DE69813840T2

DE69813840T2 - Drahtelektrode für funkerosionsbearbeitung und verfahren zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE69813840T2
Application number: DE69813840T
Authority: DE
Inventors: Sale Tomalin
Original assignee: Composite Concepts Co Inc
Current assignee: Composite Concepts Co Inc
Priority date: 1997-09-02
Filing date: 1998-08-06
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2018-08-07
Also published as: AU9773998A; US5945010A; CA2302202C; EP1009574A1; DE69813840D1; CA2302202A1; EP1009574B1; ATE238124T1; EP1009574B2; DE69813840T3; WO1999021675A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Technik der elektroerosiven Bearbeitung (EDM für "Electric Discharge Machining") und insbesondere einen Elektrodendraht zur Verwendung bei der erosiven Bearbeitung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und weiterhin das Verfahren zur Herstellung eines EDM-Elektrodendrahtes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 10.

2. Beschreibung des relevanten Standes der Technik

Das Verfahren der funken- oder elektroerosiven Bearbeitung (EDM) ist allgemein bekannt. Zwischen einer sich kontinuierlich bewegenden EDM-Drahtelektrode und einem elektrisch leitenden Werkstück wird ein elektrisches Potenzial (Spannung) angelegt. Das Potenzial wird auf einen Wert erhöht, bei dem zwischen dem EDM-Draht und dem Werkstück eine Entladung hervorgerufen wird. Die durch die Entladung erzeugte intensive Wärme schmilzt und/oder verdampft einen Teil sowohl des Werkstückes als auch des Drahtes, um dadurch in einem sehr kleinen Abschnitt ein Stück des Werkstückes zu entfernen. Durch Erzeugen einer großen Anzahl derartiger Entladungen wird eine große Anzahl von Abschnitten von dem Werkstück entfernt, so dass das Werkstück sehr exakt im Hinblick auf eine gewünschte planare Gestalt abtragend bearbeitet werden kann. Ein dielektrisches Fluid wird verwendet, um die zur Zündung der Entladung erforderlichen elektrischen Verhältnisse einzustellen und abgetragenes Material aus dem aktiven Bearbeitungsbereich fluidmechanisch zu entfernen.
Der sich aus dem Schmelzen und/oder Verdampfen eines kleinen Abschnittes (Volumen) der Oberflächen sowohl des Werkstückes als auch der EDM-Drahtelektrode ergebende Rückstand ist in einer gasförmigen Entladungshülle (Plasma) enthalten. Das Plasma bricht schließlich unter dem Druck des dielektrischen Fluids zusammen. Die durch das Schmelzen und/oder Verdampfen erzeugten flüssigen und gasförmigen Phasen werden durch das dielektrische Fluid abgeschreckt, um festes teilchenartiges Material oder Rückstand zu bilden. Der Abtragungsvorgang beinhaltet daher wiederholtes Bilden eines Plasmas und Löschen dieses Plasmas. Dieser Vorgang kann zu gleicher Zeit an verschiedenen Stellen entlang der Länge des EDM-Drahtes auftreten.
Für das fluidmechanische Entfernen ist es bedeutsam, dass es effizient ist, da sich bei nicht effizientem fluidmechanischen Entfernen in der Lücke leitende Teilchen ansammeln, die das Potenzial für elektrische Kurzschlüsse bilden können, die zu Lichtbögen führen können. Lichtbögen sind jedoch sehr unerwünscht, da sie die Übertragung einer großen Energiemenge verursachen, die große Aushöhlungen oder Krater, das heißt metallurgische Fehlstellen in einem Werkstück oder dem EDM- Draht, nach sich führen. Derartige Fehlstellen in dem Draht würden ein plötzliches Totalversagen in dem EDM-Draht nach sich ziehen.
Eine Verbundoberflächenschicht auf einer einem Abtrag unterworfenen EDM-Drahtelektrode ist vorzugsweise ausreichend dick und fest, um den Abtragvorgang zu überstehen. Vorzugsweise wird er eine geringe volumenbezogene Sublimationswärme aufweisen, der ihm gestattet, vor einem Schmelzen bevorzugt zu sublimieren (verdampfen). Die Sublimation (der Phasenübergang eines Festkörpers beim direkten Übergang in ein Gas oder Dampf) erzeugt verhältnismäßig kleines teilchenartig abgetragenes Material, wenn der Dampf nach Abschrecken durch das dielektrische Fluid bei Zusammenbruch der Plasmahülle am Ende jeder Entladung kondensiert ist. Durch Schmelzen wird größeres teilchenartig abgetragenes Material erzeugt, und dies ist durch die hydraulische Wirkung des dielektrischen Fluids schwieriger fluidmechanisch zu entfernen. Für die Oberflächenschicht eines beliebigen EDM-Drahtes verwendete Metalle sind vorzugsweise durch eine geringe Sublimationswärme, manchmal als eine in Kilojoule pro Kubikzentimeter (KJ/cm³) gemessene geringe volumenbezogene Sublimationswärme bezeichnet, aufweisend gekennzeichnet. Derartige Metalle sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt und umfassen Kadmium, Wismut, Blei, Zink, Zinn, Antimon oder eine Legierung aus diesen Metallen. Zink weist eine verhältnismäßig geringe volumenbezogene Sublimationswärme auf, und Legierungen von Zink verfügen ebenso über eine verhältnismäßig geringe Sublimationswärme bei Legierungen, die den höchsten Zinkanteil mit der geringsten volumenbezogenen Sublimationswärme aufweisen.
Zusätzlich zu den die fluidmechanische Entfernbarkeit beeinflussenden physikalischen Eigenschaften der exponierten Oberfläche kann auch die Topographie der Oberfläche die fluidmechanische Entfernbarkeit beeinflussen. Beispielsweise kann eine komplexe Topographie an der Oberfläche hydraulische Turbulenzen begünstigen und dadurch die fluidmechanische Entfernbarkeit durch das dielektrische Fluid verbessern.
Ein EDM-Draht muss über eine Zugfestigkeit verfügen, die einen gewünschten Schwellenwert übersteigt, um ein durch die beaufschlagte Vorspannung hervorgerufenes Versagen durch Zugbeanspruchung zu vermeiden, und er sollte auch eine hohe Bruchfestigkeit aufweisen, um ein durch die bei dem Entladungsvorgang verursachten Fehlstellen hervorgerufenes plötzliches Totalversagen zu vermeiden. Bruchfestigkeit ist ein Maß für die Widerstandsfähigkeit eines Materiales gegenüber Fehlstellen, die in ein Material eingebracht worden sind und die grundsätzlich zu der Größe anwachsen können, bei der ein plötzliches Total versagen des Materials hervorgerufen werden könnte. Die gewünschte Zugfestigkeitsstärke für EDM-Drahtelektroden wird allgemein als in dem Bereich zwischen 414 bis 620 Mpa (60.000 bis 90.000 PSI) liegend angesehen.
Da der EDM-Draht auch elektrisch leitfähig sein muss, ist es von Bedeutung, dass der EDM-Draht ein guter elektrischer Leiter ist. Die Hauptfunktion der EDM-Drahtelektrode besteht darin, der Lücke elektrische Energie zuzuführen. Eine Draht mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit führt diese Funktion effizienter durch. Bei gleichen weiteren Faktoren wird der EDM-Draht mit der höchsten elektrischen Leitfähigkeit am schnellsten abtragen und daher am effizientesten sein.
Die ideale Wander-EDM-Drahtelektrode hat demnach eine hinreichende dicke und feste Oberflächenschicht mit einer geringen Sublimationswärme, eine Zugfestigkeit, die größer als der Schwellenwert ist, um plötzliches Zugbeanspruchungsversagen zu vermeiden, eine hohe Bruchfestigkeit und eine gute elektrische Leitfähigkeit.
EP-A-0 733 431 offenbart sowohl einen Elektrodendraht zur Verwendung in einer Vorrichtung zur funken- oder elektroerosiven Bearbeitung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 als auch ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodendrahtes zur funken- oder elektroerosiven. Bearbeitung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 10. Bei dem in diesem Dokument beschriebenen Verfahren wird ein Messingkern zuerst mit Zink beschichtet. Der Kern weist 5% Zink und 95% Kupfer auf.
