DE19964388B3

DE19964388B3 - Verfahren zur Bildung einer harten Beschichtung und Vorrichtung zu seiner Durchführung

Info

Publication number: DE19964388B3
Application number: DE19964388.1A
Authority: DE
Inventors: Toshio Moro; Akihiro Goto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-05-13
Filing date: 1999-05-13
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2019-05-14
Also published as: CN1185366C; DE19981060T1; JP3227454B2; CH695188A5; US6602561B1; WO1999058744A1; CN1272144A; TW457154B

Abstract

Verfahren zur Bildung einer harten Beschichtung (16) auf einer Oberfläche einer Gussform als Werkstück (2) durch Übertragen von Material einer Grünling-Elektrode (14) auf die Oberfläche bei Stattfinden einer elektrischen Entladung zwischen der Elektrode (14) und dem Werkstück (2), umfassend folgende Schritte: Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Elektrode (14) und dem Werkstück (2) zum Herbeiführen einer intermittierenden Entladung, einer fortwährenden Entladung oder einer Kombination hiervon derart, dass die harte Beschichtung (16) auf der Oberfläche des Werkstücks (2) gebildet wird; und Abscannen der Oberfläche des Werkstücks (2) mit der Elektrode (14), sodass eine Dicke der harten Beschichtung größer wird in einem Oberflächenbereich, in welchem ein höherer Grad eines Abriebs aufgetreten ist als in einem anderen Oberflächenbereich, in welchem ein geringerer Grad eines Abriebs aufgetreten ist, wobei das Verändern der Dicke der harten Beschichtung auf einer Oberfläche der Gussform als Werkstück so erfolgt, dass die Dicke größer wird in einem Einlassabschnitt der Gussform, in welchem ein höherer Grad eines Abriebs aufgetreten ist als in einem Bodenbereich der Gussform, in welchem ein geringerer Grad eines Abriebs aufgetreten ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung einer harten Beschichtung auf einer Oberfläche eines Werkstücks durch Übertragen von Material einer Grünling-Elektrode auf diese Oberfläche, wenn eine elektrische Entladung zwischen der Elektrode und dem Werkstück stattfindet.
Aus der DE 44 42 161 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils bekannt, welches aus einem hochschmelzenden Metallpulver mit oder ohne Zusätze hergestellt wird.
Die EP 0 140 694 B1 beschreibt ein automatisiertes Funkenbeschichtungsverfahren, bei welchem eine Elektrode maschinell über eine zu beschichtende Werkstückoberfläche geführt wird. Der Abstand zwischen Elektrode und Werkstückoberfläche wird trotz Materialverbrauch and der Elektrode konstant gehalten um die Beschichtungsbedingungen unverändert aufrecht zu erhalten.
Aus der JP 5-148 615 A ist ferner ein Verfahren zum Beschichten der Oberfläche eines Werkstücks mittels elektrischer Entladung bekannt mit dem Ziel, eine Beschichtung von Korrosionswiderstandsfähigkeit und einer hohen Abnutzungswiderstandsfähigkeit zu erreichen. Für die Herbeiführung einer elektrischen Entladung wird hierbei eine Elektrode in der Form eines Grünlings verwendet, bestehend aus WC-Pulver und Co-Pulver: In einem primären Schritt erfolgt eine Ablagerung. Dann wird in einem sekundären Schritt ein Wiederschmelz-Vorgang ausgeführt, nachdem die Elektrode in eine andere Elektrode geändert worden ist, beispielsweise eine Kupferelektrode, deren Elektrodenabnutzung vergleichsweise klein ist. Somit weist das voranstehend erwähnte Verfahren zwei Schritte zur Behandlung der Oberfläche eines metallischen Materials auf. Diese herkömmliche Technik ist ein brauchbares Verfahren, um auf einem Stahlmaterial eine harte Beschichtung zu bilden, die eine zufrieden stellende Härte und Haftungsfähigkeit aufzeigt und eine Dicke von einigen zehn μm aufweist. Jedoch führt das Verfahren zu Schwierigkeiten, falls eine harte Beschichtung mit einer ausreichenden Haftungsfähigkeit auf einem gesinterten Material, beispielsweise aus einer harten Legierung gebildet ist.
Ein Entladungsoberflächen-Behandlungsverfahren, das in der JP 9-192937 A offenbart ist und das eine harte Beschichtung mit einer ausreichenden Haftungsfähigkeit auch auf einer harten Legierung bilden kann, wird nachstehend unter Bezugnahme auf 16 der beigefügten Zeichnungen beschrieben. In 16 bezeichnet ein Bezugszeichen 1 eine Elektrode in der Form eines Grünlings und hergestellt durch Komprimieren von TiH₂ Pulver, 2 bezeichnet ein Werkstück, 3 bezeichnet einen Bearbeitungsbehälter, 4 bezeichnet eine Bearbeitungsflüssigkeit und 5 bezeichnet ein Schaltelement zum Schalten einer Spannung und eines Stroms, die an die Elektrode 1 und das Werkstück 2 geführt werden. Ein Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Steuerschaltung zum Steuern der Ein/Aus-Schaltung des Schaltelements 5. Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Energiequelle, 8 bezeichnet einen Widerstand und 9 bezeichnet eine gebildete harte Beschichtung. Die mit der voranstehend beschriebenen Einrichtung ausgeführte Entladungs-Oberflächenbehandlung ermöglicht die Ausbildung einer harten Beschichtung, die eine hervorragende Haftungsfähigkeit aufzeigt und eine Dicke von mehreren μm bis mehreren zehn μm aufweist, auf der Oberfläche von Stahl oder einer harten Legierung.
Jede der voranstehend erwähnten herkömmlichen Techniken beruht auf der Verwendung einer Elektrode in der Form eines Grünlings, wobei die Komponenten der Elektrode infolge der aufgewendeten Entladungsenergie leicht geschmolzen werden können und es dadurch ermöglicht wird, dass auf der Oberfläche des Werkstücks eine Beschichtung gebildet wird. Jedoch wird die praktische Anwendung des Verfahrens durch die folgenden drei Gründe eingeschränkt.
Ein erster Grund liegt darin, dass die Elektrode in der Form des Grünlingsbrüchig und für Beschädigungen empfänglich ist. Deshalb kann ein Bearbeitungsbetrieb zum Anpassen der Elektrode an die Form des Werkstücks oder ein Bearbeitungsbetrieb zum Bilden von Gewindelöchern zum Sichern der Elektrode an der Vorrichtung nicht leicht ausgeführt werden. Somit wird der Vorbereitungsbetrieb für die Entladungsoberflächenbehandlung zu kompliziert, wodurch bewirkt wird, dass eine wesentliche Prozesseffizienz sich verschlechtert. Um das voranstehend erwähnte Problem zu lösen, kann es deshalb ratsam sein, die Elektrode in der Form des Grünlings in eine Metallelektrode zur Verwendung zu sintern. Jedoch ergibt sich ein Problem dahingehend, dass sich die Verarbeitungsfähigkeit der gesinterten Elektrode verschlechtert und eine Geschwindigkeit, bei der die harte Beschichtung gebildet werden kann, verringert wird.
Ein zweiter Grund liegt darin, dass eine Elektrode, die eine vom Standpunkt einer praktischen Verwendung her zufrieden stellende Größe aufweist, nicht leicht gebildet werden kann. Das heißt, eine Elektrode, die bei der Oberflächenbehandlung einer Gussform oder eines Formstücks oder dergl. verwendet werden soll und vom Standpunkt der praktischen Verwendung eine zufrieden stellend große Größe aufweist, nur dann gebildet werden kann, wenn eine Hochleistungsdruckpresse verwendet wird. Die Tatsache, dass der Druck nicht gleichmäßig in dem Material übertragen werden kann, wenn das Pulvermaterial komprimiert wird, verursacht jedoch, dass eine Unregelmäßigkeit der Dichte auftritt. Deshalb ergibt sich z. B. ein Problem von Sprüngen. Somit folgt, dass eine nicht gleichmäßige harte Beschichtung, die auf dem Werkstück gebildet ist, zu einer Verschlechterung der Qualität des Produkts führt.
Ein dritter Grund liegt darin, dass ein dicker Film nicht leicht gebildet werden kann. Das herkömmliche Verfahren kann eine Beschichtung, deren Dicke größer als wenige μm bis ein oder mehrere zehn μm ist, nicht bilden. Eine harte Beschichtung mit einer Dicke, die größer als der voranstehend erwähnte Wert ist und von der industriellen Anwendung her benötigt wird, kann nicht gebildet werden.
Dies wird nun näher erläutert. Die Dünnfilm-Bildung ist im industriellen Gebiet durch eine physikalische Verdampfung oder chemische Verdampfung, was ein Trockenprozess ist, ausgeführt worden. Ein dicker Film kann durch das voranstehend erwähnte Verfahren nicht gebildet werden. Deshalb musste bisher eine Sprühbeschichtung oder dgl. verwendet werden. Das Sprühbeschichtungsverfahren, das eine Vielzahl von Materialien auf einem Werkstück aufbringen kann, weist jedoch in nachteiliger Weise eine grobe Textur der gebildeten Beschichtung auf. Deshalb kann die Sprühbeschichtung zu einem Zweck wie beispielsweise einem Betrieb zum Bilden einer Beschichtung einer Gussform, das eine Genauigkeit und ein Haltbarkeit erfordert, nicht angewendet werden. Zudem sind die Materialien äußerst beschränkt.
Eine weitere herkömmliche Technik ist in der JP 8-300 227 A offenbart, die sich auf eine Elektrode für eine Entladungs-Oberflächenbehandlung und ein Verfahren für eine Oberflächenbehandlung bei einem metallischen Material bezieht. Dieses Verfahren umfasst die Schritte der Verwendung von Karbid, die Komprimierung davon zu einer Elektrode und einer vorübergehenden Sinterung bei einer Temperatur, die nicht höher ist als die jeweilige Sintertemperatur. Das Verfahren ist darauf gerichtet, dass die Bearbeitungspolarität geändert wird, nachdem die Entladungs-Oberflächenbehandlung ausgeführt worden ist, um einen Prozess zum weiteren Härten der Beschichtung auszuführen. Deshalb muss der vorübergehende Sinterprozess bei einer vergleichsweise hohen Temperatur ausgeführt werden, z. B. bei einer Temperatur von 1100°C während einer Dauer von etwa 30 Minuten. Da dichte Texturen in der voranstehend erwähnten Elektrode in der Form eines Grünlings gebildet und durch den vorübergehenden Sinterprozess hergestellt worden sind, kann eine sekundäre Bearbeitung der Elektrode nicht leicht ausgeführt werden. Zusätzlich kann die Hartbeschichtung nicht effizient auf ein Werkstück aufgebracht werden, was die Qualität der harten Beschichtung beeinflusst. Wenn eine dichte harte Beschichtung benötigt wird, muss der Bearbeitungsbetrieb über eine lange Zeit hinweg ausgeführt werden. Das voranstehend erwähnte Verfahren weist auch ein anderes Problem dahingehend auf, dass der Ablagerungsprozess leicht auf einen Profil-Entladungsprozess abgewandelt wird.
