JP4078938B2 - 放電加工用電極材料 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として型彫り放電加工に用いられる加工電極用として好適な放電加工用電極材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放電加工においては、被加工物の加工速度が速いこと、及び加工電極自体の消耗が少ないことが望まれてきた。同時にまた、被加工物には加工電極の表面状態が転写されるため、加工電極の表面や内部に巣がないこと、若しくは巣の大きさができるだけ小さいことが望まれてきた。
【０００３】
この様な要望を満たすために、従来から様々な放電加工用電極材料が開発されてきたが、その中でもＣｕ−Ｗ合金及びＡｇ−Ｗ合金は、Ｗの高い融点や沸点、Ｃｕ又はＡｇの高い熱伝導性と電気伝導性を活かして、消耗が少なく、精密加工や仕上げ加工に適した電極材料として、特に精密加工用途や超硬型の放電加工用途に適した放電加工用電極材料として使用されてきた。
【０００４】
かかるＣｕ−Ｗ合金及びＡｇ−Ｗ合金からなる放電加工用電極材料の製造方法の一つとして、Ｗ粉末を主成分とする粉末を電極形状に型押しした後、この型押し体中に最終合金組成となるように純Ｃｕ又は純Ａｇを溶融浸透させる溶浸法がある。また、別の製造方法として、Ｗ粉末とＣｕ又はＡｇ粉末を最終合金組成に配合した後、電極形状に型押しし、焼結して作製する焼結法がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これらのＣｕ−Ｗ合金及びＡｇ−Ｗ合金からなる放電加工用電極材料については、電極製造時に巣の発生を抑えることと共に、実際の放電加工現場における能率アップの要求から、電極の消耗を少なくすること、更に加工速度を上げて放電加工特性を向上させることが検討されている。
【０００６】
例えば、特開昭６３−１９５２４２号公報や特開昭５０−１０９５９５号公報に記載されるように、これらのＣｕ−Ｗ合金又はＡｇ−Ｗ合金中にＮａやＫ等のアルカリ金属元素、ＳｒやＣａ等のアルカリ土類金属元素、Ｌａ等の希土類元素、又はこれらの酸化物等を添加することにより、合金の仕事関数を小さくし、加工速度を向上させた電極材料が開発されている。
【０００７】
しかし、上記したアルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、希土類元素、又はその酸化物等を含む放電加工用電極材料は、確かにその仕事関数が低く、加工速度の向上等に改善が得られるものの、添加する上記金属元素等の中には毒性があるものや、吸湿性を有するものがあるため、その取り扱いが不便であり、製造が難しいという欠点があった。
【０００８】
また、これらの元素やその酸化物を含む放電加工用電極材料には、ＷやＣｕ、Ａｇを含まない巣と呼ばれる穴の部分が発生しやすいという欠点があった。放電加工の現場においては、加工電極の巣を特に嫌う場合がある。例えば、大型製品の加工の最終段階で電極に巣が存在すると、その製品が不良となったときの被害金額が大きくなる。また、揺動と呼ばれる加工上のテクニックを用いて巣の悪影響を減じる方法があるが、加工内容や目的によっては揺動を採用できない場合があり、このような場合にも巣のある電極は嫌われる。
【０００９】
従って、放電加工特性に優れている電極材料であっても、内部欠陥として大きな巣が存在すると、加工電極として使用できなかったり、加工不良による被害金額が大きくなったりすることがあった。このように、放電加工用電極の巣は放電加工の際に被加工物に悪影響を与えるため、巣を無くすか若しくは巣が問題にならない程度に小さいこと、具体的には電極の使用目的にもよるが約４μｍ以下であることが望まれている。
【００１０】
本発明は、このような従来の事情に鑑み、Ｃｕ−Ｗ合金からなり、電極の消耗が少なく且つ加工速度が速いうえ、巣の発生がないか又は巣が極めて小さい放電加工用電極材料を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明が提供する放電加工用電極材料は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｗ以外の元素又はその硼素化物若しくは酸化物を０.０５重量％以上含まず、Ｗ濃度が４０重量％以上のＣｕ−Ｗ合金からなり、該合金中の全Ｗ粒子の３０％以上が粒径３μｍ以上であることを特徴とする。
