(57)【要約】  緻密で比較的厚い被膜の形成処理が行える放電表面処理方法および放電表面処理装置を得ること。第１の電源２３から放電電極２１とワーク２２との間である極間に電圧を印加して放電が発生すると、第２の電源２８から極間に、第１の電源２３による第１の放電電流に重畳する形で、その第１の放電電流よりも高い電流値の第２の放電電流を流す電圧を短期間内印加する。これによって、極間には、少なくとも４０Ａ／μｓ以上の立ち上がり速度を有する高電流値短パルス幅の放電パルス電流が流れる。その結果、短時間に電極材料の必要な部分のみを溶融させ、放電の熱エネルギーによってワーク側へ移行する電極材料あるいはその電極材料が化合した物質に、その溶融した電極材料を多くの割合で含ませることができるので、ワーク表面に溶融した金属による被膜を形成することができる。
2007060729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末、金属化合物の粉末、セラミックスの粉末のいずれか一つまたはそれらの混合物を圧縮成形した放電電極とワークとの間である極間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギーによってワーク表面に電極材料あるいは前記電極材料が放電エネルギーによって反応した物質からなる被膜を形成する放電表面処理方法において、
前記極間に放電が発生したことを検出する放電検出工程と、
前記放電検出工程による放電の発生検出を受けて前記極間に供給する電流量および時間幅を調整して少なくとも４０Ａ／μｓ以上の立ち上がり速度を有する高電流値短パルス幅の放電パルス電流を生成し、表面処理を行う電流供給工程と
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４０Ａ／μｓ以上の立ち上がり速度を有する高電流値短パルス幅の放電パルス電流は、パルス幅が１μｓ以下であることを特徴とする請求項１に記載の放電表面処理方法。
【請求項３】
前記電流供給工程は、
放電の発生検出を受けて、前記極間に放電を発生させるための電圧を所定期間内印加するように制御している第１の電源と並列に第２の電源を接続し、前記第１の電源による第１の放電電流よりも長い期間前記第１の放電電流よりも高い電流値の第２の放電電流を流すように前記第２の電源から前記極間への短期間内電圧印加を制御して、前記４０Ａ／μｓ以上の立ち上がり速度を有する高電流値短パルス幅の放電パルス電流を生成する工程
を含むことを特徴とする請求項１に記載の放電表面処理方法。
【請求項４】
前記電流供給工程は、
放電の発生検出を受けて、前記極間に放電を発生させるための電圧を所定期間内印加するように制御している第１の電源と並列に第２の電源を接続し、前記第１の電源による第１の放電電流よりも長い期間である１μｓ以下の期間内前記第１の放電電流よりも高い１０Ａ〜２０Ａの電流値を有する第２の放電電流を流すように前記第２の電源から前記極間への短期間内電圧印加を制御して、前記４０Ａ／μｓ以上の立ち上がり速度を有する高電流値短パルス幅の放電パルス電流を生成する工程
を含むことを特徴とする請求項１に記載の放電表面処理方法。
【請求項５】
前記電流供給工程は、
放電の発生検出を受けて、前記極間に放電を発生させるための電圧を所定期間内印加するように制御している第１の電源と並列に第２の電源を接続し、前記第１の電源による第１の放電電流が流れている期間の後端側を残した前端側において短い期間内前記第１の放電電流よりも高い電流値の第２の放電電流を流すように前記第２の電源から前記極間への短期間内電圧印加を制御して、前記４０Ａ／μｓ以上の立ち上がり速度を有する高電流値短パルス幅の放電パルス電流とそれに後続する低電流値長パルス幅の放電パルス電流とを生成する工程
を含むことを特徴とする請求項１に記載の放電表面処理方法。
【請求項６】
前記電流供給工程は、
放電の発生検出を受けて、前記極間に放電を発生させるための電圧を所定期間内印加するように制御している第１の電源と並列に第２の電源を接続し、前記第１の電源による第１の放電電流が流れている期間の後端側を残した前端側において１μｓ以下の期間内前記第１の放電電流よりも高い１０Ａ〜２０Ａの電流値を有する第２の放電電流を流すように前記第２の電源から前記極間への短期間内電圧印加を制御して、前記４０Ａ／μｓ以上の立ち上がり速度を有する高電流値短パルス幅の放電パルス電流とそれに後続する低電流値長パルス幅の放電パルス電流とを生成する工程
を含むことを特徴とする請求項１に記載の放電表面処理方法。
【請求項７】
前記電流供給工程は、
放電の発生検出を受けて、前記４０Ａ／μｓ以上の立ち上がり速度を有する高電流値短パルス幅の放電パルス電流とそれに後続する低電流値長パルス幅の放電パルス電流とを回路のインピーダンスを切り替えることで生成する工程
を含むことを特徴とする請求項１に記載の放電表面処理方法。
【請求項８】
前記放電電極の材料は、前記極間を加工液で満たすときに炭化物を形成し難い金属材料としてＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅのいずれかであり、それを４０体積％以上含むことを特徴とする請求項１に記載の放電表面処理方法。
【請求項９】
金属粉末、金属化合物の粉末、セラミックスの粉末のいずれか一つまたはそれらの混合物を圧縮成形した放電電極とワークとの間である極間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギーによってワーク表面に電極材料等からなる被膜を形成する放電表面処理装置において、
前記極間に放電が発生したことを検出する放電検出手段と、
前記放電検出手段による放電の発生検出を受けて前記極間に印加する電圧の時間幅と供給する電流量とを調整して少なくとも４０Ａ／μｓ以上の立ち上がり速度を有する高電流値短パルス幅の放電パルス電流を生成し、表面処理を行う電流供給手段と、
を備えていることを特徴とする放電表面処理装置。
【請求項１０】
前記４０Ａ／μｓ以上の立ち上がり速度を有する高電流値短パルス幅の放電パルス電流は、パルス幅が１μｓ以下であることを特徴とする請求項９に記載の放電表面処理装置。
【請求項１１】
前記電流供給手段は、
前記極間に放電を発生させるための電圧を印加する電源であって放電が発生したときに前記極間に所定期間内第１の放電電流を流すように制御される第１の電源と、
前記第１の電源とは異なる第２の電源と、
放電の発生検出を受けて前記極間に前記第１の電源と並列に前記第２の電源を接続し、前記第１の電源による前記第１の放電電流よりも長い期間前記前記第１の放電電流よりも高い電流値の第２の放電電流を流すように前記第２の電源から前記極間への短期間内電圧印加を制御して、前記４０Ａ／μｓ以上の立ち上がり速度を有する高電流値短パルス幅の放電パルス電流を生成する手段と、
を備えていることを特徴とする請求項９に記載の放電表面処理装置。
【請求項１２】
前記電流供給手段は、
前記極間に放電を発生させるための電圧を印加する電源であって放電が発生したときに前記極間に所定期間内第１の放電電流を流すように制御される第１の電源と、
前記第１の電源とは異なる第２の電源と、
放電の発生検出を受けて前記極間に前記第１の電源と並列に前記第２の電源を接続し、前記第１の電源による前記第１の放電電流よりも長い期間である１μｓ以下の期間内前記前記第１の放電電流よりも高い１０Ａ〜２０Ａの電流値を有する第２の放電電流を流すように前記第２の電源から前記極間への短期間内電圧印加を制御して、前記４０Ａ／μｓ以上の立ち上がり速度を有する高電流値短パルス幅の放電パルス電流を生成する手段と、
