JP4439781B2

JP4439781B2 - 放電表面処理用電極の製造方法

Info

Publication number: JP4439781B2
Application number: JP2001527946A
Authority: JP
Inventors: 昭弘後藤; 俊夫毛呂
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-11-29
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2019-11-29
Also published as: WO2001023641A1; CH693872A5; CN1184044C; CN1284649C; TW500815B; US20060021868A1; WO2001024961A1; CN1367726A; DE19983981T1; CN1504292A

Description

【０００１】
技術分野
この発明は、電極と被処理材料との間に放電を発生させ、そのエネルギにより被処理材料表面に電極材料からなる硬質被膜又は電極材料が放電エネルギにより反応した物質からなる硬質被膜を形成する放電表面処理に用いる、放電表面処理用電極の製造方法の改良に関するものである。
【０００２】
背景技術
従来、被処理材料表面に硬質被膜を形成して、耐食性、耐磨耗性を付与する技術としては、例えば、日本国特開平５−１４８６１５号公報に開示された放電表面処理方法がある。この技術は、ＷＣ（炭化タングステン）粉末とＣｏ（コバルト）粉末を混合して圧縮成形してなる放電表面処理用電極である圧粉体電極を使用して１次加工（堆積加工）を行い、次に銅電極等の比較的電極消耗の少ない電極に交換して２次加工（再溶融加工）を行う、２つの工程からなる金属材料の放電表面処理方法である。この方法は、鋼材に対しては強固な密着力をもった硬質被膜を形成できるが、超硬合金のような焼結材料に対しては強固な密着力を持った硬質被膜を形成することは困難である。
【０００３】
しかし、我々の研究によると、Ｔｉ（チタン）等の硬質炭化物を形成する材料を放電表面処理用電極として、被処理材料である金属材料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被膜を被処理材料である金属表面に形成できることがわかっている。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が反応してＴｉＣ（炭化チタン）が生成することによるものである。また、ＴｉＨ₂（水素化チタン）等の金属水素化物からなる放電表面処理用電極である圧粉体電極により、被処理材料である金属材料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、迅速にかつ密着性が高い硬質被膜を形成できることがわかっている。さらに、ＴｉＨ₂等の水素化物に他の金属やセラミックスを混合した放電表面処理用電極である圧粉体電極により、被処理材料である金属材料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ことがわっている。
【０００４】
このような方法については、例えば、日本国特開平９−１９２９３７号公報に開示されており、このような放電表面処理に用いる装置の構成例を第１０図により説明する。図において、１はＴｉＨ₂粉末を圧縮成形してなる放電表面処理用電極である圧粉体電極、２は被処理材料、３は加工槽、４は加工液、５は圧粉体電極１と被処理材料２に印加する電圧及び電流のスイッチングを行うスイッチング素子、６はスイッチング素子５のオン・オフを制御する制御回路、７は電源、８は抵抗器、９は形成された硬質被膜である。このような構成により、圧粉体電極１と被処理材料２との間に放電を発生させ、その放電エネルギにより、鉄鋼、超硬合金等からなる被処理材料２の表面に硬質被膜９を形成することができる。
