WO2009096543A1 - 放電表面処理方法及び放電表面処理用コーティングブロック - Google Patents

Abstract

　金属の粉末等から成形した成形体を電極１１として用い、半導体又は導体の粉末Ｐを混入した加工油Ｌ中において、電極１１とワークＷの被処理部Ｗａの間にパルス状の放電を発生させて、その放電エネルギーにより、ワークＷの被処理部Ｗａの表面を局所的に溶融させつつ、溶融状態の電極材料又は該電極材料の反応物質をワークＷの被処理部Ｗａに向かって降り注がせて、ワークＷの被処理部Ｗａに被膜Ｃを形成する。

Description

放電表面処理方法及び放電表面処理用コーティングブロック

　本発明は、放電エネルギーによりワークの被処理部に被膜を形成する放電表面処理方法及び放電表面処理用コーティングブロックに関する。

　エンジン部品等のワークの被処理部に被膜を形成する表面処理方法について様々な技術が開発されており、近年、特に放電エネルギーを利用した放電表面処理方法（特開平８－３００２２７号公報、特開２００５－２１３５５４号公報）の開発が盛んに行われている。

　この放電表面処理方法では、金属の粉末等を圧縮成形した成形体（コーティングブロック）を電極として用い、加工油中において、電極とワークの被処理部の間にパルス状の放電を発生させる。すると、そのときの放電エネルギーにより、溶融状態の電極材料又は該電極材料の反応物質をワークの被処理部に向かって降り注がせて、ワークの被処理部に被膜を形成することができる。

　ところで、ワークの被処理部に向かって降り注いだ電極材料等のうちの半分程度はワークの被処理部に定着（付着）して被膜を形成するものの、残りはワークの被処理部に定着しないので、電極材料等の定着率（成膜率）を十分に高めることができない。そのため、電極材料の歩留まりが悪く、放電表面処理の処理コストが高くなるという課題があった。

　また、放電表面処理中に集中放電が継続されないように、集中放電が生じると一旦放電を休止するようになっている。そのため、放電表面処理における放電の時間間隔が拡がって、処理時間が長くなり、生産性を十分に高めることができないという課題があった。

　本発明は、前述の課題を解決することができる新規な放電表面処理方法を提供することを目的とする。

　そこで、本発明の第一の側面として、放電エネルギーによりワークの被処理部に被膜を形成する放電表面処理方法であって、金属の粉末、金属の化合物の粉末、セラミックスの粉末、及びこれらのうちの少なくとも二つの混合粉末、のうちの一つから成形した成形体を電極として用意して、半導体の粉末、導体の粉末、非伝導性粒子の粉末、及びこれらのうちの少なくとも二つの混合粉末、のうちの一つを混入した加工油中において、前記電極と前記ワークの被処理部の間にパルス状の放電を発生させて、その放電エネルギーにより、前記ワークの被処理部の表面を局所的に溶融させつつ、溶融状態の前記電極材料又は該電極材料の反応物質を前記ワークの被処理部に向かって降り注がせて、前記ワークの被処理部に前記被膜を形成することを特徴とする放電表面処理方法を提供する。

　また、本発明の第二の側面として、放電エネルギーによりワークの被処理部に被膜を形成する放電表面処理用コーティングブロックであって、金属の粉末、金属の化合物の粉末、セラミックスの粉末、及びこれらのうちの少なくとも２つの混合粉末、のうちの一つの電極材料に半導体セラミックスの粉末を混入させた圧粉体を焼結させて成ることを特徴とする放電表面処理用コーティングブロックを提供する。

図１は、本発明の第一の実施形態に係る放電表面処理方法に用いられる放電表面処理装置の模式的な図である。 図２は、本発明の第一の実施形態に係る放電表面処理方法を説明する図である。 図３は、本発明の第一の実施形態に係る放電表面処理方法の一つの実施例についての比較実験の結果を示す図である。 図４は、本発明の第一の実施形態に係る放電表面処理方法のその他の実施例についての比較実験の結果を示す図である。 図５は、本発明の第二の実施形態に係る放電表面処理方法に用いられる放電表面処理装置の模式的な図である。 図６は、本発明の第二の実施形態に係る放電表面処理方法を説明する図である。 図７は、本発明の第二の実施形態に係る放電表面処理方法の一つの実施例についての実験の結果を示す図である。

