放电表面处理方法及其电极的制造方法 本申请是申请日为1999年11月29日、申请号为99816916.1、发明名称为“放电表面处理用电极及其制造方法和放电表面处理方法”的专利申请的分案申请。
【技术领域】
本发明涉及在电极与被处理材料之间产生放电、并利用其能量用于在被处理材料表面上形成由电极材料构成的硬质被膜或形成由利用放电能量反应后的物质构成的硬质被膜的放电表面处理的、放电表面处理用电极的制造方法。
背景技术
以往，作为在被处理材料表面上形成硬质被膜、赋予耐腐蚀性、耐磨损性的技术，例如在日本特开平5-148615号公报中所揭示的放电表面处理方法。该技术，是由2个工序构成的金属材料的放电表面处理方法，即，使用将WC(碳化钨)粉末与Co(钴)粉末混合后压缩成形构成作为放电表面处理用电极的压粉体电极进行1次加工(堆积加工)，接着调换成铜电极等的电极消耗较少的电极进行2次加工(再熔融加工)。该方法，虽然对于钢材能形成具有牢固的密接力的硬质被膜，但对于超硬合金那样的烧结材料要形成牢固的密接力的硬质被膜是困难的。
虽而，根据我们的研究了解到，将形成Ti(钛)等的硬质碳化物的材料作为放电表面处理用电极，当与作为被处理材料地金属材料之间产生放电时，能在进行再熔融的过程中将牢固的硬质被膜形成于作为被处理材料的金属表面上。这是由于因放电而消耗的电极材料与加工液中所含成分的碳起反应而生成TiC(碳化钛)的缘故。并了解到，利用由TiH2(氢化钛)等的金属氢化物构成的作为放电表面处理用电极的压粉体电极，当在与作为被处理材料的金属材料之间产生放电时，比使用Ti等材料的场合能更迅速地形成密接性高的硬质被膜。还了解到，利用在TiH2等的氢化物中混合其他金属及陶瓷后的作为放电表面处理用电极的压粉体电极，当在与作为被处理材料的金属材料之间产生放电时，能快速地形成具有硬度、耐磨损性等各种性质的硬质被膜。
关于这样的方法，例如，在日本特开平9-192937号公报中已揭示，对使用于这样的放电表面处理的装置的构成例结合图10来进行说明。图中，1是将TiH2粉末压缩成形构成的作为放电表面处理用电极的压粉体电极，2是被处理材料，3是加工槽，4是加工液，5是对在压粉体电极1与被处理材料2上施加的电压及电流进行开关的开关元件，6是控制开关元件5的开、并的控制电路，7是电源，8是电阻、9是形成的硬质波膜。采用这样的结构，在压粉体电极1与被处理材料2之间产生放电，利用其放电能量，能在由钢铁、超硬合金等构成的被处理材料2的表面上形成硬质被膜9。
这样的以往的放电表面处理方法，是在被处理材料上形成由放电表面处理用电极的材质与加工液中的成分用放电产生的热量分解而生成的碳起反应而形成硬质的碳化物所构成的被膜。
作为放电表面处理用电极，揭示有所述那样的各种各样的电极。但是，在被处理材料上利用这些电极所形成的硬质被膜是以碳化物为主要成分的被膜，如图11所示，由于碳化物在高温环境下硬度急剧地降低，对于在高温环境下所使用的切削工具等在形成以碳化物为主要成分的被膜的场合，存在不能对切削工具等赋予所期望的耐腐蚀性、耐磨损性等的性质的问题。
【发明内容】
本发明正是为解决所述那样的问题而作成的，其目的在于，提供能在被处理材料上形成即使在高温环境下硬度也高的硬质被膜的、放电表面处理用电极的制造方法和放电表面处理方法。
本发明提供一种放电表面处理用电极的制造方法和放电表面处理方法，提供一电极用于在该电极与处理目标材料之间产生放电、以及利用在放电期间发射的能量在所述处理目标材料表面形成硬质被膜的放电表面处理，将电气绝缘性的硬质物质的粉末用导电性物质被覆而获得的粉末、或在电气绝缘性的硬质物质的粉末用导电性物质被覆后而获得的粉末中加入其他粉末材料而获得的粉末压缩成型，来形成所述电极。
本发明提供一种放电表面处理用电极的制造方法和放电表面处理方法，提供一电极用于在该电极与处理目标材料之间产生放电、以及利用在放电期间发射的能量在所述处理目标材料表面形成硬质被膜的放电表面处理，将电气绝缘性的硬质物质的粉末用导电性物质被覆而获得的粉末、或在电气绝缘性的硬质物质的粉末用导电性物质被覆后而获得的粉末中加入其他粉末材料而获得的粉末压缩成型后，施以加热处理而形成所述电极。
