用于电侵蚀加工的δ相黄铜电极丝及其制造方法与流程

本发明涉及在通过放电加工(electricaldischargemachining)进行机械加工的装置中用于通过放电加工切割金属或导电材料的电极丝。

众所周知的放电(electricaldischarge)或电火花侵蚀加工(sparkerosionmachining)法使得有可能通过在机械加工区中在要机械加工的部件与导电电极丝之间生成火花来除去导电部件上的材料。电极丝在部件附近沿丝的长度方向连续退卷，受导向器(guide)支撑并在横向上朝部件方向逐渐移动——通过丝的导向器的横向平移或通过部件的平移。

通过远离机械加工区的电接点连向电极丝的发电机在电极丝与要机械加工的导电部件之间建立适当的电位差。将电极丝与部件之间的机械加工区浸在合适的介电流体中。电位差导致在电极丝与要机械加工的部件之间出现火花，其逐渐侵蚀部件和电极丝。电极丝的纵向移动使得有可能持久保持足够的丝直径以防止其在机械加工区断裂。丝和部件在横向上的相对运动使得有可能酌情切割部件或处理其表面。

被火花从电极丝和从部件上分离的粒子分散在介电流体中，在此将它们排出。

加工精度的获得，特别是具有低半径角的切口的生产要求使用具有小直径并支持大机械断裂载荷的丝以在机械加工区中受拉并限制振动的幅度。

用于通过放电加工进行机械加工的大多数现代装置被设计成使用通常具有0.25mm的直径和400至1000n/mm²的断裂载荷的金属丝。

当在电极丝与部件之间出现火花时，电极丝的表面突然被短时间加热到极高温度。其结果在于，在火花位置，电极丝的表面层的材料从固态变成液态或气态，并从电极丝的表面移走和/或在介电流体中排出。发现被火花触及的电极丝的表面区域已变形，通常呈现微凹的弧坑形状，具有材料已熔融和再凝固的区域。

可以观察到，火花对放电加工的有效性极大依赖于电极丝的表面层的性质和形貌。为此，已通过使用包含由一种或多种提供良好的电流传导和良好的机械强度以保持丝的机械拉伸载荷的金属或合金制成的芯并包含由一种或多种其它金属或合金制成的涂层和/或特定形貌，例如裂隙(以提供更好的放电加工效率，例如更高的侵蚀速度)的电极丝获得放电加工效率的重大进步。

因此已提供具有被锌覆盖的黄铜芯的电极丝，锌具有在火花过程中迅速蒸发同时防止电极丝的芯过度受热的性质。例如，文献fr2936727a描述了一种电极丝，其包含由一个或多个金属或金属合金层制成的金属芯和具有与金属芯不同并含有多于50重量％锌的合金的涂层。该文献描述了δ相(deltaphase)锌-铁合金或锌-镍合金的涂层。这些合金的δ相在环境温度下稳定，这使得它们更容易获得。但是，这样的电极丝的机械加工速度不是最优的。

此外，已经提供如下电极丝：其芯被一个或多个铜锌合金层覆盖，例如γ相铜锌合金的断裂表面层在β相铜锌合金的中间层之上，或ε相铜锌合金的表面层在γ相铜锌合金层之上，其本身又在β相铜锌合金层之上。这种特定的涂层结构旨在确保通过放电加工进行部件的机械加工的通常更高速度。

但是，仍然需要在电火花加工的给定电流强度下提高通过放电加工进行机械加工的速度。

本发明来源于观察到在电极丝经过用于放电加工的装置的机械加工区(在此进行放电加工工艺)的过程中，电极丝的同一个表面通常接受到几个连续火花。其结果在于，在影响电极丝的所述表面的第一个火花后，后续火花出现在已被所述第一个火花和其它中间火花改变的表面上。换言之，火花渐进改变电极丝的表面，这可影响后续火花的效率，特别是就放电加工的速度而言。

特别地，第一个火花不仅具有侵蚀电极丝的表面和要机械加工的部件的表面的作用，还通过熔融和重组材料而局部改变电极丝的涂层。因此，已重组的涂层的表面材料通常是与其初始状态下的电极丝的表面层不同的相的铜锌合金，其因此对通过后续火花产生的放电加工不再表现出相同性质。

