JPWO2004111302A1 - 放電表面処理方法および放電表面処理装置 - Google Patents

Abstract

金属粉末または金属の化合物の粉末、またはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体の電極を用いて、気体雰囲気中において放電表面処理を行うに際して、電極とワークの間に５００Ｖ以上の電圧を印加してパルス状の放電を発生させ、そのエネルギによりワーク表面に電極の材料からなる被膜または電極の材料がパルス状の放電のエネルギにより反応した物質からなる被膜を形成する。

Description

この発明は、放電表面処理技術に関するものであり、詳細には、金属粉末または金属の化合物の粉末、または、セラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体電極を電極として、電極とワークの間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギにより、ワーク表面に電極の材料からなる被膜または電極の材料が放電エネルギ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方法および放電表面処理装置に関するものである。

従来の放電表面処理は、常温での耐磨耗に主眼をおいており、ＴｉＣ（炭化チタン）などの硬質材料の被膜を形成していた。しかしながら、近年、金属材料をワーク表面に緻密に厚く盛る技術への要求が高まっている。
その背景には高温環境下での耐磨耗性能、または、潤滑性能を持った被膜に対する要求が強くなっていることがある。その一例として第１０図に示す航空機用ガスタービンエンジンのタービンブレードの場合について説明する。
第１０図に示されるように、タービンブレード１０１は複数のブレードが接触して固定されており軸（図示せず）の回りを回転するように構成されている。このブレード同士の接触部分が、ブレードが回転した際に高温環境下で激しく擦られたりたたかれたりする。
このようなタービンブレードが使用されるような高温環境下（７００℃以上）においては、常温において用いられる通常の耐磨耗被膜、または潤滑作用を有する被膜は高温環境下において酸化してしまうためほとんど効果を発揮できない。このため、高温環境下において使用される部材においては、高温において潤滑性を発揮する酸化物を生成する金属を含んだ合金材料の被膜（厚膜）を溶接、溶射などの方法により形成している。
これらの方法は、人手による熟練作業が要求される、ワークへの集中的な入熱があるために（溶接の場合）変形や割れなどが生じやすい、等の問題が多い。そこで、これらの方法に代わる被膜形成技術が必要とされていた。
一方、被膜形成技術として、パルス状の放電によりワーク麦面に被膜を形成する方法（以下、放電表面処理と称する。）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。従来、放電表面処理は常温での耐磨耗に主眼をおいており、ＴｉＣ（炭化チタン）などの硬質材料の被膜を形成していた。
しかしながら、近年、常温での耐磨耗を目的とした硬質セラミックス被膜だけではなく、放電表面処理を用いて膜厚が１００μｍ程度以上の厚膜を形成に対する要求が強くなっている。しかし、加工液、特に油の中で、放電表面処理を行なうと、油の中の炭素と金属が反応して炭化物を形成してしまう。このため、放電表面処理によるＴｉ（チタン）などの炭化物を形成しやすい材料の被膜の厚盛りは極めて困難であった。
また、その他にも気体雰囲気中での放電を利用した被膜成形技術が提案されている（例えば、特許文献２および特許文献３参照）。しかしながら、これらの方法は、人手により、回転する電極とワークとの間に８０Ｖ〜２００Ｖの電圧を印加して、放電と接触を繰り返すことで被膜を形成する方法であり、安定した被膜形成は困難であった。
特許第３２２７４５４号公報 特開平６−２６９９３６号公報 特開平１１−２６４０８０号公報 このような背景のもとに、近年、人手による熟練作業を必要とすることなく、ライン化できる放電表面処理を用いて、常温での耐磨耗を目的とした硬質セラミックス被膜だけでなく、膜厚が１００μｍ程度以上の厚膜を形成する技術が切望されている。
しかしながら、前述の特許文献１に示された電極製造方法では、薄膜の形成を主な対象としていたため、高温環境下での耐磨耗性能、または、潤滑性能を有した被膜を形成することはできない。また、粉末の圧縮成形の際に電極の硬さを均一に成形することについて考慮されておらず、電極自体の硬さにばらつきが生じる場合がある。
放電表面処理による厚膜の形成では、電極側からの電極材料の供給と、その供給された材料のワーク表面での溶融の仕方と、が被膜性能に最も影響を与える。この電極材料の供給に影響を与えるのが電極の強度、すなわち硬さである。特許文献１に示された技術を用いて薄膜を形成する場合には、形成される被膜の膜厚が薄いため、多少電極の硬さが均一でなくとも被膜性能にはほとんど影響を与えない。
