KR20190099195A

KR20190099195A - 합금 코팅된 edm 와이어

Info

Publication number: KR20190099195A
Application number: KR1020197013619A
Authority: KR
Inventors: 댄드리지 토말린
Original assignee: 글로벌 이노베이티브 프로덕츠, 엘엘씨
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2017-10-06
Publication date: 2019-08-26
Also published as: WO2018071284A1; CN109952386B; EP3526354B1; JP7051879B2; EP3526354A4; US11091820B2; EP3526354A1; US20190233919A1; CN109952386A; KR102459995B1; JP2019531915A

Abstract

방전 가공 장치에서 사용하기 위한 전극 와이어는 금속성 코어 및 금속성 코어 위에 배치된 감마 상 브라쓰의 층을 포함한다. 베타 상 브라쓰의 입자는 감마 상 브라쓰 층 내에 산재되어 있다. 아연을 포함하는 산화물 층은 감마 상 브라쓰 층 위에 배치되어 있다.

Description

합금 코팅된 EDM 와이어

관련 출원

본 출원은 2016년 10월 14일자로 출원된 미국 가특허원 일련 번호 제62/408,275호의 우선권을 청구하며, 이는 이의 전문이 참고로 본원에 포함된다.

기술 분야

본 발명은 방전 가공(electrical discharge machining: EDM) 공작 기계(machine tool)를 사용한 방전 가공(EDM)에 의한 금속 또는 전기 전도성인 부품을 제작하는데 사용된 전극 와이어, 및 감마 상 브라쓰 코팅(gamma phase brass coating)을 활용한 고 성능 EDM 전극 와이어의 제작 공정 및 이러한 공정으로부터 생산된 EDM 와이어에 관한 것이다.

배경

20여년 전에 미국 특허 제5,945,010호에서 상업적으로 실현가능한 감마(γ) 상 브라쓰 코팅된 EDM 와이어 전극 구조의 확인 이래로, 고성능 EDM 와이어 시장은 γ-브라쓰 합금 코팅된 EDM 와이어 구조에 의해 지배되어 왔다. γ-브라쓰 합금 코팅은 광범위한 순수한(unalloyed), 합금처리된, 단일, 및/또는 다중 층 복합 구리 함유 코어에 적용되어 왔다. 이들은 전형적으로 확산 어닐 공정(diffusion anneal process)에 의해 형성되며, 이는 구리 클래드 강 코어(copper clad steel core) 위에서 토미나가(Tominaga)에 의해 EDM 적용(미국 제4,686,153호)에 도입되었고 브리포드(Brifford)에 의해(미국 제4,977,303호) 구리 코어에 도입되었다.

확산 어닐링 공정에서 순수한 아연은 전해 전착(electrolytic deposition)에 의해서 또는 딥 성형 공정(dip forming process)에 이어 150℃ 내지 900℃ 범위의 온도에서 확산 어닐링에 의해 적용된다. 확산 어닐은 벨 노(bell furnace) 또는 정밀하게 제어된 열 처리 프로파일 하에서 연장된 노를 따라 이동하는 와이어를 지닌 역학적 어닐링일 수 있다. 전형적으로, 노 대기는 공기 또는 공기/질소 혼합물이어서 최소의 산화만이 일어난다. 당해 분야의 현재의 상태 모두에서 γ-브라쓰 합금 구조는 합성 반응이 준-평형 확산 어닐이므로 단일 상, 이원 Cu/Zn 합금 γ-브라쓰 코팅을 생성한다. 이는 궁극적으로 참고문헌(Constitution of Binary Alloys)에서 1958년에 발표된 하나의 Hansen과 같은 평형 이원 Cu-Zn상 다이아그램에 의해 예측된 바와 같은 62 내지 65% Zn의 대표적인 평형 조성물을 생성한다.

기존의 코팅된 EDM 와이어 전극 구조는 얇은 산화물 표면 층의 교시를 포함한다. 브리포드(Brifford) 등(미국 제4,341,939호)은 브라쓰 기판 위의 순수한 아연 코팅에 대한 원래의 산화물 표면 층 구조를 제안하였으며, 여기서 표면의 얇은 산화물 필름은 반도체 전기 특성을 나타내도록 구성된 두께를 가졌으며, 이는 방전 공정에서 단락(short circuit)을 방지함을 제시하였다. 후속적으로, 브리포드(미국 제4,977,303호)가 구리 코어에서 단일 상 베타(β) 브라쓰 합금 코팅을 제시한 경우, 와이어는 또한 이의 두께가 약 1μm로 추정되었던 아연 산화물 표면 코팅을 포함하였다. 이러한 기술로부터 생성된 후속적인 생성물은 Cobracut X 및 Cobracut D로 상업적으로 알려졌으며 오늘날 여전히 사용되는 산업 표준이 되었다.

