KR100925000B1 - 방전가공용 전극선 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방전가공용 전극선 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 심선 위에 전기도금 및 용융도금을 순차 실시하여 다양한 코팅층 조직을 형성한 후 신선 가공하여 방전가공용 전극선을 제조함으로써 방전 특성이 우수하고 인장 강도가 높으며 정밀가공에 특출한 방전가공용 전극선 및 그 제조방법에 관련된다.

본 발명은 금속 재료로 형성되는 심선; 및 상기 심선의 표면 위에 γ+ε상으로 형성되는 코팅층을 포함하며, 상기 코팅층은 조각상 형태로 상기 심선의 표면에 침투되어 있음을 특징으로 하는 방전가공용 전극선을 제공한다.

방전가공, 전극선, 전기도금, 용융도금, 코팅층, 심선

Description

방전가공용 전극선 및 그 제조방법{Electrode wire for electric discharge machining and manufacturing method thereof}

본 발명은 방전가공용 전극선 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 심선 위에 전기도금 및 용융도금을 순차 실시하여 다양한 코팅층 조직을 형성한 후 신선 가공하여 방전가공용 전극선을 제조함으로써 방전 특성이 우수하고 인장 강도가 높으며 정밀가공에 특출한 방전가공용 전극선 및 그 제조방법에 관련된다.

일반적으로 방전가공은 스파크 또는 아크방전에 의하여 피가공물을 절단하는 것으로, 와이어 형태의 전극선이 피가공물 옆을 방전이 일어나는 정도의 간격을 유지하고 지나가면서 피가공물을 절단하는 것이다. 즉, 피가공물과 전극 사이에서 작용하는 전류에 의해 스파크 또는 아크 방전이 발생하여 피가공물의 소재를 녹여가면서 미세하게 금속입자를 제거하면서 절단이 되는 것이다.

이러한 가공과정은 전극선과 피가공물 사이의 방전에 의해 피가공물이 절단되는 것이므로 전극선의 조성, 상(phase), 직경 등의 전극선의 형상이나 재질은 방전가공에 매우 큰 영향을 미친다.

일반적으로 전극선의 심선은 증발온도가 낮은 저융점 금속으로 형성되므로 심선과 코팅층을 구성하는 금속 사이의 확산반응에 의해 상변화가 일어나 다양한 상의 코팅층이 형성되게 된다. 이러한 상들은 제각기 물리적, 화학적 성질이 다르므로 코팅층에 어떠한 상을 어느 정도의 두께로 형성시키는가에 따라서 전극선의 성능이 크게 달라질 수 있다.

따라서 이러한 기초위에서 전극선의 성능을 향상시키기 위한 노력이 지속적으로 진행되고 있다. 특히 전극선의 특성이 좋지 않은 경우 방전가공시 가루발생, 단선, 피가공물에 심선의 황동이 부착되는 동부착 현상 등이 발생할 수 있으며, 이는 금형가공에 있어서 치명적인 손상을 초래할 수 있다. 또 정밀가공에 있어서 면조도를 유지하기 위해서는 코팅층의 상태를 균일하고, 모재에 접착력이 강한 코팅층을 형성시켜 가루발생을 최소화할 필요가 있다. 또한 방전가공시 전극선이 갖추어야 할 인장강도, 전기전도도 및 스파크 방전시 증발특성 등을 고려한 전극선 개발이 요청되고 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 심선 위에 전기도금 및 용융도금을 순차 실시하여 다양한 코팅층 조직을 형성한 후 신선 가공하여 방전가공용 전극선을 제조함으로써 방전 특성이 우수하고 인장 강도가 높으며 정밀가공에 특출한 방전가공용 전극선 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 금속 재료로 형성되는 심선; 및 상기 심선의 표면 위에 γ+ε상으 로 형성되는 코팅층을 포함하며, 상기 코팅층은 조각상 형태로 상기 심선의 표면에 침투되어 있음을 특징으로 하는 방전가공용 전극선을 제공한다.

또한 상기 심선은 구리, 또는 아연 30~43중량%가 함유된 구리아연합금으로 형성됨이 바람직하다.

