JPH0220364B2 - - Google Patents
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Description
本発明は含浸させて製造した放電加工電極およ
びその製造方法に関するものである。また、本発
明は銅または銀を含浸させた炭素含有放電加工電
極の製造方法およびその方法で製造した電極に関
するものである。さらに本発明は、上記電極を製
造するために使用する一体型スケルトンの予備成
形体に関するものである。さらにまた、本発明は
原型または母型を精密に複製した放電加工電極に
関するものである。 銅または銀のような融点の低い金属で含浸され
る耐火金属粉末を固めて得た含浸可能な骨格予備
成形体からの精密成形放電加工(EDM)電極の
製造には、粉末冶金技術が使用されている。米国
特許第3823002号および第3929476号明細書は、そ
のような電極を、例えばタングステン粉末を成形
および焼成して近接しあうタングステンの微細粒
子の間にネツキングの認められる骨格予備成形体
とし、次いで溶融状の銅で含浸して製造する方法
を開示している。この含浸工程は毛細管現象(浸
透)によつて、常圧すなわち、骨格予備成形体の
内外部の圧力差が0の状態でおこなわれる。この
条件で含浸できるのは、一部には溶融した銅が骨
格予備成形体を形成する耐火金属粉末を湿潤せし
める能力によると考えられる。上記の方法で製造
した市販のEDM電極は、当業者間では「溶融銅
―タングステン電極(molded copper―tungsten
electrode)」と呼ばれ、加工中の収縮が少なく、
最終的に得られる電極と電極型の作製に使つた原
型との間の複製の再現性の信頼度が高いことを特
徴とする。この電極は、さらに均一密度および均
一な電気的特性をも有する。この電極はまた大き
な縦横比(アスペクト比)、段状またはアンダー
カツト状の断面および入り組んだ表面形状を有す
る複雑な形にすることができる。この電極は1つ
の型原型から多数製造できる。 EDM電極は銅を含浸させた多孔性炭素体から
も製造されている。この電極は前記の粉末成形工
程を使用しては製造されない。すなわち、銅は常
圧では炭素を濡らさないので、この電極は一般に
溶融した銅をグラフアイト体内部へ加熱および加
圧下で強制的に浸透させることにより製造されて
いる。この電極は、当業者間で「銅―グラフアイ
ト(copper―graphite)電極」と呼ばれ、放電加
工切削速度が非常に大きいことを特徴とする。こ
の銅―グラフアイト電極は、銅含浸工程に加圧を
要するためおよび含浸中にグラフアイト体を支持
するためのダイ(die)を製造しなければならな
いことによつて必然的に受ける制約のため、一般
に単純な形(例えば棒状)に製造されている。も
し銅―グラフアイト電極を大きな縦横比、段状ま
たはアンダーカツト状の断面または入り組んだ表
面形状を有する複雑な形状に製造するには、通常
単純な形(例えば棒状)の電極を機械加工して複
雑な所望形状の電極にする必要がある。このよう
な工程は、材料の無駄を伴い、また電極の精密機
械加工を必要とする。さらに、この機械加工工程
は、電極表面の銅およびグラフアイトを傷つけ、
内部の微細構造と異なる表面微細構造を有する電
極を生ずる原因となる。 他の先行技術文献は、炭素含有体に銅を浸透ま
たは含浸させる方法を開示している。例えば米国
特許第3549408号には、炭素をホウ酸またはリン
酸アンモニウムで処理し、続いて加圧下に銅を含
浸さける方法が開示されている。また米国特許第
3235346号および第3348967号は含浸剤を合金化
し、例えば銅を炭化物形成性金属で合金化して炭
素に含浸する方法を開示している。これらの方法
は加圧、炭素含有予備成形体の表面処理または炭
素体への炭素と反応する物質導入を要するので、
これらの方法は含浸中に炭素体の寸法変化を生ず
る傾向があり、このため複雑な形状の精密EDM
電極の製造には不適当である。 他の先行技術文献は炭素を含有する銅または銀
含浸複合構造物を開示している。例えば米国特許
第4153755号は、タングステン、グラフアイト、
銀または銅および濡れ促進金属例えば鉄、コバル
トまたはニツケルを含む複合材料から電気接点を
製造する方法を開示している。この方法の工程
は、タングステン粉末、銀もしくはは銅粉末、濡
れ促進金属およびグラフアイトを混合し、混合物
をプレス中で圧縮し、焼結し、次いでこの圧縮し
た塊を冷却し、焼結および冷却した塊を粒状化
し、これをさらにグラフアイトの追加分と混合
し、得られた混合物を圧縮して多孔体とし、この
多孔体の多孔部分を銀または銅で含浸することよ
りなる。この特許は、濡れ促進金属を使用しない
場合および2段階でのグラフアイト添加を行なわ
ない場合は、圧縮成形した含浸接点には、望まし
からぬ多孔が残存し、そして接点中のグラフアイ
トの大部分がタングステンと反応してタングステ
ン炭化物を形成してしまうことが示されている
(米国特許明細書第4153755号第2欄第11行〜65
行)。この特許で使用される濡れ促進金属(鉄、
コバルトおよびニツケル)は全て銅または銀に溶
解し、そのため炭素と反応する。このような反応
は、含浸中に多孔部分の寸法変化をひき起し(例
えば縮み)、そのため複雑な形状を有する精密
EDM電極を正確に複製するためには適さない。 米国特許第2289708号明細書は、自動電気回路
ブレーカー接点セツトを開示しているが、このセ
ツトの1つの接点は、銀、タングステンおよび約
1重量%の炭素(約6〜7容量%までに相当)よ
りなる複合体である。この接点は接触抵抗が小さ
くそして融着する傾向が小さいとうたわれてい
