KR20210038172A - 방전가공용 전극선 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 방전가공용 전극선에 관한 것으로, 제1 금속으로 이루어진 심선과, 상기 심선의 외면에 도금되는 제2 금속이 상기 심선과 상호 확산에 의하여 상기 심선의 외주에 형성되는 합금층을 포함하고, 상기 합금층은 α상+β'상으로 이루어진 부분과, β'상의 그레인을 포함하고, 상기 합금층의 표면에는 크랙이 형성되는 것을 특징으로 하며, 위와 같은 구성에 의하여 피가공물의 가공속도 및 면조도가 향상되며 전극선의 미세 부스러기의 발생을 극소화하고 표면이 균일한 방전가공용 전극선을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 방전가공용 전극선에 관한 것으로, 더 상세히는 전극선의 표면에 크랙을 가지는 β'상(phase)의 그레인을 형성하여 전극선의 미세 부스러기의 발생을 최소화함으로써 방전의 효율 및 가공 속도를 향상시킬 수 있고, 가공정밀도와 면조도를 향상시킬 수 있는 방전가공용 전극선에 관한 것이다.
와이어 방전가공은 피가공물과 와이어 방전가공용 전극선 사이에 물 등의 가공액을 매체로서 방전을 실시하게 하고, 전극선과 피가공물을 상대적으로 이동시켜 피가공물을 원하는 형상으로 절단 가공하는 것이며, 종래부터 실시되고 있는 방법이다.
이 방전가공법에 있어서 전극선으로는 순동 전극선을 비롯하여 몰리브덴, 텡스턴 등이 포함된 고강도 전극선과, 황동 전극선 등 다양한 종류의 전극선이 사용되고 있다.
이러한 전극선으로서, USP 4,686,153에는 직경 0.49mm의 동복강선에 아연층을 코팅하고, 그후 아연코팅된 동복강선을 직경이 0.2mm가 되도록 신선가공하고, 비산화성 질소가스분위기에서 1 시간 동안 약 300℃로 가열하여 동이 아연층에 확산되도록 하여 아연층을 동-아연 합금층으로 전환시키는 선행기술이 알려져 있다. 위의 동-아연 합금은 약 45%의 아연농도를 가지며, 표면에 대하여 점진적으로 감소하는 농도를 갖는다. 동-아연 함금층의 아연의 평균농도는 50%이하이고 10%이상이다. β상의 동-아연 합금은 40~50%의 아연농도를 가지며, 표면층은 외곽 표면에 β상의 동-아연 합금층을 포함한다. 그러나, 위의 기술은 절단 공정에서 얻어지는 표면의 정도를 악화시키지 않고 가공속도를 개선하는 것이 요구된다.
이에 본 발명의 발명자는 한국 특허등록 10-518727호의 방전가공용 다공성 전극선과, 한국 특허등록 10-518731호의 방전가공용 다공성 전극선의 제조방법을 제안하였다.
위의 기술들은 동을 포함하는 심선 금속과 아연도금층이 상호 확산반응에 의하여 심선 금속의 외주에 γ상의 그레인 조각들로 구성된 합금도금층을 형성하고, 전극선의 표면에는 크랙을 형성함으로써 전극선의 냉각효과를 더욱 향상시켜 가공속도가 USP 4,686,153에서 제안한 전극선 보다 획기적으로 개선되도록 하였다.
그런데, 위의 기술에 대하여 황동의 심선 위에 형성되는 γ상의 합금도금층에 대하여 연구한 결과, 본 발명의 발명자는 Cu-Zn의 2원계 합금중에서 Zn을 50중량% 이상 포함하는 "HYPER Zn" 에 대한 브리넬 경도(brinell hardness)를 동(Cu)-아연(Zn)의 2원계 합금 상(phase)의 변화에 따른 상태도와 경도의 비교 그래프를 도 2와 같이 한국재료연구소의 자문에 의해 확인할 수 있었다.
위의 도 2에 의하면, γ상의 합금도금층은 도 2에 도시된 바와 같이 브리넬 경도(brinell hardness)가 350HB 이상으로 대단히 높고 취성이 매우 높다는 사실을 알게 되었고, 위와 같은 성질을 가지는 γ상의 합금도금층은 인발 과정에서 인발 압력을 견디지 못하여 쉽게 깨어지면서 크랙 파편이 발생하게 되고, 또 다량의 미세 부스러기가 크랙 내외에 부착되게 되어 위와 같은 크랙 파편과 다량의 미세 부스러기는 방전가공할 때, 크랙 파편과 미세부스러기에 의한 2차 방전에 의해 가공속도의 향상에 저해 요인이 되었다.
