WO2010095590A1 - 電極の製造方法及びこれを利用した放電表面処理 - Google Patents

Abstract

　対象物の表面処理方法は、複数の圧粉体を得るべく導電性素材を含む粉末を金型内に充填して加圧し、前記複数の圧粉体を互いに密着するように並べて静水圧を印加することにより、前記複数の圧粉体を接合し、焼結体を得るべく前記接合された前記複数の圧粉体を焼結し、前記焼結体を対象物に近接せしめて放電を生ぜしめることにより放電表面処理を行う、工程よりなる。

Description

電極の製造方法及びこれを利用した放電表面処理

　本発明は、放電を利用して皮膜ないし肉盛を対象物上に形成するための電極、及びこれを利用した皮膜ないし肉盛の形成方法に関する。

　油中や大気中等において対象物に非消耗性の電極を近接せしめ、その間に放電を生じせることにより、対象物を加工することができる。かかる技術は、一般に放電加工と呼ばれており、精密で複雑な形状の加工が可能であることが知られている。一定の条件下、例えば非消耗性の電極に代えて圧粉体等の消耗性の電極が利用される等の条件下では、対象物が加工される代わりに電極の損耗が優先して起こる。この時、電極の素材ないしその反応物は、対象物上において電極に対向した領域を被覆するので、以って対象物の表面処理が可能である。関連する技術が国際公開公報WO９９／５８７４４号に開示されている。かかる技術は該公報中で放電表面処理と呼称されている。

　上述のごとく放電表面処理の対象は、本質的に電極に対向した領域に限定される。局所的な表面処理を可能にする点で、かかる性質は放電表面処理の長所の一つだが、他方で大面積に均一に表面処理しようとする場合には、短所ともなりうる。

　本発明は上述の問題に鑑みて為されたものであって、その目的は、放電表面処理に拠りながらより広い面積に表面処理を行う技術を提供することである。

　本発明の第１の局面によれば、放電表面処理のための電極の製造方法は、複数の圧粉体を得るべく導電性素材を含む粉末を金型内に充填して加圧し、前記複数の圧粉体を互いに密着するように並べて静水圧を印加することにより、前記複数の圧粉体を接合し、焼結体を得るべく前記接合された前記複数の圧粉体を焼結する、工程よりなる。

　好ましくは、前記製造方法は、前記複数の圧粉体に個々に静水圧を印加する予備静水圧工程をさらに含む。さらに好ましくは、前記製造方法において、前記接合する工程における静水圧力は前記加圧する工程における加圧力と同一であり、前記予備静水圧工程における第２の静水圧力は前記静水圧力よりも低い。

　本発明の第２の局面によれば、対象物の表面処理方法は、複数の圧粉体を得るべく導電性素材を含む粉末を金型内に充填して加圧し、前記複数の圧粉体を互いに密着するように並べて静水圧を印加することにより、前記複数の圧粉体を接合し、焼結体を得るべく前記接合された前記複数の圧粉体を焼結し、前記焼結体を対象物に近接せしめて放電を生ぜしめることにより放電表面処理を行う、工程よりなる。

　好ましくは、前記表面処理方法は、前記複数の圧粉体に個々に静水圧を印加する予備静水圧工程をさらに含む。さらに好ましくは、前記表面処理方法において、前記接合する工程における静水圧力は前記加圧する工程における加圧力と同一であり、前記予備静水圧工程における第２の静水圧力は前記静水圧力よりも低い。

図１は、本発明の一実施形態による電極の製造方法を説明する図であって、加圧により圧粉体を得る工程を表す図である。 図２は、前記製造方法において前記圧粉体に個々に静水圧を印加する工程を説明する図である。 図３は、前記製造方法において複数の圧粉体を並べて接合する工程を説明する図である。 図４は、本実施形態に従って互いに密着するように並べられた複数の圧粉体の例を示す斜視図である。 図５は、前記製造方法において焼結する工程を示す模式図である。 図６は、本実施形態による放電表面処理方法を示す模式図である。 図７は、前記放電表面処理方法において電極および対象物が放電加工機に据えられた態様を示す模式図である。

