(57)【要約】【課題】溶接・溶射といった技術を用いることなく緻密な厚膜をワークに形成するための放電表面処理方法を提供すること。【解決手段】加工液中または気中において電極とワークとの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギにより、前記ワーク表面に前記電極の材料からなる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において、平均粒径が６μｍから１０μｍの金属粉末または金属化合物の粉末と、炭化物を形成しにくい材質の金属粉末とを成形した電極を用い、放電パルスのパルス幅を５０μｓから５００μｓ、ピーク電流値を２Ａから３０Ａの加工条件で放電して、前記電極を構成する金属または金属化合物を主成分とする被膜を前記ワークに形成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工液中または気中において電極とワークとの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギにより、前記ワーク表面に前記電極の材料からなる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において、
平均粒径が６μｍから１０μｍの金属粉末または金属化合物の粉末と、炭化物を形成しにくい材質の金属粉末とを成形した電極を用い、放電パルスのパルス幅を５０μｓから５００μｓ、ピーク電流値を２Ａから３０Ａの加工条件で放電して、前記電極を構成する金属または金属化合物を主成分とする被膜を前記ワークに形成すること
を特徴とする放電表面処理方法。
【請求項２】
加工液中または気中において電極とワークとの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギにより、前記ワーク表面に前記電極の材料からなる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において、
平均粒径が３μｍ以下の金属粉末または金属化合物の粉末と、炭化物を形成しにくい材質の金属粉末とを成形した電極を用い、放電パルスのパルス幅を７０μｓ以下、ピーク電流値３０Ａ以下の加工条件で放電して、前記電極を構成する金属または金属化合物を主成分とする被膜を前記ワークに形成すること
を特徴とする放電表面処理方法。
【請求項３】
加工液中または気中において電極とワークとの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギにより、前記ワーク表面に前記電極の材料からなる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において、
炭化物を形成しにくい材質であり、平均粒径が１μｍの金属粉末または金属化合物の粉末を成形した電極を用い、放電パルスのパルス幅を８μｓから５０μｓ、ピーク電流値を３０Ａ以下の加工条件で放電して、前記電極を構成する金属または金属化合物を主成分とする被膜を前記ワークに形成すること
を特徴とする放電表面処理方法。
【請求項４】
前記電極として、炭化物を形成しにくい材質の金属粉末を４０体積％以上混合された電極を用いること
を特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の放電表面処理方法。
【請求項５】
加工液中または気中において電極とワークとの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギにより、前記ワーク表面に前記電極の材料からなる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において、
Ｍｏ粉末を含み成形した電極を用い、放電パルスのパルス幅を６０μｓ以上の加工条件で放電して、前記電極を構成する金属または金属化合物を主成分とする被膜を前記ワークに形成すること
を特徴とする放電表面処理方法。
【請求項６】
加工液中または気中において電極とワークとの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギにより、前記ワーク表面に前記電極の材料からなる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において、
炭化しにくい金属成分を含む平均粒径が６μｍから１０μｍの金属粉末または金属化合物の粉末を前記電極として用い、放電パルスのパルス幅を５０μｓから５００μｓ、ピーク電流値を３０Ａ以下の加工条件で放電して、前記電極を構成する金属または金属化合物を主成分とする被膜を前記ワークに形成すること
を特徴とする放電表面処理方法。
【請求項７】
加工液中または気中において電極とワークとの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギにより、前記ワーク表面に前記電極の材料からなる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において、
炭化しにくい金属成分を含む平均粒径が３μｍ以下の金属粉末または金属化合物の粉末を前記電極として用い、放電パルスのパルス幅を７０μｓ以下、ピーク電流値を３０Ａ以下の加工条件で放電して、前記電極を構成する金属または金属化合物を主成分とする被膜を前記ワークに形成すること
を特徴とする放電表面処理方法。
【請求項８】
加工液中または気中において電極とワークとの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギにより、前記ワーク表面に前記電極の材料からなる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において、
炭化しにくい金属成分を含む平均粒径が２μｍから６μｍの金属粉末または金属化合物の粉末を前記電極として用い、放電パルスのパルス幅を５μｓから１００μｓ、ピーク電流値を３０Ａ以下の加工条件で放電して、前記電極を構成する金属または金属化合物を主成分とする被膜を前記ワークに形成すること