또 상기 코팅층은 아연 70~76중량%를 함유하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 심선을 세척하는 세척 단계; 상기 세척된 심선에 전기도금을 실시하는 전기도금 단계; 상기 전기도금된 심선에 용융도금을 위한 전처리를 수행하는 도금 전처리 단계; 상기 도금 전처리된 심선에 용융도금을 실시하여 코팅층을 형성하는 용융도금 단계; 및 상기 코팅층이 형성된 심선을 인발하는 신선단계를 포함함을 특징으로 하는 방전가공용 전극선의 제조방법을 제공한다.

또 상기 용융도금 단계에서 형성되는 상기 코팅층은 상기 심선을 감싸며 γ상으로 형성되는 제1 층; 상기 제1 층 위에 γ+ε상으로 형성되는 제2 층; 및 상기 제2 층 위에 ε상, ε+η상 또는 η상 중 어느 하나의 상으로 형성되는 제3 층을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 방전가공용 전극선은 전기도금 및 용융도금의 혼합코팅공정에 의하여 제조되어, γ+ε상으로 구성된 코팅층으로 심선이 둘러싸이며 이 코팅층을 구성하는 입자가 심선 표면에 침투하여 존재하는 전극선으로써 높은 인장강도와 우수한 접착력을 갖춰 방전특성이 우수한 전극선이다.

따라서 본 발명에 따르면 방전가공시 균일한 스파크 방전에 의하여 고정밀 방전가공을 가능하게 하며 가루발생, 단선, 피가공물에의 동부착 현상 등을 감소시킬 수 있는 방전가공용 전극선이 제공된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 방전가공용 전극선의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 준비된 심선에 탈지 단계(S11), 수세 단계(S12), 산세 단계(S13), 수세 단계(S14)를 포함하는 세척 단계(S10)가 수행된 후 전기도금 단계(S20)가 수행된다. 이후 플럭스 단계(S31), 건조 단계(S32), 예열 단계(S33)를 포함하는 도금 전처리 단계(S30)가 수행된 후 용융도금 단계(S40)가 수행되며, 신선 단계(S50) 및 응력제거 단계(S60)가 이어진다.

먼저, 탈지 단계(S11)는 준비된 심선의 표면에 묻어 있는 오염 물질을 제거하는 공정이다. 심선의 표면에 오염 물질, 특히 유분이 조금이라도 남아 있는 경우에는 이후의 전기도금 단계(S20)나 용융도금 단계(S40)에서 접착력이 저하되고 도금 불량이 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있기 때문에, 탈지 단계(S11)에서 이를 제거하는 것이다.

수세 단계(S12)에서는 30 내지 50 ℃의 온수를 사용하여 심선을 세척하며, 각 공정에서 욕조가 낮은 불순물 농도를 유지할 수 있도록 한다.

산세 단계(S13)는 심선 표면에 묻어있는 미세한 산화스케일을 제거하고 심선의 표면을 활성화시키기 위해서 수행된다. 이때, 심선의 특성 등을 고려하여 적절 한 농도 및 온도를 가지는 산을 이용하여 산세 단계를 수행하는 것이 바람직하다.

수세 단계(S14)에서는 30 내지 50 ℃의 온수를 사용하여 심선을 세척하며, 각 공정에서 욕조가 낮은 불순물 농도를 유지할 수 있도록 한다.

상기한 바와 같은 세척 단계(S10)를 거친 심선에는 전기도금 단계(S20)에서 아연 도금층이 형성된다. 먼저, 세척된 심선에 전기도금 방식으로 순아연의 도금층을 형성한다. 아연 이온 또는 아연이 녹아 있는 전해액을 욕조에 준비한 후 심선을 이 욕조에 입욕시킨 후 통전하면, 심선 표면에 아연이 석출되어 순아연의 도금층이 형성된다. 이러한 전기도금은 심선의 표면에 순아연의 도금층을 형성시킴으로써 이후의 용융도금시 아연농도가 높은 코팅층의 형성을 가능하게 한다. 즉, 확산장벽 효과에 의하여 γ상보다는 연성이 높은 γ+ε상의 코팅층을 용융도금과정에서 형성시킴으로써 모재에 대한 코팅층의 접착력을 증대시킨다.

이후 전기도금된 심선에 대하여 플럭스 단계(S31), 건조 단계(S32) 및 예열 단계(S33)를 포함하는 도금 전처리 단계(S30)가 수행된다.

플럭스 단계(S31)에서는 심선 표면에 플럭스를 도포하는 공정으로, 심선 표면의 산화를 방지하고 표면을 활성화하기 위해 수행된다. 도포된 플럭스는 용융도금 단계(S40)에서 금속 융액에 입욕되는 순간 제거된다.

