(57)【要約】【課題】基材の露出した放電痕部の表面硬度が本来の基材のもつ表面硬度より低下することを抑制することができ、あるいは放電痕部の表面硬度を本来の基材のもつ表面硬度より向上させることができる放電表面処理方法を得る。【解決手段】IV〜VI族の遷移金属の炭化物粉末及びVIII族の遷移金属の金属粉末から構成された超硬電極１Ａで放電表面処理する工程と、その後、亜鉛のような低融点・低硬度な材料の電極１Ｂで放電表面処理する工程とを含み、軟質な材料を電極として放電表面処理で被膜形成する場合においても、露出した基材２の表面近傍の硬度を低下させることなく、軟質な材料の被膜を処理することが可能となる。【選択図】図１
2011157614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
IV〜VI族の遷移金属の炭化物及びVIII族の遷移金属の金属から構成された第１の電極と基材との間で放電パルスを繰り返し発生させて前記基材の表面に第１の被膜を形成する第１の放電表面処理工程と、
低融点金属から構成された第２の電極と前記基材との間で放電パルスを繰り返し発生させて前記基材の表面に第２の被膜を形成する第２の放電表面処理工程と
を含むことを特徴とする放電表面処理方法。
【請求項２】
前記第１の電極は、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの少なくとも１つと、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも１つとが組み合わされた超硬電極である
ことを特徴とする請求項１記載の放電表面処理方法。
【請求項３】
前記第２の電極を構成する低融点金属は、亜鉛、アルミニウムのいずれか１つである
ことを特徴とする請求項１記載の放電表面処理方法。
【請求項４】
前記第１の放電表面処理工程において、電流値の時間積分値が２〜１２８Ａ・μｓｅｃの範囲の放電パルスを繰り返し発生させる
ことを特徴とする請求項１記載の放電表面処理方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれかの放電表面処理方法により、
表面の放電痕部に炭化物が形成され、
前記放電痕部の周囲に亜鉛被膜が形成されている
ことを特徴とする基材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超硬電極で放電表面処理した後、亜鉛電極で放電表面処理する放電表面処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の放電表面処理により基材の表面に亜鉛被膜を形成する方法においては、平均粒径１μｍの亜鉛粉末からなる圧縮成形された電極と基材との間にパルス状の放電を発生させて基材の表面にまばらに存在する亜鉛被膜を形成していた（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。また、放電表面処理を行なう基材の表面の下地処理として、浸炭処理を行うことが提案されていた（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１２４７４２号公報
【特許文献２】国際公開第２００７／０４３１０２号パンフレット
【特許文献３】特許第４１０４５７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、基材の表面にまばらに存在する亜鉛被膜を形成する方法では、亜鉛被膜は円形状の放電痕部の周囲に亜鉛が存在する状態であり、十分な表面硬度が得られないという問題点があった。
【０００５】
また、下地処理として基材の表面を浸炭処理した場合でも十分な表面硬度が得られないという問題点があった。
【０００６】
このような十分な表面硬度が得られない原因として、基材の露出した放電痕部の表面硬度が本来の基材のもつ表面硬度より低下するという問題点があった。
【０００７】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、基材の表面にまばらに存在する亜鉛被膜を形成しても、基材の露出した放電痕部の表面硬度が本来の基材のもつ表面硬度より低下することを抑制することができ、あるいは放電痕部の表面硬度を本来の基材のもつ表面硬度より向上させることができる放電表面処理方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る放電表面処理方法は、IV〜VI族の遷移金属の炭化物及びVIII族の遷移金属の金属から構成された第１の電極と基材との間で放電パルスを繰り返し発生させて前記基材の表