KR20050026525A - 방전표면 처리용 전극과 방전표면 처리방법 및 방전표면처리장치 - Google Patents

방전표면 처리용 전극과 방전표면 처리방법 및 방전표면처리장치 Download PDF

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KR20050026525A
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고토아키히로
아키요시마사오
오치아이히로유키
와타나베미쓰토시
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
이시카와지마-하리마 주고교 가부시키가이샤
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Abstract

액 중 펄스방전처리에 의한 코팅에 의해 후막의 형성을 행하기 위해, 전극재료로서 탄화물을 형성하지 않는 금속재료 또는 형성하기 어려운 금속재료를 40체적% 이상 전극 중에 포함하게 한다.

Description

방전표면 처리용 전극과 방전표면 처리방법 및 방전표면 처리장치{ELECTRODE FOR ELECTRIC DISCHARGE SURFACE TREATMENT, ELECTRIC DISCHARGE SURFACE TREATMENT METHOD AND ELECTRIC DISCHARGE SURFACE TREATMENT APPARATUS}
본 발명은, 금속분말, 금속화합물의 분말, 혹은, 세라믹의 분말을 압축성형한 압분체 등을 전극으로서, 이 전극과 워크와의 사이에 펄스형의 방전을 발생시켜, 그 방전 에너지에 의해 전극재료의 피막을 워크 표면에 형성하고 또는 방전 에너지에 의해 전극재료가 반응한 물질의 피막을 워크 표면에 형성하는 방전표면 처리용 전극과 방전표면 처리방법 및 방전표면 처리장치에 관한 것이다.
액 중 방전가공법에 의해 금속재료의 표면을 코팅하고, 내식성, 내마모성을 높이는 기술은, 이미 공지되어 있다. 그 기술의 일례로서는, 다음과 같은 것이 있다.
예를 들면, WC(텅스텐 카바이드)과 Co의 분말을 혼합해서 압축성형한 전극에서 액 중 펄스방전을 행함으로써 이 전극재료를 워크에 퇴적시키고, 이 후, 다른 전극(예를 들면 구리전극, 흑연전극)에 의해, 재용융 방전가공을 행하고, 보다 높은 경도와 높은 밀착력을 얻는 방법이 개시되어 있다(특허문헌 1 참조). 즉, WC-Co의 혼합압 분체전극을 사용하여, 워크(모재 S50C)에 액 중에 방전가공을 행하고, WC -Co를 워크에 퇴적시켜(1차 가공), 다음에 구리전극과 같은 그 만큼 소모하지 않는 전극에 의해 재용융 가공(2차 가공)을 행한다. 이 결과, 1차 가공인 상태에서는, 퇴적 조직은 경도(비커스 경도 Hv)도 Hv=1410 정도이고, 또한 공동도 많았지만, 2 차 가공의 재용융 가공에 의해 피복층의 공동이 없어지고, 경도도 Hv=1750으로 향상하고 있다. 이 방법에 의해, 워크인 강재에 대해서는 단단하고 더욱 밀착도가 좋은 피복층을 얻을 수 있다.
그런데, 전술한 방법에서는, 워크로서 초경합금과 같은 소결 재료의 표면에 강고한 밀착력을 가진 피복층을 형성하는 것은 곤란하다. 이 점에 관한 것으로, 본 발명자들의 연구에 의하면, 경질탄화물을 형성하는 Ti 등의 재료를 전극으로서, 워크와의 사이에 방전을 발생시키면, 재용융의 과정 없이 강고한 경질막을 워크의 금속 표면에 형성할 수 있는 것을 알았다. 이것은, 방전에 의해 소모한 전극재료와 가공액 중의 성분인 탄소 C가 반응해서 TiC가 생성하는 것에 의한 것이다.
또한, TiH2(수소화 티타늄) 등, 금속의 수소화물의 압분체를 전극으로서, 워크와의 사이에 방전을 발생시키면, Ti 등의 재료를 사용하는 경우보다도, 빠르고, 그리고 밀착성 좋게, 경질막을 형성할 수 있는 기술이 개시되어 있다(특허문헌 2 참조). 그 위에는, TiH2(수소화 티타늄) 등의 수소화물에 다른 금속이나 세라믹을 혼합한 압분체를 전극으로서, 워크와의 사이에 방전을 발생시키면 경도, 내마모성 등 여러가지 성질을 가진 경질피막을 재빠르게 형성할 수 있는 기술도 개시되어 있다.
또한, 다른 기술로서, 예비소결에 의해 강도가 높은 표면처리전극을 제조할 수 있는 것이 개시되어 있다(특허문헌 3 참조). 즉, WC 분말과 Co 분말을 혼합한 분말로 이루어지는 방전표면 처리용 전극을 제조하는 경우, WC 분말과 Co 분말을 혼합하여 압축성형해서 이루어지는 압분체는, WC 분말과 Co 분말을 혼합해서 압축성형한 것만이어도 되지만, 왁스를 혼입한 후 압축성형하면 압분체의 성형성이 향상한다. 이 경우, 왁스는 절연성 물질이고, 전극 중에 대량으로 남으면 전극의 전기 저항이 커져서 방전성이 악화되므로, 압분체전극을 진공로에 넣어 가열함으로써 왁스를 제거하고 있다. 이때, 가열온도가 너무 낮으면 왁스를 제거할 수 없고, 온도가 너무 높으면 왁스가 매연이 되어 전극의 순도를 열화시키므로, 왁스가 용융하는 온도 이상 또한 왁스가 분해해서 매연이 되는 온도 이하로 유지할 필요가 있다. 그리고, 진공로 중의 압분체를, 고주파 코일 등에 의해 가열하고, 기계 가공에 견딜 수 있는 강도를 주고, 또한 너무 경화하지 않도록, 예를 들면 백묵 정도의 경도까지 소성한다(이것은 예비소결 상태라 부름). 이 경우, 탄화물간의 접촉부에 있어서는 서로 결합이 진행되지만 비교적 소결 온도가 낮고 본 소결에 이르지 않는 온도때문에 약한 결합으로 되어 있다. 이러한 전극으로 방전 표면처리를 행하면, 치밀하고 균질한 피막을 형성할 수 있는 것을 판명하고 있다.
전술한 종래기술은, 어느 하나의 경우에 있어서도 피막의 경도나 밀착성, 내마모성이나 피막 형성의 신속성, 피막의 친밀성과 균질성이라는 점에 특징이 있지만, 막두께에 관해서는 충분한 것이 없고 더 개량을 요한다.
일반적인 피막을 두껍게 고조시키는 기술로서는, 소위 용접·용사가 있다. 용접(여기서는 빌드업(build up) 용접을 함)은, 워크와 용접봉과의 사이의 방전에 의해 용접봉의 재료를 워크에 용융 부착시키는 방법이다. 또한, 용사는, 금속재료를 용해시킨 상태로 하고, 스프레이 모양으로 워크에 분출하여 피막을 형성시키는 방법이다. 어느 방법이라도 남의 손에 의한 작업이며, 숙련을 요하기 때문에, 작업을 라인화하는 것이 곤란하고, 비용이 높아진다는 결점이 있다. 또한 특히 용접은, 열이 집중해서 워크에 들어가는 방법이기 때문에, 두께가 얇은 재료를 처리하는 경우나, 단결정 합금·일방향 응고합금 등 방향제어합금과 같이 깨지기 쉬운 재료에서는, 용접 깨짐이 발생하기 쉽고 수율이 낮다는 문제도 있다.
특허문헌 1
일본특허공개평 5-148615호 공보
특허문헌 2
일본특허공개평 9-192937호 공보
특허문헌 3
일본특허 제3227454호
비특허문헌 1
「방전표면처리(EDC)에 의한 후막의 형성」고토아키히로 외, 형기술,(1999), 일간공업신문사
그러나, 전술한 바와 같은 종래의 방전표면처리에서는 경질피막을 형성하는 것에 주안을 두고 있었으므로, 전극재료로서는 경질 세라믹 재료, 혹은, 방전의 에너지에 의해 가공액 중의 기름의 성분인 C(탄소)와 화학반응해서 경질 탄화물을 형성하는 재료를 주성분으로 하고 있다. 그러나, 경질재료는 일반적으로 융점이 높고 ·열전도가 나쁜 등의 특성을 가지고 있고, 10㎛ 정도의 박막의 형성은 치밀하게 할 수 있지만, 수 100㎛ 이상의 치밀한 후막의 형성은 매우 곤란했었다.