を特徴とする放電表面処理方法。
【請求項９】
炭化しにくい金属成分はＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅの少なくとも何れか一つであること
を特徴とする請求項６乃至８の何れか１つに記載の放電表面処理方法。
【請求項１０】
前記電極として、「Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｗ（タングステン）、Ｃｏ（コバルト）」、「Ｍｏ（モリブデン）、Ｃｒ（クロム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｃｏ（コバルト）」、「Ｃｒ（クロム）、Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）」、「Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｉ（ニッケル）」、または「Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｃｄ（カドミウム）＋Ｔａ（タンタル）、Ｔｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｆｅ（鉄）」の金属成分を含む金属の化合物の粉末を用いること
を特徴とする請求項６乃至８の何れか１つに記載の放電表面処理方法。
【請求項１１】
前記電極として、「Ｃｒ（クロム）：２０重量％、Ｎｉ（ニッケル）：１０重量％、Ｗ（タングステン）：１５重量％、Ｃｏ（コバルト）：残」、「Ｃｒ（クロム）：２５重量％、Ｎｉ（ニッケル）：１０重量％、Ｗ（タングステン）：７重量％、Ｃｏ（コバルト）：残」、「Ｍｏ（モリブデン）：２８重量％、Ｃｒ（クロム）：１７重量％、Ｓｉ（シリコン）：３重量％、Ｃｏ（コバルト）：残」、「Ｃｒ（クロム）：１５重量％、Ｆｅ（鉄）：８重量％、Ｎｉ（ニッケル）：残」、「Ｃｒ（クロム）：２１重量％、Ｍｏ（モリブデン）：９重量％、Ｔａ（タンタル）：４重量％、Ｎｉ（ニッケル）：残」、または「Ｃｒ（クロム）：１９重量％、Ｎｉ（ニッケル）：５３重量％、Ｍｏ（モリブデン）：３重量％、Ｃｄ（カドミウム）＋Ｔａ（タンタル）：５重量％、Ｔｉ（チタン）：０．８重量％、Ａｌ（アルミニウム）：０．６重量％、Ｆｅ（鉄）：残」の割合で前記金属粉末を混合した材料、またはこの比率で配合された前記金属の化合物の粉末を用いること
を特徴とする請求項１０に記載の放電表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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を成形した電極を用い、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、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で緻密な厚膜を形成する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
粉末材料を圧縮成形した圧粉体を電極としてパルス状の放電によりワーク上に被膜を形成する表面処理技術としては、例えば常温に近いところでの硬質被膜に主眼がおかれており、セラミックスを主体とした薄い硬質被膜を形成する技術が確立されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記の特許文献１に示された技術では、電極にはある程度の硬さを持たせつつ放電による電極材料の供給を抑え、供給された材料を十分溶融させることによりワーク表面に硬質セラミックス被膜を形成している。しかしながら、この方法では、形成できる被膜は厚みが１０μｍ程度までの薄膜に限定される。
【０００４】
また、放電表面処理で厚膜を形成する技術としては、アルミニウムの表面に炭化物を主成分とする被膜を形成する技術（例えば、特許文献２参照）、炭化物を主成分とする被膜を形成する技術（例えば、特許文献３参照）、放電パルス幅を３２μｓ程度に長くすることにより１００μｍ程度の厚膜を形成する技術（例えば、特許文献４参照）などがある。
【０００５】
【特許文献１】国際公開第９９/５８７４４号パンフレット
【特許文献２】特開平７−７０７６１号公報
【特許文献３】特開平７−１９７２７５号公報
【特許文献４】特開平１１−８２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の特許文献に開示されたいずれの技術も、厚膜といっても炭化物を主成分とするものであり、緻密な厚膜を形成することはできていない。そのため、上記の特許文献２および特許文献３では、ポーラスな厚膜を形成した後に、消耗の少ない電極により再溶融工程が必要となる。
【０００７】
例えば、特許文献３の技術においては、一見緻密に見える被膜が形成できた場合でも、詳細に調べるとポーラスな被膜となっている。また、特許文献４の技術では、水素化物を電極として被膜を形成する場合、確かに厚膜の形成はできる。しかしながら、被膜が緻密であるのは、ワークの材料と被膜材料が溶融しているワーク表面付近だけであり、図１３に示すように厚く盛りあがった部分Ａはポーラスな被膜となっている。
【０００８】
近年、高温環境下での強度と潤滑性とを必要とされるような用途などで、緻密で比較的厚い被膜（１００μｍ程度以上の厚膜）の形成が求められている。厚く被膜を盛り上げる技術としては、ワークと溶接棒との間の放電により溶接棒の材料をワークに溶融付着させる溶接（肉盛溶接）、金属材料を溶かした状態にしてスプレー状にワークに吹きつけ被膜を形成させる溶射がある。
【０００９】
しかしながら、いずれの方法も人手による熟練作業が要求されるため、作業はライン化することが困難であり、コストが高くなるという問題があった。また、特に溶接は、熱が集中してワークに入る方法であるため、厚みの薄い材料に対して処理する場合や、単結晶合金・一方向凝固合金など方向制御合金のように割れやすい材料を用いる場合には、溶接割れが発生し易く歩留まりが低いという問題もあった。
