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宁波博威麦特莱科技有限公司
1 引言
随着材料加工技术及机械加工技术的不断进步，慢走丝用电极丝经历了从普通黄铜电极丝到镀层电极丝的使用转换，甚至现在正在研究的多层复合电极丝，这些镀层电极丝的研究无不依据放电加工的原理应运而生，不同组织的涂层及涂层结构，适合于切割不同类型的料件。
2 慢走丝用电极丝切割材料的简介
中走丝、快走丝是我国具有独立知识产权的电火花线切割加工技术，为区别于上述两种加工方式，近年来，随着慢走丝发展技术在中国的逐渐普及，根据走丝方式和走丝速度的不同，我国的一些专业技术人士将慢走丝加工命名为单向走丝电火花加工。当前市场上存在有各种类型的电极丝，这些类型的电极丝都根据所匹配的加工方式而有特殊的性能，如追求经济型的电极丝；追求高精度的电极丝；追求高速度的电极丝；追求综合切割性能的电极丝。
电火花切割是通过电蚀的方式来进行的，要提高切割速度，则放电火花要足够大，放电火花大，则放电蚀去除的金属颗粒就大，对应产生金属颗粒的坑洞也就相应增大，反映到工件上就是工件的表面的粗糙度变差，反之，降低电火花蚀的速度，则金属颗粒就小，坑洞就小，最后切割的工件表面质量就变好。综上分析，现在的技术条件下，难以找到效率、精度、表面质量同时优化的电极丝。下面介绍一下当今市场上经常被用户使用的电极丝：
（1）含铜量在58%~65%的普通黄铜电极丝，这种电极丝价格低廉，但因为表层结构及锌含量的限制，这种电极丝的电蚀速度低，适合于一般要求的常规加工。
（2）表层镀锌的电极丝，这种纯锌覆盖层，因为锌的气化温度低，而更容易被汽化损耗，并且在切割厚度较大的工件时，容易产生两头小中间大鼓肚现象。
（3）表层有横向不规则裂纹的电极丝，这种电极丝表层含有β相和γ相，或者是两种相的混合物，因为有裂纹及含高锌的γ相黄铜合金，所以这种电极丝的切割速度比1和2中的电极丝都快，但这种电极丝有一个无法避免的缺点：由于表层横向裂纹的存在，电极丝在使用时，移动方向沿裂纹的垂直方向，因此这种裂纹的存在会损伤慢走丝切割机的送丝部分结构及导向装置；同时，因为裂纹垂直于电极丝的轴向，电极丝的力学性能也会降低，对于一些对电极丝力学性能有要求的场合，这种电极丝的适用性也会受到限制。
现在用户所使用的电极丝材料基本上属于上述几种，根据前面论述，上述电极丝均是在特定的工况条件下使用的电极丝，使用范围窄，且还具有不同程度的缺陷和不足。
3 新型耐蚀电极丝的结构
研发时针对现有技术的上述不足之处，充分运用电极丝材料加工的一般原理及电极丝的放电原理，提供一种制造成本低，适合于在粗割时提高切割速度，在精修时提高表面质量，并且在切割时减少对慢走丝设备损伤的电极丝。结构图如图1所示。
为了实现上述的结构特点，新型耐蚀电极丝的技术方案设计为：包括电极丝本体，电极丝本体由合金化黄铜材料制成的芯材2和覆盖在芯材上的表层金属层3构成，且芯材和表层金属层之间为过渡层4；锌材中铜的含量为58.0~65.0wt%，余量为锌和少量的添加元素及不可避免的杂质成分；表层金属层的材料由铜、锌、添加元素及不可避免的杂质成分组成，其中锌的含量大于52wt%而小于68wt%，并且该金属层呈纵向断裂状分布，断裂处的特征如下：
图1 新型电极丝截面图
（1）纵向断裂处空隙的表面积大于表层金属层3表面积的5%而小于40%，纵向断裂处的裂纹形状呈不规则状态分布。过渡层的锌原子由内向外呈线性增加分布、铜原子由内向外呈线性减少分布。这种铜锌含量的分布方式，使得表层金属和芯材金属融为一体，减少了表层金属的脱落，有助于切割。
