KR100285071B1 - 방전표면처리방법및방전표면처리장치 - Google Patents

방전표면처리방법및방전표면처리장치 Download PDF

Info

Publication number
KR100285071B1
KR100285071B1 KR1019980020668A KR19980020668A KR100285071B1 KR 100285071 B1 KR100285071 B1 KR 100285071B1 KR 1019980020668 A KR1019980020668 A KR 1019980020668A KR 19980020668 A KR19980020668 A KR 19980020668A KR 100285071 B1 KR100285071 B1 KR 100285071B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
discharge
nitriding
coating layer
treatment
electrode
Prior art date
Application number
KR1019980020668A
Other languages
English (en)
Other versions
KR19990006662A (ko
Inventor
나가오 사이토
나오다케 모오리
요시키 쓰네카와
코헤이 시마모토
아키히로 고토
타쿠지 마가라
요시히토 이마이
히데다카 미야케
Original Assignee
나카무라 모리다카
카가쿠기쥬쓰신코 지교단
다니구찌 이찌로오, 기타오카 다카시
미쓰비시덴키 가부시키가이샤
나가오 사이토
모오리 나오다께
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP14689397A external-priority patent/JP3544823B2/ja
Priority claimed from JP15196897A external-priority patent/JP3627784B2/ja
Application filed by 나카무라 모리다카, 카가쿠기쥬쓰신코 지교단, 다니구찌 이찌로오, 기타오카 다카시, 미쓰비시덴키 가부시키가이샤, 나가오 사이토, 모오리 나오다께 filed Critical 나카무라 모리다카
Publication of KR19990006662A publication Critical patent/KR19990006662A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100285071B1 publication Critical patent/KR100285071B1/ko

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • C23C30/005—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process on hard metal substrates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/56—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C26/00—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/36—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases using ionised gases, e.g. ionitriding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding
    • C23C8/26—Nitriding of ferrous surfaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/40—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using liquids, e.g. salt baths, liquid suspensions
    • C23C8/42—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using liquids, e.g. salt baths, liquid suspensions only one element being applied
    • C23C8/48—Nitriding
    • C23C8/50—Nitriding of ferrous surfaces

Abstract

피처리재료의 재질이 강재인지 초경합금인지를 불문하고, 양호한 피복층을 형성하게 된다. 이 문제를 해결하는 수단으로, 개질재료의 근원이 되는 재료를 포함하는 개질재료로된 솔리드 또는 압분체전극(104)의 전극과, 엔드밀(101)의 피처리재료인 금속사이에 전압을 인가해서 그 사이에 방전을 발생시킴으로서 엔드밀(101)의 피처리재료인 금속표면에 피복층을 형성하는 방전표면 처리방법, 엔드밀(101)의 피처리재료의 표면에 피복층이 형성되고, 그후 질화처리조(109)내에서 질화처리를 한다.
따라서, 피처리재료가 강재인지 초경합금인지를 불문하고 엔드밀(101)의 피처리재료의 표면에 양호한 경질층을 형성할 수가 있다.

