JP5066797B2 - 成膜方法および成膜ワークを生産する方法。 - Google Patents
成膜方法および成膜ワークを生産する方法。 Download PDFInfo
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Description
本発明は、金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を成形した粉末成形体、または加熱処理した該粉末成形体、を電極として、加工液中または気体雰囲気中において電極とワークの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによりワーク表面に電極材料または電極材料が前記パルス状の放電エネルギーにより反応した物質からなる放電表面処理被膜の成膜方法および成膜ワークを生産する方法に関するものである。
放電を利用した表面改質技術が、例えば特許文献１に開示されている。放電によってシリコン（Ｓｉ）等のアモルファス層又は微細結晶層を被表面改質物表面に形成するものである。また、別の表面改質技術が、特許文献２に開示されている。炭素鋼、低合金鋼、オーステナイト系ステンレス鋼若しくはフェライト系ステンレス鋼等の鉄（Ｆｅ）基合金、ニッケル（Ｎｉ）基合金、又はコバルト（Ｃｏ）基合金からなる構造物の表面を、少なくとも一つの高耐食性元素を有する電極を用い、油中あるいは水中にて、放電加工処理し、前記部材の初期表面の除去とこの表面に耐食性に優れた放電加工合金層を形成することを特徴とする。更にこの表面改質処理方法により形成された放電加工合金層にレーザー光、電子ビーム、又は、ＴＩＧアーク等のエネルギーを照射して、放電加工合金層と被処理対象部材の一部を再溶融させた後、急冷凝固させて再溶融表面合金層を形成することを特徴とする。
また、表面改質技術ではなく、被加工物表面に金属やセラミックスの被膜を形成する技術として、無電解メッキ、電解メッキ、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、溶射、溶接などがある。無電解メッキは、化学反応を利用して、水溶液中から金属を被処理物表面に析出させる方法である。電解メッキは一方の極をイオン化させ、もう一方の極で電子をやり取りして被処理物に被膜を形成させる方法である。PVDは真空中で蒸発した金属のガスをイオン化して、負の電圧を印可した基材に叩きつけて被膜を形成する方法である。これらの方法は、ワーク表面に被膜を堆積することにあり、ワークと被膜の密着性に関しては十分ではなかった。
ワークと被膜の密着性を高めた被膜形成技術として、特許文献３に示されるように放電を利用した表面処理がある。この放電表面処理は、形成する被膜と同じ大きさの電極を用い、被加工物と電極の間に複数のパルス放電を発生させて被膜を形成させる転写加工方法である。
従来技術は、放電を利用して被加工物の表面に放電加工合金層を設け、その後、その一部をレーザー光や電子ビームを照射して溶融させ、自己冷却による急冷凝固によって再溶融表面合金層を形成させていた。放電加工合金層と被加工金属との密着性が不十分である場合に、レーザー光や電子ビームを照射して放電加工合金層および被加工金属の一部を再溶融して欠陥を消失し、かつ被加工金属との密着した再溶融表面合金層を形成していた。この従来技術では、レーザーや電子ビームは、セラミックスなどを被加工金属へ拡散させ、合金層を拡大するために使用されている。被加工金属の表面の耐食性を向上させる場合は、合金層が厚いほうがよいが、被加工物の上に被膜を形成させ、被膜に所望の性能を発揮させたい場合、合金層の特性は所望性質と異なるため、被膜と被加工物の合金層の厚みはなるべく薄いほどよい。
微小な粒子を溶融させ、被加工物上に堆積させる溶射や放電による被膜の密度は、一般に金属固体と比較して小さくなる。それは、被膜中にわずかな空隙が形成されるためである。また、溶融した粒子が積層して被膜となるため、被膜中には粒子と粒子との間（粒界）が存在する。被膜が摩擦によるせん断力を受けた場合、その粒界が基点となり、被膜が摩耗する。また、その粒界が抵抗となり、被膜の熱伝導率を低下させてしまう。
