CN105033377A - 一种高效低损耗电火花腐蚀加工用电极丝及其制备方法 - Google Patents

一种高效低损耗电火花腐蚀加工用电极丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高效低损耗电火花腐蚀加工用电极丝，该电极丝包括芯材和壳层，所述芯材的材质为铜或铜合金，所述壳层的材质为锌或锌合金，所述壳层包括包覆于芯材表面的壳层基底、电极点以及包覆于壳层基底表面的保护层，所述电极点为嵌设于壳层基底的电极微粒，该电极微粒由大量的铜锌合金电子化合物聚集而成，所述壳层基底于电极点周围和/或其中心处设置有通道，该通道呈微孔状且100nm≤孔径≤1000nm；还涉及该电极丝的制备方法。本发明中的电极丝能实现快速放电切割，腐蚀金属，并且能使被蚀除下来的材料从放电坑两侧迅速抛出，防止与电极丝心部接触，产生二次放电，从而起到保护电极丝作用，减少电极丝损耗，提高切割精度。

Description

一种高效低损耗电火花腐蚀加工用电极丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及电火花腐蚀加工领域，尤其涉及一种高效低损耗电火花腐蚀加工用电极丝及其制备方法。
背景技术
电火花线切割加工(WirecutElectricalDischargeMachining，简称WEDM，WC)又称线切割，是利用连续移动的细金属丝(称为电极丝)作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型，从而完成工件的加工的方法。
电火花线切割加工的物理原理如下：被切割的工件作为工件电极，上述细金属丝(即电极丝)作为工具电极，为了在两个电极之间产生火花，其上所施加的电压必须高于GAP(电极丝和工件之间的间隙)击穿电压，而在此过程的开始阶段形成强电场，并在电极丝与工件最靠近的地方形成最高浓度的正、负离子。在强电场作用下，电子和正离子被加速达到很高的速度，很快形成一个导电的电离通道，此时两电极(电极丝和工件)之间通过电流而产生火花，引起了粒子间无数次的碰撞，形成等离子区，同时，由于“电极”和工作液的汽化而形成了气泡，并且其压力上升到很高的值，因而已形成的等离子区，很快就达到了8000℃～12000℃的极高温。在碰撞数持续增长作用下形成的高温，可在两导体表面瞬时局部熔化一定量的材料。当电流被切断时，温度的突然下降引起了气泡的爆炸，产生的动力把熔化的材料从放电坑中抛出，被蚀除下来的材料随后在工作液中重新凝结成小球体，构成了污染物，由工作液排走。加工过程中，电极和工件上的蚀除量是不相等的，这主要取决于电极的极性，材料的热传导性、熔点，放电的持续时间和强度，以及走丝速度等，其中在电极丝上发生的蚀除称为损耗，而在工件上发生的蚀除则称为材料去除量。
电火花线切割加工过程中，人们希望电极丝上发生的损耗越少越好，这是因为电极丝是运动着的长金属丝，在相同的切割面积下，单位长度电极丝损耗越少，则能耗越低，可回收利用的电极丝越多，同时对工作液环境的污染程度越小，从而实现清洁、环保的低损耗线切割。目前，人们常常利用极性效应来减少电极损耗(精加工时工具电极接负极，粗加工时反之)，如申请号为201010102045.1(申请公布号为CN101829822A)的中国发明专利《一种通过与极间串联二极管以减少微细电火花加工工具电极损耗的方法》，该发明中在距离工具电极或工件最近的地方接入高速开关二极管或超快恢复二极管，二极管正向偏置，二极管、极间和脉冲电源三者形成一个串联回路，能显著减少微细电火花加工中工具电极的损耗。然而，目前对电极丝本身进行改进以减少其在电火花腐蚀加工中损耗还未见报道，本发明从电极丝本身出发，该电极丝通过其上的电极点实现快速放电切割，腐蚀金属，并通过设置在电极点周围和/或靠近电极丝心部内侧的通道改善气泡爆炸力冲出方向，使得被蚀除下来的材料从放电坑两侧迅速抛出，防止与电极丝心部接触，产生二次放电，起到保护电极丝作用，从而减少电极丝损耗。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术而提供一种切割效率高、损耗小且精度高的高效低损耗电火花腐蚀加工用电极丝。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对现有技术而提供一种上述电极丝的制备方法。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种高效低损耗电火花腐蚀加工用电极丝，包括芯材和壳层，所述芯材的材质为Cu或铜合金，所述壳层的材质为Zn或锌合金，其特征在于，所述壳层包括包覆于芯材表面的壳层基底、电极点以及包覆于壳层基底表面的保护层，所述电极点为嵌设于壳层基底的电极微粒，该电极微粒由大量铜锌合金电子化合物聚集而成，同时所述壳层基底于电极点周围和/或壳层基底中心处分布由内向外延伸的通道，该通道呈微孔状且100nm≤孔径≤1000nm。
