JP4534633B2 - 放電表面処理方法及び表面処理が施された金型 - Google Patents
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Description
本発明は、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を成形した粉末成形体、もしくは、該粉末成形体を加熱処理した粉末成形体を電極として加工液中或いは気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或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。
鋳造金型材料として従来から鉄鋼が使用されてきているが、従来の硬質の鉄鋼を金型として使用すると、該金型の熱伝導率は４０Ｗ／ｍＫ程度と低いため、鋳物の冷却性能に劣り生産性が低いという問題があった。
また、小さい熱伝導率のため、金型の予熱に長時間を要するや金型内の温度勾配が大きく、金型表面で引っ張り圧縮応力が繰り返されることで塑性歪みが蓄積され、金型に早期にクラックが発生するなどの問題を生じさせていた。
また、小さい熱伝導率のため、金型の予熱に長時間を要するや金型内の温度勾配が大きく、金型表面で引っ張り圧縮応力が繰り返されることで塑性歪みが蓄積され、金型に早期にクラックが発生するなどの問題を生じさせていた。
この問題を解決するため、金型に熱伝導率の高い銅合金を適用する方法が検討されたが、Ｃｕ合金は鉄鋼に比べ強度が劣るため、上記熱疲労によるクラックの発生を抑制できなかった。
そこで、金型の耐久性を向上させるため、損傷が生じやすい部分に、セラミックスと金属の複合材であるサーメットの被膜を施す方法が検討され、特許３１５０２９１号公報に開示されている。
しかしながら、特許３１５０２９１号公報に開示された方法では、被膜と金型の密着性が悪いため、被膜が剥離し、損傷を抑制するには不十分であった。
しかしながら、特許３１５０２９１号公報に開示された方法では、被膜と金型の密着性が悪いため、被膜が剥離し、損傷を抑制するには不十分であった。
一方、剥離を抑制するため、ＣｕやＣｕ合金表面にサーメット被膜を形成させる従来の表面処理方法が、特開２００２−３６１３９４号公報に開示されている。
それによると、１２０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率と１８０ＨＶ以上の硬さを併せ持つ銅合金に、放電被覆により被成したＮｉ基合金を中間層として、その上に放電被覆により被成したＣｏ、Ｃｕ、Ｃｒ及びＮｉのうちから選んだ少なくとも一種を含むサーメット層を形成させる技術が開示されている。
この技術を銅合金からなる金型の内面、および、表面酸化膜を除去するために設けられた射出口よりも口径がわずかに小さい開口部を有するスカルプゲートの表面及び射出口の内面それぞれ一部または全面に適用すると、金型の耐久性を向上できる。
それによると、１２０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率と１８０ＨＶ以上の硬さを併せ持つ銅合金に、放電被覆により被成したＮｉ基合金を中間層として、その上に放電被覆により被成したＣｏ、Ｃｕ、Ｃｒ及びＮｉのうちから選んだ少なくとも一種を含むサーメット層を形成させる技術が開示されている。
この技術を銅合金からなる金型の内面、および、表面酸化膜を除去するために設けられた射出口よりも口径がわずかに小さい開口部を有するスカルプゲートの表面及び射出口の内面それぞれ一部または全面に適用すると、金型の耐久性を向上できる。
特開２００２−３６１３９４号公報に開示されている放電被覆法（エレクトロ・スパーク・デポジション）は、金属またはサーメットの棒を電極として用い、被加工物との間に発生させた放電のエネルギーで電極を溶融させ、被加工物に堆積させる加工法である。
一回の放電で直径０．１ｍｍ〜数ｍｍの金属棒の一部を溶融させるため、被加工物に移行される溶滴も直径で０．１ｍｍ〜数ｍｍとなり、その溶滴体積が多いため、溶滴の積み重ねで形成される被膜が厚くなってしまう。
ＣｕやＣｕ合金を被加工物（部品や金型）に用いるのは、高い熱伝導率を必要とする場合が多く、別の金属やサーメットの被膜が厚くなってしまうと、熱伝導率が低下し、熱疲労に対する強度も低下し、所望の性能を損なう可能性があった。