を備えていることを特徴とする請求項９に記載の放電表面処理装置。
【請求項１３】
前記電流供給手段は、
前記極間に放電を発生させるための電圧を印加する電源であって放電が発生したときに前記極間に所定期間内第１の放電電流を流すように制御される第１の電源と、
前記第１の電源とは異なる第２の電源と、
放電の発生検出を受けて前記極間に前記第１の電源と並列に前記第２の電源を接続し、前記第１の電源による前記第１の放電電流が流れている期間の後端側を残した前端側において短い期間内前記第１の放電電流よりも高い電流値の第２の放電電流を流すように前記第２の電源から前記極間への短期間内電圧印加を制御して、前記４０Ａ／μｓ以上の立ち上がり速度を有する高電流値短パルス幅の放電パルス電流とそれに後続する低電流値長パルス幅の放電パルス電流とを生成する手段と、
を備えていることを特徴とする請求項９に記載の放電表面処理装置。
【請求項１４】
前記電流供給手段は、
前記極間に放電を発生させるための電圧を印加する電源であって放電が発生したときに前記極間に所定期間内第１の放電電流を流すように制御される第１の電源と、
前記第１の電源とは異なる第２の電源と、
放電の発生検出を受けて前記極間に前記第１の電源と並列に前記第２の電源を接続し、前記第１の電源による前記第１の放電電流が流れている期間の後端側を残した前端側において１μｓ以下の期間内前記第１の放電電流よりも高い１０Ａ〜２０Ａの電流値を有する第２の放電電流を流すように前記第２の電源から前記極間への短期間内電圧印加を制御して、前記４０Ａ／μｓ以上の立ち上がり速度を有する高電流値短パルス幅の放電パルス電流とそれに後続する低電流値長パルス幅の放電パルス電流とを生成する手段と、
を備えていることを特徴とする請求項９に記載の放電表面処理装置。
【請求項１５】
前記電流供給手段は、
前記極間に放電を発生させるための電圧を印加する電源であって放電が発生したときに前記極間に所定期間内第１の放電電流を流すように制御される電源と、
インピーダンス値を大小任意に選択できる電流経路と、
放電の発生検出を受けて、前記４０Ａ／μｓ以上の立ち上がり速度を有する高電流値短パルス幅の放電パルス電流とそれに後続する低電流値長パルス幅の放電パルス電流とを前記電流経路のインピーダンス値を切り替えることで生成する手段と、
を備えていることを特徴とする請求項９に記載の放電表面処理装置。
【請求項１６】
前記放電電極の材料は、前記極間を加工液で満たすときに炭化物を形成し難い金属材料としてＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅのいずれかであり、それを４０体積％以上含むことを特徴とする請求項９に記載の放電表面処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、放電加工技術を利用して被処理物（ワーク）の表面に被膜を形成する放電表面処理方法および放電表面処理装置に関し、特に緻密で比較的厚い被膜を形成する放電表面処理方法および放電表面処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高温環境下では、Ｃｒ（クロム）やＭｏ（モリブデン）は、酸化されて酸化物となることで潤滑性を発揮することが解っているので、従来では、高温環境下での強度と潤滑性とを持った材料をコーティングあるいは肉盛りする必要がある部品、例えば、航空機用ガスタービンエンジンのタービンプレードなどの表面には、Ｃｏ（コバルト）をベースとし、ＣｒやＭｏを含んだ材料による被膜を溶接や溶射などの方法で厚く盛り上げている。【０００３】
ここで、溶接とは、ワークと溶接棒との間の放電により溶接棒の材料をワークに溶融付着させる方法である。また、溶射とは、金属材料を溶かした状態にし、スプレー状にワークに吹き付け被膜を形成する方法である。【０００４】
しかしながら、この溶接・溶射の何れの方法も人手による作業であり、熟練を要するため、この溶接・溶射の作業を生産ラインに組み込むライン化が困難であり、コストが高くなるという問題がある。また、特に溶接は、熱が集中してワークに入る方法であるので、厚みの薄い材料を処理する場合や、単結晶合金・一方向凝固合金など方向制御合金のように割れやすい材料では、溶接割れが発生しやすく歩留まりが低いという問題もある。【０００５】
放電加工による表面処理方法（放電表面処理方法）は、上記した問題を解決することができる。この放電表面処理方法は、金属粉末、金属化合物の粉末、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ってワークの表面に、電極材料あるいは電極材料が放電の熱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方法であり、公知の技術である（例えば特許文献１、非特許文献１〜３等）。【０００６】
例えば、特許文献１に開示された電極製造方法では、電極にはある程度の硬さを持たせつつ放電による電極材料の供給を抑え、供給された材料を十分溶融させることによりワーク表面に硬質セラミックス被膜を形成している。【０００７】
また、非特許文献１，２では、放電により硬質被膜を形成する方法が記載され、非特許文献３では、ＷＣ−Ｃｏの電極により厚膜を形成したとの報告がなされている。【０００８】
【特許文献１】特許第３２２７４５４号公報
【非特許文献１】“Formation of Hard Layer on Metallic Material byEDM”A.Goto,T.Magara,T.Moro,H.Miyako,.Proc.International Symposium forElectro-machining(ISEM12).1998
【非特許文献２】“DEVELOPMENT OF ELECTRICAL DISCHARG COATINGMETHOD”A.Goto,T.Moro,M.Matsukawa,M.Akiyoshi,N.Saito,N.Mohri.Proc.InternationalSymposium for Electro-machining(ISEM13).2001
【非特許文献３】“放電表面処理（ＥＤＣ）による厚膜の形成”後藤昭弘，毛呂俊夫，齋藤長男，毛利尚武．型技術（Ｎｏ．３１９），１９９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の特許文献１による方法では、形成される被膜は１０μｍ程度までの薄膜に限定されるが、高温環境下での強度と潤滑性とが必要とされる被膜や、部品の補修などでの肉盛りに用いる被膜では、緻密で、かつ厚さが１００μｍ程度以上の比較的厚い被膜の形成が求められている。放電表面処理による厚膜の形成では、電極側からの材料の供給とその供給された材料のワーク表面での溶融及びワーク材料との結合の仕方が被膜性能に最も影響を与えるので、かかる観点から新たな技術開発が必要になる。【００１０】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、緻密で比較的厚い被膜の形成処理が行える放電表面処理方法および放電表面処理装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した目的を達成するために、この発明は、金属粉末、金属化合物の粉末、セラミックスの粉末のいずれか一つまたはそれらの混合物を圧縮成形した放電電極とワークとの間である極間にパルス状の放電を発生させ、そのエネルギーによってワーク表面に電極材料あるいは前記電極材料が放電エネルギーによって反応した物質からなる被膜を形成する放電表面処理方法において、前記極間に放電が発生したことを検出する放電検出工程と、前記放電検出工程による放電の発生検出を受けて前記極間に供給する電流量および時間幅を調整して少なくとも４０Ａ／μｓ以上の立ち上がり速度を有する高電流値短パルス幅の放電パルス電流を生成し、表面処理を行う電流供給工程とを含むことを特徴とする。【００１２】