Der Kern wird mit Zink beschichtet und dann schnell mit einer Geschwindigkeit von mehr als 10ºC pro Sekunde und auf eine Temperatur im Bereich von 500º bis 800ºC aufgeheizt, um Messing in γ-Phase zu bilden. Um den Diffusionsvorgang zu unterbrechen und damit den Zustand des Ungleichgewichts einzufrieren, wird die Struktur schnell mit einer Geschwindigkeit von mehr als 10ºC pro Sekunde abgekühlt. Nachdem der Draht auf diese Art und Weise gebildet worden ist, wird der Draht auf die Endgröße gezogen. Der Draht entsprechend der Offenbarung des vorgenannten Dokumentes zum Stand der Technik umfasst eine Beschichtung von im wesentlichen homogenen γ- oder &epsi;-Messing. Eine bei dem bekannten Hochtemperaturverfahren hergestellte Beschichtung zeigt jedoch die Neigung, nichthaftend zu sein und während des Ziehvorganges abzuplatzen. Somit leidet die Effizienz der Beschichtung in Abhängigkeit von der Menge der haftenden Beschichtung, die abplatzt, wenn der Draht gezogen wird, um einen kaltverfestigten Kern zu erhalten, der bei automatisch arbeitenden Drahteinfädel-EDM-Vorrichtungen verwendbar ist.
Um die Gefahr des Abplatzens einer Beschichtung von einem Kern zu verringern, schlägt EP-A-0 521 569 in Spalte 3, Zeilen 26 bis 28, vor, aufeinanderfolgende Ziehschritte vorzunehmen. Dieses Dokument lehrt weiterhin die Verwendung von Beschichtungsmetallen wie Zink mit einem niedrigen Schmelzpunkt und einer niedrigen Verdampfungstemperatur.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, eine EDM-Drahtelektrode mit einem aus einem Material gebildeten Kern zu verwenden, das über eine verhältnismäßig hohe mechanische Belastbarkeit verfügt und mit einer verhältnismäßig dünnen, den Kern umgebenden Metallbeschichtung zu verwenden und wenigstens 50% eines Metalls mit einer niedrigen volumenbezogenen Sublimationswärme wie Zink, Kadmium, Zinn, Blei, Antimon, Wismut oder eine Legierung davon aufweist. Eine derartige Struktur ist in dem US-Patent Nr. 4,287,404 offenbart, das einen Draht offenbart, der über einen Stahlkern mit einer Beschichtung aus Kupfer oder Silber verfügt, die noch mit einer Beschichtung aus Zink oder einem anderen geeigneten Material mit einer niedrigen volumenbezogenen Sublimationswärme plattiert ist.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise aus dem US- Patent Nr. 4,686,153 weiterhin bekannt, einen mit Kupfer plattierten Stahldraht mit Zink zu beschichten und danach den mit Zink beschichteten Draht zu erwärmen, um eine Dispersion-Diffusion des Kupfers in die Zinkschicht hervorzurufen und dadurch die Zinkschicht in eine Kupfer-Zink-Legierung umzuwandeln. Dieses Patent beschreibt, dass es zu EDM-Zwecken wünschenswert wäre, eine Schicht mit einer Legierung in β-Phase zu haben. Die Kupfer-Zink-Legierung weist eine Zinkkonzentration von etwa 45% pro Gewichtseinheit auf, die von der äußeren Oberfläche radial nach innen abnimmt. Die mittlere Zinkkonzentration in der Kupfer-Zink-Legierungsschicht liegt bei weniger als 50% pro Gewichtseinheit, aber höher als 10% pro Gewichtseinheit. Die Oberflächenschicht beinhaltet daher Kupfer-Zink-Legierungsmaterial in β-Phase mit einer Zinkkonzentration von 40%-50% pro Gewichtseinheit. Auch wenn dieses Patent feststellt, dass eine durch eine Wärmebehandlung mit Dispersion-Diffusion gebildete Kupfer-Zink-Legierungsschicht Material in &epsi;-Phase (Zinkgehalt etwa 80%), Material in γ-Phase (Zinkgehalt etwa 65%), Material in β-Phase (Zinkgehalt etwa 45%) und Material in α-Phase (Zinkgehalt etwa 35%) entsprechend dem Phasendiagramm nach Hansen aufweisen kann, gibt dieses Patent an, dass das bevorzugte Legierung Material β-Phasen-Legierungsmaterial ist.
Aufgrund der Natur des EDM-Verfahrens ist die EDM-Abtragsweise ein verhältnismäßig langsamer Vorgang. Bei vielen Draht- EDM-Anwendungen ist die Oberflächengüte des hergestellten Teiles von besonders kritischer Bedeutung. Um eine besonders hohe Oberflächengüte auf dem gesamten Teil zu erhalten, führen viele Anwender an dem Teil einen "Grobabtragsvorgang" mit übergroßen Abmessungen und anschließend mehrere (manchmal fünf bis sieben) glättende "Feinabtragsvorgänge" durch, bei denen sie eine verringerte Leistung verwenden, um dadurch zu versuchen, lediglich einen kleinen Teil von der Oberfläche zu entfernen, das heißt Kleinstabträge pro Entladung. Diese Vorgehensweise gestattet dem Anwender, eine sehr engmaschige dimensionsmäßige Kontrolle über die Geometrie des Teiles zu behalten, während gleichzeitig eine sehr viel glattere Endoberflächen erzielt wird. Es ist offensichtlich, dass die Anzahl der zum Erzielen einer vorbestimmten Oberflächengüte erforderlichen "Fein"-Durchläufe einen erheblichen Einfluß auf die Kosten eines bestimmten Teiles hat, und die EDM-Anwender suchen ständig Wege, um eine verbesserte Oberflächengüte bei konkurrenzfähigen Metallabtragsraten zu erzielen. Es ist daher wünscht, die Geschwindigkeit des Abtrags zu verbessern, ohne jedoch die durch den Abtragsvorgang erzielte Oberflächengüte zu verschlechtern.
Weiterhin weisen viele der neueren EDM-Drahtanlagen eine sogenannte "Selbsteinfädel"-Einrichtung auf. Alle Draht-EDM- Vorrichtungen verfügen über eine untere und obere Drahtführungseinrichtung, die den Draht genau positioniert, indem er durch eine hochpräzise Drahtführung, die lediglich einige Mikrometer größer als der tatsächliche Drahtdurchmesser ist, durchgeleitet wird. Wenn der Draht während des Abtragsvorganges bricht oder wenn ein innerer Hohlraum abgetragen worden ist und sich zu einem anderen Bereich bewegt werden soll, um weitere innere Hohlräume abzutragen, ist es erforderlich, den Draht durch diese Führungen wieder einzufädeln, um den Abtragsvorgang fortsetzen zu können. Diese "Selbsteinfädel"- Einrichtungen arbeiten erheblich zuverlässiger, wenn der durch sie durchzufädelnde Draht sehr genau gerade und ausreichend glatt ist.
Somit besteht das durch die Erfindung zu lösende Probleme darin, einen EDM-Draht mit sowohl einer effizienten Beschichtung als auch mit verbesserten mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit und ausreichend glatte Geradheit zu schaffen, um zuverlässiges "Selbsteinfädeln" sowie eine sehr leistungsfähige EDM zu erleichtern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch Schaffen eines EDM-Elektrodendrahtes gemäß Patentanspruch 1 und eines Verfahrens zur Herstellung eines derartigen Drahtes gemäß Patentanspruch 10.
Die Erfindung umfasst in einer Ausgestaltung einen EDM-Draht mit einem Kern, der ein erstes Metall oder eine Metalllegierung wie beispielsweise Kupfer, Messing oder kupferplattierter Stahl und eine Beschichtung aus einem Metall oder einer Metalllegierung mit einem verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt wie beispielsweise einer Kupfer-Zink-Legierung in γ-Phase aufweist. Die Beschichtung bedeckt lediglich einen Teil der Oberfläche des Kernes.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines EDM-Drahtes. Das Verfahren umfasst das Beschichten eines metallischen Kernes mit einer Metallbeschichtung wie beispielsweise einer Zinkbeschichtung. Der beschichtete Kern würde dann durch Diffusionsglühen einer Wärmebehandlung unterzogen, wobei die Metallbeschichtung und der Metallkern eine Legierung in γ-Phase wie beispielsweise eine Messinglegierung in γ-Phase bilden. Es wird im wesentlichen die gesamte Beschichtung in γ-Phase umgewandelt, so dass die Beschichtung von der äußeren Oberfläche des Drahtes bis zu dem Kern eine im wesentlichen gleichbleibende Zusammensetzung aufweist. Der beschichtete Draht kann dann gezogen werden, um die Endgröße herzustellen, wobei die Beschichtung in γ-Phase über die gesamte äußere Oberfläche des Kernes derart umverteilt wird, dass die Beschichtung den Kern nicht vollständig bedeckt, sondern dass darin Lücken vorhanden sind.
