CN106163985A - 石墨－铜复合电极材料和使用该材料的放电加工用电极 - Google Patents

石墨－铜复合电极材料和使用该材料的放电加工用电极 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于：提供能够使电极消耗降低至实用水平的石墨－铜复合电极材料和使用该材料的放电加工用电极。关于该石墨－铜复合电极材料，在由石墨材料形成的基材的气孔中含浸有铜，电阻率为2.5μΩm以下，优选为1.5μΩm以下，特别优选为1.0μΩm以下。希望由上述石墨材料形成的基材的各向异性比为1.2以下，希望电极材料中的铜的含浸率为13％以上，希望由上述石墨材料形成的基材的容积密度为1.40Mg/m3以上1.85Mg/m3以下。

Description

石墨－铜复合电极材料和使用该材料的放电加工用电极
技术领域
本发明涉及石墨－铜复合电极材料和使用该材料的放电加工用电极。
背景技术
目前，已使用铜、作为碳材料的石墨、钨－铜、钨－银、石墨－铜等的材料等作为放电加工用电极材料。特别而言，在超硬合金等的高熔点的难切削材料的放电加工中，在这些材料中尤其使用了钨－铜、钨－银、石墨－铜材料。
这些材料各自具有作为放电加工用材料的特征，但铜熔点低，不适于作为高熔点的超硬合金材料的放电加工用材料。关于钨－铜和钨－银材料，其自身的熔点高，能够以低消耗进行作为高熔点的难切削材料的超硬合金材料等的放电加工。然而，对电极形状的机械加工性不足，并且有材料费和制造费用比石墨系材料高很多这样的课题。石墨单质和石墨－铜材料比钨－铜和钨－银材料廉价，机械加工性也优异。然而，有电极消耗多这样的课题。
其中，出于改善钨－铜系电极的机械加工性的目的，公开了利用金属熔浸法在钨粉末中熔浸铜而制造放电电极的方法(下述专利文献1)。然而，在该制造方法中，在其制法上，由于难以改变铜和钨的比率，不能解决上述的由钨－铜形成的材料的课题。
另外，公开了利用烧结法制造铜－钨合金的方法(下述专利文献2)。然而，在该制造方法中，电极尺寸大时，难以获得组成均匀的材料，并且有添加用于改善成型性的助剂有时反而损害放电特性这样的课题。
另一方面，作为利用石墨－铜材料时电极消耗变多的主要因素，考虑原因在于：在使用该材料作为电极的情况下，容易蓄热，容易产生电弧。因此，作为对其进行改善的方法，公开了将包含硅的铝熔融含浸在石墨材料中的方法(下述专利文献3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7－9264号公报
专利文献2：日本特开平8－199280号公报
专利文献3：日本特开2004－209610号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，即使是上述专利文献3所示的放电加工用电极材料，也有不能使电极消耗降低至实用水平这样的课题。
因此，本发明的目的在于：提供一种能够使电极消耗降低至实用水平的石墨－铜复合电极材料和使用该材料的放电加工用电极。
用于解决课题的方法
为了达成上述目的，本发明的特征在于：其是在由石墨材料形成的基材的气孔中含浸有铜的石墨－铜复合电极材料，电阻率为2.5μΩm以下。
发明效果
根据本发明，发挥能够使电极消耗降低至实用水平这样的优异的效果。
附图说明
图1是表示材料A1～A7的基材的开气孔率与铜含浸率的关系的图表。
图2是表示材料A1～A7的铜含浸率与电阻率的关系的图表。
图3是表示材料A1～A7的电阻率与电极消耗率的关系的图表。
图4是表示材料A1～A7的变量x与加工速度和电极消耗率的关系的图表。