面に第１の被膜を形成する第１の放電表面処理工程と、低融点金属から構成された第２の電極と前記基材との間で放電パルスを繰り返し発生させて前記基材の表面に第２の被膜を形成する第２の放電表面処理工程とを含むものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る放電表面処理方法によれば、基材の露出した放電痕部の表面硬度が本来の基材のもつ表面硬度より低下することを抑制することができ、あるいは放電痕部の表面硬度を本来の基材のもつ表面硬度より向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係る放電表面処理システムの構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る放電表面処理システムにおける電圧波形及び電流波形を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る放電表面処理方法による断面硬さ分布を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る放電表面処理方法の超硬電極による放電表面処理時の放電パルスエネルギー、亜鉛被膜の硬度及び亜鉛被覆量のばらつきを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の放電表面処理方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００１２】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る放電表面処理方法について図１から図４までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る放電表面処理システムの構成を示す図である。
【００１３】
図１において、超硬電極１Ａもしくは亜鉛電極１Ｂである放電表面処理用電極１と、処理対象で、例えばＳＣＭ４２０Ｈ、ＳＫＳ９５などの鉄基の合金である基材２と、油などの加工液３と、直流電源４と、直流電源４の電圧を放電表面処理用電極１と基材２との間に印加（あるいは停止）するためのスイッチング素子５と、電流値を制限するための電流制限抵抗６と、スイッチング素子５のオンオフを制御するための制御回路７と、放電表面処理用電極１と基材２の間の電圧を検出し放電が発生したことを検出するための放電検出回路８とが設けられている。
【００１４】
なお、図１では、スイッチング素子５をトランジスタとして描画しているが、電圧の印加を制御できる素子であれば他のものでも良い。また、電流値の制御を電流制限抵抗６で行っているように描画しているが、電流値が制御できれば他の方法でも良いことはいうまでない。
【００１５】
ここで、超硬電極１Ａについて説明する。Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａといったIV〜VI族の遷移金属の炭化物を、Ｆｅ、Ｃｏ、ＮｉなどのVIII族の遷移金属で結合した合金を、超硬合金と定義し、超硬電極１Ａとはこれらの炭化物粉末と金属粉末を圧縮成型して作製したものである。
【００１６】
つぎに、この実施の形態１に係る放電表面処理方法の動作について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１に示すように、放電表面処理用電極１と基材２との間にパルス状の放電を発生させ、基材２表面に高硬度な亜鉛被膜を形成する。
【００１８】
図２は、この発明の実施の形態１に係る放電表面処理システムにおける電圧波形及び電流波形を示す図である。
【００１９】
制御回路７によりスイッチング素子５をオンすることで、放電表面処理用電極１と基材２との間に電圧が印加される。図示しない電極送り機構により、放電表面処理用電極１と基材２との間の極間距離は適切な距離（放電が発生する距離）に制御されており、しばらくすると放電表面処理用電極１と基材２との間に放電が発生する。予め電流パルスの電流値ｉｅ、パルス幅ｔｅ（放電持続時間）や、放電休止時間ｔ０（電圧を印加しない時間）は、設定しておき、制御回路７及び電流制限抵抗６により決定される。
【００２０】
放電が発生すると、放電検出回路８により、放電表面処理用電極１と基材２との間の電圧の低下とタイミングから放電の発生を検出し、放電発生と検出された時から所定の時間（パルス幅ｔｅ）後に制御回路７によりスイッチング素子５をオフする。スイッチング素子５をオフした時から所定の時間（休止時間ｔ０）後に、再び制御回路７によりスイッチング素子５をオンする。以上の動作を繰り返し行うことで連続して設定した電流波形の放電を発生させることができる。
