(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化して硬化する金属の粉末を圧縮成形して放電加工用電極とし、放電によって炭素が分解する加工液中において被処理体を放電表面処理し、その後、前記被処理体の表面を研磨し、更にその後、前記被処理体を窒化処理する放電表面処理方法。
【請求項２】
炭化して硬化する金属の粉末を圧縮成形して放電加工用電極とし、放電によって炭素が分解する加工液中において被処理体を放電表面処理し、その後、前記被処理体の表面に放電研削を施し、更にその後、前記被処理体を窒化処理する放電表面処理方法。
【請求項３】
放電加工用電極は、炭化して硬化する金属粉末に、高硬度の炭化物、窒化物、硼化物の少なくともいずれかを混合して圧縮成形したものであることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の放電表面処理方法。
【請求項４】
窒化処理をアルゴンガスと窒素との混合物中において行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の放電表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鋼材あるいは超硬合金、例えば、タングステンカーバイド−コバルトの焼桔体等の表面に良好な仕上面あらさを得ると共に、強靱な耐摩耗性をもつ表面層を形成する放電表面処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明者等は、既に水素化チタン（ＴｉＨ２）等の水素化金属を圧縮成形し、これを電極（以下、圧粉体電極と記述）として被処理体である鋼材や超硬合金、例えば、タングステンカーバイド−コバルト（ＷＣ−Ｃｏ）の焼結体を油中で放電加工し、被処理体表面に電極材料の炭化物［水素化チタン（ＴｉＨ２）ならば炭化チタン（ＴｉＣ）］を被覆する技術を提案している。
【０００３】
また、上記のように被覆した材料を窒化処理することによって、炭化チタン（ＴｉＣ）を窒素化炭化チタン（ＴｉＣＮ）に、残留チタン（Ｔｉ  ）を窒化チタン（ＴｉＮ）に化学変化させ、それによって炭化チタン（ＴｉＣ）よりもより高い耐摩耗性を有する表面層を形成させる技術を提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、圧粉体電極で放電表面処理を行なう場合、表面処理速度を高めようとすれば仕上面あらさは荒くなり、現在のところ、表面処理速度が比較的に高い条件下での最良仕上面あらさは、被処理体が超硬合金で６μｍＲｚ程度、鋼材で９μｍＲｚ程度であって、被処理体の処理前の仕上面あらさはいづれも１μｍＲｚ以下であるのに、放電表面処理することにより仕上面あらさは粗くなる。
【０００５】
その理由としては、圧粉体電極が放電表面処理中に電極消耗によって凹凸を発生すること、圧粉体電極を形成する水素化チタン（ＴｉＨ２）等の粒子が著しく微粉化できにくいこと（微粉化は、粉砕の過程で発火爆発等の危険がある）、及び放電が圧粉体電極の電気抵抗の不均一によって部分的に集中を起すことなどによるものである。
【０００６】
放電表面処理は、ＣＶＤ（化学的蒸着）やＰＶＤ（物理的蒸着）、あるいはメッキ等に比べて、被処理体に被覆成分が高温溶融状態で射突し拡散しているために、著しく高い密着性を有する利点があるが、前述のように、仕上面あらさが１μｍＲｚ程度まで得られ難いと云う欠点をもっている。このため先に提案している放電表面処理後に窒化する技術に於ても、仕上面あらさが荒いままで窒化処理した表面となっている。
【０００７】
