シリコン電極による放電加工表面が、従来の放電加工に関する常識的概念からは想像できないような特性を持つ結果から、放電加工による金属材料の表面改質の可能性が高い筈であると考えた。
しかも放電加工本来の特徴である複雑形状に高い形状精度で対応できること、真空槽など特殊な装置を必要としないので、作業性がよいことなどが想定される。
(1) 上記研究にもとづく表面改質への発展 さらにシリコン電極の放電加工特性の結果にもとづいて発想したことは、つぎのとおりである。
1) 放電加工機による金属表面改質を実用化発展させるためには、シリコンだけではなく、表面処理に対して要求される機能を満足できる種々の材料を、電極として用いることができなければならない。それらの中には、タングステンやタングステンカーバイドのごとく電極消耗の著しく小さいものも多い。また、表面処理膜を厚くつけることを要求される場合も多い。
2） 電極消耗を大きくなしうれば、多量の電極物質を対極面に射突堆積できるのではないかと考えた。われわれの経験では、熱伝導率(λ)と融点（θ）との積が小さく、かつ機械的強度の弱いものが電極消耗が大きい。
そこで圧粉成形体や、仮焼結した材料であれば、見かけの熱伝導率を低下させ機械的強度も弱くできるので、まず種々のコーティング材に関し圧粉体で構成することを試みた。その結果は、銅のように通常電極消耗の小さい材料でも、圧粉体構造とすることによって通常の50〜100倍程度にも消耗を大きくすることができた。また鉄鋼の素材に対してアルミニウムの圧粉体電極で放電加工を行うと、電極材料であるアルミニウムの濃度が、表面は高く内部が低い成分に傾斜性を持つ表面層が得られ、耐食性の高いFe-Al合金層を得ている。
(2) 圧粉体電極による表面改質 上記の圧粉体電極による表面改質を鉄鋼材料に関して、Al圧粉体、Ti+Al圧粉体、ファインセラミックス＋結合材の圧粉体に関して研究を行い、それぞれ特徴のある研究成果を得ている。
4．1 従来の放電表面処理技術と本方式放電表面処理技術
放電現象応用による金属材料の表面改質技術は、30年以上前から気中放電によるものが知られている。高速度鋼製のバイトやドリルの工具の寿命を延ばすために、WC/Co焼結合金などを電極として、バイブレータツールなどを使用して短絡開離を繰り返すことによって、硬度の高い表面を得ている。木材切削用切削工具寿命は2〜3倍程度に延びたという報告がなされている。
しかしながら、バイブレータツールの作業性の悪いこと、硬化速度が表面焼入れなどに比べて著しく遅いこと、硬化速度を速めようとすると仕上げ表面が粗くなり、またクラックを生じて好ましくない結果をもたらすため、多くの研究が行われたわりには、広く使用されるには至らなかった（一部には電極に回転運動を与えて、WCのコーティングを行うものがあるが、根本的問題は解決していない）。また超硬工具へのコーティングはありえなかった。
4．2 液中放電による表面処理の全体像
液中放電による表面加工(表面改質)は、放電加工機能が出発点となっているため、複雑形状に対応でき、部分的には高温になっても平均温度は低いので、加熱に伴う寸法変化がなく、装置や使いやすさも広く普及した放電加工機の延長上にある。PVD、CVDのような大がかりな装置を必要とせず、またNC化を含む自動化も容易である。 本節においては、いままでに豊田工業大学および三菱電機によって発表されたいく通りかの液中放電方式による表面改質方法を分類し、その特性や概略と期待される用途を示す（表3）。
表3には、大きく分けて三種類になる液中放電処理の大要を示した。
1） 電極が平板、棒状などの固体であるもの。ただしシリコンのように消耗の非常に大きいものが利用される。電極材料が被加工体表面に移転し固溶する。クラックやうねりを発生せず耐食性を増す。
2） 電極は通常の銅や黒鉛を使用するが、加工液中に導電性の粉体（例:シリコン、黒鉛、アルミニウムなど）を混入して、放電加工を行う。粉体が被加工体表面に移転し固溶するが、放電の発生が特定箇所に集中しないため、よく放電が分散し、クラックやうねりを発生せず、耐食性を増す。
3） 金属、ファインセラミックスの粉体を、単独または混合したものを圧縮成形し、これを電極として放電加工を行う。電極材料は消耗が著しく大きいため、数十〜数百μmの電極材料が被加工体表面に堆積する。そのままで使用する場合もあるが、堆積した表面層を銅のような消耗の少ない電極で放電再溶融する場合もある（通常の焼結合金よりも、数十％硬度が高くなる場合が多い。表4（図23の前）参照）。炭化物を作りやすい電極材料(例：チタンなど)を使用すると、電極材料が加工液(灯油など)の分解した炭素と化合して、高硬度の炭化物を生成する場合が多い。いずれも鉄鋼やアルミニウム表面処理を行った場合、密着力の大きい高硬度の表面改質層を形成することができる。
