CN103273150B - 一种高效率的精密模具切割用电极丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效率的精密模具切割用电极丝，包括芯材和包覆在芯材表面的壳层，所述芯材为经熔炼、铸造、拉伸以及退火处理后所形成的黄铜芯材；所述壳层由镀覆在所述黄铜芯材上的锌金属镀层进行热处理以及连拉连退加工后形成的不连续的壳层，所述不连续壳层包括壳层微粒，所述壳层微粒沿所述芯材表面径向覆盖率为40-90%，所述壳层微粒沿所述芯材表面轴向间隔分布；同时还涉及该电极丝的制备方法。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产品，且易于实现规模化、自动化生产；本电极丝通用性强，尤其适合用于精密模具切割。

Description

一种高效率的精密模具切割用电极丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及电线放电加工用电极丝及其制备方法，尤其涉及一种高效率的精密模具切割用电极丝及其制备方法。

背景技术

机械加工技术日新月异，线切割电火花加工作为一种特种精密机械加工技术得到了迅速发展，尤其是线切割电火花加工中的慢走丝线切割加工已成为模具制造与机械加工行业提高加工效率和品质的一种必不可少的加工方法，而线切割技术的发展离不开电极丝技术的同步发展，现在国际上流行的慢走丝机床设计理念就是根据电极丝性能进行设计的。

从上世纪七八十年代发明镀锌电极丝至今，市场已出现了多种电极丝，如：黄铜电极丝、普通镀层电极丝，复合电极丝等，但现有的电极丝存在的各种问题影响了其总体性能，如：

黄铜电极丝：这种电极丝是铜锌二元合金，因受锌含量制约，放电时能量转换效率无法进一步提高，导致其切割速度提升有限，同时由于冲洗性不良，会产生较大的直线度误差（上下端尺寸误差和鼓形差），所以一般不用于精密加工，另外该种电极丝在使用过程中存在着掉铜粉、断线等现象；

普通镀层电极丝：这种电极丝的芯材为普通黄铜，制备时在外面镀一层锌，由于锌在切割过程中的气化作用，该种电极丝的放电会比较稳定，切割表面比普通黄铜丝光滑，但在实际使用过程中该种电极丝仍然存在掉粉现象，同时切割加工速度未得到最大优化；

复合电极丝：芯材为钢丝，制备时表面镀纯铜再镀黄铜，也可以直接镀黄铜，该种电极丝的生产工艺比较复杂，成本较高，难于实现规模化、自动化生产，在提高切割效率的同时也增加了生产成本。

电极丝的性能问题会影响其切割效率，而提高电极丝切割效率的关键是电极丝的物理特性，电极丝的物理特性由电极丝材料的基础成分配比及芯材的组成金属特性决定，如本申请人的申请公布号为CN102528190A的中国发明专利《一种高效多层复合电极丝及其制备方法》公开了一种高效多层复合电极丝，该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，生成的高效多层复合电极丝，切割效率比普通镀锌电极丝显著提高，切割综合成本低于普通镀锌电极丝且通用性好，然而，虽然与普通镀层电极丝相比该高效多层复合电极丝镀层中锌金属分布更加均匀，但在切割过程中还是存在着未能均匀消耗、气化而带走切割过程中产生的热量的现象，且连续的扩散合金层也不利于热量的散发，从而影响切割效率和切割质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术而提供一种能提高切割效率和切割料件的表面质量的高效率的精密模具切割用电极丝。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种制备上述高效率的精密模具切割用电极丝的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种高效率的精密模具切割用电极丝，包括芯材和包覆在芯材表面的壳层，且所述芯材的材质为黄铜，其特征在于：所述壳层为由间隔分布在芯材表面的壳层微粒构成的不连续壳层，且该不连续壳层对芯材表面的覆盖率为40-90%；并且，所述壳层的最大厚度处小于等于6μm，所述壳层微粒间的最大间距为20μm，所述壳层微粒的最大尺寸为80μm，所述壳层的重量组成为：锌金属含量为50-90wt%，余量为铜及不可避免的杂质，不可避免的杂质含量小于等于0.2wt%。

