JP2024543089A - 電極ワイヤ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

放電加工用の電極ワイヤは、金属コア（１０）と、金属コア上に、銅亜鉛合金のγ相と銅亜鉛合金のε相との絡み合いのみで形成された銅亜鉛合金の１つ以上の集合組織領域（２６－２８）を含むコーティング（１２)とを含む。銅亜鉛合金の各集合組織領域（２６－２８）の内部では、大部分の銅亜鉛合金のγ相はラメラ集合組織を有し、銅亜鉛合金γ相ラメラ間の隙間は銅亜鉛合金のε相で満たされている。
【選択図】図１

Description

本開示は、放電加工用の電極ワイヤ及びその製造方法に関する。

電極ワイヤは、放電加工機において放電により金属又は導電性材料を切断するために使用される。

放電加工の周知の方法は、スパークエロージョン加工としても知られており、加工される部分と導電性電極ワイヤとの間の加工領域においてスパークを発生させることにより、導電性部分から材料を除去することができる。電極ワイヤは、ワイヤの長さ方向に沿って部品の近傍に連続的に供給され、ガイドによって保持され、ワイヤガイドの横方向の並進移動又は部品の並進移動のいずれかによって、部品に向かって横方向に徐々に並進移動する。

加工領域の外側の電気接点によって電極ワイヤに接続された発電機は、電極ワイヤと加工される導電性部分との間に適切な電位差を確立する。電極ワイヤと部品との間の加工領域は、適切な絶縁性流体に浸漬される。電位差は、電極ワイヤと加工される部分との間に火花（スパーク）を発生させ、部品及び電極ワイヤを徐々に侵食する。電極ワイヤの長手方向の移動により、加工領域内でのワイヤの破断を防ぐのに十分なワイヤ径を継続的に維持することができる。ワイヤと部品との横方向の相対移動により、必要に応じて部品を切断したり、表面を処理したりすることができる。

火花により電極ワイヤや部品から分離した粒子は、絶縁性流体中に分散し、そこから排気される。

加工精度を得るためには、特に小さな半径の角度カットを行うためには、小径のワイヤを使用し、破断時の高い機械的負荷に耐えて加工領域に張力を与え、振動の振幅を制限する必要がある。

現在の放電加工機の多くは、一般的に直径0.25mm、最大引張強度400N/mm²から1000N/mm²の金属ワイヤを使用するように設計されている。

電極ワイヤと部品の間に火花が発生すると、電極ワイヤの表面が短時間でとても高い温度に到達するように急速に加熱される。この結果、火花の位置にある電極ワイヤの表層の材料が固体状態から液体状態または気体状態になり、電極ワイヤの表面上を移動する、及び／又は絶縁性液体中に排気される。火花が到達した電極ワイヤの外面が変形し、一般的にわずかに凹んだクレーター形状を呈し、材料が溶融して再凝固した領域があることがわかる。

放電火花の効率は、電極ワイヤの表層の性質およびトポグラフィー（表面の形状）に大きく依存することがわかった。放電効率のかなりの進歩は、以下を含む電極ワイヤを使用することによって達成された。
-電流の良好な伝導性およびワイヤ上の機械的引張荷重に耐える良好な機械的強度を保証する1つ以上の金属または合金からなるコア、および
-より良好な放電効率、例えば、より速い侵食速度を保証する１つ以上の他の金属または合金及び／又は特定の表面形状（例えば、亀裂）のコーティング。

例えば、米国特許第８０６７６８９号明細書には、銅亜鉛合金層によって被覆された黄銅コアを有する電極ワイヤが記載されている。この出願において、銅亜鉛合金層は、ガンマ（γ）相銅亜鉛合金とイプシロン（ε）相銅亜鉛合金との混合物を含む。

この特定のコーティング構造は、一般に、部品のより高速な放電加工を目的とする。

また、先行技術文献として、以下の特許文献２及び非特許文献１が知られている。

米国特許第８０６７６８９号明細書 特許第３０９０００９号公報 米国特許第５７６２７２６号明細書

MA D et al.: "Unidirectional solidification of Zn-rich Zn-Cu peritectic alloys-I. Microstructure selection", ACTA MATERIALIA, Elsevier, Oxford, vol. 48, No. 2, 24/01/2000, pp. 419-431. Liang et al.: "Thermodynamic assessment of the Al-Cu-Zn system, part I: Cu-Zn binary system". CALPHAD, volume 51, 2015, pages 224 to 232.

しかしながら、所与の電気スパーク強度に対して放電加工の速度を向上させる必要性が残っている。

本開示は、請求項１に適合する電極ワイヤを提案することによって、この必要性を満たすことを目的とする。

本開示はまた、請求項１に適合する電極ワイヤを製造する方法を目的とする。

本開示は、非限定的な例としてのみ、図面を参照して以下の説明を読むと、よりよく理解されるであろう。
図１は、電極ワイヤの断面の概略図である。 図２は、図１の電極ワイヤの層のラメラ集合組織の一部の断面の概略図であり、より大きなスケールの概略図である。 図３は、図２のラメラ集合組織の一部のさらに大きなスケールの概略図である。 図４は、図２のラメラ集合組織の白黒写真である。 図５は、図１の電極ワイヤを製造する方法のフローチャートである。

これらの図では、同じ要素を示すために同じ参照符号が使用される。この説明の残りの部分では、当業者に周知の特徴および機能は詳細に説明されない。

以下、第I章において、特定の用語の定義が与えられる。第II章において、詳細な例示的実施形態が図を参照して説明される。次に、第III章において、これらの実施形態の変形例が説明される。最後に、第IV章において、様々な実施形態の利点が説明される。

