KR20070100424A - 방전 가공용 복합재 와이어 - Google Patents

방전 가공용 복합재 와이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파단면(5a)에서 β상에 핀치벡(pinchbeck) 외관을 가능하게 하며 γ상에서 파단된 핀치벡 구조를 갖는 표면층(4) 및 β상에서 연속 핀치벡 내부층(3)으로 이루어진 핀치벡 피막으로 둘러쌓인 구리 또는 핀치벡 코어(2)를 포함하는 와이어(1)에 관한 것이다. 이러한 방식으로, 방전 가공 속도가 필수적으로 증가한다.
파단면, β상, 핀치벡(pinchbeck), γ상, 표면층, 연속 핀치벡 내부층, 구리, 핀치벡 코어, 와이어, 방전 가공 속도

Description

방전 가공용 복합재 와이어{Composite wire for electrical discharge machining}
발명의 기술 분야
본 발명은 방전 가공(EDM) 기계에서 EDM에 의해 금속 또는 전기 전도성 물질을 절단하는 데 사용되는 전극 와이어에 관한 것이다.
대부분의 현대식 EDM 기계는 일반적으로 극한 인장 강도 범위가 400 내지 1000N/㎟이고 직경이 0.25㎜인 베어 황동 와이어(bare brass wire)를 사용하도록 설치된다.
EDM 와이어는 전기 전도성을 요한다. 이는 조절된 수계 유전 매질에서 와이어와 전도성 가공품 사이에 부식성 방전에 의해 작용한다.
정밀 가공을 달성하기 위해, 특히 반경이 작은 코너를 절단할 수 있기 위하여, 가공 영역에서 팽팽하게 유지할 수 있고 진폭을 제한할 수 있도록 극한 인장 강도가 높으며 직경이 작은 와이어를 사용할 것이 필요하다. 따라서, 극한 인장 강도를 증가시키기 위해, 하나 이상의 중심 부분이 강철로 제조된 와이어를 사용하는 한 가지 방법이 시도될 수 있다.
방전 가공은 비교적 느린 공정이므로, 동시에, 가공 속도, 특히 러핑(roughing) 가공 속도를 최대화할 필요가 있다. 본원에서, 러핑 가공 속도는 ㎟ /min 단위, 즉 절단 표면적의 확장 속도 또는 소정의 가공품 높이에 대한 ㎜/min 단위, 즉 와이어가 가공품을 관통하는 속도의 단위로 측정한다. 이는 이러한 속도가 와이어와 가공품 사이의 가공 영역에서 방출되는 방전 에너지에 직접 의존하며, 따라서 와이어가 가공 영역으로 수행할 수 있는 전기 에너지에 의존함을 이해한다. 그러나, 가공 영역에서의 부식성 방출 및 와이어를 통과하는 전류에 의해 제조되는 주울 발열(Joule heating)은 와이어를 가열하는 경향이 있다.
방전 가공에 사용하기 위한 와이어에 대한 제한 중의 하나는 발열 및 기계적 인장을 합한 영향하에서 파단한다는 점이다. 이는 매우 큰 가공품을 가공할 때 또는, 예를 들면, 원뿔형 가공 동안에, 특히 와이어가 특히 잘 냉각되지 않는 경우, 사용자가 EDM 기계의 가공력을 제한하도록 강요한다.
파괴를 피하는 가장 단순한 방식은 직경이 큰 와이어, 예를 들면, 직경이 0.30㎜ 이상인 와이어를 사용하는 것이다. 그러나, 이는 가공할 수 있는 요각의 최소 반경을 제한한다.
아연 피복된 와이어의 사용은 이미 제안되어 왔으며, 이의 피복 효과는 벗겨진 황동 와이어에 비하여 가공 속도를 증가시킨다. 그러나, 순수 아연층은 매우 신속하게 마모되며 큰 가공품을 절단하기에 충분히 길기 때문에 와이어 코어를 보호하지 않는다.
와이어 코어가 β 황동층, 즉 아연 약 47%를 함유하는 황동층으로 피복되어 순수 아연으로 제조된 표면층이 과도하게 신속하게 마모되는 단점을 피할 것이 제안되어 왔다.
미국 특허 제4,977,303호에는, 한편으로는, 전극 와이어의 제조방법 및 다른 한편으로는, 특이 구조를 갖는 전극 와이어가 기재되어 있다.
당해 문헌에서 청구되고 기재되어 있는 공정은, 예를 들면, 구리로 제조된 금속 코어를 제공하고, 이를 소정의 두께(13 내지 15㎛)의 휘발성 금속, 예를 들면, 아연으로 피복시킨 다음, 전체를 산화 대기하에서 700℃ 이상, 바람직하게는 850℃ 이상으로 가열하여 두께가 소정의 최초 아연층 두께의 약 3배의 확산층이 수득될 때까지 아연과 구리를 확산시키고, 확산된 층의 두께를 적어도 30% 감소시키는 단계로 이루어진다. 필연성이 언급된 공정의 조작 조건은 확산된 층에서 아연 농도가 약 33%에 이르며, 즉 두께가 30% 감소되면, α-구리/아연 합금이 약 22㎛ 두께에 이른다.
