JPH11106948A - 火花溶着用の電極棒及びその製法、並びに超砥粒含有物層の被覆方法 - Google Patents
火花溶着用の電極棒及びその製法、並びに超砥粒含有物層の被覆方法Info
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- JPH11106948A JPH11106948A JP9270996A JP27099697A JPH11106948A JP H11106948 A JPH11106948 A JP H11106948A JP 9270996 A JP9270996 A JP 9270996A JP 27099697 A JP27099697 A JP 27099697A JP H11106948 A JPH11106948 A JP H11106948A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】燃焼合成反応を生じる組み合わせの、元素粉末
混金体で電極棒を形成することにより、簡単な基本操作
を用いて、高融点、難加工性の材料の被覆加工を行う方
法、並びに被覆加工用の電極棒の提供。 【解決手段】Fe、Co、Niと元素周期表、第４族、第５
族、第６族元素とSiから成る一群の中から選ばれる少な
くとも１種類の金属元素を含有する第一成分の粉末、及
び該金属元素との燃焼合成反応によって、炭化物、窒化
物、ホウ化物、ケイ化物、または金属間化成物を形成し
得る第二成分の粉末の密な混合物の棒状成形体からな
る、火花溶着用の電極棒。
混金体で電極棒を形成することにより、簡単な基本操作
を用いて、高融点、難加工性の材料の被覆加工を行う方
法、並びに被覆加工用の電極棒の提供。 【解決手段】Fe、Co、Niと元素周期表、第４族、第５
族、第６族元素とSiから成る一群の中から選ばれる少な
くとも１種類の金属元素を含有する第一成分の粉末、及
び該金属元素との燃焼合成反応によって、炭化物、窒化
物、ホウ化物、ケイ化物、または金属間化成物を形成し
得る第二成分の粉末の密な混合物の棒状成形体からな
る、火花溶着用の電極棒。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は火花溶着用の電極
棒、及びその製法、並びに超砥粒含有物の被覆方法に関
する。
棒、及びその製法、並びに超砥粒含有物の被覆方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】金属表面に耐摩耗性材料の層を形成する
方法の一つとして、火花溶着(electrospark alloying:
ESA)法が知られている。この方法は、硬質材料製の電極
棒と被処理物との間で電気スパークを発生させ、この際
に発生する3000〜4000℃の瞬間的な高温を利用して、高
融点の硬質材料を溶融または蒸発させ、Fe系金属、Ni基
合金、Cu系合金、Ti、Ta、Moなどの各種の被処理物上に
硬質膜を溶着させる技術である。また電極棒にカーボン
を用いて、被処理物の合金中に含有されている遷移金属
成分を炭化物に変え、硬度を高める加工も行われてい
る。
方法の一つとして、火花溶着(electrospark alloying:
ESA)法が知られている。この方法は、硬質材料製の電極
棒と被処理物との間で電気スパークを発生させ、この際
に発生する3000〜4000℃の瞬間的な高温を利用して、高
融点の硬質材料を溶融または蒸発させ、Fe系金属、Ni基
合金、Cu系合金、Ti、Ta、Moなどの各種の被処理物上に
硬質膜を溶着させる技術である。また電極棒にカーボン
を用いて、被処理物の合金中に含有されている遷移金属
成分を炭化物に変え、硬度を高める加工も行われてい
る。
【０００３】ESA技術に関しては、例えば1978年発行のE
lektronnaya Obrabotka Materialov、No.4、86〜87頁
に、形成した膜の特性に関する紹介があり、また1991年
発行の同雑誌、No.5、66〜68頁には、電極棒を燃焼合成
法を用いて製作することも紹介されている。
lektronnaya Obrabotka Materialov、No.4、86〜87頁
に、形成した膜の特性に関する紹介があり、また1991年
発行の同雑誌、No.5、66〜68頁には、電極棒を燃焼合成
法を用いて製作することも紹介されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】電極構成材料としては
主に、遷移金属の炭化物、ホウ化物などの高融点化合物
材料が用いられており、ESA法によりこれらの材料の被
覆を施すことによって、被処理物表面の耐摩耗性が数倍
に向上することが知られている。しかし一般に被覆材料
自体の融点が高いことから、被処理物表面への移行速度
が小さく、また均一な被覆層の形成が困難なことから、
使用可能な材料の範囲が制限されており、また電極棒へ
の加工工程についても、解決を要する課題が残されてい
る。
主に、遷移金属の炭化物、ホウ化物などの高融点化合物
材料が用いられており、ESA法によりこれらの材料の被
覆を施すことによって、被処理物表面の耐摩耗性が数倍
に向上することが知られている。しかし一般に被覆材料
自体の融点が高いことから、被処理物表面への移行速度
が小さく、また均一な被覆層の形成が困難なことから、
使用可能な材料の範囲が制限されており、また電極棒へ
の加工工程についても、解決を要する課題が残されてい
る。
【０００５】本発明者等は、特定の構成の電極棒を用い
て火花溶着(ESA)法を実施することにより、高融点化合
物の形成反応と被覆形成反応とを同時に進行させること
ができることを知見した。
て火花溶着(ESA)法を実施することにより、高融点化合
物の形成反応と被覆形成反応とを同時に進行させること
ができることを知見した。
【０００６】またこの際、ESA法における放電領域で
は、局部的に数千度の高温となるので、準安定相である
ダイヤモンドやc-BNは、安定相であるグラファイトやh-
BNに転移すると考えられてきた。しかし本発明者らによ
る実験の結果、加熱時間がごく短時間であれば、転移反
応を実質的に阻止できることも知見した。そしてこれら
の知見に基づいて上記問題を解決する技術を開発し、本
発明に至った。
は、局部的に数千度の高温となるので、準安定相である
ダイヤモンドやc-BNは、安定相であるグラファイトやh-
BNに転移すると考えられてきた。しかし本発明者らによ
る実験の結果、加熱時間がごく短時間であれば、転移反
応を実質的に阻止できることも知見した。そしてこれら
の知見に基づいて上記問題を解決する技術を開発し、本
発明に至った。
【０００７】本発明は、燃焼合成(self-propagating hi
gh-temperature synthesis:SHS)の手法を電極棒の製作
に応用することによって、上記の課題を解決したもので
ある。即ち燃焼合成反応を生じる組み合わせの、元素粉
末混合体で電極棒を形成することにより、簡単な基本操
作を用いて、高融点、難加工性の材料の被覆加工を行う
方法、並びに被覆加工用の電極棒を提供する。
gh-temperature synthesis:SHS)の手法を電極棒の製作
に応用することによって、上記の課題を解決したもので
ある。即ち燃焼合成反応を生じる組み合わせの、元素粉
末混合体で電極棒を形成することにより、簡単な基本操
作を用いて、高融点、難加工性の材料の被覆加工を行う
方法、並びに被覆加工用の電極棒を提供する。
【０００８】本発明の第一の側面は、かかる火花溶着用
の電極棒を、Fe、Co、Niと元素周期表4a、5a、6a族元素
とSiから成る一群の中から選ばれる少なくとも１種類の
金属元素を含有する第一成分の粉末、及び該金属元素と
の燃焼合成反応によって、炭化物、窒化物、ホウ化物、
ケイ化物、または金属間化合物を形成し得る第二成分の
粉末の密な混合物の棒状成形体で構成することを要旨と
する。
