JPH0196353A - 放電加工用素材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は粉末成形体による放電加工用素材及びその製造
方法に係り、例えばプラスチック射出成形用、真空成形
用、プレス成形用、ブロー成形用等の金型素材に利用さ
れる。

（従来の技術） 近年、金型業界ではコスト削減、短納期化対策としてワ
イヤ及び形彫り放電加工の用途拡大が重要視されている
。この放電加工によれば、導電体であれば、従来の機械
加工では極めて困難な硬質材料や複雑形状も容易に加工
でき、金型製作には必須の加工方法となっている。

この様な産業界からの放電加工に対するニーズに対応し
、その装置においては、従来の電極形状の工作物への転
写機能からマシニングセンタの様に２次元、３次元形状
を丸棒の様な単純形状の電極から加工できるものが開発
されている。

又、加工方法においても寄せ加工、揺動加工等が開発さ
れ高い加工精度が可能となり、電極素材においても種々
の改良、開発が行なわれている。

この様な放電加工の長所と近年の新しい開発技術をもっ
て、放電加工法は極めて魅力的な加工方法といえる。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、放電加工法における最大の欠点は加工時間が極
めて長いことにある。つまり、放電加工の原理としては
、素材（被加工物）と電極とを絶縁性の加工液のなかに
極めて小さし；間隙で対向させ、短時間のパルス性アー
ク放電を起こし、素材放電部を溶融、蒸発させ、電極の
端面形状に対応したヘコミをつけさらに電極の送りを進
めていき、形状加工を行うものであるため、加工速度と
しては、１．７Ｘ１０−４〜０．８３〜ｇ／ｓ程度が通
常である。

この様な問題点があるにもかかわらず、例えば機械加工
において快削合金材料、鋳造加工においては鋳造用合金
といった様に各々の加工方法に適した材料が開発されて
いるに対して、放電加工法においてはこの様な材料は未
だ見あたらない。

そこで、発明者は、先に提案した技術（特開昭６１−１
０４０５号公報）を、放電加工用素材の製造に利用する
ことを知見し、種々の実験を重ねた。

この提案技術は、焼結用粉末とバインダと水又は有機溶
剤とから構成されたスラリーを、型内面の少なくとも一
部にポーラス体を備えた成形型に注入すると共に加圧し
、スラリー中の液分をポーラス体を介して絞り出して所
期の形状に成形する方法である。すなわち、この方法は
成形型内面の一部を構成するポーラス面からスラリー中
の液分を脱液する方法であり、以下、面脱液法という。

面脱液法は、焼結用粉末を有するスラリーが流動性に冨
んでいるため、低圧（２００ｋｇ−ｆ／ｃｎ！以下）で
所期の形状に成形することができる。

しかしながら、面脱液法を実施するために用いられる成
形型は、その内面の一部又は全部をポーラス体で形成し
なければならず、成形面における強度不足を招来し、ま
たコスト的にも高価であるという問題がある。更に、ポ
ーラス面の粗度が成形体表面に転写され、離型が困難で
あるという問題がある。

更に、金型材料は、その金型特性を考慮すると、Ｆｅ系
金属が望ましい。一般にＦｅ系の粉末は数μ以上の粒径
をもち必ずしも球形粉末でないため、成形時にポーラス
面の穴部に突ささる現象が生じることがら離型が容易で
なくなり、取外し時に、損傷するなどの不利があるため
、この金属粉末をポーラス面を有する成形枠で成形する
ことは困難である。

本発明はこの様な従来技術に鑑み、放電加工が容易な、
つまり加工時間が短くて済む放電加工用金型素材とこの
素材を、高価で特殊な成形型を用いることなく、大型サ
イズのブロックに容易に製造する方法とを提供すること
を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、叙述の目的を達成するために、第１の技術的
手段として、線肌液で成形された成形体の焼結用金属粉
末の主要組成が重量％で、炭素０．２〜１．０％、銅８
〜２０％、残部が鉄からなり、 該成形体の焼結後の空孔率が２０％以下とされている、 ことを特徴とする放電加工用素材を提供するのであり、
第２の技術的手段として、焼結用金属粉末と有機バイン
ダーと水又は有機溶剤とが混合されたスラリーを、スリ
ット幅Ｓが焼結用金属粉末の平均粒子径をｄとしたとき
、１０μｍ≦Ｓ≦３ｄとされた線状スリットを有する成
形型に注入して加圧し、スラリー中の液分をスリットか
ら排出して粉末同士が接触しかつ有機バインダーを介し
て固形化した成形体を得るとともに、該成形体を焼結し
てなり、 前記金属粉末の主要組成が重量％で、 炭素０．２〜１．０％、銅８〜２０％、残部が鉄からな
り、 成形体を焼結した後の空孔率が２０％以下となるように
、焼結条件を制御する、 ことを特徴とする放電加工用素材の製造方法を提供する
のである。