당해 문헌에서 청구되고 기재되어 있는 전극 와이어는 아연 58 내지 60%를 함유하는 구리/아연 합금(즉, γ-구리/아연 합금)의 연속층 약 6㎛ 두께를 피복시킨, 산화물로 된 표면층 약 1㎛ 두께를 포함하며, 아연 농도가 코어에 대하여 약 11㎛의 깊이로 감소한다. 당해 문헌은 이러한 γ-구리/아연 합금층을 갖는 전극 와이어를 수득하는 방법을 기재하지 않는다.
보다 최근, 미국 특허 제5,945,010호에는, γ 황동 주변층을 제조하는 방식으로 아연 도금 α-황동을 어닐링한 다음, 최종 직경에 이르게 하기 위해 이렇게 하여 수득된 블랭크를 와이어 연신시키는 방법이 제안되어 있다. 와이어 연신 조작에 의해 파단된 γ 황동 표면층을 제조한다. 당해 문헌은 표면층의 파단로 절단 속도 성능이 손상되지 않음을 언급한다. 추가로, 당해 문헌은 β 황동층의 공급을 중단시킨다.
최종적으로, 미국 특허 제6,781,081호(또는 미국 공개특허공보 제2003/0057189 A1호)에는, 금속 코어 위에 2개의 연속 황동층들의 중첩을 가지며, 하부층이 β 황동으로 제조되고, 연속 외부층이 γ 황동으로 제조되는 와이어의 우수한 성능이 기재되어 있다. 따라서, EDM의 속도는 단지 γ 황동층 또는 단지 β 황동층만을 갖는 와이어보다 높다. 그러나, 당해 문헌은 이러한 와이어의 제조방법을 기재하지 않는다.
발명의 요약
소정의 가공 전류에 대해 가능한 한 신속하게 가공하고, 또한 소정의 와이어 직경에 대해 최고의 가능한 가공 전류를 사용할 수 있는 필요성이 여전히 존재한다.
본 발명은, 놀라운 관찰 결과, 합금층으로 피복된 금속 코어를 갖는 EDM 와이어를 사용하여, 뚜렷하게 향상된 EDM 성능은 파단된 γ 황동 표면층과 β 황동 내부층(sublayer)을 합한 피막층을 구리 또는 황동으로 제조된 코어 위에 제공함으로써 여전히 수득할 수 있다. 이러한 관찰은 미국 특허 제5,945,010호의 교시에 비추어, 파단된 γ 황동 표면층을 사용하는 경우, 절단 속도의 증가가 관찰되지 않으며, 특히 β 황동의 사용을 중지시킴을 피한다.
따라서, EDM 가공 속도를 추가로 향상시키기 위해, 본 발명은
- 구리, 구리 합금 또는 황동으로 제조된 코어와
- 황동 피막을 포함하는, 방전 가공용 전극 와이어로서,
황동 피막이
- β 황동 내부층과
- 파단면에서 β 황동을 나타내는 파단된 γ 황동 구조를 갖는 표면층과의 중첩을 포함함을 특징으로 하는, 방전 가공용 전극 와이어를 제안한다.
유리한 양태에 따르면, β 황동은 적어도 부분적으로는 γ 황동 표면층에서 파단면을 충전시킨다.
β 황동 내부층은 유리하게는 연속적일 수 있으며, 불연속 내부층보다 더욱 우수한 결과를 제공한다.
보다 높은 EDM 속도와 가공품의 우수한 표면 성형을 모두 결합시킨 더욱 우수한 결과는 와이어 직경의 8% 미만, 바람직하게는 와이어 직경의 5% 미만의 두께를 파단된 γ 황동 표면층에 제공함으로써 수득한다. 두께가 약 5% 이상이면, 가공품의 표면 성형시의 손상이 관찰되며; 성형된 가공품은 가공을 수행하는 전극 와이어 방향으로 평행한 줄을 갖는 것이 발견된다.
대안으로서 또는 보충물로서, β 황동 내부층은 유리하게는 두께 범위가 와이어 직경의 5 내지 12%일 수 있다.
공업적 규모의 이러한 전극 와이어 제조는 파단된 γ 황동 표면층과 β 황동 내부층을 합한 두께가 전극 와이어 직경의 약 10% 미만인 경우, 더욱 용이하게 제조된다. 이러한 가치를 초과하면, 와이어가 와이어 연신 단계에서 제조 동안에 파괴되는 위험이 있다.
한 가지 유리한 양태는 두께가 와이어 직경의 약 2%인 파단된 γ 황동 표면층과 두께가 와이어 직경의 약 6%인 β 황동 내부층을 제공하는 것이다.
또한, 어두운 색상의 γ 황동 표면층의 외부 표면이 충분히 산화되는 경우, EDM 속도의 증가가 얻어진다.
특정한 EDM 기계의 단점은 산화물이 전기 접촉의 곤란, 또는 대안으로는 전류 전도체의 조기 마모를 일으킬 수 있다는 점이다. 따라서, 이는 덜 산화되는 γ 황동 표면층의 외부 표면을 갖는 것이 바람직할 수 있으며, 여전히, 예를 들면, 와이어의 존재를 검출하기 위해 이러한 특성을 사용하는 EDM 기계와 필적할 정도로 빛을 반사할 수 있는 밝은 외관을 갖는다.
