JP4119461B2 - 放電表面処理用電極の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、合金粉末を電極材料に持つ電極とワークとの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギにより電極材料の被膜をワーク表面に形成しあるいは放電エネルギにより電極材料が反応した物質の被膜をワーク表面に形成する放電表面処理に関し、該放電表面処理に用いる電極の製造方法に関するものである。

液中放電加工法によって金属材料の表面をコーティングして、耐食性、耐磨耗性を高める技術は、既に公知である。その技術の一例としては、次のようなものがある。

例えば、特開平５−１４８６１５号公報では、WC（タングステンカーバイド）とCoの粉末を混合して圧縮成形した電極で液中パルス放電を行うことによりこの電極材料をワークに堆積させ、この後、別の電極（例えば、銅電極、グラファイト電極）によって、再溶融放電加工を行い、より高い硬度と高い密着力を得る方法が開示される。すなわち、WC-Coの混合圧粉体電極を用いて、ワーク（母材S50C）に液中で放電加工を行い、WC-Coをワークに堆積させ（１次加工）、次いで銅電極のようなそれほど消耗しない電極によって再溶融加工（２次加工）を行う。この結果、１次加工のままでは、堆積組織は硬度（ビッカース硬さＨｖ）もＨｖ＝1410程度であり、また空洞も多かったが、２次加工の再溶融加工によって被覆層の空洞が無くなり、硬度もHv＝1750と向上している。この方法によって、ワークである鋼材に対しては硬くしかも密着度のよい被覆層が得られる。

ところが、上述の方法では、ワークとして超硬合金のような焼結材料の表面に強固な密着力を持った被覆層を形成することは困難である。この点に関し、本発明者らの研究によると、硬質炭化物を形成するTi等の材料を電極として、ワークとの間に放電を発生させると、再溶融の過程なしに強固な硬質膜をワークの金属表面に形成できることがわかった。これは、放電により消耗した電極材料と加工液中の成分である炭素Cが反応してTiCが生成することによるものである。

また、特開平９−１９２９３７号公報では、TiH_２（水素化チタン）など、金属の水素化物の圧粉体を電極として、ワークとの間に放電を発生させると、Ti等の材料を使用する場合よりも、速くそして密着性よく、硬質膜を形成できる技術が開示されている。更には、TiH_２（水素化チタン）等の水素化物に他の金属やセラミックスを混合した圧粉体を電極として、ワークとの間に放電を発生させると硬度、耐磨耗性等様々な性質をもった硬質被膜を素早く形成することができる技術も開示されている。

また、別の技術として、特許第３２２７４５４号では、予備焼結により強度の高い表面処理電極が製造できることが開示される。すなわち、WC粉末とCo粉末を混合した粉末からなる放電表面処理用電極を製造する場合、WC粉末とCo粉末を混合し圧縮成形してなる圧粉体は、WC粉末とCo粉末を混合して圧縮成形しただけでもよいが、ワックスを混入した後圧縮成形すれば圧粉体の成形性が向上する。

この場合、ワックスは絶縁性物質であり、電極中に大量に残ると電極の電気抵抗が大きくなって放電性が悪化するので、圧粉体電極を真空炉に入れて加熱することでワックスを除去している。この時、加熱温度が低すぎるとワックスが除去できず、温度が高すぎるとワックスが煤になって電極の純度を劣化させるので、ワックスが溶融する温度以上かつワックスが分解して煤になる温度以下に保つ必要がある。

そして、真空炉中の圧粉体を、高周波コイルなどにより加熱し、機械加工に耐えうる強度を与え、かつ硬化しすぎないように、例えば白墨程度の硬度まで焼成する（これは予備焼結状態と呼ばれる）。この場合、炭化物間の接触部においては相互に結合が進むが比較的焼結温度が低く本焼結に至らない温度のため弱い結合となっている。このような電極で放電表面処理を行うと、緻密で均質な被膜が形成できることが判明している。
特開平５−１４８６１５号公報 特開平９−１９２９３７号公報 特許第３２２７４５４号

ところが上述した従来の放電表面処理では、電極としては、被膜にしたい材料の粉末例えば図５に示すようにCo粉末107、Cr粉末108、Ni粉末109を混合し、混合した粉末を圧縮成形して圧粉体としたもの、あるいは、その後に加熱処理を行った圧粉体としたものを用いている。別の例で言えば、超硬合金（WC-Co-Cr）の成分の被膜を形成する場合にはWC（炭化タングステン）の粉末とCo（コバルト）の粉末とCr(クロム)の粉末とを混合し、その混合した粉末を圧縮成形した圧粉体、あるいはその後に加熱処理を行った圧紛体を電極としている。

