JP6817463B2 - Ｍｇ黄銅ＥＤＭワイヤを製造するための方法 - Google Patents

Description

本明細書において述べられる発明は、ワイヤ製造の分野に属するものである。

背景

マグネシウム（Mg）を黄銅に加えることで、放電加工（EDM）用のワイヤに形成した場合に性能が向上する合金を得ることができることが分かっている。黄銅は、５重量％から50重量％の範囲の亜鉛（Zn）濃度を有し得る。マグネシウムの好適な追加量は、0.02重量％から５重量％の範囲であり得る。合金の残余は、銅（Cu）と不可避の不純物である。残余中の銅の濃度は、45重量％から95重量％の範囲となり得る。この範囲の組成を有する合金を「マグネシウム黄銅」又は「Mg黄銅」ということとする。

純正の黄銅EDMワイヤを作製するように設計された従来の連続鋳造システム及び方法を用いてMg黄銅EDMワイヤを製造することは難しい。Mgは、溶融した際に合金から分離する傾向がある。鋳造型に堆積物が形成される傾向がある。ワイヤ自体は、巻き付けてEDMに好適な細ワイヤに抜くことがより難しい傾向にある。EDMワイヤは、典型的には、0.1mmから0.3mmの範囲の直径を有している。異なる用途に対してはこれよりも大きい直径又はこれよりも小さい直径が好適な場合もある。したがって、Mg黄銅EDMワイヤを作製するための改良システム及び方法に対する需要がある。

概要

本発明の概要は、本発明を理解するためのガイドとなるものである。本発明の概要は、最も包括的な実施形態を必ずしも述べるものではない。

図１は、Mg黄銅EDMワイヤを作製するための改良システム100の模式図である。このシステムは、
ａ）溶解炉110であって、
ｉ．加熱部102と、
ii．カバー104と、
iii．前記溶解炉から空気をパージするように適合された不活性ガス源106と、
iv．ミキサ108と
を備える溶解炉110と、
ｂ）保持炉130であって、
ｉ．本体122と、
ii．カバー124と、
iii．前記保持炉から空気をパージするように適合された不活性ガス源126と、
iv．鋳造型132と
を備える保持炉130と、
ｃ）焼なまし炉150であって、
ｉ．加熱部142と、
ii．前記焼なまし炉から空気をパージするように適合された不活性ガス源144と
を備える焼なまし炉150と、
ｄ）１以上の引抜き型170と
を備え、
前記システムは、
ｅ）銅と亜鉛のバルク供給物を前記溶解炉に追加し（112）、
ｆ）マグネシウムの添加供給物を前記溶解炉に追加し（114）、
ｇ）Mg黄銅溶融物を形成するまで前記バルク供給物及び前記添加供給物を加熱し、
ｈ）前記溶融物を前記ミキサで撹拌し（101）、
ｉ）前記Mg黄銅溶融物を前記保持炉に移送するために前記溶解炉を引き抜き（131）、
ｊ）前記鋳造型を介して前記Mg黄銅溶融物を鋳造して前記Mg黄銅からなる中実ロッド141を形成し、
ｋ）前記ロッドを前記焼なまし炉で焼きなまし、
ｌ）前記焼きなましたロッドを前記１以上の引抜き型で抜いて前記Mg黄銅EDMワイヤ161を形成する
ステップによってMg黄銅EDMワイヤを製造するように適合されている。

図１は、Mg黄銅EDMワイヤを作製するための改良システム及び方法の模式図である。 図２は、鋳造型からMgを含む堆積物を除去し、前記堆積物を次のMg黄銅溶融物にリサイクルするためのシステム及び方法の模式図である。

この詳細な説明は、限定されることのない例示的な実施形態を説明するものである。少なくとも本明細書において述べられる利点に関しては異なる用途における要求に応じて個々の特徴を他の特徴と組み合わせることができる。本明細書で使用される場合には、「約・ほぼ」という用語は、特に他の言及がない限り、与えられた値のプラスマイナス10％を意味する。本明細書で使用される場合には、「実質的に」という用語は、特に他の言及がない限り、所望の値の90％以上を意味する。

この特許文書の開示の一部は、著作権の権利主張がなされている題材を含んでいる。著作権者は、特許商標庁のファイル又は記録にある特許文書又は特許開示の第三者によるファクシミリでの複製に対して異議を申し立てないが、その他の著作権の権利を留保する。

本明細書で使用される場合には、「形状の」という用語は、その形状の純粋な形状から少々の変化があるとしても全体の外観としてその形状を有することを意味する。

本明細書で使用される場合には、形状に関する「概して」という用語は、一般的な看者が、その形状から多少の変化があるとしても対象物がその形状を有すると認識することを意味する。