보다 최근에, 반-연속 또는 연속 β-브라쓰 합금 중간체 적층된 구조 위에서 이중 층 불연속 γ-브라쓰 합금 외부 층이 제안되었다(참고: Gross et al. (미국 제6,781,081호), Shin(미국 제7,723,635호), Baumann et al.(미국 제8,853,587호), 및 Blanc et al.(미국 제8,378,247호)). 이러한 구조에서, 얇은(대략 1 μm) 최외각 아연 산화물 층은 EDM 와이어를 코팅하여 브리포드(Brifford) 등이 원래 제안한 바와 같은 단락을 방지하는 반도체 장벽으로서 작용한다.

EDM 기술 발달에서의 이러한 관점에서, 최첨단 기술의 γ-브라쓰 코팅된 와이어 전극 기술은 블랑크(Blanc) 등에 의해 가장 완벽하게 기술되었으며, 이는 바람직한 반도체 아연 산화물 장벽 층의 두께, 예컨대, 100 nm 내지 250 nm를 정밀하게 측정하기 위한 이중 층 γ/β 코팅 및 분석 기술(선택적인 용해 시험(Selective Dissolution Test))을 확인하였다. 또한, 옌(Yen)(미국 제2016/0039027호)은 보다 두꺼운(> 1 μm) 아연 산화물 외층(outer layer)이 EDM 적용에 이용가능한 역 압전 효과(reverse piezoelectric effect)의 장점을 취함으로써 EDM 와이어 성능을 향상시킬 수 있음을 제안하였다.

요약

하나의 예에서, 방전 가공 장치에서 사용하기 위한 전극 와이어는 금속성 코어 및 금속성 코어 위에 배치된 감마 상 브라쓰의 층을 포함한다. 베타 상 브라쓰의 입자는 감마 상 브라쓰 층 내에 산재되어 있다. 아연을 포함하는 산화물 층은 감마 상 브라쓰 층 위에 배치되어 있다.

다른 예에서, 방전 가공 장치에서 사용하기 위한 전극 와이어를 형성하는 방법은 아연을 포함하는 층을 금속성 코어 위에 코팅하여 복합 와이어를 형성시킴을 포함한다. 복합 와이어는 농축된 산소 환경 속에서 열 처리하여 감마 상 층으로부터 침전된 베타 상 브라쓰의 입자를 포함하는 코어 위에 감마 상 브라쓰의 층을 형성시킨다. 복합 와이어는 마무리 직경까지 끌어당겨진다.

본 발명은 EDM 와이어 위에서 두께가 1μm인 아연 산화물 층이 농축된 산소 환경 속에서 열 처리하는 경우 유리한 특징을 제공할 수 있다는 놀라운 발견을 기반으로 한다. 보다 구체적으로, 단일 상 γ-브라쓰 합금 층 위에 위치한 이러한 아연 산화물 층은 저온에서 농축된 산소 환경에 대해 장기간 노출에 대한 반응시 단일 상 γ-브라쓰 합금 상 영역으로부터 아연을 우선적으로 소비할 것이다. 궁극적으로, γ-브라쓰 상 영역 속의 국소 아연 함량은 국소 아연 농도가 γ-브라쓰 합금 존재의 한계치 이하로 떨어질 때까지 무작위적으로 감소할 것이다. 그 결과, β-상 브라쓰 합금 입자의 국부 침전이 γ-브라쓰 합금 층 내에서 일어난다.

구성된 바와 같은 γ-브라쓰 합금이 와이어 드로윙 공정(wire drawing process)에서 후속적으로 변형되는 경우(전형적으로 목적한 인장 강도 및 목적한 와이어 직경을 획득하기 위한 경우에서와 같이) 와이어내 모든 γ-브라쓰 합금 부품은 합금의 극도의 취성으로 인하여 파쇄되어 기저 코어의 표면 속에 포매(embedded)될 것이다. γ/β 이중 층 구조의 경우, 수득되는 미세구조는 궁극적으로 코어 위에 놓인 반-연속 또는 연속 β-상 브라쓰 합금 속에 포매된 단일 상 γ-브라쓰 합금 입자로 특징화된다. β-상 브라쓰 층은 γ-상 브라쓰 층 사이에 및 이와 인접하여 불연속적으로 압출되지만 이러한 이중 층 구조 속의 이들 입자 내에 함유되지 않는다.

