WO2001023640A1 - Electrode de traitement de surface par decharge electrique, son procede de production et procede de traitement de surface par decharge electrique - Google Patents

Description

明 細 書 放電表面処理用電極及びその製造方法並びに放電表面処理方法 技術分野

この発明は、 電極と被加工物との間に放電を発生させ、 そのエネルギ により、 被加工物表面に電極材料からなる硬質被膜又は電極材料が放電 エネルギにより反応した物質からなる硬質被膜を形成する放電表面処理 に用いる、 放電表面処理用電極及びその製造方法並びに放電表面処理方 法の改良に関するものである。 背景技術

従来、 被加工物表面に硬質被膜を形成して、 耐食性、 耐磨耗性を付与 する技術としては、 例えば、 日本国特開平 5— 1 4 8 6 1 5号公報に開 示された放電表面処理方法がある。 この技術は、 W C (炭化タンダステ ン） 粉末と C o (コバルト） 粉末を混合して圧縮成形してなる放電表面 処理用電極である圧粉体電極を使用して 1次加工 （堆積加工） を行い、 次に銅電極等の比較的電極消耗の少ない電極に交換して 2次加工 （再溶 融加工） を行う、 2つの工程からなる金属材料の放電表面処理方法であ る。 この方法は、 鋼材に対しては強固な密着力をもった硬質被膜を形成 できるが、 超硬合金のような焼結材料に対しては強固な密着力を持った 硬質被膜を形成することは困難である。

しかし、 我々の研究によると、 T i (チタン） 等の硬質炭化物を形成 する材料を放電表面処理用電極として、 被加工物である金属材料との間 に放電を発生させると、 再溶融の過程なしに強固な硬質被膜を被加工物 である金属表面に形成できることがわかっている。 これは、 放電により 消耗した電極材料と加工液の構成成分である C (炭素）'が反応して T i C (炭化チタン） が生成することによるものである。 また、 T i H 2 (水 素化チタン） 等の金属水素化物からなる放電表面処理用電極である圧粉 体電極により、 被加工物である金属材料との間に放電を発生させると、 T i等の材料を使用する場合よりも、 迅速にかつ密着性が高い硬質被膜 を形成できることがわかっている。 さらに、 T i H ₂等の水素化物に他 の金属やセラミックスを混合した放電表面処理用電極である圧粉体電極 により、 被加工物である金属材料との間に放電を発生させると、 硬度、 耐磨耗性等様々な性質をもった硬質被膜を素早く形成することができる ことがわっている。

このような方法については、 例えば、 日本国特開平 9一 1 9 2 9 3 7 号公報に開示されており、 このような放電表面処理に用いる放電表面処 理用電極及び装置の構成例を第 7図により説明する。 図において、 1は T i H 2粉末を圧縮成形してなる放電表面処理用電極である圧粉体電極、 2は被加工物、 3は加工槽、 4は加工液、 5は圧粉体電極 1と被加工物 2に印加する電圧及び電流のスィツチングを行うスィツチング素子、 6 はスイッチング素子 5のオン ·オフを制御する制御回路、 7は電源、 8 は抵抗器、 9は形成された硬質被膜である。 このような構成により、 圧 粉体電極 1と被加工物 2との間に放電を発生させ、 その放電エネルギに より、 鉄鋼、 超硬合金等からなる被加工物 2の表面に硬質被膜 9を形成 することができる。

このような放電表面処理による被加工物への炭化物からなる硬質被膜 形成は、 形成する硬質被膜の成分となる炭化物を放電表面処理用電極の 成分として放電による熱エネルギにより被加工物に炭化物の被膜を形成 するか、 又は、 形成する硬質被膜の成分となる炭化物を形成する金属若 しくはその金属の化合物を放電表面処理用電極の成分として放電による 熱エネルギにより加工液の構成成分である cと反応させて被加工物に炭 化物からなる硬質被膜を形成することにより行われる。

ここで、 放電表面処理用電極の成分を炭化物等の比較的硬さの高い材 料だけとすると、 プレスによる圧縮成形により放電表面処理用電極成分 である粉末を固めることができないため、 通常は比較的硬さの低い材料 をバインダとして混合する。 しかし、 焼結合金等を作る際にバインダと して使用される C o (コバルト） 等を電極の材料として混合すると、 炭 化物を作らない材料であるため、 被加工物に形成される硬質被膜の硬さ が低くなり、 高い耐摩耗性が要求されるような用途には使用できないと いう問題点が生じる。 また、 被加工物に形成される硬質被膜の材料によ つては被加工物の母材材料と相性が悪い場合があり、 このような場合に は硬質被膜の密着強度が弱くなるという問題点がある。 発明の開示

