(57)【要約】【課題】ワイヤ電極に通電を可能にした耐摩耗性を有するワイヤのガイド及び／又は電極部材を提供する。【解決手段】ワイヤカット放電加工用のワイヤのガイド及び／又は電極部材において、該ガイド及び／又は電極部材は硬質皮膜を被覆した被覆超硬合金からなり、該超硬合金は重量％でＮｉが６％以上、２０％以下、Ｃｏが１％以下、残りがＷＣ、粒成長抑制成分及び不可避不純物であり、ＷＣの平均粒径が１μｍ以上、４μｍ以下であり、該硬質皮膜の摩擦係数が０．８以下より構成する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤカット放電加工用のワイヤのガイド及び／又は電極部材において、該ガイド及び／又は電極部材は硬質皮膜を被覆した被覆超硬合金からなり、該超硬合金は重量％でＮｉが６％以上、２０％以下、Ｃｏが１％以下、残りがＷＣ、粒成長抑制成分及び不可避不純物であり、ＷＣの平均粒径が１μｍ以上、４μｍ以下であり、該硬質皮膜の摩擦係数が０．８以下からなることを特徴とするワイヤカット放電加工用のワイヤのガイド及び／又は電極部材。
【請求項２】
請求項１に記載のワイヤカット放電加工用のワイヤのガイド及び／又は電極部材において、該硬質皮膜の金属成分は、周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の金属元素及びＡｌから選択される１種若しくは２種以上の元素とＳｉ元素とを含み、非金属成分として、Ｎ、Ｂ、Ｃ、Ｏから選択される１種若しくは２種以上の元素を含むＳｉ含有硬質皮膜を被覆してなることを特徴とするワイヤカット放電加工用のワイヤのガイド及び／又は電極部材。
【請求項３】
請求項１に記載のワイヤカット放電加工用のワイヤのガイド及び／又は電極部材において、該硬質皮膜の金属元素は、Ｔｉ及びＢを含有する窒化物、炭窒化物、酸窒化物及び酸炭窒化物のいずれかからなる硬質皮膜を被覆してなることを特徴とするワイヤカット放電加工用のワイヤのガイド及び／又は電極部材。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載のワイヤカット放電加工用のワイヤのガイド及び／又は電極部材において、該超硬合金からなる基体は、比抵抗値が０．２５以上、０．３５μΩ・ｍ以下であり、熱膨張係数が４．７以上、６．７×１０−６／Ｋ以下であることを特徴とするワイヤカット放電加工に用いるワイヤのガイド及び／又は電極部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超硬合金の基体に硬質皮膜を被覆した、ワイヤカット放電加工に用いるワイヤのガイド及び／又は電極部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワイヤカット放電加工装置に用いるワイヤのガイド及び／又は電極部材については、下記に示す特許文献１から５が開示されている。特許文献１は、ワイヤ電極に通電ができるようにしたワイヤ電極ガイドに関する事例が開示されている。母材は少なくとも一部にタングステン、モリブデンまたは硅素を含み、全体として導電性を有する材料で形成されている。また、ワイヤ電極と接触する部分にダイヤモンド被膜を形成している。特許文献２は、通電兼ガイド部材が、ダイヤ、ｃＢＮ、（ＴｉＢ）Ｃの単独もしくは混合した超硬材粒子を、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｍｇ、Ｂの少なくとも１種とＴｉの合金でボンドすることにより形成される技術を開示している。特許文献３は、通電兼ガイド部材が、超硬材粒子を有機物で均一にボンドすることにより形成される技術を開示している。特許文献４は、ワイヤ電極と接触する面にダイヤモンドの被覆薄層を形成する技術が開示されている。