第I章:定義及び用語
表現「材料Ａからなる要素」は、材料Ａがその要素の少なくとも90重量%、好ましくは少なくとも95重量%または98重量%を占める要素を示す。

表現「銅亜鉛合金」は、不可避的不純物を除いて、銅と亜鉛とのみで形成された合金を示す。

銅亜鉛合金の「相」は、特定の結晶構造を有する銅亜鉛合金の固相を示す。より正確には、銅-亜鉛系の相は、その組成および特定の結晶構造によって互いに異なる。この特定の結晶構造によって、銅亜鉛合金の相を、全体的に同じ組成を有する銅と亜鉛の微細な粒子の単純な混合物から区別することができる。銅亜鉛合金の既知の相は、通常、アルファ（α）相、ベータ（β）相、ガンマ（γ）相、デルタ（δ）相、イプシロン（ε）相及びエータ（η）相である。相の特定の結晶構造は、様々な手段によって同定することができる。例えば、研磨された試料の光学顕微鏡写真または金属顕微鏡写真は、試料が適切に化学的に処理されていれば、各相に対して異なる色の濃淡を示す。そこで、γ相とε相を区別するために、エタノールで希釈した3%硝酸溶液である「ナイタル」による化学処理が用いられる。これにより、γ相は灰色に見え、ε相は茶色に見える。また、後方散乱電子検出器を用いて走査型電子顕微鏡で試料を観察することによって、γ相とε相を区別することも可能である。また、Ｘ線回折によって試料の相を識別することも可能である。この場合、ワイヤの試料を正確な波長のＸ線ビームの入射下に置く。例えば、波長0.1541 nmの銅のＫα線を用いる。回折角ごとに回折線の強度を評価する。γ相は、銅-亜鉛系の他の相やワイヤの表面によく見られる酸化亜鉛ＺｎＯとは異なる既知のＸ線回折スペクトルを有する。銅亜鉛合金が、α相、β相、γ相、δ相、ε相又はη相の少なくとも一つの形態で結晶化していない場合、それは非晶質であり、Ｘ線回折スペクトルは突出したピークではなく、平坦なこぶを示す。

所与の温度において銅亜鉛合金の様々な相は、それぞれ特定の亜鉛濃度の範囲に対応する。これら特定の亜鉛濃度の範囲のそれぞれの大きさは、温度の関数として変化する。試料の相の亜鉛濃度は、組成微量分析によって得られる。組成微量分析は、分光プローブを備えた走査型電子顕微鏡を用いて行われる。例えば20ｋＶの電場で加速された電子ビームが試料の表面に衝突し、Ｘ線を放出する。このＸ線は、電子ビームが衝突した試料表面の組成に特徴的なエネルギースペクトルを有する。試料表面から放出されたＸ線のスペクトルは、エネルギー分散分光分析（ＥＤＳ）分析プローブまたは波長選択（ＷＤＳ）分析プローブを用いて測定される。アルゴリズムにより、分析する元素の選択(および不純物の影響の除去)と、測定されたスペクトルに基づいた、電子ビームが衝突した試料の組成の計算が可能である。Ｘ線と物質の相互作用のため、ＥＤＳ（又はＷＤＳ）分析で分析される体積は、一般に約1立方マイクロメートルであることに留意されたい。２つの相の境界では、２つの相のいずれにも実際には存在しない平均濃度を測定することができる。ここで示されている濃度は、構造化領域の場合を除き、分析体積における純相に関するものである。濃度が測定される領域は、一辺の長さが一マイクロメートルの立方体よりも大きい。

銅亜鉛合金のδ相は、559℃から700℃の間でのみ安定状態に存在し、常温では安定状態に存在しないという特徴がある。600℃の温度で安定状態にある銅-亜鉛系のδ相の結晶構造は、1971年にJ.LenzとK.SchubertによってZeitschriftfurMetallkunde 62巻810-816頁に発表された。

表現「導電体」とは、20℃における導電率が10^６S/mより大きく、好ましくは10⁷S/mより大きい材料を指す。

ワイヤの長手方向軸は、そのワイヤが主に延びる軸である。

表現「断面」とは、その長手方向軸に垂直な電極ワイヤの断面を指す。

表現「電極ワイヤの層」とは、電極ワイヤの各断面において内側の円形境界線と外側の円形境界線との間に位置する電極ワイヤの環状層を指す。実際には、これらの境界線は完全な円ではない。しかし、最初の近似として、本文中では、これらの境界線は円として扱われる。これらの円形境界線は両方とも、電極ワイヤの軸の中心にある。内側の円形境界線は、電極ワイヤの軸に最も近い層の限界である。反対に、外側の円形境界線は、電極ワイヤの軸から最も遠い層の限界である。これらの内側と外側の円形境界線の間で、銅亜鉛合金の相は均質であるか、または銅亜鉛合金の様々な相の不規則な絡み合い(entanglement)で形成されている。逆に、内側と外側の円形境界線のレベルでは、化学組成及び／又は結晶形態が、突然変化する。

銅亜鉛合金の「異なる相の絡み合い」という表現は銅亜鉛合金の異なる相の混合物を指し、それらの異なる相はそれぞれの均質な層に配置されていない。言い換えれば、ワイヤの長手方向軸を中心とした、この相の絡み合いを横切る円に沿って移動すると、ある相と別の相が交互に遭遇し、これが数回繰り返される。

「均質」層は、銅亜鉛合金の単一の相によって形成された層である。

表現「均一な層」は、ワイヤの断面において、ワイヤの軸を中心として、この層の内側に連続的または実質的に連続的に延びる材料によって形成された層を指す。したがって、均一な層は、ワイヤの断面において非常に多数の放射状割れ目によって互いに分けられた多数の領域に分割される多数の割れ目を含まない。非常に多数の放射状割れ目とは、ワイヤの断面において当該放射状割れ目によって互いに機械的に分離された約10の領域に当該層を分割する約10以上の放射状割れ目を指す。

逆に、表現「破断層」は、ワイヤの断面において非常に多数の放射状破断によって互いに分離された多数の領域に分割する多数の割れ目を含む層を指す。

表現「金属表面層」または単に「表面層」は、電極ワイヤの最外層である電極ワイヤの銅亜鉛合金または亜鉛の層を指す。前記金属表面層は、その表面に酸化物の薄膜を有していてもよい。この酸化物膜は、典型的には、主に酸化亜鉛、水酸化亜鉛、炭酸亜鉛および伸線潤滑剤残渣などの可能な残渣から構成される。したがって、この金属表面層の外面は、微細酸化物膜がない場合には電極ワイヤの外面と一致するか、または微細酸化物膜のみによって電極ワイヤの外面から分離されている。

