JP5915368B2 - 放電表面処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属ワーク又は金属部品の被処理部に放電エネルギーを利用して耐摩耗性又は耐エロージョン性のある被膜を形成する放電表面処理方法に関する。

近年、放電表面処理の技術の開発が活発化している。金属ワークの被処理部に耐摩耗性又は耐エロージョン性のある被膜を形成する放電表面処理方法の技術として特許文献１に示すものがある。その先行技術に係る放電表面処理方法について簡単に説明すると、次のようになる。

先行技術に係る放電表面処理方法の実施には、炭化チタン（ＴｉＣ）の粉末と水素化チタン（ＴｉＨ₂）の粉末との混合粉末から圧縮形成したものであって、焼成処理（加熱処理）を施して水素化チタン中の水素（Ｈ₂）を放出した焼結済みの圧粉体を放電電極として用いる。そして、先行技術に係る放電表面処理は、加工油中で放電電極と金属ワークの被処理部との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーにより消耗した放電電極の電極材料と加工油中に含まれる炭素を反応させつつ、放電電極の電極材料又はその反応物質を金属ワークの被処理部に付着させて、炭化チタン（ＴｉＣ）からなる被膜を形成するものである。

国際公開ＷＯ０１／００５５４５号公報

ところで、本願の発明者が先行技術に係る放電表面処理方法によって試験基材の表面に炭化チタンからなる被膜を形成したところ、その被膜の表面にヘアクラック（クラック）が発生することが判明した（後述の実施例参照）。また、金属ワーク又は金属部品の被処理部に形成された被膜の表面にヘアクラックが発生している場合に、金属ワーク又は金属部品が摩耗又はエロージョン環境（摩耗又はエロージョンを受ける環境）下に長時間置かれると、被膜と金属ワーク又は金属部品の母材との密着強度が急激に低下して、被膜の剥離を招くことになる。つまり、金属ワーク又は金属部品の被処理部に先行技術に係る放電表面処理方法によって耐摩耗性又は耐エロージョン性のある被膜が形成されても、金属ワーク又は金属部品が高いレベルの耐摩耗性又は耐エロージョン性を長時間に亘って確保することが困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の放電表面処理方法を提供することを目的とする。

本発明の発明者は、前述の問題を解決するために、多数種の放電電極を用いて、多数種の構成材料からなる試験基板に対して放電表面処理試験を行った結果、試験基材がチタン（Ｔｉ）又はチタン合金（Ｔｉ合金）からなる場合に、加工油中で、固体シリコン（固体Ｓｉ）からなる放電電極と試験基材の表面との間にパルス状の放電を発生させると、その放電エネルギーにより試験基材の母材と加工油中に含まれる炭素（Ｃ）を反応させつつ、試験基材の表面を改質して、試験基材の表面に炭化チタン（ＴｉＣ）からなる被膜を表面にヘアクラックが無い状態で形成することができるという（後述の実施例参照）、新規な知見を得ることができ、本発明を完成するに至った。なお、固体シリコンからなる放電電極を用いているため、試験基材の表面には炭化シリコン（ＳｉＣ）からなる被膜が形成されると予想していたが、試験基板の表面に炭化チタンからなる被膜が形成されたことは予想外の結果であった。

本発明の第１の態様は、金属部品の被処理部又は金属ワークの被処理部に放電エネルギーを利用して耐摩耗性又は耐エロージョン性のある被膜を形成する放電表面処理方法において、前記金属ワーク又は前記金属部品はチタン又はチタン合金からなるものであって、固体シリコンからなる放電電極を用い、加工油中で前記放電電極と前記金属ワーク又は前記金属部品の被処理部との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーにより前記金属ワーク又は前記金属部品の母材と前記加工油中に含まれる炭素を反応させつつ、前記金属ワーク又は前記金属部品の被処理部の表面を改質して、前記金属ワーク又は前記金属部品の被処理部に前記被膜を形成することである。

なお、耐摩耗性又は耐エロージョン性のある被膜とは、当然の如く、耐摩耗性及び耐エロージョン性のある被膜を含む意である。

第１の態様によると、前記金属ワーク又は前記金属部品はチタン又はチタン合金からなるものであって、固体シリコンからなる放電電極を用い、前記放電電極と前記金属ワーク又は前記金属部品の被処理部との間にパルス状の放電を発生させているため、前述の新規な知見を適用すると、前記金属ワーク又は前記金属部品の被処理部に炭化チタンからなる前記被膜を表面にヘアクラックが無い状態で形成することができる。