건조 단계(S32)에서는 플럭스에 남아 있는 수분을 완전히 제거하여, 용융도금 단계(S40)에서 플럭스 내의 수분이 코팅 시 미칠 수 있는 악영향을 방지하는 역할을 한다.

예열 단계(S33)에서는 용융도금 단계(S40) 이전에 심선을 가열함으로써, 용 융도금 단계(S40)에서 확산이 활발하게 일어날 수 있도록 하여 코팅층의 형성을 좀더 용이하게 한다.

상기한 바와 같은 도금 전처리 단계(S30)가 수행된 이후에는 용융도금 단계(S40)가 수행된다. 용융도금 단계(S40)는 아연이온 또는 아연이 녹아 있는 욕조에 심선을 입욕시키면서 심선에 코팅층을 형성하는 과정이다. 이때 욕조의 온도는 안정화되어 일정하게 유지된 상태에서 코팅을 수행하여야 한다.

또한 용융도금 단계(S20)에서 심선에 형성되는 코팅층의 두께는 코팅 조건, 즉 용탕의 온도, 코팅 시간 등에 따라 조절할 수 있는데 약 5~10㎛의 두께로 형성시키는 것이 바람직하다. 그러나 코팅층의 두께는 원하는 전극선의 특성 등에 따라 변화될 수 있으므로, 본 발명이 이러한 코팅층의 두께로 한정되는 것은 아니다.

본 발명에서 전기도금과 용융도금을 혼합 실시하는 것은 상이 다른 복수의 층을 갖는 코팅층을 형성함으로써 이후의 신선 단계(S30)를 거쳐 방전가공 특성이 우수한 전극선을 생성하기 위한 것이다.

용융도금 단계(S40)에서는 아연을 450℃~470℃의 고온에서 가열하여 녹인 용탕을 욕조에 준비하여 상기와 같이 전기도금되고 도금 전처리된 심선을 입욕시킨 후 냉각시킨다. 이에 따라 전기도금 및 도금 전처리된 심선과 반응하여 용탕의 아연이 전기도금된 심선으로 확산하면서 새로운 코팅층이 형성된다.

상기한 용융도금 단계(S40)를 거치면서 심선에 코팅층이 형성되는데 형성되는 코팅층은 도 2를 참고하여 뒤에서 설명될 것이다.

용융도금 단계(S40) 이후 코팅층이 형성된 심선을 인발하는 신선 단계(S50) 가 수행된다. 신선 단계(S50)는 신선용 다이스를 이용하여 중선 전극선(신선하기 이전에 형성된 전극선)을 냉간 인발하여 세선 전극선(신선 이후의 전극선)을 생성하는 공정으로 이루어진다. 이때, 약 0.9mm의 중선 전극선은 0.25mm의 세선 전극선으로 인발될 수 있다. 그러나 소망하는 치수에 따라 다양한 크기의 세선 전극선으로 인발될 수 있음은 물론이다.

신선 단계(S50)가 수행된 이후에는 냉간 인발 과정에서 발생된 잔류응력을 제거하는 응력제거 단계(S60)가 수행된다. 이에 따라 전극선의 인장강도 및 전극선 표면의 접착력을 향상시킬 수 있다.

도 2는 본 발명에 따라 용융도금 단계(S40)를 거쳐 코팅층이 형성된 중선 전극선의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.

먼저, 전기도금 단계(S20)가 수행된 이후에는 심선(10)과 욕조 안의 아연 이온이 반응하여 순아연의 η상의 도금층이 형성되며, 용융도금 단계(S22)를 거친 이후 전기도금 및 도금 전처리된 심선(10)과 반응하여 생성된 코팅층(20)은 서로 다른 상을 갖는 복수의 층으로 형성된다. 제1 층(21)은 γ상으로 형성되며, 제 2층(22)은 γ+ε상으로, 제3 층(23)은 ε상, ε+η상 또는 η상으로 구성된 합금화 코팅층이 형성되는데, 이때 코팅층 표면은 부정형의 치밀한 조직으로 형성된다.

아래의 표 1은 용융도금 단계(S40)를 거쳐 형성된 중선 전극선의 상 분석표를 나타낸다.