Description

방전표면처리방법 및 방전표면처리장치
본 발명은 방전을 이용한 금속재료의 표면처리에 관한 것으로, 예를들면 전극과 피처리재료인 금속과의 사이에 방전을 발생시킴으로써, 피처리재료인 금속표면에 피복층(코팅층)을 형성하는 방전,표면처리방법 및 방전표면처리장치에 관한 것이다.
상기 전극은, 개질재료 또는 개질재료의 근원이 되는 재료로되고, 또는 일반적으로 사용되는 재료로 된다.
또, 본 발명은 공구의 표면처리, 금형의 표면처리, 기계구조물 기계부품등의 내식성, 내마모성을 필요로 하는 것의 표면처리에 사용이 가능하다.
더나아가 본 발명은, 강재 또는 초경합금(예를들면 텅스텐 카바이트-코발트의 소결체등)의 표면이 양호한 마감면의 거칠기를 얻는 동시에, 강인한 내마모성을 갖는 표면층을 형성하는 방전표면처리방법에 관한 것이다.
액중방전에 의해 금속재료의 표면을 코팅해서, 그 금속재료에 내식성, 내마모성을 부여하는 기술은 공지의 것이다.
예를들면 WC(텅스텐 카바이트)와 Co(코발트)의 분말을 혼합해서된 전극재료를 압축성형한 전극으로 액중방전을 하고 그에 의해 전극재료를 워크에 퇴적시켜서 코팅층으로 하고, 그후 예를들면 Cu(동)전극, Gr(그라파이트)전극등 다른전극에 의해, 재용융 방전가공을 함으로써 코팅층에 의해 높은 경도와 높은 밀착력을 갖고 있다. 도, 강재등의 강도를 높이기 위해 질화처리같은 방법이 알려저 있다.
예를들면, 단조금형의 피가공물의 절삭, 방전가공에 의한 형상가공후에 그 피가공물을 질화하는 것이다. 또, 방전가공면은 그대로는 질소가 침입하기 어려우므로, 연마등 방법으로 표면을 연마한후, 질화처리를 하고 있다. 그후 담금질등의 열처리를 해도, 담금질조직이 작업의 고온에 의해 쉽게 되돌아가는 길이 없다.
다음 종래기술에 대해, 도 15를 사용해서 상세히 설명한다. 도 15는 종래의 방전표면처리방법을 나타내는 설명도이고, (a)는 1차가공의 동작설명도, (b)는 2차가공의 동작설명도, (c)는 1차가공 및 2차가공의 개념도이다. WC-Co(텅스텐카바이트-코발트)의 혼합압분체 전극을 사용해서, 피처리재료(모재 S50℃)에 가공액중에서 방전가공을 하고, 피처리재료상에 WC-Co를 퇴적시키는 1차가공을 한다.
계속해 Cu 전극같은 그다지 소모하지 않는 전극에 의해 재용융가공, 즉 2차가공을 한다. 1차가공의 피처리재료상에 WC-Co를 퇴적시킨대로는, 조직은 경도도 Hv = 1410정도이고 공동도 많다. 그러나 2차가공의 재용융 가공에 의해 피처리재료상에 퇴적시킨 피복층의 공동이 없어지고, 경도도 Hv = 1750으로 향상된다.
이 종류의 방전 표면처리방법에 의하면, 강재에 대해서는 굳고 또한 밀착도가 좋은 피복층이 얻어진다. 그러나, 초경합금같은 소결재료의 표면에는 견고한 밀착력을 갖는 피복층을 형성하는 것이 곤란하였었다.
종래의 방전표면 처리방법에서는 상기와 같이 피처리재료의 종류등에 의해 질이좋은 피복층이 얻어지지 않을때가 있다.
또, 발명자의 실험에 의하면 수소화금속, 예를들어 TiH2(수소화 티탄)을 압축고형화해서 방전가공의 전극으로서 유중에서 방전가공을 하면, 기름이 방전의 고온에 의해 분해해서 탄소를 발생시켜,TiC(탄화티탄)를 만들고, 또 TiH2의 분해에 의해 발생하는 수소에 의한 피복표면의 클리닝작용에 의해, 고경도이고 밀착력이 강한 표면피복층을 형성할 수 있다는 것이 확인되었다.
또 이때, 피복층표면의 구성은, TiH2를 사용했을 때, 탄화된 TiC와 탄화불충분한 Ti 또는 그 중간체로 생성된다. TiH2대신에 VH등을 사용해도 같은 결과를 얻을 수가 있다. 또 TiH2에 V(바나듐), VC등을 가하면 한층고경도의 피복층이 얻어지는 것도 확인되어었다. 따라서, 수소화금속을 압축고형화해서 방전가공의 전극으로 기름중에서 방전가공을 하면 고경도로 많은 경우(통상의 마모시험등에서는)높은 내마모성을 나타내게 된다.
그러나, 절삭공구의 날끝이나 냉간 단조금형과 같이 피처리재료의 금속재료와의 사이에 고압력(고온을 수반할때도 있다)이 가해지는 경우 방전피복처리표면(절삭공구의 날끝등의 표면)과 피처리재료 사이에 친화작용이 발생하고 마모량이 증가하고 고경도나 고내마모성에서 기대되는 만큼의 절삭공구 수명이나 금형수명을 나타내지 않는 경우가 있다.
그래서, 압분체전극에서 방전표면처리를 하는 경우, 표면처리속도를 높이고자 하면 다듬질면의 거칠기는 험해지고, 현재로는 표면처리속도가 비교적 높은 조건하에서의 최량 다듬질면의 거칠기는 피처리체가 초경합금으로 6㎛Rz정도, 강재로 9㎛Rz정도로 피처리체의 처리전의 다듬질면의 거칠기는 어느 것이나 1㎛Rz이하인데 방전표면차리함으로서 다듬질면의 거칠기는 조악해진다.
그 이유로는 압분체전극이 방전표면 처리중에 전극소모에 의해 요철을 발생하는 것 압분체전극을 형성하는 수소화티탄(TiH2)등의 입자가 현저히 미분화하기 힘든것(미분화는, 분쇄의 과정에서 발화폭발등의 위험이 있다), 및 방전이 압분체전극의 전기저항의 불균일에 의해 부분적으로 집중을 일으키는 것등에 의한 것이다.
방전표면처리는, CVD(화학적 증착)이나 PVD(물리적 증착), 또는 도금등에 비해, 피처리체에 피복성분이 고온용융상태로 사돌해서 확산하고 있기 때문에 현저히 높은 밀착성을 갖는 이점이 있으나, 전술한바와 같이 다듬질면의 거칠기가 1㎛Rz정도까지 얻을 수 없다는 결점을 갖고 있다.
통상의 내마모부품의 표면처리이면, 상기한대로 가능하나 용도가 절삭공구나 냉간단조공구, 금형, 또는 가혹한 환경에서 사용되는 베어링, 토목건축기계, 선박용품등의 기계부품같이 상당히 미세한 다듬질면 거칠기(1㎛Rz 정도)를 필요로하는 경우에는 충분치 않을때가 있다.
그래서, 본 발명은 피처리재료의 재질이 강재인가 초경합금인가를 불문하고, 양호한 피복층을 형성할 수 있는 방전표면 처리방법 및 방전표면처리장치의 제공을 제1의 과제로하는 것이다.
또, 본 발명은 강재등의 철과 피처리재료사이에 발생하는 친화력을 감소시키는 것이 가능한 피복층을 형성할 수 있는 방전표면처리방법 및 방전표면처리장치의 제공을 제2의 과제로 하는 것이다. 또, 본 발명은 미세한 다듬질면 거칠기를 얻을 수 있는 방전표면처리방법의 제공을 제3의 과제로 하는 것이다.
청구항 1에 관한 방전표면처리방법은 전극과 피처리재료인 금속과의 사이에 전압을 인가해서 그사이에 방전을 발생시킴으로써 상기 피처리재료인 금속표면에 피복층을 형성하는 것에서 상기 피처리재료의 표면에 상기 피복층을 형성하고 그후, 질화처리를 한다. 청구항 2에 관한 방전표면처리방법은 단화해서 경화하는 금속의 분말을 압축성형해서 방전가공용 전극으로 하고, 방전에 의해 탄소가 분해하는 가공액중에서 피처리체를 방전표면처리하고, 그후 상기 피처리체를 연삭하고 다시그후에, 상기 피처리체를 질화처리한다.
청구항 3에 관한 방전표면처리장치는 전극과 피처리재료인 금속과의 사이에 전압을 인가하고, 그사이에 방전을 발생시킴으로서 상기 피처리재료인 금속표면에 피복층을 형성하는 데 있어서, 상기 전극과 피처리재료사이에 방전을 시켜 상술 피처리재료의 표면에 피복층을 형성하는 방전처리장치와 상기 피복층을 질화처리하는 질화처리장치를 구비한다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1의 방전표면처리방법 및 방전처리장치를 표시하는 설명도
도 2는 본 발명의 실시의 형태 2의 방전표면처리방법 및 방전처리장치를 표시하는 설명도
도 3은 본 발명의 실시의 형태 2의 방전표면처리장치에서의 무성방전에 의한 질화처리를 표시하는 설명도
도 4는 본 발명의 실시의 형태 3의 방전표면처리장치에서의 무성방전에 의한 질화처리를 표시하는 설명도
도 5는 본 발명의 제4의 실시형태를 설명하는 개략도
도 6은 본 발명의 제4의 실시형태에 사용되는 질화처리장치의 개략구성도
도 7은 본 발명의 제 4의 실시형태에 의한 질화처리를 했을때의 피처리체의 표면거칠기의 측정결과를 나타내는 도면
도 8은 본 발명의 제 4의 표면경도의 측정결과를 했을때의 피처리체의 표면거칠기의 측정결과를 나타내는 도면
도 9는 본 발명의 제4의 실시형태의 표면처리에서의 피처리체의 표면으로부터 피복층 내부에 걸친 단면의 경도변화를 표시
도 10a, 도 10b, 도 10c, 도 10d는 본 발명의 제4의 실시형태의 표면처리에서의 방전처리표면의 연마전과 연마후의 단면프로필을 표시하는 도면
도 11은 본 발명의 제4의 실시형태의 표면처리에서의 방전처리후에 연마를 가한다음 질화처리한 피처리체 표면의 구조개념을 설명하는 도면
도 12는 본 발명의 제5의 실시형태의 표면처리에서의 피처리체의 표면피복층을 두껍게 부쳤을대의 처리면 성상을 표시하는 도면
도 13은 본 발명의 제5의 실시형태의 표면처리에서의 절삭공구의 마모형태를 표시하는 도면
도 14는 본 발명의 제6의 실시형태의 표면처리에서의 피복물질의 경도와 마모량의 관계를 표시하는 도면
도 15(a)는 종래의 방전표면처리방법을 표시하는 설명도이고, 1차가공의 동작설명도
도 15(b)는 2차가공의 동작설명도
도 15(c)는 1차가공 및 2차가공의 개념도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101a: 엔드밀 102: 보존장치 103: 이동장치
106: 가공조 104: 압분체전극 209: 질화처리조
212: 가스공급장치 210b: 엔드밀
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대해 설명한다.
상술한 바와 같이 WC-Co압분체전극과 피처리재료인 금속재료사이에 방전을 발생시킴으로써 WC-Co를 피처리재료인 금속재료에 퇴적시켜주고 다시 Cu전극에 의해 퇴적한 WC-Co층을 재용융시킴으로써, WC-Co막을 피처리재료인 금속재료로 형성할 수 있다.
그러나, 발명자의 연구에 의하면, Ti(티탄)등의 경질탄화물을 형성하는 재료를 전극으로하고, 피처리재료이 금속재료사이에 방전을 발생시키면 재용융의 과정없이, 즉 도 15(b)에 표시하는 2차공정을 거치지않고, 견고한 경질막을 피처리재료인 금속표면에 피막층으로 형성되는 것이 확인되었다.
또, 다시 TiH2(수소화티탄)등의 금속의 수소화물의 압분체전극에 의해 피처리재료인 금속재료와의 사이에 방전을 발생시키면 Ti재료를 사용할때보다도 빨리 밀착성이 풍부한 경질막을 형성되는 것을 알었다.
또, TiH2등의 수소화물에 다른금속이나, 세라믹스를 혼합한 압분체전극에 의해 피처리재료인 금속재료사이에 방전을 발생시키면, 경도 내마모성등 여러가지 성질을 갖는 경질피막을 재빨리 형성할 수 있는 것이 확인되었다.
다음 본 발명의 실시의 형태로서 Ti등 금속전극, TiH2등의 금속의 수소화물의 압분체전극 TiH2등의 금속의 수소화물에 다른 금속이나 세라믹스를 혼합한 압분체전극등의 전극을 사용해서 형성한 피복층을 또 질이좋은 피복층으로 하는 질화에 대해 설명한다.
실시의 형태 1
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1의 방전표면 처리방법 및 그 장치를 표시하는 설명도이다.
도 1에서, 101a는 본 실시의 형태에서 피가공물 내지 피처리체로서 사용되는 절삭공구로서의 엔드밀, 102는 엔드밀(101a)를 보존하고 또 필요에 따라 NC제어장치(100)의 지령에 의해 보존하고 있는 엔드밀(101a)에 회전을 부여하는 기구를 갖는 보존장치, 103은 보존장치(102)를 X축, Y축, Z축 및 임의의 각도 및 위치방향으로 NC제어장치(100)의 지령에 의해 이동시키는 이동장치, 104는 TiH2계의 압분체전극, 105는 105는 압분체전극(104)을 보존하는 보존장치, 106은 엔드밀(101a) 및 압분체전극(104)을 수용하는 가공조, 107은 가공조(106)에 수용된 가공액으로 그 가공액에 상기 엔드밀(101a) 및 압분체전극(104)이 침지된다.
108은 전극(104)과 엔드밀(101a)사이에 방전(50)을 발생시키기 위한 전력을공급하는 전원장치이다. 109는 질화처리를 위한 질화처리조로 가공조(106)의 한쪽에 배치된다. 110은 질화처리조(109)의 상단에 부착되는 개폐가능한 뚜껑체이다. 111은 히터로, 질화처리조(109)내의 저부에 설치된다. 112는 질화를 위한 가스를 질화처리조(109)내에 공급하는 공급장치이다.