そこで、本発明では、放電を利用して厚みを持った被膜を形成させた後、合金層の拡大を抑制して被膜の密度や強度を向上し、粒界や空隙を減少させる成膜方法を提供する。
この発明にかかる成膜方法は、金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を成形した粉末成形体、または加熱処理した該粉末成形体、を電極として、加工液中または気体雰囲気中において電極とワークの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによりワーク表面に電極材料または電極材料が前記パルス状の放電エネルギーにより反応した物質からなる放電表面処理被膜を形成する工程と、この形成した放電表面処理被膜にエネルギーを照射して加熱する工程と、を有するものである。
さらに、放電表面処理被膜を形成する際に、該放電表面処理被膜の熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以下となる被膜を形成するものである。
さらに、電極材料の金属固体での熱伝導率が９０Ｗ／ｍＫ以上のものである。
さらに、粉末成形体電極の電極材料として、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｏ、Ｃｏ合金を用いるものである。
さらに、放電表面処理被膜を形成して、エネルギーを多点照射するものである。
さらに、放電表面処理被膜に照射するエネルギーのスポットを照射面の対角線と平行に移動させ、被膜部と非被膜部との境界線に到達すると、この境界線からの入射角と反射角が等しくなるように照射エネルギースポット走査方向を変えるものである。
さらに、照射エネルギースポット走査の変更方向を決定する被膜部と非被膜部との境界線からの入射角と反射角を、定期的に異なった大きさにするものである。
さらに、放電表面処理被膜にエネルギーを照射して加熱した後に研磨するものである。
この発明にかかる成膜方法は、金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を成形した粉末成形体、または加熱処理した該粉末成形体、を電極として、加工液中または気体雰囲気中において電極とワークの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによりワーク表面に電極材料または電極材料が前記パルス状の放電エネルギーにより反応した物質からなる放電表面処理被膜を形成する工程と、この形成した放電表面処理被膜に圧力を付加する工程と、を有するものである。
さらに、放電表面処理被膜を形成する際に、該放電表面処理被膜の熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以下となる被膜を形成するものである。
さらに、電極材料の金属固体での熱伝導率が９０Ｗ／ｍＫ以上のものである。
さらに、粉末成形体電極の電極材料として、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｏ、Ｃｏ合金を用いるものである。
この発明にかかる成膜ワークを生産する方法は、ワークに対し、金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を成形した粉末成形体、または加熱処理した該粉末成形体、を放電表面処理用電極として対向させ、電極とワークの間にパルス状の放電を発生させることでその放電エネルギーによりワーク表面に電極材料または電極材料が前記パルス状の放電エネルギーにより反応した物質からなる放電表面処理被膜を形成し、この形成した放電表面処理被膜にエネルギーを照射して加熱するものである。
