JP4078939B2 - 放電加工用電極材料 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として型彫り放電加工に用いられる加工電極として好適な放電加工用電極材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放電加工においては、被加工物の加工速度が速いこと、及び加工電極自体の消耗が少ないことが望まれてきた。同時にまた、被加工物には加工電極の表面状態が転写されるため、加工電極の表面や内部に巣がないこと、若しくは巣の大きさができるだけ小さいことが望まれてきた。
【０００３】
この様な要望を満たすために、従来から様々な放電加工用電極材料が開発されてきたが、その中でもＣｕ−Ｗ合金及びＡｇ−Ｗ合金は、Ｗの高い融点や沸点、Ｃｕ又はＡｇの高い熱伝導性と電気伝導性を活かして、消耗が少なく、精密加工や仕上げ加工に適した電極材料として、特に精密加工用途や超硬型の放電加工用途に適した放電加工用電極材料として使用されてきた。
【０００４】
かかるＣｕ−Ｗ合金及びＡｇ−Ｗ合金からなる放電加工用電極材料の製造方法の一つとして、Ｗ粉末を主成分とする粉末を電極形状に型押しした後、この型押し体中に最終合金組成となるように純Ｃｕ又は純Ａｇを溶融浸透させる溶浸法がある。また、別の製造方法として、Ｗ粉末とＣｕ又はＡｇ粉末を最終合金組成に配合した後、電極形状に型押しし、焼結して作製する焼結法がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これらのＣｕ−Ｗ合金及びＡｇ−Ｗ合金からなる放電加工用電極材料については、電極製造時に巣の発生を抑えることと共に、実際の放電加工現場における能率アップの要求から、電極の消耗を少なくすること、加工速度を上げて放電加工特性を向上させることが検討されている。
【０００６】
例えば、特開昭６３−１９５２４２号公報や特開昭５０−１０９５９５号公報に記載されるように、これらのＣｕ−Ｗ合金又はＡｇ−Ｗ合金中に、ＮａやＫ等のアルカリ金属元素、ＳｒやＣａ等のアルカリ土類金属元素、Ｌａ等の希土類元素、又はこれらの酸化物等を添加することにより、合金の仕事関数を小さくし、加工速度を向上させた電極材料が開発されている。
【０００７】
しかしながら、上記したアルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、希土類元素、又はその酸化物等を含む放電加工用電極材料は、確かにその仕事関数が低く、加工速度の向上等に改善が得られるものの、添加する上記金属元素等の中には毒性があるものや、吸湿性を有するものがあるため、その取り扱いが不便であり、製造が難しいという欠点があった。
【０００８】
また、これらの元素やその酸化物を含む放電加工用電極材料には、ＷやＣｕ、Ａｇを含まない巣と呼ばれる穴の部分が発生しやすいという欠点があった。内部欠陥として大きな巣が存在すると、加工電極として使用できなかったり、放電加工の際に被加工物に悪影響を与えたりするため、巣が無いか若しくは巣が問題にならない程度に小さいこと、具体的には電極の使用目的にもよるが約４μｍ以下であることが望まれている。
【０００９】
更に最近では、放電加工においても益々微細加工が要求されるようになり、放電加工用電極材料自体の加工性も大きな改善要因となりつつある。例えばＲ０.４ｍｍの半月形断面で長さ３０ｍｍの形状のように微細な加工を電極に施す場合には、その加工途中で電極にクラックが発生しやすかった。従って、このような微細加工を施す電極材料については、放電加工特性が優れているだけでなく、機械加工時にクラックが生じ難いなど電極材料自体の加工性の向上が望まれている。
【００１０】
更には、一般の放電加工現場では加工電極は消耗品として広く使用されていることから、コストが安く、且つ生産性が良くて短納期で製造できる放電加工用電極材料の開発が望まれている。