엔드밀(101a)는 가공조(106)내에서의 방전표면처리에 의해 피복층이 형성되고, 표면처리를 한 엔드밀(101b)가 된다. 이런 엔드밀(101b)는 질화처리조(109)내부에 이송 및 수용되고 도 1에 표시하는 상태하에서 질화처리중이다.
여기서, 보존장치(102), 이동장치(103), 보존장치(105), 가공조(106), 가공액(107)등은 본 실시의 형태의 방전피막처리장치(114)를 구성한다. 또 질화처리조(109) 및 뚜껑체(110), 히터(113)를 구성한다.
NC제어장치(100)은, 가공조측에서는 보존장치(105) 및 전원장치(108)의 동작을 제어하고, 질화처리조측에서는 히터(111) 및 가스공급장치(112)의 동작을 제어한다.
다음, 이 실시의 형태의 방전표면처리방법 및 장치에 대해 설명한다. 엔드밀(101a)에 우선 Ti계의 피막을 형성하기 위해, TiH2계의 압분체전극(104)에 의해 방전가공액(107)중에서 방전을 발생시킨다. 이 경우 압분체전극(104)의 극성이 「-」, 엔드밀(101a)의 극성이 「+」이다.
단, 압분체전극(104)의 극성, 엔드밀(101)의 극성은 그 극성이 반대라도 약간의 차가 있으나 같은 효과가 얻어진다. 이 방전에 의해 압분체전극(104)이 소모하고, 압분체전극(104)의 성분인 Ti는 중심으로 한 피막층을 엔드밀(101a)의 표면에 형성할 수가 있다.
즉 전극인 압분체전극(104)에 포함되는 개질재료가 전극(104)로부터 피처리재료인 엔드밀(101a)의 표면에 이동해서 피처리재료의 금속표면에 전극(104)으로부터 이동한 개질재료를 포함하는 피복층이 형성된다. 이경우의 압분체전극(104)는 TiH2계의 압분체로 형성한 전극으로 해도 된다. 단 엔드밀(101a)에 형성하는 피막층의 형성의 속도, 밀착성 처리의 용이성등의 점에서, TiH2계의 압분체전극이 유리하다.
여기서 본 실시의 형태에서 금속의 수소화물을 베이스로 한 전극을 사용하는 이유는 다음의 사유에 의한 것이다. 우선 금속의 수소화물은 일반적으로 불안정하고, 수 100℃의 온도로 분해하고 다음식과 같이 수소를 방출한다.
TiH2→ Ti + H2
이 때문에. 금속의 수소화물을 베이스로한 전극으로 방전을 하면 분해한 수소를 피처리재료로서의 엔드밀(101a)의 표면을 클리닝하는 효과가 있다. 또 금속의 수소화물을 베이스로한 전극은 방전의 열로 쉽게 무너지기 때문에 코팅스피드가 빨라지는 효과도 있다.
엔드밀(101a)과 TiH2계의 압분체전극(104)과의 사이의 방전으로 형성된 피막 즉 피막층은 TiC(탄화티타)이 구성분이 된다. 이는 가공액(107)이 기름이기 때문에 방전의 열로 분해한 기름의 성분의 C(탄소)와 압분체전극(104)의 증의 Ti가열에 의해 다음식과 같이 화학반응을 일으켜서 TiC가 되기 때문이다.
Ti + C →TiC
TiC는 대단히 경질(비커스경도 2000∼3000)이고, 피막층으로서 양질의 것이다. Ti이외에도 탄화물이 경질의 물질인 V(바나디움), Nb(니오브). Ta(탄탈)등을 성분으로 하는 전극을 사용해도 같은 효과가 얻어진다.
다음에 TiC를 중성분으로 하는 피막층을 형성한 엔드밀(101a)에 질화처리를 실시하는 동작에 대해 설명한다. 질화처리조(109)속은, 공급장치(112)로부터 질소가스가 분출되고있고, 질소분의기로 되어있다.
뚜껑체(110)는 개폐자재로 되어있고 엔드밀(101b)의 공구의 출입시에는 열리고 질소 분위기중을 얻는 질화처리때에 닫을 수가 있다. 히터(111)는 질화중에 질화대상의 엔드밀(101b)의 공구를 수 100℃ 온도에 가열한다.
이로인해(101b)의 공구를 질화한다. 이와같이 엔드밀(101b)의 공구를 질화함으로써 피막층중에 존재하고 있던 미반응의 Ti를 TiN로 할뿐 아니라, 동시에 피막층의 주성분인 TiC를 TiCN로 변화시킨다. TiCN은 공구의 코팅의 피막층으로는 TiC보다도 다시 양호한 피막층으로 경도는 TiC와 같은 정도이나, 철과의 친화성이 TiC보다 낮고 공구에의 코팅재료는 TiCN쪽이 우수하다.
일반적으로 TiCN의 코팅은 PVD(물리증착)에 의해 성막하고 있으나, PVD에 의해 피막을 성장시키는 기술은 대단히 불안정한 장치이고 숙련자가 아니면 충분히 사용할 수 없다는 문제가 있고, 또 복잡하고 2가인 장치가 필요하게 된다.
본 실시의 형태에서는, TiCN의 피막층을 형성하는 데 방전처리 및 질화처리라는 쉬운방법으로 할 수가 있다. 또 질화처리를 위한 질화처리조(109)는 방전을 위한 가공조(106)와 공통으로 하고 이런 단일의 조를 방전처리 및 질화처리에 사용해도 된다.
물론, 본 실시의 형태와 같이 이들을 독립시켜도 된다. 또 질화의 전의 방전은 가공액(107)중에서 시행하지 않어도 가공액(107)을 뿌려주면서 해도된다. 그리고, 가공액(107)을 뿌려주면서 방전처리를 하고, 동시에 분위기를 질소분위기로해서 질화할수도 있다. 이때의 질화를 위한 공급장치(112)로부터 분출하는 가스는 질소가스이외에 암모니아가스의 사용도 가능하다.
질화처리의 반응성에서 보면 도리어 암모니아가스의 쪽이 호적하다. 그러나 암모니아가스는 강한냄새가 있기 때문에 냄새의 처리를 연구할 필요가 있고, 제조공정의 안전관리가 필요하게 되고 안전성의 관리에서 보면 질소가스가 호적하다.
방전피막처리에 의해 형성된 피막층은, TiC가 주성분이나 미반응의 Ti가 잔류해있고, 엔드밀(101b)등의 공구의 코팅으로는 문제가 되는 경우가 있다. 즉 금속인 Ti는 철과의 친화성이 높고, 엔드밀(101b)등의 공구에 의해 피처리재료인 철(강재)를 가공할 때에 철의 용착이나 피막층의 벗겨질의 원인이 되는 가능성이 있다.
일반적으로, 공구등의 피막층은 철과의 친화성을 가능한한 낮게하는 것이 좋다고 되어있다. 그래서, 본 실시의 형태에 의한 방전표면 처리방법에서는, 피막층과 철과의 친화성을 감소시키기 위해 질화처리를 하고 있다. 이 질화처리에 의해 방전에 의해 형성된 피막층중에 존재하고 있던 미반응의 Ti가 TiN가 되고, 피막층과 철의 친화성을 대폭적으로 감소시킬 수가 있다.
본 실시의 형태에서의 질화처리에 의해 엔드밀(101b)를 사용할 절삭시험의 결과는 다음과 같았다. TiH2계의 압분체전극(104)에 의해 경질피막을 형성한 엔드밀(101b)의 수명은 무처리의 엔드밀의 약 2배였다. 또 TiH2계의 압분체전극(104)에 의해 경질의 피막층을 방전피막처리에 의해 성형한후에 질화처리를 한 엔드밀(101b)의 수명은 무처리의 엔드밀의 약 3배로 늘었다.
실시의 형태 2
도 2는 본 발명의 실시의 형태 2의 방전표면처리방법 및 그 장치를 표시하는 설명도이다. 도 2에서 방전표면처리장치는 실시의 형태 1의 방전표면처리장치와 거의 같은 구성을 구비하고 있다. 전원장치(108)로는 간헐펄스전원, 교류고주파전원, 무성방전방식전원등을 선택할 수 있다.
엔드밀(201a)는 실시의 형태 1의 엔드밀(101a)와 같다. 압분체전극(204)은 실시의 형태 1과 같이 TiH2로 되어있다. 압분체전극(204)은 개질재료의 기초가 되는 개질재료를 포함하는 전극이나 솔리드의 Ti전극이라도 된다. 피처리재료의 표면에 피막층이 형성되는 것이면 개질재료를 포함하지 않는 전극을 사용해도 된다. 또는 극론하면 질화에 의해 경질성이 표면화하는 코팅재료가 되는 전극이면 된다. 한편, 본 실시의 형태는 질화처리 시스템에서 다른구조를 갖는다. 즉 209는 질화처리를 위한 질화처리조이고, 가공조(106)의 한쪽에 배치되고, 금속조(211)의 내측표면에 유리내 용기부(210)가 도포된 구성으로 되어있다. 212는 질화를 위한 가스를 질화처리조(209)내에 분출하는 가스공급장치이다.
도 3에 표시한 바와 같이 질화처리조(209)는 엔드밀(201a)의 표면에 피막층을 형성한 엔드밀(201b)을 수용한다. 본 실시의 형태의 질화처리장치(213)는 질화처리조(209) 및 가스공급장치(212)로 구성되다. 200은 NC제어장치이고, 가공조측에서는 보존장치(102), 이동장치(103), 보존장치(105) 및 전원장치(108)의 동작을 제어하고, 질화처리조측에서는 가스공급장치(212)의 동작을 제어한다.
실시의 형태 1과 같은 동작에 의해 엔드밀(201a)에 Ti를 중심으로 한 피막층을 형성해서 엔드밀(201b)로 한다. 그후, 아래와 같이해서 엔드밀(201b)의 질화처리를 한다.
질화처리조(209)의 내측에 가스공급장치(212)로부터 질소가스가 취입되고 질화처리조(209)의 내측은 질소분위기가 되어있다. 방전표면처리를 한 엔드밀(201b)은 NC제어장치(200)의 지령에 의해 질화처리조(209)까지 이동된다. 질화처리조(209)내부에서 무성방전(유전체로부터의 교류방전)을 발생시켜서 엔드밀(201b)의 질화를 한다. 이 경우, 예를들면 주파수는 200KHZ, 전압은 10KV정도가 호적하였다.
도 3은, 본 발명의 실시의 형태 2의 방전표면처리장치에서의 무성방전에 의한 질화처리를 나타내는 설명도이다. 도 3에서, 질화처리조(209)내에서 엔드밀(201b)과 금속조(211)사이에 무성방전을 발생시킨다. 엔드밀(201b)와 금속조(211)사이에 인가하는 전압은 수 KV의 교류전압이고 이 전압에 의해 유리내 용기부(210)에 전하가 유도된다.
이 전하가 방전함으로써 엔드밀(201b)과 유리내 용기부(210)사이에 무성방전이 발생한다. 무성방전은 가공하는 힘은 극히 약하나 강하게 화학반응을 일으키는 작용이 있고, 질소분위기중에서 무성방전을 발생시키면 질화의 반응을 촉진시킬 수가 있다.
또, 유리내 용기부(210)는 다른 유전체로 할 수가 있다. 또 무성방전은, 주파수는 수 10Hz∼수 MHz의 범위 전압은 수 10V∼수 MV의 범위가 좋다. 이때의 질화를 위해 가스공급장치(212)로부터 분출하는 가스는 실시의 형태 1과 같이 질소가스이외에 암모니아가스의 사용도 가능하다.
이와같이 본 실시의 형태에서는, 방전피막처리에 의해 공구등의 표면에 TiC와 Ti가 혼재하는 TiC + Ti과 같은 피막층을 형성한다. 그리고, 질화처리를 글로방전, 코로나방전, 무성방전, 펄스아크방전, 고주파교류 아크방전같은 방전에 의해 피막층에 실시한다.
전술한 바와 같이, 본 발명을 실시할 때의 질화처리는 500℃이상으로 피처리면을 가열하고 이들상태에서의 피처리면상의 질소가스, 암모니아가스를 공급하여 질화반응을 일으키게 해도된다. 또, 시안화카리(KCN)같은 물질의 용융염에 피처리면을 침지처리해도 된다. 또, 레이저공구표면을 가열하면서 질소가스를 공급해서 질화처리를 할 수도 있다.
이렇게해서 질화한 피막층은, TiC와 Ti로된 표충부분이 가장 잘 질화되어, 내부로 들어갈수록 질화의 정도는 감소해서 소위경상성을 갖인 질화상태가 도니다. 즉, 피막층의 표면은 TiCN과 TiN의 밀도가 높고 내부에 들어갈수록 TiC와 Ti의 농도가 높아진다.
이에 대해 종래의 절삭공구등에 대한 질화층의 형성은 소위 기상도금이고, CVD(화학적 증착법) 또는 PVD(물리적 증착법이라 칭하는 것으로, TiN또는 TiAlN같은 것을 프라즈마화해서 코팅하는 것이다.
그러나, 이들 CVD 또는 PVD의 어느것이나, TiN또는 TiAlN등의 피막층은 공구등의 피처리재료의 표면에 밀착해 있으나, 피처리재료중에 확산해있는 것은 아니다. 또, TiN 또는 TiAlN등의 피막층은 두께의 방향에 관해서도 등지의 질화물이 된다.
본 실시의 형태의 경사성의 피막층과 종래의 PVD등에 의해 TiN등을 균일하게 피복한 피막층을 비교하면 다음과 같이 된다.
(1)경사성구조를 갖는 피막층은, 표면에 외력이 가해지거나 열이 가해진 경 우에 응력 또는 열응력을 완화해서 모래에 전달하므로, 박리 발생이나 균 열발생이 일어나기 힘들어진다.
방전피막형성의 경우에도 피복내부에 들어갈수록 Ti의 농도가 높아지므로 응력이나 열응력의 완화에 유리해진다.
즉, 표면은 내마모성이 높고 피삭재와의 친화성이 적은 TiCN이나 TiN으로 보호하고 내부에 들어갈수록 인성이 높은 Ti의 존재에 의해 응력이나 열응 력을 완화할 수가 있다.
(2)방전피막처리에 의해 형성된 TiC + Ti의 피막층(방전에 의해 소결되어있 다)은 방전이 극히 단시간의 고온고압력에 의해 모재에의 확산이 꽤 견고 하게 되어있으므로 방전피막처리에 의해 피복층을 두껍게 해도 박리가 일 어나지 않는다. 따라서, 꽤 질화층이 두껍게 될 때까지 생성시켜도 경사 성이 손실되지 않고 밀착성을 손상시키는 일은 없다. 이에 대해, PVD에 의한 질화물의 피막형성은 예를들면 3㎛이상으로 두껍게 하면 밀착성이 나 빠진다. 이는 도금층이 두꺼우면 박리하기 쉬운 현상에 닮고 있다.
