CN105834533B - 用于慢走丝电火花切割用的电极丝 - Google Patents
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Abstract
一种用于慢走丝电火花切割用的电极丝，包括电极丝本体，电极丝本体由合金化黄铜材料制成的芯材和覆盖在芯材上的表层金属层构成，且芯材和表层金属层之间为过渡层；所述的合金化黄铜材料中铜的含量为58.0‑65.0wt％,余量为锌和少量的添加元素及不可避免的杂质成分；所述表层金属层的材料由铜、锌、添加元素及不可避免的杂质成分组成，其中锌的含量大于52wt％而小于68wt％，并且该表层金属层呈纵向断裂状分布。同现有技术相比，本发明的优点在于：所制造的电极丝，放电性能稳定，切割速度提升，不损伤慢走丝设备的送丝部分及导向装置，电极丝加工工艺简单，应用广泛，成本低廉，具有广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于慢走丝电火花放电加工用的电极丝(Electro DischargeMachining)。
背景技术
众所周知，电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工，英文简称EDM(ElectricalDischarge Machining)，工业生产时，电火花切割加工工艺是通过在被加工部件和电极丝之间的区域生成电火花来电蚀加工部件的金属，并且通过电极丝沿自身轴向方向的移动或者是加工部件沿电极丝径向方向平移来电腐蚀加工出按规定要求形状的工件。
一般来说，慢走丝电火花的供电发生器的正极连接切割工件，负极通过供电导轮连接到电极丝，正负极之间根据加工要求的工况条件选择合适的电势差，加工区域浸在特殊的介质中，也有采用喷淋式的方式，介质一般采用去离子水，也有一部分高要求的切割机采用矿物油。正负极之间存在电势差，当电极丝和工件维持的放电间隙足够引起电击穿的状态下，电极丝和工件之间产生瞬间放电，瞬间放电的温度在10000-12000℃，高温使工件融化，甚至有少量的气化，高温也使电极丝和工件之间的部分介质汽化，这些汽化后的介质和金属蒸汽瞬间迅速膨胀，瞬间有爆炸的特性，爆炸产生的作用力将电蚀出的金属颗粒排放到介质中。为了保证切割精度，电极丝是连续不断供给的，这样可以保证切割出的工件具有固定的形状尺寸和稳定的表面质量。
中走丝、快走丝是我国具有独立知识产权的电火花线切割加工技术，为区别于上述两种加工方式，根据走丝方式和走丝速度的不同，近年来，随着慢走丝发展技术在中国的逐渐普及，我国的一些专业技术人士将慢走丝加工命名为单向走丝电火花加工。
当前市场上存在有各种类型的电极丝，这些类型的电极丝都根据所匹配的加工方式而有特殊的性能，如追求经济型的电极丝，追求高精度的电极丝，追求高速度的电极丝，追求综合切割性能的电极丝。
电极丝的使用工况条件决定了电极丝务必有足够的机械抗拉强度和导电率，只有这样才能保证切割出的工件有稳定的尺寸精度和表面质量，并且足够的强度可以防止放电时爆炸引起的振动，通常情况下，电极丝的抗拉强度被设计成450-1150Mpa，导电率被设计成大于18.5％IACS。电极丝的表层结构决定了放电时的相应特性，汽化能力的大小同电极丝表层的结构特点有必然因果关系，超过了电极丝的放电极限，电极丝就会断裂，因此设计电极丝时就要考虑电极丝的放电能力和表层结构。
电火花切割是通过放电腐蚀的方式来进行的，要提高切割速度，则放电火花必须足够大，放电火花大，则放电腐蚀去除的金属颗粒就大，对应产生金属颗粒的坑洞也就相应增大，反映到工件上就是工件的表面的粗糙度变差，反之，降低电火花腐蚀的速度，则金属颗粒就小，坑洞就小，最后切割的工件表面质量就变好。
综上分析，现在的技术条件下，难以找到效率、精度、表面质量同时优化的电极丝。
下面介绍一下当今市场上经常被用户使用的电极丝：
1.含铜量在58-65％的普通黄铜电极丝，这种电极丝价格低廉，但因为表层结构及锌含量的限制，这种电极丝的电腐蚀速度低，适合于一般要求的常规加工。
