CN118577889A - 一种黑色金属丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及精密零件加工材料技术领域，尤其涉及一种黑色金属丝及其制备方法；所述黑色金属丝包括：芯材，以及包裹在芯材表面的复合金属层，复合金属层包括金属内层和金属外层，金属内层包覆在芯材的表面，金属外层包覆在内层的表面；金属内层的化学成分为β相铜锌合金或β′相铜锌合金，金属外层的化学成分为锌铁合金；通过在芯材表面设置包括金属外层和金属内层的复合金属层，并控制金属外层的具体材质和金属内层的具体材质，可以在芯材的表面设置非晶态结构，具有较高的电阻率和抗电容效应，可以减少由于电容效应所造成的高能量释放，使放电过程形成均匀的电火花分布，可以有效的提高微细电火花线切割加工精度并降低切割后零件表面的粗糙度。

Description

一种黑色金属丝及其制备方法

技术领域

本申请涉及精密零件加工材料技术领域，尤其涉及一种黑色金属丝及其制备方法。

背景技术

微细电火花线切割加工是利用浸在工作液中两极间脉冲放电时产生的电蚀作用来蚀除导电材料的特种加工方法，其主要用于加工具有复杂形状的微型孔和精密型腔的模具零件。

但是由于脉冲放电所用的传统电极丝存在电容效应，而电容效应会造成高能量释放且不均匀的电火花分布以及不连续的电火花腐蚀，同时传统电极丝还存在放电爆炸力的干扰以及排屑不畅等缺陷，这些缺陷都会使电极丝与加工零件的间隙发生变化，严重影响微细电火花线切割加工精度和表面粗糙度，甚至导致切割零件表面出现许多微裂纹和线痕。

发明内容

本申请提供了一种黑色金属丝及其制备方法，以解决现有技术中微细电火花线切割加工所用电极丝会影响微细电火花线切割加工精度和表面粗糙度的技术问题。

第一方面，本申请提供了一种黑色金属丝，所述黑色金属丝包括：芯材，以及包裹在所述芯材表面的复合金属层，所述复合金属层包括金属内层和金属外层，所述金属内层包覆在所述芯材的表面，所述金属外层包覆在所述内层的表面；

其中，所述金属内层的化学成分为β相铜锌合金或β′相铜锌合金，所述金属外层的化学成分为锌铁合金。

可选的，以质量分数计，所述金属内层的化学成分包括：Cu:46％～47％，Zn:15％～16％，Si:14％～15％，Fe:12％～13％和S:12％～13％。

可选的，以质量分数计，所述金属外层的化学成分包括：Zn:80％～85％，Fe:12％～15％和杂质元素：3％～5％；其中，所述杂质元素包括S和Si。

可选的，所述复合金属层的厚度为0.03mm～0.055mm。

可选的，所述金属内层的厚度为0.02mm～0.025mm，所述金属外层的厚度为0.01mm～0.03mm。

可选的，所述芯材的直径为0.2mm～0.25mm。

可选的，以质量分数计，所述芯材的化学成分包括：Cu：97％～99％，其余为不可避免的杂质。

第二方面，本申请提供了一种制备第一方面所述的黑色金属丝的方法，所述方法包括：

采用锌铁合金对芯材分阶段进行电镀，以在所述芯材的表面形成金属内层和金属外层，得到黑色金属丝。

可选的，所述电镀包括在铁盐和锌盐的电解质溶液中进行电镀。

可选的，所述电镀包括第一阶段电镀和第二阶段电镀，所述第一阶段电镀的电压为6V～8V，所述第一阶段电镀的时间为5min～10min；

所述第二阶段电镀的电压为10V～15V，所述第二阶段电镀的时间为2min～8min。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请实施例提供的一种黑色金属丝，通过在芯材的表面设置包括金属外层和金属内层的复合金属层，由于金属内层为β或β′相铜锌合金，这说明芯材的次外层面呈现出弛豫或重构表面的结构，而这一结构可以降低整体黑色金属丝的能量，有利于吸附外来原子或分子，同时根据表面张力理论，在黑色金属丝放电阶段所产生的气泡会较快的从重构表面逸出，减少瞬间爆炸力对电极丝与微细电极间隙的直接干扰，进而提高微细电火花加工精度；再在金属内层的表面设置金属外层，由于金属外层为锌铁合金，说明芯材的最外层面为非晶态结构，具有更好的导电率、熔点和膨胀系数，能够提高黑色金属丝的抗电容效应，不仅可以提高黑色金属丝的加工精度，还可以消除黑色金属丝与切割零件之间的应力，以减少切割加工的变形产生，同时金属外层中锌铁合金还能提高整体黑色金属丝的放电效率，可以实现连续稳定的微细电火花腐蚀，从而使得电极丝与加工零件之间的间隙恒定，提高切割加工后零件的表面质量并降低零件的粗糙度；因此通过在芯材的外层设置非晶态结构的复合金属层，其具有较高的电阻率和抗电容效应，可以减少由于电容效应所造成的高能量释放，使放电过程形成均匀的电火花分布，避免了电极丝表面的热蚀以及凹凸不平等现象，可以有效的提高微细电火花线切割加工精度并降低切割后零件表面的粗糙度。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种黑色金属丝的部分结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种黑色金属丝的剖面结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种制备黑色金属丝的方法流程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另有特别说明，本申请中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