本発明の第２の態様は、本発明の第１の特徴に加えて、前記放電電極を構成する固体シリコンは、Ｎ型又はＰ型の単結晶の固体シリコンである。

ここで、金属部品とは、ジェットエンジンに用いられるエンジン部品だけでなく、相手部品との相対的な摺動によって摩耗を受ける金属部品、固体粒子を含むガス、固体粒子を含む液体、又は液体そのものによってエロージョンを受ける金属部品を含む意である。

また、ファン動翼とは、ジェットエンジンのエンジンケース内に空気を取入れる１段目の圧縮機動翼を含む意である。

本発明によれば、前記金属ワーク又は前記金属部品の被処理部に炭化チタンからなる前記被膜を表面にヘアクラックが無い状態で形成できるため、前記金属ワーク又は前記金属部品の耐摩耗性又は耐エロージョン性を高いレベルで長時間に亘って十分に確保することができる。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る放電表面処理方法の処理対象であるファン動翼の斜視図、図１（ｂ）は、動翼本体の前縁部に本発明の実施形態に係る放電表面処理方法によって耐摩耗性又は耐エロージョン性のある被膜が形成されたファン動翼の斜視図である。 図２は、本発明の実施形態に係る放電表面処理方法の実施に使用する放電表面処理装置を示す模式図である。 図３（ａ）は、放電時における放電パルス電流の波形を示す図、放電時における放電パルス電圧の波形を示す図である。 図４（ａ）は、固体シリコンからなる放電電極を用いて形成された被膜の表面を示す走査電子顕微鏡写真図、図４（ｂ）は、炭化チタンの粉末等から圧縮成形した焼結済みの圧粉体からなる放電電極を用いて形成された被膜の表面を示す走査電子顕微鏡写真図である。 図５は、固体シリコンからなる放電電極を用いて形成された被膜の断面を示す走査電子顕微鏡写真図である。 図６は、発明品と比較品についてエロージョン試験を行った結果を示す図である。

本発明の実施形態に係る放電表面処理方法の処理対象であるファン動翼、本発明の実施形態に係る放電表面処理方法の実施に使用する放電表面処理装置と放電電極、及び本発明の実施形態に係る放電表面処理方法の構成等について、順次図面を参照しつつ説明する。なお、図面中、「ＦＦ」は、前方向を、「ＦＲ」は、後方向、「Ｌ」は、左方向、「Ｒ」は、右方向、「Ｕ」は、上方向、「Ｄ」は、下方向をそれぞれ指してある。

図１（ａ）に示すように、本発明の実施形態に係る放電表面処理方法の処理対象であるファン動翼１は、ジェットエンジンに用いられ、チタン合金からなるものである。また、ファン動翼１は、動翼本体３を備えており、この動翼本体３の基端側には、プラットホーム５が一体形成されており、このプラットホーム５は、空気の流路面５ｆを有している。更に、プラットホーム５には、シャンク７が一体形成されており、このシャンク７には、ダブテール９が一体形成されており、このダブテール９は、ジェットエンジンにおけるファンディスク（図示省略）の嵌合溝（図示省略）に嵌合可能である。ここで、本発明の実施形態にあっては、動翼本体３の前縁部３ａ（前縁部３ａのチップ側部分）が被処理部になる。

図２に示すように、本発明の実施形態に係る放電表面処理装置１１は、Ｘ軸方向（換言すれば、左右方向）及びＹ軸方向（換言すれば、前後方向）へ延びたベッド１３を備えており、このベッド１３には、Ｚ軸方向（換言すれば、上下方向）へ延びたコラム１５が立設されている。また、ベッド１３には、可動フレーム（可動テーブル）１７が設けられてあって、この可動フレーム１７は、Ｘ軸サーボモータ（図示省略）の駆動によりＸ軸方向へ移動可能であって、Ｙ軸サーボモータ（図示省略）の駆動によりＹ軸方向へ移動可能である。更に、可動フレーム１７には、加工油１９を貯留可能な加工槽２１が設けられており、この加工槽２１内には、ファン動翼１をセット可能な治具２３が設けられている。

コラム１５には、処理ヘッド２５が設けられており、この処理ヘッド２５は、Ｚ軸サーボモータ（図示省略）の駆動によりＺ軸方向へ移動可能である。また、処理ヘッド２５には、棒状の放電電極２７に保持する電極ホルダ２９が設けられており、放電電極２７及び電極ホルダ２９は、Ｘ軸サーボモータ及びＹ軸サーボモータの駆動により可動フレーム１７及び加工槽２１に対して相対的にＸ軸方向及びＹ軸方向へ移動可能である。ここで、放電電極２７は、Ｎ型又はＰ型の単結晶の固体シリコン（Ｓｉ）からなるものである。なお、放電電極２７の構成材料としての固体シリコンは、前述のように、単結晶であるが、多結晶であっても構わない。