[表3. 液中放電処理による表面改質（豊田工大、三菱電機で開発）] |
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表3の内 1）、2）は、シリコン電極として既に述べているが、放電表面処理機能全体の体系として、整理して置く必要がある。すなわち、工業上発生する新しい表面処理上のニーズに対し、単純形状で耐蝕性が求められるのであれば表3の 1） のシリコン電極放電加工が良く、複雑な3次元等の自由曲面に対する耐蝕性が求められるのであれば 2） の粉末混入が好ましいと云う意味である。
そしてTiやWCの炭化物の硬度に対応する高硬度が求められる場合は 3） の圧粉体電極による放電方式と云うことになる。
以上が放電表面処理の全体像である。 この項では、抜型や鍛造金型、押出型、曲げ型等の高い圧縮応力が加わり、しかもそれが衝撃応力である場合にも対応できる表面処理として、TiCをコーティングすることを主体とした表面処理を述べる。
4．3 圧粉体電極による放電処理
現在用途開発が進み主流になっているのはTiCのコーティングであるが、そこに到るまでにWC-Coのコーティングを試み、緻密な表面コーティング層組織を得るのに、2次処理と云う手法を開発している。これは今後の技術の発展に寄与する可能性があるので、一応説明を加えて置くこととする。
(1) WC-Co圧粉体中の鋼材への表面処理
図21には、圧粉体電極による放電表面の原理図を示す。図22には、一次処理と二次処理の原理図を示す。また図23（a）（b）（c）には、WC-Co（7：3）の圧粉体による油中放電処理表面の縦断面のＳＥＭ像を示す。 WC-Co圧粉体電極で放電処理したものは多孔質の表面層となる（一次処理）。これを銅電極などの非消耗性電極により再加工を行うと、同一成分のWC-Co超硬合金よりも50％程度高硬度の表面層が形成される（表4）。
すなわち、放電現象の短時間高温加工によるHIP作用が存在しているのではないかと考えている。断面硬度は表面が高く（1700HV）次第に斬減し母材に近づくという傾斜性を有している。金型のようなキャビティーにNCを使用して処理ができ、コーティング厚みも20〜40μm程度に均一にできる特徴を持っている。しかしながらこの方式は超硬合金の上にコーティングしても意味がなく、超硬合金に対しては別の方法を講ずる必要がある。
図24には、二次加工後のＸ線回折図を示す。母材がアモルファス状となっており、WCが介在している様子が見られる。
図23の(d)に見られるように、表面硬度は母材にかけて傾斜的に漸減している。これは後述のTiCのコーティングに述べるが、密着力が著しく高くなっていることを意味している。
[表4. 同一成分の超硬バイトと放電処理面の硬度比較] |
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(2) TiC皮膜を形成する放電表面処理
1） はじめに 現在最も実用化が進んでいるのが、TiC皮膜の鋼材への表面処理であり、作業現場で実用実績をあげて居り、大凡、放電処理をしていない工具鋼の3倍程度の工具寿命が得られている。
特に金型のようなものは、型寿命が到来すると分解、最研磨、再組立を行なうことになるので、ダウンタイムは金型寿命よりも長くなる。3倍程度の寿命延長は経済的にはもっと大きくなる。
又、工具鋼を用いた金型は、通常、超硬金型の1/10程度の寿命であるが、放電処理によって3倍程度の寿命延長を得られることは、超硬合金に対し中間的な値をとりうるので、製造コストの安い工具鋼製の金型で充分な寿命延長をはかることができる。特にモデルチェンジのはげしい分野では、価格の安い鋼材金型への適用が考えられる。
又、衝撃荷重が強く作用しながら高圧力下の摩擦力を受けると、PVDは容易に剥離するので、このような観点からも、放電表面処理の重要な意義がある。
従来から表面処理の技術としては、工具や金型の長寿命化のために様々な方法が開発されており、大きな効果を上げている。しかしながらこれらの表面処理方法の大きな問題点として、装置の導入の費用が極めて高価であるばかりでなく様々な問題がある。例えば、PVD（Physical vapor deposition）では、被膜の付着をよくするためには、処理前に工作物表面の念入りな洗浄工程が必要であり、工作物を真空炉に入れるために部分処理は困難であるなどの問題点がある。また、CVDでは、処理温度が極めて高いため（1000K程度）、処理の際の工作物の変形が大きく、精度が悪くなるなどの問題がある。放電表面処理（EDC）はこれら従来の処理方法の問題点を解決した新しい表面処理方法である。