층	심선	제1 층	제2 층	제3 층
상(Phase)	α 또는 α+β	γ	γ+ε	ε, ε+η 또는 η
Zn 함량(중량%)	-	65~68	70~76	80 이상

상기한 표 1과 같이 코팅층(20)은 심선(10)의 표면에 3개의 층으로 구성되며, 각 층의 상은 서로 다른 것을 알 수 있다.

이때, 심선(10)은 구리, 또는 아연 30~43중량%를 함유하는 구리아연합금으로 α상 또는 α+β상으로 형성되는 것이 바람직하다. 일반적으로 아연의 함량이 40중량%를 초과하는 경우는 α+β상의 이중조직을 가지는데, 이 β상은 냉간가공이 어려워 신선단계(S50)에서 크랙 또는 단선이 발생하는 경향이 있다. 그러나 본 발명에 따르면, 심선(10)의 아연 함량은 40중량%를 초과하지만, 종래와 같은 크랙이나 단선과 같은 문제점이 발생하지 않는다. 이는 전기도금과 용융도금을 순차 실시하여 형성된 코팅층(20)이 신선단계(S50)에서 심선(10)에 더욱 강력하게 밀착되어 접착력이 증대하고 인장강도가 상승하여 방전가공 특성이 향상되기 때문이다. 심선(10)의 직경은 0.85 내지 1.25mm일 수 있으나, 본 발명이 이러한 심선의 직경으로 한정되는 것은 아니다.

또한 욕조 안의 아연이 심선(10) 내부로 확산되어 코팅층이 형성되므로 심선(10)에 가까워질수록 아연의 함량이 줄어들고, 표층인 제3층(23)은 용탕의 아연과 직접 접촉하는 부분으로 다른 부분보다 아연 함량이 높아 아연 80중량% 이상을 함유한 ε상, ε+η상 또는 η상으로 형성된다.

코팅층(20) 중 제2층(22)은 이후의 신선단계(S50)를 거친 후 세선 전극선의 코팅층으로 남아 3~7㎛의 γ+ε상의 층으로 형성되며, 조각상 형태로 심선(10) 표면으로 침투하게 된다.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명에 따른 방전가공용 전극선에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

실시예

직경이 0.9mm인 심선을 세척하고 아연으로 전기도금하였다. 전기도금된 심선에 플럭스 도포, 건조, 예열시켜 도금 전처리하고 용융도금을 실시하여 코팅층이 형성된 중선 전극선을 제조하였다. 이 중선 전극선을 신선용 다이스로 냉간 인발하여 직경 0.25㎜의 세선 전극선을 제조하였다. 또한 냉간 인발과정에서 발생한 잔류응력을 제거하기 위하여 400~500℃에서 응력제거 소둔열처리를 수행하였다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 전기도금이 수행된 이후의 중선 전극선의 표면을 100배 확대한 이미지이다. 즉, 직경 0.9㎜의 심선을 전기도금한 후 전자현미경으로 관찰한 표면사진으로, 표면 조직은 순아연인 η상으로 형성되었음을 나타내고 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 전기도금과 용융도금이 실시된 중선 전극선의 표면을 100배 확대한 이미지이다. 즉, 직경 0.9㎜의 심선을 전기도금 및 용융도금 한 이후 전자현미경으로 관찰한 표면조직 사진으로서, 표면조직은 아연 92.22중량%를 함유하고 ε+η상으로 형성되었음을 나타내고 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 전기도금 및 용융도금이 순차 실시된 중선 전극선의 단면을 3000배로 확대한 이미지이다. 즉, 직경 0.9㎜의 심선을 전기도금 및 용융도금 한 후 전자현미경으로 관찰한 단면조직을 나타낸 것이다. 단면조직의 코팅층(도 2의 20) 중 제2층(도 2의 22)은 아연 70.79중량% 함유한 γ+ε상으로 형성되었음을 나타내고 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 신선단계에서 인발된 세선 전극선의 표면을 300배로 확대한 이미지이다. 즉, 직경 0.9㎜의 심선을 전기도금 및 용융도금 한 이후 신선 단계를 거쳐 직경 0.25mm로 제조된 세선 전극선의 표면으로서 표면 조직은 γ+ε상으로 구성되어 있으며, 아연은 75.47중량% 함유하고 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 신선단계에서 인발된 세선 전극선의 단면을 3000배로 확대한 이미지이다. 즉, 직경 0.9㎜의 심선을 전기도금 및 용융도금 한 이후 신선 단계를 거쳐 직경 0.25mm로 제조된 세선 전극선의 단면으로서 단면 조직은 γ+ε상으로 구성되어 있다. 또한 아연의 함량은 71.87중량%이며, 심선과 코팅층 사이의 계면에는 코팅층이 조각상 형태로 심선의 표면에 침투되어 있는 것을 볼 수 있다. 이는 모선인 심선과 피복층의 접착력이 증대되어 방전가공시 가루발생이 현저히 감소되고 인장강도가 상승하는 등 방전가공 특성을 향상시킨다.