この発明は、 前記のような課題を解決するためになされたものであり、 放電表面処理により被加工物に形成される硬質被膜の被膜硬さ及び被膜 強度を高くすることができる、 放電表面処理用電極及びその製造方法並 びに放電表面処理方法を得ることをを目的とする。

この発明に係る放電表面処理用電極は、 炭素を含む加工液中で、 電極 と被加工物との間に放電を発生させ、 そのエネルギにより、 前記被加工 物表面に金属炭化物を成分として含む硬質被膜を形成する放電表面処理 に用いる放電表面処理用電極において、 前記放電表面処理用電極材料と して、 前記金属炭化物、 及び、 前記金属炭化物に含まれる金属若しくは その金属の化合物又は硬質炭化物を形成する他の金属若しくはその金属 の化合物を含むものである。

また、 前記金属炭化物が、 前記被加工物材料に含まれる金属又は金属 化合物の金属炭化物であるものである。

また、 前記放電表面処理用電極材料が W C及び Wを含むものである。 この発明に係る放電表面処理用電極の製造方法は、 炭素を含む加工液 中で、 電極と被加工物との間に放電を発生させ、 そのエネルギにより、 前記被加工物表面に金属炭化物を成分として含む硬質被膜を形成する放 電表面処理に用いる放電表面処理用電極の製造方法において、 前記金属 炭化物の粉末、 及び、 前記金属炭化物に含まれる金属の粉末若しくはそ の金属の化合物の粉末又は硬質炭化物を形成する他の金属の粉末若しく はその金属の化合物の粉末を混合し、 圧縮成形して前記放電表面処理用 電極を形成するものである。

また、 前記放電表面処理用電極材料にワックスを添加した後圧縮成形 し、 前記ワックスが溶融する温度以上前記ワックスが分解してすすが発 生する温度以下にて加熱を行い前記ワックスを蒸発除去して前記放電表 面処理用電極を形成するものである。

この発明に係る放電表面処理方法は、 炭素を含む加工液中で、 放電表 面処理用電極と被加工物との間に放電を発生させ、 そのエネルギにより、 前記被加工物表面に金属炭化物を成分として含む硬質被膜を形成する放 電表面処理方法において、 前記金属炭化物、 及び、 前記金属炭化物に含 まれる金属若しくはその金属の化合物又は硬質炭化物を形成する他の金 属若しくはその金属の化合物を含む前記放電表面処理用電極を用いるも のである。

また、 前記金属炭化物が、 前記被加工物材料に含まれる金属又は金属 化合物の金属炭化物であるものである。

この発明は、 以上説明したように構成されているので、 放電表面処理 により被加工物に形成される硬質被膜の被膜硬さ及び被膜強度を高くす ることができるという効果がある。 図面の簡単な説明

第 1図は、 この発明の実施の形態 1に係る放電表面処理用電極及びそ の製造方法の概念を示す断面図である。

第 2図は、 この発明の実施の形態 1に係る放電表面処理方法を示す構 成図である。

第 3図は、 この発明の実施の形態 1に係る放電表面処理方法により被 加工物に被膜が形成される様子を示す説明図である。

第 4図は、 この発明の実施の形態 1に係る放電表面処理方法の別の例 を示す説明図である。

第 5図は、 この発明の実施の形態 2に係る放電表面処理用電極の製造 方法の概念を示す説明図である。

第 6図は、 この発明の実施の形態 2に係る放電表面処理用電極の圧縮 成形時に放電表面処理用電極材料に混合するヮッタスの蒸気圧曲線の例 を示す図である。

第 7図は、 従来の放電表面処理用電極及び装置の例を示す構成図であ る。 発明を実施するための最良の形態

実施の形態 1 .