しかしながら、このような電極の強度が均一でない電極を用いて厚膜の放電表面処理を行った場合には、均一な厚みの被膜が形成できない。放電表面処理による厚膜の形成では、大量の電極材料をワーク側の処理範囲に均一に供給することではじめて厚みの一定な被膜ができる。このため、電極の硬さに多少でも不均一があると、その部分の被膜の形成のされかたが変わってしまい、均一な厚みの被膜が形成できなくなってしまうためである。
また、放電表面処理の際に使用する電極の場所によって被膜の形成速度、被膜の性質にばらつきが生じるなど、一定の品質の表面処理が行えないという問題が生じてしまう。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、パルス放電を利用してワーク表面に被膜を形成する放電表面処理において、安定して良質な被覆を形成する放電表面処理方法および放電表面処理装置を提供することを目的とする。
また、油中でのパルスを放電利用した放電表面処理では、炭化物になってしまいやすい材料を炭化物にすることなく良質な被覆を形成する放電表面処理方法および放電表面処理装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる放電表面処理方法にあっては、金属粉末または金属の化合物の粉末、またはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体を電極として用いて、気体雰囲気中において電極とワークの間に５００Ｖ以上の電圧を印加してパルス状の放電を発生させ、そのエネルギによりワーク表面に電極材料または電極材料が放電エネルギにより反応した物質からなる被膜を形成することを特徴とする。
この発明によれば、気体雰囲気中において電極とワークの間に５００Ｖ以上の電圧を印加してパルス状の放電を発生させて放電表面処理を行うため、極間距離、すなわち電極とワークの間の距離を適正な距離に保つことができる。これにより、気体雰囲気中での放電を安定して進めることが可能となり、気体雰囲気中においても良好な厚膜を形成することができる。

第１図は、放電表面処理用電極の製造プロセスの概念を示す断面図であり、第２図は、放電表面処理を行なう様子を示す概念図であり、第３Ａ図は、放電表面処理が行われている際の電圧波形を示す特性図であり、第３Ｂ図は、第３Ａ図の電圧波形に対応する電流波形を示す特性図であり、第４図は、加工液中での放電状態を示す図であり、第５図は、アルゴン中での放電の際の、無負荷電圧と極間距離との関係を示す特性図であり、第６図は、実施の形態２において放電表面処理を行なう様子を示す概念図であり、第７図は、実施の形態３において放電表面処理を行なう様子を示す概念図であり、第８図は、実施の形態４において放電表面処理を行なう様子を示す概念図であり、第９図は、実施の形態５において放電表面処理を行なう様子を示す概念図であり、第１０図は、航空機用ガスタービンエンジンのタービンブレードを説明する図である。

以下に、本発明にかかる放電表面処理方法および放電表面処理装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、添付の図面においては、理解の容易のため、各部材における縮尺が異なる場合がある。
本発明における放電表面処理によって形成される厚膜に要求される機能としては、高温環境下での耐磨耗性、潤滑性などがある。したがって、本発明は、高温環境下でも使用される部品などへの転用が可能である放電表面処理技術を対象とする。
このような厚膜の形成のためには、従来の如く硬質セラミックスの膜を形成するために用いるセラミックスを主成分とした電極とは異なり、金属成分を主成分とした粉末を圧縮成形し、その後必要に応じて加熱処理を行って形成した電極を使用する。
なお、放電表面処理により厚膜を形成するには、放電のパルスにより電極材料を多量にワーク側に供給するために、電極の硬さをある程度低くするなど、電極の材質や硬さ等の所定の特徴を電極に持たせる必要がある。
パルス放電による厚膜の形成の際には、前述のように金属成分を主成分とした材料を電極として用いるが、炭化物を形成しやすい材料が電極中に大量に含まれていると該炭化物を形成しやすい材料が加工液である油に含まれる炭素と反応して炭化物になってしまうために厚膜を形成しにくいということが発明者の研究により見出された。
すなわち、発明者の研究では、数μｍ程度の粉末を圧縮形成して製造した電極により被膜を形成する場合には、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）などの炭化物を作りにくい材料を電極中に含ませないと、安定して緻密な厚膜を形成することは困難であることが見出されている。
しかしながら、厚膜を形成したいという産業界における要求の中には、Ｔｉ（チタン）のような極めて炭化しやすい材料を用いた補修のような用途もある。このような炭化しやすい材料を用いた場合においてもパルス放電により安定して緻密な厚膜を形成することを可能とする技術が本発明である。
