JP2005213557A - 放電表面処理方法及び放電表面処理用電極並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 非導電性のセラミックスの被膜を放電表面処理で生成すること。
【解決手段】 導電性金属のワーク対向面に非導電性セラミックスの粉末を層状に付着させた電極を用いて、加工液中及び気中において所定間隙離間したワークとの間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギーにより、ワーク表面に上記非導電性セラミックスの粉末の被膜を形成するものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、加工液中或いは気中において、導電性電極とワークとの間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギーにより、ワーク表面に非導電性のセラミックス被膜を形成する放電表面処理に関するものである。

導電性の電極とワークとの間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギーにより電極材料の被膜を形成する放電表面処理方法が、特許第３２２７４５４号公報に記されている。
この特許第３２２７４５４号公報に示された放電表面処理方法は、部品や金型の耐摩耗性を向上するためにＴｉＣ（炭化チタン）などの導電性セラミックスの被膜を形成させるものである。

また、半金属（シリコン）の電極を用いた放電加工による表面層の形成方法が、特開昭６２−２４９１６号公報に記されている。
これは、半金属の電極が大きな抵抗を有しているため、電極面の一カ所で放電することなく、電極面全体で微細な放電が同時に多数発生することにより、熱伝導率の低い半金属電極は蒸発する一方、電荷を持っているためにワーク表面に移転し、高温高圧における急熱急冷が行われて、ワーク表面にアモルファス又は微細な結晶構造を形成するものである。
なお、この従来技術では、シリコンに不純物を打ち込んで電極に導電性を持たせている。

日本特許第３２２７４５４号公報 特開昭６２−２４９１６号公報

一般に、放電表面処理においては、電極とワークとの間に放電を発生させる必要があるため、放電表面処理の電極に用いられる材料は、導電性のあるものに限られており、その結果、ワーク表面に形成される被膜は、導電性を有したものとなる。
しかしながら、近年、高温化における耐熱性や耐食性を有するＡｌ_２Ｏ_３やＺｒＯ_２やＳｉＯ_２などの非導電性セラミックス被膜の需要が高まってきた。
例えばジェットエンジンのブレードには、Ａｌ_２Ｏ_３の薄い被膜がアルミナイズコーティングされている。
このＡｌ_２Ｏ_３被膜は熱伝導率が低いため、薄い被膜で大きな温度勾配を持ち、高温雰囲気からタービンブレードを守る働きをする。
この被膜の中に導電性のある物質が存在すると、被膜の熱伝導率が大きくなり、雰囲気の高温をブレード内部に伝導し、ブレードが溶融してしまう。
しかしながら、上述した如く、放電表面処理を用いて被膜形成する際には、被膜を形成するための電極材料として、導電性を有することが必要であることから、非導電性の被膜を形成することはできなかった。

また、従来被膜を形成する手法としては、溶接技術が確立していたが、その溶接技術をもってしても、溶接棒先端はセラミックスを溶かす温度まで上昇させられない、また導電性がないものはアーク放電させられないため、非導電性のセラミックスの溶接をできなかった。
また、溶接棒内にセラミックス粉末を混合させて溶接する場合、セラミックスと金属の密度差のため、溶滴内でセラミックスと金属が分離するという問題があった。

本発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、高温化における耐熱性や耐食性を有する非導電性のセラミックス被膜をワークに対して形成することを目的とする。

本発明に係る、放電表面処理方法は、導電性金属のワーク対向面に非導電性セラミックスの粉末を層状に付着させた電極を用いて、加工液中及び気中において所定間隙離間したワークとの間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギーにより、ワーク表面に上記非導電性セラミックスの粉末の被膜を形成するものである。

本発明によれば、非導電性のセラミックス性の被膜を堆積させることができる。

実施の形態１．
まず、放電表面処理の原理を図１に示す。
電極は金属やセラミックスの数μｍの粉末を圧縮成形した後、加熱処理したものを用いる。
電極を陰極、ワークを陽極とし、両者が接触しないよう主軸はサーボをとられている。
電極とワークの間は加工液で満たされ、その間で放電を発生させる。
放電の熱によりワークおよび電極は溶融・気化される。
気化により発生する爆風よって、溶融した電極の一部（溶融粒子）をワーク表面に向かって輸送する。ワーク表面に到達すると、再凝固し被膜となる。