이에 본 발명자는 한국 특허등록 10-1284495호의 방전가공용 다공성 전극선 및 그 제조방법을 다시 제안하였다.
위의 기술은 한국 특허등록 10-518727호나 10-518731에서 제시하는 전극선과 비교하여 방전가공용 전극선의 표면에 세선 과정에서 심선을 이루는 재질이 제2 합금층에 형성되는 크랙을 뚫고 올라오는 그레인(주로 α상 및 β상을 이룸)을 형성하도록 함으로써, 크랙이 있는 제2 합금층(주로 γ상으로 이루어짐)을 상대적으로 연질인 그레인이 감싸 제2 합금층이 방전 과정에서 깨지거나 부서져 발생하는 미세 부스러기를 줄일 수 있고, 방전 가공 속도와 피가공물의 면조도를 더 개선하는 효과를 얻었다.
그러나 위의 기술은 피가공물의 가공 속도와 피가공물의 면조도는 어느 정도 개선할 수 있지만 크랙(주로 제2 합금층)부가 깨져서 발생하는 전극선의 미세 부스러기를 최소화하는 것에는 한계가 있다.
또한, USP 5,945,010호의 방전가공용 전극선 및 그 제조방법에서는 위 특허들과 동일하게 와이어 전극선에 크랙의 개념을 도입한 특허로서, 와이어 전극선을 제조하기 위하여 심선 위에 심선보다 기화온도가 낮은 아연을 전기도금으로 먼저 코팅하고, 전기도금으로 코팅된 아연도금층이 심선과의 사이에 충분한 확산반응이 발생하도록 하기 위하여 아연도금층이 γ상(phase)의 합금층이 될 때까지 150℃~400℃의 범위에서 1~4시간의 확산열처리공정을 거쳐서, 이러한 확산열처리의 결과에 의해서 도 3에 도시된 바와 같이 γ상의 그레인 조각(9)들이 표면에 형성된 전극선을 제조하고 있다. 미설명부호 tf는 γ상 황동 합금 코팅의 최대 두께이다.
그러나, 위의 기술 역시 전극선의 표면에 아연과 구리의 합금인 γ상의 그레인 조각(9)들로 구성된 합금 도금층을 갖는 전극선을 형성함으로써 가공속도가 개선되는 장점은 있지만, 황동의 심선(8) 위에 크랙이 형성되는 합금도금층은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 주로 γ상으로 이루어지기 때문에 인발 과정에서 인발 압력을 견디지 못하여 쉽게 깨어지면서 크랙 파편과 미세 부스러기들이 많이 발생하여 가공속도와 면조도를 향상시키기에는 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전극선의 미세 부스러기의 발생을 최소화하여 방전의 효율 및 가공 속도를 향상시킬 수 있으면서도, 가공정밀도와 면조도를 향상시키는 방전가공용 전극선을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 전극선의 최외곽층에 주로 β'상의 그레인과 크랙 및 핀홀을 형성하고, 전극선의 표면에서 심선방향으로 크랙보다 깊은 동굴 형태의 ε상과 γ상+ε상으로 구성된 미세 공간을 형성하여 고압으로 제공되는 냉각수가 심선까지 스며들 수 있도록 할 수 있기 때문에 냉각효과가 극대화되고 미세 부스러기가 발생하지 않는 방전 가공용 전극선을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 전극선의 표면에 γ상의 그레인이 형성되는 종래의 전극선보다 전극선의 표면에 β'상의 그레인과 크랙을 형성하여 γ상 크랙보다 더 균일한 방전가공용 전극선을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 전극선의 표면에 전도성 고분자를 도포하여 전극선 표면의 전기전도도를 높여서 가공속도를 더욱 향상시킬 수 있는 방전가공용 전극선을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 전극선의 표면에 반도체 또는 절연체의 고분자를 도포하거나, 반도체성 또는 절연성을 갖는 산화층을 형성하여 불규칙한 방전 전류를 고르게 제공하여 가공물의 표면에 Micro Crack 등의 발생까지 감소시켜서 면조도와 정밀도를 향상시키는 방전 가공용 전극선을 제공하는 것에 있다.
상기 목적 달성을 위하여 본 발명의 방전가공용 전극선은, 제1 금속으로 이루어진 심선과, 상기 심선의 외면에 도금되는 제2 금속이 상기 심선과 상호 확산에 의하여 상기 심선의 외주에 형성되는 합금층을 포함하고, 상기 합금층은, α상+β'상으로 이루어진 부분과, 상기 α상+β'상으로 이루어진 부분의 외주에 형성되는 β'상의 그레인을 포함하고, 상기 합금층의 표면에는 크랙이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 α상+β'상으로 이루어진 부분의 외주에는 적어도 일부분에 함몰되는 부분이 형성되고, 상기 β'상의 그레인은 상기 α상+β'상으로 이루어진 부분의 외주에 형성된 함몰된 부분에 박혀져서 형성되는 것이 바람직하다.