(3)TiC 및 잔존의 Ti가 질화되어 TiCN, TiN가 됨으로써 체적팽창이 생기고, 방전피복처리의 상태보다도 잔류응력이 압축쪽으로 이동한다. 이는 통상 방전가공표면 및 방전피복표면은 인장응력을 발생하고 있으나 질화에 의해 한번 용융한 것이 응고하고, 잔류응력이 압축측으로 이행하므로 크랙을 발 생시키지 않는다.
이와같이, 방전에 의해 피복층을 형성한 처리후에, 질화처리를 하는 것이 유용하고 극히 중요한 것이 명확하다. 또 액체질소중의 방전으로 질화반응시킨 것이라도 전술한 효과에 변화는 없다.
또, 본 발명을 실시하는 경우의 방전피막 처리방법에 대해 자세하게 설명한다. 피막층을 형성하는 방전표면 처리방법으로는 유중방전등의 액중방전, 질소분위기중 혹은 공기중 또는 알곤가스중에서 시행하는 기중방전에 의한 방전피막 처리방법이 있다.
우선, TiH2의 압분체전극(104),(204)를 사용해서 유중, 기중(공기중, 질소분위기중, 질소이외의 배산화분위기중(예를들면 Ar/알곤), He(헤륨)등)에서 방전표면처리를 하는 사례에 대해 설명한다.
[1] 유중방전
TiH2→ Ti + C (기름의 분해탄소)
→ TiC + Ti(잔존의 미탄화물)
[2] 기중방전
(1) 질소분위기중
TiH2→ Ti + N2→ TiN + Ti (잔존비 질화물)
(2) 공기중(통상은 산화분위기중이고 사용하지 않는다)
TiH2→ Ti + O2+ N2
→ TiO2+ TiN + Ti(잔존의 비산화물, 비질화물)
(3) 알곤가스중
TiH2→ Ti
이와같이 TiC, TiN, TiO2외에 Ti가 탄화도, 산화도 질화도 되지않은 채로 잔존한다.
여기서 유중방전 또는 기중방전에 의해 얻은 피막층의 질화를 하면 다음과 같이 된다.
[1] 유중방전에 의한 것의 질화
TiC + Ti → TiCN + TiN
즉, 피막층의 표면은 TiCN과 TiN만이 되나, 피막층의 내부에 들어갈수록 잔존 Ti는 존재한다. TiCN은 극히 고경도의 물질, 즉 비커스경도 HV 2600정도이고, 절삭공구의 피막형성에 호적한 것이다.
[2] 기중방전에 의한 것의 질화
(1)질소분위기중
TiN + Ti → TiN + TiN
즉, 피막층의 표면은 TiN만이 되고, 내부에 들어가면 잔존 Ti는 존재한다.
(2)공기중(통상은 산화분위기중이고 사용하지 않는다)
TiO2+ TiN + Ti → TiO2+ TiN + TiN
TiO2는 경도가 HV980정도로 낮고, 이 조건에서는 사용하지 않고, 실시하 는 경우에는 N2가스를 흘려서 TiO2의 생성을 저지할 필요가 있다.
(3)알곤가스중
Ti → TiN
[주] 또, 질소가스는 통상 N2로 표시하나, 질화반응에서는 원자상이므로 N 로서 표시한다.
다시또, 본 발명을 실시하는 경우의 질화처리에 대해 설명한다. 질화의 구체적방법으로 방전을 이용하는 방법, 피목층을 500℃이상 가열하고, 질소가스 혹은 암모니아가스를 피복층 표면에 공급하는 방법, 용융염에 침지하는 방법, 전해하는 방법, 레이저가열하는 방법등이 있다.
[1]방전을 이용하는 것
(1)글로방전, 코로나방전
극히 방전전류는 미약하나, 질소가스를 이온화하므로 질화작용이 생긴 다. 이때의 평균온도 100℃ 이하로 상온에 가깝고 피처리재료인 금속 이 변화하기 힘들다.
(2)무성방전
방전현상에 보면, 코로나 방전에 가까우나 피막층과 방전전극사이에 절 연물을 두어(전극면을 유리피막 형성등을 해서 형성한다)교류고주파 고 압전원을 사용함으로서 절연물상에 발생된 전하와 피막층사이에 방전을 발생시킨다. 전압을 높게하고 주파수를 높게하면 입력을 크게 할 수가 있다. 쉽게는 아크방전은 안되므로 방전이 특정한 점에 집중하는 일이 없다. 여기서, 입을 ω로 하고, 유전율을 ε, 전압을 V, 주파수를 f 라 고 하면,
ω ∝ ε· v· f
가 된다.
또 무성방전에서는 평균온도를 500℃이하로 유지하는 것이 쉬워지고 또 질소가스는 이온화하므로 질화작용을 나타내게 된다.
(3)고주파교류아크방전
와이어 방전가공에 이용되고 있는 전원방식으로, 방전점은 높은 전류밀 도의 아크방전이다. 이 때문에 미소면적이기는 하나, 방전점의 온도는 피막층의 비점에 달하므로, 질화의 화학반응으로는 격렬하고 피막층의 표 면에서 수 10㎛의 길이에 쉽게 도달한다. 방전점의 온도는 대단히 높으 나 피막층의 평균온도는 낮다. 액중방전으로 알려진바와 같이 액중에서 는 50℃정도 이하이고, 기중에서도 담금질된 강재의 연화온도이하로 유지 하는 것은 대단히 용이하다. 또 극간거리가 좁아지기 쉽다. 전압을 높 게 취하는 것이 바람직하다.
(4)간헐펄스아크방전
특히 형조(型彫)방전가공의 전원과 같고, 상기(3)과 같은 방전전류 밀도 가 낮은 아크방전이다. 이 때문에 방전점의 질화의 화학반응이 격렬해 지는 것은 상기(3)과 같다. 온도상승도 같고 평균온도는 낮다. 고주파 교류아크방전과 다른점은 고주파교류는 방전이 교호로 극성이 전환되어 반복되고, 휴지시간이 전환전후에 약간 존재할뿐이다. 이 때문에, 방전 이 전에 발생한 방전점에 다시 발생하는 일이있고 소위 고주파 아크가 될 가능성이 있다. 이 종류의 간헐펄스마크 방전은 휴지시간을 특정해 서 취할 수 있으므로, 휴지시간의 제어가 가능하다.
이와같이, 어느방법에서도 이들의 방전을 이용하는 질화방법은, 방전점 온도는 높아지나, 평균온도는 적어도 100℃이하로 유지할 수 있으므로 강재를 담금질한 경우도 모재경도를 연화시키지 않고 질화시킬수가 있다.
또, 방전점의 온도가 높기 때문에 표면에서 수 10㎛의 길이까지 질화시킬 수가 있다. 특히, 방전에 의한 질화는 수 10㎛의 깊이까지 질화가 진행 하기 때문에 그 절삭수명은 10배이상 연장된다. 또, 특히 질소가스 분위 기중의 방전피막처리는 액중방전과 같은 전압이라도 극간거리가 좁아지므 로 방전에 의한 단락이 발생하기 쉽다. 이때의 단락방지를 위해서는, 방 전가공전압을 높게하거나, 또는 질화처리에서도 도 2에 표시하는 바와 같 이 보존장치(202)에 부착한 엔드밀(201b)를 회전시키는 것이 유용하다.
[2]피막층을 500℃이상으로 가열하고 질소가스 또는 암모니아가스를 피막층 표면에 공급하는 방법
상기 실시의 형태에 표시하는 바와 같이 피막층을 500℃이상, 특히 바람 직하게는 700℃정도로 가열해서 질화하는 경우에 쉽게 실시할수 있고, 실 용상의 효과도 얻어지므로 많이 사용되는 가능성이 높다.
그러나, 담금질된 강재에서는 경도저하를 야기할 가능성이 높아지므로 또 가열에 의해 질화하는 경우는 질소가스는 어디까지나 고온가스이고, 다소 이온화(해리)할 가능성이 있다. 그러나, 전술한 방전현상을 사용한 것과 같이 이온화되어있지 않으므로, 화학반응이 피막층표면의 극히 얇은 층(수 ㎛)에 제한된다.
조금이라도 깊이 반응시키기 위해서는 가열온도를 높게하고, 가열시간을 길게할 필요가 있으므로, 초경합금같은 또는 어느종류의 고속도강 같은 것 이면 되나, 피처리모재의 담금질경도가 저하하는 것은 곤란하다. 또 질소 가스를 사용하는 대신에 암모니아를 사용해도 된다. 암모니아를 사용한 경우에는 반응온도를 낮게할 수가 있다. 즉 NH3(암모니아)가 분해하면 N 는 발생기이므로 반응이 활성화된다. 그러나, 취기의 문제가 있고, 취급 이 귀찮으나, 대량생산에 유리한 면도 있다.
[3]용융염에 침지하는 방법
KCV등의 시안화물을 용융해두고, 그중에 피막층을 형성한 피처리재료를 침 지한다. 안전성을 충분히 확보할 필요성이 있으나, 처리조건을 일정하게 유지하기 쉬운 특징이 있다. 반응을 빨리하기 위해서는, 용융염욕중에서, 방전피복처리를 한 것을 양극으로서 전기분해를 할 수가 있다.
[4]전해하는 방법
KCN, NaCN등의 시안화물 수용액중에서, 방전피복등을 양극으로 해서 전 기분해를 한다.
질화는 방전피복처리에 의해 형성한 피복층의 표면뿐이나, 작업상의 조작 이 용이하다.
[5] 레이저 가열하는 방법
방전피복처리를 한 표면에 질소가스를 공급하면서 레이저조사를 한다.
레이저조사의 에너지밀도를 용융점을 약간초과하는 정도로 유지하므로서 표면에서 20∼40㎛정도까지 질화시킬 수가 있다.
단, 레이저조사는 조사에 의한 주사의 흔적이 남는 가능성이 있다.
전술한 바와같이, 여러 가지 질화방식이 있으나, 본 실시의 형태에서는 철 강등에 대한 질소의 침입같은 것이 아니고 새로운 질소화합물을 만듬므로 서, 피처리재료의 표면의 피막층을 질화하고, 절삭가공 혹은 삭성가공, 고 압력(및 고온) 으로 상대금속을 접촉이동하는 경우의 상대 금속에 대한 친 화성을 감소시킬 수가 있다.
실시의 형태 3
발명자는 방전피복처리한 피복층표면에의 질화가 극히 유익한 작용효과를 표시하는 사례로서, 도 4에 표시하는 본 발명의 실시의 형태에 관한 방전 표면처리 장치를 제작해서, 구체적데이터를 얻었다.
도 4는 본 발명의 실시의 형태 3의 방전표면처리장치에서의 무성방전에 의한 질화처리를 표시하는 설명도이다.
도 4에서 321은 액체질소가 들어있는 가스붐배로, 질소가스가 가스붐배(321)로부터 밸브(322)를 통해서 관로(324)에 공급된다.
323은 관로(324)로부터 배출되는 질소가스를 소정의 압력으로 조압하는 조압기이다.
또, 관로(324)는 그 개구안부를 질화처리를 위한 질화처리조(309)의 중간보다도 하부의위치에 삽입해 두었다.
325는 질화처리조(309)의 상단의 개구를 덮고 질소가스온도유지를 위한 기능을 하는 철 또는 스테인레스로된 금속의 뚜껑체이다.
326은 뚜껑체(325)에 설치한 가스배기공(326)이다.
327은 뚜껑체(325)에 열절연상태에서 삽착된 알루멜-크로멜열전대(對)로, 질하처리조(309)에 삽입되어 있다.
328은 알루멜 쿠로멜열전대(327)에 접속되고, 열전대(327)의 출력에 의해 온도를 표시하는 온도계이다.
311은 철 또는 스테인레스로 된 금속조, 310은 금속조(311)의 외측을 단열체로 덮은 단열부로, 금속조(311) 및 단열부(310)에 의해 질화처리근(309)을 구성하고 있다.
315는 히터로 질화처리로(309)내에 배치되어 있다.
301b는 유중방전팝막 처리후의 공구시료(모재초경합금 GTi)로서의 엔드밀이고, 표면에 피막층을 형성하고, 질화처리조(309)내에 수용된다.
앤드밀(301b)는 보통 초경합금 또는 고속도강 드릴등의 강재로 된다.
여기서, 질화처리조(309), 가스붐배(321), 벨브(322), 관로(324)등은 본 실시의 형태의 질화처리장치(313)를 구성한다.
다음, 본 실시의 형태의 방전표면처리장치에서의 질화처리에 대해 설명한다.
우선 압분체전극(도시않음)은 TiH2를 성형압력비 5Ton/㎠로서 압축성형한 것으로, 이를 전극으로서 초경합금(GTi 30)선삭용 바이트칩에 방전피막처리를 하였다.
이때의 방전피막처리조건은, 방전전류 Ip=8A, 펄스폭 Zp=2㎲, 휴지시간=32㎲, 방전가공시간=5분으로 가공액은 등유였다.
다음에, 앤드밀(301b)을 유중방전 피막처리에 의해 방전피복을 형성한 후 질화처리조(309)에 넣고, 히터(315)로 가열하고, 온도계에 표시된 온도 700℃로하고, 가열시간은 10분으로 하였다.
거기에 가스봄베(321)로부터 관로(324)를 통해서 배출되는 N2가스를 공급한다.
이때 질화처리조(309)의 N2의 가스압은 대략 대기압이다.
이로인해 피처리재료인 엔드밀(301b)의 표층의 극히 얇은 수 ㎛의층에 질화반응이 생긴다.
이 앤드밀(301b)을 절삭시험에 의해 평가한 결과를 질화처리장치(313)에서 질화한 것과 방전피복처리한 피복층만의 것을 비교하면, 절삭수명이 현저하게 연장되었다.
즉, 초경합금의 표면처리안한 것의 수명을 「1」이라고 했을 때, 방전피복처리만 한 것이 「2∼4」방전피복처리후 질화처리를 한 것이 「7∼8」이 되었다.
또, TiH2에서 AℓN를 7:3의 비율로 가해 전자와 같이 압축성형한 압분체 전극으로 방전처리를 한것도, 전자와 같은 질화처리에 의해 전자와 같은 절삭수명의 연장이 인정되었다.
즉, 이 질화처리를 한 것과 질화처리하지 않은 방전피복처리만의 것과 초경합금미처리의 것의 절삭시험결과는 상기 한 대로의 수명비이다.
또, 질화한 것의 수명은, 질화하지않은 방전피복처리만의 것의 약 2배가 되어 있다.
또, 특히 방전에의한 질화는 수 ㎛의 깊이까지 질화가 진행하므로 절삭시험에 의한 절삭수면은 10배이상 연장되는 것을 알았다.
더욱 상세하게, 발명자가 실시한 다른 방전처리 및 질화처리에 대해 각종의 구체적 사례를 설명한다.
