氧對(duì)慢走絲用電極絲表層氣化金屬層影響因素的機(jī)理分析與研究＊

孟憲旗

（寧波博德高科股份有限公司，浙江寧波 315135）

1 引言

對(duì)于精密加工領(lǐng)域的管理者來(lái)講，考慮的是如何提高效率，而對(duì)于慢走絲線切割電火花放電加工方法（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37501-2020定義為單向走絲電火花放電加工）而言，因?yàn)槭茈姌O絲性能的限制，提高速度的同時(shí)會(huì)降低切割精度，而提高電火花放電加工精度之時(shí)，會(huì)相應(yīng)地?fù)p失切割速度。因此本文所論述的電極絲是在不損失電腐蝕精度的同時(shí)，尋求一種新型高性能電極絲，適合于切割形狀不規(guī)則或結(jié)構(gòu)特殊的工件，且加工后的工件表面粗糙度值、尺寸精度、直線度優(yōu)于其它相似類型的慢走絲放電加工用電極絲，并且切割速度得到提高。

2 技術(shù)背景

隨著航空航天、艦船制造、高鐵、汽車、微電子、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療器械等行業(yè)配套的高性能電極絲需求的持續(xù)增長(zhǎng)，在高性能電極絲研發(fā)制造領(lǐng)域，我國(guó)仍是空白，仍然處處受制于人，制約了相關(guān)工業(yè)的發(fā)展。根據(jù)研究需要，分析了如下不同類型的電極絲。

普通電極絲，主要分為如下兩種。普通黃銅電極絲：因受二元合金黃銅中鋅含量的限制,它的切割速度受到了制約,不適用于高效率和高精度的加工；鍍鋅電極絲：因?yàn)橹苯硬捎秒婂兒笏苄约庸どa(chǎn)成品的方法，表層鋅層和芯部是物理分離的，掉鋅粉的情況比較嚴(yán)重。

鍍層電極絲，主要分為以下4種。①速度型鍍層電極絲：切割速度比鍍鋅電極絲的切割速度快10%～15%，適合于高效率的加工，但切割時(shí)形位公差（或直線度）不容易保證；②貝塔型電極絲：電極絲的表層金相結(jié)構(gòu)為貝塔相組織，貝塔相脆性比阿爾法大，切割時(shí)電極絲的表層韌性較差，在應(yīng)用時(shí)常常切不動(dòng)或者斷線；③伽馬型電極絲：表面切割精度會(huì)較高，這種電極絲在切割尺寸形狀復(fù)雜的工件時(shí)，常常切不動(dòng)或者斷線；④復(fù)合型電極絲：生產(chǎn)成本會(huì)高于上述幾種類型的電極絲，因?yàn)槭褂贸杀镜脑颍苌儆脩裟軌蚴褂谩?/p>

慢走絲使用者應(yīng)用的產(chǎn)品基本上屬于如上兩類，且如上電極絲是在特定的作業(yè)環(huán)境下，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇的。根據(jù)上述分析，電極絲產(chǎn)品的應(yīng)用作業(yè)環(huán)境決定了電極絲產(chǎn)品要具有達(dá)到放電要求的力學(xué)性能與電性能，因?yàn)殡姌O絲的力學(xué)性能與電性能對(duì)提高直線度和表面質(zhì)量是有益的，足夠的力學(xué)性能可以阻止放電爆破時(shí)絲引起的振動(dòng)。據(jù)研究分析證明：電極絲力學(xué)性能達(dá)到420～1,160MPa、導(dǎo)電率大于18.5%IACS時(shí)，是根據(jù)慢走絲機(jī)床設(shè)計(jì)要求，對(duì)所匹配電極絲性能的基本要求。