　本明細書および添付の請求の範囲を通して、「放電表面処理」の語は、放電加工機において放電を対象物の加工の代わりに電極の損耗に利用し、前記電極の素材を、ないし前記電極の素材と加工液ないし加工気体との反応生成物を、前記対象物上に皮膜として固着せしめること、と定義して使用する。

　本発明の一実施形態を添付の図面を参照して以下に説明する。

　本実施形態によれば、まず放電表面処理のための消耗性の電極が製造される。

　消耗性の電極の素材としては、導電性の粉末が好適である。導電性の粉末は、その全体が何れかの金属又は半導体物質であってもよく、あるいは金属又は半導体物質と、他の物質、例えば適宜のセラミック、との混合物であってもよい。何れを選択するかは、対象物上に形成すべき皮膜に要求される特性に応じて決定される。

　かかる粉末に、好ましくはバインダを添加して適宜混合する。かかるバインダとしてはパラフィン、カルナバ、ポリプロピレン、ポリエチレン、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、アセタール樹脂等が例示できるが、粉末粒子の緩い結合を助け、かつ焼結後に好ましくない残存物を残さないものであれば、何れも適用することができる。

　バインダ等の添加された粉末７は、図１（ａ）のごとく、金型９中に充填される。金型９は、例えば筒状のダイ１１と、ダイ１１の内孔１１ｈに嵌合する上パンチ１３および下パンチ１５と、よりなる。パンチ１３，１５は、何れも内孔１１ｈに対して摺動可能であって、かつ加圧した時に粉末７の漏洩を防止するよう、内孔１１ｈに対して適宜の嵌め合いとなっている。

　粉末７が充填された金型９は、適宜のプレス装置に装填される。プレス装置のラム１７，１９によりそれぞれ上下パンチ１３，１５が押圧され、以って金型９に充填された粉末７は加圧される。かかる加圧により、粉末７は図１（ｂ）のごとく凝集し、容易には崩壊しない圧粉体２１が得られる。圧粉体２１の形状は、内孔１１ｈの形状および粉末７の量により適宜に調整することができ、本実施形態においては例えば１５（縦）×８（横）×１００（長さ）ｍｍの四角柱状である。もちろん、六角柱状等、種々の形状が可能である。かかる工程を複数回実行することにより、複数の圧粉体２１が得られる。

　好ましくは、後続の工程に先立って予備的に、冷間静水圧成形（ＣＩＰ）のごとき静水圧を印加する処理を、複数の圧粉体２１に個々に施す。すなわち圧粉体２１は、図２（ａ）のごとく、薄いゴム製の袋２３に個々に封入される。ゴムに代えて、適宜の伸縮性の素材を利用してもよい。かかる状態で、圧粉体２１は袋２３と共に、図２（ｂ）のごとく、圧力容器２５中の液体Ｌに浸漬され、等方的に加圧される。かかる工程は、圧粉体２１の密度の均一性を向上せしめ、ひいては最終製品の均一性をも向上せしめる。

　好ましくは、上述の予備静水圧工程における静水圧力は、粉末７に加圧する工程における加圧力より低い。そのような静水圧は、圧粉体２１の変形を防止する点で有利である。

　次いで複数の圧粉体２１は、互いに密着するように並べられる。図３（ａ）はそのような形態の一例である。同一の長さの圧粉体２１が平行に並べられた態様でもよいし、長さの異なる圧粉体２１が含まれていてもよい。また比較的に短い圧粉体２１が直列に並べられたものが含まれていてもよい。圧粉体２１の数は、必要に応じて増減することができる。好ましくは、図３（ａ）に示すように、その一端は揃えられた状態とする。