通常の耐摩耗部品の表面処理であれば、上記のままでもよいが、用途が切削工具や冷間鍛造工具、金型、あるいは過酷な環境で使用されるベアリング、土木建設機械、船舶用品等の機械部品のように、かなり微細な仕上面あらさ（１μｍＲｚ程度）を必要とする場合には充分でない場合があり、この発明は上記課題に鑑みてなされたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１にかかる放電表面処理方法は、炭化して硬化する金属の粉末を圧縮成形して放電加工用電極とし、放電によって炭素が分解する加工液中において被処理体を放電表面処理し、その後、前記被処理体の表面を研磨し、更にその後、前記被処理体を窒化処理するものである。
【０００９】
請求項２にかかる放電表面処理方法は、炭化して硬化する金属の粉末を圧縮成形して放電加工用電極とし、放電によって炭素が分解する加工液中において被処理体を放電表面処理し、その後、前記被処理体の表面に放電研削を施し、更にその後、前記被処理体を窒化処理するものである。
【００１０】
請求項３にかかる放電表面処理方法は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の放電表面処理方法において、炭化して硬化する性質をもつ金属粉末に高硬度の炭化物、窒化物、硼化物の少なくともいずれかを混合して圧縮成形した放電加工用電極により被処理体を放電表面処理するものである。
【００１１】
請求項４にかかる放電処理方法は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の放電表面処理方法において、窒化処理をアルゴンガスと窒素との混合物中において行うものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本発明者等は、水素化チタン（ＴｉＨ２）を主体とした圧粉体電極による油中放電により被処理体を表面処理する実験を行ってきているが、これによって、放電による加工液の分解カーボンとチタン（Ｔｉ）の結合による炭化チタン（ＴｉＣ）を多量に含む高硬度で高い密着力の被覆層を実現している。この表面粗さは、超硬合金上で６μｍＲｚ、鉄鋼等の鋼材上で９（μｍＲｚ）が得られており、タングステンカーバイド−コバルト（ＷＣ−Ｃｏ）の圧粉体電極による加工面や、公知の溶射表面等に比べればかなり良好な仕上面になっている。しかし、切削工具表面あるいは冷間鍛造型工具表面に要望される１μｍＲｚ程度の仕上面粗さには達していない。
【００１３】
そこで、研削技術と窒化技術を複合併用したのがこの発明であり、以下、その実施の形態を図面と共に説明する。
【００１４】
まず、炭化して硬化する性質をもつ金属、例えば水素化チタン（ＴｉＨ２）等の水素化金属を圧縮成形することにより圧粉体電極を構成し、被処理体である鋼材や、タングステンカーバイド−コバルト（ＷＣ−Ｃｏ）の焼桔体の超硬合金等を、放電によって炭素が分解する加工液、例えば油中において放電加工し、被処理体の表面に電極材料の炭化物を被覆する。その後、図１に例示するように、被処理体に施された放電処理面を例えば工具で機械的に研磨する。
【００１５】
即ち、図１はこの発明の第１の実施形態を説明するものであり、この図において、１は被処理体である母材、２は母材１の表面に施された放電処理面、３は機械的に研磨するための工具である丸棒を示している。この丸棒３の表面には、油にて混練した粒径１〜３μｍ程度のダイヤモンドペーストが塗布されており、この丸棒３により母材１の表面に施された放電処理面を機械的に研磨する。なお、この実施形態では磨き時間を１０分間とし、次の条件で油中放電加工を実施した。
電極          ：水素化チタン（ＴｉＨ２）の圧粉体
電極極性      ：マイナス
放電電流値Ｉｐ：８Ａ
パルス幅Ｔｏｎ  ：２μｓ
休止時間Ｔｏｆｆ：２５５μｓ
加工時間      ：５ｍｉｎ
被処理体      ：タングステンカーバイド−コバルト（ＷＣ−Ｃｏ）および特殊工具鋼（ＳＫＤ−１１）
【００１６】
次に、研磨された母材１に窒化処理を施す。図２は窒化処理装置の概略構成を示す図で、この図において、２０は筐体、１は筐体２０に収納される母材、２１は筐体２０内に収納される液体窒素の第１収納容器、２２は母材１を加熱する加熱器、２３は筐体２０の外部に配設される液体窒素の第２収納容器、２４は第２収納容器２３から液体窒素を筐体２０内に導く管路を示している。なお、はじめに液体窒素を第１収納容器２１に入れ、筐体２０の中を窒素で充分満すのは、母材１の酸化を防ぐためである。
