JP6615446B2 - 放電加工用の黒鉛−銅複合電極材料及びその材料を用いた放電加工用電極 - Google Patents
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Description
また、焼結法によって、銅−タングステン合金を製造する方法がる開示されている(下記特許文献2)。しかしながら、該製造方法では、電極サイズが大きい場合には均一な組成の材料を得ることは難しく、しかも、成形性改善のための助剤の添加は却って放電特性を損なうことがあるといった課題を有する。
電気抵抗率が2.5μΩm以下の放電加工用の黒鉛−銅複合電極材料を用いた場合には、超硬の放電加工において、黒鉛−銅複合電極の電極消耗率が低減する。また、タングステン−銅、又はタングステン−銀を電極として使用する場合に比べ、電極形状へ容易に加工できると共に、低コストで電極を作製することが可能となる。
このような構成であれば、上記作用効果が一層発揮される。
異方比が1.2以下の等方性の高い黒鉛材料(以下、等方性黒鉛材料と称することがある)は、切り出し方向による特性差が小さいため設計が容易で使い易く、しかも、機械加工性に優れているので精密な加工が容易となる。このようなことを考慮すれば、異方比は1.1以下であることが一層好ましい。
尚、異方比が1.2以下であるとは、黒鉛材料における任意に直角をなす方向に測定した電気抵抗率の比の平均値が1.2以下であることを意味する。
φ=[(dB−dB,s)/ρCu]×100・・・(1)
(1)式において、dBは電極のかさ密度、dB,sは黒鉛材料からなる基材のかさ密度、ρCuは銅の比重(ρCu=8.96Mg/m3)である。
銅の含浸率φが大きくなると電極抵抗値が低くなる。そして、電極抵抗値と電極消耗率との間には、電極抵抗値が低くなると電極消耗率も低くなるという関係がある。したがって、銅の含浸率φが13%以上とすれば、電極抵抗値が低くなるので、電極消耗率が飛躍的に低減する。このようなことを考慮すれば、電極材料中の銅の含浸率φが15%以上であることが一層望ましい。
x=(dB×φ×ρ/σB)×10・・・(2)
(2)式において、dBは電極のかさ密度(Mg/m3)、φは銅の含浸率(%)、ρは電気抵抗率(μΩm)、σBは曲げ強さ(MPa)である。
放電加工電極では、低い電極消耗率で、且つ高い加工速度が要求される。各々の要求品質は相反する特性により発現される場合が多いが、特性値から求められる変数xを小さい値に留めることで、バランスのとれた性能を発揮させることが出来ることを本発明者らは見出した。このようなことを考慮すれば、変数xの値は、5.0以下であることが一層望ましい。
黒鉛材料からなる基材のかさ密度が1.40Mg/m3未満の場合には、基材強度が低下する場合がある一方、当該かさ密度が1.85Mg/m3を超えると、基材の開気孔率が小さくなるため、銅の含浸率が低下するからである。このようなことを考慮すれば、黒鉛材料からなる基材のかさ密度が1.60Mg/m3以上1.80Mg/m3以下であることが一層望ましい。
基材の開気孔率が14vol%未満になると、銅が含浸され難くなるため、電気抵抗率の低下が不十分となったり、電極消耗率が高くなったりすることがある。
基材の電気抵抗率が8.9μΩm未満になると、黒鉛化の進行が高度になって、黒鉛基材自体の強度が低下するため、放電加工時の電極消耗率が高くなる恐れが生じる。一方、基材の電気抵抗率が19.5μΩmを超えると、黒鉛化の進行が低度であり、黒鉛基材自体の強度が高くなり過ぎて、切削等の機械加工による電極形成が難しくなる恐れがある。
基材の電気抵抗率は、より好ましくは10.0μΩm以上であり、更に好ましくは11.0μΩm以上 である。
