一種高效多層複合電極絲及其製備方法
2023-05-23 03:59:51 1
專利名稱：一種高效多層複合電極絲及其製備方法
技術領域：
本發明涉及到電線放電加工用電極絲及其製備方法，尤其指一種帶有複合鍍層的放電加工用電極絲及其製備方法。
背景技術：
電火花切割加工是模具製造和金屬加工行業必不可少的加工手段，提高電火花切割效率一直是其技術革新的重點。而電極絲作為電火花切割加工中的重要耗材受到越來越多的重視。根據應用區分，目前市場上常用的帶有鍍層的電極絲有以下幾種1、普通型鍍鋅電極絲芯材為黃銅，鍍層為純鋅。2、改進型鍍鋅電極絲芯材為黃銅，鍍層為銅鋅合金。3、 擴散退火型電極絲芯材為純銅，通過擴散工藝外包一層銅鋅合金。4、鋼琴絲芯材為製造鋼琴琴弦所用的高碳鋼，鍍層為黃銅，也有再鍍鋅的。電極絲的熱物理特性是提高切割效率的關鍵。在電火花切割時會產生大量的熱量，其中的一些熱量被電極絲吸收走了，這會降低切割效率。如果太多的熱量損耗在電極絲上，電極絲就會因過熱而熔斷。因此需要電極絲表面能夠快速氣化，並在電極絲冷卻的同時把熱能釋放到工件上。材料受熱達到熔點後就會氣化，產生氣化壓力。熔點低的材料更容易氣化，可以幫助把廢渣吹離切縫。當電極絲和工件在切割表面處是氣化而不是熔化時，產生的是氣體而不是熔融的金屬顆粒，就能有效的改善衝洗過程，因為要衝走的顆粒少了。所以，理想的電極絲應該具有的一個典型特性就是低熔點和高氣化壓力。而冶金學家在研究電極絲的衝洗性時要考慮的材料的兩大特性也分別為熔點以及氣化壓力。由於低熔點的鋅對於改善電極絲的放電性能有著明顯的作用，而黃銅中鋅的比例又受到限制，所以人們想到了在黃銅絲外面再加一層鋅，這就產生了鍍鋅電極絲。然而鍍鋅電極絲在切割工作時，特別是切割厚工件時，由於鋅的揮發速度較快，致使鍍鋅層很快消耗掉，沒有了鍍鋅層的電極絲就相當於普通黃銅絲，其切割速度會大幅度降低。所以，使用鍍鋅線時，其綜合切割效率並沒有太大提高。後來人們又設法在黃銅絲外面鍍一層黃銅，並對鍍層黃銅中銅鋅比例進行調整，這在一定程度上解決了鋅過快消耗的問題，但因鍍層黃銅中同時存在α、β、β 『、 Y等相，後期熱處理又無法大幅度改變其組織，就會有多種相雜亂存在，導致切割時穩定性變差，工件精度難於提升，切割速度也達不到理想的效果。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的現狀提供一種鍍層組織均勻穩定， 使鍍層中鋅元素在切割時能均勻穩定的消耗的高效多層複合電極絲，從而達到保證切割穩定性及提升綜合切割效率的目的。本發明所要解決的另一個技術問題是提供一種使鍍層中鋅元素在切割時能均勻穩定的消耗的高效多層複合電極絲的製備方法。要達到上述目的，必須充分分析鍍層金屬在切割時的消耗情況，以及鍍層組織均勻單一性質問題，使其在切割時即能很好的汽化以帶走切割時產生的熱量，又不會被完全消耗掉，這就要保證鍍層金屬均勻穩定地吸熱、汽化、消耗。本發明選用黃銅為基材，電鍍銅金屬鍍層和鋅金屬鍍層，然後通過擴散退火產生 β相擴散合金層。在切割試驗中，該高效多層複合電極絲切割速度比普通鍍鋅線及黃銅線均有明顯提升，切割精度達到鍍鋅絲水平，且切割效率有明顯提高，不僅節省了能源，也提高了切割時的生產效率，正符合了節能降耗的生產策略。