【００１２】
また、上記した本発明の放電加工用電極材料においては、前記Ｃｕ−Ｗ合金を硝酸液で腐食した後のＷスケルトンの硬度が、ビッカース硬度で２２以上であることが好ましい。
【００１３】
本発明においては、Ｗ粒子の粒径の測定は下記の方法によって行う。走査電子顕微鏡観察により１５００倍の写真を撮影し、これをコピー機にて４倍に拡大複写する。この拡大した写真内に長さ２０ｃｍの線分を任意に引き、この線分と交差したＷ粒子について、その交差した長さを測定してＷ粒子の粒径とする。また、粒径３μｍ以上のＷ粒子の割合は、上記の作業を測定数が所定数、例えば３００個になるまで繰り返し、その３００個の粒子中に含まれる粒径３μｍ以上のＷ粒子の百分率をもって表すものとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、放電加工用電極材料として、Ｗ濃度が４０重量％以上のＣｕ−Ｗ合金について試作評価を重ねた結果、構成成分であるＷ粒子が粗粒を多く含むことによって、内部欠陥である巣がないか又は巣が極めて小さい放電加工用電極材料が得られることを見出した。
【００１５】
即ち、Ｃｕ−Ｗ合金中の全Ｗ粒子のうち粒径が３μｍ以上のＷ粒子が３０％以上を占めることにより、巣の発生を抑えることができ、巣がないか又は巣が極めて小さい放電加工用電極材料を得ることができる。このような巣の抑制は、Ｗ粉末の粒径が粗い方が、Ｗ粒子の隙間をＣｕ粒子が埋めやすいこと、及び型押し時に型押し密度を上げやすいこと等によるものと考えられる。
【００１６】
本発明の放電加工用電極材料は、Ｗ濃度が４０重量％以上、多くの場合はＷ濃度が６０重量％のＣｕ−Ｗ合金である。また、巣の発生を抑制するために、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、希土類元素、又はその酸化物等を０.０５重量％以上含まないことが必要である。
【００１７】
このような構成を有する本発明の放電加工用電極材料は、巣が全く発生しないか、発生しても実際の電極使用において問題ない程度の大きさ、即ち使用目的にもよるが通常４μｍ以下であって、多くの場合は１μｍ未満の大きさの巣しか発生しない。
【００１８】
一般に、アルカリ金属元素やアルカリ土類金属元素等を添加する場合には、これらの元素が焼結性を阻害するため、Ｎｉのような焼結促進効果のある元素を０.０５〜５重量％程度添加する必要があった。しかしながら、アルカリ金属元素やアルカリ土類金属元素等を含まない本発明のＣｕ−Ｗ合金においては、Ｎｉのような焼結促進効果のある元素等を必ずしも含む必要はない。従って、Ｎｉを添加しない場合には、ＮｉがＣｕ中に固溶して電気伝導度を下げるという不都合を避けることが可能である。
【００１９】
尚、巣の発生を抑制するため、Ｃｕ−Ｗ合金中にアルカリ金属元素やアルカリ土類金属元素、希土類元素、又はこれらの酸化物等を添加しないことにより、これらを含む場合に比べて電極の耐消耗性及び加工速度が若干低下するが、それでも実用上問題がない程度である。しかも、後述するように焼結温度を高める等の手法を用いてＷ粒子を互いに強固に接合させることによって、電極の耐消耗性や加工速度の低下を補えることが分った。
【００２０】
Ｗ粒子が強固に接合されている度合いは、Ｃｕ−Ｗ合金を硝酸液に浸漬してＣｕを腐食し、得られたＷスケルトンの硬度を測定することにより評価することができる。即ち、上記Ｗスケルトンの硬度として、ビッカース硬度が２２以上であるとき、Ｗ粒子が相互に強固に接合されていおり、電極の耐消耗性及び加工速度が改善される。
【００２１】
本発明のＣｕ−Ｗ合金からなる放電加工用電極材料の製造は、以下の溶浸法による。
【００２２】
即ち、粒径３μｍ以上の粒子が３０重量％以上となるような粒度分布を持つＷ粉末をそのまま、又はこのＷ粉末に例えば２〜３重量％程度のＣｕ粉末を混合した後、所望の形状に型押しし、この型押し体内にＷ−３０重量％Ｃｕ等の最終合金組成となるようにＣｕを溶浸させる。具体的なＣｕの溶浸については、型押し体をＣｕの溶融液体中に浸漬する方法、型押し体とＣｕを接触させた状態で、Ｃｕの融点以上の温度に加熱する方法等がある。
