DEREN HERSTELLUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drahtelektrode zum funkenerosiven Schnei den und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Stand der Technik

Funkenerosionsverfahren (Electrical Discharge Machining, EDM) werden zum Tren nen elektrisch leitender Werkstücke eingesetzt und beruhen auf der Abtragung von Werkstoff mit Hilfe von Funkenentladungen zwischen dem Werkstück und einem Werkzeug. Zu diesem Zweck werden zwischen dem betreffenden Werkstück und dem in einem geringen Abstand dazu angeordneten und als Elektrode fungierenden Werkzeug in einer dielektrischen Flüssigkeit, wie zum Beispiel deionisiertem Wasser oder Öl, durch das Anlegen von Spannungsimpulsen kontrollierte Funkenentladun gen herbeigeführt. Auf diese Weise können Werkstücke, die beispielsweise aus Metallen, elektrisch leitfähigen Keramiken bzw. Verbundwerkstoffen usw. bestehen, im Wesentlichen unabhängig von ihrer Härte bearbeitet werden. Die elektrische Energie für die Funkenentladungen wird durch den Impulsgenerator der Erodierma schine bereitgestellt.

Ein spezielles Funkenerosionsverfahren, bei dem das Werkzeug durch einen ge spannten, dünnen Draht mit typischen Durchmessern in einem Bereich von etwa 0,02 bis 0,4 mm gebildet wird, ist das funkenerosive Schneiden oder Drahterodieren. Da der Draht während des Erodierprozesses durch Materialabtragung verschleißt, muss er ständig durch die Schneid- bzw. Bearbeitungszone gezogen werden und kann nur einmal verwendet werden, d.h. der Draht wird kontinuierlich verbraucht. Die gewünschte Schnittkontur wird zunächst durch einen sog. Hauptschnitt mit relativ hoher Entladeenergie durchgeführt. Zur Verbesserung der Konturgenauigkeit und der Oberflächenrauheit des Werkstücks können sich an den Hauptschnitt einer oder mehrere sog. Nachschnitte mit sukzessive verringerter Entladeenergie anschließen. Bei diesen Nachschnitten befindet sich die Drahtelektrode nur noch mit einem Teil ihres Umfangs im Eingriff.

In der Praxis finden sowohl beschichtete als auch unbeschichtete Drähte bzw. Drahtelektroden Anwendung, die heute zumeist auf Messing- oder Kupferbasis her gestellt sind. Unbeschichtete Drahtelektroden, die auch als Blankdrähte bezeichnet werden, bestehen aus einem homogenen Material, während beschichtete Draht- elektroden einen ummantelten bzw. beschichteten Kern aufweisen. Beschichtete Drahtelektroden sind im Stand der Technik in aller Regel so konstruiert, dass eine Ummantelung bzw. ein Mantel, die bzw. der aus einer Mantelschicht oder mehreren übereinander angeordneten Mantelschichten aufgebaut sein kann, für den eigentli chen Erosionsprozess verantwortlich ist, während der Kern der Drahtelektrode bei spielsweise die für den Drahtdurchlauf und die Drahtvorspannung erforderliche Zug festigkeit und die notwendige elektrische und thermische Leitfähigkeit verleiht.

Blankdrähte bestehen typischerweise aus Messing mit einem Zinkanteil zwischen 35 und 40 Gew.-%, während die meisten beschichteten Drähte einen Kern aus Kupfer oder Messing und eine oder mehrere Mantelschichten aus Zink oder einer Kupfer- Zink-Legierung aufweisen. Als am eigentlichen Erodierprozess beteiligte Materialien bieten Zink und Messing aufgrund der Anwesenheit von Zink mit seiner geringen Verdampfungstemperatur die Vorteile einer relativ hohen Abtragleistung und Effi zienz des Erodierprozesses und der Möglichkeit der Übertragung sehr kleiner Im pulsenergien zum Feinschlichten von Werkstückoberflächen, d.h. der Bearbeitung unter Erzeugung möglichst geringer Oberflächenrauigkeiten. Vor diesem Hintergrund werden zum Zweck des Feinschlichtens häufig Drahtelektroden eingesetzt, die eine Mantelschicht aufweist, die überwiegend oder ausschließlich aus Zink besteht.

Es ist bekannt, dass sich gegenüber Blankdrähten die Abtraggeschwindigkeit bzw. Schneidleistung daher durch Verwendung von Drähten steigern lässt, die mit einer Beschichtung aus reinem bzw. überwiegend reinem Zink versehen sind. Ferner ist bekannt, dass eine dünne Deckschicht, z.B. aus Zinkoxid oder Cadmiumoxid vorteil haft für die Schneidleistung einer Drahtelektrode ist (vgl. US 4,977,303). Weiterhin ist bekannt, dass Drähte mit einer Beschichtung aus ß- bzw. ß'-Phase aufweisendem Messing wiederum eine höhere Schneidleistung erzielen als die zuvor genannten verzinkten Drähte, da das in der ß- bzw. ß'-Messing-Legierung gebundene Zink im Vergleich zum reinen Zink langsamer verdampft und damit ausreichend lange abtragsfördernd zur Verfügung steht, während der Draht die Schneid- bzw. Bearbei tungszone passiert. Ferner kann mit Drähten, die eine Beschichtung aus der g-Phase und/oder der e-Phase des Messings aufweisen, der Zinkgehalt des Mantels weiter gesteigert werden, und es können im Vergleich zu den zuvor genannten Drähten mit ß- bzw. ß'-Messing-Beschichtung prinzipiell gleiche oder höhere Schneidleistungen erreicht werden.

Zur Erzielung hoher Schneidleistungen hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, eine Beschichtung aus einer spröden Legierung, wie z.B. Messing in g-Phase, bei einem Durchmesser größer als dem Enddurchmesser durch Diffusion zu erzeugen und da- nach durch Kaltumformung an die Endabmessung zu ziehen. Dadurch bricht die sprödharte Schicht auf, so dass Vertiefungen und durchgehende Risse in dieser ent stehen und das darunter befindliche Material hervordringt (vgl. US 5,945,010, US 6,303,523). Die Risse und Vertiefungen erhöhen die Oberfläche des Drahtes. Dadurch wird dieser besser vom umgebenden Dielektrikum gekühlt, und auch das Austragen von Abtragpartikeln aus dem Spalt wird begünstigt. Daneben entstehen an den durch die Risse erzeugten Kanten durch Überhöhung des elektrischen Feldes bevorzugt Entladungen. Dies fördert die Zündwilligkeit der Drahtelektrode und somit die Schneidleistung.

Diese und weitere Entwicklungen zur Steigerung der Schneidleistung beruhen auch auf Kombinationen von verschiedenen der genannten Mantelschichten, ggf. mit wei teren Schichten, in einem mehrschichtig aufgebauten Mantel. Dabei sind auch ver einzelt, teilweise zwangsweise bedingt durch während der entsprechenden Herstel lungsverfahren stattfindende Diffusionsprozesse, Ummantelungen vorgeschlagen worden, die eine Messing-Mantelschicht mit einem Phasengemisch zum Beispiel aus a- und ß-Phase oder aus ß- und g-Phase aufweisen.

In der US 7,723,635 wird eine Drahtelektrode vorgeschlagen, die einen Kern und eine erste Mantelschicht aus einer Messinglegierung mit ca. 37 - 49,5 Gew.-% Zink aufweist, wobei in der Mantelschicht eingebettet, gleichmäßig verteilte sogenannte Körner vorhanden sind, die voneinander beabstandet sind und die eine Messingle gierung mit einem Zinkanteil von ca. 49,5 - 58 Gew.-% Zink enthalten. Mit einer de rartigen Drahtelektrode sollen die Erodiereigenschaften aufgrund verbesserter elekt rischer Leitfähigkeit und Festigkeit gesteigert werden.

Gemäß der EP-A-2 193 876 weist mindestens eine von mehreren Mantelschichten überwiegend ein feinkörniges Gemisch aus ß- und g-Messing auf. Durch die Einbin dung des g-Messings in eine Matrix aus ß-Messing soll das g-Messing während des Erodiervorgangs nicht zu schnell verschleißen, sondern abtragwirksam in kleinen Dosierungen in den Erodierspalt abgegeben werden.

In der EP-A-1 846 189 wird eine Drahtelektrode vorgeschlagen, die eine erste Schicht aus ß-Messing sowie eine aufgerissene Schicht aus g-Messing enthält, in deren Lücken die Schicht aus ß-Messing erscheint.

Die EP-A-2 517 817 beschreibt eine Drahtelektrode mit zwei durch Diffusion ent standenen Legierungsschichten. Das Kerndrahtmaterial erscheint entlang von Ris- sen in der zweiten Legierungsschicht, so dass eine Mehrzahl von kornartigen Struk turen an der Oberfläche gebildet wird.

