放電錶面處理用電極及放電錶面處理覆膜的製作方法

2023-08-09 11:34:31 3

專利名稱：放電錶面處理用電極及放電錶面處理覆膜的製作方法
技術領域：
本發明涉及放電錶面處理，在該處理中，以將硬質材料的粉末壓縮成型得到的壓粉體為電極，使電極和基材之間發生脈衝狀的放電，並利用該能量在基材表面形成由電極材料或電極材料藉助放電能量進行反應得到的物質形成的覆膜。
背景技術：
在國際公開編號W001/005545中公開了一種實用的放電錶面處理用電極及其制
造方法。該技術涉及下述方法，S卩，將金屬碳化物的粉末即TiC粉末和金屬氫化物的粉末即TiH2粉末混合，將其壓縮成型後進行加熱處理，釋放所述TiH2粉末中的氫，得到Ti粉末， 製造具有適當強度及易分解性、安全性的實用的放電錶面處理用電極。在日本特開2005-21355號公報中公開了需要在高溫環境下的強度和潤滑性的、緻密且較厚的膜(大於或等於100 μ m量級)的表面處理方法。該技術通過在電極中混合I. 5至5. O重量％的Si、或I. O至4. 5重量％的B，從而由Si或B奪取覆膜中的氧原子，去除覆膜中的不需要的氧原子，改善粉末材料之間的密合性，從而形成緻密且堅固的覆膜。通過實施使用了上述放電錶面處理用電極的放電錶面處理，其結果，對於衝壓模具、轉塔衝床、切削刀具等，可以實現長壽命化。另一方面，放電錶面處理面的硬度很高，是1700至2500HV左右，但表面粗糙度稍大，為6至12 μ mRz，在需要良好的表面粗糙度的用途中，要求形成更加平滑的硬質覆膜。專利文獻I :國際公開編號W001/005545專利文獻2 :日本特開2005-21355號公報

發明內容
本發明是鑑於上述情況而提出的，其目的在於提供可以形成平滑且高硬度的覆膜的放電錶面處理方法。本發明涉及的放電錶面處理用電極用於放電錶面處理，在該放電錶面處理中，以將電極材料的粉末壓縮成型得到的壓粉體為電極，在加工液中或氣體中使電極和基材之間發生脈衝狀的放電，並利用該能量在基材表面形成由電極材料或電極材料藉助放電能量進行反應得到的物質形成的覆膜，在該放電錶面處理用電極中，作為電極材料的粉末，使用向硬質材料的粉末中混合10至75體積％的Si粉末的混合粉末。發明的效果根據本發明可以形成平滑且高硬度的覆膜。


圖I是表示電極中的Si混合比與覆膜表面粗糙度的關係的特性圖。
圖2是表示電極中的Si混合比與覆膜硬度的關係的特性圖。圖3是表示電極中的Si混合比與覆膜Si濃度的關係的特性圖。圖4是作為實施方式I的對比例示出的TiC覆膜表面的SEM照片。圖5是Si混合TiC覆膜表面的SEM照片。圖6是Si混合TiC覆膜表面的SEM照片。圖7是Si混合TiC覆膜表面的SEM照片。圖8是作為實施方式I的對比例示出的Si覆膜表面的SEM照片。圖9是從Si混合TiC覆膜表面方向的X射線衍射圖譜測量結果。·
圖10是表示電極中的Si混合比與覆膜Ti濃度的關係的特性圖。圖11是表示覆膜的形成機理的圖。圖12是表示電極中的Si混合比與耐衝蝕性的關係的特性圖。圖13是水射流噴射後的覆膜的表面狀態的觀察結果。圖14是表示電極中的Si混合比與耐腐蝕性的關係的特性圖。圖15是在王水中浸潰Ihr後的覆膜的表面狀態的觀察結果。圖16是表示電極中的Si混合比(重量比)與各覆膜特性的關係的圖。圖17是表示電極中的Si混合比與覆膜的各成分濃度的關係的圖。
