(57)【要約】【課題】  消耗が少なく、放電加工速度が得られ、高融点金属粒子の含有量が少ない放電加工用電極を提供する。【解決手段】  銅と高融点金属粒子が主成分である放電加工用電極に、低融点合金およびカーボン繊維材料を分散させ、放電を安定化させるとともに、電極表面において保護作用を発現させる。高融点金属粒子の粒子径によって、電極消耗、加工速度を改善する。【選択図】図２
2018103349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅を体積分率で３０％以上含む放電加工用電極であって、融点が２０００℃以上の高融点金属粒子が前記銅の母相に分散してなる放電加工用電極であって、少なくとも前記高融点金属粒子と前記銅の界面に、銅よりも融点が２００℃以上低い低融点合金が分散していることを特徴とする放電加工用電極。
【請求項２】
前記放電加工用電極に、カーボン繊維が含有し、前記高融点金属粒子と前記銅の界面、前記高融点金属粒子と前記カーボン繊維の界面、前記カーボン繊維と前記銅の界面のうち少なくとも１つの界面に前記低融点合金が接していることを特徴とする請求項１記載の放電加工用電極。
【請求項３】
前記低融点合金が銀および銅を含む合金であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれかに記載の放電加工用電極
【請求項４】
前記カーボン繊維が長さ１μｍ以上でアスペクト比（＝長さ／直径）３０以上であるカーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の放電加工用電極
【請求項５】
前記高融点金属粒子が粒径１〜１０μｍの粒子径分布を持ったタングステンであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の放電加工用電極
【請求項６】
前記高融点金属粒子が平均粒径１μｍ以下のタングステンであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の放電加工用電極
【請求項７】
連続パルス放電によって被加工物を除去していく放電加工方法であって、被加工物と電極の間で発生する単発の放電によって電極表面に形成される放電痕の深さが前記カーボン繊維の長さよりも小さい放電加工条件であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の放電加工用電極を用いた放電加工方法
【請求項８】
銅よりも融点が２００℃以上低い低融点合金粒子を、前記銅の粒子および前記高融点金属粒子とともに混合し、通電焼結法を用いて焼結、複合体化することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の放電加工用電極の製造方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、放電加工用低消耗電極およびそれを用いた放電加工方法およびその製造方法に関するものである。より詳細には、低融点合金およびカーボン繊維（カーボンナノチューブ：ＣＮＴ等）を複合することにより、電極消耗を抑え、加工速度を向上させた銅と高融点金属粒子（タングステン等）を基材とした放電加工用電極材料に関する。
【背景技術】
【０００２】  形彫放電加工の電極材は、加工精度や生産コストの点から、加工速度が得られ、低消耗である特性が求められる。【０００３】  非特許文献１記載のように、一般に、電極材は、熱伝導率と融点の積が大きいほど低消耗であることが知られている。これを満たす電極材として、銅あるいは銅タングステンが広く用いられている。銅は低価格であるため、電極消耗を無視した荒加工条件に用いられているが、これらと同程度の価格で電極消耗が少ないものが求められている。【０００４】  一方、銅タングステン系材料、あるいは銀タングステン系材料などは、銅と比較して電極消耗が少ないが、加工速度は遅く、価格が高いので一般に微細加工の無消耗または低消耗領域に限定される。銅タングステン系材料が高価な理由は、希少金属であるタングステンを用いるためであり、このタングステンの減量を行い、かつ電極特性を維持することが課題となっている。【０００５】  既存の放電加工用電極材料の欠点を補うため、特許文献１および非特許文献２記載の技術では、めっき法により、カーボンナノチューブを複合した銅電極が提案されており、純銅電極の低消耗化が図られているが、めっき法であるためバルク材を作ることができず、小径電極に限定される。また、タングステンなどの高融点金属粒子は比重が大きいため、めっき法により均一に複合することが難しい。【０００６】  特許文献２、特許文献３記載の技術では、それぞれ２族元素と酸化タングステンの化合物、ホウ化物を銅−タングステン材料に複合させることで、高温下での電気伝導性、仕事関数を向上させ、低消耗化および加工速度の改善が図られているが、特殊な材料を用いるため、安価に提供することができないという課題がある。【０００７】  また、上記技術は、タングステンの減量に寄与していない。非特許文献３記載の技術では、銅タングステン系材料において、タングステン粒子の微細化によって、低消耗化が図られているが、タングステン粒子が微細になると材料単価が高くなり、また混合も難しくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４９９８７７８号