る。しかしながら、この接点は約1.5mmより厚く
作ると、接点は製造時のプレス操作のために密度
が不均一になつてしまう。この特許のプレス操作
は、通常複雑な形状を有し均一なEDM切削能を
要求されるEDM電極を製造するためには有用で
ない。 本発明は、1つの観点において、 a) 溶融した銅または銀に湿潤性を有する耐火
物質よりなる粒子を含有する一体型スケルトン
と b) 実質的に銅、銀または銅もしくは銀を含む
合金よりなり、前記スケルトン中の連続する孔
部を充す連続相とからなり、 前記スケルトンと前記連続相とは実質的に相
互に接し合う2種の基材からなる空隙の無い一
体型構造をなし、 c) 前記耐火物質とは、タングステン、モリブ
デン、これらの2種の金属の炭化物およびこれ
ら以外の周期律表の第B,BおよびB族
の元素の化学量論的ないし過化学量論的炭化物
よりなる群から選ばれる物質であり、 d) 前記骨格は、大部分が平均粒径約1μmより
大きい炭素粒子を含有し、 e) 前記炭素粒子および前記耐火粒子はそれら
が接触する接点で相互に結合しており、 f) 前記炭素粒子、前記耐火物質および前記連
続相の容量パーセントは、第7図のD,E.Fお
よびGで囲まれる線上またはその内部にあり、
そして、次式: (容量%C)(表面積C)/(容量%R)(表面積R
) (式中、Cは前記炭素粒子を表わし、Rは前記
耐火物質を表わし、容量%の語は下記電極中で
CまたはRが占める容量%を表わし、表面積の
語は、該電極を製造するために使用する前に測
定した前記炭素粒子または耐火物質の表面積
(m2/g)を表わす。) で表わされる商が約75より小さく、 そして前記電極が実質的に前記連続相に溶解
性を有する物質および炭素と反応性の物質を含
まないことを特徴とする成形放電加工電極を提
供するものである。 本発明の実施にあたつては、先ずゴム製柔軟型
を製造するため所望形状の複製原型を使用する。
次いで、炭素粒子(通常非晶性炭素の形状または
グラフアイト粒状物または粉末であつてよいが、
便宜上以下単に炭素と呼ぶ)を固体状のとき、
銅、銀または銅もしくは銀を含む合金で濡らすこ
とのできるある種の耐火物質(すなわち、タング
ステン、モリブデン、これらの炭化物およびその
他の元素周期律表のB,BおよB族の元素
の化学量論的および過化学量論的炭化物)の粒子
と混合する。「化学量論的炭化物」とは、金属と
炭素とが化学量論的割合で結合した炭化物を意味
する。「過化学量論的炭化物」とは、「化学量論的
炭化物」に比べて炭素量を多く含む炭化物を意味
する(「化学量論的炭化物」に比べて金属量を多
く含む「亜化学量論的炭化物」の反対語である。)
この炭素と耐火粒子との混合物を、熱不案定性有
機結合剤と混合し、成形し、加熱して最終的
EDM電極と同じ形状の一体型で含浸可能な骨格
予備成形体を得る。この予備成形体を次いで溶融
金属(すなわち、銅、銀、またはこれらを含む合
金)で常圧下(すなわち、該骨格予備形体の外部
と内部の間の圧力差ゼロの条件)で含浸させる
(このような常圧下での含浸を、以下単に含浸と
いう)。 本発明の精密成形EDM電極を製造するために
使用する複製原型は、木、プラスチツク、金属ま
たは他の機械加工または成形可能な材料で作るこ
とができる。もし本発明の方法で製造した最終的
電極が寸法変化(例えば収縮)を起す場合は、複
数原型の寸法の電極製造過程での寸法変化を補う
ような大きさに調節しておく(例えばやや大きく
しておく)とよい。 本発明の方法で柔軟型を製造するために使用で
きる型材料は、硬化して弾性または柔軟性ゴム状
体になるもので、通常シヨア(Shore)Aジユロ
メーター値が約25〜60であり、そして著しい寸法
変化をひきおこさず(例えば複製原型から1%よ
り大きい長さ変化をひきおこさず)、複製原型の
微細部分まで再現しうる材料である。型材料は成
形温度、例えば180℃に加熱したとき分解するも
のであつてはならず、低い硬化温度(例えば室
温)を有しなければならない。低温硬化性の型材
料を使用すれば、複製原型から型を製造したと
き、寸法が厳密に調節された型を作ることができ
る。高温硬化性の型材料は、一般に複製原型とは
実質的に寸法の異なる型に形成されがちである。
寸法制御を正確に保つためには、型材料は硬化性
シリコーンゴム、例えばダウ・コーニング
(Dow Corning)社から1969年1月付で発行され
た「ブレテイン(Bulletin)“RTV”08―347」
に記載されたものおよび低発熱性ウレタン樹脂で
ある。このような型材料は硬化して硬化後収縮の
小さい弾性またはゴム状体を形成する。型材料は
成形過程での寸法制御を改善するため44マイクロ
メーターより小さいガラスビーズを約30容量%加
えて強化してもよい。 複製原型から型を製造するために使用する成形
材料の量は、使用する成形材料および複数原型の
形によつて変えることができる。複型原型1cm3に
対して成形材料約10〜14cm3を使用すれば、所望の
柔軟性を有し、結合剤の固化の前に型の中の加温
された粉末物―結合剤混合物による僅かな液圧に
耐えるに充分な強度を有する型が得られることが
判明した。 以下に説明する本発明のEDM電極の成形条件
は、安価な軟質、弾性もしくはゴム状型を使用す
ることを可能ならしめる。その理由は、付加され
る圧力はわずかに型中の加温された粉末物−結合
剤混合物による液圧だけであり、この圧力は非常
に小さいので型のゆるみは無視しうるほどしかお
こらないためである。したがつて、このおだやか
な成形条件は、非常に変形しやすい型を使用した
場合でも精密に成形された予備成形体前駆体を得
ることを可能ならしめる。さらに、この成形技術
は密度の均一な予備成形体前駆体成形物を与え
