Kupfer-Wolfram-Elektroden: Unübertroffene Leistung für EDM-Anwendungen

Vorteile der Kupfer-Wolfram-Eigenschaften & -Zusammensetzungen

Ein großer Teil des Werts von Kupfer-Wolfram für Senkerodier-Elektroden (EDM) resultiert aus den einzigartigen mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Materialien. Beispielsweise ergibt die Kombination aus Kupfers hoher elektrischer Leitfähigkeit und Wolframs Verschleißfestigkeit eine Optimierung der Fertigbarkeit.

Verschiedene Wolfram-Kupfer-Zusammensetzungen beeinflussen auch die EDM-Elektrodenleistung. Zudem wird der Erfolg des EDM-Prozesses von den Eigenschaften des Werkstücks und der Elektrodenmaterialien beeinflusst.

Kennzahlen für EDM-Erfolg

Die Wahl eines Elektrodenmaterials hängt letztlich von seiner Fähigkeit ab, produktiv mit dem Werkstückmaterial zu interagieren, sowie vom jeweiligen Produktionsziel. Einige gängige Kennzahlen zur Messung des Erfolgs eines EDM-Produktionsauftrags sind:

• Elektrodenverschleißverhältnis (EWR)
• Materialabtragsrate (MRR)
• Ra (mittlere Rauheit) Oberflächenqualität

Kupfer-Wolfram kann den EWR verbessern, aufgrund sowohl seiner inhärenten strukturellen Integrität als auch seiner Beständigkeit gegen „DC-Lichtbogen“, eine häufige EDM-bezogene Frustration. Die MRR, oder Schneidgeschwindigkeit, hängt weitgehend von der Interaktion zwischen Materialeigenschaften und Bearbeitungsparametern ab.

Materialeigenschaftseffekte von Kupfer-Wolfram

Mit seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit ist Kupfer der Anteil der Kupfer-Wolfram-Zusammensetzung, der die Schneidgeschwindigkeit antreibt. Warum also nicht eine reine Kupferelektrode verwenden? Die Antwort: Elektrolytisch reines Kupfer stellt enorme Herausforderungen in Fertigbarkeit und Verschleißraten dar.

Die Kombination von Kupfer mit Wolfram verbessert jedoch beide Bedingungen und erzeugt eine dramatisch bessere Gesamtleistung.

Interessanterweise erzeugt die Zugabe von Wolfram zu Kupfer während des EDM-Prozesses oft eine Neuguss-Schicht, allgemein als „schwarze Schicht“ bezeichnet. Während diese Schicht die Verschleißfestigkeit tatsächlich verbessern kann, verringert der zusätzliche Aufbau leicht die Wärmeleitfähigkeit und reduziert letztlich die MRR.

Kupfer-Wolfram als Verbundwerkstoff

Verbundwerkstoffe wie Kupfer-Wolfram sind keine echten Legierungen. Vielmehr sind sie Pseudo-Legierungen, bestehend aus einem Verbund von zwei chemisch oder physikalisch disparaten Materialien.

Traditionelle Legierungsverfahren, die die Löslichkeit der Reinsstoffe erfordern, sind für Kupfer-Wolfram unwirksam. Das liegt daran, dass bei Schmelzpunkten von ca. 1981 °F (1083 °C) und 6152 °F (3400 °C) für Kupfer bzw. Wolfram das Kupfer verdampfen würde, bevor das Wolfram überhaupt zu schmelzen beginnt.

Da EDM als nicht-traditioneller Bearbeitungsprozess für die Herstellung von Formen und Matrizen – besonders in Wolframkarbid und Werkzeugstahl – an Popularität gewonnen hat, haben Pulvermetallurgen mit verschiedenen Fertigungsmethoden für die Kombination von Kupfer-Wolfram experimentiert, wie:

• Flüssigphasensintern
• Metall-Pulver-Spritzen
• Heißpressen
• Vakuum-Plasmaspritzen
• Mechanisches Legieren

Porosität und Kupfer-Wolfram-Dichte

Kupfer-Wolfram-Elektrodenmaterial wird am häufigsten durch einen pulvermetallurgischen Prozess gefertigt, bei dem ein poröser, vorgesinterter Wolfram-„Skelett“ von flüssigem Kupfer infiltriert wird. Generell reduziert der Press-Sinter-Infiltrations-Prozess das Porositätsrisiko, ein zentrales Anliegen für Elektrodenhersteller und EDM-Bearbeiter, da es eine Beule in der EDM-Kavität verursachen kann.

Ein vollständig dichtes Kupfer-Wolfram-Verbundmaterial ist jedoch fast unmöglich herzustellen. Denn der Unterschied in der thermischen Kontraktion zwischen festem Wolfram und geschmolzenem Kupfer während der Abkühlung nach der Infiltration kann noch zu Restporosität führen.

Einige Studien haben gezeigt, dass die Verwendung von nanoskaligen Wolframpartikeln, die auf Kupferpulver beschichtet sind, und eine niedrigere Siniertemperatur die Dichte des Endmaterials verbessern können, wodurch das Risiko von Poren, Kupferseen und Wolframagglomeraten verringert wird.

Ähnlich wurde festgestellt, dass Heißpressen – ein einfacherer und kostengünstigerer Prozess mit simultaner Hitze und Druck – die Dichte ebenfalls verbessert.