本明細書で使用される場合には、「上」、「下」、「上部」、「底部」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「遠位」及び「近位」などの相対的な方位を示す用語は、対象物の初期の状態に関して定義されるものであり、その対象物がその後に別の向きで表されていても、特に他の言及がない限り、対象物の同じ部分を指し続けるものである。

再び図１を参照すると、バルク供給物112は、すべての供給物の５重量％から50重量％が亜鉛であるような銅と亜鉛の混合物を含み得る。すべての供給物は、バルク供給物に添加供給物を加えたものである。あるいは、亜鉛は、すべての供給物の30重量％から40重量％の範囲であってもよい。あるいは、亜鉛は、すべての供給物の約35重量％であってもよい。

添加供給物は、銅又は黄銅の容器内のマグネシウムの供給物を含んでいてもよい。マグネシウムの供給物は、すべての供給物の0.02重量％から５重量％の範囲であり得る。マグネシウムの供給物は、すべての供給物の0.05重量％から0.5重量％の範囲であり得る。マグネシウムの供給物は、すべての供給物の約0.1重量％であってもよい。バルク供給物を最初に溶解炉に添加し、その後溶融させてもよい。バルク供給物を溶融させた後に添加供給物を添加してもよい。

ミキサは、溶融物からのMgの分離を低減するために、溶融されたバルク供給物に添加供給物が添加された後に溶融物を撹拌してもよい。図１に示されるパドルミキサ109のような任意の手段により混合を行うことができる。あるいは、任意の機械ミキサ、任意のガスミキサ（例えばバブラ）、又は任意の誘導ミキサ（例えば、溶融物と、溶解炉の近傍にある、あるいは溶融炉と一体になった誘導コイルとの間の電磁結合）により、又はこれらとの組み合わせにより混合を行ってもよい。

溶解炉上にカバー104を配置してもよく、溶解炉のカバーの下方の空間を不活性ガスでパージしてもよい。本明細書で使用される場合には、「不活性ガス」は、空気の酸素濃度よりも低い酸素濃度を有する任意の気体混合物である。例えば、メンブレン窒素生成器により生成された１体積％の酸素と窒素との混合物は不活性であると考えられる。不活性ガスは、水素又は一酸化炭素のような還元ガスを含んでいてもよい。

添加供給物及びバルク供給物を溶融した後、溶解炉を抜いてもよく（131）、溶融物を保持炉130に移送してもよい。保持炉は、加熱され得る本体122を含んでいてもよい。保持炉は、カバー124及び不活性ガス源126をさらに含んでいてもよい。保持炉用の不活性ガスは、溶解炉用の不活性ガスと同じ組成であってもよいし、同じ組成でなくてもよい。例えば、溶解炉用の不活性ガスはアルゴンであり、保持炉用の不活性ガスは窒素であってもよい。

保持炉は、１以上の通気口128及び鋳造型132をさらに含んでいてもよい。保持炉は、保持炉が空になったときに傾斜して鋳造型で一定のヘッド圧力が得られるようにチルト機構138をさらに含んでいてもよい。保持炉が空になると、新しいバルク供給物及び添加供給物を溶解炉に追加し、これを溶融して新しい溶融物を作製してもよい。保持炉が空になる前に、新しい溶融物を保持炉に移送して鋳造プロセスが連続的に稼働されるようにしてもよい。チルト機構は、鋳造型でのヘッド圧力が一定となるように調整してもよい。

ロッド141を鋳造した後、これをインライン焼なまし炉に直接供給してもよい。この焼なまし炉を不活性ガスでパージしてもよい。焼なまし炉用の不活性ガスは、溶解炉又は保持炉用の不活性ガスと異なっていてもよい。焼なまし炉用の不活性ガスは、例えば、窒素と約１体積％の水素を含み得る。

あるいは、ロッドを鋳造した後に巻き付けてもよい。その後、巻き付けたロッドをベル炉のようなバッチ焼なまし炉に供給してもよい。ロッドを巻き付けることにより、後でワイヤ引きできるようにロッドを保管することが可能となる。

ロッドを焼なましした後、１以上の引抜き型170を通過させてMg黄銅EDMワイヤ161を形成してもよい。このシステムは、次第に径が小さくなる複数の引抜き型を含んでいてもよい。前記焼なまししたロッドを抜くステップは、前記ロッドを前記複数の引抜き型のそれぞれで再度抜くステップ（163）を含み得る。前記焼なまししたロッドを抜くステップは、前記複数の引抜き型のうち１以上の引抜き型で抜いた後に前記ロッドを再度焼なますステップ（165）をさらに含み得る。例えば、ロッドを２つの引抜き型で抜いた後に再度焼なましてもよい。この再度の焼なましは、鋳造ロッド141を焼なますために最初に使用した焼なまし炉150とは異なる焼なまし炉（図示せず）内で行ってもよい。この異なる焼なまし炉は、バッチ炉（例えばベル炉）又はインライン炉（例えば二重開放端炉）であってもよい。