の電極棒を、Fe、Co、Niと元素周期表4a、5a、6a族元素
とSiから成る一群の中から選ばれる少なくとも１種類の
金属元素を含有する第一成分の粉末、及び該金属元素と
の燃焼合成反応によって、炭化物、窒化物、ホウ化物、
ケイ化物、または金属間化合物を形成し得る第二成分の
粉末の密な混合物の棒状成形体で構成することを要旨と
する。
【０００９】本発明の第二の側面は、このような電極棒
の作成に当たり、Fe、Co、Niと、元素周期表4a、5a、6a
族の遷移金属と、Sn、Zn、Pb、Al、Cuとで構成される一
群から選ばれた少なくとも１種類の第一成分の粉末を、
燃焼合成反応により化合物(金属間化合物を含む)を形成
し得る元素を含有する第二成分の粉末とを密に混合し、
この混合物を加圧成型、またはさらに仮焼成によって、
理論密度に対して0.50〜0.86の範囲のかさ密度値を呈す
る棒状成形体に作製することを特徴とする。
の作成に当たり、Fe、Co、Niと、元素周期表4a、5a、6a
族の遷移金属と、Sn、Zn、Pb、Al、Cuとで構成される一
群から選ばれた少なくとも１種類の第一成分の粉末を、
燃焼合成反応により化合物(金属間化合物を含む)を形成
し得る元素を含有する第二成分の粉末とを密に混合し、
この混合物を加圧成型、またはさらに仮焼成によって、
理論密度に対して0.50〜0.86の範囲のかさ密度値を呈す
る棒状成形体に作製することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】炭化物やホウ化物を形成し、本発
明に使用可能な上記粉末混合物の成分としては、Ti+C、
Ti+B、Zr+C、Ta+C、Ta+B、W+C、W+B、Cr+C、Cr+Bなど
の、燃焼合成反応における発熱量が大きく、高融点化合
物を形成する組み合わせが挙げられる。一方金属間化合
物を形成する組み合わせであるNi+Al、Ti+Al、Ti+Si、C
u+Al、Fe+Al、Co+Al、Sn+Al+Cu、Ni+Al+Cu+Ti、Ni+Al+T
i+C(またはB)、Ti+Si+Alも同様に利用可能である。後者
の組み合わせでは一般にSHS反応における発熱量は小さ
いが、ESAの手法と組み合わせることで、高機能の化合
物被覆の形成が達成できる。
明に使用可能な上記粉末混合物の成分としては、Ti+C、
Ti+B、Zr+C、Ta+C、Ta+B、W+C、W+B、Cr+C、Cr+Bなど
の、燃焼合成反応における発熱量が大きく、高融点化合
物を形成する組み合わせが挙げられる。一方金属間化合
物を形成する組み合わせであるNi+Al、Ti+Al、Ti+Si、C
u+Al、Fe+Al、Co+Al、Sn+Al+Cu、Ni+Al+Cu+Ti、Ni+Al+T
i+C(またはB)、Ti+Si+Alも同様に利用可能である。後者
の組み合わせでは一般にSHS反応における発熱量は小さ
いが、ESAの手法と組み合わせることで、高機能の化合
物被覆の形成が達成できる。
【００１１】したがって本発明における被覆材として
は、遷移金属の炭化物、窒化物、ホウ化物、酸化物、カ
ルコゲン化合物、ケイ化物、または金属間化合物など、
広い範囲の高融点、硬質の化合物を挙げることができ
る。これらはいずれも成分元素粉末を十分に混合した状
態で、棒状に成形して用いられ、電気スパーク下で燃焼
合成反応を行うと共に、材料の移行と化合物による被覆
層の形成を行い、この際に放出される反応熱が、燃焼合
成反応の継続と、被覆材料の溶融のための補助熱源とし
て寄与する。
は、遷移金属の炭化物、窒化物、ホウ化物、酸化物、カ
ルコゲン化合物、ケイ化物、または金属間化合物など、
広い範囲の高融点、硬質の化合物を挙げることができ
る。これらはいずれも成分元素粉末を十分に混合した状
態で、棒状に成形して用いられ、電気スパーク下で燃焼
合成反応を行うと共に、材料の移行と化合物による被覆
層の形成を行い、この際に放出される反応熱が、燃焼合
成反応の継続と、被覆材料の溶融のための補助熱源とし
て寄与する。
【００１２】本発明で用いられる遷移金属としては、T
i、Zr、Hf、Cr、Ta、Nb、Mo、Ｗが、また同様にFe、C
o、Ni、Siも燃焼合成反応を生じる金属元素として挙げ
られる。これらは単独または二種類以上を組み合わせて
用いられる。これらの諸金属との組み合わせにおいて、
発熱反応を伴って安定な高融点化合物を形成する元素と
しては、C、B、Siが挙げられる。
i、Zr、Hf、Cr、Ta、Nb、Mo、Ｗが、また同様にFe、C
o、Ni、Siも燃焼合成反応を生じる金属元素として挙げ
られる。これらは単独または二種類以上を組み合わせて
用いられる。これらの諸金属との組み合わせにおいて、
発熱反応を伴って安定な高融点化合物を形成する元素と
しては、C、B、Siが挙げられる。
【００１３】被覆形成に際して、燃焼合成反応による発
熱が期待でき、かつ同時に硬質膜を形成させるための混
合物として特に好適な組み合わせ例を示すと、Ti+C、Ti
+2B、Ti+C+Si、Ti+2B+Si、Zr+C、2Nb+C、Ta+C、Zr+Siが
挙げられる。これらの組み合わせはいずれも、化合物形
成の際に放出される反応熱が大きいことから、混合物の
圧粉体の一端に着火することにより、反応が全体に伝播
し、数秒間の短時間で目的とする化合物が形成される。
熱が期待でき、かつ同時に硬質膜を形成させるための混
合物として特に好適な組み合わせ例を示すと、Ti+C、Ti
+2B、Ti+C+Si、Ti+2B+Si、Zr+C、2Nb+C、Ta+C、Zr+Siが
挙げられる。これらの組み合わせはいずれも、化合物形
成の際に放出される反応熱が大きいことから、混合物の
圧粉体の一端に着火することにより、反応が全体に伝播
し、数秒間の短時間で目的とする化合物が形成される。
【００１４】また遷移金属と組み合わせて用い、反応に
より金属間化合物を形成する元素としてはAl、Ni、Co、
Feが挙げられる。これらの反応における発熱量は、炭化
物やホウ化物を形成する場合に比べると小さいが、本発
明方法では燃焼合成反応における付加発熱量として利用
でき、これによって均一な硬質膜が達成される。
より金属間化合物を形成する元素としてはAl、Ni、Co、
Feが挙げられる。これらの反応における発熱量は、炭化
物やホウ化物を形成する場合に比べると小さいが、本発
明方法では燃焼合成反応における付加発熱量として利用
でき、これによって均一な硬質膜が達成される。
【００１５】本発明においては、燃焼合成用組成の混合
物を、各種の公知技術により電極棒の形状の圧粉体とす
ることによって、任意の組み合わせの高融点・高硬度化
合物を、被覆層として構造材料や工具の刃先に施すこと
ができる。
物を、各種の公知技術により電極棒の形状の圧粉体とす
ることによって、任意の組み合わせの高融点・高硬度化
合物を、被覆層として構造材料や工具の刃先に施すこと
ができる。
【００１６】また本発明における電極棒には、火花溶着
及び燃焼合成による発熱量の許容範囲内で、燃焼合成反
応に関与しない(中性の)物質を添加することができる。
混合物中における添加物の量は、3〜70vol％の範囲が適
切である。添加物量が3vol％以下では添加の効果が明瞭
でなく、一方70vol％を超えると、電極から被処理物へ
移行する物質中の、燃焼合成反応に無関係な材料の割合
が多くなり、燃焼合成反応が遅くなるという現象が生じ
る。
及び燃焼合成による発熱量の許容範囲内で、燃焼合成反
応に関与しない(中性の)物質を添加することができる。
混合物中における添加物の量は、3〜70vol％の範囲が適
切である。添加物量が3vol％以下では添加の効果が明瞭
でなく、一方70vol％を超えると、電極から被処理物へ
移行する物質中の、燃焼合成反応に無関係な材料の割合
が多くなり、燃焼合成反応が遅くなるという現象が生じ
る。
【００１７】上記添加物の種類と量とは、目的とする被
覆の物性、被処理物との接着強度、製品の用途などの観
点から選択される。
覆の物性、被処理物との接着強度、製品の用途などの観
点から選択される。
