一种慢走丝电火花加工用电极丝

技术领域

本发明属于电火花线切割加工领域，具体涉及一种慢走丝电火花加工用电极丝。

背景技术

电火花线切割加工(Wire cut Electrical Discharge Machining，简称WEDM)，其基本工作原理是利用连续移动的细金属丝作为电极，对待加工工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型。采用电火花线切割加工工件时，将工件接入脉冲电源正极，将电极丝接入高频脉冲电源负极作为工具电极，脉冲电源提供加工能量，同时在加工过程中应用专用的线切割工作液清除加工中产生的碎屑。通电工作时，在强电场的作用下，正极和负极表面分别受到电子流和离子流的轰击，使工件和电极丝之间间隙内形成瞬时高温热源使局部金属熔化和气化，从而在电极丝和工件上形成腐蚀坑，同时使工作液气化。气化后的工作液和工件材料蒸汽瞬间迅速膨胀，在这种热膨胀和工作液冲洗的共同作用下，熔化和气化的工件材料被抛出放电间隙，至此完成一次火花放电过程。重复上述火花放电过程，以将工件切割成型。

电火花线切割加工的切割速度、切割精度和工件加工后的表面光洁度等工艺指标除了受电火花线切割加工设备机器影响外，与所使用的电极丝性能也具有密切关系。

电火花线切割加工用电极丝在技术发展过程中经历了纯铜线、黄铜线、镀锌线和包覆线四代产品的更新发展。包覆线在电极丝表面镀覆一定厚度的高锌合金层(即含锌量高的合金层)，利用高锌合金的特性达到更高的气化压力，从而有助于提高加工速度，根据镀覆高锌合金成分的不同，包覆线可分为γ包覆线、β包覆线和复合包覆线。包覆线是目前广泛使用的一类电极丝。

然而，包裹线在实际生产加工应用中还存在一定缺陷。由于表层高锌合金易熔化、气化，耐放电腐蚀性较差，随着电火花线切割加工的进行，表层高锌合金层消耗较快，难以长时间发挥表层作用，随着表层高锌合金层的消失，切割加工速度随之减慢，且切割加工精度也会随之下降。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种慢走丝电火花加工用电极丝，所述电极丝具良好的表层导电性能，能够长时间保持高切割加工速度，具有高切割加工精度且制备工艺简单。

根据本发明的一个方面，提供一种慢走丝电火花加工用电极丝，包括：芯材；中间层，其位于所述芯材外部；以及表层，其位于所述中间层外部；其中，所述芯材为金属或合金，所述中间层为铜锌合金，所述表层含有碳元素；所述电极丝表面碳元素含量为0.2-60wt％。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明慢走丝电火花加工用电极丝表层中含有碳元素，其具有较高的导电率，提高了电极丝在电火花放电加工时电流传输效率，提高了切割加工速度。

2、本发明慢走丝电火花加工用电极丝表层中含有碳元素，由于碳具有较高的熔点，电极丝表面具有较高的耐放电腐蚀性能，在电火花放电加工过程中，电极丝表层能够长时间保持相对稳定的结构，保证电极丝表层长时间发挥作用，保持电极丝高切割加工速度。同时，电极丝表面较高的耐放电腐蚀性能，使得在电火花放电加工过程中，电极丝与工件的放电间隙能够维持更加稳定，实现了更加均匀稳定的放电强度，提高了工件切割加工精度。

3、本发明慢走丝电火花加工用电极丝表面碳元素含量限定在0.2-60wt％范围内，能够保证电极丝具有较高的切割速率，兼顾高切割加工速率和高切割加工精度，且保证电极丝易于生产制造。碳具有高熔点、高气化温度特性，在电火花放电加工中较难气化，随着电极丝表面碳元素含量增加，虽然提高了电极丝的导电性能，有利于提高切割加工速度，但同时使得电极丝表面易气化组分含量降低，降低了表面气化冲刷效果，对切割加工速度产生不利影响。此外，表面碳元素含量过高也会使得电极丝表层结构易脱落，提高了电极丝生产加工难度。

优选的，所述电极丝表面碳元素含量为1-20wt％。将电极丝表面碳元素含量限定在上述范围，能够保证在采用所述电极丝进行电火花放电加工时具有较高的切割速率和切割加工精度。具体地，所述电极丝表面碳元素含量可为1-15wt％、1-10wt％、1.5-20wt％、1.5-15wt％、1.5-10wt％。