【特許文献２】特開２００６−３１５１３４号公報
【特許文献３】特開平７−３３１３６１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】五十嵐  廉、“銅−タングステン放電加工電極材料”、電気加工学会誌、３８（２００４）１２−１５．
【非特許文献２】Ｔｓｕｎｅｈｉｓａ  ＳＵＺＵＫＩ、Ｈｉｒｏｓｈｉ  ＳＡＩＴＯ、Ｍｕｔｓｕｔｏ  ＫＡＴＯ、Ｔｏｍｏｋｉ  ＦＵＪＩＮＯ  ａｎｄ  Ｔｏｓｈｉａｋｉ  ＭＩＴＳＵＩ、“ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ  ＯＦ  ＣＵ−ＢＡＳＥＤ  ＣＮＴ  ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ  ＥＬＥＣＴＲＯＤＥＳ  ＦＯＲ  ＬＯＷ  ＷＥＡＲ  ＰＲＯＰＥＲＴＹ  ＩＮ  ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬ  ＤＩＳＣＨＡＲＧＥ  ＭＡＣＨＩＮＩＮＧ”、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ、Ｎｏ．１３  ｐｐ．４１−４４（２００７）
【非特許文献３】岡田  晃、大上  真吾、宇野  義幸、庄司  隆行、福島  崇洋、寺田  修、“放電加工用高性能銅タングステン電極の開発”、電気加工学会誌、４１（２００７）６９−７６．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  本発明は、放電加工用低消耗電極およびそれを用いた放電加工方法およびその製造方法を提供するものである。より詳細には、低融点合金およびカーボン繊維（カーボンナノチューブ：ＣＮＴ等）を複合することにより、電極消耗を抑え、加工速度を向上させた銅と高融点金属粒子（タングステン等）を基材とした放電加工用電極材料およびそれを用いた放電加工方法およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】上記の目的を達成するため、請求項１記載の放電加工用電極は、銅を体積分率で３０％以上含む放電加工用電極であって、融点が２０００℃以上の高融点金属粒子が前記銅の母相に分散してなる放電加工用電極であって、少なくとも前記高融点金属粒子と前記銅の界面に、銅よりも融点が２００℃以上低い低融点合金が分散していることを特徴とする。【００１２】  請求項２記載の放電加工用電極は、前記放電加工用電極に、カーボン繊維が含有し、前記高融点金属粒子と前記銅の界面、前記高融点金属粒子と前記カーボン繊維の界面、前記カーボン繊維と前記銅の界面のうち少なくとも１つの界面に前記低融点合金が接していることを特徴とする。【００１３】  請求項３記載の放電加工用電極は、前記低融点合金が銀および銅を含む合金であることを特徴とする。【００１４】  請求項４記載の放電加工用電極は、前記カーボン繊維が長さ１μｍ以上でアスペクト比（＝長さ／直径）３０以上であるカーボンナノチューブであることを特徴とする。【００１５】  請求項５記載の放電加工用電極は、前記高融点金属粒子が粒径１〜１０μｍの粒子径分布を持ったタングステンであることを特徴とする。【００１６】  請求項６記載の放電加工用電極は、前記高融点金属粒子が平均粒径１μｍ以下のタングステンであることを特徴とする。【００１７】  請求項７記載の放電加工用電極を用いた放電加工方法は、連続パルス放電によって被加工物を除去していく放電加工方法であって、被加工物と電極の間で発生する単発の放電によって電極表面に形成される放電痕の深さが前記カーボン繊維の長さよりも小さい放電加工条件であることを特徴とする。【００１８】  請求項８記載の放電加工用電極の製造方法は、銅よりも融点が２００℃以上低い低融点合金粒子を、前記銅の粒子および前記高融点金属粒子とともに混合し、通電焼結法を用いて焼結、複合体化することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】  請求項１記載の発明によれば、銅を体積分率で３０％以上含む放電加工用電極であることによって、高電気伝導性による放電加工の安定、高電気伝導性による低消耗化という効果がある。融点が２０００℃以上の高融点金属粒子が前記銅の母相に分散してなることによって低消耗効果がある。さらに、高融点金属粒子と銅母相の界面、高融点金属粒子同士の界面、銅と銅の界面に低融点合金が接していることにより、界面に合金層を形成し、高融点金属粒子の脱落を防ぐ効果がある。【００２０】  請求項２記載の発明によれば、前記放電加工用電極に、カーボン繊維が含有することによって、放電加工において放電の分散効果、放電の安定、さらには、カーボンによる保護作用によって電極消耗を低減する効果がある。さらに、カーボン繊維が高融点金属粒子の低消耗効果の一部を担うことができ、高融点金属粒子の体積分率を下げても、電極の低消耗特性を維持できるという効果がある。また、高融点金属粒子と銅母相の界面、高融点金属粒子とカーボン繊維の界面、カーボン繊維と銅母相の界面のうち少なくとも１つの界面に前記低融点合金が接していることによって、前記カーボン繊維、前記高融点金属粒子の保持力が向上するという効果がある。