【０００５】
このような従来の放電表面処理方法は、放電表面処理用電極の材質と、加工液中の成分が放電による熱で分解してできた炭素とが反応して硬質の炭化物からなる被膜を被処理材料に形成するものである。
【０００６】
放電表面処理用電極としては、前記のように様々なものが開示されている。しかし、これらの電極により被処理材料に形成される硬質被膜は炭化物を主成分とする被膜であり、第１１図に示すように炭化物は高温環境下では硬さが急激に低下するため、高温環境下で使用される切削工具等に炭化物を主成分とする被膜を形成した場合には、切削工具等に所期の耐食性、耐磨耗性等の性質を付与することができないという問題点があった。
【０００７】
発明の開示
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、高温環境下においても硬さが高い硬質被膜を被処理材料に形成することができる、放電表面処理用電極の製造方法を得ることを目的とする。
【０００８】
この発明に係る放電表面処理用電極の製造方法は、電極と被処理材料との間に放電を発生させ、そのエネルギにより前記被処理材料表面に硬質被膜を形成する放電表面処理に用いる放電表面処理用電極の製造方法において、電気絶縁性の硬質物質の粉末を、厚さ１〜２μｍの導電性物質で被覆して、粒径を１０μｍ以下とした粉末を圧縮成形して前記放電表面処理用電極を形成することを特徴とする。
【０００９】
また、この発明に係る放電表面処理用電極の製造方法は、電極と被処理材料との間に放電を発生させ、そのエネルギにより前記被処理材料表面に硬質被膜を形成する放電表面処理に用いる放電表面処理用電極の製造方法において、電気絶縁性の硬質物質の粉末を導電性物質で被覆した粉末を圧縮成形する第１の工程と、前記電気絶縁性の硬質物質の結晶構造の変化が始まる温度よりも低い温度で加熱処理を施して前記放電表面処理用電極を形成する第２の工程と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
さらに、この発明に係る放電表面処理用電極の製造方法は、上記の発明において、前記第１の工程では、前記電気絶縁性の硬質物質の粉末を導電性物質で被覆した粉末に、ワックスを添加して圧縮成形を行い、前記第１の工程の後で前記第２の工程の前に、前記ワックスが溶融する温度以上前記ワックスが分解してすすが発生する温度以下にて加熱を行い前記ワックスを蒸発除去する工程をさらに含むことを特徴とする。
【００１１】
この発明は、以上説明したように構成されているので、高温環境下においても硬さが高い硬質被膜を被処理材料に形成することができるため、高温環境下で使用される切削工具等の表面処理に適し、高温環境下で使用される切削工具等に対して所期の耐食性、耐磨耗性等の性質を付与することができるという効果がある。
【００１２】
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
第１図は、この発明の実施の形態１に係る放電表面処理用電極及びその製造方法の概念を示す断面図であり、図において、１０は放電表面処理用電極、１１は電気絶縁性の硬質物質であるｃＢＮ粉末、１２は導電性物質であるＣｏ系合金粉末、１３は金型の上パンチ、１４は金型の下パンチ、１５は金型のダイであり、ｃＢＮ粉末１１及びＣｏ系合金粉末１２を混合してプレス金型に入れ、圧縮成形することにより放電表面処理用電極１０を形成する。
【００１３】
次に、放電表面処理用電極１０の製造方法について説明する。放電表面処理により、ｃＢＮを含む被膜を被処理材料に形成しようとする場合、電極材料としてｃＢＮを使用する必要がある。しかし、ｃＢＮは電気絶縁性であるため単体では電極材料として使用することができない。また、ｃＢＮは硬質であるため、プレスによる圧縮成形により粉末を固めることができない。このように、ｃＢＮ単体のみでは放電表面処理用電極として用いることができないため、ｃＢＮを放電表面処理用電極として使用する場合には、ｃＢＮ粉末に、導電性の金属等をバインダとして混合する必要がある。すなわち、ｃＢＮ粉末とバインダ粉末を混合し、プレス金型に入れ、圧縮成形を行い放電表面処理用電極を製作する。
