JP2004107799A - 放電表面処理装置およびこれを用いた放電表面処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 高硬度な表面処理層被膜の形成と同時にその剥離を抑制することができ、被処理材に要求仕様を満たす表面処理層を形成することができる放電表面処理装置を得る。
【解決手段】 放電表面処理装置は放電処理手段、要求仕様記憶部、電極の特徴記憶部および放電処理条件制御部を備え、上記電極が被処理材側を比較的柔らかい金属の粉体で形成し、他側を比較的硬い金属を含む粉体で形成されたという特徴を有する。
上記電極の特徴記憶部からの出力結果と要求仕様記憶部の要求仕様（被処理材に硬度変化がなめらかである表面処理層を得る）とから放電処理手段の処理条件を制御し、被処理材６と表面処理層７との接触部分にはＮｉ量が多く、表面処理層７の上面部に向かってＮｉ量が減少し、それにつれてＴｉＣの量が増加し、ＴｉＣ単独で形成されているより硬度変化がなめらかとなり、高硬度な表面処理層被膜の形成と同時にその剥離を抑制することができる。
【選択図】 図３
【解決手段】 放電表面処理装置は放電処理手段、要求仕様記憶部、電極の特徴記憶部および放電処理条件制御部を備え、上記電極が被処理材側を比較的柔らかい金属の粉体で形成し、他側を比較的硬い金属を含む粉体で形成されたという特徴を有する。
上記電極の特徴記憶部からの出力結果と要求仕様記憶部の要求仕様（被処理材に硬度変化がなめらかである表面処理層を得る）とから放電処理手段の処理条件を制御し、被処理材６と表面処理層７との接触部分にはＮｉ量が多く、表面処理層７の上面部に向かってＮｉ量が減少し、それにつれてＴｉＣの量が増加し、ＴｉＣ単独で形成されているより硬度変化がなめらかとなり、高硬度な表面処理層被膜の形成と同時にその剥離を抑制することができる。
【選択図】 図３
Description
本発明は、例えば金属またはセラミック等に、放電表面処理により表面処理層を形成する放電表面処理装置およびこれを用いた放電表面処理方法に関するものである。
例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金等の金属材料の被処理材表面をコーティングして、耐食性や耐磨耗性を与える表面処理装置としては、図８に記載されている液中放電による表面処理装置がある（例えば特許文献１）。
図８において６は被処理材、８は加工液で例えばケロシン等の油を用い、１４は圧粉体電極、１５は被処理材６に形成された表面処理層である。
例えば、被処理材６の表面にＴｉ系の被膜を形成する場合、まず、ＴｉＨ2（水素化チタン）系の圧粉体電極１４により、ケロシン等放電により炭素を発生する加工液中８において放電を発生させる。
この放電により電極１４が消耗し、その成分であるＴｉが極間に放出される。このＴｉが放電により熱分解された加工液の成分である炭素と反応してＴｉＣとなり、被処理材６の表面に表面処理層１５が形成できる。
図８において６は被処理材、８は加工液で例えばケロシン等の油を用い、１４は圧粉体電極、１５は被処理材６に形成された表面処理層である。
例えば、被処理材６の表面にＴｉ系の被膜を形成する場合、まず、ＴｉＨ2（水素化チタン）系の圧粉体電極１４により、ケロシン等放電により炭素を発生する加工液中８において放電を発生させる。
この放電により電極１４が消耗し、その成分であるＴｉが極間に放出される。このＴｉが放電により熱分解された加工液の成分である炭素と反応してＴｉＣとなり、被処理材６の表面に表面処理層１５が形成できる。
しかしながら、例えば、上記のようにして、ＴｉＨ2（水素化チタン）の圧粉体電極によりアルミ合金への表面処理を行った場合には、アルミ合金とＴｉＣ被膜の硬度差が大きすぎるために、すぐに被膜が剥離してしまうという課題があった。
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、被処理材に要求仕様を満たす表面処理層を形成することができる放電表面処理装置およびこれを用いた放電表面処理方法を得ることを目的とする。
