WO2014025007A1 - ワイヤ放電加工に用いるワイヤ電極 - Google Patents

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WO2014025007A1
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brass
zinc
wire electrode
layer
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上田利幸
真家信夫
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株式会社ソディック
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H7/00—Processes or apparatus applicable to both electrical discharge machining and electrochemical machining
    • B23H7/02—Wire-cutting
    • B23H7/08—Wire electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C10/00—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces
    • C23C10/28—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces using solids, e.g. powders, pastes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/48—After-treatment of electroplated surfaces
    • C25D5/50—After-treatment of electroplated surfaces by heat-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D7/00—Electroplating characterised by the article coated
    • C25D7/06—Wires; Strips; Foils
    • C25D7/0607—Wires
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D3/00—Electroplating: Baths therefor
    • C25D3/02—Electroplating: Baths therefor from solutions
    • C25D3/22—Electroplating: Baths therefor from solutions of zinc

Definitions

  • the present invention relates to a wire electrode used for wire electric discharge machining.
  • the present invention relates to a wire electrode in which zinc in a coating layer is diffused into a brass core wire.
  • the wire electrode is a tool electrode used for wire electric discharge machining.
  • a standard wire electrode has a diameter of ⁇ 0.10 mm or more and ⁇ 0.30 mm.
  • the material of the wire electrode affects the material removal rate, surface roughness, and shape accuracy.
  • the surface roughness and the shape accuracy are simply referred to as accuracy. From the viewpoint of accuracy, the roughness of the outer peripheral surface of the wire electrode is preferably small. A wire electrode that is easily consumed by electric discharge machining adversely affects accuracy.
  • the wire electrode is vertically conveyed between a pair of wire guides.
  • An appropriate tension is applied to the traveling wire electrode. It is known that a traveling wire electrode vibrates between a pair of wire guides. The vibration of the wire electrode adversely affects accuracy. The large tension of the wire electrode suppresses unwanted vibrations. Therefore, the wire electrode requires high tensile strength. Furthermore, the wire electrode requires high heat resistance and good conductivity.
  • a typical wire electrode is made from brass.
  • a wire electrode in which zinc having a low melting point is coated on the outer peripheral surface of a brass core wire is known.
  • the zinc coating layer takes away the heat resulting from the discharge and melts and scatters.
  • the brass core wire is protected from heat. Since a high peak current can be supplied to the zinc-coated wire electrode, the material removal rate is improved.
  • the zinc coating layer is difficult to be fixed on the outer peripheral surface of the brass core wire and may be peeled off by the final wire drawing. Electroplating is difficult to form a thick zinc coating layer. In hot dipping, it is difficult to form a zinc coating layer having a small surface roughness.
  • Patent Document 1 discloses a wire electrode in which a layer in which zinc is diffused into a core wire by heat treatment is formed between a brass core wire and a zinc coating layer. This diffusion layer makes it difficult to peel off the zinc coating layer.
  • Patent Document 2 discloses a wire electrode composed of a copper alloy core wire and a diffusion layer as a surface layer by long-time heat treatment of the zinc-coated wire. This diffusion layer is an ⁇ mixed crystal composed of an ⁇ phase and a ⁇ phase. The ⁇ phase indicates a face-centered cubic lattice structure, and the ⁇ phase indicates a body-centered cubic lattice structure.
  • Patent Document 3 discloses a wire electrode obtained by subjecting a pure copper core wire coated with zinc to two heat treatments at different temperatures.
  • This wire electrode is composed of an ⁇ -phase core wire and a ⁇ -phase surface layer. If the core wire changes to ⁇ -phase brass, it becomes difficult to form a surface layer having a sufficient and uniform thickness.
  • Patent Document 4 discloses a wire electrode in which a diffusion layer of ⁇ phase, ⁇ phase, or ⁇ phase- ⁇ phase is selectively formed as a surface layer depending on heat treatment conditions.
  • the heat treatment condition is, for example, a temperature rise rate.
  • the ⁇ phase exhibits a hexagonal close-packed lattice structure with a high atomic density. It is known that the higher the atomic density in the crystal structure, the more efficient the discharge energy.
  • a wire electrode including an ⁇ -phase diffusion layer as a surface layer can theoretically improve the material removal rate without reducing accuracy.