실제로, 향상된 EDM 성능을 동시에 보장하면서 전기 접촉 및 전류 납 마모 문제를 피하기 위해, 선택적 용해로 측정된, 산화물 층의 평균 두께가 약 100 내지 약 250㎚, 바람직하게는 200㎚ 미만인 전극 와이어를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
아연 함량이 40% 미만, 보다 유리하게는 아연 20%를 함유하는 황동으로 제조된 코어를 선택하는 것이 유리할 수 있다.
대안으로서, 와이어의 전도도를 최적화하기 위해, 구리로 제조된 코어를 선택할 수 있다.
EDM 속도의 증가는 또한 아연 37%를 함유하는 CuZn37 합금으로 제조된 코어를 선택함으로써 수득할 수 있으며, 이는 제조 비용 감소의 추가의 이점을 갖는다.
이러한 전극 와이어를 제조함으로써, 수개의 릴의 와이어로 된 배치에 저온 확산을 적용하는 것이 유리함을 입증할 수 있는데, 이는 이러한 방식으로 고온 및/ 또는 인라인(in-line) 처리에 비하여 에너지가 절약되기 때문이다.
따라서, 또 다른 국면에 따르면, 본 발명은
구리 또는 황동으로 제조된 코어를 공급하는 단계(a),
전해 공정을 사용하여 코어를 아연층으로 피복시켜 예비블랭크(preblank)를 제조하는 단계(b),
가능하게는 예비블랭크를 제1 와이어 연신 작동시켜 아연 도금 와이어 표면을 평활하게 함으로써, 와이어를 일단 확산이 발생하면 방출하기 더 용이하게 제조하는 단계(c),
와이어 연신 예비블랭크를 약 200 내지 약 400℃의 온도 범위에서 오븐 속에서 2 내지 약 40시간 동안 어닐링하고, 피복층의 아연과 코어의 구리 또는 황동 사이에 확산시켜 표면에서 적어도 약간 산화되는 γ 황동 표면층과 β 황동 내부층을 갖는 블랭크를 제조하도록 온도 및 시간을 선택하는 단계(d) 및
이렇게 하여 확산시킨 블랭크를 제2의 냉각 와이어 연신 작동시켜 최종 직경이 되도록 유도하고 이러한 방식으로 γ 황동 표면층을 파단하는 단계(e)를 포함하는, 이러한 전극 와이어의 경제적인 제조방법을 제안한다.
그러나, 이러한 전극 와이어는 저온에서 보다 긴 시간 동안 배치 열처리에 의해 제조될 수 있는데, 기간 조건은 공업적인 요건에 양립 가능하다. 반면, 이러한 전극 와이어는 이를 방출됨에 따라 고온(약 600℃)으로 가열함으로써 인라인 공정을 사용하여 제조할 수 있다.
제2 와이어 연신 작동 동안에, 외부 γ상은 먼저 와이어 표면에서 균질하게 분포된 블럭으로 파단된다. 이러한 블럭 사이에는, 비어있는 틈이 존재한다. 이어서, 여전히 와이어 연신 작동 중에, 이러한 블럭은 종방향으로 함께 그루핑하는 경향이 있어서, β상 내부층을 이들 사이에 천공시킴으로써, 궁극적으로 특정 지점에서 와이어 표면으로 플러슁한다.
바람직하게는, 제2 와이어 연신 작동은 약 40 내지 약 78% 범위의 직경 감소를 성취한다. 이는 γ 황동의 주변층이 올바르게 파단되게 한다.
또한, 제1 와이어 연신 작동을 수행하도록 결정하여 약 40 내지 약 60% 범위의 직경 감소를 성취할 수 있다.
당해 공정에서, 어닐링 단계(d)는 단계(e) 후에 전극 와이어에 대한 선택적 용해에 의해 측정된 산화물 층의 평균 두께 범위가 약 100 내지 약 250㎚로 되도록 하는 방식으로 선택되는 일정 온도 및 일정 시간 동안 노 속에서 유리하게 수행될 수 있다.
특정 상태의 확산을 얻을 수 있는 시간 및 온도 조건 모두를 단순히 열거하는 것은 가능하지 않다. 이는 방전 가공 와이어를 제조하기 위해 수행되는 확산이 세미 무한 매질을 구성하기에 충분히 얇지도 두껍지도 않은 평면인 아연의 외부층을 의미하기 때문이다. 또한, 잠재적인 열 경로(시간의 함수로서 변하는 온도)는 매우 다양하다.
4㎏의 릴에서 팩키지된 구리 또는 아연 도금 CuZn2O 황동 와이어에서 공기 중에서 수행되는 확산 공정의 경우, β상의 중간층 두께(e)가 수학식 1에 따라 시간(t)의 함수로서 증가함을 밝혀내었다.
de/dt = D/e
위의 수학식 1에서,
D는 온도(T)에 따르는 확산 계수이고,
와이어의 코어 조성에서, de/dt는 시간(t)에 관하여 두께(e)의 유도체이고,
계수(D)는 수학식 2에 따르는 온도(T)의 함수이다.
D = D0e-Q/RT
위의 수학식 2에서,
D0는 빈도 계수(㎡/s)이고,
Q는 활성화 에너지(J/mol)이고,
R은 절대 가스에 대한 몰 가스 상수로, 8.31J/(mol.K)이며,
T는 온도(Kelvin)이다.
D0 및 Q는 아연 도금 와이어 코어의 특성에 따른다. 약 620 내지 약 680°K의 온도 범위에 대하여, 구리 코어의 경우, D0는 4.98 ×10-4이고, Q는 129 500이며, CuZn20 황동 코어의 경우, D0는 2.46 ×10-6이고, Q는 100 800이다.