具體實施例方式下面，使用附圖對本發明的實施方式進行說明。實施方式I.在本實施方式中，作為硬質材料的粉末使用TiC粉末進行說明。使用逐漸改變比例而將TiC粉末和Si粉末混合而成的TiC+Si混合粉末製成放電錶面處理用電極，向電極和被處理材料(基材)之間施加電壓而產生放電，在基材上形成覆膜。此外，在本實施方式中，使用平均粒徑5 μ m或平均粒徑I. 3 μ m的TiC粉末、平均粒徑5 μ m的Si粉末。圖I是表示電極中的Si混合比(重量％ )與覆膜表面粗糙度的關係的圖。改變與TiC粉末混合的Si粉末的比例而製成TiC+Si電極，對由該TiC+Si電極對碳素鋼S45C進行處理而形成的覆膜的表面粗糙度進行測量，其結果，電極中的Si混合比越大，覆膜的表面粗糙度越小。此外，在本實施方式中，覆膜的表面粗糙度在2至6μ mRz的範圍內變化。圖2是表示電極中的Si混合比(重量％ )與覆膜的硬度的關係的圖。改變與TiC粉末混合的Si粉末的比例而製成TiC+Si電極，對由該TiC+Si電極對碳素鋼S45C進行處理而形成的覆膜的硬度進行測量，其結果，在Si混合比小於或等於60重量％時，電極中的Si混合比越大，覆膜的硬度越小。另外，在Si混合比大於或等於60重量％時，覆膜的硬度幾乎不變。此外，在本實施方式中，覆膜的硬度在800至1700HV的範圍內變化。另外，如圖I所示，隨著Si向電極中的混合量增加，覆膜的表面粗糙度逐漸減小，因此，通過使用任意改變電極中的Si重量比而形成的電極，可以在2至6 μ mRz之間任意控制覆膜的表面粗糙度。
另外，如圖2所示，隨著Si向電極中的混合量增加，覆膜的硬度逐漸減小，因此，通過任意改變電極中的Si重量比，可以在800至1700HV之間任意控制覆膜的硬度。在這裡，在本實施方式中使用的表面粗糙度的測量方法如下所述。測量裝置使用Taylor Hobson製造的「 7才一 Λ夕丨J寸一 7 」，將測量長度設為4. 8臟、將高頻截止波長設為O. 8mm、將帶寬比設為100 :1、將濾波器類型設為高斯，由標準的觸針進行測量。測得的值符合 JIS 的 B0601 2001o另外，覆膜硬度的測量是從覆膜表面方向進行的，測量載荷設為10gf。測量裝置是「島津製作所」製造的顯微硬度計。此外，由改變TiC粉末和Si粉末的比例混合而成的TiC+Si電極對碳素鋼 S45C進行處理，對所形成的覆膜的Si濃度進行測量，電極內的Si重量比和覆膜的Si濃度的關係如圖3所示。如果電極內的Si重量比變大，則覆膜的Si濃度也變大。此外，這裡所說的Si的量是通過能量色散型X射線光譜分析法(EDX)從覆膜表面方向測得的值，測量條件是加速電壓為15. OkV，照射電流為Ι.ΟηΑ。如上所述，可以認為電極的Si混合比越多，覆膜中所含的Si濃度越高，其結果，覆膜的表面粗糙度變小，但為了研究其機理，利用SEM對覆膜的表面進行觀察。其結果，觀察到隨著Si濃度增大，覆膜上裂紋等缺陷減少，另外，放電痕一個一個的凸起減小。下面，按照下述方式標記各種混合比(重量比)的電極，即例如TiC粉末Si粉末=8 2則記為TiC+Si (8 2)電極，TiC粉末=Si粉末=5 5則記為TiC+Si (5 5)電極。在圖4至圖8中示出通過TiC電極處理後的表面、通過TiC+Si (8 2)電極處理後的表面、通過TiC+Si (7 :3)電極處理後的表面、通過TiC+Si (5 :5)電極處理後的表面、通過Si電極處理後的表面的SEM觀察結果。在圖4所示TiC電極的處理面中，觀察到裂紋(圖中的黑線)等缺陷非常多，放電痕一個一個的凸起較大。另一方面，按照圖5至 7所示的TiC+Si(8 2)電極、TiC+Si (7 3)電極、TiC+Si (5 5)電極的順序，觀察到處理面上裂紋等缺陷變少，放電痕一個一個的凸起變小。此外，作為對比，在圖8所示的Si電極的處理面中，完全看不到裂紋等缺陷，且可以觀察到放電痕一個一個的凸起非常小。在此，關於由於覆膜中包含的Si濃度變大而使放電痕一個一個的凸起變小的機理，認為如下。S卩，認為由於Si的粘性係數比其他金屬小(O. 94mN · s/m2),因此通過混合Si,在因放電而熔融的電極材料向基材移動並凝固時，熔融部分的Si濃度變大，從而熔融部分的粘性係數變小，由於一邊擴大而變得更加扁平一邊凝固，因此凸起減小。