  • the ⁇ -phase diffusion layer as the surface layer needs to have a thickness of 5 ⁇ m or more.
  • the ⁇ -phase diffusion layer has poor spreadability, is hard, and is difficult to be plastically deformed. Therefore, the thickness of the ⁇ -phase diffusion layer that remains unbroken after the final wire drawing is at most 2 ⁇ m. For this reason, the wire electrode including the ⁇ -phase diffusion layer as the surface layer cannot actually utilize the advantages.
  • the object of the present invention is to provide a wire electrode comprising a zinc-rich surface layer of sufficient thickness that can be easily manufactured.
  • the wire electrode of the present invention comprises a core wire (10) made of brass and a brass wire having a zinc coating layer formed by electroplating in a heating furnace (40) in a horizontal direction at a constant traveling speed while traveling in a horizontal direction at a predetermined constant temperature. It is formed by forming a diffusion layer consisting only of the ⁇ phase in which zinc in the zinc coating layer diffuses into the brass wire by continuously and uniformly heat-treating in an atmosphere, and then reducing the diameter of the heat-treated wire by drawing. And a surface layer (20) having a thickness of 5 ⁇ m or more.
  • the diameter of the brass wire is preferably ⁇ 0.7 ⁇ m or more and ⁇ 1.2 ⁇ m or less.
  • the thickness of the zinc coating layer is preferably 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the brass wire on which the zinc coating layer is formed is preferably heat-treated in a constant temperature atmosphere of 450 ° C. or higher and 650 ° C. or lower. More preferably, the brass wire on which the zinc coating layer is formed is heat-treated in a constant temperature atmosphere of 540 ° C. or higher and 600 ° C. or lower. Further, the zinc content in the surface layer is 45% by weight or more and 48% by weight or less.
  • the core wire is made of brass containing 60% to 70% by weight of copper and 30% to 40% by weight of zinc.
  • the wire electrode further includes a partition layer having a thickness of 1 ⁇ m or less formed between the core wire and the surface layer.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a wire electrode of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a process for manufacturing the wire electrode of the present invention.
  • FIG. 3 is a side view of a heating furnace used in the process for producing the wire electrode of the present invention.
  • the wire electrode 1 of the present invention includes a core wire 10, a surface layer 20, and a partition wall layer 30.
  • the core wire 10 is brass.
  • the core wire 10 is made of brass containing 60% by weight to 70% by weight copper, 30% by weight to 40% by weight zinc, and less than 1% by weight impurities.
  • the core wire 10 having a zinc concentration exceeding 40% by weight is easily dissolved when immersed in the plating solution, and the outer shape cannot be maintained.
  • the zinc content is less than 30% by weight, the core wire 10 is insufficient in straightness.
  • the core wire 10 is made of brass containing 65% by weight copper and 35% by weight zinc.
  • the surface layer 20 is a diffusion layer.
  • the diffusion layer generally includes a ⁇ phase having a body-centered cubic lattice.
  • the zinc content of the diffusion layer is 45% by weight or more and 48% by weight. As long as the effects of the wire electrode of the present invention can be obtained, the diffusion layer is allowed to contain a little ⁇ phase or ⁇ phase.
  • the surface layer 20 is made of brass containing more than 40% by weight of zinc, so-called zinc rich brass. Particularly preferably, the surface layer 20 contains not less than 45 wt% and not more than 48 wt% of zinc.
  • the crystal structure of the body-centered cubic lattice and the high zinc content improve the material removal rate of electrical discharge machining.
  • the surface layer 20 has a thickness of at least 5 ⁇ m.
  • a zinc coating layer having a thickness of 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less is uniformly formed on the surface of the core wire of ⁇ 0.7 mm or more and ⁇ 1.2 mm or less by electroplating.
  • zinc in the coating layer diffuses into the brass core wire, and a diffusion layer having a thickness of 40 ⁇ m or more and 80 ⁇ m or less is formed.
  • the thickness of the diffusion layer is reduced to 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the partition layer 30 is formed between the core wire and the diffusion layer under a certain heating condition in the heat treatment for changing the zinc coating layer into the ⁇ -phase diffusion layer.
  • the partition layer 30 has a thickness of 1 ⁇ m or less. Since the partition layer 30 is inside the surface layer 20, it is not affected by electric discharge and does not affect electric discharge machining performance. Since the partition wall layer 30 is extremely thin, its component and structure are not accurately analyzed. When the thickness of the diffusion layer is increased to 40 ⁇ m or more and 80 ⁇ m or less, the partition layer 30 is estimated to delay diffusion and protect the core wire.