Die Erfindung umfasst in einer Ausgestaltung einen Elektrodendraht zur Verwendung in einer EDM-Vorrichtung. Der Draht weist einen Kern auf, der aus einem ersten Metall oder eine Legierung eines ersten Metalls aufgebaut ist. Auf den Kern ist eine Beschichtung aufgebracht. Die Beschichtung ist aus einer Kupfer- Zink-Legierung aufgebaut, wobei die Legierung einen Anteil von mehr als 50% pro Gewichtseinheit an Zinkmetall aufweist. Das zweite Metall hat eine volumenbezogenen Sublimationswärme von weniger als 35 KJ/cm³. Die Beschichtung hat einen Schmelzpunkt von 550ºC oder mehr.
Der Kern kann kupferplattierten Stahl, Messing oder ein anderes geeignetes Material aufweisen. Anstatt einer aus Zink bestehenden Beschichtung kann die Beschichtung auch aus Magnesium oder Aluminium gebildet sein.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass der sich ergebende EDM-Draht schneller als herkömmliche EDM- Drahtelektroden abträgt oder dazu in der Lage ist, eine höhere Oberflächengüte bei wettbewerbsfähigen Metallabtragsraten herzustellen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der hohe Zinkgehalt in der Beschichtung zu einer niedrigen volumenbezogenen Sublimationswärme für die Beschichtung führt und dadurch zu einem effizienten fluidmechanischen Entfernen des Drahtes, während er eine ausreichende Widerstandsfähigkeit aufweist, um den EDM-Erosionsvorgang zu überstehen. Weiterhin führt der Vorgang der Umwandlung der Beschichtung in eine binäre Legierung nicht zu einem Konzentrationsgradienten, so dass die Effektivität des erhöhten Zinkgehaltes maximiert wird.
Ein weiterer Vorteil des EDM-Drahtes gemäß der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Oberflächengüte eines mit dem EDM-Drahtes gemäß der vorliegenden Erfindung bearbeiteten Materiales so ausgebildet ist, dass es eine geringere Oberflächenrauigkeit als mit herkömmlichen EDM-Drähten bearbeitetes Material aufweist.
Das Verfahren gemäß Patentanspruch 10 erzeugt durch Umwandeln der Oberflächenschicht über Wärmebehandlung in eine spröde Legierung wie Messing in γ-Phase und anschließend durch Kaltziehen des Drahtes auf einen Enddurchmesser eine komplexe Oberflächentopographie. Die spröde Legierung wie beispielsweise Messing in γ-Phase bricht und bettet sich in die Oberfläche oder den Kern ein, so dass dadurch eine komplexe Topographie erzeugt wird. Eine derartige Anordnung kann an der Oberfläche des EDM-Drahtes hydraulische Turbulenzen erzeugen und dadurch die fluidmechanische Entfernungswirkung des Dielektrikums verbessern.
Die Erfindung schafft einen erheblichen Fortschritt in der Eignung und Bestimmung eines EDM-Drahtes, verbesserte Oberflächengüten bei wettbewerbsfähigen Metallabtragsraten zu schaffen. Das verbesserte fluidmechanische Entfernen, das mit einer Beschichtung mit einem hohen Schmelzpunkt und einer niedrigen Sublimationswärme erzielbar ist, gestattet es, bei höheren Metallabtragsraten zu arbeiten und dadurch den EDM- Vorgang effizienter zu gestalten. Der Vorteil von effizienten Abtragsraten keine jedoch auch für eine verbesserte Oberflächengüte benutzt werden, indem die Leistung soweit verringert wird, bis man bei der gleichen Metallabtragsrate ist, die als wettbewerbsfähig mit anderen verfügbaren EDM-Drahtelektroden angesehen wird. Unter diesen Bedingungen, das heißt der gleichen Metallabtragsrate, erfordert die vorliegende Erfindung merklich weniger Leistung, und jede einzelne Entladung trägt einen kleineren Teil an Werkstückmaterial als bei stoffmäßig herkömmlichen Drahtausbildungen ab. Aufgrund der Erzeugung von kleineren "Kratern" bei jeder Entladung ist die Oberflächengüte merklich verbessert.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass bei Erodieren des Drahtes das Fehlen eines Gradienten nicht zu einer Verringerung der Betriebseigenschaften des Drahtes führt, da der Zinkgehalt in der Beschichtung verhältnismäßig konstant ist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass eine EDM- Drahtelektrode mit einer ausreichend dicken und widerstandsfähigen Oberflächenschicht mit einer niedrigen Sublimationswärme und einem hohen Schmelzpunkt, einer höher als der Schwellwert gelegenen Zugbelastbarkeit zum Verhindern einer zugbelastungsmäßigen Grenzwertigkeit, einer hohen Bruchfestigkeit und einer guten elektrischen Leitfähigkeit geschaffen ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorgenannten und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie die Art und Weise, diese zu erreichen, werden unter Bezug auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich, bei denen
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Querschnitts eines EDM-Drahtes mit einer durchgehenden kontinuierlichen Oberflächenbeschichtung ist,
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines EDM-Drahtes mit einer unterbrochenen diskontinuierlichen Oberflächenbeschichtung ist,
Fig. 3 eine 520-fach vergrößerte Fotografie eines Querschnitts eines EDM-Drahtes mit einem Durchmesser von 0,25 mm ist, der nach Wärmebehandlung aus einem Durchmesser von 1,33 mm gezogen worden ist,
Fig. 4 eine 500-fach vergrößerte Fotografie der Oberfläche des Drahtes gemäß Fig. 3 ist,
Fig. 5 eine 270-fach vergrößerte Fotografie eines EDM-Drahtes mit einem Durchmesser von 0,25 mm ist, der nach Fertigstellen der Endgröße wärmebehandelt worden ist,
Fig. 6 eine 500-fach vergrößerte Fotografie der Oberfläche des Drahtes gemäß Fig. 5 ist,
Fig. 7 eine Darstellung ist, die die Art und Weise der Berechnung der Oberflächenbedeckung einer EDM- Drahtbeschichtung veranschaulicht,
Fig. 8 eine Darstellung ist, die die Art und Weise veranschaulicht, in der Testabträge mit dem Draht gemäß der Erfindung vorgenommen worden sind,
Fig. 9 ein Schaubild ist, das den Zinkanteil als Prozentwert in der Beschichtung des Drahtes gemäß Fig. 4 darstellt und
Fig. 10 ein Schaubild ist, das den Zinkgehalt als Prozentwert pro Gewichtseinheit in der Beschichtung eines EDM- Drahtes gemäß der Erfindung mit einem kupferplattierten Stahlkern zeigt.
In den verschiedenen Darstellungen beziehen sich einander entsprechende Bezugszeichen auf einander entsprechende Teile. Die hiermit vorgelegte beispielhafte Veranschaulichung erläutert eine bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Ausgestaltung, und die beispielhafte Veranschaulichung ist nicht als die Tragweite der Erfindung in irgendeiner Art und Weise beschränkend auszulegen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es ist bekannt, dass ein EDM-Draht mit einem höheren Zinkgehalt effizienter abträgt. Beispielsweise trägt ein EDM-Draht mit einer Zinkbeschichtung oder ein EDM-Draht mit einer Beschichtung aus einer Messinglegierung mit einem hohen Zinkgehalt effizienter als ein Draht mit einer einen niedrigen Zinkgehalt aufweisenden Oberfläche ab. Messing in γ-Phase hat einen hohen Zinkgehalt, im Mittel etwa 65%, und weist ebenso einen verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt, ungefähr 800ºC, auf, und sollte daher eine ausgezeichnete EDM-Drahtbeschichtung sein. Im Vergleich hat Messing in β-Phase einen Zinkgehalt von im Mittel 45% Zink und einen Schmelzpunkt von ungefähr 880ºC.
Unglücklicherweise ist es nahezu unmöglich, ein Legierungsmaterial in γ-Phase kaltzuziehen, da es sehr spröde ist. Ich habe jedoch festgestellt, dass Legierungsmaterial in γ-Phase während des Kaltziehens aufgebrochen und umverteilt wird. Indem die Dicke einer Beschichtung in γ-Phase vor dem Ziehen verhältnismäßig dünn gehalten wird, kann während des Kaltziehens eine ausreichende Oberflächenbedeckung mit Material in γ-Phase erreicht werden, so dass das Legierungsmaterial in γ-Phase weiterhin als ein effektiver Verstärker für das fluidmechanische Entfernen wirkt. Die Dicke der Legierungsbeschichtung in γ- Phase sollte nach der Wärmebehandlung so sein, dass sie weder zu dick ist, da dies dazu führen würde, dass das Material zu spröde ist, noch dass sie zu dünn ist, da dies für zu einer für ein gutes Ergebnis zu geringen Oberflächenbedeckung führen würde. Wenn die Legierungsbeschichtung in γ-Phase dick ist, kann das Ziehen besser bei einer höheren Temperatur oberhalb ihrer Rekristallisationstemperatur erfolgen, aber diese Technik erfordert eine spezielle Drahtziehausrüstung.