Nun wird ein Verfahren zum Herstellen einer Gussform als ein Beispiel für ein Werkstück beschrieben. Eine Gussform kann durch irgendeines der folgenden drei Verfahren hergestellt werden. Ein erstes Verfahren besteht darin, dass eine Gussform einer Wärmebehandlung unterzogen wird, um eine erforderliche Härte und einen hinreichenden Abnutzungswiderstand zu erreichen. Ein zweites Verfahren verwendet eine Oberflächenmodifizierungstechnik, um eine harte Beschichtung auf einen Abschnitt oder die gesamte Oberfläche der Gussform aufzubringen, um so die Lebensdauer zu verlängern. Ein drittes Verfahren verwendet eine harte Legierung oder ein hartes Material zum Herstellen der Gussform, z. B. aus einer harten Legierung oder dgl. Das Material ist so eingebettet wird, dass die Genauigkeit über eine lange Zeit hinweg aufrechterhalten wird. Das dritte Verfahren wird zur Herstellung einer Gussform für Automobile in einer Massenproduktion oder zur Herstellung von präzisen Produkten verwendet.
Wird das Werkstück durch eine Gussform gebildet, wird hauptsächlich das dritte Verfahren angewendet. Es soll ein Entladungsoberflächen-Behandlungsverfahren für eine Gussform vorgesehen werden, die bisher aus einer harten Legierung gebildet wurde, oder für eine Gussform, die teilweise eine harte Legierung verwendet. Eine herkömmliche Technik, die sich auf das voranstehend erwähnte technische Gebiet bezieht, wird nachstehend beschrieben.
17 zeigt ein Beispiel einer Gussform für einen Stempelkopf, der als eine Gussform für einen genauen Schmiedeprozess verwendet wird. Ein Block 101 aus einer harten Legierung ist in dem zentralen Abschnitt eines Basismetalls 100 eingebettet und wird von einer Profilentladungsmaschine oder einer Drahtentladungsmaschine bearbeitet, um eine tatsächliche Gussformoberfläche zu bilden. Ferner wird eine Entladungsoberflächenbehandlung ausgeführt, um eine harte Beschichtung auf die Oberfläche der Gussform abzulagern, um die Härte der Oberfläche zu erhöhen, und so die Haltbarkeit zu verbessern. 17 zeigt den Aufbau, der verwendet wird, wenn die Entladungs-Oberflächenbehandlung ausgeführt wird. Eine Entladungs-Oberflächenbehandlung, die von einer Elektrode 103 in der Form eines Grünlings ausgeführt wird, verursacht eine harte Beschichtung mit einer Dicke von ungefähr mehreren μm auf der Oberfläche der Gussform. Ein Bezugszeichen 102 bezeichnet einen Schaft zum Sichern der Elektrode 103 in der Form des Grünlings. Wie voranstehend beschrieben, wird die Gussform durch eine Vielzahl von Schritten hergestellt, einschließlich einer Bearbeitung des Basismetalls für die Gussform, einer Einbettung des Hartlegierungsblocks, einer genauen Bearbeitung der Form der Gussform und eine Entladungsoberflächenbehandlung zur Verbesserung der Oberfläche der Gussform.
Der voranstehende Prozess zur Herstellung der Gussform weist zwei kritische Probleme auf. Ein erstes Problem ergibt sich aus der Struktur, dass der Block aus der harten Legierung in ein Basismaterial der Gussform über eine Kraft eingepasst wird. Deshalb müssen sowohl das Basismaterial der Gussform als auch der Hartlegierungsblock mit einer sehr hohen Genauigkeit bearbeitet werden. Deshalb wird eine lange Bearbeitungszeit und ein hoher Kostenaufwand zur Herstellung der Gussform benötigt. Ein zweites Problem wird von der Tatsache verursacht, dass ein Hartlegierungsblock, der in das Basismaterial der Gussform per Presspassung eingebracht wird, aus einem anderen Material als das Material gebildet ist, welches das Basismaterial der Gussform bildet. Infolgedessen bewirkt der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten, dass Sprünge und gar Bruch leicht auftreten. Wenn der Hartlegierungsblock aufgrund des Bruchs oder der Sprünge nicht verwendet werden kann, dann muss die Gussform weggeworfen oder neu hergestellt werden. Auch in diesem Fall werden eine lange Bearbeitungsdauer und ein hoher Kosteneinsatz benötigt.
Ein anderer Fall wird nun beschrieben. Im Gebiet zur Herstellung von Teilen für Automobile wird in einem weit verbreiteten Maße eine Gussform zum Schmieden bzw. Hämmern eines Verbindungsstabs verwendet, der z. B. wie in 18 gezeigt aufgebaut ist. 19 zeigt einen typischen Herstellungsprozess für den voranstehend erwähnten Fall. Kürzlich ist eine Hochgeschwindigkeits-Schneidetechnik schnell verbessert worden. Deshalb kann auch ein hartes Werkstück, das durch eine Wärmebehandlung erhalten wird, einem Schneidebetrieb unterzogen werden. 20 zeigt die Ergebnisse eines Vergleichs über der Zeit, die zum Herstellen von Verbindungsstab-Gussformen benötigt wird, zwischen dem Hochgeschwindigkeits-Schneidebetrieb und dem herkömmlichen Entladungsbearbeitungsverfahren. Wie sich der 20 entnehmen lässt, ist der Hochgeschwindigkeits-Schneidebetrieb effizienter als der herkömmliche Entladungsbearbeitungsbetrieb.
Da sich die Gussform abnutzt, nachdem sie verwendet worden ist, wie in 19 gezeigt, wird ein Wechsel auf eine neue Gussform oder die Verbesserung der Genauigkeit der abgenutzten Gussform erforderlich. Für den Fall einer repräsentativen großen Gussform wie in 18 gezeigt, kann der Hartlegierungsblock vom Standpunkt der Herstellungsvereinfachung nicht leicht eingebettet werden. Ein Hauptteil von größeren Gussformen des voranstehend erwähnten Typs wird gewöhnlich aus Gussstahl hergestellt. Wenn deshalb die Gussstahl-Gussform abgenutzt worden ist, wird nur eine Vorgehensweise zugelassen, mit der eine Wärmbehandlung und eine Oberflächenverbesserung teilweise ausgeführt werden, um die Haltbarkeit zu verbessern. Deshalb wird die Frequenz einer erneuten Herstellung der Gussformen extensiv erhöht, wodurch bewirkt wird, dass die Kosten zur Herstellung der Gussform in äußerstem Masse angehoben werden.
Wird dazu das herkömmliche Verfahren nach der vorerwähnten JP 5-148615 A eingesetzt, ergibt sich jedoch der Nachteil einer geringen Dicke der harten Beschichtung, wie in 21 gezeigt, und einer Verschlechterung der Charakteristiken des Materials bei hohen Temperaturen aufgrund der plastischen Deformation und einer unzureichenden Festigkeit. Deshalb ist es schwierig, die Gussform mit der darauf gebildeten harten Beschichtung als Ersatz für den Hartlegierungsblock zu verwenden. Deshalb ist die voranstehend erwähnte harte Beschichtung nur in einem begrenzten Fall zur Verbesserung der Oberfläche einer harten Legierung verwendbar.
Wie voranstehend beschrieben, ergibt sich ein Problem dahingehend, dass eine lange Bearbeitungszeit und hohe Herstellungskosten zur Herstellung der aus der harten Legierung gebildeten Gussform benötigt werden. Für den Fall einer großen Gussform, in die der Hartlegierungsblock nicht eingebettet werden kann, ergibt sich ein Problem dahingehend, dass die Häufigkeit einer erneuten Herstellung der Gussformen in extensivem Masse erhöht wird und deshalb die Kosten zur Herstellung der Gussform nicht verringert werden können. Das herkömmliche Verfahren zum Bilden der harten Beschichtung durch die Entladungs-Oberflächenbehandlung weist den Nachteil einer unzureichend geringen Dicke auf. Deshalb konnten die geschilderten Probleme nicht beseitigt werden.
Ferner ist aus der EP 0 202 187 B1 die Oberflächenbehandlung einer Metallform vermittels eines sog. Plasmaspritz-Verfahrens bekannt. Dabei wird eine dünne Schicht eines Refraktärmetalls aufgespritzt und danach wird die Form mit einem zuvor erhaltenen Form-Positiv umgeformt. Es wird ferner vermutet, dass die entsprechend Lehre möglicherweise auch zur Reparatur von Formen geeignet ist. Insbesondere könne man lokal abgeriebene Teile mit einer wesentlich dickeren Schicht von Molybdän versehen. Jedoch wird dann auch wieder ein Nachformen notwendig. In der entsprechenden Lehre genügt also ein Plasmaspritzen eines Refraktärmetalls nicht aus, um eine Form vollständig zu reparieren. Auch bei einer Reparatur muss nämlich die aufgetragene Schicht wieder nachgeformt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben und eine hierzu geeignete Vorrichtung zu schaffen, um auf einem Werkstück in Gestalt einer Gussform eine harte Beschichtung auch mit einer vergleichsweise großen Dicke zu bilden, wobei diese Beschichtung kostengünstig und innerhalb einer vergleichsweise kurzen Bearbeitungsdauer hergestellt werden kann und eine gute Haltbarkeit aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 bzw. mit einer Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 4 gelöst.
Weiterbildungen hiervon ergeben sich aus den dem Patentanspruch 1 bzw. 4 jeweils nachgeordneten Unteransprüchen.
