(57)【要約】【課題】  表面処理に用いる圧粉体電極において、任意の形状の電極を用意に製作すると共に、扱いやすい電極を得る。【解決手段】  金属粉末または金属の化合物の粉末、あるいは、セラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体の電極と、ワークとの間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギーにより、ワーク表面に電極材料あるいは電極材料が放電エネルギー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において、剛性をもつ電極の芯を、上記表面処理にて被膜となる電極粉末を配置したものである。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末または金属の化合物の粉末、あるいは、セラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体の電極と、ワークとの間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギーにより、ワーク表面に電極材料あるいは電極材料が放電エネルギー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において、
剛性をもつ電極の芯を、上記表面処理にて被膜となる電極粉末を配置したことを特徴とする放電表面処理用電極。
【請求項２】
電極の芯は、表面処理にて被膜となる電極粉末と同じ材質を用いることを特徴とする請求項１に記載の放電方面処理用電極。
【請求項３】
電極の芯に、ＡｇやＮｉやＣｏなどの酸化しにくい材質を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の放電方面処理用電極。
【請求項４】
電極の芯は、圧粉体電極内部に埋め込むことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の放電表面処理用電極。
【請求項５】
電極の芯は、網構造とすることを特徴とする請求項４に記載の放電表面処理用電極。
【請求項６】
電極の芯は、圧粉体電極内部に埋め込む突部を持つ底付形状とすることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の放電表面処理用電極。
【請求項７】
電極の芯は、剛性をもちかつ低融点の素材からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の放電表面処理用電極。
【請求項８】
剛性をもちかつ低融点のものとして、ＺｎまたはＡＢＳやアクリルなどの樹脂類を用いることを特徴とする請求項７に記載の放電方面処理用電極。
【請求項９】
剛性を持ちかつ低融点のものの形状が、網状またはポーラス状であることを特徴とする請求項７に記載の放電表面処理用電極。
【請求項１０】
金属粉末または金属の化合物の粉末、あるいは、セラミックスの粉末を所望形状の金型に入れる工程と、
剛性を持つ電極の芯を上記電極材料の粉末内に配置する工程と、
上記金型内に電極材料の粉末及び電極の芯が配置された状態で、所定の圧力をかけ、圧粉体電極をプレス成形する工程と、
を備えた放電表面処理用電極の製造方法。
【請求項１１】
電極の芯は、表面処理にて被膜となる電極粉末と同じ材質を用いることを特徴とする請求項１０に記載の放電方面処理用電極の製造方法。
【請求項１２】
電極の芯に、ＡｇやＮｉやＣｏなどの酸化しにくい材質を用いることを特徴とする請求項１０または１１に記載の放電方面処理用電極の製造方法。
【請求項１３】
電極の芯は、圧粉体電極内部に埋め込むことを特徴とする請求項１０〜１２の何れかに記載の放電表面処理用電極の製造方法。
【請求項１４】
電極の芯は、網構造とすることを特徴とする請求項１３に記載の放電表面処理用電極の製造方法。
【請求項１５】
電極の芯は、圧粉体電極内部に埋め込む突部を持つ底付形状とすることを特徴とする請求項１０〜１２の何れかに記載の放電表面処理用電極の製造方法。
【請求項１６】
電極の芯は、剛性をもちかつ低融点の素材からなることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれかに記載の放電表面処理用電極の製造方法。
【請求項１７】
剛性をもちかつ低融点のものとして、ＺｎまたはＡＢＳやアクリルなどの樹脂類を用いることを特徴とする請求項１６に記載の放電方面処理用電極の製造方法。
【請求項１８】