「放射状破断」とは、電極ワイヤの断面において主に放射状に延びる破断である。

表現「常温」とは、15℃以上30℃以下の温度を指し、典型的には25℃に等しい。

「細長い要素の中央軌道」とは、細長い要素が主に延びる軌道である。この中央軌道は、電極ワイヤの断面において、細長い要素の厚さの中央に位置する。すなわち、細長い要素の断面は、この中央軌道を中心とする。したがって、断面において、その中央軌道の一方の側に位置する細長い要素の面積は、前記中央軌道の他方の側に位置する細長い要素の面積に等しい。

その中央軌道に沿った細長い要素の平均厚さは、その中央軌道の各点で測定された前記細長い要素の厚さの平均値に等しい。中央軌道の各点において、厚さは、前記中央軌道に垂直な方向で測定され、断面の平面に含まれる。

第II章:例示的な実施形態
図１は、本明細書の導入部で説明した放電加工用の電極ワイヤ２を示す。

この目的のために、電極ワイヤ２は、400N/mm²以上1000N/mm²以下の最大引張強度を有する。電極ワイヤ２は、長手方向軸４に沿って延びる。ここで、長手方向軸４は、図面の平面に対して垂直である。電極ワイヤ２の長さは、1mより大きく、典型的には、10mまたは50mより大きい。

電極ワイヤ２は、このワイヤを用いて放電加工により部品を加工する際に、火花（スパーク）に直接曝される外面６を有する。外面６は、長手方向軸４に沿って延びる円筒面である。外面６の二次曲線は、主に長手方向軸４を中心とする円である。したがって、電極ワイヤ２の断面は円形である。電極ワイヤ２の外径Ｄ_２は、典型的には、50μmと1mmの間であり、最も多い場合には、70μmと400μmの間である。ここで、電極ワイヤ２の外径は、250μmに等しい。

この実施形態では、電極ワイヤ２は、導電性材料からなる中心コア１０と、中心コア１０上に直接堆積されたコーティング１２とを含む。

中心コア１０の機能は、電極ワイヤ２の最大引張強度の大部分をそれ自身で確保することである。また、電極ワイヤ２の導電性を確保する機能も有する。この目的のために、それは導電性材料からなる。それは、典型的には、金属または金属合金からなる。例えば、この実施形態では、中心コア１０は銅からなる。

中心コア１０の直径Ｄ_１０は、Ｄ_２が電極ワイヤ２の外径である場合、0.75Ｄ_２と0.98Ｄ_２を含み、典型的には0.85Ｄ_２と0.95Ｄ_２の間である。例えば、ここでは、直径Ｄ_１０は、230μmに等しい。

コーティング１２は、加工速度を向上させる。したがって、電極ワイヤの浸食歩留まり及び／又は放電加工後に得られる部品の面の品質を向上させるように設計される。放電加工による切断面の品質は、その粗さが減少するにつれて向上する。

コーティング１２の厚さは、電極ワイヤ２の外径Ｄ_２と比較して小さく、すなわち、外径Ｄ_２の10%未満、好ましくは外径Ｄ_２の8%未満である。コーティング１２の厚さは、断面において、外面６と、中心コア１０とコーティング１２とを分ける円形境界線との間の最短距離に対応する。

本実施形態では、コーティング１２は、長手方向軸４から外面６に向かって直接かつ連続して積層された３つの層１４、１６及び１８からなる。層１８の厚さは、典型的には、外径Ｄ_２の1%または2%より大きい。例えば、層１８の厚さは、少なくとも2μm、5μmまたは10μmより大きい。他の層１４及び層１６の厚さは、好ましくは、層１８の厚さより小さい。例えば、ここでは、層１４及び層１６の厚さは、それぞれ、5μm未満および10μm未満である。

層１４は、銅亜鉛合金のβ相の均質で均一な層である。したがって、亜鉛濃度は、典型的には、45原子％から50原子％の間であり、残りは銅および不可避的不純物である。

層１６は、銅亜鉛合金のγ相の均質な層である。亜鉛濃度は、典型的には、62原子％から71原子％の間であり、残りは銅および不可避的不純物である。例えば、ここでは、亜鉛濃度は64原子％である。

最近更新された銅-亜鉛系の相平衡図から、安定状態では、銅亜鉛合金のγ相は、常温で60原子％から62原子％の間の亜鉛濃度を有し、残りは銅であることがわかる。最近更新された銅-亜鉛系の相平衡図は、例えば、Liang et al. の"Thermodynamic assessment of the Al-Cu-Zn system, part I: Cu-Zn binary system". CALPHAD, volume 51, 2015, pages 224 to 232.に掲載されている。

したがって、層１６の銅亜鉛合金のγ相は、亜鉛濃度64%である場合、常温において安定状態にない。ここでは、準安定状態である。準安定状態では、銅亜鉛合金のγ相から安定状態への変態、すなわち、その亜鉛濃度の減少は、常温では非常に遅い。言い換えれば、常温でのγ相から安定状態への変態は、人間には実質的に感知できない。したがって、準安定状態のγ相の組成は、この電極ワイヤ２が通常の条件下で保管され、輸送され、常温に維持されている場合には、製造から放電加工機の加工領域に到着するまでほとんど変化しない。以下、このような準安定銅亜鉛合金層の製造方法について説明する。

層１８は、銅亜鉛合金の集合組織付き表面層である。より正確には、各断面において、層１８は、主に複数の集合組織領域によって形成される。前記集合組織領域の各々は、銅亜鉛合金のγ相および銅亜鉛合金のε相の絡み合いによってのみ形成される。前記絡み合いについては、以下の図２及び図３を参照してさらに詳細に説明する。