Mg黄銅ワイヤが所望の最終径に達したら、これを巻き付けて出荷してもよい。

保持炉からの堆積物のフラッシング
保持炉からMg黄銅を鋳造する場合、通気口及び鋳造型のそれぞれの周囲に堆積物134，136が形成され得ることが実験により分かっている。これらの堆積物はマグネシウムを含み得る。

図２は、将来のMg黄銅溶融物に関してMg堆積物を除去してリサイクルするためのシステム及び方法（200）の模式図である。驚くべきことに、堆積物は、
ａ）Mg黄銅溶融物をロッドに鋳造した後、フラッシング金属からなる第２のバルク供給物212を溶解炉110に追加し、前記フラッシング金属は、鋳造型及び／又は通気口上に形成されていた可能性のある堆積物を溶解可能であり、
ｂ）前記第２のバルク供給物を加熱してフラッシング金属からなる溶融物を形成し、
ｃ）前記フラッシング金属からなる溶融物を前記保持炉130に移送し（231）、
ｄ）前記鋳造型及び／又は前記通気口上に形成されていた可能性のある前記堆積物が除去され（234，236）、前記フラッシング溶融物に溶けるように、前記鋳造型132を介して前記フラッシング溶融物からフラッシング金属からなるロッド241を鋳造する
ステップによって除去できることが分かっている。
前記ロットをコイル204に形成してもよい。

フラッシング金属は、前記Mg黄銅ワイヤ内にほぼ所望の濃度で銅及び亜鉛を実質的に含む黄銅であってもよい。その後、コイルを前記溶解炉に戻して（202）、第２のMg黄銅溶融物のために溶融させてもよい。所望のMg濃度を実現するために、前記フラッシング金属の組成を測定し、追加のMgを溶融物に加えてもよい。次に、第２のMg黄銅溶融物を保持炉に移送し、第２のMg黄銅ロッドを鋳造してもよい。そして、第２のMg黄銅ロッドを１以上の引抜き型で抜いて大量の第２のMg黄銅EDMワイヤを形成してもよい。

代替的な実施形態においては、フラッシング金属として純銅が使用される。フラッシングロッドを溶解炉にリサイクルする際に、亜鉛とMgの両方を加えて第２のMg黄銅溶融物を作ってもよい。

他の代替的な実施形態においては、フラッシング溶融物は、Mg堆積物を溶かす任意の金属を含み得る。

鋳造型
鋳造型は、グラファイト又は他の任意の好適な材料から形成されていてもよい。黄銅ロッドを鋳造するのに好適なグラファイトダイは、Mg黄銅を鋳造するために使用すると急速に摩耗する場合があることが実験により分かっている。驚くべきことに、グラファイトダイをコーティングすると、ダイの寿命が実質的に延びることが分かっている。好適なコーティングとしては、フェノール樹脂及びリンが挙げられる。

コーティング済ワイヤ
続いてMg黄銅EDMワイヤをコーティングしてもよい。好適なコーティングは、銅、亜鉛、及びその合金である。Mg黄銅EDMワイヤをZnでコーティングした場合には、これを続いて焼きなましてガンマ又はイプシロン黄銅コーティングを形成してもよい。コーティング済ワイヤ及び未コーティングワイヤのいずれも、ワイヤ破断までカッティング速度を増加させるフィードバック制御を用いるEDM装置で用いるのに好適である。その後、EDM装置は、カッティング速度を少し低い値に設定する。また、これらのワイヤは、自動スレッディングを用いるEDM装置で用いるのにも好適である。Mg黄銅ワイヤは従来の黄銅ワイヤよりも確実に自動スレッドを行えることが実験により分かっている。

黄銅供給物を溶解炉で溶融させた。銅含有量は約64.5重量％であった。溶融物の残余は、亜鉛と不可避の不純物であった。したがって、亜鉛含有量は約35.5重量％であった。これは、ほぼ所望の亜鉛濃度である35重量％であった。熱源にMgを加えてMg含有量を約0.1重量％にした。これにより、第１のMg黄銅溶融物が作製された。第１の溶融物は、保持炉に移送され、第１のMg黄銅ロッドに鋳造した。第１のMg黄銅ロッドを焼きなまして抜き出して直径約0.25mmの第１のMg黄銅EDMワイヤを作製した。

第１のMg黄銅溶融物を鋳造した後、保持炉の通気口及び鋳造型上に堆積物が観察された。溶解炉にフラッシング金属の供給物を加えて溶融させてフラッシング金属からなる溶融物を形成した。フラッシング金属は、第１のMg黄銅溶融物と同一の銅含有量及び亜鉛含有量を有していた。フラッシング溶融物は保持炉に移送され、フラッシングロッドが鋳造された。通気口及び鋳造型の両方の堆積物はフラッシング溶融物に溶けた。