この発明によれば、短時間に電極材料の必要な部分のみを溶融させ、放電の熱エネルギーによってワーク側へ移行する電極材料あるいはその電極材料が化合した物質に、その溶融した電極材料を多くの割合で含ませることができるので、ワーク表面に溶融した金属による被膜を形成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、緻密で比較的厚い被膜の形成処理が行えるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、この発明の実施の形態１として、この発明にかかる放電表面処理方法の基本的事項を説明する図（放電電極の材質成分と被膜厚との関係を説明する特性図）である。
【図２】図２は、放電電極が炭化物を形成し難い材料を含まない場合の処理時間と被膜厚との関係を説明する特性図である。
【図３】図３は、炭化物を形成し難い材料を含む放電電極の形成方法を説明する図である。
【図４】図４は、この発明にかかる放電表面処理方法の実施装置の構成を示す概念図である。
【図５】図５は、図４に示す放電表面処理装置において極間に印加するパルス電圧と流れる放電パルス電流との原理的な関係を説明する電圧パルスおよび電流パルスの波形図である。
【図６】図６は、被膜形成のメカニズムを説明する図である。
【図７】図７は、ワークに形成された被膜の状態を示す顕微鏡写真（断面写真、表面写真）である。
【図８】図８は、この発明の実施の形態２による放電表面処理方法の実施装置の構成を示すブロック図である。
【図９】図９は、図８に示す放電表面処理装置の動作を説明する波形図である。
【図１０】図１０は、放電パルス電流のパルス幅と空隙率（緻密さ）との関係を説明する特性図である。
【図１１】図１１は、立ち上がり速度８０Ａ／μｓ、パルス幅１μｓの放電パルス電流で成形した被膜の顕微鏡断面写真である。
【図１２】図１２は、この発明の実施の形態３として、放電電極に溶融し易い材料が含まれる場合と溶融し難い材料が含まれる場合とについて、同じ放電条件でワークに形成した被膜の状態を比較して示す顕微鏡写真である。
【図１３】図１３は、溶融し易い材料は含まれているが構成する粉末の粒径が大きく溶融し難い状態にある放電電極を用いて形成した被膜の状態を示す顕微鏡写真である。
【図１４】図１４は、この発明の実施の形態３による放電表面処理方法で適用する放電条件を説明する波形図である。
【図１５】図１５は、実際に用いた放電パルス電流の各値を示す波形図である。
【図１６】図１６は、図１５に示す放電パルス電流を適用して得られた被膜の顕微鏡写真である。
【図１７】図１７は、被膜に生ずる剥離の一例を示す顕微鏡写真である。
【図１８】図１８は、被膜に剥離が生ずるプロセスを説明する図である。
【符号の説明】
【００１５】
１  Ｃｏ合金粉末
２  金型の上パンチ
３  金型の下パンチ
４  金型のダイ
１１  放電表面処理用電極
１２  ワーク
１３  加工液
１４  放電表面処理用電源
１５  放電のアーク柱
１７  ワーク母材
１８  被膜
１９  空隙
２１  放電表面処理用電極
２２  ワーク
２３  第１の電源
２４  スイッチング素子群
２５  抵抗器群
２６  制御回路
２７  加工液
２８  第２の電源
２９  スイッチング素子
３０  抵抗器
３１  放電検出回路
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に図面を参照して、この発明にかかる放電表面処理方法および放電表面処理装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。【００１７】
実施の形態１．
この実施の形態１では、この発明にかかる放電表面処理方法の基本的事項を説明する。従来の放電表面処理では、電極に例えばＴｉ（チタン）の微粉末を主成分とした圧縮成形されたものを用い、専用のパルス電源によって加工液（油）中で電極と母材（ワーク）との間に火花放電を発生させる。加工液中では、その時の熱エネルギーで電極材料が溶解してＴｉが溶け出し、同時に油もその熱に曝されて分解し遊離炭素（Ｃ）を放出し、それらが化学結合してセラミックスであるＴｉＣ（炭化チタン）という硬質の炭化物に変わり、母材表面に膜を形成する。これによって、母材表面全体に硬質の被膜（今の例ではＴｉＣ被膜）が形成され、母材表面が熱伝導・融点などの特性が変化したものに出来上がる。【００１８】
このように、従来の放電表面処理に用いられる電極成分は、炭化物を形成し易い材料（Ｔｉ等）の割合を多くするようにしているが、発明者らは、例えば図１や図２に示すように、油を加工液として使用する場合に、電極成分に炭化し難い材料（炭化物を生成し難い材料）を含む割合を増加させて実験を行った結果、金属のまま被膜に残る材料が増え、緻密で、かつ比較的厚い被膜が形成できることを見出した。つまり、緻密で比較的厚い被膜の形成には、電極の材料的条件が重要であることが判明した。このように油中の放電によって炭化物とならず金属のまま被膜に残る材料としては、ＣｏやＮｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）等が挙げられる。【００１９】
まず、図１と図２を参照して、実験内容を具体的に説明する。図１は、この発明にかかる放電表面処理方法の基本的事項である放電電極の材質成分と被膜厚との関係を説明する特性図であり、横軸はＣｏ体積％、縦軸は被膜厚さ（μｍ）である。図２は、放電電極が炭化物を形成し難い材料を含まない場合の処理時間と被膜厚との関係を説明する特性図であり、横軸は処理時間（分／ｃｍ2）、縦軸は被膜厚さ（μｍ）である。【００２０】
図１は、電極に含ませる炭化物を形成し難い材料であるＣｏ（コバルト）量（体積％）を０，１０，２０，〜，８０と増加させた場合の被膜厚さ（μｓ）の変化を示すが、実験で用いた放電表面処理の条件は、次の通りである。なお、ここでいう体積％は、混合するそれぞれの粉末の重量をそれぞれの材料の密度で割った値の比率のことであり、粉末全体の材料の体積中においてその材料が占める体積の割合である。【００２１】
すなわち、電極は、炭化物であるＣｒ3Ｃ2（炭化クロム）とＣｏとを混合した粉末を後述する図３に示す方法で圧縮成形し、その後電極強度を増すために加熱して製作したものであり、そこでのＣｏの量（体積％）を０，１０，２０，〜，８０と変化させている。この電極を１５ｍｍ×１５ｍｍの四角形状に形成し、後述する図４に示す実施装置にセットし、電極がマイナスで、母材（ワーク）がプラスであるパルス電圧を極間に印加する。【００２２】
印加するパルス電圧と流れる放電パルス電流との関係は、原理的には後述する図５に示すようになるが、ここでは、ピーク電流値ｉｅが１０Ａで、放電持続時間（パルス幅）ｔｅが６４μｓである放電パルス電流（図５（ｂ））が得られるパルス電圧（図５（ａ））を休止時間ｔｏ（＝１２８μｓ）を挟んで印加した。被膜を形成する処理時間は１５分である。【００２３】
