JP5814813B2

JP5814813B2 - 放電表面処理用電極及び放電表面処理用電極の製造方法

Info

Publication number: JP5814813B2
Application number: JP2012022390A
Authority: JP
Inventors: 昌男岡; 晴裕長田; 大澤　芳夫; 芳夫大澤
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2032-02-03
Also published as: JP2013159818A

Description

本発明は、放電表面処理に用いられる放電表面処理用電極及び当該放電表面処理用電極の製造方法に関する。

油液中に設置した被処理材料と電極の間に放電を発生させ、当該放電のエネルギーを利用する技術として、放電加工と放電表面処理が開発されている。放電加工に用いられる電極が、放電による加工を実現できれば足りるのに対して、放電表面処理には、被処理材料に形成する被膜の材料となる材料粒子を圧縮成形した、内部に空隙を有する電極が用いられ、このような電極には、放電加工に用いられる電極とは異なる性質・機能が求められる。すなわち、放電表面処理用電極は、その構成材料の少なくとも一部が、放電エネルギーによって被処理材料表面に移動する必要があり、構成材料、強度（壊れやすさ）、導電性などが、放電加工用の電極とは大きく異なる。

このような放電表面処理用電極に関する従来技術としては、例えば金属粉末あるいは金属化合物粉末を加圧成形した圧粉体を用いた電極が開示されている（特許文献１等参照）。従来技術に係る放電表面処理用電極は、金属粉末あるいは金属化合物粉末に、必要に応じてＡｇ等の軟性金属粉末等を混入させて加圧成形することにより、要求される強度や導電性を確保しようとするものである。

また、放電表面処理用電極に関する他の従来技術として、炭素あるいは黒鉛を混入した放電表面処理用電極も提案されている（特許文献２等参照）。しかし、このような放電表面処理用電極は、被処理材料に形成される硬質被膜の硬度をより高くするために、電極に含まれる炭素量を増やす目的で炭素粉末を混入させたものにすぎず、炭素粉末を導電材料として用いる旨の示唆はなく、また、開示された炭素粉末は、分散性が悪く、電気伝導率が低い電極となるおそれがあり、導電材料として好適に機能できる態様ではなく、また、用いる材料粒子が不導体の場合、電気伝導率が低すぎて、電極として用いられないおそれがあった。

さらに、放電表面処理用電極の評価方法として、四短針法による電気抵抗の測定により、電極の崩れやすさ及び材料粒子同士の密着性が適切であるか否かを判断する手法が提案されている（特許文献３等参照）。

再公表ＷＯ９９／４６４２３再公表ＷＯ９９／４７７３０特開２００９−１０２７４７

従来技術に係る放電表面処理用電極は、基本的に粉体粒子同士の接合の度合いを微妙に調整することにより、放電表面処理用電極に求められる強度や、電気伝導率を確保しようとするものであるため、加圧条件等の製造条件の合わせこみが難しいという問題を有する。また、電気抵抗の測定による放電表面処理用電極の評価も、良品と不良品の判別には有効であるものの、製造工程における不良品の発生を直接的に低減するものではない。したがって、従来技術に係る放電表面処理用電極は、生産性を向上させることが難しく、また、品質にばらつきを生じやすいという問題を有している。

また、従来技術に係る放電表面処理用電極の強度及び導電率は、材料となる粉体粒子自体の性質に大きく依存するため、使用可能な粉体粒子が限定され、たとえ被処理材料表面に移動させたい材料であっても、放電表面処理用電極に用いる材料粒子として採用することが難しい場合があった。また、電極に含まれる炭素粉末、材料粒子及び空隙が電極中に均一に分散していないために、放電が不安定になり、被処理材料表面に形成される膜厚も不均一になる場合があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされ、その目的は、製造が容易であり、材料粒子の選択枝が多い放電表面処理用電極及び当該放電表面処理用電極の製造方法を提供することである。

上述の課題を解決するために、本発明に係る放電表面処理用電極は、
被処理材料との間に放電を発生させ、そのエネルギーにより前記被処理材料表面に被膜を形成する放電表面処理用電極であって、
材料粒子の圧粉体と、
前記圧粉体に含浸された樹脂が炭素化した炭素と、を含む。

