(57)【要約】【課題】放電表面処理によって形成された被膜内の空洞や空孔を極めて減少させて、被膜の性能および品質を向上させること。【解決手段】金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体、またはこの圧粉体を加熱処理したもの、更には金属固形物を電極として、加工液中において電極とワーク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電極材料の被膜をワーク表面に形成しあるい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放電表面処理において、ワーク２や電極１や加工液３を超音波の周波数帯で振動させる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体、またはこの圧粉体を加熱処理したもの、更には金属固形物を電極として、加工液中において電極とワーク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電極材料の被膜をワーク表面に形成しあるい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放電表面処理において、
ワークを超音波の周波数帯で振動させることを特徴とする放電表面処理装置。
【請求項２】
金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体、またはこの圧粉体を加熱処理したもの、更には金属固形物を電極として、加工液中において電極とワーク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電極材料の被膜をワーク表面に形成しあるい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放電表面処理において、
電極を超音波の周波数帯で振動させることを特徴とする放電表面処理装置。
【請求項３】
金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体、またはこの圧粉体を加熱処理したもの、更には金属固形物を電極として、加工液中において電極とワーク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電極材料の被膜をワーク表面に形成しあるい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放電表面処理において、
加工液を超音波の周波数帯で振動させることを特徴とする放電表面処理装置。
【請求項４】
超音波振動を生ずる超音波振動子をワークを中心とした電極反対側に備えたことを特徴とする請求項１または３に記載の放電表面処理装置。
【請求項５】
金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体、またはこの圧粉体を加熱処理したもの、更には金属固形物を電極として、加工液中において電極とワーク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電極材料の被膜をワーク表面に形成しあるい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放電表面処理において、
ワークを超音波の周波数帯で振動させることを特徴とする放電表面処理方法。
【請求項６】
金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体、またはこの圧粉体を加熱処理したもの、更には金属固形物を電極として、加工液中において電極とワーク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電極材料の被膜をワーク表面に形成しあるい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放電表面処理において、
電極を超音波の周波数帯で振動させることを特徴とする放電表面処理方法。
【請求項７】
金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体、またはこの圧粉体を加熱処理したもの、更には金属固形物を電極として、加工液中において電極とワーク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電極材料の被膜をワーク表面に形成しあるい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放電表面処理において、
加工液を超音波の周波数帯で振動させることを特徴とする放電表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体、またはこの圧粉体を加熱処理したもの、更には金属固形物を電極として、加工液中において電極とワーク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電極材料の被膜をワーク表面に形成しあるい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放電表面処理装置および放電表面処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液中放電加工法によって金属材料の表面をコーティングして、耐食性、耐磨耗性を高める技術は、既に公知である。その技術の一例としては、次のようなものがある。