上述放电表面处理用电极的制造方法和放电表面处理方法，在所述电极的材料中加入石蜡，然后压缩成型该添加了石蜡的材料，按所述石蜡熔融温度以上、所述石蜡分解产生煤灰的温度以下的温度对该压缩成型的材料进行加热，蒸发来除去所述石蜡，来形成所述电极。
本发明，由于作成以上说明那样的结构，由于能在被处理材料上形成即使在高温环境下硬度也高的硬质被膜，故适合于在高温环境下所使用的切削工具等的表面处理，对于在高温环境下所使用的切削工具等具有能赋予所期望的耐腐蚀性、耐磨损性等的性质的效果。
【附图说明】
图1是表示本发明实施形态1的放电表面处理用电极及其制造方法的概念的剖视图。
图2是表示本发明实施形态1的放电表面处理方法的构成图。
图3是表示利用本发明实施形态1的放电表面处理方法在被处理材料上形成被膜的状态的说明图。
图4是cBN的硬度相对温度而变化的示图。
图5是表示本发明实施形态2的放电表面处理用电极的制造方法的概念的剖视图。
图6是在本发明实施形态2的放电表面处理用电极的压缩成形时混合于表面处理用电极材料的石蜡的蒸气压曲线的例子的示图。
图7是表示本发明实施形态3的放电表面处理用电极及其制造方法的概念的剖视图。
图8是表示本发明实施形态4的放电表面处理用电极的制造方法的剖视图。
图9是表示本发明实施形态5的放电表面处理方法的构成图。
图10是表示以往的放电表面处理用电极及装置的例子的构成图。
图11是碳化物的硬度相对温度而变化的示图。
发明的最佳实施形态
实施形态1
图1是表示本发明实施形态1的放电表面处理用电极及其制造方法的概念的剖视图，图中，10是放电表面处理用电极，11是作为电气绝缘性的硬质物质的cBN粉末，12是作为导电性物质的Co系合金粉末，13是模具的上冲头，14是模具的下冲头，15是模具的阴模，将cBN粉末11及Co系合金粉末12混合后放入冲压模具，利用压缩成形形成放电表面处理用电极10。
下面，对放电表面处理用电极10的制造方法进行说明。在利用放电表理处理在被处理材料上要形成含cBN的被膜的场合，作为电极材料必需使用cBN。但是，cBN由于具有电气绝缘性而不能单独地作为电极材料使用。并且，由于cBN是硬质的，故不能利用由冲压的压缩成形使粉末坚固。这样，由于仅用cBN单体不能作为放电表面处理用电极使用，在将cBN作为放电表面处理用电极使用的场合，在cBN粉末中，必须混合导电性的金属等作为粘接剂。也就是说，将cBN粉末与粘接剂粉末混合，并放入冲压模具，进行压缩成形而制作放电表面处理用电极。
并且，由于cBN是电气绝缘性的，在利用冲压进行压缩成形时，必需使导电性的粘接剂的份量要多。这是由于利用放电产生的热量形成cBN被膜，在放电表面处理用电极侧实际上产生放电的是导电性的粘接剂部分，而在电气绝缘性的cBN上不产生放电的缘故。尤其，在仅通过压缩成形来形成放电表面处理用电极的场合，由于所有的粒子要电气联接是困难的，所以必需增加粘接剂的份量，例如最好将粘接剂的分量以重量比作成50％左右。
图2是表示本发明实施形态1的放电表面处理方法的构成图，图3是表示利用本发明实施形态1的放电表面处理方法在被处理材料上形成被膜的状态的说明图。图中，3是加工槽，4是加工液，10是cBN及Co系合金构成的放电表面处理用电极，16是被处理材料，17是由直流电源、开关元件及控制电路等构成的放电表面处理用电源装置，18是放电的电弧柱，19是利用放电的热量熔融且向被处理材料侧移动的放电表面处理用电极成分，20是由cBN及Co系合金构成的硬质被膜。利用图2的放电表面处理用电源装置17在放电表面处理用电极10与被处理材料16之间产生放电。放电产生在作为放电表面处理用电极10的导电性的粘接剂的Co系合金的部分与被处理材料16之间。如图3(a)所示，用放电的热使放电表面处理用电极10熔融并向极间放出，利用放电的热熔融并向被处理材料侧移动的放电表面处理用电极成分19附着于被处理材料16上，如图3(b)所示，由cBN及Co系统金构成的硬质被膜20被形成于被处理材料16上。
cBN具有接近金刚石的硬度，可以说该被膜形成于被处理材料上时的优点非常大。尤其，当考虑将被处理材料作为工具的情况时，施加金刚石被膜的工具，由于不能用于被加工物为铁系材料的场合，故主要用于被加工物为非铁金属的场合。但是，施加cBN被膜的工具适合于市场规模相当大的被加工物为铁系材料场合的使用。这样，使用施加cBN被膜的工具的价值非常高。但是，对cBN薄膜化方法的研制较迟，利用该发明的放电表面处理方法的意义极大。图4是cBN的硬度相对温度而变化的示图，与图11所示的碳化物相比较可知，即使在高温环境下硬度也较高。