【００１８】即ち被覆層の靱性、耐衝撃強度を高める目
的の為には、添加物は、遷移金属の炭化物、窒化物、ホ
ウ化物、酸化物、カルコゲン化合物、ケイ化物、及び金
属間化合物の中から選択する。例えばTiN、TiC、TiB2、
TaC、ZrB2、NbC、AlN、AlB、Cr3C2、Al2O3、ZrO2、Mo
S2、MoSe2、WSe2、Ti5Si3Cx、Ti3SiC2、WCを用いること
ができる。これらの物質は化合物の形で電極から飛び出
し、被処理物表面に付着すると考えられる。
的の為には、添加物は、遷移金属の炭化物、窒化物、ホ
ウ化物、酸化物、カルコゲン化合物、ケイ化物、及び金
属間化合物の中から選択する。例えばTiN、TiC、TiB2、
TaC、ZrB2、NbC、AlN、AlB、Cr3C2、Al2O3、ZrO2、Mo
S2、MoSe2、WSe2、Ti5Si3Cx、Ti3SiC2、WCを用いること
ができる。これらの物質は化合物の形で電極から飛び出
し、被処理物表面に付着すると考えられる。
【００１９】本発明による被覆層の形成方法としては、
電極棒成分と、被処理物表面に予め配置(塗布、金属箔
で貼付など)した成分とによる合金化反応も利用でき
る。例えば電極棒をTi+Cの粉末混合物で成形し、予めSU
S被処理物の表面にNiの薄板を配置し、火花溶着・燃焼
合成反応によって、TiC-Ni系の硬質皮膜を形成すること
ができる。
電極棒成分と、被処理物表面に予め配置(塗布、金属箔
で貼付など)した成分とによる合金化反応も利用でき
る。例えば電極棒をTi+Cの粉末混合物で成形し、予めSU
S被処理物の表面にNiの薄板を配置し、火花溶着・燃焼
合成反応によって、TiC-Ni系の硬質皮膜を形成すること
ができる。
【００２０】一方、優れた耐摩耗性を被覆層に付与する
ために、上記の炭化物、窒化物、ホウ化物の粉末に加え
て、ダイヤモンドまたはc-BNの超砥粒粉末を用いること
ができる。これらの超砥粒は5〜1000μmの粒度範囲のも
のを利用できるが、ESA反応ゾーンにおける酸化反応
や、安定相への相転移防止の見地からは10μm以上が好
ましく、硬質面の平坦度を確保するためには100μm以下
であることが望ましい。
ために、上記の炭化物、窒化物、ホウ化物の粉末に加え
て、ダイヤモンドまたはc-BNの超砥粒粉末を用いること
ができる。これらの超砥粒は5〜1000μmの粒度範囲のも
のを利用できるが、ESA反応ゾーンにおける酸化反応
や、安定相への相転移防止の見地からは10μm以上が好
ましく、硬質面の平坦度を確保するためには100μm以下
であることが望ましい。
【００２１】なお超砥粒は、通常はフィラー(添加物)の
形で電極棒の一成分として用いられるが、操作を簡便に
するために、電極棒の成分には加えないで、溶着操作に
先立って被処理物面上に散布し、火花溶着・燃焼合成反
応時に形成される溶融物によって被処理物上に固定する
ことも、可能である。
形で電極棒の一成分として用いられるが、操作を簡便に
するために、電極棒の成分には加えないで、溶着操作に
先立って被処理物面上に散布し、火花溶着・燃焼合成反
応時に形成される溶融物によって被処理物上に固定する
ことも、可能である。
【００２２】ダイヤモンドやc-BNは常温では準安定相で
あることから、電気スパークや燃焼合成反応時の高温
が、安定相であるグラファイトやh-BNへの相転移を促進
することが懸念されるが、実際には高温に曝されている
時間が秒単位の短時間であることから、大きな変化が認
められない。しかし酸化反応は、安定相への相転移反応
を促進することから、酸化反応を防止する措置が必要で
ある。この意味から、アルゴンガスや窒素ガスを用い
て、溶着工程空間を不活性ガス雰囲気に保つことは、こ
のようなグラファイトやh-BNへの相転移を防止するのに
極めて有効である。
あることから、電気スパークや燃焼合成反応時の高温
が、安定相であるグラファイトやh-BNへの相転移を促進
することが懸念されるが、実際には高温に曝されている
時間が秒単位の短時間であることから、大きな変化が認
められない。しかし酸化反応は、安定相への相転移反応
を促進することから、酸化反応を防止する措置が必要で
ある。この意味から、アルゴンガスや窒素ガスを用い
て、溶着工程空間を不活性ガス雰囲気に保つことは、こ
のようなグラファイトやh-BNへの相転移を防止するのに
極めて有効である。
【００２３】本発明の溶着法では、広範囲の超砥粒の固
定に利用することができる。この際、電極棒に配合する
超砥粒としては、耐摩耗材料としての用途においては、
SHS反応の熱によって安定相への移行を伴わない範囲
で、できるだけ細かな砥粒を用いるのが有効である。一
方本発明の溶着法を電着法の代替手段として砥粒の固定
方法に用いる場合には、500μm以上の粗い砥粒を基材上
に固定する方法としても用いることができる。
定に利用することができる。この際、電極棒に配合する
超砥粒としては、耐摩耗材料としての用途においては、
SHS反応の熱によって安定相への移行を伴わない範囲
で、できるだけ細かな砥粒を用いるのが有効である。一
方本発明の溶着法を電着法の代替手段として砥粒の固定
方法に用いる場合には、500μm以上の粗い砥粒を基材上
に固定する方法としても用いることができる。
【００２４】溶着層に比較的粗い砥粒を含有させる場合
には、被処理物表面に予め砥粒を載置するか、押し込
み、またはメッキによる仮付けによって固定した後、ES
Aによる熔着操作を行う等の手法を採ることができる。
この場合には、構成材料に周期表４〜６族遷移金属元素
を含む電極を用いることによって、ダイヤモンドの表面
に形成された薄い炭化物層を介した化学結合による、ダ
イヤモンドと基材との強力な接合が得られる。
には、被処理物表面に予め砥粒を載置するか、押し込
み、またはメッキによる仮付けによって固定した後、ES
Aによる熔着操作を行う等の手法を採ることができる。
この場合には、構成材料に周期表４〜６族遷移金属元素
を含む電極を用いることによって、ダイヤモンドの表面
に形成された薄い炭化物層を介した化学結合による、ダ
イヤモンドと基材との強力な接合が得られる。
【００２５】本発明の火花溶着・燃焼合成用電極棒にお
いて、ダイヤモンド(ｄ)を含有させる場合の主要成分と
しては、Ni+Al+ｄ、Ti+Al+ｄ、Co+Al+ｄ、Ti+C(または
B)+Al+Ni+ｄを好ましい例として挙げることができ、こ
れらの組み合わせにさらに下記に示すように、別の添加
物を含むこともできる。これらの構成成分中におけるダ
イヤモンドの含有量は5〜60vol％の範囲内が適切であ
り、5vol％以下では添加の効果が顕著でなく、一方60vo
l％を超えると、溶着工程時に十分な発熱量が確保でき
ないうえに、生成した被覆層のダイヤモンド粒子に対す
る保持強度が不十分となるので、好ましくない。
いて、ダイヤモンド(ｄ)を含有させる場合の主要成分と
しては、Ni+Al+ｄ、Ti+Al+ｄ、Co+Al+ｄ、Ti+C(または
B)+Al+Ni+ｄを好ましい例として挙げることができ、こ
れらの組み合わせにさらに下記に示すように、別の添加
物を含むこともできる。これらの構成成分中におけるダ
イヤモンドの含有量は5〜60vol％の範囲内が適切であ
り、5vol％以下では添加の効果が顕著でなく、一方60vo
l％を超えると、溶着工程時に十分な発熱量が確保でき
ないうえに、生成した被覆層のダイヤモンド粒子に対す
る保持強度が不十分となるので、好ましくない。
【００２６】本発明においては、溶着工程時の反応ゾー
ンに、積極的に液相を形成するための電極棒および被覆
方法も提供される。一般にESA法で形成した硬質膜は、
直径数ミクロンの硬質粒子の集合体であって、これを連
続膜とするためには数回の成膜乃至溶着操作の反復を必
要とする。したがって本発明においては、この解決策と
して、反応領域に多量の液相を形成し、液相中の拡散に
よって電極成分から被処理物表面への物質移動を促進
し、溶着層の連続性と厚さの向上を図り、併せて被覆層