【００１０】
そこで、人手による作業を極力なくしたライン化が可能であり、ワークへの集中的な入熱を防ぐ放電表面処理技術を用いて、高温環境下での強度と潤滑性とを有する厚膜を形成する技術を確立することが切望されていた。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、溶接・溶射といった技術を用いることなく緻密な厚膜をワークに形成するための放電表面処理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる放電表面処理方法は、加工液中または気中において電極とワークとの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギにより、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において、平均粒径が６μｍから１０μｍの金属粉末または金属化合物の粉末と、炭化物を形成しにくい材質の金属粉末とを成形した電極を用い、放電パルスのパルス幅を５０μｓから５００μｓ、ピーク電流値を２Ａから３０Ａの加工条件で放電して、電極を構成する金属または金属化合物を主成分とする被膜をワークに形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明においては、放電表面処理により緻密な厚膜を形成する上で、電極を構成する電極材料の粉末の粒径と、ピーク電流値、パルス幅との間には強い相関があることが本発明者の研究により見出された。
【００１４】
すなわち、この発明によれば、放電表面処理用電極を構成する電極材料の平均粒径に対応した適切な放電表面処理条件で放電表面処理を行うことにより、緻密な厚膜の形成が可能となる、という効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明にかかる放電表面処理方法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。
【００１６】
実施の形態１．
まず、本実施の形態において、緻密な厚膜を放電表面処理により形成するための概念について説明する。従来の放電表面処理においては、チタン（Ｔｉ）等の電極材料を油中での放電により化学反応させ、炭化チタン（ＴｉＣ）といった硬質の炭化物被膜を形成していた。このため、放電表面処理に用いる電極には、炭化物を成形しやすい材料の割合が多く含まれていた。
【００１７】
この結果、放電表面処理が進むにつれて、例えば鋼材に放電表面処理を行う場合には、工作物（ワーク）表面の材質が鋼材からセラミックスであるＴｉＣに変わり、それにともない、熱伝導・融点などの特性が変化していた。
【００１８】
このような被膜形成の過程において、電極材質の成分に炭化し難い材料を添加することにより、形成された被膜を金属主成分の被膜とすることができ、また膜厚を厚く形成できることが発明者の実験により見出された。これは、炭化し難い材料を電極に加えることで、炭化物にならずに金属の状態のままで被膜に残る材料が増えることになる。これが、被膜を厚く盛り上げるのに重要な意味を持つ。
【００１９】
次に、図１を用いて放電表面処理用電極製造のためのプロセスについて説明する。図１は、実施の形態１における放電表面処理用電極（以下、単に電極と呼ぶ場合がある。）の製造方法の概念を示す断面図である。まず、炭化物を形成しやすい材料であるＣｒ（クロ
ム）粉末１、炭化物を形成しにくい材料であるＣｏ（コバルト）粉末２を所定の割合（例えば、Ｃｒ：２５重量％、Ｃｏ：７５重量％）で混合する。
【００２０】
図１において金型の上パンチ３、金型の下パンチ４、金型のダイ５で囲まれた空間に該混合粉末１、２が充填する。そして、該混合粉末１、２を上パンチ３及び下パンチ４で圧縮形成し、所定の形状の圧粉体を形成する。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。なお、本実施の形態では、Ｃｒ粉末１およびＣｏ粉末２は、平均粒径が６μｍから１０μｍ程度のものを使用している。
【００２１】
圧縮成形の際に混合粉末１、２の内部への圧力の伝わりを良くするために、混合粉末１、２にパラフィンなどのワックスを混入すると混合粉末１、２の成形性を向上させることができる。しかし、ワックス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。
【００２２】
そこで、混合粉末１、２にワックスを混入した場合にはワックスを除去することが好ましい。ワックスの除去は、圧粉体電極を真空炉に入れて加熱することにより行うことができる。また、圧粉体電極を加熱することにより、圧粉体電極の電気抵抗を下げる、圧粉体電極の強度を増加させる、などの他の効果も得られるため、ワックスを混入しない場合でも圧縮形成後に加熱することは意味がある。
【００２３】
さて、上記のようにして作製した圧粉体電極を放電表面処理用電極として用いて放電表面処理を行い、被膜の形成を行った。放電のパルス条件は、ピーク電流値ｉｅ＝１０Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）ｔｅ＝６４μｓ、休止時間ｔｏ＝１２８μｓとした。そして、放電表面処理により緻密な厚膜を形成する上で、電極を構成する粉末の粒径とピーク電流値、パルス幅との関係は強い関係があり、概略以下のとおりであることが見出された。
【００２４】
ある平均粒径の粉末から構成される電極を用いて放電表面処理を行なった場合、適切なパルス幅範囲の電気条件により放電表面処理を行った場合には緻密な厚膜を形成することができる。しかしながら、パルス幅が適切な範囲よりも短い場合、パルス幅が適切な範囲よりも長い場合のいずれの場合も、形成される被膜はポーラスになる。さらにパルス幅が短い場合には、電極材料がワークに付着するものの、付着した電極材料には全く強度がなく、被膜はボロボロの状態になる。