層１８において、集合組織領域の各々における亜鉛濃度は、72原子％または73原子％を超え、80原子％未満である。ここで、層１８の集合組織領域の亜鉛濃度は、74原子％に等しく、残りは銅および不純物である。層１８の厚さは、コーティング１２の全体の厚みの10%または20%または30%を超えることが好ましい。

この実施形態では、層１６及び層１８は破壊される。したがって、層１６及び層１８は、これらの層の各々を、破壊によって断面において互いに機械的に分離された複数の領域に分割する割れ目を含む。以下に説明するように、これらの割れ目は、層１６及び層１８が均一または実質的に均一であるワイヤを延伸（引き抜き加工、伸線加工）することによって得られる。延伸後、同じ材料は、もはや長手方向軸４の周りに連続的に延在せず、破壊または亀裂によって断面において互いに機械的に分離された材料の複数の領域に分割される。これらの割れ目は、主に半径方向に延在し、層１６及び／又は層１８を完全に横断する。

より正確には、電極ワイヤ２には主に２種類の割れ目が存在することが観察された。第１のタイプの割れ目は、層１６の内部にのみ広がる割れ目である。この第１のタイプの割れ目は、層１８を横断しない、すなわち、層１８を完全に横断しない。図１において、参照番号２０は、第１のタイプの割れ目の概略図を指す。割れ目２０は、層１４及び層１６を分ける円形境界線から、層１６及び層１８を分ける円形境界線まで拡がる。割れ目２０は、層１４及び層１８の内部には拡がらない。

第２のタイプの割れ目は、層１６及び層１８の両方を横断して拡がる割れ目である。第２のタイプの割れ目は、典型的には、層１４及び層１６の間の円形境界線のレベルで発生し、外面６まで拡がる。層１８を複数の別個の領域に分割するのは、この第２のタイプの割れ目のみである。

図１には、第２のタイプの割れ目である３つの割れ目２２から２４が模式的に示されている。これらの３つの割れ目２２から２４は、層１８を３つの別個の領域２６から２８に分割する。第１のタイプの割れ目と共に、第２のタイプの割れ目は、層１６を複数の別個の領域に分割するのに寄与する。図１において、割れ目２０及び２２から２４は、層１６を四つの別個の領域３０から３３に分割する。

それらが第１のタイプの割れ目であろうと第２のタイプの割れ目であろうと、前記割れ目は、固体又は液体の物質を含まない凹部又は中空に相当する。割れ目が延びる半径方向に垂直な方向における割れ目の幅は、一般に2μm未満である。

各集合組織領域の断面における最大幅は、典型的には、層１８の厚さよりも大きい。ここで、この最大幅は、5μm又は10μmよりも大きい。本明細書では、断面における集合組織領域の幅は、当該集合組織領域を完全に含み、その辺の少なくとも1つが、この集合組織領域を通過し、かつ、当該断面内に含まれる半径線に垂直である最小面積長方形の辺の長さに等しいものとして定義される。半径線は長手方向軸４を通る。半径線は、断面における集合組織領域を完全に含み、その頂点が長手方向軸４上にある最小角度セクタを２等分するものである。長さが測定される長方形の辺は、当該半径線に垂直である。

図２は、層１８の集合組織領域の下部の断面の拡大図を示す。図３は、これらの集合組織領域の１つのさらに大きなスケールの一部を示す。各集合組織領域において、銅亜鉛合金のγ相は、主にラメラ集合組織（lamellar texture）４０(図２)を有し、銅亜鉛合金のε相は、ラメラ集合組織４０のラメラ間の隙間を満たす。ラメラ集合組織４０は、図２及び図３において白色で示され、銅亜鉛合金のε相は、同図においてハッチングされている。

ラメラ集合組織４０の重量は、典型的には、層１８に含まれる銅亜鉛合金のγ相の重量の80%を超え、一般的には90%または95%を超える。

以下に説明するように、ラメラ集合組織４０は、ここでは、銅亜鉛合金δ相の層の、おそらくは銅亜鉛合金のε相の均質なサブ層に覆われた銅亜鉛合金のγ相の均質なサブ層への変態が完全に終了する前に中断することによって得られる。

ラメラ集合組織４０は、断面においてそれぞれが主にそれぞれの中央軌道に沿って延びる多数の細長いラメラから形成される。例えば、図３は、ラメラ集合組織４０の２つのラメラ４４、４６を示す。ラメラ４４、４６はそれぞれ、中央軌道４８、５０に沿って延びる。

多くの場合、ラメラは数マイクロメートル延び、したがって、それらの中央軌道は数マイクロメートルの長さである。ラメラが延びる中央軌道は、しばしば湾曲または曲がりくねっている。

ほとんどの場合、各断面において、ラメラの端部の一方は、別のラメラに直接機械的に接続されている。したがって、ラメラ集合組織４０は、各断面において、層１６から外面６まで連続的に延びる多数の経路を含むツリー構造を形成する。ラメラの他端は、自由であるか、すなわち、別のラメラに直接機械的に接続されていないか、または別のラメラに直接機械的に接続されている。

ラメラ集合組織４０のラメラの大部分、および一般に80%以上、90%以上、または95%以上のラメラについて、その中央軌道に沿ったラメラの平均厚さは、1μmまたは0.5μm未満である。また、その中央軌道に沿ったラメラの平均厚さは、一般に0.1μmを超える。

ラメラが細長いと仮定すると、ラメラ間の隙間のほとんど、典型的には80%以上も細長い。より正確には、各ラメラ間に位置する隙間も、主にそれぞれの中央軌道に沿って延びる。図３は、２つのラメラ４４と４６との間に位置し、中央軌道５６に沿って延びるそのような隙間５４の1つを示す。

それぞれの中央軌道に沿った細長い隙間の平均厚さは、50%以上のケースで1μmまたは0.5μm未満であり、最も多いケースでは80%以上である。この平均厚さも一般に0.1μmより大きい。

図３では、細長い要素の中央軌道をより見やすくするために、この中央軌道は、細長い要素を越えて各側に延長されている。しかし、実際には、各中央軌道は、細長い要素の一端から始まり、その反対側の端で終わる。