본 발명자들의 연구에 근거하는 문헌에는 WC-Co(9:1) 전극을 사용하여 3mm 정도의 후막을 형성할 수 있던 것이 나타나 있지만(비특허문헌 1 참조), 피막 형성이 안정하지 않고 재현이 곤란한 것, 일견 금속광택이 있어 치밀하게 보이지만 빈 구멍이 많고 깨지기 쉬운 피막인 것, 금속편 등으로 강하게 문지르면 제거되어버릴 만큼 약한 상태인, 등의 문제가 있어, 실용에는 곤란한 레벨이다.
또한, 전술한 피막을 적층한 후막으로 하는 용접이나 용사에 관해서는, 손 사이가 걸려 라인화하는 것이 곤란하고 비용이 높아지는 것, 용접 깨어짐이 발생하여 수율이 낮기 때문에, 여전히 문제다.
본 발명은, 상기에 감안하여 이루어진 것으로, 종래의 액 중 펄스방전처리에 따른 코팅으로 곤란했었던 후막의 형성을 행하는 방전표면 처리용 전극과 방전표면 처리방법 및 방전표면 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 액 중 펄스방전처리에 의한 코팅에 있어서 양질의 피막의 형성을 행하는 방전표면 처리용 전극과 방전표면 처리방법 및 방전표면 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(발명의 개시)
본 발명에 관한 방전표면 처리용 전극에 있어서는, 금속분말, 금속의 화합물의 분말을 압축성형한 압분체를 전극으로서, 가공액 중에서 전극과 워크의 사이에 펄스형의 방전을 발생시켜, 그 방전 에너지에 의해 전극재료의 피막을 워크 표면에 형성하고 혹은 방전 에너지에 의해 전극재료가 반응한 물질의 피막을 워크 표면에 형성하는 방전표면처리에 사용하는 방전표면 처리용 전극에 있어서, 전극재료로서 탄화물을 형성하지 않는 금속재료 또는 형성하기 어려운 금속재료를 40체적% 이상 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 전극재료로서 탄화하기 어려운 재료를 상기한 범위에 포함하는 것으로 액 중 펄스방전처리일 때에 탄화물이 되지 않고 금속인채로 피막에 남는 금속재료가 늘어나는 것이 되며, 액 중 펄스방전처리에 의해 후막의 피막을 안정해서 형성하는 것이 가능해진다.
도 1은, 본 발명의 실시예 1에 관한 방전표면 처리용 전극 및 그 제조방법의 개념을 나타내는 단면도이고,
도 2는, 피막 두께와 Co 중량%와의 관계를 나타내는 특성도이고,
도 2는, 전극에서의 전압 및 전류파형도이고,
도 4는, 피막 두께와 처리 시간과의 관계를 나타내는 특성선도이고,
도 5는, 전극 중에서의 Co의 함유량이 70체적%인 경우에 형성한 피막을 예시하는 사진이고,
도 6은, 본 발명에 관한 방전표면 처리장치의 일례를 나타내는 개략적인 구성도이고,
도 7은, 본 발명의 실시예 2에 관한 방전표면 처리용 전극 및 그 제조방법의 개념을 나타내는 단면도이고,
도 8은, 본 발명의 실시예 3에 관한 방전표면 처리용 전극 및 그 제조방법의 개념을 나타내는 단면도이고,
도 9는, 피막 두께와 Co중량%와의 관계를 나타내는 특성도이고,
도 10은, 본 발명의 실시예 4에 관한 방전표면 처리용 전극 및 그 제조방법의 개념을 나타내는 단면도이고,
도 11은, 본 발명의 실시예 5에 관한 방전표면 처리용 전극 및 그 제조방법의 개념을 나타내는 단면도이고,
도 12는, 본 발명에 관한 방전표면 처리장치의 일례를 나타내는 개략적인 구성도이고,
도 13은, 본 발명의 실시예 6에 관한 방전표면 처리용 전극 및 그 제조방법의 개념을 나타내는 단면도이고,
도 14는, 항공기 엔진 재료의 변천을 나타내는 도면이다.
본 발명을 더 상세하게 서술하기 위해, 첨부한 도면에 따라 이것을 설명한다. 이때, 본 발명은, 이하의 기술에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 적절히 변경가능하다. 또한 첨부한 도면에 있어서는, 이해의 용이화를 위해, 각 부재에서의 축척이 다른 경우가 있다.
(실시예 1)
도 1은, 본 발명의 실시예 1에 관한 방전표면 처리용 전극 및 그 제조방법의 개념을 나타내는 단면도이다. 도 1에서, 금형의 상부펀치(103), 금형의 하부펀치(104), 금형의 다이(105)로 둘러싸여진 공간에는, Cr3C2(탄화크롬) 분말(101) 및 Co(코발트) 분말(102)로 이루어지는 혼합 분말이 충전된다. 그리고, 이 혼합 분말을 압축성형함으로써 압분체를 형성한다. 방전표면 처리가공에 있어서는, 이 압분체가 방전전극으로 된다.
전극의 제조에 있어서는, 전술한 바와 같이 종래, 방전 표면처리는 경질피막의 형성, 그것도 특히 상온에 가까운 곳에서의 경질피막의 형성에 주안이 두어지고, 경질탄화물을 주성분으로 하는 피막을 형성한다는 것이 현재의 상태이다(예를 들면 일본특허출원 2001-23640호에도 이러한 기술의 개시가 있음). 이러한 탄화물을 주성분으로 하는 피막을 형성하는 기술에서는, 치밀한 피막을 균일하게 형성하는 것이 가능하지만, 피막의 두께를 수10㎛ 정도 이상으로는 두껍게 할 수 없다는 문제가 있는 것은 전술한 바와 같다.
그러나, 본 발명자들의 실험에 의하면, 전극재질의 성분에, 탄화물을 형성하지 않는 혹은 탄화물을 형성하기 어려운 재료를 첨가하는 것에 따라, 피막을 두껍게 할 수 있는 것을 알게 되었다. 종래는, 탄화물을 형성하기 쉬운 재료의 비율이 많게 포함되어 있고, 예를 들면 Ti 등의 재료를 전극에 포함하면, 기름 중에서의 방전에 의해 화학반응을 일으키고, 피막으로서는 TiC(탄화티탄)라는 경질의 탄화물이 된다. 표면처리가 진행됨에 따라, 워크 표면의 재질이 강재(강재에 처리하는 경우 )로부터 세라믹인 TiC로 변하고, 그것에 따른, 열전도·융점 등의 특성이 변화된다. 그런데, 탄화하지 않은 혹은 탄화하기 어려운 재료를 전극에 더함으로써 피막은 탄화물이 안되고, 금속인채로 피막에 남는 재료가 증가한다는 현상이 생겼다. 그리고, 이 전극재료의 선정이, 피막을 두껍게 고조시키는데도 큰 의미를 갖는 것이 밝혀졌다. 이 경우, 경도, 치밀성 및 균일성을 만족시키는 것은 당연하고, 후막을 형성하는 전제이다.
도 1에 나타내는 바와 같이 탄화물인 Cr3C2(탄화 크롬)와 탄화물을 형성하기 어려운 재료인 Co(코발트)를 혼합한 분말을 압축성형하고, 그 후에 전극강도를 늘이기 위해 가열해서 전극을 제작한 경우, 탄화물을 형성하기 어려운 Co의 양을 변화시킴으로써 후막의 형성하기 용이함이 변해 간다. 도 2는 이 모양을 나타낸 것이다. 전극을 제작할 때의 분말을 압축 제조 프레스 압은 약 100MPa이고, 가열온도는 400℃로부터 800℃의 범위형으로 변화시켰다. Cr3C2(탄화 크롬)이가 많을 수록 가열온도는 높게 하고, Co(코발트)가 많을 수록 온도를 낮게 했다. 이것은, Cr3C2(탄화 크롬)가 많은 경우에는 제작한 전극이 부서지기 쉬운 낮은 온도로 가열해도 곧 붕괴되어 버리는 것에 비해, Co(코발트)가 많은 경우에는 가열온도가 낮아도 전극의 강도가 강해지기 쉬웠기 때문이다. 프레스일 때는 성형성을 좋게 하기 위해 프레스하는 분말에 소량(중량으로 2% 내지 3%)의 왁스를 혼합했다. 왁스는 가열시에 제거된다. Cr3C2(탄화 크롬)는 입경 3㎛∼6㎛ 정도의 분말을 사용하고, Co는 입경 4㎛∼6㎛ 정도의 분말을 사용했다. 베이스가 되는 재질은 Cr3C2(탄화 크롬)이다. 사용한 방전의 펄스는 도 2에 나타내는 바와 같은 파형이고, 펄스 조건은, 피크 전류치 ie=10A, 방전지속시간(방전 펄스폭) te=64㎲, 정지시간 to=128㎲, 15mm×15mm의 면적의 전극에 있어서 피막을 형성했다. 그리고, 처리 시간은 15분이다. 극성은, 전극이 마이너스, 워크가 플러스의 극성을 사용했다. 도 2에서는, 전극이 마이너스, 워크가 플러스 극성인 경우에, 종축 상측으로 되도록 표시하고 있다.