图5是材料A1的光学显微镜的剖面照片。
图6是表示材料A1～A5、A8、A9、Z1和Z2的基材的开气孔率与铜含浸率的关系的图表。
图7是表示材料A1～A5、A8、A9、Z1和Z2的铜含浸率与电阻率的关系的图表。
图8是表示材料A1～A5、A8、A9、Z1和Z2的电阻率与电极消耗率的关系的图表。
图9是表示材料A1～A5、A8、A9、Z1和Z2的变量x与加工速度和电极消耗率的关系的图表。
具体实施方式
对于比铜－钨和银－钨材料廉价的石墨－铜材料，为了以实用水平解决上述的现有技术的问题点，获得致密且轻量的、以实用且可以耐受的水平抑制电极消耗性的铜含浸石墨材料，本发明人精心研究的结果是，将铜含浸在均质且具有适当的气孔率的作为高温材料的石墨材料中时，使电极的电阻率变成2.5μΩm以下(优选为1.5μΩm以下，更优选为1.0μΩm以下)，从而发现能够显著地降低电极消耗，直至完成本发明。
即，本发明的特征在于：其是在由石墨材料形成的基材的气孔中含浸有铜的石墨－铜复合电极材料，电阻率为2.5μΩm以下。
在使用电阻率为2.5μΩm以下的石墨－铜复合电极材料的情况下，在超硬材料的放电加工中，降低石墨－铜复合电极的电极消耗率。另外，与使用钨－铜或钨－银作为电极的情况相比，能够容易地加工成电极形状，并且能够以低成本制作电极。
希望上述电阻率为1.5μΩm以下，特别而言，希望上述电阻率为1.0μΩm以下。
只要是这样的结构，就可以进一步发挥上述作用效果。
希望由上述石墨材料形成的基材的各向异性比为1.2以下。
各向异性比为1.2以下的各向同性高的石墨材料(以下，有时称为各向同性石墨材料)由于切割方向的特性差小，设计容易且易以使用，并且由于机械加工性优异，精密的加工变得容易。若考虑到这一点，则更加优选各向异性比为1.1以下。
另外，所谓各向异性比为1.2以下，是指石墨材料的在任意形成直角的方向上测定的电阻率的比的平均值为1.2以下。
另外，作为各向同性石墨材料，通常包含：在焦炭等的骨材中加入沥青等粘合剂混炼后，实施冷等静压成型，经过烧制、石墨化、根据需要的沥青含浸、再烧制、树脂含浸、高纯度化等的工序，由实质上只由碳形成的材料或者以碳为主要成分的材料形成，包含沥青含浸品、树脂含浸品等含浸品的所谓的石墨化品等的各向同性石墨材料。
希望由下述(1)式求出的电极材料中的铜的含浸率为13％以上。
在(1)式中，dB为电极的容积密度，dB，s为由石墨材料形成的基材的容积密度，ρCu为铜的比重(ρCu＝8.96Mg/m3)。
铜的含浸率变大时，电极电阻值就变低。另外，在电极电阻值与电极消耗率之间，存在电极电阻值变低时，电极消耗率也变低这样的关系。因此，铜的含浸率为13％以上时，由于电极电阻值变低，电极消耗率就显著地降低。若考虑到这一点，则进一步希望电极材料中的铜的含浸率为15％以上。
由下述(2)式求出的变量x优选为7.5以下，特别希望为6.5以下。
在(2)式中，dB为电极的容积密度(Mg/m3)，为铜的含浸率(％)，ρ为电阻率(μΩm)，σB为弯曲强度(MPa)。
对于放电加工电极，要求低的电极消耗率且高的加工速度。虽然多数情况是通过相反的特性来体现各种要求品质，但本发明人发现，通过将由特性值求出的变量x限定在较小的值，就可以发挥均衡性能。若考虑到这一点，则进一步希望变量x的值为5.0以下。
希望由上述石墨材料形成的基材的容积密度为1.40Mg/m3以上1.85Mg/m3以下。
由石墨材料形成的基材的容积密度小于1.40Mg/m3时，有时基材强度会降低，另一方面，该容积密度超过1.85Mg/m3时，由于基材的开气孔率变小，铜的含浸率就会降低。若考虑到这一点，则进一步希望由石墨材料形成的基材的容积密度为1.60Mg/m3以上1.80Mg/m3以下。
