2022国庆期间，中钨在线计划为大家呈现系列短文简要而全面地介绍除作为特殊商品的钨矿山之外的钨制品，包括钨精矿、氧化钨、金属钨制品、硬质合金、高比重合金、钨铜、钨银、钨钢等知识。
第六篇 钨铜、钨银合金和钨钢
1. 钨铜制品
钨铜合金制品
1.1 什么是钨铜合金？
钨铜合金（W-Cu Alloy）是由钨和铜元素组成的一种假合金，也是一种金属发汗材料。钨与铜既不形成固溶体，也不形成金属间化合物，以各自金属组元独立、均匀的存在。因此称之谓“假合金”，也被归入“复合材料”。具有钨骨架（骨架密度一般为70%～86%理论密度）的钨铜材料，在高温作用下，由于铜熔化、蒸发吸收了材料表面的热量，对钨基体有冷却效果，就像人体发汗降低体温一样，因此钨铜也是一种金属发汗材料。需要注意的是，钨和铜两种材料通过焊接等粘结技术结合在一起的材料。
钨铜合金综合了金属钨和铜的优点，钨熔点高（钨熔点为3410℃，铜熔点为1080℃），密度大（钨密度为19.34g/cm，铜密度为8.89/cm³）；铜导电导热性能优越，钨铜合金（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，具有低体积膨胀系数，良好的塑性、高温强度和导电导热性等优点，但是抗氧化性能较差，易生锈，而且颜色会随着铜含量的变化而改变。常用合金的含铜量为10%～50%。钨铜合金广泛应用于耐高温材料、电接触材料、电阻焊电极、高压放电管电极等高压开关用电工合金、电加工电极、微电子材料零部件、电子封装材料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。
钨铜合金熔渗法是较为特别的生产工艺，也是早期钨铜合金的成熟生产工艺。熔渗法先将钨粉压制成型，并烧结成具有一定孔隙度的钨骨架，然后熔渗铜。更多钨铜合金内容请访问www.tungsten-copper.com。
1.2 钨铜简史
20世纪30年代，德国首先用粉末冶金法制成钨铜假合金，用作高压电器开关触头，代替纯铜触头性能有很大改善。中国于50年代制造和应用钨铜（铜钨）触头。60年代中至80年代末，中国研究了钨铜材料的抗固体燃气烧蚀性和热震性，研制出用于固体燃料火箭的喷管、燃气舵和其他部件。
1.3 钨铜合金有那些牌号和性能？
攀时公司的钨铜合金材料
1.4 钨铜合金是如何生产的？
钨熔点（3400℃）与铜熔点（1083℃）相差很大，并且钨与铜不发生合金化，无法用熔炼法制造钨铜材料。这种材料用粉末冶金法制造，主要有混粉烧结法和熔渗法和两种工艺结合的三种工艺。
（1）混粉烧结法
也称为制备超细或纳米钨铜混合粉末直接烧结法，该方法方法主要有机械合金化和共还原法两条途径。属于粉末冶金工艺，将钨粉和铜粉按所需比例混合、压制、烧结、复压制得产品，一般用于制造含钨量较低（一般低于60%）的产品。根据所用混合粉制取方法的不同分为混合氧化物共还原粉和机械合金化混合粉，机械合金化混合粉按粉末粒度大小不同分为一般机械合金化粉和机械合金化纳米粉等工艺。
（2）熔渗法、熔浸法
是将平均粒度为4～10μm钨粉压坯（或加有少量铜粉的钨粉压坯）预烧结成多孔钨体（骨架），然后放在铜液中浸渗；或压坯不经预烧结而是烧结和熔渗合为一道工序在高于铜的熔点温度下进行熔渗，熔渗法借助毛细力作用，熔融铜便渗透到钨体的孔隙中而制得产品。
熔渗法加工生产钨铜工艺
（3）部分混粉烧结渗铜法
将钨粉混入部分铜粉和少量烧结添加剂（如镍粉）在较低的温度下在氢气中预烧结后将烧结料进行渗铜。它适宜于制取含铜较高（Cu ≥20%）的真空钨铜材料。为获得低气体含量真空钨铜材料须保证在烧结过程中充分还原和除气并采用真空下渗铜和高真空下的脱气处理。
（4）活化液相烧结法
活化烧结是指采用物理或化学的手段使烧结温度降低，烧结时间缩短，烧结体性能提高的一种粉末冶金方法。基于在纯钨的活化固态烧结理论的基础上，业界尝试在W-Cu合金制备过程中采用加入微量活化元素（如Fe, Co, Ni）来提高烧结活性的方法。与高温液相烧结法相比，采用该方法不仅降低了烧结温度，缩短了烧结时间，而且烧结致密度大大提高。在对W-Cu合金的导电导热性能要求不高时，可以采用活化烧结法来制备高密度的W-Cu合金。W-Cu合金的活化液相烧结法是指采用化学活化W-Cu粉体进行活化液相烧结的方法。
（5）金属注射成型（MIM）钨铜生产法