Bei Aufbrechen der Legierungsbeschichtung in γ-Phase während des Kaltziehens bildet sie eine diskontinuierliche unterbrochene Beschichtung auf dem Drahtkern, die die Oberfläche des Drahtkernes nicht vollständig bedeckt. Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines EDM-Drahtes nach einer Wärmebehandlung mit einer durchgehenden kontinuierlichen Beschichtung aus einem Legierungsmaterial in γ-Phase. Die Dicke der Legierungsbeschichtung 10 in γ-Phase ist mit t&sub0; bezeichnet. Nachdem der Draht gezogen worden ist, sieht er im Querschnitt wie in Fig. 2 dargestellt aus. Es ist festzustellen, dass das Legierungsbeschichtungsmaterial 12 aufgebrochen ist und den Kern nicht vollständig bedeckt (Fig. 1 und 2 sind nicht maßstäblich). Es ist weiterhin festzuhalten, dass die maximale Dicke des Legierungsbeschichtungsmaterials tf ist, was kleiner ist als t&sub0;. Das Beschichtungsmaterial in γ-Phase ist aufgebrochen und über die Oberfläche des Kernes umverteilt worden. Ich habe festgestellt, dass während des Kaltziehens eines Beschichtungsmaterials in γ-Phase die in γ-Phase vorliegende Beschichtung im Innern bricht und dass diese Teilchen über die Oberfläche des Kernes des fertiggestellten Drahtes umverteilt werden. Je größer die Größe des Drahtes vor dem Ziehen ist, desto kleiner ist theoretisch der Anteil der Kernoberfläche in Endgröße, die mit Legierungsmaterial in γ-Phase bedeckt ist, nachdem das Ziehen abgeschlossen ist. Dies liegt daran, dass bei Ziehen des Drahtes von einer Anfangsgröße zu einer kleineren Endgröße die gesamte Oberfläche des Drahtes in Endgröße größer ist als der gesamte Oberflächenbereich des zu Beginn vorliegenden Drahtes. Da Legierungsmaterial in γ-Phase sehr spröde ist und sich nicht plastisch verformt, bleibt das Volumen der Oberflächenbeschichtung (Material in γ-Phase), die vor dem Ziehen auf dem Draht verfügbar ist, während des Ziehens konstant. Wenn lediglich ein kleiner Teil eines neuen Oberflächenbereiches durch internes Brechen der Legierungsbeschichtung in γ-Phase aufgrund deren Sprödigkeit geschaffen wird, dann ist die tatsächliche Oberflächenbedeckung der Legierungsmaterialbeschichtung in γ-Phase auf dem fertiggestellten Draht aufgrund der Umverteilung des aufgebrochenen Materials in γ-Phase größer, aber kleiner als 100%, als wenn kein neuer Oberflächenbereich erzeugt worden wäre. Während daher das theoretische Verhältnis des Oberflächenbereiches eines Drahtes zu Beginn zu dem Oberflächenbereich des fertiggestellten Drahtes berechnet werden kann, ist der tatsächliche Anteil der Oberflächenbedeckung durch das Material in γ-Phase des fertiggestellten Drahtes nicht gleich diesem theoretischen Verhältnis. Der Grund für diese Abweichung liegt darin, dass das Beschichtungsmaterial in γ-Phase aufgebrochen und über den EDM-Drahtkern umverteilt wird. Beispielsweise kann man bei Berechnung des Verhältnisses der Oberflächenbereiche des Drahtes zu Beginn zu dem fertiggestellten Draht schreiben
Bei einem Draht mit einem Durchmesser von 0,64 mm zu Beginn und einem fertiggestellten Draht mit einem Durchmesser von 0,25 mm ist das theoretische Verhältnis der Oberflächenbereiche 39%. Ich habe herausgefunden, dass das tatsächliche Verhältnisse der Oberflächenbereiche bei einer Verringerung der Größe von einem Durchmesser von 0,64 mm auf einen Durchmesser von 0,25 mm bei etwa 58% liegt. Da das Volumen des Beschichtungsmaterials konstant ist, liegt es auf der Hand, dass das Beschichtungsmaterial umverteilt worden ist, so dass die Dicke der Beschichtung kleiner ist als die ursprüngliche Dicke der Beschichtung in γ-Phase nach der Wärmebehandlung.
Auch wenn idealerweise der EDM-Drahtkern eine Oberflächenbedeckung von 100% hat, habe ich festgestellt, dass dies für einen effektiv einsetzbaren EDM-Draht tatsächlich nicht erforderlich ist. Ich habe herausgefunden, dass es mir möglich war, gute Abtragsergebnisse mit einem EDM-Draht mit einer Oberflächenbedeckung des Kernes von weniger als 100% zu erzielen. Beispielsweise hat sich herausgestellt, dass ein EDM- Draht mit einer Oberflächenbedeckung von mehr als 50% gut funktioniert.
Da man aufgrund der Sprödigkeit des Beschichtungsmaterials in γ-Phase auf eine verhältnismäßig dünne Beschichtung von Material in γ-Phase beschränkt ist, ist ein Kernmaterial mit einem höheren Zinkgehalt im Hinblick auf ein angepasstes fluidmechanische Entfernen wünschenswert, falls die Beschichtung durch Erosion vollständig verbraucht ist oder ein angepasstes fluidmechanisches Entfernen in Fällen bereitzustellen, in denen die Beschichtung aufgrund ihres diskontinuierlichen Charakters nie existiert hat. Je höher der Zinkgehalt des Kernmaterials eines derart beschichteten Produktes und die sich ergebende höheren Zugbelastbarkeit des Drahtes ist, ist es in Verbindung mit einem sehr dünnen Beschichtungsmaterial in γ-Phase möglich, den Draht glatter und gleichförmig gerader zu ziehen als herkömmlich beschichtete Produkte. Dies ist wichtig, da dies die Verwendung des Drahtes bei mit "Selbsteinfädel"-Einrichtungen ausgestatteten EDM-Vorrichtungen vereinfacht. Ein weiterer Vorteil einer geringen Dicke der Zinkbeschichtung liegt darin, dass der Schritt des Elektroplattierens im Vergleich zu verhältnismäßig dicken Zinkbeschichtungen weniger kostspielig ist, die bei herkömmlichen diffusionsgeglühten EDM-Drahtprodukten verwendet werden. Da der zum Herstellen der dünnen Schicht in γ- Phase erforderliche Wärmebehandlungsvorgang verhältnismäßig kurz ist und die Wärmebehandlung bei einer gegenüber herkömmlichen Produkten erheblich niedrigeren Temperatur durchgeführt wird, sind die Herstellungskosten eines EDM- Drahtes mit einer dünnen Legierungsbeschichtung in γ-Phase gemäß der vorliegenden Erfindung erheblich geringer als die bei herkömmlichen EDM-Drahtprodukten. Somit ist die Wirtschaftlichkeit eines gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten EDM-Drahtes erheblich besser als die Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung eines herkömmlichen diffusionsgeglühten EDM- Drahtes mit dickeren Beschichtungen.
Ich habe festgestellt, dass der EDM-Draht gemäß der vorliegenden Erfindung einen herkömmlichen Messing-EDM-Draht, zinkbeschichteten Messing-EDM-Draht und einen mit β-Phase beschichteten EDM-Messingdraht leistungsmäßig übertrifft. Darüber hinaus liegt einer der üblichen Kritikpunkte bei herkömmlichen zinkbeschichteten Messing- und mit β-Phase beschichteten EDM-Messingdrähten in deren Abrieb bei Drahtführungen und die Tendenz der Beschichtungen, mit Zinkoxid verunreinigt zu werden. Eine Messingbeschichtung in γ-Phase ist weniger abrasiv als Zink und weist eine geringere Tendenz zur Verunreinigung mit Zinkoxid gegenüber sowohl Zink- als auch β-Phasenmaterial auf, da es bei niedrigeren Temperaturen als diese beiden vorbekannten Typen von EDM-Drahtprodukten verarbeitet werden kann.
Bei den nachfolgenden Beispielen wurde der EDM-Draht mit einem Enddurchmesser von 0,25 mm und einer Anfangsgröße bei einer erläuterten Wärmebehandlung hergestellt. Drei der Proben hatten einen identischen Kern aus Messing (35% Zink, 65% Kupfer) in Alpha-Phase. Eine der Proben hatte einen Kern aus kupferplattiertem Stahl. Tabelle 1 zeigt die nachfolgend in den Beispielen 1-5 beschriebenen Proben. TABELLE 1