Es hat sich im Zusammenhang mit Beschichtungen aus spröden Phasen wie der g- Phase jedoch gezeigt, dass zum einen eine Steigerung der Schichtdicke nicht zwin gend zu einer weiteren Leistungssteigerung führt (vgl. EP-A-1 295 664) und zum an deren der Umformbarkeit dickerer Schichten im Hinblick auf eine wirtschaftliche Herstellbarkeit Grenzen gesetzt sind (vgl. US 5,945,010). Ferner weisen g-Messing- Beschichtungen einen größeren funkenerosiven Verschleiß als ß-Messing- Beschichtungen auf, so dass sich die Schneidleistung in der Praxis vielfach wieder verringert.

Durch beschichtete Drahtelektroden mit einer relativ großen Schichtdicke von z.B. 10 - 30% des Drahtdurchmessers, die überwiegend (vgl. EP-A-1 295 664) oder voll ständig (vgl. EP-A-1 455 981) aus ß-Messingbestehen, lassen zwar sehr hohe Schneidleistungen erreichen, dies jedoch nur in Kombination mit einer hohen genera torseitig eingestellten Leistung. Dies führt aber in der Regel zu einem Verlust an Kon turgenauigkeit am bearbeiteten Bauteil.

Die KR-A-10-2007-0075516 offenbart u.a. ein Verfahren zur Herstellung einer Draht elektrode mit einer vorbestimmten Dicke der Diffusionsschicht. Bei der Beschichtung eines Kerndrahts aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder eines kupferplattierten Stahldrahts durch Schmelztauchen soll verhindert werden, dass der Draht sich dehnt und somit die Dicke der entstehenden Diffusionsschicht nicht kontrolliert werden kann. In einem ersten Schritt wird ein Kerndraht aus Kupfer, einer Kupferlegierung oder Stahl mit einem ersten Metall beschichtet, welches eine geringere Verdamp fungstemperatur als Kupfer besitzt. Um eine Dehnung des Drahts während der Be schichtung zu verhindern, wird statt einer Abmessung des Kerndrahts von z.B. 0,90 mm bevorzugt eine Abmessung zwischen 2 und 4 mm gewählt. In einem zweiten Schritt wird der beschichtete Kerndraht wärmebehandelt, um eine Legierungsschicht aufgrund von Diffusion zu erzeugen. Die Wärmebehandlung zur Erzeugung der Dif fusionsschicht kann alternativ im Zuge der Beschichtung erfolgen. In einem dritten Schritt wird der Draht gezogen. In einem vierten Schritt wird der Draht erneut wär mebehandelt, um die Diffusion fortzusetzen und eine Rekristallisation herbeizufüh ren. In einem fünften Schritt wird der Draht mit einem zweiten Metall beschichtet, welches eine geringere Verdampfungstemperatur als Kupfer besitzt. In einem sechs ten Schritt wird der mit dem zweiten Metall beschichtete Draht gezogen und in einem siebten Schritt wird der Draht zu seiner Stabilisierung wärmebehandelt. Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, die Wirtschaftlichkeit der Drahterodiertechnik durch die weitere Steigerung von Schneidleistung und Erodierbeständigkeit zu erhöhen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, trotz einer erhöhten Schneidleistung die Konturgenauigkeit und die Oberflächenqualität des funkenerosiv bearbeiteten Werk stücks gegenüber blanken Messingdrähten nicht zu verschlechtern bzw. sogar noch zu verbessern.

Desweiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine beschichtete Drahtelektrode zur Erzielung hoher Schneidleistungen mit einer möglichst hohen Geradheit und Biege steifigkeit bereitzustellen, so dass die automatischen Einfädelvorgänge auf den Ero diermaschinen auch unter schwierigen Bedingungen, wie z.B. hohen Werkstücken, störungsfrei ablaufen.

Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine möglichst abriebfeste Be schichtung bereitzustellen, damit die mit der erfindungsgemäßen Drahtelektrode be triebenen Erodierprozesse keine Störungen oder Beeinträchtigungen durch Ablage rungen von Drahtabrieb erfahren.

Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, eine Drahtelektrode zur Erzielung hoher Schneidleistungen bereitzustellen, die eine höhere Standzeit der Drahtführungen und Stromkontakte der Erodiermaschine aufweist, auch gegenüber Drahtelektroden mit hoher Schneidleistung.

Zusammenfassung der Erfindung

Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Drahtelektrode mit den Merkmalen von Pa tentanspruch 1. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Drahtelektrode dient das Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 23. Vorteilhafte Ausführungsfor men der Drahtelektrode sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Kurze Beschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt schematisch und nicht maßstabsgetreu einen Querschnitt (senk recht zur Längsachse) einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Draht elektrode. Figur 2 zeigt einen detaillierten Ausschnitt des Querschnitts der ersten Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Drahtelektrode 1 gemäß Figur 1.

Figur 3 zeigt einen detaillierten Ausschnitt eines Querschnitts (senkrecht zur Längsachse) einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drahtelektro de.

Figur 4 zeigt einen detaillierten Ausschnitt eines Querschnitts (senkrecht zur Längsachse) einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drahtelektrode.

Figur 5 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahme der Oberf läche der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drahtelektrode.

Figur 6 zeigt einen detaillierten Ausschnitt eines Querschnitts (senkrecht zur Längsachse) einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drahtelektrode.

Figur 7 zeigt eine REM-Aufnahme (Rückstreuelektronen 20 kV) eines Aus schnitts des äußeren Umfangs einer erfindungsgemäßen Drahtelektrode in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse des Drahtes.

Figur 8 zeigt eine REM-Aufnahme (Rückstreuelektronen, 20 kV) der Oberfläche ei ner weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drahtelektrode in 300-facher Vergrößerung.

Figur 9 zeigt eine REM-Aufnahme (Rückstreuelektronen, 5 kV) der Oberfläche einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drahtelektrode in 1000-facher Vergrößerung.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Nach der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass eine Drahtelektrode zum fun- kenerosiven Schneiden einen Kern besitzt, der ein Metall oder eine Metalllegierung aufweist. Dabei ist es bevorzugt, dass der Kern zu mehr als 50 Gew.-% und mehr bevorzugt vollständig oder im Wesentlichen vollständig aus einem oder mehreren Metallen und/oder einer oder mehreren Metalllegierungen besteht. Insbesondere kann der Kern demnach insgesamt aus einem Metall oder aus einer Metalllegierung ausgebildet sein. Der Kern kann homogen ausgebildet sein oder, zum Beispiel in Form mehrerer übereinander angeordneter Metall- bzw. Metalllegierungs- Einzelschichten unterschiedlicher Zusammensetzung, in radialer Richtung variieren- de Eigenschaften aufweisen. Dabei bedeutet„im Wesentlichen“ wie hierin verwen det, dass der erfindungsgemäße Draht oder eine Schicht davon bzw. sein Kern aus der jeweils offenbarten Zusammensetzung besteht und/oder die offenbarten Eigen schaften hat, wobei Herstellungs- und Messtoleranzen zu berücksichtigen sind, z.B. die Anwesenheit unvermeidbarer Verunreinigungen, die Fachleuten geläufig sind.

Das Metall ist insbesondere Kupfer und die Metalllegierung ist insbesondere eine Kupfer-Zink-Legierung.

Den Kern umgebend ist, beispielsweise in Form einer Beschichtung, eine Ummante lung (im Folgenden auch kurz „Mantel“) vorgesehen, die bzw. der eine oder mehrere Mantelschichten umfasst. Der Mantel verschleißt während eines Drahterodiervor gangs und ist dazu vorgesehen, die Erodiereigenschaften zu beeinflussen. Im Falle mehrerer Mantelschichten sind diese in radialer Richtung übereinander angeordnet, und jede verläuft bevorzugt den Kern umgebend.

Eine der Mantelschichten der erfindungsgemäßen Drahtelektrode umfasst Bereiche, die ein partikelförmiges Erscheinungsbild (Morphologie) aufweisen, die insbesondere durch eine unregelmäßige Kontur gekennzeichnet ist, welche (betrachtet in einem Drahtquerschnitt senkrecht oder parallel zur Drahtlängsachse) teilweise scharfe Ek- ken mit einem Eckenradius von weniger als 2 pm und Linien mit einer Geradheit ent halten, die weniger als 2 pm von einer idealen Geraden abweichen. Diese Bereiche werden daher als Bereiche bezeichnet, deren Morphologie blockartigen bzw. block förmigen Partikeln entspricht. Diese Bereiche werden im Folgenden auch als„Berei che mit blockartiger Morphologie“ oder kurz als„blockartige Partikel“ (bzw.„blockför mige Partikel“) bezeichnet. Zwischen den blockartigen Partikeln kann das Material benachbarter Schichten und/oder das benachbarte oder radial weiter innen liegende Kernmaterial hervordringen. Die blockartigen Partikel sind zudem durch Risse we nigstens über einen Teil ihres Umfangs voneinander, von dem Material der Schicht, die diese Bereiche umfasst, dem Material benachbarter Schichten und/oder dem Kernmaterial räumlich separiert. Die blockartigen Partikel selbst können Risse auf weisen.