図１に示すように、製作した電極内で、Ｃｏの含有量（体積％）を変化させると、厚膜の形成し易さが変わっていくのが解る。図１では、Ｃｏ含有量が３０体積％以下の低い場合には１０μｓ程度の膜厚であったものが、Ｃｏ含有量が３０体積％程度を越すと、次第に膜厚が厚くなり、Ｃｏ含有量が５０体積％を過ぎたころから膜厚が１００００μｍ近くにまで厚くなることが示されている。【００２４】
なお、図１では、Ｃｏ含有量が３０体積％程度を越すと滑らかに膜厚が上昇するように記載しているが、これは、複数回の試験を行った平均値である。実際には、Ｃｏ含有量が３０体積％程度の場合には、被膜が厚く盛り上がらない場合や、厚く盛り上がった場合でも被膜の強度が弱い、すなわち、金属片などで強く擦ると除去されてしまう場合などもあり、安定しない。【００２５】
別の観点から説明する。上記のような条件に基づいてワーク上に被膜を形成した場合、電極内のＣｏ含有量が０体積％の場合、すなわち炭化クロムが１００重量％の場合には、図１に示すように、形成できる被膜の厚さ（μｍ）は１０μｍ程度が限界であり、それ以上厚みを増すことはできない。このように、Ｃｏの如き炭化物を形成し難い材料が電極内に無い場合の処理時間（分／ｃｍ2）に対する被膜の厚さ（μｍ）の関係は、図２に示すようになる。【００２６】
図２によれば、処理の初期では、被膜の厚さが時間と共に成長して厚くなり、ある処理時間を経過するところ（約５分／ｃｍ2）で飽和する。その後暫くの間、膜厚は成長しないが、ある処理時間（２０分／ｃｍ2程度）以上処理を続けると、今度は被膜の厚みが減少しはじめ、最後には被膜厚さはマイナス、すなわち掘り込みに変わってしまう。但し、掘り込んだ状態でも被膜は存在しており、その厚み自体は１０μｍ程度であり、適切な時間で処理した状態とほとんど変わらない。【００２７】
つまり、図１は、被膜中に金属として残る材料を多くすることにより、炭化物になっていない金属成分を含む被膜を形成することができ、緻密な厚膜が安定して形成し易くなることを示している。そして、電極内に炭化し難い材料あるいは炭化しない材料を含有する程度としては、図１から、４０体積％以上であればよく、より好ましくは５０体積％を超えるとよいことが理解できる。実験によれば、電極中におけるＣｏの含有量が７０体積％の場合、厚さ２ｍｍ程度の安定した緻密な厚膜を形成できた。この被膜は１５分の処理時間で形成されたものであるが、処理時間を増せばさらに厚い被膜にすることができる。【００２８】
なお、図１では、炭化し難い材料あるいは炭化しない材料として、Ｃｏを用いた場合を示したが、上記したように、炭化物を形成し難い材料としては、Ｃｏの他に、Ｎｉ、Ｆｅなどもあり、これらも同様に用いることができる。【００２９】
このように被膜中に金属として残る材料を多くすることにより、炭化物になっていない金属成分を含む被膜を形成することができ、安定して緻密な厚膜が形成し易くなることが解り、必要な形成条件も会得できたので、以上の結果を踏まえて次に、図３〜図７を参照して、実際に被膜形成を行いたい材料に被膜を形成する方法について説明する。なお、ここでは、一例として、Ｃｏ合金の粉末を圧縮成形した電極を用いて厚膜を形成する場合を示す。【００３０】
図３は、炭化し難い材料を含む放電電極の形成方法を説明する図である。図４は、この発明にかかる放電表面処理方法の実施装置の構成を示す概念図である。図５は、図４に示す放電表面処理装置において極間に印加するパルス電圧と流れる放電パルス電流との原理的な関係を説明する電圧パルスおよび電流パルスの波形図である。図６は、被膜形成のメカニズムを説明する図である。図７は、ワークに形成された被膜の状態を示す顕微鏡写真（断面写真、表面写真）である。【００３１】
Ｃｏ合金の粉末を圧縮成形した放電電極を形成するプロセスは、図３に示すようになっている。図３において、金型の上パンチ２と、金型の下パンチ３と、金型のダイ４とで囲まれた空間に、粒径１〜２μｍ程度のＣｏ合金粉末１と成形性を良くするためのワックス（重量で２％から１０％）とを混合した混合物を充填し、約１５０ＭＰａ程度のプレス圧をかけて圧縮成形することにより、放電電極を形成する。【００３２】
そして、このように形成された放電電極を６００℃から８００℃の範囲で加熱することにより、電極自身の強度を増すと共に、混合したワックスを除去する。但し、適切な加熱温度は、粉末の材料・粒径・圧縮の際のプレス圧などによって変化する。【００３３】
ここで、Ｃｏ合金粉末１の合金の配合比率は、「Ｃｒ２５重量％、Ｎｉ１０重量％、Ｗ（タングステン）７重量％、残Ｃｏ」である。この比率は、高温環境下での耐磨耗のための材料として使用される組み合わせである。このような比率で配合された電極は、材料の持つ硬さと、高温環境下でＣｒが酸化してできるＣｒ2０3（酸化クロム）が潤滑性を発揮することから耐磨耗の効果を発揮する。【００３４】
なお、放電電極における同様の材料としては、他に「Ｍｏ２８重量％、Ｃｒ１７重量％、Ｓｉ（シリコン）３重量％、残Ｃｏ」や「Ｃｒ２０重量％、Ｎｉ１０重量％、Ｗ１５重量％、残Ｃｏ」などのステライト系合金などが挙げられる。ステライト系合金は、耐蝕性、高温硬さに優れるため、通常これらの性質の必要な部品に溶接などによりコーティング処理がなされる材料であり、耐蝕性、高温硬さを要する際のコーティング処理に好適である。【００３５】
そして、このような機能を要求されず、部品の補修など単に厚膜を形成するだけの用途であれば、例えば、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅなどの粉末のみで作った電極を使用しても厚膜を形成することができる。【００３６】
次に、図４において、放電電極１１は、以上のようにして形成したものであり、四角形状（１５ｍｍ×１５ｍｍ）になっている。この放電電極１１とワーク１２とを加工液１３中に対向配置し、放電電極１１とワーク１２とに放電表面処理用電源１４から図５（ａ）に示すようなパルス電圧を印加する。上記したように、印加電圧の極性は、放電電極１１がマイナスで、ワーク１２がプラスである。【００３７】
放電電極１１とワーク１２との間の極間では、図５（ａ）（ｂ）に示すように、放電開始前では高い値の無負荷電圧ｕｉが印加された状態となり、放電遅れ時間ｔｄ経過後に放電が発生すると、低い値の放電電圧ｕｅに降下し、図４中矢印の向きに流れる放電電流を継続させる所定時間（放電パルス幅）ｔｅを経過すると、ゼロになる。その後は、休止時間ｔｏの経過毎に、幅「ｔｄ＋ｔｅ」のパルス電圧の印加が行われることで、放電電極１１とワーク１２との間の極間にパルス状の放電が繰り返し発生し、次のようにしてワーク１２の表面に被膜が形成される。【００３８】
なお、図５（ｂ）では、電流波形として矩形波を示してあるが、実際には、電流の流れる経路のインダクタンスにより電流の立ち上がりは緩やかではあるが、１０μＡ／μｓ程度の立ち上がりの電流パルスとなる。【００３９】
すなわち、図４において、放電電極１１とワーク１２との間の極間にパルス状の放電が発生すると、放電の熱エネルギーによって放電のアーク柱１５が発生し、電極材料が加工液１３中に放出され、ワーク１２の表面に達する。この際、電極材料の一部は、放電のエネルギーにより溶融し、ワーク１２の表面に擬固して被膜となる。【００４０】
したがって、緻密な厚膜を放電表面処理により形成するためには、パルス状の放電による電極材料の極間への供給量とその後のワーク表面への供給量とが適切であり、かつ、供給された電極材料がそのパルス状の放電によって溶融されてワーク表面に強固に結合することが必要である。図１にて説明した放電のパルス条件「ピーク電流値ｉｅ＝１０Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）ｔｅ＝６４／μｓ、休止時間ｔｏ＝１２８μｓ」は、この要求を満たす値の一例である。【００４１】