当該方法であれば、等方性黒鉛材料基材の各面に対して均等に圧力が加わるため、銅の含浸中に等方性黒鉛材料基材が変形するのを抑制することができるからである。
但し、銅の含浸は熱間等方加圧法に限定するものではなく、溶湯鍛造法等であっても良い。
(1)HIP法による銅含浸に際しては、特性を損なわない範囲で、黒鉛と銅との界面の濡れ性を改善する含浸助剤を加えてもよい。これらの助剤としては、チタン、ジルコニウム、スカンジウム、イットリウム、ランタン、ハフニウム及びそれらの化合物を例示できる。但し、含浸助剤の種類はこれらに限定するものではない。
この場合、含浸助剤の量は0.5〜10重量%にあることが好ましい。0.5重量%未満では濡れ性の改善が十分に得られないことがあり、10重量%を超えると含浸後の残存銅合金と銅含浸黒鉛材との分離が困難になることがあるためである。
なお、本発明において使用する銅合金の組成としては、放電加工特性に影響を及ぼさない範囲で、不可避的な不純物が含まれていてもよい。
銅含浸率についても、上記と同様の理由から、下限は12.5%以上、特に15%以上であることが望ましく、上限は35%以下、特に30%以下であることが望ましい。
(実施例1)
緻密質の等方性黒鉛材(東洋炭素株式会社製であって、かさ密度1.66Mg/m3、開気孔率23.8%、電気抵抗率11.1μΩm、異方比1.02)を耐圧容器に収容し、1070℃で溶融した銅をN2ガスにて15MPaの圧力で1時間加圧含浸して、銅含浸黒鉛材料を作製した。
このようにして作製した銅含浸黒鉛材料を、以下、材料A1と称する。
尚、上記銅含浸黒鉛材料を放電加工用電極に加工したものを、以下、電極A1と称することがある。このことは下記実施例2〜実施例9、比較例1、比較例2でも同様である(例えば、実施例2の放電加工用電極であれば電極A2となる)。
等方性黒鉛材として、かさ密度1.66Mg/m3、開気孔率23.5%、電気抵抗率14.0μΩm、異方比1.03のものを用いた他は、上記実施例1と同様にして銅含浸黒鉛材料を作製した。
このようにして作製した銅含浸黒鉛材料を、以下、材料A2と称する。
等方性黒鉛材として、かさ密度1.79Mg/m3、開気孔率16.7%、電気抵抗率12.6μΩm、異方比1.05のものを用いた他は、上記実施例1と同様にして銅含浸黒鉛材料を作製した。
このようにして作製した銅含浸黒鉛材料を、以下、材料A3と称する。
等方性黒鉛材として、かさ密度1.77Mg/m3、開気孔率16.7%、電気抵抗率18.9μΩm、異方比1.06のものを用いた他は、上記実施例1と同様にして銅含浸黒鉛材料を作製した。
このようにして作製した銅含浸黒鉛材料を、以下、材料A4と称する。
等方性黒鉛材として、かさ密度1.78Mg/m3、開気孔率15.2%、電気抵抗率19.1μΩm、異方比1.03のものを用いた他は、上記実施例1と同様にして銅含浸黒鉛材料を作製した。
このようにして作製した銅含浸黒鉛材料を、以下、材料A5と称する。
等方性黒鉛材として、かさ密度1.81Mg/m3、開気孔率14.2%、電気抵抗率8.9μΩm、異方比1.03のものを用いた他は、上記実施例1と同様にして銅含浸黒鉛材料を作製した。
このようにして作製した銅含浸黒鉛材料を、以下、材料A6と称する。
等方性黒鉛材として、かさ密度1.80Mg/m3、開気孔率14.8%、電気抵抗率15.2μΩm、異方比1.06のものを用いた他は、上記実施例1と同様にして銅含浸黒鉛材料を作製した。
このようにして作製した銅含浸黒鉛材料を、以下、材料A7と称する。
等方性黒鉛材として、かさ密度1.78Mg/m3、開気孔率15.0%、電気抵抗率15.9μΩm、異方比1.05のものを用いた他は、上記実施例1と同様にして銅含浸黒鉛材料を作製した。
このようにして作製した銅含浸黒鉛材料を、以下、材料A8と称する。