次に、本実施の形態について説明する。
本実施の形態では、非導電性セラミックスとして、Ａｌ_２Ｏ_３について説明するが、その他、ＺｒＯ_２やＳｉＯ_２、ＳｉＣ等が非導電性セラミックスに分類される。
電極にコバルト製のφ１８丸棒を用い、その先端に非導電性セラミックスとしてＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）の粉末を液状の接着剤と混合し、その混合体を電極先端に塗布して厚さ０．５ｍｍ程度付着させた。
混合体は、平均粒径０．５μｍのアルミナ粉末１ｋｇに重量比で１０％の液体接着剤を混合し製造した。
ここで、液体接着剤は、金属とセラミックスの貼り付けに適したもので、特殊エポキシ樹脂主剤と特殊アミン系硬化剤の組み合わせからなる２液混合タイプを使用した。この接着剤は、室温で硬化し、塗布後のタレが無いので垂直面にも使用できる。
また、接着剤には、導電性のものを用いてもよい。ただし、導電性接着剤はＮｉ（ニッケル）やＡｇ（銀）などの金属を含んでいるため、被膜内部にそれら不純物の混入を避けたい場合は、使用しない方がよい。

非導電性セラミックスの粉末と接着剤の混合体のプールを準備し、電極先端をそこに浸せば、同様に電極先端に非導電性セラミックス層を形成できる。
ただし、接着剤を含んだ混合体のプールを使用する場合、接着剤が乾燥し、硬化しないよう、管理しておく必要がある。
また、はじめに接着剤を塗布、または電極先端を接着剤のプールに浸し、その後、非導電性セラミックスの粉末を塗布、または電極先端を非導電性セラミックスの粉末のプールに浸せば、同様に電極の先端に非導電性セラミックスの粉末を付着することができる。
この場合の接着剤のプールも、硬化しないよう管理しておく必要がある。

非導電性セラミックスの層の厚さが１ｍｍ以上になると、後述するが、放電を発生させるため、かなり大きな電圧を電極とワークの間に印可する必要があるため、約０．５ｍｍ以上付着した場合は、電極先端を研磨し、層の厚さを調節する。
また、電極先端にアルミナと接着剤の粉末をスプレーで吹きかけて積層してアルミナ層を形成できる。また、接着剤を電極先端に塗布した後に、アルミナ粉末を吹きかけてもアルミナ粉末の層を形成することができる。

一般的放電加工において、電極の導電性部先端位置とワーク上面との距離は、０．０５〜０．２ｍｍ程度に保たれた状態で加工が行われる。
つまり、印加電圧により極間の距離が決定されるので、従来の放電表面処理は、極間の電圧が８０Ｖ〜２４０Ｖで加工が行われている。
しかしながら、上述した本実施の形態における電極先端に非導電性の物質が付着している電極を用いた場合、単に電極の導電性先端位置とワーク上面との距離を０．０５〜０．２ｍｍ程度とすると、非導電性物質部分がワークに接触する恐れがあるため、加工に適さない。
よって、非導電性物質の厚さ分を考慮して、電極とワークの間に約１０００Ｖの放電を印可してパルス状の放電を発生させるようにして加工を行う。

本発明の原理を図２に示す。
電極とワークとの極間に例えば１０００Ｖを印加することにより、電極の導電部先端とワーク上面との間で放電が発生すると、放電点のＣｏが気化する。
このとき、アーク柱の温度は約５０００Ｋ以上であり、アーク柱に覆われた接着剤も一瞬で気化し、接着剤で電極に拘束されていた非導電性物質のアルミナ粉末は拘束力を失う。
そのときに発生する爆発力により、電極先端の拘束力を失っているアルミナの粉末はワーク上面に向けて吹き飛ばされる。
電極からワークへ移行中、アルミナの沸点は４０００Ｋ程度であるため、アルミナ粉末は中心温度が５０００Ｋ以上になるアーク柱から輻射熱を受け溶融・気化し、溶融したアルミナがワーク上に堆積し、被膜となる。

なお、飛散経路がアーク柱から離れていたアルミナ粉末は、十分に溶融せず、ワーク上に堆積している。
しかしながら、放電表面処理は、パルス状の放電が繰り返されることにより加工が行われるものであり、その後の放電が、ワーク上の十分に溶融していないアルミナ粉末上で発生するとと、そのときのアーク熱により堆積していたアルミナが完全に溶融し、被膜が形成される。