【００２１】  請求項３記載の発明によれば、前記低融点合金が銅および銀を含む合金であることにより、銅母相との親和性を持ちつつ、前記カーボン繊維、前記高融点金属粒子の保持力が向上するという効果がある。【００２２】  請求項４記載の発明によれば、前記カーボン繊維が長さ１μｍ以上でアスペクト比（＝長さ／直径）３０以上であるカーボンナノチューブであることによって、放電安定に起因する放電加工速度の向上効果、低消耗効果がある。特に、放電加工によって形成される放電痕深さよりも長いカーボンナノチューブを用いた場合に効果がある。【００２３】  請求項５記載の発明によれば、前記高融点金属粒子が粒径１〜１０μｍの粒子径分布を持ったタングステンであることにより、銅母相においてタングステンを緻密に配置でき、タングステンの体積分率を上げることができる効果がある。さらには、低消耗特性を向上させる効果がある。【００２４】  請求項６記載の発明によれば、平均粒径１μｍ以下のタングステンであることにより、大きな粒子径のタングステンによる異常アークの発生を抑制し、放電を安定させることができるため、加工速度が向上するという効果がある。さらに、切削加工によって電極の形状を創成する際に、切削工具の消耗を低く抑えることができる効果がある。【００２５】  請求項７記載の発明によれば、放電加工方法において、電極表面に形成される放電痕の深さが前記カーボン繊維の長さよりも小さい放電加工条件であることにより、カーボン繊維による電極の保護作用、つまり前記放電加工用電極の低消耗効果、放電加工速度の高速化を持続させる効果がある。【００２６】  請求項８記載の発明によれば、放電加工用電極の製造方法に通電焼結法を用いることにより、粉体の固相焼結が可能となるという効果がある。さらに、低融点合金を用いることにより、一部液相を生じさせ、固相焼結でありながら、低融点合金の液相を用いて、緻密な焼結が可能となるという効果がある。ここで、「通電��結法」とは、放電プラズマ焼結法、パルス通電法、パルス通電加圧焼結法、プラズマ活性化焼結法、通電加熱焼結法などとも呼ばれるもので、型の中に混合した粉末を入れ、圧力を加えながら、型と粉末に電流を流し、通電によって加熱し、焼結する手法をいう。【００２７】  以上、発明の効果をまとめると以下のようになる。
１）カーボンナノチューブによる保護作用と放電安定効果：熱伝導性が高く、高アスペクト材料であるカーボンナノチューブが、基材となる銅の中に存在することで、電極表面で保護作用が発現し、低消耗化が図られるという効果がある。
２）タングステンの削減効果：熱伝導性が高く、高アスペクト材料であるカーボンナノチューブが、基材となる銅タングステンの中に存在することで、電極表面で保護作用が発現し、タングステン組成比を低くしても、同等の低消耗電極を提供できる。さらに、アスペクトの高いカーボンナノチューブが表面に分散配置されることで、放電が安定し、銅タングステンでありながら、加工速度が向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２８】  以下、図を参照して本発明を説明する。この図および説明は単なる一例に過ぎず、本発明の全般的な概念を制限するものではない。
【図１】  本発明の放電加工電極（カーボン繊維なし）の断面概念図である。
【図２】  本発明の放電加工電極（カーボン繊維あり）の断面概念図である。〔表１〕  実施例で用いた放電加工用電極のリストおよび組成比である。〔表２〕  実施例で用いた放電加工用電極の通電焼結条件である。〔表３〕  実施例で用いた放電加工条件である。
【図３】  実施例で用いた電極Ａ〜Ｄの電極消耗率である。
【図４】  実施例で用いた電極Ａ〜Ｄの単位時間あたりの被加工物の体積除去量（加工速度）である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】  以下、本発明の好ましい実施例を、添付した図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】  図１は、カーボン繊維を含まない場合の本発明の放電加工電極の断面概念図、図２は、カーボン繊維を含む本発明の放電加工電極の断面概念図である。
【００３１】  図１に示すように、本発明の放電加工用電極は、高融点金属粒子１が母相である銅２の中に分散して存在する。低融点合金４は、高融点金属粒子１と母相である銅２の界面に存在する。また、低融点合金４は銅母相中に分散していても良い。界面には、高融点金属粒子１、銅２、低融点合金のいずれかの組み合わせによる合金が形成されていても良い。
【００３２】  図２に示すように、カーボン繊維３を用いる場合には、高融点金属粒子１と母相である銅２の界面、高融点金属粒子１とカーボン繊維３の界面、カーボン繊維３と母相である銅２の界面のうち少なくとも１つの界面に低融点合金４が接して存在することが望ましい。放電加工において、被加工物と電極の間で発生する単発の放電によって電極表面に形成される放電痕内に少なくとも１つ以上のナノカーボン材料が存在する体積分率で、カーボン繊維３が電極内に分散していることが望ましい。
【００３３】  放電加工において、被加工物と電極の間で発生する単発の放電によって電極表面に形成される放電痕の深さよりも長い繊維状の前記ナノカーボン材料であることが望ましい。このことから、前記カーボン繊維３が、直径１００ｎｍ以上、アスペクト比（＝長さ／直径）１０以上である多層カーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバーであることが望ましい。前記カーボン繊維３が、体積分率で１〜３０％含まれることが望ましい。