【００１７】
上記装置を用いて次のとおり母材の窒化処理を行った。窒化条件として約５００（℃）、１０（ｍｉｎ  ）を実施した結果、仕上面あらさおよび表面硬度は図３、図４に示すとおりとなった。図３において、左方から見て水素化チタン（ＴｉＨ２）圧粉体処理面のままのものと、それを窒化処理したもの、水素化チタン（ＴｉＨ２  ）圧粉体処理面を研磨したものと、それを窒化処理したもの、いずれも窒化処理の前後で仕上面あらさの変化はない。なお、母材はタングステンカーバイド−コバルト（ＷＣ−Ｃｏ）超硬合金と鋼材（ＳＫＤ１１）である。
【００１８】
また、図４の窒化処理前後の硬度変化を示す図から明らかなように、水素化チタン（ＴｉＨ２）処理（未研磨）のものを窒化処理することにより、超硬合金にコーティングしたものでビッカース硬度Ｈｖ１４５０からビッカース硬度Ｈｖ１７００、鋼材でビッカース硬度Ｈｖ１０５０からビッカース硬度Ｈｖ１３００となっていることが分かる。また、窒化処理による硬度上昇は確かである。
【００１９】
水素化チタン（ＴｉＨ２）処理面を研磨のみ行ったものの硬度は、超硬合金に処理したものでビッカース硬度Ｈｖ１４５０がビッカース硬度Ｈｖ１３００に、また鋼材でビッカース硬度Ｈｖ１０５０がビッカース硬度Ｈｖ５００に低下している。それらを窒化処理したものは、超硬合金に処理したものでビッカース硬度Ｈｖ１４５０、鋼材でビッカース硬度Ｈｖ９５０に硬度が向上している。これは母材硬度より十分に硬度が高いことが判る。しかし、コーティングして未研磨の状態を窒化処理したものに比べれば、それぞれビッカース硬度Ｈｖ３００程度低い。これは表面層のチタン（Ｔｉ）成分が多くて炭化チタン（ＴｉＣ）成分が少ない部分が除去されたためではないかと想像しているが、水素化チタン（ＴｉＨ２）で被覆処理したままのものに比べて、硬度の点では遜色が無い。よって、仕上げ面粗さは明らかに向上しており、窒化による硬度上昇によりその耐摩耗性が高いことも期待される。
【００２０】
次に、摩耗試験について説明する。大越式ピンディスク摩耗試験結果においても、摩耗量が水素化チタン（ＴｉＨ２）の圧粉体電極による放電処理面よりも遙かに小さくその１／１０程度である。
なお、磨耗試験の条件は次のとおりである。
ピン形状：７．９８ｍｍφ（０．５ｃｍ２）
押付け力：０．５ｋｇｆ、よって押付圧力１ｋｇｆ／ｃｍ２
摩擦速度：１ｍ／ｓ：ディスク材：ＳＫ−３
雰囲気  ：大気中
摩耗量  ：２５ｋｍ走行における摩耗重量
超硬合金のまま放電表面処理せず：２ｍｇ
超硬合金にチタン金属電極で放電処理：０．７ｍｇ
超硬に水素化チタンの圧粉体電極で放電処理：０．１ｍｇ
超硬合金に水素化チタンの圧粉体電極処理→研削→窒化：微小にして計量できず０．０１ｍｇ程度
【００２１】
窒化処理装置による硬度上昇が、窒素ガスを混入したためなのか、あるいは単に加熱によるものなのかを確認するため、窒化処理と同一条件（温度：５００℃、大気圧）による空気中加熱処理を試みた。その結果、硬度は低下していることが確認された。これは、炭化チタン（ＴｉＣ  ）等が酸化され、胞い亜酸化チタン（ＴｉＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２  ）等に変化したためと考えられる。即ち、母材硬度より低下しているのは表面に被覆された炭化チタン（ＴｉＣ）＋チタン（Ｔｉ）層が酸化して酸化チタン（ＴｉＯ２）等に変化し、母材硬度の変化はなくとも低い硬度の表面層が表面形成されることになる。
【００２２】
この発明の第１の実施形態は上記のとおりで、次に、その作用効果について説明する。
まず、放電処理表面を機械的研磨によつて平滑化し、その後、窒化処理を行なう場合に発生する表面の状態を説明する。