上述方案中，所述芯材的重量组成为：铜金属含量为57-65wt%，余量为锌及不可避免的杂质，不可避免的杂质含量小于等于0.5wt%。

上述方案中，所述高效率的精密模具切割用电极丝的直径为0.06-0.4mm。

作为优选，所述壳层在所述壳层微粒覆盖处，95%以上的所述壳层厚度为0.2-5μm。

作为优选，所述壳层的覆盖率为50-80%，这样增加了电极丝的表面积，使得放电间隙迅速注入大量工作液，提高了电极和料件的冷却速度，有利于把电蚀产物从间隙中带出，改善了电极丝放电后的冲洗效果，从而提高了切割料件的表面质量。

作为优选，80%以上所述壳层微粒间的间距为5-15μm，80%以上的所述的壳层微粒的大小为20-60μm，这样可使所述壳层微粒更加均匀的分布，有利于镀层中的锌在切割时均匀稳定地效率，减少了切割时的放电消耗，降低了成本；电极丝经加工成型后，有如针孔状大小的壳层微粒，也有达到最大尺寸80μm的壳层微粒，壳层微粒间距有如针孔状大小的，也有达到20μm大小的，但当80%以上的壳层间距、壳层微粒大小达到上述优选方案范围时，该电极丝的各项性能较佳。

所述高效率的精密模具切割用电极丝的制备方法包括以下步骤：

1）采用所述黄铜芯材，在其表面镀上一层锌，得到第一线坯；

2）接着对所述第一线坯进行热处理，热处理工艺的温度为50-550℃，时间为0.5-10h，得到第二线坯；

3)最后对所得第二线坯进行拉伸退火加工，制得所述高效率的精密模具切割用电极丝，其中拉伸速度为500—2000m/min，退火电压为20—100V，退火电流为10—50A；

上述制备方法中，所述芯材的直径为0.7-1.5mm，镀锌层的厚度为0.5-10μm。

上述制备方法中，所述热处理采用电加热炉进行，所述热处理工艺通过电控系统自动化控制。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

电火花线切割加工时通过电极丝和料件之间不断产生脉冲性的火花放电时局部瞬时产生的高温把金属蚀除下来，放电的发生点必须聚集有足够多的正负电子，并且正负电子及离子高速运动到两极，形成导电通道，两极间的腐蚀放电才能正式形成，形成等离子区，并且温度急剧上升至8000－12000℃，瞬间将料件金属熔化，甚至伴随有少量气化，同时高温也使电极丝和料件之间的工作液部分产生汽化，形成气泡，此时脉冲电流突然中断，温度急剧下降，气泡炸裂，形成很大的力量将已腐蚀的金属炸出。

本发明中的电极丝采用不连续壳层更容易快速提供大量的正负电子，同时提高了气化温度，增加了电火花放电能量，使得放电时爆炸力大，蚀除量大而快，更有利于腐蚀金属料件，从而使该电极丝的切割效率与普通电极丝相比显著提高，因此切割综合成本降低；

脉冲电流中断后，不连续壳层增加了电极丝的表面积，使得放电间隙迅速注入大量工作液，提高了电极和料件的冷却速度，有利于把电蚀产物从间隙中带出，改善了电极丝放电后的冲洗效果，从而提高了切割料件的表面质量；

本发明中的表面壳层能缓解镀层中锌的消耗，使镀层中的锌在切割时均匀稳定地消耗，减少了切割时的放电消耗，降低了成本，从而达到了节能降耗的效果；同时，该结构的电极丝可有效解决普通电极丝在使用过程中出现的掉粉问题；

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产品，且易于实现规模化、自动化生产，同时本发明中生产的电极丝通用性强，尤其适合用于精密模具切割。

附图说明

图1为实施例1制备过程中，镀锌后未进行热处理前第一线坯的横截面示意图；

图2为实施例1制备过程中，经热处理后第二线坯的横截面示意图；

图3为实施例1制备过程中，经连拉连退处理后最终成型的高效率的精密模具切割用电极丝的横截面示意图；

图4为实施例1中最终成型的高效率的精密模具切割用电极丝的纵截面示意图；

图5为实施例2中高效率的精密模具切割用电极丝的横截面显微照片图；

图6为实施例2中高效率的精密模具切割用电极丝的纵截面显微照片图；

图7为实施例4中高效率的精密模具切割用电极丝的横截面显微照片图；

图8为实施例4中高效率的精密模具切割用电极丝的纵截面显微照片图；

图9为实施例6中高效率的精密模具切割用电极丝的横截面显微照片图；

图10为实施例6中高效率的精密模具切割用电极丝的纵截面显微照片图。

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材的质量百分比的成分组成为：铜金属含量为57—65wt%，余量为锌金属，其他为由原材料及熔炼时带入的不可避免的杂质，且不可避免的杂质含量小于等于0.5wt%。将配料混合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0.7-1.5mm的线坯，再将所制得的线坯进行除油、酸洗、水洗后即可得到供下述各实施例使用的芯材。