と被処理物表面との間における遷移層の厚さを増すこと
により、境界面における応力の緩和を図る方法も提供す
る。この目的のためには、1000℃以下の融点を持つ１種
以上の金属を粉末状態で添加することが有効である。こ
のような金属は、Cu、Sn、Zn、Pb、Alの各金属元素、及
びこれらの金属を含む合金の中から選ぶのが適してい
る。
ンに、積極的に液相を形成するための電極棒および被覆
方法も提供される。一般にESA法で形成した硬質膜は、
直径数ミクロンの硬質粒子の集合体であって、これを連
続膜とするためには数回の成膜乃至溶着操作の反復を必
要とする。したがって本発明においては、この解決策と
して、反応領域に多量の液相を形成し、液相中の拡散に
よって電極成分から被処理物表面への物質移動を促進
し、溶着層の連続性と厚さの向上を図り、併せて被覆層
と被処理物表面との間における遷移層の厚さを増すこと
により、境界面における応力の緩和を図る方法も提供す
る。この目的のためには、1000℃以下の融点を持つ１種
以上の金属を粉末状態で添加することが有効である。こ
のような金属は、Cu、Sn、Zn、Pb、Alの各金属元素、及
びこれらの金属を含む合金の中から選ぶのが適してい
る。
【００２７】これらの低融点金属が他の成分と共存する
と、ESAの反応時に電極棒と被処理物表面との間に液相
が形成され、電極成分の被処理物表面への移動は、液相
中における拡散反応となるので、移動速度が飛躍的に増
大する。このため、従来のESA方法によって形成された
被覆層の厚さが、通常10μm以下であるのに対し、本発
明方法によって得られる被覆層の厚さは10〜100μmであ
って、さらに100μmを超える被覆層の形成も容易であ
る。このような100μmを超える厚さの被覆は、液相の形
成を伴う本発明のESA-SHS技術によって、初めて可能と
なったものである。同時に被覆層の平坦度並びに連続性
も大幅に改善され、耐摩耗材料としての応用範囲が広が
った。また液相中へ基板の表面部が溶解することで、遷
移相の厚さも増し、被処理物表面上に生じる遷移層の厚
さを、最大10μmとすることも可能である。
と、ESAの反応時に電極棒と被処理物表面との間に液相
が形成され、電極成分の被処理物表面への移動は、液相
中における拡散反応となるので、移動速度が飛躍的に増
大する。このため、従来のESA方法によって形成された
被覆層の厚さが、通常10μm以下であるのに対し、本発
明方法によって得られる被覆層の厚さは10〜100μmであ
って、さらに100μmを超える被覆層の形成も容易であ
る。このような100μmを超える厚さの被覆は、液相の形
成を伴う本発明のESA-SHS技術によって、初めて可能と
なったものである。同時に被覆層の平坦度並びに連続性
も大幅に改善され、耐摩耗材料としての応用範囲が広が
った。また液相中へ基板の表面部が溶解することで、遷
移相の厚さも増し、被処理物表面上に生じる遷移層の厚
さを、最大10μmとすることも可能である。
【００２８】被覆層中に硬質成分として、遷移金属の炭
化物または窒化物を含有させる場合には、これらの硬質
成分を保持するマトリックス材料は、NiまたはCoを含む
金属で構成するのが好ましい。これらの金属は電極棒中
に添加物として、粉末状で、最高30vol％まで含有させ
ることができる。NiまたはCoの含有量が30vol％を超え
ると、相当して燃焼合成反応成分の比率が小さくなり、
反応空間における十分な発熱量が確保できないだけでな
く、被覆層中における軟質成分の割合が大きくなり、十
分な硬度も得られない。
化物または窒化物を含有させる場合には、これらの硬質
成分を保持するマトリックス材料は、NiまたはCoを含む
金属で構成するのが好ましい。これらの金属は電極棒中
に添加物として、粉末状で、最高30vol％まで含有させ
ることができる。NiまたはCoの含有量が30vol％を超え
ると、相当して燃焼合成反応成分の比率が小さくなり、
反応空間における十分な発熱量が確保できないだけでな
く、被覆層中における軟質成分の割合が大きくなり、十
分な硬度も得られない。
【００２９】電極構成成分にNiやCoを添加した場合、一
般的な材料である鉄系材料製の被処理材と本発明の被覆
層との間に高度の密着性が達成されるので、この点にお
いても好ましい。
般的な材料である鉄系材料製の被処理材と本発明の被覆
層との間に高度の密着性が達成されるので、この点にお
いても好ましい。
【００３０】電極棒中に含まれる燃焼合成反応のための
粉末成分は、表面積を大きくして反応性を高める目的か
ら、クラッド粉、または連なった、または互いに分離し
た繊維状態で用いることができる。このような表面積の
大きな状態においては、粒子間の機械的相互作用が期待
できるので、電極棒に成形する際に有利である。クラッ
ド粉末として利用可能な金属の組合せには、3Ni+Al、Ti
+Al、3Nb+Al、Fe+Alを例示することができる。
粉末成分は、表面積を大きくして反応性を高める目的か
ら、クラッド粉、または連なった、または互いに分離し
た繊維状態で用いることができる。このような表面積の
大きな状態においては、粒子間の機械的相互作用が期待
できるので、電極棒に成形する際に有利である。クラッ
ド粉末として利用可能な金属の組合せには、3Ni+Al、Ti
+Al、3Nb+Al、Fe+Alを例示することができる。
【００３１】本発明におけるESA用の電極棒は、上記の
各種の原料粉末の混合品を棒状に成形し、成形品のま
ま、或いは仮焼成品として用いられる。成形方法として
は、従来粉末成形に用いられている各種の公知方法が利
用可能であるが、棒状に成形する目的からは、押し出し
成型法が好ましい。また金型成型、CIP、HIP、ホットプ
レス、有機溶媒を用いたスリップキャスティングの手法
も、同様に用いることができる。
各種の原料粉末の混合品を棒状に成形し、成形品のま
ま、或いは仮焼成品として用いられる。成形方法として
は、従来粉末成形に用いられている各種の公知方法が利
用可能であるが、棒状に成形する目的からは、押し出し
成型法が好ましい。また金型成型、CIP、HIP、ホットプ
レス、有機溶媒を用いたスリップキャスティングの手法
も、同様に用いることができる。
【００３２】なお成型原料の混合粉末中には、高温下で
安定な酸化物や窒化物を形成する成分元素が含まれてい
ることから、成型時に温度を加えたり、温度上昇が生じ
る反応を伴う場合には、高真空中または Ar、Heなどの
不活性ガス中で操作を行う必要がある。
安定な酸化物や窒化物を形成する成分元素が含まれてい
ることから、成型時に温度を加えたり、温度上昇が生じ
る反応を伴う場合には、高真空中または Ar、Heなどの
不活性ガス中で操作を行う必要がある。
【００３３】電極棒の成形には、低融点の金属粉末、例
えばCu、Sn、Znなどの粉末を添加して成形した後に加熱
するという、粉末冶金の手法を用いたり、成形した粉体
中に低融点金属を溶浸させて、棒に強度を与える方法も
用いることができる。
えばCu、Sn、Znなどの粉末を添加して成形した後に加熱
するという、粉末冶金の手法を用いたり、成形した粉体
中に低融点金属を溶浸させて、棒に強度を与える方法も
用いることができる。
【００３４】電極棒は、0.50〜0.86の範囲のかさ密度に
仕上げるのが適切である。0.50以下ではESA操作におけ
る取り扱いに耐える強度が得られず、0.86を超える緻密
な電極棒では、熱伝導率が大きいために、ESA操作の際
に電極棒の温度が上がりすぎ、棒自体でSHS反応が生じ
てしまうので、好ましくない。
仕上げるのが適切である。0.50以下ではESA操作におけ
る取り扱いに耐える強度が得られず、0.86を超える緻密
な電極棒では、熱伝導率が大きいために、ESA操作の際
に電極棒の温度が上がりすぎ、棒自体でSHS反応が生じ
てしまうので、好ましくない。
【００３５】ESA用の電極棒は通常、図１に略示するよ
うに、粉末成形体１、２が露出した、或いはCuやAlのよ
うな延性の高い金属材製のケーシング３に収容された直