2） 放電表面処理（EDC）による被膜の形成方法
放電表面処理（EDC）による硬質被膜の形成方法の概略を図25に示す。放電により消耗した電極材料が、放電の熱により分解された加工液構成元素である炭素と反応して硬質炭化物になり、工作物上に硬質被膜を形成するというものである。電極としては、Ti系の材料、あるいは、W系の材料などが使用される。現在は、Ti系の電極を中心として商品化しており、順次拡充予定である。電極材料が工作物に移り被膜となるため、電極消耗を増すことができる粉末を成形した電極を使用するのが実用上都合がよい。
放電表面処理（EDC）はこのように加工液中でのパルス放電を利用した方法であるので、�／振�装置などの複雑な設備が不要、�⊃振�炉に入れる必要がないため被処理材料の大きさの制約がない、�Ｉ�分処理が可能、�な貂牴硬戮鮠緇困気擦詆�要がないため精度のくるいがない、など従来の方法にない優れた特徴を持っている。
3） 放電表面処理（EDC）による被膜の特徴
放電表面処理（EDC）による被膜の特徴について紹介する。図26に被膜の断面写真を示す。図は、鋼材（S45C）上に放電表面処理（EDC）を行い、切断･研磨･エッチングを施して、電子顕微鏡で撮影したものである。大きな特徴は以下の2点である。
�〃梗仞�のある被膜である 被膜は表面にTi（TiC）が多く、内部に行くにしたがってTi（TiC）の量が漸減する傾斜的な被膜になっている。
�∧貂爐両紂ζ睇瑤鉾鑠譴�形成される 被膜は母材の表面よりも盛り上がって形成されるが、図26のように処理前の母材表面の高さよりも内側にも被膜が形成されている。
以上のように、放電表面処理（EDC）被膜は母材であるから鋼材から徐々にTiCに変わる傾斜性被膜であり、被膜の境界が無い被膜になっていると考えられる。被膜の硬さは表面に近いほど硬く、徐々に硬さが下がってやがて母材の硬さになる。図27は被膜の場所により硬さの変化する様子を示している。放電表面処理（EDC）を施した工作物を3μmの段階状に研削し、それぞれの段の硬さを表面からマイクロビッカース硬さ計（荷重10ｇ）により測定した。母材から盛り上がった部分は、硬く、被膜の内部に行くにしたがい硬さは下がるが、母材の高さ辺りでは、2000HV程度の硬さがあることがわかる。また、被膜の内部5〜10μmまで硬い部分のあることが確認できる。
このような傾斜性の被膜は強い密着力を持つと予想される。図28に被膜の密着性を評価するためにスクラッチ試験を行った結果を示す。比較としてPVDによるTiN被膜の試験も行った。PVDによるTiN被膜の場合、47N程度の荷重が掛かったところでAE信号が検出されており被膜が剥離したが、放電表面処理の場合はAE信号が全く検出されず、極めて密着力の強い被膜になっていることが確認できた。
4） 被膜の後処理
放電表面処理（EDC）による被膜は通常処理したままの状態で使用される場合が多いが、後処理を行った方が良い場合もある。ここでは、後処理の方法の例について紹介する。
後処理が必要となるのは主に2つの場合がある。1つは、面粗さを良くしたい場合である。パルス状の放電により形成されるため放電パルスのエネルギにより決まる面粗さの限界が存在する。面粗さ1μmRy以下の面荒さが要求される場合には、処理後に研削などの後処理が必要になる。2つ目の場合は、寸法精度が要求される場合である。例えばクリアランス数μmの精密プレスなどでは、被膜の盛り上がりによるクリアランスの変化が問題となるため、元の寸法にまで、研削などでの仕上げが必要な場合がある。
被膜の研削処理の例を図29に示す。図は被膜を形成した後、研削で母材の高さまで研削する例を示している。図27でも示したように、被膜は母材の内部にまで形成されるので、母材高さまで被膜を除去しても、被膜は残り、被膜の効果が得られる。面粗さは、1μmRy以下の面粗さを得ることができる。
5） 適用事例
金型を中心とした放電表面処理（EDC）の適用事例について紹介する。
5）．1 プレス金型への適用
次にプレス型に放電表面処理（EDC）を適用した結果を示す。図31のようにプレスの切り刃部分の上面のみに処理を行った。金型材質はSKD11、打ち抜き材は板厚0.5?の珪素鋼板であり、100万回打ち抜きを行った。図32は打ち抜いた製品の返り量を顕微鏡で観察した結果である。打ち抜き回数100万回目において放電表面処理（EDC）の有り無しで比較を行った。放電表面処理（EDC）無しの場合には、返り量が大きいが（約50μm）、放電表面処理（EDC）を行った場合は返り量の変化がほとんどなかった。