CuZn37 코어의 경우, D0는 4.10 ×10-3이고, Q는 138 200을 선택할 수 있다.
미분 수학식 1[de/dt = D/e]은 임의의 공지된 방법을 사용하여 적분할 수 있다. 일정 온도에서, 적분하면 단순화된 수학식 3을 구한다.
e = (2D.t)1/2
최종 β상 두께는 물론 허용되는 아연의 양에 의해 한정되며, 본 발명에 따라서, 당해 표면에 작은 γ상을 남기도록 공급된다.
보다 큰 릴에서 팩키지된 와이어에서의 확산 조작의 경우, 처리 시간은 유리하게는 릴의 질량을 통하여 짝수 온도를 보증하기 위해 침지 온도를 저하시킴으로써 유리하게 연장된다.
따라서, 본 발명자들은
구리 63% 및 아연 37%를 함유하는 황동 코어 및 순수 아연 피막 3㎛를 포함하며, 외부 직경이 0.46㎜인 와이어를 공급하는 단계와 당해 와이어를 220℃에서 15시간 동안 열처리하는 단계를 포함하는 단계에 의해 코어의 α상과 외부 γ상 층 사이에 약간의 β상을 얻을 수 있다. 이렇게 하여, 두께가 약 4㎛인 γ상 외부층과 α-황동 코어 사이에 β상 내부층 두께 약 2㎛를 수득한다.
위에서 제공한 정보는 당해 분야의 숙련가가 개시 조건 및 목적하는 최종 조건에 따라 시간 및 온도 조건을 선택하며, 실제로 열 경로를 선택한다.
산소에 노출된 와이어에서 확산이 발생한다는 사실은, 그렇지 않은 경우, 불활성 가스 대기하에 또는 감압하에 상당량의 아연 증발이 생기며, 확산 종료시에 남아있는 상 두께가 훨씬 더 적어지기 때문에 매우 중요하다.
γ 황동 표면층의 외부 표면을 강하게 산성화하려는 목적이 있는 경우, 공기 중에서 어닐링이 수행된다. 공기는 와이어 표면을 산화가 요구하는 것보다 훨씬 더 신속하게 확산시킬 것을 필요로 한다. 이를 성취하기 위해, 예를 들면, 바스켓(basket) 속에서 너무 촘촘하지 않은 권취 형태의 예비블랭크가 제공되거나, 대안으로 0.5℃/min 미만, 예를 들면, 0.2℃/min의 매우 낮은 온도 구배가 온도를 상승시키는 데 사용된다. 권취가 촘촘한 경우, 주로 릴의 내부가 산소와의 접촉으로부터 잔류하는 동안에 릴의 외부가 산화된다.
γ 황동 표면층의 매우 적은 외부 표면 산화가 요구되는 경우, 와이어의 줄 사이에 존재하는 공기는 단독으로 사용된다. 이를 수행하기 위해, 릴은 얇은 금속박, 예를 들면, 알루미늄 박과 같은 밀봉 또는 반밀봉된 장치 속에 넣어지고, 이의 주위에 랩핑된다. 랩핑된 장치는 열처리 동안에 접촉 및 확장되는 릴 내의 및 주위의 랩퍼 속에 가스를 함유해야 한다. 따라서, 산화는 밀봉 또는 반밀봉 랩퍼 속에서 예비블랭크를 랩핑함으로써 제한된다.
확산 가열 단계를 위한 온도 및 시간 조건은 바람직하게는 단계(e) 후에 전극 와이어에 대한 선택적 용해에 의해 측정된 산화물 층의 평균 두께 범위가 약 100 내지 약 250㎚로 되도록 선택된다.
선택적 용해 용액은 다음과 같다: 물 200㎖ 중의 1M 아세트산 50㎖에 프로파길 알콜 0.5㎖를 가한다. 침지 시간은 약 2분이다. 직경(D1)의 와이어 길이(L)의 중량 손실(M)을 측정한다. 중량 손실(M)은 산화아연의 용해 때문이며, 이의 밀 도(MV)는 산화물의 두께(E0)가 수학식 4를 사용하여 유추될 수 있도록 약 5 600㎏/㎥인 것으로 추정된다.
E0 = M/πD1LMV
불활성 대기에서 또는 감압하에서의 확산은 아연이 와이어 표면으로부터 부분적으로 증발하며 분말을 형성하기 때문에 권장되지 않는다. 고반응성인 이러한 금속 분말은 바람직하지 않으며, 이는 공기 중에서 확산이 권장되는 이유이다.
도면의 간단한 설명
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부되는 도면을 참고하여 소정의 특정 양태에 대한 다음의 설명으로부터 명백해진다:
- 도 1은 본 발명의 한 가지 양태에 따르는 EDM 와이어의 개략적인 투시도이고,
- 도 2는 도 1의 EDM 와이어의 대규모의 개략적인 횡단면도이고,
- 도 3은 황동 코어를 갖는, 본 발명의 한 가지 양태에 따르는 EDM 와이어를 통과하는 종단면도이고,
- 도 4는 구리 코어를 갖는, 본 발명에 따르는 EDM 와이어를 통과하는 횡단면도이다.