전술한 절삭공구의 피막형성처리계에서는 TiH2의 압분체전극을 사용하는 경우에 대해 기술하였으나, VH, ZxH, TaH2등의 천이금속의 수소화물 및 이에 V, Vc, AL2O3, TiB2, AlN, TiN, Nb, nBn등의 어느 한 개 이상을 혼합한 경우에서도, 같은 작용효과가 있는 것이 확인되었다.
그리고, 피처리재료인 금속으로는 절삭공구 뿐 아니라 금형등의 전면 또는 부분적인 고내마모성을 얻는 경우, 예를들면, 농기구, 토목건축용구, 토사를 취급하는 용구등의 고대마모성 부분을 얻는 경우에는, 도금, 용사, 분말야금등에 의한 천이금속의 표면의 질화에도 사용될 수 있는 것이 확인되었다.
상기 실시의형태와 같이 구성한 방전표면처리방법 또는 장치는, 피처리재료가 강재인지 초경합금인지를 불만하고 엔드밀(101a),(201a)등의 피처리재료의 표면에 양호한 경질층을 형성할 수가 있다.
또, 여기서는 상기 실시의 형태의 피처리재료로서의 금속은, 엔드밀(101),(201)로 해서 설명했으나, 피처리재료로서는 물론 표면처리하는 공구 금형, 기계구조물, 기계부품등의 내식성, 내마모성을 필요로하는 것을 대상으로 할 수가 있다.
상기 실시의 형태의 방전표면처리방법은 전극(104),(204)를 TiH2등의 금속의 수소화물의 분체로부터 성형할 수가 있다.
따라서, 피처리재료가 강재이건, 초경합금이건간에 이를 불문하고, 경도가 높고, 밀착력이 좋은 피복층을 금속표면에 형성할 수가 있다.
또 그 차가 공을 경유하지 않고, 견고한 경질막을 피처리재료인 금속표면에 형성할 수 있고, 또 이런 전극(104),(204)에 의해 피처리재료인 금속재료사이에 방전을 발생시키면 Ti등의 재료를 사용할 때 보다도 빠르고 밀착성이 풍부한 경질막을 형성할 수가 있다.
그리고, TiH2등의 수소화물에 다른 금속이나 세라믹스를 혼합해서 전극(104),(204)를 형성할 수도 있다.
이런 전극에 의해 방전을 발생시키면 경도, 내마모성등 여러 가지성질을 갖인 경질피막을 재빨리 형성할 수가 있다.
상기 실시의 형태의 방전 표면처리방법은 전극(104),(204)을 그 탄화물, 질화물 공히 비커스경도 1000Hv이상의 경질물질인 금속 또는 금속의 화합물로 형성할 수가 있다.
또, 상기 실시의 형태 1에서는 질화터리조(109)의 뚜껑체(118)는 질화를 위한 가스의 유효이용율을 높이는 것이므로, 생략할 수도 있고, 또 특정의 개구면적의 개구만으로 할 수도 있다.
그리고, 질화처리조(109)는, 그 하부만을 개구시킬 수도 있다.
상기 실시의 형태의 방전표면처리방법 및 장치는, 앤드밀(101a)등의 피처리재료인 금속표면에 세라믹스금속의 어느 하나이상을 피복층으로서 피복한 후, 질화를 할 수 있다.
따라서, 금속이나 세라믹스를 혼합한 솔리드 또는 압분체전극(104),(204)과 피처리재료인 금속재료와의 사이에 방전을 발생시키면, 경도, 내마모성등의 여러 가지 성질을 갖는 경질피막이 양호한 경질층을 형성할 수 있고, 또 질화에 의해 강재등의 철과 피처리재료사이에 생기는 친화력을 감소시킬 수가 있다.
즉, 새로운 질소화합물을 만들므로서, 피처리재료의 표면을 질화하고 절삭기공 혹은 삭성가공, 고압력( 및 고온)으로 상대금속이 접촉이동하는 경우의 상대금속에 대한 친화성을 감소시킬 수가 있다.
구체적으로는 실시의 형태 2에서 기술한 바와같이 방전표면처리방법 및 그 장치의 제 1 의 사례에서는 질화처리에 방전현상을 이용할 수가 있다.
즉, 제 1 의 사례에서는 피막층을 형성한 피처리재료인 금속의 표면을 기체 또는 액체질소중에서 글로방전, 코로나방전, 무성방전, 간헐펄스아크방전 또는 고주파교류아크방전에 의해 질화한다.
따라서, 상기 한 효과에 더해 피복표면의 표층부분이 가장 좋게 질화되고, 내부로 들어갈수록 질화의 정도는 감소하는, 소위 경사성을 갖는 질화상태가 된다.
따라서, 피처리체표면에 외력이 가해지거나, 열이 가해진 경우에, 이런 경사구조를 갖는 피복층이 응력 또는 열응력을 와화해서 모재에 전하므로, 피복층의 발리발생이나 균열발생이 일어나기 힘들고, 응력이나 열응력의 완화에 유리해진다.
또, 피복충내지 개질재료는 모재에의 확산이 꽤 견고하게되므로, 방전피복층을 피처리층에 두껍게 해도 박리가 생기지 않는다.
그리고, 체적팽창이 생겨 방전피복처리의 상태보다도 잔류응력이 압축층에 이동한다.
따라서, 통상방전가공표면 및 방전피복표면에는 인장응력을 방생하고있으나, 질화에 의해 한번 용융한 것이 응고하고, 잔류응력이 압축측으로 이행하므로 크랙을 발생시키지 않게 된다.
상기 실시의 형태의 방전표면처리방법 및 그 장치의 제 2 의 사례에서는 피복처리재료인 금속표면에 피복층을 형성한 후의 질화는 피처리재료를 500℃이상으로 가열하고, 질소가스, 암모니아가스의 어느 것인가를 피처리재료표면에 공급해서 실시할 수가 있다.
따라서, 제 2 의 사례는 상기와 같이 초경합금, 어느 종류의고속강 같은 것에 호적한 것이된다.
또, 제 2 의 사례는, 제 1 의 사례와 같은 효과를 갖는다.
즉, 질화는 경사성을 갖고, 또 피복층은 모재에의 확산이 상당히 견고하게 된다.
또, 잔류응력이 압축측으로 이동한다.
상기 실시의 형태의 방전표면처리방법 및 그 장치의 제 3 의 사례는, 피처리재료인 금속표면에 피복층을 형성한 후의 질화를 질화반율을 발생하는 ICcN등의 용융염중에 상기 피처리재료를 침지해서 질화할 수가 있다.
제 3 의 사례는 상술한 효과를 갖는다.
또, 반응을 빨리 하기 위해서는, 용융염욕중에서, 방전피복처리를 한 것을 양극으로해 전기분해를 할 수도 있다.
제 3 의 사례도 제 1 의 사례와 같은 효과를 갖는다.
즉, 질화는 경사를 갖고, 또 피복층을 모재로의 확산이 꽤 견고하게 된다.
또, 잔류응력이 압축측으로 이동한다.
상기 실시의 형태의 방전표면처리방법 및 그 장치의 제 4 의 사례는 피처리재료인 금속표면에 피복층을 형성한 후의 질화를 KCN, NccN등의 시인화물의 수용액중에서 방전처리한 상기 피처리재료를 양극으로해서 전기분해를 할 수가 있다.
제 4 의 사례는 상술한 효과를 갖는다.
또, 제 4 의 사례도 제 1 의 사례와 같은 효과를 나타낸다.
즉, 질화는 경사성을 갖고, 또 피복층은 모재에의 확산이 상당히 견고하게 된다.
또, 잔류응력이 압축측으로 이동한다.
상기 실시의 형태의 방전표변처리방법 및 그 장치의 제 5 의 사례는 상기 피처리재료인 금속표면에 피복층을 형성한 후의 질화를 질소가스를 상기 피처리재료의 표면에 공급하면서, 레이저조사를 실시할 수가 있다.
제 5 의 사례는 상기의 효과를 갖는다.
또, 제 5 의 사례도 제 1 의 사례와 같은 효과를 갖는다.
즉, 질화는 경사성을 갖고, 또 피복층은 모재에의 확산이 상당히 견고하게 된다.
또, 잔류응력의 압축측으로 이동한다.
상기 실시의 형태의 방전표면처리방법 및 그의 장치의 제 6 의 사례는, 피처리재료인 금속표면에 피복층을 형성한 후의 질화를 아래와 같이 실시할 수 있다.
즉, 미세한 다이아몬드숫돌 또는 다이아몬드유리숫돌입자 기타 경도가 높은 숫돌, 숫돌입자에 의해 방전피막표면의 「연마다듬질」을 한 후, 질화를 할 수가 있다.
방전가공면 그대로이면 질소가 침입하기 힘이드나, 연마의 방법 및 그 장치로 표면을 연마한 후, 질화처리를 하고 있으므로, 질소가 연마표면층에 침입하기 쉬워지고, 담금질처리를 해도, 담금질조직이 작업의 고온에 의해 쉽게 되돌아 가지 않는다.
상기 실시의 형태의 방전표면처리방법 및 그 장치의 제 7 의 사례에서는, 피처리재료인 금속표면에 피막층을 형성한 후의 질화를 아래와 같이 할 수가 있다.
즉, 피처리재료를 칼날끝을 마모한 공구로보곡, 상기 칼날끝의 마모부분건보다도 두껍게 피복층을 형성하고, 그 피복층을 포함하는 날끝형상을 정형하고, 그후 질화를 할 수가 있다.
환언하면, 날끝의 경도가 증가하기 전, 즉 질화에 의해 날끝의 경도를 증가하기전에 날끝을 예리하게 형성하는 것이므로, 날끝의 조정이 용이하다.
실시의 형태 4
본 발명자등은 TiH2를 주체로 한 압분체 전극에 의한 유중방번에 의해 피처리체를 표면처리하는 실험을 해오고 있으나, 방전에 의한 가공액의 분해카본과 Ti의 결합에 의한 TiC를 다량으로 포함하는 고경도로 높은 밀착력의 피복층을 실현하고 있다.
이 표면 거칠기는 초경합금상으로 6㎛R, 철강등의 강재상에서 9㎛Rz가 얻어져 있고, WC-Co의 압분체 전극에 의한 가공면이나, 공지의 용사표면등에 비하면 상당히 양호한 다듬질면을 갖고 있다.
그러나, 절삭공구표면 또는 냉간단조형공구표면에 요망되는 1㎛Rz정도의 다듬질면 거칠기에는 달하고 있지 않는다.
그래서, 연삭기술과 질화기술을 복합병용한 것이 이 실시의 형태 4의 발명이고, 이하 이 실시의 형태를 도면과 함께 설명한다.
우선, 탄화해서 경화하는 성질을 갖는 금속, 예를들면 TiHz의 수소화금속을 압축성형하므로서 압분체전극을 구성하고 피처리체인 강재나, WC-Co의 소결체의 초경합금을 방전에 의해 탄소가 분해하는 가공액, 예를들면 유중에서 방전가공하고, 피처리체의 표면에 전극재료의 탄화물을 피복한다.
그후 도 5에 예시하도록 피처리체에 설치된 방전처리면을 예를들면 공구로 기계적으로 연마한다.
즉, 도 5는 실시의 형태 4를 설명하는 것으로, 이 도 5에서, 401은 피처리체인 모재, 402는 모재(401)의 표면에 실시된 방전처리면, 403은 기계적으로 연마하기 위한 공구인 환봉을 표시하고 있다.
이 환봉(403)의 표면에는 기름으로 혼련한 입자직경 1∼3㎛정도의 다이아몬드페이스트가 도포되어 있고, 이 환봉(403)에 의해 모재(401)의 표면에 설치된 방전처리면을 기계적으로 연마한다.
또 이 실시형태에서는 연마시간을 10분간으로 하고, 다음조건으로 유중방전가공을 실시하였다.
전 극 : 수소화티탄(TiH2)의 압분체
전극성 : 마이너스
방전전류치 Ip :8A
펄스폭 T on : 2㎲
휴지시간 T off : 255㎲
가공시간 : 5min
피처리체 : 텅스텐 카바이트-코발트(WC-Co) 및 특수공구강(SKD - 11)
다음 연마된 모재(401)에 질화처리를 한다.
도 6은 질화처리장치의 개략구성을 표시하는 도면으로 이 도 6에 있어서 420은 광체이고, 모재(401)을 수납한다.
421은 광체(420)내에 수납되는 제 1 수납용기로, 액체질소를 수용하고 있다.
422는 모재(401)를 가열하는 가열기로, 광체(420)의 외부에 배치되는 제 2 수납용기로, 액체질소를 수용한다.
424는 제 2 수용용기(423)으로부터 액체질소를 광체(420)내에 인도하는 관로를 표시하고 있다.
또, 처음에 액체질소를 제 1 수납용기(421)에 넣고, 광체(420)층을 질소로 충분히 채우는 것을, 모재(401)의 산화를 방지하기 때문이다.
도 7은 본 발명의 실시의 형태 4의 질화처리를 포함하는 다른 종류의 처리에 의한 피처리체의 다듬질멸의 거칠기를 표시한다.
도 8은 본 발명의 실시의 형태 4의 질화처리를 포함하는 다른 종류의 처리에 의한 피처리체의 표면경도를 표시한다.
상기 장치를 사용해서, 다음과 같이 모재의 질화처리를 하였다.
광체(420)의 내부온도를 약 500℃로하고, 10분간의 질화처리를 실시한 결과, 다듬질면의 거칠기 및 표면경도는 도 7, 도 8에 표시한 대로되었다.
도 7에서 좌단의 헤칭 및 크로스헤칭한 한쌍의 봉선은, TiH2압분체 전극에 의해 방전가공된 제 1 의 모재에 대해 계측한 다듬질면의 거칠기를 표시한다.
다음의 한쌍의 봉선은, 제 1 의 모재를 질화처리한 제 2 의 모재에 대해 계측한 다듬질면의 거칠기를 표시한다.
제 3 의 한쌍의 봉선은, TiH2압분체 전극에서 처리한 표면을 다시 연마한 제 3 의 모재에 대해 계측한 다듬질면의 거칠기를 표시한다.
제 4 의 한쌍의 봉선은, 제 3 의 모재를 질화처리한 제 4 의 모재에 대해 계측한 다듬질면의 거칠기를 표시한다.
피복층을 갖는 미연마의 피처리체에서는, 어느것이나 질화처리전후에서 다듬질면의 거칠기의 차이내지 변화는 없다.
피복층가지며, 또 연마한 피처리체에서도 어느것이나, 질화처리의 전후에서 다듬질면의 거칠기의차이 내지 변화는 없다.
피복층을 갖고, 또 연마한 피처리체라도 어느것이나 질화처리전후에서 다듬질면 거칠기의차이 내지 변화는 없다.
또 사용한 모재는 WC-Co초경합금(헤칭한 봉선)과 강재 SKD-11(크로스헤칭한 봉선)이다.