剛性を持ちかつ低融点のものの形状が、網状またはポーラス状であることを特徴とする請求項１６に記載の放電表面処理用電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属粉末または金属の化合物の粉末、あるいは、セラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体、もしくは、該圧粉体を加熱処理した圧粉体を電極として、加工液中あるいは気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、そのエネルギーにより、ワーク表面に電極材料あるいは電極材料が放電エネルギー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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、被加工物の表面をコーティングして、耐食性、耐磨耗性を付与する技術としては、例えば特開平５−１４８６１５号公報に、ＷＣ粉末とＣｏ粉末等からなる圧粉体電極を使用して１次加工（堆積加工）を行い、次に銅電極等の比較的電極消耗の少ない電極に交換して２次加工（再溶融加工）を行う放電表面処理方法が開示されている。
この技術は、高硬度で密着力の大きい数１０μｍ程度の厚みの硬質被膜を鋼材に対して形成するには優れた方法であるが、２つの工程行わなければならず作業効率が悪いばかりか、超硬合金のような焼結材料の表面に強固な密着力を持った硬質被膜を形成することは困難である。
【０００３】
また、特開平９−１９２９３７号公報には、ＴｉＨ２粉末の圧粉体電極を用いて、超硬合金にも密着力が高い数μｍ〜数１０μｍの厚みの硬質被膜を形成する放電表面処理方法が開示されている。
【０００４】
その他、放電表面処理用電極の製造方法としては、国際公開ＷＯ００／２９１５５号公報に、放電表面処理対象の金型の雌型に金属粉末、金属の化合物などの材料粉末を充填し、金型の雄型によって雌型内の材料粉末を加圧成形する電極の製造方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１４８６１５号公報
【特許文献２】特開平９−１９２９３７号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ００／２９１５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の圧粉体電極を用いた放電表面処理では、放電エネルギーにより容易に電極成分が溶融し被加工物表面に被膜を形成しやすいといった利点があるが、圧粉体電極は脆く壊れやすい。
従って、電極を被加工物の形状に合わせるための機械加工、あるいは、電極を装置に固定するためのねじ穴等の小さい部分の成形が極めて困難であった。
なお、電極の剛性を高めるために圧粉体電極を本焼結して金属電極にして使用することが考えられるが、本焼結後の電極では、除去加工となり被膜を堆積できなくなってしまう。
また、同様に圧粉体電極は脆く壊れやすいため、実用的な大きさの電極の成形が困難であった。
即ち、金型等の表面処理に用いる実用的な大きさに電極を成形するには、プレスの能力を飛躍的に大きくしなければならないと共に、粉体材料の圧縮成形時に圧力が材料の内部に均一に伝播しないため密度の不均一性が増大し、ひび割れの発生等の欠陥が生じる。
従って、被加工物に形成される硬質被膜にはばらつきが発生するため、品質を低下させる要因となっている。
さらに、電極製造に関しては、雌型に電極粉末を入れ雄型で加圧生成したとしても、電極が適度な大きさであれば、型面に沿って均一に放電表面処理を行うことはできる。
しかし、雄型が細い場合、加圧成形の際に雄型が変形し、所望の面を得られないという問題がある。
【０００７】
つまり、従来の電極製造方法では、外径Φ１ｍｍ以下の丸棒電極や厚さ１ｍｍ以下の平板電極を製造したとき、プレスした電極を炉に入れるときや炉から取り出す際に壊れたり、電極を保持することができず、小さい電極や薄い電極は製造できないばかりか、製造できる電極の形状に制限があった。
【０００８】
本発明は、放電表面処理において、上述した課題を解決するためになされたものであり、あらゆる形状の電極を製造できる方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明にかかる放電表面処理用電極は、金属粉末または金属の化合物の粉末、あるいは、セラミックスの粉末を圧縮成形した圧粉体の電極と、ワークとの間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギーにより、ワーク表面に電極材料あるいは電極材料が放電エネルギー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において、剛性をもつ電極の芯を、上記表面処理にて被膜となる電極粉末を配置したものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来製造することができなかった圧粉体電極の形状も製作することができるため、小さい穴の内面や狭い溝の表面に被膜を形成できるようになり，形状の補修や表面積の拡大による熱交換効率の向上などの効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
