WO2004111302A1

WO2004111302A1 - 放電表面処理方法および放電表面処理装置

Info

Publication number: WO2004111302A1
Application number: PCT/JP2004/000801
Authority: WO
Inventors: Akihiro Goto; Masao Akiyoshi; Hiroyuki Ochiai; Mitsutoshi Watanabe; Takashi Furukawa
Original assignee: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha; Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd.
Priority date: 2003-06-11
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2004-12-23
Also published as: EP1662022A4; US20060090997A1; BRPI0411309A; RU2311995C2; JPWO2004111302A1; JP4523547B2; KR100787275B1; TW200427541A; EP1662022A1; CN1802454A; TWI279273B; KR20060037259A; RU2006100294A; CN100497736C; CA2525597A1

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

放電表面処理方法および放電表面処理装置技術分野

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明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細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。背景技術

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、 T i C (炭化チタン）などの硬質材钭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つていることがある。その一例として第 1 0図に示す航空機用ガスタ一ビンエンジンのタービンブレードの場合につ V、て説明する。

第 1 0図に示されるように、タービンブレード 1 0 1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（7 0 0 °C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ィ匕してしまうためほとんど効臬を発揮できない。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 +を発揮する酸ィヒ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。

—方、被膜形成技術として、パルス状の放電によりワーク表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、 T i C ( 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 1 0 0 μ m程度以上の厚膜を形成に対する要求が強くなつている。し力し、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威してしまう。このため、放電表面処理による T i (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 8 0 V〜2 0 0 V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。

特許文献 1

' 特許第 3 2 2 7 4 5 4号公報

特許文献 2

特開平 6— 2 6 9 9 3 6号公報

特許文献 3

特開平 1 1一 2 6 4 0 8 0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、ラィン化できる放電表面処理を用レ、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 1 0 0 m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、ノ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。' 発明の開示

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 5 0 0 V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カゝ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 5 0 O V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。 ' 図面の簡単な説明

'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 3 A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 3 B図は、第 3 A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におレ、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 1 0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。発明を実施するための最良の形態

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力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ゃすレ、材料が加ェ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/ 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、 C o (コバルト）、 N i (ニッケル）、 F e ( 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、 T i ( チタン）のような極めて炭化しやすレ、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レ、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 C o合金の粉末を使用した場合にっレヽて説明する。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 1 μ φ程度の C Ο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、 C o粉末 1を金型に入れて、上パンチ 2及ぴ下パンチ 3により該 C o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 C o粉末 1にかけることで該 C o粉末 1は固まり、圧粉体となる。

プレスの際に C o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 C o粉末 1にパラフィンなどのワックスを重量比で 1 Q/oから 1 0 %程度混入すると C o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、 C o粉末 1にワックスを混入した場合には、後の工程でヮ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レヽ c 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 C o粉末 1は、平均粒系 3 μ m程度以下とし、より好ましくは本実施の形態の如く 1 /z m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レ、放電表面処理用の電極を用レヽ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、 C o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でパルス状の放電（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とヮーク 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、ヮーク 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 3 A図と第 3 B図とに示す。第 3 A図と第 3 B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 3 A図は、放電時の電極 1 1とワーク 1 2の間にかかる電圧波形（極間電圧波形）を示し、第 3 B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 3 A図、第 3 B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 3 A図に示されるように時刻 t 0で両極間に無負荷電圧 u iがかけられる力 S、放電遅れ時間 t d経過後の時刻 t 1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 u eであり、このとき流れる電流がピーク電流値 i e である。そして時刻 t 2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 t 2— t 1を放電パノレス幅 t eという。この時刻 t 0〜 t 2における電圧波形を、休止時間 t oをおいて繰り返して両極間に印加する。つまり、この第 3 A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 i e = 1 0 A、放電持続時間（放電パルス幅） t e = 6 4 μ s、休止時間 1; ο = 1 2 8 μ 3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、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） 6 3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 6 1から放出される電極材料またはワーク 6 2が溶融して生成された粉末（加工屑） 6 4が極間（電極 6 1とワーク 6 2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 i e = 1 0 A、放電持続時間（放電パルス幅 ) t e = 6 4 μ s、休止時間 t ο = 1 2 8 ju s、無負荷電圧 8 0 Vの条件では、放電中の極間距離はおよそ 4 0 m〜 5 0 ^ m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、 1 μ πι程度の C o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ヮ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、ワーク表面にネ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。し力、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カ卩ェしてしまう。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,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、ヮ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つてしまう。' この場合には、放電により電極材料がヮ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、 1 0 ΐη〜2 0 _μ ιη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 1 0 H z程度）を考慮すると、極間距離は 3 0 m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 i _e = 1 0 A、放電持続時間（放電パルス幅 ) t e = 6 4 μ s、休止時間 t ο = 1 2 8 μ s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 5 0 O V以上の電圧が必要であり、好ましくは、 1 0 0 0 V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 3 0 /X m程度以上に保っために必要であるためである。