図４は、光学顕微鏡を使用して電極ワイヤ２の断面を観察することによって得られた集合組織領域の一部を示す。この写真では、層１８において、ラメラ集合組織４０を形成する銅亜鉛合金γ相ラメラは白色に着色され、ラメラ間の隙間を満たす銅亜鉛合金のε相は黒色に着色されている。この写真で観察される断面は、ワイヤ延伸操作を受ける直前の電極ワイヤの断面であり、したがって、第１および第２のタイプの割れ目の大部分が生成される前である。しかし、例えば、左上に位置する層１６の部分に見られるように、このワイヤ延伸操作を実行する前であっても、層１６は第１のタイプの割れ目を含む可能性がある。

次に、図５の方法を参照して電極ワイヤ２の製造方法を説明する。

ステップ８０において、最初に金属ワイヤブランクが得られる。この例では、ワイヤブランクは、直径1mmの銅ワイヤである。

次に、ステップ８２において、コーティングがワイヤブランク上に生成される。このコーティングは、金属ワイヤブランクの外面全体を連続的に覆う。このコーティングは、その温度が559℃から700℃の間で、銅亜鉛合金のδ相の表面層を形成する能力を有する１つ又は複数の材料からなる。この温度範囲は、銅亜鉛合金のδ相が安定な温度範囲に相当する。この温度範囲外では、δ相は安定ではない。特に、温度が559℃未満に降下すると、δ相は一方で銅亜鉛合金のγ相に、他方で銅亜鉛合金のε相に自然分解する。したがって、特別な熱処理が行われない場合、例えば、銅亜鉛合金のδ相の層が常温において空気中で単に冷却される場合、銅亜鉛合金のδ相の層は、銅亜鉛合金のε相の均質なサブ層によって覆われた銅亜鉛合金のγ相の均質なサブ層に分解する。この例におけるこの段階では、コーティングは、金属ワイヤブランクの外面に直接堆積された亜鉛の層のみによって形成される。この目的のために、亜鉛の層は、電解亜鉛めっきプロセスによって金属ワイヤブランク上に堆積されて、直径1mmを超え、かつ、亜鉛で電気めっきされたワイヤが得られる。

ここで、ステップ８２の最後に、亜鉛で電気めっきされたワイヤは、その直径が420μmになるまで延伸される。この段階では、亜鉛コーティングの厚さは25μmに等しい。

次に、ステップ８４の間に、亜鉛コーティングの温度は、559℃以上700℃以下の間、好ましくは559℃以上600℃以下の間、さらに有利には595℃以上600℃以下の間の温度Ｔ_ｉｎｉまで上昇させる。600℃以下の温度Ｔ_ｉｎｉを選択すると、加熱中の溶融亜鉛の液滴の形成を制限することができる。ここで、温度Ｔ_ｉｎｉは600℃に等しい。

例えば、ステップ８４において、延伸した電気亜鉛めっきワイヤは、内部温度が600℃に等しい炉に導入される。この熱処理は、空気中で行われる。

ステップ８４において、延伸された電気亜鉛めっきワイヤは、少なくとも4μmの厚さの銅亜鉛合金のδ相の表面層を形成するのに十分な長さの期間ｄ_ｉｎｉの間、温度Ｔ_ｉｎｉに維持される。ここで、期間ｄ_ｉｎｉは、銅亜鉛合金のδ相の層の上に銅亜鉛合金のε相の層が形成されるのを防ぐように十分に短い時間が選択される。実際、米国特許第５７６２７２６号明細書に示唆されているように、この温度Ｔ_ｉｎｉにおいて、銅は、亜鉛コーティングに徐々に拡散する。従って、最初の亜鉛コーティングの所与の位置において、銅濃度は、時間と共に徐々に増加する。

さらに、銅が銅ワイヤブランクからワイヤの外部に移動することによってコーティングに拡散すると仮定すると、銅濃度勾配は、コーティングの厚さ内に存在する。コーティング内の銅濃度は、ワイヤブランクから外部に向かって徐々に減少する。逆に、亜鉛濃度は、ワイヤの外面に向かう方向に増加する。この銅濃度勾配のため、ステップ８４では、様々な相を有する複数の積層銅亜鉛合金層が現れる。これらの積層銅亜鉛合金層では、外面に近づくにつれて亜鉛濃度が高くなるように層が並んでいる。したがって、銅亜鉛合金の表面層は、常に亜鉛濃度が最も高い層である。

ここで、ステップ８４の目的は、銅亜鉛合金のδ相の表面層を形成することである。温度Ｔ_ｉｎｉにおいて、銅亜鉛合金のδ相は、亜鉛濃度が72原子％以上77原子％以下のときに現れ、残りは銅である。

したがって、期間ｄ_ｉｎｉは、前記表面層内の亜鉛濃度が72原子％以上77原子％以下の間に低下するために、表面層まで拡散する銅の量が十分な量になるための十分な時間を与えるように、十分な長さに選択される。温度Ｔ_ｉｎｉにおいて、表面層の亜鉛濃度が72原子％以上77原子％以下の間である限り、この層の銅亜鉛合金はδ相である。

選択された期間ｄ_ｉｎｉが短すぎる場合、その合金のδ相の形成を可能にするほど亜鉛濃度が大幅に減少していないため、表面層は銅亜鉛合金のε相の層となる。反対に、期間ｄ_ｉｎｉが長すぎる場合、表面層内の亜鉛濃度は72原子％未満に低下する。例えば、銅亜鉛合金のγ相または銅亜鉛合金のβ相の表面層が得られる。

これらの説明に基づいて、期間ｄ_ｉｎｉを連続的な実験によって決定する。例えば、ここで説明したケースでは、期間ｄ_ｉｎｉは6秒に等しい。

期間ｄ_ｉｎｉの最後に、銅ワイヤブランク上に堆積されたコーティングでは、銅亜鉛合金のβ相の層の上に、銅亜鉛合金のγ相の層があり、その上に、銅亜鉛合金のδ相を含む表面層がある。