電極絲產(chǎn)品的表層金相組織決定了電腐蝕的相應(yīng)特性，根據(jù)已有的技術(shù)發(fā)現(xiàn)，Zn是現(xiàn)有被發(fā)現(xiàn)的一種最優(yōu)的氣化金屬，且經(jīng)過(guò)更深入的研究證明，鋅的汽化能力同Zn所形成相的結(jié)構(gòu)有必然聯(lián)系，與元素比例有一定的內(nèi)稟關(guān)系，超過(guò)了電極絲在高溫沖刷狀態(tài)下的力學(xué)性能極限，電極絲就會(huì)在高溫放電時(shí)突然斷裂，因此電極絲的表層金相結(jié)構(gòu)是影響電腐蝕的一個(gè)重要因素。

3表層含氧電極絲的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與氧作用機(jī)理分析

3.1 表層含氧電極絲的結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)上述理論研究，設(shè)計(jì)了一種具有3層結(jié)構(gòu)的電極絲，分別為內(nèi)層（基體金屬），中間過(guò)渡層，表層金屬層，選擇已經(jīng)制造完成的電極絲成品，進(jìn)行如下分析，橫截面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 含氧電極絲截面（SEM/300Χ）

采用捷克產(chǎn)掃描電鏡從電極絲的最外層到芯部20μm的距離掃描200個(gè)點(diǎn)，對(duì)200個(gè)點(diǎn)的CuZn元素含量分析，并繪出如圖2所示曲線。

圖2 銅/鋅含量分部圖

（1）內(nèi)層（芯部）。內(nèi)層（芯部）采用合金化的上引法潔凈連續(xù)熔鑄技術(shù)制備而成，添加了0.001%～0.03%硼及/或添加的Ti、Ni、Fe、Si、Mn、Sn、Al、P、Re中的一種或兩種元素，既細(xì)化了晶粒又起到了形核作用，使芯材強(qiáng)度達(dá)到1Gpa以上。力學(xué)性能是保證電火花放電的關(guān)鍵因素，提升放電加工時(shí)的工件的直線度公差。芯材金相圖片如圖4所示，圖3所示為沒(méi)有進(jìn)行合金化的常規(guī)芯材。

圖3 常規(guī)芯材

圖4 本電極絲芯材

另一方面，硼的原子半徑小，鋅原子半徑大于硼，硼的存在使芯材中的鋅在消耗時(shí)，迅速占領(lǐng)鋅原子留下的空位，阻止芯材金屬不被繼續(xù)損耗，使芯材力學(xué)性能不繼續(xù)下降。

（2）外層。外層含0.001%～3.0%的氧，氧的存在阻斷了表層金屬層內(nèi)CuZn組織的連續(xù)，有利于放電時(shí)的間隔放電，提升放電后的表面質(zhì)量。經(jīng)過(guò)研究及驗(yàn)證，表層金屬內(nèi)氧達(dá)到0.001%～3.0%時(shí)，氧和銅及鋅充分形成CuO、Cu2O、ZnO等金屬間化合物，這種物質(zhì)阻斷了電極絲表層內(nèi)CuZn組織的連續(xù)形成，對(duì)電極絲的間隔放電是有促進(jìn)效果的，提升了電火花放電腐蝕時(shí)電極絲的冷卻能力和電火花腐蝕物的排出能力。

當(dāng)在氧化性熱處理氣氛下進(jìn)行熱處理，氧單質(zhì)會(huì)擴(kuò)散到表層金屬層中，同基體金屬形成CuO、Cu2O、ZnO，表層的Zn與芯材的Cu相互之間進(jìn)行遷移，生成CuZnO復(fù)合金屬表層，CuZnO復(fù)合層的形成使電火花放電腐蝕加工時(shí)的電火花更加穩(wěn)定。CuZnO復(fù)合層內(nèi)Zn比例大于50wt%后，其比例提高對(duì)提升氣化性能是有益的，降低了切割時(shí)的工件表面粗糙度。

圖5所示為經(jīng)過(guò)高溫?cái)U(kuò)散后的電極絲母材，氧含量在500倍金相顯微鏡下的微觀顯示，如圖5所示，圖6所示是2,000倍的掃描電鏡分析結(jié)果，表1是表層金屬層內(nèi)某一點(diǎn)的成分。

