本发明涉及一种铜合金，尤其涉及一种用于制造单向走丝用电极丝的高锌铝锰铁铜合金。
背景技术：
慢走丝电火花放电加工，我国冶金行业标准称数控机床用单向走丝电火花放电加工，专业领域也成为电腐蚀加工(英文简称edm：electricaldischargemachining)，电极丝是慢走丝电火花放电加工所用的一种工具电极材料。
单向走丝电火花放电加工法是一种精密机械加工方法。从上世纪八十年代传入中国，已经有三十多年了，当前中国大陆市面上所使用的单向走丝电火花放电电极材料，85％以上使用普通黄铜合金制造成的电极丝，也有少部分的慢走丝用户使用复合铜合金电极丝，但是由于慢走丝放电加工普及的落后，复合电极丝还处于市场拓展的阶段，大多数用户还是选用成本低廉的普通黄铜材料制造的电极丝。随着市场竞争的加剧，人力资源成本的提高，越来越多的用户都希望电极丝制造厂家能提供成本更低、效率更高、性能更优的电极丝。
慢走丝电火花放电加工法是一种不同于快走丝、中走丝的电火花加工方法，快走丝、中走丝电火花放电加工法所用的电极丝往复运动，即可以经过多次放电，而慢走丝电火花放电加工所使用的电极丝单向运动且只进行一次放电加工即通过切割机的排屑系统排出，加工方式的不同决定两者加工精度的不同，因此单向走丝(慢走丝加工电极丝移动速度比中走丝、快走丝的电极丝移动速度慢而俗称为慢走丝加工)的放电加工精度可以达到微米级，而中走丝、快走丝的加工精度只能达到丝级，这也就是很多精密机械加工领域选择慢走丝放电加工的原因。
单向走丝电火花放电加工时，脉冲电源的一极接工具电极，另一极接工件电极(如图1所示)，两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质中(常用煤油或矿物油或去离子水，单向走丝线切割加工常用去离子水)。工具电极由自动进给调节装置控制，以保证工具与工件在正常加工时维持一很小的放电间隙(0.01～0.05mm)。当脉冲电压加到两极之间，便将当时条件下极间最近点的液体介质击穿，形成放电通道。由于通道的截面积很小，放电时间极短，致使能量高度集中(10～107w/mm)，放电区域产生的瞬时高温足以使材料熔化甚至蒸发，以致形成一个个电腐蚀小凹坑。在第一次脉冲放电结束之后，经过很短的间隔时间，第二个脉冲又在另一极间最近点击穿放电，如此周而复始高频率地循环下去，工具电极不断地向工件进给，它的行走的形状最终就复制在工件上，形成所需要的加工形状。与此同时，总能量的一小部分也释放到工具电极上，从而造成工具损耗。而损耗的工具电极不断地排出，新的没有损耗的工具电极(本发明中所述的高锌铝锰铁铜合金电极丝)持续不断地供给，使切割用的工具电极的形状始终存在一个动态的平衡，从而保证工件的尺寸精度和表面光洁度。
事物的两面性决定了单向走丝电火花放电加工有显著的优点，也决定了其缺点的存在，因为单向走丝电火花放电加工所使用的电极丝只进行一次放电加工即通过切割机的排屑系统排出，因此慢走丝的电极丝材料用量是很大的，通常情况下，一台慢走丝机床一个月的电极丝的使用量是150公斤，根据我司市场部门的调研统计，我国一个月的慢走丝用电极丝使用量是3000吨，慢走丝用电极丝是用不同比例含量的铜和锌金属化合而成的，因此对铜和锌的消耗量是巨大的。
众所周知，我国是一个铜蕴藏量贫瘠的国家，每年要从非洲、南美进口大量的电解铜和铜矿石，来满足我国工业发展的需要，因此如何少用铜、节约用铜成为摆在每一个铜加工人面前的永恒课题。