通電部材の被加工物側の端面にダイヤモンドを被覆してなるガイド兼通電装置であり、ワイヤ電極ガイドと通電部材とを１体型にした構造となっている。ダイヤモンドを被覆した端部がワイヤ電極を位置決め案内する構造とすることにより、通電部材の摩耗を少なくしようとするものである。しかし、ダイヤモンドを被覆したガイド部分は殆ど摩耗しないが、一方で通電部材が偏摩耗するため、通電部材の長寿命化は期待できない。特許文献５は、ワイヤカット放電加工機に使用する通電コマ用の素材において、平均粒径０．５μｍ以下の超微粒の炭化タングステンに、コバルトを２重量％以下加え、更に粉末のモリブデン、炭化クロム、炭化バナジウム及び炭化ニオブからなるグループから選択される少なくとも１種を加え、パルス通電加圧焼結によって焼結して形成される技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１７８６２３号公報
【特許文献２】特開平５−２１２６２６号公報
【特許文献３】特開平５−２１２６２５号公報
【特許文献４】特開平５−１７７４４４号公報
【特許文献５】特開２００３−２６６２４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、ワイヤカット放電加工装置に用いられ、耐摩耗性を有するワイヤのガイド及び／又は電極部材を提供することである。より詳しくは、ガイド及び／又は電極部材が優れた耐摩耗性を有することから、位置決め精度がより高く、優れたメインテナンス性能を有するガイド及び／又は電極部材を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、ワイヤカット放電加工用のワイヤのガイド及び／又は電極部材において、該ガイド及び／又は電極部材は硬質皮膜を被覆した被覆超硬合金からなり、該超硬合金は重量％でＮｉが６％以上、２０％以下、Ｃｏが１％以下、残りがＷＣ、粒成長抑制成分及び不可避不純物であり、ＷＣの平均粒径が１μｍ以上、４μｍ以下であり、該硬質皮膜の摩擦係数が０．８以下からなることを特徴とするワイヤカット放電加工用のワイヤのガイド及び／又は電極部材である。上記構成を採用することにより、耐摩耗性に優れたワイヤのガイド及び／又は電極部材を提供することができる。またガイド及び／又は電極部材が優れた耐摩耗性を有することから位置決め精度の改善を図り、優れたメインテナンス性能を有するガイド及び／又は電極部材を得ることができる。
【０００６】
本発明のワイヤカット放電加工用のワイヤのガイド及び／又は電極部材に被覆される第１の硬質皮膜は、金属成分として周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の金属元素及びＡｌから選択される１種若しくは２種以上の元素とＳｉ元素とを含み、非金属成分として、Ｎ、Ｂ、Ｃ、Ｏから選択される１種若しくは２種以上の元素を含むＳｉ含有硬質皮膜である。第２の硬質皮膜は、金属元素としてＴｉ及びＢを含有する窒化物、炭窒化物、酸窒化物及び酸炭窒化物のいずれかからなる硬質皮膜である。更に、超硬合金からなる基体は、比抵抗値（μΩ・ｍ）が０．２５以上、０．３５以下であり、熱膨張係数（×１０−６／Ｋ）が４．７以上、６．７以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のワイヤカット放電加工に用いるワイヤのガイド及び／又は電極部材によって、耐摩耗性に優れたワイヤ電極を提供することができた。また優れた耐摩耗性を有することから位置決め精度の改善を図り、優れたメインテナンス性能を有するガイド及び／又は電極部材を得ることができた。本発明のワイヤカット放電加工に用いるワイヤのガイド及び／又は電極部材は、ワイヤの送り速度の高速化を可能にし、ワイヤカット放電加工を高効率に行うことが出来るようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
