JPH11827A - 放電表面処理方法 - Google Patents
放電表面処理方法Info
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- JPH11827A JPH11827A JP15196897A JP15196897A JPH11827A JP H11827 A JPH11827 A JP H11827A JP 15196897 A JP15196897 A JP 15196897A JP 15196897 A JP15196897 A JP 15196897A JP H11827 A JPH11827 A JP H11827A
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Abstract
あらさを得ると共に、強靱な耐摩耗性をもつ表面層を形
成する。 【解決手段】 炭化して硬化する金属の粉末を圧縮成形
して放電加工用電極とし、放電によって炭素が分解する
加工液中において被処理体を放電表面処理し、その後、
前記被処理体の表面を研磨し、更にその後、前記被処理
体を窒化処理する。
Description
硬合金、例えば、タングステンカーバイド−コバルトの
焼桔体等の表面に良好な仕上面あらさを得ると共に、強
靱な耐摩耗性をもつ表面層を形成する放電表面処理方法
に関するものである。
H2)等の水素化金属を圧縮成形し、これを電極(以
下、圧粉体電極と記述)として被処理体である鋼材や超
硬合金、例えば、タングステンカーバイド−コバルト
(WC-Co)の焼結体を油中で放電加工し、被処理体表
面に電極材料の炭化物[水素化チタン(TiH2)ならば
炭化チタン(TiC)]を被覆する技術を提案してい
る。
理することによって、炭化チタン(TiC)を窒素化炭
化チタン(TiCN)に、残留チタン(Ti )を窒化チ
タン(TiN)に化学変化させ、それによって炭化チタ
ン(TiC)よりもより高い耐摩耗性を有する表面層を
形成させる技術を提案している。
で放電表面処理を行なう場合、表面処理速度を高めよう
とすれば仕上面あらさは荒くなり、現在のところ、表面
処理速度が比較的に高い条件下での最良仕上面あらさ
は、被処理体が超硬合金で6μmRz程度、鋼材で9μ
mRz程度であって、被処理体の処理前の仕上面あらさ
はいづれも1μmRz以下であるのに、放電表面処理す
ることにより仕上面あらさは粗くなる。
処理中に電極消耗によって凹凸を発生すること、圧粉体
電極を形成する水素化チタン(TiH2)等の粒子が著し
く微粉化できにくいこと(微粉化は、粉砕の過程で発火
爆発等の危険がある)、及び放電が圧粉体電極の電気抵
抗の不均一によって部分的に集中を起すことなどによる
ものである。
PVD(物理的蒸着)、あるいはメッキ等に比べて、被
処理体に被覆成分が高温溶融状態で射突し拡散している
ために、著しく高い密着性を有する利点があるが、前述
のように、仕上面あらさが1μmRz程度まで得られ難
いと云う欠点をもっている。このため先に提案している
放電表面処理後に窒化する技術に於ても、仕上面あらさ
が荒いままで窒化処理した表面となっている。
記のままでもよいが、用途が切削工具や冷間鍛造工具、
金型、あるいは過酷な環境で使用されるベアリング、土
木建設機械、船舶用品等の機械部品のように、かなり微
細な仕上面あらさ(1μmRz程度)を必要とする場合
には充分でない場合があり、この発明は上記課題に鑑み
てなされたものである。
面処理方法は、炭化して硬化する金属の粉末を圧縮成形
して放電加工用電極とし、放電によって炭素が分解する
加工液中において被処理体を放電表面処理し、その後、
前記被処理体の表面を研磨し、更にその後、前記被処理
体を窒化処理するものである。
化して硬化する金属の粉末を圧縮成形して放電加工用電
極とし、放電によって炭素が分解する加工液中において
被処理体を放電表面処理し、その後、前記被処理体の表
面に放電研削を施し、更にその後、前記被処理体を窒化
処理するものである。
求項1または請求項2のいずれかに記載の放電表面処理
方法において、炭化して硬化する性質をもつ金属粉末に
高硬度の炭化物、窒化物、硼化物の少なくともいずれか
を混合して圧縮成形した放電加工用電極により被処理体