이러한 펄스 조건에 근거하여 피막을 형성한 경우, 제작한 전극 내에 있어서, Co가 함유하는 중량%에 의해 워크 상에 형성되는 피막의 두께가 다르고, 도 2에 따르면, Co 함유량이 낮을 경우에는 10㎛ 정도의 막두께이었던 것이 Co 함유량 30체적% 정도로부터 점차 두터워져, Co 함유량 50체적%를 넘었을 때부터 10000㎛ 근처까지 두꺼워지는 것을 나타내고 있다.
이것을 더 상세하게 서술한다. 상기와 같은 조건에 근거하여 워크 상에 피막을 형성한 경우, 전극 내의 Co가 0%인 경우, 즉, Cr3C2(탄화 크롬)가 100중량%인 경우에는, 형성할 수 있는 피막의 두께는 10㎛ 정도가 한계이고, 그 이상 두께를 증가할 수는 없다. 또한 탄화물을 형성하기 어려운 재료가 전극 내에 없는 경우의 처리 시간에 대한 피막의 두께의 모양은 도 4와 같아진다. 도 4에 따르면, 처리의 초기는, 피막이 시간과 함께 성장하여 두꺼워지고, 어떤 곳(약5분/cm2)에서 포화한다. 그 후 잠시 막두께는 성장하지 않지만, 어떤 시간(20분/cm2 정도) 이상 처리를 계속하면 이번은 피막의 두께가 감소하기 시작하고, 마지막에는 피막 높이는 마이너스, 즉, 파여 들어가 변해버린다. 단, 파여 들어간 상태에서도 피막은 존재하고 있고, 그 두께 자체는 10㎛ 정도이며, 적절한 시간으로 처리한 상태와 거의 변하지 않는다. 따라서 5분부터 20분 동안의 처리 시간이 적절하다고 생각된다.
도 2로 되돌아가, 전극 내에 탄화하기 어려운 재료인 Co량을 증가함에 따른 두껍게 할 수 있게 되어, 전극 중에서의 Co량이 30체적%를 넘으면 형성되는 피막의 두께가 두꺼워지기 시작하고, 40체적%를 넘으면 안정해서 후막이 형성하기 쉬워지는 것이 밝혀졌다. 도 2의 그래프에는, Co량 30체적% 정도로부터 원활하게 막두께가 상승하도록 기재하고 있지만, 이것은, 여러번의 시험을 행한 평균값이고, 실제로는, Co량이 30체적% 정도인 경우에는, 두껍게 피막이 적층되지 않거나, 두껍게 적층된 경우에도, 피막의 강도가 약한, 즉, 금속편 등으로 강하게 마찰하면 제거되어 버리는 경우 등이 있고, 안정하지 않는다. 보다 바람직하게는 Co량이 50 체적%를 넘으면 된다. 이렇게 피막 중에 금속으로서 남는 재료를 많게 함으로써, 탄화물로 되어 있지 않은 금속성분을 포함하는 피막을 형성할 수 있고, 안정하여 후막이 형성하기 쉬워진다. 여기서 말하는 체적%는 혼합하는 각각 분말의 중량을 각각의 재료의 밀도로 나눈 값의 비율이고, 분말 전체의 재료의 체적 중에서 그 재료가 차지하는 체적의 비율이다. 도 5에 전극 중에서의 Co의 함유량이 70체적%인 경우에 형성한 피막의 사진을 나타낸다. 이 사진은, 후막의 형성을 예시하는 것이다. 도 5에 나타내는 사진에서는 225mm 정도의 후막이 형성되어 있다. 이 피막은 15분의 처리시간으로 형성된 것이지만, 처리 시간을 늘리면 더 두꺼운 피막으로 할 수 있다.
이렇게 하여, 전극 내에 Co 등의 탄화하기 어려운 재료 혹은 탄화하지 않는 재료를 40체적% 이상 함유하는 전극을 사용함으로써, 방전표면처리에 의해 워크 표면에 안정하여 두꺼운 피막을 형성할 수 있다.
상기에 있어서는, 탄화물을 형성하기 어려운 재료로서 Co(코발트)를 사용한 경우에 대하여 설명했지만, Ni(니켈), Fe(철) 등도 동일한 결과를 얻을 수 있는 재료이고, 본 발명에 사용하기 적합하다.
이때, 여기서 말하는 후막이란, 조직의 내부(펄스형의 방전에 의해 형성하는 피막이기 때문에, 최표면은 면 거칠기가 나쁘고 일견광택이 없이 보임)가 금속광택을 갖는 치밀한 피막이다. Co(코발트)와 같은 탄화물을 형성하기 어려운 재료가 적은 경우에도, 전극의 강도를 약하게 하면 부착물은 적층되는 경우가 있다. 그러나, 이러한 부착물은 치밀한 피막이 아니라, 금속편 등으로 마찰하면 용이하게 제거할 수 있는 것이다. 전술한 특허문헌 1 등에 기재되어 있는 퇴적층은, 이러한 치밀하지 않은 피막이고, 금속편 등으로 문지르면 용이하게 제거할 수 있는 것이다.
또한, 상기한 설명에 있어서는, Cr3C2(탄화 크롬) 및 Co 분말을 압축성형하고 가열하여 전극을 형성한 경우에 대하여 설명했지만, 압축성형한 압분체를 전극으로서 사용해도 되는 경우도 있다. 그러나, 치밀한 후막을 형성하려면, 전극의 경도가 너무 단단해도 너무 연해도 좋지 않고, 적절한 경도가 필요하다. 일반적으로는, 가열처리가 필요하다. 압분체를 가열하는 것은 성형의 유지나 고형화에 연결된다. 전극의 경도는, 전극재료의 분말의 결합의 강도에 층간이 있고, 방전에 의한 전극재료의 워크측에의 공급량에 관계되고 있다. 전극의 경도가 단단한 경우에는, 전극재료의 결합이 강하기 때문, 방전이 발생해도 소량의 전극재료밖에 방출되지 않고, 충분하게 피막 형성을 할 수 없다. 반대로 전극의 경도가 낮은 경우에는, 전극재료의 결합이 약하기 때문에, 방전이 발생하면, 대량의 재료가 공급되어, 이 양이 너무 많은 경우에는, 충분히 방전 펄스의 에너지로 용융시킬 수 없고, 치밀한 피막을 형성할 수 없게 된다. 동일한 원료의 분말을 사용한 경우, 전극의 경도, 즉, 전극의 재료의 결합 상태에 영향을 주는 파라미터가, 프레스압과 가열온도이다. 본 실시예에서는, 프레스압의 예로서 약 100MPa를 사용했지만, 이 프레스를 되려 상승시키면 가열온도를 낮게 해도 동일한 경도를 얻을 수 있다. 반대로, 프레스압을 낮게 하면, 가열온도를 높게 설정 할 필요가 있는 것을 알았다. 이 사실은, 본 실시예뿐만 아니라, 본 발명 중의 다른 실시예에도 적합한 것이다.
또한, 본 실시예에서는, 방전 조건의 예로서 1개의 조건에서의 시험결과를 나타냈지만, 피막의 두께 등 다르지만, 다른 조건에서도, 동일한 결과를 얻을 수 있는 것은 말할 필요도 없다. 이 사실도, 본 실시예뿐만 아니라, 본 발명 중의 다른 실시예에도 적합한 것이다.
도 6은, 본 발명의 제1 실시예에 관한 방전표면 처리장치를 나타내는 개략 구성도이다. 도 6에 나타내는 바와 같이 본 실시예에 관한 방전표면 처리장치는, 전술한 방전표면 처리용 전극이고, 탄화물을 형성하지 않는 금속재료 또는 형성하기 어려운 금속재료를 40체적% 이상 포함하는 분말을 압축성형한 압분체, 또는 이 압분체를 가열처리한 압분체로 이루어지는 전극(203)과, 가공액(205)인 기름과, 전극(203)과 워크(204)와의 사이에 전압을 인가하여 펄스형의 방전을 발생시키는 방전표면 처리용 전원(206)을 구비하여 구성된다.
여기서, 전극(203)은 예를 들면 Cr3C2(탄화 크롬) 분말(201)과 Co(코발트) 분말(202)로 구성되어 있고, 탄화물을 형성하기 어려운 재료인 Co를 예를 들면 70체적% 포함하는 것이다. 이때, 전극(203)과 워크(204)의 상대 위치를 제어하는 구동장치 등의 본 발명에 직접 관계없는 부재는 기재를 생략하고 있다.