る。予備成形体前駆体の均一な密度は、含浸中に
おける不均一な寸法変化を防止する。 炭素粒子は表面が不規則または滑かな、自由流
動性の形状、バラバラの粒子、球状物、フレー
ク、等軸晶系の粒子(equiaxed particles)また
はこれらの凝集物として使用できる。約200マイ
クロメーターより小さい直径および約15m2/gよ
り小さい表面積を有する等軸のグラフアイト粒子
は、電気伝導性で、安価で、本発明の方法により
精密加工EDM電極を製造するために容易に使用
できるので好ましい。個々の炭素粒子の寸法分布
はEDM電極に要求される性能により異なる。例
えば炭素粒子の粒子寸法分布および形は骨格マト
リツクスの充填効率(カサ密度)に大きく影響す
る。充填効率が大きければ、一般に含浸時に収縮
が小さくなり、このため母型または原型の形から
の複雑形状の電極の精密な複製を可能にする。充
填効率が大きければ、一般に使用時に金属除去率
が大きくおよび一般に摩耗の著しく少ないEDM
電極が得られる。さらに、EDM電極に小さい炭
素粒子を使用すれば、一般に該電極による加工物
の表面仕上げが改善され(すなわち、きめが細か
くなる)そして金属除去率も良好になるが、電極
の端部および角部の摩耗の増加をもたらす。逆
に、本発明のEDM電極において大きな炭素粒子
を使用すると、一般に加工物の仕上げが粗くな
り、そして金属除去率の低下した、しかしながら
端部および角部の摩耗性が減少した電極が得られ
る。 炭素の容量%は、炭素粒子を使用せずに製造し
たEDM電極に比べて改善されたEDM燃焼率特性
を与えるに充分高く(例えば約5容量%またはそ
れより高く)する。7〜50マイクロメーターの炭
素粒子を約5容量%のレベルで使用すれば、本発
明のEDM電極は、炭素粒子を使用せずに製造し
た銅―タングステンEDM電極に比べて、粗切削
(rough mode)の切削率が向上し、燃焼特性が
著しく滑らかである(すなわち、電極は支障なく
作動し、そして電極のアーク放電の発生が減少す
る。)。 高いEDM切削率を得るためには、多数の炭素
粒子が存在しなければならない。この存在は、非
常に細かい炭素粒子を使用し、および/または高
い炭素容量%を使用することにより達成される。
一般に、本発明のEDM電極において炭素容量%
は好ましくは約10容量%またはそれ以上、より好
ましくは約15容量%またはそれ以上、そして最も
好ましくは約20ないし30容量%である。また、耐
火物質に対する炭素の比率が増大すると、電極の
粗切削金属除去率は増大するが、しかしながら、
加工物の表面仕上げが粗くなり、そして電極の端
部および角部の摩耗は増加する。 使用する炭素粒子の表面積もまた、炭素含有骨
格予備成形体の含浸が容易に行なえるか否かに影
響する。予備成形体中の炭素の表面積が増加する
と、次第にその予備成形体を銅、銀、または銅ま
たは銀を含有する合金で含浸できなくなる限界に
近づく。一般に、小さい炭素粒子は大きい炭素粒
子に比べて表面積が大きい。しかしながら、市販
の炭素粒子はしばしば同様の寸法および寸法分布
の粒子のサンプル間で非常に大きな表面積の変動
を示すことがある。使用する炭素粒子は、粒子を
予備成形体にする前に窒素吸着法で測定した時の
表面積が小さく、好ましくは約15m2/g、さらに
好ましくは約7m2/gであることが好ましい。成
形した予備成形体の銅、銀またはこれらの合金で
の含浸は、式: (容量%C)(表面積C)/(容量%R)(表面積R
)<約75() (式中、Cは前記炭素粒子を表わし、Rは前記耐
火物質を表わし、容量%の語は下記電極中Cまた
はRが占める容量%を表わし、表面積の語は、該
電極を製造するために使用する前に測定した前記
炭素粒子または耐火物質の表面積(m2/g)を表
わす。) の制限に従つて行なう。 上記の関係に従がうことにより、非常に炭素担
持量の高い(すなわち、20容量%より高い)成形
予備成形体を含浸することができる。 表面積のデータが得られない場合は、含浸が起
るかどうかを決定する近似的指標として平均粒径
を用いることができる。例えば、もしグラフアイ
ト粒子および単一組成(unimodal)の耐火性粒
子を混合し、かつこのグラフアイト粒子が約25マ
イクロメーターの平均粒径を有するとすれば、耐
火性粒子に対するグラフアイト粒子の平均粒径の
比は、炭素担持量の低いときには(例えば耐火性
粒子に対するグラフアイト粒子の容量パーセント
比が1:9のとき)約0.5対1以上、そして炭素
担持量の高いときには(例えば耐火性粒子に対す
るグラフアイト粒子の容量パーセント比が7:3
のとき)約3.5対1以上である。また、もしグラ
フアイト粒子および単一組成の耐火性粒子を混合
し、かつグラフアイト粒子が約100マイクロメー
ターの平均粒径を有するとすれば、耐火性粒子に
対するグラフアイト粒子の平均粒径の比は、炭素
担持量の低いときには約1:1以上であり、炭素
担持量の高いときには約14:1またはそれ以上で
ある。しかしながら、平均粒径に基づいて試験し
て得た結果は実際の表面積の規定に基づく試験結
果に比べれば信頼性が低いので、表面積データが
得られない時または得るのが不適当な場合にのみ
利用した方が良い。 本発明で使用しうる数種の市販粉末炭素を表1
に示す。
びその製造方法に関するものである。また、本発
明は銅または銀を含浸させた炭素含有放電加工電
極の製造方法およびその方法で製造した電極に関
するものである。さらに本発明は、上記電極を製
造するために使用する一体型スケルトンの予備成
形体に関するものである。さらにまた、本発明は
原型または母型を精密に複製した放電加工電極に
関するものである。 銅または銀のような融点の低い金属で含浸され
