用于慢走絲電火花切割用的電極絲及其制備方法
【專利摘要】一種用于慢走絲電火花切割用的電極絲，包括電極絲本體，電極絲本體由合金化黃銅材料制成的芯材和覆蓋在芯材上的表層金屬層構成，且芯材和表層金屬層之間為過渡層；所述的合金化黃銅材料中銅的含量為58.0?65.0wt％,余量為鋅和少量的添加元素及不可避免的雜質成分；所述表層金屬層的材料由銅、鋅、添加元素及不可避免的雜質成分組成，其中鋅的含量大于52wt％而小于68wt％，并且該表層金屬層呈縱向斷裂狀分布。同現有技術相比，本發明的優點在于：所制造的電極絲，放電性能穩定，切割速度提升，不損傷慢走絲設備的送絲部分及導向裝置，電極絲加工工藝簡單，應用廣泛，成本低廉，具有廣闊的市場前景。
【專利說明】
用于慢走竺電火花切割用的電極竺及其制備方法
技術領域
[0001 ] 本發明設及一種用于慢走絲電火花放電加工用的電極絲化lectro Discharge Machining)及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 眾所周知，電火花加工是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時產生的電蝕作用 蝕除導電材料的特種加工方法，又稱放電加工或電蝕加工，英文簡稱EDM化lectrical Discharge Machining),工業生產時，電火花切割加工工藝是通過在被加工部件和電極絲 之間的區域生成電火花來電蝕加工部件的金屬，并且通過電極絲沿自身軸向方向的移動或 者是加工部件沿電極絲徑向方向平移來電腐蝕加工出按規定要求形狀的工件。
[0003] -般來說，慢走絲電火花的供電發生器的正極連接切割工件，負極通過供電導輪 連接到電極絲，正負極之間根據加工要求的工況條件選擇合適的電勢差，加工區域浸在特 殊的介質中，也有采用噴淋式的方式，介質一般采用去離子水，也有一部分高要求的切割機 采用礦物油。正負極之間存在電勢差，當電極絲和工件維持的放電間隙足夠引起電擊穿的 狀態下，電極絲和工件之間產生瞬間放電，瞬間放電的溫度在10000-12000°C，高溫使工件 融化，甚至有少量的氣化，高溫也使電極絲和工件之間的部分介質汽化，運些汽化后的介質 和金屬蒸汽瞬間迅速膨脹，瞬間有爆炸的特性，爆炸產生的作用力將電蝕出的金屬顆粒排 放到介質中。為了保證切割精度，電極絲是連續不斷供給的，運樣可W保證切割出的工件具 有固定的形狀尺寸和穩定的表面質量。
[0004] 中走絲、快走絲是我國具有獨立知識產權的電火花線切割加工技術，為區別于上 述兩種加工方式，根據走絲方式和走絲速度的不同，近年來，隨著慢走絲發展技術在中國的 逐漸普及，我國的一些專業技術人±將慢走絲加工命名為單向走絲電火花加工。
[0005] 當前市場上存在有各種類型的電極絲，運些類型的電極絲都根據所匹配的加工方 式而有特殊的性能，如追求經濟型的電極絲，追求高精度的電極絲，追求高速度的電極絲， 追求綜合切割性能的電極絲。
[0006] 電極絲的使用工況條件決定了電極絲務必有足夠的機械抗拉強度和導電率，只有 運樣才能保證切割出的工件有穩定的尺寸精度和表面質量，并且足夠的強度可W防止放電 時爆炸引起的振動，通常情況下，電極絲的抗拉強度被設計成450-1150Mpa，導電率被設計 成大于18.5% IACS。電極絲的表層結構決定了放電時的相應特性，汽化能力的大小同電極 絲表層的結構特點有必然因果關系，超過了電極絲的放電極限，電極絲就會斷裂，因此設計 電極絲時就要考慮電極絲的放電能力和表層結構。