【００２５】
これは、放電表面処理時のパルス幅が適切なパルス幅を外れ、パルス幅が短くなると、放電エネルギが不足してその粒径の粉末を溶融させることができなくなり被膜がポーラスになるからと考察される。また、放電表面処理時のパルス幅が適切なパルス幅を外れ、パルス幅が長くなると、逆に放電エネルギが過多となるために電極を大きく崩して、極間、すなわち電極とワークとの間に多量の粉末を供給するため、それらすべてを放電パルスで溶融することが困難になるからであると考察される。
【００２６】
なお、適切なパルス幅の範囲は、ピーク電流値によりある程度変化するが、電極材料の粉末の粒径が大きくなるに従って長くなることも発明者の実験により見出された。
【００２７】
また、放電のパルス条件としてあるパルス幅の条件を用いた場合には、該パルス幅に対応する適切な粒径の範囲の粉末により構成される電極を用いて放電表面処理を行うと緻密な被膜が形成できる。しかしながら、あるパルス幅の条件を用いた場合でも、適切な範囲よりも大きな粒径の粉末から構成される電極を用いて放電表面処理を行った場合、適切な範囲よりも小さい粒径の粉末から構成される電極を用いて放電表面処理を行った場合のいずれの場合も、形成される被膜はポーラスになる。さらに大きな粒径の粉末から構成される電極を用いて放電表面処理を行った場合には、電極材料がワークに付着するものの、全く強度がなく被膜はボロボロの状態になる。
【００２８】
なお、電極を構成する粉末の粒形とパルス幅との関係は、電極の加熱温度などにより決まる電極硬さによる影響を受ける。すなわち、電極硬さが硬い場合には、放電表面処理に適切なパルス幅は長い方向にシフトする。また、電極硬さが軟らかい場合には、放電表面処理に適切なパルス幅は短い方向にシフトする。この電極の硬さと被膜形成の相関関係は、発明者の実験により見出されたものである。
【００２９】
さらに、放電のパルス条件のうちピーク電流値については、ピーク電流値が極端に小さすぎる場合には放電のパルス割れを引き起こす、電極材料の粉末を溶融させられない、などの問題が生じる。しかしながら、ピーク電流値が３０Ａ以下であれば、適切なパルス幅を選択すれば、良好な被膜を形成することができる。
【００３０】
また、発明者の実験によると、パルス割れを防止するためには、２Ａ以上のピーク電流値が必要である。一方、ピーク電流値が３０Ａを超えると、放電パルスのエネルギにより生じる衝撃波により電極がダメージを受けて局部的に崩れ、粉末材料を過多にワーク側に供給するため、やはり被膜がポーラスになる。
【００３１】
本実施の形態によれば、粒径が６μｍから１０μｍ程度のＣｒ粉末１とＣｏ粉末２とを用いて構成した放電表面処理用電極を用いて、放電パルスのパルス幅として５０μｓから５００μｓの範囲を使用することにより、緻密な厚膜を形成することができた。すなわち、放電表面処理用電極を構成する粉末の粒径に最適な加工条件（放電のパルス条件）で加工（放電表面処理）を行うことにより、緻密な厚肉盛りを行なうことができ、高温環境下でも十分な強度を有する緻密な厚膜を形成することができるといえる。
【００３２】
また、金属元素の中でもＣｒは高温で酸化物を形成して潤滑性を発揮する材料である。したがって、上記のようにＣｒを含有する放電表面処理用電極を用いて放電表面処理を行うことにより、高温環境下での潤滑性を有する厚膜を形成することができる。
【００３３】
したがって、本実施の形態によれば、人手による作業を極力なくしたライン化が可能であり、ワークへの集中的な入熱を防ぐ放電表面処理技術を用いて、高温環境下での強度と潤滑性とを有する厚膜を形成することが可能とされる。
【００３４】
なお、ここで述べている「緻密な厚膜」の緻密の定義は、被膜をやすりなどでこすっても簡単にはとれず（当然削られることにより除去はすすむが）、磨くことで金属光沢が得られるような状態をいう。
【００３５】
また、本発明においては、放電表面処理が行われる環境は、加工液中でも良く、また、気中でも良い。
【００３６】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図面を参照しながら説明する。図２は、炭化物であるＣｒ3Ｃ2（炭化クロム：粒径３μｍ）の粉末と、炭化物を形成しにくい材料であるＣｏ（コバルト：粒径２μｍ）の粉末と、を混合した混合粉末を圧縮成形後に加熱して製作した放電表面処理用電極を用いて放電表面処理を行った場合において、放電表面処理用電極におけるＣｏの含有量を変化させることで厚膜の形成しやすさが変わっていく様子を示している。
【００３７】
放電表面処理用電極のベースとなる材質はＣｒ3Ｃ2とした。また、炭化物を形成しにくい材料であるＣｏの含有量は、４０体積％以上とし、混合粉末の圧縮形成後の加熱温度は約９００℃程度とした。
【００３８】
このような条件で作製された圧粉体電極（面積１５ｍｍ×１５ｍｍ）を用いて放電表面処理を行い、被膜を形成した。放電表面処理を行う場合の放電のパルス条件の一例を図３Ａと図３Ｂとに示す。図３Ａと図３Ｂ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、図３Ａは、放電時の電極とワークとの間にかかる電圧波形を示し、図３Ｂは、放電時に流れる電流の電流波形を示している。図３Ａに示されるように時刻ｔ０で両極間に無負荷電圧ｕｉがかけられるが、放電遅れ時間ｔｄ経過後の時刻ｔ１に両極間に電流が流れ始め、放電が始まる。このときの電圧が放電電圧ｕｅであり、このとき流れる電流がピーク電流値ｉｅである。そして時刻ｔ２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。
【００３９】
時刻ｔ２−ｔ１がパルス幅ｔｅである。この時刻ｔ０〜ｔ２における電圧波形を、休止時間ｔｏをおいて繰り返して両極間に印加する。つまり、この図３Ａに示されるように、放電表面処理用電極とワークとの間に、パルス状の電圧を印加させる。
【００４０】