（作　用） 本発明においては放電加工用素材として従来の例えば溶
製鋼に代えて、内部に空孔を有する材料を用いたもので
、多孔質体である為に ■熱伝導が小さくアーク放電部からの熱の発散が小さく
、素材の溶融、蒸発化が容易になる。

■空孔内に加工液が均一に含浸しかつ加工部の加工液の
循環が効率的に行なわれ、加工粉の排出が容易になる。

といった特性を有し、その結果として放電加工速度が大
きくできることになる。

又、粉末焼結材であることから、従来の圧延、鍛造材素
材で見られた加工残留歪による放電加工時の歪について
も全く問題なく、高い加工精度を追求することが可能と
なった。

又、本発明において、空孔率が２０％以下のＦｅ系焼結
材としたのは、空孔率２０％以上では加工速度はより大
きくする事ができるが、加工後の面の仕上り性状が大き
く劣る事と、−殻構造材料としては強度が低くなる為で
ある。

さらにその組成を上記に限定した理由を説明すると炭素
、銅はいずれも高強度化を図る為の元素であり、炭素は
０．２％以下では顕著な効果はなく１％以上では遊離炭
素により靭性、延性の劣化を招くので、０．２〜１％の
範囲とされる。

又、銅は８％までは鉄に固溶するので、遊副銅と素材に
存在させ放電加工時にＦｅ母相の溶融前にこの部分を溶
融させＦｅ母相の融点を下げ加工速度を早めるには８％
以上が必要となる。又、２０％以上では強度の低下を招
くことから８〜２０％の範囲とされる。

又、上記組成、空孔率を有する粉末焼結体の製造方法と
して、比較的小さな素材であれば従来の圧粉成形法にお
いても可能であるが、加工素材として必要となる大きな
ブロック状のものを製造するには掻めで大容量のプレス
が必要となり実用上は不可能に近い。従って、本発明に
よる低圧成形法を用いることによってのみ大型ブロック
素材の製造が可能となり、加工素材としての価値を有す
ることができる。

又、面脱液法でなく、線脱液法を用いることにより、ス
リットを有する成形型に注入されたスラリー中の液分は
、スラリーの加圧によって成形枠に形成された線状のス
リットから絞り出される。

この際、成形枠には脱液用のスリットを形成するだけで
よいので、型材として通常使用される金属材を使用する
ことができる。

また、前記スリットの幅を所定の値に規定しているので
、スリットを成形枠に容易に形成することができ、また
スラリー中の金属粉末が流出することなく比較的低圧の
加圧で容易に脱液される。

スラリー中の液分が充分脱液されると、スラリー中の粉
末同士は接触し、バインダーを介して固形化され、所期
の粉末成形体が得られる。

（実施例） まず、本発明に使用するスラリーについて説明する。

スラリーは、焼結用金属粉末と有機バインダーと水又は
アルコール等の有機溶剤とが混合されて形成されたもの
である。

焼結用金属粉末としては、カーボニル法、ガスアトマイ
ズ法、水アトマイズ法、粉砕法等によって作られた各種
金属粉末（Ｆｅ、ハイス、ステンレス鋼等）の１種類、
２種類以上の混合粉末を使用することができる。また、
この金属粉末に、セラミック粉末、これらの混合粉末も
しくはこれらと各種強化繊維の混合粉末を使用すること
ができる。

強化繊維としては、炭素繊維、ボロン繊維、セラミック
（ＳｉＣ，へム０７等）ウィスカ等を例示することがで
きる。

また、金属粉末の粒子径は、平均粒子径で数μｍのもの
から使用することができる。平均粒子径の下限は、後述
する成形枠の線状クリアランスの幅から限定される。尚
、通常、金属粉末では、１０μｍ以上のものが各種市販
されており入手容易である。

ここに、平均粒子径とは、第３図に示すように粒子径と
累積重量比との関係により定まる粒度分布において、累
Ｍ！重量比の５０％に対応する粒子径ｄｍをいう。尚、
ある粒子径ｄｏに対応する累積重量比（％）　Ｒｏは、
試料粉末全重量をＷｏとしたとき、ｄｏ以下の粒子の累
積重量を−、とするとＷＩ／Ｗ。