実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１における放電表面処理方法について説明する。第１図は、この発明の実施の形態１にかかる放電表面処理用電極の製造プロセスの概念を示す断面図である。まず、第１図を参照して本発明に用いられる電極の一例として電極材料にＣｏ合金の粉末を使用した場合について説明する。第１図において、金型の上パンチ２、金型の下パンチ３、金型のダイ４で囲まれた空間には、粒径が１μｍ程度のＣｏ粉末１が充填される。そして、この粉末を圧縮成形することにより圧粉体を形成する。放電表面処理にあたっては、この圧粉体が放電電極とされる。
第１図に示す電極の製作工程は以下の通りである。まず、Ｃｏ粉末１を金型に入れて、上パンチ２及び下パンチ３により該Ｃｏ粉末１に所定の圧力をかけてプレスする。このようにして所定のプレス圧をＣｏ粉末１にかけることで該Ｃｏ粉末１は固まり、圧粉体となる。
プレスの際にＣｏ粉末１の内部へのプレスの圧力の伝わりを良くするためにＣｏ粉末１にパラフィンなどのワックスを重量比で１％から１０％程度混入するとＣｏ粉末１の成形性を改善することができる。しかし、電極内のワックスの残留量が多くなるほど放電表面処理時の電気伝導度が悪くなる。このため、Ｃｏ粉末１にワックスを混入した場合には、後の工程でワックスを除去することが好ましい。
上記のようにして圧縮成形された圧粉体は、圧縮により所定の硬さ、導電性が得られている場合にはそのまま放電表面処理用の電極として使用することができる。また、圧縮成形された圧粉体は、所定の硬さが得られていない場合には加熱することで強度、すなわち硬さを増し、電気抵抗を下げることができる。
なお、圧粉体に加熱を施して用いる場合は、加熱により圧粉体の硬さを白墨程度の硬さにして放電表面処理用の電極とすることが取り扱いの点からも好ましい。また、上述したように圧縮成形の際にワックスを混入した場合には、電極（圧粉体）を加熱してワックスを除去する必要がある。
この際、金型に入れるＣｏ粉末１は、平均粒系３μｍ程度以下とし、より好ましくは本実施の形態の如く１μｍ程度以下が良い。
以上の工程で製作された厚膜形成用の硬さの低い放電表面処理用の電極を用いた本発明にかかる放電表面処理装置により放電表面処理を行なう様子の概念図を第２図に示す。第２図では、パルス状の放電が発生している様子を示している。
第２図に示すように本実施の形態にかかる放電表面処理装置は、上述した放電表面処理用電極であり、Ｃｏ粉末１を圧縮成形した圧粉体、またはこの圧粉体を加熱処理した圧粉体からなる放電表面処理用電極５（以下、単に電極５と称する場合がある。）と、電極５とワーク６とを覆う気体であるアルゴン７と、電極５とワーク６との間に電圧を印加してパルス状の放電（アーク柱８）を発生させる放電表面処理用電源９とを備えて構成される。なお、第２図では、極間距離、すなわち電極５とワーク６との距離を制御するためのサーボ機構、アルゴン７を貯留する貯留槽などは本発明とは直接関係しないので省略している。
この放電表面処理装置によりワーク表面に被膜を形成するには、電極５とワーク６とをアルゴン雰囲気中で対向配置する。そして、アルゴン雰囲気中において、放電表面処理用電源９を用いて電極５とワーク６との間にパルス状の放電を発生させる。具体的には、電極５とワーク６との間に電圧を印加し、放電を発生させる。放電のアーク柱８は第２図に示すように電極５とワーク６との間に発生する。
そして、電極５とワーク６との間に発生させた放電の放電エネルギにより電極材料の被膜をワーク表面に形成し、または放電エネルギにより電極材料が反応した物質の被膜をワーク表面に形成する。極性は、電極５側がマイナスの極性、ワーク６側がプラスの極性として使用する。
このような構成を有する放電表面処理装置において、放電表面処理を行う場合の放電のパルス条件の一例を第３Ａ図と第３Ｂ図とに示す。第３Ａ図と第３Ｂ図は、放電表面処理時における放電のパルス条件の一例を示す図であり、第３Ａ図は、放電時の電極１１とワーク１２の間にかかる電圧波形（極間電圧波形）を示し、第３Ｂ図は、放電時に放電表面処理装置に流れる電流の電流波形を示している。電流値は第３Ａ図、第３Ｂ図の矢印の向き、すなわち縦軸の上方向を正としている。また、電圧値は、電極５側がマイナスの極性、ワーク６側がプラスの極性電極とした場合を正としている。
第３Ａ図に示されるように時刻ｔ０で両極間に無負荷電圧ｕｉがかけられるが、放電遅れ時間ｔｄ経過後の時刻ｔ１に両極間に電流Ｉが流れ始め、放電が始まる。このときの電圧が放電電圧ｕｅであり、このとき流れる電流がピーク電流値ｉｅである。そして時刻ｔ２で両極間への電圧の供給が停止されると、電流は流れなくなる。
時刻ｔ２−ｔ１を放電パルス幅ｔｅという。この時刻ｔ０〜ｔ２における電圧波形を、休止時間ｔｏをおいて繰り返して両極間に印加する。つまり、この第３Ａ図に示されるように、電極５とワーク６との間に、パルス状の電圧を印加させる。
本実施の形態で使用した放電のパルス条件は、ピーク電流値ｉｅ＝１０Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）ｔｅ＝６４μｓ、休止時間ｔｏ＝１２８μｓである。
