DE2848701A1

DE2848701A1 - Elektrodenmaterial zur elektroerosiven bearbeitung, seine herstellung und verwendung

Info

Publication number: DE2848701A1
Application number: DE19782848701
Authority: DE
Inventors: Hideo Kaneko; Makoto Onoue
Original assignee: Inoue Japax Research Inc
Current assignee: Inoue Japax Research Inc
Priority date: 1977-11-10
Filing date: 1978-11-09
Publication date: 1979-05-17
Also published as: IT7851809A0; DE2848701C2; JPS5467519A; FR2408424A1; GB2008614B; FR2408424B1; JPS5924170B2; GB2008614A; IT1109286B; US4424432A

Description

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1. Inoue-Japax Research Incorporated Yokohamashi, Karagawaken, Japan

2. Hideo KANEKO, Tokyo, Japan

Elektrodenmaterial zur elektroerosion Bearbeitung, seine Herstellung und Verwendung

Die Erfindung betrifft ein Elektrodenmaterial zum Einsatz bei Verfahren zur elektroerosion Bearbeitung unter Verwendung bewegter Elektroden, insbesondere eine Materialzusammensetzung, die sich zur Herstellung derartiger Elektroden eignet, sowie daraus hergestellte längliche, dünne Elektroden in Form von Draht oder dergleichen.

Bei der elektroerosiven Bearbeitung mit bewegter Drahtelektrode wird eine kontinuierliche, drahtartige Elektrode, die typischerweise eine Dicke bzw. einen Durchmesser < 0,5 mm oder 0,2 mm aufweist, zwischen zwei Führungsteilen axial geführt und unter geeigneter Spannung bewegt, wobei das Werkstück gegenüber der Drahtelektrode angeordnet ist, die sich zwischen den Führungsteilen bewegt bzw. hin- und herläuft. Der bewegten Drahtelektrode und dem

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Werkstück, zwischen denen sich ein Bearbeitungsspalt befindet, der mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefüllt ist, wird zur Erzeugung einer Reihe elektrischer Entladungen zur Abtragung von Material vom Werkstück elektrische Energie in Form aufeinanderfolgender, zeitlich getrennter elektrischer Impulse zugeführt. Mit fortschreitender Materialabtragung wird das Werkstück relativ zur bewegten Drahtelektrode auf einem vorgegebenen Weg verschoben, um so einen erwünschten Schnittverlauf im Werkstück zu erzeugen.

Zur Erzielung einer stabilen und zugleich wirksamen Bearbeitung ohne Unterbrechungen müssen die eingesetzten Drahtmaterialien hohe mechanische Festigkeit und Erosionsbeständigkeit aufweisen und zu einer schnelleren Materialabtragung befähigt sein. Derartige Elektrodenmaterialien müssen ferner ausreichende Duktilität besitzen, damit daraus durch Ziehen entsprechende Drähte hergestellt werden können, wobei zugleich sowohl die Material- als auch die Herstellungskosten wünschenswerterweise möglichst niedrig sein sollen.

Bei derartigen Verfahren zur elektroerosiven Bearbeitung mit bewegter Drahtelektrode wurden bisher zumeist Kupferdrähte verwendet, da Kupfer duktil ist und sich leicht in entsprechend dünner, länglicher Form herstellen läßt. Kupferelektroden, insbesondere solche zum Einsatz in Drahtform, weisen jedoch hinsichtlich der damit erzielbaren maximalen Abtraggeschwindigkeit sowie aufgrund ihrer nur geringen Verschleißfestigkeit oder Erosionsbeständigkeit nur unbefriedigende Eigenschaften auf, aufgrund deren sie bei entsprechenden Bearbeitungsverfahren zum Bruch

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neigen. Die Abtraggeschwindigkeit kann durch Verwendung von Messing- oder Kupferlegierungen mit > 30 Gew.-% Zink verbessert werden, jedoch wird hierdurch keine Verbesserung der Verschleißfestigkeit erzielt. Hinzukommt, daß Messing relativ teuer und zudem schwer zu ziehen ist. An feine Elektrodendurchmesser oder Elektrodengrößen angepaßte Messingdrähte kommen daher erheblich teurer als entsprechende längliche Kupferelektroden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugxmnde, ein Elektrodenmaterial zur elektroerosiven Bearbeitung mit bewegter Drahtelektrode anzugeben, das billiger herzustellen ist und hohe mechanische Festigkeit, ausgezeichnete Abtraggeschwindigkeit sowie geringeren Verschleiß durch Entladungen bzw. Erosion aufweist.