이 방전표면 처리장치에 의해 워크 표면에 피막을 형성하기 위해서는, 전극(203)과 워크(204)를 가공액(205) 안에서 대향배치하고, 가공액 중에서 방전표면 처리용 전원(206)으로부터 전극(203)과 워크(204)와의 사이에 펄스형의 방전을 발생시켜, 그 방전 에너지에 의해 전극재료의 피막을 워크 표면에 형성하고 혹은 방전 에너지에 의해 전극재료가 반응한 물질의 피막을 워크 표면에 형성한다. 극성은, 전극측이 마이너스, 워크측이 플러스의 극성을 사용한다. 방전의 아크기둥(207)은 도 6에 나타내는 바와 같이 전극(203)과 워크(204)와의 사이에 발생한다.
이상과 같은 방전표면 처리장치를 사용하여 워크(204)에 피막을 형성함으로써, 액 중 펄스방전처리에 의해 안정해서 워크 표면에 후막의 피막을 형성할 수 있다.
(실시예 2)
도 7은, 본 발명의 실시예 2에 관한 방전표면 처리용 전극 및 그 제조방법의 개념을 나타내는 단면도이다. 도 7에서, 금형 상부펀치(703), 금형의 하부펀치(704), 금형의 다이(705)로 둘러싸여진 공간에는, Ti(티타늄) 분말(701) 및 Co(코발트)분말(702)로 이루어지는 혼합 분말이 충전된다. 그리고, 이 혼합 분말을 압축성형함으로써 압분체를 형성한다. 방전처리가공에 있어서는, 이 압분체가 방전 전극이므로 된다. 전극을 제작할 때의 분말을 압축성형 프레스압은 약 100MPa이고, 가열온도는 400℃로부터 800℃의 범위형으로 변화시켰다.
전술한 실시예 1에서는, 탄화물인 Cr3C2(탄화 크롬) 분말과 금속인 Co(코발트) 분말을 혼합해서 제조한 전극에서의 피막 형성의 특징에 대하여 기술했지만, 본 실시예에서는, 금속인 Ti(티타늄) 분말과 Co(코발트) 분말을 혼합해서 전극을 제조한 경우에 대하여 설명한다. Ti(티타늄)와 Co(코발트)는 모두 금속이지만, 차이는, Ti(티타늄)가 활성한 재료이고 가공액인 기름 중에서의 방전의 분위기 하에서 탄화물인 TiC(탄화티탄)에 닮아 매우 이루어지기 쉬운 재료인 것에 비해, Co(코발트)는 탄화물을 형성하기 어려운 재료다라는 점이다.
실시예 2에서는 실시예 1의 경우와 마찬가지로 전극 중에서의 Ti(티타늄) 분말의 함유율을 Ti(티타늄) 분말 100체적%, 즉 전극 내의 Co가 0체적%인 경우로부터 Co(코발트) 분말의 함유량을 순차적으로 늘리고, 막의 성형의 상태가 어떻게 되는지 조사했다. 여기서, Ti(티타늄) 분말은, 입경 3㎛로부터 4㎛ 정도의 분말을 사용하고, Co(코발트) 분말은 입경 입경 4㎛∼6㎛ 정도의 분말을 사용했다. Ti(티타늄)는 점성이 있는 재료이기 때문에 미분의 제조가 곤란한 것으로, 부서지기 쉬운 재료인 TiH2(수소화 티타늄)를 입경 3㎛ 내지 4㎛ 정도로 볼밀로 분쇄하고, 그 분말을 사용해서 압축성형한 후, 가열해서 수소를 방출시켜 Ti의 분말로 했다.
전극재료가, Ti(티타늄) 100체적%인 경우에는, 피막은 TiC(탄화 티탄)가 되고, 막두께는 10㎛ 정도이었다. 그러나, 탄화하기 어려운 재료인 Co의 함유량을 늘리는 것에 따라 두꺼운 피막을 형성할 수 있게 되어, 전극 중에서의 Co의 함유량이 40체적%를 넘으면 안정해서 후막이 형성하기 쉬워지는 것이 밝혀졌다. 그리고, 전극 중에서의 Co의 함유량이 50체적%를 넘으면 충분한 두께의 후막을 형성할 수 있기 때문에 바람직한 것이 밝혀졌다. 이 결과는, 실시예 1에서 나타낸 결과와 거의 같은 결과이다. 이것은, 전극 중에 포함되는 Ti(티타늄)는, 가공액인 기름 중에서의 방전의 분위기에서는 탄화물인 TiC(탄화 티타늄)로 되어 버려 처음부터 탄화물을 혼합하는 것과 동일한 결과가 되기 때문이라고 추찰된다. 실제로 피막의 성분을 X선 회절에 의해 분석하면, TiC(탄화 티타늄)의 존재를 나타내는 피크는 관찰되지만, Ti(티타늄)의 존재를 나타내는 피크는 관찰되지 않았다.
따라서, Ti(티타늄) 분말과 Co(코발트) 분말을 혼합해서 전극을 제조한 경우 에 대해서도, 전극 내에 탄화하기 어려운 재료 혹은 탄화하지 않은 재료로서의 Co(코발트) 분말을 40체적% 이상 함유시킨 전극으로 함으로써, 방전표면처리에 의해 워크 표면에 안정해서 두꺼운 피막을 형성할 수 있다.
이때, 본 실시예에 있어서는 Ti(티타늄) 분말과 혼합해서 전극을 구성하는 탄화물을 형성하기 어려운 재료로서 Co(코발트)를 사용한 경우를 예로 들었지만, Ni(니켈), Fe(철) 등도 동일한 결과를 얻을 수 있는 재료이고, 본 발명에 사용하기 적합하다.
(실시예 3)
도 8은, 본 발명의 실시예 3에 관한 방전표면 처리용 전극 및 그 제조방법의 개념을 나타내는 단면도이다. 도 8에서, 금형 상부펀치(803), 금형의 하부펀치(804), 금형의 다이(805)로 둘러싸여진 공간에는, Cr(크롬) 분말(801) 및 Co(코발트) 분말(802)로 이루어지는 혼합 분말이 충전된다. 그리고, 이 혼합 분말을 압축성형함으로써 압분체를 형성한다. 방전표면 처리가공에 있어서는, 이 압분체가 방전전극으로 된다. 전극을 제작할 때의 분말을 압축성형 프레스압은 약 100MPa이고, 가열온도는 400℃로부터 800℃의 범위형으로 변화시켰다.
실시예 2에서는, 탄화물을 형성하기 쉬운 금속인 Ti(티타늄) 분말과 탄화하기 어려운 재료인 Co(코발트) 분말을 혼합한 전극에서의 피막 형성인 경우에 대하여 설명했지만, 본 실시예에서는, 탄화물을 형성하는 금속인 Cr(크롬)의 분말과 탄화물을 형성하기 어려운 재료인 Co(코발트)의 분말을 혼합해서 전극을 제조한 경우에 대하여 설명한다.
실시예 3에서는 실시예 1인 경우와 마찬가지로 전극 중에서의 Cr(크롬) 분말의 함유율을 Cr(크롬)분말 100체적%, 즉 전극 내의 Co가 0체적%인 경우로부터 Co(코발트) 분말의 함유량을 순차적으로 증가시키고, 막의 성형의 상태가 어떻게 될지 조사했다. 여기서, Cr(크롬) 분말은 입경 3㎛로부터 4㎛ 정도의 분말을 사용하고, Co(코발트) 분말은 입경입경 4㎛∼6㎛정도의 분말을 사용했다.
전극재료가, Cr(크롬) 100체적%인 경우에는, 피막의 막두께는 10㎛정도이었다. 그러나, 피막 성분을 X선 회절에 의해 분석하면, Cr3C2(탄화 크롬)의 존재를 나타내는 피크와, Cr(크롬)의 존재를 나타내는 피크가 관찰되었다. 즉, Cr(크롬)은 탄화하기 쉬운 재료이지만 Ti(티타늄)와 같은 재료에 비교하면 탄화하기 용이함은 낮고, 전극 중에 Cr(크롬)이 포함되어 있는 경우에는 그 일부가 탄화물이 되고, 일부는 금속의 Cr(크롬)인채로 피막으로 하면 되게 된다.
전극성분으로서 Cr(크롬)을 사용하는 경우에도, 탄화하기 어려운 재료인 Co의 함유량을 늘리는 것에 따라 피막은 두껍게 할 수 있게 되는 것이 밝혀졌다. 단, 그 비율은 실시예 1 및 실시예 2의 경우와 같이 전극성분에 탄화물이 포함되어 있는 경우나 탄화물에 매우 이루어지기 쉬운 재료가 포함되어 있는 경우보다도 적어도 되고, 전극 중에서의 Co의 함유량이 20체적%를 넘기 때문에 후막이 형성되기 쉬워지는 것이 밝혀졌다.