β-상 브라쓰 층의 위치는 금속공학적으로 유의적이다. 이러한 이중 적층된 γ/β 구조의 발전에 있어서, γ-상 층 아래의 β-상 층은 흔히 γ-상 층에 금속공학적으로 결합된다. 이러한 특수 결합은 내부적으로 파쇄된 γ입자의 접착을 개선시킨다. 또한, γ-상 층 입자들 사이의 β-상 층의 위치는 전형적으로 코어 와이어 합금보다 더 효율적인 플러싱 표면(flushing surface)을 제공하며, 이는 달리 이러한 공간을 점유할 수 있다.

본 발명에서 우세한 γ-상 층이 또한 무작위로 분산된, 분리된 β-상 브라쓰 침전물을 함유한다는 사실은 이들 침전물이 후속적인 와이어 드로윙에 의해 변형되는 경우 이들이 γ-상 층의 파쇄 기계학(fracture mechanics)에서 별개의 미립자를 가질 수 있다는 잠재적 영향으로 인하여 중요하다. β-상 브라쓰 침전물은 또한 EDM 가공 공정 동안 가공물과의 γ-상 층 인터페이스에서 발생하는 임의의 방전 현상에 영향을 미칠 수 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점 및 완전한 이해는 다음의 상세한 설명 및 첨부되는 도면으로부터 이루어질 것이다.