优选的，所述表层中的碳元素至少部分以单质碳的形式存在。单质碳具有较高的导电率和熔点，表层中的碳元素以单质碳形似存在有利于进一步提高电极丝的导电率和表面耐放电腐蚀性能，进而提高切割加工速率和切割加工精度。

优选的，所述单质碳包括石墨和/或无定形碳。石墨和无定形碳具有优良的导电率，表层含有石墨和/或无定形碳的电极丝，具有更高的切割加工速度。

优选的，所述表层间断地覆盖在所述中间层外部，且所述表层的间断处露出所述中间层和/或所述芯材。表层间断地覆盖在中间层外，在表层的间断处会形成尖端。尖端更易放电，在进行电火花线切割加工时，能够缩减电极丝产生电火花的反应时间，从而进一步加快电火花线切割的速度。同时，露出的中间层或芯材均可以进一步提高表层的导电性能，有利于提升放电能量的传输，进而进一步地提升切割速度。

优选的，所述中间层铜锌合金为β相铜锌合金、β

优选的，所述中间层具有裂纹。裂纹处形成尖端，尖端更易放电，在进行电火花线切割加工时，能够缩减电极丝产生电火花的反应时间，从而加快电火花线切割的速度。另外，裂纹也能够通过增大电极丝与工作液的接触面积而提高切割速度。因此在表层被消耗完后，中间层裂纹结构能够进一步加快切割速度。

优选的，所述芯材为铜或铜合金。铜和铜合金具有优良的导电性能，采用所述材质芯材，保证电极丝具有优良性能。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明电极丝表面碳含量扫描电镜能谱测试示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例。

在示出具体的实施方式之前，对本发明提供的慢走丝电火花加工用电极丝的成分、结构特征以及相关组分含量测试方法进行相关说明：

制备母线时一般采用黄铜母线，具体的，一般由CuZn37黄铜或CuZn40黄铜制成。也可以使用紫铜(也即纯铜)来制备母线，或者除黄铜以外的铜合金来制备母线，或者使用其他金属或合金来制备母线。

本发明中电极丝表面碳含量是指电极丝成品中周向最外侧的、与环境相接触表面部分中的碳元素含量，此处电极丝表面不同于电极丝表层，电极丝表层为电极丝最外侧的具有一定厚度的层结构，表层最外侧与环境相接触部分构成所述电极丝表面的部分或全部。

电极丝表面碳含量可通过本领域知晓的元素成分测试方法进行测定。本发明实施例中采用在电子扫描电镜下对电极丝表面进行能谱测试的方法测定电极丝表面碳含量，具体地，如图1所示，采用实验室常规电子扫描电镜和能谱仪设备，将电极丝样品放入样品室中，在电子扫描电镜显示的电极丝表面上选定一矩形测试区域进行能谱测定，所述矩形区域的短边长度为电极丝半径的1-2倍，长边长度为短边长度的1-5倍。在同一根电极丝不同部位，各个元素分布并不完全相同，在同一根电极丝的多个不同部位采用上述方法测定碳含量，通过将各个不同部位的碳含量取均值以获得该电极丝的表面碳含量。本发明下述实施例中，在同一根电极丝上取10个不同部位，分别采用上述电子扫描电镜能谱测试方法测得各个部位的表面碳含量，之后将所获得10个碳含量值取平均值作为对应电极丝的表面碳含量。

电极丝表面碳含量在0.2-60wt％范围内。当电极丝表面碳含量过低时，高导电率、高熔点的碳含量较低，其提升电极丝在电火花放电加工时电流传输效率、提高切割加工速度的作用以及保持表层长时间发挥作用、提高切割加工精度的作用不明显；而当电极丝表面碳含量过高时，由于碳高熔点、高气化温度特点，电极丝表面气化冲刷效果会有较大的降低，降低切割加工速度，且表面碳元素含量过高也会使得电极丝表层结构易脱落，提高了电极丝生产加工难度。将电极丝表面碳含量控制在上述范围，能够保证电极丝具有较高的切割速率，兼顾高切割加工速率和高切割加工精度，且保证电极丝易于生产制造。

β’相在特定温度以下可以保持稳定，其具有有序晶格，如果超过该特定温度，β’相会变成无序的β相。根据一般的观点，β相和β’相之间的转换不可抑制，但对其机械和电气特征影响较小。为了便于描述，下述实施例中均以β相来表述，在提到β相时，也总是意味着提到了β’相，也即下文中的β相表示β相和β’相中的一种或两种均具有。