实施例1：

如图1所示在上述所得芯材1表面均匀地镀上一层锌，镀层2厚度为0.5μm，得到第一线坯，然后对第一线坯进行热处理，热处理工艺的温度为50℃，时间为10h，如图2所示，此时芯材1和镀层2发生扩散，芯材1的直径减小而镀层2的厚度增加，形成了稳定的锌合金壳层3，得到第二线坯，最后对热处理后的第二线坯进行连拉连退加工，如图3所示，此时表面锌合金壳层3在芯材1表面重新分配、扩散，使得线坯内部形成均匀的组织结构，而外部形成不连续壳层4，制成直径为0.06mm的高效率的精密模具切割用电极丝，如图3和图4所示，芯材1表面的壳层4为不连续壳层，由于连拉连退等加工工艺，壳层4在芯材1表面基本均匀分布，覆盖率为40.3%，壳层4由分布在芯材1表面的壳层微粒41间隔分布而成。壳层4的最大厚度处为2μm，壳层4在有壳层微粒41覆盖处，95%以上的壳层4厚度为0.2-1μm。壳层微粒41间的最大间距为20μm，80%以上的壳层微粒41间的间距为9-13μm。壳层微粒41的最大尺寸为80μm，80%以上的壳层微粒41的大小为30-50μm。壳层4中锌金属含量为50-67.5wt%，余量为铜及不可避免的杂质，不可避免的杂质含量小于等于0.2wt%。

下列实施例2～6的制备过程中，镀锌后未进行热处理前第一线坯横截面示意图和经热处理后第二线坯的横截面示意图与实施例1中的图1和图2相近似，成型的高效率的精密模具切割用电极丝的横截面示意图和纵截面示意图与实施例1中的图3和图4相近似，在此不再赘述。

实施例2：

在上述所得芯材表面镀锌，镀层厚度为1μm，得到第一线坯，然后对第一线坯进行热处理，热处理工艺的温度为150℃，时间为7.5h，得到第二线坯，最后对热处理后的第二线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.10mm的高效率的精密模具切割用电极丝。其中，壳层在芯材表面的覆盖率为80%，壳层的最大厚度处为3μm，壳层在有壳层微粒覆盖处，95%以上的壳层厚度为0.8-2μm。如图5和图6所示，实施例2中壳层微粒径向长度较小，微粒间间距较小，壳层在芯材表面覆盖率较高，电极丝表面分布有针孔状结构，壳层微粒间的最大间距为20μm，80%以上的壳层微粒间的间距为5-9μm。壳层微粒的最大尺寸为80μm，80%以上的壳层微粒的大小为20-40μm。壳层中锌金属含量为55.6-71.5wt%，余量为铜及不可避免的杂质，不可避免的杂质含量小于等于0.2wt%。

实施例3：

在上述所得芯材表面镀锌，镀层厚度为4μm，得到第一线坯，然后对第一线坯进行热处理，热处理工艺的温度为250℃，时间为5h，得到第二线坯，最后对热处理后的第二线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.20mm的高效率的精密模具切割用电极丝。其中，壳层在芯材表面的覆盖率为89.6%，壳层的最大厚度处为3.5μm，壳层在有壳层微粒覆盖处，95%以上的壳层厚度为2-3μm。壳层微粒间的最大间距为20μm，80%以上的壳层微粒间的间距为8-12μm。壳层微粒的最大尺寸为80μm，80%以上的壳层微粒的大小为32-52μm。壳层中锌金属含量为61.5-76.2wt%，余量为铜及不可避免的杂质，不可避免的杂质含量小于等于0.2wt%。