作为优选，所述壳层中各成分的质量百分数组成为：Zn42.5～52.5％，余量为Cu，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％，该锌含量设置可使切割放电时的气化性能得到加强，有助于提高切割工件的表面光洁度。
本发明中的壳层的厚度为10～50μm，同时还具有良好的导电率且导电率为22～25％IACS，壳层的壳层基底相对韧性良好，能避免了电极丝在切割放电过程中由于韧性不足而造成的断线，另外该壳层基底具有良好的导电性能，能更加有效地传输放电能量，提高切割效率。
作为优选，所述电极点的粒径为200～2000nm，所述电极点占壳层基底的比例为20～80％，进一步，80％的所述电极点以芯材为中心呈环形均匀分布于芯材外侧，如上所述，电极点为嵌设于壳层基底的电极微粒，该电极微粒由大量的铜锌合金电子化合物聚集而成，由于电子具有相对较小的质量和惯性，因此容易获得较大的加速度和速度，在击穿放电的初始阶段能快速奔向正极，把能量传递至工件正极表面，使其快速熔化和气化，从而使得电极点具有优越的放电效果，实现快速放电切割，腐蚀金属。
作为优选，所述铜锌合金电子化合物为CuZn、Cu3Zn2、Cu5Zn8中的至少一种。
作为优选，所述芯材中各成分的质量百分数组成为：Cu58.5～68.5％，余量为Zn，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：(1)芯材制备：取所需的Cu或铜合金进行拉伸加工制成线径为Φ0.6～Φ1.5mm的母线，拉伸强度为400～600MPa，该铜合金中Cu含量为58.5～68.5％，余量为Zn及不可避免的杂质元素，且不可避免杂质元素的含量≤0.3％；
(2)壳层基底制备：在上述制备的母线上包覆一层厚度为10～50μm的Zn或锌合金形成壳层基底，从而制得第一线坯，该锌合金中Zn含量为42.5～99％，余量为Cu，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％，该壳层基底的硬度为HB20～50，断面收缩率为60％以上，导电率为22～25％IACS，此时的壳层基底相对硬度较低，便于步骤(3)中嵌入电极微粒而形成电极点，并且具有良好塑韧性和冷加工性能，在电极丝加工过程中有利于电极微粒在壳层基底中呈环形均匀分布；
(3)电极点和通道的形成：将上述第一线坯通过热处理及压力加工方法处理，使得壳层基底中获得所需的电极点及通道，制得电极丝半成品，其中热处理参数为：热处理温度400～500℃，热处理时间2～10h，热处理过程中充氮气保护；压力加工方法处理参数：加工速度500～1500m/min，加工电压10～50V，电流为5～20A，加工率为82.6～97.2％；
(4)保护层的制备：将上述制备的电极丝半成品进行钝化和烘干处理而形成厚度为0.1～0.5μm的保护层，其中烘干温度为50～100℃，最终制得的电极丝成品的线径为Φ0.2～Φ0.35mm。采用钝化和烘干处理形成厚度均匀的保护层，可以稳定电极丝的性能，提升电极丝的导电率，该保护层可以有效的防止电极丝氧化，延长电极丝的存放时间，此外，所采用的钝化和烘干处理是同连拉连退的压力加工同时进行的，生产工艺简单，可操作性强,制备步骤少，生产设备简单，具有低成本显著优势。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)电极点为嵌设于壳层基底的电极微粒，该电极微粒由大量的铜锌合金电子化合物聚集而成，由动能公式可得，由于电子具有相对较小的质量和惯性，电子能获得较大的加速度和速度，在击穿放电的初始阶段能快速奔向正极，把能量传递至工件正极表面，使其快速熔化和气化，从而使得电极点具有优越的放电效果，实现快速放电切割，腐蚀金属。此外，壳层中的通道以及锌被腐蚀掉后留下的坑洞增加了电极丝表面积，表面积的增加提高了放电时的散热面积，切割时聚集的能量就更容易的散去，这样电极丝的切割速度就会显著提高。
(2)当电流被切断时，温度的突然下降会引起气泡的爆炸，产生的动力把熔化的材料从放电坑中抛出，而通道中储存有大量气体，对放电坑正面抛出的材料有缓冲作用、甚至产生反作用力，在设备高压冲水情况下，将腐蚀下来的材料从电极丝两侧抛出，防止其与电极丝的芯材接触而产生二次放电，从而起到保护电极丝、减少电极丝损耗的作用，此外，该通道还可以降低离子速度，使得到达电极丝负极的离子数在最大值前就结束放电，因而减少对电极丝的轰炸作用，从而进一步减少对电极丝的损耗。