等方性黒鉛材として、かさ密度1.78Mg/m3、開気孔率16.1%、電気抵抗率14.4μΩm、異方比1.04のものを用いた他は、上記実施例1と同様にして銅含浸黒鉛材料を作製した。
このようにして作製した銅含浸黒鉛材料を、以下、材料A9と称する。
等方性黒鉛材として、かさ密度1.88Mg/m3、開気孔率10.7%、電気抵抗率8.7μΩm、異方比1.03のものを用いた他は、上記実施例1と同様にして銅含浸黒鉛材料を作製した。
このようにして作製した銅含浸黒鉛材料を、以下、材料Z1と称する。
等方性黒鉛材として、かさ密度1.92Mg/m3、開気孔率13.4%、電気抵抗率20.0μΩm、異方比1.06のものを用いた他は、上記実施例1と同様にして銅含浸黒鉛材料を作製した。
このようにして作製した銅含浸黒鉛材料を、以下、材料Z2と称する。
上記材料(電極)A1〜A7における電気抵抗率と、銅含浸率と、電極消耗率(長さ電極消耗率)とを下記に示す方法で調べたので、その結果を表1に示す。また、材料A1〜A7における基材の開気孔率と銅含浸率との関係を図1に、材料A1〜A7における銅含浸率と電気抵抗率との関係を図2に、及び、材料A1〜A7における電気抵抗率と電極消耗率との関係を図3に示す。
各材料の電気抵抗率を、直流四端子法で測定した。
電極のかさ密度(銅含浸後のかさ密度)dBと、黒鉛材料からなる基材のかさ密度dB,sとを調べ、これらの値を(1)式に代入することにより、銅含浸率を算出した。尚、ρCuは銅の比重(ρCu=8.96Mg/m3)である。
φ=[(dB−dB,s)/ρCu]×100・・・(1)
各材料から成る電極を用いて、超硬合金材料(冨士ダイス株式会社製フジロイD40)を下記の条件で放電加工して、電極消耗長さを測定し、これらの値を下記(3)式に代入して電極消耗率を算出した。
・電極の支持治具の、加工深さ方向への進行距離2mm
・使用機種:(株)ソディック社製AQ35L
・極性:正極性
・電流ピーク値:28(A)
・ONタイム:5(μsec)
・OFFタイム:10(μsec)
次に、上記実験1における〔電極消耗率の算出〕で示した条件と同一の条件で、材料(電極)A1〜A7を用いて、上述した超硬合金材料の加工を行い、各材料の加工速度を測定した。尚、上記加工速度とは、超硬合金材料を1分間加工したときの加工深さである。
また、材料(電極)A1〜A7における銅含浸後の特性として、上記実験1で示した電気抵抗率、銅含浸率の他に、電極(銅含浸後)のかさ密度と曲げ強さとを調べた。そして、電極のかさ密度、銅含浸率、電気抵抗率、及び曲げ強さから、下記(2)式を用いて、材料(電極)A1〜A7における変数xを求めた。
(2)式において、dBは電極のかさ密度(Mg/m3)、φは銅の含浸率(%)、ρは電気抵抗率(μΩm)、σBは曲げ強さ(MPa)である。
上記曲げ強さは、室温にてインストロン型材料試験機を用い3点曲げ試験方法にて測定した。
尚、各特性値を表2に示し、また、材料A1〜A7における、変数xと加工速度及び電極消耗率との関係を図4に示す。
上記材料(電極)A1〜A5、A8、A9、Z1及びZ2における電気抵抗率と、銅含浸率と、電極消耗率(長さ電極消耗率)とを実験1と同じ方法で調べたので、その結果を表3に示す。但し、放電加工の条件のみ下記に示すように変更している(尚、実験1と異なるのは、電流ピーク値、ONタイム、及び、OFFタイムである)。また、材料A1〜A5、A8、A9、Z1及びZ2における基材の開気孔率と銅含浸率との関係を図6に、材料A1〜A5、A8、A9、Z1及びZ2における銅含浸率と電気抵抗率との関係を図7に、並びに、材料A1〜A5、A8、A9、Z1及びZ2における電気抵抗率と電極消耗率との関係を図8に示す。
・電極の支持治具の、加工深さ方向への進行距離2mm