改變TiC粉末和Si粉末的比例，混合而製成TiC+Si電極，對於由該TiC+Si電極進行處理形成的覆膜進行X射線衍射測量，確認到TiC的衍射峰，可知電極材料時的TiC在放電錶面處理後仍作為TiC存在於覆膜中。此外，未確認到Ti單質的衍射峰。作為例子，在圖9 中示出由 TiC+Si (8 2)電極、TiC+Si (7 3)電極、TiC+Si (5 5)電極形成的覆膜的XRD衍射測量結果。另一方面，如果電極的Si混合比增大，S卩，電極的TiC的混合比變小，則覆膜的TiC的各衍射峰的積分強度均變小。另外，圖10表示電極中的Si混合比與覆膜的Ti濃度的關係。如果電極的Si混合比增大，即電極的TiC混合比減小，則覆膜的Ti濃度變小。根據XRD衍射測量結果，由於未看到Ti單質的衍射峰，因此可以認為雖然電極時的TiC 一部分有可能在放電錶面處理時分解，但大部分以TiC的狀態存在於覆膜內。由此可以推測出，如果電極的Si混合比增大，即電極的TiC混合比減小，則覆膜的TiC濃度也相對地變小。
由此可以認為，如果電極中的Si混合比增大，則在覆膜中，硬質的TiC濃度減小，
其結果，覆膜硬度減小。另一方面，如上述的定量分析所述，與在處理表面存在幾至十幾重量％左右的Si元素無關，X射線衍射測量的結果是，任何覆膜均無法確認到Si晶體的衍射峰。由此，認為Si單質與基材成分形成合金或變成非晶狀態。匯總通過在電極中混合Si而使覆膜的Si濃度增大的效果，如圖11所示。S卩，電極中的Si混合比較小時，在放電錶面處理的熔融部(覆膜)，裂紋等缺陷很多，放電痕一個一個的凸起較大。另一方面，隨著Si混合比增加，裂紋等缺陷減少，放電痕一個一個的凸起變小。另外，推測覆膜中Si單質和基材成分形成合金或變成非晶狀態，推測覆膜變成TiC分散在其中的覆膜形態。此外，覆膜的一部分擴散至比基材的高度低的位置。連同擴散部分在內，覆膜總計是5至20 μ m左右。接下來，對於由逐漸改變TiC粉末和Si粉末的比例而混合製成的TiC+Si電極進行處理的覆膜，針對耐衝蝕性進行各覆膜的評價。在此，基材為SUS630 (H1075)。另外，耐衝蝕性通過向覆膜噴射水射流而進行評價。此外，耐衝蝕性通常認為與硬度密切相關。另一方面，僅依靠硬度，無法說明的方面很多，作為除了硬度以外的要素，表面性狀會影響耐衝蝕性，已知與粗糙的表面相比，平滑的表面會提高耐衝蝕性。已知由Si電極處理形成的覆膜可以獲得高耐衝蝕性，但本次評價的結果是，在由向TiC電極中混合大於或等於5重量％的Si形成的電極處理而成的覆膜中，開始表現出耐衝蝕性的提高。此外，在5重量％左右時，由於表面存在一定量的缺陷，所以在評價中存在波動，因此，如果進一步增加混合比，則在大於或等於10重量％左右時，可以獲得充分的效果，已知更加優選混合大於或等於20重量％。圖12是表示電極中的Si混合比與耐衝蝕性的關係的圖，在混合大於或等於20重量％的情況下，呈現出評價結果沒有波動，具有高耐衝蝕性的狀態。此外，如上所述，之所以具有高耐衝蝕性，認為是由以下幾點綜合達到的效果。·由於覆膜變為非晶質，因此不易發生從晶界開始的破壞。
·通過分散有TiC而變成為高硬度。 通過混合有Si而變平滑。作為例子，對於由TiC+Si (8 2)電極、TiC+Si (7 3)電極、TiC+Si (5 5)電極處理形成的覆膜，在圖13中示出觀察噴射80MPa水射流Ihr後的表面狀態的結果。作為對比，也示出僅基材、由TiC電極形成的覆膜、由Si電極形成的覆膜的結果。在僅基材時發生嚴重損傷，使用TiC電極形成的處理面也發生損傷。另一方面，在由TiC+Si (8 2)電極、TiC+Si (7 3)電極、TiC+Si (5 5)電極處理形成的各覆膜中均未發生損傷。接下來，對於耐腐蝕性進行各覆膜的評價。在此，基材使用SUS316。已知在由Si電極處理形成的覆膜中可以獲得高耐腐蝕性，但由在TiC電極中混合大於或等於5重量％的Si所形成的電極處理而成的覆膜，具有高耐腐蝕性。 