当該表面層が得られるとすぐに、すなわち、ここでは、期間ｄ_ｉｎｉの最後に直ちに、ワイヤは、連続して、低速冷却の第１のステップ９０を受け、その直後に、急速冷却の第２のステップ９２が続く。

ステップ９０の間に、ワイヤは、十分にゆっくりと冷却され、ｄ_１ｍｉｎからｄ_１ｍａｘまでの期間ｄ_１の間、当該表面層の温度を559℃未満およびＴ_{９０ｍｉｎ}以上に維持する。温度Ｔ_{９０ｍｉｎ}は、350℃以上、好ましくは400℃以上または500℃以下である。

期間ｄ_１ｍｉｎは、銅亜鉛合金のδ相の温度が559℃未満に維持されなければならない最短の期間である。
-銅亜鉛合金のδ相の一部は、銅亜鉛合金のγ相に変態し、銅亜鉛合金のγ相の大部分を含む銅亜鉛合金γ相ラメラ集合組織を形成する。
-上記と並行して、銅亜鉛合金のδ相の残部は、銅亜鉛合金γ相ラメラ集合組織のラメラ間の隙間を満たす銅亜鉛合金のε相に変態する。

期間ｄ_１ｍａｘは、銅亜鉛合金ラメラ集合組織が消えて、重量の90％が銅亜鉛合金γ相によって形成されるサブ層に変化するまでの最短の期間である。

期間ｄ_１は、一般に0.1秒から1.5秒の間であることが観察されている。したがって、当該表面層の温度を559℃から350℃の間に維持するためには、ステップ９０の間の冷却速度が2100℃/秒未満であることが必要である。ステップ９０の間の冷却速度は、好ましくは、1000℃/秒未満または400℃/秒未満である。ここで、ステップ９０の間に、ワイヤを炉から迅速に取り出し、期間ｄ_１全体にわたって常温の空気中に置くことによって、ワイヤを冷却する。常温の空気中での冷却速度は、一般に50℃/秒から200℃/秒の間であり、しばしば100℃/秒に近いか等しい。

ここで、期間ｄ_１は、0.6秒に等しいように選択された。この目的のために、ワイヤを炉から取り出し、次いで、常温の空気中に1秒間保持する。実際、これらの条件下で、ワイヤの温度が600℃から559℃になるためには、約0.4秒が必要である。したがって、ワイヤは、0.6秒間、559℃から350℃の間の温度に維持される。この場合、期間ｄ_１の最後に、表面層の温度は、約500℃であり、したがって、350℃よりもはるかに高い。

ステップ９０の最後に、ラメラ集合組織４０が層１８の内部に形成される。しかしながら、上述したように、この段階では、このラメラ集合組織は安定していない。

ステップ９２の目的は、ステップ９０の後に得られたラメラ集合組織４０を固定し、したがって、それを常温において準安定状態にすることである。この目的のために、ステップ９０の直後およびステップ９２の間に、ワイヤは期間ｄ_２の間において急速冷却されて、ラメラ集合組織４０の温度を突然30℃未満に低下させる。

この２回目の冷却は急速と呼ばれる。期間ｄ_２が期間ｄ_１の1/2、すなわち、半分であり、典型的には期間ｄ_１の1/10、または1/50だからである。期間ｄ_２は、0.05秒未満であり、ほとんどの場合、0.03秒未満である。

この短い期間ｄ_２を得るために、ステップ９２の間の冷却速度は、ステップ９０の間よりもはるかに速い。この冷却速度は、典型的には、ステップ９２の間、10000℃/秒より大きい。例えば、ここでは、期間ｄ_１の最後に、ワイヤは、常温の水中で急冷される。この場合、ステップ９２の間の冷却速度は、20000℃/秒のオーダーであり、期間ｄ_２は、約0.02秒である。

ステップ９２の後、ラメラ集合組織４０は、準安定状態にあり、従って、ワイヤが常温に維持される限り、それ以上知覚できるほど変化しない。

そして、ステップ９４では、ステップ９２の終了時に得られたワイヤを引き抜き加工して、電極ワイヤ２を得る。このワイヤを引き抜き加工するステップ９４により、電極ワイヤの直径を所望の直径、ここでは250μmにすることができる。ステップ９４では、層１６及び層１８を破断する。したがって、層１６及び層１８に位置する破断の大部分は、このステップ９４で生じる。

第III章:変形例
製造方法の変形例
電極ワイヤ２を製造できる他の多くの方法がある。例えば、第II章で説明した製造方法は、必ずしも完全に銅で作られていないワイヤブランクを使用して実施することができる。例えば、ワイヤブランクは、50原子％又は60原子％を超え、95原子％又は90原子％未満である表面層のみを含む。同様に、亜鉛の濃度が100原子％未満であるコーティングで実施することもできる。しかし、コーティングの亜鉛濃度は95原子%以上、98原子%以上とすることが好ましい。

δ相の銅亜鉛合金層を得るための種々の方法が存在し、ステップ９０で1回目の冷却を行い、ステップ９２で2回目の冷却を行う。例えば、第１の変形例によれば、このδ相の銅亜鉛合金層を得るための手順は以下の通りである。
-ワイヤブランクの表面に厚さ約5μmのニッケル層を堆積する。
-ニッケルで被覆されたこのワイヤブランクを、亜鉛濃度が72原子%以上77原子%以下で残りが銅である溶融銅と亜鉛の浴に浸漬し、
559℃以上700℃以下、好ましくは559℃以上600℃以下、より好ましくは600℃に等しい温度で拡散させ、温度が559℃以上700℃以下に維持される限り安定なδ相の銅亜鉛合金表面層を生成する。

第２の変形例によれば、手順は以下の通りである。
-ワイヤブランクの表面に厚さ約5μmのニッケル層を堆積する。
-ニッケルで被覆されたこのワイヤブランクを、亜鉛濃度が72原子%以上77原子%以下であり、559℃以上700℃以下、好ましくは600℃に等しい温度に維持された銅及び亜鉛の合金と共押出する。この方法により、温度が600℃に等しい限りニッケルで被覆されたこのワイヤブランク上で安定なδ相の銅亜鉛合金表面層を生成する。