この発明にかかる成膜ワークを生産する方法は、ワークに対し、金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を成形した粉末成形体、または加熱処理した該粉末成形体、を放電表面処理用電極として対向させ、電極とワークの間にパルス状の放電を発生させることでその放電エネルギーによりワーク表面に電極材料または電極材料が前記パルス状の放電エネルギーにより反応した物質からなる放電表面処理被膜を形成し、この形成した放電表面処理被膜に圧力を負荷するものである。
この発明にかかる成膜方法は、金属粉末、金属の化合物の粉末、またはセラミックスの粉末を溶融させる熱量を低下させた溶射によりワーク表面に溶射被膜を形成し、この形成した溶射被膜にエネルギーを照射してワーク表面との境界付近の被膜部分を加熱するものである。
この発明にかかる成膜方法は、溶融した金属粉末、金属の化合物の粉末、またはセラミックスの粉末がワークに衝突する速度を低下させた溶射によりワーク表面に溶射被膜を形成し、この溶射被膜にエネルギーを照射してワーク表面との境界付近の被膜部分を加熱するものである。
この発明は、放電表面処理で形成される被膜にエネルギーを照射して加熱することにより、強度・熱伝導率・密度・表面粗さ等の被膜の特性を向上させることができる。また、放電表面処理では、放電の電流や放電時間を制御して、照射エネルギーを被膜に滞留させ高温になる、熱伝導率の低い、エネルギーの照射に適した放電表面処理被膜を形成できる。放電表面処理により熱伝導率が小さい被膜を形成し、その被膜にエネルギーを照射して加熱すれば、被膜とワークの界面に形成される合金層の拡大を抑制できる。
以下、本発明にかかる放電表面処理方法の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施例１の成膜方法を実施する装置の簡略構成図である。図１において、加工槽５内には加工液７が満たされ、この加工槽５内にはワーク６およびこのワーク６を支持するベッド４が配置される。他方、主軸１の先端には電極３が備えられ、この電極３は加工液７内に浸漬されている。また、電極３およびベッド４は放電表面処理用電源２が接続されている。この場合、電極３は放電表面処理用電源２の陰極に、ワーク６は放電表面処理用電源２の陽極にそれぞれ接続されている。そして、この電極３とワーク６との間に印加された電圧によって、電極３とワーク６の間でパルス状の放電が発生し、ワーク表面に放電表面処理被膜が形成される。
放電表面処理被膜が形成されたワーク６をワーク移動手段Ａによりレーザー加工装置へ移動する。図において、９は全反射ミラー８に対向配置された部分反射ミラーであり、この部分反射ミラーと全反射ミラーが安定型のレーザー共振器を構成する。１０はレーザー共振器に発生するレーザービーム、１１ａ、１１ｂはレーザービーム１０のＰ偏光成分のみを透過させ、Ｓ偏光成分は反射させるブリュースター窓、１２は４分の１波長板、１３はレーザー発振を行う放電管である。１４は電気光学振幅変調器、１５は電気光学振幅変調器に印加するオン・オフを繰り返すパルス電圧を発生するパルス発生器、１７はレーザー発振器から出射したレーザービーム１６の波長を変換できる波長変換素子、１９はビームスプリッターである。ビームスプリッター１９で反射したレーザービームが伝送光路系２０によって集光光学系２１まで導かれ、ワーク６表面に形成された被膜上に集光される
。
。
ワーク移動手段Ａにロボットアーム等を用いることにより放電表面処理装置とレーザー加工装置を含めた自動生産ラインとすることも可能となる。
ワーク６表面に被膜を形成する放電表面処理の原理を図２に示す。この図において、電極は金属や金属の化合物、セラミックスの数μｍの粉末を成形したもの、若しくは、成形した後、加熱処理したものを用いる。金属は金属単体だけでなく合金を含む。また、金属の化合物は金属と非金属の化合物をいう。電極を陰極、ワークを陽極とし、両者が接触しないよう主軸はサーボをとられている。電極とワークの間は加工液で満たされ、その間で放電を発生させる。放電の熱によりワークおよび電極は溶融・気化される。気化により発生する爆風よって、溶融した電極の一部（溶融粒子）をワーク表面に向かって輸送する。ワーク表面に到達すると、再凝固し被膜となる。