このような気体雰囲気中（本実施の形態においてはアルゴン雰囲気中）の放電が、液中（加工液中）の放電と異なる点は、電極とワークとの間の距離、すなわち極間距離が短い点である。加工液（油）６３などの液中での放電では、第４図に示すように放電により電極６１から放出される電極材料またはワーク６２が溶融して生成された粉末（加工屑）６４が極間（電極６１とワーク６２との間）に滞在することで放電を誘発するため、極間距離が長くなる。
参考までに、上記のピーク電流値ｉｅ＝１０Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）ｔｅ＝６４μｓ、休止時間ｔｏ＝１２８μｓ、無負荷電圧８０Ｖの条件では、放電中の極間距離はおよそ４０μｍ〜５０μｍ程度である。
次に、第２図の構成で気体雰囲気中（本実施の形態においてはアルゴン雰囲気中）における本方法（放電表面処理方法）の原理について説明する。放電が発生すると、電極５およびワーク６のアーク柱８の部分が加熱される。電極５は、１μｍ程度のＣｏ粉末を圧縮形成して構成されているため熱伝導が悪く、局部的に加熱されて一部気化するまでになる。この電極材料の一部が気化した際の爆発力により電極材料がワーク側に吹き飛ばされてワーク側に移行し、ワーク表面に被膜を形成する。
気体雰囲気中における放電表面処理は、以上のような原理であるため、ワーク表面に被膜を形成するためには電極は粉末材料から構成されることが好ましい。仮に、粉末材料から作られたものでない電極を用いて放電表面処理を行う場合には、ワーク側に電極材料を飛ばすには、大きなエネルギの放電パルスが必要になる。しかしながら、そのような大きな放電パルスではワーク側を除去加工してしまう。すなわち、粉末材料から作られたものでない電極を用いて放電表面処理を行う場合には、本実施の形態のような小さなエネルギの放電パルスで電極を溶融し、ワーク側に飛ばすことは困難である。
また、気体雰囲気中での放電では加工液中のように加工屑を介しての放電誘発作用が期待できない。したがって、印加電圧により放電が発生する距離まで、ワークおよび電極を近づける必要がある。
しかしながら、放電により放電痕の盛り上がりが生成されるので、余り極間、すなわち電極とワークとの間の距離を狭くしすぎると、極間距離よりも放電痕の盛り上がり量が大きくなってしまう。この場合には、放電により電極材料がワークに移行した時点で極間が短絡してしまう。
加工液中、気体雰囲気中を問わず、上記条件に基づく放電痕の盛り上がり量は、１０μｍ〜２０μｍ程度となる。そして、極間の位置決め制御の応答速度（応答周波数）がそれほど高くないこと（例えば数１０Ｈｚ程度）を考慮すると、極間距離は３０μｍ程度以上を確保しないと安定して放電を発生させることは困難になる。
第５図に気体雰囲気中（アルゴン雰囲気中）での放電の際の、無負荷電圧（極間電圧）と極間距離との関係のグラフを示す。本グラフは、レーザー変位計や渦電流センサーなどの極間を測定する装置により極間距離を測定しながら、放電発生の際の位置を計測する試験を行い、計測したものである。
なお、本グラフは、ピーク電流値ｉｅ＝１０Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）ｔｅ＝６４μｓ、休止時間ｔｏ＝１２８μｓの加工条件のもと、極間電圧（無負荷電圧）を変化させていき、その無負荷電圧（極間電圧）で放電が発生した場合の極間距離をまとめたものである。
第５図からわかるように、無負荷電圧と極間距離とは相関があり、無負荷電圧が高くなるに従い、極間距離は広くなる。したがって、気体雰囲気中での放電を安定して進めるためには、少なくとも５００Ｖ以上の電圧が必要であり、好ましくは、１０００Ｖ程度以上の無負荷電圧（極間電圧）を印加することが好ましい。これは、極間距離を３０μｍ程度以上に保つために必要であるためである。
３０μｍの極間距離に制御するためには、極間距離制御の応答周波数が極めて高い状態に保てるならば、無負荷電圧（極間電圧）は３００Ｖ程度以上でもよい。しかしながら、実際の処理装置を構成する場合には、得られる応答周波数はせいぜい１０Ｈｚ〜２０Ｈｚ程度である。このため、極間電圧としては、余裕を持った５００Ｖ程度以上の極間電圧が必要になる。
無負荷電圧（極間電圧）が５００Ｖ以上、好ましくは１０００Ｖ以上必要であるのは、放電を安定して発生させるための電圧であり、電極の材料等には因らない。しかし、電極の強度が弱く、放電により電極材料が過多に極間に供給されるような場合などは、さらに高い無負荷電圧（極間電圧）が必要な場合もある。
なお、気体雰囲気中放電を利用した被覆処理方法として、特開平６−２６９９３６号公報、特開平６−２６９９３９号公報、特開平９−１０８８３４号公報などがある。これらの発明は、気体雰囲気中での放電を利用しているが、高速回転の金属電極とワークとの間に放電を発生させ、放電により溶融した電極材料をワークに接触させて付着させるという原理である。しかしながら、これらの発明は本発明のように圧粉体の電極を用いて、ワークと該電極との間で所定の極間を形成し、パルス放電により、電極材料をワーク表面に移行させるものとは異なる。
なお、これら、従来の技術は、人手による作業が必要であり、被膜を安定して形成することは困難である。また、自動化には対応できない。