本発明に係る第１の放電表面処理装置は、表面処理材料または表面処理材料の元となる材料からなる圧粉体電極と被処理材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表面処理層を形成する放電処理手段、上記表面処理層の要求仕様を記憶する要求仕様記憶部、上記圧粉体電極の放電処理に関連する特性を記憶する電極の特徴記憶部、並びにこの電極の特徴記憶部からの出力結果と上記要求仕様記憶部の要求仕様とから上記放電処理手段の放電処理条件を制御する放電処理条件制御部を備えた放電表面処理装置において、上記圧粉体電極の被処理材側を比較的柔らかい金属の粉体で形成し、他側を比較的硬い金属を含む粉体で形成したことを特徴とするものである。
本発明の第１の放電表面処理装置によれば、表面処理材料または表面処理材料の元となる材料からなる圧粉体電極と被処理材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表面処理層を形成する放電処理手段、上記表面処理層の要求仕様を記憶する要求仕様記憶部、上記圧粉体電極の放電処理に関連する特性を記憶する電極の特徴記憶部、並びにこの電極の特徴記憶部からの出力結果と上記要求仕様記憶部の要求仕様とから上記放電処理手段の放電処理条件を制御する放電処理条件制御部を備えた放電表面処理装置において、上記圧粉体電極の被処理材側を比較的柔らかい金属の粉体で形成し、他側を比較的硬い金属を含む粉体で形成したことを特徴とするものであり、高硬度な表面処理層被膜の形成と同時にその剥離を抑制することができ、被処理材に要求仕様を満たす表面処理層を形成することができるという効果がある。
実施の形態１．
図１は本発明の第１の実施の形態の放電表面処理装置の構成を示す説明図であり、図２はこの放電表面処理装置を用いた放電表面処理の処理過程を示すフローチャートである。
図において、１は表面処理材料または表面処理材料の元となる材料からなる圧粉体電極と被処理材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表面処理層を形成する放電処理手段、２は圧粉体電極の放電に関連する電極の特性を記憶する電極の特徴記憶部、３は被処理材に形成される表面処理材の要求仕様を記憶する要求仕様記憶部、４は電極の特徴記憶部２からの出力結果と上記要求仕様記憶部の要求仕様とから上記放電処理手段１の放電処理条件を制御する放電処理条件制御部である。
図１は本発明の第１の実施の形態の放電表面処理装置の構成を示す説明図であり、図２はこの放電表面処理装置を用いた放電表面処理の処理過程を示すフローチャートである。
図において、１は表面処理材料または表面処理材料の元となる材料からなる圧粉体電極と被処理材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表面処理層を形成する放電処理手段、２は圧粉体電極の放電に関連する電極の特性を記憶する電極の特徴記憶部、３は被処理材に形成される表面処理材の要求仕様を記憶する要求仕様記憶部、４は電極の特徴記憶部２からの出力結果と上記要求仕様記憶部の要求仕様とから上記放電処理手段１の放電処理条件を制御する放電処理条件制御部である。
まず、ステップ１で被処理材に形成する表面処理層の硬度、耐摩耗性、密着性、膜厚または面あらさなどの要求仕様を要求仕様記憶部３に記憶し、ステップ２で圧粉体電極の放電に関連した特性、例えば電極材料成分もしくは粒径、電極長さ、電極面積、電極製作時の成形圧または電極の傾斜的上記特性等を記憶する。 次に、ステップ３で電極の特徴記憶部２と要求仕様記憶部３とから、放電処理に適した放電パルスの極性、ピーク電流、オープン電圧、パルスオン時間、パルスオフ時間またはサーボ電圧等の放電処理条件を放電処理条件制御部４により設定し、それに基づきステップ４で放電処理手段１により放電処理をおこない、ステップ５で表面処理層が要求仕様に達した時点で放電処理を終了する。なお、ステップ１とステップ２は前後してもよい。
図１に示した放電表面処理装置を用いて、被処理材に硬度変化がなめらかである表面処理層（表面処理層の要求仕様）を形成する場合について説明する。
図３は上記放電表面処理装置による被処理材の放電処理を説明する説明図である。図において、６は被処理材、８は加工液でケロシン等の油、５は圧粉体電極、７は表面処理層である。