図５は、チタン（Ｔｉ  ）の圧粉体電極によって母材を油中で放電加工した場合、母材の表面から被覆層内部にわたる断面の硬度変化を示すもので、ビッカース硬度Ｈｖ３００程度の母材表面にチタン（Ｔｉ  ）の圧粉体電極によって、油中放電を行ったものである。図中、Ｖｔｉｃ  とあるのはチタン（Ｔｉ  ）が油の分解により生成される炭素（Ｃ）と結合して炭化チタン（ＴｉＣ  ）となったものの、炭化チタン（ＴｉＣ）／チタン（Ｔｉ）の放電処理表面における体積比であリ、この体積比は、放電電流パルス幅、放電時間、加工液である油の供給状態を制御することによって増減できるものである。なおビッカース硬度Ｈｖは、荷重０．０１ｋｇ（１０ｇｒ）による測定値である。
【００２３】
このように、母材表面の硬度が高く、内部に入るに従って軟質化していることは、内部に入るにしたがって炭化チタン（ＴｉＣ）が減少し、チタン（Ｔｉ）の割合が増加することを意味する。従って、ダイヤモンド砥粒のようなもので母材表面を研磨すると云うことは、母材表面を平滑化はするが、表面硬度を一旦減少させることになる。
【００２４】
しかし、その状態で窒化処理を行なうと、残存のチタン（Ｔｉ  ）は窒化チタン（ＴｉＮ）となり、炭化チタン（ＴｉＣ）は窒素化炭化チタン（ＴｉＣＮ  ）となるために、図４に示すように、再び硬度は上昇する。なお、図３から明らかなように、仕上面あらさには窒化処理による変化はない。
【００２５】
次に、図６（ａ）〜（ｄ）に母材の放電処理表面の研磨前と研磨後の断面プロファイルを示すように、放電電気条件（放電電流Ｉｐ＝７Ａ、パルス幅Ｔｏｎ  ＝２μｓ）を小さくして短時間の放電を行った。
この例の場合（被覆を薄くつけたい場合）には、処理層の凹凸の山の部分は母材よりも充分に突出しているが、谷の部分は母材表面よりも内部に入り込んでいる場合がある。これは圧粉体電極の成分チタン（Ｔｉ  ）が放電によって母材表面に射突する際に加工作用を伴うために母材にめり込んだものである（そのために密着性は高い）。このことは、母材の硬度の高い場合（例えば超硬合金）の方が硬度の低い場合（例えば鋼材）よりも母材に入り込む深さが小さいことからも判る。
【００２６】
従って、放電処理表面よりも母材内部に入らない程度に機械的研磨を行なえば、放電被覆層は残ることになり、そのことを証明するものとして、母材の表面近くまで機械的研磨を行なったものを窒化処理した結果、図４から判るように、表面硬度は充分に向上している。
【００２７】
次に、放電表面処理後の窒化処理による表面状態について説明する。放電処理表面を窒化することには次のような重要な意義がある。
（１）放電加工表面が溶融と急速冷却を伴なうため、表面は引張り応力が残留することが広く知られており、放電処理後の母材を窒化すると、単に硬度が上昇するだけでなく、窒素の浸入によつて体積膨張を起して引張残留応力を軽減し、場合によって圧縮応力側に移行する。そのために耐摩耗性等が増大する。
（２）チタン（Ｔｉ  ）の圧粉体電極によって放電処理した切削工具や塑性加工の金型を窒化処理することにより、被加工物である鉄との親和性が減少し、凝着による摩耗が減少し、耐摩耗性を増大する効果がある。
（３）また、前述のとおり、窒化によって表面あらさは全く変化しないので、窒化前に仕上げた加工面あらさが維持される。すなわち、良好な仕上面のもとに耐摩耗性を向上させることができる。（図３参照）
【００２８】
次に、図７により放電表面処理後に研磨を加えて、更にその後、窒化した母材表面の構造概念について説明する。
加工時間の制約や、寸法上の制約等から放電表面処理層が充分厚くつけられない場合の表面構造は、全体が平滑になるのではなく、図７に示すように、凹部を残したままの平滑面となる。これは仕上面あらさを測定すれば、必ずしも良いものとはならないが、摩擦係数の小さいことが求められるとか、耐摩耗性が求められる場合には、負荷荷重を大きくとれる表面であり、凹部はむしろ油などの潤滑剤の油溝の作用をするので、却って良い結果となる。
【００２９】