Eine Elektrode für ein erfindungsgemäßes Verfahren besteht vorzugsweise aus einem Material, das ein Metallpulver, ein Pulver aus einer Metallverbindung, ein Pulver aus einem keramischen Material oder eine Mischung dieser Pulver ist, wobei dann, nachdem das Material der Elektrode durch eine Kompression geformt worden ist, ein Backschritt bei einer Temperatur ausgeführt wird, bei der ein Teil eines Materials, das als Bindemittel (Bondungen) in dem Material der Elektrode verwendet wird, geschmolzen wird.
Eine Elektrode für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann aber auch gebildet sein durch ein Material oder eine Materialmischung der vorgenannten Art unter Hinzufügung von Wachs. Die Elektrode wird dann durch eine Kompression geformt und es wird eine Erwärmung bei einer Temperatur durchgeführt, die nicht kleiner als eine Temperatur ist, bei der das Wachs geschmolzen wird, und die nicht höher ist als eine Temperatur, bei der sich das Wachs zersetzt und Russ erzeugt wird. Durch diese Erwärmung wird das Wachs verdampft und dadurch entfernt, worauf ein Backschritt bei einer Temperatur ausgeführt wird, bei der eine Teil eines Materials, welches als Bondungen in dem Material der Elektrode verwendet wird, geschmolzen wird.
Der Backschritt zur Bildung einer Elektrode für ein erfindungsgemäßes Verfahren kann bei einer Temperatur ausgeführt werden, die nicht kleiner als 400°C und kleiner 1100°C ist. Eine Elektrode für ein erfindungsgemäßes Verfahren kann ein Pulver eines Materials mit einer Selbstschmierfunktion aufweisen, ein Pulver aus Keramiken oder ein Pulver aus Nitrid oder einer Mischung, aus diesen Pulvern, wobei der Mischvorgang erfolgt, bevor das Material der Elektrode durch eine Kompression geformt wird.
Des weiteren kann eine Elektrode für ein erfindungsgemäßes Verfahren derart gebildet sein, dass Partikel aus einer harten Legierung für eine lange Zeit in einem Vakuumkofen oder dgl. bei einer Temperatur gehalten werden, die nicht kleiner als eine Temperatur ist, bei der eine Flüssigphase auftritt, um so einer Hauptsinterung ausgesetzt zu werden, bevor das Material der Elektrode durch eine Kompression geformt wird, so dass Partikel der harten Legierung mit dem Material der Elektrode gemischt werden.
Eine Elektrode für ein erfindungsgemäßes Verfahren kann auch gebildet sein durch Verwenden von Metallpulver, Pulver einer Metallverbindung, Pulver eines Keramikmaterials oder einer Mischung solcher Pulver, und durch Ausführen eines Backvorgangs bei einer Temperatur, bei der ein Teil eines Materials, welches als Bondungen in dem Material der Elektrode verwendet wird, geschmolzen wird, nachdem das Material der Elektrode durch eine Kompression geformt worden ist.
Eine Elektrode für ein erfindungsgemäßes Verfahren kann auch derart gebildet sein, dass ein Backschritt bei einer Temperatur ausgeführt wird, die nicht kleiner als 400°C und kleiner als 1100°C ist.
Eine Elektrode für ein erfindungsgemäßes Verfahren kann in folgenden Schritten hergestellt werden: Verwenden von Metallpulver, einem Pulver aus einer Metallverbindung, einem Pulver aus einem Keramikmaterial oder einer Mischung des Pulvers für das Material der Elektrode; Formen des Materials der Elektrode durch eine Kompression; Formen der Elektrode durch Ausführen eines Backvorgangs bei einer Temperatur, bei der ein Teil eins Materials, das als Bondungen in dem Material der Elektrode verwendet wird, geschmolzen wird; und Bewirken, dass eine Bogenentladung, die eine impulsförmige Bogenentladung, eine kontinuierliche Bogenentladung oder eine Kombination der kontinuierlichen Bogenentladung und einer intermittierenden Bogenentladung ist, zwischen der Elektrode und dem Werkstück auftritt, so dass eine Energie der Bogenentladung verwendet wird, um eine harte Beschichtung auf der Oberfläche des Werkstücks zu bilden.
Ferner kann eine Elektrode für ein erfindungsgemäßes Verfahren in der Weise hergestellt werden, dass ein Backvorgang bei einer Temperatur ausgeführt wird, die nicht kleiner als 400°C und kleiner als 1100°C ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein nichtaktives Gas zwischen der Elektrode und dem Werkstück eingebracht werden.
Ferner wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Elektrode relativ zum Werkstück im Sinne eines Abtastvorgangs (Scannen) bewegt, um die harte Beschichtung auf der Oberfläche der Gussform als Werkstücks zu bilden.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann für die Elektrode ein Pulver aus einem Material mit einer Selbstschmierfunktion, ein Pulver aus Keramiken, ein Pulver aus Nitrit oder aus einer Mischung, die durch Kombinieren derartiger Pulvermaterialien erhalten wird, eingesetzt werden, bevor das Material der Elektrode durch eine Kompression geformt wird.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird in der Weise ausgeführt, dass Partikel aus einer harten Legierung für eine lange Zeit in einem Vakuumofen oder dgl. auf einer Temperatur gehalten werden, die nicht kleiner als eine Temperatur ist, bei der eine Flüssigphase auftritt, um so einer Hauptsinterung ausgesetzt zu werden, bevor das Material der Elektrode durch eine Kompression geformt wird, so dass Teilchen der harten Legierung mit dem Material der Elektrode gemischt werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Werkstück als eine Gussform ausgebildet, die harte Beschichtung wird auf der Oberfläche eines Basismaterials der Gussform gebildet und es kann dann eine Bearbeitung oder Entladung zur Endbearbeitung der harten Beschichtung ausgeführt werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine harte Beschichtung in einem Bereich mit hohem Abriebgrad in einer Dicke ausgebildet, die größer ist als die Dicke in einem anderen Bereich, in der ein Abriebgrad gering ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Teil der Gussform, in der ein Abrieb aufgetreten ist, durch Ausführen einer Entladungs-Oberflächenbehandlung modifiziert werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Formungs-Elektrode vorher durch Verwendung des Basismaterials der Gussform, die einer vorangehenden Bearbeitung unterzogen wurde, hergestellt werden und der Teil der Gussform, in der ein Abrieb aufgetreten ist, durch Ausführen einer Entladungs-Oberflächenbehandlung, die die Formungs-Elektrode verwendet, modifiziert werden
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann umfassen: Eine Entladungs-Erzeugungseinrichtung zu Erzeugen einer Bogenentladung, die eine impulsförmige Bogenentladung, eine kontinuierliche Bogenentladung oder eine Kombination der kontinuierlichen Bogenentladung und einer intermittierenden Bogenentladung zwischen einer Elektrode und einem Werkstück ist, und wobei die Elektrode geformt wird aufgrund eines Backvorgangs bei einer Temperatur, bei der ein Teil eines Materials, das als Bondungen in dem Material der Elektrode verwendet wird, geschmolzen wird, nachdem ein Metallpulver, ein Pulver aus einer Metallverbindung, ein Pulver aus einem Keramikmaterial oder eine Mischung des Pulvers durch eine Kompression geformt ist.
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann einen Backvorgang bei einer Temperatur ausführen, die nicht kleiner 400°C und kleiner als 1100° ist.
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann ferner umfassen: Eine Zuführungseinrichtung für ein nicht aktives Gas, um ein nicht aktives Gas zwischen die Elektrode und das Werkstück zu führen.
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann ferner umfassen: Eine X-Achsen-Bewegungseinheit, eine Y-Achsen-Bewegungseinheit und eine Z-Achsen-Bewegungseinheit zum relativen Bewegen der Elektrode und des Werkstücks in einer X-Richtung, einer Y-Richtung und einer Z-Richtung.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die folgenden Wirkungen erhalten werden.
Es kann eine harte Beschichtung auf einem Werkstück effizient gebildet werden und das erfindungsgemäße Entladungs-Oberflächenbehandlungsverfahren kann auf einer Gussform angewendet werden. Ein Maskierungsprozess kann entfallen, weil die harte Beschichtung in einem Bereich der Gussform als Werkstück gebildet werden kann, der im wesentlichen der gleiche wie der Bereich der Elektrode ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann einen einfachen Aufbau aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann so erfolgen, dass eine Elektrode geringer Größe zum Abtasten einer größeren Fläche des Werkstücks verwendet werdet wird. Es kann mit dieser Elektrode eine beliebige gekrümmte Oberfläche einer Gussform längs einer dreidimensionalen freien gekrümmten Kurve abgetastet (gescannt) werden und eine harte Beschichtung kann mit gleich bleibender Dicke oder so, dass die Dicke erforderlichenfalls variiert werden kann, gebildet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine harte Beschichtung gebildet werden, die spezielle Funktionen ausüben oder Eigenschaften aufweisen kann, einschließlich einer Schmierfähigkeit und einer hohen Festigkeit gegenüber hohen Temperaturen und mit einem hohen Abnutzungswiderstand.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine dichte harte Beschichtung mit hoher Qualität frei von Unregelmäßigkeiten bezüglich der Härte auf dem Werkstück gebildet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Bildung einer harten Beschichtung in einer kurzen Bearbeitungszeit mit zufrieden stellender Genauigkeit. Die harte Beschichtung zeigt eine hervorragende Haltbarkeit auf und ermöglicht einen wiederholten Auftrag auf das Werkstück, wenn es abgenutzt wird. Es ist auch eine Modifizierung des Schichtauftrags entsprechend unterschiedlichen Anforderungen an die Abriebfestigkeit möglich. Die Erneuerung des gesamten Werkstücks ist dadurch nicht erforderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren erzielt somit den Vorteil, dass eine etwa notwendige Modifikation der Gussform in einer beträchtlich kurzen Zeit abgeschlossen werden kann.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Funkenbeschichtungsverfahrens und bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Funkenbeschichtungsvorrichtung werden im folgenden zusammen mit der Herstellung und Ausbildung hierfür geeigneter Elektroden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer Elektrode für einem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 ein weitere schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer Elektrode für ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei Wachs in ein Material der Elektrode eingebracht wird;
3 einen Graph, der ein Beispiel einer Dampfdruckkurve des Wachses zeigt;
4 eine Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 vergrößerte fotografische Darstellungen einer harten Beschichtung, die durch eine einzelne Entladung unter Verwendung von TiC als einer Hauptkomponente der Elektrode gebildet wird;
6 eine fotografische Darstellung eines Ablagerungszustandes einer harten Beschichtung, die durch eine kontinuierliche Entladung gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet wird;
7 eine weitere Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 eine weitere Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 eine Darstellung von Ergebnissen einer Röntgenstrahlbrechung an einer harten Beschichtung, die auf einem Werkstück gebildet ist durch Verwenden einer Elektrode, die so gebacken ist, dass ein vorangehender Zustand einer Sinterung, die hauptsächlich aus TiC besteht, realisiert wird;
10 eine graphische Darstellung von Ergebnissen einer Messung der Vickers-Härte einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildeten harten Beschichtung;
11 eine schematische Darstellung, welche ein Verfahren zum Bilden einer harten Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei das Verfahren in der Lage zum Bereitstellen von speziellen Funktionen ist;
12 eine schematische Darstellung, welche einen Zustand zeigt, bei dem ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auf eine genau geschmiedete Gussform angewendet wird;
13 ein Diagramm, das einen Prozess zum Herstellen und zur Verwendung einer Gussform gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
14 ein Diagramm, das die Anwendung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf eine Pressgussform zeigt;
15 ein Diagramm, das ein Verfahren zum Ändern der Dicke der harten Beschichtung in Abhängikeit von einem Abnutzungsgrad zeigt, um die Lebensdauer der Gussform zu verlängern;
16 ein Diagramm, das den Aufbau einer herkömmlichen Entladungs-Oberflächenbehandlungsvorrichtung zeigt;
17 eine Fotografie, die eine Gussform für einen Stempelkopf zeigt, der als eine herkömmliche Gussform verwendet wird, die durch ein genaues Schmieden hergestellt wird;
18 eine Fotografie, die eine herkömmliche geschmiedete Gussform für einen Verbindungsstab zeigt;
19 ein Diagramm, das ein Beispiel eines herkömmlichen Prozesses zum Herstellen einer Gussform zeigt;
20 eine schematische Darstellung, welche Ergebnisse eine Vergleichs der Zeit zeigt, die zum Herstellen einer Gussform für einen Verbindungsstab benötigt wird, und zwar zwischen einer herkömmlichen Entladungsbearbeitung und einem Verfahren, bei dem ein Hochgeschwindigkeits-Schneidevorgang verwendet wird; und
21 eine Fotografie, die eine Beschichtung zeigt, die durch eine herkömmliche Entladungs-Oberflächenbehandlung gebildet wird.