【００３４】  前記低融点合金４が、銀と銅の合金であることが望ましく、亜鉛やすずが加えられていても良い。低融点合金は体積分率で５％から２５％ほど含有した方が良い。低融点合金の組成としては、重量分率で、銀３０〜７２％、銅１５〜３４％、亜鉛１５．５〜３２％から選ばれた組成が良い。ＪＩＳ．Ｚ．３２６１、ＪＩＳ．Ｚ．３２６４に記載の銀を主成分とする低融点合金およびこれに準ずるものでも良い。
【００３５】  放電加工において、被加工物と電極の間で発生する放電によって電極表面の一部が除去され、電極内部より前記ナノカーボン材料の一部が露出し、放電に接する前記ナノカーボン材料および加工液が放電によって分解された炭素を主成分とする保護層を電極表面に形成することが望ましい。
【００３６】  低消耗特性を重視する場合は、高融点金属粒子が、粒径１μｍ程度の微粒粉から比較的粗粒の粒径１０μｍまでの粒子径分布を有することが望ましく、その粒子径分布はモノモーダルな分布でも、バイモーダルな分布でも良い。バイモーダルな分布の場合、粒径が小さい方の分布の平均粒径が２〜４μｍ、大きい方の分布の平均粒径が６〜１０μｍであることが望ましい。
加工速度を重視する場合は、高融点金属粒子が、粒径１μｍ以下の微粒であることが望ましい。
【００３７】  なお、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ものである。
【実施例】
【００３８】  本研究では、高融点金属粒子として、平均粒径約０．６μｍのタングステン、粒径２〜８μｍの粒子径分布を持つタングステン粉末を用いて、体積分率で、タングステン５２ｖｏｌ％の銅タングステン電極を、通電焼結法により、作製し、放電エネルギーの小さい仕上げ加工条件において、タングステンの粒子径が加工速度と電極消耗に及ぼす影響を調べた。さらに、タングステンを減量し、添加物としてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ：昭和電工製ＶＧＣＦ−Ｈ、直径１５０ｎｍ、長さ１〜２０μｍ）を複合した銅タングステン電極を作製し、ＣＮＴが銅タングステンの電極消耗に及ぼす影響を以下に示す。ここで、平均粒径約０．６μｍのタングステンを用いた電極は、請求項１、３、６に係る実施例となる。粒径２〜８μｍの粒子径分布を持つタングステンを用いた電極は、請求項１、３、５に係る実施例となる。カーボンナノチューブを添加した電極は、請求項１、２、３、４、５に係る実施例となる。【００３９】（通電焼結法による銅タングステン電極作製）
以下、請求項８に係る放電加工用電極の製造方法の実施例となる。
表１に、市販電極Ａおよび通電焼結法で作製した銅タングステン焼結体電極Ｂ〜Ｄの組成比を示す。電極Ｂ、Ｄには、粒径２〜８μｍのタングステン粉末を用い、電極Ｃには、粒径０．６μｍのタングステン粉末を用いた。すべての電極で、銅は平均約８μｍの樹枝状電解銅粉末を使用した。銅、タングステンに、銀を含む低融点合金（銀７２ｗｔ％、銅２８ｗｔ％、融点約７８０℃）を加え、自転公転ミキサー（倉敷紡績製ＫＫ‐２５０Ｓ）で混合した後、黒鉛型に充填した。【００４０】  表２に通電焼結条件を示す。プラズマ複合材料焼結装置（エス・エス・アロイ製ＣＳＰ‐Ｖ‐６０１２０１）を用い、チャンバー内を真空にした後、パルス通電により、焼結温度７５０℃まで加熱し、加圧力３０ＭＰａにて３０分保持し、直径５０ｍｍの電極材を焼結した。【００４１】（放電特性の評価方法）
以下、請求項７に係る放電加工用電極を用いた放電加工方法の実施例である。
焼結した電極材は、表面を研磨し、φ０．８ｍｍのステンレス丸棒に対して、仕上げ条件に近い、表３の放電条件で放電加工を行った。電極送り量を１．５ｍｍとし、電極消耗特性は、被加工物の消耗量に対する電極の消耗量の比率（電極消耗率）で評価した。加工速度は、単位時間あたりの被加工物の体積除去量（ＭＲＲ、ｍｍ３／ｓ）で評価した。【００４２】（電極消耗率）
図３に、電極Ａ〜Ｄの電極消耗率を示す。粗粒を含み、比較的ブロードな粒度分布を持つタングステンからなる電極Ｂの電極消耗が最も少なく、市販電極Ａに比べて約４４％であった。微粒タングステンの電極Ｃ、ＣＮＴを含む電極Ｄの電極消耗は約７５％であった。低消耗化の要因は、通電焼結法および低融点合金の添加などによる緻密化によるものである。【００４３】  通電焼結法は、微粒粉が使えるという利点があるものの、基本的に固相焼結であるため、液相のプロセスである溶侵法に比べて緻密化が難しいという欠点があった。本実験では、焼結温度付近で液相を生じる低融点合金を添加することで、通電焼結法において緻密化が可能になったものである。
以上より、仕上げ加工条件においては、粗粒タングステンを含む電極Ｂが最も低消耗であること、タングステン８ｖｏｌ％減量し、ＣＮＴを加えた電極Ｄにおいても市販電極Ａに比べて低消耗であることが分かった。【００４４】（加工速度）
図４に、電極Ａ〜Ｄの単位時間あたりの被加工物の体積除去量を示す。微粒タングステンの電極Ｃが最も加工速度が早く、市販電極Ａに比べて、約４倍の加工速度となった。粗粒タングステンを含む電極Ｂ、ＣＮＴを含む電極Ｄもそれぞれ約２倍の加工速度となった。タングステンの微粒化により、放電が分散し、加工が安定した結果である。【００４５】１）粒径２〜８μｍのタングステン粉を用いて焼結した銅タングステン電極で、市販品に比べて、電極消耗率約１／２となった。