　複数の圧粉体２１は、更にゴム等よりなる袋２７に封入され、図３（ｂ）のごとく、ＣＩＰを実施される。あるいはＣＩＰに代えて熱間静水圧成形（ＨＩＰ）を適用してもよい。ＨＩＰを適用する場合、加熱条件は、圧粉体２１の予備焼結が進行するよう考慮して設定してもよい。あるいは、ＨＩＰにおいて後述の焼結工程を同時に実行してもよい。圧力容器２５内において液体Ｌにより静水圧が印加されることにより、複数の圧粉体２１が接合されて、図４に示すような接合体２９が得られる。

　好ましくは、複数の圧粉体２１に印加する静水圧力は、粉末７に加圧する工程における加圧力と同一である。そのような静水圧は、圧粉体２１の変形を防止しつつ接合を促進できる点で有利である。

　接合体２９は複数の圧粉体２１よりなるが、圧粉体２１同士は互いに接合されており、接合体２９の形状は容易に崩壊しない。この状態のまま、接合体２９は、図５に示すように加熱炉３１に導入される。

　加熱炉３１としては、酸化を防止するべく雰囲気制御のできる炉が好ましい。好ましくは加熱炉３１内は非酸化性の雰囲気とする。非酸化性の雰囲気としては、10^-1Pa以下の真空、窒素またはアルゴン等の不活性ガスによる不活性雰囲気が例示できる。

　加熱炉３１はさらにカーボンヒータ等の適宜の加熱手段３３を備える。加熱手段３３により接合体２９を加熱することにより焼結が進展する。加熱温度は、焼結を促進する観点から高いほうが有利だが、焼結が進行し過ぎることにより電極の損耗が起こりにくくなることを防止する観点から粉末７の素材の融点より十分に低いほうが好ましい。そこで粉末７の素材の融点をＴｍ（℃）とすると、加熱温度は例えば０．５～０．８Ｔｍが例示できる。

　焼結の進展により、圧粉体２１に含まれるバインダ等の添加物は蒸発して消失し、さらに粉末の粒子間に強固な結合が生じる。また複数の圧粉体２１の間にも強固な結合が生じる。結果として焼結体は、全体が単一の固体となる。放電表面処理のための電極として利用するため、焼結は、粒子間の空隙を消失せしめない段階に留めるべきである。上述の工程によれば、多くの場合、特別な配慮なしに粒子間の空隙は消失せず、ポーラスな焼結体が得られる。

　なお既に述べた通り、焼結の工程を接合の工程から独立して実施する代わりに、ＨＩＰにより接合と焼結とを同時に実行してもよい。

　焼結が完了した後、過度な熱ショックを防止するべく焼結体を適宜に冷却する。その後、加熱炉３１より焼結体が取り出される。図６に示すごとく、焼結体は放電表面処理のための電極１として利用できる。

　上述のごとく製造された焼結体よりなる電極１を利用した放電表面処理を、図６および７を参照して以下に説明する。放電表面処理は種々の製品に適用できるが、図６の例では、表面処理の対象物３はガスタービンエンジンの動翼であり、対象となる領域は動翼の先端である。

　図７を参照するに、放電加工機４１は、導電性のあるベッド４３と、加工液Ｆを貯留できる加工槽４５と、電源４７と、電極を固定するヘッド４９とを備える。ヘッド４９は適宜の手段により昇降可能であり、またこれを昇降するべく、放電加工機４１はサーボモータ５１を備えてもよい。加工槽４５にはオイルのごとき非導電性の加工液Ｆが貯留され、電極１の先端と対象物３とは共に加工液Ｆ中に浸漬される。あるいは、加工液Ｆに代えて大気または何れかの気体中でも放電表面処理を実施することができる。対象物３は、ベッド４３上に、これと通電可能なように固定され、電極１はヘッド４９にこれと通電可能なように固定される。電源４７の両極は、それぞれベッド４３、ヘッド４９と電気的に接続されており、以って電源４７から電極１および対象物３に通電しうる。