图1示例性地示出了本申请实施例提供的一种黑色金属丝的部分结构示意图；

图2示例性地示出了本申请实施例提供的一种黑色金属丝的剖面结构示意图；

如图1和图2所示，本申请实施例提供一种黑色金属丝，所述黑色金属丝包括：芯材，以及包裹在所述芯材表面的复合金属层，所述复合金属层包括金属内层和金属外层，所述金属内层包覆在所述芯材的表面，所述金属外层包覆在所述内层的表面；

其中，所述金属内层的化学成分为β相铜锌合金或β′相铜锌合金，所述金属外层的化学成分为锌铁合金。

在一些可选的实施方式中，以质量分数计，所述金属内层的化学成分包括：Cu:46％～47％，Zn:15％～16％，Si:14％～15％，Fe:12％～13％和S:12％～13％。

本申请实施例中，控制金属内层的具体化学成分，可以明确β相铜锌合金或β′相铜锌合金的具体成分，纵向上Cu、Zn、Fe、S和Si等原子相对于原来的位置发生了位移，即发生了表面弛豫，而弛豫的结果使金属元素的原子位于表面的最外层区域，横向上这些原子间距不规则，表面会发生重构，重构的结果使2个或更多原子靠近，形成原子聚集体，即内层原子排布变得不规则，合金的晶胞体积膨胀，并在表面发生弛豫，这使得晶体结构发生重构；而通过这些结构可以降低整体黑色金属丝的能量，有利于吸附外来原子或分子，同时根据表面张力理论，黑色金属丝放电所产生的气泡会较快的从重构的表面逸出，可以减少瞬间爆炸力对电极丝与微细电极间隙的直接干扰，提高微细电火花加工精度。

需要说明的是，该金属内层的导电性能良好，可以达到21％IACS以上。

要说明的是，在黑色金属丝进行微细电火花线切割加工阶段时，黑色金属丝可以在切割加工阶段形成电火花变质层，该电火花变质层包括熔化层和热影响层，熔化层的形成过程是切割加工零件的表层材料在脉冲放电的瞬间高温作用下熔化后，大部分熔融物抛出而小部分熔融物滞留，待脉冲放电结束后小部分熔融物滞留迅速冷却凝固而形成熔化层；热影响层是位于熔化层和切割加工零件的基体材料之间的结构，虽然该层金属材料并没有被熔化，但受到放电点传来的高温的影响，该层金属材料的金相组织会发生变化。

该电火花变质层的厚度与微细电火花线切割加工所用的模具种类、脉冲电源的电参数有关，一般随脉冲能量的增大而变厚，电火花变质层基本在粗加工中形成。

需要说明的是，如果粗糙度值越小、电极丝脉宽越小以及电流作用时间越短，微细电火花线切割所产生的热量就没有足够的时间向材料纵向传递，这使得热量能够达到的深度也较小，从而降低加工零件的电火花变质层的厚度，可以增加切割加工后零件的使用寿命；而本申请实施例提供的黑色金属丝在微细电火花线切割加工所产生的粗糙度值小于采用传统黄铜电极丝放电在零件表面所产生的粗糙度值。

在一些可选的实施方式中，以质量分数计，所述金属外层的化学成分包括：Zn:80％～85％，Fe:12％～15％和杂质元素：3％～5％；其中，所述杂质元素包括S和Si。

本申请实施例中，控制金属外层的具体化学成分，可以明确锌铁合金的具体组成，一方面通过控制杂质元素S和Si的含量在5％以下，可以有效降低黑色金属丝在放电阶段的放电损耗，并实现连续稳定的微细电火花腐蚀，从而可以使得电极丝与切割加工零件的间隙恒定，以提高切割加工零件的表面质量的同时降低粗糙度值，且切割加工后的零件表面无微裂纹产生。

在一些可选的实施方式中，所述复合金属层的厚度为0.03mm～0.055mm。

本申请实施例中，控制复合金属层的具体厚度，可以明确金属内层和金属外层的具体厚度之和，从而明确金属内层和金属外层的厚度排布，从而可以避免金属内层和金属外层的厚度过大而影响微细电火花线切割加工的粗糙度值。