まず、数μｍの金属粉末を圧縮形成した圧粉体電極を用いた放電表面処理の原理を図１を用いて説明する。
なお、電極は金属の数μｍの粉末を圧縮成形した後、加熱処理したものを用いる。
加工液中に電極とワークを配置し、電極を陰極、ワークを陽極とし、両者が接触しないよう主軸はサーボをとられた状態で放電を発生させる。
放電の熱により電極の一部は溶融・気化され、放電による爆風や静電気力によって電極の固まりが離脱し、ワークに堆積することで被膜が形成される。
【００１２】
ここで使用される圧粉体電極は、図２で示される電極製造過程を経て製造される。
市場に流通している金属粉末は、粉砕、乾燥、ふるい工程を経て、所望の粒径の金属粉末となる。
そして、平均粒径数μｍの酸化しにくい金属やセラミックスの球形粉末に、プレスの際に電極内部へのプレスの圧力の伝わりを良くするためにパラフィン等のワックスを重量比１％から１０％程度混入する。
なお、パラフィン等のワックスと混合すると粉末は液体が粉末の周りを液体が覆い、その分子間力や静電気力の作用により凝集し大きな塊を形成してしまうため、凝集した塊をバラバラにすべくふるいにかける必要がる。
ふるいを通過した粉末を圧縮プレスで成形し、その後、真空炉または窒素や不活性ガス雰囲気の炉で加熱して、導電性を持つ圧粉体電極を製造する。
【００１３】
図２の工程により圧粉体電極は製造されるのであるが、上述したように図２の工程により製造される電極には所望の形状に成形することが困難である。
そこで、本実施の形態では、図３で示される電極製造プロセスを実施する。
なお、その製造過程におけるプレスの様子を図４に示す。
図において、１は粒径１μｍ程度のＣｏ（コバルト）粉末、２は金型の上のパンチ、３は金型の下のパンチ、４は金型のダイ、５はパラフィンとＣｏ粉末１の混合体を高圧（３００ＭＰａ程度）でプレス成形したＣｏ丸棒である。
ここで、Ｃｏ粉末１には、パラフィンを重量比で３％混合した。
その後、凝集したものを分解するため、パラフィンと混合した粉末をメッシュサイズ０．０５ｍｍのふるいにかけた。
そして、パラフィンとＣｏ粉末１の混合体を金型に適量入れ、その中にＣｏの丸棒５を埋め込む。
その後、丸棒が金型壁面に接触しないように、Ｃｏ粉末１をＣｏ丸棒５を覆うように入れ、パンチにより圧力をかけてプレスする。
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。
ここで付加する圧力は、Ｃｏの丸棒５を製造するときよりも低い９０ＭＰａ程度である。
なお、プレスの際に粉末内部へのプレスの圧力の伝わりを良くするために粉末にパラフィンなどのワックスを重量比１％から１０％程度混入すると成形性を改善することができるが、電極内のワックス残量が多くなるほど電気伝導率が悪くなるため、ワックスを混入した際には後の工程でワックスを除去することが望ましい。
【００１４】
その後、圧縮成形された圧粉体は、圧縮により所定の硬さが得られていればそのまま放電表面処理用の電極として使用することができるが、加熱することで強度を増すことができる。
Ｃｏの場合、３００℃で一時間保持し、電極の強度を増加させる。
この際、大きなブレス圧力で成形されているＣｏ丸棒５は、粉末と粉末の結合が強くなり、剛性が大きくなる。
また、Ｃｏ丸棒５の周囲にあるＣｏ粉末１は、放電により引き離され、被膜となれる程度の強度となる。
また、圧縮成形の際にワックスを混入した場合には、電極を加熱してワックスを除去する必要があるため、真空炉で３０分間、２００℃で保持する。
加熱により、融点に達したワックスは、電極から表面にしみ出てくる。
その後３００℃に加熱すると、しみ出したワックスは沸点に到達し気化する。
なお、炉内には１００℃程度に維持された部分があり、そこで気化したワックスはトラップされ液体に戻る。
このような工程で電極からワックスは除去される。
【００１５】
次に、平均粒径１μｍＣｏ粉末１とＣｏ棒５からなる電極１１を用いて、細い穴の内面に放電表面処理を行う様子を図５に示す。
電極１１及びワーク１２は、加工液１３中に配置され、放電表面処理用電源１４に基づき電極側面と穴側面の間に放電を発生させ、細い穴の内面に放電表面処理することが可能となる。
【００１６】
従来の放電表面処理用電極の製造方法では、外径Φ２ｍｍの電極を製造できなかったため、細穴の内壁や入口に被膜を処理できなかった。
しかしながら、本実施の形態によれば、寸法Φ２ｍｍ×５０ｍｍの金型に、平均粒径１μｍのＣｏ粉末１を底面から３０ｍｍ程度入れ、そこにΦ１ｍｍ×４０ｍｍのＣｏ棒５を差し込み、さらに平均粒径１μｍのＣｏ粉末１を加え、プレス圧２ＭＰａで圧縮成形し、その電極を真空炉で加熱し製作することができる。