目前，对于单向走丝电火花腐蚀加工用电极线的制备方法，一般采取挤压法和水平连铸法实现：上述两种方法制造坯杆，经过中间退火和压力加工，制成芯杆，然后再经过后道的成品加工制造成客户所需规格的电极丝，但这两种方法存在制备工艺复杂、工序繁多、生产设备昂贵等问题(一台挤压机要两千万rmb)，使其生产成本增高。如能在保持综合性能不下降甚至有提升的前提下，利用放过电后的工具电极材料(本发明也叫放电废丝)作为原材料，通过金属洁净化的方法除掉放电废丝中的杂质成分的含量(在放电烧蚀过程中，切割材料中粘附在工具电极丝上的v，cr，ni，mo，co，ti，w，c、等元素)，同时再降低电极丝的铜含量、增大其锌含量，通过合金化方法来减轻铜降低带来的不利影响，又提高其电极材料的放电性能，且简化其生产工艺(本发明采用的是上引连续铸造工艺)，则可以在降低原材料成本的同时又提高了电火花腐蚀加工效率，使其具有更强的市场竞争力。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种高锌铝锰铁铜合金制造的单向走丝用电极丝，以期在增大电极线的电火花腐蚀加工速度的同时，降低原材料及人力资源成本、提升市场竞争力。
本发明所述的高锌铝锰铁铜合金制造的电极丝即是根据单向走丝电火花加工所用工具电极的特殊性,对经过放电后的工具电极材料进行回收,采用金属洁净化的方法,再通过金属合金化的熔炼方法,发明一种新型的电极丝材料,来满足当前经济形势下的一般慢走丝电火花加工用户所需的电极丝材料,同时以满足这部分中低端客户的一般需求,推出一种成本更低、效率更高、性能更优的电极丝。为了解决这一问题，我们运用合金化的原理及先进的熔炼及金属洁净化技术来开发一种适用于当今市场的电极丝。
随着精密机械加工的快速发展，慢走丝线切割加工在当代中国也越来越普及，伴随着使用量的增大，废料回收成为使用者及电极丝制造商共同面对的问题。为了节约铜锌资源，并满足大多数中低端客户的加工需要，急需开发一种既能利用回收放电废丝，又能满足加工需要及加工效率得到提升的电极丝，本发明即是在满足节约应用铜锌资源的基础上，利用铜合金的除杂技术，并采用先进的连续铸造技术，开发一种全新的性能得到提升的电极丝，来满足慢走丝加工用户需求的一种新型的用于制造单向走丝用电极丝的高锌铝锰铁铜合金。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于制造单向走丝用电极丝的高锌铝锰铁铜合金，其特征在于：该合金的组分及重量百分比如下：锌：37.0-42.0wt％，铝：0.0005-0.85wt％，锰：0.005-0.5wt％，铁：0.01-0.30wt％，微量元素0.0005-0.01wt％；所述的微量元素为：镁、硅、钠、锂、钾、钙、磷中的一种或者以上；v、cr、ni、mo、co、ti、w、c中的一种或者多种构成的杂质、且杂质中的各种元素含量分别小于0.005wt％；其它不可避免的杂质元素小于0.5wt％；余量为铜；
所述的铁和合金组分中部分的铜、锌为放电废丝经过合金熔炼除杂处理后所得，除杂处理采用添加微量元素及添加精炼剂的方式来进行；所述的铝、锰及微量元素为在除杂后添加，且铝、锰在微量元素之后添加。
进一步，所述合金组分中部分的铜、锌为合金中铜或锌总含量的10-85wt％。
再进一步：所述的放电废丝为电极丝经放电过后从电极丝使用的用户处所得，其成分含量为：fe0.01-0.20wt％，cu58.5-65.5wt％，v、cr、ni、mo、co、ti、w、c中的一种或多种，但不限于v、cr、ni、mo、co、ti、w、c中的一种或多种，含量为0.005-0.10wt％，余量为zn。
所述的v，cr，ni，mo，co，ti，w，c为放电废丝表层/面所附；
所述的不可避免的杂质是以金属间化合物的形式存在于晶粒内部或晶间；
所述的精炼剂为冰晶石(na3alf6)、硼砂(na2b4o7·10h2o)、玻璃(na2o·cao·6sio2)、中的一种或者多种；所述的精炼剂的添加量为按生产1000kg的高锌铝锰铁铜合金坯杆添加0.10-0.50kg的标准进行添加；