径2〜5mm、長さ40mm以上の棒状に作製、使用される。溶
着作業は、電極か被処理物のどちらか一方を固定した状
態で、被処理物表面上を相対的に電極が走査する形で実
施される。電極と被処理物表面との間隔を1mm以下に保
つことで、連続的な放電が生じる場合が多いが、必要に
応じて、電極と被処理物表面との間に細かな振動(例え
ば60Hz)を与えることにより、連続的なスパークの形成
が行われる。この際の放電エネルギーは、0.01〜5Jの間
が好適な範囲であり、0.01Ｊ以下では反応による有効な
物質移動が始まらない。一方放電エネルギーが5Ｊを超
えると電極棒の温度上昇が激しくなり、しばしば棒自体
内部で燃焼合成反応が生じて化合物が形成されるので、
本発明の目的とする、火花溶着・燃焼合成反応による効
果的な熱発生、並びに被処理物表面上での化合物形成が
達成されなくなる。
うに、粉末成形体１、２が露出した、或いはCuやAlのよ
うな延性の高い金属材製のケーシング３に収容された直
径2〜5mm、長さ40mm以上の棒状に作製、使用される。溶
着作業は、電極か被処理物のどちらか一方を固定した状
態で、被処理物表面上を相対的に電極が走査する形で実
施される。電極と被処理物表面との間隔を1mm以下に保
つことで、連続的な放電が生じる場合が多いが、必要に
応じて、電極と被処理物表面との間に細かな振動(例え
ば60Hz)を与えることにより、連続的なスパークの形成
が行われる。この際の放電エネルギーは、0.01〜5Jの間
が好適な範囲であり、0.01Ｊ以下では反応による有効な
物質移動が始まらない。一方放電エネルギーが5Ｊを超
えると電極棒の温度上昇が激しくなり、しばしば棒自体
内部で燃焼合成反応が生じて化合物が形成されるので、
本発明の目的とする、火花溶着・燃焼合成反応による効
果的な熱発生、並びに被処理物表面上での化合物形成が
達成されなくなる。
【００３６】ESA技術においては、被覆層の厚さを所要
の値とするために、重ね塗りの手法を用いる場合がしば
しばある。この場合に下地層から上塗り層に至る間に、
放電電力を段階的に小さくすることにより、特にダイヤ
モンド含有電極を用いる場合、基板近傍ではダイヤモン
ドをグラファイト化して接着性の向上を計り、表面部は
ダイヤモンド含有層、即ち硬質の保護膜となる傾斜組織
として、被処理物への接着性が良好で、且つ被覆層内に
おける内部歪みの小さな、剥がれにくい保護膜の形成が
達成できる。
の値とするために、重ね塗りの手法を用いる場合がしば
しばある。この場合に下地層から上塗り層に至る間に、
放電電力を段階的に小さくすることにより、特にダイヤ
モンド含有電極を用いる場合、基板近傍ではダイヤモン
ドをグラファイト化して接着性の向上を計り、表面部は
ダイヤモンド含有層、即ち硬質の保護膜となる傾斜組織
として、被処理物への接着性が良好で、且つ被覆層内に
おける内部歪みの小さな、剥がれにくい保護膜の形成が
達成できる。
【００３７】本発明による ESA-SHS技術においては、反
応生成物が急冷されるので、被覆層内の成分や構造に不
均一な部分があったり、大きな内部歪みが残ることが避
けられない。従って必要に応じて、被覆操作の後に被覆
層の熱間処理を施したり、同時に機械的処理も施すこと
によって、被覆面の均一性、平坦度、連続性を改善し、
また内部歪みを除去することが望ましい。
応生成物が急冷されるので、被覆層内の成分や構造に不
均一な部分があったり、大きな内部歪みが残ることが避
けられない。従って必要に応じて、被覆操作の後に被覆
層の熱間処理を施したり、同時に機械的処理も施すこと
によって、被覆面の均一性、平坦度、連続性を改善し、
また内部歪みを除去することが望ましい。
【００３８】本発明の電極棒には様々な構成成分が利用
可能である。これを要約すると次の表のようになる。
可能である。これを要約すると次の表のようになる。
【００３９】
【００４０】
【００４１】
【００４２】
【００４３】次に本発明の実施例を示す。以下の実施例
操作及び条件決定テスト１〜３では、原料粉末としてN
i:20μm、Al:10μm、Fe:30μm、TiN:1μm、TiB2:10μm
の粒度のものを用い、直径5mm、長さ50mmの電極棒を作
製した。図２に概略示すように、クランプ４、５を介し
て被処理物６を作業テーブル７に固定し、電極棒８をホ
ルダー９で保持して、手動操作により被処理物６表面に
被覆層１０を形成した。溶着作業用の電源にはElitron-
52Bタイプ(省略)を用いた。
操作及び条件決定テスト１〜３では、原料粉末としてN
i:20μm、Al:10μm、Fe:30μm、TiN:1μm、TiB2:10μm
の粒度のものを用い、直径5mm、長さ50mmの電極棒を作
製した。図２に概略示すように、クランプ４、５を介し
て被処理物６を作業テーブル７に固定し、電極棒８をホ
ルダー９で保持して、手動操作により被処理物６表面に
被覆層１０を形成した。溶着作業用の電源にはElitron-
52Bタイプ(省略)を用いた。
【００４４】［実施例１］NiAl+TiNの組成の被覆を、30
×30×5mmのニッケル合金GS6U製の被処理物表面に施
し、電極棒の相対密度(理論値を100とする)と、得られ
た被覆の性能の評価を行った。電極棒としてNi：Al＝
1：1(モル比)混合粉末に、30vol％のTiN粉末を加えて金
型成型し、成形品の焼成温度を変えることによって、相
対密度の異なる５種類の棒を作製し、単位面積当たりの
耐酸化性、並びに耐摩耗性の比較を行った。なお放電エ
ネルギーは0.3Ｊ、被覆形成速度は1分間あたり1 cm2で
固定した。電極棒には、被処理物表面に対して100Hzの
細かな振動が与えられ、放電時における被処理物表面と
電極先端部との間隙は、約10μm(推定)であった。
×30×5mmのニッケル合金GS6U製の被処理物表面に施
し、電極棒の相対密度(理論値を100とする)と、得られ
た被覆の性能の評価を行った。電極棒としてNi：Al＝
1：1(モル比)混合粉末に、30vol％のTiN粉末を加えて金
型成型し、成形品の焼成温度を変えることによって、相
対密度の異なる５種類の棒を作製し、単位面積当たりの
耐酸化性、並びに耐摩耗性の比較を行った。なお放電エ
ネルギーは0.3Ｊ、被覆形成速度は1分間あたり1 cm2で
固定した。電極棒には、被処理物表面に対して100Hzの
細かな振動が与えられ、放電時における被処理物表面と
電極先端部との間隙は、約10μm(推定)であった。
【００４５】上記において耐摩耗性の測定は、公称粒度
10-30μmのダイヤモンドを集中度100(25vol％)で含有す
るメタルボンドダイヤモンド砥石を用いて試料ブロック
を研削し、試料の磨耗量が40μmに達するまでの砥石の
走行距離で比較した。砥石に接する試料の面積は33m
m2、押し付け荷重は1kgfとした。
10-30μmのダイヤモンドを集中度100(25vol％)で含有す
るメタルボンドダイヤモンド砥石を用いて試料ブロック
を研削し、試料の磨耗量が40μmに達するまでの砥石の
走行距離で比較した。砥石に接する試料の面積は33m
m2、押し付け荷重は1kgfとした。
【００４６】［実施例２］火花溶着・燃焼合成工程にお
ける放電エネルギー値と、得られた被覆層の厚さ及び被
覆の連続性との相関を求めた。電極棒は、等モルのFe+A
l混合粉末に35vol％TiB2粉末を加えて、80％の相対密度
に仕上げた。被覆操作はAr雰囲気中で、1分間あたり1cm
2の速度で行った。
ける放電エネルギー値と、得られた被覆層の厚さ及び被
覆の連続性との相関を求めた。電極棒は、等モルのFe+A
l混合粉末に35vol％TiB2粉末を加えて、80％の相対密度
に仕上げた。被覆操作はAr雰囲気中で、1分間あたり1cm
2の速度で行った。
【００４７】［実施例３］等モルのNi+Al混合粉末に、3
0-40μmのダイヤモンド粉末を添加して電極棒を作製
し、溶着被覆層の耐摩耗性を評価した。被処理物として
は実施例１と同じくGS6U材を用い、放電エネルギーは0.
