CN108359834A - 一种电火花电极用纳米结构铜合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有色金属材料加工与热处理领域，具体涉及一种电火花电极用纳米结构铜合金的制备方法。首先对铜合金进行固溶处理，然后在电场下进行低温等通道变形，随后进行超声波深冷处理，细化晶粒，改善组织均匀性，最后在复合场(电场保温+磁场冷却)下进行时效处理，提高综合性能。本发明制备的纳米结构铜合金电极在电火花加工过程中，能明显降低电极磨损率，提高工件材料去除率，降低加工工件表面粗糙度。与现有电极制备方法相比，本发明方法制备的电火花电极用纳米结构铜合金，具有良好的综合性能，制备过程绿色环保，工艺重复性好，经济适用性强。
Description
技术领域
本发明属于有色金属材料加工与热处理领域，具体涉及一种电火花电极用纳米结构铜合金的制备方法。
背景技术
电火花加工(Electrical Discharge Machining，简称EDM)是一种利用电能和热能进行加工的新工艺，具有其它加工方法无可替代的优点。电火花加工的原理是基于工具和工件之间脉冲性放电时的电蚀现象来去除多余的材料，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。电火花加工的主要优点是适合于难切削材料，可以加工特殊及复杂形状的零件。电火花加工主要用于加工金属等导电材料，但在一定条件下也可以加工半导体和非导体材料。由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点，因此其应用领域日益扩大。
在电火花加工中，工具电极是一项非常重要的因素，电极材料的性能将影响电极的电火花加工性能(材料去除率、工具损耗率、工件表面粗糙度等)，因此，正确选择电极材料对于电火花加工至关重要。
电火花加工用工具电极材料应满足高熔点、低热胀系数、良好的导电导热性能和力学性能等基本要求，从而在使用过程中具有较低的损耗率和抵抗变形的能力。电极具有微细结晶的组织结构对于降低电极损耗也比较有利，一般认为减小晶粒尺寸可降低电极损耗率。工具电极是电火花加工中重要的影响因素，因此电极的性能至关重要。
目前电火花加工电极多采用石墨、Cu或Cu合金等，其中铜来源广泛，热导率和传温系数都很大，耐蚀性比较高，具有良好的导电性。但现有方法制备的铜合金电极机械强度低，在电火花加工时，存在电极损耗较大，材料去除率低，电极加工工件表面粗糙度大等不足。
发明内容
本发明针对现在有技术存在的不足，提供了一种电火花电极用纳米结构铜合金的制备方法，采用固溶处理、电场下低温等通道变形、超声波深冷处理和复合场(电场保温+磁场冷却)时效处理结合的方法提高了铜合金电极的综合性能，获得了良好的加工效果。
本发明为了提高铜合金电极的性能，提供了一种电火花电极用纳米结构铜合金的制备方法，采用固溶处理、电场下低温等通道变形、超声波深冷处理和复合场(电场保温+磁场冷却)时效处理结合的方法，使得铜合金在处理过程中晶粒细化至纳米级，可以提高铜合金的力学性能、导电性能并改善其塑性，降低电极的磨损，提高材料去除率，改善加工工件的表面质量。
一种电火花电极用纳米结构铜合金，所述铜合金按质量百分比其组成为：银：0.15～0.25wt％，镍：0.02～0.05wt％，铝：0.01～0.05wt％，锰：0.01～0.04wt％，铁：0.01～0.04wt％，锌：0.01～0.04wt％，余量为铜。
一种电火花电极用纳米结构铜合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)对铜合金进行固溶处理，在真空管式炉中，升温速度5℃/min，将温度升至1000℃，保温30min后，在5％的NaCl溶液中冷却；
(2)将经步骤(1)固溶处理的铜合金在电场下进行低温等通道变形处理；电场强度为5～10KV/m，等通道变形温度在-50～-196℃；
(3)将经步骤(2)变形处理的铜合金进行超声波深冷处理；将样品放置在装有超声波的液氮设备中，采用超声波与液氮循环浸泡相结合的方式，超声波的频率30～50kHz，液氮流速0.5～1.5L/min，在-196℃温度时，保温时间为3～48h；
(4)将经步骤(3)深冷处理的铜合金在复合场下进行时效处理。时效处理采用电场下保温，磁场下冷却的方式进行，采用正弦脉冲电流施加电场，频率100～300Hz，电流密度40～100A/mm2，脉冲宽度90～120μs，时效温度100～600℃，保温时间0.5～3h，磁感应强度10～20T。