圖5 金相組織 500×

圖6 掃描電鏡 2000×

表1 表層金屬層內(nèi)某點(diǎn)成分

（3）過(guò)渡層。過(guò)渡層通過(guò)在氧化性氣氛下對(duì)覆過(guò)Zn的表面進(jìn)行特殊的處理而形成，由Cu、Zn、O 3個(gè)主要元素形成的復(fù)合相合金過(guò)渡層，如圖2所示，由芯材金屬同表層金屬層通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，原子遷移而形成，且過(guò)渡層中的Cu、Zn比例呈線性分部，使電極絲的表層與芯材融為一體，防止電極絲在高溫放電時(shí)因?yàn)闇囟鹊膭×易兓鸬臎_刷而使表層脫落，解決了普通電極絲易掉粉的技術(shù)難題。

熱處理時(shí)，芯材中加入的Ti、Ni、Fe、Si、Mn、Sn、Al、P、Re元素的一種或多種，必然會(huì)有有部分遷移到表層中，同時(shí)會(huì)有一部分沉積在中間過(guò)渡層，電腐蝕首先作用的是表層金屬層中的Zn，而沉積在過(guò)渡層中的添加元素因氣化溫度比Zn高而滯留，滯留的元素保證線電極尺寸穩(wěn)定，使切割工件的直線度公差優(yōu)于其它類型的慢走絲用電極絲。

CuZnO復(fù)合層延緩過(guò)渡層中鋅的損耗，使電極絲放電穩(wěn)定，CuZnO內(nèi)的Zn被穩(wěn)定的消耗，減少了切割時(shí)表層金屬的放電過(guò)渡損耗，從而達(dá)到了節(jié)能降耗的效果。

3.2 表層金屬層中氧的作用機(jī)理分析

首先，排屑作用和冷卻作用的原理是，放電時(shí)，Zn的氣化溫度低于Cu，首先被燒蝕掉，而氧同基體金屬形成的高熔點(diǎn)CuO、Cu2O、ZnO卻殘留在電極絲表層，保證了電極絲外形尺寸不變，同時(shí)，Zn在高溫?zé)g后留下的空間位置增加了電極絲表層幾何面積，表面幾何面積的增大，擴(kuò)展了電極絲本體的散熱面積，放電時(shí)聚集的熱量就更容易被冷卻介質(zhì)帶走或中和掉，使電極絲的放電性能更優(yōu)。

其次，電極絲作為電火花腐蝕加工時(shí)的線電極，電火花放電時(shí)，電極絲（線電極）的尺寸穩(wěn)定性是提高切割精度的關(guān)鍵因素，因?yàn)榻饘匍g氧化物CuO、Cu2O、ZnO的存在，表層金屬層中含氧的電極絲優(yōu)于其它類型的電極絲。

再者，表層復(fù)合金屬層中CuO、Cu2O、ZnO的存在，使電極絲在高溫切割時(shí)產(chǎn)生高溫自潤(rùn)滑能力，類似于在電極絲表面涂抹一層高溫潤(rùn)滑劑，可以減少由于高溫摩擦對(duì)切割工件表面的損傷，降低切割工件的表面粗糙度。

4 表層含氧電極絲的試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 成分設(shè)計(jì)

根據(jù)理論研究及技術(shù)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出如下一種表層含氧的單向走絲用電極絲，成分配方具體如下。

化學(xué)組分設(shè)計(jì)為：芯材化學(xué)成分為銅：58.5%,硼：0.0025%，加入的其它元素的含量為0.15%，加入的其它金屬元素為鐵和稀土，不可避免的由原材料帶入的雜質(zhì)元素小于0.3%,其余為鋅；表層金屬層的化學(xué)成分為：銅：41.0%,氧：0.015～1.2%，稀土：0.001%，鐵：0.08%，不可避免的雜質(zhì)元素含量小于0.3%，其余為Zn。