放電表面処理用電極製造のためのプロセスを図３に示す。平均粒径４μｍ以下の金属粉末またはセラミックス粉末を金型に入れてパンチにより圧力をかけてプレスする。所定のプレス圧を粉末にかけることで、粉末は固まり圧粉体となる。プレスの際に粉末内部へのプレス圧の伝わりを良くするために粉末にパラフィンなどのワックスを重量比で１％から１０％程度混入すると成形性を改善することができる。
圧縮成形された圧粉体は、圧縮により所定の硬さが得られていればそのまま放電表面処理用の電極として使用することができるが、加熱することで強度を増すことができる。また、ワックスを使用した場合、ワックスの融点より高い温度に加熱し、ワックスを除去する。このようにして放電表面処理用の電極が得られる。
上記工程で製造された電極でワーク表面に放電により放電表面処理被膜を形成し、エネルギーを照射して加熱する。エネルギーを照射する加熱には抵抗発熱体による抵抗加熱や輻射加熱、コイル誘導電流による誘導加熱やプラズマ加熱や輻射加熱、電子ビームによる電子ビーム加熱、レーザー光によるレーザー輻射加熱、太陽光による太陽光輻射加熱、アーク電流によるアーク加熱やプラズマ加熱やアーク輻射加熱等がある。
エネルギーを照射する模式図を図４に示す。放電表面処理被膜６ａ全体を覆うようにレーザー光や電子ビームの焦点をディフォーカスして、照射範囲を拡大している。焦点を被膜の表面に合わせた場合、被膜全面にエネルギーを照射できるように、スポットを走査させる。レーザーや電子ビームのエネルギーで被膜の特性を向上させるためには、必ずしも被膜を溶融せずともよい。なぜなら、物質は融点まで到達せずとも、格子振動が激しくなるデバイ温度程度で拡散を始めることができるからである。デバイ温度以上の温度に被膜を加熱すれば、被膜中の粒子と粒子の結合強度が大きくなり硬度が上昇し、引っ張り強度も向上する。また熱伝導率も向上する。金属のデバイ温度は融点と比較してかなり低い。例えば、Ｃｕ（銅）のデバイ温度は３４３Ｋ、融点は１３５８Ｋであり、Ｆｅのデバイ温度は４７０Ｋ、融点は１８１１Ｋである。
Ｔｉ―Ａｌ―Ｖ合金を被加工物とし、放電表面処理でその上にＣｕ−Ｓｎ−Ｎｉ合金被膜を形成させた。放電電流を８Ａ、放電時間を６４μｓ、休止時間を１０２４μｓとし、面積１０ｍｍ×１０ｍｍ、膜厚０．４ｍｍの被膜を形成した。形成された被膜の熱伝導率は５Ｗ／ｍＫであった。その被膜にＣＯ２レーザー加工機でレーザーを１回照射した。照射条件を表１に示す。出力を３ｋＷとし、酸化防止のためアルゴンガスを吹きかけながら０．３ｓ間レーザー光を照射し続けた。レーザーの焦点は被膜表面の１１０ｍｍにあり、
ディフォーカスされている。
ディフォーカスされている。
照射前後の被膜の断面写真を図５に示す。照射前は、被膜内部に多数の空隙が存在し、熱伝導率や強度が低い様子がわかる。それに対し、レーザー照射後は、空隙が減少し、緻密な被膜を形成できている。照射前の被膜のビッカース硬度は、５０ＨＶであったが、照射後はＣｕ−Ｓｎ−Ｎｉ合金の金属固体のビッカース硬度と同等の２５０ＨＶまで向上できた。また、照射前６ｇ／ｃｍ３であった被膜の密度は、照射により８．５ｇ／ｃｍ３に向上できた。さらに、被膜の熱伝導率も５０Ｗ／ｍＫまで向上できた。
エネルギーを照射して被膜の特性を向上させるためには、放電表面処理被膜の熱伝導率が３０Ｗ/ｍＫ以下である必要がある。なぜなら、被膜の熱伝導率が大きくなると、レーザー光や電子ビームのエネルギーを被膜が吸収しても、素早くワークに伝導し、被膜がデバイ温度以上の高温にならないからである。また、熱伝導率がこれ以上の被膜を形成する場合、大きな放電エネルギーを用いることになり、被加工物が除去されたり、変形したりして、従来の溶接と同じ問題を生じてしまう。