本実施の形態においては放電表面処理時の放電のパルス条件は、ピーク電流値ｉｅ＝１０Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）ｔｅ＝６４μｓ、休止時間ｔｏ＝１２８μｓとした。なお、処理時間は１５分である。
【００４１】
図２に示される如く、電極におけるＣｏの含有量が０％の場合、すなわち、電極におけるＣｒ3Ｃ2の含有量が１００％の場合には、形成できる被膜の厚さは１０μｍ程度が限界であり、それ以上被膜の厚みを増すことはできない。被膜は、Ｃｒ3Ｃ2を主成分とし、母材成分の混ざった材料からなる。
【００４２】
なお、炭化物を形成しにくい材料が電極内にない場合の、処理時間に対する被膜の形成の様子は図４のようになる。図４に示すように放電表面処理の初期においては、被膜が時間とともに成長して厚くなり、ある時間（約５分／ｃｍ2程度）で被膜の厚みは飽和する。
【００４３】
その後しばらくの間、膜厚は成長しないが、ある時間（２０分／ｃｍ2程度）以上放電表面処理を続けると被膜の厚みが減少しはじめ、最後には被膜厚さはマイナス、すなわちワークの掘り込みに変わってしまう。ただし、掘り込んだ状態でも被膜は存在しており、その厚み自体は１０μｍ程度であり、適切な時間で処理した状態とほとんど変わらない。
【００４４】
図２に戻り、炭化し難い材料であるＣｏの電極内の含有量を増やすに従って被膜を厚く形成できるようになり、電極中におけるＣｏの含有量が２０体積％を超えると形成される被膜の厚さが厚くなり始め、４０体積％を超えると安定して厚膜が形成しやすくなることが判明した。このように被膜中に金属として残る材料を多くすることにより、炭化物になっていない金属成分を含む被膜を形成することができ、安定して厚膜が形成しやすくなる。Ｃｏは、被膜の中でバインダの役目を果たしていると考えられる。
【００４５】
なお、ここでいう体積％は、混合するそれぞれ粉末の重量をそれぞれの材料の密度で割った値の比率のことであり、粉末全体の材料の体積中においてその材料が占める体積の割合である。
【００４６】
例えばＣｏ粉末の体積％の場合は、「Ｃｏ粉末の体積％＝Ｃｏ粉末の体積／（Ｃｒ3Ｃ2粉末の体積＋Ｃｏ粉末の体積）×１００」である。
【００４７】
また、粉末の体積は見かけ体積（粉としての体積）ではなく、その粉末材料の実質体積である。例えば、「Ｃｏ粉末の体積＝Ｃｏ粉末の重量／Ｃｏ粉末の密度」となる。
【００４８】
以上の点から、電極に含まれる炭化し難い材料の割合は４０体積％以上であることが好ましい。図２に示される如く、前述の放電のパルス条件、ピーク電流値ｉｅ＝１０Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）ｔｅ＝６４μｓ、休止時間ｔｏ＝１２８μｓの場合には、電極に含まれる炭化し難い材料の割合が４０体積％以下でも１０μｍ程度の被膜形成は可能である。しかし、緻密な厚膜を形成するためにはパルス条件を適切に設定しなければならない。例えば、電極に含まれる炭化し難い材料の割合が３０体積％程度でも緻密な厚盛りは可能であるが、その条件の範囲はきわめて狭い。
【００４９】
電極に含まれる炭化物を形成する材料が多すぎる場合、電気的な条件が適切でない場合、電極の状態が悪い場合などには、盛りあがりは形成されるが、簡単に除去されたり、磨いても金属光沢が得られないような状態の膜が形成される。しかしながら、本実施の形態では、電極を構成する粉末の粒径に最適な加工条件（放電のパルス条件）で加工（放電表面処理）を行うことにより、形成された被膜中の金属が被膜内のつなぎになることにより緻密な厚肉盛りを行なうことができ、十分な強度を有する被膜を形成することができる。
【００５０】
参考までに、電極中におけるＣｏの含有量が７０体積％の場合に形成した被膜の写真を図５に示す。この写真は、厚膜の形成を例示するものである。図５に示す写真においては膜厚が２ｍｍ程度の厚膜が形成されている。この被膜は、上述の条件のもと、１５分の処理時間で、形成されたものであるが、処理時間を増せばさらに厚い被膜にすることができる。
【００５１】
このようにして、電極内にＣｏ等の炭化し難い材料を４０体積％以上含有する電極を使用し、電極を構成する粉末の粒径に最適な加工条件（放電のパルス条件）で加工（放電表面処理）を行うことにより、放電表面処理によりワーク表面に安定して緻密で厚い被膜を形成することができる。
【００５２】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について図面を参照しながら説明する。図６は、実施の形態３における放電表面処理用電極の製造方法の概念を示す断面図である。
【００５３】
図６において金型の上パンチ１２、金型の下パンチ１３、金型のダイ１４で囲まれた空間に粒径が１μｍ程度のＣｏ粉末１１が充填され、該Ｃｏ粉末１１を上パンチ１２及び下パンチ１３で圧縮形成し、所定の形状の圧粉体を形成する。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。
【００５４】
このように所定のプレス圧を粉末にかけることで粉末は固まり、圧粉体となる。しかしながら、このままの状態では圧粉体は電気抵抗が高く、そのままの状態で放電表面処理用電極として使用するには問題がある。電極の電気抵抗を測定するには、たとえば図７Ａに示すように電極２１を金属板２２で挟み、該金属板２２にテスタ２３の電極端子２４を接触させることにより抵抗値を測定するような簡易的な方法により、おおよその電気抵抗値を測定することができる。
【００５５】
また、図７Ｂに示すようにテスタ３３の電極端子３４を電極３１の両端に接触させることにより抵抗値を測定するような、より簡易的な方法でもおおよその判断は可能である。
【００５６】
本実施の形態で電極材料として使用したＣｏは、融点が１０００℃を超える材料である。しかしながら、電極を詳細に観察すると、２００℃程度の温度でも材料（Ｃｏ）の一部が溶融して電極の電気抵抗を下げることが発明者の研究により明らかとなった。
【００５７】