상기 β'상의 그레인은 상기 α상+β'상으로 이루어진 부분의 외곽에 쐐기 형태로 박혀져서 형성되는 것이 바람직하다.
상기 β'상의 그레인은 상기 α상+β'상으로 이루어진 부분의 외곽에 불연속적으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 합금층은 β'상+γ상의 그레인이 더 포함되는 것이 바람직하다.
상기 합금층은 표면에 핀홀이 더 형성되는 것이 바람직하다.
상기 핀홀의 표면층은 γ상+ε상과 ε상 중에서 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 형성되는 것이 바람직하다.
상기 합금층은 표면에서 심선 쪽으로 상기 크랙보다 더 깊게 패인 동굴 형태의 미세 공간이 더 형성되는 것이 바람직하다.
상기 동굴 형태의 미세 공간을 가지는 부분의 표면층은 γ상+ε상과 ε상 중에서 적어도 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 β'상의 그레인에는 크랙이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 심선의 적어도 일부분은 상기 합금층을 뚫고 올라가서 전극선의 표면에 노출되는 것이 바람직하다.
상기 합금층의 표면에는 산화층, 전도성 고분자, 반도체성 고분자, 절연성 고분자 중에서 적어도 어느 하나가 도포된 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 금속은 동, 황동, 또는 동을 포함하는 금속 중 어느 하나이고, 상기 제2 금속은 아연, 알루미늄, 주석 또는 그 합금 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명은 전극선의 미세 부스러기의 발생을 최소화하여 방전의 효율 및 가공 속도를 향상시킬 수 있으면서도, 가공정밀도와 면조도를 향상시키는 방전가공용 전극선을 제공할 수 있다.
본 발명은 전극선의 최 외곽층에 주로 β'상의 그레인, 크랙, 핀홀을 형성하고, 전극선의 표면에서 심선방향으로 크랙보다 깊은 동굴 형태의 ε상과 γ상+ε상으로 구성된 미세 공간을 형성하여 고압으로 제공되는 냉각수가 심선까지 스며들 수 있도록 할 수 있기 때문에 냉각효과가 극대화 되고 미세 부스러기가 발생하지 않는 방전 가공용 전극선을 제공할 수 있다.
본 발명은 전극선의 표면에 γ상의 그레인이 형성되는 종래의 전극선보다 전극선의 표면에 β'상의 그레인과 크랙을 형성하여 γ상 크랙보다 더 균일한 방전가공용 전극선을 제공할 수 있다.
본 발명은 전극선의 표면에 전도성 고분자를 도포하여 전극선 표면의 전기전도도를 높여서 가공속도를 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명은 전극선의 표면에 반도체 또는 절연체의 고분자를 도포하거나, 반도체성 또는 절연성의 산화층을 형성하여 불규칙한 방전전류를 고르게 제공하여 가공물의 표면에 Micro Crack 등의 발생을 감소시켜서 면조도와 정밀도를 향상시키는 방전가공용 전극선을 제공한다.
본 발명은 전극선의 표면에 전도성 고분자 또는 반도체 고분자 또는 절연체 고분자의 도포하므로 미세 부스러기의 이탈을 방지할 수 있으므로 미세 부스러기에 의한 재방전 등을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 Cu-Zn의 2원계 상태도
도 2는 Cu-Zn의 2원계 합금중에서 Zn을 50중량%이상 포함하는 "hyper Zn"에 대한 브리넬 경도(brinell hardness)를 동(Cu)-아연(Zn)의 2원계 합금 상(phase)의 변화에 따른 상태도와 경도의 비교 그래프
도 3은 γ상 그레인과 전극선의 표면 합금층에 크랙을 형성하고 있는 종래의 방전가공용 전극선의 단면을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 방전가공용 전극선의 단면을 3000배 확대한 사진.
도 5는 본 발명의 방전가공용 전극선의 표면 확대 사진.
도 6은 본 발명의 방전가공용 전극선의 표면을 1000배 확대한 사진.
도 7은 본 발명의 방전가공용 전극선의 단면을 3000배 확대한 사진.
도 8은 본 발명의 방전가공용 전극선의 동굴형태의 미세공간 성분 시험표
도 9는 본 발명의 방전가공용 전극선의 핀홀의 성분 시험표
도 10은 본 발명의 방전가공용 전극선의 중간선재 표면 확대 사진.
