专利名称：放电表面处理用电极及其制造方法和放电表面处理方法
技术领域：
本发明涉及用于在电极与被处理材料之间产生放电、利用其能量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改进的放电表面处理用电极及其制造方法和放电表面处理方法。
但根据我们的研究了解到，将形成Ti(钛)等硬质碳化物的材料作为放电表面处理用电极，与作为被处理材料的金属材料之间一旦产生放电，便能在没有再熔融过程的情况下将牢固硬质被膜形成于被处理材料的金属表面。这是由于放电所消耗的电极材料和加工液中的成分碳反应生成TiC(碳化钛)的缘故。而且了解到，利用由TiH2(氢化钛)等金属氢化物构成的放电表面处理用电极这种压粉体电极，与作为被处理材料的金属材料之间一旦产生放电，与用Ti等材料相比能迅速形成密接性高的硬质被膜。此外还了解到，利用在TiH2等氢化物中混合其他金属和陶瓷的放电表面处理用电极这种压粉体电极，与作为被处理材料的金属材料之间一旦产生放电，便能快速形成具有硬度、耐磨损性等各种性质的硬质被膜。
对于这类方法，在例如日本特开平9-192937号公报中有所披露，用
图10说明用于这种放电表面处理的装置构成例。图中，1是作为通过将TiH2粉末压缩成型而成的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是对压粉体电极1和被处理材料2所加电压和电流进行开关的开关元件，6是控制开关元件5通断的控制电路，7是电源，8是电阻、9是所形成的硬质被膜。可用这种构成在压粉体电极1与被处理材料2之间产生放电，利用其放电能量在钢铁、超硬合金等构成的被处理材料2的表面形成硬质被膜9。
这种现有放电表面处理方法，通过放电表面处理用电极其材质与加工液中的成分靠放电产生的热所分解出的碳反应，在被处理材料上形成硬质碳化物构成的被膜。
作为放电表面处理用电极，如上面所述披露有种种电极。但由这些电极在被处理材料上形成的硬质被膜是以碳化物为主要成分的被膜，如图11所示碳化物在高温环境下硬度急剧下降，因而在高温环境下所用的切削工具等形成以碳化物为主要成分的被膜的情况下，存在无法对切削工具等提供所期望的耐腐蚀性、耐磨损性等性质这种问题。
本发明的放电表面处理用电极，为一种用于在电极与被处理材料之间产生放电、利用其能量在所述被处理材料表面形成硬质被膜的放电表面处理的放电表面处理用电极，作为所述放电表面处理用电极材料，至少包含电气绝缘性硬质物质和导电性物质各一种。
而所述硬质物质至少是cBN(立方晶氮化硼)、金刚石、B4C(碳化硼)、Al2O3(氧化铝)、Si3N4(氮化硅)和SiC(碳化硅)其中之一。
而所述导电性物质至少是Ti、W、Mo(钼)、Zr(锆)、Ta(钽)、Cr(铬)等形成硬质碳化物的金属其中之一或至少是Co、Ni(镍)、Fe(铁)等铁族金属其中之一。
本发明的放电表面处理用电极制造方法，为一种用于在电极与被处理材料之间产生放电、利用其能量在所述被处理材料表面形成硬质被膜的放电表面处理的放电表面处理用电极制造方法，将电气绝缘性硬质物质的粉末与导电性物质的粉末混合，通过压缩成型来形成所述放电表面处理用电极。
而且，为一种用于在电极与被处理材料之间产生放电、利用其能量在所述被处理材料表面形成硬质被膜的放电表面处理的放电表面处理用电极制造方法，将电气绝缘性硬质物质的粉末与导电性物质的粉末混合、压缩成型后，进行加热处理，形成所述放电表面处理用电极。
另外，在所述放电表面处理用电极材料中加石蜡后压缩成型，按所述石蜡熔融温度以上、所述石蜡分解产生煤灰温度以下温度进行加热，通过蒸发除去所述石蜡来形成所述放电表面处理用电极。
而且，为一种用于在电极与被处理材料之间产生放电、利用其能量在所述被处理材料表面形成硬质被膜的放电表面处理的放电表面处理用电极制造方法，通过将电气绝缘性硬质物质的粉末用导电性物质所覆盖的粉末或该粉末中加入其他粉末材料得到的粉末压缩成型，来形成所述放电表面处理用电极。