被膜は吸収したエネルギーを被膜内部に蓄え、高温になると被膜内部の粒子間の拡散接合を進めることができる。レーザー光や電子ビームを用いて被膜特性を向上させるためには、放電表面処理被膜の熱伝導率を小さくしなければならない。被膜の熱伝導率が大きいと、レーザー光や電子ビーム等のエネルギーがワークに伝わり、被膜とワークの界面で拡散が進み、被膜とワークが混在する合金層が大きくなったり、金属間加工物を生成したりする。この合金層は、所望の被膜の特性と異なるため、できるだけ小さい方がよい。被膜の熱伝導率の下限値は０．１Ｗ／ｍＫ程度である。これより低くすると、局所的に温度上昇しすぎて蒸発し、蒸発の潜熱で熱を奪い被膜を溶かすことができなくなるからである。被加工物への熱伝導の早さ、被加工物の受ける影響を考慮すると、被膜の熱伝導率は１Ｗ／ｍＫ以上８Ｗ／ｍＫ以下が好適である。
放電表面処理により熱伝導率の小さい被膜を形成する方法について述べる。放電表面処理は、前記したように小さな放電を繰り返し発生させ、小さな盛り上がり（突起物）を積層して被膜を形成させる。放電の電流を大きくすると、または放電時間を長くすると、一回の放電で形成されるこの突起物が大きくなる。突起物が大きくなると、突起物と突起物の間に形成される空間も大きくなる。つまり空隙が多い被膜となる。空隙が多い被膜は熱伝導率が小さい。
被膜となる電極材料は電極製造前の金属固体状態での熱伝導率が大きいほど、空隙を形成しやすい。放電表面処理では、形成された被膜の上に、放電を発生させ、更に被膜を堆積する。その放電の熱は、堆積していた被膜にも伝わり、被膜を形成している粒子と粒子の結合を強くしたり、溶融して空隙を埋め、再凝固したりする。金属固体の熱伝導率が大きいと、粒子と粒子の結合部の面積がわずかでも放電の熱をワークに伝えることができ、被膜中の空隙が埋まらない。金属固体の熱伝導率が９０Ｗ／ｍＫ以上になるとこの現象が顕著になり、特に１００Ｗ／ｍＫ以上が好適である。熱伝導率９０Ｗ／ｍＫ以上の材料としては、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ａｇ（銀）、Ｎｉ（ニッケル）やＣｏ（コバルト）またはそれらの合金等がある。
本実施例により、放電表面処理被膜にエネルギーを照射し、強度・熱伝導率・密度などの被膜の特性を向上することができる。また、放電表面処理では、放電の電流や放電時間を制御して、照射したエネルギーを被膜に滞留させ高温になる、熱伝導率の低い、エネルギーの照射に適した被膜を形成できる。放電により熱伝導率が小さい被膜を形成し、その被膜にエネルギーを照射すれば、被膜とワークの界面に形成される合金層の拡大を抑制できる。
実施例１では、３ｋＷのレーザー光を一回照射し、被膜の特性を向上していた。被膜の面積が大きい場合は、レーザー光の照射位置を移動させて、複数回被膜に照射する必要がある。熱伝導率や強度などの特性が向上した被膜に、大きなエネルギーを投入すると、ワークがダメージを受け、被膜とワークが混合した合金層が大きくなったり、金属間化合物を生成したりしてしまう。レーザー光や電子ビーム等でスポットサイズよりも大きな面積を処理する場合は、小さいエネルギーで表面から少しずつ被膜の特性を向上していく必要がある。被膜がエネルギーのスポットサイズより大きくなくても、膜厚が厚い場合は同様のことがいえる。
２０ｍｍ×２０ｍｍの被膜にレーザー光を照射し、被膜の特性向上を試みた。レーザーのスポットサイズはφ１０ｍｍ程度であるため、被膜内部に包含された１０ｍｍ×１０ｍｍの四角形の頂点でレーザー光を照射させた。各頂点での照射回数は５回である。レーザー光の照射条件を表２に示す。０．１ｓの間に、周波数１０Ｈｚ、デューティー５０％でレーザー光を照射した。つまり、一回のレーザー光の照射時間は、０．０５ｓとなる。レーザー光を照射される被膜の材質はＣｕ−Ｎｉ合金で、放電表面処理で形成された被膜の熱伝導率は１２Ｗ／ｍＫである。レーザー照射前の被膜の硬度は１００ＨＶであったのに対し、レーザー照射後の被膜の硬度は３００ＨＶであった。また、被膜の熱伝導率は、レーザー照射により８０Ｗ／ｍＫに向上していた。被膜の断面を観察した結果、合金層が拡大した様子は無かった。