Beispiel Nr. 1

Proben 1 wurde durch Elektroplattieren einer dünnen (ungefähr 12,7 um (500 u inch)) ±5% Schicht aus Zink auf einen Drahtkern aus einer Messing-CDA-Legierung 270 mit einem Durchmesser von 1,30 mm hergestellt. Der Draht wurde in einem in einem Glühgefäß unter Umgebungsatmosphäre durchgeführten Batch-Verfahren diffusionsgeglüht. Die Glühtemperatur lag bei 177ºC (350ºF). Das Glühgefäß umfasste einen Atmosphärenzirkulationsantrieb und ein Gebläse, die während der Wärmebehandlung in Betrieb waren. Der Zeitraum, der erforderlich war, um das Gefäß auf Temperatur zu bringen, lag bei 1 bis 2 Stunden. Die Wärmebehandlung selbst wurde über 3 Stunden durchgeführt, nachdem das Gefäß die Glühtemperatur für einen Draht mit Durchmessern von 0,64 mm und 0,25 mm erreicht hat. Für größere Drahtdurchmesser ist die Glühzeit proportional länger. Bei einem Draht mit 1,33 mm war die Wärmebehandlungszeit 4 Stunden.
Der Temperaturbereich während der Wärmebehandlung kann zwischen 166ºC und 177ºC schwanken. Der Zweck der Wärmebehandlung liegt darin, Kupfer aus dem Kern in das Zinkbeschichtungsmaterial und Zink aus dem Beschichtungsmaterial in den Kupfer aufweisenden Kern zu diffundieren, um eine Legierungsbeschichtung aus Messing in γ-Phase zu erzeugen. Die Wärmebehandlungstemperatur war eine Glühtemperatur mit niedrigem Diffusionsgrad. Die Wärmebehandlungstemperatur ist vorzugsweise niedriger als der Schmelzpunkt von Zink. Der Zeitraum der Wärmebehandlung wurde so eingerichtet, dass das gesamte Zinkbeschichtungsmaterial in γ-Phase umgewandelt wird, aber nicht so lange, dass ein merklicher Anteil der γ- Phasen-Legierung in β-Phase umgewandelt wird. Da die Wärmebehandlungstemperatur verhältnismäßig niedrig war, ist es unwahrscheinlich, dass β-Phase gebildet wird, solange nicht eine erheblich längere Wärmebehandlungszeit gewählt wird.
Der wärmebehandelte Draht und das Glühgefäß werden normalerweise durch natürliche Wärmeleitung und/oder Konvektion abgekühlt, so dass der Draht gehandhabt werden kann. Üblicherweise werden zum Abkühlen nicht mehr als 1 oder 2 Stunden benötigt. Das Gefäß kann aber auch nach Abschluss der Wärmebehandlung bei der Wärmebehandlungstemperatur geleert werden. Nach dem Abkühlen wird der Draht zu seinem Enddurchmesser von 0,25 mm kaltgezogen. Der Draht kann direkt von der Ziehvorrichtung auf eine Ausliefertrommel aufgewickelt oder von einer Rückspulvorrichtung auf eine Ausliefertrommel rückgewickelt werden. Das Aussehen des sich ergebenden Drahtes kann Fig. 3-5 entnommen werden. Fig. 3 zeigt einen 520-fach vergrößerten Teilschnitt durch den Draht und zeigt deutlich die aufgebrochene Oberflächenbeschichtung aus γ-Material. Fig. 4 zeigt die tatsächliche Gestalt der Oberfläche bei 500-facher Vergrößerung und zeigt deutlich die Lücken oder Risse in der Oberfläche des Beschichtungsmaterials.
Es wurde ein Verfahren zum Berechnen eines Maßes für die Oberflächenbedeckung entwickelt. Wie am besten aus Fig. 7 ersichtlich können von einem auf dem Querschnitt einer EDM- Drahtprobe gelegenen Mittelpunkt Radien gezogen werden, und die Winkel, die einen Abschnitt des äußeren Umfanges des Drahtes, bei dem eine Lücke in der Oberflächenbeschichtung vorliegt, das heißt bei dem der Drahtkern freiliegt, können gemessen werden. Demnach stellt, wie in Fig. 7 dargestellt, der Winkel "a" eine Lücke in der Oberflächenbeschichtung dar. Entsprechend stellen die jeweiligen Winkel "b", "c" und "d" Lücken dar. Wenn alle diese Winkel für derartige Lücken in der Beschichtungen addiert und durch 360º dividiert werden, ergibt die sich ergebende, mit 100 multiplizierte Zahl ein Maß des Anteils der Drahtkernoberfläche, die im Querschnitt des Drahtes nicht durch eine Beschichtung bedeckt ist. Durch Abziehen dieser Zahl von 100 kann die Kernoberflächenbedeckung des EDM-Drahtes berechnet werden. Unter der Annahme, dass die Lücken gleichmäßig über die Oberfläche des Drahtes verteilt sind, gibt dies ein grobes Maß für die Kernoberflächenbedeckung des EDM-Drahtes. Die Gleichung für die Oberflächenbedeckung lautet bei Anwenden des Verfahrens von Fig. 8
Es ist selbstverständlich ohne weiteres ersichtlich, dass es sehr schwierig wäre, wenn die tatsächliche Oberflächenbedeckung berechnet werden müßte. Es müßte eine große Anzahl von Querschnitten in Betracht gezogen und das statistische Mittel berechnet werden. Zu Zwecken der Beschreibung der Erfindung werden wir das hierin offenbarte Verfahren verwenden.
Wie oben angegeben ist die theoretische Oberflächenbedeckung, die erreicht werden würde, wenn die vor dem Kaltziehen vorliegende Oberflächenbeschichtung des Drahtes nach dem Kaltziehen über den Oberflächenbereich des Drahtes umverteilt werden würde, erheblich kleiner als die tatsächliche Oberflächenbedeckung, die bei Berechnung gemäß diesem Verfahren erreicht wird.
Man würde erwarten, dass die Eigenschaften eines Drahtes mit einer Oberflächenbeschichtung, die diskontinuierlich ist und Lücken aufweist, unbefriedigend wäre. Mit Bezug auf Tabelle 2 können jedoch die mit den EDM-Drahtproben von Tabelle 1 durchgeführten Testergebnisse im Vergleich mit den mit einem Draht des Typs Cobracut ATM erzielten gesehen werden. Diese Tabelle zeigt die Ergebnisse, wenn ein Draht in einer Vorrichtung des Typs Agie 120 verwendet worden ist. TABELLE 2
* Cobracut A'TM ist ein kommerziell erhältlicher zinkbeschichteter EDM-Draht aus Messing, hergestellt von Berkenhoff GmbH in Heuchelheim, Deutschland
** gemessen mit Mituoyo Surftest Model 211
*** Leistungsparamater erhöht auf P = 27
Fig. 8 zeigt die Versuchsabträge, die an einem Werkstück 20 vorgenommen worden sind, um die in Tabelle 2 gezeigten Ergebnisse zu erhalten. Das Werkstück hatte eine Dicke von 42,5 mm und war aus einem Werkzeuglegierungsstahl des Typs D-2 aufgebaut. Der rauhe Grobabtrag 14 begann an einer Kante 15 des Werkstückes und wurde dann so durchgeführt, dass ein rechtwinkliger Weg auf dem Werkstück beschrieben worden ist. Der glättende Feinabtrag 16 begann an dem gleichen Punkt wie der Grobabtrag, folgte jedoch wie durch gestrichelte Linien dargestellt nur teilweise dem Weg des Grobabtrags.
Wie in Tabelle 1 gezeigt wiesen alle Drahtproben einen Durchmesser von 0,25 mm auf. Der vergleichbare Draht des Typs Cobracut ATM hatte ebenso einen Durchmesser von 0,25 mm.
Die Leistung (Parameter P) wurde auf den Wert 21 gesetzt, und die übrigen Einstellungen der Vorrichtung waren in Übereinstimmung mit der geeigneten sogenannten "CCA"-Technologie. Die Oberflächengüte ist angegeben in Ra pro u inch und ist sowohl für einen rauhen Grobabtrag als auch für einen einem rauhen Grobabtrag folgenden glättenden Feinabtrag angegeben. Das CCA-Verhältnis steht für das Verhältnis der mit der Drahtprobe gemäß der Erfindung erzielten Abtragsgeschwindigkeit im Verhältnis zu der mit einem Draht des Typs Cobracut ATM (CCA) erzielten Abtragsgeschwindigkeit. Somit ist in Tabelle 2 das CCA-Verhältnis für den Draht des Typs Cobracut ATM gleich 1,00, da der Draht identisch mit dem Draht des Typs Cobracut ATM ist und dadurch zu einem CCA-Verhältnis von 1,00 führt. Für die Probe 1 ist jedoch ersichtlich, dass das CCA-Verhältnis 1,16 ist, was bedeutet, dass bei der Probe 1, der Abtrag 1,16 mal schneller ist als bei Cobracut ATM. In ähnlicher Weise ist ersichtlich, dass die Oberflächengüte nach dem Grobabtrag für die Probe 1 geringfügig schlechter ist als für den Draht des Typs Cobracut ATM. Wenn jedoch dem Grobabtrag ein glättender Feinabtrag folgt, ist die Oberflächengüte im wesentlichen gleich zu der Oberflächengüte für Cobracut ATM, nämlich 118 dem Vergleich zu 115 für Cobracut ATM.