また、放電により形成された被膜を、金型として精度を出すため、研磨等の後処理で被膜を薄くする必要であり、金型製作の作業効率が悪かった。
一回の放電で直径０．１ｍｍ〜数ｍｍの金属棒の一部を溶融させるため、被加工物に移行される溶滴も直径で０．１ｍｍ〜数ｍｍとなり、その溶滴体積が多いため、溶滴の積み重ねで形成される被膜が厚くなってしまう。
ＣｕやＣｕ合金を被加工物（部品や金型）に用いるのは、高い熱伝導率を必要とする場合が多く、別の金属やサーメットの被膜が厚くなってしまうと、熱伝導率が低下し、熱疲労に対する強度も低下し、所望の性能を損なう可能性があった。
また、放電により形成された被膜を、金型として精度を出すため、研磨等の後処理で被膜を薄くする必要であり、金型製作の作業効率が悪かった。
さらに、被加工物表面に形成された溶融域の上に、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｃｒ等を含むサーメット層を堆積させると、被膜自体は拡散接合となる。
この拡散接合における被膜と被加工物の密着強度は、メッキや溶射と比べれば高くなる。しかしながら、熱伝導率が高いＣｕやＣｕ合金にサーメットの被膜を形成する場合には、被加工物の熱拡散かつサーメットとＣｕのなじみ性の関係上、被加工物表面に直接サーメット層を形成できず、中間層として熱伝導率がＣｕに比べ１／３程度のＮｉやＣｏなどの金属層が必要であった。
そのため、中間層形成のための処理工程が別途必要であり、被膜形成を容易に行うことができなかった。
この拡散接合における被膜と被加工物の密着強度は、メッキや溶射と比べれば高くなる。しかしながら、熱伝導率が高いＣｕやＣｕ合金にサーメットの被膜を形成する場合には、被加工物の熱拡散かつサーメットとＣｕのなじみ性の関係上、被加工物表面に直接サーメット層を形成できず、中間層として熱伝導率がＣｕに比べ１／３程度のＮｉやＣｏなどの金属層が必要であった。
そのため、中間層形成のための処理工程が別途必要であり、被膜形成を容易に行うことができなかった。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、ＣｕやＣｕ合金等の熱伝導率の高い部品や金型への放電表面処理技術を確立し、それらの耐久性を向上させることを目的とする。
本発明に係る放電表面処理方法は、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成形した粉末成形体、もしくは、該粉末成形体を加熱処理した粉末成形体の電極と、熱伝導率１２０Ｗ／ｍＫ以上の金属との間にパルス状の放電を発生させ、放電によるエネルギーにより、上記熱伝導率１２０Ｗ／ｍＫ以上の金属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させるものである。
電極から微粉末を供給し、数μｓの間に数十Ａの電流値を流して被膜を形成する放電表面処理では、被加工物表面に溶融域を形成できるため、熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以上の材料の表面に、被膜と十分に密着した厚さ数μｍ〜数十μｍの被膜を形成でき、被加工物の高熱伝導という性質を維持しつつ表面硬度を向上できる。
また、放電表面処理により充填口内面に被膜を形成させると、膜厚が非常に薄いため、金型の持つ１２０Ｗ／ｍＫの熱伝導率をほとんど低下させず、鋳造の生産性を落とすことなく、金型の寿命を拡大することができる。
なお、金型製造に関しても、放電表面処理後に研磨等の後処理が不要になる。
また、放電表面処理により充填口内面に被膜を形成させると、膜厚が非常に薄いため、金型の持つ１２０Ｗ／ｍＫの熱伝導率をほとんど低下させず、鋳造の生産性を落とすことなく、金型の寿命を拡大することができる。
なお、金型製造に関しても、放電表面処理後に研磨等の後処理が不要になる。
実施の形態１．
本実施の形態におけるＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金上へのＷＣとＣｏからなるサーメット被膜を、放電表面処理を用いて形成する原理について図１を用いて説明する。
ここで、母材となるＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金は、Ｃｒ：０．２重量％、Ｚｒ：０．１重量％、Ｚｎ：０．２重量％、残りＣｕからなる熱伝導率が３１１Ｗ／ｍＫの合金であり、主に金型やプリント基板の材料として使用されている。
