CN102528190A - 一种高效多层复合电极丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种高效多层复合电极丝，包括芯部和包覆在所述芯部上的包皮，其特征在于所述的芯部为黄铜芯线经扩散退火、水冷及连拉连退处理后所形成的黄铜线芯，该黄铜线芯的金相组织主要为α相组织；所述的包皮是由依次镀覆在所述的黄铜芯线上的铜金属镀层和锌金属镀层经扩散退火、水冷及连拉连退处理后所形成的扩散合金层，该扩散合金层的金相组织主要为β相组织。其制备是在芯线上电镀上铜、锌金属镀层后再经扩散退火、水冷及连拉连退处理，最后拉伸而成。与现有技术相比较，所提供的高效多层复合电极丝，切割效率比普通镀锌丝显著提高，切割综合成本低于普通镀锌电极丝且通用性好。

Description

一种高效多层复合电极丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及到电线放电加工用电极丝及其制备方法，尤其指一种带有复合镀层的放电加工用电极丝及其制备方法。

背景技术

电火花切割加工是模具制造和金属加工行业必不可少的加工手段，提高电火花切割效率一直是其技术革新的重点。而电极丝作为电火花切割加工中的重要耗材受到越来越多的重视。根据应用区分，目前市场上常用的带有镀层的电极丝有以下几种：1、普通型镀锌电极丝：芯材为黄铜，镀层为纯锌。2、改进型镀锌电极丝：芯材为黄铜，镀层为铜锌合金。3、扩散退火型电极丝：芯材为纯铜，通过扩散工艺外包一层铜锌合金。4、钢琴丝：芯材为制造钢琴琴弦所用的高碳钢，镀层为黄铜，也有再镀锌的。

电极丝的热物理特性是提高切割效率的关键。在电火花切割时会产生大量的热量，其中的一些热量被电极丝吸收走了，这会降低切割效率。如果太多的热量损耗在电极丝上，电极丝就会因过热而熔断。因此需要电极丝表面能够快速气化，并在电极丝冷却的同时把热能释放到工件上。材料受热达到熔点后就会气化，产生气化压力。熔点低的材料更容易气化，可以帮助把废渣吹离切缝。当电极丝和工件在切割表面处是气化而不是熔化时，产生的是气体而不是熔融的金属颗粒，就能有效的改善冲洗过程，因为要冲走的颗粒少了。所以，理想的电极丝应该具有的一个典型特性就是低熔点和高气化压力。而冶金学家在研究电极丝的冲洗性时要考虑的材料的两大特性也分别为熔点以及气化压力。由于低熔点的锌对于改善电极丝的放电性能有着明显的作用，而黄铜中锌的比例又受到限制，所以人们想到了在黄铜丝外面再加一层锌，这就产生了镀锌电极丝。然而镀锌电极丝在切割工作时，特别是切割厚工件时，由于锌的挥发速度较快，致使镀锌层很快消耗掉，没有了镀锌层的电极丝就相当于普通黄铜丝，其切割速度会大幅度降低。所以，使用镀锌线时，其综合切割效率并没有太大提高。后来人们又设法在黄铜丝外面镀一层黄铜，并对镀层黄铜中铜锌比例进行调整，这在一定程度上解决了锌过快消耗的问题，但因镀层黄铜中同时存在α、β、β′、γ等相，后期热处理又无法大幅度改变其组织，就会有多种相杂乱存在，导致切割时稳定性变差，工件精度难于提升，切割速度也达不到理想的效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种镀层组织均匀稳定，使镀层中锌元素在切割时能均匀稳定的消耗的高效多层复合电极丝，从而达到保证切割稳定性及提升综合切割效率的目的。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种使镀层中锌元素在切割时能均匀稳定的消耗的高效多层复合电极丝的制备方法。

要达到上述目的，必须充分分析镀层金属在切割时的消耗情况，以及镀层组织均匀单一性质问题，使其在切割时即能很好的汽化以带走切割时产生的热量，又不会被完全消耗掉，这就要保证镀层金属均匀稳定地吸热、汽化、消耗。

本发明选用黄铜为基材，电镀铜金属镀层和锌金属镀层，然后通过扩散退火产生β相扩散合金层。在切割试验中，该高效多层复合电极丝切割速度比普通镀锌线及黄铜线均有明显提升，切割精度达到镀锌丝水平，且切割效率有明显提高，不仅节省了能源，也提高了切割时的生产效率，正符合了节能降耗的生产策略。