2.表层镀锌的电极丝，这种纯锌覆盖层，因为锌的气化温度低，而更容易被汽化损耗，并且在切割厚度较大的工件时，容易产生两头小中间大鼓肚现象。
3.表层有横向不规则裂纹的电极丝，这种电极丝表层含有β相和γ相，或者是两种相的混合物，因为有裂纹及含高锌的γ相黄铜合金，所以这种电极丝的切割速度比1和2中的电极丝都快，但这种电极丝有一个无法避免的缺点：由于表层横向裂纹的存在，电极丝在使用时，移动方向沿裂纹的垂直方向，因此这种裂纹的存在会损伤慢走丝切割机的送丝部分结构及导向装置；同时，因为裂纹垂直于电极丝的轴向，电极丝的力学性能也会降低，对于一些对电极丝力学性能有要求的场合，这种电极丝的适用性也会受到限制。
现在用户所使用的电极丝材料不外乎上述几种，根据前面论述，上述电极丝均是在特定的工况条件下使用的电极丝，使用范围窄，且还具有不同程度的缺陷和不足。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，充分运用材料学的一般原理及电极丝的结构构造原理，提供一种制造成本低，适合于在粗割时最大限度地提高切割速度，在精修时最大限度地提高表面质量,并且在切割时减少对慢走丝设备损伤的电极丝。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于慢走丝电火花切割用的电极丝，包括电极丝本体，电极丝本体由合金化黄铜材料制成的芯材(芯材层)和覆盖在芯材上的表层金属层构成，且芯材和表层金属层之间有过渡层；所述的合金化黄铜材料中铜的含量为58.0-65.0wt％,余量为锌和少量的添加元素及不可避免的杂质成分；所述表层金属层的材料由铜、锌、添加元素及不可避免的杂质成分组成，其中锌的含量大于52wt％而小于68wt％，并且该金属层呈纵向断裂状分布，断裂处的特征为：
-纵向断裂处空隙的表面积大于表层金属层(3)表面积的5％而小于40％；
-纵向断裂处的裂纹形状呈不规则状态分布。
本发明上述的断裂处空隙的表面积以位于金属层表层外表面呈现的裂纹的长度和宽度来衡量，而裂纹的深度不予以考虑。
作为进一步的优选，断裂处的特征为：
-纵向断裂处的裂纹深度为电极丝(1)直径尺寸的0.1-2.5％。
作为进一步的优选，断裂处的特征为：
-纵向裂纹的宽度为0.1-3μm,裂纹长度为3-20μm。
进一步：
本发明的电极丝，所述的过渡层，其中的锌原子由内向外呈线性增加分布(见图3)、铜原子由内向外呈线性减少分布(分布图与图3锌原子分布相反)。这种铜锌含量的分布方式，使得表层金属和芯材金属融为一体，减少了表层金属的脱落，有助于切割。
本发明所述芯材层中的杂质成分小于0.5wt％，表层金属层中的杂质成分小于0.3wt％。
本发明所述芯材层的添加元素由两部分组成，分别为M1和M2，其中M1为磷、稀土、钠、钾、镁、钙中的至少一种，M2为铝、硅、锰、钛、铬、铁中的至少一种。
再进一步：M1的含量为0.0005-0.05wt％，M2的含量为0.005-0.08wt％。
本发明表层金属层中有M1和M2中的各至少一种。
本发明表层金属层的相结构为γ相铜锌合金，及固溶在γ相铜锌合金中的M1和M2中的元素(即从芯层扩散滞留在表层金属层中形成的添加元素)。
本发明电极丝的成品加工方法为：成品采用退火后塑性加工，然后再退火的方式进行；塑性加工前退火参数为：温度80-750℃,退火时间1.0-120秒，塑性加工后退火参数为：温度60-650℃,退火时间0.05-5秒。
本发明最后获得的电极丝的特征为：电极丝的导电率为18.5％-27.5％IACS，抗拉强度为850-1120Mpa(高导电率和强度保证切割的直线度和速度的提升)。
本发明所述的表层金属层的厚度为最终电极丝直径的0.5-5.5％，优选大于最终电极丝直径的0.5％小于5.5％。本发明之所以采用上述厚度比例，主要是因为太薄速度慢，太厚线脆。
本发明所述的所述过渡层的厚度为电极丝直径的0.05-2.0％。