また、圧粉体電極５としては、ＴｉＨ2の粉体量とＮｉの粉体量を徐々に変化させ組成に傾斜性をもたせたもの（電極の特徴）を用いた。即ち、被処理材６側は比較的柔らかい金属であるＮｉ粉体の量を、比較的硬い金属であるＴｉを含むＴｉＨ2粉体の量より多くなるように徐々に変化させている。
次に、上記電極を用いて上記表面処理層を被処理材に形成するための放電処理条件として、電極と被処理材間に一定の放電エネルギーで放電を発生させると設定し、ケロシン等放電により炭素を発生する加工液中８において放電処理し、図に示すように成分に傾斜性を有する表面処理層７を得ることができた。
即ち、被処理材６と表面処理層７との接触部分にはＮｉ量が多く、表面処理層７の上面部に向かってＮｉ量が減少し、それにつれて従来と同様にして得られたＴｉＣの量が増加するので、ＴｉＣ単独で形成されているより硬度変化がなめらかとなり、高硬度な表面処理層被膜の形成と同時にその剥離を抑制することができた。
図３は上記放電表面処理装置による被処理材の放電処理を説明する説明図である。図において、６は被処理材、８は加工液でケロシン等の油、５は圧粉体電極、７は表面処理層である。
また、圧粉体電極５としては、ＴｉＨ2の粉体量とＮｉの粉体量を徐々に変化させ組成に傾斜性をもたせたもの（電極の特徴）を用いた。即ち、被処理材６側は比較的柔らかい金属であるＮｉ粉体の量を、比較的硬い金属であるＴｉを含むＴｉＨ2粉体の量より多くなるように徐々に変化させている。
次に、上記電極を用いて上記表面処理層を被処理材に形成するための放電処理条件として、電極と被処理材間に一定の放電エネルギーで放電を発生させると設定し、ケロシン等放電により炭素を発生する加工液中８において放電処理し、図に示すように成分に傾斜性を有する表面処理層７を得ることができた。
即ち、被処理材６と表面処理層７との接触部分にはＮｉ量が多く、表面処理層７の上面部に向かってＮｉ量が減少し、それにつれて従来と同様にして得られたＴｉＣの量が増加するので、ＴｉＣ単独で形成されているより硬度変化がなめらかとなり、高硬度な表面処理層被膜の形成と同時にその剥離を抑制することができた。
なお、本実施の形態で用いた圧粉体電極５は、粒径１０μｍ程度の粉体を用い、Ｎｉ粉体量：ＴｉＨ2粉体量＝７：３〜０：１０（体積％）で連続的に変化させたものを用い傾斜性をもたせた。なお、上記電極は例えば混合比率の異なる粉体を電極型内に積層させた後、加圧成形することにより製作した。
また、図４のように、圧粉体電極５のワーク６側を比較的柔らかい金属であるＮｉの粉体で形成し、他を比較的硬い金属であるＴｉを含むＴｉＨ2の粉体で形成することにより上記と同様の効果を得ることができる。
図４は本実施の形態で用いることができる圧粉体電極の説明図で、図において、９は圧粉体電極、１０はＮｉの粉体で形成された部分、１１はＴｉＨ2の粉体で形成された部分である。
図４は本実施の形態で用いることができる圧粉体電極の説明図で、図において、９は圧粉体電極、１０はＮｉの粉体で形成された部分、１１はＴｉＨ2の粉体で形成された部分である。
また、Ｔｉ以外にもＶ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）またはＷ（タングステン）等を使用しても、さらにこれらに他の金属やセラミックス等を混合したものを使用しても同様の効果を得ることができる。
実施の形態２．
図１に示した放電表面処理装置を用いて、被処理材に面性状に優れた表面処理層（表面処理層の要求仕様）を形成する場合について説明する。
上記実施の形態１においては圧粉体電極の傾斜性を電極材料成分にもたせたが、圧粉体電極の傾斜性を粒径（例えば２〜２０μｍ）または電極材料と粒径の両方にもたせた場合である。
図５は本実施の形態の放電表面処理装置における、放電処理条件制御部の動作を説明するための説明図で、異なる粒径からなる圧粉体電極（電極の特徴）を用いた場合の放電処理エネルギー（放電処理条件）による面性状の関係を示す特性図｛図５（ａ）｝と、放電処理エネルギーと表面処理層の膜厚との関係を示す特性図｛図５（ｂ）｝を示す。
図において放電処理エネルギーとはピーク電流とパルスオン時間の積である。粒径が５μｍの場合（図中△）には、図５（ａ）に示すように面性状の点から放電処理エネルギーはＥ１〜Ｅ２から選らばれ、図５（ｂ）に示すように膜厚の点から最適な放電処理エネルギーを決定すればよい。一方、粒径が１μｍの場合（図中○）には、粒径が５μｍの場合に使用した放電処理エネルギーでは、膜厚が厚くなるものの面性状が悪化するため、放電処理エネルギーはＥ０〜Ｅ１から選ぶことにより良質な被膜を形成することができる。