所述的其它不可避免杂质元素的重量百分比为：pb≤0.020wt％、sb≤0.015wt％、bi≤0.015wt％、te≤0.015wt％、s≤0.015wt％、se≤0.015wt％，且总量小于0.5wt％。
本发明的一种用于制造单向走丝用电极丝的高锌铝锰铁铜合金的制造方法，其特征在于：市面上从电极丝使用用户处购买的放电废丝，以及电解铜、锌和镁、硅、钠、锂、钾、钙、磷中的一种或者以上的为微量元素，及精炼剂冰晶石(na3alf6)、硼砂(na2b4o7·10h2o)、玻璃(na2o·cao·6sio2)中的一种或者多种，采用合金化的熔炼技术，通过添加微量元素来达到细晶强化及除渣的双重效果，中间加工采用再结晶退火及过程大加工率的塑性加工(加工率达到50％以上)，运用连拉连退技术制造成客户所需要的用高锌铝锰铁铜合金制造的单向走丝用电极丝。
其中熔炼采用的是上引连铸技术连续加料，过程采用精炼除渣技术，做到对环境友好，坯料加工采用再结晶退火及大中小微拉在线退火拉伸加工技术，成品采用全自动化的连拉连续退火生产线加工。
再者，放电废丝的回收再利用，用镁、硅、钠、锂、钾、钙、磷中的一种或者多种元素组合去除对电极丝有害的v、cr、ni、mo、co、ti、w、c杂质，但不限于v、cr、ni、mo、co、ti、w、c中的一种或多种，上述这些有害的元素是在电极丝放电过程中，因为高温(8000-10000℃)的气化作用，粘附在放电废丝材料表面/表层的切割料件中(正极)的微量元素，之后，再添加铝：0.0005-0.85wt％，锰：0.005-0.5wt％合金化元素来改善高锌铝锰铁铜合金的综合性能。
本发明的重点是：用于制造高锌铝锰铁铜合金电极丝材料中的10-85wt％的铜和锌是从放电废丝中回收所得，可以节约成本，减少放电废丝对环境的污染，利于资源的回收再利用，为客户和电极丝制造企业提升价值，做到互利双赢。
本发明的重点是：高锌铝锰铁铜合金的熔炼制造因为采用了除杂技术，对于回收的粘附在放电废丝表面/表层的切割料件中(正极)的微量元素v、cr、ni、mo、co、ti、w、c(如图1所示)，采用铜合金熔炼造渣方法去除，添加的化学除渣剂为镁、硅、钠、锂、钾、钙、磷中的一种或者以上，利用化学反应的原理，生成比铜溶液密度小的金属或者非金属化合物，同时利用添加精炼剂的作用来达到再次精炼及造渣、清洁铜溶液的目的，精炼剂为冰晶石(na3alf6)、硼砂(na2b4o7·10h2o)、玻璃(na2o·cao·6sio2)中的一种或者多种，通过造渣，使之悬浮在铜溶液的表面，并人工捞去。这种方法制造的铜合金，因为去除了对电极丝有害的v、cr、ni、mo、co、ti、w、c、等元素，铜合金溶液得到净化，便于铸造和过程加工时合金材料的力学性能的提升。
本发明的重点是因为添加镁、硅、钠、锂、钾、钙、磷中的一种或者以上的除渣物质。实际生产情况下，除渣完成后仍然会剩余细微量的上述提到的v、cr、ni、mo、co、ti、w、c的一种或者是多种物质，控制好合理的含量范围，可以使得这些多余的物质化学性质活泼，脱氧性能好，同时可以增加金属溶液的流动性，便于铸造；同时，残留在金属溶液中的镁、硅、钠、锂、钾、钙、磷的一种或者多种元素还能与铜元素生成金属间化合物，弥散在金属固溶体中，提高电极丝材料的力学性能。
本发明的重点是：因为铁元素的特殊性，除渣时遗留在铜溶液中的铁元素对铜合金的性能起到改善作用，铁元素的存在可以提升合金的力学性能。在简单黄铜中，微量的铁对力学性能没有影响，相反，合适含量的铁可以细化晶粒，使材料的韧性和强度得到加强。铁元素具有磁性和降低导电率的缺点，对于本发明的电极丝材料含量不能大于0.20wt％。