도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 구현예에 따라 EDM 와이어를 형성하는 다양한 단계를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 선행 기술에 따른 EDM 와이어를 개략적으로 나타낸다.
도 3은 도 2의 선행 기술 EDM 와이어의 단면도이다.
도 4는 도 2의 선행 기술 EDM 와이어의 금속현미경 단면도이다.
도 5는 0.25 mm의 직경에서 도 2의 선행 기술 EDM 와이어의 표면의 광학 현미경 사진이다.
도 6은 1.2 mm의 직경에서 본 발명에 따른 EDM 와이어의 금속현미경 단면도이다.
도 7은 0.25 mm의 직경에서 본 발명에 따른 EDM 와이어의 금속현미경 단면도이다.
도 8은 도 6의 EDM 와이어의 표면의 광학현미경 사진이다.
도 9는 도 1의 EDM 와이어와 도 2의 선행 기술 EDM 와이어를 비교하기 위해 수행된 시험 절단의 스케치이다.
상세한 설명
본 발명은 EDM 공작 기계를 사용하여 EDM에 의한 금속 또는 전기 전도성 부분을 제작하는데 사용된 전극 와이어에 관한 것이며, 구체적으로 감마 상 브라쓰 코팅을 사용한 고 성능 EDM 전극 와이어를 제작하기 위한 공정 및 이러한 공정으로부터 생산된 EDM 와이어에 관한 것이다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 국면에 따른 전극 또는 EDM 와이어(10)의 예를 나타낸다. 도 1a를 참고 하면, EDM 와이어 (10)은 예를 들면, 구리, 구리 아연 합금, 구리 클래드 강 또는 알루미늄 클래드 강을 포함하는 금속 및/또는 금속 합금으로부터 형성된 코어(12)를 포함한다. 코어 (12)는 직경이 약 0.8 내지 2.0 mm이다.
기화열이 35 KJ/cm3 미만인 제2 금속, 예컨대, 아연의 층(13)은 코어 (12) 위에 코팅된다. 그러나, 층(13)은, 구리와 같은 아연 이외에 추가의 물질을 포함할 수 있다. 층(14)은 전기도금에 의한 것과 같은, 임의의 공지된 방식으로 코어 (12) 위에 코팅될 수 있다. 층(13)은 두께가 약 10 내지 12 μm이며 코어 (12)와 협동하여 복합 와이어(10)를 형성한다.
복합 와이어(10)는 확산 어닐링에 의해 가열되며, 이는 층(13)의 일부가 γ-상 브라쓰와 같은 브라쓰 합금으로 변형되어, 코팅 층(14)을 형성하도록 한다(참고: 도 1b). 하나의 예에서, 구리를 포함하는 코어(12)의 열 처리는 구리가 층(13)의 표면으로 확산되도록 함으로써, 후속적으로 아연을 γ-상 브라쓰 합금으로 변형시킨다. γ-상 브라쓰 층(14)은 실질적으로 균질한 조성 및 두께를 가질 수 있다. 하나의 예에서, 확산 어닐링을 약 150℃ 내지 160℃에서 약 24시간 동안 수행할 수 있다. 확산 어닐링은 산소가 농축된 환경, 즉, 22% 이상의 산소로 구성된 환경에서 수행되어, 층(13)의 외부 부위가 코팅된 와이어(10)의 외부를 정의하는 얇은, 산화아연 층(16)으로 산화되도록 한다. 산화아연 층(16)은 두께가 적어도 1 μm이다. 열 처리의 정도 및/또는 기간에 따라서, 코어(12)에 인접한 γ-상 층(14)의 부위는 코어로부터 추가의 구리를 수용할 수 있으며, 이는 이러한 부위를 β-상 브라쓰(18)의 층으로 변형시킨다(참고: 도 1c 내지 도 1d).
제1 라운드의 열 처리 후, 코팅된 와이어(10)는 다시 확산 어닐링될 수 있지만, 이는 제1 라운드보다 더 높은 온도 및 더 짧은 기간에서 수행된다. 하나의 예에서, 제2 라운드의 확산 어닐링은 약 275℃에서 약 6시간 동안 농축된 산소 환경에서 수행될 수 있다. 열 처리 동안, 산화아연 층(16)은 반응 동력학으로 인하여 기저 γ-상 층(14)로부터 아연을 우선적으로 소비함으로써, 국소 아연 농도가 이러한 위치에서 γ-상 존재에 대한 한계치 이하가 될 때까지 무작위 위치로 γ-상 층 내에서 국소적으로 아연 함량을 감소시킨다. 그 결과, β-상 입자(20)의 국소 침전이 γ-상 층(14) 내에서 일어난다. 따라서, β-상 입자(20)는 γ-상 층(14) 내에서 분산되어 γ-상 층에 의해 완전히 둘러싸이거나 둘러쌓일 수 있다.
다음에, 코팅된 와이어(10)는 냉 드로윙 공정을 겪으며, 이는 코팅된 와이어를 변형시켜 바람직한 인장 강도 및 마무리 직경을 획득하도록 한다. 드로윙 단계 동안에, γ-상 층(14)은 도 1e에 나타낸 바와 같이, 와이어(10)의 둘레 위에 재분배된다. γ-상 층(14)은 완전히 취성이어서 드로윙 단계에 의해 신장되는 경우 부서진다. 그 결과, 일련의 불연속 또는 갭(24)이 드로윙 동안 층(14) 속에 형성된다. 갭(24)은 방사상으로 내부에 확장됨으로써, 코어 및/또는 β-상 층(18)의 부위가 γ-상 층(14)을 통해 주위 조건에 노출되도록 한다.
동시에, 층(14)을 형성하는 취성의 γ-상 브라쓰 입자 중 일부는 파쇄되어 자체적으로 기저 β-상 층(18)의 표면 속에 포매됨으로써 γ-상 층/β-상 층 계면을 따라 나선형 형태(convoluted topography)를 생성한다.
상기 내용으로부터 와이어(10)를 농축된 산소 환경에서 열 처리하는 경우 몇가지 물리적 변화가 발생함이 명백하다. 첫째로, 아연 층(13)은 산화아연 층(16) 및 γ-상(14) 층으로 및, 경우에 따라, 코어(12)와 γ-상 층 사이에서 방사상으로 추가의 β-상 층(18)으로 점진적으로 변형된다. 둘째로, γ-상(14) 층은 이의 아래의 층, 즉, 코어(12) 또는 β-상 층(18)에 금속공학적으로 결합됨으로써, γ-상 층과 이의 아래의 층 사이의 접착력을 증진시킨다. 셋째로, 아연 층(13)은 지속적으로 산화아연 층(16)을 형성하며 β-상 브라쓰 입자(20)가 무작위 위치에서 γ-상 층 밖으로 침전될 때까지 γ-상 층으로부터 아연을 해체한다.
상기로부터 몇가지 물리적 변화가 드로윙 동안 와이어(10) 내에서 일어남이 명확하다. 첫째로, 취성의 γ-상 층(14)은 파쇄되어 와이어(10)의 둘레 위에 재분포함으로써, 여기에 단절(discontinuity) 또는 크랙(24)을 형성한다. 이러한 단절(24)은 β-상 층(18)의 부위로 적어도 부분적으로 충전되며, 이는 이의 높은 연성(ductility)으로 인하여 드로윙 단계에서 밖으로 압출된다. 그 결과, β-상 층(18)은 단절(24)로 외부로 방사상 압출됨으로써 코어 와이어(12)보다 더 효율적인 플러싱 표면(flushing surface)을 제공하며, 이는 공간 그러나 β-상 층의 존재에 대해 점유할 수 있다. 아연 산화물 층(16)의 부위는 또한 냉 드로윙 후 단절(24) 내로 연장될 수 있다. 더욱이, β-상 브라쓰 입자(20)는 와이어 드로윙에 의해 변형되는 경우 와이어(10)의 파쇄 메카니즘에 유리하게 영향을 미칠 수 있다.