ｘｌＯＯ（％）で与えられる。上記粒度分布は、粒度分
布測定機（例えば、シーラス社製）により容易に測定さ
れる。

前記粉末に添加される有機バインダーとしては、スラリ
ー液分である水又は有機溶剤に溶けるものを使用する。

例えば、アクリル樹脂系、酢酸セルロース系、熱硬化性
樹脂系のものを使用することができ、アクリル樹脂系バ
インダの具体例として商品名「バインドセラムＷＡ３２
０　Ｊ　　（三井東圧製）を例示することができる。

スラリーの組成は、使用する焼結用金属粉末の粒径によ
っても異なるが、概ね、金属粉末１００重量部に対して
バインダ２〜５重量部、水もしくは有機溶剤８〜４０重
量部程度である。

次に、本発明に使用する成形型（枠）について説明する
。この成形型として、焼結用金属粉末の平均粒子径をｄ
としたとき、スリットの幅Ｓが１０μｍｉｓ≦３ｄとさ
れた線状のスリットが形成されたものが使用される。枠
の材質としては、通常の金型材を使用すればよく、特殊
な材料は不要である。

スリット幅Ｓを１０．ｃｒｍ以上とするのは、１０μｍ
未満のスリットを形成することは、通常の工業的機械的
加工手段では困難であり、またコスト高の要因となるか
らである。

一方、Ｓが３ｄ以下に制限されるのは、３ｄを越えると
金属粉末がスリットから流出し成形困難乃至不可能にな
るからである。

ここで、Ｓが３ｄまで開設可能な理由については次のよ
うに考えられる。第４図（１）　（２）に示すように、
成形型１内に注入されたスラリー中の金属粉末２は、そ
の粒子径がＳより小さい場合、加圧によって、成形型１
に形成されたスリット３から流出しようとする。ところ
が、この際、粒子２はスリット３の入口部乃至中途部で
ブリッジを組むことになる。このとき、Ｓ＝αｄとした
場合、α値を１以上の値にするとα＝３までは容易に粉
末がブリッジを組み、粒子の流出が阻止されるが、α＝
４以上になると、ブリッジが形成され難く、粒子はスリ
ットから流出する結果となる。

成形型の具体例を第１図に示す。

第１図の成形型１は、外枠４の内部底面に、底板５が設
けられ、外枠４の上部開口には加圧プランジャ６が嵌合
されている。

更に、外枠４は縦方向に適宜分割されており、対向する
分割面相互間にスリット幅Ｓを１０μｍ≦Ｓ≦３ｄとさ
れたスリット３が形成され、また、加圧プランジャ６と
外枠４の型面との間にも同様にスリットが形成され、こ
れらのスリット３は、成形室から見れば線状となってい
る。

なお、第１図において、７はスラリーであり、底板５を
仕込んだ成形室に注入充填されている。

また、８はヒーターであり、必要に応じて設けられる。

次に、−製造プロセスを説明する。

所定の組成になる様秤量されたＦｅ粉、カーボン粉、Ｃ
ｕ粉は均一になる様混合され、さらにバインダー、水又
は有機溶剤を加え、混練、脱泡処理される。このスラリ
ーは上記成形型１に注入され、加圧プランジャ６の押し
込みによって加圧され、スラリー中の液分は成形型１に
形成されたスリット３から排出される。

スラリーの加圧は、３０〜１０００１００Ｏ／ｃＴＡで
行われスラリー中の粉末同士が接触するまで加圧脱液す
る。この状態になると、粉末同士は粒子間に存在するバ
インダーを含んだ溶媒を介して固形化される。　。

尚、成形体において、粉末同士が接触していることは、
粉末同士を焼結させる上での前提条件でもある。

ところで、加圧脱液によって成形された粉末成形体は、
成形型１から取り出された後、適宜乾燥される。成形体
の乾燥によって、粉末粒子間の溶媒は気化し、溶媒中の
バインダーは濃縮ないし固化し、粒子の接触強度は向上
する。これによって、成形体（グリーン体）の取り扱い
性は向上する。

尚、上記の乾燥は、成形後に行ってもよいが、スラリー
の加圧時に、第１図に示したヒーター８を用いて同時に
行うことも可能である。

この場合、乾燥のために加えられる温度は、スラリーを
形成する水もしくは有機溶剤の沸点以上、望ましくは沸
点温度より１０〜３０℃高温とするのがよい。このよう
な温度を与えることによって、短時間で成形体中の水も
しくは有機溶剤を沸騰させ気化消失させることができる
。