金属注射成形技术（Metal Injection Molding, MIM）是一种新型的粉末冶金近净成形技术，对于钨铜制品的生产，尤其是制备具有复杂的几何形状、均匀的组织结构和高性能、高精度钨铜产品方面具有独特的优势，且能够完全实现自动化连续操作，生产效率高。目前采用注射成形技术制备的了铜含量10%、15%、20%的钨铜复合材料，致密度均可达到99%。
（6）热压烧结钨铜生产法
热压烧结是将一定比例的钨粉和铜粉粉末装入模腔内，在加压的同时使粉末加热到正常烧结温度或更低温度，经过较短时间烧结成均匀致密的制品。热压将压制和烧结两道工序同时完成，可以在较低的压力下迅速得到冷压烧结所达不到的密度。
（7）3D打印钨铜制造工艺
增材制造是近年来复杂结构件制造的新技术之一，在难熔金属粉末制造技术的不断进步给增材制造提供了优质的打印材料。由于火箭发动机及其喷嘴的复杂结构设计和性能要求，增压泵等火箭发动机部件从3D打印的铝件、到镍合金的液压涡轮、作为极佳的顺势高温材料（发汗材料）钨铜喷嘴等部件也逐步采用增材制造。
杰夫•贝索斯和火神火箭发射器使用的BE-4火箭发动机钨铜喷嘴
1.5 钨铜合金有哪些主要产品和用途？
钨铜合金综合了金属钨和铜的优点，钨熔点高，3410℃，密度大，19.34g/cm³；铜导电导热性能优越，钨铜合金微观组织均匀、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。
（1）电接触材料
具有高的抗电弧烧蚀性能和抗熔焊性能，用于各种高、低压开关电器和某些仪表中作为电触头、电触点和电极。电触头是钨铜材料应用量最大也是最重要的一类电工材料，特别是含铜量在20%～40%的钨铜材料应用量最大，主要用作护断路器触头和其他触头、触点。含15%～20%Cu的钨铜触头可用在电压高达50万V或更高的断路器上。
（2）高压开关用电工钨铜合金
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。
（3）电加工材料
指用在电阻焊、电铆接、电镦锻、电火花加工技术中的电极和模具材料。电火花加工要求电极或模具材料具有较好的导电性和抗电弧烧蚀性，以保证加工精度，所以多采用钨铜材料。电阻焊也多采用钨铜材料。电铆接和电镦锻在某些场合下也采用钨铜材料。
（4）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。
数控可旋转刀具开模钨铜放电电极
（5）高压放电管电极
高压真空放电管在工作时，触头材料会在零点几秒的时间内温度升高几千摄氏度，而钨铜的抗烧蚀性能、高韧性，良好的导电、导热性能给放电管稳定的工作提供必要的条件。
钨铜点焊电极
（6）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。
（7）瞬时高温材料
一种既重要又特殊的钨铜材料，可在接近钨熔点和稍超过钨熔点的温度下使用，工作时间很短，几秒至200秒便完成使命，所以叫瞬时高温材料。这类材料主要用来制造航天器的高温部件，如火箭喷管、制导导弹飞行方向的燃气舵、导弹端头(头锥、鼻锥)和其他构件。抗烧蚀性和抗热震性是瞬时高温材料的最主要使用性能，因为固体燃料的燃气温度一般高达2700～3300℃，燃气流中含有大量的固体粒子，对喷管、燃气舵等部件有严重的冲刷和烧蚀作用;而且这些部件是在急剧温升的条件下（几秒钟升至工作温度）工作的，因此对部件产生激烈的热震破坏作用。对端头而言，当飞行器飞入太空再进入大气层时，由于速度快而受到粒子云的激烈摩擦产生高温和侵蚀。钨铜材料是能够满足上述要求的较好材料。随着碳-碳（C-C）纤维复合材料的研制成功和发展，因它具有质轻和抗热震性好的优点，火箭喷管喉衬越来越多地用它来制造。但其抗烧蚀性远不如钨铜材料，对那些要求抗烧蚀性高的喷管喉衬、燃气舵和其他部件仍需用钨基材料制造。
钨铜火箭喉衬
钨铜火箭喉衬是一种典型的瞬时高温材料。固体火箭发动机为使用固体推进剂的化学火箭发动机，由药柱、燃烧室、喷管组件和点火装置等组成。其中火箭发动机喷管属收敛-扩散型喷管，由入口段、喉部、出口锥构成，它的作用是将燃烧产物的热能转换为高速射流的动能从而产生推力。当发动机工作时，渗入钨骨架中的铜汽化蒸发，吸取热量，降低喉衬温度而起到保护作用。由于渗入铜的作用，大大提高了合金强度，通常高于基体强度法人4-5倍，进而提升抗热震性，改善机加工性。火箭喉衬之所以要用钨铜合金来作为重点生产原料，就是因为它能承受较高的工作温度和机械冲击能力。