【００２１】
なお、図２（ａ）では、見やすくするために、マイナスの放電電圧を反転した電圧波形を描画している。また、図２（ｂ）では、電流波形（パルス）を矩形波としているが、他の波形でももちろん良い。電流パルスの形により電極をより多く消耗させて放電表面処理に用いる電極材料を多く供給したり、電極の消耗を減らしたりすることで材料を有効に使用するなどのことができるが、本明細書の中では詳細は論じない。
【００２２】
以上のように連続して放電表面処理用電極１と基材２との間に放電を発生させることで、基材２の表面に放電表面処理用電極成分を含んだ層あるいは被膜を形成することができる。以降の実施については、上述の方法で処理することを前提とする。
【００２３】
図３は、この発明の実施の形態１に係る放電表面処理方法による断面硬さ分布を示す図である。
【００２４】
図３において、横軸は表面からの深さ（μｍ）、縦軸は硬度（Ｈｖ）である。ＤＡは、ＷＣ−Ｃｏ系合金の超硬電極１Ａによる放電表面処理の後、亜鉛電極１Ｂにより放電表面処理した被膜の断面硬さ分布、ＤＢは、亜鉛電極１Ｂにより放電表面処理した被膜の断面硬さ分布、ＤＣは、ＷＣ−Ｃｏ系合金の超硬電極１Ａによる放電表面処理した被膜の断面硬さ分布、ＤＤは、処理に使用した基材２の断面硬さ分布である。
【００２５】
加工液３である油中において、所定の条件を満たした場合の、ＷＣ−Ｃｏ系合金の超硬電極１Ａによる放電表面処理後に亜鉛電極１Ｂにより放電表面処理を行った被膜の断面硬さの分布ＤＡを図３に示す。所定の条件については後述する。
【００２６】
なお、比較例として、前処理としての超硬電極１Ａによる放電表面処理を施さず亜鉛電極１Ｂにより放電表面処理を施して形成された被膜の断面硬さ分布ＤＢ、超硬電極１Ａにより放電表面処理を行って形成された被膜の断面硬さ分布ＤＣ、そして使用した基材２である浸炭処理済みのＳＣＭ４２０Ｈの断面硬さの分布ＤＤを合わせて掲載する。ここで、上述の加工液３としての油とは、例えば、パラフィン系などの炭化水素系加工液などである。
【００２７】
断面硬さの分布を評価するための方法について説明する。硬度を測定する箇所は、放電により形成された放電痕の凸部とした。以下、硬度といえば、特に断らない限り、この箇所の硬度を指すこととする。硬度はマイクロビッカース硬度計により測定し、仰角１４４°の四角錐型のダイヤモンド圧子を使用した。負荷荷重保持時間を５秒とし、１０、２５、５０、１００、２００、３００、５００、１０００ｇの各負荷荷重での圧痕の対角線長さから圧子押し込み深さを算出し、この値をその深さの硬度とした。硬度は８００Ｈｖの標準硬度片で校正した値とする。各荷重の値とも５回測定の平均値である。
【００２８】
図３より、分布ＤＡの被膜は、表面より深さ４μｍ程度まで、分布ＤＢの被膜よりも硬度が高くなっている。分布ＤＣの被膜は表面から２μｍの領域で基材２の硬度より低下していた。この硬度低下の原因は、放電による急熱急冷作用により浸炭層が失われたためや後述する考察によるものと考えられる。
【００２９】
次に、分布ＤＡの被膜の硬度が、分布ＤＢの被膜の硬度よりも向上する適切な条件を見出すための実験を行った。
【００３０】
図４は、この発明の実施の形態１に係る放電表面処理方法の超硬電極による放電表面処理時の放電パルスエネルギー、亜鉛被膜の硬度及び亜鉛被覆量のばらつきを示す図である。
【００３１】
図４において、（１）は超硬電極１Ａによる放電表面処理条件の放電パルスエネルギーに相当する値である放電パルスの電流値の時間積分の値（Ａ・μｓｅｃ）（矩形波であれば、電流値ｉｅ×パルス幅ｔｅ）、（２）はその処理条件での処理面に対して亜鉛電極１Ｂにより放電表面処理したときの被膜の硬度、（３）は亜鉛被覆量のばらつき（（最大値と最小値の差）／平均亜鉛被覆量）を示している。
【００３２】
ここで、亜鉛被覆量の測定方法について説明する。亜鉛被覆量は、電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）の波長分散型Ｘ線分光分析法（ＷＤＳ）により評価され、加速電圧１５ｋＶ、照射電流１００ｎＡ、電子線直径３００μｍの条件でＦｅ（鉄）とＺｎ（亜鉛）の重量計を１００％とした時のＺｎ量（重量％）とした。ばらつきは、１０測定点の結果で評価した。
【００３３】
また、図４で掲載した硬度は、図３の分布ＤＡの被膜の硬度が最大となった負荷荷重２５ｇの時の値とした。亜鉛電極１Ｂにより放電表面処理する際の処理条件は、ピーク電流ｉｅが６Ａ、パルス幅ｔｅが０．１μｓｅｃ、オープン電圧が２００Ｖである。図４より、亜鉛被覆量のばらつき（３）は、放電パルスの電流値の時間積分値（１）が１２８Ａ・μｓｅｃ以上のとき、被膜の凹凸が大きくなり窪みにＺｎ成分が入り込み難くなるため、亜鉛被覆量のばらつき（３）が１０ｗｔ％以上と大きく、被膜にむらができるため好ましくなくなる。