ワイヤカット放電加工機の動作中においては、ワイヤ電極は常に電極部材に接触しながら移動し、微視的に見ると、電極部材の接触面はある曲率を有する曲面で形成されているため、ワイヤ電極との接触部分には常時微少間隙が変動する状態がある。従って、電極部材とワイヤ電極の間でも放電が繰り返され、電解腐食が発生している。電極部材の接触面も長期の使用により溶けてしまい、使用に耐えなくなる。更に、ワイヤ電極を伝わって放電加工時に使用される水や油が電極部材内に含浸することにより、Ｃｏの腐蝕が生じＷＣ粒子が脱落することにより摩耗が進行する。このため、電極部材の材質としては、高い耐摩耗性、耐食性及び耐熱性が要求さる。本発明の超硬合金は、結合相金属として、Ｎｉを６％以上、２０％以下の範囲で含有することにより、電極部材としての耐摩耗性と、局所的なアーク放電等による電解腐食に強い耐食性材料を得ることができる。Ｎｉが６％未満の場合は、この耐食性効果を得ることができず、また２０％を超えて大きい場合は、硬度低下を招き、耐摩耗性が劣ることから、本発明ではＮｉを６％以上、２０％以下の範囲に規定した。同様な理由で、本発明に用いる電極部材の超硬合金は、Ｃｏが１％以下である。Ｃｏ含有量が１％を超えて大きい場合、耐食性が劣り、ワイヤに付着した水溶液成分や油成分によって電極部材のクラック進展が増大し、破損に至る場合もあるため、本発明ではＣｏは１％以下に規定する。より好ましい状態は、０．５％以下でＣｏをほとんど含有しない超硬合金の場合である。Ｃｏ含有量が少量であることにより基体は非磁性体となるため、電流により発生する磁場の影響や渦電流損失の影響に対して有効に作用する。
ＷＣの平均粒径は１μｍ以上、４μｍ以下であり、この粒径範囲とすることにより、ワイヤのガイド及び／又は電極部材として必要な耐摩耗性と強度を得ることができる。ＷＣの平均粒径が１μｍ未満の場合、粒界が増大することから耐クラック性が劣り、４μｍを超えて大きい場合は、硬度が低減して耐摩耗性が低減することから、本発明はＷＣの平均粒径を１μｍ以上、４μｍ以下に規定する。粒成長抑制成分はＷＣの平均粒径が１μｍ以上、４μｍ以下に制御するために有効な成分が選択され、例えばＣｒ、Ｍｏが添加元素となる。一方、Ｔａ、Ｖは粒成長抑制効果を示すものの、耐食性が劣化する原因となるため、選択肢がら除外されるべきである。
上記組成及び粒径の規定内とすることにより、超硬合金からなる基体は、比抵抗値（μΩ・ｍ）が０．２５以上、０．３５以下となり、基体の熱膨張係数（×１０−６／Ｋ）が４．７以上、６．７以下となることから、ワイヤのガイド及び／又は電極部材として、より好ましい材料となる。上記で規定する比抵抗値を有することにより、たとえ電極部材に大電流を投入しても、電気抵抗によってワイヤのガイド及び／又は電極部材に生じる発熱を小さく抑えることができ、ワイヤ断線等を回避する効果がある。このような大電流の投入は、高効率で迅速な加工に繋がり、作業性の大幅向上を図れる。比抵抗値が０．２５未満の場合、ワイヤ電極の断線の危険性があり不都合である。また、０．３５を超えて大きい場合、給電効率が低下するため不都合である。上記で規定する熱膨張係数を有することにより、ワイヤの電極部材としての押し付け圧力変動が少なく抑えられることから、加工中のワイヤ電極の縦振動を規制して、摺動面の異常放電を軽減できる。熱膨張係数が４．７未満の場合、外的要因でワイヤ電極が暴れた時に発生する瞬間的異常放電により電極部材に放電クラックが生じやすいため不都合である。また、熱膨張係数が６．７を超えて大きい場合、一般的に耐摩耗性が低下するため、ワイヤ電極の走行駆動に伴い摩耗量が増大するため不都合である。
【０００９】