自動スレッディングを用いるEDMカッティング装置内にユーザが第１のMg黄銅EDMワイヤを配置した。通常の黄銅ワイヤに比べて、Mg黄銅EDMワイヤは20％速く切断し、破断が少なく、一貫して確実な自動スレッディングを行うことができた。本説明に拘束されることを望まないが、より良い自動スレッディングは、約35重量％のレベルの亜鉛濃度を有することに関連している可能性がある。これは、Mgのない黄銅合金において純粋なアルファ相黄銅を得ることができる上限に近い。Mgを加えると、これにより、ワイヤがより堅くなる特性変化が生じ、より一貫した自動スレッディングを行い得る。

また、EDMカッティング装置内で切断された金属部分は、マグネシウムを添加しなかった黄銅EDMワイヤで同じ金属を切断したときと比べてより滑らかな仕上げとなったことも観察された。また、通常の黄銅EDMワイヤに比べてEDM装置の水浴内に形成された堆積物が少なかったことも観察された。

実施例１に続けて、フラッシングロッドを鋳造した後、フラッシングロッドを溶解炉に戻し、溶融させた。Mg含有量を測定し、十分なMgを追加してMg含有量をほぼ所望の濃度である0.1重量％として第２のMg黄銅溶融物を作製した。その後、第２の溶融物を保持炉に移送し、第２のMg黄銅ロッドに鋳造した。そして、このロッドを焼きなまして１以上の引抜き型で抜いて第２のMg黄銅EDMワイヤを形成した。Mg黄銅EDMワイヤの直径は約0.25mmであった。これは、0.1から0.3mmの所望の範囲内にあった。

自動スレッディングを用いるEDMカッティング装置内にユーザが第２のMg黄銅EDMワイヤを配置した。通常の黄銅ワイヤに比べて、第２のMg黄銅EDMワイヤは20％速く切断し、破断が少なく、一貫して確実な自動スレッディングを行うことができた。EDMカッティング装置で切断された物は、マグネシウムを添加しなかった黄銅EDMワイヤで同じ物を切断したときと比べてより滑らかな仕上げとなったことも観察された。また、通常の黄銅EDMワイヤに比べてEDM装置の水浴内に形成された堆積物が少なかったことも観察された。

結論
１以上の異なる例示的な実施形態を参照しつつ本開示を述べてきたが、本開示の範囲を逸脱することなく、様々な変更を行うことができ、その要素を均等物に置き換えることができることを当業者は理解するであろう。さらに、その本質的な範囲又は教示から逸脱することなく、特定の状況に適応させるために多くの改良を行うことができる。例えば、Mg黄銅ロッドを水平に鋳造するのではなく垂直に鋳造することとしてもよい。したがって、本開示は、本発明を実施するために考えられた最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されることを意図しているものではない。

Claims (3)

1. 放電加工用ワイヤを製造する方法であって、
   ａ）溶解炉において、
   ｉ）45重量％から94.98重量％の範囲の銅濃度の銅と、
   ii）５重量％から50重量％の範囲の亜鉛濃度の亜鉛と、
   iii）0.02重量％から５重量％の範囲のマグネシウム濃度のマグネシウムと
   を含む第１の金属供給物を溶融して第１の金属溶融物を形成し、
   ｂ）ロッドを鋳造するための鋳造型を有する保持炉に前記第１の金属溶融物を移送し、
   ｃ）第１の金属ロッドを前記鋳造型により鋳造して、これにより前記鋳造型上にMgを含む堆積物を形成し、
   ｄ）１以上の引抜き型で前記第１の金属ロッドを抜いて前記放電加工用ワイヤを形成し、
   ｅ）前記第１の金属ロッドを鋳造した後、マグネシウムを加えていない銅又は黄銅を含む供給物を前記溶解炉において溶融して、前記堆積物を溶解可能なフラッシング金属溶融物を形成し、
   ｆ）前記フラッシング金属溶融物を前記保持炉に移送し、
   ｇ）前記堆積物の90％以上が前記鋳造型から除去されるように前記保持炉からフラッシング金属ロッドを鋳造する
   ステップを含む、方法。
2. 前記銅濃度は45重量％から68.48重量％の範囲にあり、前記亜鉛濃度は31.5重量％から38.5重量％の範囲にあり、前記マグネシウム濃度は0.02重量％から５重量％の範囲である、請求項１の方法。
3. 前記銅濃度は45重量％から68.45重量％の範囲にあり、前記亜鉛濃度は31.5重量％から38.5重量％の範囲にあり、前記マグネシウム濃度は0.05重量％から0.5重量％の範囲である、請求項１の方法。

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