【００３４】
一方、放電パルスの電流値の時間積分値（１）が２Ａ・μｓｅｃ以下となると、硬度が図３の分布ＤＢの被膜よりも低下した。これは、投入エネルギがあまりに小さいため超硬電極１Ａの成分が基材２側に十分にいきわたらなかったためと考えられる。したがって、前処理としての超硬電極１Ａによる放電表面処理を施さなかった被膜よりも硬度の高い被膜を得るための超硬電極１Ａによる前処理条件（放電パルスの電流値の時間積分値）は、２〜１２８Ａ・μｓｅｃである。しかし、図４では掲載していないが、この範囲の放電パルスエネルギでも３２Ａ・μｓｅｃ以上では、基材２を除去しながらの加工の傾向が強くなるため、望ましくは２〜３２Ａ・μｓｅｃである。
【００３５】
次に、使用できる超硬電極１Ａの仕様について説明する。超硬粉末の平均粒径は０．１〜５μｍのものが適している。超硬電極１Ａはこの粉末をプレス成形、焼結して作製するが、焼結体の密度としては５０００〜８０００ｋｇ／ｍ３が良い。焼結の具合については電気抵抗により評価した。本実施の形態１では、６０ｍｍ×６０ｍｍ×１５ｍｍの成形体を作製したが、この場合、６０ｍｍ×６０ｍｍの面に対して四端子法により測定した抵抗値が０．０５〜１０ｍΩであれば、放電表面処理を健全に行うことができた。説明が後になったが、平均粒径の測定にはレーザー回折・散乱式粒子径・粒度分布測定装置を用いた。
【００３６】
亜鉛電極１Ｂについては、平均粒径０．５〜３μｍの亜鉛粉末が適しており、成形体密度は４９００〜５２００ｋｇ／ｍ３が良い。電気抵抗は成形体の形状が６０ｍｍ×１６ｍｍ×２ｍｍの場合、６０ｍｍ×１６ｍｍの面に対して、四端子法で測定した値が０．０５〜５０ｍΩであれば、超硬電極１Ａによる放電表面処理の後の放電表面処理を健全に行うことができる。
【００３７】
上述の条件で処理することにより、超硬電極１Ａによる処理で放電痕部の凸部に深さ数μｍの深さにＷ、Ｃｏ、Ｃを主成分とした硬質な被膜を形成することができる。この時、Ｃ成分は十分に含ませることができず、炭化物の生成量が少ない。その後、亜鉛電極１Ｂによる処理を施すことで、放電痕部周囲に亜鉛を被覆させながら、さらにＣ成分を放電痕部に含ませることができるため、硬質な炭化物を形成させることができ、表層の硬度を向上させることができる。亜鉛は低融点金属なので、放電痕部に発生していた放電の熱により気化してしまうため、放電痕部には亜鉛成分はほとんど入ることはない。
【００３８】
亜鉛電極１Ｂによる処理でＣ成分をさらに放電痕部に含ませることができる理由は明確ではないが、次のように考えている。上述の超硬電極１Ａの処理のように、比較的大きな処理条件（放電エネルギ）の場合、極間に存在していた加工液３としての油のＣ成分は一瞬にして気化してしまい、放電痕部にＣ成分が入りにくい状況になる。さらに、放電エネルギが大きいことで、Ｃ成分が入り込んでも放電痕部は非常に高温になるため一部気化してなくなってしまい、炭化物の生成量が少なくなってしまう。一方、上述のような亜鉛電極１Ｂによる処理の場合、油は放電により気化はするが、放電エネルギが小さいので、気化量が少なく、放電痕部にＣ成分が入り込みやすくなる。さらに、放電痕部も気化する程度までほとんど温度があがらないため、Ｃ成分が入り込んだ放電痕部が健全に残る。このように考えている。
【００３９】
本実施の形態１では、ＷＣ−Ｃｏ系合金の超硬電極１Ａを用いたが、この超硬電極１Ａは、上述の通り、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａといった炭化物とＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ金属の組み合わせることにより作製されたものであれば良いのは言うまでもない。また、超硬電極１Ａによる処理の後の処理に用いる電極として亜鉛電極１Ｂを用いたが、その他の低融点金属材料、例えばアルミニウムでも同様の効果が得られる。これは、低融点金属の場合、放電痕部にはほとんどその材料の成分が入り込まないためである。
【符号の説明】
【００４０】
１  放電表面処理用電極、１Ａ  超硬電極、１Ｂ  亜鉛電極、２  基材、３  加工液、４  直流電源、５  スイッチング素子、６  電流制限抵抗、７  制御回路、８  放電検出回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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