Die Risse haben im Allgemeinen eine Breite bis zu etwa 2 pm, überwiegend etwa 1 pm, wie mittels Rasterelektronenmikroskopie unter üblichen Bedingungen bestimm bar, z.B. durch Analyse eines auf Basis von Rückstreuelektronen (20 kV) gemesse nen Bildes. Falls sich entlang des Verlaufs eines Risses über eine kurze Distanz (z.B. 1 bis 2 pm) eine größere Rissbreite zeigt, wird diese Struktur ebenfalls als Riss im Sinne der vorliegenden Erfindung angesehen. Im Vergleich dazu werden breitere Abstände zwischen den blockartigen Partikeln (die sich üblicherweise von der äuße ren Oberfläche des Drahtes radial nach innen ausbilden) als Vertiefungen oder Spal te bezeichnet.

Entlang der Risse, aber auch entlang der Vertiefungen und Spalte, kann sich je nach Herstellungsweise des erfindungsgemäßen Drahtes Zinkoxid ausbilden, was die Breite der Risse reduzieren bzw. ihr Volumen teilweise ganz ausfüllen kann. Dies ist jedoch ebenfalls mittels geeigneter Aufnahmetechniken der Rasterelektronenmikro skopie abbildbar, so dass auch in diesem Fall die durch die Rissbildung bestimmte Morphologie der blockförmigen Partikel erkennbar ist.

In einem Drahtquerschnitt, senkrecht oder parallel zur Längsachse des Drahtes (hie rin auch als„Drahtlängsachse“ oder nur kurz als„Drahtachse“ bezeichnet) betrach tet, weist der überwiegende, d.h. der mehr als 50% betragende Teil der Fläche der blockartigen Partikel eine Kupfer-Zink-Legierung mit einer Zinkkonzentration von 38 - 49 Gew.-% auf. Gemäß dem Phasendiagramm für das System CuZn liegt die Legie rung in diesem Teil der Fläche teilweise oder überwiegend als ß-und /oder ß'-Phase vor. Der weniger als 50% betragende Teil der Fläche der blockartigen Partikel weist eine Kupfer-(Zink-)Legierung mit einer Zinkkonzentration von mehr als 49 - 68 Gew.- % auf. Gemäß dem Phasendiagramm für das System CuZn liegt die Legierung in diesem Teil der Fläche als b+g-Phase und/oder als g-Phase vor.

Ist ein blockartiger Partikel nicht vollständig von Rissen von seiner Umgebung sepa riert, wird die für die Bestimmung der Zusammensetzung des Partikels verwendete Fläche dadurch definiert, dass als Begrenzung die kürzeste gerade Verbindungslinie zwischen den Enden der Risse angesehen wird, die den Partikel von der Umgebung (teilweise) separieren, wobei die Enden gewählt werden, die in radialer Richtung am nächsten zur Drahtmitte liegen (also radial am weitesten innen). Dies ist beispielhaft in den Figuren 6 und 7 gezeigt, auf die hier im Rahmen dieser Definition Bezug ge nommen wird.

Ist ein Partikel von seiner Umgebung nicht nur durch Risse, sondern (auch) durch eine Vertiefung (Spalt) separiert, wird die Verbindungslinie zwischen dem Rissende und dem radial am weitesten innen liegenden Punkt der von einem Rissende gese hen nächstgelegenen Vertiefung (Spalt) gewählt. Dies ist ebenfalls beispielhaft in Figur 7 gezeigt, auf die hier im Rahmen dieser Definition Bezug genommen wird.

Vorzugsweise ist zumindest ein Teil der blockartigen Partikel gemäß der Erfindung in einem Drahtquerschnitt senkrecht oder parallel zur Längsachse des Drahtes betrach- tet (wie vorstehend definiert) vollständig von Rissen von der Umgebung separiert, d.h. voneinander, von dem Material der Schicht, die diese Partikel umfasst, dem Ma terial einer oder mehrerer Schichten und/oder dem Kernmaterial.

Im Zusammenhang mit dem Vorliegen von ß/ß‘-Phase sei daran erinnert, dass die ß'- Phase unterhalb einer gewissen Temperatur stabil ist und ein geordnetes Gitter mit definierten Gitterplätzen für das Kupfer und das Zink hat und bei Überschreitung die ser Temperatur in die ungeordnete ß-Phase übergeht, in der sich die Atome stati stisch auf die Gitterplätze eines kubisch raumzentrierten Gitters verteilen. Da die Umwandlung zwischen ß-Phase und ß'-Phase nach herrschender Meinung nicht zu unterdrücken ist und auch in ihren mechanischen und elektrischen Eigenschaften nur geringe Auswirkungen hat, ist im Rahmen dieser Anmeldung mit einer allgemeinen Bezugnahme auf die ß-Phase auch immer die ß'-Phase gemeint, wenn nicht aus drücklich ein Unterschied gemacht wird.

Ferner sei darauf hingewiesen, dass die blockartigen Partikel eine Mehrzahl von Körnern im metallurgischen Sinne aufweisen können.

Die blockartigen Partikel können entlang der Risse und Spalten, die diese über einen Teil ihres Umfangs voneinander, von dem Material der Schicht, die diese Partikel umfasst, dem Material benachbarter Schichten und/oder dem (benachbarten) Kern material räumlich separieren, sowie entlang der Risse, die die blockartigen Partikel selbst aufweisen, Zinkoxid aufweisen.

Die Kupfer-Zink-Legierungen, welche die blockartigen Partikel aufweisen, können neben Kupfer und Zink eines oder mehrere Metalle aus der Gruppe von Mg, AI, Si, Mn, Fe, Sn mit einem Gesamtanteil von 0,01 bis 1 Gew.-%, aufweisen.

Die Dicke der blockartigen Partikel gemessen in radialer Richtung eines Drahtquer schnitts beträgt bevorzugt 1 bis 30 pm.

Die Drahtelektrode kann zusätzlich eine dünne Deckschicht aufweisen, die überwie gend aus Zn, einer Zn-Legierung, oder ZnO in einer Stärke von beispielsweise etwa 0,05 - 1 pm besteht.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann sich auf den blockarti gen Partikeln zusätzlich eine dünne Deckschicht befinden, die überwiegend, d. h. zu mehr als 50 Gew.-%, Zinkoxid in einer Dicke von beispielsweise etwa 0,05 - 2 pm aufweist. Diese Deckschicht weist Bereiche („Lücken“) auf, in denen das Material der blockartigen Partikel, d.h. eine der Kupfer-Zink-Legierungen, welche die blockartigen Partikel aufweisen, erscheint.

Senkrecht (radial) zur Drahtoberfläche betrachtet weisen diese Bereiche eine lamel lenförmige Struktur auf, derart, dass abwechselnd Lamellen, gebildet aus der Deck schicht, die überwiegend Zinkoxid aufweist, und gebildet aus dem Material der blockartigen Partikel, aufeinanderfolgend angeordnet sind. Derartige Bereiche sind beispielhaft in den Figuren 8 und 9 dargestellt.

Unter Lamellen werden üblicherweise Strukturen verstanden, die durch Plättchen oder dünne Schichten gekennzeichnet sind, die sich in einer Struktur gleichartig an geordneter paralleler oder radialer solcher Strukturelemente (Plättchen/dünne Schichten) befinden. Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Draht elektrode sind die lamellenförmigen Strukturbereiche nicht streng parallel angeordnet und auch der Abstand zwischen den einzelnen Lamellen kann variieren. Nichtsde stotrotz ist für Fachleute auf dem vorliegenden Gebiet klar, was mit lamellenförmig gemeint ist. Insoweit kann ein Vergleich mit dem bekannten Lamellengraphit gezo gen werden. Lamellengraphit beschreibt die häufigste Gusseisen-Sorte, in der Gra phit in Form von dünnen, unregelmäßig geformten Lamellen vorliegt.

Die lamellenförmigen Strukturelemente, die in den Figuren 8 und 9 als weißliche, hel lere Bereiche erscheinen, bestehen aus dem Material der blockartigen Partikel. Die lamellenförmigen Bereiche, die als gräuliche, dunklere Bereiche erscheinen, beste hen aus der Deckschicht aus (überwiegend) Zinkoxid.

