Électrodes en cuivre-tungstène : performance inégalée pour les applications EDM

Avantages des propriétés et compositions du cuivre-tungstène

Une grande partie de la valeur du cuivre-tungstène pour les électrodes d'électroérosion (EDM) résulte des propriétés mécaniques et physiques uniques des matériaux. Par exemple, la conductivité électrique élevée du cuivre et la résistance à l'usure du tungstène forment une combinaison qui optimise la fabricabilité.

Différentes compositions de tungstène-cuivre ont également un impact sur la performance des électrodes EDM. De plus, le succès du processus EDM est influencé par les propriétés de la pièce et des matériaux d'électrode.

Métriques pour le succès de l'EDM

Le choix d'un matériau d'électrode dépend ultimement de sa capacité à interagir productivement avec le matériau de la pièce, ainsi que sur l'objectif de production particulier. Quelques métriques courantes pour mesurer le succès d'un travail de production EDM incluent :

• Rapport d'usure de l'électrode (EWR)
• Taux d'enlèvement de matière (MRR)
• Ra (rugosité moyenne) finition de surface

Le cuivre-tungstène peut améliorer l'EWR, en raison à la fois de son intégrité structurelle innée et de sa résistance à « l'arc CC », une frustration courante liée à l'EDM. Le MRR, ou vitesse de coupe, dépend largement de l'interaction entre les propriétés des matériaux et les paramètres d'usinage.

Effets des propriétés du matériau du cuivre-tungstène

Avec sa conductivité thermique excellente, le cuivre est la partie de la composition cuivre-tungstène qui entraîne la vitesse de coupe. Alors, pourquoi ne pas utiliser une électrode en cuivre pur ? La réponse est que le cuivre électrolytique (pur) pose d'énormes défis en termes de fabricabilité et de taux d'usure.

Cependant, combiner le cuivre avec le tungstène améliore les deux conditions, produisant une performance globale dramatiquement meilleure.

Fait intéressant, l'ajout de tungstène au cuivre génère souvent une couche de recuit, communément appelée « couche noire », pendant le processus EDM. Bien que cette couche puisse en fait améliorer la résistance à l'usure, l'accumulation supplémentaire réduit légèrement la conductivité thermique et réduit finalement le MRR.

Le cuivre-tungstène comme matériau composite

Les matériaux composites comme le cuivre-tungstène ne sont pas de vrais alliages. Ce sont plutôt des pseudo-alliages composés d'un composite de deux matériaux chimiquement ou physiquement disparates.

Les méthodes d'alliage traditionnelles, qui exigent que les matériaux purs soient solubles, sont inefficaces pour le cuivre-tungstène. C'est parce qu'avec des points de fusion d'environ 1981°F (1083°C) et 6152°F (3400°C) pour le cuivre et le tungstène respectivement, le cuivre s'évaporerait avant que le tungstène ne commence même à fondre.

Alors que l'EDM a gagné en popularité en tant que processus d'usinage non traditionnel pour la fabrication de matrices et moules — en particulier dans le carbure de tungstène et les pièces en acier à outils — les métallurgistes des poudres ont expérimenté différentes méthodes de fabrication pour combiner le cuivre-tungstène, telles que :

• Frittage à phase liquide
• Moulage par injection de métal
• Pressage à chaud
• Pulvérisation plasma sous vide
• Alliage mécanique

Porosité et densité du cuivre-tungstène

Le matériau d'électrode en cuivre-tungstène est le plus couramment fabriqué par un procédé de métallurgie des poudres, dans lequel un « squelette » de tungstène pré-fritté poreux est infiltré par du cuivre liquide. Généralement, le processus presser-fritter-infiltrer réduit le risque de porosité, qui est une préoccupation clé pour les fabricants d'électrodes et les machinistes EDM car elle peut provoquer une bosse dans la cavité EDM.

Cependant, un composite cuivre-tungstène entièrement dense est presque impossible à fabriquer. C'est parce que la différence de contraction thermique entre le tungstène solide et le cuivre fondu pendant le refroidissement post-infiltration peut encore causer une porosité résiduelle.

Certaines études ont montré que l'utilisation de particules de tungstène à l'échelle nanométrique enrobées sur de la poudre de cuivre et une température de frittage plus basse peuvent améliorer la densité du matériau final, réduisant ainsi le risque de pores, de lacs de cuivre et d'agglomérats de tungstène.