本发明解决上述技术问题所采用的具体技术方案为：该高效多层复合电极丝，包括芯部和包覆在所述芯部上的包皮，其特征在于所述的芯部为黄铜芯线经扩散退火、水冷及连拉连退处理后所形成的黄铜芯线，该黄铜芯线的金相组织主要为α相组织；所述的包皮是由依次镀覆在所述的黄铜芯线上的铜金属镀层和锌金属镀层经扩散退火、水冷及连拉连退处理后所形成的扩散合金层，该扩散合金层的金相组织主要为β相组织。

该高效多层复合电极丝的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

1)首先向所述的芯线上均匀地电镀上一层铜金属镀层；然后再在铜金属镀层上均匀地电镀上一层锌金属镀层；得到第一线坯；

2)将得到的第一线坯在400-600℃下进行扩散退火，扩散退火时间为10-30秒，使铜镀层和锌镀层之间发生扩散反应形成均匀的β相组织的扩散合金层，即包皮，得到第二线坯；

3)对第二线坯进行水冷，冷却温度30-60℃；

4)将得到的第二线坯进行拉伸退火，控制拉伸速度为800-1500m/min，退火电压为40-50V，退火电流为10-30A；制成高效多层复合电极丝。

较好的，该高效多层复合电极丝的直径为0.05～0.35mm，所述包皮的厚度为1～10μm。

对应于该高效多层复合电极丝的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

1)首先向直径为0.6～1.5mm的芯线上均匀地电镀上一层厚度为2～15μm的铜镀层；然后再在铜镀层上均匀地电镀上一层厚度为5～20μm锌镀层；得到第一线坯；

2)将得到的第一线坯在400-600℃下进行扩散退火，扩散退火时间为10-30秒，使铜镀层和锌镀层之间发生扩散反应形成均匀的β相组织的扩散合金层，即包皮，得到第二线坯；

3)对第二线坯进行水冷，冷却温度30-60℃；

4)将得到的第二线坯进行拉伸退火，控制拉伸速度为800-1500m/min，退火电压为40-50V，退火电流为10-30A；制成直径为0.05～0.35mm的高效多层复合电极丝，该电极丝包皮的厚度为1～10μm。

上述各方案中，较好的，所述铜金属镀层厚度可以为2～15μm，锌金属镀层厚度可以为5～20μm。

所述铜金属镀层中铜含量≥90wt％；所述锌金属镀层中的锌含量≥90wt％。

上述各方案中，所述芯线包括60～85wt％的铜和余量的锌以及不可避免杂质。

上述各制备方法中，所述的扩散退火可以采用高周波退火机进行，退火温度可以通过调节退火电压控制，退火时间可以通过调节收线电机电压控制。

与现有技术相比较，本发明具有以下显著优点和有益效果：

1、本发明的高效多层复合电极丝，切割效率比普通镀锌丝显著提高，切割综合成本低于普通镀锌电极丝。

2、本发明的高效多层复合电极丝，导电率优于普通镀锌丝，减少了切割时的放电消耗，达到了节能降耗的效果。

3、本发明的高效多层复合电极丝，实际使用时没有普通镀锌丝出现的掉粉现象。

4、本发明所采用的生产工艺简单，可操作性强，制备步骤少，生产设备简单，易于制得符合要求的复合电极丝。

5、本发明所提供的高效多层复合电极丝，通用性好。

附图说明

图1为本发明实施例1的制备过程中，内层和外层电镀结束后未扩散退火前的剖视图示意图。

图2为图1中A部分的局部放大图。

图3至图7为本发明实施例1中随扩散退火时间变化，第二线坯产生扩散反应金相组织的变化情况示意图；

图8至图16为实施例1至实施例9中所制备的多层复合电极丝的扫描电镜图片。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

下述各实施例中黄铜芯线的质量百分比组成为：铜60％-85％，其余为锌和由原材料及熔炼时带入的不可避免的杂质。将配料混合均匀后投入工频感应炉进行熔炼，通过上引铸造产出合金线坯。然后将所制线坯经多道拉伸和在线退火制成直径为0.6～1.5mm的线坯，再将所制线坯进行除油、酸洗、水洗后即得到供下述各实施例使用的芯线。