Die Dimensionen der lamellenförmigen Strukturen (im Folgenden auch kurz„Lamel len“) sind wie folgt.

Die Breite der Lamellen, die aus dem Material der blockartigen Partikel gebildet wer den, beträgt weniger als 5 pm, bevorzugt weniger als 3 pm und noch mehr bevorzugt weniger als 2 pm. Die Länge der Lamellen kann bis zu 50 pm betragen. Dabei kann über die Länge der Lamellen deren Breite variieren. Diese Angaben beziehen sich auf die Lamellen, die aus dem Material der blockartigen Partikel gebildet sind und in den Figuren 8 und 9 als weißliche, hellere Bereiche erscheinen.

Die Lamellen, die aus dem Material der blockartigen Partikel gebildet werden, kön nen zum Teil durch schmale Stege miteinander verbunden sein, so dass auf der Drahtoberfläche eine netzartige Struktur aus dem Material der blockartigen Partikel gebildet wird. Bezogen auf eine Einheitsfläche von 50 x 50 gm ² in einer REM-Aufnahme (Rück streuelektronen, 20 kV) bei Draufsicht auf den Draht entlang seiner Längsachse (d.h. in einer Ansicht wie in den Figuren 8 und 9 gezeigt) können die Lamellen, die aus dem Material der blockartigen Partikel gebildet werden, einen Anteil von bis zu 50 % ausmachen.

Die im Kern und der Beschichtung enthaltenen Metalle können nicht zu vermeidende Verunreinigungen aufweisen.

Gemäß dem Stand der Technik wäre zu erwarten gewesen, dass eine Drahtelektro de mit einer aufgebrochenen Schicht, welche überwiegend aus g-Phase besteht, auf grund der höheren Zinkkonzentration gegenüber einer in ihrer Topographie ver gleichbaren Schicht, die überwiegend aus ß-Phase besteht, zu einer höheren Schneidleistung führt. Überraschenderweise hat sich jedoch herausgestellt, dass mit der erfindungsgemäßen Drahtelektrode gegenüber vorbekannten Drähten die Schneidleistung und die Erosionsverschleißbeständigkeit gleichzeitig erheblich er höht werden kann.

Die Risse, welche die blockartigen Partikel wenigstens über einen Teil ihres Umfangs voneinander, von dem Material der Schicht, die diese Partikel enthält, dem Material benachbarter Schichten und/oder dem (benachbarten) Kernmaterial räumlich sepa riert, und die Risse, die die blockartigen Partikel selbst aufweisen können, begünsti gen Überhöhungen des elektrischen Feldes und damit die Zündwilligkeit der Elektro de. Durch die hohe funkenerosive Verschleißbeständigkeit aufgrund des Zinkgehalts von 38 - 49 Gew.-% in ihrem überwiegenden Teil können die blockartigen Partikel für eine längere Dauer zu einer höheren Zündwilligkeit beitragen. Dieser Effekt macht sich insbesondere beim Einsatz der erfindungsgemäßen Drahtelektrode in den ers ten 2 Nachschnitten positiv bemerkbar, da durch die gegenüber dem Hauptschnitt sukzessive verringerte Entladeenergie die blockartigen Partikel noch länger abtrag wirksam sind.

Durch die erhöhte Oberfläche aufgrund der zerklüfteten Schicht wird allgemein auch die Kühlung der Drahtelektrode verbessert.

Zinkoxid an der durch die Risse und Vertiefungen (Spalten), die die blockartigen Par tikel über einen Teil ihres Umfangs voneinander, von dem Material der Schicht, die diese Partikel enthält, dem Material benachbarter Schichten und/oder dem (benach barten) Kernmaterial räumlich separieren, gebildeten Oberfläche sowie an der durch die Risse, die die blockartigen Partikel selbst aufweisen, gebildeten Oberfläche führt zu einer weiteren Erhöhung der Schneidleistung.

Des Weiteren wird die Schneidleistung durch die Deckschicht aus Zinkoxid, welche Lücken aufweist, in denen das Material der blockartigen Partikel erscheint, gestei gert. Insbesondere eine lamellenförmige Oberflächenstruktur wie vorstehend defi niert, bei der abwechselnd Lamellen, gebildet aus der Deckschicht, die überwiegend Zinkoxid aufweist, und gebildet aus dem Material der blockartigen Partikel, nebenei nander angeordnet sind, wirkt sich vorteilhaft auf die Schneidleistung aus.

Die Dicke der blockartigen Partikel gemessen in radialer Richtung eines Drahtquer schnitts senkrecht zur Längsachse liegt vorteilhafterweise in einem Bereich von 1 - 30 gm. Bei dickeren Partikeln besteht die Gefahr des Herauslösens ganzer Partikel aufgrund unzureichender Anbindung an den benachbarten Drahtkern bzw. die be nachbarte Mantelschicht. Dies kann zu Kurzschlüssen und damit zur Beeinträchti gung der Konturgenauigkeit und Oberflächenqualität des erodierten Bauteils führen. Bei Dicken von weniger als 1 gm sind die positiven Effekte der Zündwilligkeit und der Kühlwirkung nicht mehr ausreichend gegeben. Die Dicke der blockartigen Partikel gemessen in radialer Richtung eines Drahtquerschnitts beträgt mehr bevorzugt 2 - 15 gm und noch mehr bevorzugt 3 - 10 gm.

Die Mantelschicht kann zum Beispiel durch geeignete Beschichtungsverfahren auf den Kern aufgebracht werden, ggf. in Kombination mit einem Wärmebehandlungs verfahren. Das Aufbringen der Mantelschicht kann beispielsweise physikalisch oder elektrochemisch erfolgen, und es können sich ggf. noch Schritte zur Verringerung des Drahtdurchmessers anschließen. So kann zum Beispiel von einem Vormaterial in Form eines Drahtes aus Cu, CuZn ₂ o oder CuZn ₃₇ (Messing mit 20 bzw. 37 Gew.-% Zink) mit einem Durchmesser von z.B. 1 ,20 mm ausgegangen werden, das, bei spielsweise galvanisch oder durch Schmelztauchen, mit Zn beschichtet wird. Der mit Zn beschichtete Draht wird dann einer Diffusionsglühung unterzogen, bei der eine Mantelschicht erzeugt wird, die eine zumindest teilweise und insbesondere durchge hende und homogene Teilschicht aus g-Messing aufweist. Der Zinkgehalt in diesem Teil der Mantelschicht beträgt dementsprechend 58 - 68 Gew.-%. In einem nächsten Schritt wird der Draht bevorzugt durch Kaltumformung auf eine Zwischenabmessung oder die Endabmessung verjüngt. Hierbei reißt die sprödharte Schicht aus Messing in g-Phase auf, so dass blockartige Partikel entstehen. Die blockartigen Partikel sind räumlich voneinander separiert, so dass zwischen den blockartigen Partikeln das Material benachbarter Schichten und/oder das (benachbarte) Kernmaterial erschei nen kann. Die blockartigen Partikel selbst können Risse aufweisen. Anschließend wird der Draht einer weiteren Diffusionsglühung unterzogen, so dass der überwiegende, d.h. der mehr als 50% betragende Teil der blockartigen Partikel einen Zinkgehalt von 38 - 49 Gew.-% aufweist. Dabei wird die Bestimmung der Zusammensetzung in Bezug auf einem Drahtquerschnitt senkrecht oder parallel zur Drahtachse betrachtet vorgenommen. Die betrachtete Partikelfläche ist dabei so wie vorstehend definiert.

Der Teil der blockartigen Partikel mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung liegt vorzugsweise in dem radial zum Kern hin gewandten Bereich der blockartigen Partikel. Der weniger als 50% betragende Teil der blockartigen Partikel weist eine Kupferlegierung mit einer Zinkkonzentration von mehr als 49 - 68 Gew.-% auf. Durch Diffusion des Zinks aus den blockartigen Partikeln in das benachbarte Material bildet sich eine Diffusionsschicht mit einem Zinkgehalt von 38 - 58 Gew.-%. Die Größe des Teils der blockartigen Partikel, welcher einen Zinkgehalt von 38 - 49 Gew.-% auf weist, kann über die Intensität, d.h. die Temperatur und Dauer der Glühung beeinf lusst werden.

