JP2000256875A - 放電表面処理方法および放電表面処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 改質物質の元となる材料を電極から供給する
のではなく、加工液中に混入した改質物質の元となる材
料と加工液を構成する炭素元素を放電により反応させて
改質物質を形成し、被処理材表面が放電により除去加工
される以上にその改質物質を被処理面に多く堆積させ
る。 【解決手段】 改質材料、あるいは改質材料の元となる
粉末材料を放電を誘発させる効果以上の濃度で加工液に
混入し、極間の改質物質濃度を高くした状態でその極間
に電圧を印可して放電を発生させることにより該導電性
材料表面を加工量以上の改質層を形成することにより、
導電性材料表面に硬質物質を厚く堆積させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、改質材料あるいは
改質材料の元となる粉末材料を加工液中に混入し、電極
と被処理材である導電性物質との間に放電を発生させる
ことにより、被処理材表面に改質層を形成することを特
徴とする放電表面処理方法および放電表面処理装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】粉末を混入した加工液中において放電に
よって金属材料等の表面をコーティングして、耐食性や
耐磨耗性を向上させる技術が報告（１９９８年度精密工
学会秋季大会学術講演会講演論文集Ｐ４１０『チタン電
極を用いた炭素粉末混入放電加工による表面改質』）さ
れている。その技術の骨子は次のとおりである。加工液
中に粉末を混入し、その加工液中において改質材料の元
となる電極でワークを放電加工することにより被処理材
表面に改質層が形成される。以下、従来技術について図
７により説明する。粉末混入加工液１２として油中に粒
径３０μｍ以下の炭素粉末５０２を１５ｇ／ｌ程度混入
したものを使用し、その加工液中にてソリッドの金属チ
タンを電極５０１として鋼材１を放電加工する。１３は
放電加工用の電力を電極５０１と鋼材１との間に供給す
る電源装置である。これにより、鋼材の表面にビッカー
ス硬度２０００Ｈｖ程度の比較的面粗さの小さい炭化チ
タンの改質層２２が形成される。すなわち、この方法で
は、鋼材１を放電加工により溶融させて、その溶融部へ
加工液中の炭素粉末５０２と電極５０１のチタンとが反
応した炭化チタンを溶け込ませることで改質層２２を形
成する。そのため、鋼材表面に厚さ５０μｍ程度の改質
層を形成する一方で、鋼材表面は除去加工されている。
これは、改質物質を形成させるための材料は電極から供
給されるが、その電極自体がソリッドなチタンであるた
め消耗しにくく、改質層が形成されると同時に放電によ
る除去加工が行われることによる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の放電表面処理
は、上記のように被処理材を加工しながら改質層を形成
するために被処理材の寸法精度を低下させるという問題
点があった。また、改質層厚さも数十μｍ程度までしか
形成できなかった。

【０００４】本発明は、上記のような課題を解消するた
めになされたもので、改質物質の元となる材料を電極か
ら供給するのではなく、加工液中に混入した改質物質の
元となる材料と加工液を構成する炭素元素を放電により
反応させて改質物質を形成し、被処理材表面が放電によ
り除去加工される以上にその改質物質を被処理面に多く
堆積させる。これにより、被処理材表面を大きく加工す
ることなく、被処理材表面に厚い改質層を堆積できる放
電表面処理方法および放電表面処理装置を提供すること
を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成によ
る放電表面処理方法は、改質材料あるいは改質材料の元
となる材料を混入した加工液中で、電極と被処理材であ
る導電性物質との間に電圧を印加して放電を発生させる
ことにより上記被処理材の表面に改質層を形成する放電
表面処理方法において、加工液中の改質材料あるいは改
質材料の元となる材料放電を上記電極と上記被処理材と
の極間に引き込んだ状態で放電加工することにより、上
記被処理材の表面に改質物質を浸透させるだけでなく、
上記被処理材表面に厚く堆積させるものである。

【０００６】また、本発明第２の構成による放電表面処
理方法は、改質材料あるいは改質材料の元となる材料を
混入した加工液中で、電極と被処理材である導電性物質
との間に電圧を印加して放電を発生させることにより上
記被処理材の表面に改質層を形成する放電表面処理方法
において、加工液中の改質材料あるいは改質材料の元と
なる材料を上記電極と上記被処理材との極間に引き込む
ために上記電極を回転させるものである。