【００１４】
また、ｃＢＮは電気絶縁性であるため、プレスによる圧縮成形を行う際に、導電性のバインダの分量を多めにする必要がある。これは、放電による熱によりｃＢＮ被膜を形成するわけであるが、放電表面処理用電極側で実際に放電が発生するのは、導電性のバインダ部分であり、電気絶縁性であるｃＢＮには放電が発生しないためである。特に、圧縮成形のみで放電表面処理用電極を形成する場合には、すべてのバインダの粒子が電気的につながることが困難なため、バインダの分量を増やす必要があり、例えばバインダの分量を重量比で５０％程度にすることが望ましい。
【００１５】
第２図は、この発明の実施の形態１に係る放電表面処理方法を示す構成図であり、第３図は、この発明の実施の形態１に係る放電表面処理方法により被処理材料に硬質被膜が形成される様子を示したものである。図において、３は加工槽、４は加工液、１０はｃＢＮ及びＣｏ系合金からなる放電表面処理用電極、１６は被処理材料、１７は直流電源、スイッチング素子及び制御回路等からなる放電表面処理用電源装置、１８は放電のアーク柱、１９は放電の熱により溶融し被処理材料側に移動した放電表面処理用電極成分、２０はｃＢＮ及びＣｏ系合金からなる硬質被膜である。第２図の放電表面処理用電源装置１７により放電表面処理用電極１０と被処理材料１６との間に放電を発生させる。放電は、放電表面処理用電極１０の導電性のバインダであるＣｏ系合金の部分と被処理材料１６の間に発生する。第３図の（ａ）のように放電の熱で放電表面処理用電極１０が溶融し、極間に放出され、放電の熱により溶融し被処理材料側に移動した放電表面処理用電極成分１９が被処理材料１６に付着し、第３図の（ｂ）に示すように、ｃＢＮ及びＣｏ系合金からなる硬質被膜２０が被処理材料１６に形成される。
【００１６】
ｃＢＮはダイヤモンドに近い硬さを有しており、被処理材料にこの被膜を形成した場合のメリットは極めて大きいといえる。特に、被処理材料が工具である場合について考えると、ダイヤモンド被膜を施した工具は、被加工物が鉄系材料である場合に使用できないため、主に被加工物が非鉄金属である場合に使用される。しかし、ｃＢＮ被膜を施した工具は、市場規模が圧倒的に大きい被加工物が鉄系材料である場合の使用に適している。このように、ｃＢＮ被膜を施した工具を使用する価値は極めて高い。しかし、ｃＢＮを薄膜化する方法の開発は遅れており、この発明による放電表面処理方法の意義は極めて大きい。第４図は、ｃＢＮの温度に対する硬さの変化を示す図であり、第１１図に示した炭化物と比較して、高温環境下でも硬さが高いことがわかる。
【００１７】
実施の形態２．
実施の形態１に係る放電表面処理用電極は、電気絶縁性の硬質物質であるｃＢＮ粉末と導電性物質でありバインダとして用いられるＣｏ系合金粉末を混合してプレス金型に入れ、圧縮成形を行い形成されるものであるが、必要に応じて加熱処理を施すことにより放電表面処理用電極に一定の範囲で所望の強度を持たせることも可能である。
【００１８】
ｃＢＮは電気絶縁性であるため、導電性のバインダを混入する必要があるが、加熱処理を施す場合には、バインダ成分が溶融し電気伝導が良くなるため、バインダの分量は比較的少量でよい。実施の形態１に示したように、圧縮成形のみで放電表面処理用電極を形成する場合にはバインダの分量を重量比で５０％程度にするのが望ましいが、圧縮成形後に加熱処理を施す場合にはバインダの分量が重量比で数％〜数１０％であっても放電表面処理電極として使用可能な電気伝導を得ることができる。
【００１９】