同样地，第一个火花不仅具有侵蚀电极丝的表面和要机械加工的部件的表面的作用，还通过材料的熔融而局部改变电极丝的涂层的形貌，熔融的材料可能流动并覆盖在其初始状态的电极丝表面存在的任何裂隙或空洞。

因此，本发明基于的理念是通过尽可能降低由连续的加工火花造成的效率退化，在通过放电加工进行机械加工的过程中在其经过机械加工区的行程的全程保持具有良好侵蚀效率的电极丝表面层。由此，电极丝的涂层的表面区域可在其经过机械加工区(在此产生放电加工火花)的行程中更长时间保持良好的侵蚀效率。

发明公开

本发明提出的一个问题是设计一种电极丝，其结构使得有可能在电火花加工的给定电流强度下提高通过放电加工进行机械加工的速度。

本发明提出的另一个问题是经济地制造这样的放电加工丝，其能够在电火花加工的给定电流强度下实现通过放电加工进行机械加工的更高速度。

为了实现这些和其它目的，根据第一个方面，本发明提供一种用于通过放电加工进行机械加工的电极丝，所述电极丝包含：

-金属芯，其由一个或多个金属或金属合金层制成，

-在金属芯上，具有与金属芯不同并含有多于50重量％锌的合金的涂层，其中所述涂层包含由δ相铜-锌合金制成的区域。

用于通过放电加工进行机械加工的电极丝在其储存和随后运输直至在放电加工装置的入口处准备用于机械加工时在环境温度，即通常在15℃至30℃之间的温度下。

在这些温度下，δ相铜-锌合金处于亚稳态。

δ相铜-锌合金的区域可存在于连续涂层中，或在含有裂纹的涂层中。

本发明的发明人已经观察到，与由整体组成相同的γ相铜锌合金和ε相铜锌合金的混合物制成的区域相比，当它们经受强烈和短暂的机械加工火花时，δ相铜-锌合金的区域产生较少液体。可以观察到，例如，当在电极丝的涂层中存在这种合金的δ相时，由放电加工火花产生的弧坑具有较少的再凝固区。