希望由上述石墨材料形成的基材的开气孔率为14体积％以上。
基材的开气孔率小于14体积％时，由于难以含浸铜，有时电阻率的降低会不充分，电极消耗率会变高。
希望由上述石墨材料形成的基材的电阻率为8.9μΩm以上19.5μΩm以下。
基材的电阻率小于8.9μΩm时，由于石墨化的进行程度高，石墨基材自身的强度降低，会产生放电加工时的电极消耗率变高的危险。另一方面，基材的电阻率超过19.5μΩm时，石墨化的进行程度低，石墨基材自身的强度变得过高，就会有难以利用切削等机械加工形成电极的危险。
基材的电阻率更优选为10.0μΩm以上，进一步优选为11.0μΩm以上。
希望利用热等静压法(HIP法)进行上述铜的含浸。
只要是该方法，就可以对各向同性石墨材料基材的各面均等地施加压力，因此能够在铜的含浸中抑制各向同性石墨材料基材发生变形。
但是，铜的含浸不限定于热等静压法，也可以是熔液锻造法等。
放电加工用电极的特征在于：在利用放电加工对以碳化钨为主要成分的超硬材料实施刻模加工时使用，由上述的石墨－铜复合电极材料形成。
(其它的事项)
(1)在进行利用HIP法的铜含浸时，在不损害特性的范围内，也可以加入改善石墨与铜的界面的润湿性的含浸助剂。作为这些助剂，可以例示钛、锆、钪、钇、镧、铪和它们的化合物。但是，含浸助剂的种类不限定于这些。
在这种情况下，优选含浸助剂的量为0.5～10重量％。小于0.5重量％时，有时润湿性的改善会不充分，超过10重量％时，有时含浸后的残存铜合金与铜含浸石墨材料的分离会变得困难。
(2)关于铜含浸，例如使用耐压容器，分别将铜合金加入碳制等的陶瓷容器(坩埚)中，将各向同性石墨材料加入碳制等的陶瓷容器(烧箱)中，将这些坩埚、烧箱装入耐压容器中，接着使容器内上升至比含浸铜合金的熔点高的温度，加压含浸。压力为数MPa至150MPa左右，含浸时间为1～60分钟左右，优选为30～60分钟左右。
另外，作为本发明中使用的铜合金的组成，在对放电加工特性不产生影响的范围，也可以含有不可避免的杂质。
(3)放电加工用电极的铜含浸率高时，由于铜的导电性高，放电加工用电极的电阻率会变低，并且由于铜是高密度，放电加工用电极的容积密度会变高。因此，在降低放电加工用电极的电阻率时，必须某种程度地提高铜含浸率。若考虑到这一点，则希望放电加工用电极的容积密度的下限为2.5Mg/m3以上，特别希望为3.0Mg/m3以上。另外，放电加工用电极的铜含浸率高时，放电加工用电极的容积密度会变高，但容积密度变得过高时，会有对其它的特性产生不良影响的危险。另外，在向石墨材料的气孔含浸铜时存在限度。若考虑到这一点，则希望放电加工用电极的容积密度的上限为4.5Mg/m3以下，特别希望为4.0Mg/m3以下。
对于铜含浸率，也从与上述相同的理由出发，希望下限为12.5％以上，特别希望为15％以上，希望上限为35％以下，特别希望为30％以下。
通常，放电加工用电极的电阻率越低越好，但过于接近于零时，有时会对其它的特性产生不良影响，因此对于下限希望为0.01μΩm以上，特别希望为0.1μΩm以上。另外，对于弯曲强度，越高越能够抑制放电时的电极损耗，优选，因此希望为40MPa以上，特别希望为60MPa以上。但是，弯曲强度过高时，有时会对其它的特性产生影响，因此希望为220MPa以下，特别希望为200MPa以下。
实施例
以下，对本发明的实施例进行详细叙述，但本发明不限定于这些实施例。
(实施例1)