　［第一の実施形態］
　本発明の第一の実施形態について図１を参照して説明する。

　図１に示すように、第一の実施形態に係る放電表面処理方法に用いられる放電表面処理装置１は、ベッド３を備えており、ベッド３には、テーブル５が設けられている。また、テーブル５の上には、電気絶縁性のある加工油Ｌを貯留する油槽７が設けられており、油槽７の中には、エンジン部品等のワークＷをセット可能なワーク治具９が設けられている。

　テーブル５の上方には、電極１１を保持する電極ホルダ１３が設けられており、電極ホルダ１３は、Ｘ軸サーボモータ（図示省略）の駆動によりＸ軸方向、Ｙ軸サーボモータ（図示省略）の駆動によりＹ軸方向、及びＺ軸サーボモータ（図示省略）の駆動によりＺ軸方向へテーブル５に対して相対的に移動するようになっている。

　ワーク治具９及び電極ホルダ１３には、放電電源器１５が電気的に接続されており、放電電源器１５は、例えば特開２００５－２１３５５４号公報に示すような公知の放電電源器であって、コンデンサ、スイッチング素子、抵抗素子等を備えている。

　電極１１は、クロムを含むコバルト合金の粉末を圧縮成形した成形体（コーティングブロック）からなる。なお、電極１１は、クロムを含むコバルト合金の粉末を圧縮成形した成形体に限るものでなく、金属の粉末、金属の化合物（合金を含む）の粉末、セラミックスの粉末、及びこれらのうちの少なくとも二つの混合粉末、のうちの一つから成形した成形体であっても構わない。

　続いて、第一の実施形態に係る放電表面処理方法について図２を参照して説明する。

　第一の実施形態に係る放電表面処理方法は、加工油Ｌ中に例えばＳｉ，ＴｉＣ等の半導体又は導体の粉末Ｐを混入させた状態で、クロムを含むコバルト合金を圧縮成形した電極１１とワークＷの被処理部Ｗａの間にパルス状の放電を発生させると、放電表面処理中に放電が分散され、ワークＷの被処理部Ｗａに対する電極材料等の定着率（成膜率）を十分に高めることができるという、新規な知見に基づいている。これは、加工油Ｌに中に半導体又は導体の粉末Ｐを混入させることにより、放電が分散されて、局部での処理温度が下がり、電極材料の蒸発が抑えられたことによるものと考えられる。

　ワークＷの被処理部Ｗａに放電表面処理を行う場合には、まず、ワークＷをワーク治具９にセットし、Ｘ軸サーボモータ及び／又はＹ軸サーボモータの駆動により電極ホルダ１３と一体的に電極１１をＸ軸方向及び／又はＹ軸方向へテーブル５に対して相対的に移動させることにより、電極１１をワークＷの被処理部Ｗａに対向した所定位置に位置決めする。そして、Ｚ軸サーボモータの駆動により電極ホルダ１３と一体的に電極１１をＺ軸方向へ往復移動させつつ、図２（ａ）に示すように、半導体又は導体の粉末Ｐを混入した加工油Ｌ中において、放電電源器１５によって電極１１とワークＷの被処理部Ｗａの間にパルス状の放電を発生させる。これによって、そのときの放電エネルギーにより、ワークＷの被処理部Ｗａの表面を局所的に溶融させつつ、溶融状態の電極材料又は該電極材料の反応物質をワークＷの被処理部に向かって降り注がせて、図２（ｂ）に示すように、ワークＷの被処理部Ｗａに被膜Ｃを形成することができる。

　ここで、加工油Ｌに添加した半導体又は導体の粉末Ｐのサイズは、０．３～２．５μｍである。なお、半導体又は導体の粉末Ｐのサイズの下限を０．３μｍとしたのは、０．３μｍ未満であると、ワークＷの被処理部Ｗａに対する電極材料等の定着率が低下することが懸念されるからである。一方、半導体又は導体の粉末Ｐのサイズの上限を２．５μｍとしたのは、２．５μｍを越えると、電極１１とワークＷの被処理部Ｗａの間の放電が不安定になることが懸念されるからである。