3 0 ^u m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 3 0 0 V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ぃ 1 0 H z〜2 O H z程度である。このため、極間電圧としては、余裕を持つた 5 0 O V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 5 0 0 V以上、好ましくは 1 0 0 0 V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レヽ。しカゝし、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— 2 6 9 9 3 6号公報、特開平 6— 2 6 9 9 3 9号公報、特開平 9一 1 0 8 8 3 4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ヮ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樹亍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 5 0 0 V以上の電圧を印加してパノレ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] 3莫形成が可能になつた。

'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、チヤンパ一 2 1内に、放電表面処理用電極 2 3 (以下、'単に電極 2 3と称する場合がある。）、ワーク 2 5などが収納されている。電極 2 3は、チタン（T i ) 粉末から構成された電極である。電極 2 3、ワーク 2 5はそれぞれチヤンバー 2 1の外部に設けられ、電極 2 3とワーク 2 5との間に零圧を印加してパルス状の放電（アーク柱 3 3 ) を発生させる放電表面'処理用電源 2 7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 2 3から放電表面処理用電源 2 7に向かう方向に流れる。また、チャンバ一 2 1には、チャンパ一 2 1内に気体を供給する気体供給口 2 9が設けられており、該気体供給口 2 9を通してチヤンパー 2 1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 2 9を通してチヤンバー 2 1内にアルゴン（A r ) ガス 3 1が導入され、チャンパ一内はァ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 2 3とワーク 2 5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 2 3を構成するチタン（T i ) 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（T i H₂) 粉末を粉砕して 2 μ .ιη〜 3 i m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 2 3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 2 3とワーク 2 5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 2 3とワーク 2 5とを、外気から遮断されたチャンバ —2 1に収納しており、該チャンバ一 2 1内に、気体供給口 2 9から不活性ガスであるアルゴン（A r ) ガス 3 1を供給して'レヽる。

実施の形態 1では、 C o電極を使用した場合について説明した。 C oは酸ィ匕し難レ、材料である。このため、 C o電極を使用して放電表面処理を行レ、、空気中で放電させてもワーク上に C o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、化学反応をおこしゃすいチタン（T i ) 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 T iは直ちに酸化チタン（T i 0 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 A rガス 3 1を使用している。 A rガス 3 1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、 A rガス 3 1などの不活性ガス（希ガス）を用いることにより、 T iのように化学反応を起こしやすい電極材料でも、金属 T iの状態のままワーク側に移行させ、 T i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、 T iのように化学反応を起こしゃすい材料でも、金属 T iの状態のままワーク側に移行させ、 T i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、の目的を達成するためには、チャンパ一 2 1内に導入するガスは、 A rガスに限定されるものではなく、ヘリウム（H e ) ガスや、ネオン（N e ) 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、チャンバ一 2 1内に電極 2 3、ワーク 2 5などを収納して放電表面処理を行なったが、電極 2 3、ワーク 2 5などは必ずしもチャンバー 2 1に収納する必要はなく、放電が発生している環境が、 A rなどの不活性なガス雰囲気とすることができればよレ、。例えば、電極 2 3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、チャンパ一 4 1内に、放電表面処理用電極 4 3 (以下、単に電極 4 3と称する場合がある。）、ワーク 4 5などが収納されている。電極 4 3、ワーク 4 5はそれぞれチャンバ一 4 1の外部に設けちれ、電極 4 3とワーク 4 5との間に電圧を印加してパルス状の放電 (アーク柱 5 3 ) を発生させる放電表面処理用電源 4 7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 4 3から放電表面処理用電源 4 7に向かう方向に流れる。