本実施の形態によれば、気体雰囲気中において電極とワークの間に５００Ｖ以上の電圧を印加してパルス状の放電を発生させて放電表面処理を行うことにより気体雰囲気中においても良好な厚膜を形成することができる。したがって、加工液中での被膜形成ではなく、気体雰囲気中における放電表面処理技術を確立することができた。これにより、加工液である油などが無くとも被膜形成が可能になった。
実施の形態２．
本発明の実施の形態２における放電表面方法について、第６図を用いて説明する。第６図は、本実施の形態にかかる放電表面処理装置により放電表面処理を行なう様子の概念を示す図である。第６図では、パルス状の放電が発生している様子を示している。
第６図に示す本実施の形態にかかる放電表面処理装置は、チャンバー２１内に、放電表面処理用電極２３（以下、単に電極２３と称する場合がある。）、ワーク２５などが収納されている。電極２３は、チタン（Ｔｉ）粉末から構成された電極である。電極２３、ワーク２５はそれぞれチャンバー２１の外部に設けられ、電極２３とワーク２５との間に電圧を印加してパルス状の放電（アーク柱３３）を発生させる放電表面処理用電源２７に接続されている。この構成においては、放電時の電流Ｉは電極２３から放電表面処理用電源２７に向かう方向に流れる。
また、チャンバー２１には、チャンバー２１内に気体を供給する気体供給口２９が設けられており、該気体供給口２９を通してチャンバー２１内に気体が供給される。すなわち、この放電表面処理装置においては、放電表面処理は、気体雰囲気中において行われる。本実施の形態においては、気体供給口２９を通してチャンバー２１内にアルゴン（Ａｒ）ガス３１が導入され、チャンバー内はアルゴン雰囲気とされている。
なお、第６図では、極間距離、すなわち電極２３とワーク２５との距離を制御するためのサーボ機構などは本発明とは直接関係しないので省略している。
ここで、電極２３を構成するチタン（Ｔｉ）粉末は、微細化することが困難である。そこで、本実施の形態においては、水素化チタン（ＴｉＨ_２）粉末を粉砕して２μｍ〜３μｍ程度に大きさにしたものを圧縮成形し、加熱して、水素を放出させることにより電極２３を製造した。
次に、この放電表面処理装置における放電表面処理の概要について説明する。電極２３とワーク２５との間にパルス状の放電を発生させて、電極材料をワーク側に移行させ被膜を形成する原理は、加工条件を含めて上述した実施の形態１と同様である。
本実施の形態では、電極２３とワーク２５とを、外気から遮断されたチャンバー２１に収納しており、該チャンバー２１内に、気体供給口２９から不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガス３１を供給している。
実施の形態１では、Ｃｏ電極を使用した場合について説明した。Ｃｏは酸化し難い材料である。このため、Ｃｏ電極を使用して放電表面処理を行い、空気中で放電させてもワーク上にＣｏ被膜を形成することができる。
ところが、本実施の形態のように、化学反応をおこしやすいチタン（Ｔｉ）のような材料を電極として用いた場合には、空気中で放電を発生させるとＴｉは直ちに酸化チタン（ＴｉＯ_２）となる。
酸化チタンは、セラミックスであり、熱伝導が悪いなど、金属とは異なる性質を有する。このため、空気中で放電させて、チタンを主成分とした厚膜を形成することは不可能である。
そこで、本実施の形態においては、このような放電による電極材料の化学反応を抑えるためにＡｒガス３１を使用している。Ａｒガス３１などの不活性ガス（希ガス）は、電極材料が他の物質に変化するのを抑える。これにより、Ａｒガス３１などの不活性ガス（希ガス）を用いることにより、Ｔｉのように化学反応を起こしやすい電極材料でも、金属Ｔｉの状態のままワーク側に移行させ、Ｔｉ被膜をワーク表面に形成することができる。
すなわち、この放電表面処理装置は、不活性なガス雰囲気中において放電表面処理を行うため、Ｔｉのように化学反応を起こしやすい材料でも、金属Ｔｉの状態のままワーク側に移行させ、Ｔｉ被膜をワーク表面に形成することができるという効果を奏するものである。
なお、この目的を達成するためには、チャンバー２１内に導入するガスは、Ａｒガスに限定されるものではなく、ヘリウム（Ｈｅ）ガスや、ネオン（Ｎｅ）ガスなど、他の不活性ガス（希ガス）や、窒素などの不活性なガスも用いることができる。
また、本実施の形態では、チャンバー２１内に電極２３、ワーク２５などを収納して放電表面処理を行なったが、電極２３、ワーク２５などは必ずしもチャンバー２１に収納する必要はなく、放電が発生している環境が、Ａｒなどの不活性なガス雰囲気とすることができればよい。例えば、電極２３の近くから放電点近傍に向けて不活性なガスを供給するような構成、方法でもよい。このような場合においても、上記と同様の効果を得ることができる。
実施の形態３．
気体雰囲気中での放電での問題点のひとつとして、放電による電極の加熱がある。液中で放電を行う場合は、電極が放電のエネルギにより局部的に加熱されても、加工液ですぐに冷却される。しかしながら、気体雰囲気中で放電を行う場合は、冷却が進み難い。このため、気体雰囲気中で放電を行う場合は電極の温度が上昇し、電極の硬さ（硬度）が増す。電極の硬度が増した場合には、該電極の電気抵抗は小さくなり、これに起因して放電電圧は正常な値よりも低い電圧になる。