[0007] 電火花切割是通過放電腐蝕的方式來進行的，要提高切割速度，則放電火花必須 足夠大，放電火花大，則放電腐蝕去除的金屬顆粒就大，對應產生金屬顆粒的坑桐也就相應 增大，反映到工件上就是工件的表面的粗糖度變差，反之，降低電火花腐蝕的速度，則金屬 顆粒就小，坑桐就小，最后切割的工件表面質量就變好。
[000引綜上分析，現在的技術條件下，難W找到效率、精度、表面質量同時優化的電極絲。
[0009] 下面介紹一下當今市場上經常被用戶使用的電極絲：
[0010] 1.含銅量在58-65%的普通黃銅電極絲，運種電極絲價格低廉，但因為表層結構及 鋒含量的限制，運種電極絲的電腐蝕速度低，適合于一般要求的常規加工。
[0011] 2.表層鍛鋒的電極絲，運種純鋒覆蓋層，因為鋒的氣化溫度低，而更容易被汽化損 耗，并且在切割厚度較大的工件時，容易產生兩頭小中間大鼓肚現象。
[0012] 3.表層有橫向不規則裂紋的電極絲，運種電極絲表層含有β相和丫相，或者是兩種 相的混合物，因為有裂紋及含高鋒的丫相黃銅合金，所W運種電極絲的切割速度比1和2中 的電極絲都快，但運種電極絲有一個無法避免的缺點：由于表層橫向裂紋的存在，電極絲在 使用時，移動方向沿裂紋的垂直方向，因此運種裂紋的存在會損傷慢走絲切割機的送絲部 分結構及導向裝置；同時，因為裂紋垂直于電極絲的軸向，電極絲的力學性能也會降低，對 于一些對電極絲力學性能有要求的場合，運種電極絲的適用性也會受到限制。
[0013] 現在用戶所使用的電極絲材料不外乎上述幾種，根據前面論述，上述電極絲均是 在特定的工況條件下使用的電極絲，使用范圍窄，且還具有不同程度的缺陷和不足。
【發明內容】
[0014] 本發明針對現有技術的上述不足，充分運用材料學的一般原理及電極絲的結構構 造原理，提供一種制造成本低，適合于在粗割時最大限度地提高切割速度，在精修時最大限 度地提高表面質量，并且在切割時減少對慢走絲設備損傷的電極絲。
[0015] 為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種用于慢走絲電火花切割 用的電極絲，包括電極絲本體，電極絲本體由合金化黃銅材料制成的忍材(忍材層）和覆蓋 在忍材上的表層金屬層構成，且忍材和表層金屬層之間有過渡層;所述的合金化黃銅材料 中銅的含量為58.0-65. Owt %，余量為鋒和少量的添加元素及不可避免的雜質成分;所述表 層金屬層的材料由銅、鋒、添加元素及不可避免的雜質成分組成，其中鋒的含量大于52wt% 而小于68wt %，并且該金屬層呈縱向斷裂狀分布，斷裂處的特征為：
[0016] -縱向斷裂處空隙的表面積大于表層金屬層(3)表面積的5%而小于40%;
[0017] -縱向斷裂處的裂紋形狀呈不規則狀態分布。
[0018] 本發明上述的斷裂處空隙的表面積W位于金屬層表層外表面呈現的裂紋的長度 和寬度來衡量，而裂紋的深度不予W考慮。
[0019] 作為進一步的優選，斷裂處的特征為：
[0020] -縱向斷裂處的裂紋深度為電極絲(1)直徑尺寸的0.1-2.5%。
[0021 ]作為進一步的優選，斷裂處的特征為：
[0022] -縱向裂紋的寬度為0.1-3皿，裂紋長度為3-20皿。
[0023] 進一步；
[0024] 本發明的電極絲，所述的過渡層，其中的鋒原子由內向外呈線性增加分布（見圖 3)、銅原子由內向外呈線性減少分布(分布圖與圖3鋒原子分布相反）。運種銅鋒含量的分布 方式，使得表層金屬和忍材金屬融為一體，減少了表層金屬的脫落，有助于切割。
[0025]本發明所述忍材層中的雜質成分小于0.5wt %，表層金屬層中的雜質成分小于 0.3wt%。
