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国内最大的真空高压开关用钨铜 钼铜 铜钨碳化钨电触头生产商(国家发明二等奖 钨渗铜项目 熔渗技术)
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钨铜合金(Tungsten copper alloy)主要应用
钨铜合金综合了金属钨和铜的优点，其中钨熔点高(钨熔点为3410℃，铁的熔点1534℃)，密度大(钨密度为19.34g/cm3，铁的密度为7.8g/cm3) ；铜导电导热性能优越，钨铜合金(成分一般范围为WCu7~WCu50)微观组织均匀、耐高温、强度高、耐电弧烧蚀、密度大；导电、导热性能适中，广泛应用于军用耐高温材料、高压开关用电工合金、电加工电极、微电子材料，做为零部件和元器件广泛应用于航天、航空、电子、电力、冶金、机械、体育器材等行业。
表1 金属钨和铜的物理性能
|
性能 |
密度 g/cm3 |
热膨胀 系数 10-6/℃ |
热导率 w/(m·k) |
热容 J/(kg·℃) |
弹性 模量 GPa |
泊松密度
|
熔点 ℃ |
强度 MPa |
|
钨 |
19. 32 |
4. 5 |
174 |
136 |
411 |
0. 28 |
3410 |
550 |
|
铜 |
8. 93 |
16. 6 |
403 |
385 |
145 |
0. 34 |
1083 |
120 |
中国航天四院和北京钢铁研究总院共同承担的航天用钨渗铜项目获国家发明二等奖，陕西中天火箭技术有限责任公司(隶属于航天四院)利用其特有的熔渗技术开发的高压开关电工合金钨铜、钼铜、铜钨碳化钨，国内市场占有率第一，其中钨铜约占70%。
1军用耐高温材料
钨铜合金在航天航空中用作导弹、火箭发动机的喷管、燃气舵、空气舵、鼻锥，主要要求是要求耐高温(3000K~5000K)、耐高温气流冲刷能力，主要利用铜在高温下挥发形成的发汗制冷作用(铜熔点1083℃)，降低钨铜表面温度，保证在高温极端条件下使用。
表2 高温钨铜材料性能
|
牌号 |
铜含量 |
钨骨架 相对密度 |
材料密度 g/cm3 |
相对 密度 |
抗拉强度MPa |
断裂韧性 MPa m0.5 |
|
|
室温 |
800℃ |
||||||
|
WCu10 |
8～12% |
77～82% |
16.5~17.5 |
≥97 |
≥300 |
≥150 |
15～18 |
|
WCu7 |
6～9% |
82～86% |
17~18 |
≥97 |
≥300 |
≥150 |
13～15 |
2高压开关用电工合金
钨铜合金在高压开关128kV SF6断路器WCu/CuCr中，以及高压真空负荷开关(12kV 40.5KV 1000A)，避雷器中得到广泛应用，高压真空开关体积小，易于维护，使用范围广，能在潮湿、易燃易爆以及腐蚀的环境中使用。主要性能要求是耐电弧烧蚀、抗熔焊、截止电流小、含气量少、热电子发射能力低等。除常规宏观性能要求外，还要求气孔率，微观组织性能，故要采取特殊工艺，需真空脱气、真空熔渗等复杂工艺。
表3 电工合金用钨铜性能要求
|
产品名称 |
符号 |
铜 |
银 |
杂质 |
钨 |
密度 |
电阻 |
电导 |
硬度 HB |
抗弯 强度 |
|
铜钨50 |
CuW50 |
50±2 |
|
0.5 |
余量 |
11.85 |
3.2 |
54 |
1128 |
|
|
铜钨55 |
CuW55 |
45±2 |
|
0.5 |
余量 |
12.30 |
3.5 |
49 |
1226 |
|
|
铜钨60 |
CuW60 |
40±2 |
|
0.5 |
余量 |
12.75 |
3.7 |
47 |
1373 |
|
|
铜钨65 |
CuW65 |
35±2 |
|
0.5 |
余量 |
13.30 |
3.9 |
44 |
1520 |
|
|
铜钨70 |
CuW70 |
30±2 |
|
0.5 |
余量 |
13.80 |
4.1 |
42 |
1716 |
790 |
|
铜钨75 |
CuW75 |
25±2 |
|
0.5 |
余量 |
14.50 |
4.5 |
38 |
1912 |
885 |
|
铜钨80 |
CuW80 |
20±2 |
|
0.5 |
余量 |
15.15 |
5.0 |
34 |
2158 |
980 |
|
铜钨85 |
CuW85 |
15±2 |
|
0.5 |
余量 |
15.90 |
5.7 |
30 |
2354 |
1080 |
|
铜钨90 |
CuW90 |
10±2 |
|
0.5 |
余量 |
16.75 |
6.5 |
27 |
2550 |
1160 |
3电加工电极
电火花加工电极早期采用铜或石墨电极，便宜但不耐烧蚀，现在基本上已被钨铜电极顶替。钨铜电极的优点是耐高温、高温强度高、耐电弧烧蚀，并且导电导热性能好，散热快。应用集中在电火花电极、电阻焊电极和高压放电管电极。
电加工电极特点是品种规格繁多，批量小而总量多。作为电加工电极的钨铜材料应具有尽可能高的致密度和组织的均匀性，特别是细长的棒状、管状以及异型电极。