　また、半導体又は導体の粉末ＰとしてＳｉの粉末を用いた場合には、加工油Ｌ中におけるＳｉの粉末の混合量は、０．５～３０ｇ／ｌに設定してあって、半導体又は導体の粉末ＰとしてＴｉＣの粉末を用いた場合には、加工油Ｌ中におけるＴｉＣの粉末の混合量は、１～１００ｇ／ｌに設定してある。

　なお、加工油Ｌ中に添加する粉末としては、電極１１の主成分又は微小成分である元素や合金、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、炭素からなる粒子や短繊維なども使用できる。また、放電がより均一に生じるように、電極１１に対して、分離しやすいように電極材料との反応が生じにくい非伝導性粒子や半導体粒子を分散させることができる。なお、非伝導性粒子を分散させた場合には、放電を分散させるのではなく、集中放電を遮る効果があるものと考えられる。

　次に、第一の実施形態に係る放電表面処理方法の幾つかの実施例について図３及び４を参照して説明する。

　＜実施例１＞
　最初に、第一の実施形態に係る放電表面処理方法を用いた場合に所定の厚さを有する被膜を形成するのに要する処理時間と電極の消耗量とを調べるために比較実験を行った。実施例１として、クロムを含むコバルト合金の粉末を圧縮成形した成形体からなる電極を用い、加工油中にＳｉの粉末（Ｓｉの粉末の混合量１ｇ／ｌ）を混入させた状態で、厚さ０．３０ｍｍの被膜を形成した。また、比較例１として、クロムを含むコバルト合金の粉末を圧縮成形した成形体からなる電極を用い、加工油中に半導体又は導体の粉末を混入させない状態で、厚さ０．３０ｍｍの被膜を形成した。実施例１と比較例１について、放電表面処理の処理時間及び電極のＺ軸方向の消耗量（Ｚ軸方向の送り量）の結果はそれぞれ、表１に示すようになった。

　両者を比較すれば明らかなように、比較例１に比べて実施例１の方が、放電表面処理中に放電を分散させて、放電パルス休止時間を６４μｓから１６μｓに短縮して、放電表面処理の処理時間を短縮化することができると共に、ワークの被処理部に対する電極材料等の定着率を十分に高めて、電極のＺ軸方向の消耗量を低減することができることがわかる。

　＜実施例２＞
　次に、第一の実施形態に係る放電表面処理方法を用いることによりワークの被処理部に形成された被膜表面の均一性を実証するために比較実験を行った。図３（ａ）は、電極１１としてクロムを含むコバルト合金の粉末を圧縮成形した成形体を用いて、ＺｒＯ_２粒子を添加した加工油Ｌにおいて、アルミ合金からなる基材（ワークＷ）の表面（被処理部Ｗａ）に対して放電表面処理を施した結果得られた被膜の断面写真である（実施例２）。このとき添加したＺｒＯ_２粒子の粉末サイズは１．５μｍであり、添加量は５ｇ／ｌである。また、加工油Ｌの流量は３００ｃｃ／ｍｉｍである。一方、図３（ｂ）は、電極１１としてクロムを含むコバルト合金の粉末を圧縮成形した成形体を用いて、無添加の加工油Ｌにおいて、アルミ合金からなる基材（ワークＷ）の表面（被処理部Ｗａ）に対して放電表面処理を施した結果得られた被膜の断面写真である（比較例２）。両者を比較すれば明らかなように、比較例２に比べて実施例２の方が、被膜表面の形状が均一である。さらに、比較例２に比べて実施例２の方が、被膜層に欠陥が少なく、密な構造を有する。このことから、本実施形態に係る表面処理方法を用いることによって、従来の表面処理方法よりも、ワークの被処理部に形成される被膜の均一性を向上させることができることがわかる。それによって、被膜の膜強度も向上することが予想される。