Beide Diffusionsglühungen können sowohl stationär, z.B. in einem Haubenofen, als auch in einem Durchlaufverfahren, z.B. durch Widerstandserwärmung, durchgeführt werden. Die erste Diffusionsglühung kann z.B. in einem Haubenofen unter Umge bungsatmosphäre oder Schutzgas bevorzugt in einem Bereich von 180 - 300 °C für 4 - 12 h durchgeführt werden, wobei die mittlere Aufheizrate bevorzugt mindestens 80°C/h und die mittlere Abkühlrate bevorzugt mindestens 60°C/h beträgt. Sie kann alternativ z.B. durch Widerstandserwärmung im Durchlauf unter Umgebungsatmos phäre oder Schutzgas erfolgen, wobei die mittlere Aufheizrate bevorzugt mindestens 10 °C/s beträgt, die max. Drahttemperatur bevorzugt zwischen 600 und 800 °C liegt, die Glühzeit bevorzugt im Bereich von 10 - 200 s liegt und die mittlere Abkühlrate bevorzugt mindestens 10 °C/s beträgt. Die obigen Glühzeiten beziehen sich dabei auf den Zeitraum vom Verlassen der Raumtemperatur bis zum Wiedererreichen der Raumtemperatur. Die zweite Diffusionsglühung kann z.B. in einem Haubenofen unter Umgebungsatmosphäre oder Schutzgas bevorzugt in einem Bereich von 300 - 520 °C für 4 - 24 h durchgeführt werden, wobei die mittlere Aufheizrate bevorzugt mindestens 100°C/h und die mittlere Abkühlrate bevorzugt mindestens 80°C/h be trägt. Sie kann alternativ z.B. durch Widerstandserwärmung im Durchlauf unter Um gebungsatmosphäre oder Schutzgas erfolgen, wobei die mittlere Aufheizrate bevor zugt mindestens 10 °C/s beträgt, die max. Drahttemperatur bevorzugt zwischen 350 und 600 °C liegt, die Glühzeit bevorzugt im Bereich von 10 - 200 s liegt und die mitt lere Abkühlrate mindestens 10 °C/s beträgt. Die obigen Glühzeiten beziehen sich dabei auf den Zeitraum vom Verlassen der Raumtemperatur bis zum Wiedererrei chen der Raumtemperatur. Durch Glühung unter Umgebungsatmosphäre bzw. unter Anwesenheit von Sauerstoff kann an der Drahtoberfläche sowie an der durch die Risse und Spalten gebildeten Oberfläche eine dünne Deckschicht aus überwiegend Zinkoxid, wie vorstehend definiert, mit einer Dicke von 0,05 - 2 pm erzeugt werden.

Optional können sich jetzt noch ein oder mehrere weitere Beschichtungsschritte mit Zink und/oder ein oder mehrere weitere Diffusionsglühvorgänge anschließen, bevor der Draht in seine Endabmessung gezogen wird. Es ist möglich, dass der Draht vor, während oder nach einer der obigen Abkühlvorgänge gezogen wird. Der Draht wird bevorzugt durch Kaltziehen in die gewünschte Endabmessung überführt. Hierdurch können weitere Risse in den blockartigen Partikeln sowie der umgebenden Mantel schicht entstehen.

Durch geeignete Wahl der gesamten Querschnittsreduzierung beim überlicherweise mehrstufigen Kaltziehen des Drahtes an die Endabmessung sowie durch geeignete Wahl der Querschnittsreduzierung je Ziehstufe kann die Ausbildung einer lamellen förmigen bzw. netzartigen Oberflächenstruktur erzielt werden, bei der abwechselnd Lamellen, gebildet aus der Deckschicht, die überwiegend Zinkoxid aufweist und ge bildet aus dem Material der blockartigen Partikel, nebeneinander angeordnet sind. Die Ausbildung einer solchen Oberflächenstruktur wird durch eine Gesamtquerschnittsreduzierung um 60 bis 85% begünstigt. Ferner wird die Ausbil dung einer solchen Oberflächenstruktur durch eine Querschnittsreduzierung je Zieh stufe um 8 bis 12 % begünstigt.

An das Kaltziehen kann sich optional eine sogenannte Spannungsarmglühung an schließen, um die Geradheit, die Zugfestigkeit und die Dehnung des Drahtes positiv zu beeinflussen. Die Spannungsarmglühung kann z.B. durch Widerstandserwär mung, induktiv oder durch Wärmestrahlung erfolgen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine Mantelschicht ausgebildet, die die erfindungsgemäßen blockartigen Partikel umfasst, die zumindest über einen Teil ihres Umfangs voneinander, von dem Material benachbarter Mantelschichten und/oder dem (benachbarten) Kernmaterial räumlich separiert sind. In einem Draht querschnitt, senkrecht oder parallel zur Längsachse des Drahtes betrachtet, weist der überwiegende, d.h. der mehr als etwa 50% betragende Teil der Fläche (wie vor stehend definiert) der blockartigen Partikel eine Kupfer-Zink-Legierung mit einer Zinkkonzentration von bevorzugt 38 - 49 Gew.-% und mehr bevorzugt 40 - 48 Gew.- % auf, wobei dieser Teil der Fläche insbesondere in dem radial zum Kern hin ge wandten Bereich der blockartigen Partikel liegt.

Bevorzugt beträgt der Teil dieser Fläche mehr als etwa 60%, mehr bevorzugt mehr als etwa 80% und noch mehr bevorzugt etwa 100% beträgt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine Teilmenge der blockartigen Partikel (betrachtet in einem Drahtquerschnitt wie hierin definiert) durch Risse vollständig voneinander, von dem Material der Schicht, die diese Partikel um fasst, dem Material einer oder mehrerer weiterer Schichten und/oder dem Kernmate rial räumlich separiert.

Die Kupfer-Zink-Legierungen, welche die blockartigen Partikel aufweisen, enthalten neben Cu und Zn bevorzugt eines oder mehrere Metalle aus der Gruppe von Mg, AI, Si, Mn, Fe, Sn mit einem Gesamtanteil von 0,01 bis 1 Gew.-% auf. Mehr bevorzugt bestehen die Kupfer-Zink-Legierungen, welche die blockartigen Partikel aufweisen, nur aus Kupfer und Zink sowie nicht zu vermeidenden Verunreinigungen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die äußere Mantelschicht die blockartigen Partikeln, die zumindest über einen Teil ihres Umfangs voneinander, von dem Material der benachbarten Mantelschicht und/oder dem (benachbarten) Kernmaterial räumlich separiert sind. In einem Drahtquerschnitt, senkrecht oder parallel zur Längsachse des Drahtes betrachtet, weist der überwiegende Teil dieser Ausführungsform, d.h. der mehr als 50% betragende Teil der Fläche (wie vorstehend definiert) der blockartigen Partikel eine Kupfer-Zink-Legierung mit einer Zinkkonzent ration von 38 - 49 Gew.-% auf, wobei dieser Teil der Fläche insbesondere in dem radial zum Kern hin gewandten Bereich der blockartigen Partikel liegt. Gemäß dem Phasendiagramm für das System CuZn liegt die Legierung in diesem Teil der Fläche teilweise oder überwiegend als ß-und /oder ß'-Phase vor. Der weniger als 50% be tragende Teil der Fläche der blockartigen Partikel weist eine Kupfer-Zink-Legierung mit einer Zinkkonzentration von mehr als 49 - 68 Gew.-% auf. Gemäß dem Phasen diagramm für das System CuZn liegt die Legierung in diesem Teil der Fläche als b+g- Phase und/oder als g-Phase vor. Die benachbarte, innere Mantelschicht weist eine Kupferlegierung mit einem Zinkanteil von bevorzugt von 38 - 58 Gew.-% auf. Gemäß dem Phasendiagramm für das System CuZn liegt die Legierung in diesem Teil teil weise oder überwiegend als ß-Phase oder als b+g-Phase vor. Mehr bevorzugt weist die innere Mantelschicht eine Kupfer-Zink-Legierung mit einem Zinkanteil von 38 - 51 Gew.-% auf. Die angrenzende Schicht unterscheidet sich durch ihre Topographie von der äußeren Mantelschicht, dadurch dass ihre Grenzlinien zur äußeren Mantel- Schicht sowie zum Kern oder einer weiteren, darunter befindlichen Mantelschicht hin eine näherungsweise wellenförmige Gestalt haben. Die angrenzende, innere Mantel schicht ist bevorzugt durchgängig. Sie kann jedoch auch Unterbrechungen aufwei sen, in denen das Kernmaterial oder eine weitere, darunter befindliche Mantelschicht hervordringt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist unter der oben genannten inneren Mantelschicht eine weitere Mantelschicht aus einer Kupfer-Zink-Legierung angeord net, die bevorzugt eine Zinkkonzentration von 0,1 - 40 Gew.-% aufweist.

In einer weiteren mehrschichtigen Ausgestaltung kann der Mantel beispielsweise ei ne äußere, bevorzugt in Form einer Deckschicht einen Teil der Außenfläche oder die gesamte Außenfläche der Mantelschicht bildende Mantelschicht aufweisen, die zu mindestens 50 Gew.% und bevorzugt vollständig bzw. im Wesentlichen vollständig aus Zink, einer Zinklegierung oder Zink-Oxid ausgebildet ist. Die Stärke dieser Deck schicht kann 0,05 - 1 pm betragen. Eine derartige äußere Mantelschicht ist von Vor teil für die Schneidleistung sowie im Rahmen von Feinschlichtvorgängen mit gerin gen Entladeenergien, da das Zink dann schneller zur Verfügung steht.