另外，为一种用于在电极与被处理材料之间产生放电、利用其能量在所述被处理材料表面形成硬质被膜的放电表面处理的放电表面处理用电极制造方法，将电气绝缘性硬质物质的粉末用导电性物质所覆盖的粉末或在该粉末中加入其他粉末材料得到的粉末压缩成型后，进行加热处理，形成所述放电表面处理用电极。
此外，在所述放电表面处理用电极材料中加石蜡后压缩成型，按所述石蜡熔融温度以上、所述石蜡分解产生煤灰温度以下温度进行加热，通过蒸发除去所述石蜡来形成所述放电表面处理用电极。
本发明的放电表面处理方法，为一种在电极与被处理材料之间产生放电，利用其能量在所述被处理材料表面形成硬质被膜的放电表面处理方法，用至少包含电气绝缘性硬质物质和导电性物质各一种的放电表面处理用电极。
而所述硬质物质至少是cBN、金刚石、B4C、Al2O3、Si3N4和SiC其中之一。
而所述导电性物质至少是Ti、W、Mo、Zr、Ta、Cr等形成硬质碳化物的金属其中之一或至少是Co、Ni、Fe等铁族金属其中之一。
本发明如上面所述构成，因而可在被处理材料上形成即便高温环境下也硬度高的硬质被膜，故具有可适合于高温环境下所用的切削工具等的表面处理、对于高温环境下所用的切削工具等提供所期望的耐腐蚀性、耐磨损性等性质这种效果。
图2是表示本发明实施形态1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放电表面处理方法在被处理材料上形成被膜状态的说明图。
图4示出的是cBN其硬度相对于温度的变化。
图5是表示本发明实施形态2放电表面处理用电极制造方法概念的剖面图。
图6示出的是本发明实施形态2放电表面处理用电极压缩成型时与表面处理用电极材料混合的石蜡的蒸气压曲线例。
图7是表示本发明实施形态3放电表面处理用电极及其制造方法概念的剖面图。
图8是表示本发明实施形态4放电表面处理用电极制造方法的剖面图。
图9是表示本发明实施形态5放电表面处理方法的构成图。
图10是表示现有放电表面处理用电极和装置例的构成图。
图11示出的是碳化物其硬度相对于温度的变化。
下面说明放电表面处理用电极10的制造方法。在利用放电表理处理在被处理材料上欲形成含cBN的被膜的场合，需要用cBN作为电极材料。但cBN为电气绝缘性，因而单体无法用作电极材料。而且，cBN为硬质，因而无法利用冲压的压缩成型使粉末坚固。这样，就无法仅用cBN单体用作放电表面处理用电极，因而将cBN用作放电表面处理用电极的场合，需要在cBN粉末中混合导电性金属等作为粘接剂。也就是说，将cBN粉末与粘接剂粉末混合，放入冲压模具，进行压缩成型，制作放电表面处理用电极。
而且，cBN为电气绝缘性，因而靠冲压进行压缩成型时，需要使导电性粘接剂的份量较多。这是由于利用放电产生的热量形成cBN被膜，但放电表面处理用电极一侧实际产生放电的是导电性粘接剂部分，而电气绝缘性的cBN不产生放电的缘故。尤其是仅通过压缩成型来形成放电表面处理用电极的场合，所有的粘接剂粒子难以电气连接，所以需要增加粘接剂的份量，例如最好将粘接剂份量按重量比取为50％左右。
图2是表示本发明实施形态1放电表面处理方法的构成图，图3示出的是利用本发明实施形态1放电表面处理方法在被处理材料上形成硬质被膜的状态。图中，3是加工槽，4是加工液，10是cBN和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、开关元件和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是由放电的热量熔融移动至被处理材料一侧的放电表面处理用电极成分，20是由cBN和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和被处理材料16之间产生放电。放电产生于作为放电表面处理用电极10的导电性粘接剂的Co系合金部分和被处理材料16之间。如图3(a)所示，放电表面处理用电极10靠放电热量熔融，并释放至极间，通过放电热量熔融并向被处理材料一侧移动的放电表面处理用电极成分19便附着于被处理材料16，如图3(b)所示，在被处理材料16上形成由cBN和Co系合金构成的硬质被膜20。