(3)本发明的壳层中的通道还隔断了壳层金属铜锌的连续性，从而保证了切割时放电的间隔性，起到了放电加工时的冷却作用和排屑作用：放电时，由于锌的熔点较低，气化焓小，首先被腐蚀掉，而具有高熔点的氧化铜、氧化亚铜、氧化亚锌等却遗留在电极丝表面，保证了电极丝几何形状一致性，而电极丝几何形状的一致性有利于提高切割后工件的形位公差及尺寸精度。
附图说明
图1为本发明实施例1中母线的横截面示意图；
图2为本发明实施例1中第一线坯的横截面示意图；
图3为本发明实施例1中电极丝半成品的横截面示意图；
图4为本发明实施例1中电极丝成品的横截面示意图；
图5为图3中Ⅰ部分的放大图；
图6为图4中Ⅱ部分的放大图；
图7为本发明实施例1中母线横截面的显微照片图(×100)；
图8为本发明实施例1中第一线坯横截面的显微照片图(×100)；
图9为本发明实施例1中电极丝半成品横截面的显微照片图(×100)；
图10为本发明实施例1中电极丝成品横截面的显微照片图(×100)；
图11为本发明实施例1电极丝成品横截面的电镜图(×300)；
图12为本发明实施例1电极丝成品横截面局部的电镜图(×2000)。
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。
实施例1：
如图1～6所示，取铜线坯进行拉伸加工，于拉伸强度400MPa下，制成线径为Φ0.6mm的母线。接着，通过电镀方法在制得的母线上包覆一层厚度为10μm的锌合金形成壳层基底2，从而制得第一线坯，该第一线坯中由上述母线组成芯材1，该锌合金中Zn含量为42.5％，余量为Cu，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％。然后，将上述第一线坯通过热处理及压力加工方法处理，制得电极丝半成品，加工过程中于壳层基底2中的元素进行重新分配和扩散而形成铜锌合金电子化合物，并由该铜锌合金电子化合物聚集而形成电极微粒，即电极点4，并于电极点4周围和/或壳层基底2中心处形成沿壳层基底2由内向外延伸的通道3，其中热处理参数为：热处理温度400℃，热处理时间2h，热处理过程中充氮气保护；压力加工方法处理参数：加工速度500m/min，加工电压10V，电流为5A，加工率为89.6％。最后，将上述制备的电极丝半成品进行钝化和烘干处理而形成厚度为0.1μm的保护层5，制成电极丝成品，该保护层5能防止电极丝氧化，延长电极丝的存放时间，其中烘干温度为50℃，最终制得的电极丝成品的线径为Φ0.2mm。
图7～图12为本实施例中原料、半成品以及成品的实物照片图，由图7可见母线内部组织结构均一，当该母线外包覆锌合金层时形成第一线坯(如图8所示)，经过热处理及压力加工方法处理后，芯材和镀层发生扩散，芯材的直径减小而镀层的厚度增加，从而形成壳层，此外壳层在芯材表面重新分配和扩散而分别形成电极点和通道，如图9～12所示。制备的电极丝由上述母线形成芯材，芯材中Cu含量为58.5％，芯材外的壳层由壳层基底和保护层组成，并通过热处理和压力加工方法处理在壳层基底中形成电极点和通道。本实施例中，壳层的厚度为10μm，壳层基底的硬度为HB20，断面收缩率为80％，导电率为22％IACS，该壳层基底相对硬度较低，便于嵌入电极微粒而形成电极点，并且具有良好塑韧性和冷加工性能，使得电极丝在制造过程中有利于电极微粒在壳层基底中呈环形均匀分布，同时避免了电极丝在切割放电过程中由于韧性不足而造成的断线，另外该壳层基底具有良好的导电性能，能更加有效地传输放电能量，提高切割效率。
电极点嵌设于壳层基底，占壳层基底的比例为60％且80％的电极点以芯材为中心呈环形均匀分布于芯材外侧，电极点为电极微粒，其粒径平均值为200nm，并由大量的CuZn电子化合物聚集而成，以Cu3Zn、Cu9Zn为基体的有序固溶体形式存在于壳层基底中。根据动能公式：Ek＝mv2/2，若总动能Ek不变，电子的质量(m)相对越小，则能获得的加速度和速度(v)就越大，因此在击穿放电的初始阶段能快速奔向正极，把能量传递至工件正极表面，使其快速熔化和气化，从而使得电极点具有优越的放电效果，实现快速放电切割，腐蚀金属。此外，壳层基底于该电极点周围和/或壳层基底中心处分布有通道，该通道呈微孔状且孔径平均值为1000nm，这样当电流被切断时，温度的突然下降会引起气泡的爆炸，产生的动力把熔化的材料从放电坑中抛出，而通道中存储有大量气体，对放电坑正面抛出的材料有缓冲作用、甚至产生反作用力，在设备高压冲水情况下，将腐蚀下来的材料从电极丝两侧抛出，防止其与电极丝的芯材接触而产生二次放电，从而起到保护电极丝、减少电极丝损耗的作用，此外，该通道还可以降低离子速度，使得到达电极丝负极的离子数在最大值前就结束放电，因而减少对电极丝的轰炸作用，从而进一步减少对电极丝的损耗。
实施例2：