本发明中表层金属中的其它元素是这样形成的：对材料进行热处理后，芯材合金中的其他元素就会有一部分扩散到表层复合金属层中，从而实现在表层中的滞留。
本发明表层金属层上的纵向裂纹是这样形成的：因为芯材及表层金属层采用特殊的成分配比，在进行瞬间高温退火时，芯材金属的热膨胀系数大于表层金属层的热膨胀系数，即表层金属产生表层拉应力，芯材金属产生压应力，对这种复合过后含特殊应力结构的材料进行塑性加工，表层会形成不规则的纵向裂纹。
本发明的电极丝的具体制备方法为：成品加工方式采用退火后塑性加工，然后再退火的方式进行；塑性加工前退火参数为：温度80-750℃,退火时间1.0-120秒，塑性加工后退火参数为：温度60-650℃,退火时间0.05-5秒。
因为，慢走丝电火花加工通常采用粗割精修的方式进行，一般采用割一修几的工艺，最高要求的有割一修十，修刀的次数越多，切割过后的表面质量会越高，即表面粗糙度Ra会越低，很显然，在粗割时要求有高的电腐蚀速度，即大的放电火花，从而保证有高的切割速度，在最后一刀精割时有低的放电能量，来保证切割工件有高的切割表面质量。正是基于上述特殊组分、结构和加工方式的控制，本发的电极丝实现在粗割时通过优化材料的电性能及表层结构，最大限度地提高切割速度，精修时使电极丝有较低的放电能量，来保证切割工件有较优的表面质量，同时不论是在粗割或者是精修，对慢走丝设备的送丝部分及导向装置部分都不损伤。
本发明的优点和有益效果：
1.本发明的芯材金属因为采用了合金化的连续熔炼铸造技术，通过添加M1和M2两种不同类型的金属元素，使材料的综合性能得到提高，M1中磷、稀土、钠、钾、镁、钙为强的还原性金属，且化学性能都比铜和锌活泼，这些元素添加后，可以同铜锌溶液中的氧硫氢发生氧化还原反应，并去除这些杂质，因为这些元素的化学反应生产的产物比铜溶液的密度低，杂质漂浮在溶液表面，便于清理，M2中铝、硅、锰、钛、铬、铁为强度元素，本发明电极丝是表面有裂纹的电极丝，裂纹的存在降低了材料的力学性能，为了不使材料的强度降低，添加M2中的任何一种金属元素，这些金属元素铜铜锌固溶在一体，提高基体的强度，芯材的抗拉强度得到了提升，强度的提高有助于在切割时提升切割工件的直线度。
2.本发明M1中磷、稀土、钠、钾、镁、钙元素的添加量为0.0005-0.05wt％，添加控制在这个范围内既可以保证成本不会提升很多，同时又可以时材料的性能提升最大化，因为过多的M1元素容易在铜锌溶液中形成氧化物夹杂，反而降低材料的综合性能。
3.同种道理，本发明中的M2金属铝、硅、锰、钛、铬、铁的含量为0.005-0.08wt％，过量添加会降低材料的机械性能，同时材料的导电率会下降，采用本发明的配比，材料成本比较低，而材料的机械性能又得到相应的提高，生产难度小，适合于批量化生产。
4.本发明因为材料特殊的成分配比及加工方式，在电极丝的表面形成不规则的纵向裂纹，且纵向裂纹的表面积大于表层金属层(3)表面积的0.5％而小于30％，试验证明裂纹的表面积如果大于50％以上会降低材料的机械性能，同时裂纹太大，切割时吸附效应大，进入裂纹中的冷却液会急剧增加，使电极丝的切割性能降低；同时，纵向裂纹不损伤慢走切割设备的送丝装置及导向装置。
5.本发明芯材(2)和表层(3)过渡区的锌原子由内向外呈线性增加分布，铜原子由内向外呈线性减少分布，铜锌含量的这种分布，使表层金属同芯材料金属融为一体，减少了表层金属的脱落，有助于切割。
6.表层金属层的相结构为γ相铜锌合金，及固溶在γ相铜锌合金中的M1和M2中的元素。γ相中含有M1和M2两种不同种类型的金属元素，使本发明的γ相同常规的γ相对比综合性能更有，放电更稳定，使最终电极丝的切割表面质量得到提升。
7.本发明中含有特殊成分的γ相，可以阻碍放电时电极丝的消耗，保证电极丝的形状尺寸，保证切割工件的表面质量。
8.本发明中由于表层复合金属层M1金属氧化物的存在，M1金属氧化物的硬度比氧化锌的硬度高，使氧化锌在切割时产生自润滑作用，相当于电极丝放电时在电极丝的表面涂了一层润滑油，可以减少由于摩擦对切割工件表面的损伤，从而提高切割工件的表面光洁度。