　＜実施例３＞
　さらに、第一の実施形態に係る放電表面処理方法を用いた場合のワークの被処理部に形成された被膜の密度と剥離強度の詳細を調べるために比較実験を行った（実施例３）。図４（ａ）に、電極１１としてクロムを含むコバルト合金の粉末を圧縮成形した成形体を用いて、ＺｒＯ_２粒子を添加した加工油Ｌにおいて、アルミ合金からなる基材（ワークＷ）の表面（被処理部Ｗａ）に対して放電表面処理を施した結果得られた被膜の充填率を示した。図４（ｂ）に、電極１１としてクロムを含むコバルト合金の粉末を圧縮成形した成形体を用いて、ＺｒＯ_２粒子を添加した加工油Ｌにおいて、アルミ合金からなる基材（ワークＷ）の表面（被処理部Ｗａ）に対して放電表面処理を施した結果得られた被膜の剥離強度を示した。このとき添加したＺｒＯ_２粒子の粉末サイズは１．５μｍであり、加工油Ｌの流量は３００ｃｃ／ｍｉｍであるが、加工油Ｌに添加するＺｒＯ_２粒子の量を変化させた。図４（ａ）及び図４（ｂ）には、加工油Ｌに添加するＺｒＯ_２粒子の量を０ｇ／ｌ，１ｇ／ｌ，及び５ｇ／ｌの３点での測定値を示した。また、図４（ａ）及び図４（ｂ）における条件１，２，及び３は、放電条件のことである。本実施形態に係る放電表面処理方法においてはパルス状の放電を行うのであるが、実施例３においては、初期期間におけるピーク電流値と中期期間以降のピーク電流値との２つのピーク電流値を有する階段形状のパルスを間欠的に発生させる。条件１，２，及び３とも初期期間におけるピーク電流値は３０Ａで共通であるが、中期期間以降のピーク電流値はそれぞれ、１Ａ，２Ａ，及び４．５Ａである。なお、パルス幅は８μｓ、パルスの休止時間は６４μｓとした。また、電極１１とワークＷの被処理部ＷａとのＺ方向の離間距離は、放電を起こさせるためのギャップ電圧により決まるが、ここでは約５０μｍとした。図４（ａ）及び図４（ｂ）より、ＺｒＯ_２粒子の添加量を増やすに従って、被膜の充填率と剥離強度が共に向上することがわかる。この傾向は、添加量をこれ以上増やしても大きく変わらなかった。しかし、添加量を２０ｇ／ｌ以上にすると放電が不安定となった。また、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示した傾向は、ワークＷの材料が、例えば、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏを主成分とする合金であっても、熱伝導性が良いＣｕ，Ａｌを主成分とする合金であっても変わりはなかった。ただし、ワークＷの材料の熱伝導に応じて最適放電条件は若干変化する。

　［第二の実施形態］
　次に、本発明の第二の実施形態について図５を参照して説明する。

　図５に示すように、第二の実施形態に係る放電表面処理方法に用いられる放電表面処理装置１００は、ベッド３を備えており、ベッド３には、テーブル５が設けられている。また、テーブル５の上には、電気絶縁性のある加工油Ｌを貯留する油槽７が設けられており、油槽７の中には、エンジン部品等のワークＷをセット可能なワーク治具９が設けられている。

　テーブル５の上方には、電極１１０を保持する電極ホルダ１３が設けられており、電極ホルダ１３は、Ｘ軸サーボモータ（図示省略）の駆動によりＸ軸方向、Ｙ軸サーボモータ（図示省略）の駆動によりＹ軸方向、及びＺ軸サーボモータ（図示省略）の駆動によりＺ軸方向へテーブル５に対して相対的に移動するようになっている。

　ワーク治具９及び電極ホルダ１３には、放電電源器１５が電気的に接続されており、放電電源器１５は、例えば特開２００５－２１３５５４号公報に示すような公知の放電電源器であって、コンデンサ、スイッチング素子、抵抗素子等を備えている。

　電極１１０は、クロムを含むコバルト合金の粉末を圧縮成形した成形体（コーティングブロック）からなる。なお、電極１１０は、クロムを含むコバルト合金の粉末を圧縮成形した成形体に限るものでなく、金属の粉末、金属の化合物（合金を含む）の粉末、セラミックスの粉末、及びこれらのうちの少なくとも二つの混合粉末、のうちの一つから成形した成形体であっても構わない。第二の実施形態においては、電極１１０に予め半導体セラミックスの粉末Ｑを混入させておく。つまり、第二の実施形態においては、金属の粉末、金属の化合物の粉末、セラミックスの粉末、及びこれらのうちの少なくとも２つの混合粉末、のうちの一つの電極材料に予め半導体セラミックスを混入させた圧粉体を焼結させて成る成形体（コーティングブロック）を電極１１０とする。混入する半導体セラミックスとしてはＺｒＯ_２が挙げられるが、それ以外に、伝導性のある材料粉末を混入してもよい。

