JP4437670B2 - 放電加工による穴埋め方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属などの導電性材料にある貫通穴などの空間部をふさぐ穴埋め方法に関するものである。

鋳物などの金属材料などの表面には、巣などの欠陥があり肉盛りなどにより穴埋めをする必要がある。
従来は肉盛り用の材料を溶接・溶射などの方法で厚く盛り上げている。
ここで、溶接とは、ワークと溶接棒との間の放電により溶接棒の材料をワークに溶融付着させる方法であり、溶射とは、金属材料を溶かした状態にし、スプレー状にワークに吹き付け皮膜を形成させる方法である。

また、放電を利用した肉盛り技術として、ワークの金属表面にパインダーを加えた被膜／肉盛り材料粉末を付着させ、電極棒とワークとの間をシールドガス雰囲気で放電し、粉末が溶融して解けた電極材料と混合して肉盛りを形成する技術（特許文献１）、回転する電極棒で被加工物の金属ワーク表面の補修面にアルゴンガス雰囲気中で電極棒を蒸着して補修を行う技術（特許文献２）が存在する。

特開平６−２６９９３９号公報 特開平９−１０８８３４号公報

従来の穴埋め技術である溶接・溶射、特許文献１及び２に開示された技術は、何れの方法も人手による作業であるため、熟練を要する。
また、特に溶接は、熱が集中してワークに入る方法であるため、厚みの薄い材料を処理する場合や、単結晶合金・一方向凝固合金など方向制御合金のように割れやすい材料では、溶接割れが発生しやすく歩留まりが低くなるという問題がある。
一方、溶射は、不要な部分に材料が付着することを防ぐために、予めマスクを施しておき、目的の部分にのみ処理がされるようにする対応することが必要であり、作業性が悪かった。

また、特許文献１，２では、人手による方法であり、処理時間、処理速度などが場合により大きく異なり、自動化が困難であった。

本発明は、人手による作業を極力排除してライン化が可能であるとともに、入熱による熱影響が少なく被膜特性がよい穴埋め等の補修技術を確立することを目的とする。

本発明に係る導電性材料の穴埋め方法は、導電性材料からなるワークの空間部に導電性粉末を充填する工程と、導電性粉末を充填された前記ワークをパルス状の放電を発生させる放電表面処理装置上に載置し、該放電表面処理装置における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圧縮成形した圧粉体電極と、前記導電性粉末が充填された部分及び前記ワークとの間に非接触でパルス状の放電を発生させる放電表面処理にて、前記ワークに電極材料を溶融付着させると共に前記充填した導電性粉末を溶融させ、前記空間部を覆う被膜を形成する工程と、放電により溶融しなかった上記導電性粉末を除去する工程と、を備えたものである。

本発明に係わるパルス放電を利用した導電性材料の穴埋め方法により、ワークにあいた穴を熱影響を与えることなくふさぐことができる。

従来より、放電表面処理によりセラミックス系の薄膜を形成する技術は、例えば国際公開ＷＯ９９/５８７４４号公報に示されるように確立している。
これは、圧粉体の電極成分に、炭化物を形成しやすい材料（例えば、Ｔｉ等）の割合を多く含ませ、Ｔｉ等の材料が油中での放電により化学反応し、工作物表面の材質が鋼材（鋼材に処理する場合）からセラミックスであるＴｉＣ（炭化チタン）という硬質の炭化物に変わり、熱伝導・融点などの特性を変化させる放電表面処理技術である。

そして、発明者らの実験により、電極材質の成分に炭化し難い（炭化物を生成しにくい）材料を電極に加えることで、金属のまま被膜に残る材料が増え、放電表面処理により得られる被膜を厚くできることが見出された。
すなわち、炭化し難い材料を電極に加えることで電極材料は炭化物にならず、金属のまま被膜に残ることになる。
本実施の形態では、以上のようなパルス上の放電により厚膜形成を行い、導電性材料の穴埋め等の補修技術を確立するものである。
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は本実施の形態１のパルス放電を利用した導電性材料の穴埋め方法を示した図であり、図２は放電表面処理の動作説明図である。
図において、１は導電性のワーク、２はワーク１をのせる台、３はワーク１の補修すべき穴に充填したＣｏからなる粉末、４は放電表面処理にて形成された被膜、５は圧粉電極、６は油などの加工液、７はパルス状の放電を発生させるための放電表面処理用電源、８は放電のアーク柱である。
ただし、粉末３は特にＣｏである必要はなく導電性の材料であれば穴をふさぐという目的には十分である。

圧粉電極は、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などを圧縮成形した圧粉体、もしくは、それら圧粉体を加熱処理したものを用いる。
そして、電極の材料としては、油の雰囲気で放電させる場合には、炭化物を形成する材料は油の分解した炭素と反応して炭化物を形成し、厚盛りが困難になるので、炭化物を形成しにくい材料を４０体積％以上含むことが望ましい。
なお、電極の例としては、Ｃｏ（コバルト）（粒径１μｍ程度）の粉末にパラフィンを入れ圧縮成形し、３００℃程度に加熱したものや、Ｃｏ（コバルト）ベースの合金、Ｎｉ（ニッケル）ベースの合金、Ｆｅ（鉄）ベースの合金などの材料を成形したものでもよい。
あるいは、被膜の硬さを高めるためにこれらの金属にセラミックスを混合した材料でもよい。