Co의 양을 변화시킨 경우의 피막의 두께의 변화를 도 9에 나타낸다. 사용한 방전의 펄스 조건은, 실시예 1 및 실시예 2의 경우와 같아서, 피크 전류치 ie=10A, 방전지속시간(방전 펄스폭) te=64㎲, 정지시간 to=128㎲, 15mm15mm의 면적의 전극으로 피막을 형성했다. 극성은, 전극이 마이너스, 워크가 플러스인 극성을 사용했다. 처리 시간은 15분이다.
이상과 같이, 탄화물을 형성하기 쉬운 재료 중에도 탄화하기 용이함에는 차이가 있고, 탄화하기 어려운 재료 정도보다 후막을 형성하기 쉬운 경향이 있다. 이것은, 후막을 형성하는 조건이, 피막으로 된 재료 중에 탄화물이 되지 않고 금속인채로 존재하는 재료의 비율이 소정량 있는 것이기 때문이라 추찰된다. 실시예 1로부터 실시예 3에 나타낸 결과 등으로 고찰하면, 피막 중에 금속으로서 남는 재료의 비율이 체적으로 30% 정도 이상 존재하는 것이 치밀한 후막을 형성하기 위한 필요조건이라 생각된다.
또한, 가공액인 기름 중에서의 방전의 분위기에서의 금속재료의 탄화의 용이함에 대해서는, 명확한 데이터는 없지만, 상기에 있어서 설명한 실험 데이터 등으로 생각하면 엘링감 도면에 나타나 있는 탄화하는 경우에 필요한 에너지의 크기가 참고가 되면 생각된다. 엘링감 도면에 의하면, Ti(티타늄)은 매우 탄화하기 쉬운 것이 나타나 있고, Cr(크롬)은 Ti에 비교하면 탄화하기 어렵다고 말할 수 있다. 탄화물을 형성하기 쉬운 재료 중에도, Ti나 Mo(몰리브덴)는 탄화하기 쉽고, Cr(크롬)이나 Si(실리콘) 등은 비교적 탄화하기 어려운 재료라 생각되고, 이것들은 실제의 실험 결과와도 좋게 합치하는 결과이다.
상기한 바와 같이, Cr(크롬) 분말과 Co(코발트) 분말을 혼합해서 전극을 제조한 경우에 대해서도, 전극 내에 탄화하기 어려운 재료 혹은 탄화하지 않는 재료로서의 Co(코발트) 분말을 40체적% 이상 함유시킨 전극으로 함으로써, 방전표면처리에 의해 워크 표면에 안정해서 두꺼운 피막을 형성할 수 있다. 그리고, 이 경우에는 특히 전극 중에 Co를 20체적% 이상 함유시킨 전극이면 워크 표면에 안정해서 두꺼운 피막을 형성할 수 있다.
이때, 본 실시예에 있어서는 Cr(크롬) 분말과 혼합해서 전극을 구성하는 탄화물을 형성하기 어려운 재료로서 Co(코발트)를 사용한 경우를 예로 들었지만, Ni(니켈), Fe(철) 등도 동일한 결과를 얻을 수 있는 재료이고, 본 발명에 사용하기 적합하다.
(실시예 4)
도 10은, 본 발명의 실시예 4에 관한 방전표면 처리용 전극 및 그 제조방법의 개념을 나타내는 단면도이다. 도 10에서, 금형 상부펀치(1005), 금형의 하부펀치(1006), 금형의 다이(1007)로 둘러싸여진 공간에는, Mo(몰리브덴) 분말(1001), Cr(크롬) 분말(1002), Si(실리콘) 분말(1003) 및 Co(코발트) 분말(1004)로 이루어지는 혼합 분말이 충전된다. 분말의 배합비율은, Mo(몰리브덴) 28중량%, Cr(크롬) 17중량%, Si(실리콘) 3중량%, Co(코발트) 52중량%이다. 이 경우의 Co(코발트)의 체적 %는 약 50%이다. 그리고, 이 혼합 분말을 압축성형함으로써 압분체를 형성한다. 방전표면 처리가공에 있어서는, 이 압분체가 방전전극으로 된다.
Mo(몰리브덴) 28중량%, Cr(크롬) 17중량%, Si(실리콘) 3중량%, Co(코발트) 52중량%의 비율은, 고온환경 하에서의 내마모를 위한 재료로서 사용되는 조합이다. 이러한 비율로 배합된 전극은, 재료가 갖는 경도와, 고온환경 하에서 Cr(크롬)이 산화해서 할 수 있는 Cr2O3(산화크로늄)이 윤활성을 발휘함으로써 내마모의 효과를 발휘한다.
전극을 제작할 때의 분말을 압축성형하는 프레스압은 약 100MPa, 가열온도는 600℃로부터 800℃의 범위로 했다. 프레스일 때는, 성형성을 좋게 하기 위해, 프레스하는 분말에 소량(중량으로 2% 내지 3%)의 왁스를 혼합했다. 왁스는 가열시에 제거된다. 분말은 각 재료와도 입경 2㎛∼6㎛정도의 분말을 사용했다. 사용한 방전의 펄스 조건은, 피크 전류치 ie=10A, 방전지속시간(방전펄스폭) te=64㎲, 휴지시간to=128㎲, 15mm×15mm의 면적의 전극으로 피막을 형성했다. 극성은, 전극이 마이너스, 워크가 플러스인 극성을 사용했다.
이상과 같이 해서 제작한 전극을 사용함으로써 도 6과 동일한 방전표면 처리장치를 구성 할 수 있다. 그리고, 해당 방전표면 처리장치에 의해 액 중 펄스방전 처리에 의해 워크 표면에 피막을 형성했던 바, 워크 재료에 가공액인 기름 중에서의 펄스방전에 의한 왜곡을 생기지 않고 두꺼운 피막을 형성할 수 있었다. 또한 형성된 피막이 고온환경 하에서 내마모성을 발휘하는 것도 확인되고, 양질의 후막을 형성할 수 있었다.
전술한 바와 같은 비율로 재료를 혼합해서 제작한 전극을 사용하여 액 중 펄스방전처리에 의해 워크 표면에 피막을 형성함으로써 내마모성 등의 각종 기능을 갖는 피막을 얻을 수 있지만, 이러한 재료로서는, 다른 「Cr(크롬) 25중량%, Ni(니켈) 10중량%, W(텅스텐) 7중량%, Co(코발트) 잔여」, 또는 「Cr(크롬) 20중량%, Ni(니켈) 10중량%, W(텅스텐) 15중량%, Co(코발트) 잔여」등의 스텔라이트 등을 들 수 있다. 스텔라이트는 내식성, 고온 경도에 뛰어나기 때문에, 보통 이들 성질이 필요한 부분에 용접 등에 의해 코팅처리가 이루어지는 재료이고, 내식성, 고온 경도를 요할 때의 코팅 처리에 적합하다.
또한, 「Cr(크롬) 15중량%, Fe(철) 8중량%, Ni(니켈) 잔여」, 「Cr(크롬) 21중량%, Mo(몰리브덴) 9중량%, Ta(탄탈) 4중량%, Ni(니켈) 잔여」, 「Cr(크롬) 19중량%, Ni(니켈) 53중량%, Mo(몰리브덴) 3중량%, (Cb+Ta) 5중량%, Ti(티타늄) 0.8중량%, Al(Aluminum) 0.6중량%, Fe(철) 잔여」등의 니켈기의 배합인 재료는 내열성을 발휘하는 재료이고, 내열성을 필요로 할 때의 코팅 처리에 적합하다.
(실시예 5)
도 11은 본 발명의 실시예 5에 관한 방전표면 처리용 전극 및 그 제조방법의 개념을 나타내는 단면도이다. 도 11에서, 금형 상부펀치(1103), 금형의 하부펀치(1104), 금형의 다이(1105)로 둘러싸여진 공간에는, 스텔라이트 합금 분말(Co, Cr, Ni의 합금의 분말)(1101)이 충전된다. 그리고, 이 혼합 분말을 압축성형함으로써 압분체를 형성한다. 방전표면 처리가공에 있어서는, 이 압분체가 방전전극으로 된다.