続いて、本発明の実施形態に係る放電表面処理方法の構成について説明する。

図２に示すように、本発明の実施形態に係る放電表面処理方法は、ファン動翼１の被処理部としての動翼本体３の前縁部３ａに放電エネルギーを利用して耐摩耗性又は耐エロージョン性のある被膜３１を形成する方法である。

ファン動翼１の動翼本体３の前縁部３ａが上を向くようにファン動翼１を治具２３にセットする。また、Ｘ軸サーボモータ及びＹ軸サーボモータの駆動により加工槽２１をＸ軸方向及びＹ軸方向へ可動フレーム１７と一体的に移動させて、換言すれば、放電電極２７を可動フレーム１７及び加工槽２１に対して相対的にＸ軸方向へ移動させて、棒状の放電電極２７の先端部を動翼本体３の前縁部３ａの先端部分に対向させる。

そして、Ｘ軸サーボモータ及びＹ軸サーボモータの駆動により放電電極２７をファン動翼１の動翼本体３の前縁部３ａに沿って可動フレーム１７及び加工槽２１に対して相対的に移動させつつ、放電電極２７とファン動翼１の動翼本体３の前縁部３ａとの間にパルス状の放電を発生させる。これにより、その放電エネルギーによりファン動翼１の母材と加工油１９中に含まれる炭素（Ｃ）を反応させつつ、ファン動翼１の動翼本体３の前縁部３ａの表面を改質して、ファン動翼１の動翼本体３の前縁部３ａに被膜３１を形成する。換言すれば、図１（ｂ）に示すように、動翼本体３の前縁部３ａに本発明の実施形態に係る放電表面処理方法によって被膜３１が形成されたファン動翼１Ａに仕上げることができる。なお、被膜３１の形成中、Ｚ軸サーボモータの駆動により放電電極２７を処理ヘッド２５と一体的にＺ軸方向へ微小移動させて、放電電極２７とファン動翼１の動翼本体３の前縁部３ａとのギャップを所定のギャップに維持する。

ここで、図３（ａ）（ｂ）に示すように、本発明の実施形態に係る放電表面処理方法の放電条件は、放電電極２７とファン動翼１の動翼本体３の前縁部３ａとの間に供給する放電パルス電流の波形の初期部分のピーク電流ｐ（０Ａ、３０Ａ、４０Ａ）、中期以降部分のピーク電流値ｉｅ（１Ａ、２Ａ、４.５Ａ、５.５Ａ、１０Ａ、２５Ａ）である。また、放電パルス電流のパルス幅ｔｅは２〜３０μｓであって、休止時間ｔｏは６４μｓである。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

ファン動翼１がチタン合金からなるものであって、Ｎ型又はＰ型の固体シリコンからなる放電電極２７を用い、放電電極２７とファン動翼１の動翼本体３の前縁部３ａとの間にパルス状の放電を発生させているため、前述の新規な知見を適用すると、ファン動翼１の動翼本体３の前縁部３ａに炭化チタン（ＴｉＣ）からなる被膜３１を表面にヘアクラックが無い状態で形成することができる。

焼結済みの圧粉体を放電電極として用いることなく、Ｎ型又はＰ型の固体シリコンからなる放電電極２７を用いて、炭化チタンからなる被膜３１を形成することができるため、放電電極２７の一連の製造工程から焼成工程（熱処理工程）を省略することができる。

従って、本発明の実施形態によれば、ファン動翼１の動翼本体３の前縁部３ａに炭化チタン（ＴｉＣ）からなる被膜３１を表面にヘアクラックが無い状態で形成できるため、ファン動翼１の耐摩耗性又は耐エロージョン性を高いレベルで長時間に亘って十分に確保することができ、ファン動翼１の寿命を向上させることができる。

放電電極２７の一連の製造工程から焼成工程（熱処理工程）を省略できるため、放電電極２７の製造コスト、換言すれば、放電表面処理の処理コストを大幅に低減することができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、本発明の実施形態に係る放電表面処理方法によって例えばファン動翼１の動翼本体３の前縁部３ａに耐摩耗性又は耐エロージョン性のある被膜３１を形成する代わりに、ファン動翼１以外の金属部品（図示省略）又は金属ワーク（図示省略）の被処理部（図示省略）に耐摩耗性又は耐エロージョン性のある被膜（図示省略）を形成する等、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、動翼本体３の前縁部３ａに耐摩耗性又は耐エロージョン性のある被膜３１が形成されたファン動翼１Ａ等、被処理部に耐摩耗性又は耐エロージョン性のある被膜が形成された金属部品にも及ぶものであり、本発明の実施形態に限定されないものである。