図１に示した放電表面処理装置を用いて、被処理材に面性状に優れた表面処理層（表面処理層の要求仕様）を形成する場合について説明する。
上記実施の形態１においては圧粉体電極の傾斜性を電極材料成分にもたせたが、圧粉体電極の傾斜性を粒径（例えば２〜２０μｍ）または電極材料と粒径の両方にもたせた場合である。
図５は本実施の形態の放電表面処理装置における、放電処理条件制御部の動作を説明するための説明図で、異なる粒径からなる圧粉体電極（電極の特徴）を用いた場合の放電処理エネルギー（放電処理条件）による面性状の関係を示す特性図｛図５（ａ）｝と、放電処理エネルギーと表面処理層の膜厚との関係を示す特性図｛図５（ｂ）｝を示す。
図において放電処理エネルギーとはピーク電流とパルスオン時間の積である。粒径が５μｍの場合（図中△）には、図５（ａ）に示すように面性状の点から放電処理エネルギーはＥ１〜Ｅ２から選らばれ、図５（ｂ）に示すように膜厚の点から最適な放電処理エネルギーを決定すればよい。一方、粒径が１μｍの場合（図中○）には、粒径が５μｍの場合に使用した放電処理エネルギーでは、膜厚が厚くなるものの面性状が悪化するため、放電処理エネルギーはＥ０〜Ｅ１から選ぶことにより良質な被膜を形成することができる。
実施の形態３．
図６は本発明の第３の実施の形態の放電表面処理装置の構成を示す説明図であり、図７はこの放電表面処理装置を用いた放電表面処理の処理過程を示すフローチャートである。
図において、１〜４は図１と同様であり、１２は放電処理手段１で放電が正常に行われているか（例えば短絡が生じているか）否かを検出する放電処理状態検出部、１３は表面処理層の性状が正常であるか否かを検出する表面処理層の性状検出部である。
つまり、最初に設定する放電処理条件は外乱の影響がないものと想定しているが、実際は処理くずの排出状態等により上記条件では対応できない状態が発生する。これを例えば短絡状態で、連続して放電が発生しているか否かを検出する。
また、例えば最初に設定した放電処理条件が不適切であるか、または放電の進行に伴い放電処理条件が不適切になると、面粗さが悪くなり、被膜の厚さが不均一になり表面処理層の性状が悪くなることから、表面層の性状から放電処理状態を検出することができる。
図６は本発明の第３の実施の形態の放電表面処理装置の構成を示す説明図であり、図７はこの放電表面処理装置を用いた放電表面処理の処理過程を示すフローチャートである。
図において、１〜４は図１と同様であり、１２は放電処理手段１で放電が正常に行われているか（例えば短絡が生じているか）否かを検出する放電処理状態検出部、１３は表面処理層の性状が正常であるか否かを検出する表面処理層の性状検出部である。
つまり、最初に設定する放電処理条件は外乱の影響がないものと想定しているが、実際は処理くずの排出状態等により上記条件では対応できない状態が発生する。これを例えば短絡状態で、連続して放電が発生しているか否かを検出する。
また、例えば最初に設定した放電処理条件が不適切であるか、または放電の進行に伴い放電処理条件が不適切になると、面粗さが悪くなり、被膜の厚さが不均一になり表面処理層の性状が悪くなることから、表面層の性状から放電処理状態を検出することができる。
まず、図７において、ステップ４までは図２と同様にして放電処理手段１により放電処理をおこなう。
処理時間が長くなると放電処理中に圧粉体電極の特徴が変化するが、その変化に対応することにより、より要求仕様に沿った表面処理層を得ることができる。
即ち、図７において、ステップ６、７で放電処理中、放電処理状態が正常であるか否かを判断し、異常であれば放電処理条件制御部４で放電処理条件を修正し正常ならステップ８、９で、被処理材に形成された表面処理層の性状が正常であるか否かを判断し、異常であれば放電処理条件制御部４で放電処理条件を修正し正常ならステップ５で表面処理層が要求仕様に達した時点で放電処理を終了する。
なお、ステップ１とステップ２およびステップ６、７とステップ８、９は前後してもよく、ステップ６、７とステップ８、９は実行回数を最初から決めていても良い。