る耐火金属粉末を固めて得た含浸可能な骨格予備
成形体からの精密成形放電加工(EDM)電極の
製造には、粉末冶金技術が使用されている。米国
特許第3823002号および第3929476号明細書は、そ
のような電極を、例えばタングステン粉末を成形
および焼成して近接しあうタングステンの微細粒
子の間にネツキングの認められる骨格予備成形体
とし、次いで溶融状の銅で含浸して製造する方法
を開示している。この含浸工程は毛細管現象(浸
透)によつて、常圧すなわち、骨格予備成形体の
内外部の圧力差が0の状態でおこなわれる。この
条件で含浸できるのは、一部には溶融した銅が骨
格予備成形体を形成する耐火金属粉末を湿潤せし
める能力によると考えられる。上記の方法で製造
した市販のEDM電極は、当業者間では「溶融銅
―タングステン電極(molded copper―tungsten
electrode)」と呼ばれ、加工中の収縮が少なく、
最終的に得られる電極と電極型の作製に使つた原
型との間の複製の再現性の信頼度が高いことを特
徴とする。この電極は、さらに均一密度および均
一な電気的特性をも有する。この電極はまた大き
な縦横比(アスペクト比)、段状またはアンダー
カツト状の断面および入り組んだ表面形状を有す
る複雑な形にすることができる。この電極は1つ
の型原型から多数製造できる。 EDM電極は銅を含浸させた多孔性炭素体から
も製造されている。この電極は前記の粉末成形工
程を使用しては製造されない。すなわち、銅は常
圧では炭素を濡らさないので、この電極は一般に
溶融した銅をグラフアイト体内部へ加熱および加
圧下で強制的に浸透させることにより製造されて
いる。この電極は、当業者間で「銅―グラフアイ
ト(copper―graphite)電極」と呼ばれ、放電加
工切削速度が非常に大きいことを特徴とする。こ
の銅―グラフアイト電極は、銅含浸工程に加圧を
要するためおよび含浸中にグラフアイト体を支持
するためのダイ(die)を製造しなければならな
いことによつて必然的に受ける制約のため、一般
に単純な形(例えば棒状)に製造されている。も
し銅―グラフアイト電極を大きな縦横比、段状ま
たはアンダーカツト状の断面または入り組んだ表
面形状を有する複雑な形状に製造するには、通常
単純な形(例えば棒状)の電極を機械加工して複
雑な所望形状の電極にする必要がある。このよう
な工程は、材料の無駄を伴い、また電極の精密機
械加工を必要とする。さらに、この機械加工工程
は、電極表面の銅およびグラフアイトを傷つけ、
内部の微細構造と異なる表面微細構造を有する電
極を生ずる原因となる。 他の先行技術文献は、炭素含有体に銅を浸透ま
たは含浸させる方法を開示している。例えば米国
特許第3549408号には、炭素をホウ酸またはリン
酸アンモニウムで処理し、続いて加圧下に銅を含
浸さける方法が開示されている。また米国特許第
3235346号および第3348967号は含浸剤を合金化
し、例えば銅を炭化物形成性金属で合金化して炭
素に含浸する方法を開示している。これらの方法
は加圧、炭素含有予備成形体の表面処理または炭
素体への炭素と反応する物質導入を要するので、
これらの方法は含浸中に炭素体の寸法変化を生ず
る傾向があり、このため複雑な形状の精密EDM
電極の製造には不適当である。 他の先行技術文献は炭素を含有する銅または銀
含浸複合構造物を開示している。例えば米国特許
第4153755号は、タングステン、グラフアイト、
銀または銅および濡れ促進金属例えば鉄、コバル
トまたはニツケルを含む複合材料から電気接点を
製造する方法を開示している。この方法の工程
は、タングステン粉末、銀もしくはは銅粉末、濡
れ促進金属およびグラフアイトを混合し、混合物
をプレス中で圧縮し、焼結し、次いでこの圧縮し
た塊を冷却し、焼結および冷却した塊を粒状化
し、これをさらにグラフアイトの追加分と混合
し、得られた混合物を圧縮して多孔体とし、この
多孔体の多孔部分を銀または銅で含浸することよ
りなる。この特許は、濡れ促進金属を使用しない
場合および2段階でのグラフアイト添加を行なわ
ない場合は、圧縮成形した含浸接点には、望まし
からぬ多孔が残存し、そして接点中のグラフアイ
トの大部分がタングステンと反応してタングステ
ン炭化物を形成してしまうことが示されている
(米国特許明細書第4153755号第2欄第11行〜65
行)。この特許で使用される濡れ促進金属(鉄、
コバルトおよびニツケル)は全て銅または銀に溶
解し、そのため炭素と反応する。このような反応
は、含浸中に多孔部分の寸法変化をひき起し(例
えば縮み)、そのため複雑な形状を有する精密
EDM電極を正確に複製するためには適さない。 米国特許第2289708号明細書は、自動電気回路
ブレーカー接点セツトを開示しているが、このセ
ツトの1つの接点は、銀、タングステンおよび約
1重量%の炭素(約6〜7容量%までに相当)よ
りなる複合体である。この接点は接触抵抗が小さ
くそして融着する傾向が小さいとうたわれてい
る。しかしながら、この接点は約1.5mmより厚く
作ると、接点は製造時のプレス操作のために密度
が不均一になつてしまう。この特許のプレス操作
は、通常複雑な形状を有し均一なEDM切削能を
要求されるEDM電極を製造するためには有用で
ない。 本発明は、1つの観点において、 a) 溶融した銅または銀に湿潤性を有する耐火
物質よりなる粒子を含有する一体型スケルトン
と b) 実質的に銅、銀または銅もしくは銀を含む
合金よりなり、前記スケルトン中の連続する孔
部を充す連続相とからなり、 前記スケルトンと前記連続相とは実質的に相
互に接し合う2種の基材からなる空隙の無い一
体型構造をなし、 c) 前記耐火物質とは、タングステン、モリブ