図６に示した粒径１μｍ程度のＣｏ粉末を、直径１８ｍｍ、長さ３０ｍｍ程度の大きさの圧粉体に成形した場合には、粉末を圧縮成形した時点では図７Ａに示した測定方法により測定した電気抵抗は数Ω〜数十Ωの値を示していた。この圧粉体を真空炉において所定時間での昇温の後、１時間〜２時間の間だけ所定の加熱温度に保持した後の電気抵抗値と加熱温度との関係を図８に示す。
【００５８】
圧粉体の加熱温度が低い（１００℃以下）場合には、加熱後の圧粉体の電気抵抗はほとんど下がらない。しかし、図８に示す２００℃程度の温度領域Ｔで圧粉体の加熱をした場合には、圧粉体の電気抵抗値はほとんど０Ωになった。上記の材料により成形した圧粉体の場合は、２００℃〜２５０℃程度の温度が放電表面処理用の電極とするための加熱温度としては最適値であった。また、加熱温度が３００℃を越えた場合には、電極の硬さが硬くなり過ぎ、その結果放電表面処理の際の放電による電極材料の極間への電極材料の供給量が減少してしまうために厚膜の形成が困難となった。
【００５９】
以上の工程で製作された電極を用いた放電表面処理装置により放電表面処理を行なう様子を図９に示す。図９では、パルス状の放電が発生している様子を示している。また、この放電表面処理で形成された被膜の写真を図１０に示す。図１０に示す写真においては膜厚が１ｍｍ程度の厚膜が形成されている。
【００６０】
図９に示す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、粒径が１μｍ程度のＣｏ粉末１１を圧縮成形した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４１（以下、単に電極４１と称する場合がある。）と、加工液４３と、電極４１とワーク４２との間に電圧を印加してパルス状の放電（アーク柱）４４を発生させる放電表面処理用電源装置４５とを備えて構成される。なお、図９では、極間距離、すなわち電極４１とワーク４２との距離を制御するためのサーボ機構、加工液４３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。
【００６１】
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４１とワーク４２とを加工液４３中で対向配置する。そして、加工液４３中において、放電表面処理用電源装置４５を用いて電極４１とワーク４２との間にパルス状の放電を発生させる。具体的には、電極４１とワーク４２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４４は図９に示すように電極４１とワーク４２との間に発生する。
【００６２】
そして、電極４１とワーク４２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４１側がマイナスの極性、ワーク４２側がプラスの極性として使用する。なお、この構成においては、放電時の電流Ｉは電極４１から放電表面処理用電源装置４５に向かう方向に流れる。
【００６３】
放電表面処理における放電パルスの条件は、ピーク電流値＝１０Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）＝８μｓ、休止時間＝１６μｓである。本実施の形態では５分間の処理で１ｍｍ程度の厚みの被膜が形成されている。
【００６４】
上述した実施の形態１では、粒径６μｍから１０μｍ程度のＣｒ粉末１、Ｃｏ粉末２の混合粉末からなる電極を用いたため、形成された厚膜はいびつでばらつきがある。実施の形態１では放電パルスのパルス幅が５０μｓ〜５００μｓの範囲を使用して緻密な被膜を形成したが、粉末の粒径を小さくすることで、パルス幅を小さくして緻密な被膜を形成することができる。
【００６５】
これは、電極を構成する電極材料の粉末の粒径を小さくすると、パルス幅が小さい、エネルギの小さな条件でも電極材料の粉末を十分溶融させることができ、小さな放電のクレーターの積み重ねで被膜が形成できるため、緻密な被膜が形成できるためである。
【００６６】
本実施例で用いた粒径１μｍ程度のＣｏ粉末の場合には、パルス幅５０μｓ以下で緻密な被膜を形成することができた。なお、パルス幅をパルス幅５０μｓに伸ばした放電パルスを使用すると、放電により電極が大きく崩れるため被膜がポーラスになる。
【００６７】
また、電極の硬さに関して説明する。電極の硬さは、電極を構成する粉末の粒径が大きく電極の硬さが軟らかい場合には、ＪＩＳ  Ｋ  ５６００−５−４にある塗膜用鉛筆引っかき試験を用いて測定した。また、電極を構成する粉末の粒径が小さく、電極の硬さが硬い場合には、ロックウェル硬度等を用いて測定した。ＪＩＳ  Ｋ  ５６００−５−４の規格は本来、塗装被膜の評価に使用されているものであるが、硬さの低い材料の評価に適していることがわかった。もちろん、他の硬さ評価方法の結果と、この塗膜用鉛筆引っかき試験の結果は互いに換算できるものであり、他の方法を指標として用いても良い。
【００６８】
電極を構成する粉末の粒径が５〜６μｍ程度の場合には、電極の硬さが４Ｂ〜７Ｂ程度の硬さの場合が最も被膜の状態が良く、緻密な厚膜が形成できている。ただし、この範囲を多少はずれても厚膜の形成が可能な範囲は存在し、硬さの硬くなる方向では、Ｂ程度の硬さまでは厚膜の形成は可能である。また、硬さの軟らかくなる方向では、８Ｂ程度までは厚膜の形成は可能である。
【００６９】
しかしながら、電極の硬さが硬くなるに従って被膜の形成速度は遅くなる傾向があり、Ｂ程度の硬さでは、厚膜の形成はかなり難しくなる。電極の硬さがさらに硬くなると、厚膜の形成はできなくなり、電極の硬さが硬くなるに従って工作物（ワーク）側を除去加工するようになる。
【００７０】
また、電極の硬さが軟らかくなる方向では、８Ｂ程度の硬さまで厚膜の形成は可能であるが、形成された厚膜の組織の分析をすると空孔が徐々に増加していく傾向があり、９Ｂ程度より軟らかくなると電極成分が十分溶融しないままに工作物（ワーク）側に付着するような現象が見られるようなる。なお、この電極の硬さと被膜の状態の関係は、使用する放電パルス条件によっても多少変化し、適切な放電パルス条件を使用した場合には、ある程度良好な被膜を形成できる電極硬さの範囲を拡大することも可能である。