ここで、図６を参照して被膜形成のメカニズムについて説明する。図６において、放電が発生すると、放電電極１１とワーク１２は共に放電の熱エネルギーによって加熱されるが、放電電極１１は、粉末で構成されているので、熱伝導が悪い。そのため、熱が放電のアーク柱１５の形成領域付近にこもり集中し、一部は気化するまでになり、気化による爆発力で、熱により溶融した電極の粉末物質が加工液１３中に放出される。一方、ワーク１２側は、放電の熱エネルギーによって放電のアーク柱１５の形成領域部分は溶融するが、大部分の放電熱エネルギーは金属であるワーク１２自体を伝わって発散してしまうので、ワーク１２側材質の加工液１３中への放出は少ない。このことから、電極材料の気化による爆発力と、溶融した電極材料が電磁気的な力によって引っ張られる力（これは溶接の際に溶接棒の材料がワーク側へ移行する際に働く力と同じ）により、電極材料側がワーク材料側に移行して被膜を形成すると推察できる。【００４２】
そして、図７を参照して、図１にて説明した放電のパルス条件でワーク上に形成される被膜の状況を検討する。図７（ａ）は断面写真であり、図７（ｂ）は表面写真である。図７（ａ）に示すように、図５（ｂ）に示したような矩形形状の電流パルスを使用した場合は、ワーク母材１７上にある程度緻密な厚膜の被膜１８が強固に形成されているが、被膜１８中に空隙（黒い部分）１９が多く存在することが観察される。【００４３】
このように被膜１８中に空隙１９が多く形成されてしまうのは、放電電極からワーク側に電極材料が供給される際に、充分に溶融していない電極材料が供給されていることが原因と考えられる。図７（ｂ）の表面写真を見ても溶融していない細かな粉末が存在しているのが観察される。この粉末は、必ずしも放電電極を構成している粉末のままである場合ばかりではなく、放電の熱エネルギーによっていくつかの粉末が溶融して融合する程度の熱エネルギーを受けているものも観察される。これらの溶融できていない粉末の上に放電が発生すると粉末の一部は溶融し、さらに溶融した材料が電極側から供給され、空隙１９を作りながら成膜が進むと考えられる。【００４４】
空隙１９を作りながら成膜が進む現象は、図６に示した被膜形成のメカニズムを用いて説明することができる。つまり、図６に示した「熱の影響が最も大きな」部分の材料のみがワーク側へ移行して被膜になればしっかり溶融した緻密な被膜が形成できるが、図６に示した「熱の影響が大きな」部分の材料や「熱の影響がややある」部分の材料もワーク側へ一緒に移行してしまう場合に、空隙１９を持つ被膜１８が形成されると考えられる。【００４５】
そこで、発明者らは、図７に示したような空隙１９を持つ被膜１８が形成されることに関し、放電パルス条件を種々に変えて検討した実験結果に基づき、放電により電極材料がワーク側に移行する際に完全に溶融しない材料が移行する割合は、放電のパルス幅に大きく影響を受けると推察した。すなわち、パルス幅が長くなると、溶融していない材料が多い割合で電極側からワーク側に移行し、パルス幅が短くなると、溶融していない材料の移行割合が減り、完全に溶融した材料が供給される割合が増えると考えている。【００４６】
つまり、電極側では、パルス幅が長くなると、放電によって入熱する時間が長くなるので、アーク直下の完全に溶融する部分から熱の影響する範囲が完全には溶融していない材料部分にまで広がる。その結果、完全には溶融していない材料部分では、放電電極の粉末の結合を弱める程度のエネルギーが与えられるので、ワーク側へ移行する溶融していない電極材料が増えることになる。反対に、パルス幅が短くなると、電極側では、熱の影響が広がらず、完全に溶融した電極材料がワーク側に移行するので、緻密な膜を形成することができる。【００４７】
しかし、パルス幅が短くなると、次のような問題が起きてくる。すなわち、パルス幅が短くなると、放電パルス電流のエネルギーが小さくなるので、電極材料に大きな粒径の粉末がある場合には溶融させられなくなる場合が生ずる。また、放電パルス電流のエネルギーが小さいため、十分な量の電極材料をワーク側へ移行させることが困難になり、被膜の形成速度が著しく遅くなる場合もある。【００４８】
このような問題を解決するためには、短いパルス幅でありながら放電パルス電流のエネルギーを上げること、すなわち、ピーク電流値を上げることが有効であることが発明者らの実験により明らかとなった。そして、被膜を緻密にするには、つまり空隙率を低くするには、実際に用いる放電パルス電流の条件を適用する放電電極が溶融させ易い状況にあるか否かに応じて定める必要があることも発明者らの実験により明らかとなった。以下、実施の形態２，３として、放電パルス電流の条件および適用する放電電極との関係について説明する。これによれば、加工速度を向上させて緻密な被膜を形成できる。【００４９】
実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２による放電表面処理方法の実施装置の構成を示すブロック図である。図８において、放電表面処理用電極２１は、比較的溶融させ易い材料であるＣｏ合金「Ｃｒ２５重量％、Ｎｉ１０重量％、Ｗ７重量％、残Ｃｏ」の粉末（粒径は１μｍ〜２μｍ程度）を圧縮成形したものである。被処理材（母材）であるワーク２２は、ニッケル合金製である。この放電電極２１とワーク２２とが図示しない駆動装置によって加工液２７中に所定間隔を置いて対向配置されている。【００５０】
電極２１には、第１の電源２３の負極端（マイナス）と第２の電源２８の負極端（マイナス）とが接続されている。ワーク２２には、第１の電源２３の正極端（プラス）がスイッチング素子群２４と抵抗器群２５の直列回路を介して接続され、第２の電源２８の正極端（プラス）がスイッチング素子２９と抵抗器３０の直列回路を介して接続されている。つまり、ワーク２２と第１の電源２３の正極端（プラス）との間には、スイッチング素子と抵抗器の直列回路の複数個が並列に設けられている。そして、放電検出回路３１が放電電極２１とワーク２２との間に接続され、放電検出回路３１の放電検出信号ａは制御回路２６に入力される。制御回路２６は、スイッチング素子群２４の各スイッチング素子およびスイッチング素子２９をＯＮ／ＯＦＦ制御し、第１の電源２３および第２の電源２８から極間への電圧印加を制御する。【００５１】
次に、図９を参照して、以上のように構成される放電表面処理装置の動作について説明する。図９は、図８に示す放電表面処理装置の動作を説明する波形図である。図９（１）は放電電極２１とワーク２２との間である極間に印加されるパルス電圧の波形である。図９（２）は極間に流れる放電パルス電流の波形である。図９（３）は制御回路２６がスイッチング素子群２４の全部または一部のスイッチング素子に与えるＯＮ／ＯＦＦ制御信号の波形であり、高レベル（Ｈレベル）である期間３２内、対応するスイッチング素子がＯＮ動作することを示す。図９（４）は放電検出回路３１が制御回路２６に与える放電検出信号ａの波形である。図９（５）は制御回路２６がスイッチング素子２９に与えるＯＮ／ＯＦＦ制御信号の波形であり、Ｈレベルである期間３４内、スイッチング素子２９がＯＮ動作することを示す。【００５２】
さて、当該放電表面処理開始時に、制御回路２６がスイッチング素子群２４の対応するスイッチング素子をＯＮ駆動する（図９（３））ことで、第１の電源２３から所定値の電圧（無負荷電圧ｕｉ）が極間に印加される。極間電圧は、放電遅れ時間ｔｄを経過するまで無負荷電圧ｕｉに維持される。放電遅れ時間ｔｄ経過後に放電が発生し、極間電圧が無負荷電圧ｕｉから所定の放電電圧ｕｅに低下する。【００５３】