또, 도 8의 질화처리전후의 경도변화를 표시하는 도면에서 명백한 바와같이 TiH2처리(미연마)한 것을 질화처리하므로서, 경도가 증가한다.
즉, 초경합금이 코팅한 것으로 비커스경도 Hv 1450에서 비커스경도 Hv 1700이 되고, 강재로 비커스경도 Hv 1050에서 비커스 경도 Hv 1300이 되어 있는 것을 알 수 있다.
또, 질화처리에 의한 경도 상승은 확실하다.
피복처리면을 연마하고, 질화처리하지 않은 경우, 경도는 저하한다.
즉, 초경합금에 피복처리한 것으로 비커스경도 Hv 1450이 비커스경도 1300에 또, 강재에 피복처리한 것으로 비커스경도 Hv 1050이 비커스경도 Hv 500으로 저하하고 있다.
이들을 질화처리한 것은, 초경합금에 피복처리한 것으로 비커스경도 Hv 1450, 강재에 피복처리한 것으로 비커스경도 Hv 950으로 경도가 향상되어 있다.
이는 모재경도보다 충분히 경도가 높은 것을 알 수 있다.
그러나, 코팅해서 미연마상태를 질화처리한 것에 비하면 각각 비커스경도 Hv 300정도 낮다.
이는 표면층의 Ti성분이 많아 TiC성분이 적은 부분이 제거된 때문으로 상상하고 있으나, TiH2로 피복처리한 것과 비교해 경도의 점에서는 손색이 없다.
또, 다듬질면의 거칠기는 분명히 향상되어 있고, 질화에 의한 경도상승에 의해 그 내마모성이 높은 것도 기대된다.
다음 마모시험에 대해 설명한다.
대월식 핀 디스크마모 시험결과에서도, 피복연마 및 질화처리를 한 초계합금에서는, 마모량이 TiH2압분체 전극에서 방전 피복정리한 초경합금보다도 월등히 적고 1/10정도이다.
또, 마모시험의 조건은 다음과 같다.
핀 형상 : 7.98 ㎜ψ(0.5㎠)
압압력 : 0.5㎏f 따라서 압부압력 1㎏f/㎠
마찰속도 : 1㎧ : 디스크 재 : SK-3
분위기 : 대기중
마모량 : 25㎞중행에서의 마모중량
초경합금 그대로 방전 표면처리하지 않음 : 2㎎
초경합금에 의한 금속전극에서 방전처리 : 0.7㎎
초경에 수소화 타탄의 압분분체 전극으로 방전처리 : 0.1㎎
초경합금에 수소화타탄의 압분체 전극으로 방전처리→연삭→질화→ : 미소로해서 계량이 불가하고 0.01㎎정도.
질화처리장치에 의한 경도상승이, 질소가스를 혼입한 때문인지, 또는 단순히 가열때문인지를 확인하기 위해 질화처리와 동일조건(온도:500℃, 대기압)에 의한 공기중 가열처리를 시도하였다.
이 결과, 경도는 저하된 것이 확인되었다.
이는 TiC등이 산화되고, 약한 TiO(아산화티탄), TiO2등으로 변화한 때문이라고 생각된다.
즉, 모재경도보다 저하해 있는 것은 표면에 피복된 TiC+Ti층이 산화해서 TiO2로 변화하고, 모재경도의 변화는 없더라도, 낮은 경도의표면층이 표면형성되게 된다.
아하, 본 실시의 형태 4의 작용효과에 대해 설명한다.
우선, 방전처리표면을 기계적 연마에 의해 평활화한 후, 질화처리를 하는 경우에 발생하는 표면의 상태를 설명한다.
도 9는 Ti의 압분체전극에 의해 모재를 유중에서 방전가공한 경우, 모재의 표면에서 피복층내부에 거치는 단면의 경도 변화를 표시하는 것으로, 비커스경도 Hv 300정도의 모재표면에 Ti의 압분체전극에 의해 유중방전을 한 것이다.
도면 중, Vtic이라는 것은 Ti가 기름의 분해에 의해 생성되는 C와 결합해서 TiC가 된 것이나, TiC/Ti의 방전처리표면에서의 체적비이고, 이 체적비는, 방전전류펄스폭, 방전시간, 가공액인 기름의 공급상태를 제어하므로서 증감할 수 있는 것이다.
또, 비커스경도 Hv는 하중 0.01㎏(10gm)에 의한 측정치이다.
이와같이, 모재표면의 경도가 높고, 내부에 들어감에 따라, 내부로 들어감에 따라, TiC가 감소하고, Ti의 비율이 증가하는 것을 의미한다.
따라서, 다이아몬드 저립같은 것으로 모재표면을 연마한다는 것은, 모재표면을 평활화하는 되나, 표면경도를 일단감소시키게 된다.
그러나, 그 상태에서 질화처리를 하면, 잔존의 Ti는 Tiv가 되고, TiC는 TiCN이 되기 때문에, 도 8에 표시하는 바와같이 다시 경도는 상승된다.
또, 도 7에 명세한 바와같이 다듬질면 거칠기에는 질화처리에 의한 변화는 없다.
다음, 도 10(a)∼(d)에 모재의 방전처리표면의 연마전과 연마후의 프로필을 표시한 바와같이, 방전전기조건(방전전류 Ip=7A,펄스폭 Ton=2㎲)를 작게해서 단시간의 방전을 하였다.
이 예의 경우(피복을 얇게 하고 싶을때)에는, 처리층의 요철의 산부분을 모재보다도 충분히 돌출하고 있으나, 골의 부분은 모재 표면보다도 내부에 들어가 있는 경우가 있다.
이는 압분체전극의 성분 Ti가 방전에 의해 모재표면에 충돌할 때에 가공작용을 주반하기 위해 모재에 잡아 넣은 것이다.(이 때문에 밀착성은 높다).
이것은, 모재의 경도가 높은경우(예를들어 초경합금)쪽이 경도가 낮은경우(예를들어 강재)보다도 모재에 파고드는 깊이가 적은 것으로도 할 수 있다.
따라서, 방전처리표면보다도 모재내부에 들어가지 않을 정도로 기계적연마를 하면, 방전피복층은 남게되어, 이를 증명하는 것으로서, 모재의 표면가까이까지 기계적 연마를 한 것을 질화처리한 결과, 도 8에서 아는 바와같이 표면경도는 충분히 향상하고 있다.
다음에, 방전표면처리 후의 질화처리에 의한 표면상태에 대해 설명한다.
방전처리표면을 질화하는데는 다음과 같은 중요한 의의가 있다.
(1) 방전가공표면이 용융과 급속냉각을 하기 때문에, 표면은 인장응력이 잔류하는 것이 널리 알려져 있고, 방전처리 후의 모재를 질화하면, 단지 경도가 상승할 뿐 아니라, 질소의 침입에 의해 체적팽창을 일으켜, 인장잔류응력을 경감하고, 경우에 따라서는 압축응력측으로 이행한다.
이 때문에 내마모성이 증대한다.
(2) Ti의 압분체전극에 의해, 방전처리한 절삭공구나 소정가공의 금형을 질화처리하므로서, 피가공물인 철과의 친화성이 감소하고, 응착에 의한 마모마감소하고, 내마모성을 증대하는 효과가 있다.
(3) 또 상술한대로, 질화에 의해 표면의 거칠기는 전혀 변화하지 않으므로, 질화전에 다듬질한 가공면 거칠기가 유지된다.
즉, 양호한 다듬질면하에서 내마모성을 향상시킬 수가 있다.(도 7 참조)
다음에 도 11에 의해 방전표면처리후에 연마를 하고, 다시 그 후에 질화한 모재표면의구조개념에 대해 설명한다.
가공시간의 제약이나, 치수상의 제약등에 의해, 방전표면처리층이 충분히 두껍게 할 수 없는 경우의 표면구조는 전체가 평할하게 되는 것이 아니고, 도 11에 표시하는 바와같이, 요부를 남겨둔 채로의 평활면이 된다.
이는 다듬질면의 거칠기를 측정하며, 반드시 양호한 것이 되지는 않으나, 마찰 계수가 작은 것이 구해진다던가, 내마모성이 구해지는 경우에는, 부하 하중을 크게 취할수 있는 표면이고, 요부는 윤활제의 기름홈의 작용을 하므로, 도리어 좋은 결과가 된다.
다음, 피복층의 X선 회석측정 및 성분분석에 대해 실험하였던바, X선 회석측정에 의해, TiH2의 압분체 전극에 의한 가공면을 연삭한 후, 질화한 것의 표면을 X선 회석에 의해 분석한 결과, TiCN,TCN가 존재해 있는 것이 확인되었다.
상기 제 4 의 실시형태에서는 TiH2의 압분체 전극에 의해 방전처리한 모재의 방전처리면을 표면에 다이아몬드페이스트를 도포한 환봉으로 연마하는 예를 도시설명하였으나, 수동운동, 회전운동, 초음파진동등에 의한 기계적연마, 또는 전해연삭등의 전기화학적 작용을 병용한 표면연마이면 어떤 수단이라도 좋은 것은 물론이다.
실시의 형태 5
다음, 실시 형태 5에 대해 설명한다.
이 발명의 용도의 하나로서 TiN나 Ti(AℓN)를 코팅한 앤드밀이나 드링의 재코팅처리가 있다.
이 경우, 마모된 부분을 제거하기 위해, 다이아몬드 필등에 의해 재연마를 하여 코팅처리를 할 필요가 있다.
이 재연마를 필요로 하지 않는 방전처리방법에 대해 설명한다.
도 12는 방전에 의한 표면피복층을 두껍게 부친 경우의 모재처리면 성상을 표시하는 것이고, 먼저 기술한 도 10(a)∼(d)의 경우는, 방전전류 Ip=7A, 방전펄스폭 Ton=2㎲이나, 도 12의 경우는 방전전류 Ip=7A,방전펄스폭 Ton=16㎲로 한 경우이다.
이 도 12에서 아는 바와같이, 10분정도로 20㎛이상의 두게로 쉽게 피복할 수 있으므로, 절삭에 의한 통상정도의 공구마모부분은, 보수할 수가 있다.
또, 방전펄스 To를 32㎲정도로 길게하면, 100㎛정도의 두께에는 쉽게 도달한다.
이 경우의 다듬질거칠기는 20㎛정도로 조악해지나, 이것을 다이아몬드필등으로 연삭하고, 공구날끝 형상을 형성하는 동시에 다듬질면의 거칠기도 절삭공구면으로서 필요한 1㎛Rmax정도로 다듬질한다.
그 후에 질화를 한다.
이와같이 방전연삭하면, 절삭공구가 현저하게 큰 손상을 일으키지 않는 한, 재연마의 번거러움과 재연마에 의한 절삭공구자체의 치수감소를 발생시키지 않고, 재코팅을 할 수가 있다.
재연마에 의한 공구치수의 감소는 공구의 재연마회수에 한계를 주는 것이다.
도 13은 절삭공구의 마모형태를 표시하는 도면이다.
재연마의 경우에는, 마모부분을 제거하기 위해서는 공구모재의 토대가 되는 부분까지 제거할 필요가 있고, 연삭제거량도 대단히 커진다.
방전표면처리에 의해 매립하도록 보수하면, 제거량도 적고, 공구사용회수도 각별히 신장하게 된다.
또, 도 13과 같이, 절삭공구가 크게 마모되었을 때는 단지 그 위에서 압분체 전극으로 방전을 해도, 표면의 철부에만 방전이 되어, 따라서 피복층은 단지 칠부에만 높게 퇴적하므로, 형상수정은 곤란한 경우가 있다.
이 때에는 전극회전 또는 요동운동을 가해서 가공하면, 철부에 퇴적한 피복개소는 가로방향으로부터 이동하는 전극과 방전하므로서 제거되고, 점점요부도 메워지게 된다.
그래도 매립이 불충분한 경우에는 압분체성분을 아랄다이트같은 접착작용이 있는 것에 혼련해서 요부를 포함해 표면에 도포하고, 그 위에서 압분체전극 또는 경우에 따라서는 통상 방전가공에 사용되는 동, 그래파이트 또는 텅스텐-은 등의 전극에서 방전가공을 하면, 다듬질면의 거칠기는 양호하지 않으나, 매립가공은 가능해 진다.
그 위에서 질화처리를 한다.
이 방법은 단지 절삭공구의 손상개소의 수정가공 뿐 아니라, 금속이나 베어링 부분의 수정가공으로도 사용할 수 있고, 모든 공업분야에서 응용할 수 있다.
다음에, 방전처리에 의한 날끝의 둔화와 그 수정방법에 대해 설명한다.
방전표면처리를 공구 날끝등의 첨예한 부분에 대해 하는 경우에 날끝을 둔화하기 쉬운 경향을 갖고 있으나, 그 이유는 TiH2의 압분체같은 전극으로 가공해도 첨예한 날끝은 전위경도가 높기 때문에, 그곳으로 방전이 집중하고 그 때문에 둔화되기 쉽다.
둔화를 수정하는 방법은, 날끝을 충분히 포함하는4데는 충분한 두께로 방전 피복을 해서, 그 후 연마수단에 의해 연삭작업에 대해 바람직한 형태로 날끝형상 및 다듬질면을 다듬질한 후, 질화 처리를 한다.
질화장치에 대해서는 도 6에 표시하였으나, 이 외의 실시형태로서 다음과 같은 것을 들 수가 있다.
납땜인두의 가열장치와 같이, 니크롬선으로 코일을 감고, 예를들면 앤드밀, 드릴과 같은 것의 가열부분을 코일내에 둔다.
이것을 질소분위기중에 두고 통전하면 쉽게 500∼600℃정도로 될 수 있다.
질화는 300℃정도이상에서 실시되므로, 니크롬선으로 코일내장착열로도 충분하다.
또, 질화해야할 부분에 질소가스를 흘리면서 레이저광(Co2, YAG 어느 것이나 무방)을 조사해서 부분질화를 해도 된다.
도 14는 본 발명의 실시의 형태 6의 표면처리에서의 피복재료의 경도와 마모량관계를 표시한다.
실시의 형태 6은 질소분위기의 조정에 의한 질화티단(TiZN)의 생성을 설명하는 것이다.
도 14에 표시한 바와같이 절삭공구의 마모량은 아질화티탄(TiN)보다도 Ti2N쪽이 적은 것이 알려져 있다.
그래서 질화처리에서도 대기중에서 질소의 분압을 저하시키지 않기위해 알곤가스와 질소가스를 혼합한 것을 사용한 결과, Ti2N의 생성이 인정되고, 내마모성이 향상되었다.
또, 그 실시조건은 대기압에서의 용량비로, 알곤가스:질소가스=70:30으로 하였다.
이상과 같이, 청구항 1에 기재한 방전표면처리방법은, 피처리재료가 강재인가 초경합금인가를 불문하고, 금속표면에 양호하고 경질인 개질층을 형성할 수가 있다.
청구항 2에 기재한 방전표면처리방법은, 강재 또는 초경합금의 표면에 양호한 다듬질면 거칠기를 얻는 동시에 강인한 내마모성을 갖는 표면층을 형성할 수가 있다.
청구항 3에 기재한 방전표면처리장치는, 피처리재료가 강재인가 초경합금인가를 불문하고, 금속표면에 양호하고 경질인 개질층을 형성할 수가 있다.