实施例1

选用直径为0.6mm的芯线1，按常规方法现在芯线上电镀上一层厚度为3μm的铜金属镀层2，然后在铜金属镀铜2上再电镀上一层9μm厚的锌金属镀层3，得到第一线坯4。如图1和图2所示。

对第一线坯进行扩散退火处理，扩散退火温度450℃，扩散退火时间20秒。扩散退火过程中芯线和两个金属镀层金相组织的变化如图3至图7所示。

其中图3是扩散退火开始后，铜金属镀层与锌金属镀层之间相互扩散生成β、β′、γ等组织层7。随着退火时间增加，如图4所示，铜金属镀层与锌金属镀层之间继续扩散产生更多的β、β′γ等组织，β、β′γ等组织层厚度增加。

图5所示为扩散退火结束后第一线坯的结构组织，由图5可以看出，其芯部为α组织，而表层的γ组织分解，此时表层为β和β′组织层8，只含有β和β′相组织。

在扩散退火过程中，芯线中的黄铜与铜金属镀层之间不可避免地存在少量扩散过渡层，其成分接近扩散层。

图6是扩散退火后进行水冷处理，冷却温度50℃，第一直径线材产生的结构组织，由图6可以看出，芯部仍为α组织，而表层中的β′相转化为β相，形成β相层9，此时表层为均匀的β相组织。

最后对扩散退火后的线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.05mm的高效多层复合电极丝，芯部6的直径为0.048mm，包皮5的厚度为1μm，如图7所示。

该高效多层复合电极丝的扫描电镜照片如图8所示，表层打点处的金属质量百分比为Cu：27.2％，Zn：72.8％。

在微机自动控制万能电子拉伸仪上测试该高效多层复合电极丝的综合力学性能，采用惠斯通电桥法测试其导电率，以SKD11模具钢做为工件测试所制备的高效多层复合电极丝的电火花加工速度，所测试的数据如表1所示。

实施例2

选用直径为0.8mm芯线，依次电镀上厚度为3μm的铜金属镀层和厚度为9μm的锌金属镀层，得到第一线坯。

对第一线坯进行扩散退火处理，扩散退火温度475℃，扩散退火时间15秒。

扩散退火后对第二线坯进行水冷，冷却温度50℃。

对第二线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.15mm的高效多层复合电极丝，包皮的厚度为2.25μm。

该高效多层复合电极丝的扫描电镜照片如图9所示，表层打点处的金属质量百分比为Cu：29.4％，Zn：70.6％。

在微机自动控制万能电子拉伸仪上测试其综合力学性能，采用惠斯通电桥法测试其导电率，以SKD11模具钢做为工件测试所制备的高效多层复合电极丝的电火花加工速度，所测试的数据如表1所示。

实施例3

选用直径为1.0mm芯线，由内而外依次电镀上厚度为5μm的铜金属镀层和厚度为6μm的锌金属镀层，得到第一线坯。

对第一线坯进行扩散退火处理，扩散退火温度500℃，扩散退火时间10秒。

扩散退火后对第二线坯进行水冷，冷却温度40℃。

对第二线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.3mm的高效多层复合电极丝，包皮的厚度为3.3μm。

该高效多层复合电极丝的扫描电镜照片如图10所示，表层打点处的金属质量百分比为Cu：27.6％，Zn：72.4％。

在微机自动控制万能电子拉伸仪上测试其综合力学性能，采用惠斯通电桥法测试其导电率，以SKD11模具钢做为工件测试所制备的高效多层复合电极丝的电火花加工速度，所测试的数据如表1所示。

实施例4

选用直径为1.2mm芯线，由内而外依次电镀上厚度为4μm的铜金属镀层和厚度为8μm的锌金属镀层，得到第一线坯。

对第一线坯进行扩散退火处理，扩散退火温度450℃，扩散退火时间15秒。

扩散退火后对第二线坯进行水冷，冷却温度30℃。

对第二线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.15mm的高效多层复合电极丝，包皮的厚度为1.5μm。

该高效多层复合电极丝的扫描电镜照片如图11所示，表层打点处的金属质量百分比为Cu：39.1％，Zn：60.9％。

在微机自动控制万能电子拉伸仪上测试其综合力学性能，采用惠斯通电桥法测试其导电率，以SKD11模具钢做为工件测试所制备的高效多层复合电极丝的电火花加工速度，所测试的数据如表1所示。