また、ＷＣとＣｏからなるサーメット被膜を形成するための表面処理用電極は、平均粒径０．７５μｍ程度のＷＣ粉末と平均粒径１．４μｍ程度のＣｏ粉末をＷＣ：７５重量％、Ｃｏ：２５重量％の重量比で混合し、７０ＭＰａ程度のプレス圧力により圧縮成形し、その後、７４０℃の真空炉で約２時間程度保持することにより製造した導電性を有する圧粉体電極である。
なお、電極の成形としては、圧縮成形のほかに、泥漿、ＭＩＭ（Metal Injection Molding）、溶射、ナノ粉末をジェット気流に同伴させ成形させる方法などがある。
本実施の形態におけるＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金上へのＷＣとＣｏからなるサーメット被膜を、放電表面処理を用いて形成する原理について図１を用いて説明する。
ここで、母材となるＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金は、Ｃｒ：０．２重量％、Ｚｒ：０．１重量％、Ｚｎ：０．２重量％、残りＣｕからなる熱伝導率が３１１Ｗ／ｍＫの合金であり、主に金型やプリント基板の材料として使用されている。
また、ＷＣとＣｏからなるサーメット被膜を形成するための表面処理用電極は、平均粒径０．７５μｍ程度のＷＣ粉末と平均粒径１．４μｍ程度のＣｏ粉末をＷＣ：７５重量％、Ｃｏ：２５重量％の重量比で混合し、７０ＭＰａ程度のプレス圧力により圧縮成形し、その後、７４０℃の真空炉で約２時間程度保持することにより製造した導電性を有する圧粉体電極である。
なお、電極の成形としては、圧縮成形のほかに、泥漿、ＭＩＭ（Metal Injection Molding）、溶射、ナノ粉末をジェット気流に同伴させ成形させる方法などがある。
図１に示されるように、被加工物であるＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金を陽極とし、加工液（油）中でＷＣとＣｏからなる圧粉体電極（陰極）が接触しないよう主軸でサーボをとった状態で設置し、両者に所定の電圧を印加することにより放電を発生させる。
電圧印可後、放電が発生すると、放電の熱により電極の一部は溶融・気化され、放電による爆風や静電気力によって電極の粉末が離脱し、ワーク上に溶融・堆積する。
電圧印可後、放電が発生すると、放電の熱により電極の一部は溶融・気化され、放電による爆風や静電気力によって電極の粉末が離脱し、ワーク上に溶融・堆積する。
具体的な加工条件としては、60×16×5（ｍｍ）の直方体形状に形成された上記電極を用い、処理面を16×5、電流値を１１Ａ、放電パルス時間を８μｓの加工条件で、熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以上のＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金上に５分間処理した。
処理後の様子（被膜表面）を図２に示す。
被加工物表面の上部がＷＣとＣｏからなるサーメット被膜である。
また、被膜断面写真を図３に示す。
上述の加工条件で形成される被膜の厚さは１５μｍ程度であり、被加工物であるＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金の高い熱伝導率を損なうものではない。
なお、本実施の形態で示す放電表面処理による被膜厚さは、加工時間を変更することにより制御することが可能である。
また、被膜のビッカース硬度を測定すると１５００ＨＶ程度を示した。
母材であるＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金のビッカース硬度は３００ＨＶ程度であったため、ＷＣとＣｏからなるサーメット被膜が表面に形成されていることがわかる。
また、被膜表面を1000番のペーパーで研磨し、その表面硬度を測定すると、１４５０ＨＶ程度で被膜硬度はほとんど低下しかなった。
これは、被膜の密着強度が大きいため、ペーパーでも被膜を剥離できなかったことを示している。
処理後の様子（被膜表面）を図２に示す。
被加工物表面の上部がＷＣとＣｏからなるサーメット被膜である。
また、被膜断面写真を図３に示す。
上述の加工条件で形成される被膜の厚さは１５μｍ程度であり、被加工物であるＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金の高い熱伝導率を損なうものではない。