Claims (3)

  1. 전극과 피처리재료인 금속사이에 전압을 인가해서 그 사이에 방전을 발생시키므로서, 상기 피처리재료인 금속표면에 피복층을 형성하는 방전표면처리방법에 있어서, 상기 피처리재료의 표면에 상기 피복층을 형성하고, 그후 질화처리를 하는 것을 특징으로 하는 방전표면처리방법.
  2. 탄화해서 경화하는 금속분말을 압축성형해서 방전가공용 전극으로 하고, 방전에 의해 탄소가 분해하는 가공액주엥서 피처리체를 방전표면처리하고, 그후 상기 피처리체의 표면을 연삭하고, 다시 그후에 상기 피처리체를 질화처리하는 것을 특징으로 하는 방전 표면처리방법.
  3. 전극과, 피처리재료인 금속과의 사이에 전압을 인가해서 그 사이에 방전을 발생시키므로서, 상기 피처리재료인 금속표면에 피복층을 형성하는 방전 표면처리방치에서, 상기 전극과 피처리재료사이에 방전을 시켜 상기 피처리재료의 표면에 피복층을 형성하는 방전장치와, 상기 피복층을 질화처리하는 질화처리장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 방전 표면처리장치.
KR1019980020668A 1997-06-04 1998-06-03 방전표면처리방법및방전표면처리장치 KR100285071B1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP97-146893 1997-06-04
JP14689397A JP3544823B2 (ja) 1997-06-04 1997-06-04 放電表面処理方法及び放電表面処理装置
JP15196897A JP3627784B2 (ja) 1997-06-10 1997-06-10 放電表面処理方法
JP97-151968 1997-06-10