实施例1：

采用如下工艺制备本实施例慢走丝电火花加工用电极丝：

S100：提供线径规格为1.2mm的CuZn37黄铜母线；

S101：采用含有添加剂的电镀液在所述母线表面镀锌，在母线表面镀覆形成10μm的镀锌层，制成第一线坯，其中所述添加剂为低聚果糖、山梨糖醇、糊精、蔗糖、乳糖和麦芽糖中的一种或多种混合物，所述添加剂在电镀液中的浓度为15g/L；

S102：在流动的空气氛围下，对第一线坯进行热处理，热处理温度为240℃，热处理时间为45h，所述添加剂在热处理过程中受热分解，制成第二线坯，所述第二线坯由内向外依次具有芯材、β相铜锌合金层、γ相铜锌合金层和表层；

S103：对所述第二线坯进行多模连续拉伸及去应力退火处理，制成线径规格为0.25mm的电极丝成品。

将上述工艺制备的电极丝采用电子扫描电镜和能谱仪设备测定电极丝表面碳含量，测定10个不同部位的表面碳含量，取均值作为该电极丝的表面碳含量。并确定上述工艺制备的电极丝的电导率、表层附着情况。测试结果如表1所示。

将上述工艺制备的电极丝采用阿奇E350机器进行测试，测试工件材料为8407，测试工件尺寸为6mm(长)*6mm(宽)*50mm(厚)，测试加工刀次选择“一切四修”。测试结果如表2所示。

实施例2：

采用如下工艺制备本实施例慢走丝电火花加工用电极丝：

S100：提供线径规格为0.5mm的CuZn40黄铜母线；

S101：采用含有添加剂的电镀液在所述母线表面镀锌，在母线表面镀覆形成20μm的镀锌层，制成第一线坯，其中所述添加剂为低聚果糖、山梨糖醇、糊精、蔗糖、乳糖和麦芽糖中的一种或多种混合物，所述添加剂在电镀液中的浓度为10g/L；

S102：在流动的空气氛围下，对第一线坯进行热处理，热处理温度为450℃，热处理时间为25h，所述添加剂在热处理过程中受热分解，制成第二线坯，所述第二线坯由内向外依次具有芯材、β相铜锌合金层和表层；

S103：对所述第二线坯进行多模连续拉伸及去应力退火处理，制成线径规格为0.25mm的电极丝成品。

将上述工艺制备的电极丝采用电子扫描电镜和能谱仪设备测定电极丝表面碳含量，测定10个不同部位的表面碳含量，取均值作为该电极丝的表面碳含量。并确定上述工艺制备的电极丝的电导率、表层附着情况。测试结果如表1所示。

将上述工艺制备的电极丝采用阿奇E350机器进行测试，测试工件材料为8407，测试工件尺寸为6mm(长)*6mm(宽)*50mm(厚)，测试加工刀次选择“一切四修”。测试结果如表2所示。

实施例3：

采用如下工艺制备本实施例慢走丝电火花加工用电极丝：

S100：提供线径规格为1mm的CuZn40黄铜母线；

S101：采用含有添加剂的电镀液在所述母线表面镀锌，在母线表面镀覆形成5μm的镀锌层，制成第一线坯，其中所述添加剂为低聚果糖、山梨糖醇、糊精、蔗糖、乳糖和麦芽糖中的一种或多种混合物，所述添加剂在电镀液中的浓度为20g/L；

S102：在流动的空气氛围下，对第一线坯进行热处理，热处理温度为175℃，热处理时间为30h，所述添加剂在热处理过程中受热分解，制成第二线坯，所述第二线坯由内向外依次具有芯材、γ相铜锌合金层和表层；

S103：对所述第二线坯进行多模连续拉伸及去应力退火处理，制成线径规格为0.25mm的电极丝成品。

将上述工艺制备的电极丝采用电子扫描电镜和能谱仪设备测定电极丝表面碳含量，测定10个不同部位的表面碳含量，取均值作为该电极丝的表面碳含量。并确定上述工艺制备的电极丝的电导率、表层附着情况。测试结果如表1所示。

将上述工艺制备的电极丝采用阿奇E350机器进行测试，测试工件材料为8407，测试工件尺寸为6mm(长)*6mm(宽)*50mm(厚)，测试加工刀次选择“一切四修”。测试结果如表2所示。