Beispiel Nr. 2

Der Kern des Drahtes der Probe 2 ist identisch zu dem Kern der Probe 1, nämlich Messing des Legierungstyps CDA 270 (Messing in α-Phase). Die Größe des Drahtes bei der Wärmebehandlung war jedoch 0,64 mm. Die Wärmebehandlung war ähnlich wie bei Probe 1. Die Endgröße des Drahtes ist identisch zu der von Probe 1, nämlich 0,25 mm. Die Testergebnisse zeigen, dass diese Probe im Vergleich zu Cobracut ATM wie die Probe 1 ein Abtragsgeschwindigkeitsverhältnis von 1,16 aufweist. Die theoretische Oberflächenbedeckung der Beschichtung war 39%. Die tatsächlich gemessene Oberflächenbeschichtungsbedeckung lag bei 58%. Die Oberflächenrauhigkeit des Abtrags ist der bei Cobracut ATM sowohl nach dem Grobabtrag als auch nach dem glättenden Feinabtrag sehr ähnlich.

Beispiel 3

Der Kern der Probe 3 wurde mit 30,5 um (1200 um inches) ±5% Zink bei einem Durchmesser von 1,30 mm elektroplattiert und vor der Wärmebehandlung auf eine Endgröße von 0,25 mm gezogen. Der Kern war auch hier eine Messinglegierung des Typs CDA 270. Die Wärmebehandlung war ähnlich zu der von Beispiel 1. Fig. 5 zeigt in ein Foto eines Querschnitts des fertiggestellten Drahtes in 270-facher Vergrößerung. Fig. 6 zeigt die Oberfläche in 500-facher Vergrößerung. Die in Fig. 6 gezeigten Unregelmäßigkeiten sind lediglich Verunreinigungen auf der Oberfläche des Drahtes, nicht jedoch Lücken oder Diskontinuitäten in der Beschichtung. Dies kann einem Vergleich mit Fig. 5 entnommen werden. Somit ist die gesamte Oberfläche des Drahtkernes mit einer Beschichtung ohne irgendwelche Lücken in der Beschichtung bedeckt. Die Ergebnisse der Abtragstests sind in Tabelle 2 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Probe 3 eine Abtragsgeschwindigkeit aufweist, die 18% besser ist als die des Drahtes des Typs Cobracut ATM. Weiterhin ist die Oberflächengüte des Grobabtrags geringfügig besser als die des Drahtes des Typs Cobracut ATM. Auch die Oberflächengüte des glättenden Feinabtrags ist besser als die des Drahtes des Typs Cobracut ATM.

Beispiel 4

Der Kern des Drahtes der Probe 4 besteht aus 40% leitfähigem kupferplattierten Stahl. Diese Probe ist bis auf die Zusammensetzung des Kernes identisch zu dem Draht der Probe 3. Der kupferplattierte Stahlkern wurde mit einem Durchmesser von 0,72 mm in der Glühumgebung angefahren. Er wurde mit einer Beschichtungsdicke von 0,03 mm ± 5% bei Anfahrgröße zinkplattiert und auf einen Durchmesser von 0,25 mm kaltgezogen, bei dem er in einer zu der Probe 3 ähnlichen Art und Weise über drei Stunden bei 177ºC (350ºF) wärmebehandelt worden ist. Die Ergebnisse der Eigenschaftstests sind in Tabelle 2 dargestellt. Da der Kern der Probe 4 kupferplattierter Stahl war, war es möglich, den Leistungsparameter der Vorrichtung des Typs Agie 120 von P = 21 auf P = 27 zu setzen, wobei aufgrund der hohen Bruchfestigkeit des vollständig karbonisierten Stahlkernes keine Drahtbrüche erfolgt sind. Bei der aggressiveren Leistungseinstellung von P = 27 war die Metallabtragsrate während des Grobabtrags drastisch erhöht und führte zu einem CCA-Verhältnis von 1,36, das heißt der Abtrag bei der Probe 4 war 36% schneller als bei Cobracut ATM, einem Zink plattierten EDM- Draht aus Messing. Die Oberflächengüte nach einem einzigen glättenden Feinabtragsdurchlauf entsprach der des Musters des Typs Cobracut ATM, obwohl die Oberflächengüte nach dem Grobabtrag schlechter war als die, die sich bei dem Muster des Typs Cobracut ATM ergeben hat.

Beispiel 5

Eine mit Probe 5 bezeichnete Probe wurde in genau der gleichen Art und Weise wie die Probe 2 präpariert, außer dass sie über 8 Stunden bei einem Zwischendurchmesser von 0,64 mm bei 399ºC (750ºF) wärmebehandelt worden ist. Die Wärmebehandlung bei der höheren Temperatur über einen längeren Zeitraum wandelte die Beschichtung im Gegensatz zu der Messingbeschichtung in γ-Phase der Probe 2 zu Messing in β-Phase um. Die Drähte gemäß Probe 2 und Probe 5 wurden dann in einer zu der von Tabelle 2 ähnlichen Art und Weise getestet, außer dass die EDM-Vorrichtung ein Model 290 Charmilles war, die mit einer standardmäßigen Schichttechnologie für Drähte mit 0,25 mm Durchmesser betrieben worden ist. Das Testmuster hatte eine Dicke von 34,9 um und war aus einem Legierungsstahl des Typs 4140 AISI gebildet. Die Ergebnisse dieses Tests sind in Tabelle 3 dargestellt.