4微电子材料
钨铜电子封装和热沉材料，既具有钨的低膨胀特性，又具有铜的高导热特性，其热膨胀系数和导热导电性能可以通过调整钨铜的成分而加以改变，因而给钨铜提供了更广的应用范围。由于钨铜材料具有很高的耐热性和良好的导热导电性，同时又与硅片、砷化镓及陶瓷材料相匹配的热膨胀系数，故在半导体材料中得到广泛的应用。适用于与大功率器件封装材料、热沉材料、散热元件、陶瓷以及砷化镓基座等。
表4 用于封装热沉的钨铜材料的主要性能
|
|
热导率 W/(m﹒k) |
热膨胀系数 10-6/K |
密度 g/cm3 |
比热导率 W/(m﹒k) |
|
WCu |
140~210 |
5.6~8.3 |
15~17 |
9~13 |
|
WCu10 |
140~170 |
5.6~6.5 |
17.0 |
|
|
WCu15 |
160~190 |
6.3~7.3 |
16.4 |
|
|
WCu20 |
180~210 |
7.6~9.1 |
15.6 |
|
|
MoCu |
184~197 |
7.0~7.1 |
9.9~10.0 |
18~20 |
(高友谊 整理20080215)
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钼铜(molybdenum copper alloy) 应用及其工艺
钼铜合金(MoCu alloy)是钼和铜的合金，钨和钼均为难熔合金(钨熔点3410℃，钼熔点2615℃)，元素周期表中同为VIB族，化学性质极为相近，钼铜和钨铜应用范围很大一部分重合，两者相差最大的是密度(钨的密度为19.3g/cm3，钼的密度为10.2 g/cm3)，故钨铜适合做高比重材料，高比重材料多以钨做主要成分，而钼铜质量轻，经常作为航天、航空仪表的配件。钼铜已规模应用的有高压真空开关用电工合金、微电子封装热沉材料、线切割电极丝，以及仪器仪表元器件。
钼铜主要应用有：
1高压真空开关用电触头材料
在高压真空开关用电触头材料行业中，国内用钨铜、钼铜材料顶替银钨等银合金电触头材料，钨铜在真空负荷开关中得到大范围的应用，部分真空灭弧室选用钼铜(12KV，630A)作为真空接触器触头材料，现已得到广泛的认可。钼铜由于适当的真空灭弧分断能力、良好的耐电压强度以及抗熔焊能力，其市场容量在不断的扩大，陕西中天火箭技术有限责任公司在2004年已成为国内最大的高压真空开关用钼铜生产商。
|
牌号 |
化学元素 wt% |
气体含量 （不大于）ppm |
密度 g/cm3 |
硬度 HB MPa |
电导率 MS/m |
|||
|
Cu |
Mo |
O |
N |
H |
（不小于） |
|||
|
MoCu25 |
21～31 |
余量 |
60 |
10 |
— |
9.6 |
1300 |
21 |
|
MoCu37 |
35～39 |
余量 |
50 |
8 |
|
9.4 |
1300 |
24 |
2微电子材料
钼铜和钨铜一样，均具有低的膨胀特性(钼的热膨胀系数5.0x10-6/℃，钨的热膨胀系数4.5x10-6/℃)，又具有铜的高导热特性，其热膨胀系数和导热导电性能可通过成分调节。根据需要，两者均广泛用作集成电路、散热器、热沉材料。
|
|
热导率 W/(m﹒k) |
热膨胀系数 10-6/K |
密度 g/cm3 |
比热导率 W/(m﹒k) |
|
WCu |
140~210 |
5.6~8.3 |
15~17 |
9~13 |
|
MoCu |
184~197 |
7.0~7.1 |
9.9~10.0 |
18~20 |
|
MoCu15 |
160 |
7.0 |
10 |
|
|
MoCu20 |
170 |
8.0 |
9.9 |
|
|
MoCu25 |
180 |
9.0 |
9.8 |
|
|
Mo |
138 |
5.35 |
10.22 |
13.5 |
|
Cu |
400 |
16.5 |
8.93 |
45 |
钼铜的制备工艺，与钨铜类似，目前主要有两种工艺：烧结熔渗法和粉末冶金法。
1烧结熔渗法
直接将钼粉压制成形，在高温惰性气氛中烧结成多孔钼坯，然后在真空或惰性气氛条件下高温渗入铜液，若最终气孔率控制在3%以内，后继还须真空除气。通过烧结钼坯空隙度可调节渗入的铜含量，对于铜含量大于30%以上的钼铜，如MoCu50，钼坯不能形成致密骨架，用混入微量铜进行压制烧结熔渗。
此种方法优点是骨架良好，组织均匀，耐电弧，抗熔焊，缺点是成本偏高。
2粉末冶金法
按所需的成分混好钼粉和铜粉，然后压制成形，直接烧结成产品。也可用氧化钼和氧化铜的混合粉还原得到的钼铜粉压制烧结，这种工艺组织更致密均匀。铜含量高的钼铜可复压提高密度，铜含量低的钼铜需超细粉末或机械活化提高其烧结性。
由于原材料中含有氧，所以要在还原气氛中还原，一般工业用氢气，在钼铜中生产的H2O难以扩散到空气中，所以产品缺陷较多，气孔率偏高，微观组织部分偏析，在真空开关中，要求电触头在真空条件下电弧烧蚀时极低的放气特性，故一般不选用该工艺。该种工艺主要优点是工艺简单。
(高友谊 整理20080305)
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