放電検出回路３１は、当該放電表面処理開始に応答して制御回路２６に出力する放電検出信号ａのレベルをＨレベルに立ち上げ、極間電圧をモニタし、極間電圧が所定の放電電圧ｕｅに低下するのを検出すると、極間に放電が発生したと認識し、制御回路２６に出力する放電検出信号ａのレベルを低レベル（Ｌレベル）にする（図９（４））。【００５４】
制御回路２６は、放電検出信号ａがＬレベルになるのを受けて、所定時間３３経過後にスイッチング素子２９を所定時間３４内ＯＮ駆動し、極間に第２の電源２８から所定値の電圧を印加させる。制御回路２６は、所定時間３４が経過するとスイッチング素子群２４の対応スイッチング素子およびスイッチング素子２９をＯＦＦ駆動する（図９（５）（３））。つまり、所定時間３４の間は、極間に、第１の電源２３が出力する電圧と第２の電源２８が出力する電圧とが重畳して印加されている。【００５５】
その結果、図９（２）に示すように、極間には、放電開始直後の所定時間３３の間は低値の矩形形状放電電流が流れるが、所定時間３３の経過と同時にある傾き（Ａ／μｓ）を持った速い立ち上がりでほぼ直線的に上昇する放電電流が流れる。このときの立ち上がり特性（Ａ／μｓ）は、第２の電源２８が印加する電圧と電流経路に存在するインダクタンス成分とから定まる。そして、所定時間３４が経過すると両電源からの電源供給が無くなるので、放電電流は、所定時間３４の経過時をピーク電流値ｉｅとし、以降、図示しない過電圧発生防止回路に存在するインダクタンス成分を通して放電し、ある傾きを持ってほぼ直線的に減少していき、消滅する。放電電流が流れ出してから消滅する間での期間がパルス幅ｔｅであり、そこから第１の電源２３による次回の電圧印加が行われるまでの期間が休止時間ｔｏである。【００５６】
図９（２）に示すように、この実施の形態２による放電パルス電流は、放電初期では低値の矩形形状で流れるが、大部分が第２の電源２８の投入によって大きなピーク電流値を持つ三角形状で流れるように生成される。第２の電源２８が電圧を印加する期間、つまりスイッチング素子２９をＯＮ駆動する期間３４は、第２の電源と極間との間の電流経路に存在するインダクタンス成分と必要とされるピーク電流値ｉｅとから定められる。【００５７】
ここで、パルス幅ｔｅを短くしてピーク電流値ｉｅの高いパルス電流を発生させるためには、第１および第２の電源と極間との間の電流経路に存在するインダクタンス成分は小さいほど好ましいが、現実的にはある値のインダクタンス成分を持つので、第２の電源２８と極間との間の電流経路の抵抗値をできるだけ小さくして（例えば抵抗器３０を入れないなど）所定時間３４内スイッチング素子２９をＯＮ動作させることで、図９（２）に示すような三角形の波形とすることが高いピーク電流値を得るよい方法である。勿論、第１および第２の電源と極間との間の電流経路のインダクタンス成分を理想的に小さくできれば、ピーク電流値を抵抗器３０で制限し、高ピーク電流値を持つ矩形形状放電パルス電流とすることもできる。【００５８】
このように、第１の電源２３は、放電電極２１とワーク２２との間である極間に放電を発生させることを目的とし、第２の電源２８は、極間に流れる放電パルス電流の立ち上がりを速くすることを目的としているので、電源電圧は、第２の電源２８の方を高くするのが望ましい。【００５９】
次に、具体的な数値例（放電パルス電流の条件）を示す。前に述べたように、被膜を緻密にするには、短時間に電極材料の必要な部分のみを十分に溶融させるような放電パルス電流が必要であり、そのためには放電パルス電流の立ち上がり速度の速い高ピーク短パルスの波形が必要である。発明者らの実験により、パルス幅１μｓ以下でピーク電流値１０〜３０Ａ程度以上になると、被膜の緻密化が促進されることが解っている。【００６０】
そこで、抵抗器３０の抵抗値は、抵抗器群２５のそれよりも小さな値、或いは抵抗器３０を接続しないとしてあり、第２の電源２８から重畳して電圧を印加する期間３４は１μｓ以下とし、この１μｓ以下の短い時間内に１０Ａ〜３０Ａなる高い値の放電パルス電流を流すようにしている。そして、放電パルス電流の立ち上がり速度は図１０に基づき定める。【００６１】
図１０は、放電パルス電流のパルス幅と空隙率（緻密さ）との関係を説明する特性図であり、横軸はパルス幅（μｓ）、縦軸は空隙率（％）である。図１０では、ピーク電流値を約２０Ａとしたときのパルス幅と被膜の緻密さとの関係が示されている。図１０の縦軸に示す空隙率（％）は、顕微鏡断面写真に現れる黒い部分が占める面積であり、顕微鏡断面写真を観察してその空隙率（％）で緻密さを表すようにした。【００６２】
図１０から、パルス幅が１μｓを超える場合には、被膜の空隙率は２０％〜３０％程度であるが、パルス幅が１μｓ程度になると１０％程度以下になり、さらにパルス幅が０．５μｓ程度になると数％程度の空隙率になることが解る。そこで、三角形状のパルス電流の場合は、パルス幅１μｓの場合で、電流の立ち上がり立ち下りが同じ時間とすると、立ち上がり速度は４０Ａ／μｓであればよい。より緻密にするためには、その倍の８０Ａ／μｓ以上が望ましいことが解る。【００６３】
図１１は、立ち上がり速度８０Ａ／μｓ、パルス幅１μｓの放電パルス電流で成形した被膜の顕微鏡断面写真である。なお、第２の電源からのパルス電圧のパルス幅、つまりスイッチング素子２９をＯＮ動作させる期間３４は、０．５μｓである。図１１から解るように、空隙の少ない緻密な被膜が形成されている。【００６４】
このように、実施の形態２によれば、第１の電源による電圧印加に基づく放電発生を検出すると、第２の電源から所定期間（例えば１μｓ以下）電圧（好ましくは第１の電源よりも高い電圧）を印加し、第１の電源による電流（第１の電流）に第２の電源による電流（第２の電流）を加えることで、極間に、立ち上がり速度が速く、高ピーク短パルスの放電パルス電流を流すので、短時間に電極材料の必要な部分のみを溶融させ、その溶融した電極材料を多くの割合で含むようにワーク側へ移行させ、ワーク表面に溶融した金属による被膜を形成する放電表面処理を行うことができる。したがって、空隙率を下げ緻密な被膜を形成することができる効果がある。【００６５】
なお、図８では、２つの電源を使用した方式を示したが、第１の電源と極間との間の電流経路に存在するインダクタンス成分を小さくでき、第１の電源の電圧値を第２の電源程度以上に上げれば、第２の電源は必ずしも必要ではなく第１の電源のみでも、抵抗器群を抵抗値が異なるもので構成し、スイッチング素子群の一部を制御することにより、図９（２）に示す頭の高いピーク電流値を持つ三角形状の電流波形を生成可能である。【００６６】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３では、放電電極に溶融し難い材料が含まれる場合、あるいは、放電電極が溶融し易い材料を含む場合でも放電電極を構成する粉末の粒径が大きく溶融し難い状態にある場合に適用する放電パルス電流の条件について説明する。【００６７】
図１２は、放電電極に溶融し易い材料が含まれる場合と溶融し難い材料が含まれる場合とについて、同じ放電条件でワークに形成した被膜の状態を示す顕微鏡写真である。図１２（ａ）は、実施の形態２にて用いたＣｏ合金「Ｃｒ２５重量％、Ｎｉ１０重量％、Ｗ７重量％、残Ｃｏ」の粉末を圧縮成形した放電電極による場合を示す。図１２（ｂ）は、前述したステライト系合金「Ｍｏ２８重量％、Ｃｒ１７重量％、Ｓｉ（シリコン）３重量％、残Ｃｏ」の粉末を圧縮成形した放電電極による場合を示す。放電条件は共に同一で、ピーク電流値＝１０Ａ、放電持続時間（放電パルス幅）＝８μｓである。【００６８】