本發明解決上述技術問題所採用的具體技術方案為該高效多層複合電極絲，包括芯部和包覆在所述芯部上的包皮，其特徵在於所述的芯部為黃銅芯線經擴散退火、水冷及連拉連退處理後所形成的黃銅芯線，該黃銅芯線的金相組織主要為α相組織；所述的包皮是由依次鍍覆在所述的黃銅芯線上的銅金屬鍍層和鋅金屬鍍層經擴散退火、水冷及連拉連退處理後所形成的擴散合金層，該擴散合金層的金相組織主要為β相組織。該高效多層複合電極絲的製備方法，其特徵在於包括下述步驟1)首先向所述的芯線上均勻地電鍍上一層銅金屬鍍層；然後再在銅金屬鍍層上均勻地電鍍上一層鋅金屬鍍層；得到第一線坯；2)將得到的第一線坯在400-600°C下進行擴散退火，擴散退火時間為10_30秒，使銅鍍層和鋅鍍層之間發生擴散反應形成均勻的β相組織的擴散合金層，即包皮，得到第二線坯；3)對第二線坯進行水冷，冷卻溫度30_60°C ；4)將得到的第二線坯進行拉伸退火，控制拉伸速度為800-1500m/min，退火電壓為40-50V，退火電流為10-30A ；製成高效多層複合電極絲。較好的，該高效多層複合電極絲的直徑為0. 05 0. 35mm，所述包皮的厚度為1 10 μ m。對應於該高效多層複合電極絲的製備方法，其特徵在於包括下述步驟1)首先向直徑為0. 6 1. 5mm的芯線上均勻地電鍍上一層厚度為2 15 μ m的銅鍍層；然後再在銅鍍層上均勻地電鍍上一層厚度為5 20 μ m鋅鍍層；得到第一線坯；2)將得到的第一線坯在400-600°C下進行擴散退火，擴散退火時間為10_30秒，使銅鍍層和鋅鍍層之間發生擴散反應形成均勻的β相組織的擴散合金層，即包皮，得到第二線坯；3)對第二線坯進行水冷，冷卻溫度30_60°C ；4)將得到的第二線坯進行拉伸退火，控制拉伸速度為800-1500m/min，退火電壓為40-50V，退火電流為10-30A ；製成直徑為0. 05 0. 35mm的高效多層複合電極絲，該電極絲包皮的厚度為1 10 μ m。上述各方案中，較好的，所述銅金屬鍍層厚度可以為2 15μπι，鋅金屬鍍層厚度可以為5 20μπι。所述銅金屬鍍層中銅含量> 90wt% ；所述鋅金屬鍍層中的鋅含量> 90wt%。上述各方案中，所述芯線包括60 85wt%的銅和餘量的鋅以及不可避免雜質。上述各製備方法中，所述的擴散退火可以採用高周波退火機進行，退火溫度可以通過調節退火電壓控制，退火時間可以通過調節收線電機電壓控制。與現有技術相比較，本發明具有以下顯著優點和有益效果1、本發明的高效多層複合電極絲，切割效率比普通鍍鋅絲顯著提高，切割綜合成本低於普通鍍鋅電極絲。2、本發明的高效多層複合電極絲，導電率優於普通鍍鋅絲，減少了切割時的放電消耗，達到了節能降耗的效果。3、本發明的高效多層複合電極絲，實際使用時沒有普通鍍鋅絲出現的掉粉現象。4、本發明所採用的生產工藝簡單，可操作性強，製備步驟少，生產設備簡單，易於製得符合要求的複合電極絲。5、本發明所提供的高效多層複合電極絲，通用性好。
圖1為本發明實施例1的製備過程中，內層和外層電鍍結束後未擴散退火前的剖視圖示意圖。圖2為圖1中A部分的局部放大圖。圖3至圖7為本發明實施例1中隨擴散退火時間變化，第二線坯產生擴散反應金相組織的變化情況示意圖；圖8至圖16為實施例1至實施例9中所製備的多層複合電極絲的掃描電鏡圖片。