取铜合金线坯进行拉伸加工，于拉伸强度600MPa下，制成线径为Φ1.5mm的母线，该母线中Cu含量为68.5％，余量为Zn及不可避免的杂质元素，且不可避免杂质元素的含量≤0.3％。接着，通热浸渍方法在制得的母线上包覆一层厚度为50μm的锌合金形成壳层基底，从而制得第一线坯，该锌合金中Zn含量为52.5％，余量为Cu，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％。然后，将上述第一线坯通过热处理及压力加工方法处理，制得电极丝半成品，其中热处理参数为：热处理温度500℃，热处理时间10h，热处理过程中充氮气保护；压力加工方法处理参数：加工速度1500m/min，加工电压50V，电流为20A，加工率为95.2％。最后，将上述制备的电极丝半成品进行钝化和烘干处理而形成厚度为0.5μm的保护层，该保护层能防止电极丝氧化，延长电极丝的存放时间，其中烘干温度为100℃，最终制得的电极丝成品的线径为Φ0.35mm。
制备的电极丝由上述母线形成芯材，芯材外的壳层由壳层基底和保护层组成，并通过热处理和压力加工方法处理再壳层基底中形成电极点和通道。本实施例中，壳层的厚度为50μm，壳层基底硬度为HB50，断面收缩率为61％，导电率为25％IACS。
电极点嵌设于壳层基底，占壳层基底的比例为20％并且80％的电极点以芯材为中心呈环形均匀分布于芯材外侧，电极点为电极微粒，其粒径平均值为2000nm，并由大量的Cu3Zn2电子化合物聚集而成，以Cu3Zn、Cu9Zn为基体的有序固溶体形式存在于壳层基底中。此外，壳层基底于该电极点周围和/或壳层基底中心处分布有通道，该通道呈微孔状且孔径平均值为800nm。
实施例3：
取铜合金线坯进行拉伸加工，于拉伸强度500MPa下，制成线径为Φ0.8mm的母线，该母线中Cu含量为60.5％，余量为Zn及不可避免的杂质元素，且不可避免杂质元素的含量≤0.3％。接着，通过喷涂方法在制得的母线上包覆一层厚度为25μm的锌合金形成壳层基底，从而制得第一线坯，该锌合金中Zn含量为49.5％，余量为Cu，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％。然后，将上述第一线坯通过热处理及压力加工方法处理，制得电极丝半成品，其中热处理参数为：热处理温度450℃，热处理时间6h，热处理过程中充氮气保护；压力加工方法处理参数：加工速度1000m/min，加工电压30V，电流为12A，加工率为87.5％。最后，将上述制备的电极丝半成品进行钝化和烘干处理而形成厚度为0.3μm的保护层，该保护层能防止电极丝氧化，延长电极丝的存放时间，其中烘干温度为75℃，最终制得的电极丝成品的线径为Φ0.30mm。
制备的电极丝由上述母线形成芯材，芯材外的壳层由壳层基底和保护层组成，并通过热处理和压力加工方法处理再壳层基底中形成电极点和通道。本实施例中，壳层的厚度为25μm，壳层基底的硬度为HB35，断面收缩率为65％以上，导电率为23％IACS。
电极点嵌设于壳层基底，占壳层基底的比例为80％并且80％的电极点以芯材为中心呈环形均匀于芯材外侧，电极点为电极微粒，其粒径平均值为600nm，并由大量的Cu5Zn8电子化合物聚集而成，以Cu3Zn、Cu9Zn为基体的有序固溶体形式存在于壳层基底中。此外，壳层基底于该电极点周围和/或壳层基底中心处分布有通道，该通道呈微孔状且孔径平均值为1000nm。
实施例4：
取铜合金线坯进行拉伸加工，于拉伸强度450MPa下，制成线径为Φ0.7mm的母线，该母线中Cu含量为62.5％，余量为Zn及不可避免的杂质元素，且不可避免杂质元素的含量≤0.3％。接着，通过电镀方法在制得的母线上包覆一层厚度为30μm的锌形成壳层基底，从而制得第一线坯。然后，将上述第一线坯通过热处理及压力加工方法处理，制得电极丝半成品，其中热处理参数为：热处理温度480℃，热处理时间5h，热处理过程中充氮气保护；压力加工方法处理参数：加工速度700m/min，加工电压25V，电流为10A，加工率为89.2％。最后，将上述制备的电极丝半成品进行钝化和烘干处理而形成厚度为0.4μm的保护层，该保护层能防止电极丝氧化，延长电极丝的存放时间，其中烘干温度为60℃，最终制得的电极丝成品的线径为Φ0.25mm。
制备的电极丝由上述母线形成芯材，芯材外的壳层由壳层基底和保护层组成，并通过热处理和压力加工方法处理再壳层基底中形成电极点和通道。本实施例中，壳层中Zn含量为48.5％，余量为Cu，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％，壳层的厚度为30μm，壳层基底的硬度为HB30，断面收缩率为70％，导电率为24％IACS。
电极点嵌设于壳层基底，占壳层基底的比例为60％并且80％的电极点以芯材为中心呈环形均匀分布于芯材外侧，电极点为电极微粒，其粒径平均值为1200nm，并由大量的CuZn、Cu3Zn2电子化合物聚集而成，以Cu3Zn、Cu9Zn为基体的有序固溶体形式存在于壳层基底中。此外，壳层基底于该电极点周围和/或壳层基底中心处分布有通道，该通道呈微孔状且孔径平均值为600nm。