このように電極の硬度が硬い場合、すなわち放電電圧が正常な値よりも低い場合には、被膜の形成が遅くなる、ワークを除去加工してしまう、などの現象が生じてしまう。そこで、気体雰囲気中で放電を行う場合は電極の冷却が必要になる。
本実施の形態においては、第７図を用いて電極の冷却方法について説明する。第７図は、本実施の形態にかかる放電表面処理装置により放電表面処理を行なう様子の概念を示す図である。第７図では、パルス状の放電が発生している様子を示している。
第７図に示す本実施の形態にかかる放電表面処理装置は、チャンバー４１内に、放電表面処理用電極４３（以下、単に電極４３と称する場合がある。）、ワーク４５などが収納されている。電極４３、ワーク４５はそれぞれチャンバー４１の外部に設けられ、電極４３とワーク４５との間に電圧を印加してパルス状の放電（アーク柱５３）を発生させる放電表面処理用電源４７に接続されている。この構成においては、放電時の電流Ｉは電極４３から放電表面処理用電源４７に向かう方向に流れる。
また、チャンバー４１には、チャンバー２１内に気体を供給すると同時に電極を冷却するための気体供給口４９が設けられている。したがって、この放電表面処理装置においては、該気体供給口４９を通してチャンバー４１内に気体が供給される。また、気体供給口４９から供給された気体は、電極４３に当たるようにセッティングされている。本実施の形態においては、気体供給口４９を通してチャンバー４１内にアルゴン（Ａｒ）ガス５１が導入され、チャンバー内はアルゴン雰囲気とされている。
なお、第７図では、極間距離、すなわち電極４３とワーク４５との距離を制御するためのサーボ機構などは本発明とは直接関係しないので省略している。
次に、この放電表面処理装置における放電表面処理の概要について説明する。電極４３とワーク４５との間にパルス状の放電を発生させて、電極材料をワーク側に移行させ被膜を形成する原理は、加工条件を含めて上述した実施の形態１と同様である。
気体供給口４９から供給されたＡｒガス５１は、電極４３に当たるようにセッティングされている。これにより、この放電表面処理装置においては、Ａｒガス５１でチャンバー４１を充満させると同時に電極Ａ３を冷却し、電極４３の加熱を防止することができる。
この結果、電極４３を効果的に冷却することが可能となり、電極４３の硬さが硬くなることを防ぐことができる。したがって、この放電表面処理装置は、放電表面処理の過程での電極４３の状態の変化を防止することができ、処理時間が経過しても、安定して被膜を形成できるという効果を奏する。
実施の形態４．
本実施の形態も上述した実施の形態３と同様に、気体雰囲気中での放電での問題点である放電による電極の加熱を解決することを目的とするものである。第８図を用いて本実施の形態にかかる電極の冷却方法について説明する。第８図は、本実施の形態にかかる放電表面処理装置により放電表面処理を行なう様子の概念を示す図である。第８図では、パルス状の放電が発生している様子を示している。
第８図に示す本実施の形態にかかる放電表面処理装置は、チャンバー６１内に、放電表面処理用電極６３（以下、単に電極６３と称する場合がある。）、ワーク６５などが収納されている。電極６３は、チタン（Ｔｉ）粉末から構成された電極である。電極６３、ワーク６５はそれぞれチャンバー６１の外部に設けられ、電極６３とワーク６５との間に電圧を印加してパルス状の放電（アーク柱７３）を発生させる放電表面処理用電源６７に接続されている。この構成においては、放電時の電流Ｉは電極６３から放電表面処理用電源６７に向かう方向に流れる。
また、チャンバー６１には、チャンバー６１内に気体を供給すると同時に電極を冷却するための気体供給口６９が設けられている。したがって、この放電表面処理装置においては、該気体供給口６９を通してチャンバー６１内に気体が供給される。また、気体供給口６９から供給される気体は、チャンバー６１内に導入される際に電極６３に当たるようにセッティングされている。本実施の形態においては、気体供給口６９を通してチャンバー６１内にアルゴン（Ａｒ）ガス７１が導入され、チャンバー６１内はアルゴン雰囲気とされている。
なお、第８図では、極間距離、すなわち電極６３とワーク６５との距離を制御するためのサーボ機構などは本発明とは直接関係しないので省略している。
次に、この放電表面処理装置における放電表面処理の概要について説明する。電極６３とワーク６５との間にパルス状の放電を発生させて、電極材料をワーク側に移行させ被膜を形成する原理は、加工条件を含めて上述した実施の形態１と同様である。
本実施の形態においては、気体供給口６９にＡｒガス７１を供給することにより、電極６３を通してＡｒガス７１をチャンバー６１内に供給する構造になっている。電極６３は粉末から構成されたポーラスな構造であり、気体を通過させることができる。これにより、この放電表面処理装置においては、Ａｒガス７１でチャンバー６１を充満させると同時に電極６３を冷却し、電極６３の加熱を防止することができる。