바람직한 양태의 설명
도면에서 예시한 양태에서, EDM 가공용 전극 와이어(1)는 파단면에서 β 황동을 나타내는 파단된 γ 황동 구조를 갖는 표면층(4)과 연속적인 β 황동 내부층(3)으로 이루어진 피막으로 피복되어 있는, 구리 또는 황동으로 제조된 코어(2)를 포함한다.
당해 명세서 및 청구의 범위에서, 표현 "β 황동"은 아연을 다소 45 내지 49% 함유하는 아연 및 구리 합금을 지시하는 데 사용된다. 주위 온도에서, β상은 정렬되고 어느 정도 취성이며 통상 β' 상으로 지칭된다. 일정 온도가 초과하면, 당해 구조는 불규칙해져서 β상이라고 한다. β상과 β'상 사이의 전이는 필연적이지만, 효과는 적다. 그러므로, 단순화를 위해서는, 이러한 황동은 본원에서 하나의 표현 "β 황동"으로 표시된다.
당해 명세서 및 청구의 범위에서, 표현 "γ 황동"은 아연이 약 65%의 비율로 존재하는 아연 및 구리 합금을 표시하는 데 사용된다.
"α-황동"은 아연 함량이 40% 미만, 예를 들면, 약 35% 또는 심지어는 약 20%이다.
표면층(4)이 관계되는 한, β 황동이 나타나는 파단면(5a)로 경계를 이루는 γ상 구역(5)은, 예를 들면, 구별될 수 있다(도 3).
β 황동은 γ 황동 표면층(4)에서 파단면(5a)을 적어도 부분적으로 충전시켜 와이어 표면에 일정한 정도의 연속성을 제공한다.
이러한 와이어 구조의 유리한 영향은 상이한 구조의 와이어에서 수행되는 몇 번의 시험을 통해 증명된다.
시험 1
이러한 첫 번째 시험은 파단된 γ 황동 표면층이 와이어가 지탱할 수 있는 최대 강도의 전류를 감소시킴을 증명한다.
이를 위해, 동일한 직경(D1) 0.25㎜을 갖는 몇 개의 와이어가 공급된다. 와이어는 20℃의 탈이온수에 침지된 2개의 전기 단자 사이에 고정된다. 와이어는 기계적 인장을 받지 않는다. 전류 발전기는 당해 장치의 단자에 연결되어 있다. 전류는 와이어가 파단될 때까지 증가하며, 와이어에 의해 허용되는 최대 전류 강도가 주목된다.
그 결과는 다음 표의 특징을 갖는다.
와이어 지탱되는 최대 전류 강도
구리 130A
CuZn 37 황동 75A
순수 아연 3㎛으로 피복된 CuZn 37 황동 75A
순수 아연 3㎛로 피복된 다음, 파단되지 않은 γ상에서 확산된 CuZn 37 황동 75A
아연으로 피복되고, 177℃에서 확산된 다음, 연신되어 파단된 γ상을 수득하는 CuZn 37 황동 65A
황동 코어상에서 파단된 γ상으로 시험된 최종 와이어가 위에서 언급한 미국 특허 제5,945,010호의 교시에 따르는 것은 주목해야 한다.
시험 2
눈에 띄게 파단된 γ상 표면층(4) 및 외관상 파단되지 않은 β상 내부층(3) 으로 피복된 CuZn20 황동으로 제조된 코어(2)로 이루어진, 직경(D1)이 0.25㎜인 본 발명에 따르는 와이어(A)를 제조한다. 이렇게 하기 위해, 직경이 1.20㎜인 CuZn20 황동 와이어를 전해 공정을 사용하여 아연 29㎛로 피복시킨다. 이러한 와이어를 직경이 0.827㎜로 작아지도록 연신시킨다. 당해 와이어를 400℃에서 2시간 동안 노를 통과시켜 어닐링함으로써 온도가 공기 대기하에 ±1℃/min의 구배로 상승하고 하락한다. 최종적으로, 이렇게 하여 확산시킨 와이어를 직경(D1)이 0.25㎜로 작아지도록 와이어 연신 조작을 수행한다. 와이어에서 수득한 피막층은 총 두께가 약 20㎛로 측정된다. 이는 다른 지점에서 파단된 γ 황동(4)으로 피복되고 어떤 지점에서 와이어 표면에서 눈에 띄는 β상 내부층(3)으로 제조된다. 따라서, 와이어 연신 단계 동안에, β 황동 내부층(3)이 와이어 연신 조작 중에 조화가 깨지지 않음은 명백하다.
시험 1에서 선행 와이어와 동일한 조건하에 시험되는 이러한 와이어는 최대 전류 75A를 지탱한다. 이러한 극한 인장 강도는 750N/㎟이다. 이는 기계적 인장 17N하에서 EDM 가공시에 성공적으로 사용될 수 있다.
이러한 시험은 와이어가 고전류를 지탱하도록 이의 능력을 향상시키는 β 황동 내부층(3)에서 놀라운 효과를 나타내며, 이 와이어의 능력을 표면층(4)이 파단되지 않도록 일치시킨다.
시험 3
와이어(B)를 다음과 같이 제조한다: 직경이 1.20㎜인 CuZn20 황동 코어를 직경(D1) 0.25㎜로 감소시키도록 와이어 연신 조작을 수행한다. 380℃에서 1.15시간 동안 지속되는 어닐링 조작을 수행하다 두께 약 16㎛의 β상 내부층(3)과 실질적으로 파단되지 않은(와이어 연신 조작을 수행하지 않기 때문) 두께 약 4㎛의 γ상 표면층(4)을 포함하는 와이어를 수득한다.