デン、これらの2種の金属の炭化物およびこれ
ら以外の周期律表の第B,BおよびB族
の元素の化学量論的ないし過化学量論的炭化物
よりなる群から選ばれる物質であり、 d) 前記骨格は、大部分が平均粒径約1μmより
大きい炭素粒子を含有し、 e) 前記炭素粒子および前記耐火粒子はそれら
が接触する接点で相互に結合しており、 f) 前記炭素粒子、前記耐火物質および前記連
続相の容量パーセントは、第7図のD,E.Fお
よびGで囲まれる線上またはその内部にあり、
そして、次式: (容量%C)(表面積C)/(容量%R)(表面積R
) (式中、Cは前記炭素粒子を表わし、Rは前記
耐火物質を表わし、容量%の語は下記電極中で
CまたはRが占める容量%を表わし、表面積の
語は、該電極を製造するために使用する前に測
定した前記炭素粒子または耐火物質の表面積
(m2/g)を表わす。) で表わされる商が約75より小さく、 そして前記電極が実質的に前記連続相に溶解
性を有する物質および炭素と反応性の物質を含
まないことを特徴とする成形放電加工電極を提
供するものである。 本発明の実施にあたつては、先ずゴム製柔軟型
を製造するため所望形状の複製原型を使用する。
次いで、炭素粒子(通常非晶性炭素の形状または
グラフアイト粒状物または粉末であつてよいが、
便宜上以下単に炭素と呼ぶ)を固体状のとき、
銅、銀または銅もしくは銀を含む合金で濡らすこ
とのできるある種の耐火物質(すなわち、タング
ステン、モリブデン、これらの炭化物およびその
他の元素周期律表のB,BおよB族の元素
の化学量論的および過化学量論的炭化物)の粒子
と混合する。「化学量論的炭化物」とは、金属と
炭素とが化学量論的割合で結合した炭化物を意味
する。「過化学量論的炭化物」とは、「化学量論的
炭化物」に比べて炭素量を多く含む炭化物を意味
する(「化学量論的炭化物」に比べて金属量を多
く含む「亜化学量論的炭化物」の反対語である。)
この炭素と耐火粒子との混合物を、熱不案定性有
機結合剤と混合し、成形し、加熱して最終的
EDM電極と同じ形状の一体型で含浸可能な骨格
予備成形体を得る。この予備成形体を次いで溶融
金属(すなわち、銅、銀、またはこれらを含む合
金)で常圧下(すなわち、該骨格予備形体の外部
と内部の間の圧力差ゼロの条件)で含浸させる
(このような常圧下での含浸を、以下単に含浸と
いう)。 本発明の精密成形EDM電極を製造するために
使用する複製原型は、木、プラスチツク、金属ま
たは他の機械加工または成形可能な材料で作るこ
とができる。もし本発明の方法で製造した最終的
電極が寸法変化(例えば収縮)を起す場合は、複
数原型の寸法の電極製造過程での寸法変化を補う
ような大きさに調節しておく(例えばやや大きく
しておく)とよい。 本発明の方法で柔軟型を製造するために使用で
きる型材料は、硬化して弾性または柔軟性ゴム状
体になるもので、通常シヨア(Shore)Aジユロ
メーター値が約25〜60であり、そして著しい寸法
変化をひきおこさず(例えば複製原型から1%よ
り大きい長さ変化をひきおこさず)、複製原型の
微細部分まで再現しうる材料である。型材料は成
形温度、例えば180℃に加熱したとき分解するも
のであつてはならず、低い硬化温度(例えば室
温)を有しなければならない。低温硬化性の型材
料を使用すれば、複製原型から型を製造したと
き、寸法が厳密に調節された型を作ることができ
る。高温硬化性の型材料は、一般に複製原型とは
実質的に寸法の異なる型に形成されがちである。
寸法制御を正確に保つためには、型材料は硬化性
シリコーンゴム、例えばダウ・コーニング
(Dow Corning)社から1969年1月付で発行され
た「ブレテイン(Bulletin)“RTV”08―347」
に記載されたものおよび低発熱性ウレタン樹脂で
ある。このような型材料は硬化して硬化後収縮の
小さい弾性またはゴム状体を形成する。型材料は
成形過程での寸法制御を改善するため44マイクロ
メーターより小さいガラスビーズを約30容量%加
えて強化してもよい。 複製原型から型を製造するために使用する成形
材料の量は、使用する成形材料および複数原型の
形によつて変えることができる。複型原型1cm3に
対して成形材料約10〜14cm3を使用すれば、所望の
柔軟性を有し、結合剤の固化の前に型の中の加温
された粉末物―結合剤混合物による僅かな液圧に
耐えるに充分な強度を有する型が得られることが
判明した。 以下に説明する本発明のEDM電極の成形条件
は、安価な軟質、弾性もしくはゴム状型を使用す
ることを可能ならしめる。その理由は、付加され
る圧力はわずかに型中の加温された粉末物−結合
剤混合物による液圧だけであり、この圧力は非常
に小さいので型のゆるみは無視しうるほどしかお
こらないためである。したがつて、このおだやか
な成形条件は、非常に変形しやすい型を使用した
場合でも精密に成形された予備成形体前駆体を得
ることを可能ならしめる。さらに、この成形技術
は密度の均一な予備成形体前駆体成形物を与え
る。予備成形体前駆体の均一な密度は、含浸中に
おける不均一な寸法変化を防止する。 炭素粒子は表面が不規則または滑かな、自由流
動性の形状、バラバラの粒子、球状物、フレー
ク、等軸晶系の粒子(equiaxed particles)また
はこれらの凝集物として使用できる。約200マイ
クロメーターより小さい直径および約15m2/gよ
り小さい表面積を有する等軸のグラフアイト粒子
は、電気伝導性で、安価で、本発明の方法により
精密加工EDM電極を製造するために容易に使用
できるので好ましい。個々の炭素粒子の寸法分布
はEDM電極に要求される性能により異なる。例
えば炭素粒子の粒子寸法分布および形は骨格マト