【０００７】また、本発明の第３の構成による放電表面
処理装置は、改質材料あるいは改質材料の元となる材料
を混入した加工液中で、電極と被処理材である導電性物
質との間に電圧を印加して放電を発生させることにより
上記被処理材の表面に改質層を形成する放電表面処理方
法において、上記電極を回転させることにより、加工液
中の改質材料あるいは改質材料の元となる材料を上記電
極と上記被処理材との極間に引き込む電極回転装置を備
えたものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は本発明の実
施の形態１である放電表面処理方法を示す構成図であ
る。図において、１は導電性物質よりなる被処理材であ
る。２は例えば、銅などからなる電極である。１２は放
電加工液であり、チタン粉末などの改質材料粉末４０１
が混入されている。４はモータ７に連結された回転軸５
を介して保持装置３を回転させると共にＺ軸駆動機構８
により矢印Ｚ方向にスライドさせる主軸である。混入す
る改質材料は水素化チタン、バナジュウムカーバイド、
タングステンカーバイド、チタンカーバイドなど炭化物
を形成するような物質である。電極２を被処理材１の処
理面に位置させた後、矢印のように回転させると電極の
回転に引き込まれるように放電加工液１２に流れが生
じ、改質材料粉末４０１が放電加工液４００とともに被
処理材１と電極２との極間に供給される。この状態で質
材料粉末４０１を混入した放電加工液１２の中で電極２
と被処理材１の表面との間で放電加工を行う。放電によ
り放電加工液１２が熱分解されて発生する炭素元素と液
中の改質粉末材料４０１が反応して炭化物が形成され
る。これが被処理材１の表面に溶着することで改質層２
２が形成される。放電加工液１２への改質材料粉末４０
１の混入量は、例えば、粒径４０μｍ以下のチタン粉末
の場合、放電加工液１リットルあたり５０から２００グ
ラム程度とする。混入量はこれより少なくても改質物質
は堆積するが被処理材を除去する場合があり、加工液は
ある一定濃度にしておく必要がある。なお、上記加水槽
１１はＸおよびＹテーブル１０１、１０２に載置され、
各々Ｘ軸駆動機構９、Ｙ軸駆動機構１０により、Ｘ軸お
よびＹ軸の方向に移動し、加工槽１１を介して、被処理
材１がＸ軸およびＹ軸方向に移動可能である。１４は制
御装置であり、メモリやＣＰＵを備え、電極の位置を制
御する。１６は被処理材１と電極２との間の極間距離を
検出する極間検出回路であり、極間距離の検出信号を制
御装置１４へ送る。制御装置１４は上記検出信号を受
け、ＸおよびＹ軸駆動機構９、１０へ送り、被処理材１
と電極２との間の極間距離を所定値に制御する。

【０００９】放電加工条件は、加工電流３アンペア、パ
ルス幅２μｓｅｃで良好な堆積効率を示す。加工電流が
これよりも大きくても改質層は形成されるが、一方で、
被処理材が除去加工される状態になる。パルス幅に関し
ても同様の傾向があり、パルス幅が１６μｓｅｃより長
くなると被処理材表面が除去されながら改質層が形成さ
れる。

【００１０】図２〜図４は本発明の実施の形態１である
放電表面処理方法及び放電表面処理装置により得られた
結果の説明図であり、図２は前述の処理条件において直
径１ｍｍの銅電極を使用して炭素鋼（Ｓ５０Ｃ）表面に
形成された改質層断面の電子顕微鏡写真である。厚さ１
２０μｍの堆積層が形成されている。この改質層断面に
対するＥＰＭＡによる元素分析結果を示す。図３はチタ
ンに着目した分析結果を示し、写真中下半分の黒い部分
は炭素鋼（Ｓ５０Ｃ）からなる母材である。上部の白い
雲状部分と、この雲状部分と母材との間で帯状に横方向
へ伸びる白い部分とにチタンの含有が認められる。図４
は炭素に着目した分析結果を示しており、写真中下半分
は上記母材である。上部の黒い雲状部分の中に白い小さ
な点状部分と、母材と黒い雲状部分との間で帯状に横方
向へ伸びる白い部分とが炭素の含有を示している。これ
ら両方の写真から、母材上部で母材表面とほぼ平行に伸
びる帯状部分にチタンと炭素が含有されていることか
ら、この帯状部分は炭化チタン（ＴｉＣ）が存在するこ
とを示している。特に、被処理材界面において炭化チタ
ンが多く形成されている。この改質層の硬度は１６００
Ｈｖであり、被処理材の硬度は２４０Ｈｖであり、その
表面を改質するに足る硬度が得られている。