该复合金属层的厚度可以是0.03mm、0.035mm、0.040mm、0.045mm、0.050mm或0.055mm。

在一些可选的实施方式中，所述金属内层的厚度为0.02mm～0.025mm，所述金属外层的厚度为0.01mm～0.03mm。

本申请实施例中，控制金属内层以及金属外层的具体厚度，可以使得黑色金属丝在微细电火花线切割加工阶段提高切割加工零件的表面质量并得到较低的粗糙度值。

该金属内层的厚度可以是0.020mm、0.021mm、0.022mm、0.023mm、0.024mm或0.025mm。

该金属外层的厚度可以是0.01mm、0.02mm或0.03mm。

在一些可选的实施方式中，所述芯材的直径为0.2mm～0.25mm。

本申请实施例中，控制芯材的具体直径，一方面可以使得芯材有足够的横截面，以提高芯材的导电性，并使得微细电火花线切割加工阶段有足够的电流通过，提高切割加工零件的表面质量并得到较低的粗糙度值；另一方面可以使得芯材具有足够的抗拉强度，避免微细电火花线切割加工阶段出现断丝的现象，使得切割加工阶段顺利进行。

该芯材的直径可以是0.20mm、0.21mm、0.22mm、0.23mm、0.24mm或0.25mm。

在一些可选的实施方式中，以质量分数计，所述芯材的化学成分包括：Cu：97％～99％，其余为不可避免的杂质。

本申请实施例中，由于芯材在切割放电时需要承受较大的电压和电流密度，这会对电极丝造成损耗甚至会造成断丝现象，而控制芯材的具体化学成分，可以说明此时芯材为纯铜材质，而纯铜材质的抗拉强度较大，因此可以减少微细电火花线切割所造成的高温热软化程度，避免断丝现象的发生。

图3示例性地示出了本申请实施例提供的一种制备黑色金属丝的方法流程示意图；

如图3所示，基于一个总的发明构思，本申请实施例提供了一种制备所述黑色金属丝的方法，所述方法包括：

S1.采用锌铁合金对芯材分阶段进行电镀，以在所述芯材的表面形成金属内层和金属外层，得到黑色金属丝。

该制备方法是针对上述黑色金属丝的制备方法，该黑色金属丝的具体结构和组成可参照上述实施例，由于该制备方法采用了上述实施例的部分或全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

在一些可选的实施方式中，所述电镀包括在铁盐和锌盐的电解质溶液中进行电镀。

在一些可选的实施方式中，所述电镀包括第一阶段电镀和第二阶段电镀，所述第一阶段电镀的电压为6V～8V，所述第一阶段电镀的时间为5min～10min；

所述第二阶段电镀的电压为10V～15V，所述第二阶段电镀的时间为2min～8min。

本申请实施例中，细化电镀的具体阶段，并控制第一阶段电镀的具体电压和具体时间，可以在芯材表面通过第一阶段电镀得到预设结构和化学成分的金属内层。

该第一阶段电镀的电压可以是6V、6.5V、7.0V、7.5V或8.0V，该第一阶段电镀的时间可以是5min、6min、7min、8min、9min或10min。

控制第二阶段电镀的具体电压和具体时间，可以在芯材表面通过第二阶段电镀得到预设结构和化学成分的金属外层。

该第二阶段电镀的电压可以是10V、11V、12V、13V、14V或15V，该第二阶段电镀的时间可以是2min、3min、4min、5min、6min、7min或8min。

下面结合具体的实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照行业标准测定。若没有相应的行业标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。