일반적으로 아연 40중량% 이상 함유된 와이어는 냉간가공시 크랙발생 및 단선이 발생하므로 신선가공이 불가능한 문제점이 있다. 그러나 본 발명과 같이 전기도금과 용융도금에 의하여 복수의 층으로 이루어진 코팅층을 형성하게 되면 신선 과정에서 표층인 제3층은 탈락하고 중간 코팅확산층인 제2층이 자연발생적으로 심선 표면 안쪽으로 밀려 조각상 형태로 분리되어 심선에 침투하게 된다. 이에 따라 코팅층과 심선의 접착력이 증대되며 인장강도가 증가한다. 이 경우에 코팅층의 제2층은 아연함량이 많은 연질의 γ+ε상으로 형성되어 있으므로, 모선과의 접착력 향상에 γ상보다 더욱 유리하며 증발온도가 낮으므로 방전효과를 향상시킬 수 있다.

이러한 접착력의 향상은 방전가공시 가루발생을 억제하는 효과가 있으며 전극선의 인장강도를 향상시키는데 기여한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능함은 물론이고, 그와 같은 수정 또는 변형은 첨부하는 청구항의 기재범위 내에 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 방전가공용 전극선의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.

도 2는 본 발명에 따라 코팅층이 형성된 중선 전극선의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 전기도금된 중선 전극선의 표면을 100배 확대한 이미지이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 전기도금 및 용융도금이 순차 실시된 중선 전극선의 표면을 100배 확대한 이미지이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 전기도금 및 용융도금이 순차 실시된 중선 전극선의 단면을 3000배로 확대한 이미지이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 신선단계에서 인발된 세선 전극선의 표면을 300배로 확대한 이미지이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 신선단계에서 인발된 세선 전극선의 단면을 3000배로 확대한 이미지이다.

Claims (7)

1. 금속 재료로 형성되는 심선; 및

   상기 심선의 표면 위에 γ+ε상의 단일층으로 형성되는 코팅층으로 구성되며,

   상기 코팅층은 조각상 형태로 상기 심선의 표면에 침투되어 있으며,

   상기 코팅층은 아연 70~76중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 방전가공용 전극선.
2. 제1 항에 있어서, 상기 심선은 구리, 또는 아연 30~43중량%가 함유된 구리아연합금으로 형성됨을 특징으로 하는 방전가공용 전극선.
3. 삭제
4. 심선을 세척하는 세척 단계;

   상기 세척된 심선에 전기도금을 실시하는 전기도금 단계;

   상기 전기도금된 심선에 용융도금을 위한 전처리를 수행하는 도금 전처리 단계;

   상기 도금 전처리된 심선에 용융도금을 실시하여 코팅층을 형성하는 용융도금 단계; 및

   상기 코팅층이 형성된 심선을 인발하는 신선단계를 포함하며,

   상기 용융도금 단계에서 형성되는 상기 코팅층은

   상기 심선을 감싸며 γ상으로 형성되는 제1 층;

   상기 제1 층 위에 γ+ε상으로 형성되는 제2 층; 및

   상기 제2 층 위에 ε상, ε+η상 또는 η상 중 어느 하나의 상으로 형성되는 제3 층을 포함하며,

   상기 용융도금 단계에서 형성된 복수의 층을 갖는 상기 코팅층은 상기 신선단계에서 상기 제3 층이 탈락하고 상기 제2 층이 상기 심선 방향으로 밀려 단일층을 갖는 γ+ε상의 코팅층으로 변화되며,

   상기 변화된 코팅층은 조각상 형태로 상기 심선의 표면에 침투되어 있음을 특징으로 하는 방전가공용 전극선의 제조방법.
5. 삭제
6. 제4 항에 있어서, 상기 심선은 구리, 또는 아연 30~43중량%가 함유된 구리아연합금으로 형성됨을 특징으로 하는 방전가공용 전극선의 제조방법.
7. 삭제

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