そして、この際、第８図に示すように電極６３の周辺を、気体を通さない材質からなる部材で覆うことで、放電が発生する部分により効果的にＡｒガスを導くことができる。一例としては第８図に示すように電極を筒体内に収納することにより実現できる。これにより、Ａｒガス７１でチャンバー６１内を充満させると同時に電極６３を冷却し、電極６３の加熱を防止することができる。
この結果、電極６３をより効果的に冷却することが可能となり、電極６３の硬さが硬くなることを防ぐことができる。したがって、この放電表面処理装置は、放電表面処理の過程での電極６３の状態の変化を防止することができ、処理時間が経過しても、安定して被膜を形成できるという効果を奏する。
本実施の形態によれば、電極をより効率的に冷却することが可能であるため、加工液中における放電時に加工液により冷却される場合に匹敵するほど、効率的に電極を冷却することが可能となる。その結果、電極の温度は常に良好な状態に保たれるため、電極の温度の変化が放電被膜形成特性に影響を及ぼすことが無く、より良い被膜の形成が可能となる。
実施の形態５．
本発明の実施の形態５おける放電表面処理方法について、第９図を用いて説明する。第９図は、本実施の形態にかかる放電表面処理装置により放電表面処理を行なう様子の概念を示す図である。第９図では、パルス状の放電が発生している様子を示している。
第９図に示すように本実施の形態にかかる放電表面処理装置は、放電表面処理用電極８３（以下、単に電極５と称する場合がある。）と、電極８３とワーク８５とを覆う加工液である液体アルゴン８９と、電極８３とワーク８５との間に電圧を印加してパルス状の放電（アーク柱９１）を発生させる放電表面処理用電源８７とを備えて構成される。なお、第９図では、極間距離、すなわち電極８３とワーク８５との距離を制御するためのサーボ機構、液体アルゴン８９を貯留する貯留槽などは本発明とは直接関係しないので省略している。
次に、この放電表面処理装置における放電表面処理の概要について説明する。電極６３とワーク６５との間にパルス状の放電を発生させて、電極材料をワーク側に移行させ被膜を形成する原理は、加工条件を含めて上述した実施の形態１と同様である。
そして、放電のエネルギにより溶融した電極材料を炭化または酸化させない方法として、上述した実施の形態において不活性な気体雰囲気中での放電表面処理について説明したが、不活性なガスを液化したものを加工液とすることで液中の放電表面処理の要領で被膜の形成ができる。
ただし、放電表面処理装置の温度が極めて低い状態になるので、その対策が必要になるという欠点があるのも事実である。
また、気体雰囲気中での処理の場合には、窒素ガス雰囲気でも比較的容易に処理が可能であったが、液体窒素中での処理では、被膜の窒化が進みやすいという問題もあった。
以上のような欠点があるものの、この放電表面処理装置では、液中で放電表面処理が行われるため、放電の安定性、被膜形成の安定性は優れており、気体雰囲気中での放電にはない利点、例えば、無負荷電圧（極間電圧）を５００Ｖに上げなくても安定した放電が可能であるので回路構成が簡単になる等、がある。
すなわち、液体アルゴン中での放電表面処理の場合は、上述した実施の形態で説明した如く加工条件を５００Ｖにしなければならないということはなく、５００Ｖよりも低い無負荷電圧（極間電圧）（通常の放電加工の無負荷電圧（極間電圧））でも処理可能である。
なお、不活性なガスを液化した液中で放電表面処理を行う場合に無負荷電圧（極間電圧）を低くできるのは、放電により発生した加工粉が液中に滞在することで、放電を誘発するためである。
実施の形態６．
上述した実施例１から実施例５は、放電表面処理用電極として粉末から構成されている放電表面処理用電極を使用したが、放電表面処理用電極が容易に消耗する場合には、粉末にしない金属の状態でも同様の効果を実現できることが発明者の試験によりわかった。
例えば、放電表面処理用電極にアルミニウム（アルミニウム１００％、アルミ合金）を使用した場合には、放電表面処理用電極は放電パルスにより容易に消耗し、ワーク側へ移行する。ここで、アルミニウム電極の場合には、放電による電極消耗が極めて大きいため、他の材料の粉末電極と同じぐらい沢山の電極材料がワーク側に飛ぶ。
そして、ワーク側に飛んだアルミニウムがワークを覆うと、高温環境下においてアルミニウム表面が酸化し、ワークの酸化を防止することができる。これは、表面のアルミが酸化されると緻密な酸化被膜を形成し、該酸化被膜により、ワークの内部まで酸化が進むのを防ぐためである。
従来はアルミナイズ処理という複雑な工程を経てワークにアルミ被膜を形成することがあったが、パルス放電により容易にアルミ被膜を形成することができるようになった。
油などの加工液中で上記のような参加被膜を形成する処理を行なうと、炭素が被膜中に入り場合によっては好ましくないときもある。炭素が被膜中に入ると、時間が経過した際に炭素が析出して被膜強度を下げる場合や、被膜中で炭化物を作る場合などがある。このため、放電表面処理は、アルゴン中で行うことが好ましいが、油中でも一般的には、十分な効果を発揮できる場合もある。
また、気体雰囲気中において放電表面処理を行う場合は、上記の実施例と同様に、電極とワークの間に５００Ｖ以上の電圧を印加してパルス状の放電を発生させて放電表面処理を行うことが好ましい。これにより気体雰囲気中においてもアルミニウム電極を用いて良好な厚膜を形成することができる。