TABELLE 3

Probe Nr. Abtragsgeschwindigkeit (mm/min)
2 4,71
5 4,09
Es ist ersichtlich, dass die Probe 2 mit der Beschichtung in γ- Phase eine Abtragsgeschwindigkeit aufweist, die um 15% besser ist als die einer ähnlichen Probe mit einer Beschichtung in β- Phase (Probe 5) bei der gleichen Beschichtungsdicke.
Zusammenfassend zeigen die Testergebnisse der Tabelle 2, dass eine Messingbeschichtung in γ-Phase, entweder eine Teilbeschichtung oder eine Vollbeschichtung, bei Drähten mit einem identischen Kern die Abtragsgeschwindigkeit um 16% bis 18% und um 36% bei einem Draht mit einem Kern mit einer höheren Bruchfestigkeit verbessert. Die Testergebnisse der Tabelle 3 zeigen, dass eine Messingbeschichtung in γ-Phase die Abtragsgeschwindigkeit um 15% im Vergleich zu der bei einer Messingbeschichtung in β-Phase auf dem gleichen Drahtkern verbessert. Da eine Verbesserung um 10% als bedeutsam anzusehen ist, sind dies erhebliche Verbesserungen in den Abtragsgeschwindigkeiten. Anstatt einen Abtrag bei einer höheren Geschwindigkeit durchzuführen, kann der Anwender auch entscheiden, die Leistung "herunterzufahren" und einen Abtrag bei einer niedrigeren Geschwindigkeit durchzuführen und dadurch eine bessere Oberflächengüte als bei einem herkömmlichen EDM-Draht zu erzielen. Somit kann der Anwender auf die folgenden Art und Weisen Vorteile erzielen: 1) Verringerung des Zeitraums zum Durchführen eines Grobabtrags, 2) Grobabtrag bei der gleichen Geschwindigkeit wie bei einem herkömmlichen EDM-Draht allerdings unter Ausführen von weniger glättenden Feinabträgen, um die gleiche Oberflächengüte wie bei einem herkömmlichen EDM-Draht zu erhalten, 3) Grobabtrag bei der gleichen Geschwindigkeit wie bei einem herkömmlichen EDM- Draht und Durchführen der gleichen Anzahl von glättenden Feinabträgen zum Erhalt einer besseren Oberflächengüte.
Die vorangehenden Beispiele beschreiben die Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierungsbeschichtung in γ-Phase. Alternativ kann eine Nickel-Zink-Beschichtung in γ-Phase verwendet werden. Eine derartige Beschichtung hätte die weiteren Vorteile eines höheren Zinkgehaltes und damit eines besseren fluidmechanischen Entfernens sowie eines höheren Schmelzpunktes, so dass das Zink länger zurückgehalten werden würde. US- Patent Nr. 4,640,747 beschreibt ein Verfahren zum Erhalt einer Mischung von Nickel und Zink in einem Verhältnis von 80% Zink zu 20% Nickel. Die Wärmebehandlung einer derartigen innigen, sich aus einer gemeinsamen Ablagerung bei einer dem Zink- Kupfer-Diffusionsglühen bei 177ºC (350ºF) entsprechenden Temperatur ergebenden Mischung wandelt die vorgenannte Mischung zu einer Nickel-Zink-Legierung in γ-Phase um.
Fig. 9 und 10 zeigen eine Analyse des Zinkgehaltes für die in den Tabellen 1 und 2 enthaltenen Proben 3 und 4. Fig. 9 kann entnommen werden, dass beginnend mit der äußeren Oberfläche des Drahtes und radial nach innen fortschreitend der Zinkgehalt bei etwa 85% beginnt und dann bei einer Tiefe von etwa 0,003 mm auf 68% abfällt. Der Zinkgehalt bleibt im wesentlichen auf diesem Niveau, bis bei einer Tiefe von 0,012 mm der Zinkgehalt nochmals auf eine Niveau von etwa 32% abnimmt, auf dem er bleibt. Es ist somit ersichtlich, dass zwei (2) Phasenschichten einer Legierung in der Beschichtung vorhanden sind. Die erste Phasenschicht umfasst eine verbleibende Legierung in &epsi;-Phase mit 85% an Zinkgehalt. Die zweite Phasenschicht, die in der Beschichtung vorhanden ist, ist eine Legierung in γ-Phase mit einem Zinkgehalt von 68%. Der Kern selbst beginnt bei einer Tiefe von etwa 0,012 mm von der äußeren Oberfläche und umfasst eine Legierung in α-Phase mit nominal 35% Zink. Der kleine Gehalt von Legierung in &epsi;-Phase wird bei diesem Muster aufgrund des hohen Niveaus des Zinkgehaltes in dem Kern zurückgehalten. Das Zink in dem Kern erniedrigt die Antriebskraft für die Diffusion und führt daher dazu, dass etwas Material in &epsi;-Phase zurückgehalten wird. Ein Erhöhen der Glühtemperatur könnte in einem gewissen Umfang das verbleibende Material in &epsi;-Phase beseitigen, falls dies gewünscht ist, obwohl dessen hoher Zinkgehalt sicherlich nicht störend ist.
Es ist weiterhin ersichtlich, dass es keine allmähliche oder minimale Verringerung oder Gefälle in dem Zinkgehalt von der äußeren Oberfläche des EDM-Drahtes zu dem Kern gibt. Fig. 9 zeigt vielmehr, dass der Zinkgehalt einer Stufenfunktion mit Diskontinuitäten zwischen den verschiedenen Phasen der Legierung folgt, was eindeutig verschiedene Phasenschichten belegt. Dies wird noch deutlicher in Fig. 10 gezeigt, bei der der Zinkgehalt der Beschichtung an der Oberfläche im wesentlichen gleichbleibend bei 65% ist und im Kern auf 0% abfällt. Da der Kern der Probe 4 kupferplattierter Stahl ist und kein Zink enthält, ist die Antriebskraft für die Diffusion höher und es wird kein Legierungsmaterial in &epsi;-Phase zurückbleiben. Somit besteht die gesamte Beschichtung der Probe 4 aus Material in γ-Phase. Es ist offensichtlich, dass in keiner der Proben 3 und 4 irgendeine Legierung in β-Phase (45% Zink) in der Beschichtung vorhanden ist.
Der Kern kann aus irgendeinem geeigneten Metall oder Metallen sein, die die gewünschten mechanischen und elektrischen Eigenschaften aufweisen.
Ein Vorteil des Kaltziehens nach dem Diffusionsglühen liegt darin, dass es dazu neigt, den Draht steifer und ausreichend glatter gerader zu machen, auch wenn die Oberflächenbedeckung des Beschichtungsmaterials in γ-Phase weniger als 100% ist. Dies ist wichtig, da eine erhebliche Anzahl von in der Industrie vorhandenen Draht-EDM-Vorrichtungen mit "Selbsteinfädel"-Einrichtungen ausgestattet sind, um einen aufsichtsfreien Betrieb der Vorrichtungen rund um die Uhr zu gestatten. Viele "Selbsteinfädel"-Einrichtungen arbeiten mit einem steifen und glatten geraden Draht sehr viel zuverlässiger. Typischerweise versuchen diese "Selbsteinfädel"-Einrichtungen, die Vorrichtung vier bis sechs Mal wieder einzufädeln, bevor sie zu dem nächsten Arbeitsschritt gehen oder vollständig abschalten. Auch die geringsten Krümmungen in dem Draht können bei einer "Selbsteinfädel"-Einrichtung verursachen, hintereinander sechs bis zehn Mal mit der Folge eines Abschaltens und des Verlustes wertvoller Produktivität eine Fehlfunktion zu, bis sich eine Aufsichtsperson der Sache annimmt.
Obwohl es wünschenswert wäre, eine Oberflächenbedeckung von 100% zu haben, zeigen die Testergebnisse, dass dies für gute Betriebseigenschaften des sich ergebenden EDM-Drahtes nicht erforderlich ist. Es hat sich herausgestellt, dass gute Ergebnisse mit einer Oberflächenbedeckung von weniger als 100%, beispielsweise mit 58% tatsächlicher Oberflächenbedeckung entsprechend des vorangehend erläuterten Berechnungsverfahrens, gute Ergebnisse erzielt werden können.
Die relative Zugfestigkeit (Erosionswiderstand) einer Oberflächenschicht wird sowohl durch die Einfachheit, mit der die Schicht sublimiert (verdampft), als auch die Größe ihres Schmelzpunktes beeinflusst. Metalle und Legierungen, die einfach verdampfen, neigen zur Erosion, da Verdampfung ein Mechanismus des Massentransportes ist. Metalle und Legierungen mit einem niedrigen Schmelzpunkt neigen auch zur Erosion, da sie einfach aufgeweicht, verformt und durch mechanische oder hydraulische Kräfte entfernt werden können. Beim kritischen Begutachten der fluidmechanischen Entfernbarkeit wünscht man ausreichende Zugfestigkeit (Erosionswiderstand), um den Erosionsvorgang zu überstehen, da die Einfachheit der Sublimation die Zugfestigkeit herabsetzt, während sie die fluidmechanische Entfernbarkeit erhöht. Somit wünscht man sich, dass die aktive Oberfläche einer EDM-Drahtelektrode eine niedrige volumenbezogene Sublimationswärme kombiniert mit einem verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt hat.
Der Erfolg von Messinglegierungen mit einem hohen Zinkgehalt als Hochleistungsbeschichtungen für EDM-Drähte könnte zu der Annahme führen, dass sowohl die niedrige Sublimationswärme als auch ein verhältnismäßig hoher Schmelzpunkt der Legierungen die am meisten gewünschten Eigenschaften wären. Legierungen mit einem hohen Zinkgehalt weisen eine niedrige Sublimationswärme, die das fluidmechanische Entfernen erleichtert, und einen verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt auf, der ein Aufweichen oder Schmelzen erschwert, so dass die Beschichtung von einer übermäßigen Erosion bewahrt wird, um sie während des gesamten Erosionsvorganges von dem Anfang der Lücke bis zum Boden verfügbar zu halten. Verschiedene Messinglegierungen, nämlich Messing in β-, γ- und &epsi;-Phase, erfüllen diese Bedingungen, da ihre Schmelzpunkte typischerweise im Bereich von 880ºC bis 550ºC liegen, während ihre Zinkgehalte typischerweise im Bereich zwischen 45% bis 83% Zink liegen. Bedauerlicherweise ist die &epsi;-Phase sehr instabil und neigt thermodynamisch dazu, sich in γ-Phase umzuwandeln, und sie ist daher schwierig zurückzuhalten, auch wenn ihr hoher Zinkgehalt wünschenswert ist. Allerdings haben Nickel-Zink-Legierungen ähnliche, wenn nicht gar höhere Schmelzpunkte, und die γ- Phase von Nickel-Zink-Legierungen kann bei bis zu 85% Zink liegen. Nickel-Zink-Legierungen sind als Beschichtungsmaterialien grundsätzlich noch attraktiver als Messinglegierungen. Die γ- Phase des Legierungssystems Zink/Nickel ist in seinen physikalischen Eigenschaften der γ-Phase des Legierungssystems Zink/Kupfer mit der bemerkenswerte Ausnahme sehr ähnlich, dass es einen merklich höheren Zinkgehalt aufweist. Beispielsweise hat eine Zink/Nickel-Legierung in γ-Phase mit 80% Zink/20% Nickel einen Schmelzpunkt von etwa 870ºC im Vergleich zu einem Schmelzpunkt von etwa 800ºC einer Legierung von 65% Zink/35% Kupfer in γ-Phase. Der höhere Zinkgehalt der Zink/Nickel-Legierung im Vergleich zu der Zink/Kupfer-Legierung erzwingt eine niedrigere volumenbezogene Sublimationswärme und eine deutlich verbesserte fluidmechanische Entfernbarkeit.
Die Zink-, Kupfer-Zink- und Nickel-Zink-Metall- oder -Metalllegierungssysteme sind jedoch nicht die einzigen Systeme, die das Erfordernis einer verhältnismäßig niedrigen volumenbezogene Sublimationswärme kombiniert mit einem verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt erfüllen. Tabelle 4 gibt weitere Metalle an, in die eine niedrige volumenbezogene Sublimationswärme aufweisen, und führt als Vergleich auch deren Schmelzpunkt auf. TABELLE 4
* wie berechnet nach Smithell's Metal Reference Book, (fünfte Auflage) 1976
Wie zu erwarten ist, sind diejenigen metallischen Elemente, nämlich Kadmium, Wismut, Blei, Zink und Zinn, die in dem Stand der Technik genannt sind, hervorgehoben aufgeführt. Allerdings wurde von diesen metallischen Elementen lediglich Zink als von praktischen Wert befunden, und Zink ist nur dann von praktischem Wert, wenn es als eine dünne Beschichtung verwendet wird, da dickere Beschichtungen zu leicht erodieren. Der Grund hierfür liegt in dem verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt von Zink. Die anderen, in dem Stand der Technik angegebenen Metalle haben Schmelzpunkte, die deutlich niedriger als von Zink sind, bis auf Zinn, das einen Schmelzpunkt hat, der in etwa gleich dem von Zink ist. Allerdings ist Zinn aufgrund seiner hohen Kosten kein attraktiver Kandidat für eine EDM- Beschichtung. Der Stand der Technik gibt den Wert zur Legierung von Zink mit Kupfer zum Bilden von Messing in β-Phase an, schlägt jedoch vor, dass lediglich die Messinglegierung in β- Phase die bevorzugte Beschichtung zur Erosionswiderstandsfähigkeit ist. In der Tat hat Messing in β-Phase eine höhere Erosionswiderstandsfähigkeit als Messing in γ-Phase, da deren Schmelzpunkt (880ºC) höher ist als der von Messing in γ-Phase (880ºC), aber der Schmelzpunkt von Messing in γ-Phase ist immer noch verhältnismäßig hoch, jedenfalls hoch genug, um eine entsprechende Erosionswiderstandsfähigkeit aufzuweisen. Der merklich höhere Zinkgehalt von Messing in γ-Phase schafft einen EDM-Draht mit einer derartigen Beschichtung, dass effizienter als mit einem EDM-Draht mit einer Beschichtung von Messing in β-Phase, wie durch die Testergebnisse der Proben 2 und 5 dargestellt, abgetragen werden kann. Somit kann erwartet werden, dass eine Nickel-Zink-Legierungsbeschichtung in γ- Phase mit 80% Zink und einem Schmelzpunkt von 870ºC sich als noch effizienter darstellt. Andere metallische Systeme stellen diese Kombination einer verhältnismäßig niedrigen volumenbezogenen Sublimationswärme (< 35 KJ/cm³) und einen verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt (≥550ºC) auch bereit. Beispielsweise erfüllen sowohl Aluminium als auch Magnesium dieses Kriterium, und es kann erwartet werden, dass sie zu in hohem Maße effizienten leistungsfähigen EDM-Drahtbeschichtungen führen, wenn sie in Verbindung mit einem Drahtkern mit den geeigneten metallurgischen Eigenschaften angewendet werden. Es ist bekannt, dass sowohl Aluminium- als auch Magnesiumwerkstücke durch das Draht-EDM-Verfahren mit hohen Metallabtragsraten bearbeitet werden können. Dies ist darin begründet, dass die gleichen Eigenschaften, die ein effizientes fluidmechanisches Entfernen von Drahtrückständen fördern, auch für ein effizientes fluidmechanisches Entfernen von Werkstückrückständen förderlich sind. Es folgt daher, dass ein gutes Beschichtungssystem zu einem Werkstück bereitgestellt wird, das mit hohen Metallabtragsraten (Geschwindigkeit) bearbeitet werden kann oder umgekehrt.