　上述のごとき放電加工機４１において、電極１は対象物３の対象領域に近接せしめられる。そして電源４７より給電されて、電極１と対象物３との間に放電が生ぜしめられる。好ましくは供給される電力を間歇的として、以って放電をパルス状に発生させる。上述のごとく電極１はポーラスであるために、放電により対象物３に優先して損耗し、以って電極１の素材が対象物３の対象領域上に皮膜５として固着される。あるいは電極１の素材と加工液Ｆとを適宜に選択することにより、その反応生成物を皮膜５とすることもできる。放電のエネルギの一部は対象物３の対象領域に投入され、局所的な溶融を引き起こし、それゆえ皮膜５と対象物３との結合は強固である。また放電のエネルギが投入されるのは、対象物３においてごく局所的かつ表面的であるため、対象物３は熱的損傷や変形を受けない。

　電極１の損耗により、電極１の下端には図６（ｂ）のごとく窪み１ｔが生ずる。窪み１ｔは対象物３の対象領域に対応する形状である。一定の損耗が生じたら、電極１ないし対象物３を僅かに移動して電極１の新鮮な面を対象領域に対向せしめることが好ましい。図６（ｂ）は、そのような過程を複数回繰り返した後の状態を例示している。あるいは、電極１ないし対象物３を僅かに移動するだけでなく、向きを反転してもよい。図６（ｃ）はそのような例を示している。

　本実施形態によれば、複数の圧粉体２１を個別に成形しているので、圧粉体２１は形状の点で高い精度を有しており、さらに密度の点で均一性が高い。電極１はこれらを接合して焼結して得られたものであるので、かかる性質が反映され、電極１も高い形状精度と高い均一性を有する。これと比較して、本発明者らによる検討によれば、かかる方法によらずに比較的に大型の電極を直接に成形および焼結すると、その周辺部から中央部に向かって密度の不均一が生じ、さらにしばしば中央部付近に収縮による変形が生じる。このような焼結物は、形状および不均一性の点で放電表面処理の電極としては適さない。このような場合に比べて、本実施形態は、形状精度と均一性の点で顕著に有利である。

　本実施形態によれば、大型でありながら、形状精度と均一性の高い電極を構成することができる。形状精度と均一性は高い水準に維持しつつ、電極の寸法はスケーラブルに拡大することができる。本実施形態は広い面積に均一な表面処理を可能とする。放電表面処理に拠っているので、表面処理を電極に対向した領域に限定しうる利点も享受しうる。

　好適な実施形態により本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記開示内容に基づき、当該技術分野の通常の技術を有する者が、実施形態の修正ないし変形により本発明を実施することが可能である。

　放電表面処理に拠りながらより広い面積に表面処理を行う技術が提供される。

Claims (7)

1. 　複数の圧粉体を得るべく導電性素材を含む粉末を金型内に充填して加圧し、
   　前記複数の圧粉体を互いに密着するように並べて静水圧を印加することにより、前記複数の圧粉体を接合し、
   　焼結体を得るべく前記接合された前記複数の圧粉体を焼結する、
   　工程よりなる、放電表面処理のための電極の製造方法。
2. 　前記複数の圧粉体に個々に静水圧を印加する予備静水圧工程をさらに含む、請求項１の製造方法。
3. 　前記接合する工程における静水圧力は前記加圧する工程における加圧力と同一であり、前記予備静水圧工程における第２の静水圧力は前記静水圧力よりも低い、請求項２の製造方法。
4. 　請求項１の製造方法により製造された、放電表面処理のための電極。
5. 　複数の圧粉体を得るべく導電性素材を含む粉末を金型内に充填して加圧し、
   　前記複数の圧粉体を互いに密着するように並べて静水圧を印加することにより、前記複数の圧粉体を接合し、
   　焼結体を得るべく前記接合された前記複数の圧粉体を焼結し、
   　前記焼結体を対象物に近接せしめて放電を生ぜしめることにより放電表面処理を行う、
   　工程よりなる、対象物の表面処理方法。
6. 　前記複数の圧粉体に個々に静水圧を印加する予備静水圧工程をさらに含む、請求項５の表面処理方法。
7. 　前記接合する工程における静水圧力は前記加圧する工程における加圧力と同一であり、前記予備静水圧工程における第２の静水圧力は前記静水圧力よりも低い、請求項６の表面処理方法。

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