リツクスの充填効率(カサ密度)に大きく影響す
る。充填効率が大きければ、一般に含浸時に収縮
が小さくなり、このため母型または原型の形から
の複雑形状の電極の精密な複製を可能にする。充
填効率が大きければ、一般に使用時に金属除去率
が大きくおよび一般に摩耗の著しく少ないEDM
電極が得られる。さらに、EDM電極に小さい炭
素粒子を使用すれば、一般に該電極による加工物
の表面仕上げが改善され(すなわち、きめが細か
くなる)そして金属除去率も良好になるが、電極
の端部および角部の摩耗の増加をもたらす。逆
に、本発明のEDM電極において大きな炭素粒子
を使用すると、一般に加工物の仕上げが粗くな
り、そして金属除去率の低下した、しかしながら
端部および角部の摩耗性が減少した電極が得られ
る。 炭素の容量%は、炭素粒子を使用せずに製造し
たEDM電極に比べて改善されたEDM燃焼率特性
を与えるに充分高く(例えば約5容量%またはそ
れより高く)する。7〜50マイクロメーターの炭
素粒子を約5容量%のレベルで使用すれば、本発
明のEDM電極は、炭素粒子を使用せずに製造し
た銅―タングステンEDM電極に比べて、粗切削
(rough mode)の切削率が向上し、燃焼特性が
著しく滑らかである(すなわち、電極は支障なく
作動し、そして電極のアーク放電の発生が減少す
る。)。 高いEDM切削率を得るためには、多数の炭素
粒子が存在しなければならない。この存在は、非
常に細かい炭素粒子を使用し、および/または高
い炭素容量%を使用することにより達成される。
一般に、本発明のEDM電極において炭素容量%
は好ましくは約10容量%またはそれ以上、より好
ましくは約15容量%またはそれ以上、そして最も
好ましくは約20ないし30容量%である。また、耐
火物質に対する炭素の比率が増大すると、電極の
粗切削金属除去率は増大するが、しかしながら、
加工物の表面仕上げが粗くなり、そして電極の端
部および角部の摩耗は増加する。 使用する炭素粒子の表面積もまた、炭素含有骨
格予備成形体の含浸が容易に行なえるか否かに影
響する。予備成形体中の炭素の表面積が増加する
と、次第にその予備成形体を銅、銀、または銅ま
たは銀を含有する合金で含浸できなくなる限界に
近づく。一般に、小さい炭素粒子は大きい炭素粒
子に比べて表面積が大きい。しかしながら、市販
の炭素粒子はしばしば同様の寸法および寸法分布
の粒子のサンプル間で非常に大きな表面積の変動
を示すことがある。使用する炭素粒子は、粒子を
予備成形体にする前に窒素吸着法で測定した時の
表面積が小さく、好ましくは約15m2/g、さらに
好ましくは約7m2/gであることが好ましい。成
形した予備成形体の銅、銀またはこれらの合金で
の含浸は、式: (容量%C)(表面積C)/(容量%R)(表面積R
)<約75() (式中、Cは前記炭素粒子を表わし、Rは前記耐
火物質を表わし、容量%の語は下記電極中Cまた
はRが占める容量%を表わし、表面積の語は、該
電極を製造するために使用する前に測定した前記
炭素粒子または耐火物質の表面積(m2/g)を表
わす。) の制限に従つて行なう。 上記の関係に従がうことにより、非常に炭素担
持量の高い(すなわち、20容量%より高い)成形
予備成形体を含浸することができる。 表面積のデータが得られない場合は、含浸が起
るかどうかを決定する近似的指標として平均粒径
を用いることができる。例えば、もしグラフアイ
ト粒子および単一組成(unimodal)の耐火性粒
子を混合し、かつこのグラフアイト粒子が約25マ
イクロメーターの平均粒径を有するとすれば、耐
火性粒子に対するグラフアイト粒子の平均粒径の
比は、炭素担持量の低いときには(例えば耐火性
粒子に対するグラフアイト粒子の容量パーセント
比が1:9のとき)約0.5対1以上、そして炭素
担持量の高いときには(例えば耐火性粒子に対す
るグラフアイト粒子の容量パーセント比が7:3
のとき)約3.5対1以上である。また、もしグラ
フアイト粒子および単一組成の耐火性粒子を混合
し、かつグラフアイト粒子が約100マイクロメー
ターの平均粒径を有するとすれば、耐火性粒子に
対するグラフアイト粒子の平均粒径の比は、炭素
担持量の低いときには約1:1以上であり、炭素
担持量の高いときには約14:1またはそれ以上で
ある。しかしながら、平均粒径に基づいて試験し
て得た結果は実際の表面積の規定に基づく試験結
果に比べれば信頼性が低いので、表面積データが
得られない時または得るのが不適当な場合にのみ
利用した方が良い。 本発明で使用しうる数種の市販粉末炭素を表1
に示す。
【表】
【表】
耐火物質の粒子は、タングステン、モリブデ
ン、それらの炭化物、その他の元素周期律表の
B,BおよびB族の元素の化学量論的および
過化学量論的炭化物またはそれらとモリブデン、
タングステン、モリブデンカーバイドとの混合物
であつてよいが、タングステンカーバイドが好ま
しい。耐火性粒子は米国特許第3241949号の方法
によつて、炭素核剤上にモリブデンを沈着させた
ものであつてもよい(特に明記しない場合、本明
細書中の以後の「モリブデン」とは、このような
沈着させたモリブデンも含むものとする)。耐火
性粒子はバラバラのビース、球状物、フレーク、
針状物または等軸晶系の粒子の形で使用できる。
好ましくは、耐火性粒子は平均粒径約200マイク
ロメーターより小さい。耐火性物質は溶融した銅
または銀で濡らすことのできるものでなければな
らず、すなわち、耐火性物質は静滴法による接触
角の値が、水素雰囲気中で90度またはそれ以下で
なければならない。そのような接触角の試験法
は、例えばエフ・エル・ハーデイングおよびデイ
ー・アール・ロシントン(F.L.Harding and D.