Gegenüber einer über größere Abschnitte durchgängigen Deckschicht aus Zinkoxid hat sich die obige lamellenförmige bzw. netzartige Struktur als besonders geeignet zur Erhöhung der Schneidleistung erwiesen.

An den Oberflächen, die durch die Risse entstehen, die die blockartigen Partikel über einen Teil ihres Umfangs voneinander, von dem Material benachbarter Schichten und/oder dem (benachbarten) Kernmaterial räumlich separierten sowie an der durch die Risse, die die blockartigen Partikel selbst aufweisen, gebildeten Oberfläche wird durch die zweite Diffusionsglühung, z.B. unter Umgebungsatmoshpäre, bevorzugt eine dünne Auflage aus Zinkoxid gebildet. So steht dem Erodierprozess neben der bekannten Deckschicht aus Zinkoxid weiteres Zinkoxid abtragssteigernd zur Verfü gung.

Es ist bevorzugt, dass der Kern überwiegend und bevorzugt vollständig bzw. im We sentlichen vollständig aus Kupfer oder einer Kupfer-Zink-Legierung mit einem Zink gehalt von 2 bis 40 Gew.-% ausgebildet ist. Derartige Kerne sind in vorteilhafter Wei se gut kaltumformbar.

Der Aufbau und die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Drahtelektrode las sen sich z.B. anhand einer rasterelektronenmikroskopischen Untersuchung (REM) mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) bestimmen. Dazu wird die Oberfläche sowie ein Querschliff der Drahtelektrode untersucht. Die Anfertigung ei nes Drahtquerschliffs kann z.B. durch das sog. lonenböschungsschnittverfahren er folgen, bei dem der Draht durch eine Blende abgedeckt und mit Ar ⁺ -lonen bestahlt wird, wobei über die Blende überstehende Teile des Drahtes durch die Ionen abge tragen werden. Durch dieses Verfahren können Proben frei von mechanischen De formationen präpariert werden. Die Struktur der Mantelschicht der erfindungsgemä ßen Drahtelektrode bleibt durch eine solche Präparation also erhalten. Durch die REM-Bilder lässt sich so die Struktur der Mantelschicht der erfindungsgemäßen Drahtelektrode darstellen. Anhand von punkt- linien- und flächenförmigen EDX- Analysen lässt sich die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Drahtelektrode bestimmen.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher er läutert.

Die in Figur 1 im Querschnitt gezeigte Drahtelektrode 1 weist einen Drahtkern 2 auf, der vollständig von einem die Außenseite der Drahtelektrode 1 bildenden Mantel 3, 4 umgeben ist. In der dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist der Kern 2 homogen vollständig oder im wesentlichen vollständig aus Kupfer oder einer Kupfer- Zink-Legierung mit einem Zinkgehalt von bevorzugt 2 bis 40 Gew.% ausgebildet. Die äußere Mantelschicht 3, 4 umfasst blockartige Partikel, die räumlich voneinander bzw. von dem Material 4 separiert sind (z.B. durch Risse (nicht gezeigt)). Der flä chenmäßig überwiegende Teil der blockartigen Partikel weist eine Kupferlegierung mit einer Zinkkonzentration von 38 - 49 Gew.-% auf. Gemäß dem Phasendiagramm für das System CuZn liegt die Legierung in diesem Teil teilweise oder überwiegend als ß-und /oder ß'-Phase vor.

Der angrenzende, innere Mantelschichtbereich 4 besteht aus einer Kupferlegierung, die einen Zinkanteil von 38 - 51 Gew.-% aufweist. Gemäß dem Phasendiagramm für das System CuZn liegt die Legierung in diesem Teil teilweise oder überwiegend als ß-Phase vor. Dieser angrenzende Schichtbereich kann eine Grenzlinie zum Kern oder einer weiteren Mantelschicht (nicht gezeigt) aufweisen, die eine näherungswei se wellenförmige Gestalt hat. Der angrenzende innere Mantelschichtbereich ist in dieser Ausführungsform durchgängig über den Umfang ausgebildet.

Figur 2 zeigt einen detaillierten Ausschnitt des Querschnitts der ersten Ausführungs form der erfindungsgemäßen Drahtelektrode 1 gemäß Figur 1 mit dem Drahtkern 2, und der äußeren Mantelschicht 3, 4. Zu erkennen ist die genauere Gestalt der block- artigen bzw. blockförmigen Partikel, und dass diese durch Risse über einen Teil ihres Umfangs oder über ihren gesamten Umfang (in diesem Querschnitt betrachtet) vo neinander bzw. von dem angrenzenden Material 4 der Mantelschicht separiert sind, sowie die annähernd wellenförmige Grenzlinie des inneren Bereichs 4 der Mantel schicht zum Kern 2.

Figur 3 zeigt einen detaillierten Ausschnitt des Querschnitts einer zweiten Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Drahtelektrode mit dem Drahtkern 2 und der äu ßeren Mantelschicht 3, 4. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß Figur 2 ist der innere Mantelschichtbereich 4 an mehreren Stellen unterbrochen, wodurch der Kerndraht an diesen Stellen an die Oberfläche der Drahtelektrode hervordringt.

Figur 4 zeigt einen detaillierten Ausschnitt des Querschnitts einer dritten Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Drahtelektrode mit dem Drahtkern 2 und der äu ßeren Mantelschicht 3, 4, 5. Der flächenmäßig überwiegende Teil der blockartigen Partikel besteht aus einer Kupfer-Zink-Legierung mit einer Zinkkonzentration von 38 - 49 Gew.-%, wobei dieser Teil in dieser Ausführungsform in dem radial zum Kern hin gewandten Bereich der blockartigen Partikel liegt. Gemäß dem Phasendiagramm für das System CuZn liegt die Legierung in diesem Teil teilweise oder überwiegend als ß-und /oder ß'-Phase vor. Der äußere Bereich 5 der blockartigen Partikel weist einen Zinkgehalt von mehr als 49 - 68 Gew.-% auf. Gemäß dem Phasendiagramm für das System CuZn liegt die Legierung in diesem Teil als b+g-Phase und/oder als g-Phase vor.

Figur 5 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Oberfläche der ers ten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drahtelektrode. Zu erkennen sind die blockartigen Partikel der äußeren Mantelschicht sowie Risse und Vertiefungen (Spal ten).

Alle in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Ausführungsformen können auf den blockar tigen Partikeln eine dünne Deckschicht aufweisen (siehe Figur 6), die einen Teil oder die gesamte Außenfläche der Mantelschicht 6 bildet. Diese Schicht ist zu mindestens bzw. mehr als 50 Gew.-% aus Zink, einer Zinklegierung und Zink-Oxid ausgebildet bzw. besteht aus Zinkoxid. Die Dicke dieser Deckschicht beträgt bis 0,05 - 1 pm oder bis 2 pm. Die Deckschicht kann Lücken aufweisen, in denen das Material der blockartigen Partikel erscheint.

Wie in Figur 6 abgebildet, können die blockartigen Partikel entlang der Risse und Spalten, die diese zumindest über einen Teil ihres Umfangs von dem Material be- nachbarter Schichten und/oder dem benachbarten Kernmaterial räumlich separieren (7), sowie entlang der Risse, die die blockartigen Partikel selbst aufweisen (7‘), Zink oxid aufweisen. Sofern sich ein blockartiger Partikel in einem Querschnitt parallel oder quer zur Längsachse des Drahtes anhand einer rasterelektronenmikroskopi schen Analyse nicht vollständig durch Risse von dem Material benachbarter Schich ten oder dem Kernmaterial abgrenzt, soll zur Festlegung der Fläche des blockartigen Partikels gelten, dass er sich durch die kürzeste gerade Verbindung zwischen den in radialer Richtung am nächsten zum Drahtmittelpunkt befindlichen Endpunkten (a, b) der ihn umgebenden Risse (7), abgrenzt (siehe Figur 6).

Figur 7 ist eine REM-Aufnahme (Rückstreuelektronen 20 kV) eines Ausschnitts des äußeren Umfangs einer erfindungsgemäßen Drahtelektrode in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse des Drahtes. Zu erkennen sind blockförmige Partikel, die durch Risse wenigstens über einen Teil ihres Umfangs voneinander separiert sind. Die geraden Verbindungslinien a - b bzw. a‘ - b‘ veranschaulichen, wie in diesen Fäl len die Fläche der Partikel bestimmt wird, die zu mehr als 50% eine Kupferlegierung mit einer Zinkkonzentration von 38 bis 49 Gew.-% aufweist.