第３の変形例によれば、手順は以下の通りである。
-金属ワイヤブランクの表面に厚さ約5μmのニッケル層を堆積する。
-ニッケルの層の上に銅の層を堆積させ、次いで銅と亜鉛の比率が亜鉛の72原子％から77原子％の間である亜鉛の層を堆積させる。過剰の亜鉛は、その後の拡散工程中に避けられない亜鉛の蒸発を補償するように選択される。
-後者を559℃から700℃の間、好ましくは559℃から600℃の間、または好ましくは600℃に等しい温度で拡散させ、δ相の銅亜鉛合金表面層を形成する。

第４の変形例に従って、手順は以下のとおりである。
-水相電着（aqueous phase electrodeposition）により、δ相の組成である銅と亜鉛のコーティングをワイヤブランク上に堆積させる。
-δ相の銅亜鉛合金表面層を形成するように、559℃から700℃の間、好ましくは559℃から600℃の間、より好ましくは595℃から600℃の間の温度にワイヤを加熱する。

δ相の組成である銅と亜鉛のコーティングの水相電着の実際には、ワイヤブランクはカソードを構成し、アノードは、例えば、亜鉛濃度が72原子％から77原子％の間、すなわち、常温でγ相とε相の適切な混合物である銅亜鉛合金で作られたものを使用する。電解浴は、δ相の組成であるコーティングを堆積させるように適合され、好ましくは堆積物中に76%の亜鉛を含む。
例えば、そのような浴は以下を含むことができる。
- 溶媒としての水
- シアン化銅ＣｕＣＮ: 9g/L
- シアン化亜鉛Ｚｎ（ＣＮ）_２: 70g/L
- シアン化ナトリウムＮａＣＮ: 125g/L
- 水酸化カリウムＫＯＨ: 81 g/L
- 温度:20℃～80℃
- 電流密度:1 A/dm²～10 A/dm²。

銅亜鉛合金の電着の利点は、バリア層がない場合に組成勾配を有する銅または黄銅基板上の亜鉛の拡散とは対照的に、コーティングの厚さ内で組成が一定であることである。

ワイヤ延伸ステップ９４は省略することができる。この場合、異なる集合組織領域間に割れ目が無い。逆に、ラメラ集合組織は電極ワイヤの全周にわたって連続的に広がる。

あるいは、期間ｄ_ｉｎｉは、銅亜鉛合金のδ相の層の上にε相銅亜鉛合金表面層が形成されるのに十分な長さの期間を選択する。この場合、ステップ９０及びステップ９２の後、ラメラ集合組織を有する層１８は、銅亜鉛合金のε相の薄層で覆われる。したがって、この場合、層１８は電極ワイヤの表面層ではない。

電極ワイヤの変形例:
電極ワイヤのコアは、銅、又は、例えば真鍮のような銅を含む合金からなくてもよい。コアは、例えば、鋼又は他の導電性金属からなるとよい。コアが銅を含まない場合、δ相の銅亜鉛合金表面層は異なる方法で得られる。例えば、上述の第１～第４の変形例の製造方法のいずれかに従って製造することができる。

層１４及び層１６は省略することができる。これは特に、中心コアの銅が亜鉛コーティングに拡散する方法を用いてδ相の銅亜鉛合金表面層を得ない場合である。第１～第４の変形例の製造方法は、中心コアの銅が亜鉛コーティングに拡散する方法を用いない製造方法の例である。

コアは、単一の金属又は単一の金属合金からなる必要はない。あるいは、コアは、それぞれの金属又は金属合金からなる複数の層を含む。例えば、コアは、真鍮の層でコーティングされた銅または鋼からなる中心本体を含む。

あるいは、層１８は均一であり、したがって、中心コア１０の全周にわたって連続的に延びる単一の集合組織領域で形成される。例えば、この変形例を製造するために、ステップ８２の間に、亜鉛で電気メッキされたワイヤを延伸して、必要な最終直径を直接得て、ワイヤ延伸ステップ９４を省略する。図５からの方法の他のステップは、例えば、変更されないままである。

第IV章:記載された実施形態の利点
放電加工プロセスが使用される放電加工機の加工領域における通過中に、電極ワイヤの外面は、一般に、複数の連続したスパークを受けることが観察されている。この結果、電極ワイヤの外面に影響を及ぼす第１のスパークの後、第１のスパーク及び他の中間スパークによって改質された外面上において、後のスパークが生成される。言い換えれば、スパークは、電極ワイヤの外面を徐々に改質し、特に放電の速度が関係する場合には、後のスパークの効力に影響を及ぼす可能性がある。特に、火花は、流れる可能性のある材料を溶融させることによって、電極ワイヤのコーティングのトポグラフィーを局所的に変更する。例えば、米国特許第８０６７６８９号明細書に記載の電極ワイヤの場合、コーティングのトポグラフィーを変更するのは、特に、ε相の銅亜鉛合金の溶融である。なぜなら、ε相は、γ相の融点よりも低い融点を有するからである。

放電加工中の加工領域内の通路全体にわたって良好なエロージョン効率を有する電極ワイヤの表面層を維持するために、連続する加工による火花によるエロージョン効率の低下を可能な限り低減することが、ここで提案される。このようにして、電極ワイヤのコーティングの外面は、放電火花が生成される加工領域内の移動の長い部分の間、良好なエロージョン効率を維持することができる。

表面層がε相の銅亜鉛合金に埋め込まれたγ相の銅亜鉛合金の島を含む米国特許第８０６７６８９号明細書に記載の電極ワイヤと比較して、ここで説明される電極ワイヤは、強く短時間の加工による火花にさらされた場合、集合組織領域は、より少ない液体を生成する。したがって、放電火花から生じるクレーターは、例えば、より少ない再凝固領域を特徴とする。生成される液体の量が少ない場合、電極ワイヤは、火花の間により少ない材料を失う。したがって、良好な加工速度を維持しながら、電極ワイヤの移動速度を低減し、したがって、電極ワイヤの消費を低減することができる。