[0026]本發明所述忍材層的添加元素由兩部分組成，分別為Ml和M2,其中Ml為憐、稀±、 鋼、鐘、儀、巧中的至少一種，M2為侶、娃、儘、鐵、銘、鐵中的至少一種。
[0027] 再進一步:Ml的含量為0.0005-0.05wt %，M2的含量為0.005-0.08wt %。
[0028] 本發明表層金屬層中有Ml和M2中的各至少一種。
[0029] 本發明表層金屬層的相結構為丫相銅鋒合金，及固溶在丫相銅鋒合金中的Ml和M2 中的元素（即從忍層擴散滯留在表層金屬層中形成的添加元素）。
[0030] 本發明電極絲的成品加工方法為:成品采用退火后塑性加工，然后再退火的方式 進行;塑性加工前退火參數為:溫度80-750°C，退火時間1.0-120秒，塑性加工后退火參數 為:溫度60-650 °C，退火時間0.05-5秒。
[0031 ]本發明最后獲得的電極絲的特征為：電極絲的導電率為18.5 % -27.5 % IACS，抗拉 強度為850-1120Mpa(高導電率和強度保證切割的直線度和速度的提升）。
[0032] 本發明所述的表層金屬層的厚度為最終電極絲直徑的0.5-5.5%，優選大于最終 電極絲直徑的0.5%小于5.5%。本發明之所W采用上述厚度比例，主要是因為太薄速度慢， 太厚線脆。
[0033] 本發明所述的所述過渡層的厚度為電極絲直徑的0.05-2.0%。
[0034] 本發明中表層金屬中的其它元素是運樣形成的：對材料進行熱處理后，忍材合金 中的其他元素就會有一部分擴散到表層復合金屬層中，從而實現在表層中的滯留。
[0035] 本發明表層金屬層上的縱向裂紋是運樣形成的：因為忍材及表層金屬層采用特殊 的成分配比，在進行瞬間高溫退火時，忍材金屬的熱膨脹系數大于表層金屬層的熱膨脹系 數，即表層金屬產生表層拉應力，忍材金屬產生壓應力，對運種復合過后含特殊應力結構的 材料進行塑性加工，表層會形成不規則的縱向裂紋。
[0036] 本發明的電極絲的具體制備方法為:成品加工方式采用退火后塑性加工，然后在 退火的方式進行;塑性加工前退火參數為:溫度80-750°C，退火時間1.0-120秒，塑性加工后 退火參數為:溫度60-650°C，退火時間0.05-5秒。
[0037] 因為，慢走絲電火花加工通常采用粗割精修的方式進行，一般采用割一修幾的工 藝，最高要求的有割一修十，修刀的次數越多，切割過后的表面質量會越高，即表面粗糖度 Ra會越低，很顯然，在粗割時要求有高的電腐蝕速度，即大的放電火花，從而保證有高的切 割速度，在最后一刀精割時有低的放電能量，來保證切割工件有高的切割表面質量。正是基 于上述特殊組分、結構和加工方式的控制，本發的電極絲實現在粗割時通過優化材料的電 性能及表層結構，最大限度地提高切割速度，精修時使電極絲有較低的放電能量，來保證切 割工件有較優的表面質量，同時不論是在粗割或者是精修，對慢走絲設備的送絲部分及導 向裝置部分都不損傷。
[003引本發明的優點和有益效果：
[0039] 1.本發明的忍材金屬因為采用了合金化的連續烙煉鑄造技術，通過添加 Ml和M2兩 種不同類型的金屬元素，使材料的綜合性能得到提高，Ml中憐、稀±、鋼、鐘、儀、巧為強的還 原性金屬，且化學性能都比銅和鋒活潑，運些元素添加后，可W同銅鋒溶液中的氧硫氨發生 氧化還原反應，并去除運些雜質，因為運些元素的化學反應生產的產物比銅溶液的密度低， 雜質漂浮在溶液表面，便于清理，M2中侶、娃、儘、鐵、銘、鐵為強度元素，本發明電極絲是表 面有裂紋的電極絲，裂紋的存在降低了材料的力學性能，為了不使材料的強度降低，添加 M2 中的任何一種金屬元素，運些金屬元素銅銅鋒固溶在一體，提高基體的強度，忍材的抗拉強 度得到了提升，強度的提高有助于在切割時提升切割工件的直線度。