实施例4：

在上述所得芯材表面镀锌，镀层厚度为6.5μm，得到第一线坯，然后对第一线坯进行热处理，热处理工艺的温度为350℃，时间为3.5h，得到第二线坯，最后对热处理后的第二线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.25mm的高效率的精密模具切割用电极丝。其中，壳层在芯材表面的覆盖率为70.5%，壳层的最大厚度处为4.5μm，壳层在有壳层微粒覆盖处，95%以上的壳层厚度为3-4μm。如图7和图8所示，实施例4中壳层在芯材表面的覆盖率低于实施例2，且与实施例2相比壳层微粒径向长度较大，微粒间间距较大，壳层微粒间的最大间距为20μm，80%以上的壳层微粒间的间距为7-11μm。壳层微粒的最大尺寸为80μm，80%以上的壳层微粒的大小为26-46μm。壳层中锌金属含量为65.2-81.5wt%，余量为铜及不可避免的杂质，不可避免的杂质含量小于等于0.2wt%。

实施例5：

在上述所得芯材表面镀锌，镀层厚度为8μm，得到第一线坯，然后对第一线坯进行热处理，热处理工艺的温度为550℃，时间为0.5h，得到第二线坯，最后对热处理后的第二线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.4mm的高效率的精密模具切割用电极丝。其中，壳层在芯材表面的覆盖率为62.5%，壳层的最大厚度处为5μm，壳层在有壳层微粒覆盖处，95%以上的壳层厚度为3.5-4.5μm。壳层微粒间的最大间距为20μm，80%以上的壳层微粒间的间距为10-14μm。壳层微粒的最大尺寸为80μm，80%以上的壳层微粒的大小为35-55μm。壳层中锌金属含量为73.5-90wt%，余量为铜及不可避免的杂质，不可避免的杂质含量小于等于0.2wt%。

实施例6：

在上述所得芯材表面镀锌，镀层厚度为10μm，得到第一线坯，然后对第一线坯进行热处理，热处理工艺的温度为400℃，时间为2.5h，得到第二线坯，最后对热处理后的第二线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.30mm的高效率的精密模具切割用电极丝。其中，壳层在芯材表面的覆盖率为53.7%，壳层的最大厚度处为6μm，壳层在有壳层微粒覆盖处，95%以上的壳层厚度为4-5μm。如图9和图10所示，实施例6中壳层在芯材表面的覆盖率低于实施例2和实施例4，且与实施例4相比壳层微粒径向长度较大，微粒间间距较大，壳层微粒间的最大间距为20μm，80%以上的壳层微粒间的间距为11-15μm。壳层微粒的最大尺寸为80μm，80%以上的壳层微粒的大小为40-60μm。壳层中锌金属含量为70.5-85wt%，余量为铜及不可避免的杂质，不可避免的杂质含量小于等于0.2wt%。

上述实施例1-6制备的最终成型的高效率的精密模具切割用电极丝，在万能电子拉伸仪上测试其综合力学性能，采用电桥法测试其导电率，以SKD11模具钢做为料件测试所制备的带有特殊壳层电极丝的电火花加工速度及切割精度，所测试的数据如表1所示。

比较例1：

取各实施例中所用芯材，在芯材表面镀锌，镀层厚度为15μm，得到第一线坯，然后对第一线坯进行热处理，热处理工艺的温度为40℃，时间为20h，得到第二线坯，最后对热处理后的第二线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.06-0.4mm的镀锌电极丝，使用所制镀锌电极丝在切割加工时，效率低于本发明中带有特殊壳层电极丝。

比较例2：

比较例2选自专利号为200520061757.8的中国实用新型专利，该实用新型公开了一种慢走丝线切割机放电用的电极线结构，该电极丝结构是在铜线材外表面镀一层锌合金层，且锌合金镀层表面为光滑形态式微孔形态，其中铜线材为铜锌合金线或铜镍合金线材或紫铜线材，电极线芯线直径为0.10-0.33mm，镀锌层厚度为0.008-0.1mm，其制备工艺、工序数量比较简单，但其切割速度低于本发明所生产的带有特殊壳层电极丝。