なお、本実施の形態で示す放電表面処理による被膜厚さは、加工時間を変更することにより制御することが可能である。
また、被膜のビッカース硬度を測定すると１５００ＨＶ程度を示した。
母材であるＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金のビッカース硬度は３００ＨＶ程度であったため、ＷＣとＣｏからなるサーメット被膜が表面に形成されていることがわかる。
また、被膜表面を1000番のペーパーで研磨し、その表面硬度を測定すると、１４５０ＨＶ程度で被膜硬度はほとんど低下しかなった。
これは、被膜の密着強度が大きいため、ペーパーでも被膜を剥離できなかったことを示している。
上記の被膜の表面粗さを測定すると、算術平均粗さＲａ＝4.49、最大高さＲｙ＝28.5、十点平均粗さＲｚＤＩＮ＝25.12であった。
本実施の形態における加工条件は、上述の電流値１１Ａ、放電時間８μｓ、加工時間５分として説明したが、電流値を１１Ａ以上にしても、被膜を形成することができる。
しかしながら、その場合は、表面粗さが大きくなるため、金型等の表面精度を必要とする場合は、なるべく電流値を小さくしたほうがよい。
本実施の形態における加工条件は、上述の電流値１１Ａ、放電時間８μｓ、加工時間５分として説明したが、電流値を１１Ａ以上にしても、被膜を形成することができる。
しかしながら、その場合は、表面粗さが大きくなるため、金型等の表面精度を必要とする場合は、なるべく電流値を小さくしたほうがよい。
また放電時間は８μｓ以下にしなければならない。
放電時間を変化させたときの被膜の状態を図４に示す。
なお、放電時間を４μｓとしたときの被膜を（ａ）とし、１６μｓとしたときの被膜を（ｂ）としている。また、それぞれ右側をペーパーで研磨している。
図に示されるとおり、放電時間４μｓでの被膜（ａ）はペーパーで擦ってもほとんど剥離せず母材がほとんど見えないが、放電１６μｓの被膜（ｂ）は母材が現れている。
これは冷却過程においてＣｕ合金の凝固の前に、融点の高いＷＣのみが先に析出してしまい、ＣｕとＷＣのなじみが悪いためにＣｕとＷＣが結合できないために起こると考えられる。
つまり、放電時間が短いと急加熱急冷となり、ＣｕとＷＣをほぼ同時に凝固させられるため、密着強度の高い被膜を形成できる。
放電時間を変化させたときの被膜の状態を図４に示す。
なお、放電時間を４μｓとしたときの被膜を（ａ）とし、１６μｓとしたときの被膜を（ｂ）としている。また、それぞれ右側をペーパーで研磨している。
図に示されるとおり、放電時間４μｓでの被膜（ａ）はペーパーで擦ってもほとんど剥離せず母材がほとんど見えないが、放電１６μｓの被膜（ｂ）は母材が現れている。
これは冷却過程においてＣｕ合金の凝固の前に、融点の高いＷＣのみが先に析出してしまい、ＣｕとＷＣのなじみが悪いためにＣｕとＷＣが結合できないために起こると考えられる。
つまり、放電時間が短いと急加熱急冷となり、ＣｕとＷＣをほぼ同時に凝固させられるため、密着強度の高い被膜を形成できる。
また、ＷＣ粉末はセラミックスであるため、溶融するのに大きなエネルギーを要することから、筆者らの研究の結果、放電電流の電流値８Ａ以下、放電時間２μｓ以下の条件では、平均粒径０．７５μｍ以上のＷＣ粉末を溶融させられないことがわかった。
ただし、平均粒径０．４μｍ以下のＷＣ粉末を用いた場合は、電流値８Ａ以下、放電時間２μｓでも被膜を形成できる。
つまり、平均粒径０．７５μｍ程度のＷＣ粉末が混入された圧粉体電極を用いる場合、電流値１１Ａ、パルス時間８μｓ程度で加工すると緻密で高硬度の被膜を形成でき、ＷＣ粉末の平均粒径が０．４μｍ以下といった微小になる場合は、電流値８Ａ以下、放電時間２μｓ以下でも被膜を形成することができる。
ただし、平均粒径０．４μｍ以下のＷＣ粉末を用いた場合は、電流値８Ａ以下、放電時間２μｓでも被膜を形成できる。
つまり、平均粒径０．７５μｍ程度のＷＣ粉末が混入された圧粉体電極を用いる場合、電流値１１Ａ、パルス時間８μｓ程度で加工すると緻密で高硬度の被膜を形成でき、ＷＣ粉末の平均粒径が０．４μｍ以下といった微小になる場合は、電流値８Ａ以下、放電時間２μｓ以下でも被膜を形成することができる。
つぎに、Ｆｅ合金軸製造用金型の分割面の模式図を図５に示す。
ここで、金型材質は、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金であり、上記電極を用いて、電流値１１Ａ、パルス時間８μｓの加工条件で金型キャビティーの充填口内面（斜線部）にＷＣとＣｏからなるサーメット被膜を形成させた。