【００１１】本実施の形態による放電表面処理方法にお
いては、加工液中の改質材料あるいは改質材料の元とな
る材料を電極と被処理材との間に引き込んだ状態で放電
を発生することにより、加工液中の改質材料を被処理面
に厚く堆積するようにした。これにより、改質材料から
なる電極を用いる必要がなく、したがって、消耗の少な
い電極を使用することにより起こる被処理材の表面の形
彫り放電加工を防ぐとともに被処理面に改質層を厚く形
成することができる。

【００１２】実施の形態２．図５は本発明の実施の形態
２である放電表面処理方法を示す説明図である。図にお
いて、１は導電性物質よりなる被処理材である。２は例
えば、銅などからなる電極である。電極は円盤形状をし
ており、その中心を回転中心として側面が被処理材に対
向するように設置される。１２は放電加工液であり、チ
タン粉末などの改質材料粉末４０１が混入されている。
混入する改質材料は水素化チタン、バナジュウムカーバ
イド、タングステンカーバイド、チタンカーバイドなど
炭化物を形成するような物質が適している。電極２の側
面を被処理材１の処理面に位置させた後、回転装置４０
０により電極２を矢印で示すように回転させると電極の
回転に引き込まれるように放電加工液１２に矢印で示す
ような流れが生じ、改質材料粉末４０１が放電加工液１
２とともに被処理材１と電極２との極間に供給される。
この状態で電極２と被処理材１の表面との間で放電（ア
ーク柱）２５を発生させると放電加工液１２が熱分解さ
れて発生する炭素元素と液中の改質粉末材料４０１が反
応して炭化物が形成される。これが被処理材１の表面に
溶着することで改質層２２が形成される。放電加工液１
２への改質材料粉末４０１の混入量は、例えば、粒径４
０μｍ以下のチタン粉末の場合、放電加工液１リットル
あたり５０から１００グラム程度とする。混入量はこれ
より少なくても改質物質は堆積するが被処理材を除去す
る場合があり、加工液はある一定濃度にしておく必要が
ある。

【００１３】処理条件は加工電流３アンペア、パルス幅
２μｓｅｃにおいて、電極２の回転速度を、例えば、混
入するチタン粉末の濃度が１リットルあたり１００ｇの
とき、２０００ｒｐｍにすると厚さ約６０μｍの改質層
が形成でき、回転速度を上げることで堆積効率は向上す
る。

【００１４】回転させる電極の形状を歯車形状にするこ
とで、極間に引き込まれる改質材料粉末４０１の量が多
くなり、改質層の形成速度を向上させることができる。
このときの歯車の形状は、例えば、厚さ（幅）２ｍｍ、
歯先円直径４０ｍｍ、歯底円直径３０ｍｍ、モジュール
１、歯数３８枚である。さらに電極の厚さ（幅）を大き
くすることで広範囲に改質層を形成できる。

【００１５】本実施の形態による放電表面処理方法にお
いては、放電加工液中に混入された改質材料粉末を電極
の回転作用により強制的に極間に供給するようにした。
これにより、極間の改質材料粉末の濃度が高くなり、放
電により改質物質を生成量が多くすることができる。ま
た、電極から改質材料を供給する形態をとらないために
消耗量が少ない電極を使用する場合に生じる被処理材表
面の放電による除去加工を防ぐことができ、被処理面の
寸法精度を低下させることなく、改質層を形成すること
ができる。