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen näher erläutert.
1 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode für ein erfindungsgemäßes Verfahren zeigt. Hier wird ein Prozess zum Herstellen einer Elektrode für eine Entladungs-Oberflächenbehandlung beschrieben, die aus einem Pulver gebildet ist, das durch Mischen von WC Pulver und Co Pulver als ein Beispiel erhalten wird. Unter Bezugnahme auf 1 bezeichnet ein Bezugszeichen 11 eines Grünlings, 12 bezeichnet ein WC Pulver, 13 bezeichnet ein Co Pulver, 13a bezeichnet ein Co Pulver, wobei ein Teil davon geschmolzen worden ist, 14 bezeichnet eine Elektrode für eine Entladungsoberflächenbehandlung, 21 bezeichnet einen Vakuumofen, 22 bezeichnet eine Hochfrequenzspule, und 23 bezeichnet eine Vakuumatmosphäre.
Der Grünling 11, der durch Mischen und Kompressionsformen des WC Pulvers und des Co Pulvers erhalten wird, kann durch einfaches Mischen und Kompressionsformen des WC Pulver 12 und des Co Pulvers 13 erhalten werden. Es wird bevorzugt, dass das Wachs gemischt wird und dann eine Kompressionsformung ausgeführt wird, weil die Formbarkeit des Grünlings 11 verbessert werden kann. Dann wird das Formungsverfahren, das so ausgeführt wird, dass das Wachs gemischt wird, nun unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
Ein Bezugszeichen 15 bezeichnet das Wachs, beispielsweise Paraffin, in dem Grünling 11, der in dem in 2(a) gezeigten Vakuumofen 21 angeordnet ist. Wenn das Wachs 15 mit dem Pulver gemischt ist, das durch Mischen des WC Pulver 12 und des Co Pulvers 13 erhalten wird, bevor die Kompressionsformung ausgeführt wird, kann die Formbarkeit des Grünlings 11 wesentlich verbessert werden. Da jedoch das Wachs 15 eine isolierende Substanz ist, erhöht das Belassen davon in der Elektrode in einer grossen Menge den elektrischen Widerstand der Elektrode. Somit verschlechtert sich die Entladungs-Charakteristik. Deshalb muss das Wachs 15 entfernt werden. 2(a) zeigt einen Zustand, bei dem die Elektrode in der Form des Grünlings mit gemischtem Wachs in den Vakuumofen 21 eingeführt wird, um so erwärmt zu werden. Der Erwärmungsvorgang wird in der Vakuumatmosphäre 23 ausgeführt. Als Alternative dazu kann die Atmosphäre Gas sein, beispielsweise Wasserstoffgas oder ein Argongas. Der Grünling 11, der in den Vakuumofen 21 plaziert ist, wird mit hohen Frequenzen durch die Hochfrequenzspule 22 erwärmt, die um den Vakuumofen 21 herum angeordnet ist. Wenn die Erwärmungstemperatur zu gering ist, kann das Wachs 15 nicht entfernt werden. Wenn die Erwärmungstemperatur zu hoch ist, dann wird aus dem Wachs 15 in unerwünschter Weise Ruß gebildet. Infolgedessen verschlechtert sich die Reinheit der Elektrode. Deshalb darf die Temperatur nicht kleiner als die Temperatur, bei der das Wachs 15 geschmolzen wird, und nicht höher als die Temperatur, bei der das Wachs 15 zersetzt und Ruß gebildet wird, sein. Eine Dampfdruckkurve von Wachs mit einem Siedepunkt von 250°C ist in 3 als ein Beispiel gezeigt. Wenn der atmosphärische Druck in dem Vakuumofen 21 so eingestellt wird, dass er nicht höher als der Dampfdruck des Wachses 15 ist, wird das Wachs 15 verdampft und wie in 2(b) gezeigt entfernt. Infolgedessen kann der Grünling 11, der aus WC und Co gebildet ist, erhalten werden.
Dann wird der Grünling 11 in dem Vakuumofen 21 von der Hochfrequenzspule 22 mit hohen Frequenzen erwärmt, wie in 1(a) gezeigt, um die Festigkeit bereitzustellen, mit der eine Haltbarkeit gegenüber einer Bearbeitung an dem Grünling 11 erhalten werden kann. Um einen übermässigen Erhärtungsgrad zu verhindern, wird ein Backvorgang auf eine Härte von z. B. einer Kreide ausgeführt (nachstehend als ein ”vorangehender Sinterzustand” bezeichnet). In dem vorangehenden Zustand beginnt eine Elution eines Eisenmetalls, beispielsweise Co, um die Spalte zwischen den Karbidpartikeln zu füllen. Somit wird ein Zustand einer festen Lösung des Karbids gebildet. Andererseits schreitet in den Teilen, in denen Karbid in Kontakt miteinander gehalten wird, die Verbindung fort. Jedoch ist die Sintertemperatur vergleichsweise niedrig, um eine Hauptsinterung zu realisieren, was bewirkt, dass schwache Verbindungen (Bondungen) gebildet werden.
Der Backvorgang zum Realisieren des vorangehenden Sinterzustands wird unter Temperaturbedingungen ausgeführt, die in Abhängigkeit von dem Material der Elektrode verändert werden. Die Bedingungen können vorher in Abhängigkeit von Ergebnissen von Experimenten bestimmt werden. In einem Beispielfall, bei dem WC Pulver und Co Pulver miteinander gemischt werden (Gewichtsverhältnis ist = 8:2), um so kompressions-geformt zu werden, kann der vorangehende Sinterzustand realisiert werden, indem ein Backvorgang bei 600°C für eine Stunde ausgeführt wird. Wenn TiC Pulver und TiH2 Pulver miteinander gemischt werden (Gewichtsverhältnis ist = 9:1), um so kompressions-geformt zu werden, kann der vorangehendes Sinterzustand realisiert werden, indem ein Backvorgang bei 900°C für eine Stunde ausgeführt wird.
Wie voranstehend beschrieben muss die Temperatur, bei der ein Backvorgang ausgeführt wird, um den vorangehenden Sinterzustand zu realisieren, eingestellt werden, bei der ein Teil eines weichen Materials (z. B. Co Pulver), das als Bondungen bezüglich eines harten Materials (z. B. WC Pulver) verwendet wird, geschmolzen wird. Die vorangehende Temperatur ist wesentlich niedriger als der Schmelzpunkt des weichen Materials. Die Temperatur verändert sich in Abhängigkeit von dem Mischverhältnis des harten Materials und des weichen Materials. D. h., wenn das Verhältnis des weichen Materials, das verwendet wird, um als die Bondungen bezüglich des harten Materials zu dienen, erhöht wird, dann muss die Backtemperatur zum Realisieren des vorangehenden Sinterzustands abgesenkt werden. Wenn das Verhältnis des weichen Materials, das als die Bondierungen dient, angehoben wird, und somit das Verhältnis des harten Materials abgesenkt wird, verschlechtert sich die Effizienz zum Bilden der harten Beschichtung auf dem Werkstück. Deshalb weist das Verhältnis des weichen Materials, das als die Bondierungen dient, eine Grenze vom Standpunkt der praktischen Verwendung her auf. Deshalb weist die Backtemperatur zum Realisieren des vorangehenden Sinterzustands eine untere Grenze auf. D. h., es wird bevorzugt, dass die Backtemperatur zum Realisieren des vorangehenden Sinterzustands 400°C oder höher ist.
Es ist ferner eine wichtige Tatsache, dass die Backtemperatur zum Realisieren des vorangehenden Sinterzustands niedriger als 1100°C sein muss. Wenn die Temperatur höher als der voranstehend erwähnte Pegel ist, wird die Elektrode übermässig gehärtet. Deshalb ergibt ein Entladungsprozess, der als nächstes ausgeführt werden muss, ein Problem dahingehend, dass das Material der Elektrode aufgrund eins Wärmeschocks, der durch die Bogenentladung verursacht wird, in gleichmässiger Weise getrennt wird und deshalb das Material der Elektrode nicht normal an einen Raum zwischen die Pole geführt wird. Infolgedessen verschlechtert sich die Qualität der Beschichtung, die auf dem Werkstück gebildet wird, in übermässiger Weise.