이러한 와이어는 최대 전류 75A를 지탱한다. 이는 극한 인장 강도 430N/㎟를 나타내며, 기계적 인장이 10N로 감소되더라도, EDM 가공시에 성공적으로 사용될 수 있다.
따라서, 시험 2 도중에 제조된 본 발명에 따르는 와이어(A)는 당해 시험의 와이어(B)보다 기계적 강도가 더 우수하다.
시험 4
2개의 와이어에 적합한 조건하에 와이어(A) 및 와이어(B)의 EDM 속도를, 즉 10N의 기계적 인장과 비교한다.
이 시험은 아기에(Agie)가 제조한 아기에커트 에볼유션(AgieCut Evolution) II SFF를 사용하여 수행한다.
이 조건은 다음과 같다: 기본 기술 estcca25nnn300g230050은 강도 900N/㎟하에 아연 도금 황동 와이어에 적합하고, 노즐은 가공품에 대해 압축시킨다. 가공하고자 하는 물질의 길이는 강 60㎜이다. 당해 와이어에서 기계적 인장은 10N로 저하된다. EDM 속도는 와이어 A에 대해 2.515㎜/min이고, 와이어 B에 대해 2.500㎜ /min이다. 따라서, 와이어(A)에 대해 EDM 속도의 약간 증가가 관찰된다.
동일한 기계를 사용하여, 동일한 물질 및 기본 기술 estccw25nnn300h250050은 어닐링 상태에서 β상 층과 CuZn20 황동 코어를 갖는 와이어에 적합하고, 와이어에서의 전력은 12N이고, 다음의 최대 속도가 관찰되며, 와이어가 파단될 때까지 파라미터(P)의 값이 1로부터 서서히 증가한다: 와이어(A)의 경우 2.79㎜/min(P = 27); 1.85㎜/min; 와이어(B)의 경우 1.85㎜/min(P = 19).
와이어(A)가 (B)보다 더 신속하게 가공된다는 사실은 미국 특허 제5,945,010호에 기재되어 있는 데이타와는 정반대이다.
시험 5
파단된 γ상의 두께(E4)의 영향은 와이어가 최적 EDM 속도를 갖도록 수행된다.
본 발명에 따르는 와이어를 구리 코어 직경 0.9㎜로부터 수득한다. 코어를 아연으로 피복시킨 다음, 와이어 연신 조작을 수행하여 아연의 외부층 두께가 16 내지 19㎛이며 직경이 0.422㎜인 중간체 와이어를 수득한다. 중간체 와이어를 수 회 동안 다양한 온도로 상승시켜 상이한 비율로 β상과 γ상으로 구성되어 있는 외부층을 제조한다. 확산 처리후, 와이어는 어닐링 상태로 존재한다. 냉각 와이어 연신 조작으로 작업 경화 상태에서 직경(D1)이 0.25㎜인 EDM 와이어를 수득한다. γ상 표면층(4)을 부수고, β상 내부층(3)은 계속 잔류한다. γ상 표면층(4)은 와 이어 표면 전부를 피복시키지는 않으며, 이러한 γ상 표면층(4)의 두께(E4)는 이러한 층이 존재하는 경우에 주시되는데, 이는 두께의 평균값이 아니라, 최대값이다.
결과는 다음 표에서 대조한다.
와이어 확산 조건 층 두께(γ층이 존재하는 경우, 최대 두께) E2 H50 방식에서의 최대 EDM 속도 가공 동안의 조기 파단
1 400℃, 2시간, 공기 중에서 ±0.5℃/min β 25㎛ γ 2㎛ 어두운 외관 4.35㎜/min 없음
2 380℃, 3시간, 공기 중에서 ±0.5℃/min β 18㎛ γ 5㎛ 어두운 외관 4.76㎜/min 없음
3 380℃, 3시간, 릴의 외부 공기로부터 보호된 와이어 ±0.5℃/min β 18㎛ γ 5㎛ 밝은 외관 4.61㎜/min 없음
4 360℃, 2시간, 공기 중에서 ±0.5℃/min β 5㎛ γ 20㎛ 불균질 칼라 외관 4.05㎜/min 있음
5 320℃, 2시간, 공기 중에서 ±0.5℃/min β 5㎛ γ 20㎛ 불균질 칼라 외관 3.7㎜/min 있음
초과 두께(E4)의 파단된 γ상 표면층(4)이 가공 동안에 와이어의 조기 파단을 유도함을 발견하였다.
상기한 시험으로부터, 파단된 γ 황동 표면층(4) 두께(E4)가 바람직하게는 와이어 직경의 8% 미만, 보다 유리하게는 와이어 직경의 2% 등급인 것으로 추정될 수 있다.
이의 부분을 위해, 연속 β 황동 내부층(3)은 유리하게는 와이어 직경의 두께(E3) 범위가 5 내지 12%일 수 있고, 보다 유리하게는 6%가 될 수 있다.
유리한 대안은, 파단된 γ 황동 표면층(4)이 존재하는 경우, 와이어 직경 250㎛에 대해 두께(E4)가 약 6㎛인 파단된 γ 황동 표면층(4)과 두께(E3)가 약 15㎛, 즉 와이어 직경의 약 6%인 연속 β 황동 내부층(3)을 제공함으로써 수득된다.