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优点非常大。尤其是考虑被处理材料为工具这种情况，施加金刚石被膜的工具，由于无法用于被加工物为铁族材料的场合，因而主要用于被加工物为非铁金属的场合。但施加cBN被膜的工具，适用于市场规模占较大优势、被加工物为铁族材料的场合。这样，使用施加cBN被膜的工具的价值极高。但对cBN薄膜化方法的开发缓慢，故利用本发明的放电表面处理方法的意义极大。图4示出的是cBN其硬度相对于温度的变化，与图11所示的碳化物相比可知，即便高温环境下也硬度较高。
实施形态2实施形态1的放电表面处理用电极，是将为电气绝缘性硬质物质的cBN粉末与用作导电性物质这种粘接剂的Co系合金粉末混合放入冲压模具，进行压缩成型形成的，但也可根据需要通过进行加热处理让放电表面处理用电极在一定范围内具有所需强度。
cBN为电气绝缘性，但需要混入导电性粘接剂，但进行加热处理的场合，粘接剂成分熔融致使电气传导改善，因而粘接剂的份量可相对较少。如实施形态1所示，仅靠压缩成型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取为50％左右，而压缩成型后进行加热处理的场合，粘接剂的份量按重量比取为百分之几至百分之几十也能获得可用作放电表面处理电极的电气传导。
另外，仅进行压缩成型的场合，在为电极材料这种粉末中混合的材料仍然为电极成分，因而不希望混合不需要的成分，但进行加热处理的场合，可通过添加加热蒸发的材料来实现成型特性的改善。例如，可通过将石蜡混合到为电极材料的粉末中，来显著提高冲压压缩成型时的成形特性。
图5示出的是通过将石蜡与电极材料混合来制造放电表面处理用电极的方法，图中，10是放电表面处理用电极，11是cBN粉末，12是Co系合金粉末，23是链烷烃等石蜡，24是真空炉，25是高频线圈，26是真空环境。可通过将石蜡23混合到cBN粉末11和Co系合金粉末12的混合粉末中，经压缩成型形成压粉体电极，来显著提高成形特性。但石蜡23为电气绝缘性，因而一旦大量残留于电极中，电极的电阻便变大，所以放电性变差。因此，需要除去石蜡23。图5(a)示出将混合有石蜡23的压粉体电极放入真空炉24中加热的状态，在真空环境26内进行加热，但也可在氢气、氩气等气体中加热。利用设置在真空炉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，若加热温度过低不能除去石蜡23，而温度过高石蜡23就会成为煤灰，电极纯度变差，因而需要确保石蜡23在熔融温度以上、石蜡23分解成煤灰温度以下。图6中作为例子给出具有250℃沸点的石蜡其蒸气压曲线。一旦将真空炉24的气压确保为石蜡23蒸气压以下，便如图5(b)所示可蒸发除去石蜡23，获得由cBN和Co构成的放电表面处理用电极10。不用石蜡场合需要将粘接剂材料取为硬度较低材料，而使用石蜡场合则可将TiN(氮化钛)、TiC、HfC(碳化铪)、TiCN(碳化氮化钛)等硬质材料作为粘接剂，可使被膜硬度进一步提高。
实施形态3图7是表示本发明实施形态3放电表面处理用电极及其制造方法概念的剖面图，图中，11是为电气绝缘性硬质物质的cBN粉末，12a是为导电性物质的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由Co被膜12a所覆盖，这种覆盖可利用蒸镀等很方便地进行。
一旦将这样由Co被膜12a所覆盖的cBN粉末11放入冲压模具进行压缩成型，便通过冲压压力使得Co被膜12a变形压接，来一体化为放电表面处理用电极。
用这种方法形成的放电表面处理用电极27，与实施形态1和2中放电表面处理用电极10相比，可减少作为粘接剂的材料量。所以，若利用采用放电表面处理用电极27的放电表面处理，可提高被处理材料所形成的硬质被膜中cBN的比例，形成硬度更高的硬质被膜。