도 11은 전도성 고분자의 전기전도도의 특성치
도 12는 전도성 고분자를 도포한 철판의 표면의 부식 방지 효과 비교 사진
도 2는 Cu-Zn의 2원계 합금중에서 Zn을 50중량%이상 포함하는 "hyper Zn"에 대한 브리넬 경도(brinell hardness)를 동(Cu)-아연(Zn)의 2원계 합금 상(phase)의 변화에 따른 상태도와 경도의 비교 그래프
도 3은 γ상 그레인과 전극선의 표면 합금층에 크랙을 형성하고 있는 종래의 방전가공용 전극선의 단면을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 방전가공용 전극선의 단면을 3000배 확대한 사진.
도 5는 본 발명의 방전가공용 전극선의 표면 확대 사진.
도 6은 본 발명의 방전가공용 전극선의 표면을 1000배 확대한 사진.
도 7은 본 발명의 방전가공용 전극선의 단면을 3000배 확대한 사진.
도 8은 본 발명의 방전가공용 전극선의 동굴형태의 미세공간 성분 시험표
도 9는 본 발명의 방전가공용 전극선의 핀홀의 성분 시험표
도 10은 본 발명의 방전가공용 전극선의 중간선재 표면 확대 사진.
도 11은 전도성 고분자의 전기전도도의 특성치
도 12는 전도성 고분자를 도포한 철판의 표면의 부식 방지 효과 비교 사진
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전가공용 전극선에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방전가공용 전극선은 도 4의 단면 확대 사진에 도시된 바와 같이 심선과, 합금층을 포함한다.
심선은 전극선의 중심 부분에 위치하는 제1 금속으로 이루어진 선재로서, 선재의 소재가 되는 제1금속은 다양한 종류의 금속이 이용될 수 있으며, 그 예로서는 동, 황동, 또는 동을 포함하는 금속 중 어느 하나가 이용될 수 있고, 바람직하기로는 동 65중량%:아연 35중량%, 또는 동 63중량%:아연 37중량%, 또는 동 60중량%:아연 40중량%로 된 황동 심선 등이 이용될 수 있다. 여기서, 심선은 그 외주에 후술하는 합금층으로 둘러싸여지게 되지만, 제조공정에 따라서는 심선의 적어도 일부분이 후술하는 합금층을 뚫고 올라가서 전극선의 표면에 노출되어 전극선의 표면에 심선 성분이 그대로 검출될 수도 있다.
합금층은 심선의 외면에 도금되는 제2 금속이 심선과 상호 확산에 의하여 심선의 외주에 형성되는 층으로서, 제2 금속은 심선보다 기화온도가 낮은 아연, 알루미늄, 주석 또는 그 합금 중 어느 하나로 이루어지고, 바람직하기로는 아연이 이용될 수 있다.
합금층은 도 1의 Cu-Zn의 2원계 상태도에서 보여지는 α상+β'상으로 이루어진 부분과, α상+β'상으로 이루어진 부분의 외주에 형성되는 β'상의 그레인을 포함하고, 합금층의 외곽, 즉 전극선의 표면을 이루는 부분에는 도 4의 단면 확대 사진에 도시된 바와 같이 크랙이 형성된다. 크랙은 전극선의 외곽에 형성되는 합금층의 표면적을 넓혀서 냉각수 접촉면적이 증가하게 되도록 하므로 냉각효과를 극대화하여 가공속도를 향상시키는데 기여한다.
α상+β'상으로 이루어진 부분은 도 1에 도시된 Cu-Zn 2원계 상태도에서 α+β'로 보여지는 부분의 조성을 가지는 부분으로서, 심선의 외곽에 심선을 둘러싸도록 형성되며, α상+β'상으로 이루어진 부분의 외곽에는 후술하는 β'상의 그레인이 위치하게 된다. 여기서, α상+β'상으로 이루어진 부분은 부분적으로 후술하는 β'상의 그레인을 뚫고, 표면층으로까지 올라오도록 형성될 수도 있으며, 이러한 경우에는 비록 적은 부분이지만, α상+β'상으로 이루어진 부분이 부분적으로 합금층의 최외곽 표면층을 형성하게 된다.
β'상의 그레인은 도 4의 단면 확대 사진에 도시된 바와 같이 α상+β'상으로 이루어진 부분의 적어도 일부분에 함몰되는 부분이 발생되도록 α상+β'상으로 이루어진 부분의 외곽에 박혀져서 형성되고, 위치에 따라서는 β'상의 그레인은 α상+β'상으로 이루어진 부분의 외곽에 쐐기 형태로 박혀져서 형성될 수도 있으며, β'상의 그레인이나 그 주위에는 크랙이 형성된다.