상기 표에서 와이어(2) 및 와이어(3)는 EDM 속도가 γ 황동 표면층(4)의 외부 표면의 산화의 존재하에 추가로 향상됨을 나타낸다. 도 2는 평균 두께(E0)의 산화물 층(6)의 존재를 예시한다.
확산된 와이어 표면에서 매우 소량으로 존재하는 경우에도, 파단된 γ 황동 표면층(4)의 한 가지 예측되지 않는 효과는 표면 산화에 의해 완전 확산된 β상 와이어와 필적함으로써 보다 우수하게 전기 접촉된다. 전기 접촉은 아기에 에볼유션 II 기계상에서 매우 낮은 분말상 스파킹에서 커팅하기보다는 가공품을 단순히 정밀하게 위치시키는 것으로 이루어진다.
전류 전도성 접촉의 레이저 오염은 또한 γ상이 완전히 소멸되는 정도로 확산된 와이어와 필적함으로써, 파단된 γ상 표면층(4)과 β상 내부층(3)을 갖는 와이어에 의해 발견된다. 파단된 γ상은 소량으로 존재하는 경우에도 전류 전도체를 세정하는 것을 고려할 수 있다. 전류 전도체의 표면에 부착되어 있는 임의의 산화물 및 윤활제 잔사는 표면이 편평하지 않은 와이어 표면 스크래핑 효과를 통해 제거할 수 있다.
시험 6
본 발명의 이점을 나타내지 않음에도 불구하고, 저비용의 와이어 제조에 대 한 도면을 사용하여 CuZn37 황동 코어(구리 63% 및 아연 37%)를 갖는 본 발명에 따르는 와이어의 제조 가능성을 연구하였다.
β황동 내부층(3)과 파단된 γ상 표면층(4)을 제조하도록 비교적 저온에서 비교적 긴 확산 처리를 선택함으로써 만족스런 와이어를 수득하였다.
이를 수행하기 위해, CuZn37 황동 블랭크를 직경 0.827㎜의 아연 2㎛로 피복시킨 다음, 공기 중에서 주위 온도에서 320℃까지의 온도 상승 구배가 +0.5℃/min이고 320℃에서 11시간 동안 침지가 지속되는 노 속에서 처리한다. 이어서, 와이어 연신 조작하여 직경(D1)을 0.25㎜로 감소시키고, 와이어가 권취되기 전에 연속적인 인라인 이완 어닐링을 수행한다.
본 발명에 따라 수득한 효과와 비교하기 위해, 미국 특허 제5,945,010호에서 기재한 공정에 따라 와이어 시험편을 제조한다:
- CuZn37 황동 블랭크(구리 63% 및 아연 37%)를 공급하는 단계,
- 직경 0.9㎜상에서 두께 6㎛의 아연 피막을 제조하는 단계,
- 공기 중에서 177℃의 노 속에서 열처리를 수행하여 확산에 의해 아연을 상당량의 β상을 형성하지 않고 γ 황동으로 전환시키는 단계 및
- 0.25㎜로 와이어 연신하고, 권취 전에 연속적인 이완 어닐링을 수행하는 단계.
종래의 벗겨진 황동 EDM 와이어에 비하여, 미국 특허 제5,945,010호에 따르는 이러한 와이어는 낮은 가공 전력에서 이점을 갖지만, EDM 가공 전력이 증가하는 경우 이러한 이점이 사라지는 것으로 밝혀졌다.
추가의 시험은 아연 피막의 두께를 증가시킴으로써 파단된 γ 황동 표면층(4)의 평균 두께를 증가시키는 것이다. 그러나, 수득한 와이어는 취성이 있는 것으로 입증되었으며, 자동 쓰레딩 동안에 와이어를 만곡시키는 EDM 기계에서 사용될 수 없었다.
파단된 γ 황동 표면층(4) 및 β황동 내부층(3)을 사용하여 CuZn37 황동으로 제조된 코어(2)를 갖는 본 발명에 따르는 와이어 및 미국 특허 제5,945,010호에 따라 파단된 γ 황동 표면층(4) 및 CuZn37 황동으로 제조된 코어(2)를 갖는 와이어의 최대 EDM 속도를 동일한 작업 조건하에 비교하였다:
와이어 CuZn37 + 파단된 γ층 CuZn37 + β층 + 파단된 γ층
EDM 속도 119㎟/min 120.5㎟/min
β 황동 중간체 내부층(3)이 존재함으로써, 와이어는 만곡시에 취성이 적음이 입증되었다. 따라서, 와이어 마모층의 총 두께는 증가할 수 있다.
CuZn37 황동으로 제조된 코어를 갖는 와이어용 최대 EDM 속도는 증가하고, 조기의 와이어 파단은 관찰되지 않았다.
본 발명은 명백하게 설명한 당해 양태로 제한하려는 것이 아니며, 다음의 청구의 범위내에 속하는 분류된 양태 및 이의 개괄적인 부분을 포함한다.