一方、生成される液体の量が少ない場合、液体の流れによって閉塞される破損または気孔が少なく、その結果、電極ワイヤの表面形状がより良好に保存される。したがって、加工速度が増加する。

ここに記載された電極ワイヤの改良された性能は、層１８に存在するε相銅亜鉛合金がラメラ集合組織４０のラメラの間に挟まれているという事実によって現在説明される。銅亜鉛合金γ相ラメラの融点は銅亜鉛合金のε相の融点よりも高いので、銅亜鉛合金のε相が溶融すると、その銅亜鉛合金のε相はラメラ集合組織４０のラメラによって隙間内に保持される。

層１８が電極ワイヤの表面層であるという事実は、放電加工プロセスの最初からラメラ集合組織４０の特性を利用することを可能にする。

Claims (12)

1. 放電加工用の電極ワイヤであって、
   前記電極ワイヤは、
   金属コア（１０）と、
   前記金属コア上に、１つ以上の銅亜鉛合金の集合組織領域（２６－２８）を含むコーティング（１２）を備え、
   集合組織領域は、それぞれ、銅亜鉛合金のγ相と銅亜鉛合金のε相との絡み合いのみによって形成され、
   各集合組織領域（２６－２８）内における前記銅亜鉛合金のγ相の大部分が、前記銅亜鉛合金のγ相からなるラメラ（４４、４６）間の隙間（５４）に前記銅亜鉛合金のε相が満たされたラメラ集合組織（４０）の形態である、
   ことを特徴とする電極ワイヤ。
2. 前記コーティングは、前記金属コアの全周にわたって延在する銅亜鉛合金の第１の層（１８）を含み、
   銅亜鉛合金の各集合組織領域は、前記第１の層の内側に位置する、
   請求項１に記載の電極ワイヤ。
3. 前記第１の層（１８）は、前記電極ワイヤの表面層を形成することによって、銅亜鉛合金の各集合組織領域は、前記電極ワイヤの外面と同一面にある、
   請求項２に記載の電極ワイヤ。
4. 前記第１の層（１８）は、前記電極ワイヤの断面において、銅亜鉛合金の各集合組織領域（２６－２８）を機械的に分ける割れ目（２２－２４）を含む、
   請求項２又は３に記載の電極ワイヤ。
5. 前記コーティング（１２）は、前記金属コア（１０）から前記電極ワイヤの外側に向かって連続して、
   銅亜鉛合金のγ相のみで形成された銅亜鉛合金の均質な第２の層（１６）と、
   前記第２の層の上に直接形成された前記第１の層（１８）と、を含む、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の電極ワイヤ。
6. 銅亜鉛合金の前記第１の層（１８）の厚さが2μmより大きく、銅亜鉛合金の各集合組織領域（２６－２８）の電極ワイヤの断面における最大幅が5μmより大きい、
   請求項１～５のいずれか１項に記載の電極ワイヤ。
7. ラメラ集合組織の各ラメラ（４４、４６）は、電極ワイヤの断面において主にそれぞれの中央軌道（４８、５０）に沿って延び、
   前記ラメラ集合組織のラメラの大部分について、前記中央軌道に沿ったラメラの平均厚さが1μmまたは0.5μm未満である、
   請求項１～６のいずれか１項に記載の電極ワイヤ。
8. ２つのラメラ間の隙間（５４）の最大幅が1μm未満または0.5μm未満である、
   ことを特徴とする請求項７に記載の電極ワイヤ。
9. 請求項１～８のいずれか１項に記載の電極ワイヤの製造方法であって、以下のステップを含むことを特徴とする電極ワイヤの製造方法。
   a) 559℃以上700℃以下の温度で銅亜鉛合金のδ相の層を形成する能力を有するコーティングを金属ワイヤブランク上に製造するステップ（８２）。
   b) 前記コーティングを559℃以上700℃以下の温度に加熱し、前記銅亜鉛合金のδ相の層が得られるまでその温度に維持するステップ（８４）。
   c) 次に、前記銅亜鉛合金のδ相の層が得られるとすぐに、前記銅亜鉛合金のδ相の層の温度を350℃超過559℃未満に維持する最初の冷却を、期間ｄ_１ｍｉｎから期間ｄ_１ｍａｘの間の期間ｄ_１の間に行うステップ（９０）であって、
   前記期間ｄ_１ｍｉｎは、前記銅亜鉛合金のδ相の温度を350℃から559℃までの間に維持しなければならない最短期間であり、
   前記銅亜鉛合金のδ相の一部は銅亜鉛合金のγ相に変態して、銅亜鉛合金のγ相の大部分を含む銅亜鉛合金のγ相のラメラ集合組織を形成し、
   これと並行して、前記銅亜鉛合金のδ相の残りは、銅亜鉛合金γ相ラメラ集合組織のラメラ間の隙間を満たす銅亜鉛合金のε相に変態し、
   前記期間ｄ_１ｍａｘは、ラメラ集合組織銅亜鉛合金が消えて、重量の90%が銅亜鉛合金のγ相によって形成されているサブ層に変化するまでの期間であるステップ（９０）。
   d) 前記期間ｄ_１が経過した直後に、0.05秒未満でラメラ集合組織の温度を30℃に低下させる2回目の冷却するステップ（９２）。
10. 前記期間ｄ_１ｍｉｎが0.1秒以上であり、前記期間ｄ_１ｍａｘが1.5秒以下である、
    請求項９に記載の電極ワイヤの製造方法。
11. 前記金属ワイヤブランクの表面層上の銅濃度が50原子％または60原子％を超え、かつ
    前記コーティングを製造することは、98原子％を超える亜鉛濃度を有する層を前記金属ワイヤブランクの表面層上に直接生成することを含む、
    請求項９又は１０に記載の電極ワイヤの製造方法。
12. ステップb)において、前記コーティングが生成された前記金属ワイヤブランクを600℃の炉内に6秒間置くことを含む、
    請求項１１に記載の電極ワイヤの製造方法。

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