また、圧縮成形のみの場合には電極材料である粉末に混入した材料がそのまま電極成分となるため、不要な成分を混合することは好ましくないが、加熱処理を施す場合には、加熱により蒸発する材料を添加することにより成形性の改善を図ることが可能である。例えば、ワックスを電極材料である粉末に混合しておくことにより、プレスによる圧縮成形時の成形性を著しく向上させることができる。
【００２０】
第５図はワックスを電極材料に混合して放電表面処理用電極を製造する方法を示す図であり、図において、１０は放電表面処理用電極、１１はｃＢＮ粉末、１２はＣｏ系合金粉末、２３はパラフィン等のワックス、２４は真空炉、２５は高周波コイル、２６は真空雰囲気である。ワックス２３をｃＢＮ粉末１１とＣｏ系合金粉末１２を混合した粉末に混合して圧縮成形して圧粉体電極を形成することにより、成形性を著しく向上させることができる。しかし、ワックス２３は電気絶縁性であるため、電極中に大量に残ると、電極の電気抵抗が大きくなるため放電性が悪化する。そこで、ワックス２３を除去することが必要になる。第５図の（ａ）はワックス２３を混合した圧粉体電極を真空炉２４に入れて加熱する様子を示しており、真空雰囲気２６内で加熱を行っているが、水素やアルゴンガス等のガス中であってもよい。真空炉２４中の圧粉体電極を真空炉２４の周りに設置した高周波コイル２５により高周波加熱する。この時、加熱温度が低すぎるとワックス２３が除去できず、温度が高すぎるとワックス２３がすすになってしまい、電極の純度を劣化させるので、ワックス２３が溶融する温度以上かつワックス２３が分解してすすになる温度以下に保つ必要がある。例として２５０℃の沸点を有するワックスの蒸気圧曲線を第６図に示す。真空炉２４の気圧をワックス２３の蒸気圧以下に保つと、第５図の（ｂ）に示すようにワックス２３が蒸発して除去され、ｃＢＮとＣｏからなる放電表面処理用電極１０を得ることができる。ワックスを使用しない場合にはバインダの材料を硬さの低い材料にする必要があるが、ワックスを使用する場合にはＴｉＮ（窒化チタン）、ＴｉＣ、ＨｆＣ（炭化ハフニウム）、ＴｉＣＮ（炭化窒化チタン）等の硬質材料をバインダとすることができ、被膜硬さを一層高くすることができる。
【００２１】
実施の形態３．
第７図は、この発明の実施の形態３に係る放電表面処理用電極及びその製造方法の概念を示す断面図であり、図において、１１は電気絶縁性の硬質物質であるｃＢＮ粉末、１２ａは導電性物質であるＣｏ被膜、１３は金型の上パンチ、１４は金型の下パンチ、１５は金型のダイ、２７は放電表面処理用電極である。ｃＢＮ粉末１１はＣｏ被膜１２ａにより被覆されており、このような被覆は、蒸着等により容易に行うことができる。
【００２２】
このようなＣｏ被膜１２ａにより被覆されたｃＢＮ粉末１１をプレス金型に入れ圧縮成形すると、プレスの圧力によりＣｏ被膜１２ａが変形し圧着することで、放電表面処理用電極として一体化する。
【００２３】
このような方法により形成された放電表面処理用電極２７は、実施の形態１及び２の放電表面処理用電極１０に比べて、バインダとなる材料の量を少なくすることができる。従って、放電表面処理用電極２７を用いた放電表面処理によれば、被処理材料に形成される硬質被膜中のｃＢＮの割合が高くなり、より硬さが高い硬質被膜を形成することができる。
【００２４】
ｃＢＮ及びＣｏからなる放電表面処理用電極による放電表面処理では、ｃＢＮが電気絶縁性であるため放電はｃＢＮに直接発生することはなく、放電は導電性のバインダであるＣｏに発生し、この放電の熱エネルギによりバインダであるＣｏと共にｃＢＮが被処理材料側に移り、被処理材硬質被膜が形成される。この発明に係る放電表面処理用電極２７を用いた放電表面処理においては、放電表面処理用電極２７の電気絶縁性の硬質物質であるｃＢＮ粉末１１が導電性物質であるＣｏ被膜１２ａで被覆されているので、放電表面処理用電極２７の表面が完全な導電性となっており、安定した放電を発生することができる。
【００２５】