また、チャンバ一 4 1には、チャンパ一 2 1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 4 9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 4 9を通してチャンバ一 4 1内に気体が供給される。また、気体供給口 4 9から供給された気体は、電極 4 3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 4 '9を通してチ 'ヤンバー 4 1内にアルゴン（A r ) ガス 5 1が導入され、チャンバ一内はァ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 4 3とワーク 4 5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 4 3とワーク .4 5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' 4 9から供給された A rガス 5 1は、電極 4 3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、 A rガス 5 1でチャンパ一 4 1を充満させると同時に電極 4 3を冷却し、電極 4 3の加熱を防止することができる。この結果、電極 4 3を効果的に冷却することが可能となり、電極 4 3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 4 3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図ではノ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、チヤンバー 6 1内に、放電表面処理用電極 6 3 (以下、単に電極 6 3と称する場合がある。 ) 、ワーク 6 5などが収納されている。電極 6 3は、チタン（T i ) 粉末から構成された電極である。電極 6 3、ワーク 6 5はそれぞれチャンバ一 6 1の外部に設けられ、電極 6 3とワーク 6 5との間に電圧を印加してパルス状の放電（アーク柱 7 3 ) を発生させる放電表面処理用電源 6 7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 6 3から放電表面処理用電源 6 7に向かう方向に流れる。また、チャンバ一 6 1には、チャンバ一 6 1内に気体を供糸合すると同時に電極を冷却するための気体供給口 6 9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 6 9を通してチャンバ一 6 1内に気体が供給される。また、気体供給口 6 9から供給される気体は、チャンパ一 6 1内に導入される際に電極 6 3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 6 9を通してチャンバ一 6 1内にアルゴン（A r ) ガス 7 1 が導入され、チャンバ一 6 1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 6 3とワーク 6 5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!/、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 6 3とワーク 6 5との間にノレ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 6 9に A rガス 7 1を供給することにより、電極 6 3を通して A rガス 7 1をチャンバ一 6 1内に供給する構造になっている。電極 6 3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、 A rガス 7 1でチヤンバー 6 1を充満させると同時に電極 6 3を冷却し、電極 6 3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 6 3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 A r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【こ収納することにより実現できる。これにより、 A rガス 7 1でチャンバ一 6 1内を充満させると同時に電極 6 3を冷却し、電極 6 3の加熱を防止することができる。

この結果、電極 6 3をより効果的に冷却することが可能となり、電極 6 3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 6 3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、本実施の形態にカゝ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 8 3 (以下、単に電極 5と称する場合がある。）と、電極 8 3とワーク 8 5とを覆う加工液である液体アルゴン 8 9と、電極 8 3とワーク 8 5との間に電圧を印カ卩してパルス状の放電 (アーク柱 9 1 ) を発生させる放電表面処理用電源 8 7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 8 3とワーク 8 5との距離を制御するためのサーボ機構、液体アルゴン 8 9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 6 3とワーク 6 5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つたが、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 5 0 0 V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 5 0 0 Vにしなければならないということはなく、 5 0 O V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、不活性なガスを液ィ匕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 1 0 0 %、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!/ヽ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ィ匕し、ワークの酸化を防止することができる。これは、表面のアルミが酸ィ匕されると緻密な酸化被膜を形成し、該酸化被膜により、ヮ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つたが、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、被膜中で炭ィヒ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 5 0 O V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ァルミニゥ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。 '

産業上の利用可能性

以上のように、本発明にかかる放電表面処理用電極は、！ェ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

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 5 0 0 V以上の電圧を印加してノ、"ルス状の放電を発生させ、そのエネルギによりヮ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

一一口青

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。

求

2

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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

¾車

第 1項に記載の放電表面処理方法。

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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 5 0 0 V以上の電圧を印加してパルス状め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 ¾の放 • 電表面処理装置。

1 0. 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。

1 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、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ヮ一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。 '

1 2. 金属粉末または金属の化合物の粉末、またはセラミツタ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。

1 3 . 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.5 0 0 V以上の電圧を印加してパルス状の放電を発生させ、またはカ卩ェ液中でパルス状の放電を発生させ、そのエネルギによりヮ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ェ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。

1 4 . 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 3項に記載の放電表面処理方法。