분말 1101은, Co(코발트), Cr(크롬), Ni(니켈) 등을 소정의 합금비율로 혼합해서 만든 합금(스텔라이트)을 분말로 한 것이다. 분말로 하는 방법은, 예를 들면 아토마이즈법이나, 합금을 밀 등에 의해 분쇄하는 방법을 들 수 있다. 어느 방법에 있어서도 분말립 하나하나가 합금(도 11인 경우는 스텔라이트)으로 되어 있다. 합금분말을 다이(1105)와 펀치(1103, 1104)에 의해 압축성형한다. 경우에 따라서는, 전극의 강도를 늘리기 위해 그 후 가열처리를 행해도 된다. 여기서는, 「Cr(크롬) 20중량%, Ni(니켈) 10중량%, W(텅스텐) 15중량%, Co(코발트) 잔여」의 합금 비율의 합금의 분말을 사용했다. 이 경우의 Co(코발트)의 체적%은 40% 이상이다.
분말을 압축성형하는 프레스압은 약 100MPa, 가열온도는 600℃로부터 800℃ 의 범위로 했다. 프레스시에는, 성형성을 좋게 하기 위해, 프레스하는 분말에 소량(중량에서 2% 내지 3%)의 왁스를 혼합했다. 왁스는 가열시에 제거된다. 분말은 각 재료로도 입경 2㎛∼6㎛ 정도의 분말을 사용했다. 사용한 방전의 펄스 조건은, 피크 전류치 ie=10A, 방전지속시간(방전펄스폭) te=64㎲, 정지시간 to=128㎲, 15mm×15mm의 면적의 전극으로 피막을 형성했다. 극성은, 전극이 마이너스, 워크가 플러스의 극성을 사용했다.
이상과 같이 해서 제작한 전극을 사용하여 구성한 본 실시예에 관한 방전표면 처리장치를 나타내는 개략적인 구성도를 도 12에 나타낸다. 도 12에 나타내는 바와 같이 방전표면 처리장치는, 전술한 합금비율의 합금분말로 이루어지는 전극(1202)과, 가공액(1204)인 기름과, 전극(1202)과 워크(1203)를 가공액 중에 침지시키는, 또는 전극(1202)과 워크(1203)와의 사이에 가공액(1204)을 공급하는 가공액체 공급장치(1208)와, 전극(1202)과 워크(1203)와의 사이에 전압을 인가해서 펄스형의 방전을 발생시키는 방전표면 처리용 전원(1205)을 구비해서 구성되어 있다. 전극(1202)은 합금분말(1201)로 이루어져 있다. 이때, 방전표면 처리용 전원(1205)과 워크(1203)의 서로 대향 위치를 제어하는 구동장치 등의 본 발명에 직접 관계가 없는 부재는 기재를 생략하고 있다.
이 방전표면 처리장치에 의해 워크 표면에 피막을 형성하기 위해서는, 전극(1202)과 워크(1203)를 가공액(1204) 중에서 대향배치하고, 가공액 중에서 방전표면 처리용 전원(1205)으로부터 전극(1202)과 워크(1203)와의 사이에 펄스형의 방전을 발생시켜, 그 방전 에너지에 의해 전극재료의 피막을 워크 표면에 형성하고 혹은 방전 에너지에 의해 전극재료가 반응한 물질의 피막을 워크 표면에 형성한다. 극성은, 전극측이 마이너스, 워크측이 플러스인 극성을 사용한다. 도 12에 나타내는 바와 같이 방전의 아크기둥(1206)은 전극(1202)과 워크(1203)와의 사이에 발생한다.
방전마다 전극재료가 워크측에 공급된다. 전극재료는 분말로 이루어지고 있지만 합금을 분말화한 것을 사용하고 있으므로 재질이 균일해서, 전극(1202)에 공급되는 경우에도 재질의 변동이 없다. 그 결과, 전극재료의 재질의 불균일에 기인한 성분의 변동이 없는 양질의 피막을 형성할 수 있다.
각 재료의 분말을 혼합해서 소정의 조성의 전극을 제조하는 경우에는, 분말의 혼합의 변동에 의해 일정한 재료의 성능이 얻어지지 않는다는 문제가 생길 수 있다. 본 발명자들의 연구에 의하면, 각 재료의 분말을 혼합해서 소정의 조성의 전극을 제조하는 경우에는 복수의 분말을 혼합하기 위해 완전하게 균일하게 혼합한다는 것이 매우 곤란하고, 전극의 개체 사이의 변동, 혹은, 1개의 전극 중에서도 장소에 의한 변동이 발생할 수 있는 것이 밝혀졌다. 이것은 탄화물을 형성하기 쉬운 재료를 포함하는 전극인 경우에는 영향이 크다. 예를 들면 후술하는 합금과 같이 Mo(몰리브덴)나 Ti(티타늄) 등 탄화하기 쉬운 재료가 편재한 경우에는, 그 부분만 후막을 형성하기 어려워져 버린다. 피막 중의 성분과 함께, 막두께도 균일하지 않게 되어버린다는 문제가 있다.
그러나, 본 실시예에 나타낸 바와 같이 복수의 원소를 소정의 비율로 합금화한 합금재료의 분말을 만들고, 그 분말로부터 전극을 제조함으로써 전극의 성분 상의 변동을 없애는 것이 가능해졌다. 그리고, 해당 전극을 사용하여 방전표면처리를 행함으로써 안정해서 워크 표면에 후막의 피막을 형성하는 것이 가능하고, 형성한 피막의 피막 성분도 균일한 상태로 하는 것이 가능해졌다.
따라서, 이상과 같은 전극을 사용한 방전표면 처리장치를 사용하여 워크(1203)에 피막을 형성함으로써, 액 중 펄스방전처리에 의해 안정해서 워크 표면에 피막 성분도 균일한 후막을 형성할 수 있다.
상기에 있어서는, 「Cr(크롬) 20중량%, Ni(니켈) 10중량%, W(텅스텐) 15중량%, Co(코발트) 잔여」의 합금비율의 합금을 분말화한 재료를 사용했지만, 분말화하는 합금은 다른 배합의 합금이라도 물론 되고, 예를 들면 「Cr(크롬) 25중량%, Ni(니켈) 10중량%, W(텅스텐) 7중량%, Co(코발트) 잔여」의 합금비율의 합금을 사용하는 것도 할 수 있다. 또한, 「Mo(몰리브덴) 28중량%, Cr(크롬) 17중량%, Si(실리콘) 3중량%, Co(코발트) 잔여」 「Cr(크롬) 15중량%, Fe(철) 8중량%, Ni(니켈) 잔여」, 「Cr(크롬) 21중량%, Mo(몰리브덴) 9중량%, Ta(탄탈) 4중량%, Ni(니켈) 잔여」, 「Cr(크롬) 19중량%, Ni(니켈) 53중량%, Mo(몰리브덴) 3중량%, (Cb+Ta) 5중량%, Ti(티타늄) 0.8중량%, Al(알루미늄) 0.6중량%, Fe(철) 잔여」의 합금비율의 합금이라도 된다. 단, 합금의 합금비율이 다르면 재료의 경도 등의 성질이 다르기 때문에, 전극의 성형성·피막의 상태에 다소의 차이가 생긴다.
전극재료의 경도가 단단할 경우에는, 프레스에 의한 분말의 성형이 곤란해진다. 또한, 가열처리에 의해 전극의 강도를 늘리는 경우에도 가열온도를 높은 쪽으로 하는 등의 연구(고안)가 필요하다. 예를 들면, 「Cr(크롬) 25중량%, Ni(니켈) 10중량%, W(텅스텐) 7중량%, Co(코발트) 잔여」의 합의 금 비율의 합금은 비교적 부드럽고, 「Mo(몰리브덴) 28중량%, Cr(크롬) 17중량%, Si(실리콘) 3중량%, Co 잔여」의 합금비율의 합금은 비교적 단단한 재료이다. 전극의 가열처리인 경우에는, 전극에 필요한 경도를 주기 위해, 전자보다도 후자쪽이 평균하여 100℃ 전후 높은 쪽으로 설정할 필요가 있다.
또한, 후막의 형성의 용이함은, 실시예 1 내지 실시예 4에 나타낸 바와 같이, 피막 중에 포함되는 금속의 양이 많아짐에 따라 용이해진다. 전극의 성분인 합금가루에 포함되는 재료로서는, 탄화물을 형성하기 어려운 재료인, Co(코발트), Ni(니켈), Fe(철)가 많은 만큼 치밀한 후막을 형성하기 용이해진다.
여러가지의 합금분말로 시험을 실시한 바, 전극 중에서의 탄화물을 형성하기 어렵고 혹은 형성하지 않는 재료의 함유율이 40체적%를 초과하면 안정해서 후막이 형성하기 쉬워지는 것이 밝혀졌다. 그리고, 전극 중에서의 Co의 함유량이 50체적%를 넘으면 충분한 두께의 후막을 형성할 수 있기 때문에, 보다 바람직한 것이 밝혀졌다. 합금에서의 재료의 체적%는 정의하기 어렵지만, 여기서는, 혼합하는 각각 분말의 중량을 각각의 재료의 밀도로 깨뜨린 값의 비율을 체적 %로 하고 있다. 합금으로서 혼합하는 재료의 원래의 비중이 가까운 재료이면, 중량 %와 거의 같아지는 것은 말할 필요도 없다.