实施例5

选用直径为1.3mm芯线，由内而外依次电镀上厚度为6μm的铜金属镀层和厚度为6μm的锌金属镀层，得到第一线坯。

对第一线坯进行扩散退火处理，扩散退火温度450℃，扩散退火时间10秒。

扩散退火后对第二线坯进行水冷，冷却温度40℃。

对第二线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.20mm的高效多层复合电极丝，包皮的厚度为1.85μm。

该高效多层复合电极丝的扫描电镜照片如图12所示，表层打点处的金属质量百分比为Cu：42.6％，Zn：57.4％。

在微机自动控制万能电子拉伸仪上测试其综合力学性能，采用惠斯通电桥法测试其导电率，以SKD11模具钢做为工件测试所制备的高效多层复合电极丝的电火花加工速度，所测试的数据如表1所示。

实施例6

选用直径为1.4mm芯线，由内而外依次电镀上厚度为8μm的铜金属镀层和厚度为9μm的锌金属镀层，得到第一线坯。

对第一线坯进行扩散退火处理，扩散退火温度500℃，扩散退火时间20秒。

扩散退火后对第二线坯进行水冷，冷却温度50℃。

对第二线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.25mm的高效多层复合电极丝，包皮的厚度为3μm。

该高效多层复合电极丝的扫描电镜照片如图13所示，表层打点处的金属质量百分比为Cu：41.8％，Zn：58.2％。

在微机自动控制万能电子拉伸仪上测试其综合力学性能，采用惠斯通电桥法测试其导电率等各项性能，以SKD11模具钢做为工件测试所制备的高效多层复合电极丝的电火花加工速度，所测试的数据如表1所示。

实施例7

选用直径为1.5mm芯线，由内而外依次电镀上厚度为5μm的铜金属镀层和厚度为7μm的锌金属镀层，得到第一线坯。

对第一线坯进行扩散退火处理，扩散退火温度475℃，扩散退火时间20秒。

扩散退火后对第二线坯进行水冷，冷却温度60℃。

对第二线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.30mm的高效多层复合电极丝，包皮的厚度为2.4μm。

该高效多层复合电极丝的扫描电镜照片如图14所示，表层打点处的金属质量百分比为Cu：50.1％，Zn：49.9％。

在微机自动控制万能电子拉伸仪上测试其综合力学性能，采用惠斯通电桥法测试其导电率，以SKD11模具钢做为工件测试所制备的高效多层复合电极丝的电火花加工速度，所测试的数据如表1所示。

实施例8

选用直径为1.0mm芯线，由内而外依次电镀上厚度为10μm的铜金属镀层和厚度为15μm的锌金属镀层，得到第一线坯。

对第一线坯进行扩散退火处理，扩散退火温度475℃，扩散退火时间20秒。

扩散退火后对第二线坯进行水冷，冷却温度50℃。

对第二线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.35mm的高效多层复合电极丝，包皮的厚度为8.75μm。

该高效多层复合电极丝的扫描电镜照片如图15所示，表层打点处的金属质量百分比为Cu：49.8％，Zn：50.2％。

在微机自动控制万能电子拉伸仪上测试其综合力学性能，采用惠斯通电桥法测试其导电率，以SKD11模具钢做为工件测试所制备的高效多层复合电极丝的电火花加工速度，所测试的数据如表1所示。

实施例9

选用直径为0.7mm芯线，由内而外依次电镀上厚度为15μm的铜金属镀层和厚度为20μm的锌金属镀层，得到第一线坯。

对第一线坯进行扩散退火处理，扩散退火温度500℃，扩散退火时间15秒。

扩散退火后对第二线坯进行水冷，冷却温度60℃。

对第二线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.20mm的高效多层复合电极丝，包皮的厚度为10μm。

该高效多层复合电极丝的扫描电镜照片如图16所示，表层打点处的金属质量百分比为Cu：48.7％，Zn：51.3％。

在微机自动控制万能电子拉伸仪上测试其综合力学性能，采用惠斯通电桥法测试其导电率，以SKD11模具钢做为工件测试所制备的高效多层复合电极丝的电火花加工速度，所测试的数据如表1所示。

