JP2005213559A

JP2005213559A - 放電表面処理用電極及び放電表面処理方法

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Publication number: JP2005213559A
Application number: JP2004020628A
Authority: JP
Inventors: Masao Akiyoshi; 雅夫秋吉; Akihiro Goto; 昭弘後藤; Hiroyuki Ochiai; 宏行落合; Mitsutoshi Watanabe; 光敏渡辺; Takashi Furukawa; 崇古川
Original assignee: IHI Corp; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: IHI Corp; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】金属または金属の化合物または、セラミックスの厚い被膜を形成する。
【解決手段】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成形した圧粉体電極と、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、上記圧粉体電極の材料として、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上の金属または金属の化合物または、セラミックスの粉末を用いて電極を製造する。
【選択図】図３

Description

本発明は、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成形した圧粉体を電極として、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関するものである。

近年、潤滑性や耐食性を有する被膜を形成する手法としては、溶射や溶接の技術が確立している。
ここで、溶射とは、粒径５０μｍ程度の粉末をノズルから噴出させ、ノズル出口で粉末の一部を溶融させ、ワーク表面に被膜を形成させる加工法であり、溶接とは、電極棒とワークの間にアークを発生させ、アークの熱により電極棒の一部を溶融させ、液滴を形成し、ワーク表面にそれを移行させ被膜を作る加工法である。

一方、溶接／溶射とは異なる技術であり、パルス状の放電によりワーク表面に被膜を形成する方法（以下、放電表面処理）が確立し、特許第３２２７４５４号公報などに開示されている。
この放電表面処理は、セラミックス製粉末を圧縮形成した圧紛体電極を用いて、部品や金型の耐摩耗性を向上するため、ＴｉＣ（炭化チタン）などの硬質材料の被膜を形成させるものであり、このような放電表面処理に用いられる電極としては、粉末をプレスにより圧縮成形した後、加熱して電極を製造していた。

日本特許第３２２７４５４号公報

厚膜形成を行うための溶射や溶接は、人手による熟練作業が要求される、ワークへの集中的な入熱があるために変形や割れなどが生じやすい、作業をライン化することが困難である、コスト高である等の問題が多く、これらに変わる被膜形成技術が必要とされていた。
そこで、低コストで処理が容易な放電表面処理を用いて、潤滑性や耐食性を有する被膜を形成する要求が高まってきた。
しかしながら、従来の放電表面処理は、常温での耐磨耗性の薄膜形成に主眼をおいており、ＴｉＣ（炭化チタン）などの硬質材料の被膜（８μｍ程度）は形成できるが、１００μｍ程度以上の厚膜を形成できないという問題があった。

本発明は、金属粉末を圧紛体電極として使用する放電表面処理において、厚い被膜を堆積させる表面処理を確立することを目的とする。

本発明に係る放電表面処理用電極は、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成形した圧粉体電極と、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、上記圧粉体電極の材料として、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上の金属または金属の化合物または、セラミックスの粉末を用いて製造するものである。

本発明によれば、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上の金属または金属の化合物または、セラミックスの粉末を用いて製造された電極を用いて放電表面処理すれば、金属または金属の化合物または、セラミックスの厚い被膜を形成できる。

実施の形態１．
まず、放電表面処理の原理を図１に示す。
電極として、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、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た状態で、加工液で満たされた電極とワークとの間で放電を発生させる。
放電の熱によりワーク及び電極の一部は溶融・気化される。
電極の粒子間結合力が適当な場合、放電による爆風や静電気力によって溶融した電極の一部（溶融粒子）が電極から引き離され、ワーク表面に向かって移動し、ワーク表面に到達すると、再凝固し被膜となる。

次に、上記放電表面処理における被膜形成について説明する。
放電時には、電流の通り道であるアーク柱の直径は非常に小さい。
そのため、電流密度が高くなり、ワークも電流によるジュール熱やアーク柱からの輻射熱によりワークが除去される。
このワークの除去量よりも多く電極材料をワーク上に供給しなければ、厚い被膜を堆積させることはできない。

放電表面処理において、ワークの除去量を決定するパラメータの一つに、ワークの熱伝導率という材料の物性値がある。
つまり、ワーク側である電極の対向面の熱伝導率が小さいと局所的に高温になりやすいため、ワーク上の放電が発生した位置で多量に沸点以上の温度となり、ワーク上の放電点部位が気化する。
さらに、ワークの熱伝導率が小さいと、放電により熱せられたところから広がる温度勾配が急になり（等温線の隙間が狭くなる）、放電点中心から半球状に広がる気化域の外側に形成される溶融域の厚さは、ほとんどない。

それに対し、ワーク側である電極対向面熱伝導率が大きいと、放電によりワークに入熱した熱は、素早くワーク内部に拡散するため、局所的に高温にならず、ワーク上の放電点部位は、ほとんど気化しない。
また、熱伝導率が大きいと、放電点から広がる温度勾配も緩やかになり（等温線の間隔も広くなり）、放電点中心から半球状に広がる溶融域が広い範囲で形成される。