Die Elektrode für die Entladungs-Oberflächenbehandlung, die kompressions-geformt worden ist und dann gebacken wurde, um so in den vorangehenden Sinterzustand gebracht zu werden, kann leicht durch einen mechanischen Entfernungsprozess gebildet bzw. geformt werden, beispielsweise einen Drehbetrieb, einen Schleifbetrieb oder einen Polierbetrieb oder einen Entladungsprozess. Ferner weist die Elektrode für die Entladungs-Oberflächenbehandlung eine Charakteristik dahingehend auf, dass ein Rate, bei der die harte Beschichtung auf einem Werkstück durch die Entladungs-Oberflächenbehandlung unter Verwendung der vorangehenden Elektrode gebildet wird, nicht abgesenkt wird.
4 ist eine schematisches Diagramm, das den Aufbau eines Entladungs-Oberflächenbehandlungsverfahrens und einer Vorrichtung dafür gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Unter Bezugnahme auf 4 stellt ein Bezugszeichen 14 eine Elektrode für eine Entladungs-Oberflächenbehandlung dar und 16 stellt eine harte Beschichtung dar, die auf einem Werkstück 2 gebildet ist. Ein Bezugszeichen 31 bezeichnet einen Zuführungsmotor und 32 bezeichnet eine Zuführungsschraube. Ein Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Bearbeitungsbehälter, 4 bezeichnet eine Arbeitsflüssigkeit, die hauptsächlich aus Öl mit einer Isolationscharakteristik oder Wasser besteht, und 5 bezeichnet ein Schaltelement zum Schalten einer Spannung und eines Stroms, die an die Elektrode 14 für eine Entladungs-Oberflächenbehandlung unter das Werkstück 2 angelegt werden. Ein Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Steuerschaltung zum Steuern des EIN/AUS-Zustands des Schaltelements 5. Ein Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Energiequelle und 8 bezeichnet einen Widerstand. Die Elektrode 14 für eine Entladungs-Oberflächenbehandlung ist eine Elektrode, die kompressions-geformt und gebacken ist, um so in den vorangehenden Sinterzustand gebracht zu werden, ähnlich wie diejenige gemäss der ersten Ausführungsform. Eine Steuereinheit (nicht gezeigt) erlaubt dem Zuführungsmotor 31, die Elektrode 14 für eine Entladungs-Oberflächenbehandlung an dem Werkstück 2 in einem erforderlichen Steuermodus einschließlich einer Servo-Zuführung und einer Konstantgeschwindigkeits-Zuführung zuzuführen.
Die Arbeitsflüssigkeit 4 besteht hauptsächlich aus Öl mit der Isolationscharakteristik oder Wasser. Wenn isolierendes Öl für die Arbeitsflüssigkeit 4 verwendet wird, können Vorteile dahingehend realisiert werden, dass Techniken für die Entladungsmaschine, die weitläufig verwendet werden, direkt angewendet werden können und der mechanische Aufbau vergleichsweise vereinfacht werden kann. Wenn Wasser als die Arbeitsflüssigkeit verwendet wird, wird manchmal gleichzeitig mit der Realisation Hydroxid erzeugt. Deshalb ergibt sich manchmal ein Problem dahingehend, wenn ein Hochqualitätsfilm benötigt wird. Wenn eine elektrofreie Energiequelle einer Drahtentladungsmaschine, die weitläufig verwendet wird, angewendet wird, können die voranstehenden Probleme beseitigt werden. Selbst für den Fall, dass Wasser als die Arbeitsflüssigkeit verwendet wird, kann eine harte Beschichtung mit einer Charakteristik gebildet werden, die vom Standpunkt einer praktischen Verwendung die gleiche wie diejenige ist, die für den Fall erhalten werden kann, dass Isolationsöl als die Arbeitsflüssigkeit verwendet wird.
Ein Verfahren zum Bilden der harten Beschichtung 16 wird nun beschrieben. Wenn eine intermittierende oder kontinuierliche Bogenentladung durch die Energiequelle zwischen der Elektrode 14 für eine Entladungs-Oberflächenbehandlung und dem Werkstück 2 erzeugt wird, dann wird der Raum zischen den Polen lokal aufgrund der erzeugten Wärme erwärmt. Um die Beschreibung zu vereinfachen, wird nun ein Prozess unter Verwendung einer impulsförmigen und intermittierenden Bogenentladung beschrieben. Wenn eine Energiequelle für einen Entladungsprozess, die am häufigsten verwendet wird, als eine Einrichtung zum Erzeugen der intermittierenden Bogenentladung angewendet wird, kann der Aufbau leicht verstanden werden. Es wie darauf hingewiesen, dass die Wellenform, der Wert des Stroms und die anderen Bedingungen optimiert werden müssen, wenn erforderlich. Wenn eine Bogenentladung erzeugt wird, verursacht die Wärmeschockenergie, dass ein Teil des Materials der Elektrode 14 für eine Entladungs-Oberflächenbehandlung dem Werkstück 2 gegenüberliegend in den Raum zwischen den Polen getrennt wird und gleichzeitig als Energie entladen wird. Der Raum zischen den Polen wird sofort in einen heißen Plasmazustand gebracht, dessen Temperatur mehrere Tausend Grad oder höher ist. Somit wird ein Hauptteil des Materials der Elektrode in einen vollständig geschmolzenen Zustand gebracht. Auch die Oberfläche des Werkstücks, das der Elektrode an einer Position gegenüberliegt, an der die Bogenentladung erzeugt worden ist, wird momentan bzw. augenblicklich erwärmt. Somit wird die vorangehende Oberfläche in einen geschmolzenen Zustand gebracht, ähnlich wie das Material der Elektrode. In diesem heißen Zustand werden das geschmolzene Material der Elektrode und des Werkstücks miteinander gemischt. Somit wird eine Legierungsphase zwischen dem Material der Elektrode und dem Basismaterial des Werkstücks auf dem Werkstück gebildet. Dann verursacht eine Existenz der Arbeitsflüssigkeit zwischen den Polen und deren Umgebungsabschnitt, dass die Temperatur schnell abgesenkt wird. In einem Prozess von dem heissen Zustand in den kalten Zustand finden Übergangsreaktionen zwischen einer Flüssigphase der Eisenlegierung und einer festen Phase, die das Karbid oder eine feste Lösung ist, die Reaktionen zwischen festen Phasen der Karbidsubstanz bilden, momentan bzw. augenblicklich statt. Deshalb findet eine Hauptsinterung in einer sehr kurzen Zeit statt. Somit wird die harte Beschichtung 16 auf dem Werkstück 2 gebildet. Wenn der vorangehende Prozess wiederholt wird, wird eine Verschmelzungsreaktion zwischen der Oberfläche der gebildeten harten Beschichtung und dem Material der Elektrode wiederholt. Wenn die Zeit abläuft, schreitet eine Ablagerung der Beschichtung fort, so dass eine dicke Schicht gebildet wird.
Um die Bogenentladung stabil aufrechtzuerhalten, muss eine Servosteuerung zwischen den Polen ausgeführt werden, wenn ein tatsächlicher Prozess ausgeführt wird. Der Servobetrieb zwischen den Polen ist ein Betrieb zum Aufrechterhalten eines vorgegebenen Spalts zwischen der Elektrode für eine Entladungs-Oberflächenbehandlung und dem Werkstück oder einer vorgegebenen Spannung zwischen den Polen, die benötigt wird, wenn der Prozess ausgeführt wird. Auch eine Zuführungssteuerung, die benötigt wird, nachdem die Elektrode verbraucht worden ist, ist enthalten. Um einen vorgegebenen Spalt aufrechtzuerhalten, um dem Spalt zwischen den Polen zu entsprechen, der sich ändert, wenn die Zeit abläuft, oder um eine vorgegebene Spannung zwischen den Polen aufrechtzuerhalten, muss eine Zuführung der Elektrode ausgeführt werden. Der voranstehende sequentielle Steuerbetrieb wird als ”Servobetrieb zwischen den Polen” bezeichnet.
5 ist eine vergrößerte Fotografie einer harten Beschichtung, die durch eine einzelne Entladung für den Fall gebildet wird, dass die Hauptkomponente der Elektrode TiC ist. Auch von den Ergebnissen der Analyse einer Röntgenstrahlbrechung, die nachstehend beschrieben wird, wurde die harte Beschichtung aufgrund einer momentanen Reaktion gebildet. 6 zeigt einen Zustand einer Ablagerung der harten Beschichtung, die durch die kontinuierliche Entladung gebildet wird. Ein Zustand, bei dem harte Beschichtungen, von denen jede durch eine einzelne Entladung gebildet worden ist, überlagert und abgelagert werden, kann deutlich ersehen werden. Wie voranstehend beschrieben, wird die Elektrode für eine Entladungs-Oberflächenbehandlung, die kompressions-geformt und gebacken wird, um so in den vorangehenden Sinterzustand gebracht zu werden, verwendet, um zu bewirken, dass eine Bogenentladung kontinuierlich stattfindet. Somit kann die harte Beschichtung auf dem Basismaterial des Werkstücks gebildet werden.
Somit kann die harte Beschichtung aufgrund der einzelnen Entladung momentan gebildet werden. Ferner ermöglicht eine kontinuierliche Bogenentladung, dass eine harte Beschichtung gebildet wird. Die intermittierende Entladung ist effektiv, um einen Anstieg der Temperatur des Werkstücks zu verhindern. Andererseits ist die Temperatur der Oberfläche des Werkstücks vergleichsweise niedrig, was bewirkt, dass die Dichte der Bildung der harten Beschichtung etwas unzureichend wird. Um das voranstehende Problem zu verhindern, wird eine Erzeugung der kontinuierlichen Bogenentladung benötigt. In diesem Fall findet eine Konzentration einer Bogenentladung an einem Punkt statt, was bewirkt, dass ein Defekt in dem Bearbeitungsbetrieb auftritt. Deshalb wird eine stabile Bogenentladung erzeugt, während eine hohe Temperatur aufrechterhalten wird und der Servobetrieb zwischen den Polen durch Kombinieren der kontinuierlichen Bogenentladung und der intermittierenden Bogenentladung ausgeführt wird. Eine Bogenentladung, die eingestellt ist, um bei Intervallen von mehreren μ-Sekunden ausgeführt zu werden, und eine kontinuierliche Bogenentladung, die für mehrere Sekunden ausgeführt wird, werden miteinander kombiniert. Wenn die vorangehende Kombination gemäss der Formungsbedingung der harten Beschichtung optimiert ist, kann eine dichtere Beschichtung schnell und in zuverlässiger Weise abgelagert werden.