２）粒径０．６μｍの微細タングステン粉を用いて焼結した銅タングステン電極は、市販品に比べて、低消耗特性を維持し、加工速度約４倍となった。
３）ＣＮＴを複合し、タングステン８ｖｏｌ％を削減したＣＮＴ複合銅タングステン電極において、市販品に比べて低消耗特性と加工速度の改善を実現した。タングステンをＣＮＴに置き換えることでの電極コスト削減が可能であることがわかった。
【符号の説明】
【００４６】      １    高融点金属粒子
２    銅を主成分とする母相
３    カーボン繊維
４    低融点合金
【図１】
2018103349.tif 000003
【図２】
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2018103349.tif 000005
2018103349.tif 000006
2018103349.tif 000007
【図３】
2018103349.tif 000008
【図４】
2018103349.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成29年4月7日(2017.4.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2018103349.tif 000010
【図２】
2018103349.tif 000011
【図３】
2018103349.tif 000012
【図４】
2018103349.tif 000013
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、放電加工用低消耗電極およびそれを用いた放電加工方法およびその製造方法に関するものである。より詳細には、低融点合金およびカーボン繊維（カーボンナノチューブ：ＣＮＴ等）を複合することにより、電極消耗を抑え、加工速度を向上させた銅と高融点金属粒子（タングステン等）を基材とした放電加工用電極材料に関する。
【背景技術】
【０００２】  形彫放電加工の電極材は、加工精度や生産コストの点から、加工速度が得られ、低消耗である特性が求められる。【０００３】  非特許文献１記載のように、一般に、電極材は、熱伝導率と融点の積が大きいほど低消耗であることが知られている。これを満たす電極材として、銅あるいは銅タングステンが広く用いられている。銅は低価格であるため、電極消耗を無視した荒加工条件に用いられているが、これらと同程度の価格で電極消耗が少ないものが求められている。【０００４】  一方、銅タングステン系材料、あるいは銀タングステン系材料などは、銅と比較して電極消耗が少ないが、加工速度は遅く、価格が高いので一般に微細加工の無消耗または低消耗領域に限定される。銅タングステン系材料が高価な理由は、希少金属であるタングステンを用いるためであり、このタングステンの減量を行い、かつ電極特性を維持することが課題となっている。【０００５】  既存の放電加工用電極材料の欠点を補うため、特許文献１および非特許文献２記載の技術では、めっき法により、カーボンナノチューブを複合した銅電極が提案されており、純銅電極の低消耗化が図られているが、めっき法であるためバルク材を作ることができず、小径電極に限定される。また、タングステンなどの高融点金属粒子は比重が大きいため、めっき法により均一に複合することが難しい。【０００６】  特許文献２、特許文献３記載の技術では、それぞれ２族元素と酸化タングステンの化合物、ホウ化物を銅−タングステン材料に複合させることで、高温下での電気伝導性、仕事関数を向上させ、低消耗化および加工速度の改善が図られているが、特殊な材料を用いるため、安価に提供することができないという課題がある。【０００７】  また、上記技術は、タングステンの減量に寄与していない。非特許文献３記載の技術では、銅タングステン系材料において、タングステン粒子の微細化によって、低消耗化が図られているが、タングステン粒子が微細になると材料単価が高くなり、また混合も難しくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４９９８７７８号
【特許文献２】特開２００６−３１５１３４号公報
【特許文献３】特開平７−３３１３６１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】五十嵐廉、“銅−タングステン放電加工電極材料”、電気加工学会誌、３８（２００４）１２−１５．
【非特許文献２】Ｔｓｕｎｅｈｉｓａ  ＳＵＺＵＫＩ、Ｈｉｒｏｓｈｉ  ＳＡＩＴＯ、Ｍｕｔｓｕｔｏ  ＫＡＴＯ、Ｔｏｍｏｋｉ  ＦＵＪＩＮＯ  ａｎｄ  Ｔｏｓｈｉａｋｉ  ＭＩＴＳＵＩ、″ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ  ＯＦ  ＣＵ−ＢＡＳＥＤ  ＣＮＴ  ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ  ＥＬＥＣＴＲＯＤＥＳ  ＦＯＲ  ＬＯＷ  ＷＥＡＲ  ＰＲＯＰＥＲＴＹ  ＩＮ  ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬ  ＤＩＳＣＨＡＲＧＥ  ＭＡＣＨＩＮＩＮＧ″、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ、Ｎｏ．１３ｐｐ．４１−４４（２００７）