Claims

1. Elektrodendraht zur Verwendung in einer Vorrichtung für elektroerosive Bearbeitung, wobei der Draht einen Kern (13) mit einem Metall oder einer Legierung eines Metalls und eine auf den Kern (13) aufgebrachte Beschichtung (12) aufweist, wobei die Beschichtung (12) eine Legierung eines zweiten Metalls aufweist, die das zweite Metall zu mehr als 50% pro Gewichtseinheit aufweist, wobei das zweite Metall eine volumenbezogene Sublimationswärme von weniger als 50 Kilojoules pro Kubikzentimeter aufweist, wobei die Beschichtung (12) einen Schmelzpunkt von 550ºC oder höher hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) über Diskontinuitäten verfügt, wobei der Kern (13) bei diesen Diskontinuitäten nicht mit der Beschichtung (12) bedeckt ist und die Beschichtung (12) weniger als 100% der Oberfläche des Kernes (13) bedeckt.

2. Elektrodendraht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine Kupfer-Zink-Legierung aufweist.

3. Elektrodendraht nach Anspruch 1 oder 2, dass der Kern (13) kupferplattierten Stahl aufweist.

4. Elektrodendraht nach Ansprüch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (13) Messing aufweist.

5. Elektrodendraht nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messing Zink im Bereich von 5% bis 40% pro Gewichtseinheit aufweist.

6. Elektrodendraht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch kennzeichnet, dass das zweite Metall aus der Gruppe bestehend aus Zink, Magnesium und Aluminium ausgewählt ist.

7. Elektrodendraht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung des zweiten Metalles einen Zinkgehalt zwischen 58% und 67% aufweist.

8. Elektrodendraht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) im wesentlichen aus einer Legierung in γ-Phase besteht.

9. Elektrodendraht nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupfer-Zink-Legierung einen Zinkgehalt von mehr als 50% pro Gewichtseinheit aufweist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Elektrodendrahtes zur elektroerosiven Bearbeitung, wobei das Verfahren die Schritte des

Bereitstellens eines Metallkernes (13) mit einem ersten Metall oder einer Legierung eines ersten Metalles,

Beschichtens (10) des Kernes mit Zink, wobei das Zink eine niedrige volumenbezogene Sublimationswärme aufweist,

Erwärmens des beschichteten Kernes (13) zum Bilden einer Legierung in γ-Phase in der Beschichtung (10, 12),

Kühlens des Drahtes (12, 13) und

Ziehens des sich ergebenden Drahtes (12, 13) auf einen verringerten Enddurchmesser aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erwärmens das Erwärmen des Drahtes (10, 12, 13) für 1 Stunde bis 4 Stunden in dem Bereich von 150ºC bis 400ºC umfasst.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturbereich während der Wärmebehandlung zwischen 166ºC und 177ºC liegt.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 10 oder 11, bei dem das erste Metall Kupfer, eine Kupferlegierung oder eine Messinglegierung ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-12, bei dem der Schritt des Beschichtens Elektroplattieren umfasst.