【０００３】
例えば、特開平５−１４８６１５号公報では、ＷＣ（タングステンカーバイド）とＣｏの粉末を混合して圧縮成形した電極で加工液中にてパルス放電を行うことによりこの電極材料をワークに堆積させ、この後、別の電極（例えば、銅電極、グラファイト電極）によって、再溶融放電加工を行い、より高い硬度と高い密着力を得る方法が開示される。すなわち、ＷＣ−Ｃｏの混合圧粉体電極を用いて、ワーク（母材Ｓ５０Ｃ）に液中で放電加工を行い、ＷＣ−Ｃｏをワークに堆積させ（１次加工）、次いで銅電極のようなそれほど消耗しない電極によって再溶融加工（２次加工）を行う。この結果、１次加工のままでは、堆積組織は硬度（ビッカース硬さＨｖ）もＨｖ＝１４１０程度であり、また空洞も多かったが、２次加工の再溶融加工によって被覆層の空洞が少なくなり、硬度もＨｖ＝１７５０と向上している。
【０００４】
この方法によれば、ワークである鋼材に対して硬く空洞の少ない被膜層を得ることができるのであるが、上述の二次加工において放電で再加熱されるのは、被膜層の上面に近い部分だけであり、被膜層の空洞の数は、多少減少する程度で十分減少したとはいえない。また、１次加工用および２次加工用の各電極を二種類作成しなければならず、作成のコストや時間を必要とする。
【０００５】
また、別の技術として超音波を用いた加工技術は既に公知となっている。例えば特開平１０−２９６４６１号公報には、複数個の部材を溶接して接合するに当たり、被溶接部材または溶接部に超音波振動を加えながら溶接することが開示されている。ここでは、凝固直後の高温にある材料に超音波振動を加えることにより、溶接材料の溶融部やワークの溶融部近傍に引張りあるいは圧縮の応力が交互に負荷され、有害な残留応力やひずみを接合部から除去するようにしている。
【０００６】
同様に放電加工法においても、超音波を印加するという発明は多くあり、例えば特開２０００−２１８４４２号公報などがある。しかし、この特開２０００−２１８４４２号公報の発明のように、放電加工に超音波を使用する発明の大半は、超音波振動によって加工屑の除去を効率的に行い、加工効率を上げることを目的としている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の放電表面処理方法は、電極の材質が放電の熱により溶かされ、ワーク表面に形成される溶融域に到達し、そこで再凝固して被膜となる過程を有する。ここで、電極がワーク上で液体状態にあるとき、その液体には表面張力が働き、ワークとある接触角を持った半球状の液滴となる。これは、大気中で水滴を平板のうえに落としたときに形成される水滴の形状と同じである。半球状態のまま電極材料が再凝固すると、ワーク上面に曲率のある放電痕が形成される。このような曲率を持った放電痕を形成する放電条件で放電表面処理をすると、一つ一つの放電痕の面と面が接触できず、空洞を形成する。被膜に空洞が形成されると、被膜硬度の低下や耐食性や耐摩耗性を著しく低下させる。すなわち、従来の方法では、被膜の性能を十分に得られないという問題があった。
【０００８】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、放電表面処理によって形成された被膜内の空洞や空孔を極めて減少させて、被膜の性能および品質を向上させた放電表面処理装置および放電表面処理方法を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかる放電表面処理装置は、金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体、またはこの圧粉体を加熱処理したもの、更には金属固形物を電極として、加工液中において電極とワーク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電極材料の被膜をワーク表面に形成しあるい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放電表面処理において、ワークを超音波の周波数帯で振動させることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、超音波振動によってワークに移行した液滴の表面張力をなくすことができ平らな放電痕を得ることができ、しかも超音波により極間の電極材料を均一にすることができ、放電表面処理によって形成された被膜内の空洞や空孔を極めて減少させて、被膜の性能および品質を向上させることができた。
【００１１】
つぎの発明にかかる放電表面処理装置は、金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体、またはこの圧粉体を加熱処理したもの、更には金属固形物を電極として、加工液中において電極とワーク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電極材料の被膜をワーク表面に形成しあるい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放電表面処理において、電極を超音波の周波数帯で振動させることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、電極の超音波振動によってワークに移行した液滴の表面張力をなくすことができ平らな放電痕を得ることができ、しかも超音波により極間の電極材料を均一にすることができ、放電表面処理によって形成された被膜内の空洞や空孔を極めて減少させて、被膜の性能および品質を向上させることができた。