Die Erfindung basiert auf Untersuchungen an binären und ternären Legierungen, die Kupfer sowie ein oder zwei zusätzliche Metalle als Zusätze enthalten, die unter Zirkonium, Mangan, Chrom, Zink, Silber und Kobalt ausgewählt sind. Die Tests zur Untersuchung der elektroerosiven Bearbeitung wurden mit bewegten Drahtelektroden durchgeführt, die in verschiedener Weise aus diesen Legierungen hergestellt worden waren; dabei wurde festgestellt, daß die ternäre Legierung Cu/Zr/Zn bei spezieller Zusammensetzung in bestimmten Mengenverhältnissen zu ausgezeichneten Ergebnissen führt.

Die Erfindung gibt ein verbessertes Elektrodenmaterial zur elektroerosiven Bearbeitung mit bewegter Drahtelektrode an, das im wesentlichen aus 0,1 bis 3 Gew.-% Zirkonium und 0,5 bis 10 Gew.-% Zink, Rest Kupfer, besteht.

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Es wurde festgestellt, daß die erfindungsgemäße Legierung ausgezeichnete mechanische Festigkeit und ausgezeichnete Bearbeitungseigenschaften, d. h. hohe Abtragungsgeschwindigkeit und geringen Elektrodenverschleiß, aufweist, billig herzustellen ist und zudem leicht zu einer Drahtelektrode mit der für die jeweilige Bearbeitung erwünschten geringen Dicke gezogen werden kann«

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf clie Zeichnung näher erläutert.

Die Fig. 1 und 2 sind graphische Darstellungen zur Abhängigkeit der als Ordinate aufgetragenen Abtragungsgeschwindigkeit in mg/min von der Menge der Zirkoniumkomponente in binären Kupfer-Zirkonium- und ternären Kupfer-Zirkonium-Zink-Legierungen in Gew.-%, die als Abszisse angetragen ist (Fig. 1); in Fig. 2 ist die relative Elektrodenabnutzung in Gew.-%, d. h. die Menge an abgenutztem Elektrodenmaterial, geteilt durch die Menge des vom Werkstück abgetragenen Materials, in Abhängigkeit vom prozentualen Zirkoniumgehalt für die entsprechenden Legierungen angetragen, wobei die Abnutzung von Drahtelektroden binärer und ternärer Legierungen verschiedener Zusammensetzungen bei elektroerosiver Bearbeitung mit bewegter Drahtelektrode bestimmt wurde.

In beiden Diagrammen entsprechen die mit.(+) bezeichneten durchgezogenen Kurven den Ergebnissen von Bearbeitungen bei normaler Polarität, bei der das Werkstück als positiver Pol und die Drahtelektrode als negativer Pol geschaltet waren, während die gestrichelten, mit (-) bezeichneten Kurven Bearbeitungen entsprechen, bei denen umgekehrte

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Elektrodenpolarität vorlag.

(1) Herstellung von LegierunKsmaterialien und Drähten daraus

Die Komponenten Kupfer, Zirkonium und Zink werden in verschiedenen Mengenverhältnissen gemischt, worauf Jedes Gemisch in einer Inertatmosphäre zu einem zylindrischen Stab gegossen wird, der anschließend zu einem länglichen Körper von 3 mm Durchmesser bearbeitet wird. Dieses Material wird anschließend wiederholten Ziehschritten unterworfen, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Ziehschritten oder jeweils im Anschluß daran 30 min bei 600 ⁰C geglüht wird, bis ein Draht von 0,2 mm erhalten ist. Der so erzeugte Draht besitzt eine Zugfestigkeit von 30 bis 90 kg/mm².