[0040] 2.本發明Ml中憐、稀±、鋼、鐘、儀、巧元素的添加量為0.0005-0.05wt%，添加控制 在運個范圍內既可W保證成本不會提升很多，同時又可W時材料的性能提升最大化，因為 過多的Ml元素容易在銅鋒溶液中形成氧化物夾雜，反而降低材料的綜合性能。
[0041 ] 3.同種道理，本發明中的M2金屬侶、娃、儘、鐵、銘、鐵的含量為0.005-0.08wt%，過 量添加會降低材料的機械性能，同時材料的導電率會下降，采用本發明的配比，材料成本比 較低，而材料的機械性能又得到相應的提高，生產難度小，適合于批量化生產。
[0042] 4.本發明因為材料特殊的成分配比及加工方式，在電極絲的表面形成不規則的縱 向裂紋，且縱向裂紋的表面積大于表層金屬層(3)表面積的0.5%而小于30%，試驗證明裂 紋的表面積如果大于50% W上會降低材料的機械性能，同時裂紋太大，切割時吸附效應大， 進入裂紋中的冷卻液會急劇增加，使電極絲的切割性能降低；同時，縱向裂紋不損傷慢走切 割設備的送絲裝置及導向裝置。
[0043] 5.本發明忍材(2)和表層(3)過渡區的鋒原子由內向外呈線性增加分布，銅原子由 內向外呈線性減少分布，銅鋒含量的運種分布，使表層金屬同忍材料金屬融為一體，減少了 表層金屬的脫落，有助于切割。
[0044] 6.表層金屬層的相結構為丫相銅鋒合金，及固溶在丫相銅鋒合金中的Ml和M2中的 元素。丫相中含有Ml和M2兩種不同種類型的金屬元素，使本發明的丫相同常規的丫相對比 綜合性能更有，放電更穩定，使最終電極絲的切割表面質量得到提升。
[0045] 7.本發明中含有特殊成分的丫相，可W阻礙放電時電極絲的消耗，保證電極絲的 形狀尺寸，保證切割工件的表面質量。
[0046] 8.本發明中由于表層復合金屬層Ml金屬氧化物的存在，Ml金屬氧化物的硬度比氧 化鋒的硬度高，使氧化鋒在切割時產生自潤滑作用，相當于電極絲放電時在電極絲的表面 涂了一層潤滑油，可W減少由于摩擦對切割工件表面的損傷，從而提高切割工件的表面光 潔度。
[0047] 9.本發明因為忍材金屬添加了Ml和M2的合金化元素，使電極絲材料的總導電率可 W達到18.5%-27.5%IACS，運種導電率的存化可W保證使運種電極絲的切割速度比普通 黃銅電極絲快15% W上。
[0048] 10.本發明電極絲在制造過程中因為添加了 Ml和M2的合金化元素，使材料的機械 性能得到了提高，抗拉強度可W在550MpaW上，強度的升高保證了電極絲材料的記憶特性， 從而保證電極絲恢復成直線的特性，最終保證穿絲的成功率。
[0049] 11.本發明電極絲表層鋒的含量大于52wt%而小于68wt%，并且該金屬層呈縱向 斷裂狀分布，縱向裂紋的存在相當于延長了電流的傳播路徑，使之有較低的電流強度，低的 電流強度及鋒含量在60%左右的鋒銅合金，可W保證在精修時有低的放電能量，來保證最 終料件的表面質量。
[0化0] 12.本發明電極絲的外層金屬層厚度為最終電極絲直徑的大于0.5%小于5.5%， 運種厚度可W保證切割時的放電穩定，提高切割工件的表面質量。
[0051] 13.本發明提供一種新型的電極絲，是綜合性能得到提高的電極絲，一方面采用連 續鑄造、連拉連退的清潔化生產方式，并且可W大大降低工人的勞動強度，提升生產效率， 從而降低電極絲材料的制造成本。
【附圖說明】
[0052] 圖1為本發明電極絲縱向片段示意圖。
[0053] 圖2為本發明電極絲的橫截面示意圖。