此外，由於在5重量％左右時，表面存在一定量的缺陷，因此在評價中存在波動。因此，如果進一步增加混合比，則在大於或等於10重量％時可以獲得充分的效果，更加優選混合大於或等於20重量％。在混合大於或等於20重量％的情況下，評價中無波動，具有高耐腐蝕性。圖14是示意地表示電極中的Si混合比與耐腐蝕性的關係的圖。此外，如上所述，之所以具有高耐腐蝕性，認為是以下幾點綜合達到的效果。·由於覆膜變為非晶質，因此不易發生從晶界開始的腐蝕。·通過混合Si，裂紋等缺陷減少。作為例子，對於由TiC+Si (8 2)電極、TiC+Si (7 3)電極、TiC+Si (5 5)電極處理形成的覆膜，在圖15中示出觀察在腐蝕液王水中浸潰I小時後的表面狀態的結果。作為對比，還示出僅基材、使用TiC電極形成的覆膜、使用Si電極形成的覆膜的結
果O在僅基材時發生嚴重腐蝕，使用TiC電極形成的處理面也發生腐蝕。另一方面，在由TiC+Si (8 2)電極、TiC+Si (7 3)電極、TiC+Si (5 5)電極處理形成的各覆膜中均未發生腐蝕。根據至此取得的結果，如果將橫軸設為放電錶面處理用電極中的Si混合比(重量比)，將縱軸設為通過該電極處理而得到的覆膜特性(表面粗糙度、硬度、耐衝蝕性、耐腐蝕性)，則如圖16所示。S卩，在Si混合比是5至60重量％時，覆膜可以形成為平滑且高硬度，並且具有高耐衝蝕性、耐腐蝕性的覆膜。在Si混合比小於或等於5重量％時，表面粗糙度為與由TiC電極形成的覆膜相同程度，另外，無法得到充分的耐衝蝕性、耐腐蝕性。另外，在Si重量比大於或等於60重量％時，硬度為與由Si電極形成的覆膜相同程度，其他特性為與由Si電極形成的覆膜相同程度，或者，特別地，表面粗糙度差。根據EDX的元素濃度測量結果及X射線衍射結果，由逐漸改變比例而在TiC粉末中混合Si粉末製成的TiC+Si電極，對碳素鋼S45C進行處理的覆膜的Si濃度、TiC濃度、基材(Fe)濃度如圖17所示。如上述所述,在Si混合比是5至60重量％時，使用該電極在碳素鋼S45C上形成的平滑且高硬度、並且具有高耐衝蝕性及耐腐蝕性的覆膜的各成分濃度為，Si濃度1至11重量％、TiC濃度10至75重量％、基材成分(Fe) :20至90重量％的範圍。在本實施方式中，對於在TiC中混合Si的情況進行了說明，但由於是基於上述理由而得到良好的特性，因此，可以取代TiC而使用其他硬質材料，例如，如果是金屬，可以使用W、Mo等，如果是陶瓷，可以使用WC、VC、Cr3C2, MoC, SiC, TaC等碳化物。另外，也可以使用TiN、SiN等氮化物、Al 2O3等氧化物。此外，在使用絕緣物的情況下，通過大量加入Si而可以確保導電性，從而可以得到同樣的效果。此外，對於其他材料與Si的混合比，在與TiC和Si的情況相同的體積比的範圍內進行混合的情況下，可以得到相同的效果。在本實施方式中，TiC和Si的混合比以重量比的形式規定，但根據TiC的密度是4. 93g/cm3, Si的密度是2. 3g/cm3，如果將重量除以密度而換算成體積比，則例如TiC Si=95重量％ 5重量％ =90體積％ 10體積％，TiC Si=40重量％ 60重量％ =25體積％ 75體積％。S卩，相對於其他硬質材料，通過使Si以10至75體積％進行混合，可以形成平滑且高硬度、且具有高耐衝蝕性、耐腐蝕性的覆膜。另外，在本實施方式中，作為所混合的材料使用Si，但混合粘性係數較小的金屬粉末也可以得到相同的效果。作為粘性係數較低的材料，取代Si例如可以使用K、Li、Na、Ge、Ca、Mg、Al、P、Bi、Sn、In 等。在本實施方式中，在粉末的狀態下將TiC和Si以一定的重量比混合，但也可以使用預先以一定的比例含有TiC與Si的粉末製造放電錶面處理用電極。在該情況下，更優選可以將TiC與Si均勻地混合。在本實施方式中，將Fe基的材料用於基材，但使用其他材料也可以得到相同的效