・使用機種:(株)ソディック社製AQ35L
・極性:正極性
・電流ピーク値:60(A)
・ONタイム:30(μsec)
・OFFタイム:100(μsec)
次に、上記実験3における〔電極消耗率の算出〕で示した条件と同一の条件で、材料(電極)A1〜A5、A8、A9、Z1及びZ2を用いて、上述した超硬合金材料の加工を行い、各材料の加工速度を測定した。尚、上記加工速度とは、超硬合金材料を1分間加工したときの加工深さである。
また、材料(電極)A1〜A5、A8、A9、Z1及びZ2における銅含浸後の特性として、上記実験3で示した電気抵抗率、銅含浸率の他に、電極(銅含浸後)のかさ密度と曲げ強さとを調べた。そして、電極のかさ密度、銅含浸率、電気抵抗率、及び曲げ強さから、下記(2)式を用いて、材料(電極)A1〜A5、A8、A9、Z1及びZ2における変数xを求めた。
(2)式において、dBは電極のかさ密度(Mg/m3)、φは銅の含浸率(%)、ρは電気抵抗率(μΩm)、σBは曲げ強さ(MPa)である。
上記曲げ強さは、室温にてインストロン型材料試験機を用い3点曲げ試験方法にて測定した。
尚、各特性値を表4に示し、また、材料A1〜A5、A8、A9、Z1及びZ2における、変数xと加工速度及び電極消耗率との関係を図9に示す。
Claims (12)
- 黒鉛材料からなる基材の気孔中に、銅が含浸された放電加工用の黒鉛−銅複合電極材料であって、
電気抵抗率が2.5μΩm以下であることを特徴とする放電加工用の黒鉛−銅複合電極材料。 - 上記電気抵抗率が1.5μΩm以下である、請求項1に記載の放電加工用の黒鉛−銅複合電極材料。
- 上記電気抵抗率が1.0μΩm以下である、請求項1に記載の放電加工用の黒鉛−銅複合電極材料。
- 上記黒鉛材料からなる基材の異方比が1.2以下である、請求項1〜3の何れか1項に記載の放電加工用の黒鉛−銅複合電極材料。
- 下記(1)式から求められる電極材料中の銅の含浸率φが13%以上である、請求項1〜4の何れか1項に記載の放電加工用の黒鉛−銅複合電極材料。
φ=[(dB−dB,s)/ρCu]×100・・・(1)
(1)式において、dBは電極のかさ密度、dB,sは黒鉛材料からなる基材のかさ密度、ρCuは銅の比重(ρCu=8.96Mg/m3)である。 - 下記(2)式から求められる変数xが7.5以下である、請求項1〜5の何れか1項に記載の放電加工用の黒鉛−銅複合電極材料。
x=(dB×φ×ρ/σB)×10・・・(2)
(2)式において、dBは電極のかさ密度(Mg/m3)、φは銅の含浸率(%)、ρは電気抵抗率(μΩm)、σBは曲げ強さ(MPa)である。 - 上記(2)式から求められる変数xが6.5以下である、請求項6に記載の放電加工用の黒鉛−銅複合電極材料。
- 上記黒鉛材料からなる基材のかさ密度が1.40Mg/m3以上1.85Mg/m3以下である、請求項1〜7の何れか1項に記載の放電加工用の黒鉛−銅複合電極材料。
- 上記黒鉛材料からなる基材の開気孔率が、14vol%以上である、請求項1〜8の何れか1項に記載の放電加工用の黒鉛−銅複合電極材料。
- 上記黒鉛材料からなる基材の電気抵抗率が、8.9μΩm以上19.5μΩm以下である、請求項1〜9の何れか1項に記載の放電加工用の黒鉛−銅複合電極材料。
- 熱間等方加圧法(HIP法)を用いて上記銅の含浸を行う、請求項1〜10の何れか1項に記載の放電加工用の黒鉛−銅複合電極材料。
- 炭化タングステンを主成分とする超硬を放電加工により型彫り加工を施す際に用いられる放電加工用電極であって、
請求項1〜11の何れか1項に記載の放電加工用の黒鉛−銅複合電極材料からなることを特徴とする放電加工用電極。
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