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各种钨铜合金材料的生产、应用与要求

来源:广东赫达金属材料有限公司   发布时间:2021-02-26   点击量:84

钨加工材根据材料的特性、应用的情况及制取方法的不同,传统上分为三大类:

      1、纯钨及通常意义上的钨合金制品,包括纯钨、掺杂钨、牡钨、饰钨及钨徕合金等,其主要产品是丝材和棒材。这是钨加工材品种和数量最大的一类产品。

      2、第二类是高密度钨合金,主要有钨镍铁和钨镍铜两个系列,其应用是利用其高密度和高强度性能。

      3、第三类是钨铜、钨银材料,特别是钨铜材料,它们是钨加工材中相对量较小的一类制品.

电触头用钨铜材料

      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20万伏以上发展;二是中等电压用的真空钨铜材料。真空钨铜材料为了与常规电触头的钨铜材料相区别,一般在材料的牌号后面加上字母“V”或“vs”作为后缀,以表明其特别用于真空开关中。真空电触头用钨铜材料除了具有常规用钨铜材料的高导电导热性,好的抗电弧烧蚀性和高的耐电压击穿性等特点外,还有以下的特殊要求:

      1、为了防止钨铜电触头在开关开闭时形成的真空电弧下产生大量放气而破坏真空,要求真空用钨铜材料具有很低的气体(02、NZ、HZ、C等)含量,一般要求含氧量在百万分之几十,因而必须采用低含氧量的钨粉为原料,采用真空熔渗铜或对最后产品进行真空脱气处理。

      2、除了少量真空电触头采用含铜量较高的钨铜合金外(Cu质量分数在20%一30%或更高外),大量应用的真空电触头用钨铜材料的含铜量为10%-巧%质量分数。因此采用常规制取钨铜触头的方法来制取是很困难的,必须采用诸如高温烧结或高成型压力压制得到高密度的钨铜骨架再熔渗铜,或者采用常规超细钨铜混合粉烧结,添加活化剂(C。、Fe、iN等)的活化烧结等特殊工艺制取。

      3、为了保证真空钨铜电触头能够与作为引出电极的铜棒(或铜合金棒)很好的焊接,一般要求在真空钨铜电触头的一侧覆盖一层结合良好的薄铜层,这就要求解决这一良好结合的覆铜工艺

      

电火花加工钨铜电极

      作为电火花加工电极,钨铜材料具有加工速度快、加工质量高、电极材料消耗小等优点,因此对于高转速工模具及难加工材料的精加工等有明显的优势。目前已成为钨铜材料主要的应用之一,根据日本钨铜材料的生产和应用数据分析,90年代其用量已占钨铜总量的25%。但是作为电火花加工电极,也对钨铜材料提出了一些特殊的要求:

      1、为了既使钨铜材料具有良好的导电导热性,又要使钨铜电极尽可能好的抗电火花腐蚀作用。常用的电火花加工电极用钨铜材料的含铜量一般为20%一30%质量分数。

      2、为了保证电火花加工过程的稳定性和提高电极材料的利用率,因此要求钨铜材料较高的材质均匀性和致密性,而采用常规电触头制取方法难于达到其要求。

      3、电火花加工电极需根据所加工的工模具或制品的要求,提供相应形状的钨铜电极,有的是细长的棒材,有的则为复杂性状的型材,不但规格品种多样且每一种电极需要又较小。因此,造成电极的制取比较复杂和困难

      

电子封装及热沉材料用钨铜材料

        由于钨铜材料具有高的导电导热性能,因而可以作为大功率电子及半导体器件的热沉材料;同时,钨铜合金和有较大体积分数的低热膨胀系数的钨,并且可以通过调整其中的钨含量调控合金的热膨胀系数,达到与半导体器件中硅、砷化钵及陶瓷壳体的热膨胀系数相匹配,大大降低原来使用的高热膨胀系数的铜、铝等材料在封装时引起的热应力,提高器件的可靠性和使用寿命。因此钨铜材料作为电子封装及热沉材料的应用正在日益增长。但是,作为热忱和封装材料的钨铜合金,对于其性能有着比较严格的要求:

        1、为了要使钨铜合金的热膨胀系数与半导体器件中的硅、砷化嫁及陶瓷壳体的热膨胀系数相匹配,电子封装用的钨铜合金一般均采用含铜量为20%一30%质量分数的材料。

        2、由于半导体器件也属于真空器件,因此电子封装及热沉用钨铜合金也要求很低的含气量和高的气密性,以保证低的放气量和好的真空密封性。

        3、为了保证电子封装及热沉用钨铜合金的高导电导热性,特别是高导热性,因此要求所用的钨粉及铜具有尽可能高的纯度,并在制取过程中避免杂质的混人,以避免钨铜合金导热性能的降低。

        4、为了保证电子封装及热沉用钨铜合金的高气密性,又具有尽可能高的导热性,就要求所制取的钨铜合金高的致密度,避免由于所存在的残余孔隙而造成漏气及导热性的较大降低。

        

高温应用的钨铜材料

        钨铜材料在高温(300℃或更高)使用时,其两相组织中所含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用途是火箭、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。当然,对于这种高温应用的钨铜材料,则有更苛刻的要求:

       1、为了保证在高温使用时钨铜材料高的高温强度和好的抗烧蚀、抗冲刷性能,必须要求钨铜材料高的钨骨架密度和骨架强度,为此,此类应用的钨铜材料一般采用含铜量为5%一10%质量分数的钨铜材料。

       2、为了使钨铜材料中的铜能够在高温使用时顺利通过气化大量吸热降低材料的表面温度,必须保证在较低铜含量情况下所得到的钨骨架孔隙有很好的连通性和良好的毛细作用,使之在高温使用时,铜既能很好的汽化而又不造成铜过快挥发损失。

       

超细和纳米钨铜混合制成工艺

      采用超细和纳米钨铜混合粉可以在较低温度下直接烧结制得近全密度的钨铜材料,因此,它成为这一阶段钨铜材料制取工艺的重点研究方向。该工艺首先需要解决超细(或纳米)钨铜混合粉的制取问题。目前,这个问题的解决主要通过两个途径

      1、机械合金化降:受纳米材料研究的推动,国内外广泛进行了机械合金化法制取纳米钨铜混合粉的研究。这是将钨粉、铜粉按所需比例混合在高能球磨机中球磨50~1oh,可以得到尺度为几十纳米的钨铜混合粉。对于低铜含量的钨铜材料甚至可以获得在常规情况下不固溶于钨的铜与钨形成不稳定的过饱和合金。采用机械合金化得到的纳米晶钨铜混合粉可以在较低温度下直接烧结制成高密度、组织均匀的所需成分的钨铜材料,其晶粒为几百纳米到几个微米水平。这个方法目前最大的缺点是生产效率低以及长时间球磨过程中带人较多杂质而影响最后产品的性能。

     2、共还原混合钨铜化合物制取超细或纳米钨铜混合物:这是将钨和铜的氧化物或盐类混合很简单球磨细化,或者采用盐类的混合溶液制成凝胶、共沉淀或喷雾经干燥后获得超细的或纳米晶的钨铜化合物的混合粉,然后熔烧及在氢气中还原得到超细或纳米晶的钨铜混合粉,将混合粉压制成型,烧结同样可以获得组织均匀、细晶、高密度的钨铜材料这种方法由于可以采取不同的原始材料以及不同的处理方法和条件,从而可以有许多的工艺方案。这类方法由于不带人杂质污染而且可以大量生产,因此是具有广阔前景的钨铜材料的制取工艺方法


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