Ist ein Partikel nicht vollständig von Rissen von seiner Umgebung separiert, wird die Fläche dadurch bestimmt, dass als Begrenzung die kürzeste gerade Verbindungsli nie zwischen den in radialer Richtung zur Drahtmitte am weitesten innen gelegenen Enden der Risse, die den Partikel von der Umgebung separieren, gewählt wird. Dies ist für den links in Figur 7 zu sehenden Partikel die Verbindungslinie a - b, im Ein klang mit der schon in Bezug auf Figur 6 erläuterten Bestimmungsmethode. Es wird also die gerade Verbindung von einem Rissende zu dem„benachbarten“ (nächstge legenen) Rissende gewählt.

Der Partikel rechts in der Aufnahme ist nach rechts von einer Vertiefung von seiner Umgebung separiert. In diesem Fall wird die Verbindungslinie zwischen dem Rissen de und dem radial am weitesten innen liegenden Punkt der nächstgelegenen Vertie fung (Spalt) gewählt.

Figur 8 und Figur 9 zeigen eine REM-Aufnahme (Rückstreuelektronen, 20 kV bzw. 5 kV) der Oberfläche einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drahtelektrode in 300-facher bzw. 1000-facher Vergrößerung. Anhand des farblichen Kontraste sind Bereiche mit einer lamellenförmigen Struktur (8) zu erkennen. Dabei erscheinen die Lamellen, die aus dem Material der blockartigen Partikel gebildet sind, als weiße, hellere Bereiche. Dagegen erscheinen die Lamellen, die aus der Deckschicht, die überwiegend Zinkoxid aufweist, gebildet sind, als graue, dunklere Bereiche. Die schwarzen Bereiche stellen Risse und Vertiefungen dar.

Beispiele

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Drahtelektrode werden im Folgenden anhand von zwei Ausführungsbeispielen im Vergleich zu verschiedenen Drahtelektroden gemäß Stand der Technik erläutert. Die Herstellung der Drahtmuster erfolgte gemäß den im Folgenden dargestellten Abläufen:

Vergleichsmuster V1 :

Ausgangsdraht: CuZn37, d=1 ,20 mm

Ziehen an d=0,25 mm und Spannungsarmglühen

Vergleichsmuster V2:

Ausgangsdraht: CuZn37, d=1 ,20 mm

Galvanische Verzinkung mit 10 pm

- Ziehen an d=0,50 mm

Diffusionsglühung im Haubenofen unter Umgebungsatmosphäre bei 400°C, 12h

Ziehen an d=0,25 mm und Spannungsarmglühen

Vergleichsmuster V3:

Ausgangsdraht: CuZn37, d=1 ,20 mm

Galvanische Verzinkung mit 10 pm

- Ziehen an d=0,50 mm

Diffusionsglühung im Haubenofen unter Umgebungsatmosphäre bei 180°C, 6 h

Ziehen an d=0,25 mm und Spannungsarmglühen

Vergleichsmuster V4:

Ausgangsdraht: CuZn20, d=1 ,20 mm

Galvanische Verzinkung mit 40 pm

- Ziehen an d=0,60 mm

Erste Diffusionsglühung im Haubenofen unter Umgebungsatmosphäre bei 180°C, 6 h Zweite Diffusionsglühung im Durchlauf unter Umgebungsatmosphäre, Auf heizrate > 10 °C/s, max. Drahttemperatur 680°C, Glühzeit 15 s, Abkühlrate > 10 °C/s

Ziehen an d=0,25 mm und Spannungsarmglühen

Erfindungsgemäßes Muster E1 :

Ausgangsdraht: CuZn37, d=1 ,20 mm

Galvanische Verzinkung mit 10 pm

Erste Diffusionsglühung im Haubenofen unter Umgebungsatmosphäre bei 180°C, 6 h, mittlere Aufheizrate: 100°C/h, mittlere Abkühlrate: 80°C/h

- Ziehen an d=0,50 mm

Zweite Diffusionsglühung im Haubenofen unter Umgebungsatmosphäre bei 400°C, 12 h, mittlere Aufheizrate: 160°C/h, mittlere Abkühlrate: 140°C/h Ziehen an d=0,25 mm und Spannungsarmglühen

Erfindungsgemäßes Muster E2:

Ausgangsdraht: CuZn37, d=1 ,20 mm

Galvanische Verzinkung mit 10 pm

Erste Diffusionsglühung im Haubenofen unter Umgebungsatmosphäre bei 180°C, 6 h, mittlere Aufheizrate: 100°C/h, mittlere Abkühlrate: 80°C/h

- Ziehen an d=0,60 mm

Zweite Diffusionsglühung im Haubenofen unter Umgebungsatmosphäre bei 400°C, 12 h, mittlere Aufheizrate: 160°C/h, mittlere Abkühlrate: 140°C/h Ziehen an d=0,25 mm und Spannungsarmglühen

Erfindungsgemäßes Muster E3:

Ausgangsdraht: CuZn37, d=1 ,20 mm

Galvanische Verzinkung mit 10 pm

Erste Diffusionsglühung im Haubenofen unter Umgebungsatmosphäre bei 180°C, 6 h, mittlere Aufheizrate: 100°C/h, mittlere Abkühlrate: 80°C/h

- Ziehen an d=0,70 mm

Zweite Diffusionsglühung im Haubenofen unter Umgebungsatmosphäre bei 410°C, 12 h, mittlere Aufheizrate: 160°C/h, mittlere Abkühlrate: 140°C/h Ziehen an d=0,25 mm mit einer Querschnittsreduzierung von 18% je Ziehstufe und anschließendem Spannungsarmglühen

Erfindungsgemäßes Muster E4:

Ausgangsdraht: CuZn37, d=1 ,20 mm

Galvanische Verzinkung mit 10 pm Erste Diffusionsglühung im Haubenofen unter Umgebungsatmosphäre bei 180°C, 6 h, mittlere Aufheizrate: 100°C/h, mittlere Abkühlrate: 80°C/h

Ziehen an d=0,40 mm

Zweite Diffusionsglühung im Haubenofen unter Umgebungsatmosphäre bei 410°C, 12 h, mittlere Aufheizrate: 160°C/h, mittlere Abkühlrate: 140°C/h - Ziehen an d=0,25 mm mit einer Querschnittsreduzierung von 10% je Ziehstufe und anschließendem Spannungsarmglühen

In Tabelle 1 sind die mit jeder Drahtelektrode erzielten relativen Schneidleistungen bei einer funkenerosiven Bearbeitung im Hauptschnitt sowie bei einer Bearbeitung mit Hauptschnitt und 3 Nachschnitten angegeben. Die funkenerosive Bearbeitung erfolgte auf einer handelsüblichen Drahterodieranlage mit deionisiertem Wasser als Dielektrikum. Bearbeitet wurde ein 50 mm hohes Werkstück aus gehärtetem Kaltar beitsstahl der Sorte X155CrVMo12-1. Als Schnittkontur wurde ein Quadrat mit einer Kantenlänge von 15 mm gewählt. Als Bearbeitungstechnologie wurde eine maschi nenseitig vorhandene Technologie für blanke Messingdrähte der Zusammensetzung CuZn37 gewählt.

Tabelle 1

Die mit Vergleichsmuster V1 im Hauptschnitt bzw. im Hauptschnitt und 3 Nachschnit ten erzielte Schneidleistung wurde jeweils zu 100% gesetzt. Vergleichsmuster V2 weist eine durchgehend geschlossene Mantelschicht aus ß-Messing auf. Gegenüber Vergleichsmuster V1 wird die Schneidleistung um 8% bzw. 10% gesteigert. Ver gleichsmuster V3 weist eine Mantelschicht auf, die aus blockartigen Partikeln be steht. Die blockartigen Partikel bestehen überwiegend aus g-Messing. Mit diesem Vergleichsmuster wird die Schneidleistung gegenüber Vergleichsmuster V1 um 10% bzw. 12% gesteigert. Vergleichsmuster V4 weist eine innere Mantelschicht aus ß- Messing und eine äußere Mantelschicht aus einem feinkörnigen Phasengemisch aus ß-Messing und g-Messing auf. Die Dicke der Zinkschicht am Ausgangsdraht von Ver gleichsmuster 4 ist viermal so hoch wie die Dicke der Zinkschicht am Ausgangsdraht der Vergleichsmuster V2 und V3 sowie der erfindungsgemäßen Muster E1 und E2. Mit Vergleichsmuster V4 wird die Schneidleistung gegenüber Vergleichsmuster 1 um 19% bzw. 24% erhöht.