实施例5：
取铜线坯进行拉伸加工，于拉伸强度550MPa下，制成线径为Φ1.0mm的母线。接着，通过喷涂方法在制得的母线上包覆一层厚度为35μm的锌形成壳层基底，从而制得线坯。然后，将上述线坯通过热处理及压力加工方法处理，制得电极丝半成品，其中热处理参数为：热处理温度480℃，热处理时间4h，热处理过程中充氮气保护；压力加工方法处理参数：加工速度1000m/min，加工电压35V，电流为18A，加工率为90.5％。最后，将上述制备的电极丝半成品进行钝化和烘干处理而形成厚度为0.3μm的保护层，该保护层能防止电极丝氧化，延长电极丝的存放时间，其中烘干温度为55℃，最终制得的电极丝成品的线径为Φ0.33mm。
制备的电极丝由上述母线形成芯材，芯材中Cu含量为65.5％，芯材外的壳层由壳层基底和保护层组成，并通过热处理和压力加工方法处理再壳层基底中形成电极点和通道。本实施例中，壳层中Zn50.0％，余量为Cu，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％，壳层的厚度为30μm，壳层基底的硬度为HB25，断面收缩率为75％，导电率为25％IACS。
电极点嵌设于壳层基底，占壳层基底的比例为75％并且80％的电极点以芯材为中心呈环形均布于芯材外侧，电极点为电极微粒，其粒径平均值为1700nm，并由大量的CuZn电子化合物聚集而成，以Cu3Zn、Cu9Zn为基体的有序固溶体形式存在于壳层基底中。此外，壳层基底于该电极点周围和/或壳层基底中心处分布有通道，该通道呈微孔状且孔径平均值为400nm。
实施例6：
取铜合金线坯进行拉伸加工，于拉伸强度500MPa下，制成线径为Φ1.2mm的母线，该母线中Cu含量为61.5％，余量为Zn及不可避免的杂质元素，且不可避免杂质元素的含量≤0.3％。接着，通过热浸渍方法在制得的母线上包覆一层厚度为40μm的锌合金形成壳层基底，从而制得线坯，该锌合金中Zn含量为52.5％，余量为Cu，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％。然后，将上述线坯通过热处理及压力加工方法处理，制得电极丝半成品，其中热处理参数为：热处理温度480℃，热处理时间8h，热处理过程中充氮气保护；压力加工方法处理参数：加工速度1200m/min，加工电压40V，电流为15A，加工率为94.5％。最后，将上述制备的电极丝半成品进行钝化和烘干处理而形成厚度为0.4μm的保护层，该保护层能防止电极丝氧化，延长电极丝的存放时间，其中烘干温度为80℃，最终制得的电极丝成品的线径为Φ0.3mm。
制备的电极丝由上述母线形成芯材，芯材外的壳层由壳层基底和保护层组成，并通过热处理和压力加工方法处理再壳层基底中形成电极点和通道。本实施例中，壳层的厚度为40μm，壳层基底的硬度为HB30，断面收缩率为80％，导电率为23％IACS。
电极点嵌设于壳层基底，占壳层基底的比例为45％并且80％的电极点以芯材为中心呈环形均设于芯材外侧，电极点为电极微粒，其粒径平均值为1000nm，并由大量的Cu3Zn2、Cu5Zn8电子化合物聚集而成，以Cu3Zn、Cu9Zn为基体的有序固溶体形式存在于壳层基底中。此外，壳层基底于该电极点周围和/或壳层基底中心处分布有通道，该通道呈微孔状且孔径平均值为600nm。
实施例7：
取铜合金线坯进行拉伸加工，于拉伸强度550MPa下，制成线径为Φ1.3mm的母线，该母线中Cu含量为63.0％，余量为Zn及不可避免的杂质元素，且不可避免杂质元素的含量≤0.3％。接着，通过热浸渍方法在制得的母线上包覆一层厚度为20μm的锌合金形成壳层基底，从而制得线坯，该锌合金中Zn含量为46.5％，余量为Cu，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％。然后，将上述线坯通过热处理及压力加工方法处理，制得电极丝半成品，其中热处理参数为：热处理温度480℃，热处理时间8h，热处理过程中充氮气保护；压力加工方法处理参数：加工速度700m/min，加工电压30V，电流为18A，加工率为96.5％。最后，将上述制备的电极丝半成品进行钝化和烘干处理而形成厚度为0.2μm的保护层，该保护层能防止电极丝氧化，延长电极丝的存放时间，其中烘干温度为60℃，最终制得的电极丝成品的线径为Φ0.25mm。
制备的电极丝由上述母线形成芯材，芯材外的壳层由壳层基底和保护层组成，并通过热处理和压力加工方法处理再壳层基底中形成电极点和通道。本实施例中，壳层的厚度为20μm，硬度为HB30，断面收缩率为70％，导电率为23％IACS。