また、Ｃｏ被膜１２ａにより被覆されたｃＢＮ粉末１１の粒径は、放電表面処理の際の放電表面処理用電極２７と被処理材料との極間距離よりも小さくする必要があるため、１０μｍ以下程度であることが望ましい。従って、ｃＢＮはそれよりもさらに小さい粒径である必要がある。さらに、このＣｏ被膜の厚さは１〜２μｍ程度以下であることが望ましい。これは、Ｃｏ被膜が厚くなると、バインダの比率が大きくなるからである。しかし、極端にＣｏ被膜の厚さが薄いと、バインダとしての機能を果たさなくなるため、ある程度以上の厚さは必要である。例えば、ｃＢＮ粉末の粒径が５μｍである場合、Ｃｏ被膜の厚さは、１μｍ程度が最適であった。
【００２６】
実施の形態４．
第８図は、この発明の実施の形態４に係る放電表面処理用電極の製造方法を示す断面図である。第８図の（ａ）は、実施の形態３に示した方法でＣｏ被膜１２ａにより被覆されたｃＢＮ粉末１１を圧縮成形した放電表面処理用電極２７である。また、第８図の（ｂ）は第８図の（ａ）の放電表面処理用電極２７を真空炉２４に入れ高周波コイル２５により高周波加熱をしている状態を、第８図の（ｃ）は加熱処理後の放電表面処理用電極２７ａの構成を示している。ここで、１２ｂは加熱処理後のＣｏ、２８は気泡である。
【００２７】
Ｃｏ被膜１２ａにより被覆されたｃＢＮ粉末１１を圧縮成形するだけでも、成形された放電表面処理用電極２７は導電性があるが、Ｃｏ被膜１２ａが変形し圧着されているだけであるので強度的には弱く、放電表面処理用電極２７の取扱い上、放電表面処理用電極が割れる等の不具合が生じる場合がある。このような場合には、圧縮成形された放電表面処理用電極に加熱処理を施すことにより強度を増し、さらに、導電性を向上させることができる。実施の形態２に示したように、ｃＢＮ粉末とＣｏ系合金粉末を混合した粉末を圧縮成形後加熱処理を施すことによっても同様の効果が得られるが、電気絶縁性及び導電性物質が混合されているため、電極強度を増すためには１３００℃以上の高温にする必要がある。また、ｃＢＮは１５００℃程度からｈＢＮ（六方晶窒化硼素）に結晶構造の変化が始まるため、ｃＢＮとして必要な性質が得られなくなる。従って、実施の形態２のようなｃＢＮ粉末とＣｏ系合金粉末を混合した粉末を圧縮成形後加熱処理を施す方法では、ｃＢＮとして必要な性質が得られなくなるという問題が生じる可能性がある。これに対し、この実施の形態４による方法であるＣｏ被膜１２ａにより被覆されたｃＢＮ粉末１１を圧縮成形後加熱処理を施す方法では、各粉末が互いに被覆材料である金属材料で接しているため、この金属材料部分の熱伝導により例えば１２００℃以下の比較的低い温度での加熱処理により電極強度を増すことが可能である。従って、前記のようなｃＢＮとして必要な性質が得られなくなるという問題が生じることはない。
【００２８】
また、以上の説明では、Ｃｏ被膜１２ａにより被覆されたｃＢＮ粉末１１を圧縮成形後加熱処理する方法を示したが、圧縮成形の際の成形性向上のために、予めＣｏ被膜１２ａにより被覆されたｃＢＮ粉末１１にパラフィン等のワックスを混合しておき、加熱処理の際にワックスを蒸発除去する実施の形態２の第５図と同様の方法を採用すれば、電極の成形がさらに容易になる。この方法は、特に複雑形状又は大形の電極製作に対して効果が大きい。
【００２９】
実施の形態５．
第９図は、この発明の実施の形態５に係る放電表面処理方法を示す構成図であり、図において、３は加工槽、４は加工液、１１はｃＢＮ粉末１６は被処理材料、１７は直流電源、スイッチング素子及び制御回路等からなる放電表面処理用電源装置、１８は放電のアーク柱、２８は気泡、２９はＴｉ、３０は放電表面処理用電極である。放電表面処理用電極３０は、実施の形態４に示した方法により、Ｔｉ被膜により被覆されたｃＢＮ粉末を圧縮成形後加熱処理を行い形成したものである。
【００３０】