照射位置を変えて被膜にエネルギーを照射する場合、大きなスポットサイズで照射した方が小さいスポットサイズで照射するよりも、照射位置が少ない分、被膜の均一性を高くすることができる。また、一般にレーザー光のようなエネルギーのビーム強度は照射面において一様ではなく図６のような強度分布になっている。そこで、図７のように照射エネルギーの強度分布に合わせて照射位置をずらして重複部分を調節することにより、被膜の均一性を高くすることができる。被膜が平面でなく曲面の場合は、スポットサイズを小さくし、照射位置を細かく変えることで曲面被膜にも対応することができる。また、被膜の形状に合わせてビーム形状を適宜変更することもできる。照射位置ごとに照射回数を変えることで、被膜の場所ごとの特性を変えることも可能である。また、用途に応じてレーザーの発振モードをＴＥＭ００モード発振、ＴＥＭ０１モード発振、マルチモード発振等にすることもできる。
本実施例により、エネルギーのスポットサイズよりも大きな放電表面処理被膜にエネルギーを多点照射し、強度・熱伝導率・密度などの被膜の特性を向上することができる。また、放電表面処理では、放電の電流や放電時間を制御して、エネルギーを被膜に滞留させ高温になりやすい熱伝導率の低い、エネルギーの照射に適した被膜を形成できる。放電により熱伝導率が小さい被膜を形成し、その被膜にエネルギーを照射すれば、被膜とワークの界面に形成される合金層の拡大を抑制できる。
金属と金属を結合するためには、温度を上げる他に圧力を加える方法がある。金属を接触させ圧力を加えると、表面の酸化膜などの不動体膜が破れ、金属面が露出して結合する。温度がほとんど上昇しないため、被膜とワークの界面の合金層を拡大させることはなく、金属間化合物も生成されない。
放電表面処理で１０ｍｍ×１０ｍｍのＣｕ−Ｓｎ−Ｎｉ合金被膜を形成した。被膜の断面写真を二値化処理して得られた被膜の空隙率は約１０％で、被膜の熱伝導率は２０Ｗ／ｍＫであった。その被膜に約１０ｔｏｎの荷重を５ｓ間付加した。圧力負荷前の被膜硬度は１５０ＨＶであったが、圧力負荷後は３００ＨＶまで向上した。被膜の空隙率は１％まで低下した。また、圧力を加えることで突起がつぶれるため、表面粗さも向上した。
本実施例により、放電表面処理被膜に圧力を負荷し、強度・熱伝導率・密度・表面粗さなどの被膜の特性を向上することができる。また、熱を加えないので、被膜とワークの界面に形成される合金層を拡大させることはなく、金属間化合物も生成しない。
放電表面処理被膜にエネルギーを照射して加熱すると、被膜の表面粗さを低下させることもできる。φ１８ｍｍのＴｉＣ（チタンカーバイド）の放電表面処理被膜に電子ビームを照射した。電子ビームのスポットサイズは数μｍから数十μｍであるため、被膜全面に照射するためスポットを走査した。電子ビーム照射前の被膜表面粗さはＲａ＝３μｍであったが、電子ビーム照射によりＲａ＝１μｍまで低下した。
本実施例により、放電表面処理被膜にエネルギーを照射して加熱すると、被膜の表面粗さを向上することができる。
本実施例では放電表面処理で形成された被膜に電子ビームを照射し，被膜の密度や熱伝導率を向上させた例について説明する。
平均粒径１．５μｍのＣｕ-Ｓｎ-Ｎｉ粉末を圧縮成形した後、加熱処理して放電表面処理用の電極を作製し、その電極を用い、放電電流８Ａ、放電時間１０２４μｓ、休止時間４０９６μｓの条件で、φ１０ｍｍ×１．５ｍｍの被膜を形成させた。その被膜の熱伝導率は、２Ｗ／ｍＫ程度である。このように熱伝導率の低い被膜を放電表面処理で形成するためには、放電時間を２５６μｓ以上にするとよい。なぜなら放電時間が２５６μｓより長くなると、被膜を形成する粒子が大きくなり、かつ、その粒子間に形成される空間も大きくなる。そのため、熱の通る面積が小さくなり、熱伝導率が低くなるからである。