を放電表面処理するものである。
1から請求項3のいずれかに記載の放電表面処理方法に
おいて、窒化処理をアルゴンガスと窒素との混合物中に
おいて行うものである。
を主体とした圧粉体電極による油中放電により被処理体
を表面処理する実験を行ってきているが、これによっ
て、放電による加工液の分解カーボンとチタン(Ti)
の結合による炭化チタン(TiC)を多量に含む高硬度
で高い密着力の被覆層を実現している。この表面粗さ
は、超硬合金上で6μmRz、鉄鋼等の鋼材上で9(μ
mRz)が得られており、タングステンカーバイド−コ
バルト(WC-Co)の圧粉体電極による加工面や、公知
の溶射表面等に比べればかなり良好な仕上面になってい
る。しかし、切削工具表面あるいは冷間鍛造型工具表面
に要望される1μmRz程度の仕上面粗さには達してい
ない。
たのがこの発明であり、以下、その実施の形態を図面と
共に説明する。
例えば水素化チタン(TiH2)等の水素化金属を圧縮成
形することにより圧粉体電極を構成し、被処理体である
鋼材や、タングステンカーバイド−コバルト(WC-C
o)の焼桔体の超硬合金等を、放電によって炭素が分解
する加工液、例えば油中において放電加工し、被処理体
の表面に電極材料の炭化物を被覆する。その後、図1に
例示するように、被処理体に施された放電処理面を例え
ば工具で機械的に研磨する。
説明するものであり、この図において、1は被処理体で
ある母材、2は母材1の表面に施された放電処理面、3
は機械的に研磨するための工具である丸棒を示してい
る。この丸棒3の表面には、油にて混練した粒径1〜3
μm程度のダイヤモンドペーストが塗布されており、こ
の丸棒3により母材1の表面に施された放電処理面を機
械的に研磨する。なお、この実施形態では磨き時間を1
0分間とし、次の条件で油中放電加工を実施した。 電極 :水素化チタン(TiH2)の圧粉体 電極極性 :マイナス 放電電流値Ip:8A パルス幅Ton :2μs 休止時間Toff:255μs 加工時間 :5min 被処理体 :タングステンカーバイド−コバルト
(WC−Co)および特殊工具鋼(SKD−11)
す。図2は窒化処理装置の概略構成を示す図で、この図
において、20は筐体、1は筐体20に収納される母
材、21は筐体20内に収納される液体窒素の第1収納
容器、22は母材1を加熱する加熱器、23は筐体20
の外部に配設される液体窒素の第2収納容器、24は第
2収納容器23から液体窒素を筐体20内に導く管路を
示している。なお、はじめに液体窒素を第1収納容器2
1に入れ、筐体20の中を窒素で充分満すのは、母材1
の酸化を防ぐためである。
理を行った。窒化条件として約500(℃)、10(mi
n )を実施した結果、仕上面あらさおよび表面硬度は図
3、図4に示すとおりとなった。図3において、左方か
ら見て水素化チタン(TiH2)圧粉体処理面のままのも
のと、それを窒化処理したもの、水素化チタン(TiH2
)圧粉体処理面を研磨したものと、それを窒化処理し
たもの、いずれも窒化処理の前後で仕上面あらさの変化
はない。なお、母材はタングステンカーバイド−コバル
ト(WC−Co)超硬合金と鋼材(SKD11)であ
る。
す図から明らかなように、水素化チタン(TiH2)処理
(未研磨)のものを窒化処理することにより、超硬合金
にコーティングしたものでビッカース硬度Hv1450
からビッカース硬度Hv1700、鋼材でビッカース硬
度Hv1050からビッカース硬度Hv1300となっ
ていることが分かる。また、窒化処理による硬度上昇は
確かである。
行ったものの硬度は、超硬合金に処理したものでビッカ
ース硬度Hv1450がビッカース硬度Hv1300
に、また鋼材でビッカース硬度Hv1050がビッカー
ス硬度Hv500に低下している。それらを窒化処理し
たものは、超硬合金に処理したものでビッカース硬度H
v1450、鋼材でビッカース硬度Hv950に硬度が
向上している。これは母材硬度より十分に硬度が高いこ
とが判る。しかし、コーティングして未研磨の状態を窒
化処理したものに比べれば、それぞれビッカース硬度H
v300程度低い。これは表面層のチタン(Ti)成分
が多くて炭化チタン(TiC)成分が少ない部分が除去
されたためではないかと想像しているが、水素化チタン