次に、被覆層のＸ線回折測定及び成分分析について実験を試みたところ、Ｘ線解析測定により、水素化チタン（ＴｉＨ２）の圧粉体電極による加工面を研削した後、窒化したものの表面をＸ線回折によって分析した結果、窒素化炭化チタン（ＴｉＣＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）が存在していることが確認された。
【００３０】
実施の形態２．
上記第１の実施形態においては、水素化チタン（ＴｉＨ２）の圧粉体電極により放電処理した母材の放電処理面を、表面にダイヤモンドペーストを塗布した丸棒により研磨する例を図示説明したが、手動運動、回転運動、往復運動、超音波振動等による機械的研磨、あるいは電解研削等の電気化学的作用を併用した表面研削であれば如何なる手段でもよいことは勿論である。
【００３１】
実施の形態３．
次に、この発明の第３の実施形態について説明する。この発明の用途の一つとして窒化チタン（ＴｉＮ）や窒素化アルミニウム［Ｔｉ（ＡｌＮ）］をコーティングしたエンドミルやドリルの再コーティング処理がある。その場合、摩耗した部分を除去するためにダイヤモンドホイール等により再研磨を行ってからコーティング処理を行なう必要がある。この再研磨を必要としない放電処理方法について説明する。
【００３２】
図８に放電による表面被覆層を厚くつけた場合の母材処理面性状を示すものであり、先に述べた図６ａ〜ｄの場合は、放電電流Ｉｐ＝７Ａ、放電パルス幅Ｔｏｎ＝２μｓであるが、図８の場合は放電電流  Ｉｐ＝７Ａ、放電パルス幅Ｔｏｎ＝１６μｓとした場合である。この図８から判るように、１０分程度で２０μｍ以上の厚さに容易に被覆することができるので、切削による通常程度の工具摩耗部分は、補修することができる。なお、放電パルス幅Ｔｏｎを３２μｓ程度に長くとれば、１００μｍ程度の厚さには容易に達する。その場合の仕上あらさは２０μｍ程度と荒くなるが、これをダイヤモンドホイール等で研削し、工具刃先形状を形成すると共に仕上面あらさも、切削工具面として必要な１μｍＲｍａｘ程度に仕上げる。その後に窒化を行なう。
【００３３】
このようにすれば、切削工具が著しく大きな損傷を起さない限り、再研磨の手数と、再研磨による切削工具の寸法減少を発生させないで、再コーティングを行なうことができる。再研磨による工具寸法の減少は、工具の再研磨回数に限界を与えるものである。
【００３４】
図９は切削工具の摩耗形態を示す図である。再研磨の場合には、摩耗部分を除去するためには工具母材の土台となる部分まで除去する必要があり、研削除去量も著しく大きくなる。放電表面処理により埋込むように補修すれば、除去量も少く、工具使用回数も格段に伸長することになる。
【００３５】
なお、図９のように、切削工具が大きく磨耗している時には、単にその上から圧粉体電極で放電を行っても、表面の凸部にのみ放電が行われ、従って凸部のみが単に高く堆積するので、形状修正は困難な場合がある。その時には、電極に回転もしくは揺動運動を与えて加工すれば、凸部に堆積した箇所は、横方向から移動する電極と放電することによって除去され、次第に凹部も埋め込まれるようになる。それでも埋め込みが不十分の場合には、圧粉体成分をアラルダイトのような接着作用のあるものに混練して凹部を含め表面に塗布し、その上から圧粉体電極または場合によっては通常放電加工に用いられる銅、グラファイト、あるいはタングステン−銀等の電極で放電を行えば、仕上げ面粗さは良好ではないが、埋め込み加工は可能となり、その上で窒化処理を行う。
【００３６】
この方法は、単に切削工具の損傷箇所の修正加工のみでなく、金属やベアリング部分の修正加工としても使用でき、すべての工業分野に応用できる。
【００３７】
次に、放電処理による刃先の鈍化とその修正方法について説明する。
放電表面処理を工具刃先等の尖鋭な部分に対して行う場合に、刃先は鈍化しやすい傾向を有するが、その理由は、水素化チタン（ＴｉＨ２）の圧粉体のような電極で加工しても、尖鋭な刃先は電位傾度が高いため、そこに放電が集中し、そのため鈍化しやすい。
【００３８】