【非特許文献３】岡田  晃、大上  真吾、宇野  義幸、庄司  隆行、福島  崇洋、寺田  修、“放電加工用高性能銅タングステン電極の開発”、電気加工学会誌、４１（２００７）６９−７６．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  本発明は、放電加工用低消耗電極およびそれを用いた放電加工方法およびその製造方法を提供するものである。より詳細には、低融点合金およびカーボン繊維（カーボンナノチューブ：ＣＮＴ等）を複合することにより、電極消耗を抑え、加工速度を向上させた銅と高融点金属粒子（タングステン等）を基材とした放電加工用電極材料およびそれを用いた放電加工方法およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】上記の目的を達成するため、請求項１記載の放電加工用電極は、銅を体積分率で３０％以上含む放電加工用電極であって、融点が２０００℃以上の高融点金属粒子が前記銅の母相に分散してなる放電加工用電極であって、少なくとも前記高融点金属粒子と前記銅の界面に、銅よりも融点が２００℃以上低い低融点合金が分散していることを特徴とする。【００１２】  請求項２記載の放電加工用電極は、前記放電加工用電極に、カーボン繊維が含有し、前記高融点金属粒子と前記銅の界面、前記高融点金属粒子と前記カーボン繊維の界面、前記カーボン繊維と前記銅の界面のうち少なくとも１つの界面に前記低融点合金が接していることを特徴とする。【００１３】  請求項３記載の放電加工用電極は、前記低融点合金が銀および銅を含む合金であることを特徴とする。【００１４】  請求項４記載の放電加工用電極は、前記カーボン繊維が長さ１μｍ以上でアスペクト比（＝長さ／直径）３０以上であるカーボンナノチューブであることを特徴とする。【００１５】  請求項５記載の放電加工用電極は、前記高融点金属粒子が粒径１〜１０μｍの粒子径分布を持ったタングステンであることを特徴とする。【００１６】  請求項６記載の放電加工用電極は、前記高融点金属粒子が平均粒径１μｍ以下のタングステンであることを特徴とする。【００１７】  請求項７記載の放電加工用電極を用いた放電加工方法は、連続パルス放電によって被加工物を除去していく放電加工方法であって、被加工物と電極の間で発生する単発の放電によって電極表面に形成される放電痕の深さが前記カーボン繊維の長さよりも小さい放電加工条件であることを特徴とする。【００１８】  請求項８記載の放電加工用電極の製造方法は、銅よりも融点が２００℃以上低い低融点合金粒子を、前記銅の粒子および前記高融点金属粒子とともに混合し、通電焼結法を用いて焼結、複合体化することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】  請求項１記載の発明によれば、銅を体積分率で３０％以上含む放電加工用電極であることによって、高電気伝導性による放電加工の安定、高電気伝導性による低消耗化という効果がある。融点が２０００℃以上の高融点金属粒子が前記銅の母相に分散してなることによって低消耗効果がある。さらに、高融点金属粒子と銅母相の界面、高融点金属粒子同士の界面、銅と銅の界面に低融点合金が接していることにより、界面に合金層を形成し、高融点金属粒子の脱落を防ぐ効果がある。【００２０】  請求項２記載の発明によれば、前記放電加工用電極に、カーボン繊維が含有することによって、放電加工において放電の分散効果、放電の安定、さらには、カーボンによる保護作用によって電極消耗を低減する効果がある。さらに、カーボン繊維が高融点金属粒子の低消耗効果の一部を担うことができ、高融点金属粒子の体積分率を下げても、電極の低消耗特性を維持できるという効果がある。また、高融点金属粒子と銅母相の界面、高融点金属粒子とカーボン繊維の界面、カーボン繊維と銅母相の界面のうち少なくとも１つの界面に前記低融点合金が接していることによって、前記カーボン繊維、前記高融点金属粒子の保持力が向上するという効果がある。【００２１】  請求項３記載の発明によれば、前記低融点合金が銅および銀を含む合金であることにより、銅母相との親和性を持ちつつ、前記カーボン繊維、前記高融点金属粒子の保持力が向上するという効果がある。【００２２】  請求項４記載の発明によれば、前記カーボン繊維が長さ１μｍ以上でアスペクト比（＝長さ／直径）３０以上であるカーボンナノチューブであることによって、放電安定に起因する放電加工速度の向上効果、低消耗効果がある。特に、放電加工によって形成される放電痕深さよりも長いカーボンナノチューブを用いた場合に効果がある。【００２３】  請求項５記載の発明によれば、前記高融点金属粒子が粒径１〜１０μｍの粒子径分布を持ったタングステンであることにより、銅母相においてタングステンを緻密に配置でき、タングステンの体積分率を上げることができる効果がある。さらには、低消耗特性を向上させる効果がある。【００２４】  請求項６記載の発明によれば、平均粒径１μｍ以下のタングステンであることにより、大きな粒子径のタングステンによる異常アークの発生を抑制し、放電を安定させることができるため、加工速度が向上するという効果がある。