その被膜に電子ビームを３０秒おきに５回照射した。電子ビーム照射条件を表３に示す。電子ビームのスポット径はφ０．０１ｍｍ程度であり、１０ｍｍ×１０ｍｍの照射面積となるようそのスポットが走査されている。スポットを対角線と平行に移動させ、辺に到達すると入射角と反射角が等しくなるように曲げるという移動を繰り返し、軌跡が四角形となる直前に、反射角度をわずかに変えて移動させる。この一連の走査パターンにより、照射面全面に電子ビームを照射する。
照射前と照射後の被膜表面写真を図８に示す。照射前は表面が滑らかであるが、金属光沢がなく、被膜内部に多数のボイド（気泡）が多数あり、密度や熱伝導率が低い被膜になっている。照射前の被膜密度は６．０ｇ／ｃｍ３であった。電子ビームの照射後は、Ｃｕ合金特有の銅色の金属光沢を持った被膜となり、被膜密度は８．２ｇ／ｃｍ３まで上昇した。熱伝導率は、照射前は２Ｗ／ｍＫであったが、照射により３５Ｗ／ｍＫまで上昇した。照射後の被膜表面の状態に応じて、さらに被膜を研磨する場合もある。
以上のようにヒートスポットを形成させ、溶融を進めるためには、被膜の熱伝導率を低くする必要がある。
熱伝導率の低い被膜の形成方法として、放電表面処理について説明したが、溶射でも粉末を溶融させるための熱量を低下させたり、粉末が被加工物に衝突するときの速度を低下させたりすることにより、同様の被膜を形成することができる。よって溶射によって形成されて熱伝導率の低い被膜にも電子ビームやレーザーを照射すれば、被膜の密度や熱伝導率を向上することができる。
本実施例により放電表面処理によって形成された被膜に電子ビームを照射し、被膜の熱伝導率や密度などの特性を向上することができ、被膜を施された軸受けと軸の摩擦により発熱するような場合、その熱を熱伝導率の高い被膜により周囲に飛散させ、軸や軸受けの温度上昇を抑制し、焼き付きなどを防止することができる。
以上いくつかの実施例について述べてきたが、これらの例では、放電表面処理により形成したある程度疎な被膜の緻密化を主な目的としている。疎な被膜の緻密化という観点でみると、元の被膜は放電表面処理以外でも同じような効果を得られるものもある。例えば、溶射により形成された被膜である。溶射の被膜はポーラスな被膜であり、緻密化は大きな課題である。溶射の被膜に関しても、本発明の実施例で述べた方法は有効である。
なお、実施例１〜５の放電表面処理被膜の材料は金属であるが、金属だけではなく、金属の化合物またはセラミックスを材料としても金属の場合と同様の効果を得られることが確認できている。
また、放電表面処理被膜にレーザーや電子ビーム等のエネルギーを照射した後に被膜表面にうねりが形成されることがあるが、この場合、表面を研磨する必要がある。
１ 主軸、２ 放電表面処理用電源、３ 電極、４ ベッド、５ 加工槽、６ ワーク、７ 加工液、８ 全反射ミラー、９ 部分反射ミラー、１０、１６、１８ レーザービーム、１１ａ、１１ｂ ブリュースター窓、１２ ４分の１波長板、１３ 放電管、１４ 電気光学振幅変調器、１５ パルス発生器、１７ 波長変換素子、１９ ビームスプリッター、２０ 伝送光路系、２１ 集光光学系。
Claims (13)
- 金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を成形した粉末成形体、または加熱処理した該粉末成形体、を電極として、加工液中または気体雰囲気中において電極とワークの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによりワーク表面に電極材料または電極材料が前記パルス状の放電エネルギーにより反応した物質からなる熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以下となる放電表面処理被膜を形成する工程と、
この形成した放電表面処理被膜にエネルギーを照射して、該放電表面処理被膜がデバイ温度以上、融点未満に加熱する工程と、
を有することを特徴とする成膜方法。 - 放電表面処理被膜を形成する際に、該放電表面処理被膜の熱伝導率の下限値を０．１Ｗ／ｍＫとなる被膜を形成することを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