实施形态2
实施形态1的放电表面处理用电极，虽然是将作为电气绝缘性的硬质物质的cBN粉末与作为导电性物质的粘接剂所用的Co系合金粉末混合后放入冲压模具、进行压缩成形而形成的，但也可以根据需要通过施以加热处理在放电表面处理用电极上在一定范围内使具有所需的强度。
由于cBN是电气绝缘性的，必需混入导电性的粘接剂，而在施以加热处理的场合，由于粘接剂成分熔融而电气传导性变好，故粘接剂的份量可以较少。如实施形态1所示，在仅用压缩成形来形成放电表面处理用电极的场合，最好将粘接剂的份量按重量比作成50％左右，而在压缩成形后施以加热处理的场合，粘接剂的份量按重量比即使为百分之几至百分之几十也能获得作为放电表面处理电极可使用的电气传导。
另外，在仅进行压缩成形的场合，由于在作为电极材料的粉末中混入的材料照旧成为电极成分，故若混合不需要的成分是不理想的，而在施以加热处理的场合，通过添加利用加热可蒸发的材料能谋求成形性的改善。例如，通过将石蜡混合于作为电极材料的粉末，能显著提高利用冲压的压缩成形时的成形性。
图5是表示将石蜡混合于电极材料制造放电表面处理用电极的方法的图，图中，10是放电表面处理用电极，11是cBN粉末，12是Co系统合金粉末，23是链烷烃等的石蜡，24是真空炉，25是高频线圈，26是真空环境。将石蜡23混合于使cBN粉末11与Co系合金粉末12混合后的粉末中，并通过压缩成形而形成压粉体电极，能显著提高成形性。但是，由于石蜡23是电气绝缘性的，当大量的残留在电极中时，由于电极的电阻变大而使放电性恶化。因此，就有必要除去石蜡23。图5(a)表示将混合石蜡23后的压粉体电极放入真空炉24中进行加热的状态，虽然在真空环境26内进行加热，但也可以是在氢气或氩气等的气体中加热。利用设置在真空沪24周围的高频线圈25对真空炉24中的压粉体电极进行高频加热。这时，若加热温度过低时不能除去石蜡23，若温度过高时石蜡23就成了煤灰，由于使电极的纯度劣化，故必质保持于石蜡23熔融的温度以上且在石蜡23分解成为煤灰的温度以下。作为例子将具有250℃沸点的石蜡的蒸气压曲线示于图6。当将真空炉24的气压保持于石蜡23的蒸气压以下时，如图5(b)所示，石蜡23蒸发而被除去，能获得由cBN和Co构成的放电表面处理用电极10。在不使用石蜡的场合必需将粘接剂的材料作成硬度较低的材料，而在使用石蜡的场合能将TiN(氮化钛)、TiC、HfC(碳化铪)、TiCN(碳化氮化钛)等的硬质材料作为粘接剂，能使被膜硬度更加提高。
实施形态3
图7是表示本发明实施形态3的放电表面处理用电极及其制造方法的概念的剖视图，图中，11是作为电气绝缘性的硬质物质的cBN粉末，12a是作为导电性物质的Co被膜，13是模具的上冲头，14是模具的下冲头，15是模具的阴模，27是放电表面处理用电极。cBN粉末11利用被膜12a被被覆，这样的被覆，利用蒸镀等可容易地进行。
当将利用这样的Co被膜12a被被覆的cBN粉末11放入冲压模具进行压缩成形时，通过利用冲床的压力使Co被膜12a变形而压接，与放电表面处理用电极作成一体形。
利用这样的方法所形成的放电表面处理用电极27，与实施形态1及2的放电表面处理用电极10相比较，能使成为粘接剂的材料的量减少。因此，若采用使用放电表面处理用电极27的放电表面处理，形成于被处理材料中的硬质被膜中的cBN的比例增高，能形成硬度更高的硬质被膜。
在使用由cBN及Co构成的放电表面处理用电极的放电表面处理中，由于cBN是电气绝缘性的故放电不会直接产生于cBN，放电产生于作为导电性粘接剂的Co，利用该放电的热能cBN与作为粘接剂的Co一起向被处理材料侧转移，形成被处理材料的硬质被膜。在使用本发明的放电表面处理用电极27的放电表面处理中，由于作为放电表面处理用电极27的电气绝性的硬质物质的cBN粉末11被作为导电性物质的Co被膜12a所被覆，故放电表面处理用电极27的表面成为完全的导电性，能产生稳定的放电。
