寄附講座 硬質材料環境調和設計学
Endowed Division / Course for Environmental harmony design of hard materials

Development of designing (simulation) study for maximum properties andenvironmental harmony in cemented carbide and other hard materials

教授 松原 秀彰

助教 寺坂 宗太Professor

Assistant Professor

Hideaki Matsubara

問題と材料特性等を調和させること（環境調和設計）を目的とした研究開発を進めている。新規硬質材料の基礎研究、シミュレーション、材料設計データベースの構築等を行う。メカニズム解明などの基礎研究の成果が実用的な観点からどのような意味をもつかを明らかにする。硬質材料における資源問題の解決策（希少金属の低減・代替技術など）の基礎研究を行い、硬質材料における資源問題や環境問題を解決する材料設計技術開発を目指す。

Sota Terasaka

開発や、粉末成形と焼結を連続させたプロセスのシミュレーション、焼結による組織変化と変形の連携シミュレーションの開発を行っている。

硬質材料の特性のシミュレーション

We are conducting research and development aimed at harmonizing environmental resource issues and material properties (environmental harmonydesign) with hard materials, such as tungsten carbide-cobalt (WC-Co) cemented carbides, used for cutting tools and wear-resistant tools. Basic researchon new hard materials, simulation, and the construction of a material design database will be conducted. We will clarify the meaning of the basic
research results, such as mechanism elucidation, from a practical standpoint and conduct basic research on solutions to resource problems in hardmaterials (e.g., technologies to reduce and substitute rare metals), aiming to develop material design technologies to solve resource and environmentalproblems in hard materials.

本研究では、硬質材料の機械的特性のシミュレーションを有限要素法と離散要素法を用いて行っている。最近では、超硬合金に働く超硬合金材料では近年、従来よりも極めて高い強度が得られる超微粒超硬合金が新規材料として開発され、その基礎研究が重要となっている。また、超硬合金の工業製品においては形状品質や希少金属（W，Co 等）の低減・代替技術の研究なども重要な課題である。本研究室ではこれらの課題に関する研究を企業と連携して行っており、最近では超微粒超硬合金の強度、超硬合金の焼結時の変形、超硬合金の結合相の研究を進めている。

材料プロセスと組織形成のシミュレーション行っている。

材料設計データベースの構築

Construction of material design database熱応力や超微粒超硬合金の破壊についてのシミュレーション研究を

硬質材料の多くは粉末成形～焼結プロセスによって作製されるが、各プロセスにおける因子は非常に多く、また組織への影響は極めて複雑であるため、シミュレーションの活用が有効である。本研
究では、モンテカルロ法、有限要素法、離散要素法などを用いて、硬質材料の材料プロセスにおける組織形成と変形のシミュレーション研究を行っている。樹脂を含んだ粉末の成形、溶媒と樹脂の乾燥・脱脂、液相焼結・粒成長など各要素プロセスのシミュレーションのFig. 1 MC simulation of sintering of cemented carbide. (a) initial structure,(b) structure after sintering. Green is solid phase, blue is liquid phase, andwhite is pore.

36 Coexistence Activity Report 2023

Basic research on cemented carbide materials

データベースとしての構築を行う。WC と種々の結合相（Co、Ni おUltra-fine grained cemented carbides with extremely higher strength thanbefore have been developed as new materials in recent years, and basic
research on these materials has become important. In addition, research on
shape quality, rare metal reduction (W, Co, etc.), and alternativetechnologies are also important issues for industrial cemented carbideproducts. Our laboratory has been conducting research on these issues incooperation with companies. Recently, we have been studying the strengthof ultra-fine grained cemented carbides, deformation of cemented carbides
during sintering, and the binder phase of cemented carbides.

組織形成のシミュレーションを行い、データベース化を進めている。

Simulation of material processes andmicrostructure development
Most hard materials are fabricated by the powder compaction to sintering
process. Because there are so many factors in each process and theireffects on the microstructure are extremely complex, the use ofsimulation is effective. In this study, we are conducting a simulation
study of microstructure development and deformation in the material
process of hard materials using the Monte Carlo method, finite element
method, and discrete element method. We are developing simulations ofFig. 2 DEM simulation of powder compaction. (a) initialstructure, (b) structure after compaction.

Simulation of hard material property
The mechanical properties of hard materials are simulated using thefinite element method and the discrete element method. Recently,
simulation studies on thermal stress acting on cemented carbides and thefracture of ultra-fine grained cemented carbides have been conducted.

各種のシミュレーションや計算状態図の結果を集積し、材料設計

超硬合金材料の基礎研究

each elemental process, such as compacting powder containing resin,
drying/degreasing solvent and resin, and liquid-phase sintering andgrain growth, as well as process simulations of continuous powder
compaction and sintering and a coupling simulation of microstructuralchanges and deformation due to sintering.

よび各種添加物等）の状態図計算、液相焼結の各種因子を変えた受賞や学会等での活動＜受賞＞(1) 加藤大夢、松原秀彰、寺坂宗太、高田真之、上高原理暢：粉体および粉末冶金論文賞（2023 年 6 月）
「超微粒超硬合金の曲げ破壊の実験と DEM シミュレーション」＜学会等での活動＞
松原秀彰：粉体粉末冶金協会理事、同協会硬質材料分科会主査、同協会粉体および粉末冶金出版編集委員、賢材研究会幹事等

Fig. 3 FEM simulation of constrained sintering.
(a) before sintering, (b) after sintering.

We are constructing a materials design database by accumulating theresults of various simulations and phase diagram calculations. We areconducting phase diagram calculations of WC and various binder phases(Co, Ni, various additives, etc.) and simulations of microstructuredevelopment with factors in liquid-phase sintering and are compiling thedatabase.

Department of Environmental Studies for Advanced Society

当研究分野では、切削工具、耐摩耗工具に用いられる炭化タングステン - コバルト（WC-Co）超硬合金などの硬質材料において環境資源先進社会環境学専攻

超硬合金等の硬質材料について最高特性発現と環境調和性の設計学（シミュレーション）構築を目指す

Awards and Activities in academic societies< Awards>
Hiromu Kato, Hideaki Matsubara, Sota Terasaka, Masayuki Takada andMasanobu Kamitakahara: Japan Society of Powder and Powder
Metallurgy Distinguished Paper Award, “Experiment and DEM
Simulation on Bending Fracture of Ultra-fine Grained CementedCarbide”, June 2023.
<Activities in academic societies>
Hideaki Matsubara: Director of Japan Society of Powder and Powder
Metallurgy, Chairperson of Technical Division of Hard Materials
Committee of Japan Society of Powder and Powder Metallurgy,
Publication Editorial Committee of the Journal of the Japan Society ofPowder and Powder Metallurgy, Secretary of Ken-Materials ResearchConsortium, etc.

Fig. 4 W-C-Co ternary phase diagram calculation.
(a) 1260 °C, (b) 1280 °C, (c) 1320 °C, (d) 1340 °C.

Coexistence Activity Report 202337