孟憲旗

（寧波博德高科股份有限公司，浙江寧波 315135）

1 引言

對于精密加工領(lǐng)域的管理者來講，考慮的是如何提高效率，而對于慢走絲線切割電火花放電加工方法（國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37501-2020定義為單向走絲電火花放電加工）而言，因為受電極絲性能的限制，提高速度的同時會降低切割精度，而提高電火花放電加工精度之時，會相應(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，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，在高性能電極絲研發(fā)制造領(lǐng)域，我國仍是空白，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：因為直接采用電鍍后塑性加工生產(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，切割時電極絲的表層韌性較差，在應(yīng)用時常常切不動或者斷線；③伽馬型電極絲：表面切割精度會較高，這種電極絲在切割尺寸形狀復(fù)雜的工件時，常常切不動或者斷線；④復(fù)合型電極絲：生產(chǎn)成本會高于上述幾種類型的電極絲，因為使用成本的原因，很少用戶能夠使用。

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)用場景進行選擇的。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，因為電極絲的力學(xué)性能與電性能對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絲引起的振動。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，是根據(jù)慢走絲機床設(shè)計要求，對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，電極絲就會在高溫放電時突然斷裂，因此電極絲的表層金相結(jié)構(gòu)是影響電腐蝕的一個重要因素。

3表層含氧電極絲的結(jié)構(gòu)特點與氧作用機理分析

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），中間過渡層，表層金屬層，選擇已經(jīng)制造完成的電極絲成品，進行如下分析，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個點，對200個點的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所示為沒有進行合金化的常規(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，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)，有利于放電時的間隔放電，提升放電后的表面質(zhì)量。經(jīng)過研究及驗證，表層金屬內(nèi)氧達(dá)到0.001%～3.0%時，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，對電極絲的間隔放電是有促進效果的，提升了電火花放電腐蝕時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行熱處理，氧單質(zhì)會擴散到表層金屬層中，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，其比例提高對提升氣化性能是有益的，降低了切割時的工件表面粗糙度。

圖5所示為經(jīng)過高溫擴散后的電極絲母材，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)某點成分

（3）過渡層。過渡層通過在氧化性氣氛下對覆過Zn的表面進行特殊的處理而形成，由Cu、Zn、O 3個主要元素形成的復(fù)合相合金過渡層，如圖2所示，由芯材金屬同表層金屬層通過化學(xué)反應(yīng)，原子遷移而形成，且過渡層中的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因為溫度的劇烈變化引起的沖刷而使表層脫落，解決了普通電極絲易掉粉的技術(shù)難題。

熱處理時，芯材中加入的Ti、Ni、Fe、Si、Mn、Sn、Al、P、Re元素的一種或多種，必然會有有部分遷移到表層中，同時會有一部分沉積在中間過渡層，電腐蝕首先作用的是表層金屬層中的Zn，而沉積在過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，減少了切割時表層金屬的放電過渡損耗，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理分析

首先，排屑作用和冷卻作用的原理是，放電時，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，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，擴展了電極絲本體的散熱面積，放電時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的線電極，電火花放電時，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，因為金屬間氧化物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產(chǎn)生高溫自潤滑能力，類似于在電極絲表面涂抹一層高溫潤滑劑，可以減少由于高溫摩擦對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驗證

4.1 成分設(shè)計

根據(jù)理論研究及技術(shù)試驗，設(shè)計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 制備過程

步驟1：按上述成分要求對合金材料進行配比，并進行熔煉，當(dāng)熔煉溫度在950℃～1,150℃時，開始鑄造，鑄造速度為1.2～4.0m/min，鑄坯尺寸為?9.5mm。對?9.5mm的坯桿進行塑性加工，并進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，退火長度1.5～10.0m，然后于退火液中進行后處理，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評定

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

5.1 放電加工試驗方法

試驗對象特征：工件尺寸：40×6×6mm（0.5×3mm帶凹槽）；切割工件材質(zhì)：SKD11（進口合金模具鋼）；線切割機床參數(shù)設(shè)置模式：NM；加工次數(shù)：割一修三；放電加工時浸水方式：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。慢走絲切割機品牌：日本Mitsubishi；機床型號：MV1200/2016機器（國產(chǎn)）。

5.2 放電加工試驗評定

切割結(jié)果評定如表2所示。

表2 電極絲性能參數(shù)對比

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，自動化程度高，質(zhì)量穩(wěn)定，投放國內(nèi)外市場以后，深受客戶好評。

6 結(jié)束語

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，對母坯料進行大于80%的加工率加工生成表層金屬層含氧的電極絲成品，經(jīng)過試驗驗證得出如下結(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渡層對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題；電極絲表層內(nèi)的氧對電火花放電腐蝕加工是有益的。