实施例1

如图3所示，一种制备黑色金属丝的方法，包括：

使用硫酸铁和硫酸锌作为电解质溶液(体积比为1:1)，并以锌铁合金为阳极、以芯材为阳极，进行第一阶段电镀，在芯材的表面得到金属内层；

继续进行第二阶段电镀，以在金属内层的表面形成金属外层。

第一阶段电镀的电压为7V，第一阶段电镀的时间为7min；第二阶段电镀的电压为12V，第二阶段电镀的时间为5min。

分别对芯材、金属内层和金属外层的化学成分进行测定，结果如下：

金属内层的化学成分包括：Cu:46％，Zn:16％，Si:14％，Fe:12％和S:12％。

金属外层的化学成分包括：Zn:80％，Fe:15％和杂质元素：5％；杂质元素包括S和Si。

实施例2

将实施例2和实施例1进行对比，实施例2和实施例1的区别在于：

第一阶段电镀的电压为6V，第一阶段电镀的时间为2min；第二阶段电镀的电压为10V，第二阶段电镀的时间为2min。

金属内层的化学成分包括：Cu:47％，Zn:15％，Si:14％，Fe:12％和S:12％。

金属外层的化学成分包括：Zn:85％，Fe:12％和杂质元素：3％；杂质元素包括S和Si。

实施例3

将实施例3和实施例1进行对比，实施例3和实施例1的区别在于：

第一阶段电镀的电压为8V，第一阶段电镀的时间为8min；第二阶段电镀的电压为15V，第二阶段电镀的时间为8min。

金属内层的化学成分包括：Cu:46％，Zn:15％，Si:15％，Fe:12％和S:12％。

金属外层的化学成分包括：Zn:83％，Fe:13％和杂质元素：4％；杂质元素包括S和Si。

对比例1

将对比例1和实施例1进行对比，对比例1和实施例1的区别在于：

黑色金属丝的结构中仅仅采用纯铜的芯材。

对比例2

将对比例2和实施例1进行对比，对比例2和实施例1的区别在于：

不采用第二阶段电镀，得到黑色金属丝的结构包括纯铜的芯材以及金属内层。

对比例3

将对比例3和实施例1进行对比，对比例3和实施例1的区别在于：

不采用第一阶段电镀，黑色金属丝的结构中采用纯铜的芯材以及金属外层。

相关实验及效果数据：

分别将实施例和对比例所得的黑色金属丝进行零件的微细电火花线切割加工，检测零件的尺寸精度和粗糙度值，结果如表1所示。

表1各实施例和对比例的黑色金属丝的切割加工精度和粗糙度值情况表

由表1可知，本申请实施例提供的一种黑色金属丝，通过在芯材的表面设置包括金属外层和金属内层的复合金属层，可以使得最终微细电火花线切割加工阶段的切割加工精度提高到±(1～2)μm的水平，同时还能降低粗糙度值Ra到0.056μm～0.062μm。

综上所述，本申请实施例提供的一种黑色金属丝，通过在芯材的表面设置包括金属外层和金属内层的复合金属层，并控制金属外层的具体材质和金属内层的具体材质，可以在芯材的表面设置非晶态结构，具有较高的电阻率和抗电容效应，可以减少由于电容效应所造成的高能量释放，使放电过程形成均匀的电火花分布，避免了电极丝表面的热蚀以及凹凸不平等现象，可以有效的提高微细电火花线切割加工精度并降低切割后零件表面的粗糙度。

本申请的各种实施例可以以一个范围的形式存在；应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本申请范围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所述范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。

在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”和“下”具体为附图中的图面方向。另外，在本申请说明书的描述中，术语“包括”“包含”等是指“包括但不限于”。在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。在本文中，“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。在本文中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“至少一种”、“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种黑色金属丝，其特征在于，所述黑色金属丝包括：芯材，以及包裹在所述芯材表面的复合金属层，所述复合金属层包括金属内层和金属外层，所述金属内层包覆在所述芯材的表面，所述金属外层包覆在所述内层的表面；

其中，所述金属内层的化学成分为β相铜锌合金或β′相铜锌合金，所述金属外层的化学成分为锌铁合金。

2.根据权利要求1所述的黑色金属丝，其特征在于，以质量分数计，所述金属内层的化学成分包括：Cu:46％～47％，Zn:15％～16％，Si:14％～15％，Fe:12％～13％和S:12％～13％。

3.根据权利要求1所述的黑色金属丝，其特征在于，以质量分数计，所述金属外层的化学成分包括：Zn:80％～85％，Fe:12％～15％和杂质元素：3％～5％；其中，所述杂质元素包括S和Si。

4.根据权利要求1所述的黑色金属丝，其特征在于，所述复合金属层的厚度为0.03mm～0.055mm。

5.根据权利要求1或4所述的黑色金属丝，其特征在于，所述金属内层的厚度为0.02mm～0.025mm，所述金属外层的厚度为0.01mm～0.03mm。

6.根据权利要求1所述的黑色金属丝，其特征在于，所述芯材的直径为0.2mm～0.25mm。

7.根据权利要求1所述的黑色金属丝，其特征在于，以质量分数计，所述芯材的化学成分包括：Cu：97％～99％，其余为不可避免的杂质。

8.一种制备如权利要求1-7任一项所述的黑色金属丝的方法，其特征在于，所述方法包括：

采用锌铁合金对芯材分阶段进行电镀，以在所述芯材的表面形成金属内层和金属外层，得到黑色金属丝。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电镀包括在铁盐和锌盐的电解质溶液中进行电镀。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述电镀包括第一阶段电镀和第二阶段电镀，所述第一阶段电镀的电压为6V～8V，所述第一阶段电镀的时间为5min～10min；

所述第二阶段电镀的电压为10V～15V，所述第二阶段电镀的时间为2min～8min。