鈍化を修正する方法は、刃先を充分包含するのに充分な厚さに放電被覆を行って、その後研磨手段により刃先を切削作業に対して好ましい形に形状および仕上げ面を仕上げ、その後、窒化処理を行う。
【００３９】
実施の形態４．
窒化装置については図２に示したが、これ以外の実施形態として次のものを挙げることができる。
ハンダコテの加熱装置のように、ニクロム線でコイルを巻き、たとえばエンドミル、ドリルのようなものの加熱部分をコイル内に置く。これを窒素雰囲気中に置いて通電すれば、容易に５００〜６００℃程度にはなり得る。窒化は３００℃程度以上で行なわれるので、ニクロム線コイル内装着加熱でも充分である。
【００４０】
また、窒化すべき部分に窒素ガスを流しながらレーザ光（ＣＯ２  、ＹＡＧ何れでもよい）を照射し、部分窒化を行なってもよい。
【００４１】
実施の形態５．
次に、実施の形態５について説明する。この実施形態は、窒素雰囲気の調整による亜窒化チタン（Ｔｉ２Ｎ）の生成を説明するもので、図１０に示すように切削工具の摩耗量は窒化チタン（ＴｉＮ）よりも亜窒化チタン（Ｔｉ２Ｎ  ）の方が少いことが知られている。そこで窒化処理に当っても、大気中に於いて窒素の分圧を低下せざるためにアルゴンガスと窒素ガスを混合したものを用いた結果、亜窒化チタン（Ｔｉ２Ｎ）の生成が認められ、耐摩耗性が向上した。なお、その実施条件は大気圧における容量比で、アルゴンガス：窒素ガス＝７０：３０とした。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、この発明は、炭化して硬化する金属の粉末を圧縮成形して放電加工用電極とし、放電によって炭素が分解する加工液中において被処理体を放電表面処理し、その後、被処理体の表面を研磨もしくは放電研削し、更にその後、被処理体を窒化処理するという、いわゆる、切削技術と窒化技術を複合併用したもので、これにより、鋼材あるいは超硬合金の表面に良好な仕上面あらさを得ると共に、強靱な耐摩耗性をもつ表面層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を説明する概略図である。
【図２】この発明の第１の実施形態に使用される窒化処理装置の概略構成図である。
【図３】この発明の第１の実施形態による窒化処理を行った場合の被処理体の表面粗さの測定結果を示す図である。
【図４】この発明の第１の実施形態による窒化処理を行った場合の被処理体の表面硬度の測定結果を示す図である。
【図５】この発明の第１の実施形態の表面処理における被処理体の表面から被覆層内部にわたる断面の硬度変化を示すものである。
【図６】この発明の第１の実施形態の表面処理における放電処理表面の研磨前と研磨後の断面プロファイルを示す図である。
【図７】この発明の第１の実施形態の表面処理における放電表面処理後に研磨を加えて、更にその後、窒化処理した被処理体表面の構造概念を説明する図である。
【図８】この発明の第３の実施形態の表面処理における被処理体の表面被覆層を厚く付けた場合の処理面性状を示す図である。
【図９】この発明の第３の実施形態の表面処理における切削工具の磨耗形態を示す図である。
【図１０】この発明の第５の実施形態の表面処理における被覆物質の硬さと磨耗量の関係を示す図である。
【符号の説明】
１  被処理体、２  放電処理面、３  工具、２０  筐体、２１  第１の収納容器、２２  加熱器、２３  第２の加熱器、２４管路。
【図１】
0003627784.tif 000002
【図２】
0003627784.tif 000003
【図３】
0003627784.tif 000004
【図４】
0003627784.tif 000005
【図５】
0003627784.tif 000006
【図６】
0003627784.tif 000007
【図７】
0003627784.tif 000008
【図８】
0003627784.tif 000009
【図９】
0003627784.tif 000010
【図１０】
0003627784.tif 000011