여기서, β'상의 그레인은 α상+β'상으로 이루어진 부분의 외곽에 불연속적으로 또는 α상+β'상으로 이루어진 부분의 외주를 완전히 덮지 못하도록 형성될 수도 있으며, 이와 같이 β'상의 그레인이 α상+β'상으로 이루어진 부분의 외곽에 불연속적으로 형성되게 되면, α상+β'상으로 이루어진 부분이 부분적으로는 합금층의 표면에 직접적으로 노출되게 된다.
합금층은 도 1에 도시된 Cu-Zn 2원계 상태도에 보여지는 β'상+γ상의 그레인을 이루는 부분이 더 포함될 수도 있으며, 이러한 경우에는 합금층의 표면은 β'상의 그레인, α상+β'상으로 이루어진 부분, β'상+γ상의 그레인이 혼재되어서 나타날 수 있다.
합금층은 표면에 도 6의 표면 확대 사진과 도 7의 단면 확대 사진에 도시된 바와 같이 크랙 이외에 핀홀이나 동굴 형태의 미세 공간이 더 형성될 수 있다.
동굴 형태의 미세 공간은 도 7의 단면 확대 사진에 도시된 바와 같이 전극선의 표면에서 심선 방향으로 크랙보다 더 깊게 패여 형성되게 되며, 동굴 형태의 미세 공간을 형성하는 부분의 표면층은 확산열처리와 인발 등의 제조공정에서 일부 기화되어 탈 아연 현상이 일어나기 때문에 아연 농도가 증가하여 도 1 및 도 2에 도시된 γ상+ε상 또는 ε상을 가질 수도 있고, 위치에 따라서는 γ상+ε상과 ε상이 혼재되는 부분이 나타날 수도 있다. 도 8은 동굴 형태의 미세 공간 표면층이 Cu 23.6%, Zn 76.37%로서 γ상+ε상을 나타내는 것을 보여준다.
위와 같은 동굴 형태의 미세 공간은 방전 가공시 고압으로 제공되는 냉각수가 심선 부위(동굴 형태의 미세 공간이 심선 부위까지 연장된 경우)까지도 스며들도록 할 수 있기 때문에 냉각효과가 크게 향상될 뿐 아니라 동굴형태 미세공간 표면층을 구성하는 ε상과 γ상+ε상의 아연성분은 쉽게 기화되면서 열을 빼앗아 가므로 냉각효과가 더욱 개선되어 방전가공속도가 크게 향상되도록 한다.
또한 합금층의 표면에 나타나는 수많은 핀홀들은 전극선의 표면적을 넓혀서 냉각효과를 향상시킬 뿐만 아니라, 핀홀의 표면에는 확산열처리를 실시할 때 발생하는 탈아연현상에 의하여 기화온도가 낮는 γ상+ε상 및/또는 ε상이 형성되어 방전 가공시에 냉각효과를 더욱 향상시키게 된다. 도 9는 합금층의 표면에 나타나는 핀홀의 표면층이 Cu 13.90%, Zn 86.10%로서 상을 나타내는 것을 보여준다.
위와 같이 크랙과 더불어 동굴 형태의 미세 공간이나, 핀홀은 모두 전극선의 표면적을 크게 넓혀 냉각효과를 극대화하고 가공속도를 향상시키는 작용을 한다.
위와 같이 본 발명의 방전가공용 전극선은, 심선의 주위에 형성되는 α상+β'상으로 이루어진 부분과, α상+β'상으로 이루어진 부분의 외곽에 박혀지는 β'상의 그레인을 포함하고, β'상의 그레인이나 그 주위에는 크랙이 형성된다. 일반적으로 종래와 같이 전극선의 표면층을 γ상으로 형성하는 경우는 γ상의 합금층은 도 2에 도시된 바와 같이 경도가 350HB이상이므로 깨지기 쉬운(Brittle) 합금층으로 인발가공시 인발압력을 견디지 못하고 깨어지면서 크랙을 형성하게 될 때, 미세 부스러기가 발생하여 크랙의 표면에 다량으로 부착되게 되고, 크랙의 표면에 다량으로 부착된 미세부스러기들은 방전가공시에 재방전 등에 의하여 가공속도와 면조도를 향상시키는데 저해 요인이 된다.
