铜钨复合材料

铜钨复合材料及在热加工方面的应用

铜钨复合材料是以铜、钨元素为主组成的一种两相结构假合金，是金属基复合材料。铜、钨无论在固态、液态都不互相溶，均匀混合后无化学反应发生，各自保持原来的物理和机械性能。这种合金用粉末冶金特定的工艺方法制取。钨在"合金"中形成骨架，铜渗透于钨骨架间隙，综合了钨本身熔点高、耐高温;铜塑性好，填充于烧结钨孔隙之间，并有部分铜渗入钨颗粒，因而降低了"合金"的缺口敏感性，提高了"合金"塑性。

多孔钨浸渗低熔点材料(银、铜等)这种合金在几十年前即用高压电器触头方面。近年来，经过对铜、钨二元成分调整并适当增加耐磨相和添加元素，这种改性的合金在热加工方面如轧钢导卫、小压铸模等方面，取得较好效果，尤其是在轧钢精轧导卫方面获得广泛认可。

１合金制取：

铜钨合金这种假"合金"一般采用粉末冶金方法制取。

制取工艺流程如下：

制粉--配料混合--压制成型--烧结溶渗--冷加工

１.１铜、钨特性：

１.２组成：

１.２.１钨：构成该复合材料的耐熔相起到骨架作用，保持制品的几何形状。要求钨粉纯99.7%，平均粒度8一15μｍ，氧含量≤

0.2%。粒度越细，形成的钨骨架毛细管间隙越细，铜度≥

渗透在这个毛细管间隙中。当钨粉粒度过于细小时，又易造成多孔骨架内部间隙阻塞，难于渗铜。因此，适当的粉末粒度及合理的粒度组成影响最终材料的性能。

粉末比表面积大，在氧化条件下粉末含氧量高时，严重影响铜、钨浸润效果。熔渗仅能限于局部、表层，制品严重"夹心"，材料性能下降，产品在使用过程(如导卫)出现横裂。

１.２.２铜：构成材料的易熔相，具有良好的导热性，又由于其熔点与钨比低得多，熔融铜，由于毛细管效应，延着钨骨架形成的毛细管包围在钨骨架周围，起着粘结相作用。又因为铜良好塑性，大大提高材料的常温塑性及导热性。要求铜纯度>99.5%,其中诱导铜粉粒度>200目。

１.２.３耐磨相：为进一步提高材料的耐磨性能，以适应制品使用的需要，需按比例添入耐磨物质，有效地改善和提高了诸如轧钢导卫、电极等的使用性能。

１.２.４添加元素：为了改善铜对钨及耐磨相的浸润性能，浸润角越小，越有利于物质间的浸润。适量加入镍等元素，有效的改善了材料的熔渗性能。

１.３成型：材料密度提高直接影响材料的性能，其直接取决于粉末冶金工艺过程中的坯料

成型密度。影响坯料密度的直接因素是压制力选择要适当。

１.４烧结熔渗：在氢气和真空状态进行。但是以在真空炉中对产品质量保证更有利。在负压条件下，气体逸出及排除容易，钨及铜更易浸润。当金属粉末略有氧化，对合金性能影响不明显。

烧结过程以在烧结体内是否出现液相区分为固相烧结及液相烧结。烧结温度远远低于难熔相(W、WC等)，所以产品性能很大程度上取决于低熔点组元(Cu等)。采用固相烧结温度低，烧结时间相应较长，易熔相与难熔相按触区域小，相间结合力弱，材料综合性能差；液相烧结，烧结温度高，在给定烧结温度下，易熔相转变为熔体，包覆在难熔相表面，并渗入颗粒内部孔隙，提高了相结合力，烧结密度高?quot;合金"综合性能好。

２材料性能：

２.１密度：在规定原料配比条件下，密度>14克/厘米３

２.２热膨胀系数：一般为5.5~5.8×10－６/℃

１２０HV(650℃)

２.３硬度：250~350HV(常温)≦

２.４强度：常温>650MPa

２.５组织：铜钨复合材料组织要求钨粒大小分布均匀，无聚集成团簇状，铜均匀分布于钨粒周围。当钨颗粒大小无适当搭配或混合不匀时，易出现闭孔；如有污垢、裂纹等缺陷时，"合金"性能下降。

２.６加工性能:

铜钨复合材料由于在钨骨架孔隙中渗入塑性良好的铜，材料室温脆性改善，冷加工性能提高。这种材料可进行各种机械加工，焊接性能也良好。

３铜钨复合材料特点讨论：

３.１金属铜、钨之间的互不溶解的特性，使其只能采用特殊工艺制成假合金。组成元素之间的这种弱交互作用，它们复合之后呈现了组成元素本身物理性能的特定组合，从而可灵活的设计调整成分组成和性能。