【００１３】
つぎの発明にかかる放電表面処理装置は、金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体、またはこの圧粉体を加熱処理したもの、更には金属固形物を電極として、加工液中において電極とワーク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電極材料の被膜をワーク表面に形成しあるい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放電表面処理において、加工液を超音波の周波数帯で振動させることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、加工液の超音波振動によってワークに移行した液滴の表面張力をなくすことができ平らな放電痕を得ることができ、しかも超音波により極間の電極材料を均一にすることができ、放電表面処理によって形成された被膜内の空洞や空孔を極めて減少させて、被膜の性能および品質を向上させることができた。
【００１５】
つぎの発明にかかる放電表面処理装置は、上記の発明において、超音波振動を生ずる超音波振動子をワークを中心とした電極の反対側に備えたことを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、超音波振動子の位置を最適化できるため加工部で最も振幅の大きな振動を得ることができて、超音波の有効利用が図れる。
【００１７】
つぎの発明にかかる放電表面処理方法は、金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体、またはこの圧粉体を加熱処理したもの、更には金属固形物を電極として、加工液中において電極とワーク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電極材料の被膜をワーク表面に形成しあるい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放電表面処理において、ワークを超音波の周波数帯で振動させることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、超音波振動によってワークに移行した液滴の表面張力をなくすことができ平らな放電痕を得ることができ、しかも超音波により極間の電極材料を均一にすることができ、放電表面処理によって形成された被膜内の空洞や空孔を極めて減少させて、被膜の性能および品質を向上させることができた。
【００１９】
つぎの発明にかかる放電表面処理方法は、金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体、またはこの圧粉体を加熱処理したもの、更には金属固形物を電極として、加工液中において電極とワーク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電極材料の被膜をワーク表面に形成しあるい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放電表面処理において、電極を超音波の周波数帯で振動させることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、電極の超音波振動によってワークに移行した液滴の表面張力をなくすことができ平らな放電痕を得ることができ、しかも超音波により極間の電極材料を均一にすることができ、放電表面処理によって形成された被膜内の空洞や空孔を極めて減少させて、被膜の性能および品質を向上させることができた。
【００２１】
つぎの発明にかかる放電表面処理方法は、金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体、またはこの圧粉体を加熱処理したもの、更には金属固形物を電極として、加工液中において電極とワーク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電極材料の被膜をワーク表面に形成しあるい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放電表面処理において、加工液を超音波の周波数帯で振動させることを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、加工液の超音波振動によってワークに移行した液滴の表面張力をなくすことができ平らな放電痕を得ることができ、しかも超音波により極間の電極材料を均一にすることができ、放電表面処理によって形成された被膜内の空洞や空孔を極めて減少させて、被膜の性能および品質を向上させることができた。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２４】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１である放電表面処理装置の簡略構成図である。図１において、加工槽５内には、加工液３が満たされ、この加工槽５内にはワーク２およびこのワーク２を支持するベッド４、加工槽５の底に位置する超音波振動子７が配置される。他方、主軸８の先端には電極１が備えられ、この電極１は加工液３内に浸漬されている。この場合、電極１は金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体、またはこの圧粉体を加熱処理したもの、更には金属固形物からなる。また、超音波振動子７には超音波発振器６が接続され、電極１およびベッド４は電源回路９が接続されている。この場合、電極１は電源回路９の陰極に、ワーク２は電源回路９の陽極にそれぞれ接続されている。そして、この電極１とワーク２との間に印加された電圧によって、電極１とワーク２の間でパルス状の放電が発生する。