比较例3：

取各实施例中所用芯材，在芯材表面镀锌，镀层厚度为0.3μm，得到第一线坯，然后对第一线坯进行热处理，热处理工艺的温度为200℃，时间为12h，得到第二线坯，最后对热处理后的第二线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.06-0.4mm的镀锌电极丝，使用所制镀锌电极丝在切割加工时，效率低于本发明中带有特殊壳层电极丝。

比较例4：

取各实施例中所用芯材，再将芯材进行连拉连退加工，制成直径为0.06-0.4mm的普通电极丝。使用所制普通电极丝（无壳层）在切割加工时，效率更加明显低于本发明中带有特殊壳层电极丝。

比较例5：

比较例5选自韩国专利，专利号为98801082.8。该专利公开了放电加工用多孔性电极线及其制造方法。其制造工艺是第一直径第一金属在一定时间内通过比第一金属汽化温度低的熔化了的第二金属的镀槽而热浸镀所述线材，并通过上述第一金属和第二金属间的扩散反应在上述线材的表面形成比第一金属和第二金属硬度高的合金层。所述第一金属为纯铜或铜锌合金，第二金属可锌，铝，锡。该发明制备工艺较难控制，生产设备昂贵，生产工序复杂，且所生产的产品切割速度低于本发明所生产的带有特殊壳层电极丝。

比较例6：

取各实施例中所用芯材，在芯材表面镀锌，镀层厚度为25μm，得到第一线坯，然后对第一线坯进行热处理，热处理工艺的温度为600℃，时间为0.4h，得到第二线坯，最后对热处理后的第二线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.06-0.4mm的镀锌电极丝，使用所制镀锌电极丝在切割加工时，效率低于本发明中带有特殊壳层电极丝。

上述比较例1-6制备的最终成型的电极丝，在万能电子拉伸仪上测试其综合力学性能，采用电桥法测试其导电率，以SKD11模具钢做为料件测试所制备的最终成型的电极丝的电火花加工速度及切割精度，所测试的数据如表2所示。

表1为各实施例中高效率的精密模具切割用电极丝的抗拉强度、导电率、电火花加工速度比和切割精度。

表1

表2为各比较例中电极丝的抗拉强度、导电率、电火花加工速度比和切割精度。

表2

*--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及比较例2、3、4、5、6的加工速度与其比值做为体现它们加工速度的性能参数。

综上，本发明的带有特殊壳层电极丝切割效率有明显优势，导电率也大于同类产品水平，切割精度达到甚至超越了同类产品。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高效率的精密模具切割用电极丝，包括芯材和包覆在芯材表面的壳层，且所述芯材的材质为黄铜，其特征在于：所述壳层为由间隔分布在芯材表面的壳层微粒构成的不连续壳层，且该不连续壳层对芯材表面的覆盖率为40-90％；并且，所述壳层的最大厚度处小于等于6μm，所述壳层微粒间的最大间距为20μm，所述壳层微粒的最大尺寸为80μm，80％以上的所述壳层微粒间的间距为5-15μm，80％以上的所述的壳层微粒的大小为20-60μm，所述壳层的重量组成为：锌金属含量为50-90wt％，余量为铜及不可避免的杂质，不可避免的杂质含量小于等于0.2wt％。

2.根据权利要求1所述的电极丝，其特征在于：所述芯材的重量组成为：铜金属含量为57-65wt％，余量为锌及不可避免的杂质，不可避免的杂质含量小于等于0.5wt％。

3.根据权利要求1所述的电极丝，其特征在于：所述电极丝的直径为0.06-0.4mm。

4.根据权利要求1所述的电极丝，其特征在于：所述壳层的覆盖率为50-80％。

5.根据权利要求1所述的电极丝，其特征在于：所述壳层在有所述壳层微粒覆盖处，95％以上的所述壳层的厚度为0.2-5μm。

6.一种如权利要求1所述的高效率的精密模具切割用电极丝的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

1)在芯材表面镀上一层锌镀层，得到第一线坯；

2)接着对所述第一线坯进行热处理，热处理的工艺温度为50-550℃，时间为0.5-10h，得到第二线坯；

3)最后对所得第二线坯进行拉伸退火加工，制得所述高效率的精密模具切割用电极丝成品，其中拉伸速度为500—2000m/min，退火电压为20—100V，退火电流为10—50A。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述芯材的直径为0.7-1.5mm。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述锌镀层的厚度为0.5-10μm。