すなわち、図１で示した表面処理では、電極材料はこのワーク上の溶融域に堆積することにより強固な被膜を形成できるのであるが、熱伝導率が小さい材質の場合は、溶融域をほとんど形成しないため、この溶融域に電極材料が密着して堆積することが困難となり、厚い被膜を形成することができない。また、仮に被膜が形成されたとしても、電極材料とワーク側の溶融域との密着強度が弱いために、脆い被膜となる。
一方、熱伝導率が大きい場合には、溶融域が十分に形成されるため、この溶融域に電極材料が密着して堆積することにより厚くかつ強固な被膜を形成することができる。

放電表面処理は、電極からの材料が次々に堆積することにより被膜を形成する処理であるため、ワークの表面に堆積した被膜が、ワーク材質の被膜への拡散や混入はほとんど無い。
そのため、強固かつ厚い被膜を放電表面処理で形成すべく、上述したワーク側の電極対向面の熱伝導率を考慮するということは、ワーク上に形成された被膜、すなわち電極材料の固溶体の熱伝導率に除去量が大きく左右されることになる。
換言すれば、電極の材質に基づき厚い被膜を堆積できるかどうかが決定される。

放電表面処理中、加工条件によって多少異なるが、被膜の温度は金属の融点に近い温度５００℃〜１０００℃となっている。
熱伝導率は温度によって変化するため、加工中の被膜温度における熱伝導率の違いにより、溶融域の大きさが左右され、厚い被膜を堆積できるかどうかが決定される。
表面処理時の被膜温度に相当する高温における熱伝導率を表１に示す。
表１

表１より、熱伝導率が小さいＴｉＣ（炭化チタン）やＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）では、一旦ワーク上に堆積した電極材料が局所的に高温となり、形成された被膜が放電により多量に除去され、溶融域もほとんど形成されない。
つまり、厚い被膜を形成できない。
反対にＭｏ（モリブデン）やＳＵＳ３１４は、あまり除去されず、厚い被膜を形成できる。
ここで、ＳＵＳ３１４とＴｉＣは、熱伝導率が倍程度しか異ならないため、除去量に大きな差が現れないように見えるかもしれないが、熱伝導率が２倍異なるということは、熱が瞬時に広がる面積も２倍になる。
つまり、熱伝導率が大きいほうが、より温度勾配が緩やかになり、ヒートスポットを形成しにくいため、気化域が非常に小さくなる。

次に、放電表面処理用電極製造のためのプロセスを図２に示す。
本実施の形態では、ワーク上への被膜形成のために，供給する電極材料の熱伝導率を考慮し、厚くかつ硬質な被膜形成を行うことが可能な放電表面処理用電極について説明する。
本実施の形態における放電表面処理用電極を製造するためには、市場に流通している平均粒径数十μｍの金属やセラミックスの球形粉末をボールミル装置などの粉砕機を用いて平均粒径３μｍ以下に粉砕する。
なお、液体中で粉砕された場合、液体を蒸発させ、粉末を乾燥させる必要がある。
乾燥後の電極粉末は、粉末と粉末が凝集し、大きな塊を形成している。
この大きな凝集した塊を含んだ粉末を、メッシュサイズ０．０１〜０．１ｍｍ程度の網の上に置き、バラバラにするため，及び次工程で使用するバインダーとしてのワックスとの混合を容易にするためにふるいにかける。

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。
しかしながら、パラフィンなどのワックスと混合すると粉末は再び液体が粉末の周りを液体が覆い、その分子間力や静電気力の作用により凝集し大きな塊を形成する。
そこで、再び凝集した塊をバラバラにするため、ふるいにかける必要がる。

実施例１
平均粒径０．７μｍのＭｏ（モリブデン）１００％の粉末を用い、金型の寸法はΦ１８．２×３０．５、プレス圧力１００ＭＰａで圧縮成形した後、８００℃に加熱し電極を製造した。
そして、電極側マイナス、ワーク側プラスの極性、ピーク電流値ｉｅ＝５〜３０Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）ｔｅ＝４〜１００μｓ程度の放電のパルス条件で、加工を行った。ここで、ワークは、鋼材のＳＫＤ６１とした。
いずれの加工条件でも、表１より熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上あるＭｏの場合、５分で約０．１ｍｍの厚い被膜を形成することができた。
その断面写真を図３に示す。
Ｍｏからなる電極を用いて、厚膜が形成でできる。

実施例２
市場に流通している合金の平均粒径は５０μｍ程度であり、大きい粒径は０．１ｍｍ以上ある。
本実施例で説明する合金は、Ｍｏ２８ｗｔ％、Ｃｒ１７ｗｔ％、Ｓｉ３ｗｔ％、残りＣｏからなる。この合金の２００℃以上の高温での熱伝導率はあまり変わらず、３０Ｗ／ｍＫ以上程度である．
この合金の他にＣｒ２５ｗｔ％、Ｎｉ１０ｔｗ％、Ｗ７ｗｔ％、Ｃ０.５ｗｔ％、残り、または、Ｃｒ２８ｗｔ％、Ｎｉ５ｗｔ％、Ｗ１９ｗｔ％、残りＣｏのものを使用しても良い。