本发明制备方法各步骤之间具有协同作用，固溶处理是为使合金中各种相充分溶解，强化固溶体，有利于电场下低温等通道变形；超声波深冷处理是为了提高变形后导电率，使组织更加均匀，有预时效作用；复合场下时效处理，消除铜合金电极的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能。
本发明还提供了纳米结构铜合金电极的应用，所述铜合金用于制造电火花加工用电极。
本发明的有益效果：
(1)电场下低温等通道变形使晶粒细化至纳米级。超声波深冷处理，进一步细化晶粒，改善组织均匀性。复合场下时效处理，获得纳米析出相，稳定组织和样品尺寸，提高综合性能。在电火花加工过程中，明显降低电极磨损率，显著提升材料去除率，改善加工工件表面质量。
(2)本发明工艺方法绿色环保，工艺重复性好，经济适用性强。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，电火花电极用纳米结构铜合金的制备过程如下：对铜合金进行固溶处理，然后进行电场下低温等通道变形处理，再进行超声波深冷处理，最后在复合场下进行时效处理。
实施例1
铜合金的化学成分及含量为：银：0.15wt％，镍：0.05wt％，铝：0.05wt％，锰：0.04wt％，铁：0.04wt％，锌：0.04wt％，余量为铜。将铜合金进行固溶处理，然后电场下低温等通道变形处理，电场强度为5KV/m，温度为-50℃，再进行超声波深冷处理，频率30kHz，液氮流速0.5L/min，温度-196℃，保温24小时；最后进行复合场时效处理，电场下保温，磁场下冷却，采用正弦脉冲电流施加电场，频率100Hz，电流密度40A/mm2，脉冲宽度90μs，时效550℃×1.5h，磁感应强度10T。结果表明：该方法制备电火花电极用纳米结构铜合金，导电率达到91％IACS，维氏硬度达到168HV，抗拉强度达到410MPa，屈服强度达到380MPa，断裂伸长率达到27％，在电火花加工中(以H13钢为例)，电极磨损率达到0.3mg/min，材料去除率达到89mg/min，工件表面粗糙度达到3.0μm。
实施例2
铜合金的化学成分及含量为：银：0.2wt％，镍：0.03wt％，铝：0.03wt％，锰：0.02wt％，铁：0.02wt％，锌：0.02wt％，余量为铜。将铜合金进行固溶处理，然后电场下低温等通道变形处理，电场强度为7KV/m，温度为-100℃，再进行超声波深冷处理，频率40kHz，液氮流速1L/min，温度-196℃，保温20小时；最后进行复合场时效处理，电场下保温，磁场下冷却，采用正弦脉冲电流施加电场，频率200Hz，电流密度70A/mm2，脉冲宽度100μs，时效500℃×1h，磁感应强度15T。结果表明：该方法制备电火花电极用纳米结构铜合金，导电率达到88％IACS，维氏硬度达到176HV，抗拉强度达到430MPa，屈服强度达到400MPa，断裂伸长率达到23％，在电火花加工中(以H13钢为例)，电极磨损率达到0.25mg/min，材料去除率达到92mg/min，工件表面粗糙度达到2.8μm。
实施例3
铜合金的化学成分及含量为：银：0.25wt％，镍：0.02wt％，铝：0.01wt％，锰：0.01wt％，铁：0.01wt％，锌：0.01wt％，余量为铜。将铜合金进行固溶处理，然后电场下低温等通道变形处理，电场强度为10KV/m，温度为-160℃，再进行超声波深冷处理，频率50kHz，液氮流速1.5L/min，温度-196℃，保温18小时；最后进行复合场时效处理，电场下保温，磁场下冷却，采用正弦脉冲电流施加电场，频率300Hz，电流密度100A/mm2，脉冲宽度120μs，时效470℃×0.75h，磁感应强度20T。结果表明：该方法制备电火花电极用纳米结构铜合金，导电率达到86％IACS，维氏硬度达到182HV，抗拉强度达到445MPa，屈服强度达到410MPa，断裂伸长率达到24％，在电火花加工中(以H13钢为例)，电极磨损率0.20mg/min，材料去除率95mg/min，工件表面粗糙度2.5μm。
对比实施例1
铜合金的化学成分及含量为：银：0.15wt％，镍：0.05wt％，铝：0.05wt％，锰：0.04wt％，铁：0.04wt％，锌：0.04wt％，余量为铜。将铜合金进行固溶处理，然后等通道变形处理(模具内角Ф为110°，外角Ψ为0°)，最后进行时效处理(550℃×1.5h)，制备铜合金电极的导电率达到82％IACS，维氏硬度达到152HV，抗拉强度达到360MPa，屈服强度达到350MPa，断裂伸长率达到22％，在电火花加工中(以H13钢为例)，电极磨损率达到0.45mg/min，材料去除率达到70mg/min，工件表面粗糙度达到4.5μm。