本実施の形態によれば、アルミニウムを粉末にすることなく放電表面処理用電極として使用することができ、容易にアルミニウム被膜をワーク上に形成することができる。

以上のように、本発明にかかる放電表面処理用電極は、被加工物表面に被膜を形成する表面処理関連産業に用いられるのに適しており、特に被加工物表面に厚膜を形成する表面処理関連産業に用いられるのに適している。

Claims (14)

1. 金属粉末または金属の化合物の粉末、またはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体を電極として用いて、気体雰囲気中において電極とワークの間に５００Ｖ以上の電圧を印加してパルス状の放電を発生させ、そのエネルギによりワーク表面に電極材料または電極材料が前記パルス状の放電のエネルギにより反応した物質からなる被膜を形成することを特徴とする放電表面処理方法。
2. 前記気体雰囲気が不活性なガス雰囲気であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の放電表面処理方法。
3. 前記電極を冷却しながら放電を発生させることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の放電表面処理方法。
4. 前記電極中に気体を通して、前記電極を冷却しながら放電を発生させることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の放電表面処理方法。
5. 前記電極を気体不透過性の筒体内に収納し、該筒体内へ気体を供給することにより前記電極を冷却するとともに前記放電の発生領域に前記気体を供給することを特徴とする請求の範囲第４項に記載の放電表面処理方法。
6. 金属粉末または金属の化合物の粉末、またはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体からなる電極と、
   上記電極とワークとの間に５００Ｖ以上の電圧を印加してパルス状の放電を発生させる電源と、
   上記電極とワークに気体を供給する気体供給手段と、
   を有し、
   前記パルス状の放電のエネルギにより前記電極の材料からなる被膜、または前記電極の材料が前記パルス状の放電のエネルギにより反応した物質からなる被膜をワーク表面に形成することを特徴とする放電表面処理装置。
7. 前記気体供給手段から供給される気体が不活性なガスであることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の放電表面処理装置。
8. 前記電極およびワークを封入する筐体を備え、前記気体供給手段が該筐体内に不活性なガスを供給し、不活性なガス雰囲気中で被膜を形成することを特徴とする請求の範囲第６項または第７項のいずれか１つに記載の放電表面処理装置。
9. 前記気体供給手段が前記電極に対して気体を当てることにより前記電極を冷却することを特徴とする請求の範囲第６項〜第８項のいずれか１つに記載の放電表面処理装置。
10. 前記電極を気体不透過性の筒体内に収納し、該筒体内に前記気体供給手段から気体を供給することにより前記電極を冷却することを特徴とする請求の範囲第６項〜第９項に記載の放電表面処理装置。
11. 金属粉末または金属の化合物の粉末、またはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体を電極として用いて、液体状態にした不活性なガス雰囲気中において前記電極とワークの間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギによりワーク表面に前記電極の材料からなる被膜または前記電極の材料が前記パルス状の放電のエネルギにより反応した物質からなる被膜を形成することを特徴とする放電表面処理方法。
12. 金属粉末または金属の化合物の粉末、またはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体からなる電極と、
    液体状態にした不活性なガスを貯留する貯留手段と、
    前記電極とワークの間にパルス状の放電を発生させる電源と
    を有し、
    前記パルス状の放電エネルギにより前記電極の材料からなる被膜、または前記電極の材料が前記パルス状の放電のエネルギにより反応した物質からなる被膜をワーク表面に形成することを特徴とする放電表面処理装置。
13. アルミニウムを主成分とする金属を電極として用いて、気体雰囲気中において前記電極とワークの間に５００Ｖ以上の電圧を印加してパルス状の放電を発生させ、または加工液中でパルス状の放電を発生させ、そのエネルギによりワーク表面に前記電極の材料または前記電極の材料が前記パルス状の放電のエネルギにより反応した物質からなる被膜を形成することを特徴とする放電表面処理方法。
14. 前記気体雰囲気が不活性なガス雰囲気であることを特徴とする請求の範囲第１３項に記載の放電表面処理方法。

Images