斜線部の形状は、幅は３０ｍｍ、Ｒ１５の半円筒面であり、まず60×30×5電極を製造し、その電極を用い、斜線部と電極30×5の面で対向させ、電流値２Ａ、放電時間２μｓの条件で加工することにより、斜線部の加工及び斜線部への被膜形成することなく電極を斜線部にならった形状に崩す。
次に電極を１０ｍｍ／ｍｉｎ程度の速度で処理部と平行に移動させ、電流値１１Ａ、パルス時間８μｓの加工条件で斜線部全面にＷＣとＣｏからなるサーメット被膜を形成させる。
このようにＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金に対しＷＣとＣｏからなるサーメット被膜をつけて製造された金型と、従来のＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金のみの金型とを比較した場合、被膜が無い場合には、数十ショットから１００ショットで金型の充填口から延びた流路（斜線部）に大きなクラックがいくつも入ってしまい、金型としての機能が失われたが、被膜を形成させた金型では、７００ショットでもクラックが入らなかった。
また、特に大きなクラックが入っていた充填口内面（斜線部）の末端面ａ部にのみ被膜を形成させても、約３００ショット使用することができた。
つまり、Ｃｕ合金製金型に放電表面処理によりＷＣ−Ｃｏの被膜を形成させると、金型の寿命を５〜７倍に拡大でき、金型製造に要するコスト削減に寄与し、製造コストを低減できる。
ここで、金型材質は、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金であり、上記電極を用いて、電流値１１Ａ、パルス時間８μｓの加工条件で金型キャビティーの充填口内面（斜線部）にＷＣとＣｏからなるサーメット被膜を形成させた。
斜線部の形状は、幅は３０ｍｍ、Ｒ１５の半円筒面であり、まず60×30×5電極を製造し、その電極を用い、斜線部と電極30×5の面で対向させ、電流値２Ａ、放電時間２μｓの条件で加工することにより、斜線部の加工及び斜線部への被膜形成することなく電極を斜線部にならった形状に崩す。
次に電極を１０ｍｍ／ｍｉｎ程度の速度で処理部と平行に移動させ、電流値１１Ａ、パルス時間８μｓの加工条件で斜線部全面にＷＣとＣｏからなるサーメット被膜を形成させる。
このようにＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金に対しＷＣとＣｏからなるサーメット被膜をつけて製造された金型と、従来のＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金のみの金型とを比較した場合、被膜が無い場合には、数十ショットから１００ショットで金型の充填口から延びた流路（斜線部）に大きなクラックがいくつも入ってしまい、金型としての機能が失われたが、被膜を形成させた金型では、７００ショットでもクラックが入らなかった。
また、特に大きなクラックが入っていた充填口内面（斜線部）の末端面ａ部にのみ被膜を形成させても、約３００ショット使用することができた。
つまり、Ｃｕ合金製金型に放電表面処理によりＷＣ−Ｃｏの被膜を形成させると、金型の寿命を５〜７倍に拡大でき、金型製造に要するコスト削減に寄与し、製造コストを低減できる。
本実施の形態では、被加工物をＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金とした場合について説明したが、従来の方法でサーメット被膜を形成し難かった熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以上の被加工物には、本実施の形態によりその他のサーメット被膜を形成できる。
熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以上の材料を被加工物とした場合、従来の方法では、溶融域が十分に形成できないため、高い密着強度を持ったサーメット被膜を形成できず、また、被膜を形成できてもその厚みが厚くなり、本来の被加工物が持つ高熱伝導率という性質を失わせていたが、電極から微粉末を供給し、数μｓの間に数十Ａの電流値を流して被膜を形成する放電表面処理では、急加熱急冷却であることから被加工物表面にＷＣとＣｕの混合した溶融域を形成できるため、被膜と十分に密着した厚さ数μｍ〜数十μｍの被膜を形成でき、被加工物の高熱伝導という性質を維持しつつ表面硬度を向上できる。