一般的にこのような金型は形状が大きく従来の処理では不要な部分まで処理を行わざるを得ず、処理費用が高くなるという問題がある。放電表面処理（EDC）は処理するものに対する大きさの制約がなく必要部分にのみ処理ができるため、大幅なコストダウンを図ることができる。
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| [図32. 100万ショット後の製品の返りの比較] |
5）．2 タレットパンチへの適用
図33にタレットパンチに放電表面処理（EDC）を行った例を示す。処理はパンチの側面･底面に行った。パンチの材質は粉末ハイス（SKH51）であり、SUS304の1.2?厚の板を打ち抜く試験を行った。無処理の場合には15000〜20000回打ち抜きを行うと寿命となっていた。PVDによる被膜は剥離のため寿命延長の効果がほとんど見られないため使用されていない。しかし放電表面処理（EDC）を行うことにより約85000回まで打ち抜きを行うことができ、寿命を4倍に延長することができた。25000回打ち抜き後のパンチの比較を図34に示す。
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| [図34. 25000回打ち抜き後のパンチの比較] |
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| [図35. 25000回打ち抜き後のエッジ摩耗の比較] |
又、PVD処理のパンチは25000回の打ち抜き後は、PVD皮膜がはがれエッジは摩耗している。
5）．3 コイニング型への適用
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| パンチ寿命 ： |
10×103ショット |
（EDC処理なし） |
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50×103ショット |
（EDC処理） |
| ダイ寿命 ： |
10×103ショット |
（EDC処理なし） |
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70×103ショット |
（EDC処理） |
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| [図36] |
5）．4 冷間鍛造金型への適用
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| 型寿命 ： |
180×103ショット |
（EDC処理なし） |
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400×103ショット |
（EDC処理） |
| EDC処理時間： |
4hours |
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| [図37] |
5）．5 高精度パンチへの適用
今まで紹介した事例は放電表面処理（EDC）の被膜を後処理無しで使用した事例であるが、処理後に後処理を施すことによりさらに用途を広げることができる。
図38はシェービングパンチに放電表面処理（EDC）を適用した例である。シェービングパンチはクリアランスが小さく（数μm）、高い精度が要求される。この例では、PVDでは剥離のため効果がなく、CVDでは変形のため使用できなかった。これに対し、放電表面処理（EDC）を行った後、元の寸法まで研削により仕上げることで、30000回で寿命に至っていたものが2倍の回数使用しても問題なかった。被膜の盛り上がり部分を除去することにより寸法精度を出し、母材の内部の被膜により寿命を延長した例である。
6）超硬材料への適用
超硬合金にTiCを放電処理したものを摩耗試験した結果では、摩耗量が未処理の約1/3と少ない結果は得られている。
しかしながらまだ超硬金型としての工業的実績はない。超硬金型及び切削工具への適用は今後の課題である。 |
筆者プロフィール
の加工面積を100分割して、電気的にそれぞれ絶縁し、それぞれの電極に抵抗を直列につないだ電極を構成して放電加工を行ったところ、0.4〜0.6μmRmaxの仕上げ面あらさを持つ大面積の鏡面加工（100?
とし、パルス幅τ
の間に融点θ
に達する深さを求める方法を注(1)、注(2)式に示す。よく実際にあう計算の仮定および計算方法は次の通りである。
)]
/s]
の2倍と、もり上り高さ
により生成されると考えている。
の放電加工（クラック発生と消滅）