（2）新型耐蚀电极丝芯材层的添加元素由两部分组成，分别为M1和M2，其中M1为磷、稀土、钠、钾、镁、钙中的至少一种，M2为铝、硅、锰、钛、铬、铁中的至少一种。其中M1的含量为0.0005~0.05wt%，M2的含量为0.005~0.08wt%。且表层金属层中有M1和M2中的各至少一种。
（3）新型耐蚀电极丝表层金属层的相结构为γ相铜锌合金，及固溶在γ相铜锌合金中的M1和M2中的元素（即从芯层扩散滞留在表层金属层中形成的添加元素）。
如上的电极丝结构及特殊的化学成分，使新型耐蚀电极丝比其它常规类型的电极丝有显著的稳定性，且具有在放电时的延迟电蚀速度性能，保证切割料件的光洁度，并且具有如下的优点。
4 新型耐蚀电极丝的优点
根据电极丝使用时的工况条件，运用冶金学的一般原理，在电极丝制造时采用特殊的加工方法及工艺路线，形成如下优点的新型电极丝。
（1）新型耐蚀电极丝的芯材金属因为采用了合金化的连续熔炼铸造技术，通过添加M1和M2两种不同类型的金属元素，使材料的综合性能得到提高，M1中磷、稀土、钠、钾、镁、钙为强的还原性金属，且化学性能都比铜和锌活泼，这些元素添加后，可以同铜锌溶液中的杂质元素发生氧化还原反应，去除这些杂质，因为这些元素的化学反应生产的产物比铜溶液的密度低，杂质漂浮在溶液表面，便于清理，M2中铝、硅、锰、钛、铬、铁为强化元素，电极丝是表层纵向裂纹的存在降低了材料的力学性能，为了不使材料的强度降低，添加M2中的任何一种金属元素，这些金属元素同铜锌固溶在一体，提高基体的强度，芯材的抗拉强度得到了提升，强度的提高有助于在切割时提升切割工件的直线度。
（2）新型耐蚀电极M1中磷、稀土、钠、钾、镁、钙元素的添加量为0.0005~0.05wt%，添加控制在这个范围内既可以保证成本不会提升很多，同时又可以使材料的性能提升最大化，因为过多的M1元素容易在铜锌溶液中形成氧化物夹杂，反而降低材料的综合性能。
（3）新型耐蚀电极丝的M2金属铝、硅、锰、钛、铬、铁的含量为0.005~0.08wt%，过量添加会降低材料的机械性能，同时材料的导电率会下降，采用电极丝的配比，材料成本比较低，而材料的机械性能又得到相应的提高，生产难度小，适合于批量化生产。
（4）新型耐蚀电极丝因为表层材料具有的特殊成分配比及加工方式，在电极丝的表面形成不规则的纵向裂纹，且纵向裂纹的表面积大于表层金属层3表面积的0.5%而小于30%，试验证明裂纹的表面积如果大于50%以上会降低材料的机械性能，切割时吸附效应大，进入裂纹中的冷却液会急剧增加，使电极丝的切割性能降低；同时，纵向裂纹不损伤慢走切割设备的送丝装置及导向装置。
（5）新型耐蚀电极丝芯材2和表层3过渡区的锌原子由内向外呈线性增加分布，铜原子由内向外呈线性减少分布，铜锌含量的这种分布，使表层金属同芯材料金属融为一体，减少了表层金属的脱落，有助于切割。
（6）表层金属层的相结构为γ相铜锌合金，及固溶在γ相铜锌合金中的M1和M2中的元素。γ相中含有M1和M2两种不同种类型的金属元素，使电极丝的γ相同常规的γ相对比综合性能更有，放电更稳定，使最终电极丝的切割表面质量得到提升。
（7）新型耐蚀电极丝含有特殊成分的γ相，可以阻碍放电时电极丝的消耗，保证电极丝的形状尺寸，保证切割工件的表面质量。
（8）新型耐蚀电极丝由于表层复合金属层M1金属氧化物的存在，M1金属氧化物的硬度比氧化锌的硬度高，使氧化锌在切割时产生自润滑作用，相当于电极丝放电时在电极丝的表面涂了一层润滑油，可以减少由于摩擦对切割工件表面的损伤，从而提高切割工件的表面光洁度。