또한, 탄화물을 형성하기 어려운 재료인 Co(코발트), Ni(니켈), Fe(철) 이외에 합금의 성분으로서 혼합되는 재료가 탄화물을 형성하는 재료라도, 그 중에서 상대적으로 탄화물을 형성하기 어려운 재료인 경우에는, 피막 중에는 Co(코발트), Ni(니켈), Fe(철) 이외의 금속성분이 포함되게 되고, Co(코발트), Ni(니켈), Fe(철)의 비율은 더 적어도 치밀한 후막을 형성할 수 있다.
Cr(크롬)과 Co(코발트)의 2원소의 합금인 경우에는, 전극 중에서의 Co(코발트)의 함유율이 20체적%를 초과하기 때문에 후막이 형성하기 쉬워지는 것이 밝혀졌다. 여기서 말하는 Co(코발트)의 체적%란, 전술한 바와 같이, ((Co의 중량%)/(Co의 비중))÷(((Cr의 중량%)/(Cr의 비중))+((Co의 중량%)/(Co의 비중)))이다. Cr(크롬)은 탄화물을 형성하는 재료이지만, Ti 등의 활성한 재료와 비교하면 탄화물을 형성하기 어려운 재료이다. 피막 성분을 X선 회절·XPS(X-ray Photo electron Spectroscopy) 등에 의해 분석하면, Cr3C2(탄화 크롬)의 존재를 나타내는 피크와, Cr(크롬)의 존재를 나타내는 데이터가 관찰되었다. 즉, Cr(크롬)의 경우에는, 탄화하기 쉬운 재료이지만, Ti(티타늄)와 같은 재료에 비교하면 탄화하기 용이함은 낮고, 전극중에 Cr(크롬)이 포함되어 있는 경우에는, 그 일부가 탄화물이 되고, 일부는 금속의 Cr(크롬)인채로 피막으로 되게 된다. 이상의 결과 등으로부터 고찰하면, 피막 중에 금속으로서 남는 재료의 비율이 체적으로 30% 정도 이상 존재하는 것이 치밀한 후막을 형성하기 위해 필요하다고 생각된다.
(실시예 6)
도 13은 본 발명의 실시예 6에 관한 방전표면 처리용 전극 및 그 제조방법의 개념을 나타내는 단면도이다. 도 13에서, 금형의 상부펀치(1303), 금형의 하부펀치(1304), 금형의 다이(1305)로 둘러싸여진 공간에는, Co 합금분말(1301)에 Co(코발트) 분말(1302)을 혼합한 혼합 분말이 충전된다. 그리고, 이 혼합 분말을 압축성형함으로써 압분체를 형성한다. 방전표면 처리가공에 있어서는, 이 압분체가 방전전극으로 된다. 분말을 압축성형하는 프레스압은 약 100MPa, 가열온도는 600℃ 내지 800℃의 범위로 했다.
Co 합금분말(1301)의 합금비율은, 「Mo(몰리브덴) 28중량%, Cr(크롬) 17중량%, Si(실리콘) 3중량%, Co(코발트) 잔여」이고, Co 합금분말(1301)은 이러한 합금비율의 합금재료를 분말화한 것이다. Co 합금분말(1301) 및 Co 분말(1302)은 어느 것이나 입경 2㎛로부터 6㎛정도의 것을 사용했다.「Mo(몰리브덴) 28중량%, Cr(크롬) 17중량%, Si(실리콘) 3중량%, Co(코발트) 잔여」의 합금비율의 합금은, 고온환경 하에서의 내마모를 위한 재료로서 사용되는 합금이다. 이 합금은, 재료가 갖는 경도와, 고온환경화로 Cr(크롬)이 산화해서 할 수 있는 Cr2O3(산화크로늄)이 윤활성을 발휘함으로써 내마모의 효과를 유효하게 발휘한다. 따라서, 이 합금의 분말을 포함하는 전극을 사용함으로써 내마모성에 뛰어난 피막을 형성 할 수 있다.
단, 방전표면처리에 의해 피막형성을 하는 경우에는, 그대로의 조성의 합금분말만으로부터 전극을 제조하는 것도 할 수 있는 데는 할 수 있지만, 재료의 경도 때문에 프레스에 의한 압축성형시의 성형성에 다소 문제가 있고, 전극의 품질에 변동이 생기기 쉽다는 문제와, 탄화물을 형성하기 쉬운 Mo(몰리브덴)가 비교적 많이 포함되어 있기 때문에, 치밀한 피막을 형성하기 어려운 경우가 있다는 문제가 있다.
이상과 같은 문제가 있을 경우에, Co(코발트)의 분말을 더욱 혼합함으로써, 후막의 형성하기 용이함을 향상시키는 것이 가능해진다.「Mo(몰리브덴) 28중량%, Cr(크롬) 17중량%, Si(실리콘) 3중량%, Co(코발트) 잔여」의 합금비율의 합금분말만에 의해 전극을 제작하고, 해당전극을 사용한 방전표면 처리장치를 구성해서 피막을 형성한 경우에는, 형성된 피막 중의 공간율이 10% 정도이다. 그것에 대하여, 「Mo(몰리브덴) 28중량%, Cr(크롬) 17중량%, Si(실리콘) 3중량%, Co(코발트) 잔여」의 합금비율의 합금분말에 Co(코발트) 분말을 20중량% 정도 혼합한 혼합 분말에 의해 전극을 제작하고, 해당 전극을 사용한 방전표면 처리장치를 구성해서 피막을 형성한 경우에는, 피막 중의 공간율을 3% 내지 4% 정도로 감소할 수 있다. 따라서, 「Mo(몰리브덴) 28중량%, Cr(크롬) 17중량%, Si(실리콘) 3중량%, Co(코발트) 잔여」의 합금비율의 합금분말에 Co(코발트) 분말을 20중량%정도 혼합한 혼합 분말에 의해 제작한 전극을 사용함으로써, 내마모의 효과를 가지면서 치밀한 후막을 형성하는 것이 가능해진다. 이러한 효과를 나타내는 재료로서는, Co의 이외에 Ni나 Fe를 사용할 수 있고, 또한 이것들의 재료 중 복수를 혼합하는 것도 할 수 있다.
(실시예 7)
도 14는, 항공기 엔진 재료의 변천을 나타내는 도면이다. 항공기 엔진 예를 들면 엔진 블레이드는 고온환경 하에서 사용되기 때문에, 재질로서 내열합금이 사용된다. 이전은 보통의 주조품이 사용되고 있었지만, 현재로는, 단결정합금·일방향 응고합금 등의 특수한 주조품이 사용된다. 이들 재료는 고온환경에서의 사용에 견딜 수 있는 재료이지만, 용접과 같이 국부에 열이 들어가 온도가 큰 불균일이 생긴 경우에는 깨지기 쉽다는 결점이 있다. 또한, 항공기 엔진 전체로 보아도, 용접이나 용사로 다른 재료를 부착시키는 경우가 많으므로, 국부에 집중한 입열로 깨어짐이 발생하기 쉽고 수율이 나쁘다는 문제가 있었다.
용접에서는, 방전 전류가 연속해서 흐르기 때문에, 워크 상의 아크의 점이 단시간에는 이동하지 않고, 강하게 가열되어버린다. 한편, 본 발명의 실시예에서는, 단시간(수㎲로부터 몇십㎲ 정도의 시간)에 방전 전류를 정지시키기 때문에, 열의 집중이 없다. 도 3에 나타낸 펄스폭 te의 시간이 방전이 발생하고 있는 시간이고, 방전지연시간 td 및 정지시간 to는, 방전이 발생하지 않는, 즉, 워크에 열이 들어가지 않는 시간이다. 또한, 1개의 방전펄스가 종료한 경우, 다음에 발생하는 방전 펄스는, 다른 장소에 발생하므로, 용접과 비교해서 열의 집중의 적은 것을 안다.
본 실시예에서는, 이 단결정합금 혹은 일방향 응고합금에의 금속피막의 형성에 방전표면처리를 실행하고 또한 액 중에서의 펄스방전에 의해 입열을 분산시킴으로써 깨어짐을 막을 수 있다. 더욱이, 종래와 같이 용접이나 용사에 따르지 않고, 방전표면처리의 전극재료로서 탄화물을 형성하지 않는 금속재료 또는 형성하기 어려운 금속재료를 40체적% 이상 포함하는 전극을 사용함으로써 후막의 피막을 얻을 수 있고, 이 결과, 깨어짐을 생기지 않고 후막의 피막을 형성할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 방전표면 처리용 전극은, 피가공물 표면에 피막을 형성하는 표면처리관련 산업에 사용되는 데에 적합하고, 특히 피가공물 표면에 후막을 형성하는 표면처리 관련산업에 사용할 수 있는데도 적합하다.