De même, le pressage à chaud — un processus plus simple et plus rentable impliquant chaleur et pression simultanées — a également été noté pour améliorer la densité.

Ajuster la composition tungstène-cuivre pour les applications EDM

En plus de différentes méthodes de fabrication pour améliorer la densité et la microstructure, la manipulation du rapport de composition tungstène-cuivre peut produire des propriétés de performance spécialisées pour les applications EDM.

Généralement, plus le pourcentage de tungstène est élevé, plus l'EWR et la stabilité de coupe sont grands, mais au détriment de vitesses de coupe plus lentes. Inversement, plus il y a de cuivre, meilleure est la finition de surface et le MRR, mais avec un EWR réduit.

La composition la plus standard de cuivre-tungstène est 30 % Cu et 70 % W. Cependant, la composition peut être personnalisée en fonction de l'application, comme 50 % W et 50 % Cu pour les commutateurs scellés. Pour les électrodes de soudage par points, 89 % W et 11 % Cu est courant.

Paramètres de processus EDM pour améliorer le MRR

Puisque l'EDM est un processus thermique, on pourrait logiquement déduire qu'augmenter la conductivité thermique augmentera le MRR. Cependant, c'est un défi de trouver le « point idéal » où la conductivité est suffisamment élevée pour améliorer les taux de coupe, mais pas si élevée qu'elle laisse l'entrefer vide de chaleur.

Heureusement, il existe des modèles empiriques pour déterminer les paramètres de processus en relation avec les propriétés des matériaux, aidant à identifier le point idéal des paramètres de processus qui produira efficacement des pièces conformes.

Plus crucial encore, des études ont montré que la conductivité thermique seule n'influence pas le MRR. Au lieu de cela, l'influence de la conductivité thermique n'est réalisée qu'en conjonction avec le courant de crête.

Cela signifie que la combinaison de la conductivité thermique du cuivre-tungstène et d'une étincelle plus forte et plus percutante permettrait un enlèvement de matière plus rapide (bien que pas joli). Notez cependant qu'augmenter simplement le courant de crête sans aussi augmenter la conductivité compromettrait la finition de surface, en raison de la combustion plus explosive et inégale.

Piqûres et résistance à l'arc CC du cuivre-tungstène

Un autre problème dans l'EDM est la piqûre, qui se produit lorsque la boue provenant du matériau d'électrode EDM usé et du matériau de pièce enlevé n'est pas correctement filtrée hors du fluide diélectrique.

• Lorsque suffisamment de particules s'accumulent entre l'électrode et la pièce, elles peuvent convertir le courant alternatif en courant continu.
• Agissant comme une électrode, le déchet attire une étincelle, qui arc-boute alors à travers le fluide et crée une décharge concentrée, causant finalement une piqûre dans le matériau.

Cet arc CC passe souvent inaperçu jusqu'à ce que la piqûre se soit produite. Puisque la cause la plus courante est de mauvaises conditions de rinçage, les machinistes se tournent vers des systèmes de filtration à un micron et des logiciels qui peuvent répondre à la détection de courant CC et ajuster les paramètres de coupe en conséquence.

Parfois, cependant, de mauvaises conditions de rinçage peuvent être difficiles à éviter, en particulier pour des brûlures particulièrement difficiles. Dans ces situations, une électrode en cuivre-tungstène peut être extrêmement bénéfique.

L'intégrité structurelle du cuivre pur peut produire des finitions de surface exceptionnelles, même sans circuits de polissage spécialisés. Sa résistance générale à l'arc CC combinée au point de fusion élevé et à la densité du tungstène font une électrode avec une haute résistance à l'usure même dans des situations de mauvais rinçage.

Performance optimale du cuivre-tungstène en EDM

En EDM, l'intégrité structurelle d'un matériau détermine sa capacité à résister aux milliers de minuscules étincelles auxquelles le matériau sera soumis et, ultimement, la qualité de la pièce. Par conséquent, un matériau d'électrode avec la bonne combinaison de propriétés peut faire la différence entre un travail bien fait et un travail mis au rebut.

C'est pourquoi la conductivité électrique élevée et la résistance à l'érosion par arc du cuivre en combinaison avec l'excellente conductivité thermique et la résistance à l'usure du tungstène font une performance optimale en tant que matériau d'électrode EDM.

Pour en savoir plus sur le cuivre-tungstène et pourquoi vous pourriez le choisir pour vos applications liées à l'EDM, téléchargez notre rapport sur les matériaux d'électrodes de soudage par résistance.