【００２５】
他方、超音波振動子７で発生した超音波は、加工液３を介し、ワーク２に伝播し、ワーク２を振動させる。この場合、超音波発振器６により超音波振動子７の出力を調節できるようになっている。また、超音波振動子７をワーク２の下方に設置すると、電極１に直接超音波が当たらないため、型崩れなどの発生が防止され、超音波による電極のダメージを小さくできる。
【００２６】
このような放電表面処理装置において、動作としては、電極１とワーク２との間に印加されたパルス状の電圧によって、電極１とワーク２との間にアーク放電が発生し、電極１の材質が放電の熱により溶かされ、溶かされた電極１の一部がワーク２に引きつけられ、その一部が超音波の周波数帯で振動しているワーク２の表面に形成される溶融域に到達し、そこで再凝固して被膜となる。
【００２７】
かかる状態において、表面張力によりある曲率を持って平板上に止まっている液滴（ここでは液状の電極材料滴のこと）に超音波による微小振動を与えると液滴は表面張力を失い、平たくなる。この微小振動を溶融した電極材料に与えるために、超音波を用いる。放電痕が平たくなると、放電痕と放電痕の間に空間を作らない。よって空洞のない状態で緻密な被膜を堆積でき、被膜強度などの被膜性能が向上する。
【００２８】
ここで、本実施の形態の放電表面処理は、前述した溶接による引張りあるいは圧縮の応力に基づく残留応力やひずみを接合部から除去することとは異なり、加工液３内をワーク２に向かって移動してきた液滴をすでに被着し堆積した液滴（この液滴も超音波振動によって平たくなっている）上に平たく被着させるものである。
【００２９】
また、放電表面処理は、電極１とワーク２の間（極間）に電極材料が存在する状態で、パルス状の放電を繰り返し複数発生させ、被膜を形成する加工法である。このパルス状の放電の発生箇所は、例えば溶接の場合のように電極全体にわたることはなく、電極の一部のみからとなりこのため極間の電極材料の分布状況に大きく影響を受ける。このような状況で、超音波振動を極間に与えると放電により発生した気泡がこの超音波微小振動によって動かされ、加工液３の流れが生じ、この流れにより極間の電極材料が均一に分布し、電極１の放電発生位置を分散させるため、緻密な被膜となる。放電が均一に発生しないと、放電が発生しているところには電極材料が堆積されるが、放電が発生しないところは空洞になる。超音波により電極１の偏りのない、言い換えれば安定した放電を繰り返し発生できるようになるため、放電が安定する。
【００３０】
超音波の振動を効果的に利用するために、Ｖ＝ｆλ（Ｖは加工液中の音速、ｆは周波数、λは振幅）の式を用い、音速一定の場合、超音波の周波数によってエネルギである振幅が決まり、周波数（周期）に基づき振幅が最大となる超音波振動子７上面からの位置が決まる。この超音波の振幅が最大になる位置にワーク２の加工部分を設置する。例えば、２８ｋＨｚの超音波を放射しているとき、ワーク２が超音波の周波数で振動しているかを確認するため、超音波振動子７と対向するワーク２近傍に水中マイクロフォンを設置し、ワーク２近傍の圧力変動（加工液の振動）を測定した。その結果を図２に示す。超音波の周波数と同じ周波数でピークが観察できる。ワークが超音波の周波数で振動していることがわかる。こうして、超音波周波数によって、ワーク２の位置決めを行うことで、効率的な振動の利用が図れる。
【００３１】
また、電極１としてＣｏを主成分とする粉末を圧縮成形した後、９００℃で１時間保持して加熱した電極を用いた。ワーク２にはＳ５０Ｃの厚さ５ｍｍのものを用いた。加工に用いた電流波形と電圧波形を図３と図４に示す。これらの波形は電極１とワーク２の間（極間）で測定された。放電時間は７４（ｓ、ピーク電流は１２Ａである。放電開始電圧は９０Ｖ、放電中の電圧は４０Ｖである。
【００３２】
上記の条件を前提として、放電を１回発生させて超音波の影響による放電痕形状の違いを観察した。超音波を放射していない場合を図５に、放射した場合を図６に示す。これらの図５、図６は放電痕の凹凸を上面からレーザー顕微鏡で測定した結果である。超音波を放射しない場合は、曲率を持った表面張力の影響のある放電痕形状である。超音波を放射しながら放電させた場合、放電痕中央部が周囲と同じ高さになり、曲率のない表面張力の影響がなくなった放電痕形状となる。ワークを超音波振動させることにより、放電痕が凝固時に表面張力の影響を小さくでき、放電痕を平らにできている。
【００３３】
また、上記の条件を前提として、放電を約３０ｋＨｚで１０分間連続放電させ、被膜を堆積させた。超音波を放射した場合とそうでない場合の被膜の断面写真を図７と図８に示す。超音波がない場合は、所々に大きな空洞が観察でき、被膜がポーラス状になっている。しかし、超音波がある場合は、空洞が小さくなり、その数も極めて減少している。ワーク２を超音波振動させることにより、被膜の空洞を小さくし、かつ減少させることができている。
【００３４】
【表１】
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また、生成された被膜の表面硬さを測定した。その結果を表１に示す。試験力は１５０Ｎとした。超音波がない場合、Ｒ１５Ｙ＝１０であったのに対し、超音波がある場合、Ｒ１５Ｙ＝１５と被膜硬度が５０％程度向上した。上述のように、ワークを超音波振動させることにより、被膜内の空洞が減少し、被膜強度を向上させたと考えられる。