Das erfindungsgemäße Muster E1 weist eine Mantelschicht mit einem inneren, durchgängigen Bereich aus Messing mit einem Zinkgehalt von 39 - 43 Gew.-% und nach außen blockartige Partikel, welche durch Risse und Vertiefungen (Spalten) we nigstens über einen Teil ihres Umfangs voneinander bzw. von dem Material der Man telschicht räumlich separiert sind, wobei diese Partikel einen Zinkgehalt von 43 - 48 Gew.-% aufweisen. Die Dicke der blockartigen Partikel gemessen in radialer Rich tung an einem Drahtquerschnitt beträgt 5 - 11 gm. Einen Teil der der Mantelschicht umgibt eine Deckschicht, die im Wesentlichen vollständig aus Zinkoxid besteht. Die Stärke dieser Deckschicht beträgt 0,05 - 0,5 gm. Ferner weist das Muster entlang der durch die Vertiefungen (Spalten) und Risse gebildeten Oberfläche sowie an der Oberfläche, die durch Risse, die die blockartigen Partikel selbst aufweisen, gebildet wird, Zinkoxid auf. Mit dem erfindungsgemäßen Muster E1 wird die Schneidleistung gegenüber Vergleichsmuster 1 um 43% bzw. 26% erhöht. Trotz der gleichen Zink schichtdicke nach der galvanischen Beschichtung am Ausgangsmaterial ist die Stei gerung der Schneidleistung bei diesem Muster wesentlich größer als bei Vergleichs muster V2 und V3. Die Schneidleistung ist sogar höher als bei Vergleichsmuster V4, dessen Zinkschichtdicke das Vierfache vom erfindungsgemäßen Muster E1 beträgt.

Das erfindungsgemäße Muster E2 weist eine Mantelschicht mit einem inneren, durchgängigen Bereich aus Messing mit einem Zinkgehalt von 39 - 43 Gew.-% und nach außen blockartige Partikel, welche teilweise oder vollständig durch Risse und Vertiefungen (Spalten) voneinander bzw. von dem angrenzenden Material der Man telschicht räumlich separiert sind, auf, wobei diese Partikel einen Zinkgehalt von 43- 48 Gew.-% aufweisen. Einen Teil der Außenfläche der Mantelschicht umgibt eine Deckschicht, die im Wesentlichen vollständig aus Zink-Oxid ausgebildet ist. Die Stär ke dieser Deckschicht beträgt 0,05 - 0,5 pm. Ferner weist das Muster entlang der durch die Spalten und Risse gebildeten Oberfläche sowie an der Oberfläche, die durch die Risse, die die blockartigen Partikel selbst aufweisen, gebildet wird, Zink oxid auf. Aufgrund der im Vergleich zum erfindungsgemäßen Muster E1 größeren Zwischenabmessung (d=0,60 mm) wird die zunächst erzeugte Mantelschicht aus überwiegend g-Messing weniger stark aufgerissen und zerklüftet. Da das g-Messing im zweiten Diffusionsglühprozess in ß-Messing umgewandelt wird, sinkt die Sprödig keit der blockartigen Partikel, so dass die Oberflächenstruktur des erfindungsgemä ßen Musters E2 trotz höherer Umformung im zweiten Ziehprozess weniger zerklüftet ist und die Dicke der blockartigen Partikel gleichmäßiger ist. Die Dicke der blockarti gen Partikel gemessen in radialer Richtung an einem Drahtquerschnitt beträgt 9 - 11 pm. Mit dem erfindungsgemäßen Muster E2 wird die Schneidleistung gegenüber Vergleichsmuster V1 um 40% bzw. 28% erhöht.

Das erfindungsgemäße Muster E3 weist eine Mantelschicht mit einem inneren, durchgängigen Bereich aus Messing mit einem Zinkgehalt von 39 - 43 Gew.-% und nach außen blockartige Partikel, welche durch Risse und Vertiefungen (Spalten) we nigstens über einen Teil ihres Umfangs voneinander bzw. von dem Material der Man telschicht räumlich separiert sind, wobei diese Partikel einen Zinkgehalt von 43 - 48 Gew.-% aufweisen. Die Dicke der blockartigen Partikel gemessen in radialer Rich tung an einem Drahtquerschnitt beträgt 5 - 11 gm. Einen Teil der der Mantelschicht umgibt eine Deckschicht, die überwiegend aus Zinkoxid besteht. Die Stärke dieser Deckschicht beträgt 0,05 - 2 gm. Ferner weist das Muster entlang der durch die Ver tiefungen (Spalten) und Risse gebildeten Oberfläche sowie an der Oberfläche, die durch Risse, die die blockartigen Partikel selbst aufweisen, gebildet wird, Zinkoxid auf. Mit dem erfindungsgemäßen Muster E3 wird die Schneidleistung gegenüber Vergleichsmuster 1 um 37% bzw. 24% erhöht.

Das erfindungsgemäße Muster E4 weist eine Mantelschicht mit einem inneren, durchgängigen Bereich aus Messing mit einem Zinkgehalt von 39 - 43 Gew.-% und nach außen blockartige Partikel, welche teilweise oder vollständig durch Risse und Vertiefungen (Spalten) voneinander bzw. von dem angrenzenden Material der Man telschicht räumlich separiert sind, auf, wobei diese Partikel einen Zinkgehalt von 43- 48 Gew.-% aufweisen. Einen Teil der Außenfläche der Mantelschicht umgibt eine Deckschicht, die im Wesentlichen vollständig aus Zink-Oxid ausgebildet ist. Die Stär ke dieser Deckschicht beträgt 0,05 - 2 pm.

Aufgrund der im Vergleich zu Muster E3 geringeren Querschnittsreduzierung beim finalen Ziehvorgang weist das Muster E4 an der Oberfläche Bereiche mit einer lamel lenartigen Struktur auf, derart, dass abwechselnd Lamellen gebildet aus der Deck schicht, die überwiegend Zinkoxid aufweist, und gebildet aus dem Material der blockartigen Partikel, die eine Kupfer-Zink-Legierung aufweisen, nebeneinander an geordnet sind.

Ferner weist das Muster E4 entlang der durch die Spalten und Risse gebildeten Oberfläche sowie an der Oberfläche, die durch die Risse, die die blockartigen Parti kel selbst aufweisen, gebildet wird, Zinkoxid auf. Die Dicke der blockartigen Partikel gemessen in radialer Richtung an einem Drahtquerschnitt beträgt 9 - 11 pm. Mit dem erfindungsgemäßen Muster E4 wird die Schneidleistung gegenüber Vergleichsmu ster V1 um 42% bzw. 28% erhöht.

Aufgrund der gleichmäßigeren Oberflächenstruktur und Dicke der blockartigen Parti kel wird mit den erfindungsgemäßen Mustern E2 und E3 gegenüber den Mustern E1 und E4 eine bessere Oberflächenrauheit erzielt (siehe Tabelle 2). Der R _a -Wert ist darüber hinaus geringer als bei dem blanken Messingdraht (V1 ).

Tabelle 2

Die erfindungsgemäßen Muster E1 bis E4 besitzen eine wesentlich geringere Ge samtdicke der Mantelschicht als Muster V4. Dies begünstigt die Geradheit und Bie gesteifigkeit der Drahtelektrode, so dass die automatischen Einfädelvorgänge auf den Erodiermaschinen auch unter schwierigen Bedingungen, wie z.B. hohen Werk stücken, störungsfrei ablaufen.

Die Mantelschicht der erfindungsgemäßen Muster E1 bis E4 ist gegenüber den Ver gleichsmustern V3 und V4 aufgrund der überwiegenden bzw. vollständigen Um wandlung des g-Messings in ß-Messing insgesamt duktiler und weicher und verhält sich damit beim Ablaufen auf einer Drahterodieranlage abriebsfester, so dass der Prozess weniger anfällig für Störungen oder Beeinträchtigungen durch Ablagerungen von Drahtabrieb ist.

Ferner wird durch die insgesamt duktilere und weichere Mantelschicht gegenüber den Vergleichsmustern V3 und V4 eine höhere Standzeit der Drahtführungen und Stromkontakte der Erodiermaschine erreicht. Bezugszeichen

1 : Drahtelektrode

2: Drahtkern

3: blockartige Partikel

4: angrenzende Mantelschicht

5: äußerer Bereich der blockartigen Partikel

6: Deckschicht

7: Risse, die blockartigen Partikel umgebend

7‘: Risse innerhalb der blockartigen Partikel

8: Bereiche mit lamellenförmiger Struktur auf der Drahtoberfläche

Zitierte Dokumente

US 4,977,303

US 5,945,010

US 6,303,523

US 7,723,635

EP-A2193876

EP-A1846189

EP-A2517817

EP-A1295664

EP-A1455981

KR-A10-2007-0075516