本実施例では、合金粉末を振動式ボールミル装置で粉砕した。
粉砕に際しては、溶媒であるアセトン中に上記合金粉末を入れ、約５０時間粉砕し、平均粒径を１．８μｍまで低下させた。

この合金粉末を用いて電極を製造し、堆積加工を行った。
加工条件はピーク電流値をｉｅ＝１０Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）ｔｅ＝８μｓ程度とし、加工したときの堆積状況を図４に示す。
２００℃以上の高温での熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以上ある合金の電極を用い、５分で約０．２ｍｍの被膜を形成することができた。被膜は空隙のない非常に緻密な状態である．

実施例３
市場に流通しているＮｉ合金の平均粒径は５０μｍ程度であり、大きい粒径は０．１ｍｍ以上ある。
本実施例で説明するＮｉ合金は、Ｃｒ１９ｗｔ％、Ｆｅ１８．５ｗｔ％、Ｎｂ５．１ｗｔ％、Ｍｏ３ｗｔ％、Ｔｉ０．９ｗｔ％、Ａｌ０．５ｗｔ％、Ｍｎ０．２ｗｔ％、Ｓｉ０．２ｗｔ％、Ｃ０．０４ｗｔ％、残りＮｉからなる合金（Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８：表１参照）である。
このＮｉ合金の他に、Ｃ０．０８ｗｔ％、Ｃｒ１５ｗｔ％、Ｃｏ１８．５ｗｔ％、Ｍｏ５．２ｗｔ％、Ａｌ４．２５ｗｔ％、Ｔｉ３．５ｗｔ％、Ｂ０．０１５ｗｔ％、Ｎｉ残りからなる合金、Ｃ０．１７ｗｔ％、Ｃｒ１４ｗｔ％、Ｃｏ９．５ｗｔ％、Ｍｏ４ｗｔ％、Ｗ４ｗｔ％、Ａｌ３ｗｔ％、Ｔｉ５ｗｔ％、Ｚｒ０．０３ｗｔ％、Ｂ０．０１５ｗｔ％、Ｎｉ残りからなる合金等を使用しても良い。
なぜならこれらの高温での熱伝導率がＩｎｃｏｎｅｌ７１８とあまり変わらないからである。

本実施例では、Ｎｉ合金粉末を、振動式ボールミル装置で粉砕した。
粉砕に際しては、溶媒であるアセトン中に上記Ｎｉ合金粉末を入れ、約５０時間粉砕し、平均粒径を１．８μｍまで低下させた。

その後、粉砕後のＮｉ合金粉末を用い、電極サイズΦ１８×３０とし、所定のプレス圧力をかけた後、加熱して電極を形成した。
そして、このＮｉ合金粉末よる電極を用い、堆積加工を行った。
加工条件はピーク電流値をｉｅ＝１０Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）ｔｅ＝８μｓ程度とし、加工したときの堆積状況を図５に示す。
表１より高温で熱伝導率２５．２Ｗ／ｍＫ以上のＩｎｃｏｎｅｌ７１８からなる電極を用い、５分で約０．２ｍｍの被膜を形成することができた。空隙の無い非常に緻密な被膜を得ることができた．

ここで、熱伝導率がいくら大きくても溶融域を形成しなければ、その上に電極材料を堆積できない。つまり、厚い被膜を形成できない。
昇華性（固体から気体に相変化する）を持つ材料は、溶融域を形成できない。
昇華性を持つ代表的な材料として、ＳｉＣ（炭化珪素）が上げられる。
ＳｉＣは、熱伝導率が２３０Ｗ／ｍＫであるにも関わらず昇華性を持つため、実施の形態３と同じ条件で加工しても厚い被膜を堆積できなかった。
つまり、厚い被膜を堆積するためには、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上の他に、昇華性を持たない必要がある。

放電表面処理の原理を示す図である。放電表面処理用電極製造のためのプロセスを示す図である。実施例１の電極を用いた加工による堆積状態を示す図である。実施例２の電極を用いた加工による堆積状態を示す図である。実施例３の電極を用いた加工による堆積状態を示す図である。

Claims

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成形した圧粉体電極と、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、
上記圧粉体電極の材料として、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上の金属または金属の化合物または、セラミックスの粉末を用いて製造されたことを特徴とする放電表面処理用電極。
上記圧粉体電極の粉末は、平均粒径３μｍ以下の粉末であることを特徴とする請求項１記載の放電表面処理用電極。
上記圧粉体電極の材料が昇華する性質を持っていないことを特徴とする請求項１記載の放電表面処理用電極。
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成形した圧粉体を電極として、加工液中において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、
上記圧粉体電極の材料として、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上の金属または金属の化合物または、セラミックスの粉末を用いて製造された圧粉体電極を用いて被膜を堆積させることを特徴とする放電表面処理方法．
上記圧粉体電極の材料が平均粒径３μｍ以下の粉末であることを特徴とする請求項４記載の放電表面処理方法。
上記圧粉体電極の材料が昇華する性質を持っていないことを特徴とする請求項４記載の放電表面処理方法。