また、１２０Ｗ／ｍＫ以上の材料を金型の材料として用い、上記放電表面処理により充填口内面（斜線部）に被膜を形成させた場合、膜厚が非常に薄いため、金型の持つ１２０Ｗ／ｍＫの熱伝導率をほとんど低下させず、鋳造の生産性を落とすことなく、金型の寿命を拡大することができる。
また、本実施の形態では、ＷＣ−Ｃｏの被膜を形成させたが、ＷＣ−Ｎｉ、ＴｉＣ−Ｎｉ、ＭｏＢ２−Ｎｉ、Ｃｒ３Ｃ２−Ｎｉ、ＴｉＣ−Ｃｏ等のサーメットも同様にＣｕまたはＣｕ合金上に被膜を形成できる。Ｎｉとセラミックスの混合被膜の場合、母材のＣｕ合金とＮｉのなじみがいいため、被膜と母材の密着力がより高くなる。
熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以上の材料を被加工物とした場合、従来の方法では、溶融域が十分に形成できないため、高い密着強度を持ったサーメット被膜を形成できず、また、被膜を形成できてもその厚みが厚くなり、本来の被加工物が持つ高熱伝導率という性質を失わせていたが、電極から微粉末を供給し、数μｓの間に数十Ａの電流値を流して被膜を形成する放電表面処理では、急加熱急冷却であることから被加工物表面にＷＣとＣｕの混合した溶融域を形成できるため、被膜と十分に密着した厚さ数μｍ〜数十μｍの被膜を形成でき、被加工物の高熱伝導という性質を維持しつつ表面硬度を向上できる。
また、１２０Ｗ／ｍＫ以上の材料を金型の材料として用い、上記放電表面処理により充填口内面（斜線部）に被膜を形成させた場合、膜厚が非常に薄いため、金型の持つ１２０Ｗ／ｍＫの熱伝導率をほとんど低下させず、鋳造の生産性を落とすことなく、金型の寿命を拡大することができる。
また、本実施の形態では、ＷＣ−Ｃｏの被膜を形成させたが、ＷＣ−Ｎｉ、ＴｉＣ−Ｎｉ、ＭｏＢ２−Ｎｉ、Ｃｒ３Ｃ２−Ｎｉ、ＴｉＣ−Ｃｏ等のサーメットも同様にＣｕまたはＣｕ合金上に被膜を形成できる。Ｎｉとセラミックスの混合被膜の場合、母材のＣｕ合金とＮｉのなじみがいいため、被膜と母材の密着力がより高くなる。
実施の形態２．
上述した実施の形態はＷＣ及びＣｏ粉末の圧粉体電極を用いて、ＷＣとＣｏからなるサーメット被膜を形成した場合について説明したが、本実施の形態では、Ｃｏを含まないＷＣ粉末圧粉体電極による被膜形成について説明する。
本実施の形態における圧粉体電極は、平均粒径１μｍ程度のＷＣの粉末を７０ＭＰａ程度のプレス圧力で圧縮成形し、その後１１００℃の真空炉で約２時間程度保持することにより製造した導電性を有する圧粉体電極である。
なお、電極の形状は、50×11×5（ｍｍ）の直方体である。
電極の成形方法としては、実施の形態１での説明と同様に圧縮成形のほかに、泥漿、ＭＩＭ、溶射、ナノ粉末をジェット気流に同伴させ成形する方法などがある。
上述した実施の形態はＷＣ及びＣｏ粉末の圧粉体電極を用いて、ＷＣとＣｏからなるサーメット被膜を形成した場合について説明したが、本実施の形態では、Ｃｏを含まないＷＣ粉末圧粉体電極による被膜形成について説明する。
本実施の形態における圧粉体電極は、平均粒径１μｍ程度のＷＣの粉末を７０ＭＰａ程度のプレス圧力で圧縮成形し、その後１１００℃の真空炉で約２時間程度保持することにより製造した導電性を有する圧粉体電極である。
なお、電極の形状は、50×11×5（ｍｍ）の直方体である。
電極の成形方法としては、実施の形態１での説明と同様に圧縮成形のほかに、泥漿、ＭＩＭ、溶射、ナノ粉末をジェット気流に同伴させ成形する方法などがある。
上記電極を用い、処理面を16×5、電流値１５Ａ、放電パルス時間を８μｓとし、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金上に５分間処理し、被膜を形成させた。
処理後の被膜のビッカース硬度を測定すると２２００ＨＶ程度を示し、ＷＣの被膜が形成されていることがわかる。
これは、母材であるＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金のビッカース硬度が３００ＨＶ程度であるため、ビッカース硬度の高いＷＣの被膜が表面に形成されていることを裏付けるものである。
なお、実施の形態１のＷＣとＣｏからなるサーメット被膜は、１５００ＨＶ程度の硬度を得ていた。
本実施の形態では、被膜にＣｏを含まないため、実施の形態１による被膜と比較し、硬度をより高くすることができる。