Claims (31)

  1. 금속분말, 금속의 화합물의 분말을 압축성형한 압분체를 전극으로서, 가공액 중에서 전극과 워크의 사이에 펄스형의 방전을 발생시켜, 그 방전 에너지에 의해 전극재료의 피막을 워크 표면에 형성하고 혹은 방전 에너지에 의해 전극재료가 반응한 물질의 피막을 워크 표면에 형성하는 방전표면처리에 사용하는 방전표면 처리용 전극에 있어서, 전극재료로서 탄화물을 형성하지 않는 금속재료 또는 형성하기 어려운 금속재료를 40체적% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리용 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄화물을 형성하지 않는 금속재료 또는 탄화물을 형성하기 어려운 금속재료가, Co, Ni 또는 Fe인 것을 특징으로 하는 방전표면 처리용 전극.
  3. 금속분말, 금속의 화합물의 분말을 압축성형한 압분체를 전극으로서, 가공액 중에서 전극과 워크의 사이에 펄스형의 방전을 발생시키고, 그 방전 에너지에 의해 전극재료의 피막을 워크 표면에 형성하고 혹은 방전 에너지에 의해 전극재료가 반응한 물질의 피막을 워크 표면에 형성하는 방전 표면처리에 사용하는 방전표면 처리용 전극에 있어서, 복수의 원소를 소정의 비율로 합금화한 합금재료의 분말에 의해 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리용 전극.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 합금재료의 분말에 Co, Ni 또는 Fe 중 어느 1종 이상의 분말을 혼합한 분말로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리용 전극.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 합금재료가, 탄화물을 형성하지 않는 금속재료 또는 형성하기 어려운 금속재료를 40체적% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리용 전극.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 합금재료의 분말에 Co, Ni 또는 Fe 중 어느 1종 이상의 분말을 혼합한 분말로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리용 전극.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 탄화물을 형성하지 않는 금속재료 또는 탄화물을 형성하기 어려운 금속재료가, Co, Ni 또는 Fe인 것을 특징으로 하는 방전표면 처리용 전극.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 합금은, Co를 주성분으로 하여 Cr, Ni, W를 포함하는 Co 합금, Co를 주성분으로 하여 Mo, Cr, Si를 포함하는 Co 합금, Ni를 주성분으로서 Cr, Fe를 포함하는 Ni 합금, Ni를 주성분으로 하여 Cr, Mo, Ta를 포함하는 Ni 합금, Fe를 주성분으로 하여 Cr, Ni, Mo, (Cb+Ta), Ti, Al을 포함하는 Fe 합금인 것을 특징으로 하는 방전표면 처리용 전극.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 합금재료의 분말에 Co, Ni 또는 Fe 중 어느 1종 이상의 분말을 혼합한 분말로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리용 전극.
  10. 금속분말 또는 금속의 화합물의 분말을 압축성형한 압분체전극과, 워크와의 사이에 펄스형의 방전을 가공액 중에 발생시키고, 그 방전 에너지에 의해 상기 압분체전극으로부터 공급되는 전극재료에 근거하여, 탄화물 및 탄화물로 이루어져 있지 않은 금속성분이 소정 비율로 포함되는 피막을 상기 워크 표면에 형성시키는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리방법.
  11. 제10항에 있어서,
    탄화물로 이루어져 있지 않은 금속성분의 비율은, 30체적% 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리방법.
  12. 제11항에 있어서,
    탄화물을 형성하지 않는 금속재료 또는 탄화물을 형성하기 어려운 금속재료를 40체적% 이상 포함하는 전극을 방전시킴으로써 워크 표면에 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 탄화물을 형성하지 않는 금속재료 또는 탄화물을 형성하기 어려운 금속재료가, Co, Ni 또는 Fe인 것을 특징으로 하는 방전표면 처리방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 워크 재료가 단결정합금·일방향 응고합금 등의 방향제어합금인 것을 특징으로 하는 방전표면 처리방법.
  15. 금속분말, 금속의 화합물의 분말을 압축성형한 압분체를 전극으로서, 가공액 중에서 전극과 워크의 사이에 펄스형의 방전을 발생시켜, 그 방전 에너지에 의해 전극재료의 피막을 워크 표면에 형성하고 혹은 방전 에너지에 의해 전극재료가 반응한 물질의 피막을 워크 표면에 형성하는 방전표면 처리방법에 있어서, 복수의 원소를 소정의 비율로 합금화한 합금재료의 분말에 의해 구성된 전극을 사용해서 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전극이, 상기 합금재료의 분말에 Co, Ni 또는 Fe 중 어느 1종 이상의 분말을 혼합한 분말로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 워크 재료가 단결정합금·일방향 응고합금 등의 방향제어합금인 것을 특징으로 하는 방전표면 처리방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 합금재료가, 탄화물을 형성하지 않는 금속재료 또는 형성하기 어려운 금속재료를 40체적% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 전극이, 상기 합금재료의 분말에 Co, Ni 또는 Fe 중 어느 1종 이상의 분말을 혼합한 분말로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 탄화물을 형성하지 않는 금속재료 또는 탄화물을 형성하기 어려운 금속재료가, Co, Ni 또는 Fe인 것을 특징으로 하는 방전표면 처리방법.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 합금재료는, Co를 주성분으로 하여 Cr, Ni, W를 포함하는 Co 합금 혹은, Co를 주성분으로 하여 Mo, CT, Si를 포함하는 Co 합금, Ni를 주성분으로 하여 Cr, Fe를 포함하는 Ni 합금, Ni를 주성분으로 하여 Cr, Mo, Ta를 포함하는 Ni 합금, Fe를 주성분으로 하여 Cr, Ni, Mo, (Cb+Ta), Ti, Al을 포함하는 합금인 것을 특징으로 하는 방전표면 처리방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 전극이, 상기 합금재료의 분말에 Co, Ni 또는 Fe 중 어느 1종 이상의 분말을 혼합한 분말로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리방법.
  23. 탄화물을 형성하지 않는 금속재료 또는 형성하기 어려운 금속재료를 40체적% 이상 포함하는 분말을 압축성형한 압분체로 이루어지는 전극과,
    상기 전극과 워크를 가공액 중에 침지시키는 또는 상기 전극과 워크와의 사이에 가공액을 공급하는 가공액 공급장치와,
    상기 전극과 상기 워크와의 사이에 전압을 인가해서 펄스형의 방전을 발생시키는 전원장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 탄화물을 형성하지 않는 금속재료 또는 탄화물을 형성하기 어려운 금속재료가, Co, Ni 또는 Fe인 것을 특징으로 하는 방전표면 처리장치.
  25. 복수의 원소를 소정의 비율로 합금화한 합금재료의 분말을 압축성형한 압분체로 이루어지는 전극과,
    상기 전극과 워크를 가공액 중에 침지시키는 또는 상기 전극과 워크와의 사이에 가공액을 공급하는 가공액 공급장치와,
    상기 전극과 상기 워크와의 사이에 전압을 인가해서 펄스형의 방전을 발생시키는 전원장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 전극이, 상기 합금재료의 분말에 Co, Ni 또는 Fe 중 어느 1종 이상의 분말을 혼합한 분말로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리장치.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 합금재료가, 탄화물을 형성하지 않는 금속재료 또는 형성하기 어려운 금속재료를 40체적% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 전극이, 상기 합금재료의 분말에 Co, Ni 또는 Fe 중 어느 1종 이상의 분말을 혼합한 분말로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리장치.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 탄화물을 형성하지 않는 금속재료 또는 탄화물을 형성하기 어려운 금속재료가, Co, Ni 또는 Fe인 것을 특징으로 하는 방전표면 처리장치.
  30. 제25항에 있어서,
    상기 합금재료는, Co를 주성분으로 하여 Cr, Ni, W를 포함하는 Co 합금 혹은, Co를 주성분으로 하여 Mo, Cr, Si를 포함하는 Co 합금, Ni를 주성분으로 하여 Cr, Fe를 포함하는 Ni 합금, Ni를 주성분으로 하여 Cr, Mo, Ta를 포함하는 Ni 합금, Fe를 주성분으로 하여 Cr, Ni, Mo, (Cb+Ta), Ti, Al을 포함하는 Fe 합금인 것을 특징으로 하는 방전표면 처리장치.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 전극이, 상기 합금재료의 분말에 Co, Ni 또는 Fe 중 어느 1종 이상의 분말을 혼합한 분말로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 방전표면 처리장치.
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