  • the wire electrode 1 improves the material removal rate.
  • the wire electrode 1 has sufficient conductivity, tensile strength, and straightness.
  • the wire electrode 1 includes a diffusion layer that is not broken by wire drawing.
  • a wire electrode having a diameter of 0.02 mm including the core wire 10 and the surface layer 20 is manufactured.
  • the core wire 10 is made of brass containing 65% by weight copper and 35% by weight zinc.
  • the surface layer 20 is a ⁇ -phase diffusion layer and has a thickness of 5 ⁇ m and a zinc content of 46% by weight.
  • a copper plate or copper ingot and zinc powder are put into a melting furnace to produce brass.
  • the concentration of copper or zinc in the melting furnace is measured, and brass having the composition required for the core wire 10 is generated.
  • a wire is cast.
  • molten brass is continuously poured out of the melting furnace and cooled.
  • a wire having a diameter of 6 mm to 10 mm, preferably 8 mm is formed.
  • the diameter of the wire is not constant.
  • An annular convex portion such as a bamboo knot is formed on the wire.
  • undesirable small irregularities are formed on the surface of the wire.
  • the wire is reduced in diameter by drawing to form a brass wire having a diameter of ⁇ 0.7 mm to ⁇ 1.2 mm, preferably ⁇ 0.9 mm.
  • This brass wire becomes the core wire of the final wire electrode.
  • a number of dies with different inner diameters are used for wire drawing.
  • the wire is passed through a large number of dies and gradually reduced in diameter.
  • the diameter of a wire is made constant by wire drawing.
  • the diameter of the brass wire only needs to be small enough to efficiently perform electrogalvanization and heat treatment. Further, the diameter of the brass wire only needs to be small enough that the surface layer 20 is not broken when the wire is reduced to ⁇ 0.20 mm by drawing.
  • the brass wire is galvanized by an electrogalvanizing method.
  • a brass wire wound around a spool is loaded on a pay-off reel.
  • the brass wire is tensioned and conveyed at a constant traveling speed.
  • the brass wire is sent to a tank filled with alkaline electric field water for cleaning. Further, the brass wire is sent to a water cleaning device, and the alkaline cleaning liquid is washed away.
  • the brass wire is sent to an acidic electroplating bath.
  • the brass wire that has passed through the electroplating bath is sufficiently dried by a hot air heater and then wound on a winding spool. In order to form a uniform zinc coating layer, the winding speed is controlled according to the detected traveling speed.
  • a device that absorbs fluctuations in tension is provided in the vicinity of the take-up spool, and plating unevenness due to brass wire vibration is prevented.
  • the thickness of the galvanizing is 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less. If necessary, the plating is performed a plurality of times.
  • the entire surface layer 20 having a thickness of 5 ⁇ m or more is a diffusion layer having substantially only a ⁇ phase.
  • the ⁇ phase is formed in the process of changing the crystal structure of the material during the heat treatment, and the existence time thereof is short.
  • the zinc coating layer is formed by an electrogalvanizing method.
  • the electroplating method can form a uniform and smooth coating layer.
  • it is difficult to form a thick plating as compared with the hot dipping method.
  • it is difficult for a zinc coating layer that is too thick to change into a uniform ⁇ -phase diffusion layer by heat treatment.
  • the ⁇ -phase diffusion layer that is too thick has insufficient spreadability.
  • the coated wire 2 having a zinc coating layer having a thickness of 5 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less is continuously and uniformly heated in the heating furnace 40.
  • a covered wire 2 having a diameter of 0.7 mm or more and 1.2 mm or less is wound around a spool 8.
  • the covered wire 2 is conveyed from the spool 8 to the payoff reel 7 via the roller 5, the heating furnace 40, and the roller 6.
  • the spool 8, the roller 5, the roller 6, and the payoff reel 7 give a tension that does not sag to the covered wire 2, and the covered wire 2 is horizontally supported between the rollers 5 and 6.
  • the covered wire 2 is linearly run in the horizontal direction at a constant speed.
  • the heating furnace 40 has a long heating chamber in the traveling direction of the covered wire 2.
  • the length of the heating chamber is a few meters.