(TiH2)で被覆処理したままのものに比べて、硬度の
点では遜色が無い。よって、仕上げ面粗さは明らかに向
上しており、窒化による硬度上昇によりその耐摩耗性が
高いことも期待される。
ピンディスク摩耗試験結果においても、摩耗量が水素化
チタン(TiH2)の圧粉体電極による放電処理面よりも
遙かに小さくその1/10程度である。なお、磨耗試験
の条件は次のとおりである。 ピン形状:7.98mmφ(0.5cm2) 押付け力:0.5kgf、よって押付圧力1kgf/c
m2 摩擦速度:1m/s:ディスク材:SK−3 雰囲気 :大気中 摩耗量 :25km走行における摩耗重量 超硬合金のまま放電表面処理せず:2mg 超硬合金にチタン金属電極で放電処理:0.7mg 超硬に水素化チタンの圧粉体電極で放電処理:0.1m
g 超硬合金に水素化チタンの圧粉体電極処理→研削→窒
化:微小にして計量できず0.01mg程度
を混入したためなのか、あるいは単に加熱によるものな
のかを確認するため、窒化処理と同一条件(温度:50
0℃、大気圧)による空気中加熱処理を試みた。その結
果、硬度は低下していることが確認された。これは、炭
化チタン(TiC )等が酸化され、胞い亜酸化チタン
(TiO)、酸化チタン(TiO2 )等に変化したためと
考えられる。即ち、母材硬度より低下しているのは表面
に被覆された炭化チタン(TiC)+チタン(Ti)層が
酸化して酸化チタン(TiO2)等に変化し、母材硬度の
変化はなくとも低い硬度の表面層が表面形成されること
になる。
で、次に、その作用効果について説明する。まず、放電
処理表面を機械的研磨によつて平滑化し、その後、窒化
処理を行なう場合に発生する表面の状態を説明する。図
5は、チタン(Ti )の圧粉体電極によって母材を油中
で放電加工した場合、母材の表面から被覆層内部にわた
る断面の硬度変化を示すもので、ビッカース硬度Hv3
00程度の母材表面にチタン(Ti )の圧粉体電極によ
って、油中放電を行ったものである。図中、Vtic とあ
るのはチタン(Ti )が油の分解により生成される炭素
(C)と結合して炭化チタン(TiC )となったもの
の、炭化チタン(TiC)/チタン(Ti)の放電処理表
面における体積比であリ、この体積比は、放電電流パル
ス幅、放電時間、加工液である油の供給状態を制御する
ことによって増減できるものである。なおビッカース硬
度Hvは、荷重0.01kg(10gr)による測定値であ
る。
に入るに従って軟質化していることは、内部に入るにし
たがって炭化チタン(TiC)が減少し、チタン(Ti)
の割合が増加することを意味する。従って、ダイヤモン
ド砥粒のようなもので母材表面を研磨すると云うこと
は、母材表面を平滑化はするが、表面硬度を一旦減少さ
せることになる。
残存のチタン(Ti )は窒化チタン(TiN)となり、
炭化チタン(TiC)は窒素化炭化チタン(TiCN )
となるために、図4に示すように、再び硬度は上昇す
る。なお、図3から明らかなように、仕上面あらさには
窒化処理による変化はない。
理表面の研磨前と研磨後の断面プロファイルを示すよう
に、放電電気条件(放電電流Ip=7A、パルス幅Ton
=2μs)を小さくして短時間の放電を行った。この例
の場合(被覆を薄くつけたい場合)には、処理層の凹凸
の山の部分は母材よりも充分に突出しているが、谷の部
分は母材表面よりも内部に入り込んでいる場合がある。
これは圧粉体電極の成分チタン(Ti )が放電によって
母材表面に射突する際に加工作用を伴うために母材にめ
り込んだものである(そのために密着性は高い)。この
ことは、母材の硬度の高い場合(例えば超硬合金)の方
が硬度の低い場合(例えば鋼材)よりも母材に入り込む
深さが小さいことからも判る。
らない程度に機械的研磨を行なえば、放電被覆層は残る
ことになり、そのことを証明するものとして、母材の表
面近くまで機械的研磨を行なったものを窒化処理した結
果、図4から判るように、表面硬度は充分に向上してい
る。
面状態について説明する。放電処理表面を窒化すること
には次のような重要な意義がある。 (1)放電加工表面が溶融と急速冷却を伴なうため、表
面は引張り応力が残留することが広く知られており、放
電処理後の母材を窒化すると、単に硬度が上昇するだけ