电极点嵌设于壳层基底，占壳层基底的比例为70％并且80％的电极点以芯材为中心呈环形均布于芯材外侧，电极点为电极微粒，其粒径平均值为1200nm，并由大量的CuZn以及Cu3Zn2、Cu5Zn8电子化合物聚集而成，以Cu3Zn、Cu9Zn为基体的有序固溶体形式存在于壳层基底中。此外，壳层基底于该电极点周围和/或壳层基底中心处分布有通道，该通道呈微孔状且孔径平均值为100nm。
上述实施例1～7制备的最终成型的高效低损耗电火花腐蚀加工用电极丝，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，以厚度60mm的S45C优质碳钢做为工件测试所制备的高效低损耗电极丝的电火花加工速度及损耗量，所测试的数据如表1所示。
对比例1：
取铜合金线坯进行拉伸加工，于拉伸强度600MPa下，制成线径为Φ1.5mm的母线，该母线中Cu含量为68.5％，余量为Zn及不可避免的杂质元素，且不可避免杂质元素的含量≤0.3％。接着，通热浸渍方法在制得的母线上包覆一层厚度为50μm的Zn合金形成壳层基底，从而制得第一线坯，该锌合金中Zn含量为52.5％，余量为Cu，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％。然后，将上述第一线坯进行连拉连退加工，制得电极丝半成品，其中拉伸速度为1000m/min，退火电压为50V，退火电流为30A。最后，将上述制备的电极丝半成品进行钝化和烘干处理而形成厚度为0.5μm的保护层，该保护层能防止电极丝氧化，延长电极丝的存放时间，其中烘干温度为100℃，最终制得的电极丝成品的线径为Φ0.35mm。
制备的电极丝由上述母线形成芯材，芯材外的壳层由壳层基底和保护层组成，本实施例中，壳层的厚度为50μm，硬度为HB50，断面收缩率为61％，导电率为25％IACS。
对比例2：
取铜线坯进行拉伸加工，于拉伸强度550MPa下，制成线径为Φ1.6mm的母线。接着，通过喷涂方法在制得的母线上包覆一层厚度为35μm的锌合金形成壳层基底，从而制得第一线坯。然后，将上述第一线坯通过热处理及压力加工方法处理，制得电极丝半成品，其中热处理参数为：热处理温度660℃，热处理时间20h，热处理过程中充氮气保护；压力加工方法处理参数：加工速度1000m/min，加工电压35V，电流为18A，加工率为97.8％。最后，将上述制备的电极丝半成品进行钝化和烘干处理而形成厚度为0.3μm的保护层，该保护层能防止电极丝氧化，延长电极丝的存放时间，其中烘干温度为55℃，最终制得的电极丝成品的线径为Φ0.25mm。
制备的电极丝由上述母线形成芯材，芯材中Cu含量为65.5％，余量为Zn，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％，芯材外的壳层由壳层基底和保护层组成，本实施例中，壳层中Zn含量为51.5％，余量为Cu，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％，壳层的厚度为35μm，硬度为HB25，断面收缩率为75％，导电率为25％IACS。电极点嵌设于壳层基底，占壳层基底的比例为75％并且80％的电极点以芯材为中心呈环形均设于芯材外侧，电极点为电极微粒，其粒径平均值为1700nm，并由大量的CuZn电子化合物聚集而成，以Cu3Zn、Cu9Zn为基体的有序固溶体形式存在于壳层基底中。
对比例3：
取铜线坯进行拉伸加工，于拉伸强度600MPa下，制成线径为Φ1.2mm的母线。接着，通过喷涂方法在制得的母线上包覆一层厚度为30μm的锌合金形成壳层基底，从而制得第一线坯。然后，将上述第一线坯通过热处理及压力加工方法处理，制得电极丝半成品，其中热处理参数为：热处理温度200℃，热处理时间2h，热处理过程中充氮气保护；压力加工方法处理参数：加工速度1000m/min，加工电压35V，电流为18A，加工率为96.1％。最后，将上述制备的电极丝半成品进行钝化和烘干处理而形成厚度为0.3μm的保护层，该保护层能防止电极丝氧化，延长电极丝的存放时间，其中烘干温度为55℃，最终制得的电极丝成品的线径为Φ0.25mm。
制备的电极丝由上述母线形成芯材，芯材中Cu含量为62.5％，余量为Zn，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％，芯材外的壳层由壳层基底和保护层组成，本实施例中，壳层中Zn含量为48.5％，余量为Cu，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％，壳层的厚度为30μm，硬度为HB25，断面收缩率为75％，导电率为25％IACS，电壳层基底于该电极点周围分布有通道，该通道呈微孔状且孔径平均值为800nm。
对比例4：
