钨铜合金的性能及应用

钨铜复合材料是由钨与铜所组成的既不互溶又不形成金属间化合物的两相单体均匀混合的组织,一般称为钨铜假合金(pseudo-alloy)。正是由于这些特点,使得钨铜复合材料成为既具有的耐高温、高强度、高密度等特性,又具有铜的高导电导热性、好的塑性等综合性能的材料。与铜单质金属的性能见表1-1。
表1-1钨、铜单质金属的物理性能
性能 熔点(℃) 比热(J/g.℃) 密度(g/cm3) 线膨胀系数 导热系数 电阻
3396 138 19.30 4.6 166 5.65
1083 385 8.96 16.5 394 1.68
而且,这种综合性能还可以通过改变其组成成分的比例而加以调整。因而钨铜合金被广泛应用。钨铜合金的性能见表1-2
表1-2钨铜合金的性能(国标GB/T38320-2003)
理论密度(g/cm3) 相对密度(%) 电导率(%IACS) 硬度(HB)
W-10Cu 17.30 96.82 26.6 260
W-20Cu 15.67 96.68 34.5 220
W-30Cu 14.31 96.43 42.1 175
W-40Cu 13.17 96.81 46.6 140
钨铜复合材料应用十分广泛,其中主要集中在以下几个方面:
1)电触头材料
电触头材料亦称触点或接点,是高、低压电器的关键元件,担负着接通和分断电流的作用,直接影响着开关、电器的可靠性和使用寿命。钨铜合金触头在燃弧过程中,表层低熔点的铜首先熔化,由于毛细管作用被吸附在钨骨架毛细管孔中,在电弧高温作用下蒸发并带走大量热量,使钨骨架冷却,从而使触头具有良好的开断性能。钨骨架由于熔点很高,在电弧中的烧蚀极小,即使局部温度过高也不会发生熔焊,从而保证了开关性能的稳定性、可靠性和长寿命。而且钨含量越高,抗烧损的性能越好,但电导率低,具体的使用要进行具体的选择。目前,电触头用钨铜材料除了常规的高压电器开关外,其主要的发展是:一是超高压用的钨铜电触头,即由50万伏为主向75万伏甚至200万伏以上发展;二是中等电压用的真空钨铜材料。
2)电极材料
钨铜合金可作为电阻焊电极电火花加工电极、等离子电极等电极材料。作为电火花加工电极,目前己成为钨铜复合材料的主要应用之一。在电火花加工的过程中,电极材料的作用是输送加工脉冲,并以自身最小的损耗去蚀除工件。钨铜材料具有加工速度快、加工质量高、电极材料损耗小等优点,因此,对于高转速工模具及难加工材料的精加工等有明显优势。
3)高温材料
钨铜材料在高温(3100℃或者更高)使用时,其两相组织中所含有的铜将发生汽化而吸收大量的热量,从而显著降低钨铜器件表面的温度,保证了钨铜材料在高温下的应用。因此,钨铜材料的一个重要的用途是作为火箭、导弹等高温高速气流烧蚀、冲刷的高温器件,如燃气舵、喷管、喉衬、鼻锥等。另外,还可以用作坦克穿甲弹的药型罩、增程炮的尾喷管、电磁炮的轨道材料。
4)电子封装及热沉材料
近年来,随着微电子信息技术的发展,对电子封装材料的要求越来越高。由于钨铜合金的热膨胀系数同硅片、BeO、GaAs等材料的热膨胀系数非常接近,热传导系数高,并且可通过调整钨铜含量调整上述两个系数,所以钨铜热沉成为在特殊领域电子元件的理想封装材料,作为基片、连接件和散热组件广泛应用于计算机中央处理系统、大规模集成电路和大功率微波器件中。
5)其他材料
根据钨铜复合材料等各项特性,各种新的可能应用还在不断的研究和开发:如它可以作为重载荷滑动摩擦轴套的加强筋;用作高速旋转和运动的固体密封件;各种仪器仪表中要求无磁、低膨胀、高弹性模量、防辐射屏蔽等特殊要求的零部件;正在发展中的实验聚合反应堆;正在研究当中的可以承受和传递大热流的装置材料。另外,在激光器、通讯设备、办公设备以及体育和运动器件(如作为高尔夫球的配重块)也都可以找到钨铜复合材料的应用。
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