さらに、切削加工によって電極の形状を創成する際に、切削工具の消耗を低く抑えることができる効果がある。【００２５】  請求項７記載の発明によれば、放電加工方法において、電極表面に形成される放電痕の深さが前記カーボン繊維の長さよりも小さい放電加工条件であることにより、カーボン繊維による電極の保護作用、つまり前記放電加工用電極の低消耗効果、放電加工速度の高速化を持続させる効果がある。【００２６】  請求項８記載の発明によれば、放電加工用電極の製造方法に通電焼結法を用いることにより、粉体の固相焼結が可能となるという効果がある。さらに、低融点合金を用いることにより、一部液相を生じさせ、固相焼結でありながら、低融点合金の液相を用いて、緻密な焼結が可能となるという効果がある。ここで、「通電��結法」とは、放電プラズマ焼結法、パルス通電法、パルス通電加圧焼結法、プラズマ活性化焼結法、通電加熱焼結法などとも呼ばれるもので、型の中に混合した粉末を入れ、圧力を加えながら、型と粉末に電流を流し、通電によって加熱し、焼結する手法をいう。【００２７】  以上、発明の効果をまとめると以下のようになる。
１）カーボンナノチューブによる保護作用と放電安定効果：熱伝導性が高く、高アスペクト材料であるカーボンナノチューブが、基材となる銅の中に存在することで、電極表面で保護作用が発現し、低消耗化が図られるという効果がある。
２）タングステンの削減効果：熱伝導性が高く、高アスペクト材料であるカーボンナノチューブが、基材となる銅タングステンの中に存在することで、電極表面で保護作用が発現し、タングステン組成比を低くしても、同等の低消耗電極を提供できる。さらに、アスペクトの高いカーボンナノチューブが表面に分散配置されることで、放電が安定し、銅タングステンでありながら、加工速度が向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２８】  以下、図を参照して本発明を説明する。この図および説明は単なる一例に過ぎず、本発明の全般的な概念を制限するものではない。
【図１】  本発明の放電加工電極（カーボン繊維なし）の断面概念図である。
【図２】  本発明の放電加工電極（カーボン繊維あり）の断面概念図である。
【図３】  実施例で用いた電極Ａ〜Ｄの電極消耗率である。
【図４】  実施例で用いた電極Ａ〜Ｄの単位時間あたりの被加工物の体積除去量（加工速度）である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】  以下、本発明の好ましい実施例を、添付した図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】  図１は、カーボン繊維を含まない場合の本発明の放電加工電極の断面概念図、図２は、カーボン繊維を含む本発明の放電加工電極の断面概念図である。
【００３１】  図１に示すように、本発明の放電加工用電極は、高融点金属粒子１が母相である銅２の中に分散して存在する。低融点合金４は、高融点金属粒子１と母相である銅２の界面に存在する。また、低融点合金４は銅母相中に分散していても良い。界面には、高融点金属粒子１、銅２、低融点合金のいずれかの組み合わせによる合金が形成されていても良い。
【００３２】  図２に示すように、カーボン繊維３を用いる場合には、高融点金属粒子１と母相である銅２の界面、高融点金属粒子１とカーボン繊維３の界面、カーボン繊維３と母相である銅２の界面のうち少なくとも１つの界面に低融点合金４が接して存在することが望ましい。放電加工において、被加工物と電極の間で発生する単発の放電によって電極表面に形成される放電痕内に少なくとも１つ以上のナノカーボン材料が存在する体積分率で、カーボン繊維３が電極内に分散していることが望ましい。
【００３３】  放電加工において、被加工物と電極の間で発生する単発の放電によって電極表面に形成される放電痕の深さよりも長い繊維状の前記ナノカーボン材料であることが望ましい。このことから、前記カーボン繊維３が、直径１００ｎｍ以上、アスペクト比（＝長さ／直径）１０以上である多層カーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバーであることが望ましい。前記カーボン繊維３が、体積分率で１〜３０％含まれることが望ましい。
【００３４】  前記低融点合金４が、銀と銅の合金であることが望ましく、亜鉛やすずが加えられていても良い。低融点合金は体積分率で５％から２５％ほど含有した方が良い。低融点合金の組成としては、重量分率で、銀３０〜７２％、銅１５〜３４％、亜鉛１５．５〜３２％から選ばれた組成が良い。ＪＩＳ．Ｚ．３２６１、ＪＩＳ．Ｚ．３２６４に記載の銀を主成分とする低融点合金およびこれに準ずるものでも良い。
【００３５】  放電加工において、被加工物と電極の間で発生する放電によって電極表面の一部が除去され、電極内部より前記ナノカーボン材料の一部が露出し、放電に接する前記ナノカーボン材料および加工液が放電によって分解された炭素を主成分とする保護層を電極表面に形成することが望ましい。
【００３６】  低消耗特性を重視する場合は、高融点金属粒子が、粒径１μｍ程度の微粒粉から比較的粗粒の粒径１０μｍまでの粒子径分布を有することが望ましく、その粒子径分布はモノモーダルな分布でも、バイモーダルな分布でも良い。バイモーダルな分布の場合、粒径が小さい方の分布の平均粒径が２〜４μｍ、大きい方の分布の平均粒径が６〜１０μｍであることが望ましい。