本発明のワイヤのガイド及び／又は電極部材に被覆する硬質皮膜は、少なくともワイヤ電極との接触面に被覆され、硬質皮膜の摩擦係数が０．８以下とすることにより、ワイヤ電極との摩擦係数を小さくすることができることから、ワイヤ電極を滑らかに案内することができる。更に、ワイヤ電極の摩耗を防止し、断線の危険性を減少させるこができる。一方、摩擦係数が、０．８を超えて大きい場合は、接触抵抗が高くなり給電部での接触バランスがくずれ給電効率が低下し、ワイヤ電極の摩耗が早くなるため不都合である。
本発明の特性を得るために選択される硬質皮膜として第１には、該硬質皮膜の金属成分が周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族の金属元素及びＡｌから選択される１種若しくは２種以上の元素とＳｉ元素とを含み、非金属成分として、Ｎ、Ｂ、Ｃ、Ｏから選択される１種若しくは２種以上の元素を含むＳｉ含有硬質皮膜を被覆してなる硬質皮膜が好ましい。更に好ましくは、該Ｓｉ含有硬質皮膜のＳｉの含有濃度が相対的に高い結晶粒と相対的に低い結晶粒とを含有する組成偏析多結晶体で構成されていることである。これにより、高硬度な皮膜が得られ、耐摩耗性向上に寄与する。
第２として、該硬質皮膜の金属元素としてＴｉ及びＢを含有する窒化物、炭窒化物、酸窒化物及び酸炭窒化物のいずれかからなる硬質皮膜が好ましい。更に好ましくは、該硬質皮膜はＢの窒化物相を含有し、該硬質皮膜のＥＳＣＡ分析によりＢとＮの結合エネルギーが確認され、該硬質皮膜のラマン分光分析によりｃ−ＢＮ及び／又はｈ−ＢＮの存在が確認されることである。これにより、高硬度で低摩擦係数を有する皮膜が得られ、耐摩耗性向上に寄与する。
第１の硬質皮膜、第２の硬質皮膜ともに、皮膜内に潤滑性を有する化合物を有するために０．８以下の摩擦係数が得られることのほかに、良好な導電性と高硬度な皮膜特性も併せ持つことから、ワイヤのガイド及び／又は電極部材の耐摩耗性の改善に顕著な効果を示す。
【００１０】
本発明の硬質皮膜の鋼に対する摩擦係数の測定は、ボールオンディスク型の摩耗試験器を用いて行った。主要な測定パラメータは垂直荷重、接触面積、摺動速度及び試験時間である。本発明の硬質皮膜について、室温での摩擦係数を測定した。ＪＩＳのＳ５０Ｃ材をボール材（静止相手材）とし、超硬合金からなるディスクに本発明の硬質皮膜を被覆した。摩擦係数の測定条件は以下の通りである。
接触面圧：２Ｎ
滑り速度：１００ｍｍ／ｓｅｃ
試験温度：室温（２５度）
一方、硬質皮膜の表面粗さＲａの測定方法は、測定装置に触針式表面粗さ計を使用し、測定時のスキャン長さは０．８ｍｍとして、ＪＩＳ規格に沿って行った。
【００１１】
硬質皮膜の表面を研磨等の機械加工により平滑にすることにより、摩擦抵抗の低減に効果があり、更に電極部材寿命が改善される。硬質皮膜表面をより平滑にするための機械的な手段としては、例えばＳｉＣ粉末を付着させたプラスチックブラシで硬質皮膜表面を全体的にブラッシング処理する方法、硬質粒子と軟質粒子を混合した投射材を吹き付け処理する方法、磁性粒子を用いた磁気研磨による方法、又はダイヤモンド砥粒等を用いたブラスト処理による方法がある。これらの処理法によって給電部分へ初期摩耗を与え、なじみ効果も確認され、チッピング等の異常摩耗も抑制する効果を発揮する。
本発明の硬質皮膜を被覆する方法としては、アークイオンプレーティング法（以下、ＡＩＰ法という。）の他に、非平衡マグネトロンスパッタリング法、プラズマ化学蒸着法の何れか、もしくはこれらの組み合わせにより被覆することにより、優れた耐摩耗性を示す被覆部材が得られ、好ましい。