[0054] 圖3為本發明電極絲鋒原子由內向外呈線性增加分布圖。
【具體實施方式】
[0055] 下面通過實施例進一步詳細描述本發明，但本發明不僅僅局限于W下實施例。
[0056] 本發明中所述的導電率單位％IACS是國際單位制。
[0057] 本發明中所述的兆帕是氣體壓力單位。
[0058] 本發明中所述的wt%是材料配比時的質量百分比（或稱重量百分比），不是體積百 分比。
[0059] 本發明中所述的Γ是溫度單位攝氏度。
[0060] 本發明中的合金化技術是通過應用變質處理的方式進行的，通過合金化元素使金 屬材料力學性能提高的方法稱為合金化，工業上經常采用運種技術來提高材料的力學性能 及初性。
[0061] 為了證明本發明的電極絲結構和電極絲的制造方法是有利的，通過下面的實施例 來加 W證明。
[0062] 實施例：
[0063] 1.1、W市場合適的價格采購銅、鋒、憐、稀±、鋼、鐘、儀、巧、侶、娃、儘、鐵、銘、鐵原 材料，經化學分析合格后，開始配料；
[0064] 1.2、根據表1所示的合金成分進行合金化配料，并將配好的原材料運至烙煉現場， 準備烙煉；
[0065] 1.3、烙煉是制造切割線材料的重要工序，所有的合金化元素的添加都在此工序完 成，烙煉采用上引連續鑄造，鑄造溫度選擇為950-1250°C ;
[0066] 1.4、塑性加工和再結晶退火:此工序主要是指將制造出來的上引連鑄巧桿經過化 皮、再結晶退火、不同道次的塑性加工，根據成品規格的需要，來設置母線的規格，本工序生 產的裸銅線的規格為Φ 0.8- Φ 1.6mm;
[0067] 1.5、電沉積鋒:對工序1.4按照表2進行常規的電沉積工藝加工，獲得具有表層金 屬層的粗巧；
[0068] 1.6、成品加工:本工序采用退火+塑性加工+退火的在線技術，塑性加工前退火參 數為:溫度80-750°C，退火時間1.0-120秒，塑性加工后退火參數為:溫度60-650°C，退火時 間0.05-5秒;將電極絲性能調整到材料所要求的導電性能與力學性能及如表2所示的表層 鋒含量。
[0069] 本發明上述工藝過程大多為本領域常規工藝，其中最后的成品加工過程關于退火 +塑性加工+退火工藝參數為本發明創造性發明，該工藝控制上述本發明的公益參數范圍 內，即可制作出本發明的電極絲。
[0070] 表1為本發明實施例裸銅線(忍材層)化學成分
[0071]
[0074] W最終的產品統一規格為0.25mm，獲得的電極絲的結構，具體可W見附圖2,電極 絲的橫截面結構示意圖：包括電極絲本體1，電極絲本體1由合金化黃銅材料制成的忍材2和 覆蓋在忍材上的表層金屬層3構成，且忍材2和表層金屬層3之間為過渡層4;所述的表層金 屬層3沿著電極絲本體的縱向呈斷裂狀分布（如圖1所示，可W看出電極絲的表層金屬層上 分別很多縱向裂紋，即斷裂處），具體為斷裂處4.1縱向延伸。
[0075] 采用如下的切割工況條件進行切割比對：試驗設備為Ξ菱公司制造的 FA10SADVANCE2009機器，切割周期為10個工作日；工件材質：SKD11;設備參數:醒;加工次 數:割一修四；力旺模式:浸水式;將設備的張力參數調整為適合900N/mm2的切割線;噴嘴壓 靠在工件上。對比相關參數如下表3所示：
[0076] 表3本發明實施例產品使用性能和現有技術電極絲對比
[0077]
[0078] 注:上述所取切割速度和切割表面質量的數值為10個工作日內出現概率最多的數 值。