Claims (21)

  1. - 구리, 구리 합금 또는 황동으로 제조된 코어(2)와
    - 황동 피막을 포함하는, 방전 가공용 전극 와이어(1)로서,
    황동 피막이
    - β 황동 내부층(sublayer)(3)과
    - 파단면(5a)에서 β 황동을 나타내는 파단된 γ 황동 구조를 갖는 표면층(4)과의 중첩을 포함함을 특징으로 하는, 방전 가공용 전극 와이어(1).
  2. 제1항에 있어서, β 황동이 γ 황동 표면층(4)에서 파단면(5a)을 적어도 부분적으로 충전시킴을 특징으로 하는, 방전 가공용 전극 와이어(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, β 황동 내부층(3)이 연속적임을 특징으로 하는, 방전 가공용 전극 와이어(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 파단된 γ 황동 표면층(4) 두께(E4)가 와이어 직경(D1)의 8% 미만, 바람직하게는 와이어 직경(D1)의 5% 미만임을 특징으로 하는, 방전 가공용 전극 와이어(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, β 황동 내부층(3) 두께(E3) 범위가 와이어 직경(D1)의 5 내지 12%임을 특징으로 하는, 방전 가공용 전극 와이어(1).
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 파단된 γ 황동 표면층(4)과 β 황동 내부층(3)을 합한 두께(E3 + E4)가 전극 와이어 직경(D1)의 약 10% 미만임을 특징으로 하는, 방전 가공용 전극 와이어(1).
  7. 제6항에 있어서, 파단된 γ 황동 표면층(4) 두께(E4)가 와이어 직경(D1)의 약 2%이고, β 황동 내부층(3) 두께(E3)가 와이어 직경(D1)의 약 6%임을 특징으로 하는, 방전 가공용 전극 와이어(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 어두운 색상의 γ 황동 표면층(4)의 외부 표면이 산화됨을 특징으로 하는, 방전 가공용 전극 와이어(1).
  9. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, γ 황동 표면층(4)의 외부 표면이 산화되지만, 빛을 반사할 수 있는 밝은 외관을 갖지 않음을 특징으로 하는, 방전 가공용 전극 와이어(1).
  10. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 선택적 용해로 측정된 산화층(6)의 평균 두께(E0) 범위가 약 100 내지 약 250㎚임을 특징으로 하는, 방전 가공용 전극 와이어(1).
  11. 제8항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서, 산화층(6)이 필수적으로 산화아연으로 이루어짐을 특징으로 하는, 방전 가공용 전극 와이어(1).
  12. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서, 코어(2)가, 아연 함량이 40% 미만인 황동으로 제조됨을 특징으로 하는, 방전 가공용 전극 와이어(1).
  13. 제12항에 있어서, 코어(2)가 아연을 20% 함유하는 황동으로 제조됨을 특징으로 하는, 방전 가공용 전극 와이어(1).
  14. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서, 코어(2)가, 아연 함량이 약 37%인 CuZn37 합금으로 제조됨을 특징으로 하는, 방전 가공용 전극 와이어(1).
  15. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서, 코어(2)가 구리로 제조됨을 특징으로 하는, 방전 가공용 전극 와이어(1).
  16. 구리 또는 황동으로 제조된 코어(2)를 공급하는 단계(a),
    전해 공정을 사용하여 코어(2)를 아연층으로 피복시켜 예비블랭크(preblank)를 제조하는 단계(b),
    가능하게는 예비블랭크를 제1 와이어 연신 작동시키는 단계(c),
    와이어 연신 예비블랭크를 약 200 내지 약 400℃의 온도 범위에서 약 2 내지 약 40시간 동안 노 속에서 어닐링하고, 피복층의 아연과 코어(2)의 구리 또는 황동 사이에 확산시켜 표면 산화된 γ 황동 표면층(4)과 β 황동 내부층(3)을 갖는 블랭크를 제조하도록 온도 및 시간을 선택하는 단계(d) 및
    이렇게 하여 확산시킨 블랭크를 제2의 냉각 와이어 연신 작동시켜 최종 직경(D1)이 되도록 유도하고, 이러한 방식으로 γ 황동 표면층(4)을 파단하는 단계(e)를 포함하는, 전극 와이어의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서, 제2 와이어 연신 조작으로 약 40 내지 약 78% 범위의 직경 감소가 달성됨을 특징으로 하는, 전극 와이어의 제조방법.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 제1 와이어 연신 조작으로 약 40 내지 약 60% 범위의 직경 감소가 달성됨을 특징으로 하는, 전극 와이어의 제조방법.
  19. 제16항 내지 제18항 중의 어느 한 항에 있어서, 어닐링 단계(d)가 단계(e) 후 전극 와이어에서 선택적 용해에 의해 측정된, 산화물 층(6)의 평균 두께(E0) 범 위가 약 100 내지 약 250㎚로 되도록 하는 방식으로 선택되는 온도 및 시간 동안 노 속에서 수행됨을 특징으로 하는, 전극 와이어의 제조방법.
  20. 제16항 내지 제19항 중의 어느 한 항에 있어서, 어닐링 단계(d)가 공기 중에서 수행되어 γ 황동 표면층(4)의 외부 표면을 산화시킴을 특징으로 하는, 전극 와이어의 제조방법.
  21. 제16항 내지 제19항 중의 어느 한 항에 있어서, 어닐링 단계(d)가 밀봉 또는 반밀봉 랩퍼 속에서 예비블랭크를 랩핑함으로써 산화를 제한하면서 수행됨을 특징으로 하는, 전극 와이어의 제조방법.
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