第 1図は、 この発明の実施の形態 1に係る放電表面処理用電極及びそ の製造方法の概念を示す断面図であり、 図において、 1 0は放電表面処 理用電極、 1 1は W C (炭化タングステン） 粉末、 1 2は\¥ (夕ングス テン） 粉末、 1 3は金型の上パンチ、 1 4は金型の下パンチ、 1 5は金 型のダイであり、 W C粉末 1 1及び W粉末 1 2を混合してプレス金型に 入れ、 圧縮成形することにより放電表面処理用電極 1 0を形成する。 背景技術において示したように、 被加工物に形成される硬質被膜の硬 さをより高くする場合には、 被膜成分をより硬さの高い材料のみとする ベく放電表面処理用電極の成分を炭化物等の比較的硬さの高い材料だけ とすることが望ましい。 また、 被加工物に形成される硬質被膜の材料に よっては被加工物の母材材料と相性が悪い場合があり、 硬質被膜の密着 強度が弱くなる等の問題が発生する場合があるため、 被加工物の母材材 料と相性がよい材料を放電表面処理用電極に混入する必要がある。

この発明の実施の形態 1に係る発明は、 被膜成分をより硬さの高い材 料のみとすると共に被加工物母材と被加工物に形成される硬質被膜との 相性を良くするために、 放電表面処理用電極材料として、 より硬さの高 い硬質金属炭化物の粉末、 及び、 被加工物母材に含まれ、 加工液中に含 まれる C (炭素） と反応して前記硬質炭化物を形成する材料の粉末を混 合して、 圧縮成形して放電表面処理用電極を形成するものである。

例えば、 第 1図の放電表面処理用電極 1 0は、 W Cと C oの焼結材料 である超硬合金を被加工物の主な対象とした場合を示している。 超硬合 金の硬さはマイクロビッカース硬さで H V = 1 3 0 0〜 2 0 0 0程度で ある。 これは、 W Cの硬さは H V = 2 4 0 0程度であるが、 軟らかい C oを混入するために、 全体の硬さが低下するためである。 第 1図の放電 表面処理用電極 1 0は、 W Cと Wからなり、 この電極を用いた放電表面 処理により、 より硬さの高い材料である W Cのみの被膜を被加工物に形 成することができる。 また、 W Cは超硬合金の成分と同一材料であるた め、 母材である超硬合金との相性がよく、 強い密着力を実現することが できる。 第 2図は、 この発明の実施の形態 1に係る放電表面処理方法を 示したものであり、 第 3図は、 この発明の実施の形態 1に係る放電表面 処理方法により被加工物に硬質被膜が形成される様子を示したものであ る。 図において、 3は加工槽、 4は Cをその構成成分として含む加工液、 1 0は W Cと Wからなる放電表面処理用電極、 1 6は超硬合金である被 加工物、 1 7は放電表面処理用電源装置、 1 8は放電のアーク柱、 1 9 は放電の熱により溶融し被加工物側に移動した放電表面処理用電極成分、 2 0は W Cからなる硬質被膜である。 第 2図の放電表面処理用電源装置 1 7により放電表面処理用電極 1 0と被加工物 1 6との間に放電が発生 すると、 第 3図の （a ) のように放電の熱で放電表面処理用電極 1 0が 溶融し、 極間に放出され、 放電の熱により溶融し被加工物側に移動した 放電表面処理用電極成分 1 9が被加工物 1 6に付着する。 次に、 第 3図 の （b ) に示すように、 放電表面処理用電極 1 0の成分である Wは加工 液 4の構成成分である Cと反応して W Cになり、 放電表面処理用電極 1 0の成分である W Cと共に W Cからなる硬質被膜 2 0が被加工物 1 6に 形成される。

第 4図は、 この発明の実施の形態 1に係る放電表面処理方法の別の例 を示したものであり、 被加工物が鋼材である場合を示している。 図にお いて、 3は加工槽、 4は Cをその構成成分として含む加工液、 1 7は放 電表面処理用電源装置、 1 8は放電のアーク柱、 2 1はW C及びF e (鉄） からなる放電表面処理用電極、 2 2は鋼材である被加工物である。 このように、 鋼材である被加工物 2 2に被膜を形成する場合には、 放電 表面処理用電極 2 1の材料として被加工物 2 2の母材成分である F eを 混入することにより、 密着力の強い被膜を形成することができる。

実施の形態 2 .