将致密质地的各向同性石墨材料(东洋炭素株式会社制，容积密度1.66Mg/m3，开气孔率23.8％，电阻率11.1μΩm，各向异性比1.02)收容在耐压容器内，在1070℃将熔融的铜在N2气体下以15MPa的压力加压含浸1小时，制作铜含浸石墨材料。
以下，将这样制作的铜含浸石墨材料称为材料A1。
另外，以下，有时将加工上述铜含浸石墨材料而成的放电加工用电极称为电极A1。这在下述实施例2～实施例9、比较例1、比较例2中也相同(例如，如果是实施例2的放电加工用电极，则成为电极A2)。
(实施例2)
除了使用容积密度1.66Mg/m3、开气孔率23.5％、电阻率14.0μΩm、各向异性比1.03的材料作为各向同性石墨材料以外，与上述实施例1同样制作铜含浸石墨材料。
以下，将这样制作的铜含浸石墨材料称为材料A2。
(实施例3)
除了使用容积密度1.79Mg/m3、开气孔率16.7％、电阻率12.6μΩm、各向异性比1.05的材料作为各向同性石墨材料以外，与上述实施例1同样制作铜含浸石墨材料。
以下，将这样制作的铜含浸石墨材料称为材料A3。
(实施例4)
除了使用容积密度1.77Mg/m3、开气孔率16.7％、电阻率18.9μΩm、各向异性比1.06的材料作为各向同性石墨材料以外，与上述实施例1同样制作铜含浸石墨材料。
以下，将这样制作的铜含浸石墨材料称为材料A4。
(实施例5)
除了使用容积密度1.78Mg/m3、开气孔率15.2％、电阻率19.1μΩm、各向异性比1.03的材料作为各向同性石墨材料以外，与上述实施例1同样制作铜含浸石墨材料。
以下，将这样制作的铜含浸石墨材料称为材料A5。
(实施例6)
除了使用容积密度1.81Mg/m3、开气孔率14.2％、电阻率8.9μΩm、各向异性比1.03的材料作为各向同性石墨材料以外，与上述实施例1同样制作铜含浸石墨材料。
以下，将这样制作的铜含浸石墨材料称为材料A6。
(实施例7)
除了使用容积密度1.80Mg/m3、开气孔率14.8％、电阻率15.2μΩm、各向异性比1.06的材料作为各向同性石墨材料以外，与上述实施例1同样制作铜含浸石墨材料。
以下，将这样制作的铜含浸石墨材料称为材料A7。
(实施例8)
除了使用容积密度1.78Mg/m3、开气孔率15.0％、电阻率15.9μΩm、各向异性比1.05的材料作为各向同性石墨材料以外，与上述实施例1同样制作铜含浸石墨材料。
以下，将这样制作的铜含浸石墨材料称为材料A8。
(实施例9)
除了使用容积密度1.78Mg/m3、开气孔率16.1％、电阻率14.4μΩm、各向异性比1.04的材料作为各向同性石墨材料以外，与上述实施例1同样制作铜含浸石墨材料。
以下，将这样制作的铜含浸石墨材料称为材料A9。
(比较例1)
除了使用容积密度1.88Mg/m3、开气孔率10.7％、电阻率8.7μΩm、各向异性比1.03的材料作为各向同性石墨材料以外，与上述实施例1同样制作铜含浸石墨材料。
以下，将这样制作的铜含浸石墨材料称为材料Z1。
(比较例2)
除了使用容积密度1.92Mg/m3、开气孔率13.4％、电阻率20.0μΩm、各向异性比1.06的材料作为各向同性石墨材料以外，与上述实施例1同样制作铜含浸石墨材料。
以下，将这样制作的铜含浸石墨材料称为材料Z2。
(实验1)
利用如下所述的方法调查上述材料(电极)A1～A7的电阻率、铜含浸率和电极消耗率(长度电极消耗率)，将其结果表示在表1中。另外，将材料A1～A7的基材的开气孔率与铜含浸率的关系表示在图1中，将材料A1～A7的铜含浸率与电阻率的关系表示在图2中，以及将材料A1～A7的电阻率与电极消耗率的关系表示在图3中。
〔电阻率的测定〕
利用直流四端子法测定各材料的电阻率。
〔铜含浸率的计算〕