实施例4：

采用如下工艺制备本实施例慢走丝电火花加工用电极丝：

S200：提供线径规格为1.2mm的CuZn40黄铜母线；

S201：采用含有添加剂的电镀液在所述母线表面镀锌，从而在母线表面镀覆形成25μm的镀锌层，制成第一线坯，其中所述添加剂为低聚果糖、山梨糖醇、糊精、蔗糖、乳糖和麦芽糖中的一种或多种混合物，所述添加剂在电镀液中的浓度为24g/L；

S202：对所述第一线坯进行多模连续拉伸，制成第二线坯，第二线坯的线径规格为0.55mm；

S203：在流动的空气氛围下，对所述第二线坯进行热处理，热处理温度为450℃，热处理时间为35h，所述有机添加剂在热处理过程中受热分解，制成第三线坯，所述第三线坯由内向外依次具有芯材、β相铜锌合金层和表层；

S204：对所述第三线坯进行多模连续拉伸及去应力退火，制成线径规格为0.25mm的电极丝成品。

将上述工艺制备的电极丝采用电子扫描电镜和能谱仪设备测定电极丝表面碳含量，测定10个不同部位的表面碳含量，取均值作为该电极丝的表面碳含量。并确定上述工艺制备的电极丝的电导率、表层附着情况。测试结果如表1所示。

将上述工艺制备的电极丝采用阿奇E350机器进行测试，测试工件材料为8407，测试工件尺寸为6mm(长)*6mm(宽)*50mm(厚)，测试加工刀次选择“一切四修”。测试结果如表2所示。

实施例5：

采用如下工艺制备本实施例慢走丝电火花加工用电极丝：

S200：提供线径规格为0.95mm的CuZn37黄铜母线；

S201：采用含有添加剂的电镀液在所述母线表面镀锌，从而在母线表面镀覆形成15μm的镀锌层，制成第一线坯，其中所述添加剂为低聚果糖、山梨糖醇、糊精、蔗糖、乳糖和麦芽糖中的一种或多种混合物，所述添加剂在电镀液中的浓度为22g/L；

S202：对所述第一线坯进行多模连续拉伸，制成第二线坯，第二线坯的线径规格为0.5mm；

S203：在流动的空气氛围下，对所述第二线坯进行热处理，热处理温度为350℃，热处理时间为35h，所述有机添加剂在热处理过程中受热分解，制成第三线坯，所述第三线坯由内向外依次具有芯材、β相铜锌合金层和表层；

S204：对所述第三线坯进行多模连续拉伸及去应力退火，制成线径规格为0.25mm的电极丝成品。

将上述工艺制备的电极丝采用电子扫描电镜和能谱仪设备测定电极丝表面碳含量，测定10个不同部位的表面碳含量，取均值作为该电极丝的表面碳含量。并确定上述工艺制备的电极丝的电导率、表层附着情况。测试结果如表1所示。

将上述工艺制备的电极丝采用阿奇E350机器进行测试，测试工件材料为8407，测试工件尺寸为6mm(长)*6mm(宽)*50mm(厚)，测试加工刀次选择“一切四修”。测试结果如表2所示。

实施例6：

采用如下工艺制备本实施例慢走丝电火花加工用电极丝：

S200：提供线径规格为0.7mm的CuZn37黄铜母线；

S201：采用含有添加剂的电镀液在所述母线表面镀锌，从而在母线表面镀覆形成8μm的镀锌层，制成第一线坯，其中所述添加剂为低聚果糖、山梨糖醇、糊精、蔗糖、乳糖和麦芽糖中的一种或多种混合物，所述添加剂在电镀液中的浓度为12g/L；

S202：对所述第一线坯进行多模连续拉伸，制成第二线坯，第二线坯的线径规格为0.4mm；

S203：在流动的空气氛围下，对所述第二线坯进行热处理，热处理温度为150℃，热处理时间为30h，所述有机添加剂在热处理过程中受热分解，制成第三线坯，所述第三线坯由内向外依次具有芯材、γ相铜锌合金层和表层；

S204：对所述第三线坯进行多模连续拉伸及去应力退火，制成线径规格为0.25mm的电极丝成品。

将上述工艺制备的电极丝采用电子扫描电镜和能谱仪设备测定电极丝表面碳含量，测定10个不同部位的表面碳含量，取均值作为该电极丝的表面碳含量。并确定上述工艺制备的电极丝的电导率、表层附着情况。测试结果如表1所示。

将上述工艺制备的电极丝采用阿奇E350机器进行测试，测试工件材料为8407，测试工件尺寸为6mm(长)*6mm(宽)*50mm(厚)，测试加工刀次选择“一切四修”。测试结果如表2所示。

对比例1：采用如下工艺制备对比例1慢走丝电火花加工用电极丝：

S100：提供线径规格为0.5mm的CuZn40黄铜母线；

S101：采用含有添加剂的电镀液在所述母线表面镀锌，在母线表面镀覆形成35μm的镀锌层，制成第一线坯，其中所述添加剂为低聚果糖、山梨糖醇、糊精、蔗糖、乳糖和麦芽糖中的一种或多种混合物，所述添加剂在电镀液中的浓度为25g/L；

S102：在流动的空气氛围下，对第一线坯进行热处理，热处理温度为450℃，热处理时间为25h，制成第二线坯，所述第二线坯由内向外依次具有芯材、β相铜锌合金层和表层；

S103：对所述第二线坯进行多模连续拉伸及去应力退火处理，制成线径规格为0.25mm的电极丝成品。

对比例2：采用如下工艺制备对比例2慢走丝电火花加工用电极丝：

S100：提供线径规格为1mm的CuZn40黄铜母线；

S101：采用含有添加剂的电镀液在所述母线表面镀锌，在母线表面镀覆形成2μm的镀锌层，制成第一线坯，其中所述添加剂为低聚果糖、山梨糖醇、糊精、蔗糖、乳糖和麦芽糖中的一种或多种混合物，所述添加剂在电镀液中的浓度为6g/L；

S102：在流动的空气氛围下，对第一线坯进行热处理，热处理温度为175℃，热处理时间为30h，制成第二线坯，所述第二线坯由内向外依次具有芯材、γ相铜锌合金层和表层；

S103：对所述第二线坯进行多模连续拉伸及去应力退火处理，制成线径规格为0.25mm的电极丝成品。

对比例3：采用如下工艺制备对比例3慢走丝电火花加工用电极丝：

S200：提供线径规格为0.95mm的CuZn37黄铜母线；

S201：采用含有添加剂的电镀液在所述母线表面镀锌，从而在母线表面镀覆形成28μm的镀锌层，制成第一线坯，其中所述添加剂为低聚果糖、山梨糖醇、糊精、蔗糖、乳糖和麦芽糖中的一种或多种混合物，所述添加剂在电镀液中的浓度为35g/L；

S202：对所述第一线坯进行多模连续拉伸，制成第二线坯，第二线坯的线径规格为0.5mm；

S203：在流动的空气氛围下，对所述第二线坯进行热处理，热处理温度为350℃，热处理时间为35h，制成第三线坯，所述第三线坯由内向外依次具有芯材、β相铜锌合金层和表层；

S204：对所述第三线坯进行多模连续拉伸及去应力退火，制成线径规格为0.25mm的电极丝成品。

将上述对比例1-3的电极丝采用电子扫描电镜和能谱仪设备测定电极丝表面碳含量，各电极丝测定10个不同部位的表面碳含量，取均值作为相应电极丝的表面碳含量。并确定上述对比例1-3制备的电极丝的电导率、表层附着情况。测试结果如表1所示。

将上述对比例1-3制备的电极丝采用阿奇E350机器进行测试，测试工件材料为8407，测试工件尺寸为6mm(长)*6mm(宽)*50mm(厚)，测试加工刀次选择“一切四修”。测试结果如表2所示。

根据测试结果分析，本发明电极丝表面碳含量在0.2-60wt％范围内，具有高切割速度、高切割加工精度和表面紧密附着。当电极丝表面碳含量较少时，电极丝电导率较低，切割速度和切割加工精度较低，而当电极丝表面碳含量超过相关范围时，切割速度也会有所降低，且表层出现脱落现象。

比较例1：采购得到的线径规格为0.25mm的黄铜电极丝；

比较例2：采购得到的线径规格为0.25mm的复合涂覆电极丝；

比较例3：采购得到的线径规格为0.25mm的γ涂覆电极丝。

确定上述比较例1-3工艺制备的电极丝的电导率。测试结果如表1所示。

将上述比较例1-3工艺制备的电极丝采用阿奇E350机器进行测试，测试工件材料为8407，测试工件尺寸为6mm(长)*6mm(宽)*50mm(厚)，测试加工刀次选择“一切四修”。测试结果如表2所示。

根据测试结果分析，本发明电极丝相较于常规黄铜丝和镀层丝，具有更加优异的切割加工速度和切割加工精度。

表1：实施例、对比例和比较例电极丝表面碳含量、导电率、表层附着测试结果

表2：实施例、对比例和比较例电极丝切割加工速度、切割加工精度测试结果

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。