另外，用Co被膜12a所被覆的cBN粉末11的粒径，由于必须作成比放电表面处理时的放电表面处理用电极27与被处理材料的极间距离要小，故最好为10μm以下的程度。因此，cBN必须是比其更小的粒径。另外，该Co被膜的厚度最好为1～2μm以下的程度。这是由于当Co被膜变厚时粘接剂的比率变大的缘故。但是，当Co被膜的厚度极其薄时，由于不能起到作为粘接剂的功能，故某种程度以上的厚度是必要的。例如，cBN粉末的粒径为5μm的场合，Co被膜的厚度，最好为1μm左右。
实施形态4
图8是表示本发明实施形态4的放电表面处理用电极的制造方法的剖视图。图8(a)是表示用实施形态3所示的方法将用Co被膜12a所被覆的cBN粉末压缩成形后的放电表面处理用电极27。又，图8(b)是表示将图8(a)的放电表面处理用电极27放入真空炉24中利用高频线圈25进行高频加热的状态，图8(c)表示加热处理后的放电表面处理用电极27a的结构。其中，12b是加热热处理的Co，28是气泡。
只将利用Co被膜12a所被覆的cBN粉末11进行压缩成形，虽然所成形的放电表面处理用电极27也有导电性，但由于Co被膜12a被变形地压接故强度较弱，在放电表面处理用电极27的使用上，往往产生放电表面处理用电极开裂等的不良情况。在这样的场合，通过对压缩成形后的放电表面处理用电极施以加热处理来增加强度，还可以提供导电性。如实施形态2所示，通过对cBN粉末与Co系合金粉末混合后的粉末压缩成形后施以加热处理虽然也能获得同样的效果，但由于使电气绝缘性及导电性物质混合，为了增加电极强度而必须作成1300℃以上的高温。并且，由于cBN从1500℃左右向hBN(六方晶氮化硼)开始进行结晶结构的变化，就不能获得作为cBN所必需的性质。因此，在将实施形态2那样的cBN粉末与Co系合金粉末混合后的粉末压缩成形后施以加热处理的方法中，有可能产生不能获得作为cBN所必需性质的问题。与其相反，在利用本实施形态4的方法中将用Co被膜12a所被覆的cBN粉末压缩成形后施以加热处理的方法中，由于各粉末相互地用作为被覆材料的金属材料连接，故利用该金属材料部分的热传导即使利用在例如1200℃以下的较低温度下的加热处理也能增加电极强度。因此，不会产生所述那样的不能获得作为cBN所必需性质的问题。
又，在以上说明中，表示了将用Co被膜12a所被覆的cBN粉末11压缩成形后进行加热处理的方法，但为了提高压缩成形的成形性，在用Co被膜12a所被覆的cBN粉末11中预先混合链烷烃等的石蜡，在加热处理时若采用将石蜡蒸发除去的与实施形态2的图5同样的方法，就更容易进行电极的成形。该方法，尤其对于复杂形状或大型的电极制作效果更大。
实施形态5
图9是表示本发明实施形态5的放电表面处理方法的构成图，图中，3是加工槽，4是加工液，11是cBN粉末，16是被处理材料，17是由直流电源、开关元件及控制电路等构成的放电表面处理用电源装置，18是放电电弧柱，28是气泡，29是Ti，30是放电表面处理用电极。放电表面处理用电极30，是利用实施形态4所示的方法、将用Ti被覆行被覆的cBN粉末压缩成形后进行加热处理而形成的。
在放电表面处理用电极30与被处理材料16之间利用放电表面处理用电源装置17施加电压，产生脉冲状的放电。由于cBN是电气绝缘性的，故放电产生于放电表面处理用电极30的Ti29的部分，利用该放电产生的热能电极材料一部分成为熔融状态并利用放电引起的曝发力向被处理材料16侧移动，在被处理材料16上形成含cBN及Ti的被膜。在加工液4是油的场合，作为粘接剂的Ti与作为加工液4的构成元素的碳反应而成为TiC，在被处理材料16上所形成的被膜就成为cBN及TiC构成的极硬的被膜。
又，在以上的说明中，作为电气绝缘性的硬质物质虽然表示了cBN的例子，但不限于cBN，也能用金刚石、B4C、Al2O3、Si3N4、SiC等。
又，在以上的说明中，虽然表示了作为在电气绝缘性的硬质物质中混合或将电气绝缘性的硬质物质被覆的导电性物质的Co、Ti的例子，但不限于此，也能使用W、Mo、Zr、Ta、Cr等的形成硬质碳化物的金属或Ni、Fe等铁系金属。
工业上利用的可能性
如上所述，本发明的放电表面处理用电极及其制造方法与放电表面处理方法，适合应用于在被处理材料表面上形成硬质被膜的表面处理的有关工业领域。