図１２（ａ）では溶融している部分が多いので、このＣｏ合金「Ｃｒ２５重量％、Ｎｉ１０重量％、Ｗ７重量％、残Ｃｏ」は、溶融し易い材料であると言える。一方、図１２（ｂ）では充分溶融せず粒のまま残っている材料が多いので、このステライト系合金「Ｍｏ２８重量％、Ｃｒ１７重量％、Ｓｉ（シリコン）３重量％、残Ｃｏ」は溶融し難い材料であると言える。【００６９】
次に、図１３は、溶融し易い材料は含まれているが構成する粉末の粒径が大きく溶融し難い状態にある放電電極を用いて形成した被膜の状態を示す顕微鏡写真である。図１３では、実施の形態２にて用いたＣｏ合金「Ｃｒ２５重量％、Ｎｉ１０重量％、Ｗ７重量％、残Ｃｏ」の粉末を圧縮成形した放電電極を用いているが、放電電極を構成する粉末の粒径が実施の形態２とは異なり、粒径１ｍｍ〜２ｍｍ程度のものに、６ｍｍ程度の粉末を混合したものを使用している。【００７０】
大きなサイズの粉末を混合したのは、発明者らの実験により、放電電極をプレス成形する際に成形性がよくなることが明らかになったことによる。小径の粉末のみでは、プレスの後に圧力を開放すると、成形体である圧粉体が膨張してしまうが、大径の粉末を混合することで、粉末の流れが向上し、プレスの圧力が均一に電極（成形体）に伝わり、圧力解放後の電極の膨張も殆ど無くなることが明らかになった。【００７１】
図１３の被膜について考察すると、一見緻密な被膜は形成できているが、電子顕微鏡（ＳＥＭ）で詳細に観察すると、大きなサイズの粉末を混合することで、被膜には溶融している部分（１）の他に、溶融していない電極材料部分（２）が多く含まれていることが解る。同様の現象は、放電電極を構成する粉末の粒径が小さい場合でも材質が溶融し難い場合に見られる。【００７２】
このように、放電電極に溶融し難い材料が含まれる場合、あるいは、放電電極が溶融し易い材料を含む場合でも電極を構成する粉末の粒径が大きく溶融し難い状態にある場合には、実施の形態２にて用いた高ピーク短パルスの放電パルス電流を適用すると、電極のアーク中付近の部分が溶融してワ一ク側に移動するが、完全に溶融しない部分が混ざって移動するので、未溶融の部分が残った状態で被膜となってしまう。このように溶融しない電極材料が被膜中に残る状況では、充分に強度のある緻密な被膜を形成できない場合が起こるので問題である。【００７３】
そこで、この実施の形態３では、実施の形態２にて用いた高ピーク短パルスの放電パルス電流に若干の変更を加えて対処するようにしている。以下、図１４〜図１６を参照して説明する。なお、放電表面処理装置の構成は図８と同様である。【００７４】
図１４は、この発明の実施の形態３による放電表面処理方法で適用する放電条件を説明する波形図である。図１４に取り上げた項目は、図９と同様である。図８を参照しつつ図１４に沿って説明する。【００７５】
図１４において、当該放電表面処理開始時に、制御回路２６がスイッチング素子群２４の対応するスイッチング素子をＯＮ駆動する（図１４（３））ことで、第１の電源２３から所定値の電圧（無負荷電圧ｕｉ）が極間に印加される。極間電圧は、放電遅れ時間ｔｄを経過するまで無負荷電圧ｕｉに維持される。放電遅れ時間ｔｄ経過後に放電が発生し、極間電圧が無負荷電圧ｕｉから所定の放電電圧ｕｅに低下する。【００７６】
放電検出回路３１は、当該放電表面処理開始に応答して制御回路２６に出力する放電検出信号ａのレベルをＨレベルに立ち上げ、極間電圧をモニタし、極間電圧が所定の放電電圧ｕｅに低下するのを検出すると、極間に放電が発生したと認識し、制御回路２６に出力する放電検出信号ａのレベルをＬレベルにする（図１４（４））。【００７７】
制御回路２６は、放電検出信号ａがＬレベルになるのを受けて、所定時間３７経過後にスイッチング素子２９を所定時間３８内ＯＮ駆動し、極間に第２の電源２８から所定値の電圧を印加させる。制御回路２６は、所定時間３８が経過するとスイッチング素子２９のみをＯＦＦ駆動する（図１４（５）））。スイッチング素子群２４の対応スイッチング素子は所定時間３８が経過後もＯＮ動作を継続し、期間３６の経過後にＯＦＦ動作する（図１４（３））。つまり、所定時間３８の間は、極間に、第１の電源２３が出力する電圧と第２の電源２８が出力する電圧とが重畳して印加されている。【００７８】
その結果、図１４（２）に示すように、極間には、放電開始直後の所定時間３７の間は低値の矩形形状放電電流が流れるが、所定時間３７の経過と同時にある傾き（Ａ／μｓ）を持った速い立ち上がりでほぼ直線的に上昇する放電電流が流れる。このときの立ち上がり特性（Ａ／μｓ）は、第２の電源２８が印加する電圧と電流経路に存在するインダクタンス成分とから定まる。そして、所定時間３８が経過すると第２の電源２８からの電源供給が無くなるので、放電電流は、所定時間３８の経過時をピーク電流値ｉｅとし、以降、図示しない過電圧発生防止回路に存在するインダクタンス成分を通して放電し、ある傾きを持ってほぼ直線的に減少していき、第１の電源２２により維持されている低値の矩形形状放電電流に切り替わる。この後半部分の低値の矩形形状放電電流は、期間３６の経過後に消滅する。放電電流が流れ出してから消滅する間での期間がパルス幅ｔｅであり、そこから第１の電源２３による次回の電圧印加が行われるまでの期間が休止時間ｔｏである。【００７９】
図１４（２）に示すように、この実施の形態３による放電パルス電流は、放電初期では低値の矩形形状で流れ、その後の短期間内大きなピーク電流値を持つ三角形状で流れ、その後の長い期間は低値の矩形形状で流れるように生成される。具体的な数値例を示すと、大きなピーク電流値を持つ三角形状の放電電流は、実施の形態２と同様に例えば１０Ａ〜２０Ａ程度である。その後に長期間続く低値の矩形形状放電電流の電流値は例えば１Ａ〜５Ａ程度である（実際の適用例を図１５に示す）。【００８０】
これによって、高ピーク短パルス幅の放電電流が流れる短期間内に、放電の熱エネルギーによって電極を崩し、電極材料をワーク側に移行させ、その後に続く低値の長パルス幅放電電流が流れる期間内に、ワーク側において移行してきた電極材料を加熱し続けて溶融を進めることができる。この場合、この後半部分の低値の長パルス幅放電電流が流れる期間では、電極材料をワーク側に移行させる働きは小さく、例えばその流れる期間であるパルス幅を変更しても、パルス当たりの電極消費量は大きくは変わらない。【００８１】
斯くして、前記した、放電電極に溶融し難い材料が含まれる場合、あるいは、放電電極が溶融し易い材料を含む場合でも電極を構成する粉末の粒径が大きく溶融し難い状態にある場合でも、溶融しない電極材料が被膜中に残らないようにすることができる（図１６参照）。図１５と図１６を参照して説明する。【００８２】
図１５は、実際に用いた放電パルス電流の各値を示す波形図である。図１５において、放電パルス電流のパルス幅は５μｓであり、ピーク電流値は２０Ａである。パルス幅５μｓの中で三角形状放電電流が流れる期間は０．６μｓである。そして、三角形状放電電流に後続する低値の矩形形状放電電流の値は５Ａである。三角形状放電電流の立ち上がり特性は、実施の形態２と同様に、４０Ａ／μｓ以上である。【００８３】
図１６は、図１５に示す放電パルス電流を適用して得られた被膜の顕微鏡写真である。図１６（ａ）は表面写真であり、図１６（ｂ）は断面写真であるが、図１１と比較しても解るように、被膜の断面写真に黒い部分（空隙）が非常に少なく、一層緻密な被膜になっていることが確認できる。【００８４】