この圧粉体の電極を放電させることによって緻密な被膜が形成できるのであるが、粉末を混合して製造した電極であるため、被膜を微視的（ミクロ）に観察すると、電極である粉末の混合のばらつき、および粉末の粒径の大きさに起因する溶融の際のばらつきによって均一な成分の被膜とはならない。このミクロなばらつきの程度は、混合粉末を電極として放電する以上避けられない。そして、通常の被膜においてはこの成分のばらつきが問題となることはないが、特殊環境、例えば航空機のエンジンなど高温環境で使用する場合などでは問題になることがある。

また、上述のような従来の放電表面処理では、硬質被膜を形成することに主眼をおいていたので、電極材料としては、硬質セラミックス材料、あるいは、放電のエネルギにより加工液中の油の成分であるＣ（炭素）と化学反応して硬質炭化物を形成する材料を主成分としている。しかし、硬質材料は一般的に融点が高い・熱伝導が悪いなどの特性を持っており、10μｍ程度の薄膜の形成は緻密にできるが、数100μｍ以上の緻密な厚膜の形成は極めて困難であった。

本発明者らの研究に基づく（「放電表面処理（EDC）による厚膜の形成」後藤昭弘他,型技術,（1999）,日刊工業新聞社）なる文献にはWC-Co（9：1）電極を用いて3ｍｍ程度の厚膜が形成できたことが示されているが、被膜形成が安定せず再現が困難であること、一見金属光沢があり緻密に見えるが空孔が多く脆い被膜であること、前述したように被膜の材質がもとの粉末の粒径に左右されてばらつくこと、などの問題があり、実用には困難なレベルである。

この発明は、上記に鑑みてなされたもので、従来困難であった被膜成分のばらつきをなくして均一化するようにした放電表面処理用電極および放電表面処理方法を提供することを目的とする。

また、この発明は、上記に鑑みてなされたもので、従来の液中パルス放電加工により従来困難であった厚膜の形成を行う放電表面処理用電極の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる放電表面処理用電極の製造方法は、電極とワークとの間にパルス状の放電を加工液中において発生させ、その放電エネルギにより電極材料の被膜をワーク表面に形成しあるいは放電エネルギにより電極材料が反応した物質の被膜をワーク表面に形成する放電表面処理に用いられる放電表面処理用電極の製造方法において、合金材料を溶解あるいは粉砕する工程と、この溶解あるいは粉砕した合金粉末の粒径をそろえる工程と、粒径がそろえられた合金粉末を、圧縮形成する工程と、を備えたものである。

この発明によれば、合金粉末を電極材料とした放電表面処理用電極を効率よく製造することができる。

実施の形態１．
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる好適な実施の形態を詳細に説明する。
図１は、この発明の実施の形態１である放電表面処理用電極製造装置の簡略構成図である。図１において、金型の上パンチ103、金型の下パンチ104、金型のダイ105で囲まれた空間には、例えばステライト（Cr（クロム）、Co（コバルト）、Ni（ニッケル）などの合金）粉末101が充填される。そして、この合金粉末101を圧縮成形することにより圧粉体を形成し、もしくはこの圧粉体を加熱したものを形成する。放電表面処理に当たっては、この圧粉体もしくはこの圧粉体を加熱したものが放電電極とされる。

ここにおいて、合金粉末101は、Co（コバルト）、Cr（クロム）、Ni（ニッケル）などを混合して作った合金（例えばステライト）を溶解・粉砕して作った粉末であり、この粉末はフィルタを通して粒径をそろえた粉末である。すなわち、粉末の粒ひとつひとつが合金になっている。

図１では、合金粉末101をダイ105とパンチ103、104により圧縮成形する。そして、場合によっては電極の強度を増すために、その後加熱処理を行う。このような電極を用いて、加工液中である油の中でパルス状の放電を発生させる。

図２は、放電中の様子を示した放電表面処理装置の簡略図である。図２において、電極202は合金粉末の粒201の圧粉体であり、この電極202とワーク203とを油である加工液204の中で対向配置させ、放電表面処理用電源205によって電極202とワーク203との間にパルス状の電圧を印加し、パルス状の放電を発生させて放電のアーク柱206を形成し、ワーク203上に被膜を形成する。

図３は、電極202とワーク203との間に印加される電圧波形およびパルス状の放電電流波形を示している。なお、放電は電極202側がマイナス、ワーク203側がプラスの極性にて行われる。