処理時間が長くなると放電処理中に圧粉体電極の特徴が変化するが、その変化に対応することにより、より要求仕様に沿った表面処理層を得ることができる。
即ち、図７において、ステップ６、７で放電処理中、放電処理状態が正常であるか否かを判断し、異常であれば放電処理条件制御部４で放電処理条件を修正し正常ならステップ８、９で、被処理材に形成された表面処理層の性状が正常であるか否かを判断し、異常であれば放電処理条件制御部４で放電処理条件を修正し正常ならステップ５で表面処理層が要求仕様に達した時点で放電処理を終了する。
なお、ステップ１とステップ２およびステップ６、７とステップ８、９は前後してもよく、ステップ６、７とステップ８、９は実行回数を最初から決めていても良い。
実施の形態１に示す放電表面処理装置を用いた放電表面処理方法のように、放電処理条件制御部による放電処理条件の決定は、表面処理前に一度だけ実行しても良いが、処理中に圧粉体電極等の特徴が変化する場合または形成する表面処理層が厚膜（２０μｍ程度）である場合、良質な表面処理層を得るためには実施の形態３に示す放電表面処理装置を用いた放電表面処理方法のように、放電処理条件制御部による放電条件の決定を複数回実行して修正することが望ましい。
５ 圧粉体電極、７ 表面処理層。
Claims (7)
- 表面処理材料または表面処理材料の元となる材料からなる圧粉体電極と被処理材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表面処理層を形成する放電処理手段、上記表面処理層の要求仕様を記憶する要求仕様記憶部、上記圧粉体電極の放電処理に関連する特性を記憶する電極の特徴記憶部、並びにこの電極の特徴記憶部からの出力結果と上記要求仕様記憶部の要求仕様とから上記放電処理手段の放電処理条件を制御する放電処理条件制御部を備えた放電表面処理装置において、上記圧粉体電極の被処理材側を比較的柔らかい金属の粉体で形成し、他側を比較的硬い金属を含む粉体で形成したことを特徴とする放電表面処理装置。
- 圧粉体電極は比較的柔らかい金属と比較的硬い金属の量が徐々に変化し、組成に傾斜性を有することを特徴とする請求項１に記載の放電表面処理装置。
- 表面処理材料または表面処理材料の元となる材料からなる圧粉体電極と被処理材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表面処理層を形成する放電処理手段、上記表面処理層の要求仕様を記憶する要求仕様記憶部、上記圧粉体電極の放電処理に関連する特性を記憶する電極の特徴記憶部、並びにこの電極の特徴記憶部からの出力結果と上記要求仕様記憶部の要求仕様とから上記放電処理手段の放電処理条件を制御する放電処理条件制御部を備えた放電表面処理装置において、上記圧粉体電極が異なる粒径の粉体からなり、小さい方の粒径の粉体からなる圧粉体電極と上記被処理材との間に印加される放電処理エネルギーが、大きい方の粒径の粉体からなる圧粉体電極と上記被処理材との間に印加される放電処理エネルギーより小さくなるように、上記放電処理条件制御部により制御することを特徴とする放電表面処理装置。
- 放電処理条件が放電パルスの極性、ピーク電流、オープン電圧、パルスオン時間、パルスオフ時間またはサーボ電圧であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の放電表面処理装置。
- 表面処理材料または表面処理材料の元となる材料からなる圧粉体電極と被処理材との間に電圧を印加して放電処理することにより上記被処理材の表面に表面処理層を形成する放電表面処理方法において、上記圧粉体電極の被処理材側を比較的柔らかい金属の粉体で形成し、他側を比較的硬い金属を含む粉体で形成し、上記表面処理層の要求仕様と、上記圧粉体電極の放電処理に関連する特性とにより上記放電処理条件を制御することを特徴とする放電表面処理方法。
- 放電処理条件の制御を放電処理状態または表面処理層の性状によりおこなうことを特徴とする請求項５に記載の放電表面処理方法。
- 放電処理条件が放電パルスの極性、ピーク電流、オープン電圧、パルスオン時間、パルスオフ時間またはサーボ電圧であることを特徴とする請求項５に記載の放電表面処理方法。
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