加工速度を重視する場合は、高融点金属粒子が、粒径１μｍ以下の微粒であることが望ましい。
【００３７】  なお、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ものである。
【実施例】
【００３８】  本研究では、高融点金属粒子として、平均粒径約０．６μｍのタングステン、粒径２〜８μｍの粒子径分布を持つタングステン粉末を用いて、体積分率で、タングステン５２ｖｏｌ％の銅タングステン電極を、通電焼結法により、作製し、放電エネルギーの小さい仕上げ加工条件において、タングステンの粒子径が加工速度と電極消耗に及ぼす影響を調べた。さらに、タングステンを減量し、添加物としてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ：昭和電工製ＶＧＣＦ−Ｈ、直径１５０ｎｍ、長さ１〜２０μｍ）を複合した銅タングステン電極を作製し、ＣＮＴが銅タングステンの電極消耗に及ぼす影響を以下に示す。ここで、平均粒径約０．６μｍのタングステンを用いた電極（表１の電極Ｃ）は、請求項１、３、６に係る実施例となる。粒径２〜８μｍの粒子径分布を持つタングステンを用いた電極（表１の電極Ｂ））は、請求項１、３、５に係る実施例となる。カーボンナノチューブを添加した電極（表１の電極Ｄ）は、請求項１、２、３、４、５に係る実施例となる。それぞれ市販電極（表１の電極Ａ）の加工速度と電極消耗と比較した。
【表１】
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【００３９】（通電焼結法による銅タングステン電極作製）
以下、請求項８に係る放電加工用電極の製造方法の実施例となる。
表１に、市販電極Ａおよび通電焼結法で作製した銅タングステン焼結体電極Ｂ〜Ｄの組成比を示す。電極Ｂ、Ｄには、粒径２〜８μｍのタングステン粉末を用い、電極Ｃには、粒径０．６μｍのタングステン粉末を用いた。すべての電極で、銅は平均約８μｍの樹枝状電解銅粉末を使用した。銅、タングステンに、銀を含む低融点合金（銀７２ｗｔ％、銅２８ｗｔ％、融点約７８０℃）を加え、自転公転ミキサー（倉敷紡績製ＫＫ−２５０Ｓ）で混合した後、黒鉛型に充填した。【００４０】  表２に通電焼結条件を示す。プラズマ複合材料焼結装置（エス・エス・アロイ製ＣＳＰ−Ｖ−６０１２０１）を用い、チャンバー内を真空にした後、パルス通電により、焼結温度７５０℃まで加熱し、加圧力３０ＭＰａにて３０分保持し、直径５０ｍｍの電極材を焼結した。
【表２】
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【００４１】（放電特性の評価方法）
以下、請求項７に係る放電加工用電極を用いた放電加工方法の実施例である。
焼結した電極材は、表面を研磨し、φ０．８ｍｍのステンレス丸棒に対して、仕上げ条件に近い、表３の放電条件で放電加工を行った。電極送り量を１．５ｍｍとし、電極消耗特性は、被加工物の消耗量に対する電極の消耗量の比率（電極消耗率）で評価した。加工速度は、単位時間あたりの被加工物の体積除去量（ＭＲＲ、ｍｍ３／ｓ）で評価した。
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【００４２】（電極消耗率）
図３に、電極Ａ〜Ｄの電極消耗率を示す。粗粒を含み、比較的ブロードな粒度分布を持つタングステンからなる電極Ｂの電極消耗が最も少なく、市販電極Ａに比べて約４４％であった。微粒タングステンの電極Ｃ、ＣＮＴを含む電極Ｄの電極消耗は約７５％であった。低消耗化の要因は、通電焼結法および低融点合金の添加などによる緻密化によるものである。【００４３】  通電焼結法は、微粒粉が使えるという利点があるものの、基本的に固相焼結であるため、液相のプロセスである溶侵法に比べて緻密化が難しいという欠点があった。本実験では、焼結温度付近で液相を生じる低融点合金を添加することで、通電焼結法において緻密化が可能になったものである。
以上より、仕上げ加工条件においては、粗粒タングステンを含む電極Ｂが最も低消耗であること、タングステン８ｖｏｌ％減量し、ＣＮＴを加えた電極Ｄにおいても市販電極Ａに比べて低消耗であることが分かった。【００４４】（加工速度）
図４に、電極Ａ〜Ｄの単位時間あたりの被加工物の体積除去量を示す。微粒タングステンの電極Ｃが最も加工速度が早く、市販電極Ａに比べて、約４倍の加工速度となった。粗粒タングステンを含む電極Ｂ、ＣＮＴを含む電極Ｄもそれぞれ約２倍の加工速度となった。タングステンの微粒化により、放電が分散し、加工が安定した結果である。【００４５】１）粒径２〜８μｍのタングステン粉を用いて焼結した銅タングステン電極で、市販品に比べて、電極消耗率約１／２となった。
２）粒径０．６μｍの微細タングステン粉を用いて焼結した銅タングステン電極は、市販品に比べて、低消耗特性を維持し、加工速度約４倍となった。
３）ＣＮＴを複合し、タングステン８ｖｏｌ％を削減したＣＮＴ複合銅タングステン電極において、市販品に比べて低消耗特性と加工速度の改善を実現した。タングステンをＣＮＴに置き換えることでの電極コスト削減が可能であることがわかった。
【符号の説明】
【００４６】      １    高融点金属粒子
２    銅を主成分とする母相
３    カーボン繊維
４    低融点合金