放電表面処理用電極３０と被処理材料１６との間に放電表面処理用電源装置１７により電圧を印加し、パルス状の放電を発生させる。ｃＢＮは電気絶縁性であるため、放電は放電表面処理用電極３０のＴｉ２９の一部分に発生し、この放電による熱エネルギにより電極材料が一部溶融状態となり放電による爆発力により被処理材料１６側に移動して、被処理材料１６上にｃＢＮ及びＴｉを含む被膜が形成される。加工液４が油である場合には、バインダであるＴｉは加工液４の構成元素である炭素と反応しＴｉＣとなり、被処理材料１６上に形成される被膜はｃＢＮ及びＴｉＣからなる極めて硬質の被膜となる。
【００３１】
なお、以上の説明においては、電気絶縁性の硬質物質としてｃＢＮの例を示したが、ｃＢＮに限定するものではなく、ダイヤモンド、Ｂ₄Ｃ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣ等を用いることができる。
【００３２】
また、以上の説明においては、電気絶縁性の硬質物質に混合又は電気絶縁性の硬質物質を被覆する導電性物質としてＣｏ、Ｔｉの例を示したが、これらに限定するものではなく、Ｗ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｃｒ等の硬質炭化物を形成する金属、又はＮｉ、Ｆｅ等の鉄族の金属を用いることができる。
【００３３】
産業上の利用可能性
以上のように、この発明に係る放電表面処理用電極の製造方法は、被処理材料表面に硬質被膜を形成する表面処理関連産業に用いられるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１図は、この発明の実施の形態１に係る放電表面処理用電極及びその製造方法の概念を示す断面図である。
【図２】第２図は、この発明の実施の形態１に係る放電表面処理方法を示す構成図である。
【図３】第３図は、この発明の実施の形態１に係る放電表面処理方法により被処理材料に被膜が形成される様子を示す説明図である。
【図４】第４図は、ｃＢＮの温度に対する硬さの変化を示す図である。
【図５】第５図は、この発明の実施の形態２に係る放電表面処理用電極の製造方法の概念を示す説明図である。
【図６】第６図は、この発明の実施の形態２に係る放電表面処理用電極の圧縮成形時に放電表面処理用電極材料に混合するワックスの蒸気圧曲線の例を示す図である。
【図７】第７図は、この発明の実施の形態３に係る放電表面処理用電極及びその製造方法の概念を示す断面図である。
【図８】第８図は、この発明の実施の形態４に係る放電表面処理用電極の製造方法を示す断面図である。
【図９】第９図は、この発明の実施の形態５に係る放電表面処理方法を示す構成図である。
【図１０】第１０図は、従来の放電表面処理用電極及び装置の例を示す構成図である。
【図１１】第１１図は、炭化物の温度に対する硬さの変化を示す図である。

Claims

電極と被処理材料との間に放電を発生させ、そのエネルギにより前記被処理材料表面に硬質被膜を形成する放電表面処理に用いる放電表面処理用電極の製造方法において、
電気絶縁性の硬質物質の粉末を、厚さ１〜２μｍの導電性物質で被覆して、粒径を１０μｍ以下とした粉末を圧縮成形して前記放電表面処理用電極を形成することを特徴とする放電表面処理用電極の製造方法。
電極と被処理材料との間に放電を発生させ、そのエネルギにより前記被処理材料表面に硬質被膜を形成する放電表面処理に用いる放電表面処理用電極の製造方法において、
電気絶縁性の硬質物質の粉末を導電性物質で被覆した粉末を圧縮成形する第１の工程と、
前記電気絶縁性の硬質物質の結晶構造の変化が始まる温度よりも低い温度で加熱処理を施して前記放電表面処理用電極を形成する第２の工程と、
を含むことを特徴とする放電表面処理用電極の製造方法。
前記第１の工程では、前記電気絶縁性の硬質物質の粉末を導電性物質で被覆した粉末に、ワックスを添加して圧縮成形を行い、
前記第１の工程の後で前記第２の工程の前に、前記ワックスが溶融する温度以上前記ワックスが分解してすすが発生する温度以下にて加熱を行い前記ワックスを蒸発除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の放電表面処理用電極の製造方法。