1Jの一定とした。耐摩耗性の評価には実施例１と同じ方
法を用いた。
0-40μmのダイヤモンド粉末を添加して電極棒を作製
し、溶着被覆層の耐摩耗性を評価した。被処理物として
は実施例１と同じくGS6U材を用い、放電エネルギーは0.
1Jの一定とした。耐摩耗性の評価には実施例１と同じ方
法を用いた。
【００４８】［実施例４］75wt％の等モルNi+Al混合粉
末、10wt％のCu粉末(粉末の粒度はすべて20μm以下)、1
5wt％の12-25μmダイヤモンド粉末とを十分に混合して
出発材料とした。これに15wt％のパラフィンワックスを
加えて練り、押し出し成型によって、直径3mmの棒状体
とした後、脱ワックス、水素雰囲気中600℃での焼成工
程を経て、相対密度約70％の電極棒を作製した。
末、10wt％のCu粉末(粉末の粒度はすべて20μm以下)、1
5wt％の12-25μmダイヤモンド粉末とを十分に混合して
出発材料とした。これに15wt％のパラフィンワックスを
加えて練り、押し出し成型によって、直径3mmの棒状体
とした後、脱ワックス、水素雰囲気中600℃での焼成工
程を経て、相対密度約70％の電極棒を作製した。
【００４９】この電極棒を用いて被覆層の形成を行っ
た。回転テーブル上に外径75mm、内径50mm、厚さ5mmのS
US製のリングを被処理物として置いた。テーブルを10rp
mで回転させながら、被処理物に、電極棒を軽く押し当
てながら3mm/分の速度で移動させて、厚さ約100μmの被
膜を形成した。得られたリングは、窒素中400℃で2時間
保持して歪みを除き、サンドポンプの回転シール材とし
て用いた。
た。回転テーブル上に外径75mm、内径50mm、厚さ5mmのS
US製のリングを被処理物として置いた。テーブルを10rp
mで回転させながら、被処理物に、電極棒を軽く押し当
てながら3mm/分の速度で移動させて、厚さ約100μmの被
膜を形成した。得られたリングは、窒素中400℃で2時間
保持して歪みを除き、サンドポンプの回転シール材とし
て用いた。
【００５０】［実施例５］レースセンター被処理物表面
へ、耐摩耗材料のコーティングを施した３例を以下に示
す。得られた製品では、いずれも超硬合金製のレースセ
ンターに比して、5〜10倍の耐用回数が得られた。
へ、耐摩耗材料のコーティングを施した３例を以下に示
す。得られた製品では、いずれも超硬合金製のレースセ
ンターに比して、5〜10倍の耐用回数が得られた。
【００５１】１．被処理物として直径12.5mm、先端角度
60°、長さ18mmのSK-3鋼を用いた。電極棒として、外径
10mm、肉厚1mmの銅パイプ中に、60vol％の20/30μmのダ
イヤモンド粉末を含むNi:Al=1:1(モル比)混合粉末を充
填し、引き抜き加工によって直径3.2mmに仕上げた棒を
用いた。被処理物を30rpmで回転させながら、テーパー
面に沿って電極を移動し、平均厚さ15μmの皮膜を４層
形成した。この際、第１層に4.0Ａ、第２層：3.0Ａ、第
３層：2.0Ａ、表面層：1.0Ａと、順次放電電流を変える
ことにより、被処理物側にはグラファイトの含有割合の
多い組織とし、表面層は実質的にダイヤモンド含有組織
として、被処理物表面への密着性並びに被覆層内の内部
応力の低減を計った。
60°、長さ18mmのSK-3鋼を用いた。電極棒として、外径
10mm、肉厚1mmの銅パイプ中に、60vol％の20/30μmのダ
イヤモンド粉末を含むNi:Al=1:1(モル比)混合粉末を充
填し、引き抜き加工によって直径3.2mmに仕上げた棒を
用いた。被処理物を30rpmで回転させながら、テーパー
面に沿って電極を移動し、平均厚さ15μmの皮膜を４層
形成した。この際、第１層に4.0Ａ、第２層：3.0Ａ、第
３層：2.0Ａ、表面層：1.0Ａと、順次放電電流を変える
ことにより、被処理物側にはグラファイトの含有割合の
多い組織とし、表面層は実質的にダイヤモンド含有組織
として、被処理物表面への密着性並びに被覆層内の内部
応力の低減を計った。
【００５２】２．上記１．と同じ電極製作方法を用い
て、外径10mmの真鍮管のケーシングの中へ、8/16μmの
ダイヤモンド粉末を60vol％含むNi:Al=1:1(モル比)混合
粉末を充填した後、4.0mmの電極棒に仕上げた。被処理
物には、上記と同寸法のＷＣ-10％Ｃo合金を用い、下地
層に3.0Ａ、表面層に1.0Ａの放電電流を用いて、２層構
造の皮膜を形成した。
て、外径10mmの真鍮管のケーシングの中へ、8/16μmの
ダイヤモンド粉末を60vol％含むNi:Al=1:1(モル比)混合
粉末を充填した後、4.0mmの電極棒に仕上げた。被処理
物には、上記と同寸法のＷＣ-10％Ｃo合金を用い、下地
層に3.0Ａ、表面層に1.0Ａの放電電流を用いて、２層構
造の皮膜を形成した。
【００５３】３．Al管製のケーシングを用い、また30/4
0μmのダイヤモンドを用いて、4.0mmの電極棒を作製し
た。SK-3鋼材製の被処理物の表面に、厚さ約5μmのTi層
をESA法により形成した後、約50μmの被覆層の形成を行
った。
0μmのダイヤモンドを用いて、4.0mmの電極棒を作製し
た。SK-3鋼材製の被処理物の表面に、厚さ約5μmのTi層
をESA法により形成した後、約50μmの被覆層の形成を行
った。
【００５４】［実施例６］ (電着工具に代わる工具製
作方法として用いた実施例) 以下の各例において、電極棒のサイズは3.2mm×40mmと
し、混合粉末の充填密度は約75％とした。砥粒にはダイ
ヤモンドを用い、被処理物表面上への砥粒の固定には、
軽くニッケルメッキを行う方法を用いた。
作方法として用いた実施例) 以下の各例において、電極棒のサイズは3.2mm×40mmと
し、混合粉末の充填密度は約75％とした。砥粒にはダイ
ヤモンドを用い、被処理物表面上への砥粒の固定には、
軽くニッケルメッキを行う方法を用いた。
【００５５】１．真鍮製のケーシングにTi:Ni=1:1(モル
比)の混合粉末を充填して電極棒とした。分散密度約50
％で40/50メッシュの砥粒を仮止めした直径75mmのSUS板
を被処理物として用意し、この上に電極棒を用いて約30
0μmの被覆を施してダイヤモンドを固定し、粗加工用の
サンダーに仕上げた。
比)の混合粉末を充填して電極棒とした。分散密度約50
％で40/50メッシュの砥粒を仮止めした直径75mmのSUS板
を被処理物として用意し、この上に電極棒を用いて約30
0μmの被覆を施してダイヤモンドを固定し、粗加工用の
サンダーに仕上げた。