　続いて、本実施形態に係る放電表面処理方法について図６を参照して説明する。

　第二の実施形態に係る放電表面処理方法は、加工油Ｌ中で、クロムを含むコバルト合金の粉末に予めＺｎＯ_２の粉末Ｑを所定量混入したものを圧縮成形した電極１１０とワークＷの被処理部Ｗａの間にパルス状の放電を発生させると、放電表面処理中に放電が分散され、ワークＷの被処理部Ｗａに対する電極材料等の定着率（成膜率）を十分に高めることができるという、新規な知見に基づいている。これは、放電エネルギーによって、電極１１０から電極材料又は該電極材料の反応物質と共に溶融したＺｎＯ_２の粉末Ｑが加工油Ｌ中で分散することにより、放電が分散されて、局部での処理温度が下がり、電極材料の蒸発が抑えられたことによるものと考えられる。

　また、ＺｎＯ_２の粉末を電極１１０に混入すると、放電表面処理時の電極１１０から混入させたＺｎＯ_２の粉末が分離し易くなり、処理速度が増す。放電パルス終始時間を短くしなくても、処理速度が向上することが観察されている。

　ワークＷの被処理部Ｗａに放電表面処理を行う場合には、まず、ワークＷをワーク治具９にセットし、Ｘ軸サーボモータ及び／又はＹ軸サーボモータの駆動により電極ホルダ１３と一体的に電極１１０をＸ軸方向及び／又はＹ軸方向へテーブル５に対して相対的に移動させることにより、電極１１０をワークＷの被処理部Ｗａに対向した所定位置に位置決めする。そして、Ｚ軸サーボモータの駆動により電極ホルダ１３と一体的に電極１１０をＺ軸方向へ往復移動させつつ、図６（ａ）に示すように、加工油Ｌ中において、放電電源器１５によって電極１１０とワークＷの被処理部Ｗａの間にパルス状の放電を発生させる。これによって、そのときの放電エネルギーにより、ワークＷの被処理部Ｗａの表面を局所的に溶融させつつ、溶融状態の電極材料又は該電極材料の反応物質をワークＷの被処理部に向かって降り注がせて、図６（ｂ）に示すように、ワークＷの被処理部Ｗａに被膜Ｃを形成することができる。

　第二の実施形態に係る放電表面処理方法では、電極１１０に半導体セラミックスの粉末Ｑを混入させない電極を用いて放電表面処理を行った場合と比較して、成膜速度（被膜の生成速度）が２～３倍程度向上する。このとき、電極１１０の消耗速度は被膜の生成速度に比例している。さらに、ワークＷの被処理部Ｗａへの電極材料の定着率も向上している。

　最後に、第二の実施形態に係る放電表面処理方法の一つの実施例について図７を参照して説明する。

　＜実施例＞
　図７は、クロムを含むコバルト合金の粉末を電極材料とした電極１１０に予め添加するＺｎＯ_２の粉末Ｑの添加量と、被膜形成の処理速度（成膜速度）との関係を示した図である。ここで、成膜速度とは、ワークＷの被処理部Ｗａに一分間当りに形成される被膜の高さ（肉盛量）のことをいう。また、添加するＺｎＯ_２の粉末Ｑの粒径は５～１０μｍである。図７に示すデータの詳細は、表２に示す通りであった。