[0079] 綜上可知，本發明切割線的導電率得到提高，且切割出來料件的粗糖度同同種類 型的線對比線接近;力學性能稍低，但在切割線性能正常范圍內，不影響使用；從對比例看 出：本發明電極絲同對比黃銅電極絲對切割設備的損傷一致，比橫向的電極絲要優；同時， 因為本發明電極絲的裂紋是同電極絲移動方向一致的，便于自動穿絲。
[0080] 上述實施例對本發明進行說明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權 利要求書的保護范圍內，對本發明的任何修改和改變，都將落入本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種用于慢走絲電火花切割用的電極絲，其特征在于:包括電極絲本體（1)，電極絲 本體（1)由合金化黃銅材料制成的芯材(2)和覆蓋在芯材(2)上的表層金屬層(3)構成，且芯 材（2)和表層金屬層（3)之間有過渡層（4);所述的合金化黃銅材料中銅的含量為58.0-65.Owt%，余量為鋅和少量的添加元素及不可避免的雜質成分;所述表層金屬層(3)的材料 由銅、鋅、添加元素及不可避免的雜質成分組成，其中鋅的含量大于52wt%而小于68wt%， 并且該表層金屬層呈縱向斷裂狀分布，斷裂處(4.1)的特征為： -縱向斷裂處空隙的表面積大于表層金屬層(3)表面積的5%而小于40%; -縱向斷裂處的裂紋形狀呈不規則狀態分布。2. 根據權利要求1所述的用于慢走絲切割用的電極絲，其特征在于:所述斷裂處裂紋的 深度為電極絲本體(1)直徑尺寸的〇. 1-2.5%。3. 根據權利要求1所述的用于慢走絲切割用的電極絲，其特征在于:所述斷裂處裂紋的 寬度為〇.1-3μηι，裂紋的長度為3-20μηι。4. 根據權利要求1-3任一權利所述的用于慢走絲切割用的電極絲，其特征在于:所述的 過渡層(4)中的鋅原子由電極絲的內向外呈線性增加分布、銅原子由內向外呈線性減少分 布。5. 根據權利要求1的所述用于慢走絲切割用的電極絲，其特征在于:所述的芯材(2)中 不可避免的雜質含量小于〇.5wt%，表層金屬層(3)中不可避免的雜質含量小于0.3wt%。6. 根據權利要求1的用于慢走絲切割用的電極絲，其特征在于:所述的芯材(2)中的添 加元素由兩部分做成，分別為Ml和M2,其中Ml為磷、稀土、鈉、鉀、鎂、鈣中的至少一種，M2為 鋁、硅、錳、鈦、鉻、鐵中的至少一種；所述的Ml的含量為0.0005-0.05wt %，M2的含量為 0.005-0.08wt% 〇7. 根據權利要求6所述的用于慢走絲切割用的電極絲，其特征在于:所述的表層金屬層 (3)中含有Ml和M2中的各至少一種。8. 根據權利要求6所述的用于慢走絲切割用的電極絲，其特征在于:所述的表層金屬層 的相結構為γ相銅鋅合金，及固溶在γ相銅鋅合金中的M1和M2中的至少一種元素。9. 根據權利要求1所述的用于慢走絲切割用的電極絲，其特征在于:所述的表層金屬層 (3)的厚度為電極絲直徑的0.5-5.5 %，所述過渡層(4)的厚度為電極絲直徑的0.05-2.0 %。10. 根據權利要求1所述的用于慢走絲切割用的電極絲的制造方法，其特征在于:成品 加工方式采用退火后塑性加工，然后在退火的方式進行;塑性加工前退火參數為:溫度80-750°C，退火時間1.0-120秒，塑性加工后退火參數為:溫度60-650°C，退火時間0.05-5秒。
【文檔編號】B23H1/06GK105834533SQ201610260886
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月25日
【發明人】孟憲旗, 萬林輝, 林火根, 梁志寧, 陳小軍, 吳桐
【申請人】寧波博威麥特萊科技有限公司