なお、本実施の形態により製作された電極の取り扱いは、金属棒と同程度に容易である。
つまり、本実施の形態によりΦ２ｍｍ程度の細い電極の製造が可能となった。
【００１７】
以上のように製作された電極を用いて、実際にΦ２．５ｍｍ×１００ｍｍの穴の内壁に被膜処理をした。
使用した放電のパルス条件は、電極側をマイナス、ワーク側をプラスの極性、ピーク電流値をｉｅ＝５〜２０Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）ｔｅ＝４〜１００μｓ程度である。
なお、加工中は、電極を回転させ、更に揺動させた。
いずれの条件でも円筒内壁に０．０５ｍｍ程度の被膜を堆積できた。
本発明により、穴径や穴先端が何らかの影響で摩耗した場合、元の寸法に補修することができる。
【００１８】
本実施の形態ではＣｏについて説明したが、丸棒の材質としてＮｉやＡｇでもよい。
ＣｏやＮｉやＡｇは、酸化しにくい材質であるため、表面に形成されている酸化膜が薄い。
そのため、プレスにより表面の酸化膜が簡単に破壊され、粉末と粉末の結合が強くなり，プレスのみで高剛性の丸棒を製造することができる。
更に、低い温度で強度が著しく向上するため、丸棒周囲の粉末の強度を上げるための加熱温度で、金属の棒に近い強度を持たせることができる。
例えば，ＴｉＣ（炭化チタン）の被膜を形成するため、Ｃｏの芯材をＴｉＣの粉末で覆い、１０００℃程度で加熱する必要がある。なお、１０００℃でＴｉＣは被膜となるのに最適な硬さとなり、Ｃｏの芯材は、ほぼ金属の棒に近い強度となる。
【００１９】
芯材に金属の棒を用いても高強度の細い電極を製造できるが、プレスした場合、その棒を覆う粉末と金属棒との接合強度が低くなる。
粉末と圧粉体の丸棒では、接触する表面積が大きいため、大きな接合強度となる。
【００２０】
また、芯材にＣｏやＮｉの粉末を用い、被膜となる粉末にその金属または合金粉末、或いはセラミックス粉末を用いてもよい。
被膜への不純物の混入を嫌う場合、本実施の形態の如く芯となる棒と被膜となる粉末との材質を統一すればよい。
【００２１】
実施の形態２．
実施の形態１では、細い電極について説明したが、大きい電極も従来の放電表面処理用電極の製造方法では製作できない。
放電表面処理で使用される電極は粒子の集合体で、それぞれの粒子は点接触で接合された状態で形状をとどめており、完全に溶けていない。そのため、電極の強度は非常に小さく、電極が大きくなると、自重により電極が壊れてしまうからである。
【００２２】
本実施の形態の放電表面処理用電極製造の外観を図６に示す。
粒径１μｍのＣｏ粉末１に、実施の形態１と同様にパラフィンを重量比３％混合し、凝集したものを分解するためにメッシュサイズ０．０５ｍｍのふるいにかけた後、金型に適量入れ、その中にＣｏの突部を持つ底付丸棒６を埋め込む。
丸棒６は、粉末１の圧粉体であるが、高圧を負荷させて成形されている。
パンチにより所定の圧力をかけてプレスすることで、粉末１は固まり圧粉体となる。
【００２３】
実施の形態１と同様に、プレスの際に粉末内部へのプレスの圧力の伝わりを良くするために粉末にパラフィンなどのワックスを重量比１％から１０％程度混入すると成形性を改善することができるが、電極内のワックス残量が多くなるほど電気伝導率が悪くなるため、ワックスを混入した際には後の工程でワックスを除去することが望ましい。
圧縮成形された圧粉体は、圧縮により所定の硬さが得られていればそのまま放電表面処理用の電極として使用することができるが、加熱することで強度を増すことができる。
また、圧縮成形の際にワックスを混入した場合には、電極を加熱してワックスを除去する必要があるため、真空炉で３００℃に加熱し電極を成形した。
この際、大きなブレス圧力で成形されているＣｏの丸棒６は、粉末と粉末の結合が強くなり、剛性が大きくなる。
また、Ｃｏの丸棒６の周囲にあるＣｏ粉末１は、放電により引き離され、被膜となれる程度の強度となる。
【００２４】
従来の放電表面処理用電極の製造方法では、２００ｍｍ×２００ｍｍ×２００ｍｍの電極を製造できなかった。
しかしながら、本実施の形態によれば、寸法２００ｍｍ×２００ｍｍ×２００ｍｍの金型に平均粒径１μｍのＣｏ粉末１を入れ、そこに１８０ｍｍ×１８０ｍｍ×１５０ｍｍ（上部は２００ｍｍ×２００ｍｍ×３０ｍｍ）のＣｏ棒６を差し込み、プレス圧２ＭＰａで圧縮成形し、その電極を真空炉に入れ、３００℃で約１時間保持して電極を製作した。
なお、本実施の形態により製作された電極の取り扱いは、金属の固まりと同程度に容易である。
つまり、本実施の形態により２００ｍｍ×２００ｍｍ×２００ｍｍ電極の製造が可能となった。
【００２５】
その電極を用いて実際に加工しても、２０５ｍｍ×２０５ｍｍ×２００ｍｍの内面に０．０５ｍｍ程度の被膜を形成することができ、従来大面積の表面加工を行う場合には、小さい電極により繰り返し行わなければならなかった処理が、工具交換等を最小で行えることにより被膜形成の作業効率が向上する。