R.Rossington)により、「超真空下における溶融
金属による酸化セラミツクの濡れ(Wetting of
Ceramic Oxides by Molten Metals under
Ultra High Vacuum)」の題で「ジヤーナル・
オブ・アメリカン・セラミツク・ソサイエテイー
(J.Am.Cer.Soc.)」第53巻(2)第87―90頁(1970
年)に、およびエス.ケー.リー.(S.K.Rhee)
により、「TaCの液状Cuおよび液状Agによる濡
れ(The Wetting of TaC by Liquid Cu and
Liquid Ag)」の題で「ジヤーナル・オブ・アメ
リカン・セラミツク・ソサイエテイー」第55巻(3)
第157―159頁(1972年)に記載されている。 耐火物質はまた含浸温度(例えば銅の場合約
1150℃)で実質的に含浸剤としての金属に不溶性
でなければならない:これは、耐火物質と骨格予
備成形体中の炭素粒子との間で固体―溶液反応が
生ずるのを防止または極力減少させ、それにより
含浸中におけるEDM電極の寸法変化を最小限に
抑えるためである。本発明のEDM電極中の炭素
の一部分を耐火性金属と結合させて耐火性炭化物
を形成させてもよい。この効果は、非常に小さい
耐火性粒子の場合(例えば1マイクロメーターの
タングステン)に著しい。 上の説明からわかるとおり、選択すべき耐火性
物質は含浸剤で濡れることはできるが、含浸剤に
溶解するものであつてはならずそして、含浸条件
下で予備成形体中の炭素と殆んど反応しないか反
応性の全くないものでなければならない。一般に
は、溶融状の銅または銀に溶解しうる耐火性物質
は、それらの金属に濡れることのできるものであ
る。しかしなが、その逆は必ずしも正しくない―
すなわち、溶融した銅またに銀に濡れることので
きる耐火物質の多くのものはそれらの溶融金属に
溶解するが、溶解しない耐火物質もある。本発明
で使用しうる耐火物質は溶融した銅または銀に濡
れはしても溶解はしないもので、タングステン、
モリブデン、これら2種の元素の炭化物、および
他の元素周期律表のB,BおよびB族元素
の化学量論的および過化学量論的炭化物等であ
る。適する市販の耐火性粒子を表2に示す。
ン、それらの炭化物、その他の元素周期律表の
B,BおよびB族の元素の化学量論的および
過化学量論的炭化物またはそれらとモリブデン、
タングステン、モリブデンカーバイドとの混合物
であつてよいが、タングステンカーバイドが好ま
しい。耐火性粒子は米国特許第3241949号の方法
によつて、炭素核剤上にモリブデンを沈着させた
ものであつてもよい(特に明記しない場合、本明
細書中の以後の「モリブデン」とは、このような
沈着させたモリブデンも含むものとする)。耐火
性粒子はバラバラのビース、球状物、フレーク、
針状物または等軸晶系の粒子の形で使用できる。
好ましくは、耐火性粒子は平均粒径約200マイク
ロメーターより小さい。耐火性物質は溶融した銅
または銀で濡らすことのできるものでなければな
らず、すなわち、耐火性物質は静滴法による接触
角の値が、水素雰囲気中で90度またはそれ以下で
なければならない。そのような接触角の試験法
は、例えばエフ・エル・ハーデイングおよびデイ
ー・アール・ロシントン(F.L.Harding and D.
R.Rossington)により、「超真空下における溶融
金属による酸化セラミツクの濡れ(Wetting of
Ceramic Oxides by Molten Metals under
Ultra High Vacuum)」の題で「ジヤーナル・
オブ・アメリカン・セラミツク・ソサイエテイー
(J.Am.Cer.Soc.)」第53巻(2)第87―90頁(1970
年)に、およびエス.ケー.リー.(S.K.Rhee)
により、「TaCの液状Cuおよび液状Agによる濡
れ(The Wetting of TaC by Liquid Cu and
Liquid Ag)」の題で「ジヤーナル・オブ・アメ
リカン・セラミツク・ソサイエテイー」第55巻(3)
第157―159頁(1972年)に記載されている。 耐火物質はまた含浸温度(例えば銅の場合約
1150℃)で実質的に含浸剤としての金属に不溶性
でなければならない:これは、耐火物質と骨格予
備成形体中の炭素粒子との間で固体―溶液反応が
生ずるのを防止または極力減少させ、それにより
含浸中におけるEDM電極の寸法変化を最小限に
抑えるためである。本発明のEDM電極中の炭素
の一部分を耐火性金属と結合させて耐火性炭化物
を形成させてもよい。この効果は、非常に小さい
耐火性粒子の場合(例えば1マイクロメーターの
タングステン)に著しい。 上の説明からわかるとおり、選択すべき耐火性
物質は含浸剤で濡れることはできるが、含浸剤に
溶解するものであつてはならずそして、含浸条件
下で予備成形体中の炭素と殆んど反応しないか反
応性の全くないものでなければならない。一般に
は、溶融状の銅または銀に溶解しうる耐火性物質
は、それらの金属に濡れることのできるものであ
る。しかしなが、その逆は必ずしも正しくない―
すなわち、溶融した銅またに銀に濡れることので
きる耐火物質の多くのものはそれらの溶融金属に
溶解するが、溶解しない耐火物質もある。本発明
で使用しうる耐火物質は溶融した銅または銀に濡
れはしても溶解はしないもので、タングステン、
モリブデン、これら2種の元素の炭化物、および
他の元素周期律表のB,BおよびB族元素
の化学量論的および過化学量論的炭化物等であ
る。適する市販の耐火性粒子を表2に示す。
【表】
ー−チヤン
(Wah−Chang)
部〓
(Wah−Chang)
部〓
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 a) 溶融した銅または銀に濡れることがで