【００１１】
本発明は、このような従来の事情に鑑み、Ｃｕ−Ｗ合金からなり、電極の消耗が少なく且つ加工速度が速く、巣の発生がないか又は巣が極めて小さいうえ、電極材料自体の加工性が良く、安価で生産性に優れた放電加工用電極材料を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明が提供する放電加工用電極材料は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｗ以外の元素又はその硼素化物若しくは酸化物を０.０５重量％以上含まず、Ｗ濃度が４０重量％以上のＣｕ−Ｗ合金からなり、該合金中のＷ粒子は粒径１μｍ以下の粒子及び粒径３μｍ以上の粒子を含まないか又は３０％未満含み、且つ硝酸液で腐食した後のＷスケルトンの硬度がビッカース硬度で２２以上であることを特徴とする。
【００１３】
本発明においては、Ｗ粒子の粒径の測定は下記の方法によって行う。走査電子顕微鏡観察により１５００倍の写真を撮影し、これをコピー機にて４倍に拡大複写する。この拡大した写真内に長さ２０ｃｍの線分を任意に引き、この線分と交差したＷ粒子について、その交差した長さを測定してＷ粒子の粒径とする。また、粒径が１μｍ以下及び３ミクロン以上のＷ粒子の割合は、上記の作業を測定数が所定数、例えば３００個になるまで繰り返し、その３００個の粒子中に含まれる当該粒径のＷ粒子の百分率をもって表すものとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、Ｃｕ−Ｗ合金からなる放電加工用電極材料自体の機械加工性に関して検討した結果、微細なＷ粉末を用いた場合には、電極に微細加工を施す際に不定期にクラックが発生する頻度が高くなることを見出した。この知見に基づいて更に検討を重ね、放電加工用電極材料の機械加工性を改善し、微細加工時のクラック発生を防止するためには、Ｗ粒子の粒度を適正化すると共に、Ｗ粒子同士の固着性又は接合性を向上させることが必要であるとの知見を得た。
【００１５】
即ち、本発明の放電加工用電極材料は、Ｗ濃度が４０重量％以上のＣｕ−Ｗ合金からなり、この合金中のＷ粒子は粒径１μｍ以下の粒子を含まないか又は含んでも３０％未満であること、及び粒径３μｍ以上の粒子を含まないか又は含んでも３０％未満であること、更に硝酸液で腐食した後のＷスケルトンの硬度がビッカース硬度で２２以上であることが必要である。
【００１６】
粒径１μｍ以下の微細なＷ粒子の使用は、電極強度が高くなる反面、粉末の混合が難いことや焼結性のバラツキ等のために脆くなることもあり、クラックの発生を招きやすい。一方、粒径が３μｍ以上の粗大なＷ粒子は、Ｗ粒子同士の固着性又は結合性が弱いため好ましくない。このような理由から、本発明においては、合金組織中のＷ粒子として、粒径１μｍ以下の粒子及び粒径３μｍ以上の粒子は全く含まれないか、又は含まれても全Ｗ粒子の３０％未満とする。
【００１７】
また、Ｗ粒子を微粒化することによって、放電加工時における電極の耐消耗性及び加工速度を改善し得ることが分った。この観点からも、Ｗ粒子は細かい方が好ましく、余りに粗大なＷ粒子の割合を減ずること、即ち３μｍ以上のＷ粒子は含まないか、又は全Ｗ粒子の３０％未満とする必要がある。
【００１８】
Ｗ粒子同士の固着性又は結合性に関しては、Ｃｕ−Ｗ合金を硝酸液に浸漬してＣｕを腐食し、得られたＷスケルトンの硬度を測定することにより評価することができる。即ち、上記Ｗスケルトンの硬度として、ビッカース硬度が２２以上であるとき、Ｗ粒子が相互に強固に接合されているため、電極加工時におけるクラックの発生を抑制することができる。
【００１９】
また、Ｗ粒子同士の固着性又は結合性を高めること、即ち上記のごとくＷスケルトンの硬度としてビッカース硬度２２以上とすることによって、放電加工に伴う電極の消耗を小さくし且つ加工速度も向上する。このビッカース硬度は高ければ高いほど、上記放電加工性にとって好都合である。