また、大きな電極を成形できるようになったため、３次元形状を持ったワークを処理することが可能となり、その他、多数の面を同時に処理できる等の効果を得られる。
【００２６】
実施の形態３．
次に、本実施の形態３における放電表面処理用電極製造のためのプロセスを図７を用いて説明する。
上述した実施の形態では、圧粉体電極の芯としてＣｏ圧粉体を用いる場合について説明したが、比較的薄い膜状の電極を製造するために本実施の形態では、芯にＡＢＳ製の網７を用いたものである。
具体的には、粒径１μｍのＣｏ粉末１に上述した実施の形態と同様にパラフィンを混合した後、凝集したものを分解すべくメッシュサイズ０．０５ｍｍのふるいにかけ、金型に適量入れ、その中に、網７を埋め込む。
その後、更にＣｏ粉末１の混合体を加え、パンチにより所定の圧力をかけてプレスすることで粉末は固まり圧粉体となる。
プレスの際にワックスを入れると共に、その後の工程でワックスを除去することは、上述した実施の形態と同様である。
圧縮成形された圧粉体は、圧縮により所定の硬さが得られていればそのまま放電表面処理用の電極として使用することができるが、加熱することで強度を増すことができる。
また、圧縮成形の際にワックスを混入した場合には、電極を加熱してワックスを除去する必要があるため、真空炉で３００℃に加熱し電極を成形した。
【００２７】
従来の放電表面処理用電極の製造方法では、１００ｍｍ×１００ｍｍ×５ｍｍの電極を製造できなかった。
しかしながら、寸法１００ｍｍ×１００ｍｍ×５ｍｍの金型に平均粒径１μｍのＣｏ粉末１とパラフィンの混合体を入れ、そこに９０ｍｍ×９０ｍｍ×２ｍｍのＡＢＳ製網７を差し込み、さらに平均粒径１μｍのＣｏ粉末１の混合体を加え、プレス圧２ＭＰａで圧縮成形し、その電極を真空炉に入れ、３００℃で約１時間保持して電極を製作した。
なお、本実施の形態により製作された電極の取り扱いは、金属の固まりと同程度に容易である。
つまり、本実施の形態により１００ｍｍ×１００×５ｍｍの電極の製造が可能となった。
【００２８】
その電極を用いて実際に加工しても、１０５ｍｍ×１０５ｍｍ×１０ｍｍの狭い隙間の溝内面に０．０５ｍｍ程度の被膜を形成でき、従来処理できなかった箇所に被膜を形成できるようになった。
熱交換機のスリットなどに本実施の形態で得られた電極を用いて処理すれば、被膜の表面粗さのため、表面積を大きくでき、熱交換の効率を上げることができる。
【００２９】
なお、本実施の形態において、電極の芯として、ＡＢＳ製の網を用いた場合について説明したが、平板でも同様の効果を持つ。
ただし、粉末と平板の接合強度が小さいため、網のほうがよい。
また、その材質はＡＢＳや金属に限らず、ガラスや高温で変形しないプラスチックや樹脂でもよい。
本実施の形態のように低融点の材質を網に用いた場合、放電の熱により、網が蒸発する。
高融点の材質を網に使用した場合、放電の熱でも溶融しない。
もし溶融しなければ、その面が放電面となるが、網材質に導電性の無いため、放電できなくなったり、電極とワークが衝突したりする。
しかし、低融点のものは蒸発してなくなるため、処理中に芯が現れても被膜に悪影響を与えない。
低融点の金属であるＺｎを使用すれば、上記のような問題は気にせずともよい。
また、融点の高くかつ硬いものを用いると、電極から材料を供給できないため、堆積していた被膜が除去されてしまうことである。
ＡＢＳやプラスチックは、溶けて炭素を析出するが、加工液は油で元々炭素リッチの環境で処理しているため、被膜を汚すことはない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】放電表面処理の現象を示す図である。
【図２】圧粉体電極一般の電極製造プロセスのフローチャートである。
【図３】本実施の形態における電極製造プロセスのフローチャートである。
【図４】電極製造過程におけるプレスの様子を示す図である。
【図５】本実施の形態の電極を用いて加工を行う現象図である。
【図６】電極製造過程におけるプレスの様子を示す図である。
【図７】電極製造過程におけるプレスの様子を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  Ｃｏ粉末、２  上パンチ、３  下パンチ、４  金型、５  丸棒、６  底付丸棒、７  網。
【図１】
2005213558.tif 000003
【図２】
2005213558.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005213558.tif 000007
【図６】
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【図７】
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