9.本发明因为芯材金属添加了M1和M2的合金化元素，使电极丝材料的总导电率可以达到18.5％-27.5％IACS，这种导电率的存在，可以保证使这种电极丝的切割速度比普通黄铜电极丝快15％以上。
10.本发明电极丝在制造过程中因为添加了M1和M2的合金化元素，使材料的机械性能得到了提高，抗拉强度可以在550Mpa以上，强度的升高保证了电极丝材料的记忆特性，从而保证电极丝恢复成直线的特性，最终保证穿丝的成功率。
11.本发明电极丝表层锌的含量大于52wt％而小于68wt％，并且该金属层呈纵向断裂状分布，纵向裂纹的存在相当于延长了电流的传播路径，使之有较低的电流强度，低的电流强度及锌含量在60％左右的锌铜合金，可以保证在精修时有低的放电能量，来保证最终料件的表面质量。
12.本发明电极丝的外层金属层厚度为最终电极丝直径的大于0.5％小于5.5％，这种厚度可以保证切割时的放电稳定，提高切割工件的表面质量。
13.本发明提供一种新型的电极丝，是综合性能得到提高的电极丝，一方面采用连续铸造、连拉连退的清洁化生产方式，并且可以大大降低工人的劳动强度，提升生产效率，从而降低电极丝材料的制造成本。
附图说明
图1为本发明电极丝纵向片段示意图。
图2为本发明电极丝的横截面示意图。
图3为本发明电极丝锌原子由内向外呈线性增加分布图。
具体实施方式
下面通过实施例进一步详细描述本发明，但本发明不仅仅局限于以下实施例。
本发明中所述的导电率单位％IACS是国际单位制。
本发明中所述的兆帕是气体压力单位。
本发明中所述的wt％是材料配比时的质量百分比(或称重量百分比)，不是体积百分比。
本发明中所述的℃是温度单位摄氏度。
本发明中的合金化技术是通过应用变质处理的方式进行的，通过合金化元素使金属材料力学性能提高的方法称为合金化，工业上经常采用这种技术来提高材料的力学性能及韧性。
为了证明本发明的电极丝结构和电极丝的制造方法是有利的，通过下面的实施例来加以证明。
实施例：
1.1、以市场合适的价格采购铜、锌、磷、稀土、钠、钾、镁、钙、铝、硅、锰、钛、铬、铁原材料，经化学分析合格后，开始配料；
1.2、根据表1所示的合金成分进行合金化配料，并将配好的原材料运至熔炼现场，准备熔炼；
1.3、熔炼是制造切割线材料的重要工序，所有的合金化元素的添加都在此工序完成，熔炼采用上引连续铸造，铸造温度选择为950-1250℃；
1.4、塑性加工和再结晶退火：此工序主要是指将制造出来的上引连铸坯杆经过扒皮、再结晶退火、不同道次的塑性加工，根据成品规格的需要，来设置母线的规格，本工序生产的裸铜线的规格为Φ0.8-Φ1.6mm；
1.5、电沉积锌：对工序1.4按照表2进行常规的电沉积工艺加工，获得具有表层金属层的粗坯；
1.6、成品加工：本工序采用退火+塑性加工+退火的在线技术，塑性加工前退火参数为：温度80-750℃,退火时间1.0-120秒，塑性加工后退火参数为：温度60-650℃,退火时间0.05-5秒；将电极丝性能调整到材料所要求的导电性能与力学性能及如表2所示的表层锌含量。
本发明上述工艺过程大多为本领域常规工艺，其中最后的成品加工过程关于退火+塑性加工+退火工艺参数为本发明创造性发明，该工艺控制上述本发明的公益参数范围内，即可制作出本发明的电极丝。
表1为本发明实施例裸铜线(芯材层)化学成分
表2为本发明实施例锌层(表层金属层)厚度和锌含量
| 实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 锌层厚度(μm) | 5 | 8 | 12 | 15 | 21 | 24 | 11 | 9 |
| 表层锌含量(％) | 52.3 | 56.6 | 63.1 | 63.2 | 64.7 | 65.8 | 63.1 | 58.7 |
以最终的产品统一规格为0.25mm，获得的电极丝的结构，具体可以见附图2，电极丝的横截面结构示意图：包括电极丝本体1，电极丝本体1由合金化黄铜材料制成的芯材2和覆盖在芯材上的表层金属层3构成，且芯材2和表层金属层3之间为过渡层4；所述的表层金属层3沿着电极丝本体的纵向呈断裂状分布(如图1所示，可以看出电极丝的表层金属层上分别很多纵向裂纹，即断裂处)，具体为断裂处4.1纵向延伸。