利用由cBN和Co构成的放电表面处理用电极的放电表面处理中，cBN为电气绝缘性，因而放电不会直接产生于cBN，放电产生于为导电性粘接剂的Co，利用该放电热能cBN与为粘接剂的Co一起移至被处理材料一侧，形成被处理材料的硬质被膜。用本发明放电表面处理用电极27的放电表面处理中，为放电表面处理用电极27电气绝缘性硬质物质的cBN粉末11由为导电性物质的Co被膜12a所覆盖，因而放电表面处理用电极27的表面为完全导电性，可产生稳定的放电。
另外，被Co被膜12a所覆盖的cBN粉末11其粒径，需要比放电表面处理时放电表面处理用电极27和被处理材料间的极间距离小，因而最好为10μm以下量级。所以，cBN需要为比其更小的粒径。另外，该Co被膜其厚度最好为1～2μm量级以下。这是由于当Co被膜变厚时粘接剂比例变大的缘故。但当Co被膜其厚度极其薄时，起不到作为粘接剂的作用，因而需要为某种程度以上的厚度。例如cBN粉末其粒径为5μm场合，Co被膜其厚度最好为1μm左右。
实施形态4图8是表示本发明实施形态4放电表面处理用电极制造方法的剖面图。图8中(a)是用实施形态3所示方法被Co被膜12a所覆盖的cBN粉末11经过压缩成型的放电表面处理用电极27。而图8(b)表示将图8(a)的放电表面处理用电极27放入真空炉24中用高频线圈25进行高频加热的状态，图8(c)表示加热处理后放电表面处理用电极27a的构成。其中，12b是经过热处理的Co，28是气泡。
只将被Co被膜12a所覆盖的cBN粉末11进行压缩成型，所成型的放电表面处理用电极27也有导电性，但Co被膜12a只是变形压接，因而强度较弱，在放电表面处理用电极27使用方面往往存在放电表面处理用电极损伤等问题。这种场合，通过对压缩成型的放电表面处理用电极进行加热处理来增加强度，而且还可提高导电性。如实施形态2所示，通过对cBN粉末和Co系合金粉末混合的粉末压缩成型后进行加热处理，也能获得同样效果，但电气绝缘性和导电性物质混合，因而为了增加电极强度需要达到1300℃以上高温。而cBN从1500℃左右晶体结果开始变化为hBN(六方晶氮化硼)，因而无法获得对cBN来说所需的性质。所以，对实施形态2这种cBN粉末和Co系合金粉末混合的粉末压缩成型后进行加热处理的方法中，很可能产生无法获得对于cBN来说所需性质这种问题。反之，本实施形态4方法即对被Co被膜12a所覆盖的cBN粉末压缩成型后进行加热处理的方法中，各粉末互相用为覆盖材料的金属材料连接，因而利用该金属材料部分的热传导通过例如1200℃以下相对较低温度的加热处理可增加电极强度。所以，不会产生上面所述无法获得对cBN来说所需性质这种问题。
而且，上面说明中给出的是对被Co被膜12a所覆盖的cBN粉末11压缩成型后进行加热处理的方法，但为了提高压缩成型时的成型性，预先采用实施形态2与图5相同方法，将链烷烃等石蜡混合到被Co被膜12a所覆盖的cBN粉末11中，在加热处理时将石蜡蒸发除去的话，电极成型就更为方便。该方法尤其对于复杂形状或大型电极的制作效果明显。
实施形态5图9是表示本发明实施形态5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、开关元件和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所示方法对被Ti被膜所覆盖的cBN粉末压缩成型后进行加热处理所形成的电极。
用放电表面处理用电源装置17在放电表面处理用电极30和被处理材料16之间施加电压，产生脉冲状放电。cBN为电气绝缘性，因而放电产生于放电表面处理用电极30中Ti29部分，利用该放电产生的热能，电极材料一部分处于熔融状态，并由放电产生的爆发力移至被处理材料16一侧，被处理材料16上形成包含cBN和Ti的被膜。加工液4为油场合，粘接剂Ti与为加工液4构成元素的碳反应形成为TiC，被处理材料16上形成的被膜便成为由cBN和TiC构成的极为硬质的被膜。
另外，上述说明中，作为电气绝缘性硬质物质给出的是cBN例，但不限于cBN，也可用金刚石、B4C、Al2O3、Si3N4、SiC等。