処理後の被膜のビッカース硬度を測定すると２２００ＨＶ程度を示し、ＷＣの被膜が形成されていることがわかる。
これは、母材であるＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金のビッカース硬度が３００ＨＶ程度であるため、ビッカース硬度の高いＷＣの被膜が表面に形成されていることを裏付けるものである。
なお、実施の形態１のＷＣとＣｏからなるサーメット被膜は、１５００ＨＶ程度の硬度を得ていた。
本実施の形態では、被膜にＣｏを含まないため、実施の形態１による被膜と比較し、硬度をより高くすることができる。
次に、実施の形態１と同様に、Ｃｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金からなるＦｅ合金軸製造用金型の金型キャビティーの充填口内面（斜線部）にＷＣの被膜を形成させた。
ここでの加工条件は、上述の如く、上記電極を用いて、電流値１１Ａ、放電時間８μｓの加工条件で被膜を形成させた。
被膜の有無に基づく金型の比較を行った場合、被膜が無いものでは数十ショットから１００ショットで金型の充填口から延びた流路（斜線部）に大きなクラックが入ってしまい、金型としての機能が失われたが、被膜を形成させた金型では、７００ショットでもクラックが入らなかった。
また、特に大きなクラックが入っていた充填口内面（斜線部）の末端面a部にのみ被膜を形成させても、約５００ショット使用することができた。
つまり、Ｃｕ合金製金型に放電表面処理によりＷＣの被膜を形成させると、金型表面の硬度をより大きくすることができ、金型の寿命を５〜７倍に拡大でき、金型製造に要するコスト削減に寄与し、製造コストを低減できる。
ここでの加工条件は、上述の如く、上記電極を用いて、電流値１１Ａ、放電時間８μｓの加工条件で被膜を形成させた。
被膜の有無に基づく金型の比較を行った場合、被膜が無いものでは数十ショットから１００ショットで金型の充填口から延びた流路（斜線部）に大きなクラックが入ってしまい、金型としての機能が失われたが、被膜を形成させた金型では、７００ショットでもクラックが入らなかった。
また、特に大きなクラックが入っていた充填口内面（斜線部）の末端面a部にのみ被膜を形成させても、約５００ショット使用することができた。
つまり、Ｃｕ合金製金型に放電表面処理によりＷＣの被膜を形成させると、金型表面の硬度をより大きくすることができ、金型の寿命を５〜７倍に拡大でき、金型製造に要するコスト削減に寄与し、製造コストを低減できる。
本実施の形態では、被膜の材料としてＷＣについて説明したが、ＴｉＣ、Ｃｒ３Ｃ２等のセラミックス、またはビッカース硬度が１０００ＨＶ以上のＷやＭｏであれば、同様に硬質の被膜を形成でき、金型の寿命の延長できる。
実施の形態３．
本実施の形態では、母材として熱伝導率が１２７Ｗ／ｍＫで１２０Ｗ／ｍＫ以上のＡｌ合金（Ａｌ５１５４）を選択し、上述した実施の形態１で製造した電極を用いて、その表面にＷＣ−Ｃｏのサーメット被膜を形成させたものである。
なお、加工条件として、処理面を16×5、電流値を１１Ａ、放電パルス時間を８μｓ、加工時間を５分間とした。
本実施の形態の加工により、Ａｌ合金表面に形成された被膜のビッカース硬度を測定すると１５００ＨＶ程度を示した。
母材であるＡｌ合金のビッカース硬度は８０ＨＶ程度であったため、ＷＣ−Ｃｏの被膜が表面に形成されていることがわかる。
また、被膜表面を1000番のペーパーで研磨し、その表面硬度を測定すると、１４５０ＨＶ程度で被膜硬度はほとんど低下しかなった。
被膜の密着強度が大きいため、ペーパーでも被膜を剥離できなかったことがわかる。
つまり、実施の形態で示したＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金のみならず、Ａｌ合金にも本実施の形態に係る放電表面処理により、高硬度かつ緻密なＷＣとＣｏからなるサーメット被膜を形成することができる。
本実施の形態では、母材として熱伝導率が１２７Ｗ／ｍＫで１２０Ｗ／ｍＫ以上のＡｌ合金（Ａｌ５１５４）を選択し、上述した実施の形態１で製造した電極を用いて、その表面にＷＣ−Ｃｏのサーメット被膜を形成させたものである。
なお、加工条件として、処理面を16×5、電流値を１１Ａ、放電パルス時間を８μｓ、加工時間を５分間とした。
本実施の形態の加工により、Ａｌ合金表面に形成された被膜のビッカース硬度を測定すると１５００ＨＶ程度を示した。
母材であるＡｌ合金のビッカース硬度は８０ＨＶ程度であったため、ＷＣ−Ｃｏの被膜が表面に形成されていることがわかる。