次に、Ｆｅ（鉄）を主成分とするＳＫＤ６１をワークに用い、ピーク電流値ｉｅ＝１２Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）ｔｅ＝８μｓ、休止時間ｔｏ＝１６μｓのパルス条件で、３分間堆積加工を行った事例について説明する。
なお、印可電圧は１０００Ｖとした。
３分間加工すると、２０μｍ程度の非導電性のアルミナ被膜をワーク表面に形成することができた。
電圧チェッカーで被膜表面の抵抗を測定したところ，測定不能を示したため，非導電性の被膜が均一にワーク表面を覆っていることがわかった。
電極に関しては、加工３分後の電極先端に、Ｃｏが出現していた。
また、導電性接着剤を使用した場合、放電発生位置はＣｏとアルミナの境目となる。
アルミナ表面は、脆いため放電開始直後に広範囲に消耗する。
そのため電流の増加に伴って、アーク柱を成長できず、電流経路が狭いまま電流が増加するため、電極とワークの間の抵抗が大きくなる。

被膜厚さを更に増加するには、電極の先端に再びアルミナ粉末を付着しなければならない。
電極先端にアルミナ粉末を付着する方法は、前述した方法でよい。
同じ放電条件、同じ場所でさらに３分間加工すると被膜厚さが３５μｍとなった。

一方、導電性接着剤を用いた場合、放電点は、アルミナ層の先端（通常の放電表面処理と同じ位置）に移り、従来の放電表面処理と同じ原理で、アルミナがワーク上に堆積される。
なお、この場合は、上述したように、導電性接着剤に含まれていた金属が、被膜にわずかに含まれる。
しかし、放電の発生点がセラミックスが付着した先端とすることができるためめ、極間距離を小さくでき、セラミックスの移動距離が短くなるため、一発の放電で付着するセラミックス量が増加する。

本実施の形態によれば、従来は、被膜を形成することができなかった非導電性の被膜をワーク表面に形成することができるようになったので、高温化における耐熱性や耐食性を有する非導電性のセラミックス被膜を有する部材を製造することができる。
なおこれら非導電性のセラミックス被膜を形成された部材は、ガスタービンの動翼、コンプレッサー先端などに適用することにより、サーマルバリヤや硬さ向上の効果がある。

実施の形態２．
次に、非導電性の被膜を形成するための表面処理に使用する電極製造方法について図３を用いて説明する。
上述した実施の形態１では、コバルトのφ１８丸棒先端に非導電性セラミックスとしてＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）の粉末を液状の接着剤と混合し、その混合体を電極先端に塗布して厚さ０．５ｍｍ程度付着させた場合を説明したが、本実施の形態では、電極の導電性部材も金属の粉末の圧粉体で形成する場合である。

まず、市場に流通している平均粒径数十μｍの金属の球形粉末をボールミル装置などの粉砕機で平均粒径３μｍ以下に粉砕する。
ここで、金属の粉末が液体中で粉砕された場合、液体を蒸発させ、粉末を乾燥させる。
乾燥後の電極粉末は、粉末と粉末が凝集し、大きな固まりを形成しているため、それら凝集を解消するために篩にかける。
また、プレスの際に粉末内部へのプレスの圧力の伝わりを良くするために粉末にパラフィンなどのワックスを重量比１％から１０％程度混入すると成形性を改善することができる。
パラフィンなどのワックスと混合した場合は、ワックスと電極粉末をよく混合するために、再び篩いにかける必要がある。

図４に示すようにダイとパンチを準備し、はじめに非導電性セラミックス粉末（平均粒径１μｍ程度）を厚さ２ｍｍ程度入れ、次に先程パラフィンと混合した金属粉末を入れ、圧縮プレスで成形する。
なお、セラミックスの粉末の平均粒径は３μｍ以下であればよい。
その後、真空炉または窒素雰囲気の炉で加熱して電極の硬度を向上させ電極を完成させる。
プレスにより粒径の小さい非導電性セラミックス粉末が金属粉末の内部に進入し、その界面では、非導電性セラミックスと金属粉末が混合された状態になる。
加熱により非導電性セラミックスの周りの金属粉末間の結合が進み、非導電性セラミックス層と金属部の結合が強固になる。
加熱温度は非導電性セラミックスの材料によって異なるが、９００℃〜１２００℃程度で非導電性セラミックス層は、十分な強度を持つことができる。
粉砕工程を省略し、平均粒径数十μｍの粉末をそのまま使用しても電極を成形できるが、その電極は、表面の硬度が高く、中心部の硬度が低いという硬さのばらつきを持つ。
後述するが、非導電性セラミックス被膜を処理している間は問題ないが、非導電性セラミックスの被膜の上に金属被膜を形成する場合、金属被膜の様相が、電極の周囲と外周部で違いでるため、できるだけ平均粒径の小さいものを用いた方がよい。
上記方法により、０．５ｍｍ程度のアルミナ層を形成できる。