【００２３】
更に、Ｗスケルトンの硬度が高いＣｕ−Ｗ合金を製造する方法としては、上記の溶浸法の場合、Ｗ粒子同士の焼結状態をより強固にする手法、例えばＷ粒子の焼結を１３５０℃よりも高い温度で行う等の方法をとることができる。
【００２４】
【実施例】
実施例１
１.３〜３１μｍの粒度分布を持つＷ粉末と、Ｃｕ粉末とを原料とし、Ｗ−４重量％Ｃｕの組成となるように配合して、アトライターにて混合した後、この混合粉末を電極形状に型押しした。得られたＷ−４重量％Ｃｕ組成の型押し体に、純Ｃｕ粉末を型押しした材料を接触させ、水素雰囲気中にて１２００℃（試料Ａ）及び１４１０℃（試料Ｂ）で加熱焼結すると同時にＣｕを溶浸させることにより、最終合金組成がＷ−３０重量％Ｃｕである各電極材料を作製した。
【００２５】
比較例として、原料の全Ｗ粉末として微粒を多く含む粒度分布のＷ粉末を用いた以外は上記試料Ａの場合と同様にして、最終合金組成がＷ−３０重量％Ｃｕである試料Ｃの電極材料を作製した。また、上記試料ＡにおけるＷ粉末の一部に代えてＣａＯ粉末とＴｈＯ_２粉末を添加し、それ以外は試料Ａと同様にして、最終合金組成がＷ−３０重量％Ｃｕ−０.５重量％ＣａＯ−０.５重量％ＴｈＯ_２である試料Ｄの電極材料を作製した。
【００２６】
得られた本発明の試料Ａ及びＢの電極材料、並びに比較例の試料Ｃ及びＤの電極材料について、それぞれ３０％の硝酸液で腐食した後のＷスケルトン硬度（ビッカース硬度Ｈｖ）を測定した。また、試料Ａ〜Ｄの各試料の合金中に含まれる粒径３μｍ以上のＷ粒子量を求め、これらの結果を焼結温度等の製造条件と共に下記表１に示した。
【００２７】
【表１】

【００２８】
また、上記試料Ａ〜Ｄの各電極材料について、それぞれ巣の大きさを測定し、その平均値を下記表２に示した。更に、上記試料Ａ〜Ｄの各電極材料から電極面が１５×１５ｍｍの加工電極を作製し、この電極面が１５×５ｍｍだけ超硬合金（硬さ８８.５ＨＲＡ）の被加工材にかかるように対向させて、ピーク電流（Ｉｐ）＝１３５Ａ、加工電圧（Ｖ）＝８０Ｖ、パルス幅（ＯＮ）＝８.７μｓｅｃ、休止時間（ＯＦＦ）＝１２８μｓｅｃの条件で、４ｍｍの加工深さまで放電加工を行った。この放電加工時における電極消耗量と加工速度を求め、得られた結果を下記表２に併せて示した。
【００２９】
【表２】

【００３０】
上記の結果から分るように、本発明の試料Ａ及び試料ＢのＷ−３０重量％Ｃｕ合金からなる各電極材料は、巣の大きさが１μｍ未満と極めて小さく、電極の耐消耗性及び加工速度も充分満足できるものであった。特に、Ｗスケルトン硬度が高い試料Ｂの電極材料は、試料Ａに比べて、巣の大きさが更に小さく、電極の耐消耗性及び加工速度もより一層優れていた。
【００３１】
一方、比較例の各電極材料については、試料Ｃは粒径３μｍ以上の粗粒のＷ粒子が少ないため、電極の耐消耗性及び加工速度は満足できるものであったが、巣の大きさが上記本発明の試料Ａ及びＢよりも大きくなった。また、酸化物を含む試料Ｄは、電極の耐消耗性及び加工速度は優れているが、４０μｍを超える極めて大きな巣が発生した。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｃｕ−Ｗ合金からなる放電加工用電極材料について、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、希土類元素、又はその酸化物等を含まず、電極の消耗が少なく且つ加工速度の速いうえ、巣の発生がないか又は巣が極めて小さい放電加工用電極を提供することができる。

Claims (1)

1. Ｗ粉末又はＷ粉末にＣｕを混合した粉末を所望の形状に型押しした後、その型押し体に１３５０℃よりも高い温度でＣｕを溶浸させて得られたＣｕ−Ｗ合金からなり、Ｗ濃度が４０重量％以上で且つＮｉ、Ｃｕ、Ｗ以外の元素又はその硼化物若しくは酸化物を０ . ０５重量％以上含まず、該合金中の全Ｗ粒子の３０％以上が粒径３μｍ以上であり、該合金を硝酸液で腐食した後のＷスケルトンの硬度がビッカース硬度で２２以上であって、該合金中の巣の大きさが４μｍ以下であることを特徴とする放電加工用電極材料。