また、被膜表面を1000番のペーパーで研磨し、その表面硬度を測定すると、１４５０ＨＶ程度で被膜硬度はほとんど低下しかなった。
被膜の密着強度が大きいため、ペーパーでも被膜を剥離できなかったことがわかる。
つまり、実施の形態で示したＣｕ−Ｃｒ−Ｚｒ合金のみならず、Ａｌ合金にも本実施の形態に係る放電表面処理により、高硬度かつ緻密なＷＣとＣｏからなるサーメット被膜を形成することができる。
本実施の形態では、被膜の材料としてＷＣとＣｏからなるサーメットについて説明したが、ＷＣ、ＴｉＣ、Ｃｒ３Ｃ２等のセラミックス、ＭｏＢ２−Ｎｉ、Ｃｒ３Ｃ２−Ｎｉ、ＴｉＣ−Ｃｏ等のサーメットであれば、同様に硬質の被膜を形成できる。
熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以下の材料について、上述の加工条件で処理すると、熱伝導率が小さいために放電の熱によりヒートスポットが形成され、電極からの供給量よりも被加工物の除去量が多くなり、結果として被加工物が除去されることがある。
また、被膜が形成されても表面粗さがＲａ＝５以上となり、後処理等が必要となる。
つまり、熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以上のＡｌ合金やＣｕ合金やＡｇ合金で、上記条件で緻密で高硬度な被膜を形成できる。
また、被膜が形成されても表面粗さがＲａ＝５以上となり、後処理等が必要となる。
つまり、熱伝導率が１２０Ｗ／ｍＫ以上のＡｌ合金やＣｕ合金やＡｇ合金で、上記条件で緻密で高硬度な被膜を形成できる。
本実施の形態によれば、放電表面処理によりＡｌ合金の表面に数μｍ〜数十μｍ程度の厚さのサーメット被膜またはセラミックス被膜を形成でき、部品の重量をほとんど変化させることなく、または熱伝導率を低下させることなく、表面を高硬度化できる。
その被膜により、Ａｌ合金部品の叩き摩耗を抑制でき、部品の耐久性を向上できる。
その被膜により、Ａｌ合金部品の叩き摩耗を抑制でき、部品の耐久性を向上できる。
Claims (5)
- ＷＣとＣｏとの粉末混合物、またはＷＣとＮｉの粉末混合物、またはＴｉＣとＮｉの粉末混合物、またはＭｏＢ２とＮｉの粉末混合物、またはＣｒ３Ｃ２とＮｉの粉末混合物、またはＴｉＣとＣｏの粉末混合物、またはＷＣ粉末、またはＣｒ３Ｃ２粉末、またはＴｉＣ粉末、またはＷ粉末、またはＭｏ粉末を成形した粉末成形体、もしくは、該粉末成形体を加熱処理した粉末成形体の電極と、熱伝導率１２０Ｗ／ｍＫ以上の金属とをサーボを取った状態で配置し、両者の間に、電流値が１０Ａ以上、放電時間が８μｓ以下の条件でパルス状の放電を発生させ、放電によるエネルギーにより、上記熱伝導率１２０Ｗ／ｍＫ以上の金属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させることを特徴とする放電表面処理方法。
- 熱伝導率１２０Ｗ／ｍＫの金属として、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ａｇ、Ａｇ合金であることを特徴とする請求項１記載の放電表面処理方法。
- ＷＣとＣｏとの粉末混合物、またはＷＣとＮｉの粉末混合物、またはＴｉＣとＮｉの粉末混合物、またはＭｏＢ２とＮｉの粉末混合物、またはＣｒ３Ｃ２とＮｉの粉末混合物、またはＴｉＣとＣｏの粉末混合物、またはＷＣ粉末、またはＣｒ３Ｃ２粉末、またはＴｉＣ粉末、またはＷ粉末、またはＭｏ粉末を成形した粉末成形体、もしくは、該粉末成形体を加熱処理した粉末成形体の電極と、熱伝導率１２０Ｗ／ｍＫ以上の金属とをサーボを取った状態で配置し、両者の間に、電流値が１０Ａ以上、放電時間が８μｓ以下の条件でパルス状の放電を発生させ、放電によるエネルギーにより、上記熱伝導率１２０Ｗ／ｍＫ以上の金属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させたことを特徴とする金型。
- 熱伝導率１２０Ｗ／ｍＫの金属として、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ａｇ、Ａｇ合金であることを特徴とする請求項３に記載の金型。
- Ｆｅ合金軸製造用金型における充填口から延びた流路に被膜を形成したことを特徴とする請求項３または４に記載の金型。
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