本発明に係る放電表面処理用電極は、材料粒子の圧粉体に含浸された樹脂が炭素化した炭素を含むため、材料粒子がたとえ不導体であっても、含浸された樹脂の炭素化による炭素が、材料粒子を被覆しているため、この炭素が導通経路となり、放電表面処理用電極として好適に用いることができる。つまり、本発明に係る放電表面処理用電極は、材料粒子として導体、不導体のどちらでも用いることができ、導体と不導体が混合したものを用いることもできる。また、各材料粒子の周りが導電材料である炭素で覆われた状態となっているため、放電表面処理用電極に含まれる導電材料の量を、圧粉体に含浸させる樹脂の量、種類及び含浸回数などを調整することにより、適切な量にコントロールすることができ、さらに、放電表面処理用電極中に均一に分散する導電経路を形成することができる。また、そのため、本発明に係る放電表面処理用電極は、放電処理時において放電箇所に偏りが生じることを防止することができ、高精度な放電表面処理を実施できる。

また、放電表面処理は油のように炭素が存在する加工液中で行われるため、炭素が材料粒子を被覆して導電経路となる本発明は、炭素以外の材料が材料粒子を被覆しているものに比べて、被処理材料に形成される被膜に対して被覆材が及ぼす影響が少なく、所望の被膜を被処理材料に形成できる。また、本発明に係る放電表面処理用電極は、採用可能な材料粒子の機械的性質及び電気的性質の範囲が広く、放電表面処理において被処理材料の表面に形成したい被膜の性質に応じて、様々な種類の材料粒子を含み得る。

また、含浸された樹脂が炭素化して形成された炭素は、材料粒子による圧粉体の内部に、均一な導電経路を形成し、さらに、圧粉体を構成する材料粒子同士を結合する役割を有するため、粉体を圧縮成形して焼結しただけの従来の放電表面処理電極に比べて、安定した電気的・機械的性質を有する。また、圧粉体の表面から液状の樹脂を含浸させることにより、当該樹脂が炭素化して形成される導電経路は、放電表面処理電極の内部から電極の表面まで、良好な連続性を有する。

また、炭素化に伴う樹脂のガス化により、炭素部分に空隙が形成される。これにより、材料粒子間を接合している炭素が適度な結合強度を奏し、このような放電処理用電極は、放電表面処理用電極として好適な強度及び崩れやすさを有するため、被処理材料への均一な被膜形成を実現する。また、炭素部分の空隙を利用して、樹脂の含浸及び炭素化を繰り返すことにより、所望の範囲まで導電率を高めることができる。

また、例えば、前記樹脂はフェノール樹脂であっても良い。

フェノール樹脂は焼結に伴う炭素化率（焼結後に炭素として残る割合）が高いため、炭素化のための焼結により消失し難く、焼結後の放電表面処理用電極において材料粒子を被覆する炭素を好適に形成することが可能であり、また、フェノール樹脂を焼結して形成された炭素は、放電処理用電極において良好な導電経路となり得る。

また、本発明に係る放電表面処理用電極の製造方法は、被処理材料との間に放電を発生させ、そのエネルギーにより前記被処理材料表面に被膜を形成する放電表面処理用電極の製造方法であって、
材料粒子を圧縮成形して圧粉体を形成する圧粉工程と
前記圧粉体に樹脂を含浸させる含浸工程と
前記樹脂を炭素化する炭素化工程と、
を有する。

本発明に係る放電表面処理用電極の製造方法は、材料粒子の圧粉体に樹脂を含浸させる含浸工程と含浸された樹脂を炭素化する工程を有する。このような製造方法によれば、放電表面処理用電極中において均一性の高い導電経路を形成することができ、製造された電極は、材料粒子がたとえ不導体であっても、放電表面処理用電極として好適に機能することができる。

また、含浸された樹脂が炭素化して形成された炭素は、材料粒子による圧粉体の内部に均一性の高い導電経路を形成するとともに、さらに、圧粉体を構成する材料粒子同士を結合する役割を有するため、本発明に係る製造方法によれば、粉体を圧縮成形して焼結しただけの従来の放電表面処理電極に比べて、安定した電気的・機械的性質を有する放電表面処理用電極を製造することができる。