【００５６】２．Al製のケーシングに、Cr:Ni=1:5(モル
比)の混合粉末を充填した電極棒を用いた。被処理物と
して直径125mm、厚さ1.2mmのSUS板を用意し、周縁部3mm
の幅に140/170メッシュのダイヤモンドを仮止めした、
さらにこの上に、約100μmの被覆を施して固定し、ガラ
ス切断用のブレードとして用いた。
比)の混合粉末を充填した電極棒を用いた。被処理物と
して直径125mm、厚さ1.2mmのSUS板を用意し、周縁部3mm
の幅に140/170メッシュのダイヤモンドを仮止めした、
さらにこの上に、約100μmの被覆を施して固定し、ガラ
ス切断用のブレードとして用いた。
【００５７】３．銅製のケーシングに、Ni:Al=1:1(モル
比)の混合粉末を充填した電極棒を用いた。被処理物と
して直径12.5mm、肉厚0.8mmのSK材のパイプを用意し、
先端周縁部に約 10μmのTi皮膜をESA法によって形成し
た後、270/325メッシュのダイヤモンドを仮止めし、約6
0μmの被覆を施して固定し、セラミックス材料の孔あけ
のためのコアドリルとして用いた。
比)の混合粉末を充填した電極棒を用いた。被処理物と
して直径12.5mm、肉厚0.8mmのSK材のパイプを用意し、
先端周縁部に約 10μmのTi皮膜をESA法によって形成し
た後、270/325メッシュのダイヤモンドを仮止めし、約6
0μmの被覆を施して固定し、セラミックス材料の孔あけ
のためのコアドリルとして用いた。
【００５８】
１．SHS(燃焼合成)反応を生じる成分が電極棒中に含ま
れており、電極棒と被処理物との間で進行するSHS反応
熱が付加されることにより、ESA(火花溶着)操作時の放
電エネルギーの節約が達成される。 ２．SHS反応の付加により、被覆の形成速度が、従来のE
SA法に比べて3〜4倍に向上する。 ３．SHS反応の発熱量が加わることによりESA工程時の発
熱量が増すので、発熱反応に関与しない硬質材料を電極
棒中に添加することが可能となり、溶着層の耐摩耗性、
耐熱性が向上する。 ４．ESA工程時に溶融状態となる金属成分を電極棒中に
加えることにより、単一操作で、厚い被覆層を形成する
ことができ、同時に溶着層の均一性も改善される。 ５．さらに被処理物中の遷移層の厚みも増し、この結
果、溶着層の耐剥離性も改善された。
れており、電極棒と被処理物との間で進行するSHS反応
熱が付加されることにより、ESA(火花溶着)操作時の放
電エネルギーの節約が達成される。 ２．SHS反応の付加により、被覆の形成速度が、従来のE
SA法に比べて3〜4倍に向上する。 ３．SHS反応の発熱量が加わることによりESA工程時の発
熱量が増すので、発熱反応に関与しない硬質材料を電極
棒中に添加することが可能となり、溶着層の耐摩耗性、
耐熱性が向上する。 ４．ESA工程時に溶融状態となる金属成分を電極棒中に
加えることにより、単一操作で、厚い被覆層を形成する
ことができ、同時に溶着層の均一性も改善される。 ５．さらに被処理物中の遷移層の厚みも増し、この結
果、溶着層の耐剥離性も改善された。
【図１】 本発明の電極棒縦断面図。(a):ケーシング無
し、(b):ケーシング付き。
し、(b):ケーシング付き。
【図２】 本発明の実施例で用いた溶着模式図
１ 火花溶着・燃焼合成用混合粉成形体 ２ 火花溶着・燃焼合成用混合粉成形体 ３ ケーシング ４ クランプ ５ クランプ ６ 被処理物 ７ 作業テーブル ８ 電極棒 ９ ホルダー １０ 被覆層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 597140305 大柳 満之 滋賀県草津市南笠町108−11 Ｉ−505 (72)発明者 エフゲニー・アレクサンドロビッチ・レバ ショフ ロシア連邦 117936 モスクワ市，レニン スキープロスペクト，４ モスクワ スチ ール アンド アロイス インステイテユ ート，エスエツチエス−センター内 (72)発明者 アレクサンダー・ゲナディエビッチ・ニコ ライェフ ロシア連邦 117936 モスクワ市，レニン スキープロスペクト，４ モスクワ スチ ール アンド アロイス インステイテユ ート，エスエツチエス−センター内 (72)発明者 アレクサンダー・エフゲニェビッチ・クド リヤショフ ロシア連邦 117936 モスクワ市，レニン スキープロスペクト，４ モスクワ スチ ール アンド アロイス インステイテユ ート，エスエツチエス−センター内 (72)発明者 小泉 光恵 大阪府豊中市緑丘四丁目17−11 (72)発明者 大柳 満之 滋賀県草津市南笠町108−11 Ｉ−505 (72)発明者 細見 暁 栃木県小山市稲葉郷138番地１
Claims (33)
- 【請求項１】 Fe、Co、Niと元素周期表4a、5a、6a族元
素とSiから成る一群の中から選ばれる少なくとも１種類
の金属元素を含有する第一成分の粉末、及び該金属元素
との燃焼合成反応によって、炭化物、窒化物、ホウ化
物、ケイ化物、または金属間化合物を形成し得る第二成
分の粉末の密な混合物の棒状成形体から成る、火花溶着
用の電極棒。 - 【請求項２】 上記第一成分がTi、Zr、Hf、Cr、Ta、N
b、Mo、Ｗから選ばれる１種以上を含有し、かつ上記第
二成分がC、B、Siから選ばれる１種以上である、請求項
１に記載の火花溶着用の電極棒。 - 【請求項３】 上記混合物がさらに、燃焼合成反応に関
与しない中性物質を、全体の3〜70vol％含有する、請求
項１に記載の火花溶着用の電極棒。 - 【請求項４】 上記中性物質が、遷移金属の炭化物、窒
化物、ホウ化物、酸化物、カルコゲン化合物、ケイ化
物、金属間化合物、超砥粒、1000℃以下の融点を持つ金
属から選ばれる１種以上を含有する、請求項１に記載の
火花溶着用の電極棒。 - 【請求項５】 上記超砥粒が混合物全体に対して5〜60v
ol％含有されている、請求項４に記載の火花溶着用の電
極棒。 - 【請求項６】 上記超砥粒の粒度が10〜1000μmであ
る、請求項４に記載の火花溶着用の電極棒。 - 【請求項７】 上記超砥粒がダイヤモンド及び／または
c-BNである、請求項４に記載の火花溶着用の電極棒。 - 【請求項８】 上記成形体がさらに、第一成分及び第二
成分と密に混合された低融点金属を含有している、請求
項１に記載の火花溶着用の電極棒。 - 【請求項９】 上記混合物が低融点金属製の筒状収容体
に充填されている、請求項１に記載の火花溶着用の電極
棒。 - 【請求項１０】 上記低融点金属が、Cu、Sn、Zn、Pb、
Alから選ばれる少なくとも１種を含有する、請求項８ま