本発明の実施例について図４（ａ）（ｂ）から図６を参照して説明する。

リンのドープによるＰ型の単結晶の固体シリコンからなる実施例に係る放電電極（電極断面：５×１０ｍｍ）及びチタン合金（Ｔｉ６Ａ１４Ｖ）からなる試験基材を用い、実施例に係る放電電極を２ｍｍ／ｍｉｍの速度で試験基材に対して相対的に移動させつつ、加工油中で実施例に係る放電電極と試験基材との間にパルス状の放電を発生させることにより、実施例に係る放電表面処理によって試験基材の表面に被膜を形成した。そして、走査電子顕微鏡（加速電圧：１５ｋＶ）によって被膜を表面観察及び断面観察すると、図４（ａ）及び図５に示すように、被膜の表面にヘアクラックが無いこと、及び被膜の厚みが２〜３μｍであることが確認された。また、実施例に係る放電表面処理によって試験基材の表面に形成した被膜は、Ｘ線回折によって炭化チタンからなるものであることが確認された。

なお、図示は省略するが、Ｐ型の単結晶の固体シリコンに代えてＮ型の単結晶の固体シリコンからなる実施例に係る放電電極（電極断面：５×１０ｍｍ）を用いた場合、及びチタン合金からなる試験基材に代えてチタンからなる試験基材を用いた場合にも、同様の結果を得ることができた。

一方、炭化チタンの粉末と水素化チタンの粉末との混合粉末から圧縮形成した焼結済みの圧粉体からなる比較例に係る放電電極（電極断面：５×１０ｍｍ）及びチタン合金（Ｔｉ６Ａ１４Ｖ）からなる試験基材を用い、比較例に係る放電電極を２ｍｍ／ｍｉｍの速度で試験基材に対して相対的に移動させつつ、加工油中で比較例に係る放電電極と試験基材との間にパルス状の放電を発生させることにより、比較例に係る放電表面処理によって試験基材の表面に被膜を形成した。そして、走査電子顕微鏡（加速電圧：１５ｋＶ）によって被膜を表面観察すると、図４（ｂ）に示すように、被膜の表面にヘアクラックが存在していることが確認された。また、比較例に係る放電表面処理によって試験基材の表面に形成した被膜は、Ｘ線回折によって炭化チタンからなるものであることが確認された。

続いて、実施例に係る放電表面処理によって表面に被膜が形成された試験基材を発明品、比較例に係る放電表面処理によって表面に被膜が形成された試験基材を比較品を用意し、一定の強さ（２５０ＭＰａの噴射圧）のウォータージェットを発明品及び試験品に向かって噴射することによりエロージョン試験を行った。そして、その結果をまとめると、図６に示すようになる。つまり、比較品の場合には、試験時間が６０秒を経過すると、ウォータージェットによる減肉量（摩耗量）が急激に増加するのに対して、発明品の場合には、試験時間が１００秒を超えても、ウォータージェットによる減肉量が大きく増加することがないことが確認された。なお、ウォータージェットによる減肉量は、ウォータージェットによる被膜の窪みの深さを表している。

１ ファン動翼
１Ａ ファン動翼
３ 動翼本体
３ａ 動翼本体の前縁部
５ プラットホーム
５ｆ プラットホームの流路面
７ シャンク
９ ダブテール
１１ 放電表面処理装置
１３ ベッド
１５ コラム
１７ 可動フレーム
１９ 加工油
２１ 加工槽
２３ 治具
２５ 処理ヘッド
２７ 放電電極
２９ 電極ホルダ
３１ 被膜

Claims (2)

1. 金属ワーク又は金属部品の被処理部に放電エネルギーを利用して耐摩耗性又は耐エロージョン性のある被膜を形成する放電表面処理方法において、
   前記金属ワーク又は前記金属部品はチタン又はチタン合金からなるものであって、
   固体シリコンからなる放電電極を用い、加工油中で前記放電電極と前記金属ワーク又は前記金属部品の被処理部との間にパルス状の放電を発生させることにより、その放電エネルギーにより前記金属ワーク又は前記金属部品の母材と前記加工油中に含まれる炭素を反応させつつ、前記金属ワーク又は前記金属部品の被処理部の表面を改質して、前記金属ワーク又は前記金属部品の被処理部に前記被膜を形成する、放電表面処理方法。
2. 前記放電電極を構成する固体シリコンは、Ｎ型又はＰ型の単結晶の固体シリコンである、請求項１に記載の放電表面処理方法。