また、例えば、本発明に係る放電表面処理用電極の製造方法では、前記含浸工程から前記炭素化工程を１サイクルとして、２サイクル以上繰り返しても良い。

本発明に係る製造方法では、炭素化工程に伴う樹脂のガス化により電極の炭素部分に空隙が形成されるが、当該空隙を利用して再度樹脂の含浸を行うことが可能である。このような含浸工程及び炭素化工程を繰り返すことにより、本発明に係る製造方法は、要求される強度や導電率を有する放電表面処理用電極を、容易に製造することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る放電表面処理用電極を用いた表面処理の概要を表す概念図である。図２は、本発明の一実施形態に係る放電表面処理用電極の構造を説明するための概念図である。図３は、本発明の一実施形態に係る放電表面処理用電極の製造方法における中間生成物を表す概念図である。図４は、本発明の一実施形態に係る放電表面処理用電極の製造方法を表すフローチャートである。

以下に、図面等を用いて本発明の一実施形態に係る放電表面処理用電極の説明を行う。
図１は、本発明の一実施形態に係る放電表面処理用電極１０を用いた放電表面処理の概要を表す概念図である。放電表面処理では、加工液１６中に設置した被処理材料１８と放電表面処理用電極１０の間に放電を発生させ、そのエネルギーにより、被処理材料１８の表面に硬質被膜２０を形成する。放電表面処理において形成される被膜２０は、放電時に溶融等した放電表面処理用電極１０の電極材料、特に材料粒子１４を用いて形成される。

放電表面処理用電極１０は、電源２４と電気的に接続されている電極取付部２６に取り付けられて使用される。電源２４は、被処理材料１８とも電気的に接続されており、放電表面処理用電極１０と被処理材料１８の間の電位差を制御し、放電表面処理用電極１０と被処理材料１８の間にパルス状の放電を発生させる。

図２は、放電表面処理用電極１０の内部構造を説明するための概念図である。放電表面処理用電極１０は、材料粒子１４の圧粉体２８と、圧粉体２８を構成する材料粒子１４の隙間を充填する炭素２２を有する。炭素２２は、後述するように、圧粉体２８に含浸された樹脂を焼結し、炭素化することによって形成されたものである。炭素２２には、樹脂を構成する成分の一部が焼結時にガス化することにより形成された空隙が形成されている。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、放電表面処理用電極１０の一製造方法における中間生成物を表す概念図であり、図４は、放電表面処理用電極１０の一製造方法を表すフローチャートである。以下、図２〜図４を用いて、放電表面処理用電極１０の製造方法の一例を説明する。

図４のステップＳ００１では、放電表面処理用電極１０の材料粒子１４（図２参照）を選定する。材料粒子１４は、放電表面処理用電極１０を使用する放電表面処理において、電極側から被処理材料１８側に移動する物質を含む。放電表面処理においては、材料粒子１４が放電エネルギーによって溶解した物質或いは溶解した物質と被処理材料１８が融合した物質等が、被処理材料１８表面の被膜２０となるため、ステップＳ００１で準備される材料粒子１４は、被処理材料１８表面に形成する被膜２０（図１参照）に応じて選定される。材料粒子１４の材質は特に限定されないが、チタン（Ｔｉ）、チタン水素化物（ＴｉＨ_２）、チタン炭化物（ＴｉＣ）、チタンニッケル合金（ＴｉＮ）、タングステンカーバイド、クロムカーバイド、コバルト、ＢＮ、Ｂ４Ｃ、ホウ化物、ＭｏＳｉ２、酸化鉄、酸化亜鉛等の導体や、チタン酸化物（ＴｉＯ_２）、アルミナ、酸化クロム、ジルコニア等の不導体が挙げられる。その他、通常用いられる溶射材料であって、融点が存在し、樹脂を含浸させるための圧粉体を形成可能な材料（例えば、クロミア、イットリア、セリア、カルシア、グレーアルミナ、アルミナ−チタニア、ムライト、ＳｉＯ_２、ベリリア）であれば適用可能である。

材料粒子１４は、ボールミル等によって粉砕して生成された粉体であってもよく、粉末が凝集した凝集体であっても良い。材料粒子１４の粒径は特に限定されないが、例えば１〜１００μｍ程度とすることができる。