第 5図はこの発明の実施の形態 2に係る放電表面処理用電極の製造方 法の概念を示す図であり、 図において、 1 0は放電表面処理用電極、 1 1は W C粉末、 1 2は\¥粉末、 2 3はパラフィン等のワックス、 2 4は 真空炉、 2 5は高周波コイル、 2 6は真空雰囲気である。 ワックス 2 3 を W C粉末 1 1と W粉末 1 2を混合した粉末に混合して圧縮成形して圧 粉体電極を形成することにより、 成形性を著しく向上させることができ る。 しかし、 ワックス 2 3は絶縁性物質であるため、 電極中に大量に残 ると、 電極の電気抵抗が大きくなるため放電性が悪化する。 そこで、 ヮ ックス 2 3を除去することが必要になる。 第 5図の （a ) はワックス 2 3を混合した圧粉体電極を真空炉 2 1に入れて加熱する様子を示してお り、 真空雰囲気 2 6内で加熱を行っているが、 水素やアルゴンガス等の ガス中であってもよい。 真空炉 2 4中の圧粉体電極を真空炉 2 4の周り に設置した高周波コイル 2 5により高周波加熱する。 この時、 加熱温度 が低すぎるとワックス 2 3が除去できず、 温度が高すぎるとワックス 2 3がすすになってしまい、 電極の純度を劣化させるので、 ワックス 2 3 が溶融する温度以上かつワックス 2 3が分解してすすになる温度以下に 保つ必要がある。 例として 2 5 0 の沸点を有するワックスの蒸気圧曲 線を第 6図に示す。 真空炉 2 4の気圧をワックス 2 3の蒸気圧以下に保 つと、 第 5図の （b ) に示すようにワックス 2 3が蒸発して除去され、 W Cと Wからなる放電表面処理用電極 1 0を得ることができる。

以上の説明においては、 W C及び Wからなる放電表面処理用電極 1 0 並びに W C及び F eからなる放電表面処理用電極 2 1について説明した が、 放電表面処理用電極には被加工物に応じて他の材料を混合すること ができることはもちろんである。 例えば、 被加工物がチタン金属である 場合に、 被加工物に硬質被膜を形成する場合には、 T i C (炭化チタン） と T i (チタン） 、 T i Cと T i〇2 (酸化チタン） 、 又は T i Cと T i H 2 (水素化チタン） 等の組み合わせにより、 被加工物の母材との相性 のよい被膜を被加工物に形成することができる。 産業上の利用可能性

以上のように、 この発明に係る放電表面処理用電極及びその製造方法 並びに放電表面処理方法は、 被加工物表面に硬質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いる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 炭素を含む加工液中で、 電極と被加工物との間に放電を発生させ、 そのエネルギにより、 前記被加工物表面に金属炭化物を成分として含む 硬質被膜を形成する放電表面処理に用いる放電表面処理用電極において、 前記放電表面処理用電極材料として、 前記金属炭化物、 及び、 前記金 属炭化物に含まれる金属若しくはその金属の化合物又は硬質炭化物を形 成する他の金属若しくはその金属の化合物を含むことを特徴とする放電 表面処理用電極。

2 . 請求の範囲 1おいて、 前記金属炭化物が、 前記被加工物材料に含 まれる金属又は金属化合物の金属炭化物であることを特徴とする放電表 面処理用電極。

3 . 請求の範囲 2において、 前記放電表面処理用電極材料が W C及び Wを含むことを特徴とする放電表面処理用電極。

4 . 炭素を含む加工液中で、 電極と被加工物との間に放電を発生させ、 そのエネルギにより、 前記被加工物表面に金属炭化物を成分として含む 硬質被膜を形成する放電表面処理に用いる放電表面処理用電極の製造方 法において、

前記金属炭化物の粉末、 及び、 前記金属炭化物に含まれる金属の粉末 若しくはその金属の化合物の粉末又は硬質炭化物を形成する他の金属の 粉末若しくはその金属の化合物の粉末を混合し、 圧縮成形して前記放電 表面処理用電極を形成することを特徴とする放電表面処理用電極の製造 方法。

5 . 請求の範囲 4において、 前記放電表面処理用電極材料にワックス を添加した後圧縮成形し、 前記ワックスが溶融する温度以上前記ヮック スが分解してすすが発生する温度以下にて加熱を行い前記ワックスを蒸 発除去して前記放電表面処理用電極を形成することを特徴とする放電表 面処理用電極の製造方法。

6 . 炭素を含む加工液中で、 放電表面処理用電極と被加工物との間に 放電を発生させ、 そのエネルギにより、 前記被加工物表面に金属炭化物 を成分として含む硬質被膜を形成する放電表面処理方法において、 前記金属炭化物、 及び、 前記金属炭化物に含まれる金属若しくはその 金属の化合物又は硬質炭化物を形成する他の金属若しくはその金属の化 合物を含む放電表面処理用電極を用いることを特徴とする放電表面処理 方法。

7 . 請求の範囲 6おいて、 前記金属炭化物が、 前記被加工物材料に含 まれる金属又は金属化合物の金属炭化物であることを特徴とする放電表 面処理方法。