放電毎に電極材料が、ワーク側に供給される。電極材料は一種類の合金からなっており均一な成分であるため成分のばらつきのない被膜が形成できる。

実施の形態２．
つぎに、実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、電極202の粉末を合金粉末としたのであるが、この実施の形態２では合金の成分組成を特定する。

本発明者らの実験によると、電極材質の成分に、炭化物を形成しないあるいは炭化物を形成しにくい材料を添加するに従い、被膜を厚くできることがわかってきた。従来は、炭化物を形成しやすい材料の割合が多く含まれており、例えば、Tiなどの材料を電極に含むと、油中での放電により化学反応を起こし、被膜としてはTiC（炭化チタン）という硬質の炭化物になる。表面処理が進むにつれて、ワーク表面の材質が鋼材（鋼材に処理する場合）からセラミックスであるTiCに変わり、それに伴い、熱伝導・融点などの特性が変化する。ところが、炭化しないあるいは炭化しにくい材料を電極に加えることで被膜は炭化物にならず、金属のまま被膜に残る材料が増えるという現象が生じた。そして、この電極材料の選定が、被膜を厚く盛り上げるのに大きな意味を持つことが判明した。この場合、硬度、緻密性、および均一性を満たすことは当然であり、厚膜を形成する前提である。

図４は、Co（コバルト）、Cr（クロム）、Ni（ニッケル）などを混合して作った合金の成分に対する被膜厚さを示しており、ここでは炭化しにくいCo（コバルト）とNi（ニッケル）の合計の重量％と被膜の厚さとの関係を示している。

この関係を表すに当たり、使用した放電のパルス条件は、図３においてピーク電流値ｉｅ=10Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）ｔｅ=64μｓ、休止時間ｔｏ=128μｓ、15ｍｍ×15ｍｍの面積の電極において被膜を形成した。そして、処理時間は15分である。

油中での放電により、電極中のCrの一部は炭化物であるCr_３C_２（炭化クロム）などになるが、炭化しにくい材料であるCo（コバルト）とNi（ニッケル）はそのままの状態で被膜の成分となる。電極中のCo（コバルト）とNi（ニッケル）の量が増えるに従い被膜は厚く形成できるようになる。すなわち、放電により被膜に炭化物が形成されないあるいは炭化物が形成されにくい金属材料を電極に50重量％以上含むことにより、被膜が極めて厚くなり、図４によれば、Co、Ni含有量が低い場合には10μｍ程の膜厚であったものが、Co、Ni含有量30％程度から次第に厚くなり、Co、Ni含有量50％を過ぎたころから10000μｍ近くにまで厚くなる。

この場合、圧膜の形成に当たって、電極の粉末を合金とすることで、被膜に成分の不均一を生じることがなく、均一な被膜の形成ができる。なお、合金としては、ステライトをあげて説明してきたが、その他、Ni含有量が50重量％以上含むNi、Cr，Feの合金であるインコネルについても適用することができる。

この発明にかかる放電表面処理用電極製造装置の簡略構成図である。 放電中の様子を示した放電表面処理装置の簡略図である。 電極での電圧および電流波形図である。 被膜厚さに対するＮｉ，Ｃｏ重量％の関係を示す特性線図である。 従来の圧粉体を示すための放電表面処理用電極製造装置の簡略構成図である。

Claims (5)

1. 電極とワークとの間にパルス状の放電を加工液中において発生させ、その放電エネルギにより電極材料の被膜をワーク表面に形成しあるいは放電エネルギにより電極材料が反応した物質の被膜をワーク表面に形成する放電表面処理に用いられる放電表面処理用電極の製造方法において、
   一種類の合金からなる合金材料を溶解あるいは粉砕する工程と、
   この溶解あるいは粉砕した合金粉末の粒径をそろえる工程と、
   粒径をそろえた合金粉末を、所定の金型で圧縮形成する工程と、
   を備えたことを特徴とする放電表面処理用電極の製造方法。
2. 圧縮成形後に、加熱処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の放電表面処理用電極の製造方法。
3. 合金粉末は、CoまたはNiの何れかまたは合計を30重量％以上含む合金であることを特徴とする請求項１または２に記載の放電表面処理用電極の製造方法。
4. 合金粉末は、Co、Cr、Niを混合して作ったものであることを特徴とする請求項１または２に記載の放電表面処理用電極の製造方法。
5. 合金粉末は、Ni、Cr、Feの合金であることを特徴とする請求項１または２に記載の放電表面処理用電極の製造方法。

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