でなく、窒素の浸入によつて体積膨張を起して引張残留
応力を軽減し、場合によって圧縮応力側に移行する。そ
のために耐摩耗性等が増大する。 (2)チタン(Ti )の圧粉体電極によって放電処理し
た切削工具や塑性加工の金型を窒化処理することによ
り、被加工物である鉄との親和性が減少し、凝着による
摩耗が減少し、耐摩耗性を増大する効果がある。 (3)また、前述のとおり、窒化によって表面あらさは
全く変化しないので、窒化前に仕上げた加工面あらさが
維持される。すなわち、良好な仕上面のもとに耐摩耗性
を向上させることができる。(図3参照)
加えて、更にその後、窒化した母材表面の構造概念につ
いて説明する。加工時間の制約や、寸法上の制約等から
放電表面処理層が充分厚くつけられない場合の表面構造
は、全体が平滑になるのではなく、図7に示すように、
凹部を残したままの平滑面となる。これは仕上面あらさ
を測定すれば、必ずしも良いものとはならないが、摩擦
係数の小さいことが求められるとか、耐摩耗性が求めら
れる場合には、負荷荷重を大きくとれる表面であり、凹
部はむしろ油などの潤滑剤の油溝の作用をするので、却
って良い結果となる。
について実験を試みたところ、X線解析測定により、水
素化チタン(TiH2)の圧粉体電極による加工面を研削
した後、窒化したものの表面をX線回折によって分析し
た結果、窒素化炭化チタン(TiCN)、窒化チタン
(TiN)が存在していることが確認された。
ては、水素化チタン(TiH2)の圧粉体電極により放電
処理した母材の放電処理面を、表面にダイヤモンドペー
ストを塗布した丸棒により研磨する例を図示説明した
が、手動運動、回転運動、往復運動、超音波振動等によ
る機械的研磨、あるいは電解研削等の電気化学的作用を
併用した表面研削であれば如何なる手段でもよいことは
勿論である。
施形態について説明する。この発明の用途の一つとして
窒化チタン(TiN)や窒素化アルミニウム[Ti(Al
N)]をコーティングしたエンドミルやドリルの再コー
ティング処理がある。その場合、摩耗した部分を除去す
るためにダイヤモンドホイール等により再研磨を行って
からコーティング処理を行なう必要がある。この再研磨
を必要としない放電処理方法について説明する。
場合の母材処理面性状を示すものであり、先に述べた図
6a〜dの場合は、放電電流Ip=7A、放電パルス幅
Ton=2μsであるが、図8の場合は放電電流 Ip
=7A、放電パルス幅Ton=16μsとした場合であ
る。この図8から判るように、10分程度で20μm以
上の厚さに容易に被覆することができるので、切削によ
る通常程度の工具摩耗部分は、補修することができる。
なお、放電パルス幅Tonを32μs程度に長くとれ
ば、100μm程度の厚さには容易に達する。その場合
の仕上あらさは20μm程度と荒くなるが、これをダイ
ヤモンドホイール等で研削し、工具刃先形状を形成する
と共に仕上面あらさも、切削工具面として必要な1μm
Rmax程度に仕上げる。その後に窒化を行なう。
な損傷を起さない限り、再研磨の手数と、再研磨による
切削工具の寸法減少を発生させないで、再コーティング
を行なうことができる。再研磨による工具寸法の減少
は、工具の再研磨回数に限界を与えるものである。
る。再研磨の場合には、摩耗部分を除去するためには工
具母材の土台となる部分まで除去する必要があり、研削
除去量も著しく大きくなる。放電表面処理により埋込む
ように補修すれば、除去量も少く、工具使用回数も格段
に伸長することになる。
耗している時には、単にその上から圧粉体電極で放電を
行っても、表面の凸部にのみ放電が行われ、従って凸部
のみが単に高く堆積するので、形状修正は困難な場合が
ある。その時には、電極に回転もしくは揺動運動を与え
て加工すれば、凸部に堆積した箇所は、横方向から移動
する電極と放電することによって除去され、次第に凹部
も埋め込まれるようになる。それでも埋め込みが不十分
の場合には、圧粉体成分をアラルダイトのような接着作
用のあるものに混練して凹部を含め表面に塗布し、その
上から圧粉体電極または場合によっては通常放電加工に
用いられる銅、グラファイト、あるいはタングステン−
銀等の電極で放電を行えば、仕上げ面粗さは良好ではな