그러나 본 발명의 β'상의 그레인은 전극선의 표면층이 종래의 γ상의 합금층보다 도 2에 도시된 바와 같이 경도가 월등히 낮고, 유연한 성질을 가지므로 인발공정에서 깨지지 않으면서 전극선의 표면에 미세 부스러기가 거의 부착되지 않도록 하므로 방전가공할 때 미세 부스러기에 의한 2차 방전을 감소시켜 가공속도와 면조도를 크게 향상시킬 뿐 아니라 전극선이 통과하는 다이아몬드 가이드다이스(Diamond Guide Dies)의 막힘 등을 방지할 수 있게 된다.
한편, γ상의 기화온도와 β'상의 기화온도를 비교할 때, γ상의 기화온도가 β'상의 기화온도보다 낮기 때문에 일반적으로 종래의 전극선들은 γ상을 가지는 전극선의 가공속도가 β'상을 가지는 전극선의 가공속도보다 더 빠른 것으로 알려져 있다.
그러나, 본 발명의 전극선은 합금층의 표면이 종래에 가장 빠르다고 알려져 있는 γ상보다 동농도가 높고 아연농도가 낮은 β'상의 그레인으로 대부분 형성되어 있다 하더라도, 본 발명의 합금층의 표면에는 미세 부스러기가 거의 붙어 있지 아니하고, 또 β'상의 그레인과 수많은 크랙들과 수많은 핀홀들이 주로 β'상의 그레인의 주위에 형성되어 있으면서 γ상+ε상 또는 ε상으로 형성된 동굴 형태의 미세 공간이 크랙이나 핀홀보다 더 깊은 부분까지 연장되어 형성되기 때문에 고압으로 제공되는 냉각수가 심선까지 스며들어 냉각효과를 획기적으로 개선시키는 요소들을 많이 형성하고 있으므로 종래의 γ상에 크랙이 형성된 전극선보다 적어도 108% 이상 가공속도가 향상되는 것으로 나타났다.
위와 같은 구조를 가지는 본 발명의 바람직한 실시에 따른 방전가공용 전극선의 제조방법을 설명하면, 다음과 같다
본 발명에 따른 방전가공용 전극선의 제조방법은 상술한 바와 같은 전극선을 제조하는 방법에 관한 것으로, 구체적인 실시예는 심선 제공 단계, 도금단계, 1차 확산열처리 단계, 1차 인발단계, 2차 확산열처리 단계, 2차 인발단계를 거쳐 이루어진다.
(1) 심선 제공 단계에서는 선경 2mm(제1 직경)의 황동(65%:35%)선재를 제1 금속의 심선으로 제공한다.
(2) 도금단계에서는 심선보다 기화온도가 낮은 아연을 제2 금속으로 전기도금을 실시하여 아연도금선재를 얻는 단계로서, 심선을 롤러로 이송시키면서 전기아연도금조에 침지하여 소정의 속도로 통과시켜 심선 외곽에 약 12um 두께의 아연도금층(제2 금속)을 형성한다.
(3) 1차 확산열처리 단계는 아연도금선재를 통전 열처리기의 예열구간을 거쳐 극간의 온도를 약 400℃ 온도로 가열시키면서 약 200m/분의 속도로 통과시켜서 확산열처리를 실시하여 중간선재의 외곽에 합금층을 형성한다.
(4) 1차 인발단계는 확산열처리된 중간선재를 선경 1.2㎜(제2 직경)로 인발공정을 실시하여 중간선재의 표면에 크랙을 형성한다. 도 10은 중간선재의 표면에 크랙이 나타난 것을 보여준다.
(5) 2차 확산열처리 단계에서는 1차 인발된 중간선재를 약 2시간 동안 승온하여 400℃에서 20시간 동안 가열하여 확산열처리를 실시하고 6시간 후 개방하여 크랙이 형성된 그레인 부분에 확산되는 동(Cu) 함량 비율을 높여 β'상의 그레인으로 변환시킨다.
(6) 2차 인발단계는 2차 확산열처리된 중간선재를 전극선의 규격인 선경 0.25mm가 되도록 2차 인발공정과 안정화열처리를 동시에 실시할 수 있는 자동화 설비에서 본 발명의 방전가공용 전극선을 제조하였다. 도 5는 최종적으로 제조된 본 발명에 따른 전극선의 표면 확대 사진으로서, 사진에는 β'상의 그레인과 크랙 부분이 잘 나타나 있고, 도 5에서 나타나는 크랙 부분의 그레인은 도 10에서 보여지는 중간선재 크랙 부분의 그레인과 비교할 때, 그레인의 면적이 더 넓어진 것을 볼 수 있고, 그레인이 넓어짐으로 인하여 도 5의 크랙 부분에는 도 10의 크랙 부분과 비교하여 미세 부스러기의 발생이 현저히 감소되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 4는 위의 방법으로 제조된 전극선의 단면 확대 사진으로서, 사진에는 그레인이 합금층의 함몰된 부분에 박혀져 있는 것을 볼 수 있다. 도 6은 전극선의 표면 확대 사진으로서, 표면층에는 크랙과, 핀홀, 및 동굴 형태의 미세 공간이 나타나 있는 것을 확인할 수 있고, 또 도 7은 전극선의 단면 확대 사진으로서, 크랙과, 동굴 형태의 미세 공간이 나타나 있는 것을 확인할 수 있다.