而且，上述说明中，作为混合到电气绝缘性硬质物质中或覆盖电气绝缘性硬质物质的导电性物质给出Co、Ti例，但不限于此，也可W、Mo、Zr、Ta、Cr等形成硬质碳化物的金属或Ni、Fe等铁族金属。
产业实用性综上所述，本发明放电表面处理用电极及其制造方法和放电表面处理方法，适合应用于被处理材料表面形成硬质被膜的表面处理相关产业。
权利要求
1.一种放电表面处理用电极，用于在电极与被处理材料之间产生放电、利用其能量在所述被处理材料表面形成硬质被膜的放电表面处理，其特征在于，作为所述放电表面处理用电极材料，至少包含电气绝缘性硬质物质和导电性物质各一种。
2.如权利要求1所述的放电表面处理用电极，其特征在于，所述硬质物质至少是cBN、金刚石、B4C、Al2O3、Si3N4和SiC其中之一。
3.如权利要求1所述的放电表面处理用电极，其特征在于，所述导电性物质至少是Ti、W、Mo、Zr、Ta、Cr等形成硬质碳化物的金属其中之一或至少是Co、Ni、Fe等铁族金属其中之一。
4.一种放电表面处理用电极制造方法，该电极用于在电极与被处理材料之间产生放电、利用其能量在所述被处理材料表面形成硬质被膜的放电表面处理，其特征在于，将电气绝缘性硬质物质的粉末与导电性物质的粉末混合，通过压缩成型来形成所述放电表面处理用电极。
5.一种放电表面处理用电极制造方法，该电极用于在电极与被处理材料之间产生放电、利用其能量在所述被处理材料表面形成硬质被膜的放电表面处理，其特征在于，将电气绝缘性硬质物质的粉末与导电性物质的粉末混合、压缩成型后，进行加热处理，形成所述放电表面处理用电极。
6.如权利要求5所述的放电表面处理用电极制造方法，其特征在于，在所述放电表面处理用电极材料中加石蜡后压缩成型，按所述石蜡熔融温度以上、所述石蜡分解产生煤灰温度以下温度进行加热，通过蒸发除去所述石蜡来形成所述放电表面处理用电极。
7.一种放电表面处理用电极制造方法，该电极用于在电极与被处理材料之间产生放电、利用其能量在所述被处理材料表面形成硬质被膜的放电表面处理，其特征在于，通过将电气绝缘性硬质物质的粉末用导电性物质所覆盖的粉末或该粉末中加入其他粉末材料得到的粉末压缩成型，来形成所述放电表面处理用电极。
8.一种放电表面处理用电极制造方法，该电极用于在电极与被处理材料之间产生放电、利用其能量在所述被处理材料表面形成硬质被膜的放电表面处理，其特征在于，将电气绝缘性硬质物质的粉末用导电性物质所覆盖的粉末或在该粉末中加入其他粉末材料得到的粉末压缩成型后，进行加热处理，形成所述放电表面处理用电极。
9.如权利要求8所述的放电表面处理用电极制造方法，其特征在于，在所述放电表面处理用电极材料中加石蜡后压缩成型，按所述石蜡熔融温度以上、所述石蜡分解产生煤灰温度以下温度进行加热，通过蒸发除去所述石蜡来形成所述放电表面处理用电极。
10.一种放电表面处理方法，在电极与被处理材料之间产生放电，利用其能量在所述被处理材料表面形成硬质被膜，其特征在于，用至少包含电气绝缘性硬质物质和导电性物质各一种的放电表面处理用电极。
11.如权利要求10所述的放电表面处理方法，其特征在于，所述硬质物质至少是cBN、金刚石、B4C、Al2O3、Si3N4和SiC其中之一。
12.如权利要求10所述的放电表面处理方法，其特征在于，所述导电性物质至少是Ti、W、Mo、Zr、Ta、Cr等形成硬质碳化物的金属其中之一或至少是Co、Ni、Fe等铁族金属其中之一。
全文摘要
将为电气绝缘性硬质物质的cBN粉末(11)和为导电性物质的Co系合金粉末(12)混合放入冲压模具,通过压缩成型来形成放电表面处理用电极(10),利用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,在被处理材料(16)上形成即便高温环境下也硬度高的cBN和Co系合金所构成的硬质被膜(20)。
文档编号C22C29/00GK1367726SQ99816916
公开日2002年9月4日 申请日期1999年11月29日 优先权日1999年9月30日
发明者后藤昭弘, 毛吕俊夫 申请人:三菱电机株式会社