  • the cross section of the heating chamber in plan view is rectangular.
  • a plurality of electric heaters 4 are provided on the horizontal floor of the heating furnace 40.
  • the electric heater 4 is located away from the covered wire 2.
  • the shortest distance between the electric heater 4 and the covered wire 2 is 50 cm to 100 cm.
  • a large number of heaters 4 are arranged at equal intervals in the traveling direction of the covered wire 2.
  • a detector (not shown) detects the traveling speed of the covered wire 2, and the rotation of the spool 8 is controlled according to the traveling speed.
  • the temperature in the heating furnace 40 is detected by a number of thermocouples 9.
  • a large number of thermocouples 9 are provided on the ceiling of the heating furnace 40.
  • the temperature in the heating furnace 40 is strictly maintained at a predetermined value throughout.
  • the coated wire 2 is exposed to a predetermined constant temperature atmosphere for a predetermined time until the zinc coating layer becomes a diffusion layer having only a ⁇ phase.
  • the coating layer usually changes in the order of ⁇ phase, ⁇ phase, ⁇ phase, and ⁇ phase, but the heat treatment in step S5 forms a diffusion layer of only ⁇ phase.
  • the diffusion layer having only the ⁇ phase is made of brass having a zinc content of 45 wt% or more and 48 wt% or less.
  • the covered wire 2 is continuously heat-treated.
  • the appropriate traveling speed of the covered wire 2 is 2.8 m / min or more and 3.2 m / min or less.
  • the temperature in the heating furnace 40 is kept constant in the range of 450 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, preferably 540 ° C. or higher and 600 ° C. or lower.
  • the temperature of the entire heating chamber is kept uniform.
  • the coated wire 2 that has passed through the heating furnace 40 is cooled by air at room temperature of 5 ° C. to 35 ° C.
  • the covered wire 2 is gradually and uniformly cooled, and the diffusion of zinc stops.
  • the heating furnace 40 has an inlet 46 and an outlet 48 for passing the covered wire 2.
  • a gap inevitably exists at the inlet 46 and the outlet 48, and air at normal temperature flows into the heating furnace 40 through the gap.
  • the heating furnace 40 is provided with a supply port 42, and nitrogen gas 44 is supplied into the heating furnace 40 from the supply port 42. The supply of the nitrogen gas 44 expels the air in the heating furnace 40 from the gap between the inlet 46 and the outlet 48. As a result, oxidation of the covered wire 2 and the heater 4 is prevented.
  • an apparatus for directly and locally heating a covered wire is provided close to the covered wire.
  • the coated wire is stopped in a heating furnace and heated for a predetermined time. This method is suitable when a long-time heat treatment is required, but a diffusion layer having a plurality of phases having different crystal structures is formed.
  • the heat treatment wire is passed through a die, and a wire electrode having a desired diameter is generated.
  • the spreadability of the ⁇ phase diffusion layer is lower than that of the ⁇ phase diffusion layer.
  • the heat treatment wire having a thickness of ⁇ 0.7 mm or more and ⁇ 1.2 mm or less including the ⁇ -phase diffusion layer having a thickness of 40 ⁇ m or more and 80 ⁇ m or less was reduced in diameter without destroying the diffusion layer.