本发明的重点是：添加了微量的铝元素，铝元素不会降低高锌铝锰铁铜合金的导电性，因此不会降低电极丝传递能量的特性，从铜锌二元合金相同可知，在黄铜中加入铝，可显著地使相图向铜角移动，提高合金的强度，同时因为铝原子移动速度快，可以在铸造时迅速占据铜锌固溶体组织冷却后留下的空位，提高材料的致密度；另一方面，铝元素比锌元素的化学性质活泼，优先与铜锌合金溶液中没有锌化学性质活泼的杂质元素或者氧元素发生化学反应，起到脱氧和除杂作用，减少铜溶液中氧原子和杂质元素的含量，从而减少了铜固溶体中金属间化合物夹杂的形成，提高材料的性能。
本发明的重点是：对于二元铜锌合金来说，锰元素的加入对其α相区的影响较小，所以少量锰元素的加入不会改变铜合金的塑性，相反可以提高铜合金的强度和硬度，锰具有抗腐蚀的作用，因此锰元素的加入可以增加电极丝抗电腐蚀的作用；另一方面，锰元素具有优良的冷热加工性能，可以改善高锌铝锰铁铜合金的加工性能，使之制造性能更优，降低加工制造成本。
本发明的重点是：不可避免的杂质元素pb≤0.20wt％、sb≤0.015wt％、bi≤0.015wt％、te≤0.015wt％、s≤0.015wt％。上述元素是高锌铝锰铁铜合金的有害杂质元素，是原材料中含有的杂质成分，这些杂质元素会同铜原子形成金属间化合物，这种化合物通常是以网状形式分布于晶界处，从而降低铜合金的冷热加工性能，因此杂质含量不能超过上述限量。
本发明的重点是：含有v、cr、ni、mo、co、ti、w、c中的一种或多种，但不限于v、cr、ni、mo、co、ti、w、c中的一种或多种，含量为0.005-0.10wt％，此含量是除杂后剩余所得，剩余后的杂质元素多存在于晶粒间和晶界处，降低晶粒结合的强度，范围的限定保证了合金材料的性能不被降低，同时含有少量的上述微量元素在金属结晶时会形成单独的结晶质点，具有沉淀强化的作用。
本发明的重点是：高锌铝锰铁中的锌含量达到37.0-42.0wt％，合适的锌含量保证电极丝材料的气化性能，提高电极丝的切割速度和切割表面质量；同时因为锌、锰、铝价格相对铜的价格低很多，可以综合降低高锌铝锰铁铜合金的材料成本，使这种材料具有广阔的市场前景。
本发明的重点是：高锌铝锰铁铜合金中的锌含量高，高的锌含量比例会降低材料的塑性，降低材料的冷加工性能，这时通过添加铝、锰及镁、硅、钠、锂、钾、钙、磷中的一种或者多种，及金属溶液的除渣技术，使材料的冷加工性能得到提升，保证电极丝放电时的力学性能及气化性能的需要。
本发明的重点是：在熔炼时，除杂处理采用添加微量元素及精炼剂的方式来进行；所述的铝、锰及微量元素为在除杂后添加，且铝、锰在微量元素之后添加。金属元素投料顺序的确定，可以有效降低材料的烧损，同时可以精准除杂，并运用合金化的原理提升基体的强度。
本发明的重点是：设计高锌铝锰铁铜合金制造的电极丝抗拉强度为950-1150mpa，此力学性能保证电极丝具有良好的自动穿丝特性，同时保证切割时的电火花放电腐蚀速度为普通黄铜电极丝的1.05-1.10倍。
本发明上述各种元素的含量均以在最终的用于制造单向走丝用电极丝的高锌铝锰铁铜合金中的量为准。
附图说明
附图1单向走丝电火花放电加工示意图。
具体实施方式
下面通过实施例进一步详细描述本发明，但本发明不仅仅局限于以下实施例。
本发明中所述的导电率单位％iacs是国际单位制。本发明中所述的wt％是材料配比时的质量百分比，不是体积百分比。本发明中的“mpa”是材料的强度单位。本发明中的“℃”是温度单位，代表摄氏度。本发明中的微量元素镁、硅、钠、锂、钾、钙、磷等化学性质活波，可以采用中间合金的方式添加，但加入后其含量应小于0.01wt％。