取铜线坯进行拉伸加工，于拉伸强度400MPa下，制成线径为Φ0.5mm的母线。接着，通过电镀方法在制得的母线上包覆一层厚度为10μm的锌合金形成壳层基底，从而制得线坯，该锌合金中Cu含量为47.5％，余量为Zn，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％。然后，将上述线坯通过热处理及压力加工方法处理，制得电极丝半成品，其中热处理参数为：热处理温度600℃，热处理时间1h，热处理过程中充氮气保护；压力加工方法处理参数：加工速度500m/min，加工电压10V，电流为5A，加工率为76.9％。最后，将上述制备的电极丝半成品进行钝化和烘干处理而形成厚度为0.1μm的保护层，该保护层能防止电极丝氧化，延长电极丝的存放时间，其中烘干温度为50℃，最终制得的电极丝成品的线径为Φ0.25mm。
制备的电极丝由上述母线形成芯材，芯材中Cu含量为58.5％，余量为Zn，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％，芯材外的壳层由壳层基底和保护层组成，本实施例中，壳层的厚度为10μm，硬度为HB20，断面收缩率为80％，导电率为22％IACS，电极点嵌设于壳层基底，占壳层基底的比例为20％且80％的电极点以芯材为中心呈环形均设于芯材外侧，电极点为电极微粒，其粒径的平均值为200nm，并由大量的CuZn电子化合物聚集而成，以Cu3Zn、Cu9Zn为基体的有序固溶体形式存在于壳层基底中。
对比例5：
取铜合金线坯进行拉伸加工，于拉伸强度500MPa下，制成线径为Φ1.5mm的母线，该母线中Cu含量为60.5％，余量为Zn及不可避免的杂质元素，且不可避免杂质元素的含量≤0.3％。接着，通过热浸渍方法在制得的母线上包覆一层厚度为35μm的锌合金形成壳层基底，从而制得第一线坯，该锌合金中Zn含量为52.5％，余量为Zn，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％。然后，将上述第一线坯通过热处理及压力加工方法处理，制得电极丝半成品，其中热处理参数为：热处理温度450℃，热处理时间5h，热处理过程中充氮气保护；压力加工方法处理参数：加工速度1200m/min，加工电压40V，电流为15A，加工率为98.4％。最后，将上述制备的电极丝半成品进行钝化和烘干处理而形成厚度为0.4μm的保护层，该保护层能防止电极丝氧化，延长电极丝的存放时间，其中烘干温度为80℃，最终制得的电极丝成品的线径为Φ0.2mm。
制备的电极丝由上述母线形成芯材，芯材外的壳层由壳层基底和保护层组成，并通过热处理和压力加工方法处理再壳层基底中形成电极点和通道。本实施例中，壳层的厚度为35μm，硬度为HB30，断面收缩率为80％，导电率为23％IACS。
电极点嵌设于壳层基底，占壳层基底的比例为70％并且80％的电极点以芯材为中心嵌于芯材内部，电极点为电极微粒，其粒径平均值为1700nm，并由大量的Cu3Zn2、Cu5Zn8电子化合物聚集而成，以Cu3Zn、Cu9Zn为基体的有序固溶体形式存在于壳层基底中。此外，壳层基底于该电极点周围分布有通道，该通道呈微孔状且孔径平均值为600nm。
对比例6：
取铜合金线坯进行拉伸加工，于拉伸强度500MPa下，制成线径为Φ0.5mm的母线，该母线中Cu含量为63.0％，余量为Zn及不可避免的杂质元素，且不可避免杂质元素的含量≤0.3％。接着，通过热浸渍方法在制得的母线上包覆一层厚度为20μm的锌合金形成壳层基底，从而制得线坯，该锌合金中Zn含量为49.5％，余量为Cu，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％。然后，将上述线坯通过热处理及压力加工方法处理，制得电极丝半成品，其中热处理参数为：热处理温度480℃，热处理时间8h，热处理过程中充氮气保护；压力加工方法处理参数：加工速度1200m/min，加工电压40V，电流为15A，加工率为69.1％。最后，将上述制备的电极丝半成品进行钝化和烘干处理而形成厚度为0.2μm的保护层，该保护层能防止电极丝氧化，延长电极丝的存放时间，其中烘干温度为80℃，最终制得的电极丝成品的线径为Φ0.3mm。
制备的电极丝由上述母线形成芯材，芯材外的壳层由壳层基底和保护层组成，并通过热处理和压力加工方法处理再壳层基底中形成电极点和通道。本实施例中，壳层的厚度为20μm，硬度为HB30，断面收缩率为80％，导电率为23％IACS。
电极点嵌设于壳层基底，占壳层基底的比例为70％并且80％的电极点以芯材为中心呈环形均设于芯材外侧，电极点为电极微粒，粒径平均值为1200nm，并由大量的Cu3Zn2、Cu5Zn8电子化合物聚集而成，以Cu3Zn、Cu9Zn为基体的有序固溶体形式存在于壳层基底中。此外，壳层基底于邻近电极丝表面设置有通道，该通道呈微孔状且孔径平均值为100nm。
比较例7:
一种镀Zn电极丝，由直径为Φ0.6～Φ1.5mm的铜锌合金组成芯材，该芯材成分组成与实施例7中的成品电极丝中的芯材同。在芯材表面镀Zn，镀层厚度为10～30um，得到第二线坯，然后对第二线坯进行连拉连退加工，制成直径为0.20～0.35mm的镀Zn电极丝。
比较例8：
取铜锌合金线坯进行拉伸加工制成线径为Φ0.6～Φ1.5mm的母线，拉伸强度为400～600MPa，上述铜锌合金中Cu含量为58.5～68.5％，余量为Zn及不可避免的杂质元素，且不可避免杂质元素的含量≤0.3％，将以上母线进行连拉连退加工，制成直径为0.20-0.35mm的普通黄铜电极丝。
上述比较例1～8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，以厚度60mm的S45C优质碳钢做为工件测试所制备的最终成型的电极丝的电火花加工速度及损耗量，所测试的数据如表1所示。
综上，本发明的高效低损耗电极丝加工速度及损耗有明显优势，导电率也大于同类产品水平，抗拉强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。
表1实施例和对比例中所制得的成品电极丝的性能测试数据
*--以比较例8的电火花加工速度及损耗量为基准，实施例1、2、3、4、5、6、7及比较例1、2、3、4、5、6、7的加工速度及损耗量与其比值做为体现它们加工速度及损耗量的性能参数。

Claims (9)

1.一种高效低损耗电火花腐蚀加工用电极丝，包括芯材和壳层，所述芯材的材质为Cu或铜合金，所述壳层的材质为Zn或锌合金，其特征在于，所述壳层包括包覆于芯材表面的壳层基底、电极点以及包覆于壳层基底表面的保护层，所述电极点为嵌设于壳层基底的电极微粒，该电极微粒由大量的铜锌合金电子化合物聚集而成，同时所述壳层基底于电极点周围和/或壳层基底中心处分布由内向外延伸的通道，该通道呈微孔状且100nm≤孔径≤1000nm。
2.如权利要求1所述的高效低损耗电火花腐蚀加工用电极丝，其特征在于，所述壳层中各成分的质量百分数组成为：Zn42.5～52.5％，余量为Cu，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％。
3.如权利要求2所述的高效低损耗电火花腐蚀加工用电极丝，其特征在于，所述壳层的厚度为10～50μm。
4.如权利要求1所述的高效低损耗电火花腐蚀加工用电极丝，其特征在于，所述电极点的粒径为200～2000nm，所述电极点占壳层基底的比例为20～80％。
5.如权利要求4所述的高效低损耗电火花腐蚀加工用电极丝，其特征在于，80％的所述电极点以芯材为中心呈环形均匀分布于芯材外侧。
6.如权利要求4所述的高效低损耗电火花腐蚀加工用电极丝，其特征在于，所述铜锌合金电子化合物为CuZn、Cu3Zn2、Cu5Zn8中的至少一种。
7.如权利要求1～6中任一权利要求所述的高效低损耗电火花腐蚀加工电极丝，其特征在于，所述芯材中各成分的质量百分数组成为：Cu58.5～68.5％，余量为Zn，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％。
8.如权利要求1～6中任一权利要求所述的高效低损耗电火花腐蚀加工电极丝，其特征在于，所述保护层的厚度为0.1～0.5μm。
9.一种如权利要求1所述的高效低损耗电火花腐蚀加工用电极丝的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)芯材制备：取所需的铜或铜合金进行拉伸加工制成线径为Φ0.6～Φ1.5mm的母线，拉伸强度为400～600MPa，上述铜合金中Cu含量为58.5～68.5％，余量为Zn及不可避免的杂质元素，且不可避免杂质元素的含量≤0.3％；
(2)壳层基底制备：在上述制备的母线上包覆一层厚度为10～50μm的Zn或锌合金形成壳层基底，从而制得第一线坯，所述锌合金中Zn含量为42.5～99％，余量为Cu，其他为由原材料带入的不可避免的杂质，且不可避免杂质的含量之和≤0.3％，该壳层基底的硬度为HB20～50，断面收缩率为60％以上，导电率为22～25％IACS；
(3)电极点和通道的形成：将上述第一线坯通过热处理及压力加工方法处理，使得壳层基底中获得所需的电极点及通道，制得电极丝半成品，其中热处理参数为：热处理温度400～500℃，热处理时间2～10h，热处理过程中充氮气保护；压力加工方法处理参数：加工速度500～1500m/min，加工电压10～50V，电流为5～20A，加工率为82.6～97.2％；
(4)保护层的制备：将上述制备的电极丝半成品进行钝化和烘干处理而形成厚度为0.1～0.5μm的保护层，其中烘干温度为50～100℃，最终制得的电极丝成品的线径为Φ0.2～Φ0.35mm。
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