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Abstract

ワイヤ電極は、黄銅から成る芯線（１０）と５μｍ以上の厚さを有する表層（２０）とを含む。表層は、電気めっきによって亜鉛被覆層が形成された黄銅線を熱処理によって亜鉛被覆層中の亜鉛が黄銅線の中へ拡散したβ相だけの拡散層を形成した後にその熱処理線を伸線によって縮径することによって形成される。黄銅線は加熱炉（４０）中を一定走行速度で水平方向に走行させながら所定の一定温度雰囲気下で連続的に均等に熱処理される。

Description

ワイヤ放電加工に用いるワイヤ電極
本発明は、ワイヤ放電加工に使用されるワイヤ電極に関する。本発明は、被覆層中の亜鉛が黄銅芯線へ拡散させられたワイヤ電極に関する。
ワイヤ電極はワイヤ放電加工に使用される工具電極である。標準的なワイヤ電極は、φ０．１０ｍｍ以上φ０．３０ｍｍである。ワイヤ電極の材質は、材料除去速度、面粗さおよび形状精度に影響を与える。以下、面粗さと形状精度を合わせて、単に精度という。精度の観点から、ワイヤ電極の外周面の粗さは小さいことが好ましい。放電加工により消耗しやすいワイヤ電極は、精度に悪影響を与える。
加工中、ワイヤ電極は一対のワイヤガイド間を垂直に搬送されする。走行するワイヤ電極に適当な張力が与えられている。走行するワイヤ電極は一対のワイヤガイド間で振動してしまうことが知られている。ワイヤ電極の振動は精度に悪影響を与える。ワイヤ電極の大きい張力は望ましくない振動を抑制する。したがって、ワイヤ電極は高い抗張力を必要とする。さらに、ワイヤ電極は高い耐熱性と良導電性を必要とする。
一般的なワイヤ電極は黄銅から製作される。融点が低い亜鉛が黄銅芯線の外周面に被覆されたワイヤ電極が知られている。加工中、亜鉛被覆層は放電に因る熱を奪って溶融し飛散する。その結果、黄銅芯線は熱から保護される。ピークが高い電流を亜鉛被覆ワイヤ電極へ供給することが可能になるので、材料除去速度が向上する。
しかしながら、亜鉛被覆層は黄銅芯線の外周面に定着しにくく、最終の伸線によって剥離することがある。電気めっきは厚い亜鉛被覆層を形成することが困難である。溶融めっきは面粗さの小さい亜鉛被覆層を形成することが困難である。
特許文献１は、熱処理によって亜鉛が芯線に拡散された層が黄銅芯線と亜鉛被覆層との間に形成されたワイヤ電極を開示している。この拡散層は亜鉛被覆層を剥離しにくくしている。特許文献２は、亜鉛被覆線の長時間の熱処理により、銅合金芯線と表層としての拡散層とから成るワイヤ電極を開示している。この拡散層はα相とβ相から成るαβ混晶である。α相は面心立方格子構造を示し、β相は体心立方格子構造を示している。
特許文献３は、亜鉛被覆された純銅芯線に、温度が異なる２度の熱処理が施されたワイヤ電極を開示している。このワイヤ電極はα相芯線とβ相表層とから成る。芯線がα相黄銅に変質してしまうと、十分で均一な厚さの表層を形成することが難しくなってしまう。
特許文献４は、熱処理条件次第で、βγ相、γε相、またはβ相－ε相の拡散層が選択的に表層として形成されたワイヤ電極を開示している。熱処理条件は、例えば、温度上昇速度である。ε相は原子密度が高い六方最密格子構造を示す。結晶構造における原子密度が高いほど、放電エネルギの効率が向上することが知られている。表層としてε相拡散層を含むワイヤ電極は、理論上、精度を低下させずに材料除去速度を向上できる。
日本特許出願公開昭５９－０４１４６２号 米国特許４９３５５９４号 米国特許５８５８１３６号 米国特許５７６２７２６号
放電の影響はワイヤ電極の外周面から５μｍの深さまで及ぶので、表層としてのε相拡散層は５μｍ以上の厚さを必要とする。しかしながら、ε相拡散層は、展延性に乏しく、硬く、塑性変形しにくい。したがって、最終の伸線の後に破壊されずに残るε相拡散層の厚さは、せいぜい２μｍである。そのため、表層としてε相拡散層を含むワイヤ電極は、実際には、その利点を活用できていない。