【００７１】
上記実施例では、粒径を５μｍ程度の粉末を使用したので、上記のような電極硬さが最適値となった。しかしながら、この最適値は電極を構成する粉末の粒径に大きく左右される。これは以下の理由によるものである。すなわち、放電により電極から電極材料が放出されるか否かは、電極を構成している粉末の結合強度による。結合強度が強い場合には、粉末は放電のエネルギにより放出され難い。一方、結合強度が弱い場合には、粉末は放電のエネルギにより放出されやすくなる。
【００７２】
また、電極を構成する粉末の粒径が大きい場合には、電極中での粉末が互いに結合している点の数が少なくなり、電極強度は弱くなる。一方、電極を構成する粉末の粒径が小さい場合には、電極中での粉末が互いに結合している点の数が多くなり、電極強度は強くなる。
【００７３】
以上において説明したように、本実施の形態では、電極を構成する電極材料の粉末の粒径、および電極の硬さに最適な加工条件で加工を行うことにより、緻密な厚肉盛りを行なうことができ、十分な強度を有する被膜を形成することができる。
【００７４】
上述のように、炭化物を形成しにくい材料であるＣｏの粉末を電極材料として用いた場合には、放電のパルス条件として、放電パルス幅が５０μｍ以下、ピーク電流値が１０Ａ程度の条件を用いることにより緻密で厚い被膜が形成できる。しかしながら、炭化物を形成しやすい材料であるＭｏ（モリブデン、粒径０．７μｍ）を電極材料として用いた電極でも緻密な厚い被膜（Ｍｏのみ）が形成できることが発明者の実験により判明した。
【００７５】
Ｍｏは炭化物を形成しやすい材料であるため、放電パルス幅を６０μｓ以上７０μｓ以下程度の比較的長い条件を使用して、放電パルスにより溶融しきらない電極材料をワークに供給することが緻密な被膜を形成するために有効であった。Ｍｏのような炭化物を形成しやすい材料の場合には、電極材料が放電パルスにより完全に溶融した状態でワーク側に供給されると、ワーク側に供給された電極材料は炭化して炭化モリブデンになってしまい、厚膜の形成が困難になる。しかしながら、上述したように放電パルス幅を調整し、放電パルスにより溶融しきらない電極材料をワークに供給することで緻密な被膜を形成することが可能となる。
【００７６】
実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について図面を参照しながら説明する。図１１は、実施の形態４における放電表面処理用電極の製造方法の概念を示す断面図である。図１１において金型の上パンチ５２、金型の下パンチ５３、金型のダイ５４で囲まれた空間に粒径が１μｍ程度のＣｏ合金粉末５１が充填され、該Ｃｏ合金粉末５１を上パンチ５２及び下パンチ５３で圧縮形成し、所定の形状の圧粉体を形成する。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。
【００７７】
なお、本実施の形態では、Ｃｏ合金粉末５１としてＣｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｗ（タングステン）などを含んだＣｏベースの合金（Ｃｒ：２０重量％、Ｎｉ：１０重量％、Ｗ：１５重量％、Ｃｏ：残）を用い、その平均粒径は１μｍ程度のものを使用している。
【００７８】
このままの状態では、圧粉体は電気抵抗が高く、そのままでは放電表面処理用電極として使用するには問題がある。
【００７９】
また、Ｃｏ合金粉末５１は硬質な合金であるのでプレスで粉末を固めることが困難であり、成形性の向上のためにＣｏ合金粉末５１にパラフィンなどのワックスを添加することが必要である。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、後の工程でワックスを除去することが好ましい。
【００８０】
そこで、ワックスの除去及び電極の電気抵抗を下げるべく、圧粉体電極を真空炉に入れて所定時間の昇温時間の後、１時間から２時間所定の加熱温度に保持する。
【００８１】
実施の形態３において、１μｍの粒径のＣｏ粉末により電極成形を行なった場合は加熱温度は２００℃〜２５０℃が最適であったのに対し、Ｃｏ合金粉末５１より電極成形を行なった場合には、電気抵抗が下がる最適な加熱温度が、８００℃〜９００℃と高い温度であった。ここで、電極を一度に８００℃まで加熱するとワックスが炭化して電極内に不純物として残ってしまうため、一度低い温度でワックス除去を行なう必要がある。
【００８２】
なお、本構造の電極は、加熱温度が２００℃および３００℃の場合はボロボロの状態であり、被膜形成を行うことはできなかった。また、加熱温度が１０００℃の場合は電極の硬度が硬くなり、被膜形成を行うことはできなかった。
【００８３】
次に、Ｃｏ合金粉末５１の平均粒径をパラメータとして、緻密な被膜を形成できる条件を調べた。ピーク電流値は１０Ａとし、パルス幅を様々に変化させた。それぞれの電極は放電表面処理を行うに際して適切な硬さに成形されているものを使用した。ここで、「適切な硬さ」とは、緻密な被膜を形成できる条件を有するという意味である。
【００８４】
電極の硬さが適切でないと緻密な厚膜を形成することは困難である。電極の硬さが硬すぎる場合には、厚膜が形成できない。また、電極の硬さが軟らかすぎる場合には、盛りあがった膜を形成することができるが、該膜はポーラスなものになり、緻密ではなくなる。
【００８５】
図１２にＣｏ合金粉末の平均粒径をパラメータとして緻密な被膜を形成できる条件を調べた結果を示す。形成された被膜が緻密になる範囲と、形成された被膜がポーラスになるなど緻密な被膜ができない範囲と、に重なる部分があるが、これは電極の硬さなどにより範囲にある程度違いがあるためである。
【００８６】
なお、図１２では、電極材料の粉末の粒径により電極の最適な硬さも異なるため、ある粒径の粉末で、緻密な被膜が形成できる硬さにおいての比較を行っている。例えば、電極材料の平均粒径が２μｍ〜６μｍの電極の場合、電極の硬さが硬めであれば、パルス幅１０μｓ程度でも緻密な被膜が形成できる。一方、電極の硬さが軟らかめな場合には、パルス幅４０μｓ程度でもポーラスな被膜になってしまう。