　表２より、ＺｎＯ_２の粉末Ｑの添加量が１０重量％の電極１１０を用いて第二の実施形態に係る放電表面処理方法を行った場合、電極１１０にＺｎＯ_２の粉末Ｑを混入させない電極を用いて放電表面処理を行った場合（表２におけるＺｎＯ_２の粉末Ｑの添加量が０重量％の場合）と比較して、被膜形成の処理速度がおよそ３．５倍近く向上することがわかる。また、図７から、処理速度がＺｎＯ_２の粉末Ｑの添加量が１０重量％の近くで一つの極大値をとることがわかる。詳しくは、被膜形成の処理速度は、ＺｎＯ_２の粉末Ｑの添加量が３重量％近くから立ち上がり、１０重量％近くで最大になった後、次第に減少し、１５重量％近くから先は定常的な値に収束する傾向が見て取れる。

　本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではない。例えば、第一の実施形態と第二の実施形態を組み合わせた実施形態も可能である。つまり、加工油中に半導体の粉末、導体の粉末、非伝導性粒子の粉末、及びこれらのうちの少なくとも２つの混合粉末、のうちの一つを混入すると共に、金属の粉末、金属の化合物の粉末、セラミックスの粉末、及びこれらのうちの少なくとも２つの混合粉末、のうちの一つから成る電極材料に半導体セラミックの粉末を予め混入させた成形体（コーティングブロック）を電極として使用することも可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されない。

　本発明の第一の実施形態においては、半導体の粉末、導体の粉末、非伝導性粒子の粉末、及びこれらのうちの少なくとも二つの混合粉末、のうちの一つを混入した加工油中において、電極とワークの被処理部の間にパルス状の放電を発生させているため、放電表面処理中に放電を分散させつつ、ワークの被処理部に対する電極材料等の定着率を十分に高めることができる。

　本発明の第二の実施形態においては、金属の粉末、金属の化合物の粉末、セラミックスの粉末、及びこれらのうちの少なくとも２つの混合粉末、のうちの一つから成る電極材料に半導体セラミックの粉末を予め混入させた成形体（コーティングブロック）を電極として使用して、電極とワークの被処理部の間にパルス状の放電を発生させているため、放電表面処理中に放電を分散させつつ、ワークの被処理部に対する電極材料等の定着率を十分に高めることができる。

　本発明によれば、放電表面処理中に放電を分散させることができるため集中放電が発生し難くなり、放電表面処理における放電の時間間隔を小さくすることができ、処理時間を短縮化して、生産性を十分に高めることができる。

　また、前記ワークの被処理部に対する前記電極材料等の定着率を十分に高めることができるため、前記電極の歩留まりを向上させて、放電表面処理の処理コストの低減を図ることができる。

Claims (5)

1. 　放電エネルギーによりワークの被処理部に被膜を形成する放電表面処理方法であって、
   　金属の粉末、金属の化合物の粉末、セラミックスの粉末、及びこれらのうちの少なくとも２つの混合粉末、のうちの一つから成形した成形体を電極として用意し、
   　半導体の粉末、導体の粉末、非伝導性粒子の粉末、及びこれらのうちの少なくとも２つの混合粉末、のうちの一つを混入した加工油中において、前記電極と前記ワークの被処理部の間にパルス状の放電を発生させ、
   　その放電エネルギーにより、前記ワークの被処理部の表面を局所的に溶融させつつ、溶融状態の前記電極材料又は該電極材料の反応物質を前記ワークの被処理部に向かって降り注がせて、前記ワークの被処理部に前記被膜を形成する
   　ことを特徴とする放電表面処理方法。
2. 　前記半導体又は前記導体の粉末のサイズは、０．３～２．５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の放電表面処理方法。
3. 　放電エネルギーによりワークの被処理部に被膜を形成する放電表面処理用コーティングブロックであって、
   　金属の粉末、金属の化合物の粉末、セラミックスの粉末、及びこれらのうちの少なくとも２つの混合粉末、のうちの一つの電極材料に半導体セラミックスの粉末を混入させた圧粉体を焼結させて成ることを特徴とする放電表面処理用コーティングブロック。
4. 　前記半導体セラミックスはＺｎＯ_２であって、前記電極材料に対するＺｎＯ_２の粉末の含有量が３重量％～１５重量％であることを特徴とする請求項３に記載の放電表面処理用コーティングブロック。
5. 　前記半導体セラミックスはＺｎＯ_２であって、前記電極材料に対するＺｎＯ_２の粉末の含有量がおよそ１０重量％であることを特徴とする請求項４に記載の放電表面処理用コーティングブロック。

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