図４のステップＳ００２では、材料粒子１４を圧縮成形し、材料粒子１４の圧粉体２８を製造する。図３（ａ）は、材料粒子１４を圧縮成形している状態を表す模式断面図である。圧粉体２８の原料粉末の中には、材料粒子１４の他に、金属粉末などをバインダとして混合させても良い。特にバインダとして、パラフィンや流動パラフィンを用いることで、粒子と含浸樹脂の炭素化部の密着を低下させることが出来、選定粒子の接合強度（壊れやすさ）が改良される。

図４のステップＳ００３では、ステップＳ００２で形成した圧粉体２８を焼結する。圧粉体２８の焼結条件としては、特に限定されないが、例えば２００℃から３０００℃程度とすることができる。また、このステップＳ００３を後述のステップＳ００５と併せて行ってもその効果は同等となる。

図４のステップＳ００４では、焼結後の圧粉体２８に対して、樹脂１２を含浸させる。図３（ｂ）は、ステップＳ００４において圧粉体２８に樹脂１２を含浸させた状態を表したものである。樹脂１２を含浸させる工程では、有機溶剤に溶解させた樹脂１２を、焼結後の圧粉体２８に含浸させる。樹脂を含浸させる具体的な方法は特に限定されず、例えば、圧粉体２８を樹脂溶液に浸漬させる浸漬法や、圧粉体２８を真空脱気した後に樹脂溶液に浸漬させる方法や、圧粉体２８を樹脂溶液に浸漬させた後に加圧する方法などを用いることができる。圧粉体２８に含浸させる樹脂１２も、特に限定されないが、例えばフェノール樹脂や、エポキシ樹脂、ポリアミド等が使用される。なお、フェノール樹脂は、ステップＳ００５に示す焼結による炭素化工程において、炭素化されて圧粉体２８内における材料粒子１４の隙間に残る割合が高いので、放電処理用電極の電気伝導率を向上させる必要がある場合等に、特に好適に用いることができる。

図４のステップＳ００５では、樹脂１２を含浸させた圧粉体２８を加熱・焼成し、樹脂１２を炭素化する。ステップＳ００５における焼成雰囲気は真空、或いはアルゴンガス等の不活性雰囲気中であればよく、焼成温度は、含浸された樹脂１２が炭素化する温度以上であれば特に限定されず、例えば７００℃〜３０００℃程度とすることができる。ステップＳ００５において含浸された樹脂１２を炭素化することにより、図２に示すような放電表面処理用電極１０を得る。樹脂１２の炭素化により形成された炭素２２は、良好な導電性を有する。また、前述のステップＳ００３とステップＳ００５を併せて行う際は、ステップＳ００２の後にステップＳ００３を行わず、ステップＳ００２の後、ステップＳ００４を経て、ステップＳ００５を行い、電極を得る方法をとる。このような手順を用いて電極を作成してもその効果は同等となる。

ステップＳ００５の炭素化工程では、樹脂成分の一部がガス化し、材料粒子１４の間を埋める炭素２２の中に空隙が形成され、炭素２２は多孔質となる。炭素２２の内部に存在する空隙の量は、放電表面処理用電極１０の強度及び導電性と関連があり、空隙の量が多いほど放電表面処理用電極１０の強度及び導電性が低く、空隙の量が少ないほど放電表面処理用電極１０の強度及び導電性が高い。そこで、図４に示すように、含浸工程（ステップＳ００４）から炭素化工程（ステップＳ００５）までを１サイクルとして、このサイクルを２サイクル以上繰り返すことにより、放電表面処理用電極１０の炭素２２の中に存在する空隙の量を減少させ、放電表面処理用電極１０の強度及び導電性を所望の範囲まで高めることができる。

本実施形態に係る放電表面処理用電極１０は、材料粒子１４の圧粉体２８に含浸された樹脂１２が炭素化した炭素２２を含むため、材料粒子１４がたとえ不導体であっても、含浸された樹脂１２の炭素化による炭素２２が、材料粒子１４を被覆しているため、この炭素２２が導通経路となり、放電表面処理用電極１０として好適に用いることができる。各材料粒子１４の周りが導電材料である炭素２２で覆われた状態となっているため、放電表面処理用電極１０に含まれる導電材料の量を、圧粉体２８に含浸させる樹脂１２の量、種類及び含浸回数などを調整することにより、適切な量にコントロールすることができ、さらに、放電表面処理用電極１０中に均一に分散する導電経路を形成することができる。