また、ワーク１の穴に充填する粉末３は、放電を起こさせるために導電性の材料となり、電極材料と同じ成分を用いることにより、被膜内の材料の違いがなくなるので、より望ましい。なお、その他の粉末としては、導電性の材料であれば穴をふさぐという目的にはかなう。

また、ワークをのせる台２については、ワークの穴をふさぐ方と逆の面をふさぎ、粉末３がこぼれないようにするものなら何でもよく、図１で示した金属の台のものや、テープ状のものなど、特に問わない。
また、材質に関しても、特に問わない。導電性の材料であれば、直接ワークに給電しなくとも、ワークをのせる台２を通じて給電ができるので便利にはなる。

次に、ワークにあけられた穴を熱的に歪ませることなくふさぐ手法について図を用いて説明する。
まず、ワークの穴をふさぐ方と逆の面をシール部材２でふさぐ。（図１ｂ）
そして、ワークの穴の部分に金属など導電性材料の粉末３を入れる。（図１ｃ）
ここで、粉末３のワーク穴部への充填は、なるべく粉末を圧縮して入れるのがよい。
これは、この粉末が被膜を形成する際の土台になるからである。
粉末をつめる圧力が低いと、粉末３の上に被膜が均一に盛り上がらないなどの問題がおきる。
なお、穴をふさぐときに盛り上げた被膜がワークの表面の高さよりも盛り上げたくない場合には、ワークを穴の部分の表面をあらかじめ加工して凹ませておき、被膜を形成し、必要であればその後形状を整えれば、ワークの表面と同じ高さにすることができる。

次に、図２に示すように、穴の部分に粉末を充填したワーク１と放電表面処理用電極５と間に、パルス状の放電を発生させてワークの穴の部分を覆うように被膜４を形成する。（図１ｄ）
ここで、ワーク１の材料の部分には直接電極材料が溶融付着する。
一方、穴の部分は、粉末の表面が溶融し被膜になり、その上に同様に被膜が盛り上がっていく。
その後、穴がふさがった後、ワーク１の穴に充填した粉末３を除去して穴埋め方法の完了となる。（図１ｅ）
ここでは電極として、Ｃｏ（コバルト）（粒径１μｍ程度）の粉末にパラフィンを入れ、プレス圧１００ＭＰａ程度で圧縮成形し、３００〜４００℃程度に加熱したものを使用した。
放電のパルス条件は、ピーク電流値ｉｅ=１０Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）ｔｅ=８μｓ、休止時間ｔｏ=１６μを使用し、面積約２０ｍｍ^２の部分に被膜形成を行ったところ、約5分間の処理で、0.5ｍｍ程度の厚さの被膜を形成し、穴を防ぐことができた。

加工雰囲気は、一般的には油であるが、水でも可能である。また、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気など酸化しにくい雰囲気であれば、気中でも可能である。
なお、空気中など酸化し易い雰囲気では、被膜がボロボロの状態となり、緻密な被膜が形成できなかった。
ただし、気中での放電では極間距離が狭く短絡が発生しやすくなるため、電圧を上げるなど極間距離を広くできる手段が必要である。
また、油は、鉱油などの油や、合成油が使用されるが、シリコンオイルなどでもよい。

本実施の形態によれば、ワークにあいた穴を熱の影響を受けることなくふさぐことができる。そのため、薄い材料あるいは、熱ひずみに弱い材料などを従来の溶接などによりふさぐことが困難であった材料に関しても、ひずみや熱による割れを起こさずに穴埋めができる。
例えば、溶接などのように熱が集中する加工方法では、割れなどが発生する単結晶合金や一方向凝固合金などの方向制御合金、あるいは、熱が集中すると変形してしまうような小さな部品などには本発明の方法は有効である。

実施の形態２．
実施の形態１では、穴埋めのために穴に粉末３を充填した状態で放電表面処理することにより、粉末３表面上に被膜を形成したが、本実施の形態では、穴の上に所定の金属片を載せ、該金属片とあわせて放電表面処理により穴をふさぐ手法である。
図３は本実施の形態２のパルス放電を利用した導電性材料の穴埋め方法を示した図であり、図４は放電表面処理の動作説明図である。
図において、１は導電性のワーク、９はワーク１の穴の上に載せる金属片、１０は放電表面処理にて形成された被膜である。