いが、埋め込み加工は可能となり、その上で窒化処理を
行う。
正加工のみでなく、金属やベアリング部分の修正加工と
しても使用でき、すべての工業分野に応用できる。
正方法について説明する。放電表面処理を工具刃先等の
尖鋭な部分に対して行う場合に、刃先は鈍化しやすい傾
向を有するが、その理由は、水素化チタン(TiH2)の
圧粉体のような電極で加工しても、尖鋭な刃先は電位傾
度が高いため、そこに放電が集中し、そのため鈍化しや
すい。
るのに充分な厚さに放電被覆を行って、その後研磨手段
により刃先を切削作業に対して好ましい形に形状および
仕上げ面を仕上げ、その後、窒化処理を行う。
示したが、これ以外の実施形態として次のものを挙げる
ことができる。ハンダコテの加熱装置のように、ニクロ
ム線でコイルを巻き、たとえばエンドミル、ドリルのよ
うなものの加熱部分をコイル内に置く。これを窒素雰囲
気中に置いて通電すれば、容易に500〜600℃程度
にはなり得る。窒化は300℃程度以上で行なわれるの
で、ニクロム線コイル内装着加熱でも充分である。
がらレーザ光(CO2 、YAG何れでもよい)を照射
し、部分窒化を行なってもよい。
て説明する。この実施形態は、窒素雰囲気の調整による
亜窒化チタン(Ti2N)の生成を説明するもので、図1
0に示すように切削工具の摩耗量は窒化チタン(Ti
N)よりも亜窒化チタン(Ti2N )の方が少いことが
知られている。そこで窒化処理に当っても、大気中に於
いて窒素の分圧を低下せざるためにアルゴンガスと窒素
ガスを混合したものを用いた結果、亜窒化チタン(Ti2
N)の生成が認められ、耐摩耗性が向上した。なお、そ
の実施条件は大気圧における容量比で、アルゴンガス:
窒素ガス=70:30とした。
化する金属の粉末を圧縮成形して放電加工用電極とし、
放電によって炭素が分解する加工液中において被処理体
を放電表面処理し、その後、被処理体の表面を研磨もし
くは放電研削し、更にその後、被処理体を窒化処理する
という、いわゆる、切削技術と窒化技術を複合併用した
もので、これにより、鋼材あるいは超硬合金の表面に良
好な仕上面あらさを得ると共に、強靱な耐摩耗性をもつ
表面層を形成することができる。
である。
処理装置の概略構成図である。
行った場合の被処理体の表面粗さの測定結果を示す図で
ある。
行った場合の被処理体の表面硬度の測定結果を示す図で
ある。
る被処理体の表面から被覆層内部にわたる断面の硬度変
化を示すものである。
る放電処理表面の研磨前と研磨後の断面プロファイルを
示す図である。
る放電表面処理後に研磨を加えて、更にその後、窒化処
理した被処理体表面の構造概念を説明する図である。
る被処理体の表面被覆層を厚く付けた場合の処理面性状
を示す図である。
る切削工具の磨耗形態を示す図である。
ける被覆物質の硬さと磨耗量の関係を示す図である。
体、21 第1の収納容器、22 加熱器、23 第2
の加熱器、24管路。
Claims (4)
- 【請求項1】 炭化して硬化する金属の粉末を圧縮成形
して放電加工用電極とし、放電によって炭素が分解する
加工液中において被処理体を放電表面処理し、その後、
前記被処理体の表面を研磨し、更にその後、前記被処理
体を窒化処理する放電表面処理方法。 - 【請求項2】 炭化して硬化する金属の粉末を圧縮成形
して放電加工用電極とし、放電によって炭素が分解する
加工液中において被処理体を放電表面処理し、その後、
前記被処理体の表面に放電研削を施し、更にその後、前
記被処理体を窒化処理する放電表面処理方法。 - 【請求項3】 放電加工用電極は、炭化して硬化する金
属粉末に、高硬度の炭化物、窒化物、硼化物の少なくと
もいずれかを混合して圧縮成形したものであることを特
徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の放
電表面処理方法。 - 【請求項4】 窒化処理をアルゴンガスと窒素との混合
物中において行うことを特徴とする請求項1から請求項
3のいずれかに記載の放電表面処理方法。
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1997
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