【００１６】実施の形態３．図６は本発明の実施の形態
３である放電表面処理装置を示す構成図である。図にお
いて、１は被処理材であり、加工槽１１内に載置されて
いる。２は電極であり、円盤形状をしている。４００は
円盤形状の電極２を矢印で示すように回転させるための
回転装置である。３は電極２を保持する保持装置、４は
モータ７に連結された回転軸５を介して保持装置３を回
転させると共にＺ軸駆動機構８により矢印Ｚ方向にスラ
イド（サーボ）させる主軸である。１２は放電加工液で
あり、その中には、改質材料粉末４０１が混入されてい
る。上記被処理材１、電極２はこの放電加工液中に配置
されている。１３は被処理材１と電極２との間に放電を
発生させるための電源装置である。

【００１７】なお、上記加水槽１１はＸおよびＹテーブ
ル１０１、１０２に載置され、各々Ｘ軸駆動機構９、Ｙ
軸駆動機構１０により、Ｘ軸およびＹ軸の方向に移動
し、加工槽１１を介して、被処理材１がＸ軸およびＹ軸
方向に移動可能である。１４は制御装置であり、メモリ
やＣＰＵを備え、電極の位置を制御する。１６は被処理
材１と電極２との間の極間距離を検出する極間検出回路
であり、極間距離の検出信号を制御装置１４へ送る。制
御装置１４は上記検出信号を受け、ＸおよびＹ軸駆動機
構９、１０へ送り、被処理材１と電極２との間の極間距
離を所定値に制御する。

【００１８】次に、以上のように構成された放電表面処
理装置の動作について説明する。円盤形状の電極２を被
処理材１の処理面に位置させて回転装置４００により回
転させる。回転の状態は電極２の円形面の中心を回転中
心とし、その側面が被処理面に対向するように回転させ
る。電極２が回転することにより電極周辺部の放電加工
液１２には電極２の回転する電極側面に引き込まれるよ
うな流れが生じる。放電加工液１２に混入された改質物
質４００は放電加工液１２とともに被処理材１と電極２
との間隙に供給され、極間に常に改質物質４０１が存在
する状態となる。このとき、改質物質４０１の供給量は
回転装置４００の回転数調整機能（図示せず）により適
切に調整される。Ｚ軸駆動機構８によって電極２と被処
理材１との対向面が所定の放電間隙となるように電極２
をＺ方向にサーボさせることにより電極２の位置を制御
する。その後、改質物質を混入した放電加工液中におい
て、電極２と被処理材１との間に電源装置１３より電力
を供給して両者間に放電を発生させ、電極２が対向する
被処理材１表面に対して改質層２２を形成する。

【００１９】本実施の形態による放電表面処理方法にお
いては、放電加工液中に混入された改質材料粉末を電極
の回転作用により強制的に極間に供給するようにした。
これにより、極間の改質材料粉末の濃度が高くなり、放
電により改質物質を生成量が多くすることができる。ま
た、電極から改質材料を供給する形態をとらないために
消耗量が少ない電極を使用する場合に生じる被処理材表
面の放電による除去加工を防ぐことができ、被処理面の
寸法精度を低下させることなく、改質層を形成すること
ができる。

【００２０】

【発明の効果】本発明の第１の構成である放電表面処理
方法によれば、改質材料あるいは改質材料の元となる材
料を混入した加工液中で、電極と被処理材である導電性
物質との間に電圧を印加して放電を発生させることによ
り上記被処理材の表面に改質層を形成する放電表面処理
方法において、加工液中の改質材料あるいは改質材料の
元となる材料を上記電極と上記被処理材との極間に引き
込んだ状態で放電加工することにより、上記被処理材の
表面に改質物質を浸透させるだけでなく、上記被処理材
の表面に厚く堆積させるようにしたので、被処理面に改
質材料からなる電極を用いる必要がなく、したがって、
消耗の少ない電極を使用することにより生じる被処理材
表面の形彫り放電加工を防ぎ、被処理面に改質層を形成
することができる。

【００２１】本発明の第２の構成である放電表面処理方
法によれば、改質材料あるいは改質材料の元となる材料
を混入した加工液中で、電極と被処理材である導電性物
質との間に電圧を印加して放電を発生させることにより
上記被処理材の表面に改質層を形成する放電表面処理方
法において、加工液中の改質材料あるいは改質材料の元
となる材料を上記電極と上記被処理材との極間に引き込
むために上記電極を回転させるようにしたので、極間の
改質材料の濃度を増大させ、放電による改質物質の堆積
量を増大させるので、速く広範囲に均一な改質層を形成
することができる。