【００３５】
また、空洞が小さくかつ少なければ、母材を浸食する流体が、表面から母材まで達する可能性が小さくなる。よって、耐食性に優れた被膜となることは言うまでもない。
【００３６】
実施の形態２．
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、加工槽５内の加工液３内に超音波振動子を備えワーク２を振動させたものであるが、本実施の形態２では電極１を超音波振動させている。すなわち、図９の放電表面処理装置において、超音波発振器６を電極１につなげている。この電極１を超音波振動させることにより、その振動が極間の加工液３を介し、ワーク２の溶融域に伝播する。ワーク２の母材に対して音響インピーダンスが小さい溶融域は、周囲の母材が振動しなくても、超音波によって加振される。よって、溶融している放電痕は、超音波の影響で表面張力の影響を失い、平たい放電痕となる。また、前述したように放電が分散する。このような放電の繰り返しにより形成される被膜は、空洞の少ない状態となり、被膜硬さが向上する。
【００３７】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３の放電表面処理装置を図１０に示す。この図１０では、ワーク２と電極１の位置を変えたものである。ワーク２と電極１の位置を変更しても、超音波の効果が得られる。また、放電の繰り返しにより形成される被膜は、空洞の少ない状態となり、被膜硬さが向上する。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ワークを超音波の周波数帯で振動させることにより、超音波振動によってワークに移行した液滴の表面張力をなくすことができ平らな放電痕を得ることができ、しかも超音波により極間の電極材料を均一にすることによって放電を安定させることができ、放電表面処理によって形成された被膜内の空洞や空孔を極めて減少させて、被膜の性能および品質を向上させることができた。
【００３９】
つぎの発明によれば、電極を超音波の周波数帯で振動させることにより、電極の超音波振動によってワークに移行した液滴の表面張力をなくすことができ平らな放電痕を得ることができ、しかも超音波により極間の電極材料を均一にすることによって放電を安定させることができ、放電表面処理によって形成された被膜内の空洞や空孔を極めて減少させて、被膜の性能および品質を向上させることができた。
【００４０】
つぎの発明によれば、加工液を超音波の周波数帯で振動させることにより、加工液の超音波振動によってワークに移行した液滴の表面張力をなくすことができ平らな放電痕を得ることができ、しかも超音波により極間の電極材料を均一にすることによって放電を安定させることができ、放電表面処理によって形成された被膜内の空洞や空孔を極めて減少させて、被膜の性能および品質を向上させることができた。
【００４１】
つぎの発明によれば、超音波振動を生ずる超音波振動子をワークを中心とした電極の反対側に備えたことにより、最も振幅の大きな振動を得ることができて、超音波の有効利用が図れる。
【００４２】
つぎの方法の発明によれば、ワークを超音波の周波数帯で振動させることにより、超音波振動によってワークに移行した液滴の表面張力をなくすことができ平らな放電痕を得ることができ、しかも超音波により極間の電極材料を均一にすることによって放電を安定させることができ、放電表面処理によって形成された被膜内の空洞や空孔を極めて減少させて、被膜の性能および品質を向上させることができた。
【００４３】
つぎの方法の発明によれば、電極を超音波の周波数帯で振動させることにより、電極の超音波振動によってワークに移行した液滴の表面張力をなくすことができ平らな放電痕を得ることができ、しかも超音波により極間の電極材料を均一にすることによって放電を安定させることができ、放電表面処理によって形成された被膜内の空洞や空孔を極めて減少させて、被膜の性能および品質を向上させることができた。
【００４４】
つぎの方法の発明によれば、加工液を超音波の周波数帯で振動させることにより、加工液の超音波振動によってワークに移行した液滴の表面張力をなくすことができ平らな放電痕を得ることができ、しかも超音波により極間の電極材料を均一にすることによって放電を安定させることができ、放電表面処理によって形成された被膜内の空洞や空孔を極めて減少させて、被膜の性能および品質を向上させることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１である放電表面処理装置の簡略構成図である。
【図２】超音波振動波形の振幅を示す特性線図である。
【図３】電流波形図である。
【図４】電圧波形図である。
【図５】超音波を放射していない放電痕の顕微鏡測定図である。
【図６】超音波を放射した放電痕の顕微鏡測定図である。
【図７】超音波を放射していない顕微鏡断面写真である。
【図８】超音波を放射した顕微鏡断面写真である。
【図９】この発明の実施の形態２である放電表面処理装置の簡略構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態３である放電表面処理装置の簡略構成図である。
【符号の説明】
１　電極、２　ワーク、３　加工液、４　ベッド、５　加工槽、６　超音波発振器、７　超音波振動子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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