- 電極材料の金属固体での熱伝導率が９０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
- 粉末成形体電極の電極材料として、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｏ、Ｃｏ合金を用いることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
- 放電表面処理被膜を形成して、エネルギーを多点照射することを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
- 放電表面処理被膜に照射するエネルギーのスポットを照射面の対角線と平行に移動させ、被膜部と非被膜部との境界線に到達すると、この境界線からの入射角と反射角が等しくなるように照射エネルギースポット走査方向を変えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の成膜方法。
- 照射エネルギースポット走査の変更方向を決定する被膜部と非被膜部との境界線からの入射角と反射角を、定期的に異なった大きさにすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の成膜方法。
- 放電表面処理被膜にエネルギーを照射して加熱した後に研磨することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の成膜方法。
- 金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を成形した粉末成形体、または加熱処理した該粉末成形体、を電極として、加工液中または気体雰囲気中において電極とワークの間にパルス状の放電を発生させ、その放電エネルギーによりワーク表面に電極材料または電極材料が前記パルス状の放電エネルギーにより反応した物質からなる放電表面処理被膜を形成する工程と、
この形成した放電表面処理被膜に加熱することなく圧力を付加する工程と、
を有することを特徴とする成膜方法。 - 電極材料の金属固体での熱伝導率が９０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項９記載の成膜方法。
- 粉末成形体電極の電極材料として、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｏ、Ｃｏ合金を用いることを特徴とする請求項９記載の成膜方法。
- ワークに対し、金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を成形した粉末成形体、または加熱処理した該粉末成形体、を放電表面処理用電極として対向させ、電極とワークの間にパルス状の放電を発生させることでその放電エネルギーによりワーク表面に電極材料または電極材料が前記パルス状の放電エネルギーにより反応した物質からなる熱伝導率が３０Ｗ／ｍＫ以下となる放電表面処理被膜を形成し、この形成した放電表面処理被膜にエネルギーを照射して、該放電表面処理被膜がデバイ温度以上、融点未満に加熱することを特徴とする成膜ワークを生産する方法。
- ワークに対し、金属粉末、金属の化合物の粉末、もしくはセラミックスの粉末を成形した粉末成形体、または加熱処理した該粉末成形体、を放電表面処理用電極として対向させ、電極とワークの間にパルス状の放電を発生させることでその放電エネルギーによりワーク表面に電極材料または電極材料が前記パルス状の放電エネルギーにより反応した物質からなる放電表面処理被膜を形成し、この形成した放電表面処理被膜に加熱することなく圧力を付加することを特徴とする成膜ワークを生産する方法。
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