(2) Bearbeitungsbedingunp;en bei elektroerosiver Bearbeitung mit bewegter Drahtelektrode

Mit jedem der in (1) hergestellten Drähte als bewegter Drahtelektrode wurde ein aus JSO SKD-11 (Werkzeugstahllegierung) bestehendes Werkstück bearbeitet, wobei als Bearbeitungsflüssigkeit destilliertes Wasser mit einem spezifischen Widerstand von 175 bis 75 χ 10 Ohm·cm verwendet wurde. Die Bearbeitungsimpulse besaßen eine Impulsdauer von 8 /us; die Aus schalt dauer betrug 15 /us,der Impuls-Spitzenstrom 10 A.

Aus den Diagrammen der Fig. 1 und 2 ist ersichtlich, daß der Zusatz sowohl von Zink als auch von Zirkonium zu

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Kupfer im Vergleich, zu Legierungen, bei denen lediglich. Zirkonium zugesetzt ist, zu einer Erhöhung der Abtraggeschwindigkeit und zu einer Verringerung der relativen Elekt rodenabnut zung führt.

Diese Wirkungen des kombinierten Zusatzes von Zink und Zirkonium waren dabei aus der Kenntnis des Verhaltens binärer Legierungen unter Zusatz lediglich, einer der beiden Komponenten in keiner Weise voraussehbar, wobei festzustellen ist, daß die Eigenschaften einer Kupfer-Zink-Legierung mit ^- 10 % Zink in proportionaler Beziehung zu den Eigenschaften von gewöhnlichem Messing mit 30 % Zink und reinem Kupfer stehen.

Während die Eigenschaftsverbesserungen bei der Bearbeitung mit üblicher wie auch umgekehrter Polarität festzustellen sind, sind eine Verringerung der relativen

Elektrodenabnutzung bei üblicher Polarität sowie eine

Erhöhung der Abtraggeschwindigkeit bei umgekehrter Polarität festzustellen.

wahrend die Bearbeitungseigenschaften aus der Zeichnung lediglich unter Bezug auf ternäre Legierungen mit 2 Gew.-% Zink hervorgehen, wurde festgestellt, daß ähnliche Ergebnisse allgemein erhältlich sind, wenn Zink im allgemeinen zwischen 0,5 und 10 &ew.-% und vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 3 Gew.-% zugesetzt wird, wobei als Ausnahme festzustellen ist, daß, wie aus den oben erwähnten Eigenschaften von Zink-Kupfer-Legierungen hervorgeht, die Abtraggeschwindigkeit proportional zur Menge an zugesetztem Zirkonium eine leichte Veränder-ungstendenz zeigt. Die genauen Eigenschaften hängen in dieser Hinsicht natürlich von den

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jeweiligen besonderen Bearbeitungsbedingungen, d. h. der genauen Art der Drahtherstellung und den Bedingungen bei der elektroerosiven Bearbeitting, ab.

Es wurde festgestellt, daß bei einem Zirkoniumzusatz von weniger als 0,1 Gew.-% und einem Zinkzusatz von weniger als 0,5 Gew.-% keine nennenswerten synergistischen Wirkungen bei kombiniertem Zusatz beider Komponenten auftreten.

Wenn die Menge an Zirkonium andererseits 3 Gew.-% übersteigt, wird das hierdurch angestrebte Ziel nicht nur in geringerem Maße erreicht, sondern es treten auch im praktischen Einsatz je nach den Bearbeitungsbedingungen Nachteile auf. Die zugesetzte Menge an Zirkonium sollte demgemäß zwischen 0,1 und 3 Gew.-% und vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 Gew.-?o liegen.

Im folgenden werden die oben angesprochenen Nachteile erläutert, wahrend Zirkonium die mechanische Festigkeit entsprechender Legierungen in wirksamer Weise erhöht, scheint die Grenze für fest gelöstes Zirkonium in der γ -Kupfer-Phase etwa Λ % zu betragen. Bei mehr als 1 % Zirkonium liegt die Legierung demgemäß in Form eines Gemischs mit Metallverbindungen wie ZrCu * vor, die in y>-Cu verteilt sind, wobei die Verbindungen unter Bildung eutektischer Kristalle mit 9 % Zirkonium ausgefällt werden. Steigende Mengen an derartigen Ausfällungen führen zu erhöhter Härte und Zugfestigkeit der Legierung, wobei deren Dehnung und elektrischer Widerstand gleichzeitig verringert werden, wodurch die Menge an einzubringendem Zirkonium beschränkt wird.