【００２０】
加工電極を短い納期で且つ低コストで製造するためには、原料であるＷ粉末として一般に大量に生産されている品種を選び、製造工程も簡便なものであることが望まれる。極めて細かいか又は粗いＷ粉末は、原料費の点でコスト的に難があるだけでなく、例えば混合条件、型押し条件、焼結条件などの製造条件が特殊になり、しかも厳密に選定する必要があるため、納期的且つコスト的に不利である。
【００２１】
このような放電加工用電極材料の製造上の観点からも、Ｗ粒子は細か過ぎず且つ粗過ぎないことが望ましく、Ｃｕ−Ｗ合金中のＷ粒子について粒径１μｍ以下の粒子及び粒径３μｍ以上の粒子を含まないか、又は全Ｗ粒子の３０％未満とする。特に、Ｃｕ−Ｗ合金中の全Ｗ粒子のうち、粒径が１μｍを超え且つ３μｍ未満のＷ粒子が７０％以上であり、残りが粒径１μｍ以下のＷ粒子である放電加工用電極材料は、電極自体の加工性やコストの面からも、また電極の耐消耗性や加工速度の観点からも望ましいものである。
【００２２】
本発明の放電加工用電極材料は、Ｗ濃度が４０重量％以上、多くの場合は６０重量％のＣｕ−Ｗ合金からなる。また、巣の発生を抑制するため、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、希土類元素、又はその酸化物等を０.０５重量％以上含まないことが必要である。これにより、巣は全くないか、若しくは実際の電極使用において問題ない程度、具体的には巣の大きさを４μｍ以下に抑えることができ、多くの場合は１μｍ未満にすることができる。
【００２３】
一般に、アルカリ金属元素やアルカリ土類金属元素等を添加する場合には、これらの元素が焼結性を阻害するため、Ｎｉのような焼結促進効果のある元素を０.０５〜５重量％程度添加する必要があった。しかしながら、アルカリ金属元素やアルカリ土類金属元素等を含まない本発明のＣｕ−Ｗ合金においては、Ｎｉのような焼結促進効果のある元素等を必ずしも含む必要はない。従って、Ｎｉを添加しない場合には、ＮｉがＣｕ中に固溶して電気伝導度を下げるという不都合を避けることが可能である。
【００２４】
本発明のＣｕ−Ｗ合金からなる放電加工用電極材料の製造は、以下の溶浸法による。
【００２５】
即ち、粒径１μｍ以下のＷ粒子及び粒径３μｍ以上のＷ粒子が３０重量％未満となるような粒度分布を持つＷ粉末をそのまま、又はこのＷ粉末に例えば２〜３重量％程度のＣｕ粉末を混合した後、所望の形状に型押しし、この型押し体内にＷ−３０重量％Ｃｕ等の最終合金組成となるようにＣｕを溶浸させる。具体的なＣｕの溶浸については、型押し体をＣｕの溶融液体中に浸漬する方法、型押し体とＣｕを接触させた状態で、Ｃｕの融点以上の温度に加熱する方法等がある。
【００２６】
更に、Ｗスケルトンの硬度が高いＣｕ−Ｗ合金を製造する方法としては、上記の溶浸法の場合、Ｗ粒子同士の焼結状態をより強固にする手法、例えばＷ粒子の焼結を１３５０℃以上、より望ましくは１４１０℃よりも高い温度で行う等の方法をとることができる。
【００２７】
【実施例】
実施例１
０.５〜５μｍの粒度分布を持つＷ粉末とＣｕ粉末を原料とし、Ｗ−２重量％Ｃｕの組成となるように配合して、アトライターにて混合した後、この混合粉末を電極形状に型押しした。このＷ−２重量％Ｃｕ組成の型押し体に、純Ｃｕ粉末を型押しした材料を接触させ、水素雰囲気中にて１４１０℃（試料Ａ）で加熱焼結すると同時にＣｕを溶浸させることにより、最終合金組成がＷ−３０重量％Ｃｕである電極材料を作製した。
【００２８】
比較例として、焼結温度を１２３０℃とした以外は上記試料Ａの場合と同様にして、最終合金組成がＷ−３０重量％Ｃｕである試料Ｂの電極材料を作製した。また、試料Ｃは粗粒を多く含む粒度分布のＷ粉末を用いた以外、試料Ｄでは微粒を多く含む粒度分布のＷ粉末を用いた以外は、それぞれ上記試料Ａの場合と同様にして、最終合金組成がＷ−３０重量％Ｃｕである電極材料を作製した。
【００２９】