本発明の目的は、容易に製造可能な、十分な厚さの亜鉛リッチ表層を含むワイヤ電極を提供することである。他の目的や本発明の利点は、後に続く説明において述べられている。
本発明のワイヤ電極は、黄銅から成る芯線（１０）と、電気めっきによって亜鉛被覆層が形成された黄銅線を加熱炉（４０）中を一定走行速度で水平方向に走行させながら所定の一定温度雰囲気下で連続的に均等に熱処理することによって亜鉛被覆層中の亜鉛が黄銅線の中へ拡散したβ相だけの拡散層を形成した後にその熱処理線を伸線によって縮径することによって形成される５μｍ以上の厚さを有する表層（２０）とを含む。
黄銅線の径はφ０．７μｍ以上φ１．２μｍ以下であることが好ましい。また、亜鉛被覆層の厚さは５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。また、亜鉛被覆層が形成された黄銅線は、好ましくは、４５０℃以上６５０℃以下の一定温度雰囲気下で熱処理される。さらに好ましくは、亜鉛被覆層が形成された黄銅線は、５４０℃以上６００℃以下の一定温度雰囲気下で熱処理される。また、表層の亜鉛含有量は４５重量％以上４８％重量以下である。
芯線は６０重量％以上７０重量％以下の銅と３０重量％以上４０重量％以下の亜鉛を含む黄銅から成る。ワイヤ電極は芯線と表層との間に形成される厚さ１μｍ以下の隔壁層を更に含む。
図１は、本発明のワイヤ電極を示す断面図である。 図２は、本発明のワイヤ電極を製造するプロセスを示すフローチャートである。 図３は、本発明のワイヤ電極を製造するプロセスに使用される加熱炉の側面図である。
図１中に示されるように、本発明のワイヤ電極１は、芯線１０と、表層２０と、隔壁層３０とから成る。芯線１０は黄銅である。芯線１０は、６０重量％以上７０重量％以下の銅と、３０重量％以上４０重量％以下の亜鉛と、１重量％未満の不純物とを含む黄銅から成る。亜鉛濃度が４０重量％を超える芯線１０は、めっき液中に浸漬されたときに、溶解しやすく、外形を維持できなくなる。また、亜鉛含有量が３０重量％を下回ると、芯線１０は真直性が不足する。好ましくは、芯線１０は、６５重量％の銅と３５重量％の亜鉛とを含む黄銅から成る。
表層２０は拡散層である。拡散層は全体的に体心立方格子を有するβ相を含んでいる。拡散層の亜鉛含有率は４５重量％以上４８重量％である。本発明のワイヤ電極の作用効果を得ることができる範囲で、拡散層はα相もしくはγ相を僅かに含むことが許容される。表層２０は４０重量％超の亜鉛を含む黄銅、いわゆる亜鉛リッチ（rich）黄銅から成る。特に、好ましくは、表層２０は、４５重量％以上４８重量％以下の亜鉛を含んでいる。体心立方格子の結晶構造と高い亜鉛含有量が、放電加工の材料除去速度を向上させる。
放電の影響はワイヤ電極の外周面から５μｍの深さまで及ぶので、表層２０は少なくとも５μｍの厚さを有する。製造過程では、５μｍ以上２０μｍ以下の厚さを有する亜鉛被覆層が、電気めっきによって、φ０．７ｍｍ以上φ１．２ｍｍ以下の芯線の表面に均一に形成される。熱処理によって、被覆層の中の亜鉛が黄銅芯線へ拡散し、４０μｍ以上８０μｍ以下の厚さの拡散層が形成されている。最終の伸線において、拡散層の厚さが５μｍ以上２０μｍ以下へ縮小する。
隔壁層３０は、亜鉛被覆層をβ相拡散層へ変化させる熱処理において、ある加熱条件の下で芯線と拡散層との間に形成される。隔壁層３０は１μｍ以下の厚さを有する。隔壁層３０は表層２０の内側にあるので、放電による影響を受けず、放電加工性能に影響を与えない。隔壁層３０は極めて薄いため、その成分および構造が正確に解析されていない。隔壁層３０は、拡散層の厚さが４０μｍ以上８０μｍ以下へ拡大すると、拡散を遅らせ芯線を保護していると推定される。
ワイヤ電極１は材料除去速度を向上する。ワイヤ電極１は、十分な導電性と、抗張力と、真直性を備えている。ワイヤ電極１は、伸線によって破壊されない拡散層を含んでいる。
次に、本発明のワイヤ電極を製造するプロセスの一例が図２および３を参照して詳細に説明される。このプロセスでは、芯線１０と表層２０とを含むφ０．０２ｍｍのワイヤ電極が製造される。芯線１０は６５重量％の銅と３５重量％の亜鉛を含む黄銅から成る。表層２０はβ相拡散層であり、５μｍの厚さと４６重量％の亜鉛含有量とを有する。