Das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung ermöglicht, dass die harte Beschichtung in einem Gebiet des Werkstücks abgelagert wird, das im wesentlichen das gleiche Gebiet wie das Gebiet der Elektrode ist. Dieser Vorteil ist mit den anderen Verfahren nicht erreichbar und ist eine hervorragende Charakteristik der vorliegenden Erfindung. Die herkömmlichen physikalische Verdampfung und chemische Verdampfung erfordern einen Maskierungsprozess, beispielsweise eine Plattierung, um einen Teilprozess auszuführen. Das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung benötigt den Maskierungsprozess nicht, d. h., nur die vorangehende Bildung einer Elektrode mit einem erforderlichen Querschnittsgebiet und eine Ausführung einer Bearbeitung werden nötig. Für den Fall, dass ein grosses Gebiet bearbeitet werden muss, kann eine Elektrode mit einer kleinen Grösse verwendet werden, so dass eine Bearbeitung aufgeführt wird, während die Elektrode in ähnlicher Weise wie zu dem Mahlprozess gescannt wird. Deshalb wird eine Elektrode mit einer grossen Grösse und einer speziellen Form nicht benötigt.
Das Konzept eines Bearbeitungsverfahrens unter Verwendung des Elektrodenscanverfahrens ist in 7 gezeigt. Eine X-Achsen-Bewegungseinheit, eine Y-Achsen-Bewegungseinheit und eine Z-Achsen-Bewegungseinheit (nicht gezeigt) werden betrieben, um die Elektrode 14 für eine Entladungs-Oberflächenbehandlung und das Werkstück 2 in die X, Y und Z-Richtungen zu bewegen. Somit wird die harte Beschichtung 16 auf der Oberfläche des Werkstücks 2 gebildet. Für den Fall, dass das Werkstück 2 eine Gussform ist, ist die Oberfläche der Gussform nicht eine flache Oberfläche, d. h., die Oberfläche ist eine komplizierte frei gekrümmte Oberfläche in einer dreidimensionalen Gestalt. Die X-Achsen-Bewegungseinheit, die Y-Achsen-Bewegungseinheit und die Z-Achsen-Bewegungseinheit ermöglichen der Elektrode, einen Scanvorgang so auszuführen, dass der Spalt von der frei gekrümmten Oberfläche der Gussform aufrechterhalten wird oder eine vorgegebene Servospannung aufrechterhalten wird. In diesem Fall wird die Elektrode relativ schnell verbraucht. Deshalb muss eine Zuführung für eine Korrektur, um einem Verbrauch der Elektrode zu entsprechen, ausgeführt werden. Somit muss die Bewegung der Hauptwelle zum Halten der Elektrode in der Z-Richtung genau und schnell gesteuert werden. Der vorangehende Betrieb wird wiederholt, so dass die Elektrode entlang der gesamten gekrümmten Oberfläche gescannt wird, die die Gussform bildet. Somit kann die harte Beschichtung abgelagert werden, um eine vorgegebene Dichte über der Oberfläche der Gussform aufzuweisen, oder so, dass verschiedene Dicken eine Anforderung erfüllen.
Die Funktion der Arbeitsflüssigkeit wird nun beschrieben. Unter Bezugnahme auf 4 befindet sich die Arbeitsflüssigkeit 4 zwischen der Elektrode 14 für eine Entladungs-Oberflächenbehandlung und dem Werkstück 2. Der Grund, warum die Arbeitsflüssigkeit 4 dazwischen angeordnet ist, besteht darin, dass eine Entladung stabilisiert werden muss, um den Bearbeitungsbetrieb aufrechtzuerhalten, Wärme, die aufgrund der Entladung erzeugt wird, muss entfernt werden und ein Teil des Materials der Elektrode, der nicht zum Bilden der harten Beschichtung auf dem Werkstück verwendet werden kann und der entfernt werden muss, muss aus dem Raum zwischen den Polen entfernt werden. Deshalb weist die vorangehende Arbeitsflüssigkeit wichtige Funktionen auf. Es sei darauf hingewiesen, dass die Arbeitsflüssigkeit 4 sich von derjenigen der herkömmlichen Technik unterscheidet, weil sie keine Funktion zum Zuführen eines Rohmaterials zum Erzeugen eines Produkts von Reaktionen aufweiset. Deshalb ist die Arbeitsflüssigkeit nicht ein wesentliches Element.
Da die Arbeitsflüssigkeit nicht wesentlich ist, kann die Entladung auch an Luft ausgeführt werden. Ein Entladungs-Oberflächenbehandlungsverfahren an Luft wird nun beschrieben. Unter Bezugnahme auf 8 bezeichnet ein Bezugszeichen 17 eine Gasquelle, die mit einem Kanal 18 verbunden ist, der in der Elektrode 14 für eine Entladungs-Oberflächenbehandlung durch ein Rohr gebildet ist. Während einer Zuführung einer elektrischen Energie von der Energiequelle 7, wird Luft oder ein nicht aktives Gas, beispielsweise Stickstoffgas, von der Gasquelle 17 in einer erforderlichen Menge zugeführt. Ein Zuführungsrohr 19 ist ein Beispiel, das zum Zuführen des Gases von dem äußeren Teil der Elektrode für den Fall verwendet wird, dass der Kanal nicht in der Elektrode gebildet werden kann. Somit wird das Gas in den Raum hinein zwischen den Polen eingespritzt. Das Gas wird zu dem gleichen Zweck der vorangehenden Arbeitsflüssigkeit zugeführt. Wenn die Gaszuführung nicht ausgeführt wird, kann eine Bildung der harten Beschichtung auf dem Werkstück nicht stabil ausgeführt werden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Gas um Luft oder ein Stickstoffgas im Hinblick auf Umweltverträglichkeiten.
Die repräsentativen Charakteristiken der gebildeten harten Beschichtung werden nun unter Verwendung von ermittelten experimentellen Daten beschrieben. 9 zeigt Ergebnisse einer Röntgenstrahlbeugung der harten Beschichtung für einen Fall, dass eine Elektrode, die so kompressions-geformt ist, dass TiC die Hauptkomponente ist und so gebacken ist, dass sie auf dem vorangehenden Sinterzustand gebracht wird, verwendet wird, um die harte Beschichtung auf dem aus WC gebildeten Werkstück zu bilden. Auf der Oberfläche des Werkstücks sind TiC, das die Hauptkomponente der Elektrode ist, WC, das das Material des Werkstücks ist, und Co₃W₉C₄, das das Produkt der Reaktionen ist, abgelagert. 10 zeigt Ergebnisse einer Messung der Vickers-Härte der gebildeten harten Beschichtung. Die Härte des Werkstücks (Basismaterial) ist so, dass HV = ungefähr 1300 ist, während die harte Beschichtung, die von der Entladungs-Oberflächenbehandlung gebildet wird, eine derartige Härte aufweist, dass HV = ungefähr 2800 ist. Somit ist die Härte erhöht. Deshalb kann eine Tatsache, dass die Hauptkomponente der harten Beschichtung TiC ist, bestätigt werden. Auch die Härte von TiC ist in 10 als Referenz gezeigt.
Ein Verfahren zum Bilden einer harten Beschichtung gemäss einer Ausführungsform wird nachstehend beschrieben, die spezielle Funktionen bereitstellen kann, einschließlich einer Schmierungsfähigkeit, einer Festigkeit gegenüber hohen Temperaturen und eines Abnutzungswiderstands.
Ein Mischen eines Materials mit einer Selbst-Schmierfunktion wird nun beschrieben. Im allgemeinen weist Mo, BN als auch Cr die Selbst-Schmierfunktion auf. Wenn das vorangehende Pulvermaterial in das Material der Elektrode in einem vorgegebenen Verhältnis gemischt wird, gefolgt von der Ausführung der Kompressions-Formung und gefolgt von der Ausführung eines Entladungsprozesses unter Verwendung einer Elektrode, die gebacken wurde, um in den vorangehenden Sinterzustand gebracht zu werden, wird das Material mit der Selbst-Schmierfunktion gemischt und in die auf dem Werkstück gebildete harte Beschichtung eingeschlossen. Wenn die Oberfläche der vorangehenden harten Beschichtung geschliffen wird, kann die Schmierfähigkeit auf die Schleifoberfläche ohne irgendeine Schmiereinrichtung oder mit einer Ölzuführung mit einer sehr kleinen Menge bereitgestellt werden, und zwar aufgrund der Charakteristik des Materials mit der Selbst-Schmierfunktion. Wie voranstehend beschrieben wird ein idealer Komplementärzustand in einer Beziehung so realisiert, dass die Oberfläche durch das Material der harten Beschichtung gebildet wird und das Material mit der Selbst-Schmierfunktion in den inneren Teil der harten Beschichtung gemischt wird. Infolgedessen kann ein Gleitabschnitt, der eine ausreichende Haltbarkeit aufzeigt und einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist, realisiert werden.
Unter Bezugnahme auf 11 bezeichnet ein Bezugszeichen 20 eine granulare gemischte Substanz mit einer Granulationsgrösse, die z. B. zweimal so gross wie eine durchschnittliche Granulationsgrösse der Hauptkomponente des Materials der Elektrode und kleiner als der Abstand zwischen den Polen ist. Die Wärmezersetzung der granularen gemischten Substanz 20 findet sogar bei hohen Temperaturen nicht statt und eine Existenz dieser muss zugelassen werden, um in der harten Beschichtung eingeschlossen zu sein, während die ursprüngliche Form aufrechterhalten wird. Die Grösse der Granulierung der granularen gemischten Substanzen 20 muss vergrössert werden, um eine Bildung einer festen Lösung mit dem anderen Karbid zu verhindern. Die Größe, mit der die feste Lösung gebildet werden kann, muss eine Größe sein, die wenigstens zweimal so groß wie die durchschnittliche Granulierungsgröße der Hauptkomponente ist. Wenn die Granulierungsgröße vergrößert wird, findet eine Trennung von der Elektrode statt und deshalb wird der Raum zwischen den Polen in einer Richtung auf das Werkstück hin verstopft. In dem voranstehenden Fall findet ein Kurzschluss statt. Deshalb muss die Grösse einer Granulierung der gemischten Substanzen 20 kleiner als der Spalt zwischen den Polen sein.