Anpassung der Wolfram-Kupfer-Zusammensetzung für EDM-Anwendungen

Zusätzlich zu verschiedenen Fertigungsmethoden zur Verbesserung von Dichte und Mikrostruktur kann die Manipulation des Wolfram-Kupfer-Zusammensetzungsverhältnisses spezialisierte Leistungseigenschaften für EDM-Anwendungen erzeugen.

Generell gilt: Je höher der Wolframanteil, desto größer der EWR und die Schneidstabilität, aber auf Kosten langsamerer Schneidgeschwindigkeiten. Umgekehrt: Je mehr Kupfer, desto besser die Oberflächenqualität und MRR, aber mit reduziertem EWR.

Die Standardzusammensetzung von Kupfer-Wolfram beträgt 30 % Cu und 70 % W. Die Zusammensetzung kann jedoch anwendungsbezogen angepasst werden, z. B. 50 % W und 50 % Cu für abgedichtete Schalter. Für Punktschweißelektroden sind 89 % W und 11 % Cu üblich.

EDM-Prozessparameter zur Verbesserung der MRR

Da EDM ein thermischer Prozess ist, könnte man logisch ableiten, dass die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit die MRR erhöht. Es ist jedoch eine Herausforderung, den „Sweet Spot“ zu finden, an dem die Leitfähigkeit hoch genug ist, um die Schneidraten zu verbessern, aber nicht so hoch, dass der Funkenentladungsraum leer bleibt.

Glücklicherweise gibt es empirische Modelle zur Bestimmung der Prozessparameter in Bezug auf Materialeigenschaften, die helfen, den Prozessparameter-Sweet-Spot zu identifizieren, der effizient auf-Spezifikations-Teile produziert.

Entscheidender noch: Studien haben gezeigt, dass Wärmeleitfähigkeit allein die MRR nicht beeinflusst. Stattdessen wird der Einfluss der Wärmeleitfähigkeit nur in Verbindung mit dem Spitzenstrom realisiert.

Das bedeutet, die Kombination aus Kupfer-Wolframs Wärmeleitfähigkeit und einem stärkeren, wirkungsvolleren Funken würde für schnelleren (wenn auch nicht hübscheren) Materialabtrag sorgen. Beachten Sie jedoch, dass die bloße Erhöhung des Spitzenstroms ohne Erhöhung der Leitfähigkeit die Oberflächenqualität beeinträchtigen würde, aufgrund des explosiveren, ungleichmäßigen Abbrands.

Grubenbildung und Kupfer-Wolframs DC-Lichtbogenbeständigkeit

Ein weiteres Problem beim EDM ist Grubenbildung (Pitting), die auftritt, wenn Schlamm aus verschlissenem EDM-Elektrodenmaterial und abgetragenem Werkstückmaterial nicht ordnungsgemäß aus der dielektrischen Flüssigkeit gefiltert wird.

• Wenn sich genügend Partikel zwischen Elektrode und Werkstück ansammeln, kann dies den Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln.
• Als Elektrode wirkend, zieht der Abfall einen Funken an, der dann über die Flüssigkeit überspringt und eine konzentrierte Entladung erzeugt, die letztendlich eine Grube im Material verursacht.

Dieser DC-Lichtbogen bleibt oft unentdeckt, bis Grubenbildung aufgetreten ist. Da die häufigste Ursache schlechte Spülbedingungen sind, suchen Bearbeiter nach 1-Mikron-Filtersystemen und Software, die auf die Erkennung von Gleichstrom reagieren und Schneidparameter entsprechend anpassen kann.

Manchmal lassen sich schlechte Spülbedingungen jedoch schwer vermeiden, besonders bei besonders schwierigen Bränden. In diesen Situationen kann eine Kupfer-Wolfram-Elektrode enorm nützlich sein.

Reines Kupfers strukturelle Integrität kann außergewöhnliche Oberflächenqualitäten erzeugen, selbst ohne spezielle Polierschaltungen. Seine allgemeine Beständigkeit gegen DC-Lichtbogen in Kombination mit dem hohen Schmelzpunkt und der Dichte von Wolfram ergibt eine Elektrode mit hoher Verschleißfestigkeit auch unter schlechten Spülsituationen.

Kupfer-Wolframs optimale Leistung im EDM

Im EDM bestimmt die strukturelle Integrität eines Materials seine Fähigkeit, den Tausenden winziger Funken standzuhalten, denen das Material ausgesetzt wird, und letztlich die Qualität des Werkstücks. Daher kann ein Elektrodenmaterial mit der richtigen Kombination von Eigenschaften den Unterschied zwischen einem gelungenen Job und einem Ausschuss ausmachen.

Deshalb machen Kupfers hohe elektrische Leitfähigkeit und Lichtbogenerosionsbeständigkeit in Kombination mit der hervorragenden Wärmeleitfähigkeit und Verschleißfestigkeit von Wolfram eine optimale Leistung als EDM-Elektrodenmaterial aus.

Um mehr über Kupfer-Wolfram und warum Sie es für Ihre EDM-bezogenen Anwendungen wählen könnten, laden Sie unseren Bericht über Widerstandsschweißelektrodenmaterialien herunter.