プロセスの第１のステップＳ１で、銅板または銅のインゴットと亜鉛の粉体とが溶解炉に投入され、黄銅が生成される。溶解炉中の銅または亜鉛の濃度が測定され、芯線１０に要求される組成の黄銅が生成される。
第２のステップＳ２で、線材が鋳造される。線材を生成するため、溶融黄銅が溶解炉から連続的に流し出され冷却される。φ６ｍｍ以上φ１０ｍｍ以下、好ましくは、φ８ｍｍの線材が成形される。線材の径は一定ではない。竹の節のような環状の凸部が線材に形成されてしまう。また、望ましくない小さな凹凸が線材の表面に形成されてしまう。
第３のステップＳ３で、線材が伸線によって縮径され、φ０．７ｍｍ以上φ１．２ｍｍ以下、好ましくはφ０．９ｍｍの黄銅線が形成される。この黄銅線が最終のワイヤ電極の芯線となる。内径が異なる多数のダイスが伸線に使用される。線材は多数のダイスに通され段階的に縮径される。また、伸線によって線材の径が一定にされる。黄銅線の径は、電気亜鉛めっきと熱処理が効率的に行われる程度に小さければよい。また、黄銅線の径は、素線が伸線によってφ０．２０ｍｍへ縮径されるときに表層２０が破壊されない程度に小さければよい。
第４のステップＳ４で、電気亜鉛めっき法によって黄銅線に亜鉛めっきが施される。スプール（spool）に巻かれている黄銅線がペイオフリール（pay-off reel）に装填される。黄銅線は張力をかけられ一定の走行速度で搬送される。まず、黄銅線は洗浄のためアルカリ電界水で満たされた槽に送られる。さらに、黄銅線は水洗浄装置へ送られ、アルカリ洗浄液が洗い流される。黄銅線は酸性の電気めっき浴へ送られる。電気めっき浴を通過した黄銅線は、温風ヒータによって十分に乾燥させられた後、巻取スプールに巻き取られる。均一な亜鉛被覆層を形成するため、検出された走行速度に応じて巻取速度が制御される。張力の変動を吸収する装置が巻取スプールの近傍に設けられ、黄銅線の振動に因るめっきムラが防止される。亜鉛めっきの厚さは、５μｍ以上２０μｍ以下である。必要に応じて、複数回にわたってめっきが施される。
本発明のワイヤ電極１の重要な特徴は、５μｍ以上の厚さを有する表層２０の全域が実質β相だけの拡散層であることである。β相は熱処理において材料の結晶構造が変化する過程で形成され、その存在している時間が短い。このような表層２０を均一に得るためには、芯線と亜鉛被覆層との間が明確に区切られていることが必要である。そのために、亜鉛被覆層は電気亜鉛めっき法で形成されることが望ましい。
電気めっき法は、均一で表面が滑らかな被覆層を形成できる。電気めっき法は、溶融めっき法に比べて厚いめっきを形成することが困難である。しかしながら、厚すぎる亜鉛被覆層は、熱処理によって均一なβ相だけの拡散層に変化することが困難になる。また、厚すぎるβ相拡散層は展延性が不足している。
第５のステップＳ５で、厚さ５μｍ以上２０μｍ以下の亜鉛被覆層を有する被覆線２は加熱炉４０の中で連続的に均等に加熱される。図３に示されるように、φ０．７ｍｍ以上φ１．２ｍｍ以下の被覆線２がスプール８に巻かれている。被覆線２は、スプール８から、ローラ５、加熱炉４０およびローラ６を介して、ペイオフリール７へ搬送されている。スプール８、ローラ５、ローラ６およびペイオフリール７によって、弛まない程度の張力が被覆線２に与えられ、被覆線２はローラ５、６間で水平に支持されている。被覆線２は一定速度で水平方向に直線的に走行させられている。
加熱炉４０は被覆線２の走行方向に長い加熱室を有している。加熱室の長さは数メートルである。加熱室の平面視の断面は矩形である。加熱炉４０の水平な床の上に複数の電気ヒータ４が設けられている。電気ヒータ４は被覆線２から離れて位置している。電気ヒータ４と被覆線２との最短距離は、５０ｃｍ～１００ｃｍである。多数のヒータ４は被覆線２の走行方向に等間隔で並べられている。図示されていない検出器が被覆線２の走行速度を検出し、スプール８の回転が走行速度に応じて制御されている。加熱炉４０の中の温度は多数の熱電対９によって検出されている。多数の熱電対９は加熱炉４０の天井に設けられている。