次にワークを熱的に歪ませることなくこの穴をふさぐ本方法の手順について図を用いて説明する。
図３に示されるワーク１には穴があいている。（図３ａ）
そこで、ワークの穴をふさぐように金属片９を設置する。（図３ｂ）
金属片を設置する目的は、後の工程で被膜を形成する際の土台とすることである。
従って金属片でなくとも、導電性のある金属網でもよいし、箔でもよい。
ただし、隙間が開いていると被膜の形成具合にばらつきが生じるし、厚みが薄すぎると放電により箔に穴があくなどの問題が生じることから、放電のエネルギーで穴があかないように数１００μｍ以上の厚さは必要である。

次に、図４に示すように、穴の部分に金属片を設置したワーク１と放電表面処理用電極５と間に、パルス状の放電を発生させてワークの穴の部分を覆うように被膜を形成する。（図３ｃ）
ここでも電極として、Ｃｏ（コバルト）（粒径１μｍ程度）の粉末にパラフィンを入れ、プレス圧１００ＭＰａ程度で圧縮成形し、３００〜４００℃程度に加熱したものを使用した。
放電のパルス条件は、ピーク電流値ｉｅ=１０Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）ｔｅ=８μｓ、休止時間ｔｏ=１６μｓを使用し、面積約２０ｍｍ^２の部分に被膜形成を行ったところ、約5分間の処理で、0.5ｍｍ程度の厚さの被膜を形成し、穴を防ぐことができた。
ワークの材料の部分には直接電極材料が溶融付着する。
一方、穴の部分は、金属片の上に同様に被膜が盛り上がっていく。
金属片は、導電性の材料であればよいが、電極材料と同じ成分であれば、被膜内の材料の違いがなくなるので、より望ましい。

実施の形態１と同様に、加工雰囲気は一般的には油であるが、水でも可能である。
また、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気など酸化しにくい雰囲気であれば、気中でも可能である。ただし、気中での放電では極間距離が狭く短絡が発生しやすくなるため、電圧を上げるなど極間距離を広くできる手段が必要である。また、油は、鉱油などの油や、合成油が使用されるが、シリコンオイルなどでもよい。

本実施の形態によれば、穴をまず金属片でふさぎ、その金属片ごと放電表面処理により被膜で覆うことにより、ワークにあいた穴を熱の影響を受けることなくふさぐことができる。
そのため、薄い材料あるいは、熱ひずみに弱い材料などを従来の溶接などによりふさぐことが困難であった材料に関しても、ひずみや熱による割れを起こさずに穴埋めができる。
例えば、溶接などのように熱が集中する加工方法では、割れなどが発生する単結晶合金や一方向凝固合金などの方向制御合金、あるいは、熱が集中すると変形してしまうような小さな部品などには本発明の方法は有効である。
特に小さな穴の場合には、実施例１のようにその穴に粉末を詰めることが困難になるので、本実施例の方法は有効である。

本実施の形態１のパルス放電を利用した導電性材料の穴埋め方法を示した図である。 放電表面処理の動作説明図である。 本実施の形態２のパルス放電を利用した導電性材料の穴埋め方法を示した図である。 放電表面処理の動作説明図である。

１ ワーク、２ 台、３ 粉末、４ 被膜、５ 圧粉体電極、６ 加工液、７ 放電表面処理用電源、８ 放電のアーク柱、９ 金属片、１０ 被膜。

Claims (4)

1. 導電性材料からなるワークの空間部に導電性粉末を充填する工程と、
   導電性粉末を充填された前記ワークをパルス状の放電を発生させる放電表面処理装置上に載置し、該放電表面処理装置における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圧縮成形した圧粉体電極と、前記導電性粉末が充填された部分及び前記ワークとの間に非接触でパルス状の放電を発生させる放電表面処理にて、前記ワークに電極材料を溶融付着させると共に前記充填した導電性粉末を溶融させ、前記空間部を覆う被膜を形成する工程と、
   放電により溶融しなかった上記導電性粉末を除去する工程と、
   を備えた導電性材料の穴埋め方法。
2. 空間部に充填される導電性粉末は、放電表面処理に使用される圧粉体電極と同じ素材とすることを特徴とする請求項１に記載の導電性材料の穴埋め方法。
3. 導電性材料からなるワークの空間部に該空間部を覆う導電性のシール部材を載置する工程と、
   前記シール部材が載置された前記ワークをパルス状の放電を発生させる放電表面処理装置上に載置し、該放電表面処理装置における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圧縮成形した圧粉体電極と、前記シール部材及び前記ワークとの間に非接触でパルス状の放電を発生させる放電表面処理にて、前記ワーク及びシール部材に電極材料を溶融付着させることで被膜を形成し覆う工程と、
   を備えた導電性材料の穴埋め方法。
4. 圧粉体電極として、粒径１μｍ以下のＣｏ粉末、または、Ｎｉ粉末、あるいは、Ｆｅ粉末を圧縮形成したもの、あるいは、Ｃｏ合金粉末、または、Ｎｉ合金粉末、Ｆｅ合金粉末の何れかを圧縮形成したものであることを特徴とする請求項１または３に記載の導電性材料の穴埋め方法。

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