采用如下的切割工况条件进行切割比对：试验设备为三菱公司制造的FA10SADVANCE2009机器，切割周期为10个工作日；工件材质：SKD11；设备参数：NM；加工次数：割一修四；加工模式：浸水式；将设备的张力参数调整为适合900N/mm2的切割线；喷嘴压靠在工件上。对比相关参数如下表3所示：
表3本发明实施例产品使用性能和现有技术电极丝对比
注：上述所取切割速度和切割表面质量的数值为10个工作日内出现概率最多的数值。
综上可知,本发明切割线的导电率得到提高，且切割出来料件的粗糙度同同种类型的线对比线接近；力学性能稍低，但在切割线性能正常范围内，不影响使用；从对比例看出：本发明电极丝同对比黄铜电极丝对切割设备的损伤一致，比横向的电极丝要优；同时，因为本发明电极丝的裂纹是同电极丝移动方向一致的，便于自动穿丝。
上述实施例对本发明进行说明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求书的保护范围内，对本发明的任何修改和改变，都将落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于慢走丝电火花切割用的电极丝，其特征在于：包括电极丝本体(1)，电极丝本体(1)由合金化黄铜材料制成的芯材(2)和覆盖在芯材(2)上的表层金属层(3)构成，且芯材(2)和表层金属层(3)之间有过渡层(4)；所述的合金化黄铜材料中铜的含量为58.0-65.0wt％，余量为锌和少量的添加元素及不可避免的杂质成分；所述表层金属层(3)的材料由铜、锌、添加元素及不可避免的杂质成分组成，其中锌的含量大于52wt％而小于68wt％，并且该表层金属层呈纵向断裂状分布，断裂处(4.1)的特征为：-纵向断裂处空隙的表面积大于表层金属层(3)表面积的5％而小于40％；-纵向断裂处的裂纹形状呈不规则状态分布。
2.根据权利要求1所述的用于慢走丝切割用的电极丝，其特征在于：所述断裂处裂纹的深度为电极丝本体(1)直径尺寸的0.1-2.5％。
3.根据权利要求1所述的用于慢走丝切割用的电极丝，其特征在于：所述断裂处裂纹的宽度为0.1-3μm，裂纹的长度为3-20μm。
4.根据权利要求1-3任一权利所述的用于慢走丝切割用的电极丝，其特征在于：所述的过渡层(4)中的锌原子由电极丝的内向外呈线性增加分布、铜原子由内向外呈线性减少分布。
5.根据权利要求1的所述用于慢走丝切割用的电极丝，其特征在于：所述的芯材(2)中不可避免的杂质含量小于0.5wt％，表层金属层(3)中不可避免的杂质含量小于0.3wt％。
6.根据权利要求1的用于慢走丝切割用的电极丝，其特征在于：所述的芯材(2)中的添加元素由两部分做成，分别为M1和M2，其中M1为磷、稀土、钠、钾、镁、钙中的至少一种，M2为铝、硅、锰、钛、铬、铁中的至少一种；所述的M1的含量为0.0005-0.05wt％，M2的含量为0.005-0.08wt％。
7.根据权利要求6所述的用于慢走丝切割用的电极丝，其特征在于：所述的表层金属层(3)中合有M1和M2中的各至少一种。
8.根据权利要求6所述的用于慢走丝切割用的电极丝，其特征在于：所述的表层金属层的相结构为γ相铜锌合金，及固溶在γ相铜锌合金中的M1和M2中的至少一种元素。
9.根据权利要求1所述的用于慢走丝切割用的电极丝，其特征在于：所述的表层金属层(3)的厚度为电极丝直径的0.5-5.5％，所述过渡层(4)的厚度为电极丝直径的0.05-2.0％；所述的用于慢走丝切割用的电极丝的制造方法为：成品加工方式采用退火后塑性加工，然后再退火的方式进行；塑性加工前退火参数为：温度80-750℃，退火时间1.0-120秒，塑性加工后退火参数为：温度60-650℃，退火时间0.05-5秒。
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