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Auf der anderen Seite kann die Zinkkomponente zugesetzt werden, um den Bereich an zuzugebendem Zirkonium auszudehnen sowie das Auftreten von Bearbeitungsentladungen zu erleichtern, was wiederum zu einer Erhöhung der Abtraggeschwindigkeit beiträgt. Während die Obergrenze für die Zinkkomponente aus dieser Sicht möglicherweise bis zu 30 Gew.-% betragen kann, ergibt sich

bei einem Zusatz von Ί0 Gew.-% bei gleichzeitigem Einbringen einer kleinen Menge an Zirkonium ein Sättigungswert der Abtraggeschwindigkeit. Auf der anderen Seite wird die Bearbeitungshärtung der Legierung mit steigender Menge Zink in Kombination mit Zirkonium fortschreitend merklicher. Die Menge an zugesetztem Zink sollte demgemäß höchstens 10 Gew.-% betragen und vorzugsweise <^ 5 Gew.-% sein.

Ein Legierungsmaterial einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung, das nach dem Ziehen 30 min bei 600 ⁰C geglüht

wurde, zeigt eine Zugfestigkeit > 40 kg/cm sowie eine Dehnung > 4-5 %, wobei sich das Material bei Verwendung als bewegte Drahtelektrode bei elektroerosiver Bearbeitung als bruchfest erweist.

Die Erfindung gibt demgemäß ein verbessertes Elektrodenmaterial für bewegte Drahtelektroden zum Einsatz bei der elektroerosiven Bearbeitung an, das im Vergleich zum vorliegenden Stand der Technik bemerkenswert überlegene Eigenechaften und erheblich höhere Wirtschaftlichkeit aufweist.

Claims

BEETZ-LAMPRECHT-BEETZ Steinsdorfstr. 10 · D-8000 München 22 Telefon (089) 227201 '- 227244 - 29 5910 Telex 522048 - Telegramm Allpatent München 581-28.921P PATENTANWÄLTE Dipl.-Ing. R. BEETZ sen. Dipl.-Ing. K. LAMPRECHT Dr.-Ing. R. BEETZ jr. Rechtsanwalt Dipl.-Phys. Dr. jur. U. HEIDRICH Dr.-Ing. W. TIMPE Dipl.-Ing. J. SIEGFRIED Priv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. W. SCHMITT-FUMIAN 9. Nov. I978 Ansprüche

1. Elektrodenmaterial zur elektroerosiven Bearbeitung mit bewegter Drahtelektrode, im wesentlichen gekennzeichnet durch 0,1 bis 3 Gew.-% Zirkonium und 0,5 bis 10 Gew.-% Zink, wobei die Restmenge aus Kupfer besteht.

2. Elektrodenmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zinkgehalt ^c 5 Gew.-% beträgt.

3. Elektrodenmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zinkgehalt <C 3 Gew.-% beträgt.

4-, Elektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkoniumgehalt > 0,5 Gew.-% beträgt.

5. Elektrodenmaterial nach Anspruch 4, dadurch gekenn-581-(A 621)-SF/nu

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zeichnet, daß der Zirkoniumgehalt ·< 2 Gew.-% beträgt.

6. Elektrode zur elektroerosiven Bearbeitung mit bewegter Drahtelektrode aus dem Elektrodenmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in Form eines länglichen Körpers mit einer Dicke <: 0,5 mm, erhalten durch wiederholtes Ziehen eines Gußstücks der obigen Zusammensetzung, wobei zwischen aufeinanderfolgende Ziehschritte oder jeweils im Anschluß daran ein Glühschritt eingeschaltet

7. Verwendung des Elektrodenmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für bzw. zur Herstellung von Elektroden zur elektroerosiven Metallbearbeitung-

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