（9）新型耐蚀电极丝因为芯材金属添加了M1和M2的合金化元素，使电极丝材料的总导电率可以达到18.0%~28.0%IACS，这种导电率的存在，可以保证使这种电极丝的切割速度比普通黄铜电极丝快15%以上。
（10）新型耐蚀电极丝在制造过程中因为添加了M1和M2的合金化元素，使材料的机械性能得到了提高，抗拉强度可以在550MPa以上，强度的升高保证了电极丝材料的记忆特性，从而保证电极丝恢复成直线的特性，最终保证穿丝的成功率。
（11）新型耐蚀电极丝表层锌的含量大于52wt%而小于68wt%，并且该金属层呈纵向断裂状分布，纵向裂纹的存在相当于延长了电流的传播路径，使之有较低的电流强度，低的电流强度及锌含量在60%左右的锌铜合金，可以保证在精修时有低的放电能量，来保证最终料件的表面质量。
上述优点保证了电极丝同国外先进发达市场国家的电极丝制造成本低，适合于在粗割时提高切割速度，在精修时提高表面质量，并且在切割时减少对慢走丝设备损伤的电极丝
5 新型耐蚀电极丝的制造及应用验证
根据新型电极丝的工艺路线及制造厂家的设备限制，采用如下的步骤来制造新型电极丝。
（1）以市场合适的价格采购铜、锌、磷、稀土、钠、钾、镁、钙、铝、硅、锰、钛、铬、铁原材料，经化学分析合格后，开始配料。电极丝芯材层化学成分如表1所示。
（2）根据合金成分进行合金化配料，并将配好的原材料运至熔炼现场，准备熔炼。
（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，熔炼采用上引连续铸造，铸造温度选择为950~1,250℃。
（4）塑性加工和再结晶退火：此工序主要是指将制造出来的上引连铸坯杆经过扒皮、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，本工序生产的裸铜线的规格为ϕ0.8~ϕ1.6mm。
（5）电沉积锌：再按照表2进行常规的电沉积工艺加工，可获得具有表层金属层的粗坯。
（6）成品加工：本工序采用退火+塑性加工+退火的在线技术，根据加工阶段的不同工艺参数组合，将电极丝性能调整到材料所要求的导电性能与力学性能及如表2所示的表层锌含量。
以统一产品规格为ϕ0.25mm，按本文所述要求获得的电极丝结构，具体可以见上述附图1，电极丝的横截面结构示意图：包括电极丝本体1，电极丝本体1由合金化黄铜材料制成的芯材2和覆盖在芯材上的表层金属层3构成，且芯材2和表层金属层3之间为过渡层4；所述的表层金属层3沿着电极丝本体的纵向呈断裂状分布。纵向分布的断裂层降低了对切割设备传动部件的损伤，且有助于电极放电。
采用如下的切割工况条件将本电极丝同其它类型电极丝进行切割比对：
a.试验设备为三菱公司制造的MV12002015机器，切割周期为10个工作日。
b.工件材质：SKD11。
c.设备参数：NM。
d.加工次数：割一修四。
e.加工模式：浸水式。
f.将设备的张力参数调整为适合900N/mm2的电极丝。
g.喷嘴压靠在工件上。
对比相关参数如表3所示。
注：上述所取切割速度和切割表面质量的数值为10个工作日内出现概率最多的数值。
综上所述，电极丝的导电率有所提高，且切割出来料件的粗糙度值同同种类型的线对比线接近；力学性能稍低，但在电极丝性能正常范围内，不影响使用；从对比可看出：同普通黄铜电极丝对切割设备的损伤一致，比横向的电极丝要优；同时，因为电极丝的裂纹是同电极丝移动方向一致的，便于自动穿丝。
6 结束语
特殊表层结构的电极丝是未来电极丝的研究方向，通过调整表层和芯材成分，满足电极丝材料的基础性能，这种结构既能提高慢走丝电火花线切割加工粗加工时的效率，又能在精修时最大程度地提高表面切割质量，并且在切割时减少对慢走丝设备损伤。 |