상기의 제조방법은 본 발명의 기본 개념을 벗어나지 않는 범위내에서 각 회사에서 보유하고 있는 설비에 맞게 확산열처리 방법과 확산열처리 온도와 시간 및 도금방법 등 공정을 여러 형태로 선정, 변형하여 실시할 수 있다.
위와 같이 제조된 본 발명에 따른 선경 Ø 0.25mm 전극선과 비교예 1 및 2의 전극선을 이용하여 가공물을 시험 가공한 결과는 아래의 표 1과 같다.
| 본 발명 | 비교예 1 | 비교예 2 | ||||
| 1st Cut | 787sec | 108% | 848sec | 100% | 835sec | 102% |
| 2nd Cut | 177sec | 114% | 201sec | 100% | 202sec | 100% |
| Total | 964sec | 109% | 1,049sec | 100% | 1,037sec | 101% |
* 표 1에 나타난 위 시험 가공예는 Charmilles Robofil 240SL에서 ST25A. Tec로 수행되었으며, 가공물은 SKD-11(1.5C-12Cr-1Mo-0.35V)의 합금공구강으로서, Rockwell 경도 58~65이고, 높이 40mm 두께의 가공물을 가로 x 세로 =10mm x 10mm의 사각형 막대 형태로 Cutting을 실시하였다.
* 비교예 1은 프랑스 Thermocompact사의 Thermo JP2로서, γ상 합금층의 표면에 크랙을 형성한 선경 Ø 0.25mm 전극선이고, 비교예 2는 독일 Berkenhoff사의 Topas PLUS H로서, γ상 합금층의 표면에 크랙을 형성한 선경 Ø 0.25mm 전극선이다.
위의 시험 결과에서 보는 바와 같이 본 발명의 전극선과 비교예 1 및 2를 이용하여 생산현장에서 일반적으로 사용하고 있는 Standard Parameter 조건으로 방전가공을 각각 2차 가공까지 실시한 결과, 본 발명의 전극선은 비교예 1에 비하여 적어도 1차가공에서는 108%이상으로 가공속도가 향상되었으며 2차가공에서 최대 114%까지 가공속도가 향상되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 위의 설명 예에서는 전극선의 합금층이 α상+β'상으로 이루어진 부분과, α상+β'상으로 이루어진 부분의 외주에 형성되는 β'상의 그레인을 포함하는 것으로 설명하고 있지만, 확산열처리 조건이나 인발공정 등을 일부 변경함에 의해서 합금층의 표면에는 대부분 β'상의 그레인이 나타나면서 일부에는 γ상의 그레인이나 γ상+ε상의 그레인이 혼재되어 더 나타나도록 제조될 수도 있다.
위와 같이 제조되는 전극선은 합금층의 표면이 대부분 β'상의 그레인으로 이루어지고, 일부분은 α상+β'상으로 이루어진 부분과, γ상의 그레인이나 γ상+ε상의 그레인이 혼재되어 나타나게 된다.
한편, 본 발명에 따른 전극선은 β'상의 그레인과 α상+β'상으로 이루어진 부분에서 전극선의 표면에 노출되는 부분 및 크랙, 핀홀, 동굴형태의 미세 공간을 형성하는 부분의 표면층에 산화층을 형성할 수도 있으며, 전극선의 표면과 동굴 형태의 미세 공간에 산화층이 형성되면 산화층이 냉각수 흡수를 촉진하고 도전율을 증가시켜 방전 파워가 향상되므로 가공속도가 더욱 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전극선은 전극선의 표면에 전도성 고분자를 도포하여 전극선 표면의 도전율을 높이고 미세가루의 발생을 억제하여 가공속도를 향상시킬 수도 있다.