【００２２】本発明の第３の構成である放電表面処理装
置によれば、改質材料あるいは改質材料の元となる材料
を混入した加工液中で、電極と被処理材である導電性物
質との間に電圧を印加して放電を発生させることにより
上記被処理材の表面に改質層を形成する放電表面処理装
置において、上記電極を回転させることにより、加工液
中の改質材料あるいは改質材料の元となる材料を上記電
極と上記被処理材との極間に引き込む電極回転装置を備
えるようにしたので、極間の改質材料の濃度を増大さ
せ、放電による改質物質の堆積量を増大させるので、速
く広範囲に均一な改質層を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１である放電表面処理方
法を示す構成図である。

【図２】 本発明の実施の形態１である放電表面処理方
法により得られた結果を示す電子顕微鏡写真である。

【図３】 本発明の実施の形態１である放電表面処理方
法により得られた結果を示す電子微鏡写真である。

【図４】 本発明の実施の形態１である放電表面処理方
法により得られた結果を示す電子微鏡写真である。

【図５】 本発明の実施の形態２である放電表面処理方
法を示す説明図である。

【図６】 本発明の実施の形態３である放電表面処理装
置を示す構成図である。

【図７】 従来の放電表面処理方法を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 被処理材、２ 電極、３ 電極保持装置、４ 主
軸、５ 回転軸、７ 回転軸駆動機構、８ Ｚ軸駆動機
構、９ Ｘ軸駆動機構、１０ Ｙ軸駆動機構、１１ 加
工槽、１２ 放電加工液、１３ 電源装置、１４ 制御
回路、１５ 軌跡移動制御回路、１６ 極間検出回路、
２２ 改質層、２５ 放電（アーク柱）、１０１ Ｘテ
ーブル、１０２ Ｙテーブル、４００ 回転装置、４０
１ 改質材料粉末、５０１ 純チタン、５０２ 炭素粉
末。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三宅 英孝 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 佐藤 達志 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 古谷 克司 愛知県名古屋市天白区天白町島田黒石豊田 工業大学黒石住宅23 (72)発明者 毛利 尚武 愛知県名古屋市天白区八事石坂661―51 (72)発明者 実藤 晃則 愛知県名古屋市天白区元八事３―103 ジ ュネス八事 Ｂ106 Ｆターム(参考） 3C059 AA01 AB01 AB07 HA03 4K044 AA02 BA18 BB01 BC06 CA39 CA71

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 改質材料あるいは改質材料の元となる材
   料を混入した加工液中で、電極と被処理材である導電性
   物質との間に電圧を印加して放電を発生させることによ
   り上記被処理材の表面に改質層を形成する放電表面処理
   方法において、加工液中の改質材料あるいは改質材料の
   元となる材料を上記電極と上記被処理材との極間に引き
   込んだ状態で放電加工することにより、上記被処理材の
   表面に改質物質を浸透させるだけでなく、上記被処理材
   の表面に厚く堆積させることを特徴とする放電表面処理
   方法。
2. 【請求項２】 改質材料あるいは改質材料の元となる材
   料を混入した加工液中で、電極と被処理材である導電性
   物質との間に電圧を印加して放電を発生させることによ
   り上記被処理材の表面に改質層を形成する放電表面処理
   方法において、加工液中の改質材料あるいは改質材料の
   元となる材料を上記電極と上記被処理材との極間に引き
   込むために上記電極を回転させることを特徴とする放電
   表面処理方法。
3. 【請求項３】 改質材料あるいは改質材料の元となる材
   料を混入した加工液中で、電極と被処理材である導電性
   物質との間に電圧を印加して放電を発生させることによ
   り上記被処理材の表面に改質層を形成する放電表面処理
   装置において、上記電極を回転させることにより、加工
   液中の改質材料あるいは改質材料の元となる材料を上記
   電極と上記被処理材との極間に引き込む電極回転装置を
   備えたことを特徴とする放電表面処理装置。