调查电极的容积密度(铜含浸后的容积密度)dB和由石墨材料形成的基材的容积密度dB，s，将这些值代入(1)式中，从而算出铜含浸率。另外，ρCu为铜的比重(ρCu＝8.96Mg/m3)。
〔电极消耗率的计算〕
使用由各材料形成的电极，在下述的条件下对超硬合金材料(富士模具株式会社制FUJILLOY D40)进行放电加工，测定电极消耗长度，将这些值代入下述(3)式中，算出电极消耗率。
·加工面积10×4mm2
·电极的支撑夹具的、向加工深度方向的行进距离2mm
·使用机型：(株式会社)Sodick公司制AQ35L
·极性：正极性
·电流峰值：28(A)
·ON时间：5(μsec)
·OFF时间：10(μsec)
电极消耗率＝(电极消耗长度〔mm〕/加工深度〔mm〕)×100···(3)
[表1]
从表1和图1可以明显地确认，基材的开气孔率越高，铜含浸率越高。另外，从表1和图2可以明显地确认，铜含浸率越高，电阻率越低。另外，从表1和图3可以明显地确认，电阻率越低，电极消耗率越低。
(实验2)
接着，在与上述实验1中〔电极消耗率的计算〕所示的条件相同的条件下，使用材料(电极)A1～A7，进行上述的超硬合金材料的加工，测定各材料的加工速度。另外，所谓上述加工速度，是指对超硬合金材料加工1分钟时的加工深度。
另外，作为材料(电极)A1～A7的铜含浸后的特性，除了上述实验1中所示的电阻率、铜含浸率以外，还调查了电极(铜含浸后)的容积密度和弯曲强度。然后，使用下述(2)式，由电极的容积密度、铜含浸率、电阻率和弯曲强度求出材料(电极)A1～A7的变量x。
在(2)式中，dB为电极的容积密度(Mg/m3)，为铜的含浸率(％)，ρ为电阻率(μΩm)，σB为弯曲强度(MPa)。
关于上述弯曲强度，在室温下使用instron型材料试验机，利用三点弯曲试验方法测定。
另外，将各特性值表示在表2中，另外，将材料A1～A7的变量x与加工速度和电极消耗率的关系表示在图4中。
[表2]
从表2和图4明显可知，对于材料(电极)A1～A7，由于变量x为7.5以下，在电极消耗率和加工速度两个方面都发挥优异的性能。
另外，将利用光学显微镜对材料A1进行摄影而得到的剖面照片表示在图5中。在图5中，白色部分是铜，灰色部分是石墨，黑色部分是空隙。如图5所示，可以判定铜均匀地含浸并存在于石墨中。
(实验3)
以与实验1相同的方法调查上述材料(电极)A1～A5、A8、A9、Z1和Z2的电阻率、铜含浸率和电极消耗率(长度电极消耗率)，将其结果表示在表3中。其中，只对放电加工的条件进行了如下所述那样地变更(其中，与实验1不同的是电流峰值、ON时间和OFF时间)。另外，将材料A1～A5、A8、A9、Z1和Z2的基材的开气孔率与铜含浸率的关系表示在图6中，将材料A1～A5、A8、A9、Z1和Z2的铜含浸率与电阻率的关系表示在图7中，以及将材料A1～A5、A8、A9、Z1和Z2的电阻率与电极消耗率的关系表示在图8中。
·加工面积10×4mm2
·电极的支撑夹具的、向加工深度方向的行进距离2mm
·使用机型：(株式会社)Sodick公司制AQ35L
·极性：正极性
·电流峰值：60(A)
·ON时间：30(μsec)
·OFF时间：100(μsec)
[表3]
从表3和图6可以明显地确认，基材的开气孔率越高，铜含浸率越高，在基材的开气孔率比材料Z1、Z2高的材料A1～A5、A8、A9中，铜含浸率比材料Z1、Z2高。另外，从表3和图7可以明显地确认，铜含浸率越高，电阻率越低，在铜含浸率比材料Z1、Z2高的材料A1～A5、A8、A9中，电阻率比材料Z1、Z2低。另外，从表3和图8可以明显地确认，电阻率越低，电极消耗率越低，在电阻率比材料Z1、Z2低的材料A1～A5、A8、A9中，电极消耗率比材料Z1、Z2低。