加熱炉４０中の温度は、全体にわたって、厳密に所定値に維持されている。被覆線２は、亜鉛被覆層がβ相だけの拡散層になるまで、所定の一定温度雰囲気下に所定時間だけ曝される。熱処理時間の経過と伴に、被覆層は、通常、α相、αβ相、β相、ε相の順番に変化していくが、ステップＳ５における熱処理はβ相だけの拡散層を形成している。β相だけの拡散層は、亜鉛含有量が４５重量％以上４８重量％以下の黄銅から成る。こうして、被覆線２は連続的に熱処理される。
加熱炉４０の全長が約８ｍであるとすると、被覆線２の適当な走行速度は、２．８ｍ／ｍｉｎ以上３．２ｍ／ｍｉｎ以下である。加熱炉４０中の温度は、４５０℃以上６５０℃以下、好ましくは５４０℃以上６００℃以下の範囲に一定に維持されている。加熱室全体の温度は均一に維持されている。加熱炉４０を通過した被覆線２は、５℃～３５℃の常温の空気により冷却される。被覆線２は徐々に均等に冷却され、亜鉛の拡散が停止する。
加熱炉４０は、被覆線２を通すための入口４６と出口４８を有している。入口４６と出口４８には隙間が不可避的に存在し、その隙間を介して常温の空気が加熱炉４０の中へ流れてしまう。空気の流入を防ぐため、加熱炉４０に供給口４２が設けられ、窒素ガス４４が供給口４２から加熱炉４０の中へ供給されている。窒素ガス４４の供給は、加熱炉４０内の空気を入口４６と出口４８の隙間から追い出している。その結果、被覆線２とヒータ４の酸化が防止されている。
従来、被覆線を直接的に局所的に加熱する装置が被覆線に接近して設けられている。あるいは、被覆線が加熱炉の中に静止させられて、所定時間加熱させられる。この方法は、長時間の熱処理が要求される場合に好適であるが、結晶構造が異なる複数の相をもつ拡散層が形成されてしまう。
第６のステップＳ６で、熱処理線がダイスに通され、所望の径のワイヤ電極が生成される。β相拡散層の展延性はα相拡散層に比べると低い。しかしながら、厚さ４０μｍ以上８０μｍ以下のβ相拡散層を含むφ０．７ｍｍ以上φ１．２ｍｍ以下の熱処理線が、拡散層が破壊されずに縮径された。
１　　　　　　　　　　　ワイヤ電極
２　　　　　　　　　　　被覆線
４　　　　　　　　　　　ヒータ
５，６　　　　　　　　　ローラ
７　　　　　　　　　　　ペイオフリール
８　　　　　　　　　　　スプール
１０　　　　　　　　　　芯線
２０　　　　　　　　　　表層
３０　　　　　　　　　　隔壁層
４０　　　　　　　　　　加熱炉
４２　　　　　　　　　　供給口
４４　　　　　　　　　　窒素ガス
４６　　　　　　　　　　入口
４８　　　　　　　　　　出口

Claims (8)

  1. 黄銅から成る芯線と、電気めっきによって亜鉛被覆層が形成された黄銅線を加熱炉中を一定走行速度で水平方向に走行させながら所定の一定温度雰囲気下で連続的に均等に熱処理することによって前記亜鉛被覆層中の亜鉛が前記黄銅線の中へ拡散したβ相だけの拡散層を形成した後にその熱処理線を伸線によって縮径することによって形成される５μｍ以上の厚さを有する表層とを含むワイヤ電極。
  2. 前記黄銅線の径はφ０．７μｍ以上φ１．２μｍ以下である請求項１に記載のワイヤ電極。
  3. 前記亜鉛被覆層の厚さは５μｍ以上２０μｍ以下である請求項１に記載のワイヤ電極。
  4. 前記黄銅線は４５０℃以上６５０℃以下の一定温度雰囲気下で熱処理される請求項１に記載のワイヤ電極。
  5. 前記黄銅線は５４０℃以上６００℃以下の一定温度雰囲気下で熱処理される請求項４に記載のワイヤ電極。
  6. 前記表層の亜鉛含有量は４５重量％以上４８％重量以下である請求項１に記載のワイヤ電極。
  7. 前記芯線は６０重量％以上７０重量％以下の銅と３０重量％以上４０重量％以下の亜鉛を含む黄銅から成る請求項１に記載のワイヤ電極。
  8. 前記芯線と前記表層との間に形成される厚さ１μｍ以下の隔壁層を更に含む請求項１に記載のワイヤ電極。
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