本发明的用于制造单向走丝用电极丝的高锌铝锰铁铜合金的制造方法，市面上从电极丝使用用户处购买的放电废丝，以及电解铜、锌，以及为微量元素的镁、硅、钠、锂、钾、钙、磷中的一种或者以上，及精炼剂冰晶石(na3alf6)、硼砂(na2b4o7·10h2o)、玻璃(na2o·cao·6sio2)中的一种或者多种(所述的精炼剂的添加量为按生产1000kg的高锌铝锰铁铜合金坯杆添加0.10-0.50kg的标准进行添加)，采用合金化的熔炼技术，通过添加微量元素来达到细晶强化及除渣的双重效果，中间加工采用再结晶退火及过程大加工率的塑性加工(加工率达到50％以上)，运用连拉连退技术制造成客户所需要的用高锌铝锰铁铜合金制造的单向走丝用电极丝。其中熔炼采用的是上引连铸技术连续加料，过程采用精炼除渣技术，做到对环境友好，坯料加工采用再结晶退火及大中小微拉在线退火拉伸加工技术，成品采用全自动化的连拉连续退火生产线加工。再者，放电废丝的回收再利用，用镁、硅、钠、锂、钾、钙、磷中的一种或者多种元素组合去除对电极丝有害的v、cr、ni、mo、co、ti、w、c杂质，但不限于v、cr、ni、mo、co、ti、w、c中的一种或多种，上述这些有害的元素是在电极丝放电过程中，因为高温(8000-10000℃)的气化作用，粘附在放电废丝材料表面/表层的切割料件中(正极)的微量元素，之后，再添加铝：0.0005-0.85wt％，锰：0.005-0.5wt％合金化元素来改善高锌铝锰铁铜合金的综合性能。上述制备过程为行业常规过程，不详细赘述，但是对于物料的添加顺序和实现的功能对本发明最终合金性能的获得具有创造性的作用。
为了证明本发明的高锌铝锰铁铜合金所制造电极丝的材质及制造方法是有利的，通过下面的实施例来加以证明。
实施例：
1.1、客户处回收的放电废丝，以市场合适的价格采购铝、锰及镁、硅、钠、锂、钾、钙、磷，经化学分析合格后，开始配料；
1.2、根据表1所示的合金成分，以合适的损耗进行配料，并将配好的原材料运至熔炼现场，准备熔炼；
1.3、熔炼是制造电极丝材料的重要工序，所有的合金化元素的添加都在此工序完成，熔炼采用上引法连续铸造，铸造温度在950-1080℃之间选择；
1.4、投料顺序为：放电废丝的投入→化学分析→铜、锌补偿→投入冰晶石、硼砂、玻璃中的一种或者多种→搅拌→投入微量元素或者其中间合金→搅拌→铝、锰或者其中间合金的投入→搅拌→化学分析；
1.5、中间加工：采用塑性加工和再结晶退火的方法，此工序主要是指将制造出来的上引连铸坯杆经过表层氧化皮的去除、再结晶退火、不同道次的塑性加工，根据成品规格的需要，来设置母线的规格，本工序生产的电极丝母线的规格为φ0.6-φ1.2；
1.6、成品加工：本工序采用连拉连退技术，将上述规格的母线φ0.6-φ1.2制造成顾客所需要的规格，同时通过调整连拉连退退火电流电压，将高锌铝锰铁铜合金制造的电极丝性能调整到电极丝材料所要求的导电性能，并调整成品模具方位，保证电极丝的直度达到客户使用的需要。
表1为本发明实施例高锌铝锰铁铜合金电极丝材料化学成分及投料比例
注：为使配料方便，配料时电解铜及锌和放电废丝以百分比核算，微量元素及精炼剂在电解铜及锌和放电废丝的总重量的基础上按上表添加。
以最终的用高锌铝锰铁铜合金制造的电极丝产品的尺寸规格为φ0.25，采用如下的切割工况条件进行切割比对：试验设备为三菱公司制造的mv12002015机器，试验切割的工件尺寸为60*6*6(0.5*4凹槽)；工件材质：skd11(淬火料)；设备参数：nm；加工次数：割一修四；加工模式：浸水式；将设备的张力参数调整为适合900n/mm2的电极丝；喷嘴压靠在工件上。对比相关参数表2所示：
表2放电加工对比效果
综上,本发明电极丝的力学性能得到提高，使用通用性更广，且切割出来料件的粗糙度同同种类型的线对比线接近；导电率同普通黄铜电极丝接近，但在电极丝性能正常范围内，不影响使用；从对比例看出：镀锌电极丝的切割速度和精度稍高，因为这种电极丝的价格昂贵，同本发明材料不具有可别性，故不能作为必要证据。
上述实施例对本发明进行说明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求书的保护范围内，对本发明的任何修改和改变，都将落入本发明的保护范围。