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR19990006662A KR19990006662A (ko) 1999-01-25
KR100285071B1 true KR100285071B1 (ko) 2001-03-15

Family

ID=26477592

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019980020668A KR100285071B1 (ko) 1997-06-04 1998-06-03 방전표면처리방법및방전표면처리장치

Country Status (5)

Country Link
US (1) US6086684A (ko)
KR (1) KR100285071B1 (ko)
CH (1) CH693272A5 (ko)
DE (1) DE19825054B4 (ko)
TW (1) TW387829B (ko)

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3595263B2 (ja) 1998-03-16 2004-12-02 三菱電機株式会社 放電表面処理方法およびその方法を実施する装置並びに電極
CN1196811C (zh) * 1998-05-08 2005-04-13 三菱电机株式会社 放电表面处理装置
DE19981060T1 (de) * 1998-05-13 2000-08-03 Mitsubishi Electric Corp Elektrode für eine Entladungsoberflächenbehandlung, Herstellungsverfahren dafür, Entladungsoberflächenbehandlungsverfahren und Vorrichtung dafür
US6348668B1 (en) * 1998-05-13 2002-02-19 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Method and apparatus for treating surface of tool
JP3609429B2 (ja) * 1998-05-13 2005-01-12 三菱電機株式会社 放電表面処理用圧粉体電極及びその製造方法、並びに放電表面処理方法及び装置、並びに放電表面処理用圧粉体電極のリサイクル方法
CH694156A5 (de) * 1998-11-13 2004-08-13 Mitsubishi Electric Corp Elektrode, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung zur Oberflaechenbearbeitung einer Form mittels elektrischer Entladung.
US6935917B1 (en) * 1999-07-16 2005-08-30 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Discharge surface treating electrode and production method thereof
SE9903780L (sv) * 1999-10-20 2001-04-21 Duroc Ab Förfarande för framställning av föremål av metallmaterial och föremål framställda med detta förfarande
KR100354864B1 (ko) * 2000-08-22 2002-10-05 강신일 미세방전가공용 방전전극의 제조방법
US6921877B2 (en) * 2000-08-29 2005-07-26 Tai-I Electron Machining Co., Ltd. EDM drill
JP2002363770A (ja) * 2001-06-06 2002-12-18 Exedy Corp ダイヤフラムスプリングの支点部分及びそれと摺動する板材の表面処理方法
US9284647B2 (en) * 2002-09-24 2016-03-15 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Method for coating sliding surface of high-temperature member, high-temperature member and electrode for electro-discharge surface treatment
JP4307444B2 (ja) * 2002-09-24 2009-08-05 株式会社Ｉｈｉ 高温部材の擦動面のコーティング方法および高温部材と放電表面処理用電極
EP1550741A4 (en) * 2002-10-09 2011-05-25 Ihi Corp ROTOR AND COATING PROCESS FOR THE SAME
BRPI0411115A (pt) * 2003-06-10 2006-07-18 Mitsubishi Electric Corp eletrodo de descarga para tratamento superficial e método de avaliação do mesmo, e método de descarga para tratamento superficial
WO2004111302A1 (ja) * 2003-06-11 2004-12-23 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha 放電表面処理方法および放電表面処理装置
RU2365677C2 (ru) * 2005-03-09 2009-08-27 АйЭйчАй КОРПОРЕЙШН Способ обработки поверхности и способ ремонта
US8592711B2 (en) * 2009-10-01 2013-11-26 George H. Lambert Apparatus and method of electronically impregnating a wear-resistant cutting edge
US8961711B2 (en) * 2010-05-24 2015-02-24 Air Products And Chemicals, Inc. Method and apparatus for nitriding metal articles
JP6002209B2 (ja) * 2012-03-29 2016-10-05 イビデン株式会社 押出成形用金型の製造方法
TWI616256B (zh) * 2015-05-27 2018-03-01 遠東科技大學 結合氮化處理之放電加工處理方法
FR3084546B1 (fr) * 2018-07-24 2021-11-05 Adm28 S Ar L Dispositif de decharge electrique impulsionnelle
US10994379B2 (en) 2019-01-04 2021-05-04 George H. Lambert Laser deposition process for a self sharpening knife cutting edge

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5278722A (en) * 1975-12-26 1977-07-02 Hitachi Ltd Surface hardening of steel
JPS62130270A (ja) * 1985-11-29 1987-06-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd セラミツクコ−テイング法
PL147547B1 (en) * 1986-06-04 1989-06-30 Method of producing superficial layers on heat-resisting and stainless steels in particular austenitic ones
JP2584626B2 (ja) * 1987-04-02 1997-02-26 ペルメレツク電極株式会社 着色チタン材の製造方法
JPH01177357A (ja) * 1988-01-06 1989-07-13 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 金属の表面硬化方法
JPH06182626A (ja) * 1992-12-17 1994-07-05 Hitachi Ltd 高耐食性表面処理方法
JP3002621B2 (ja) * 1993-10-15 2000-01-24 尚武 毛利 放電加工による表面処理方法およびその装置
JP3537939B2 (ja) * 1996-01-17 2004-06-14 独立行政法人 科学技術振興機構 液中放電による表面処理方法

Also Published As

Publication number Publication date
TW387829B (en) 2000-04-21
CH693272A5 (fr) 2003-05-15
DE19825054A1 (de) 1998-12-10
KR19990006662A (ko) 1999-01-25
DE19825054B4 (de) 2004-02-19
US6086684A (en) 2000-07-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100285071B1 (ko) 방전표면처리방법및방전표면처리장치
Prakash et al. Multi-objective optimization of powder mixed electric discharge machining parameters for fabrication of biocompatible layer on β-Ti alloy using NSGA-II coupled with Taguchi based response surface methodology
Bloyce et al. Surface engineering of titanium and titanium alloys
US8951402B2 (en) Ultra-fast boriding of metal surfaces for improved properties
JP3537939B2 (ja) 液中放電による表面処理方法
US8377339B2 (en) Electrode for electric discharge surface treatment, method of electric discharge surface treatment, and apparatus for electric discharge surface treatment
US5858479A (en) Surface treating method by electric discharge
JPH07197275A (ja) 液中放電による金属材料の表面処理方法
Gill et al. Investigation of micro-hardness in electrical discharge alloying of En31 tool steel with Cu–W powder metallurgy electrode
Uno et al. Surface modification of EDMed surface with powder mixed fluid
Belkin et al. Plasma electrolytic boriding of steels and titanium alloys
JP3627784B2 (ja) 放電表面処理方法
Arun et al. Synthesis of electrical discharge metal matrix composite coating through compacted semi-sintered electrode and its tribological studies
US20060090997A1 (en) Discharge surface-treatment method and discharge surface-treatment apparatus
JP3595263B2 (ja) 放電表面処理方法およびその方法を実施する装置並びに電極
JP3544823B2 (ja) 放電表面処理方法及び放電表面処理装置
JP3627088B2 (ja) 放電表面処理方法およびその方法により形成される被処理体
Kostadinov et al. Geometric characteristics, composition and structure of coatings of WC-TIB2-B4C-NI-CR-B-SI-C electrodes formed on 3D printing titanium and steels by contactless electrospark deposition
JP3562298B2 (ja) 放電表面処理装置
Yilbas et al. Laser Assisted Nitriding of Ti‐6Al‐4V Alloy: Metallurgical and Electrochemical Properties
JPH10225824A (ja) 放電表面処理方法及びその処理装置
Radek et al. Properties of electro-spark coatings deposited on the steel substrate using the tungsten carbide-ceramic electrodes
Penyashki et al. Characteristics, composition and structure of coatings of WC-TiB 2-B 4 C-Ni-Cr-B-Si-C electrodes formed on titanium alloys by contactless electrospark deposition
Ndaliman et al. Electro-Discharge Machining of Ti-6Al-4V alloy using Cu-TaC compact electrode with urea dielectric: Reactions and their effects on the machined surface
Mediukh et al. Investigation of structure formation and tribotechnical properties of steel plasma coatings after chemical-heat treatment and liquid-phase impregnation

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20041227

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee