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REVENDICATIONS
1. Electrode-fil pour l'usinage d'une électrode-piéce par décharges électriques érosives, constituée d'un noyau et d'un revêtement protégeant ce noyau contre les apports de chaleur dus aux décharges, ce noyau comprenant au moins une portion constituée par un matériau métallique bon conducteur de l'électricité, caractérisé en ce que ce revêtement protecteur est constitué sur une portion au moins de son épaisseur par un alliage contenant à la fois du nickel et du zinc.
2. Electrode-fil selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'alliage contient à la fois du nickel, du zinc et du cuivre.
3. Electrode-fil selon la revendication 1, caractérisée en ce que la proportion de nickel est suffisante pour élever la résistivité de cet alliage à au moins 10 ,uQcm à 20"C.
4. Electrode-fil selon la revendication 1, caratérisée en ce que le rapport entre la résistivité de l'alliage et celle du matériau bon conducteur du noyau est d'au moins 3 à 1.
5. Electrode-fil selon la revendication 1, caractérisée en ce que la proportion atomique de nickel dans l'alliage est comprise entre 5 et 60%.
6. Electrode-fil selon la revendication 2, caractérisée en ce que la concentration de zinc dans l'alliage est plus élevée vers l'extérieur du revêtement.
7. Electrode-fil selon la revendication 6, caractérisée en ce que la concentration de nickel dans l'alliage est plus élevée vers l'intérieur du revêtement.
L'invention se rapporte au domaine de l'usinage d'une électrodepièce par décharges électriques érosives éclatant entre cette électrode-pièce et une électrode en forme de fil. Cet usinage consiste à découper une fente dans l'électrode-pièce ou à effectuer un usinage latéral le long d'une surface de l'électrode-pièce (rectification par étincelage). L'invention concerne plus particulièrement un fil stratifié avec une nouvelle composition des couches les plus superficielles.
On entend par fil stratifié une structure avec plusieurs matériaux disposés en couches concentriques, ce qui permet d'obtenir simultanément plusieurs qualités irréalisables avec un fil fait d'un seul matériau métallique. Par exemple le brevet DE-AS No 2906245 (US
No 4287404) décrit un fil comportant un noyau comprenant un bon conducteur de l'électricité, ce noyau étant recouvert par un revêtement en un matériau à basse température d'évaporation, par exemple du zinc (911 C) ou du cadmium (767 C), ou d'un alliage riche en l'un de ces matériaux. Le noyau peut être un noyau composite formé par exemple d'acier et de cuivre.
Lors d'une décharge érosive, I'élévation de la température de ce revêtement est limitée à cette basse température d'évaporation et l'on obtient ainsi entre autres une protection contre les apports de chaleur en partie responsables de la rupture du fil; on sait que cette rupture se produit inévitablement lorsque le courant d'usinage est trop élevé et l'on a constaté que cette limite était repoussée vers le haut grâce à ce revêtement protecteur riche en zinc ou en cadmium.
L'invention a pour but de protéger le noyau du fil-électrode par un autre effet, à savoir par une augmentation appropriée de la résistivité du revêtement, cet effet pouvant d'ailleurs être utilisé en combinaison avec celui cité plus haut.
L'invention a pour objet une électrode-fil pour l'usinage d'une électrode-pièce par décharges électriques érosives, constituée d'un noyau et d'un revêtement protégeant ce noyau contre les apports de chaleur dus aux décharges, ce noyau comprenant au moins une portion constituée par un matériau métallique bon conducteur de l'électricité, caractérisé en ce que ce revêtement protecteur est constitué sur une portion au moins de son épaisseur par un alliage contenant à la fois du nickel et du zinc. Ce revêtement présente l'avantage de mieux résister à l'érosion par les décharges, ce qui diminue l'usure du fil.
L'effet bénéfique et inattendu du revêtement protecteur en alliage à haute résistivité électrique peut être expliqué en rappelant la loi de
Wiedemann-Franz, bien connue en physique des métaux, qui énonce que les conductivités électriques et thermiques sont proportionnelles.
Cette loi provient du fait que l'électricité et la chaleur sont transportées par les électrons, du moins pour les métaux et alliages considérés à température ordinaire. En conséquence, les matériaux à haute résistivité électrique du revêtement protecteur selon l'invention sont aussi des mauvais conducteurs de la chaleur, et s'opposent à la pénétration, à l'intérieur du fil, de la chaleur produite en surface lors des décharges érosives; le courant d'usinage peut être augmenté et, par voie de conséquence, la vitesse d'usinage.
Toutefois, si la résistance par unité de surface du revêtement est trop élevée, cette diminution de l'entrée de chaleur est plus que compensée par la chaleur additionnelle dissipée par effet Joule à l'intérieur du revêtement sous l'action des impulsions de courant alimentant les décharges. Il existe donc une valeur optimale de la résistivité à donner à l'alliage, valeur qui est, entre autres, fonction de 1 epais- seur et de la structure du revêtement protecteur et du rapport entre l'intensité et la durée des décharges. Cette valeur optimale de la résistivité est évaluée de préférence par voie expérimentale.
Pour fixer les idées, il convient de préciser quantitativement la notion de mauvais et de bon conducteur. On entend par mauvais conducteur un matériau dont la résistivité à 20"C est élevée, par exemple supérieure ou égale à 10 ,uQcm; on entend par bon conduc teur un matériau dont la résistivité à 20"C C est basse, par exemple in- férieure à 10 llDcm. Dans cette dernière catégorie de matériaux, on peut citer le cuivre (1,7 ,uDem), le laiton Cu03Zn3, (6,6 IlDem) et le molybdène (5,3 ,uQcm), et l'on reconnaît dans cette liste des matériaux bien connus pour constituer une portion au moins du noyau d'un fil stratifié.
Il est à noter que la résistivité du zinc pur utilisé dans le brevet DE-AS No 2906245 est d'environ 6 pncm.
Dans le but d'une protection thermique, on cherche à diminuer la conductivité d'un métal de base par l'adjonction volontaire d'atomes étrangers. Dans le cas du cuivre, pris à titre d'exemple, l'expérience et la théorie ont montré que les effets les plus marqués étaient obtenus par des atomes de structure électronique différente comme le nickel, le cobalt et le fer (dans un tableau périodique des éléments, on remarque que le Ni est voisin immédiat du Cu, tandis que le Co en est éloigné de deux colonnes et le Fe de trois). On peut envisager d'autres impuretés, telles que le gallium, le germanium,
I'arsenic, l'indium, I'étain et l'antimoine.
Ces atomes étrangers doivent être solubles dans le métal de base à l'état solide pour augmenter sa résistivité; en d'autres termes, ils doivent pouvoir lui être alliés sous la forme d'au moins une phase métallique constituée par une solution solide de ces atomes dans le métal de base.
On sait par la métallurgie physique que, pour une impureté donnée, il y a en général une limite de solubilité et qu'à l'intérieur de cette limite la résistivité électrique croît avec la concentration. Si l'on dépasse cette limite, on provoque la séparation de l'alliage en deux phases et la résistivité de l'alliage cesse de croître, voire décroît avec la concentration de ou des impuretés. En résumé, la solution solide est une condition utile, mais nullement nécessaire pour obtenir l'effet visé par la présente invention.
Le nickel et le cuivre sont deux métaux exceptionnels, car on peut les allier dans n'importe quelles proportions et l'on obtient toujours une solution solide; on parle alors de miscibilité complète. Par exemple, I'addition de 25% atomique de Ni au Cu fait passer la résistivité de 1,7 à plus de 30 pQem; inversement, I'addition de Cu au
Ni provoque un accroissement comparable de résistivité. Un maximum de plus de 50 ,uDem est obtenu pour l'alliage contenant 55 à 60% atomique de Ni. Ainsi, en dosant la proportion de Ni, on peut contrôler la valeur de la résistivité.
Une amélioration de la vitesse d'usinage est obtenue en combinant le nickel avec le zinc; dans ce cas, une solution solide existe dans le domaine allant de 0 à un peu plus de 25% atomique de zinc
dans le nickel; inversement, la solubilité du nickel dans le zinc est presque nulle. Mais, dans le domaine de concentration en zinc de la solution solide et au-delà, on obtient des résultats intéressants, car non seulement on bénéficie d'une haute résistivité électrique, mais encore de la présence de zinc, dont les atomes s'évaporent relativement facilement lorsque l'alliage est porté aux environs de 900 C.
Ainsi, non seulement on retarde la propagation rapide de la chaleur en direction du noyau grâce à la forte résistivité thermique de l'alliage, mais encore on obtient la protection thermique qui résulte de la basse température du revêtement sous les cratères produits par les décharges au sens du brevet DE-AS No 2906245 déjà cité. Ainsi, on diminue la quantité de chaleur laissée dans le fil par chaque décharge en diminuant, d'une part, I'épaisseur de la zone superficielle du fil qui est échauffée par une décharge et, en diminuant, d'autre part, la température moyenne de cette zone.
L'alliage ternaire Cu-Ni-Zn donne aussi de bons résultats; on peut le considérer comme un laiton amélioré par l'adjonction de nickel dans le but d'augmenter la résistivité électrique. On verra plus loin comment on peut jouer sur deux concentrations pour contrôler à la fois la résistivité entre 1,7 et plus de 80 pQcm, et la teneur en zinc. De telles possibilités permettent de donner à l'alliage la résistivité optimale mentionnée plus haut. Il convient de remarquer que la résistivité à 20 C des alliages binaires Cu-Zn (laitons) ne dépasse guère 7 ,uQcm.
Dans le cadre du modèle thermique développé ci-dessus, on appréciera l'avantage d'un revêtement à profil de concentration variable sur un revêtement à concentration uniforme. En effet, L'alliage absolument idéal n'existe pas, mais le fil stratifié permet d'adapter le profil de concentration à la fonction demandée qui dépend du rayon. Ainsi, on exige avant tout de la couche la plus superficielle qu'elle limite la température; on a donc intérêt à adopter une composition riche en Zn, par exemple de 50% et plus. Pour une couche moins superficielle, on peut admettre moins de Zn, mais en revanche on exige qu'elle retarde la pénétration de la chaleur; on a donc intérêt à enrichir cette couche en Ni.
Pour une couche profonde, on peut même renoncer au Zn et adopter un alliage Cu-Ni pur.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution de l'électrode-fil, objet de l'invention.
La fig. 1 est une coupe d'un fil stratifié avec un noyau bon conducteur et un revêtement mauvais conducteur, tant de l'électricité que de la chaleur;
la fig. 2 est un fil stratifié dont la composition du revêtement est fonction du rayon;
la fig. 3 est un diagramme relatif aux solutions solides dans un alliage ternaire Cu-Ni-Zn pour différentes concentrations;
la fig. 4 montre la résistivité électrique en llDcm de l'alliage Cu
Ni-Zn pour différentes concentrations.
La fig. 1 montre une coupe dans un fil stratifié pour le découpage par électro-érosion. Selon la technique connue, le noyau 1 est fait d'un seul métal ou alliage bon conducteur de l'électricité, tel que le cuivre, le laiton, le molybdène ou tout autre matériau de résistivité inférieure à 10 pQcm. Ce noyau est revêtu d'une mince couche 2 d'un matériau mauvais conducteur tant de la chaleur que de l'électricité, tel qu'un alliage du type Ni-Zn ou Cu-Ni-Zn.
L'épaisseur de ce revêtement protecteur est, par exemple, de 10 um alors que le rayon total du fil est de l'ordre de 50 à 150 um. La résistivité de l'alliage du revêtement est plus grande, par exemple 3 fois plus élevée que celle du noyau; cette dernière est, par exemple, de 6 ,uQcm, et celle du revêtement de 18 IlQcm. Selon les données connues reproduites à la fig. 4, on peut réaliser des revêtements dont la résistivité peut être plus élevée, allant jusqu'à plus de 80 IlQcm, par exemple une résistivité de 30 ,unom est obtenue par les alliages suivants donnés à titre d'exemple:
: Cuvs Ni25, Ni,5 Zn25 et Cu60 Nils Zn25 (ce sont des données en % atomique, mais elles sont très voisines des % poids, car Ni, Cu et Zn sont consécutifs dans un rangement par numéro atomique et ont par conséquent des poids atomiques voisins). De préférence, on adopte des alliages riches en Zn pour les raisons physiques déjà exposées et, de préférence encore, des alliages ternaires
Cu-Ni-Zn qui offrent plus de possibilités de jouer sur les concentrations et qui sont moins coûteux, des atomes Ni pouvant être remplacés par des atomes Cu meilleur marché.
La fig. 2 présente la coupe d'un fil stratifié amélioré, grâce à l'adoption d'un profil de concentration variant avec le rayon. On a déjà expliqué qu'il était avantageux d'avoir des couches superficielles riches en Zn et des couches profondes dont la résistivité devient de plus en plus grande au fur et à mesure que l'on se rapproche du noyau fait d'un métal bon conducteur de l'électricité, mais vulnérable lorsqu'il est exposé aux apports de chaleur dus aux décharges. A titre d'exemple, la fig. 2 montre un noyau constitué, de manière connue (brevet DE-AS No 2906245), par une partie centrale 5 en acier à forte teneur en carbone entourée par une gaine en cuivre 1.
Ce noyau est entouré par un revêtement constitué par une première couche 2 relativement épaisse (10 um) de composition approximative Cuss Ni45 qui non seulement protège thermiquement, car la résistivité dépasse 50 IlDcm, mais encore participe activement à la bonne résistance mécanique à la traction, puis par une seconde couche mince 3 (5 um) de composition approximative Cru50 Ni45
Zn25 dont la résistivité dépasse 80 IlQcm, entourée elle-même d'une couche mince 4 (5 um) d'un alliage plus riche en Zn, intéressant pour la protection thermique, mais de médiocre résistance mécanique à la rupture, de composition approximative Cu30 Ni20 Zon50;
; cet alliage est moins riche en Ni, ce qui explique que sa résistivité ne dépasse guère 30 ,uQcm. On peut aussi utiliser pour la couche 4 I'alliage Ni,, Zon32 cité plus loin ou même du zinc pur de basse résistivité (6 IlDcm).
De manière idéale, les concentrations varient de manière continue, et non par sauts; cela est obtenu à l'aide d'un recuit permettant l'interdiffusion des atomes.
L'expérience a montré que le revêtement protecteur ne pouvait pas être constitué par n'importe quel alliage ou métal à forte résistivité électrique. En particulier, en raison probablement de sa très haute résistivité électrique (120 ,uQcm à 20 C) combinée avec une basse température de fusion (271"C), le bismuth semble moins intéressant pour constituer des revêtements protecteurs utilisables.
Les fig. 3 et 4 montrent des données bien connues sur les alliages
Cu-Ni-Zn, telles qu'on les trouve dans la littérature technique. En effet, les alliages à base de nickel sont utilisés depuis longtemps à cause de leur aspect brillant et de leur grande résistance à la corrosion.
Parmi les alliages imitant l'argent, on connaît depuis longtemps les Cu-Ni-Zn que l'on appelle Maillechort en France, Neusilber en
Allemagne et German Silver dans les pays anglo-saxons. On en a fait des pièces de monnaie; on en a fait aussi des revêtements protecteurs contre la corrosion, et on a même déposé ces revêtements sur des fils.
L'invention est d'avoir démontré l'effet bénéfique de ce type de revêtement sur des électrodes-fils utilisées pour l'usinage par étincelage.
La fig. 3 montre un diagramme de phases de l'alliage Cu-Ni-Zn.
Pour tout point, la concentration en Ni se lit sur l'échelle de droite en traçant une horizontale, la concentration en Cu se lit à gauche en traçant une ligne montante, et celle en Zn se lit en bas en traçant une ligne descendant vers la gauche. La zone non hachurée désigne le domaine d'existence à 650 C de la solution solide a, caractérisée par la structure cristalline cubique faces centrées; dans cette zone, on a toute liberté de changer les concentrations sans provoquer la ségrégation de l'alliage en plusieurs phases. Cette ségrégation se produit justement pour les alliages riches en Zn dans la zone hachurée.
La fig. 4 montre la relation existant entre la composition des alliages Cu-Ni-Zn et leur résistivité électrique à l'aide de courbes de niveau qui relient les points ayant la même résistivité électrique.
Cette dernière est indiquée en pQcm à 20 C. On remarque que les données disponibles dans la littérature pour les alliages riches en Zn à plus de 50% sont absentes, en raison des qualités mécaniques médiocres de ces alliages. Ces alliages sont pourtant particulièrement intéressants pour réaliser au moins les portions externes des revêtements de l'électrode-fil selon l'invention.
Cette fig. 4 est la base pour la sélection d'alliages Cu-Ni-Zn à une seule phase de solution solide. Les zones à plusieurs phases solides où la résistivité n'a pas encore été mesurée font aussi partie d'une réalisation particulièrement avantageuse de l'invention. Pour s'en convaincre, deux remarques suffisent.
Premièrement, la solution solide a s'étend aux alliages Ni-Zn riches en Ni; I'addition de Zn y provoque une augmentation de résistivité sûre et reproductible du même ordre de grandeur que l'addition du Ni au Cu, ou vice versa du Cu au Ni.
Deuxièmement, la ségrégation de l'alliage en d'autres phases qu'a, qui est provoquée par un excès de Zn, ne provoque pas une chute sensible de la résistivité observée à la limite de la phase a. On observe en général une stagnation de la résistivité qui est une conséquence du fait que la nouvelle phase, par exemple$, apparaît sous forme d'îlots séparés les uns des autres.
La fabrication des électrodes selon Invention ne pose pas de problèmes majeurs, justement parce que les alliages Cu-Ni-Zn sont déjà connus en technique, comme on l'a déjà dit et, surtout, on a déjà fabriqué de tels fils, soit pour des raisons esthétiques (aspect brillant), soit pour des raisons techniques sans rapport avec l'électro-érosion (bonne tenue mécanique en présence de vapeurs corrosives). Pour cette raison, il n'y a pas lieu d'expliquer en détails les procédés de fabrication, et l'on peut se contenter d'un rappel.
Tout d'abord, Félectrodéposition est un procédé de base. Par voie électrochimique, on peut déposer une couche de métal tel que le -Cu, le Ni, ou le Zn. On peut même déposer des alliages de ces métaux; par exemple on peut déposer simultanément du Cu et du
Zn, ce qui donne lieu à un laiton.
On sait aussi déposer des alliages
Ni-Zn, ce qui est moins connu; à titre d'exemple, on donne cidessous la composition d'un électrolyte recommandé pour un revêtement de Zn contenant 10 à 18% de Ni:
ZnO (oxyde de Zn) 15 g/l NiC12 6H,O 6H2O (chlorure de Ni) 12 à 36 g/l
suivant l'alliage visé
NH4CI (chlorure d'ammonium) 250 g/l
H3BO3 (acide borique) 20 g/l
Température 40"C
pH 6,5à6,8
Densité de courant à la cathode 1 à 3 A/dm2
Anode zinc, ou zinc et nickel
L'alliage ainsi déposé est avantageusement utilisé pour la couche 4 de la fig. 2.
Le recuit du fil avec plusieurs couches est le procédé de base pour créer un alliage à profil de concentrations variable par interdiffusion.
On sait que si l'on soumet un fil de cuivre avec un dépôt de zinc à un traitement thermique, les atomes de Cu diffusent vers l'extérieur et réciproquement les atomes de Zn diffusent vers l'intérieur; de plus le profil final est une fonction continue du rayon, avec les avantages physiques déjà exposés.
A titre d'exemple, on peut déposer sur un noyau en Cu une couche de Ni, puis deux couches successives en Ni-Zn, d'abord riche en Ni, puis riche en Zn. Par un recuit approprié, on crée un revêtement Cu-Ni-Zn riche en Ni dans les couches profondes, et riche en
Zn dans les couches superficielles.
De plus, le recuit en atmosphère oxydante a l'avantage de créer une très mince couche d'oxyde qui contribue aux bons résultats d'usinage, comme déjà exposé dans le brevet DE-OS No 3035058.
Il est bien entendu que l'alliage résistif du revêtement protecteur pourrait comporter encore d'autres éléments additionnels.
On sait que l'électrodéposition est soumise à certaines restrictions qui relèvent de la chimie-physique; c'est pourquoi l'extrusion de barreaux munis d'une gaine d'un alliage préparé par fusion est un autre procédé de base pour enrober un fil d'un revêtement selon l'invention. On obtient alors toute liberté de choisir les proportions voulues, car l'alliage est préparé à part, tout simplement en pesant les constituants et en les fondant ensemble.
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CLAIMS
1. Wire electrode for machining a room electrode by erosive electrical discharges, consisting of a core and a coating protecting this core against heat input due to discharges, this core comprising at least one portion made up by a metallic material which is a good conductor of electricity, characterized in that this protective coating is formed over at least a portion of its thickness by an alloy containing both nickel and zinc.
2. wire electrode according to claim 1, characterized in that the alloy contains both nickel, zinc and copper.
3. Wire electrode according to claim 1, characterized in that the proportion of nickel is sufficient to raise the resistivity of this alloy to at least 10, uQcm at 20 "C.
4. Wire electrode according to claim 1, characterized in that the ratio between the resistivity of the alloy and that of the good conductive material of the core is at least 3 to 1.
5. Wire electrode according to claim 1, characterized in that the atomic proportion of nickel in the alloy is between 5 and 60%.
6. wire electrode according to claim 2, characterized in that the zinc concentration in the alloy is higher towards the outside of the coating.
7. Wire electrode according to claim 6, characterized in that the nickel concentration in the alloy is higher towards the inside of the coating.
The invention relates to the field of machining an electrodepiece by erosive electrical discharges bursting between this electrode-piece and a wire-shaped electrode. This machining consists of cutting a slot in the workpiece electrode or performing lateral machining along a surface of the workpiece electrode (sparking rectification). The invention relates more particularly to a laminated wire with a new composition of the most superficial layers.
Laminated wire is understood to be a structure with several materials arranged in concentric layers, which makes it possible to simultaneously obtain several qualities that cannot be achieved with a wire made from a single metallic material. For example, patent DE-AS No 2906245 (US
No. 4287404) describes a wire comprising a core comprising a good conductor of electricity, this core being covered by a coating of a material with low evaporation temperature, for example zinc (911 C) or cadmium (767 C) , or an alloy rich in one of these materials. The core can be a composite core formed for example from steel and copper.
During an erosive discharge, the elevation of the temperature of this coating is limited to this low evaporation temperature and thus one obtains, among other things, protection against the heat inputs partly responsible for breaking the wire; it is known that this rupture inevitably occurs when the machining current is too high and it has been found that this limit was pushed upwards thanks to this protective coating rich in zinc or cadmium.
The object of the invention is to protect the core of the wire electrode by another effect, namely by an appropriate increase in the resistivity of the coating, this effect being able moreover to be used in combination with that mentioned above.
The subject of the invention is a wire electrode for the machining of a workpiece electrode by erosive electrical discharges, consisting of a core and a coating protecting this core against heat input due to discharges, this core comprising at least a portion consisting of a metallic material which is a good conductor of electricity, characterized in that this protective coating is formed over at least a portion of its thickness by an alloy containing both nickel and zinc. This coating has the advantage of better resisting erosion by discharges, which reduces wear on the wire.
The beneficial and unexpected effect of the protective coating in high electrical resistivity alloy can be explained by recalling the law of
Wiedemann-Franz, well known in metal physics, who states that electrical and thermal conductivities are proportional.
This law comes from the fact that electricity and heat are transported by electrons, at least for metals and alloys considered at ordinary temperature. Consequently, the materials with high electrical resistivity of the protective coating according to the invention are also poor conductors of heat, and prevent the penetration, inside the wire, of the heat produced on the surface during erosive discharges. ; the machining current can be increased and, consequently, the machining speed.
However, if the resistance per unit area of the coating is too high, this reduction in the heat input is more than compensated by the additional heat dissipated by Joule effect inside the coating under the action of the pulses of current supplying landfills. There is therefore an optimum value for the resistivity to be given to the alloy, a value which is, among other things, a function of the thickness and of the structure of the protective coating and of the ratio between the intensity and the duration of the discharges. This optimum value of the resistivity is evaluated preferably by the experimental route.
To fix ideas, it is necessary to specify quantitatively the notion of bad and good driver. The term “bad conductor” is understood to mean a material with a high resistivity at 20 "C, for example greater than or equal to 10, uQcm; a good conductor is understood to mean a material with a low resistivity at 20" CC, for example lower at 10 llDcm. In this last category of materials, one can quote copper (1,7, uDem), brass Cu03Zn3, (6,6 IlDem) and molybdenum (5,3, uQcm), and one recognizes in this list of materials well known for constituting at least a portion of the core of a laminated wire.
It should be noted that the resistivity of pure zinc used in DE-AS patent No. 2906245 is approximately 6 pncm.
With the aim of thermal protection, it is sought to reduce the conductivity of a base metal by the voluntary addition of foreign atoms. In the case of copper, taken as an example, experience and theory have shown that the most marked effects are obtained by atoms of different electronic structure such as nickel, cobalt and iron (in a periodic table of the elements, we notice that Ni is close to Cu, while Co is two columns away and Fe is three). We can consider other impurities, such as gallium, germanium,
Arsenic, indium, tin and antimony.
These foreign atoms must be soluble in the base metal in the solid state to increase its resistivity; in other words, they must be able to be alloyed with it in the form of at least one metallic phase constituted by a solid solution of these atoms in the base metal.
We know from physical metallurgy that, for a given impurity, there is generally a limit of solubility and that inside this limit the electrical resistivity increases with concentration. If this limit is exceeded, the alloy is separated into two phases and the resistivity of the alloy stops increasing, or even decreases with the concentration of impurity (s). In summary, the solid solution is a useful condition, but not at all necessary to obtain the effect aimed by the present invention.
Nickel and copper are two exceptional metals, because they can be alloyed in any proportions and one always obtains a solid solution; we then speak of complete miscibility. For example, the addition of 25 atomic% of Ni to Cu increases the resistivity from 1.7 to more than 30 pQem; conversely, the addition of Cu to
Neither causes a comparable increase in resistivity. A maximum of more than 50, uDem is obtained for the alloy containing 55 to 60 atomic% of Ni. Thus, by measuring the proportion of Ni, one can control the value of the resistivity.
An improvement in the machining speed is obtained by combining nickel with zinc; in this case, a solid solution exists in the range from 0 to a little more than 25 atomic% of zinc
in nickel; conversely, the solubility of nickel in zinc is almost zero. But, in the area of zinc concentration of the solid solution and beyond, we obtain interesting results, because not only we benefit from a high electrical resistivity, but also from the presence of zinc, whose atoms evaporate. relatively easily when the alloy is brought to around 900 C.
Thus, not only is it delayed the rapid propagation of heat towards the core thanks to the high thermal resistivity of the alloy, but also thermal protection is obtained which results from the low temperature of the coating under the craters produced by the discharges at meaning of DE-AS patent No 2906245 already cited. Thus, the amount of heat left in the wire by each discharge is reduced by decreasing, on the one hand, the thickness of the surface area of the wire which is heated by a discharge and, by decreasing, on the other hand average of this area.
The Cu-Ni-Zn ternary alloy also gives good results; it can be considered as a brass improved by the addition of nickel in order to increase the electrical resistivity. We will see later how we can play on two concentrations to control both the resistivity between 1.7 and more than 80 pQcm, and the zinc content. Such possibilities make it possible to give the alloy the optimum resistivity mentioned above. It should be noted that the resistivity at 20 C of binary Cu-Zn alloys (brasses) hardly exceeds 7, uQcm.
In the context of the thermal model developed above, we will appreciate the advantage of a coating with a variable concentration profile over a coating with uniform concentration. Indeed, the absolutely ideal alloy does not exist, but the laminated wire makes it possible to adapt the concentration profile to the requested function which depends on the radius. Thus, above all, the most superficial layer is required to limit the temperature; it is therefore advantageous to adopt a composition rich in Zn, for example 50% and more. For a less superficial layer, one can admit less Zn, but on the other hand it is required that it delays the penetration of heat; it is therefore advantageous to enrich this layer with Ni.
For a deep layer, we can even give up Zn and adopt a pure Cu-Ni alloy.
The accompanying drawing shows, by way of example, two embodiments of the wire electrode, object of the invention.
Fig. 1 is a section of a laminated wire with a good conductive core and a poor conductive coating, both of electricity and of heat;
fig. 2 is a laminated wire, the composition of the coating depending on the radius;
fig. 3 is a diagram relating to solid solutions in a ternary Cu-Ni-Zn alloy for different concentrations;
fig. 4 shows the electrical resistivity in llDcm of the Cu alloy
Ni-Zn for different concentrations.
Fig. 1 shows a section in a laminated wire for cutting by electro-erosion. According to the known technique, the core 1 is made of a single metal or alloy which is a good conductor of electricity, such as copper, brass, molybdenum or any other material with a resistivity of less than 10 pQcm. This core is coated with a thin layer 2 of a material which is a poor conductor of both heat and electricity, such as an alloy of the Ni-Zn or Cu-Ni-Zn type.
The thickness of this protective coating is, for example, 10 μm while the total radius of the wire is of the order of 50 to 150 μm. The resistivity of the coating alloy is greater, for example 3 times higher than that of the core; the latter is, for example, 6, uQcm, and that of the coating of 18 IlQcm. According to the known data reproduced in FIG. 4, it is possible to produce coatings whose resistivity can be higher, going up to more than 80 IlQcm, for example a resistivity of 30, unom is obtained by the following alloys given by way of example:
: Cuvs Ni25, Ni, 5 Zn25 and Cu60 Nils Zn25 (these are data in atomic%, but they are very close to% weight, because Ni, Cu and Zn are consecutive in a ranking by atomic number and therefore have weights neighboring atoms). Preferably, alloys rich in Zn are adopted for the physical reasons already explained and, more preferably, ternary alloys
Cu-Ni-Zn which offer more possibilities to play on the concentrations and which are less expensive, Ni atoms can be replaced by cheaper Cu atoms.
Fig. 2 shows the section of an improved laminated wire, thanks to the adoption of a concentration profile varying with the radius. We have already explained that it was advantageous to have surface layers rich in Zn and deep layers whose resistivity becomes more and more as one approaches the core made of a good metal. conductor of electricity, but vulnerable when exposed to heat input from discharges. As an example, fig. 2 shows a core constituted, in a known manner (DE-AS patent No. 2906245), by a central part 5 made of high carbon steel surrounded by a copper sheath 1.
This core is surrounded by a coating constituted by a relatively thick first layer 2 (10 μm) of approximate composition Cuss Ni45 which not only protects thermally, because the resistivity exceeds 50 IlDcm, but also actively participates in good mechanical tensile strength, then with a second thin layer 3 (5 μm) of approximate composition Cru50 Ni45
Zn25 whose resistivity exceeds 80 IlQcm, itself surrounded by a thin layer 4 (5 µm) of an alloy richer in Zn, interesting for thermal protection, but of poor mechanical resistance to rupture, of approximate composition Cu30 Ni20 Zon50;
; this alloy is less rich in Ni, which explains why its resistivity hardly exceeds 30, uQcm. One can also use for layer 4 the alloy Ni ,, Zon32 mentioned below or even pure zinc of low resistivity (6 IlDcm).
Ideally, the concentrations vary continuously, not by jumps; this is obtained by means of an annealing allowing the interdiffusion of the atoms.
Experience has shown that the protective coating cannot consist of any alloy or metal with high electrical resistivity. In particular, probably due to its very high electrical resistivity (120, uQcm at 20 C) combined with a low melting temperature (271 "C), bismuth seems less interesting for constituting usable protective coatings.