当产生的液体量较少时，电极丝在火花过程中失去的材料较少。因此有可能降低电极丝的向前演进的速率和因此降低电极丝的消耗速率，同时保持良好的机械加工速度。

此外，当产生的液体量较少时，较少的裂隙或孔隙被液流封阻，从而更好地保持电极丝的表面形貌。因此提高机械加工速度。

根据第一个实施方案，在根据本发明的电极丝中，δ相铜-锌合金形成所述涂层中的至少一个合金层。

例如，所述至少一个δ相铜-锌合金层可有利地是所述涂层的表面层。其因此直接受到放电加工火花的应力。

所述δ相铜-锌合金层可以是断裂的。

根据第一种可能性，电极丝的涂层可包含γ相铜-锌合金的断裂层和在其上的所述至少一个δ相铜-锌合金层。

在这种情况下，所述至少一个δ相铜-锌合金层可有利地具有在所述γ相铜-锌合金的断裂层的厚度的30％至100％之间的厚度。

根据第二种可能性，所述涂层可包含β相铜-锌合金层、在其上的γ相铜-锌合金的断裂层、再在其上的所述至少一个δ相铜-锌合金层、再在其上的ε相铜-锌合金层。

根据一个有利的实施方案，根据本发明的电极丝可包含涂层，所述涂层具有含有被所述至少一个δ相铜-锌合金层覆盖的孔隙的γ相铜-锌合金层。

一般而言，δ相铜-锌合金层可以是连续的。或者，δ相铜-锌合金层可以是断裂的(通过拉伸电极丝)。

根据另一方面，本发明提供制造用于通过放电加工进行机械加工的电极丝的各种方法，所述电极丝包含金属芯和含δ相铜-锌合金的涂层。这些各种方法通常包括下列阶段：

(a)-获取由金属制成的裸丝(blankwire)，

(b)-在这种裸丝上制造具有区域的涂层，所述区域的平均组成对应于δ相铜-锌合金的存在范围(d)，

(c)-使涂布的裸丝达到在559℃至700℃之间，优选在559℃至600℃之间的温度，在此温度下铜-锌合金δ相稳定，

(d)-将涂布的裸丝骤冷以使δ相铜-锌合金在环境温度下保持亚稳态。

根据第一个实施方案，这种方法包括下列阶段：

-在阶段(a)的过程中，选择在表面上具有铜，例如由铜合金或铜锌合金制成的裸丝，

-在这种裸丝上制造第一锌涂层，

-进行第一扩散热处理以获得β相铜锌合金的下层(sub-layer)和γ相铜锌合金的外层(externallayer)，

-制造第二锌涂层，

-在小于170℃的温度下进行第二扩散热处理以在丝的表面获得由ε相铜锌合金组成的外层，同时保留先前制成的由β相铜锌合金和γ相铜锌合金组成的下方层(lowerlayer)，

-使所述丝达到在559℃至700℃之间，优选在559℃至600℃之间，更优选在595℃至598℃之间的温度，以在由γ相铜锌合金组成的下层和ε相铜锌合金的外层之间创建由δ相铜-锌合金组成的中间层，

-将所述丝骤冷以使δ相铜-锌合金在环境温度下保持亚稳态。

根据第二个实施方案，这种方法包括下列阶段：

-在阶段(a)的过程中，选择在表面上具有铜，例如由铜、铜合金或铜锌合金制成的裸丝，

-将这种裸丝浸渍在559℃至700℃，优选559℃至600℃，更优选600℃的温度下的熔融锌浴中以创建含δ相铜锌合金的涂层，

-将所述丝骤冷以使δ相铜锌合金保持亚稳态。

根据第三个实施方案，这种方法包括下列阶段：

-在阶段(a)的过程中，选择由金属制成，例如由铜、铜合金或铜锌合金制成的裸丝，

-在裸丝表面沉积具有大约5μm的厚度的镍层，

-将这种镍涂布的裸丝浸渍在具有72至77原子％的锌含量且余量为铜的铜锌熔融浴中，并允许在559℃至700℃之间，优选在559℃至600℃之间，更优选600℃的温度下扩散，以创建由δ相铜锌合金制成的涂层，

-将由此获得的丝骤冷以使δ相铜锌合金在环境温度下保持亚稳态。

根据第四个实施方案，这种方法包括下列阶段：

-在阶段(a)的过程中，选择由金属制成，例如由铜、铜合金或铜锌合金制成的裸丝，

-在裸丝表面沉积具有大约5μm的厚度的镍层，

-将这种镍涂布的裸丝与具有72至77原子％的锌含量并保持在559℃至700℃的之间的温度下，优选保持在600℃下的铜锌合金共挤，以在这种镍涂布的裸丝上创建具有由δ相铜锌合金制成的层的涂层，

-在共挤后立即将由此涂布的丝骤冷，以使δ相铜锌合金在环境温度下保持亚稳态。

根据第五个实施方案，这种方法包括下列阶段：

-在阶段(a)的过程中，选择金属裸丝，例如由铜、铜合金或铜锌合金制成，

-在金属裸丝的表面沉积具有大约5μm的厚度的镍层，

-在镍层上沉积铜层，然后锌层，铜和锌之间的比例为72至77原子％的锌，选择过量的锌以补偿在后续扩散阶段的过程中一部分锌的不可避免的蒸发，

-允许在559℃至700℃之间，优选在559℃至600℃之间，更优选600℃的温度下扩散，以创建具有由δ相铜-锌合金制成的层的涂层，

-将由此涂布的丝骤冷以使δ相铜-锌合金在环境温度下保持亚稳态。

根据第六个实施方案，这种方法包括下列阶段：

-在阶段(a)的过程中，选择由金属制成的裸丝，例如由铜、铜合金或铜-锌合金制成的裸丝，所述裸丝旨在构成放电加工丝的芯，

-在阶段(b)的过程中，通过水相电沉积，在裸丝上制造铜和锌的涂层，其组成为δ相，

-使所述丝达到在559℃至700℃之间，优选在559℃至600℃之间，更优选在595℃至598℃之间的温度，以创建由δ相铜-锌合金制成的涂层，

-将由此涂布的丝骤冷以使δ相铜-锌合金在环境温度下保持亚稳态。

在实践中，为了进行其组成为δ相的铜锌涂层的水相电沉积的阶段(b)，裸丝构成阴极，并使用例如由铜锌合金制成的阳极，铜和锌之间的比例为72至77原子％的锌，也就是说在环境温度下在γ和ε相的适当混合物中。调整电解浴以沉积其组成为δ相的涂层，优选在沉积物中含76％锌。例如，这种浴可含有：