炭素粉末を材料粒子と混合させるような場合を含め、粉体を圧縮・成形しただけの従来の放電表面処理用電極では、圧粉体内における粉末材料の分散性に問題があり、すなわち炭素粉末や、材料粒子や、粉体の密度（充填率）等に偏りが生じる場合がある。このような放電表面処理用電極では、その強度は、圧粉体を構成する粒子間の微妙な接合状態に依存して偏りが生じやすく、また、電極の導電性も、圧粉体を構成する粒子間の微妙な接触状態、もしくは空隙の存在状態に依存して、偏りを生じやすい。

しかし、図２に示すような放電表面処理用電極１０では、圧粉体２８内に樹脂１２を含浸させ、これを炭素化することにより、材料粒子１４の間には、均一性の高い炭素２２が、各材料粒子１４が埋め込まれた雌型のような形状に形成される。したがって、放電表面処理用電極１０は、たとえ圧粉体２８における材料粒子１４の分散性が劣る場合でも、炭素２２がそれを補うことにより、均一性の高い強度及び導電性を有する。すなわち、放電表面処理用電極１０は、圧粉体２８内の粒子が直接接触することによる接合力を、炭素２２が材料粒子１４を保持する力が補完することにより、強度の偏りを少なくすることができ、また、圧粉体２８内の導電性粒子が直接接触することにより形成される導電経路を、炭素２２のネットワークによる導電経路が補完することにより、導電性の偏りを少なくすることができる。

このような放電表面処理用電極１０は、図１に示すような放電表面処理に用いた場合において、安定した放電を実現するとともに、放電により崩壊して被処理材料１８に移動する際に、材料粒子１４が被処理材料１８に密着できる程度の安定した大きさになるように、崩壊することができる。したがって、放電表面処理用電極１０は、放電表面処理時における電極の移転効率が高く、均質な被膜形成を実現する。

また、樹脂が炭素化した際に炭素２２内に形成される空隙は、放電表面処理用電極１０に適切な強度をもたらすとともに、空隙を利用して、含浸工程（ステップＳ００４）から炭素化工程（ステップＳ００５）までを繰り返すことにより、放電表面処理用電極１０の強度及び導電性を自由に調整することができる。

さらに、放電表面処理用電極１０では、圧粉体２８の表面から樹脂１２を含浸させているため、当該樹脂１２が炭素化して形成される導電経路は、放電表面処理用電極１０の内部から、電極の表面に接触している電極取付部２６（図１参照）まで、良好な連続性を有する。したがって、含浸された樹脂１２が炭素化した炭素２２は、単に材料粒子中に混ぜられた炭素とは異なり、確実な導電経路として機能する。

１０…放電表面処理用電極
１２…樹脂
１４…材料粒子
１６…加工液
１８…被処理材料
２０…被膜
２２…炭素
２４…電源
２６…電極取付部
２８…圧粉体

Claims

被処理材料との間に放電を発生させ、そのエネルギーにより前記被処理材料表面に被膜を形成する放電表面処理用電極であって、
材料粒子の圧粉体と、
電極内部から電極表面まで連続性を有し、前記圧粉体に含浸された樹脂が炭素化した炭素と、を含む放電表面処理用電極。
前記樹脂はフェノール樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の放電表面処理用電極。
前記炭素には、前記樹脂のガス化による空隙が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の放電表面処理用電極。
被処理材料との間に放電を発生させ、そのエネルギーにより前記被処理材料表面に被膜を形成する放電表面処理用電極の製造方法であって、
材料粒子を圧縮成形して圧粉体を形成する圧粉工程と、
前記圧粉体に樹脂を電極内部から電極表面まで連続性を有するように含浸させる含浸工程と、
前記樹脂を炭素化する炭素化工程と、
を有する放電表面処理用電極の製造方法。
前記含浸工程から前記炭素化工程を１サイクルとして、２サイクル以上繰り返すことを特徴とする請求項４に記載の放電表面処理用電極の製造方法。
前記炭素化工程において、前記樹脂のガス化による空隙が、前記樹脂が炭素化した炭素部分に形成されることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の放電表面処理用電極の製造方法。