Koppar–volfram
Koppar–volfram ( wolfram–koppar , CuW eller WCu ) är en blandning av koppar och volfram . Eftersom koppar och volfram inte är ömsesidigt lösliga, är materialet sammansatt av distinkta partiklar av en metall dispergerade i en matris av den andra. Mikrostrukturen är därför snarare en metallmatriskomposit istället för en äkta legering .
Materialet kombinerar egenskaperna hos båda metallerna, vilket resulterar i ett material som är värmebeständigt, ablationsbeständigt , mycket termiskt och elektriskt ledande och lätt att bearbeta .
Delar tillverkas av CuW-kompositen genom att pressa volframpartiklarna till önskad form, sintra den komprimerade delen och sedan infiltrera med smält koppar. Ark, stavar och stänger av kompositblandningen finns också.
Vanligt använda kopparvolframblandningar innehåller 10–50 viktprocent koppar, den återstående delen är mestadels volfram. De typiska egenskaperna beror på dess sammansättning. Blandningen med mindre viktprocent koppar har högre densitet, högre hårdhet och högre resistivitet. Den typiska densiteten för CuW90, med 10 % koppar, är 16,75 g/cm3 och 11,85 g/cm3 för CuW50. CuW90 har högre hårdhet och resistivitet på 260 HB kgf/mm 2 och 6,5 μΩ.cm än CuW50.
Typiska egenskaper hos vanliga kopparvolframkompositioner
| Sammansättning | Densitet | Hårdhet | Resistivitet | IACS | Böjstyrka |
|---|---|---|---|---|---|
| vikt. % | g/ cm3 ≥ | HB Kgf/mm 2 ≥ | μΩ.cm≤ | %≥ | Mpa≥ |
| W50/Cu50 | 11,85 | 115 | 3.2 | 54 | – |
| W55/Cu45 | 12.30 | 125 | 3.5 | 49 | – |
| W60/Cu40 | 12.75 | 140 | 3.7 | 47 | – |
| W65/Cu35 | 13.30 | 155 | 3.9 | 44 | – |
| W70/Cu30 | 13.80 | 175 | 4.1 | 42 | 790 |
| W75/Cu25 | 14.50 | 195 | 4.5 | 38 | 885 |
| W80/Cu20 | 15.15 | 220 | 5.0 | 34 | 980 |
| W85/Cu15 | 15,90 | 240 | 5.7 | 30 | 1080 |
| W90/Cu10 | 16,75 | 260 | 6.5 | 27 | 1160 |
Ansökningar
CuW-kompositer används där kombinationen av hög värmebeständighet, hög elektrisk och termisk ledningsförmåga och låg värmeutvidgning behövs. Några av applikationerna är inom elektrisk motståndssvetsning , som elektriska kontakter och som kylflänsar . Som kontaktmaterial är kompositen motståndskraftig mot erosion av ljusbåge. WCu-legeringar används också i elektroder för elektrisk urladdningsbearbetning och elektrokemisk bearbetning .
CuW75-kompositen, med 75 % volfram, används ofta i chipbärare , substrat, flänsar och ramar för krafthalvledarenheter . Den höga värmeledningsförmågan hos koppar tillsammans med den låga värmeutvidgningen av volfram möjliggör värmeutvidgningsmatchning till kisel , galliumarsenid och viss keramik . Andra material för dessa applikationer är koppar-molybdenlegering, AlSiC och Dymalloy .
Kompositer med 70–90 % volfram används i liners av vissa specialformade laddningar . Penetrationen förbättras med faktor 1,3 mot koppar för homogent stålmål, eftersom både densiteten och uppbrytningstiden ökas. Volframpulverbaserade formade laddningsliners är särskilt lämpliga för komplettering av oljebrunnar . Andra formbara metaller kan också användas som bindemedel istället för koppar. Grafit kan tillsättas som smörjmedel till pulvret.
CuW kan även användas som kontaktmaterial i vakuum. När kontakten är mycket finkornig (VFG) är den elektriska ledningsförmågan mycket högre än en normal bit kopparvolfram. Kopparvolfram är ett bra val för en vakuumkontakt på grund av dess låga kostnad, motståndskraft mot bågeerosion, god ledningsförmåga och motståndskraft mot mekaniskt slitage och kontaktsvetsning. CuW är vanligtvis en kontakt för vakuum-, olje- och gassystem. Det är inte en bra kontakt för luft eftersom ytan kommer att oxidera när den exponeras. CuW är mindre sannolikt att erodera i luft när koncentrationen av koppar är högre i materialet. Användningen av CuW i luften är som en bågspets, bågplatta och en båglöpare.
Kopparvolframmaterial används ofta för bågekontakter i medel- till högspänningsbrytare för svavelhexafluorid (SF 6 ) i miljöer som kan nå temperaturer över 20 000K. Kopparvolframmaterialets motståndskraft mot bågeerosion kan ökas genom att modifiera kornstorleken och den kemiska sammansättningen.
Spark Erosion (EDM)-processen kräver kopparvolfram. Vanligtvis används denna process med grafit, men eftersom volfram har en hög smältpunkt (3420 °C) gör detta att CuW-elektroderna har en längre livslängd än grafitelektroderna. Detta är avgörande när elektroderna har bearbetats med komplex bearbetning. Eftersom elektroderna är känsliga för slitage ger elektroderna mer geometrisk noggrannhet än de andra elektroderna. Dessa egenskaper gör också att stänger och rör som tillverkas för gnisterosion kan göras mindre i diameter och ha en längre längd eftersom materialet är mindre benäget att flisa och skeva.
Egenskaper
| Tungsten wt. % | 55 | 68 | 70 | 75 | 78 | 80 | 85 | 90 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| UTS (MPa) | 434 | 517 | 586 | 620 | 648 | 662 | 517 | 483 |
| Värmeledningsförmåga (W/(cm K)) | 2.4 | 2.1 | 2.01 | 1,89 | 1,84 | 1,82 | 1,75 | 1,47 |
| Elektromotstånd vid 20 °C | 3.16 | 3,33 | 3,41 | 3,51 | 3,71 | 3.9 | 4,71 | 6.1 |
| Specifik värmekapacitet vid 100C | 195 | 174 | 160 |
Kompositernas elektriska och termiska egenskaper varierar med olika proportioner. En ökning av koppar ökar värmeledningsförmågan, vilket spelar en stor roll när den används i effektbrytare. Den elektriska resistiviteten ökar med en ökning av andelen volfram som finns i kompositen, från 3,16 vid 55 % volfram till 6,1 när kompositen innehåller 90 % volfram. En ökning av volfram leder till en ökning av draghållfastheten tills legeringen når 80 % volfram och 20 % koppar med en draghållfasthet på 663 MPa. Efter denna blandning av koppar och volfram börjar den slutliga draghållfastheten då minska ganska snabbt.