たは９に記載の火花溶着用の電極棒。 - 【請求項１１】 上記成形体が、理論密度に対して0.50
〜0.86の範囲のかさ(嵩)密度を有する、請求項１に記載
の火花溶着用の電極棒。 - 【請求項１２】 Fe、Co、Niと、元素周期表4a、5a、6a
族の遷移金属と、Sn、Zn、Pb、Al、Cuとで構成される一
群から選ばれた少なくとも１種の第一成分の粉末を、燃
焼合成反応により化合物(金属間化合物を含む)を形成し
得る元素を含有する第二成分の粉末とを密に混合し、こ
の混合物を加圧成形、またはさらに仮焼成によって、理
論密度に対して0.50〜0.86の範囲のかさ(嵩)密度値を呈
する棒状成形体に作製することを特徴とする、火花溶着
用の電極棒の製法。 - 【請求項１３】 上記第一成分と第二成分の粉末の混合
物を、低融点金属製の筒状体に充填した後、全体を引き
抜き加工に供することにより所定の直径の電極棒とす
る、請求項１２に記載の火花溶着用の電極の製造方法。 - 【請求項１４】 上記第一成分と第二成分の粉末の混合
物を加圧成形した後に、低融点金属の融液をこの成形体
または焼成体に浸透させて電極棒とする、請求項１２に
記載の火花溶着用の電極の製造方法。 - 【請求項１５】 上記低融点金属がCu、Sn、Zn、Pb、Al
から選ばれる金属元素の少なくとも１種を含有する、請
求項１３及び１４の各項に記載の、火花溶着用の電極の
製造方法。 - 【請求項１６】 上記第一成分が、Ti、Zr、Hf、Cr、T
a、Nb、Mo、Ｗから選ばれる少なくとも１種を含有し、
かつ第二成分がC、B、Si、Al、Fe、Co、Niから選ばれる
少なくとも１種を含有する、請求項１２に記載の火花溶
着用の電極棒の製法。 - 【請求項１７】 上記第一成分または第二成分が平均粒
度30μm以下の粉末から成る、請求項１２に記載の火花
溶着用の電極棒の製法。 - 【請求項１８】 上記第一成分及び／又は第二成分がク
ラッド(clad)粉末、或いは相互に分離した、または複数
個が相互に接合した繊維状体を呈する、請求項１７に記
載の火花溶着用の電極棒の製法。 - 【請求項１９】 上記第一成分と第二成分の混合の際
に、さらに、燃焼合成反応に関して中性の第三の成分
を、混合物全体に対して3〜70vol％添加する、請求項１
２に記載の火花溶着用の電極棒の製法。 - 【請求項２０】 上記第三の成分が、遷移金属の炭化
物、窒化物、ホウ化物、酸化物、カルコゲン化合物、ケ
イ化物、ダイヤモンド、c-BN、1000℃以下の融点を持つ
金属から成る一群から選ばれる少なくとも１種を含有す
る、請求項１９に記載の火花溶着用の電極棒の製法。 - 【請求項２１】 上記混合物の成形を、真空中押出し
法、融液相の生じない温度下での等方加圧法、スリップ
キャスト法、またはホットプレス法によって行う、請求
項１２に記載の火花溶着用の電極棒の製法。 - 【請求項２２】 上記混合物の成形を、混合物中に含有
されている金属成分が融液を生じる温度下で行う、請求
項１２に記載の火花溶着用の電極棒の製法。 - 【請求項２３】 上記混合物の成形を粉末冶金法により
行う、請求項１２に記載の火花溶着用の電極棒の製法。 - 【請求項２４】 Fe、Co、Niと元素周期表4a、5a、6a族
元素とSiから成る金属元素の一群の中から選ばれる少な
くとも１種を含有する第一成分の粉末、及び該金属元素
との燃焼合成反応によって、炭化物、窒化物、ホウ化
物、ケイ化物、または金属間化合物を形成し得る第二成
分の粉末の密な混合物の棒状成形体を電極棒として用
い、この電極棒と被処理物との間に火花放電を行うこと
によって上記第一成分及び第二成分を被処理物の表面に
移行させ、少なくとも１層の上記化合物含有層を被処理
物の表面に形成することを特徴とする、溶着金属被覆
法。 - 【請求項２５】 Fe、Co、Niと元素周期表4a、5a、6a族
元素とSiから成る金属元素の一群の中から選ばれる少な
くとも１種を含有する第一成分の粉末、該金属元素との
燃焼合成反応によって、炭化物、窒化物、ホウ化物、ケ
イ化物、または金属間化合物を形成し得る第二成分、及
び遷移金属の炭化物、窒化物、ホウ化物、酸化物、カル
コゲン化合物、ケイ化物、ダイヤモンド、c-BN、1000℃
以下の融点を持つ金属から成る一群から選ばれる、燃焼
合成反応に対して中性物質を少なくとも１種含有する粉
末の密な混合物の棒状成形体を電極棒として用い、この
電極棒と被処理物との間に火花放電を行うことによって
上記各成分を被処理物の表面に移行させ、中性物質粒子
と共に上記化合物を含有する層を少なくとも１層、被処
理物の表面に形成することを特徴とする、溶着金属被覆
法。 - 【請求項２６】 上記成形体を未焼成(グリーン)状態で
用いる、請求項２４又は２５のいずれかに記載の火花溶
着金属被覆法。 - 【請求項２７】 上記成形体を仮焼成状態で用いる、請
求項２４又は２５のいずれか及び２５のいずれかに記載
の火花溶着金属被覆法。 - 【請求項２８】 0.01〜5Ｊの範囲内の放電エネルギー
にて行う、請求項２４又は２５のいずれかに記載の火花
溶着金属被覆法。 - 【請求項２９】 被処理物の表面に複数の溶着物の層を
形成し、この際、放電エネルギーを、被処理物の表面に
接する層の形成においては約5Ｊの上限付近で、溶着物
外面層の形成には1Ｊ以下の下限付近を用いる、請求項
２４又は２５のいずれかに記載の火花溶着金属被覆法。 - 【請求項３０】 上記放電操作を、不活性雰囲気または
窒素雰囲気中で行う、請求項２４又は２５のいずれかに
記載の火花溶着金属被覆法。 - 【請求項３１】 上記放電操作の後に、溶着層の平坦
度、連続性の改善、または内部歪み除去のための熱間機
械加工または熱処理を行う、請求項２４又は２５のいず
れかに記載の火花溶着金属被覆法。 - 【請求項３２】 上記棒状成形体にダイヤモンド粒子の
混合された電極棒を用い、かつ放電操作に際し、被処理
物表面に近い層の形成をより高温で行って溶着されるダ
イヤモンドの黒鉛含有率を高くし、一方表面層の形成を
より低温で行って黒鉛含有率を低下させ、黒鉛含有率
を、被処理物側から溶着物表面に向かって段階的に上昇
させる、請求項２５に記載の火花溶着金属被覆法。 - 【請求項３３】 被処理物の表面に超砥粒を分布させ、
この超砥粒の上方から火花溶着法により金属被覆を行う
ことにより、被処理物表面に超砥粒粒子を固定する、請
求項２４又は２５のいずれかに記載の火花溶着金属被覆
法。
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