4.2 制備過(guò)程

步驟1：按上述成分要求對(duì)合金材料進(jìn)行配比，并進(jìn)行熔煉，當(dāng)熔煉溫度在950℃～1,150℃時(shí)，開始鑄造，鑄造速度為1.2～4.0m/min，鑄坯尺寸為?9.5mm。對(duì)?9.5mm的坯桿進(jìn)行塑性加工，并進(jìn)行表面潔凈處理及再結(jié)晶退火，連拉連退制成?1.2mm的，含Cu為59.5wt%的黃銅線，之后采用環(huán)保型電沉積方法在黃銅線表面覆蓋厚度20μm的Zn。

步驟2:將上述步驟1加工成的材料在氧化性氣氛下熱處理。熱處理的工作氣氛是：將上述步驟1電沉積后制成的材料置于加熱爐內(nèi)，控制熱處理的氣壓為5MPa，氧含量不低于50%，熱處理溫度為350℃～420℃，保溫時(shí)間5h，形成母坯料，然后隨爐冷到60℃出爐。

步驟3:采用在線連續(xù)退火連續(xù)拉伸方式對(duì)上述步驟2中生成的母料坯料連續(xù)拉伸和去應(yīng)力退火，工藝條件為：退火溫度在650℃的條件下，在線退火速度550～1,500m/min，退火長(zhǎng)度1.5～10.0m，然后于退火液中進(jìn)行后處理，退火液溫度為20℃～150℃，并卷取收線并生產(chǎn)最終成品，制成的電極絲尺寸為直徑?0.250mm，電極絲的力學(xué)性能為955MPa。

5 表層含氧電極絲的放電加工試驗(yàn)評(píng)定

根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)的慢走絲電火花線切割應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)上述制造出的電極絲產(chǎn)品在客戶處同普通黃銅切割線，以及法國(guó)某一知名公司制造的同本試驗(yàn)方案類似的電極絲產(chǎn)品開展加工性能評(píng)定。

5.1 放電加工試驗(yàn)方法

試驗(yàn)對(duì)象特征：工件尺寸：40×6×6mm（0.5×3mm帶凹槽）；切割工件材質(zhì)：SKD11（進(jìn)口合金模具鋼）；線切割機(jī)床參數(shù)設(shè)置模式：NM；加工次數(shù)：割一修三；放電加工時(shí)浸水方式：浸入式。

慢走絲放電加工設(shè)備的張力參數(shù)設(shè)計(jì)值：匹配大于900MPa的電極絲；冷卻方式：噴嘴壓靠在工件上。慢走絲切割機(jī)品牌：日本Mitsubishi；機(jī)床型號(hào)：MV1200/2016機(jī)器（國(guó)產(chǎn)）。

5.2 放電加工試驗(yàn)評(píng)定

切割結(jié)果評(píng)定如表2所示。

表2 電極絲性能參數(shù)對(duì)比

綜上可知，本發(fā)明電極絲電性能高于其它類型的電極絲，且切割出來(lái)工件的表面粗糙度同同種類型的電極絲更優(yōu)，切割速度更快，自動(dòng)化程度高，質(zhì)量穩(wěn)定，投放國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)以后，深受客戶好評(píng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

電極絲芯材經(jīng)上引法連續(xù)熔鑄技術(shù)制備，在線連拉連退及熱處理，表層金屬層熱處理后生成母坯料，對(duì)母坯料進(jìn)行大于80%的加工率加工生成表層金屬層含氧的電極絲成品，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證得出如下結(jié)論。

采用合金化的芯材制造技術(shù)制造的含硼或者Ti、Ni、Fe、Si、Mn、Sn、Al、P、Re元素中的一種或者兩種元素制造的合金化芯材，對(duì)提高電極絲的性能是有益的；由銅鋅氧等其它微量元素制成的中間過(guò)渡層對(duì)提升電極絲的放電加工質(zhì)量，可以降低電極絲表層脫落的問(wèn)題；電極絲表層內(nèi)的氧對(duì)電火花放電腐蝕加工是有益的。