【００８７】
このように電極の硬さなどの条件により、緻密になるパルス幅の条件に違いがあるが、概略、図１２に示した範囲の中で緻密な厚膜を形成できる条件が存在する。
【００８８】
上記においては、合金比率が「Ｃｒ（クロム）：２０重量％、Ｎｉ（ニッケル）：１０重量％、Ｗ（タングステン）：１５重量％、Ｃｏ（コバルト）：残」である合金を粉末化した材料を使用したが、粉末化する合金は他の配合の合金でももちろん良い。たとえば、合金比率が、「Ｃｒ（クロム）：２５重量％、Ｎｉ（ニッケル）：１０重量％、Ｗ（タングステン）：７重量％、Ｃｏ（コバルト）：残」である合金を用いることができる。また、合金比率が、「Ｍｏ（モリブデン）：２８重量％、Ｃｒ（クロム）：１７重量％、Ｓｉ（シリコン）：３重量％、Ｃｏ（コバルト）：残」である合金、「Ｃｒ（クロム）：１５重量％、Ｆｅ（鉄）：８重量％、Ｎｉ（ニッケル）：残」である合金、「Ｃｒ（クロム）：２１重量％、Ｍｏ（モリブデン）：９重量％、Ｔａ（タンタル）４重量％、Ｎｉ（ニッケル）：残」である合金、合金比率が、「Ｃｒ（クロム）：１９重量％、Ｎｉ（ニッケル）：５３重量％、Ｍｏ（モリブデン）３重量％、Ｃｄ（カドミウム）＋Ｔａ（タンタル）：５重量％、Ｔｉ（チタン）：０．８重量％、Ａｌ（アルミニウム）：０．６重量％、Ｆｅ（鉄）：残」である合金なども用いることができる。ただし、合金の合金比率が異なると、材料の硬さなどの性質が異なるため、電極の成形性および被膜の状態に多少の差異が生じる。
【００８９】
なお、本実施の形態では、電極成分としてＣｏを主成分としたＣｏ合金粉末を使用したが、これは、前述のように被膜を厚くすることに対して効果があるためである。炭化物を形成しやすい材料のみからなる電極を用いた放電表面処理では形成された被膜が炭化物セラミックス状態になるため、被膜の熱伝導が悪くなり、放電により被膜の除去が進みやすくなる。
【００９０】
そこで、炭化物を形成し難い材料であるＣｏを成分として混入することで、被膜の熱伝導を悪くすることがなくなり、被膜の厚膜化が可能になる。Ｃｏと同様の効果を有する材料としては、Ｎｉ、Ｆｅなどがある。
【００９１】
なお、放電の条件のピーク電流値は、本例では１０Ａとしたが、おおよそ３０Ａ程度以下であれば概略同じ範囲で緻密な厚膜を得ることができる。ピーク電流値が３０Ａ以上になると放電の衝撃で電極を不必要に大きく崩したり、また、入熱量が大きくなるために電極の硬さが硬くなっていくなどの問題が起きるようになってくる。
【００９２】
本実施の形態によれば、電極を構成する粉末の粒径、および電極の硬さに最適な加工条件（放電のパルス条件）で加工（放電表面処理）を行うことにより、緻密な厚肉盛りを行なうことができ、十分な強度を有する被膜を形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
以上のように、本発明にかかる放電表面処理方法は、緻密で比較的厚い被膜を必要とする産業に有用であり、特に、高温環境下での強度と潤滑性とを必要とされるような用途などに適している。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】放電表面処理用電極の製造方法の概念を示す断面図である。
【図２】電極におけるＣｏの含有量を変化させることで厚膜の形成しやすさが変わっていく様子を示す特性図である。
【図３Ａ】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る。
【図３Ｂ】図３Ａの電圧波形に対応する電流波形を示す特性図である。
【図４】炭化物を形成しにくい材料が電極内にない場合の処理時間に対する被膜の形成の様子を示す特性図である。
【図５】Ｃｏが７０体積％の場合に形成した被膜を示す画像を示す図である。
【図６】放電表面処理用電極の製造方法の概念を示す断面図である。
【図７Ａ】電極の電気抵抗値を簡便に測定する方法を示す図である。
【図７Ｂ】電極の電気抵抗値をより簡便に測定する方法を示す図である。
【図８】加熱温度と電極の電気抵抗との関係を示す特性図である。
【図９】加工液中で放電表面処理を行なう様子を示す図である。
【図１０】形成された被膜の画像を示す図である。
【図１１】放電表面処理用電極の製造方法の概念を示す断面図である。
【図１２】電極材料の平均粒径とパルス幅を変化させたて被膜形成を行った結果を示す図である。
【図１３】従来の電極による被膜を形成した際の電子顕微鏡画像を示す図である。
【符号の説明】
【００９５】
１  混合粉末
２  粉末
３  上パンチ
４  下パンチ
５  ダイ
１１  粉末
１２  上パンチ
１３  下パンチ
１４  ダイ
２１  電極
２２  金属板
２３  テスタ
２４  電極端子
３１  電極
３３  テスタ
３４  電極端子
４１  放電表面処理用電極
４２  ワーク
４３  加工液
４４  アーク柱
４５  放電表面処理用電源装置
５１  合金粉末
５２  上パンチ
５３  下パンチ
５４  ダイ
【図１】
2006257556.tif 000003
【図２】
2006257556.tif 000004
【図３Ａ】
2006257556.tif 000005
【図３Ｂ】
2006257556.tif 000006
【図４】
2006257556.tif 000007
【図６】
2006257556.tif 000008
【図７Ａ】
2006257556.tif 000009
【図７Ｂ】
2006257556.tif 000010
【図８】
2006257556.tif 000011
【図９】
2006257556.tif 000012
【図１１】
2006257556.tif 000013
【図１２】
2006257556.tif 000014
【図５】
2006257556.tif 000015
【図１０】
2006257556.tif 000016
【図１３】
2006257556.tif 000017