Figs. 3 and 4 show well-known data on alloys
Cu-Ni-Zn, as found in the technical literature. Indeed, nickel-based alloys have been used for a long time because of their shiny appearance and their high resistance to corrosion.
Among the alloys imitating silver, Cu-Ni-Zn has long been known as Maillechort in France, Neusilber in
Germany and German Silver in Anglo-Saxon countries. They were made into coins; they have also been made protective coatings against corrosion, and these coatings have even been deposited on wires.
The invention is to have demonstrated the beneficial effect of this type of coating on wire electrodes used for flash machining.
Fig. 3 shows a phase diagram of the Cu-Ni-Zn alloy.
For any point, the concentration of Ni is read on the right scale by drawing a horizontal, the concentration of Cu is read on the left by drawing an ascending line, and that in Zn is read at the bottom by drawing a line descending towards the left. The non-hatched zone designates the domain of existence at 650 C of the solid solution a, characterized by the cubic crystal structure faces centered; in this zone, we are free to change the concentrations without causing the alloy to segregate into several phases. This segregation occurs precisely for alloys rich in Zn in the hatched zone.
Fig. 4 shows the relationship between the composition of Cu-Ni-Zn alloys and their electrical resistivity using contour lines which connect the points having the same electrical resistivity.
The latter is indicated in pQcm at 20 C. It is noted that the data available in the literature for alloys rich in Zn at more than 50% are absent, due to the poor mechanical qualities of these alloys. These alloys are however particularly advantageous for producing at least the external portions of the coatings of the wire electrode according to the invention.
This fig. 4 is the basis for the selection of Cu-Ni-Zn alloys with a single solid solution phase. The zones with several solid phases where the resistivity has not yet been measured are also part of a particularly advantageous embodiment of the invention. To be convinced, two remarks suffice.
First, the solid solution a extends to Ni-Zn alloys rich in Ni; The addition of Zn causes an increase in safe and reproducible resistivity of the same order of magnitude as the addition of Ni to Cu, or vice versa from Cu to Ni.
Secondly, the segregation of the alloy into other phases a, which is caused by an excess of Zn, does not cause a significant drop in the resistivity observed at the limit of phase a. We generally observe a stagnation in resistivity which is a consequence of the fact that the new phase, for example $, appears in the form of islands separated from each other.
The manufacture of the electrodes according to the invention does not pose major problems, precisely because the Cu-Ni-Zn alloys are already known in the art, as already mentioned and, above all, such wires have already been manufactured, either for aesthetic reasons (shiny appearance), or for technical reasons unrelated to EDM (good mechanical strength in the presence of corrosive vapors). For this reason, there is no need to explain in detail the manufacturing processes, and we can settle for a reminder.
First of all, electroplating is a basic process. Electrochemically, a layer of metal such as -Cu, Ni, or Zn can be deposited. One can even deposit alloys of these metals; for example we can simultaneously deposit Cu and
Zn, which gives rise to a brass.
We also know how to deposit alloys
Ni-Zn, which is less known; by way of example, the composition of an electrolyte recommended for a coating of Zn containing 10 to 18% of Ni is given below:
ZnO (Zn oxide) 15 g / l NiC12 6H, O 6H2O (Ni chloride) 12 to 36 g / l
depending on the target alloy
NH4CI (ammonium chloride) 250 g / l
H3BO3 (boric acid) 20 g / l
Temperature 40 "C
pH 6.5 to 6.8
Current density at the cathode 1 to 3 A / dm2
Zinc anode, or zinc and nickel
The alloy thus deposited is advantageously used for layer 4 of FIG. 2.
Annealing the wire with several layers is the basic process for creating an alloy with a variable concentration profile by interdiffusion.
It is known that if a copper wire with a zinc deposit is subjected to a heat treatment, the Cu atoms diffuse towards the outside and conversely the Zn atoms diffuse towards the inside; moreover the final profile is a continuous function of the radius, with the physical advantages already exposed.
For example, a layer of Ni can be deposited on a Cu core, then two successive layers of Ni-Zn, first rich in Ni, then rich in Zn. By appropriate annealing, a Cu-Ni-Zn coating rich in Ni is created in the deep layers, and rich in
Zn in the surface layers.
In addition, annealing in an oxidizing atmosphere has the advantage of creating a very thin layer of oxide which contributes to the good machining results, as already described in patent DE-OS No 3035058.
It is understood that the resistive alloy of the protective coating could include still other additional elements.
We know that electrodeposition is subject to certain restrictions which are related to physical chemistry; this is why the extrusion of bars provided with a sheath of an alloy prepared by fusion is another basic process for coating a wire with a coating according to the invention. This gives us complete freedom to choose the desired proportions, because the alloy is prepared separately, simply by weighing the constituents and melting them together.