このようにすると、取り出し後の乾燥工程を簡略化する
ことができる利点がある。

次にこの成形体は乾燥炉等に搬入され、焼結後の空孔率
が２０％以下、すなわち、相対密度が８０％以上になる
ように焼結条件を制御して焼結される。

この焼結された放電加工用素材を、金型９として加工し
た一例が第２図に例示され符号９Ａはそのキャビティで
ある。

以下に本発明の具体的実施例を示す。

実施例−１ 平均粒径１５μｍのＦｅ　−０，５Ｃ−１０Ｃｕ合金粉
末にアクリル系樹脂バインダー、水をそれぞれ重量％で
３．１％、１９％添加し、ニーダにて混練しスラリーを
作った。次にこのスラリーをスリットを有する型枠に注
入し、！３０　ｋｇ／ｃｎ！で加圧し脱液と同時に粉末
の成形を行った。この成形体を１５０℃で１２ｈｒ乾燥
後、１２５０℃Ｘ２４ｈｒの焼結を行い、１５０φＸ４
０ｔの形状を有する空孔率１０％の焼結体を製造した。

この焼結体を放電加工用素材として、φ３０Ｃｕ電極を
用い、表１に示す加工条件で放電加工を用い、加工時間
を従来材として５５５Ｃと比較した。

その結果、従来材に比べ大幅な加工時間の短縮を図るこ
とができた。

実施例−２ 平均粒径１００μｍの球状Ｆｅ粉末と平均粒径５μｍの
球状Ｆｅ粉末を６５　：　３５の割合で混合し、さらに
グラファイト、Ｃｕ粉を混合し、Ｆｅｒｏ、８Ｃ−１５
Ｃｕの組成とした混合粉末に対して実施例１と同様にし
て１５０　φ×４０ｔの空孔率２０％の焼結体を製造し
、放電加工時間を測定したところ、加工条件Ａ、Ｂ５Ｃ
５Ｄにつき、１．４ｈｒ　、　４．Ｏｈｒ。

４．１ｈｒ　、５．９ｈｒ　（！：５５５Ｃ材に比べ約
１７２の加工時間で済んだ。

実施例−３ プラスチック成形用金型キャビティへの本発明の適用実
施例を示す。

試作したギャビティ形状の概略図を第２図に示す。加工
素材としてはＦｅ　−０，８Ｃ−１０Ｃｕ組成で空孔率
１５％の１５０ｘ２４０　ｘ６０の焼結ブロックを用い
た。次に倣いフライスにより荒加工用、仕上加工用各１
個づつカーボン電極を製作し、放電加工を行い第２図の
形状加工を行った。

５５５Ｃで７時間かかるのに対してわずか３．８時間で
済み、大幅なコスト削減が可能となった。

（次　葉） 表１　加工速度の比較 （発明の効果） 以上説明した通り、本発明によれば、成形枠に、焼結用
金属粉末に有機バインダーおよび水又は有機溶剤を添加
混合してなるスラリーを注入して加圧し、スラリー中の
液分をスリットから排出して粉末同士が接触しかつ有機
バインダーを介して固形化した金属粉末成形体を作成し
、これを焼結処理して素材とするもので、空孔率２０％
以下で、かつＭｉ繊織中遊ＮＣｕを含んでいることから
放電加工速度が大幅に大きくなり従来材に比べ加工時間
を大幅に低減できた。

又、８０％以上の相対密度でＣ≧０．２％、８≦Ｃｕ≦
２０％を含むＲｅ基材料であり、金型材料としても適度
な強度、表面性状、寿命を有することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造法に使用する成形型（枠）−例の
断面図、第２図は本発明による素材を金型としたときの
断面図、第３図は粉末粒子径と累積重量比との関係を示
すグラフ、第４図（１）　（２１は粉末粒子の挙動を示
す説明図である。 １・・・成形型（枠）、２・・・粉末粒子、３・・・ス
リット、６・・・プランジャ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）線脱液で成形された成形体の焼結用金属粉末の主
   要組成が重量％で、 炭素０．２〜１．０％、銅８〜２０％、残部が鉄からな
   り、 該成形体の焼結後の空孔率が２０％以下とされている、 ことを特徴とする放電加工用素材。
2. （２）焼結用金属粉末と有機バインダーと水又は有機溶
   剤とが混合されたスラリーを、スリット幅Ｓが焼結用金
   属粉末の平均粒子径をｄとしたとき、１０μｍ≦５≦３
   ｄとされた線状スリットを有する成形型に注入して加圧
   し、スラリー中の液分をスリットから排出して粉末同士
   が接触しかつ有機バインダーを介して固形化した成形体
   を得るとともに、該成形体を焼結してなり、 前記金属粉末の主要組成が重量％で、 炭素０．２〜１．０％、銅８〜２０％、残部が鉄からな
   り、 成形体を焼結した後の空孔率が２０％以下となるように
   、焼結条件を制御する、 ことを特徴とする放電加工用素材の製造方法。