また、非導電性セラミックスの粉末に接着剤を重量比で１０％程度の入れ、良く混ぜ合わせ混合体を製造する。
その粉末を図４と同様に少量入れ、次に金属粉末を入れて圧縮成形しても電極を成形できる。
接着剤を入れた場合は、プレス時に接着剤が金属粉末内に浸透し、非導電性セラミックス層と金属部の接合がより強固になる。
ここで、加熱温度は６００℃以下程度で無ければ、接着剤が気化してしまうので、加熱温度は、６００℃以下としなければならず、金属粉末が該温度で溶融しないように、融点が６００℃より大きい金属粉末材質を用いる必要がある。

また、はじめに金属粉末を圧縮成形・加熱した後、電極の先端に非導電性セラミックスと接着剤の混合体を塗布または吹きかけて電極を成形してもよく、また、圧粉体の金属電極に対し接着剤を塗布または吹きかけた後に、非導電性セラミックスの粉末を塗布または吹きかけてもよい。また、圧縮成形・加熱した後に接着剤のプールに浸し、その後非導電性セラミックスのプールに浸す、または、接着剤と非導電性セラミックスのプールに浸すことにより電極を成形してもよい。
また、上述のように非導電性セラミックスの厚さが大きくなりすぎた場合、研削等で所望の厚さまで減少させる必要がある。

次に、実施に形成された電極及び該電極を用いた放電表面処理について説明する。
非導電性セラミックスとして平均粒径０．５μｍのＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）の粉末に液状の接着剤を重量比で１０％混合し、その混合体と平均粒径１μｍのコバルト粉末を圧縮成形した後、２００℃で加熱して電極を成形した。
そして、この成形された電極を用いて、Ｆｅを主成分とするＳＫＤ６１のワークに、ピーク電流値ｉｅ＝１２Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）ｔｅ＝８μｓ、休止時間ｔｏ＝１６μｓの放電パルス条件で堆積加工を行った。なお、オープン電圧は，１０００Ｖとした。
この条件で、２．５分間加工すると、２０μｍ程度のアルミナ被膜を形成することができた。

本実施の形態において、電極の導電部を圧粉体または圧粉体を加熱処理したものを用いるのは、二つの理由である。
一つ目の理由としては、圧粉体や圧粉体を加熱処理したものは、金属の固溶体と比較して熱伝導率が小さく、放電によりヒートスポットを形成しやすく、気化する量が多くなる。
そのため、放電による爆発力が大きくなり、より高効率でアルミナの被膜を堆積することができるからである。
コバルトの金属棒を使用した場合、２０μｍの被膜を堆積するのに３分必要であったが、圧粉体を加熱処理したものを用いると同じ厚さの被膜を得るのに約２．５分であり、高速に加工することが可能である。

また、二つ目の理由としては、高いオープン電圧のまま１０分等と加工を単に継続すると非導電性セラミックスの被膜上に導電性の圧粉体電極の被膜を形成させることが可能であるからである。
加工によっては、非導電性セラミックスの被膜が形成できなかったワークの面が現れている部分が存在することがある。
しかしながら、圧粉体電極を用いると、電極の金属部まで加工を進めると、非導電性セラミックスが覆えなかった部分にも金属被膜を形成でき、さらに加工を進めると図５に示すような非導電性セラミックスが下部層となる２層被膜を形成できる。
このような被膜は、高温で耐摩耗性や耐エロージョン性を要求される雰囲気で使用される。
例えば、耐食性を持つＳｉＣの上に高温で耐摩耗性を持つステライトなどのＣｏ合金を堆積させる。
摩耗によりステライト被膜の一部が剥がれると、ＳｉＣが表面に現れる。
母材を腐食する気体や液体の雰囲気では、ＳｉＣが無ければ、すぐに母材を浸食してしまう。しかし、ＳｉＣが中間にあれば、被膜の一部が剥離しても問題ない。

本実施の形態によれば、ワーク表面上に非導電性の被膜が形成することができることばかりか、該非導電性被膜上に金属被膜を形成した２層被膜を１回の加工工程によって処理できるので、被膜形成に容する処理時間を大幅に短縮することができる。