なお、図１４（２）では、第１の電源２３による低値の放電電流は、放電期間中一定値であるとしているが、例えば、放電発生直後では高くし、その後は低い値に変更することを行ってもよい。この場合には、次のような利点がある。すなわち、放電が発生する前の極間の電圧は、第１の電源２３の電圧となる。この場合、回路のインピーダンスが大きい場合、つまり抵抗器群２５の中で値の大きな抵抗器がスイッチング素子群２４の中で対応するスイッチング素子を介して第１の電源２３に接続されて電流経路に存在する場合は、極間の影響を受けやすい状態になり、極間が加工屑などで汚れると、電圧が降下し易くなる。そこで、放電が発生するまでは、抵抗器群２５の中で値の小さい抵抗器がスイッチング素子群２４の中で対応するスイッチング素子を介して第１の電源２３に接続されるようにし、放電の発生後に第１の電源２３との接続を抵抗器群２５の中で値の大きな抵抗器がスイッチング素子群２４の中で対応するスイッチング素子に切り替えるようにすれば、安定して放電を発生し易くすることができる。【００８５】
ここで、緻密な比較的厚い被膜を形成するために生成する図１４（２）に示した放電パルス電流の波形的要件および電極との関係について説明する。まず、三角形状の高ピーク短パルスの部分に後続する低ピーク長パルス部分のパルス幅には最適値があり、そのパルス幅が短すぎる場合には、溶融しない材料が増えて被膜に空隙ができるが、長すぎる場合には、放電の熱エネルギーが電極に溜まるので低ピークの電流値といえども電極材料をワーク側に移行させ、同様に空隙を形成してしまう。【００８６】
また、三角形状の高ピーク短パルス部分のパルス幅にも最適値があり、そのパルス幅が小さすぎると電極を溶融させて崩せないために被膜の形成が困難になる。反対に、大きすぎると電極の溶融しない部分まで多く崩してワーク側に移行させてしまうため空隙の多い弱い被膜になってしまう。【００８７】
そして、これらの最適値は電極の構成に大きく左右される。すなわち、粉末粒子間の結合の弱い電極である場合には、高ピーク短パルスの部分のピーク電流値が低くても被膜形成はできるが、粉末粒子間の結合の強い電極である場合には、その粉末粒子間の結合を切断するために高ピーク短パルスの部分のピーク電流値を大きくする必要がある。【００８８】
次に、図１７と図１８を参照して、被膜の剥離について簡単に説明する。図１７は、被膜に生ずる剥離の一例を示す顕微鏡写真である。図１８は、被膜に剥離が生ずるプロセスを説明する図である。【００８９】
図１７では、剥離が生じている例が示されているが、被膜の剥離は、放電表面処理により形成される被膜が空隙の多いポーラスな状態の場合に起きる現象である。剥離の原因について、図１８を参照して説明する。【００９０】
被膜は処理時間とともに膜厚が増えるので、初期の段階では、図１８（ａ）に示すように、薄い状態にある被膜４１は母材４０に密着している。しかし、図１８（ｂ）に示すように、被膜厚さが増えると、膜の上の部分４２が形成される際の放電の電流が初期に形成された被膜４１の下の部分を流れる際に、空隙が多いすなわち電気抵抗の高い部分を加熱し、緻密化する現象が起きる。被膜が緻密化されると収縮するので、図１８（ｃ）に示すように、被膜４１に歪が生じ母材４０との界面近くのところで剥離（被膜の割れ）４３が生じる。【００９１】
このように、放電表面処理による被膜の剥離現象は、被膜が空隙のポーラスな状態であることに起因しているので、緻密な被膜が初めから形成できれば発生しない問題である。つまり、以上説明したこの実施の形態による放電表面処理方法によれば、被膜を緻密化することができるので、被膜の剥離を防ぐことができる。【００９２】
この実施の形態３によれば、放電パルス電流を高ピーク短パルスの放電電流とそれに後続する低ピーク長パルスの放電電流とで構成したので、短時間内の高い熱エネルギーで圧粉体電極を崩してワーク側へ移行させ、ワーク側にて長時間の低い熱エネルギーで加熱し続けて溶融を進めることができ、緻密に被膜を形成するのが困難な電極材料でも、被膜の空隙率を下げ緻密な被膜を形成することができる効果がある。【００９３】
要するに、実施の形態２，３によれば、電極の状態に応じて電極から極間に供給される電極材料の量を制御することができるようになるので、緻密な比較的厚い被膜の形成処理を効率よく行うことが可能になる。【００９４】
なお、この実施の形態３においても、回路の持つインダクタンス成分を小さくすることができ、第１の電源の電圧値を第２の電源程度以上に上げれば、第２の電源は必ずしも必要ではなく第１の電源のみでも、高ピーク短パルスの放電電流とそれに後続する低ピーク長パルスの放電電流とで構成した放電パルス電流を生成することがきる。【００９５】
すなわち、高ピーク短パルスの部分では、スイッチング素子群２４の中で抵抗器群２５において低値の抵抗器が接続されるスイッチング素子を短期間ＯＮ動作させ、その後の低ピーク長パルスの部分では、スイッチング素子群２４の中で抵抗器群２５において高値の抵抗器が接続されるスイッチング素子をＯＮ動作させることで実現することができる。【００９６】
以上は、放電表面処理を加工液中で行う場合であるが、この発明は、これに限定されるものではなく、例えば加工液の代わりに気体でもよい。すなわち、例えば、Ｔｉなど反応性の高い材料の被膜を形成したい場合には、Ａｒ（アルゴン）などの不活性ガスの雰囲気で処理すると安定に処理を行うことができる。また、窒素中で処理を行うと窒化被膜を形成することができる。勿論、大気中でも処理はできるが、酸化するので、酸化すると都合が悪い場合には注意が必要である。【００９７】
このように気中でも処理はできるが、加工液中での処理の場合と比べて電極・ワーク間の極間距離が狭くなるので、処理中に短絡が発生しやすくなる。短絡を防ぐには電源の電圧を高くすることが望ましく、放電する前の無負荷状態で３００Ｖ以上、より望ましくは５００Ｖ以上の電圧を印加できる電源が望ましい。油を加工液とした場合には炭化しやすい材料を電極として用いると被膜材料の一部が炭化物になるが、不活性ガス中で処理を行うと、炭化する材料でも炭化物にすることなく被膜とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
以上のように、この発明にかかる放電表面処理方法および放電表面処理装置は、緻密で比較的厚い被膜の形成処理に有用であり、特に、航空機用ガスタービンエンジンのタービンプレードなど高温環境下での強度と潤滑性とが必要とされる被膜や部品の補修などでの肉盛りに用いる被膜の形成処理に好適である。
【図１】
2007060729.tif 000003
【図２】
2007060729.tif 000004
【図３】
2007060729.tif 000005
【図４】
2007060729.tif 000006
【図５】
2007060729.tif 000007
【図６】
2007060729.tif 000008
【図８】
2007060729.tif 000009
【図１３】
2007060729.tif 000010
【図１７】
2007060729.tif 000011
【図１８】
2007060729.tif 000012
【図７】
2007060729.tif 000013
【図９】
2007060729.tif 000014
【図１０】
2007060729.tif 000015
【図１１】
2007060729.tif 000016
【図１２】
2007060729.tif 000017
【図１４】
2007060729.tif 000018
【図１５】
2007060729.tif 000019
【図１６】
2007060729.tif 000020
【国際調査報告】
2007060729.tif 000021
2007060729.tif 000022