上述实施例2至实施例9中第一线坯和第二线坯扩散退火、水冷及连拉连退过程中金相组织的变化示意图与实施例1的相近似。

比较例1

取1.0mm的芯线，电镀上锌金属镀层，锌金属镀层的厚度为12μm。对镀后的线坯进行扩散退火处理，扩散退火温度500℃，扩散退火时间15秒，然后对芯线进行水冷，冷却温度50℃，最后对扩散退火后的线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.15mm的镀锌电极丝。使用所制镀锌电极丝在切割加工时，效率低于高效多层复合电极丝。

比较例2

取1.0mm的芯线，电镀上铜金属镀层，铜金属镀层的厚度为12μm。对镀后的线坯进行扩散退火处理，扩散退火温度500℃，扩散退火时间15秒，然后对芯线进行水冷，冷却温度50℃，最后对扩散退火后的线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.15mm的镀锌电极丝。使用所制镀锌电极丝在切割加工时，效率低于高效多层复合电极丝。

表1实施例与比较例的综合力学性能、导电率、电火花加工速度、切割精度、掉粉量

注：表2中的铜粉测试均是相同条件下进行，每种产品取样5000m在铜粉测试机上进行。

*：以比较例1的电火花加工速度为基准，实施例1、2、3、4、5、6、7、8、9及比较例2的加工速度与其比值做为体现它们加工速度的性能参数。

由表2中数据可以看出，高效多层复合电极丝的加工速度及导电率明显优于普通镀锌线和镀黄铜线，且其切割精度也比普通镀锌线和镀黄铜线有一定提升。高效多层复合电极丝的掉粉量与普通镀锌电极丝及镀黄铜丝相比有显著减少。

Claims (7)

1.一种高效多层复合电极丝，包括芯部和包覆在所述芯部上的包皮，其特征在于所述的芯部为黄铜芯线经扩散退火、水冷及连拉连退处理后所形成的黄铜线芯，该黄铜线芯的金相组织主要为α相组织；所述的包皮是由依次镀覆在所述的黄铜芯线上的铜金属镀层和锌金属镀层经扩散退火、水冷及连拉连退处理后所形成的扩散合金层，该扩散合金层的金相组织主要为β相组织。

2.根据权利要求1所述的高效多层复合电极丝，其特征在于该高效多层复合电极丝的直径为0.05～0.35mm，所述包皮的厚度为1～10μm。

3.根据权利要求1或2所述的高效多层复合电极丝，其特征在于所述铜金属镀层厚度为2～15μm，锌金属镀层厚度为5～20μm。

4.根据权利要求3所述的高效多层复合电极丝，其特征在于所述铜金属镀层中铜含量≥90wt％；所述锌金属镀层中的锌含量≥90wt％。

5.根据权利要求4所述的高效多层复合电极丝，其特征在于所述芯线包括60～85wt％的铜和余量的锌以及不可避免杂质。

6.如权利要求1所述的高效多层复合电极丝的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

1)首先向所述的芯线上均匀地电镀上一层铜金属镀层；然后再在铜金属镀层上均匀地电镀上一层锌金属镀层；得到第一线坯；

2)将得到的第一线坯在400-600℃下进行扩散退火，扩散退火时间为10-30秒，使铜镀层和锌镀层之间发生扩散反应形成均匀的β相组织的扩散合金层，即包皮，得到第二线坯；

3)对第二线坯进行水冷、冷却温度30-60℃；

4)将得到的第二线坯进行拉伸退火，控制拉伸速度为800-1500m/min，退火电压为40-50V，退火电流为10-30A，制成高效多层复合电极丝。

7.如权利要求2所述的高效多层复合电极丝的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

1)首先向直径为0.6～1.5mm的芯线上均匀地电镀上一层厚度为2～15μm的铜金属镀层；然后再在铜金属镀层上均匀地电镀上一层厚度为5～20μm锌金属镀层；得到第一线坯；

2)将得到的第一线坯在400-600℃下进行扩散退火，扩散退火时间为10-30秒，使铜金属镀层和锌金属镀层之间发生扩散反应形成均匀的β相组织的扩散合金层，得到第二线坯；

3)对第二线坯进行水冷、冷却温度30-60℃；

4)将得到的第二线坯进行拉伸退火，控制拉伸速度为800-1500m/min，退火电压为40-50V，退火电流为10-30A；制成直径为0.05～0.35mm的高效多层复合电极丝，该电极丝包皮的厚度为1～10μm。

Images