実施の形態３．
また、実施の形態２では、金属粉末と非導電性セラミックスのアルミナ粉末を圧縮形成して圧粉体電極とした場合について説明したが、金属の丸棒電極に対し、アルミナ粉末を圧縮形成した形成部分を接着剤で取り付けたものが本実施の形態である。
具体的には、非導電性セラミックスのＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）の粉末をφ１８×０．５に圧縮成形して、１０００℃で加熱処理することにより、アルミナ粉末の形成部材を作成する。
そして、電極の導電性部はコバルト製のφ１８丸棒を用い、その先端にアルミナの成形部材を接着剤で取り付けた。

本実施の形態の如く、アルミナの粉を圧縮成形したものを用いた場合、接着剤と混合して塗布した場合と比較して、非導電部のアルミナの密度が高いため、一回の放電でワーク上に堆積されるアルミナの量が多くなる。
使用した放電のパルス条件は、ピーク電流値ｉｅ＝１２Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）ｔｅ＝８μｓ、休止時間ｔｏ＝１６μｓである。
２０μｍ程度のアルミナ被膜を形成することができた。

放電表面処理の概念を示す図である。 本実施の形態における非導電性被膜形成プロセスを示す図である。 電極製造プロセスを示す図である。 電極製造構造を示す図である。 本実施の形態により形成される被膜を説明する図である。

Claims (14)

1. 導電性金属のワーク対向面に非導電性セラミックスの粉末を層状に付着させた電極を用いて、加工液中及び気中において所定間隙離間したワークとの間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギーにより、ワーク表面に上記非導電性セラミックスの粉末の被膜を形成することを特徴とする放電表面処理方法。
2. 電極における導電性金属部分は、金属粉末または金属の化合物の粉末、あるいは、セラミックスの粉末を圧縮形成した圧粉体としたことを特徴とする請求項１に記載の放電表面処理方法。
3. 上記電極は、非導電性セラミックスの粉末を導電性金属部分に圧縮成形して付着させた電極を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の放電表面処理方法。
4. 上記電極は、非導電性セラミックスの粉末を接着剤で導電性金属部分に付着させたこと電極を用いることを特徴とする請求項１〜３に記載の放電表面処理方法。
5. 電極とワークの間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギーにより、ワーク表面に電極材料あるいは電極材料が放電エネルギーにより反応した物質からなる被膜を形成する放電表面処理において、
   導電性物質のワーク対向面に非導電性セラミックスの粉末を層状に付着させたことを特徴とする放電表面処理用電極。
6. 電極における導電性部分は、金属粉末または金属の化合物の粉末、あるいは、セラミックスの粉末を圧縮形成した圧粉体としたことを特徴とする請求項５に記載の放電表面処理用電極。
7. 上記電極は、非導電性セラミックスの粉末を導電性部分に圧縮成形して付着させた電極を用いることを特徴とする請求項５または６に記載の放電表面処理用電極。
8. 上記電極は、非導電性セラミックスの粉末と、金属粉末または金属の化合物の粉末或いはセラミックスの粉末を層状に堆積させ、所定の圧力をかけることにより圧縮形成した圧粉体電極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用電極。
9. 非導電性セラミックスの粉末粒径を、金属粉末または金属の化合物の粉末或いはセラミックスの粉末の粒径より小さくしたことを特徴とする請求項８に記載の放電表面処理用電極。
10. 上記電極は、非導電性セラミックスの粉末を接着剤で導電性部分に付着させたことを特徴とする請求項５〜７に記載の放電表面処理方法。
11. 電極とワークの間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギーにより、ワーク表面に電極材料あるいは電極材料が放電エネルギーにより反応した物質からなる被膜を形成する放電表面処理において、
    導電性物質のワーク対向面に接着剤を塗布する工程と、
    この接着剤を塗布した部分に、非導電性セラミックスの粉末を塗布する工程と、
    を備え、層状の非導電性セラミックス粉末部分を導電性電極の先端および周囲に付着させることを特徴とする放電表面処理用電極の製造方法。
12. 非導電性セラミックスの粉末と、金属粉末または金属の化合物の粉末或いはセラミックスの粉末を層状に堆積させ、所定の圧力をかけることにより圧縮形成することを特徴とする請求項１１に記載の放電表面処理用電極の製造方法。
13. 非導電性セラミックスの粉末は、金属粉末または金属の化合物の粉末或いはセラミックスの粉末の粒径より小さい粉末を用いたことを特徴とする請求項１２に記載の放電表面処理用電極の製造方法。
14. 導電性金属のワーク対向面に非導電性セラミックスの粉末を層状に付着させた電極を用いて、加工液中及び気中において所定間隙離間したワークとの間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギーにより、ワーク表面に上記非導電性セラミックスの粉末の被膜を形成させたこと特徴とするジェットエンジンのブレード。

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