具體實施例方式以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。下述各實施例中黃銅芯線的質量百分比組成為銅60% _85%，其餘為鋅和由原材料及熔煉時帶入的不可避免的雜質。將配料混合均勻後投入工頻感應爐進行熔煉，通過上引鑄造產出合金線坯。然後將所制線坯經多道拉伸和在線退火製成直徑為0. 6 1. 5mm 的線坯，再將所制線坯進行除油、酸洗、水洗後即得到供下述各實施例使用的芯線。實施例1選用直徑為0. 6mm的芯線1，按常規方法現在芯線上電鍍上一層厚度為3 μ m的銅金屬鍍層2，然後在銅金屬鍍銅2上再電鍍上一層9 μ m厚的鋅金屬鍍層3，得到第一線坯4。 如圖1和圖2所示。對第一線坯進行擴散退火處理，擴散退火溫度450°C，擴散退火時間20秒。擴散退火過程中芯線和兩個金屬鍍層金相組織的變化如圖3至圖7所示。其中圖3是擴散退火開始後，銅金屬鍍層與鋅金屬鍍層之間相互擴散生成β、 β 『 > Y等組織層7。隨著退火時間增加，如圖4所示，銅金屬鍍層與鋅金屬鍍層之間繼續擴散產生更多的β、β 『 Y等組織，β、β 『 Y等組織層厚度增加。圖5所示為擴散退火結束後第一線坯的結構組織，由圖5可以看出，其芯部為α 組織，而表層的Y組織分解，此時表層為β和β 『組織層8，只含有β和β 『相組織。在擴散退火過程中，芯線中的黃銅與銅金屬鍍層之間不可避免地存在少量擴散過渡層，其成分接近擴散層。圖6是擴散退火後進行水冷處理，冷卻溫度50°C，第一直徑線材產生的結構組織， 由圖6可以看出，芯部仍為α組織，而表層中的β 『相轉化為β相，形成β相層9，此時表層為均勻的β相組織。最後對擴散退火後的線坯進行連拉連退加工，製成直徑為0. 05mm的高效多層複合電極絲，芯部6的直徑為0. 048mm，包皮5的厚度為1 μ m，如圖7所示。該高效多層複合電極絲的掃描電鏡照片如圖8所示，表層打點處的金屬質量百分比為 Cu 27. 2%, Zn :72. 8%。在微機自動控制萬能電子拉伸儀上測試該高效多層複合電極絲的綜合力學性能， 採用惠斯通電橋法測試其導電率，以SKDll模具鋼做為工件測試所製備的高效多層複合電極絲的電火花加工速度，所測試的數據如表1所示。實施例2選用直徑為0. 8mm芯線，依次電鍍上厚度為3 μ m的銅金屬鍍層和厚度為9 μ m的
鋅金屬鍍層，得到第一線坯。對第一線坯進行擴散退火處理，擴散退火溫度475°C，擴散退火時間15秒。擴散退火後對第二線坯進行水冷，冷卻溫度50°C。對第二線坯進行連拉連退加工，製成直徑為0. 15mm的高效多層複合電極絲，包皮的厚度為2. 25 μ m。該高效多層複合電極絲的掃描電鏡照片如圖9所示，表層打點處的金屬質量百分比為 Cu 29. 4%, Zn :70. 6%。在微機自動控制萬能電子拉伸儀上測試其綜合力學性能，採用惠斯通電橋法測試其導電率，以SKDll模具鋼做為工件測試所製備的高效多層複合電極絲的電火花加工速度，所測試的數據如表1所示。實施例3選用直徑為1. Omm芯線，由內而外依次電鍍上厚度為5 μ m的銅金屬鍍層和厚度為 6 μ m的鋅金屬鍍層，得到第一線坯。對第一線坯進行擴散退火處理，擴散退火溫度500°C，擴散退火時間10秒。