실시예

본 발명의 EDM 와이어의 샘플(HTCLN)을 블랑크(Blanc) 등(미국 특허 제8,378,247호)의 설명으로부터 재생된 샘플(SD2)과 비교하였다. 도 2 및 3을 참고로, SD2 샘플 와이어(31)는 두께 E₃을 갖는 연속된 β-브라쓰 서브층(33)으로 덮힌 63Cu/37Zn으로 제조된 코어(32)를 함유하는 γ/β 이중 층 구조를 포함하였다. 표면 층(34)은 서브층(sublayer)(33)을 덮고 있으며 두께 E₄를 갖는다. 표면 층(34)은 파쇄시 β-브라쓰를 나타내는 파쇄된 γ-브라쓰 구조(35a)를 포함한다. 표면 층(35)의 γ-상 영역(35)은 표면 층에서 파쇄부(35a)와 접한다. β-브라쓰는 γ-브라쓰 표면 층(34)내 파쇄(35a)를 적어도 부분적으로 충전하여, 와이어(31)의 표면을 특정한 정도의 연속성으로 제공할 수 있다. 산화물 층(36)은 표면 층(34)을 덮고 두께 Eo로 계산된다. SD2 와이어 샘플(31)은 직경 D₁이 0.25 mm이다.

본 발명을 γ-브라쓰 코팅된 와이어 전극 기술의 현재 상태와 비교하기 위하여, 금속공학적 구조의 특성화 및 현재의 γ-브라쓰 코팅된 구조, 즉, SD2 샘플의 성능을 확립하는 것이 적절하였다.

그렇다고 해도, 도 4는 SD2 샘플의 고도로 확대된 약하게 에칭된 금속공학적 광학 횡단면이다. 도 5는 SD2 샘플의 고도로 확대된 표면 형상에서의 광학 현미경 사진이다. 블랑크 등에 의해 처방된 선택적인 용해 시험(Selective Dissolution Test)을 샘플 SD2에서 수행하였으며, 그 결과 산화물 층(36)이 계산된 두께 E₀ = 191 nm를 가졌다(참고: 도 3). 이러한 값은 블랑크 등의 바람직한 결과 100 nm 내지 250 nm와 일치하였다.

샘플 HTCLN은 다음과 같은 상세한 공정 스케쥴을 사용하여 본 발명에 따라 제조하였다:

단계 1. 1.2 mm 직경의 60Cu/40Zn 코어 와이어 상에서 전기도금 10-12 μm

단계 2. 산소 대기 속에서 155℃에서 24시간 동안 열 처리한다.

단계 3. 열 처리 온도를 275℃로 상승시키고 추가로 6시간 동안 지속한다.

단계 4. 농축된 H₂S0₄ 용액(10% 내지 15% H₂S0₄/pH = 1 내지 2) 속에서 피클링(pickling)한다.

단계 5. 0.25 mm의 마무리 직경으로 드로윙한다.