(实验4)
接着，在与上述实验3中〔电极消耗率的计算〕所示的条件相同的条件下，使用材料(电极)A1～A5、A8、A9、Z1和Z2，进行上述的超硬合金材料的加工，测定各材料的加工速度。另外，所谓上述加工速度，是指对超硬合金材料加工1分钟时的加工深度。
另外，作为材料(电极)A1～A5、A8、A9、Z1和Z2的铜含浸后的特性，除了上述实验3所示的电阻率、铜含浸率以外，还调查了电极(铜含浸后)的容积密度和弯曲强度。然后，使用下述(2)式，由电极的容积密度、铜含浸率、电阻率和弯曲强度求出材料(电极)A1～A5、A8、A9、Z1和Z2的变量x。
在(2)式中，dB为电极的容积密度(Mg/m3)，为铜的含浸率(％)，ρ为电阻率(μΩm)，σB为弯曲强度(MPa)。
关于上述弯曲强度，在室温下使用instron型材料试验机，利用三点弯曲试验方法测定。
另外，将各特性值表示在表4中，另外，将材料A1～A5、A8、A9、Z1和Z2的变量x与加工速度和电极消耗率的关系表示在图9中。
[表4]
从表4和图9明显可知，对于材料(电极)A1～A5、A8、A9，由于变量x为6.5以下，在电极消耗率和加工速度两个方面都发挥特别优异的性能。
产业上的可利用性
本发明可以用作利用放电加工实施刻模加工时的电极。

Claims (12)

1.一种石墨－铜复合电极材料，其特征在于：
在由石墨材料形成的基材的气孔中含浸有铜，
电阻率为2.5μΩm以下。
2.如权利要求1所述的石墨－铜复合电极材料，其特征在于：
所述电阻率为1.5μΩm以下。
3.如权利要求1所述的石墨－铜复合电极材料，其特征在于：
所述电阻率为1.0μΩm以下。
4.如权利要求1～3中任一项所述的石墨－铜复合电极材料，其特征在于：
所述由石墨材料形成的基材的各向异性比为1.2以下。
5.如权利要求1～4中任一项所述的石墨－铜复合电极材料，其特征在于：
由下述(1)式求出的电极材料中的铜的含浸率为13％以上，
在(1)式中，dB为电极的容积密度，dB，s为由石墨材料形成的基材的容积密度，ρCu为铜的比重(ρCu＝8.96Mg/m3)。
6.如权利要求1～5中任一项所述的石墨－铜复合电极材料，其特征在于：
由下述(2)式求出的变量x为7.5以下，
在(2)式中，dB为电极的容积密度(Mg/m3)，为铜的含浸率(％)，ρ为电阻率(μΩm)，σB为弯曲强度(MPa)。
7.如权利要求6所述的石墨－铜复合电极材料，其特征在于：
由所述(2)式求出的变量x为6.5以下。
8.如权利要求1～7中任一项所述的石墨－铜复合电极材料，其特征在于：
所述由石墨材料形成的基材的容积密度为1.40Mg/m3以上1.85Mg/m3以下。
9.如权利要求1～8中任一项所述的石墨－铜复合电极材料，其特征在于：
所述由石墨材料形成的基材的开气孔率为14体积％以上。
10.如权利要求1～9中任一项所述的石墨－铜复合电极材料，其特征在于：
所述由石墨材料形成的基材的电阻率为8.9μΩm以上19.5μΩm以下。
11.如权利要求1～10中任一项所述的石墨－铜复合电极材料，其特征在于：
使用热等静压法(HIP法)进行所述铜的含浸。
12.一种放电加工用电极，其特征在于：
在利用放电加工对以碳化钨为主要成分的超硬材料实施刻模加工时使用，
该放电加工用电极由权利要求1～11中任一项所述的石墨－铜复合电极材料形成。
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