擴散退火後對第二線坯進行水冷，冷卻溫度40°C。對第二線坯進行連拉連退加工，製成直徑為0. 3mm的高效多層複合電極絲，包皮的厚度為3. 3μπι。該高效多層複合電極絲的掃描電鏡照片如圖10所示，表層打點處的金屬質量百分比為 Cu 27. 6%, Zn :72. 4%。在微機自動控制萬能電子拉伸儀上測試其綜合力學性能，採用惠斯通電橋法測試其導電率，以SKDll模具鋼做為工件測試所製備的高效多層複合電極絲的電火花加工速度，所測試的數據如表1所示。實施例4選用直徑為1. 2mm芯線，由內而外依次電鍍上厚度為4μπι的銅金屬鍍層和厚度為 8 μ m的鋅金屬鍍層，得到第一線坯。對第一線坯進行擴散退火處理，擴散退火溫度450°C，擴散退火時間15秒。擴散退火後對第二線坯進行水冷，冷卻溫度30°C。對第二線坯進行連拉連退加工，製成直徑為0. 15mm的高效多層複合電極絲，包皮的厚度為1.5μπι。該高效多層複合電極絲的掃描電鏡照片如圖11所示，表層打點處的金屬質量百分比為 Cu 39. 1%, Zn 60. 9%。
在微機自動控制萬能電子拉伸儀上測試其綜合力學性能，採用惠斯通電橋法測試其導電率，以SKDll模具鋼做為工件測試所製備的高效多層複合電極絲的電火花加工速度，所測試的數據如表1所示。實施例5選用直徑為1. 3mm芯線，由內而外依次電鍍上厚度為6μπι的銅金屬鍍層和厚度為
6μ m的鋅金屬鍍層，得到第一線坯。對第一線坯進行擴散退火處理，擴散退火溫度450°C，擴散退火時間10秒。擴散退火後對第二線坯進行水冷，冷卻溫度40°C。對第二線坯進行連拉連退加工，製成直徑為0. 20mm的高效多層複合電極絲，包皮的厚度為1.85ym0該高效多層複合電極絲的掃描電鏡照片如圖12所示，表層打點處的金屬質量百分比為 Cu 42. 6%, Zn :57. 4%。在微機自動控制萬能電子拉伸儀上測試其綜合力學性能，採用惠斯通電橋法測試其導電率，以SKDll模具鋼做為工件測試所製備的高效多層複合電極絲的電火花加工速度，所測試的數據如表1所示。實施例6選用直徑為1. 4mm芯線，由內而外依次電鍍上厚度為8 μ m的銅金屬鍍層和厚度為 9 μ m的鋅金屬鍍層，得到第一線坯。對第一線坯進行擴散退火處理，擴散退火溫度500°C，擴散退火時間20秒。擴散退火後對第二線坯進行水冷，冷卻溫度50°C。對第二線坯進行連拉連退加工，製成直徑為0. 25mm的高效多層複合電極絲，包皮的厚度為3 μ m。該高效多層複合電極絲的掃描電鏡照片如圖13所示，表層打點處的金屬質量百分比為 Cu 41. 8%, Zn 58. 2%。在微機自動控制萬能電子拉伸儀上測試其綜合力學性能，採用惠斯通電橋法測試其導電率等各項性能，以SKDll模具鋼做為工件測試所製備的高效多層複合電極絲的電火花加工速度，所測試的數據如表1所示。實施例7選用直徑為1. 5mm芯線，由內而外依次電鍍上厚度為5μπι的銅金屬鍍層和厚度為