-水作为溶剂，

-17克/升的氰化铜cucn，

-60克/升的氰化锌zn(cn)2，

-60克/升的氰化钠nacn，

-60克/升的氢氧化钠naoh，

-0.4克/升的硫化钠na2s.9h2o，

-在20至80℃的温度下，

-1至10a/dm²的电流密度。

铜-锌合金的电沉积的优点在于其组成在涂层厚度中恒定，这不同于锌在铜或黄铜基底上的扩散，后者在不存在阻隔层的情况下表现出组成梯度。

上述方法的共同特征在于它们在电极丝的涂层中制成至少一个由铜-锌合金组成的区域，所述区域的平均组成对应于在平衡下存在δ相铜-锌合金的范围，随后使所述区域达到产生δ相并保持稳定的温度，然后将电极丝骤冷以使δ相在环境温度下保持亚稳态。

上述各方法可包含拉伸电极丝以使其达到其最终工作直径的后续就阶段。

附图简述

本发明的其它主题、特征和优点将从具体实施方案的下列描述中显现，联系附图给出该描述，其中：

[图1]图1是在平衡下的铜-锌体系的相图，其中锌的原子浓度(摩尔分数)在横坐标上，以开氏度表示的温度在纵坐标上；

[图2]图2是在产生放电加工火花前，具有芯和连续涂层的现有技术的电极丝的纵向半截面的侧视图；

[图3]图3是在产生放电加工火花后，图2的电极丝的纵向半截面的侧视图；

[图4]图4是在产生放电加工火花后，图3的电极丝的顶视图；

[图5]图5是在产生放电加工火花前，具有芯和断裂涂层的现有技术的电极丝的纵向半截面的侧视图；

[图6]图6是在产生放电加工火花后，图5的电极丝的纵向半截面的侧视图；

[图7]图7是根据本发明的一个实施方案的电极丝的纵向半截面的侧视图；

[图8]图8是根据本发明的另一实施方案的电极丝的纵向半截面的侧视图；且

[图9]图9是根据本发明的另一实施方案的电极丝的纵向半截面的侧视图。

优选实施方案的描述

首先，在图1中，考虑在平衡下的铜-锌体系的相图。

要指出，δ相在reducedranged中稳定，其中锌浓度在72至77原子％之间且温度在559℃至700℃之间。

因此，在电极丝的由δ相铜-锌合金制成的区域中，锌含量在保持在72至77原子％之间的同时连续变化，余量为铜和不可避免的杂质。δ相的铜-锌合金具有可通过各种手段，例如通过x-射线衍射或通过中子衍射识别的特定晶体结构。这种特定晶体结构使得可相对于由γ相黄铜组成的细晶粒和由ε相黄铜组成的细晶粒的混合物区分铜锌体系的δ相，所述混合物具有相同的整体组成。在1971年j.lenz和k.schubert在zeitschriftfürmetallkunde,vol.62,第810-816页中公开了铜锌体系的δ相在600℃的温度下在其稳定状态下的晶体结构。

δ相铜锌合金区域只能在559℃至700℃之间获得，并且随后必须进行淬火，即骤冷，以使它们在短时间内从559℃达到环境温度，以在环境温度下保持它们的晶体结构。在实践中，可通过在电极丝的温度降低到559℃以下之前使电极丝经过(优选在接近环境温度的温度下的)液态水来进行淬火。

在小于559℃的温度下，特别在环境温度下，δ相铜锌合金区域在亚稳态。在这样的亚稳态，δ相向γ相的转变极慢，在制造后、在储存、运输和将电极丝供应到放电加工装置的机械加工区的条件下几乎无法察觉。