Nun wird die Mischung aus Keramiken beschrieben. Aluminiumoxyd (Al₂O₃) weist hervorragende Charakteristiken bei hohen Temperaturen auf. Wenn Aluminiumoxyd bei einem vorgegebenen Verhältnis gemischt wird, kann deshalb die Festigkeit gegenüber hohen Temperaturen und ein Abnutzungswiderstand beträchtlich verbessert werden. Da Aluminiumoxyd in einem einzelnen Zustand keine Leitfähigkeit aufweist, kann es durch die Entladungs-Oberflächenbehandlung nicht auf das Werkstück aufgebracht werden. Wenn eine Entladung durch eine Elektrode erzeugt wird, die durch Mischen von Aluminiumoxyd in das Material der Elektrode erhalten wird, die aus einer leitenden harten Legierung in einem vorgegebenen Verhältnis gebildet wird und so gebacken wird, dass sie in den vorangehenden Sinterzustand gebracht wird, nachdem das Material der Elektrode kompressions-geformt worden ist, während die Leitfähigkeit aufrechterhalten wird, kann die harte Beschichtung auf dem Werkstück gebildet werden. Gleichzeitig wird Aluminiumoxyd in die harte Beschichtung gemischt. Um die Charakteristiken von Aluminiumoxyd zu erhalten, muss eine Zersetzung von Aluminiumoxyd, die aufgrund der Bogenentladung auftritt, verhindert werden und es wird bewirkt, dass ein Einschluss von Aluminiumoxyd in der harten Beschichtung stattfindet. Deshalb wird bevorzugt, dass Körner von Aluminiumoxid gebildet werden, die eine bestimmte Größe aufweisen (siehe 11), und in die Elektrode 14 für eine Entladungs-Oberflächenbehandlung gemischt wird. Wenn die Grösse ungefähr mehrere μm bis mehrere zehn μm ist, kann Aluminiumoxyd hohe Temperaturen für eine sehr kurze Zeit aushalten und wird deshalb schnell abgekühlt. Deshalb wird Aluminiumoxyd in der Form von Blöcken in die harte Beschichtung auf dem Werkstück eingeschlossen. Die so gebildete Beschichtung weist eine Zweiphasenstruktur auf, mit der durch Kühlen der Flüssigphase gebildeten harten Beschichtung und den Aluminiumoxid-Körnern, die nicht in fester Lösung vorliegen, sondern eingeschlossen sind. Deshalb können die Charakteristiken der zwei Phasen erhalten werden.
Nun wird eine Mischung von Nitrid, z. B. TiN, beschrieben. Ein Hauptzweck einer Mischung des Nitrids, beispielsweise TiN, in der harten Beschichtung besteht darin, die Zugfestigkeit und den Wärmewiderstand zu verbessern. Da das Nitrid keinerlei Leitfähigkeit aufweist, kann das Nitrid allein keine harte Beschichtung durch die Bogenentladung bilden. Wenn eine Elektrode verwendet wird, die durch einen Prozess mit den Schritten eines Mischens von Nitrid bei einem Mischverhältnis, bei dem die Leitfähigkeit aufrechterhalten werden kann, in das Material der Elektrode, einer Ausführung einer Kompressionsformung, und eines Backvorgangs zum Realisieren des vorangehenden Sinterzustands erhalten wird, wird eine Entladungsbearbeitung zugelassen. Ähnlich wie das Mischen von Aluminiumoxyd besteht eine Neigung dahingehend, dass eine Zersetzung bei hohen Temperaturen stattfindet. Die Wärmezersetzung muss durch Verwendung einer Elektrode verhindert werden, die erhalten wird durch die Schritte einer Einschließung von Körnern, die jeweils eine vergleichsweise grosse Grösse (ein oder mehrere zehn μm, wie in 11 gezeigt) aufweisen, in die Elektrode, Ausführen einer Kompressions-Formung, und eines Backvorgangs zum Realisieren des vorangehenden Sinterzustands. Wenn bewirkt wird, das eine Bogenentladung durch Verwendung der vorangehenden Elektrode auftritt, werden die Nitridkörner in der auf dem Werkstück gebildeten harten Beschichtung eingeschlossen. Deshalb wird eine harte Beschichtung, in der die Phase der harten Beschichtung und die feste Phase des Nitrids in körniger Form gemeinsam existieren, gebildet. Die vorangehende Beschichtung weist die Eigenschaften der harten Beschichtung und die Charakteristiken des Nitrids auf, die eine hervorragende Zugfestigkeit und eine ausreichende Festigkeit gegenüber hohen Temperaturen sind. Deshalb können hervorragende Eigenschaften erhalten werden, wenn die voranstehende Beschichtung auf ein Schneidewerkzeug oder eine Gussform angewendet wird.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die auf einem Werkstück eine dichte sehr harte Beschichtung mit einer hervorragenden Qualität und frei von einer Unregelmäßigkeit der Härte bilden kann, wird nun beschrieben.
Die herkömmliche harte Beschichtung, die aus einer harten Legierung gebildet ist, wird durch Sintern eines Grünlings gebildet, der gesintert werden muss, bei einer Temperatur nicht niedriger als eine Temperatur, bei der eine Flüssigphase für eine lange Zeit in einem Vakuumofen oder dgl. auftritt. Das Verfahren zum Bilden der harten Beschichtung durch Verwenden der Bogenentladung gemäss der vorliegenden Erfindung ist so strukturiert, dass eine sehr kurze Dauer von Reaktionen ausgeführt wird und die harte Beschichtung (Hauptsinterung) bei einer sehr hohen Temperatur nicht kleiner als die Sinterungsaufrechterhaltungstemperatur in dem Vakuumofen gebildet wird. Deshalb besteht eine Neigung dahingehend, dass eine harte Beschichtung mit einer unvollständigen Charakteristik gebildet wird.
Ein Verfahren zum Beseitigen des voranstehend erwähnten Problems wird nun beschrieben. Zu Anfang werden Körner (Blöcke, die jeweils eine Grösse von ein oder mehreren zehn μm aufweisen) aus einer harten Legierung, die durch das ursprüngliche Sintern erhalten wird, mit dem Material der Elektrode in einer vorgegebenen Menge gemischt. Dann wird eine Kompressionsformung ausgeführt und dann wird ein Backvorgang ausgeführt, um den vorangehenden Sinterzustand zu realisieren, so dass eine Elektrode hergestellt wird. Die so hergestellte Elektrode wird verwendet, um eine Entladungsbearbeitung auszuführen. Eine Pulverelektrodenkomponente und eine Festelektrodenkomponente werden gleichzeitig in dem Raum zwischen den Polen entladen. Die Pulverelektrodenkomponente wird in der Flüssigphase aufgrund der hohen Temperatur gebildet und dann gekühlt, um die harte Beschichtung zu bilden. Da die Temperatur der Festelektrodenkomponente nicht ausreichend erhöht wird, wird die Festkörpereigenschaft aufrechterhalten. Deshalb kann eine harte Beschichtung, die aus der festen Komponente besteht, gebildet werden. Die so gebildete harte Beschichtung weist ein dichteres Gefüge auf, frei von einer Unregelmässigkeit der Härte, und eine hervorragende Charakteristik im Vergleich mit der harten Beschichtung, die durch eine Elektrode gebildet wird, die nur aus Pulver besteht.
12 ist ein Diagramm, das einen Zustand zeigt, bei dem das Verfahren erfindungsgemäß auf eine Gussform angewendet wird, die wie in 17 gezeigt, strukturiert ist und die durch ein genaues Schmieden gebildet wird. Unter Bezugnahme auf 12 bezeichnet ein Bezugszeichen 16 eine harte Beschichtung, die auf der Oberfläche eines Basismaterials 100 der Gussform gebildet ist. Zu Anfang wird das Basismaterial 100 der Gussform vorher durch einen Bearbeitungsbetrieb bearbeitet. Für den in 12 gezeigten Fall wird ein hexagonales Loch durch eine Bearbeitung gebildet. Gewöhnlicherweise wird das Basismaterial 100 der Gussform nicht einer Wärmebehandlung ausgesetzt. Obwohl eine Wärmebehandlung in dem niedrigsten Grad manchmal ausgeführt wird, wird die harte Beschichtung auf eine vergleichsweise niedrige, z. B. eine Rockwell-Härte (Skala C) HRC = ungefähr 30 ausgebildet. Der Grund dafür besteht darin, dass eine Bearbeitbarkeit, die zum Ausführen des Bearbeitungsprozesses benötigt wird, aufrechterhalten werden muss. Wenn die Härte höher als der voranstehend erwähnte Wert ist, findet ein übermässiger Abrieb des Werkzeugs statt, was bewirkt, dass die Herstellungskosten der Gussform zunehmen. Dann wird eine dicke harte Beschichtung auf der Oberfläche des Basismaterials der Gussform gebildet, die vorher durch Verwendung der Elektrode bearbeitet worden ist, die gebacken wurde, um in den vorangehenden Sinterzustand gemäss der ersten bis vierten Ausführungsformen gebracht zu werden. Das Verfahren ist das gleiche wie dasjenige gemäss der in 7 gezeigten zweiten Ausführungsform, so dass die harte Beschichtung auf dem Werkstück gebildet wird. Die Dicke der harten Beschichtung beträgt ungefähr 0,5 mm bis ungefähr 1,00 mm im Hinblick auf eine praktische Verwendung. Dann wird eine Entladungsbearbeitung unter Verwendung einer Kupferelektrode oder einer Graphitelektrode oder einer Drahtentladungsbearbeitung ausgeführt, um erforderliche Dimensionen zu realisieren, so das seine Gussform hergestellt wird.
Die in 12 gezeigte Gussform weist im wesentlichen die gleiche Qualität wie diejenige der in 17 gezeigten Gussform auf und eine lange Lebensdauer kann realisiert werden.
Das voranstehende Entladungs-Oberflächenbehandlungsverfahren weist einen Vorteil dahingehend auf, dass eine Anwendung einer Gussform zugelassen wird, unabhängig von der Grösse und der Form der Gussform.