きる耐火物質よりなる粒子を含有する一体型ス
ケルトンと b) 実質的に銅、銀または銅もしくは銀を含む
合金よりなり、前記スケルトン中の連続する孔
部を充す連続相とからなり、 前記スケルトンと前記連続相とは実質的に相
互に接し合う2種の基材からなる空隙の無い一
体型構造をなし、 c) 前記耐火物質とは、タングステン、モリブ
デン、これら2種の金属の炭化物およびこれら
以外の元素周期律表の第B,BおよびB
族の元素の化学量論的ないし過化学量論的炭化
物よりなる群から選ばれる物質であり、 d) 前記スケルトンは、大部分が平均粒径約
1μmより大きい炭素粒子を含有し、 e) 前記炭素粒子および前記耐火性粒子は、そ
れらが接触する部分で相互に結合しており、 f) 前記炭素粒子、前記耐火物質および前記連
続相の容量パーセントは、次表: 【表】 に示すD,E,FおよびG点を第7図の3元組
成図中にプロツトしたとき、これらの点を結ぶ
線の線上またはこれらの点が囲む範囲の内部の
値を有し、 そして、次式: (容量%C)(表面積C)/(容量%R)(表面積R
) (式中、Cは前記炭素粒子を表わし、Rは前記耐
火物質を表わし、容量%の語は下記電極中でCま
たはRが占める容量%を表わし、表面積の語は、
該電極を製造するために使用する前に測定した前
記炭素粒子または耐火物質の表面積(m2/g)を
表わす。)で表わされる商が約75より小さく、そ
して前記電極が実質的に前記連続相に溶解性を有
する物質および炭素と反応性の物質を含まないこ
とを特徴とする成形放電加工電極。 2 炭素粒子が約15m2/gより小さい表面積を有
することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の放電加工電極。 3 炭素粒子が約7m2/gより小さい表面積を有
することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の放電加工電極。 4 耐火物質がタングステンである特許請求の範
囲第1項記載の放電加工電極。 5 耐火物質がモリブデンである特許請求の範囲
第1項記載の放電加工電極。 6 耐火物質が元素周期律表の第B,Bおよ
びB族より選ばれる元素の化学量論的または過
化学量論的炭化物である特許請求の範囲第1項記
載の放電加工電極。 7 炭素粒子、耐火物質粒子、および連続相の容
量%が、次表: 【表】 に示すH,I,JおよびK点を第7図の3元組成
図中にプロツトしたとき、これらの点を結ぶ線上
またはこれらの点が囲む範囲の内部の値を有する
特許請求の範囲第1項記載の放電加工電極。 8 炭素粒子がグラフアイトであり、耐火物質が
タングステンであり、連続相が銅である特許請求
の範囲第1項記載の放電加工電極。 9 (a)′ 次式: (容量%C)(表面積C)/(容量%R)(表面積R
)<約75 の定義に従つて炭素粒子および耐火物質粒子を
ドライブレンドして均一混合物を製造し、 (b)′ 前記粒子混合物を62容量%までの熱可塑性
または熱硬化性の熱不安定性有機結合剤と加温
混合し、 (c)′ 得られた混合物を加熱した柔軟型中で成形
し、該型およびその内容物を室温に冷却し、該
内容物を型から取り出して、該型の形および寸
法を有する実質的に空隙を有しない前駆的成形
段階の予備成形体(圧粉体)を得、そして、 (d)′ 該圧粉体を加熱して熱分解によつて前記結
合剤の多量部を除去し、それにより剛い、手で
取扱い可能な骨格予備成形体を得、 (e)′ 該予備成形体を、銅、銀または銅もしくは
銀を含有する合金よりなる含浸剤に接触させ
て、該予備成形体と含浸剤とを常圧で該含浸剤
の融点より高い温度に加熱し、それにより該含
浸剤を溶融および毛細管現象で該予備成形体の
連続孔内に浸透せしめ、そして (f)′ 含浸部分を室温に冷却することよりなる、 a) 溶融した銅または銀に濡れることができ
る耐火物質よりなる粒子を含有する一体型ス
ケルトンと b) 実質的に銅、銀または銅もしくは銀を含
む合金よりなり、前記スケルトン中の連続する
孔部を充す連続相とからなり、 前記スケルトンと前記連続相とは実質的に相
互に接し合う2種の基材からなる空隙の無い一
体型構造をなし、 c) 前記耐火物質とは、タングステン、モリ
ブデン、これら2種の金属の炭化物およびこ
れら以外の周期律表の第B,Bおよび
B族の元素の化学量論的ないし過化学量論的
炭化物よりなる群から選ばれる物質であり、 d) 前記スケルトンは、大部分が平均粒径約
1μmより大きい炭素粒子を含有し、 e) 前記炭素粒子および前記耐火粒子は、そ
れらが接触する部分で相互に結合しており、 f) 前記炭素粒子、前記耐火物質および前記
連続相の容量パーセントは、次表: 【表】 に示すD,E,FおよびG点を3元組成図中
にプロツトしたとき、これらの点を結ぶ線の
線上またはこれらの点が囲む範囲の内部の値
を有し、 そして、次式: (容量%C)(表面積C)/(容量%R)(表面積R
) (式中、Cは前記炭素粒子を表わし、Rは前
記耐火物質を表わし、容量%の語は下記電極
中でCまたはRが占める容量%を表わし、表
面積の語は、該電極を製造するために使用す
る前に測定した前記炭素粒子または耐火物質
の表面積(m2/g)を表わす。) で表わされる商が約75より小さく、 そして前記電極が実質的に前記連続相に溶
解性を有する物質および炭素と反応性の物質
を含まないことを特徴とする成形放電加工電
極の製造方法。 10 炭素粒子がグラフアイトであり、耐火物質
がタングステンであり、含浸剤が銅である特許請
求の範囲第9項記載の方法。
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