전도성 고분자는 도 11의 전기전도도 특성치에서 보는 바와 같이 전기전도도가 100 s/cm 이상으로서 매우 우수하며, doped PEDOT 또는 doped polyaniline 등이 이용될 수 있다. 도 12는 doped polyaniline을 이용하여 금속의 부식방지 실험을 한 예로서, 도 12의 (A)는 철판의 표면 상태를 보여주고 있으며, 도 12의 (B)는 도 9의 (A)에 보여지는 철판의 표면에 폴리아닐린을 도포시킨 후, 0.5 M NaCl 용액을 분사하여 부식을 촉진시켜서 내식성을 시험하는 염소분무시험을 실시한 상태의 사진을 보여주고 있다. 도 12의 (B)의 사진에서 폴리아닐린이 코팅된 부분은 전혀 부식이 되지 않음을 확인할 수 있고, 코팅되지 않은 부분은 부식이 상당히 진행되었음을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전극선은 합금층의 표면에 반도체성 고분자나 절연성 고분자를 도포할 수도 있으며, 반도체성 고분자, 및 절연성 고분자는 방전 전류의 진폭을 정상상태로 안정시키기 때문에 방전펄스(Pulse) 높이와 펄스폭 및 상승시간과 하강시간 등을 안정시켜서, 가공물의 면조도와 정밀도를 더욱 향상시킨다.
또한, 합금층의 표면에는 산화층, 전도성 고분자, 반도체성 고분자, 절연성 고분자 중에서 적어도 어느 하나가 도포될 수도 있지만, 이들 중에서 하나 이상이 도포될 수도 있다.
이상 설명한 본 발명의 방전가공용의 전극선의 기술구성은 발명의 상세한 설명 내용에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 목적을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시할 수 있다.
본 발명은 방전 가공시 미세 부스러기의 발생이 극소화되었기 때문에 재방전이 발생하지 않아 가공속도가 향상되고 피가공물의 면조도가 크게 향상되는 방전가공용 전극선에 이용된다.
8 : 심선 ９：그레인 조각
tf : 코팅층의 두께
tf : 코팅층의 두께
Claims (13)
- 제1 금속으로 이루어진 심선과,
상기 심선의 외면에 도금되는 제2 금속이 상기 심선과 상호 확산에 의하여 상기 심선의 외주에 형성되는 합금층을 포함하고,
상기 합금층은,
α상+β'상으로 이루어진 부분과,
상기 α상+β'상으로 이루어진 부분의 외주에 형성되는 β'상의 그레인을 포함하고,
상기 합금층의 표면에는 크랙이 형성되는 것을 특징으로 하는 방전가공용 전극선. - 제1항에 있어서,
상기 α상+β'상으로 이루어진 부분의 외주에는 적어도 일부분에 함몰되는 부분이 형성되고,
상기 β'상의 그레인은 상기 α상+β'상으로 이루어진 부분의 외주에 형성된 함몰된 부분에 박혀져서 형성되는 것을 특징으로 하는 방전가공용 전극선. - 제1항에 있어서,
상기 β'상의 그레인은 상기 α상+β'상으로 이루어진 부분의 외곽에 쐐기 형태로 박혀져서 형성되는 것을 특징으로 하는 방전가공용 전극선. - 제1항에 있어서,
상기 β'상의 그레인은 상기 α상+β'상으로 이루어진 부분의 외곽에 불연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 방전가공용 전극선. - 제1항에 있어서,
상기 합금층은 β'상+γ상의 그레인이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 방전가공용 전극선. - 제1항에 있어서,
상기 합금층은 표면에 핀홀이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 방전가공용 전극선. - 제6항에 있어서,
상기 핀홀의 표면층은 γ상+ε상과 ε상 중에서 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 형성되는 것을 특징으로 하는 방전 가공용 전극선. - 제1항 내지 제7항 중 어느 하나에 있어서,
상기 합금층은 표면에서 심선 쪽으로 상기 크랙보다 더 깊게 패인 동굴 형태의 미세 공간이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 방전가공용 전극선. - 제8항에 있어서,
상기 동굴 형태의 미세 공간을 가지는 부분의 표면층은 γ상+ε상과 ε상 중에서 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방전가공용 전극선. - 제1항 내지 제7항 중 어느 하나에 있어서,
상기 β'상의 그레인에는 크랙이 형성되는 것을 특징으로 하는 방전가공용 전극선. - 제1항 내지 제7항 중 어느 하나에 있어서,
상기 심선의 적어도 일부분은 상기 합금층을 뚫고 올라가서 전극선의 표면에 노출되는 것을 특징으로 하는 방전가공용 전극선. - 제1항에 있어서,
상기 합금층의 표면에는 산화층, 전도성 고분자, 반도체성 고분자, 절연성 고분자 중에서 적어도 어느 하나가 도포된 것을 특징으로 하는 방전가공용 전극선. - 제1항 내지 제7항 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1 금속은 동, 황동, 또는 동을 포함하는 금속 중 어느 하나이고, 상기 제2 금속은 아연, 알루미늄, 주석 또는 그 합금 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방전가공용 전극선.
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