13 zeigt einen Prozess zum Herstellen einer Gussform, die wie in 12 gezeigt strukturiert ist, und unter Verwendung der Gussform. Ein erster Schritt wird so ausgeführt, dass eine vorangehende Bearbeitung des Basismaterials der Gussform und ein Betrieb zum Bilden der Elektrode ausgeführt werden. Dann wird ein zweiter Schritt so ausgeführt, dass eine Entladungs-Oberflächenbehandlung durch eine Elektrode ausgeführt wird, die in einen vorangehenden Sinterzustand gebacken wird, wie in den ersten bis vierten Ausführungsformen gezeigt. Somit wird ein Betrieb zum Ablagern einer harten Beschichtung auf der Oberfläche der Gussform, die vorher bearbeitet worden ist, ausgeführt. In dem vorangehenden Fall kann die harte Beschichtung abgelagert werden, so dass sie eine Dicke von mehreren mm aufweist, um Vorbereitungen für einen zweiten Bearbeitungsbetrieb zu treffen. Dann wird ein dritter Schritt so ausgeführt, dass eine Entladungsbearbeitung ausgeführt wird, um einen sekundären Bearbeitungsbetrieb auszuführen, um erforderliche Dimensionen der Gussform zu realisieren. Dann wird die hergestellte Gussform tatsächlich verwendet. Die vorangehende Gussform mit der dicken harten Beschichtung weist eine beträchtliche Haltbarkeit auf. Nachdem die Gussform oft verwendet worden ist, tritt manchmal ein Abrieb oder ein Teilbruch der Gussform auf. Die hervorragende Haltbarkeit wird durch die harte Beschichtung realisiert. Die Entladungsoberflächenbehandlung in dem vierten Schritt durch Verwenden der Elektrode, die gebacken wurde, um in den vorangehenden Sinterzustand gebracht zu werden, ermöglicht deshalb, dass nur der gebrochene Abschnitt modifiziert wird. Somit kann die vorangehende Gussform wieder verwendet werden. Somit folgt, dass die Notwendigkeit einer erneuten Herstellung der Gussform nicht erforderlich ist. Wenn der vierte Schritt wiederholt wird, dann kann die Gussform semi-permanent verwendet werden. Für den Fall einer Gussform mit grosser Grösse, deren Herstellungskosten sehr hoch sind, können die Herstellungskosten und Wartungskosten beträchtlich eingespart werden. Da die Menge des Materials zum Herstellen der Gussform beträchtlich verringert werden kann, kann vom Standpunkt einer Energieeinsparung und hinsichtlich der Umweltverträglichkeit ein optimales Verfahren erhalten werden.
14 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens angewendet auf eine Druckgussform. Wie in den 14(a) und (b) gezeigt wird eine Elektrode 14 für eine Entladungs-Oberflächenbehandlung, die gebacken wurd, um in den vorangehenden Sinterzustand gebracht zu werden, wie in den ersten bis vierten Ausführungsformen gezeigt, verwendet, um den inneren Teil einer Schneideklinge 140 eines Stempels einer Entladungs-Oberflächenbehandlung zu unterziehen. Wie in 14(c) gezeigt wird eine harte Beschichtung 16 gebildet. Die harte Beschichtung wird auch auf der äusseren Oberfläche eines Stanzteils 136 und einer Kante einer Schneideklinge 138 des in 14(d) gezeigten Stanzteils gebildet. Dann wird, wie in 14(e) gezeigt, eine Drahtelektrode 150 verwendet, um die Entladungsbearbeitung einer Schneideklinge 138 auszuführen, so dass eine vorgegebene Dimensionsgenauigkeit realisiert wird. 14(d) zeigt eine Beispiel, bei dem ein Schleifbetrieb unter Verwendung eins Schleifsteins 151 ausgeführt wird, um die äussere Oberfläche der Schneideklinge 138 fertig zu stellen. Wie voranstehend beschrieben wird die Elektrode, die gebacken wurde, um auf den vorangehenden Sinterzustand gebracht zu werden, verwendet, um die Entladungs-Oberflächenbehandlung auszuführen. Dann kann eine dicke und harte Beschichtung leicht auf der Oberfläche der Gussform in einer kurzen Zeit gebildet werden. Wenn der folgende sekundäre Bearbeitungsprozess ausgeführt wird, werden die spezifizierten Dimensionen der Gussform realisiert. Infolgedessen kann eine Gussform mit einer hohen Qualität hergestellt werden.
Eine Anordnung zur Anwendung einer Gussform, gemäß einer Ausführungsform, wird nachstehend beschrieben. In einem tatsächlichen Fall ist der abgenutzte Abschnitt lokal begrenzt. Deshalb bestimmt die lokale Abnutzung die Lebensdauer der Gussform. In einem derartigen Fall wird die Lebensdauer verbessert, indem ein in 15 gezeigtes Verfahren verwendet wird. D. h., wie in 15(a) gezeigt, werden eine obere Oberfläche (Teilungslinie) 105 und ein Abschnitt benachbart zu dem Einlassabschnitt der Gussform, die beträchtlich abgenutzt sind, mit einer dicken Beschichtung beschichtet. Für das Verfahren, das diese Struktur realisieren kann, kann ein Scanverfahren unter Verwendung der in 7 gezeigten einfachen Elektrode oder ein Verfahren unter Verwendung einer Formungs-Elektrode 112, wie in 15(b) gezeigt, angewendet werden. Wenn eine Kompressionslast ausgeübt wird, ist in vielen Fällen der Teil in der Nähe der Bodenfläche der Gussform frei von einer beträchtlichen Abnutzung. Deshalb kann eine relativ dünne Beschichtung verwendet werden oder die Beschichtung kann manchmal weggelassen werden.
Ein Verfahren zum Herstellen der Profilelektrode, wie in 15(b) gezeigt, wird nun beschrieben. Zu Anfang wird eine Gussform, die verwendet wie sie ist, zum Herstellen einer Elektrode in der Form eines Grünlings durch eine Kompressions-Bildung verwendet. Dann wird ein Backvorgang ausgeführt, um den vorangehenden Sinterzustand zu realisieren, so dass eine Profilelektrode, wie in 15(b) gezeigt, hergestellt wird. Deshalb kann die Zeit, die zum Herstellen der Elektrode benötigt wird, beträchtlich verkürzt werden. Um den vorangehenden Effekt zu realisieren, muss der vorangehende Bearbeitungsbetrieb in solcher Weise ausgeführt werden, dass die Gussform in Anbetracht einer Dicke entsprechend der Dicke einer Beschichtung, die in dem nächsten Entladungs-Oberflächenbehandlungsprozess gebildet werden wird, fertiggestellt wird. Selbst wenn die Gussform, die gerade verwendet wird, zum Herstellen der Profilelektrode verwendet wird, kann ein Spalt, der in der Entladungs-Oberflächenbehandlung benötigt wird, die ausgeführt wird, nachdem der vorangehende Bearbeitungsbetrieb ausgeführt worden ist, aufrechterhalten werden. Wenn die Profilelektrode vorher hergestellt worden ist, kann eine lokale Ablagerung der harten Beschichtung leicht ermöglicht werden, indem die Entladungs-Oberflächenbehandlung ausgeführt wird, wenn die Gussform abgenutzt ist. Deshalb kann eine Modifikation der Gussform in einer sehr kurzen Zeit fertiggestellt werden. Ferner kann eine Notwendigkeit zum Herstellen einer anderen Gussform für den Zweck einer Herstellung der Profilelektrode beseitigt werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Wie voranstehend beschrieben eignen sich das Entladungs-Oberflächenbehandlungsverfahren und die Vorrichtung dafür gemäss der vorliegenden Erfindung für eine Anwendung in einem gewerblichen Gebiet, das den Aufbau zum Bilden einer harten Beschichtung auf der Oberfläche eines Werkstoffs betrifft.

Claims

Verfahren zur Bildung einer harten Beschichtung (16) auf einer Oberfläche einer Gussform als Werkstück (2) durch Übertragen von Material einer Grünling-Elektrode (14) auf die Oberfläche bei Stattfinden einer elektrischen Entladung zwischen der Elektrode (14) und dem Werkstück (2), umfassend folgende Schritte: Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Elektrode (14) und dem Werkstück (2) zum Herbeiführen einer intermittierenden Entladung, einer fortwährenden Entladung oder einer Kombination hiervon derart, dass die harte Beschichtung (16) auf der Oberfläche des Werkstücks (2) gebildet wird; und Abscannen der Oberfläche des Werkstücks (2) mit der Elektrode (14), sodass eine Dicke der harten Beschichtung größer wird in einem Oberflächenbereich, in welchem ein höherer Grad eines Abriebs aufgetreten ist als in einem anderen Oberflächenbereich, in welchem ein geringerer Grad eines Abriebs aufgetreten ist, wobei das Verändern der Dicke der harten Beschichtung auf einer Oberfläche der Gussform als Werkstück so erfolgt, dass die Dicke größer wird in einem Einlassabschnitt der Gussform, in welchem ein höherer Grad eines Abriebs aufgetreten ist als in einem Bodenbereich der Gussform, in welchem ein geringerer Grad eines Abriebs aufgetreten ist.
Verfahren zur Bildung einer harten Beschichtung (16) nach vorangehendem Anspruch, bei welchem einem Bereich zwischen dem Werkstück (2) und der Elektrode (14) ein inaktives Gas zugeführt wird.
Verfahren zur Bildung einer harten Beschichtung (16) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem eine Elektrode (14) verwendet wird, bestehend aus Wolframcarbid (12) und aus Cobalt (13), wobei ein Teil des Cobalts (13) mit dem Wolframcarbid (12) verbunden ist.
Vorrichtung zur Bildung einer harten Beschichtung (16) gemäß einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend: eine Entladungs-Erzeugungseinrichtung (7, 8) zur Erzeugung einer Bogenentladung zwischen dem Werkstück (2) und der Elektrode (14); eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Bildung einer harten Beschichtung (16) auf der Oberfläche entsprechend dem Abrieb.
Vorrichtung nach Anspruch 4, umfassend eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines inaktiven Gases in einen Bereich zwischen dem Werkstück (2) und der Elektrode (14).
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher die Elektrode (14) aus einem ersten Material (12) besteht, das ein Metall oder eine Metallverbindung oder eine Mischung hieraus aufweist, sowie aus einem zweiten Material (13), das selbstschmierend ist oder aus einem keramischen Stoff, einem Nitrid oder einer Mischung auseinem keramischen Stoff und einem Nitrid besteht, wobei ein Teil des zweiten Materials (13) mit dem ersten Material (12) verbunden ist.