放電被覆装置とは
放電被覆装置とは、電極材料から出るアーク放電を利用して、機械部品や金型などの表面へのコーティングや肉盛補修を行う装置です。
放電被覆装置を使ってワークの表面硬度や耐摩耗性、耐熱性、耐食性などを向上させることができます。放電被膜装置は、ワークに与える熱の量が小さいために、ワークが歪み・ヒケ・硬度変化等の熱による悪影響を受ける心配がありません。機械部品や切削工具、金型などの予防保全と肉盛補修用に多くの生産現場で使用されています。
放電被覆装置の使用用途
放電被覆装置は主に、放電被膜装置は機械部品や切削工具、金型などの予防保全と肉盛補修に使用されています。
予防保全とは設備や機械及びそれらを構成する部品が壊れて使えなくなることを防ぐ目的で、定期的に点検や部品の交換、補修などを行う作業です。放電被覆装置を使った予防保全では、機械部品や金型などを対象に、表面硬度や耐摩耗性、耐熱性、耐食性などを向上させるコーティングを実施しています。
例えば、アルミダイガスト金型は、急熱急冷を繰り返すことでヒートクラックが発生することがあります。予防保全としてヒートクラックが発生しそうな場所に、金属とセラミックスの複合材料であるサーメット電極を使ったコーティングを実施することで、ヒートクラックを防ぐ効果があります。
放電被覆装置を使った肉盛補修は、主に角が欠けてしまったり、窪みができてしまった金型などを対象に、金属を付加して形状や寸法を元に戻すために行います。金型は非常に高価な部品であり、肉盛補修を行うことで金型を新品に交換するよりも低コストで、かつ短時間で製造を再開できます。このほかに、ドリルやタップなどの工具の刃先に被膜を施すことで工具寿命を延ばしたり、切削加工のスピードを速くすることも可能です。
放電被覆装置の原理
放電被膜装置はESD (英: Electro-Spark Deposition) という高電圧の短時間パルスを用いて電極材料を金属基材に溶着または合金化する微細溶接プロセスを用いています。パルスの周期は数μsから数msであり、電圧は数kVから数十kVの範囲で使用します。パルスの周期と電圧は、放電の形態や速度、コーティングの品質や厚さなどに影響します。
電極材料をワークに近づけてパルス電流を流すと、電極材料からワークに向けて放電が起こります。この放電に伴って発生する熱で溶けた電極材料がワークの溶けた部分に移動し、拡散密着して皮膜を作ります。
放電被膜装置で使用できる電極材料は、導電性のあるものであれば何でも可能ですが、一般的にはタングステンカーバイトが主流です。タングステンカーバイトは耐摩耗性や耐熱性に優れており、金型や切削工具などのコーティングに適しています。また、ガスバーナーを使った溶接などとは異なり、ごく小さな範囲での放電の繰り返しなので、ワークの全体や広い範囲での温度上昇は起きにくくワークが熱による変形を起こす心配がありません。
放電被覆装置の構造
放電被膜装置の一般的な構造は、本体 (コントロール部) 、電源、電極をセットしてワークに近づけて作業をするためのハンドトーチ (電極ホルダー) 、電極 (電極材料) 等からなります。
本体の大きさは、概ねスーツケースと同じくらいの大きさに収まっていて、据え付け型ではなくそれぞれの作業現場に移動して使用するものが主流です。
電極はタングステンカーバイトなどの超硬合金を用いることが多く、φ0.3～3.0mmの棒状になっています。電源は直流電気をコンデンサーに充電し、ごく短時間のパルス放電を発生させます。
放電被膜装置の種類
放電被膜装置には、放電と同時にレーザーを照射するハイブリッドタイプもあります。ハイブリットタイプの装置は、セスにより形成したコーティング層にレーザー光を照射して、より強固な密着力と良質な面精度を得られるようにしています。また、パルスの生成にデジタル制御技術を用いることで、電極材料に架けるパルスを、より均一により早く出力できるように整えて、より高品質で高速なコーティングができるようにした装置等もあります。
放電被膜装置を選択する際には、それぞれの装置の特徴を理解した上で、ワークに最適な電極材料が使用可能かどうかも加味して検討することが大切です。