샘플 HTCLN을 가공하는데 사용된 전략은 평가되는 유일한 미세구조에 관여하는 열 처리에 의해 도입된 임의의 잠재적인 과량의 산화물을 제거하면서 샘플 SD2에 대한 부품 및 치수에 있어서 유사한 미세구조를 생산하는 것으로 알려진 열 처리로 샘플을 생성하는 것이었다. 이러한 목적을 위해, 단계 4에서 코팅된 와이어의 피클링은 SD2 샘플에 대해 HTCLN 샘플을 시험할 목적을 위해 HTCLN 샘플로부터 과도한 산화물을 제거하였다. 그러나, 사용시, 산화물은 코팅된 와이어로부터 제거되지 않을 수 있다.

그 결과, SD2 및 HTCLN 샘플 둘 다는 이들의 γ-상 층 구조를 제외하고는 비교가능한 미세구조, 즉, 샘플 HTCLN 속의 γ-상 층내 β-상 입자 침전물의 존재 대 샘플 SD2 속의 γ-상 층내 이러한 입자의 부재를 갖는 것으로 의도되었다. 이는 본 발명의 유일한 미세구조가 선행 기술보다 개선된 성능에 관여한다는 것을 확립할 목적으로 수행되었다.

도 6은 단계 3의 결론에서 고도로 확대된 샘플 HTCLN의 광택이 나는 금속공학적 광학 횡단면의 사진이다. 사진은 와이어 드로윙 전에 1.2 mm의 중간 직경에서 γ-상 층(14)내 β-상 입자(20) 침전물의 존재를 명확하게 나타내었다. 단계 3 이후 HTCLN 샘플의 이러한 및 유사한 횡단면을 Paxit™ 영상 분석 소프트웨어(Image Analysis Software)로 분석하였으며 평균 6.4% 공기 함량의 β-상 입자(20) 침전물을 발견하였으며, 이는 주사 전자 현미경(SEM)에서 EDS 분석에 의한 β-상 입자로서 이미 확인되었다.

변형된 선택적인 용해 시험을 단계 3의 결론에서 HTCLN 샘플 상에서 수행하였으며, 여기서 와이어 직경은 1.2 mm이었다. 0.25 mm 직경의 SD2 샘플과 비교하여 HTCLN 샘플의 보다 큰 직경으로 인하여 HTCLN 샘플에서 시험을 수행하는 경우 120분의 용해 시간을 사용하였다. 이러한 변형된 시험을 사용하여, 단계 3의 결론에서, HTCLN 샘플에 대한 E₀은 227 nm인 것으로 계산되었다. 단계 4의 결론에서, E₀는 95 nm인 것으로 계산되었으며, 이는 열 처리된 값으로부터의 유의적인 강하(drop)이다.

도 7은 단계 5의 결론에서 고도로 확대된 HTCLN 샘플에서 약하게 에칭된 금속공학적 광학 횡단면이다. β-상 입자(20) 침전물은 γ-상 층(14) 내에 분산된 것으로 명확하게 나타난다. 열 처리 동안 합성된 연속된 γ-상 층(14)은 코어 (12)를 향해 내부로 방사상 연장되는 일련의 크랙 또는 단절(24)을 갖는 별개의 그러나 불연속적인 층으로 파쇄되었다. 동시에, β-상 층(18)은 또한 와이어(10) 둘레의 둘레 주변에 재분포되었지만 이의 보다 큰 연성으로 인하여 연속 층으로 남았다. 이를 위해, β-상 층(18)을 γ-상 층(14)의 내부 및 부위 사이에서 단절(24)로 방사상 외부로 압출되었다. 아연 산화물 층(16)의 부위는 또한 단절(24)로 연장되었다.

도 8은 HTCLN 샘플의 고도로 확대된 표면 형상의 광학 현미경사진이며, 이는 SD2 샘플과 형상에 있어 유사하다. 현미경사진은 또한 SD2 샘플에서 입증된 동일한 표면 연속성을 나타낸다. 블랑크 등에 의해 규정된 선택적인 용해 시험을 0.25 mm의 마무리 직경에서 HTCLN의 샘플에서 수행하였으며 결과는 E₀ = 84 nm이었다.

분석

SD2 및 HTCLN 샘플의 상기 특성화를 고려하여, 2개의 구조의 비교를 하기 표에 요약한다:

E₃ 및 E₄에 대한 정확한 두께 값의 평가는 1) 드로윙 동안 γ-상 층의 불규칙한 형태의 입자 및 이의 그룹으로의 분쇄, 및 2) β-상 층이 또한 드로윙 동안 자체적으로 재분포하기 때문에 어려웠다. 그러나, 이중 층 두께(E3 + E4)를 평가하는 것은 이것이 와이어의 외부 직경 및 β-상 층의 내부 직경에 의해 정의될 수 있기 때문에 보다 용이하고 정확하게 달성될 수 있다.