7μ m的鋅金屬鍍層，得到第一線坯。對第一線坯進行擴散退火處理，擴散退火溫度475°C，擴散退火時間20秒。擴散退火後對第二線坯進行水冷，冷卻溫度60°C。對第二線坯進行連拉連退加工，製成直徑為0. 30mm的高效多層複合電極絲，包皮的厚度為2.4μπι。該高效多層複合電極絲的掃描電鏡照片如圖14所示，表層打點處的金屬質量百分比為 Cu 50. 1%, Zn 49. 9%。在微機自動控制萬能電子拉伸儀上測試其綜合力學性能，採用惠斯通電橋法測試其導電率，以SKDll模具鋼做為工件測試所製備的高效多層複合電極絲的電火花加工速度，所測試的數據如表1所示。
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實施例8選用直徑為1.0mm芯線，由內而外依次電鍍上厚度為10 μ m的銅金屬鍍層和厚度為15 μ m的鋅金屬鍍層，得到第一線坯。對第一線坯進行擴散退火處理，擴散退火溫度475°C，擴散退火時間20秒。擴散退火後對第二線坯進行水冷，冷卻溫度50°C。對第二線坯進行連拉連退加工，製成直徑為0. 35mm的高效多層複合電極絲，包皮的厚度為8. 75 μ m。該高效多層複合電極絲的掃描電鏡照片如圖15所示，表層打點處的金屬質量百分比為 Cu 49. 8%, Zn :50. 2%。在微機自動控制萬能電子拉伸儀上測試其綜合力學性能，採用惠斯通電橋法測試其導電率，以SKDll模具鋼做為工件測試所製備的高效多層複合電極絲的電火花加工速度，所測試的數據如表1所示。實施例9選用直徑為0. 7mm芯線，由內而外依次電鍍上厚度為15 μ m的銅金屬鍍層和厚度為20 μ m的鋅金屬鍍層，得到第一線坯。對第一線坯進行擴散退火處理，擴散退火溫度500°C，擴散退火時間15秒。擴散退火後對第二線坯進行水冷，冷卻溫度60°C。對第二線坯進行連拉連退加工，製成直徑為0. 20mm的高效多層複合電極絲，包皮的厚度為10 μ m。該高效多層複合電極絲的掃描電鏡照片如圖16所示，表層打點處的金屬質量百分比為 Cu 48. 7%, Zn :51. 3%。在微機自動控制萬能電子拉伸儀上測試其綜合力學性能，採用惠斯通電橋法測試其導電率，以SKDll模具鋼做為工件測試所製備的高效多層複合電極絲的電火花加工速度，所測試的數據如表1所示。上述實施例2至實施例9中第一線坯和第二線坯擴散退火、水冷及連拉連退過程中金相組織的變化示意圖與實施例1的相近似。比較例1取1. Omm的芯線，電鍍上鋅金屬鍍層，鋅金屬鍍層的厚度為12 μ m。對鍍後的線坯進行擴散退火處理，擴散退火溫度500°C，擴散退火時間15秒，然後對芯線進行水冷，冷卻溫度50°C，最後對擴散退火後的線坯進行連拉連退加工，製成直徑為0. 15mm的鍍鋅電極絲。使用所制鍍鋅電極絲在切割加工時，效率低於高效多層複合電極絲。比較例2取1. Omm的芯線，電鍍上銅金屬鍍層，銅金屬鍍層的厚度為12 μ m。對鍍後的線坯進行擴散退火處理，擴散退火溫度500°C，擴散退火時間15秒，然後對芯線進行水冷，冷卻溫度50°C，最後對擴散退火後的線坯進行連拉連退加工，製成直徑為0. 15mm的鍍鋅電極絲。使用所制鍍鋅電極絲在切割加工時，效率低於高效多層複合電極絲。表1實施例與比較例的綜合力學性能、導電率、電火花加工速度、切割精度、掉粉量
權利要求
1.一種高效多層複合電極絲，包括芯部和包覆在所述芯部上的包皮，其特徵在於所述的芯部為黃銅芯線經擴散退火、水冷及連拉連退處理後所形成的黃銅線芯，該黃銅線芯的金相組織主要為α相組織；所述的包皮是由依次鍍覆在所述的黃銅芯線上的銅金屬鍍層和鋅金屬鍍層經擴散退火、水冷及連拉連退處理後所形成的擴散合金層，該擴散合金層的金相組織主要為β相組織。