。?２粉末冶金工艺依靠常规办法，提高压制力、烧结温度有助于提高密度，但还是难于致密化，在添加镍、铁等元素后，可提高钨、铜的浸润性，进而提高密度。

３.３这种假合金在温度变化时，无相变发生，无相变应力；材料本身膨胀系数仅是钢的几分之一，温度变化形成的应力减小。所以此种材料制备的热加工备件，在温度变化的环境中，产生裂纹机率减少。

３.４材料构成除钨外，还增加了耐磨物质，进一步提高骨架的耐磨性能，铜作为粘结相，具备了铜的高导热性能，散热性好。另外易熔相铜在温度较高的条件下，使相对摩擦的对偶件之间摩擦系数降低，起着自润滑作用，减少了摩擦热及相互之间的磨损，很少发现金属粘着磨损。

３.５以钨构成的骨架，在一般热加工温度范围，钨有耐高温氧化的能力。因此，氧化磨损的倾向也减轻。

３.６在材料制备过程，必须力争促进钨粉颗粒大小及颗粒组成分布均匀以利形成连续钨骨架，及在钨骨架周围粘结相铜形成连续的网络。为此要确保配料的充分混合，以及配料的准确(严格计算渗铜量)，避免高温溶铜溢出，引起偏析严重。

４应用：

现代技术的发展，对制作构件、设备的材料性能提出了更新、更高的要求。要求材料具有高强度、抗疲劳、耐高温外，同时还应有良好的塑性、韧性及耐磨性能。各种金属复合材料的出现，为符合上述要求提供了新渠道。冶金设备及其它热加工设备构件及辅助装置，由于长期处在较高环境温度工况条件下，为减少高温热应力、氧化、磨损是更为突出的问题。金属在摩擦力作用下发生磨损，磨损一般分为粘着磨损、磨粒磨损、接触疲劳、氧化磨损四种类型。根据前述铜钨合金的特点，将其应用到轧钢导卫、压铸模具等万面取得了效果。

４.１轧钢导卫：

目前在轧钢(线材及小圆钢)的精轧、予精轧道次的进、出口导卫、扭转管的关键部位，都使用该种合金制作(焊或机械连接)，取得了良好的效果。考虑到该种合金强度的局限，对粗、中轧道次，由于坯料截面大，轧制力较高，相应道次的导卫还未曾使用过。

钢在热轧时，通过导卫表面温度升高(约700～800℃包括热钢坯的传导热及相互摩擦热)，导卫必须承受高温摩擦及高温氧化及在温度升高、降低(水冷)膨胀应力多种考验；此外钢本身在热轧温度范围氧化迅速，轧制时钢表面产生的氧化铁皮脱落，在钢与导卫相对运动时形成磨粒磨损。在以上综合因素的影响下，轧钢导卫以往使用铸铁、镍铬合金、硬质合金制作。而使用铜钨合金制作后，寿命大约提高了3一4倍，并且很少出现"粘钢"现象，即金属粘着磨损也大大减少。这样不仅减少了导卫本身的消耗及更换导卫的次数，还提高了轧钢作业率。由于很少"粘钢"，减少了钢材表面的挂伤，提高了钢材表面质量，更杜绝轧钢时由于"粘钢"严重造成的"堆钢"事故。

铜钨"合金"导卫取代镍铬合金，尤其取代一般认为硬度高而且耐磨的硬质合金导卫，究其原因，正如前述的这种"合金"本身特点适应了制作轧钢导卫的工作要求。

４.２压铸：

金属压铸是一种少切削、无切削的精密铸造工艺，其生产过程使用的压铸模具是工艺过程的关键。寿命长短直接影响生产效率及成本。压铸模具承受的工作温度(400～1000℃)使用常规的3Cr2W8V模具材料，寿命依压铸金属的熔点越高，使压铸模具寿命越低。

铜钨合金用于制作压铸模具，进行了初步考核试验。

压铸有色金属铜制作燃气灶炉头(120克)，原使用3Cr2W8V，寿命大约为1000～2000℃件；采用日本大同制钢的DH42，寿命提高不显著；采用铜钨合金后，寿命大约超过5000件。如果从进一步改善压铸工艺(如预热温度)，压铸模表面与内部温差较大，造成内外层体积不同变化产生的热应力，对模具开始使用前预热，可能会有一定效果。此外，压铸件单重轻的零件，对模具造成的热负荷小，也会有利于寿命提高。