更に、比較例の試料Ｅとして、上記試料ＢにおけるＷ粉末の一部に代えてＣａＯ粉末とＴｈＯ_２粉末を添加し、それ以外は試料Ｂと同様にして、最終合金組成がＷ−３０重量％Ｃｕ−０.５重量％ＣａＯ−０.５重量％ＴｈＯ_２である電極材料を作製した。
【００３０】
得られた本発明の試料Ａの電極材料、並びに比較例の試料Ｂ〜Ｅの各電極材料について、それぞれ３０％の硝酸液で腐食した後のＷスケルトン硬度（ビッカース硬度Ｈｖ）を測定した。また、試料Ａ〜Ｅの各電極材料の合金中に含まれる粒径３μｍ以上及び粒径１μｍ以下の各Ｗ粒子量を求め、これらの結果を焼結温度等の製造条件と共に下記表１に示した。
【００３１】
【表１】

【００３２】
上記試料Ａ〜Ｅの各電極材料について、Ｒ０.４ｍｍの半月形断面で長さ３０ｍｍの形状に機械加工し、その際の電極のクラック発生率を求めた。また、各電極材料について、巣の大きさを測定し、その平均値を求めた。
【００３３】
更に、上記試料Ａ〜Ｄの各電極材料から電極面が１５×１５ｍｍの加工電極を作製し、この電極面が１５×５ｍｍだけ超硬合金（硬さ８８.５ＨＲＡ）の被加工材にかかるように対向させて、ピーク電流（Ｉｐ）＝１３５Ａ、加工電圧（Ｖ）＝８０Ｖ、パルス幅（ＯＮ）＝８.７μｓｅｃ、休止時間（ＯＦＦ）＝１２８μｓｅｃの条件で、４ｍｍの加工深さまで放電加工を実施した。この放電加工における電極消耗量と加工速度を求めた。得られた結果を下記表２に示した。
【００３４】
【表２】

【００３５】
上記の結果から分るように、本発明の試料Ａの電極材料は、Ｗスケルトン硬度がＨｖで２２以上と高く、巣の大きさが小さく、電極の耐消耗性及び加工速度も充分満足できるものであると同時に、電極の機械加工時におけるクラック発生率を極めて少なくすることができた。また、原料として微細又は粗大な粒子を多く含まないＷ粉末を用いるため、原料コストを抑えることができ、しかも特殊な製造条件を必要としないことから短納期での製造が可能であった。
【００３６】
一方、比較例の各電極材料については、試料Ｂは焼結温度が低く、Ｗスケルトン硬度も低いため、試料Ａに比べて電極の機械加工時におけるクラック発生率が高くなり、巣の大きさ、電極の耐消耗性及び加工速度も劣っている。試料Ｃは、粒径３μｍ以上の粗大のＷ粒子が多いため、電極の機械加工時におけるクラック発生率が高くなり、電極の耐消耗性及び加工速度も低下した。
【００３７】
また、比較例の試料Ｄは、粒径１μｍ以下の微粒のＷ粒子が多いため、電極の耐消耗性と加工速度は優れているが、電極の機械加工時におけるクラック発生率が大幅に悪化した。更に、酸化物を含む試料Ｅは、電極の耐消耗性及び加工速度は優れているが、電極の機械加工時におけるクラック発生率が高く、しかも４０μｍを超える極めて大きな巣が発生した。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｃｕ−Ｗ合金からなる放電加工用電極材料について、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、希土類元素、又はその酸化物等を含まず、電極の耐消耗性及び加工速度に優れ、巣の発生を抑制できるうえ、機械加工性が良いため微細形状の電極に加工する際にクラック等が発生し難く、安価で生産性に優れた放電加工用電極材料を提供することができる。

Claims (1)

1. Ｗ粉末又はＷ粉末にＣｕを混合した粉末を所望の形状に型押しした後、その型押し体に１３５０℃よりも高い温度でＣｕを溶浸させて得られたＣｕ−Ｗ合金からなり、Ｗ濃度が４０重量％以上で且つＮｉ、Ｃｕ、Ｗ以外の元素又はその硼化物若しくは酸化物を０ . ０５重量％以上含まず、該合金中のＷ粒子は粒径１μｍ以下の粒子及び粒径３μｍ以上の粒子を含まないか又は３０％未満含み、該合金を硝酸液で腐食した後のＷスケルトンの硬度がビッカース硬度で２２以上であって、該合金中の巣の大きさが４μｍ以下であることを特徴とする放電加工用電極材料。