2.根據權利要求1所述的高效多層複合電極絲，其特徵在於該高效多層複合電極絲的直徑為0. 05 0. 35mm,所述包皮的厚度為1 10 μ m。
3.根據權利要求1或2所述的高效多層複合電極絲，其特徵在於所述銅金屬鍍層厚度為2 15 μ m，鋅金屬鍍層厚度為5 20 μ m。
4.根據權利要求3所述的高效多層複合電極絲，其特徵在於所述銅金屬鍍層中銅含量彡90wt% ；所述鋅金屬鍍層中的鋅含量彡90wt%。
5.根據權利要求4所述的高效多層複合電極絲，其特徵在於所述芯線包括60 85wt %的銅和餘量的鋅以及不可避免雜質。
6.如權利要求1所述的高效多層複合電極絲的製備方法，其特徵在於包括下述步驟1)首先向所述的芯線上均勻地電鍍上一層銅金屬鍍層；然後再在銅金屬鍍層上均勻地電鍍上一層鋅金屬鍍層；得到第一線坯；2)將得到的第一線坯在400-600°C下進行擴散退火，擴散退火時間為10-30秒，使銅鍍層和鋅鍍層之間發生擴散反應形成均勻的β相組織的擴散合金層，即包皮，得到第二線坯；3)對第二線坯進行水冷、冷卻溫度30-60°C；4)將得到的第二線坯進行拉伸退火，控制拉伸速度為800-1500m/min，退火電壓為 40-50V,退火電流為10-30A，製成高效多層複合電極絲。
7.如權利要求2所述的高效多層複合電極絲的製備方法，其特徵在於包括下述步驟1)首先向直徑為0.6 1. 5mm的芯線上均勻地電鍍上一層厚度為2 15 μ m的銅金屬鍍層；然後再在銅金屬鍍層上均勻地電鍍上一層厚度為5 20 μ m鋅金屬鍍層；得到第一線坯；2)將得到的第一線坯在400-600°C下進行擴散退火，擴散退火時間為10-30秒，使銅金屬鍍層和鋅金屬鍍層之間發生擴散反應形成均勻的β相組織的擴散合金層，得到第二線坯；3)對第二線坯進行水冷、冷卻溫度30-60°C；4)將得到的第二線坯進行拉伸退火，控制拉伸速度為800-1500m/min，退火電壓為 40-50V，退火電流為10-30A ；製成直徑為0. 05 0. 35mm的高效多層複合電極絲，該電極絲包皮的厚度為1 10 μ m。
全文摘要
本發明涉及到一種高效多層複合電極絲，包括芯部和包覆在所述芯部上的包皮，其特徵在於所述的芯部為黃銅芯線經擴散退火、水冷及連拉連退處理後所形成的黃銅線芯，該黃銅線芯的金相組織主要為α相組織；所述的包皮是由依次鍍覆在所述的黃銅芯線上的銅金屬鍍層和鋅金屬鍍層經擴散退火、水冷及連拉連退處理後所形成的擴散合金層，該擴散合金層的金相組織主要為β相組織。其製備是在芯線上電鍍上銅、鋅金屬鍍層後再經擴散退火、水冷及連拉連退處理，最後拉伸而成。與現有技術相比較，所提供的高效多層複合電極絲，切割效率比普通鍍鋅絲顯著提高，切割綜合成本低於普通鍍鋅電極絲且通用性好。
文檔編號B23H7/08GK102528190SQ20121003986
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月21日 優先權日2012年2月21日
發明者呂和寧, 趙勇, 鍾傑, 陳小軍, 顧洪方 申請人:寧波博威麥特萊科技有限公司