本発明を適用したワイヤのガイド及び／又は電極部材は、ワイヤカット放電加工用に適し、２つの役割を同時に行うことができる。その第１の役割は、ワイヤ電極に給電する電極部材としての役割であり、摺動形態における給電であることから、局所的なアーク放電等による電解腐食に耐える材料である。第２の役割は、ワイヤ電極を安定に案内、支持するガイド部材としての役割であり、被加工材との位置決め案内を長時間に渡り高精度に維持する必要がある。本発明の超硬合金材料は、電解質水溶液、油成分等による腐食に耐え、摺動による摩耗にも耐える耐摩耗性の優れた材料である。耐摩耗性が優れることにより、位置決め接触点が殆ど変化せず、従って、位置決め精度がより向上し、ガイド及び／又は電極部材の交換や清掃等のメインテナンス性が向上した。更にこの超硬合金材料に硬質皮膜を被覆することにより、上記２つの役割を満足させるガイド及び／又は電極部材を得ることができる。
本発明を適用したワイヤのガイド及び／又は電極部材の形状は、略正方形の形状、又はワイヤのガイド機能をより有効に行うために、矩形形状にワイヤの通る部分に溝形状を形成したり、円筒形、長方体、ロッド状等任意の形状を選択することができる。
本発明の部材が、ワイヤ電極のガイドとしての役割と、電極部材としての役割とを併せ持つことにより、ワイヤ電極に対する通電位置を被加工物により近い位置にすることができ、電源からのパルス電流を損失することなく、又、パルス電流のピーク、波形を歪ませることなく、加工間隙に安定に供給することができる。更に、加工電流を増大させて加工速度を向上させることができる。以下、実施例に基づき、本発明を具体的に説明する。
【実施例】
【００１２】
（実施例１）
原料粉末として、平均粒径０．６μｍのＷＣ粉末、同１．５μｍのＮｉ粉末、同１．５μｍのＣｒ３Ｃ２粉末、同１．２μｍのＣｏ粉末を準備し、これら原料粉末を所定の配合組成に配合し、アトライターにて１２時間湿式混合し、乾燥の後、プレス成形機にて成形後、真空中雰囲気で１３００〜１４５０℃の範囲の所定温度にて３０分焼結し、その後９．８×１０５Ｐａ以上の加圧雰囲気にて加圧焼結を３０分行い超硬合金素材を得た。得られた超硬合金素材の表面を鏡面仕上げ加工した。また、ＷＣの平均粒径を測定した。平均粒径を測定には、焼結素材の断面を鏡面研磨した試料を用意した。これを村上試薬で０．５分間、王水で０．５分間エッチングすることにより結晶粒界を明確にし、走査型電子顕微鏡により１００００倍で撮影した画像を拡大コピーした。これを画像解析装置により解析することにより平均粒径を算出した。試料測定の結果を表１に示す。
【００１３】
【表１】
2005246540.tif 000002
【００１４】
上記で得られた超硬合金素材に硬質皮膜の被覆を行った。被覆はＡＩＰ法を使用し、超硬合金基体の表面に硬質皮膜を形成した。蒸着源材料には、所望の組成を得るため、ターゲット材料を適宜選択した。例えば（ＴｉＢ）（ＯＮ）皮膜を得る場合にはＴｉＢターゲットを用い、（ＣｒＳｉＢ）Ｎ皮膜を得る場合にはＣｒＳｉＢターゲットを用いた。成膜条件は、−３００Ｖ／＋２０Ｖのパルスバイアス電圧を印荷し、反応ガスとしての窒素ガスの流量５００ｓｃｃｍ、及び必要なガス成分を供給した。反応ガス圧力０．５Ｐａであった。得られた（ＴｉＢ）（ＯＮ）皮膜のＥＳＣＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｆｏｒ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）分析の結果、ＴｉとＮとの結合エネルギーの回折ピークが確認され、ＢとＮとの結合エネルギーの回折ピークが確認された。更に得られた硬質皮膜のラマン分光分析結果、ｃ−ＢＮ層とｈ−ＢＮ層の存在が確認された。各相の存在比率はバイアス電圧値により調整することができる。硬質皮膜の被覆時にイオンエネルギーが大きいと、ｃ−ＢＮの比率が高く、高硬度の硬質皮膜が得られた。イオンエネルギーが小さいときにはＢＮ相の出現は認められなかった。またパルスバイアスを使用しない場合でも、基体に印荷するバイアス電圧が高いとき、ｃ−ＢＮ層及びｈ−ＢＮ層の存在が確認された。これらの相は微結晶として皮膜内に分散している。従って硬質皮膜内に微結晶を分散させて高硬度化を達成するためには、被覆条件の最適化も重要である。膜厚は１μｍから６μｍの範囲で適宜調節を行った。得られた硬質皮膜表面は、機械加工により平滑化した。