对比实施例2
铜合金的化学成分及含量为：银：0.15wt％，镍：0.05wt％，铝：0.05wt％，锰：0.04wt％，铁：0.04wt％，锌：0.04wt％，余量为铜。将铜合金进行固溶处理，然后电场下低温等通道变形处理(模具内角Ф为110°，外角Ψ为0°)，电场强度为5KV/m，温度为-50℃，最后进行时效处理(550℃×1.5h)，制备铜合金电极的导电率达到84％IACS，维氏硬度达到155HV，抗拉强度达到375MPa，屈服强度达到362MPa，断裂伸长率达到21％，在电火花加工中(以H13钢为例)，电极磨损率达到0.42mg/min，材料去除率达到76mg/min，工件表面粗糙度达到4.0μm。
对比实施例3
铜合金的化学成分及含量为：银：0.15wt％，镍：0.05wt％，铝：0.05wt％，锰：0.04wt％，铁：0.04wt％，锌：0.04wt％，余量为铜。将铜合金进行固溶处理，然后等通道变形处理(模具内角Ф为110°，外角Ψ为0°)，最后进行复合场时效处理，电场下保温，磁场下冷却，采用正弦脉冲电流施加电场，频率100Hz，电流密度40A/mm2，脉冲宽度90μs，时效550℃×1.5h，磁感应强度10T。制备铜合金电极的导电率达到85％IACS，维氏硬度达到158HV，抗拉强度达到372MPa，屈服强度达到368MPa，断裂伸长率达到21.5％，在电火花加工中(以H13钢为例)，电极磨损率达到0.41mg/min，材料去除率达到74mg/min，工件表面粗糙度达到4.1μm。
所述实施例为本发明的优选的实施方式,但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下,本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种纳米结构铜合金，其特征在于：所述铜合金按质量百分比其组成为：银：0.15～0.25％，镍：0.02～0.05％，铝：0.01～0.05％，锰：0.01～0.04％，铁：0.01～0.04％，锌：0.01～0.04％，余量为铜。
2.一种根据权利要求1所述的纳米结构铜合金的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
(1)对铜合金进行固溶处理；
(2)将经步骤(1)固溶处理的铜合金在电场下进行低温等通道变形处理；
(3)将经步骤(2)变形处理的铜合金进行超声波深冷处理；
(4)将经步骤(3)深冷处理的铜合金在复合场下进行时效处理。
3.根据权利要求2所述的纳米结构铜合金的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述在电场下进行低温等通道变形处理，电场强度为5～10KV/m，等通道变形温度为-50～-196℃。
4.根据权利要求2所述的纳米结构铜合金的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述超声波深冷处理为：采用超声波与液氮循环浸泡相结合的方式进行处理，超声波的频率为30～50kHz，液氮流速为0.5～1.5L/min，温度为-196℃，保温时间为3～48h。
5.根据权利要求2所述的纳米结构铜合金的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述复合场时效处理为电场下保温，磁场下冷却，采用正弦脉冲电流施加电场，频率100～300Hz，电流密度40～100A/mm2，脉冲宽度90～120μs，时效温度100～600℃，保温时间0.5～3h，磁感应强度10～20T。
6.一种根据权利要求1所述的纳米结构铜合金的应用，其特征在于：所述铜合金用于制造电火花加工用电极。
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2018
- 2018-02-06 CN CN201810114910.0A patent/CN108359834B/zh active Active
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