샘플 SD2와 HTCLN 사이의 이러한 제한 및 구조적 유사성을 고려하여, HTCLN 샘플이 HTCLN 샘플내 γ-상 층으로부터 침전되어 나온 β-상 입자의 존재로 인하여 SD2 샘플과는 미세구조에 있어서 금속공학적으로 유의적인 차이를 가진 것으로 결론짓는 것이 타당하다.

SD2 샘플과 HTCLN 샘플 사이의 성능을 정량화하기 위하여, 모의시험된 펀치(simulated punch)의 시험 절단을 Model 650 G plus Excetek EDM 와이어 공작 기계 상에서 수행하였다. 워크 피스(work piece)는 상부 및 하부에 연마된 경화된(52 내지 56 사이의 Rc) D2 도구 강 표면의 2.0 인치 두께 플레이트로 이루어져 밀봉된 플러싱 조건을 생성하였다. 시험 절단부의 기하학적 구조는 도 9에 나타낸다. 세그먼트(segment)의 길이는 다음과 같다:

Ao = 0.025 인치

A = 0.200 인치

B = 0.200 인치

C = 0.400 인치

D = 0.400 인치

E = 0.400 인치

F = 0.100 인치

G = 0.025 인치

시험 절단은 조절된 러핑 패스(timed roughing pass)에 이어 순차적으로 수행된 조절된 2회의 조절된 스킴 절단(timed skim cut)을 포함하였다. 각각의 통과는 플레이트의 가장자리에서 개시하였다. 시험 절단을 플레이트 위에서 일정한 간격을 유지하여 이전 커프(kerf)의 0.200 인치 이내의 가장자리 또는 절단 경로 없도록 하여 플러싱 조건의 온전성을 보장하였다. 초기에 러핑 통과의 다수의 주기를 수행하여 각각의 와이어 구조가 임의의 와이어 파괴없이 A로부터 G까지 완전한 주기를 통해 지속될 수 있는 가장 공격적인 기계 기술을 확립하였다. 제조업자에 의해 제공된 브라쓰 기계 기술을 출발 점으로 사용하고 와이어 파괴가 발생할 때까지 이에 대해 조절하였다. 작동자가 이용가능한 Excetek 기계 기술 매개변수는 적절하게는 이들의 기능의 간략한 설명과 함께 하기 나타낸다:

이용가능한 기계 기술 및 2개의 SD2 샘플 및 하나의 HTCLN 샘플의 시험 절단에 사용된 것을 하기 표에 나타낸다:

요약하면, HTCLN 샘플은 이것이 SD2 샘플보다 더 공격적인 공작 기계 기술을 지탱하도록 하는 강인성(toughness)을 입증하였다. 와이어 성능에 영향을 미치는데 있어서 가장 효과적인 매개변수는 밑줄로 확인된다. 기술 SD2^*는 SD 기술을 HTCLN 기술에 가장 가깝도록 하였지만 SD2^* 기술을 사용한 시험 절단은 세그먼트 A로부터 G까지의 이동에 있어서 5개의 와이어 파괴를 야기하였다. 동일한 스킴 기술 1 및 2 및 모든 거친 절단 및 스킴 통과에 대한 오프셋을 샘플 SD2 및 샘플 HTCLN 둘 다에서 사용하였다.

시험 절단의 결과를 하기 표에 요약한다:

공작 기계는 세그먼트 Ao의 시작점에서 출발하여 세그먼트 G의 결말을 조절하며, 여기서 세그먼트 Ao는 전이를 포함하며 여기서 이상적인 플러싱 조건 및 세르보 평형(servo equilibrium)이 확립되지만 이러한 비-평형 조건의 짧은 범위(short span)는 시간 데이타로부터 유도된 임의의 결론에서 최소의 효과를 갖는다.