果O例如，基材為作為耐熱合金的Ni基合金或Co基合金也可以得到相同的效果。另外，在基材為Al基或Cu基的情況下，由TiC電極形成的覆膜與基材為Fe基的情況相比，存在表面粗糙度變大的趨勢，但使用TiC+Si電極可以得到相同的效果。作為向電極材料中添加Si的發明，已有日本特開昭56-51543號公報,但其是關於通常的放電加工的電極的發明，以提高加工速度為目的，因此是與形成硬質材料覆膜、混合Si而減小粘性係數以使得該覆膜變得平滑的本發明不同領域的發明。在日本特開2005-21355號公報中公開了一种放電錶面處理用電極，其以實現需要高溫環境下的強度和潤滑性的、無空孔且緻密的較厚的膜(使金屬材料為大於或等於100 μ m量級)的表面處理方法為目的，該放電錶面處理用電極為，為了奪取氧原子，作為電極材料含有1.0至4.5重量％的8(硼)、或I. 5至5. O重量％的Si(矽)。但是，本發明以實現形成平滑且高硬度的硬質材料的5至20 μ m覆膜的表面處理方法為目的，Si混合的重量比是5至60重量％左右，是與上述公報不同領域的發明。工業實用性本發明所涉及的放電錶面處理用電極適用於向模具或蒸汽渦輪等的放電錶面處理作業。
權利要求
1.一种放電錶面處理用電極，其用於放電錶面處理，在該處理中，以將電極材料的粉末壓縮成型得到的壓粉體為電極，在加工液中或氣體中使電極和基材之間發生脈衝狀的放電，利用該能量在基材表面形成由電極材料或電極材料藉助放電能量反應得到的物質形成的覆膜， 該放電錶面處理用電極的特徵在於， 作為電極材料的粉末，使用在硬質材料的粉末中混合10至75體積％的Si粉末的混合粉末。
2.根據權利要求I所述的放電錶面處理用電極，其特徵在於， 作為硬質材料的粉末，使用TiC，或W、Mo金屬，或呢、03(2、10(、3丨(^&0陶瓷，或TiN、SiN氮化物，或Al2O3氧化物。
3.一种放電錶面處理用電極，其用於放電錶面處理，在該處理中，以將電極材料的粉末壓縮成型得到的壓粉體為電極，在加工液中或氣體中使電極和基材之間產生脈衝狀的放電，並利用該能量在基材表面形成由電極材料或電極材料藉助放電能量反應得到的物質形成的覆膜， 該放電錶面處理用電極的特徵在於， 作為電極材料的粉末，使用含有硬質材料成分及10至75體積％的Si成分的粉末。
4.根據權利要求3所述的放電錶面處理用電極，其特徵在於， 作為硬質材料的成分，使用TiC，或W、Mo金屬，或WC、Cr3C2、MoC、SiC、TaC陶瓷，或TiN、SiN氮化物，或Al2O3氧化物。
5.根據權利要求I至4中的任一項所述的放電錶面處理用電極，其特徵在於， 將Si粉末或Si成分置換為粘性係數較小的金屬即K、Li、Na、Ge、Ca、Mg、Al、P、Bi、Sn、In中的任一種。
6.一种放電錶面處理覆膜，該放電錶面處理覆膜是指，以將電極材料的粉末壓縮成型得到的壓粉體為電極，在加工液中或氣體中使電極和基材之間發生脈衝狀的放電，並利用該能量在基材表面形成由電極材料或電極材料藉助放電能量反應得到的物質形成的覆膜， 該放電錶面處理覆膜的特徵在於， 在鐵基基材中含有I至11重量％的Si，並在其中分散有10至75重量％的TiC。
全文摘要
為了實現一種可以形成平滑且高硬度的覆膜的放電錶面處理，從而以硬質材料的粉末壓縮成型得到的壓粉體為電極，在加工液中或氣體中使電極和基材之間發生脈衝狀的放電，並利用該能量在基材表面形成由電極材料或電極材料藉助放電能量進行反應得到的物質形成的覆膜，在上述放電錶面處理中，作為電極材料的粉末，使用向硬質材料的粉末中混合10至75體積％的Si粉末的混合粉末。
文檔編號C23C26/00GK102906308SQ20108006703
公開日2013年1月30日 申請日期2010年5月26日 優先權日2010年5月26日
發明者鷲見信行, 後藤昭弘, 寺本浩行, 中野善和 申請人:三菱電機株式會社