工においては工具寿命を縮める要因となります。加工硬化がチッピング（刃先の欠損）を誘発し、加工精度や仕上がりにまで悪影響を与える可能性も高まります。加工硬化が発生しにくい切削条件を見つけることは、コバールの切削加工において重要なポイントといえるでしょう。
工具に切粉が溶着する
コバールは粘度と延性が大きい金属で、切削時の切粉処理にも難があります。工具にまとわりついて作業効率を下げるだけでなく、熱伝導率の低さと相まって工具への溶着までも引き起こします。工具を傷めるだけでなく加工不良・製品不良の原因にもなるため、適切な工具選定や切削条件の見直しといった対策が必要です。
コバールの切削時の対策
コバール材料の切削加工をする際は、その切削性をよく理解して問題点を把握し、万全の対策をとりましょう。
熱問題を解消する
コバールの切削加工において、熱問題を解消するには切削条件を見直すこと、特に切削速度や送り速度の最適化が重要です。基本的には切削速度を遅くしたほうが加工熱の発生を抑えられます。しかし、ある程度の切削速度を保たないと、今度は溶着が発生しやすくなります。
切削速度を下げる方法で熱問題に対応できない場合には、クーラントを使うのも有効な手段です。 また、クーラントは切削箇所を冷却すると同時に潤滑油としても機能するため、切粉を排出する役目も果たします。
加工硬化を避ける
切削時の加工硬化は、刃物と被削材の擦りによる加工熱と塑性変形によるものです。切れ味の良い工具を使うか、切れ刃を当てる角度を調整することで加工硬化を抑えることができます。あるいは、擦れが発生しにくい加工パス（ツールパス）を作成するのも有力な対策となります。
切粉の溶着を防ぐ
コバールの切粉は粘性が高いために除去しにくく、それが溶着の一因となっています。これを防ぐには、切粉を排出しやすい工具を選定することが有効です。
1）すくい角が大きい工具を選ぶ
すくい角が大きい工具は刃物の入り込み具合が浅くなるため、切粉を薄くすることができます。切粉が薄いほうが排出しやすくなるので、溶着の発生が抑えられます。ただし、すくい角を大きくすると刃先の強度が低下するため、バランスを考えて選定することが大切です。
2）すくい面の摩擦抵抗が小さい工具を選ぶ
工具すくい面のザラつきも切粉が絡みやすくなる要因です。摩耗によって工具に研削痕が付いた場合にも、その痕を埋めるように溶着が発生することがあります。溶着が堆積してから剥離すると、チッピングの原因にもなります。すくい面が鏡面になっているものを選定したり、すくい面を研磨したりすることで、切粉の排出がスムーズになるでしょう。
3）コバールと親和性の低い工具を選ぶ
刃先の耐久性が高い超硬工具を選べば、コバール切削加工でも効率を上げられると思うかもしれません。しかし、超硬工具はコバールとの化学的親和性が高いという問題があります。親和性が高ければ切粉と溶着しやすくなるので、超硬工具よりも親和性の低いサーメット工具やコーティング工具を選ぶほうが無難です。
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