시험으로부터의 완료된 시험 펀치는 1 밀(mil)의 1/10 이내로 정밀하였다. 샘플 둘 다의 표면 마무리는 또한 Mitutoyo SJ-410 표면 조도 시험기에서 측정한 바와 허용가능하게 근접하였다. HTCLN 샘플의 계산된 공급 속도(주기 회수로 나눈 절단 길이)는 SD2 샘플의 것보다 약 15% 더 빠른 것으로 측정되었다. 이는 HTCLN 샘플의 유일한 미세 구조, 즉, γ-상 층 내 β-상 입자 침전물의 존재가 HTCLN 샘플이 최첨단의 EDM 와이어의 상태에 비하여 개선된 성능을 나타내도록 한다는 명확한 증거이다.

상기 기술된 것은 본 발명의 예이다. 물론, 본 발명을 설명할 목적으로 성분 또는 방법론의 모든 고려할 수 있는 조합을 설명하는 것이 가능하지 않지만, 당해 분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 많은 추가의 조합 및 치환이 가능함을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 취지 및 영역 내에 속하는 모든 이러한 변경, 변형 및 변화를 포함하는 것으로 의도된다.

예를 들면, 본 발명에 따라 형성된 EDM 와이어는 γ-상 층 단독 또는 γ-상 층 및 β-상 층 둘 다 - γ-상 층 내에 분산/분리된 침전된 β-상 입자를 포함하는 구조 둘 다를 포함할 수 있음이 인식될 것이다. 전자의 구조에서, 단절은 코어로 확장되어 코어를 노출시킬 수 있다. 후자의 구조에서, 단절은 β-상 층을 노출시킨다.

Claims

금속성 코어(metallic core);
금속성 코어 위에 배치된 감마 상 브라쓰(gamma phase brass)의 층;
감마 상 브라쓰 층 내에 산재된 베타 상 브라쓰의 입자; 및
감마 상 브라쓰 층 위에 배치된 아연을 포함하는 산화물 층을 포함하는, 방전 가공 장치(electrical discharge machining apparatus)에서 사용하기 위한 전극 와이어.
제1항에 있어서, 코어와 감마 상 브라쓰 층 사이에 베타 상 브라쓰의 층을 추가로 포함하는 전극 와이어.
제2항에 있어서, 베타 상 브라쓰 층이 연속적인 전극 와이어.
제2항에 있어서, 감마 및 베타 상 브라쓰 층의 조합된 두께가 약 12 내지 15 μm인 전극 와이어.
제2항에 있어서, 감마 상 브라쓰 층이 불연속적이어서 베타 상 브라쓰 층을 노출시키는 전극 와이어.
제1항에 있어서, 감마 상 브라쓰 층이 불연속적인 전극 와이어.
제1항에 있어서, 산화아연 층이, 두께가 약 84 nm인 전극 와이어.
제1항에 있어서, 코어가 구리, 구리 아연 합금, 구리 클래드 강 또는 알루미늄 클래드 강, 및 금속 및 금속 합금 중 적어도 하나를 포함하는 전극 와이어.
아연을 포함하는 층을 금속성 코어에 코팅시켜 복합 와이어를 형성시키는 단계; 및
복합 와이어를 농축된 산소 환경 속에서 열 처리하여 감마 상 층으로부터 침전된 베타 상 브라쓰의 입자를 포함하는 코어 위에 감마 상 브라쓰의 층을 형성시키는 단계; 및
복합 와이어를 마무리 직경으로 드로윙(drawing)시키는 단계를 포함하는, 방전 가공 장치에서 사용하기 위한 전극 와이어를 형성시키는 방법.
제9항에 있어서, 열 처리하는 단계가
복합 와이어를 제1 온도에서 농축된 산소 대기 속에서 가열시키는 단계; 및
복합 와이어를 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 농축된 산소 대기 속에서 가열하는 단계를 포함하는 방법.
제10항에 있어서, 제1 온도가 약 150℃ 내지 160℃이고 제2 온도가 약 275℃인 방법.
제9항에 있어서, 복합 와이어를 열 처리하는 단계가 코어와 감마 상 브라쓰 층 사이의 베타 상 브라쓰의 중간 층을 형성시키는 방법.
제12항에 있어서, 복합 와이어를 드로윙하는 것이 감마 상 브라쓰 층 내에 단절(discontiniity)를 형성하여 베타 상 브라쓰 와이어를 단절로 압출시키는 방법.
제12항에 있어서, 베타 상 브라쓰 층이 불연속적인 방법.
제9항에 있어서, 복합 와이어를 드로윙하는 것이 감마 상 브라쓰 층내 단절을 형성시키는 방법.