【００１５】
（実施例２）
実施例１により得られたワイヤカット放電加工装置に用いるワイヤのガイド及び／又は電極部材と従来の市販の電極部材を用いて耐久性の比較試験を行った。比較試験に用いた試験条件を以下に示す。また、評価方法は、使用前後の重量変化を測定し、これを摩耗による減量分とした。従って減量の少ない材料が、耐摩耗性に優れた材料である。表１に試験結果を示す。ここでノッチとは、ワイヤカット放電加工装置の可変スイッチの目盛りを意味し、ワイヤ送り速度、ワイヤ張力を適正ワイヤセット加工条件に調節した時の値である。
（試験条件）
被加工材料：ＳＫＤ−１１
被加工材寸法（ｍｍ）：１００（幅）×１００（長さ）×２０（厚さ）
ワイヤ線径（ｍｍ）：φ０．２ｍｍ
ワイヤ材質：ＨＢＺ（日立電線社製真鍮線）
ワイヤ送り速度（ＷＳ）：１１ノッチ
ワイヤ張力（ＷＴ）：１１ノッチ
加工時間：４時間
【００１６】
表１に示す通り、本発明例１から６は、比較例、従来例よりも摩耗による電極部材の重量減量が少なく、耐摩耗性に優れ長寿命化に適していることがわかった。表１内右端の評価欄にある◎は、重量減量が５０ｍｇ以下の場合、○は１００ｍｇ以下、△は３００ｍｇ以下、×は３００ｍｇ超の場合としての分類を示す。
比較例７、８は本発明例１、２に対してＣｏ含有量が多い。Ｃｏ含有量が１％を超えて多く含有されているために、Ｎｉ含有量、粒径が本発明の規定範囲にあるにも拘わらず、重量減量は大きくなった。この理由は耐腐食性が劣り、ワイヤに付着した水溶液成分によって基体のクラック伸展が増大し、これを起点として摩耗が進行したためである。試験後の電極部材の観察により、ワイヤ電極との接触部分の１部が、微小な欠損や破損に至っている事を確認した。
比較例９、１０は、Ｎｉ含有量が本発明の範囲を外れて含有されているために、Ｃｏ含有量、粒径が本発明の規定範囲にあるにも拘わらず、重量減量は大きくなった。この理由として比較例９は、Ｎｉ含有量が５％と低いため、局所的なアーク放電等による電解腐食により溶けてしまったためである。これは、試験後の電極部材の観察により確認された。一方、比較例１０は、Ｎｉ含有量が２１％と多いいため、硬度低下を招き、耐摩耗性が劣ったためである。硬度測定によって、硬度の低下を確認した。従って、何れも本発明の摩耗特性と比較して劣る結果であった。
比較例１１、１２は、ＷＣ粒径が本発明の範囲を外れているために、Ｃｏ含有量、Ｎｉ含有量が本発明の規定範囲にあるにも拘わらず、重量減量は大きくなった。比較例１１は試験後の電極部材の観察により電極部材の表面部から内部に向かって粒界部に沿ったクラックの進展が確認された。ＷＣ平均粒径が０．７μｍであったため、粒界部が増大し、耐クラック性が劣化したためである。一方、比較例１２は、４．５μｍと大きい場合であったため、硬度が低減して耐摩耗性が低減したことが原因である。
比較例１３、１４は、皮膜の摩擦係数が０．８を超えて大きいために、Ｃｏ含有量、Ｎｉ含有量、粒径が本発明の規定範囲にあるにも拘わらず、重量減量は大きくなった。この理由は試験初期における接触抵抗が高いため、電極部材とワイヤ電極の間での放電が頻繁に繰り返され、電解腐食が進行したためである。
本発明例１、２と本発明例３とを比較すると、皮膜は（ＴｉＢ）（ＯＮ）系皮膜、（ＣｒＳｉＢ）Ｎ系皮膜であるほうが、摩擦係数が小さく好ましいが、本発明例３の様に（ＴｉＡｌ）系の皮膜であっても、摩擦係数が０．８以下を満たすものであれば、耐摩耗性に関しては満足のできる結果を得ることができる。