如上文已经指出，当它们经受强烈和短暂的机械加工火花时，δ相铜-锌合金的区域产生较少液体，这有利于获得通过放电加工进行机械加工的高速度。

已经观察到的这一效应很可能来源于铜锌体系的δ相的以下特定物理性质。

第一种物理性质与铜锌体系的δ相在环境温度下的亚稳态有关。实际上，δ相的摩尔自由焓大于γ相和ε相。因此这种能量过剩有可能促进δ相的蒸发。为了将δ相从25℃加热到561℃，火花必须释放的热量小于在相同温度之间加热整体组成相同的γ相和ε相的混合物所需的热量。

铜锌体系的δ相的第二种物理性质是当温度从561℃开始升高时它的转熔分解(peritecticdecomposition)。这种性质通过限制δ相范围的高端点的水平线显现在图1的相图中。这意味着从δ相范围的高端点开始的δ相的熔融必定伴随着向固态的相变以产生γ相。实际上，相变成固态的速度可能受到在固态中的原子扩散限制，该扩散慢于在液态中的扩散。因此，在加工火花的条件下，δ相的熔融有可能比金属的蒸发慢。因此在固体和其蒸气之间产生界面，在两者之间没有明显存在液体。

在图2中，图示在火花的作用前，具有芯2和连续涂层3的电极丝1的部分纵截面。该涂层因此表现出沿电极丝1的纵轴a-a的通常光滑的，即通常圆柱形的表面4。

在图3中，图示在加工火花后，这种具有连续涂层3的相同电极丝1的相同部分纵截面。火花产生弧坑5，被熔融和再凝固的材料珠6包围。

图4在顶视图中图示具有弧坑5和其珠粒6的电极丝1的截面。

要理解的是，形成珠粒6的材料在归因于火花的加热作用下在液态下移动。形成珠粒6的材料来自先前存在于涂层中的合金的熔融，且产生的合金相可能不同于先前存在的合金的相，并且在机械加工区中的后续火花的作用过程中不再具有相同的侵蚀作用。

本发明通过由δ相铜-锌合金制成的区域的存在，使得有可能减小弧坑的深度或其直径或再凝固材料的珠粒的厚度。因此，本发明的电极丝在每次火花下失去的材料较少，且留在电极丝表面上的材料更好地保持在火花前存在的其性质。

在图5中图示的实施方案中——其显示在火化的作用前，具有芯2和涂层3的电极丝1的部分纵截面，涂层3表现出裂隙7。

在图6中，图示在加工火花后，这种具有断裂涂层3的相同电极丝1的相同部分纵截面。火花产生弧坑5，被熔融和再凝固的材料珠6包围。

要理解的是，形成珠粒6的材料在归因于火花的加热作用下在液态下移动并开始覆盖某些裂隙或孔隙7a，以致后者不能再用于在后续火花的过程中发挥它们的技术效果。

本发明通过由δ相铜-锌合金制成的区域的存在，使得有可能减少液化材料的量，因此使得有可能更好地保持裂隙或孔隙7的存在以在后续火花的过程中发挥它们的功能。

在图7中图示的实施方案中，电极丝1的涂层3包含β相铜-锌合金的下方层(lowerlayer)31、在其上的γ相铜锌合金的连续第一中间层32、再在其上的δ相铜-锌合金的第二中间层33、再在其上的ε相铜锌合金的表面层34。

在图8中所示的实施方案中，电极丝1的涂层3包含覆盖芯2的单个δ相铜-锌合金层33。

在图9中所示的实施方案中，电极丝1的涂层3包含β相铜-锌合金的下方层31、在其上的γ相铜锌合金的断裂第一中间层32、再在其上的δ相铜-锌合金的第二中间层33、再在其上的ε相铜锌合金的表面层34。在这一实施方案中，第二中间层33和表面层34部分覆盖第一中间层32的一些裂隙或孔隙7b，以形成被覆盖的孔隙。在火花过程中，如由δ相铜-锌合金制成的层33之类区域的存在减轻这些被覆盖的裂隙或孔隙7b消失的风险，被覆盖的孔隙7b有利于获得用这样的电极丝1通过放电加工进行机械加工的高速度。

本发明不限于已明文描述的实施方案，而是包括在以下权利要求书的范围内包含的其各种替代形式和一般化。