钨铜火箭喉衬是一种典型的瞬时高温材料
（8）药型罩钨铜破甲材料
破甲弹（HEAT，High-Explosive Anti-Tank）是基于门罗效应（聚能效应）开发而来的化学能反装甲弹种空心装药破甲弹或聚能装药破甲弹，主要用于毁伤坦克、装甲车等装甲目标，药型罩就是HEAT的“心脏”。钨铜材料可用作药型罩破甲材料，用钨铜材料(常用W-30Cu材料)制成杯形或漏斗形的罩，倒装于弹药筒的前端，靠火药的温度和压力使罩变形成射流而穿甲。这种药型罩最早用紫铜制造，并大量应用。为了增大罩的单位质量从而提高破甲能力，单位质量比紫铜大的钨铜材料药型罩，理想情况下比紫铜罩破甲能力提高30%左右。
药型罩钨铜破甲材料
中钨在线钨铜合金棒
（9）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。
钨铜合金封装片
附录：
（1）中华人民共和国国家标准 GBT8320-2017《铜钨及银钨电触头，Copper-Tungsten and Silver-Tungsten Electrical Contacts》
（2）美国钨铜标准，ASTMB 702-93 (2019) Copper-Tungsten Electrical Contact Material
2. 什么是碳化钨铜？
碳化钨铜合金是采用高品质碳化钨粉及无氧铜粉，使用传统粉末冶金生产工艺压制-烧结-渗铜和后续精加工制成。碳化钨铜组织细密、性能优异、断弧性能好、导电性好、热膨胀小，且耐高温、耐电弧烧蚀性好，强度高、比重大，易于切削加工。碳化钨铜和钨铜材料一样，具有发汗冷却特性，是一种瞬时高温材料，也常作为真空触头材料、电极材料。
碳化钨铜棒材
碳化钨铜的各项性能与金属钨铜合金类似，其产品性能和用途也基本一致。
3. 什么是钨银合金？（Silver Tungsten Alloy, Tungsten Silver Alloy）
钨银合金又称银钨合金（W-Ag Alloy）是由钨和银组成的银灰色合金材料，密度11.75～16.1g/cm3，硬度75～180HB，抗弯强度75～726MAP。与钨铜相比，它的强度和硬度均较低，而导电导热性、塑性和抗氧化性都更好。W-Ag合金的密度、硬度和抗弯强度都会随原料配比的不同而发生改变，常用合金的含银量为30%～80%。银钨合金因具有较好的导电性、耐焊接性和耐腐蚀性，银钨合金综合了银和钨优点，高熔点、高比重、易切削、高导电、耐磨耐损、抗熔焊、抗氧化等特性；钨银材料可以制作高光洁度电极；比普通的电极更能达到不错的光洁度的效果，使加工模具达到高的精度。
钨银合金广泛应用于断路器、电源开关、重型继电器、低压功率开关、起重用开关，火车头用开关、大电流开关的预接点，以及重负荷的继电器、空气断路器等。值得注意的是，加钴可改善银对钨的润湿性，降低接触电阻。
钨银触头
钨银触头
银钨、碳化钨银主要有哪些产品？
钨银和碳化钨银材料主要包括钨银板、钨银棒、钨银块等基本形状用于加工成为银钨、碳化钨银合金点焊电极、银钨电火花电极、银钨触头、银钨触片、螺母焊电极、针平行封焊电极 、模具修补电极等各类钨银和碳化钨银制品。
钨银合金精磨棒
4. 什么是钨钢？
现代工业中，钨的应用总量85%以上应用于石油和天然气、矿业、电子、金属加工、机器设备、重型制造业，其他应用于军事、核能和航空航天工业等。在钨的最终用途中，硬质合金的用量最大，主要需求来自于汽车、航空、建筑、采矿、油气钻探、电子制造等行业。欧美日等发达国家，硬质合金占到了钨消费量的50-60%，钢铁行业在20-25%，钨制品和其它共占20%左右；中国钨品消费结构大致为硬质合金类48%、钢铁行业40%、钨制品8%、化工及其它4%。中钨在线的统计数据显示，2021年我国用于钨钢冶炼的钨条和钨铁产量分别为1800吨、6500吨左右，除了出口钨铁2000左右外，为我国合金工具钢、高合金工具钢和高速工具钢产量合计73万吨提供了钨原材料。
钨钢刀具
4.1 什么是钨钢？
我们所谓钨钢并非近年来坊间来自于台湾等华语地区对于硬质合金常用称谓，而是添加了钨元素的钢铁制品。钨钢是指钨作为合金成分用于生产高速钢、高速工具钢和冷作模具等使用的高速钢，我国80%的耐磨钢，50%的耐热钢与轴承钢，40%的弹簧钢均含有钨或钼，高速钢耗钨约占我国钢中耗钨总量的90%左右。
高速钢又名风钢或锋钢，意思是淬火时即使在空气中冷却也能硬化，并且很锋利。它是一种成分复杂的合金钢，含有钨、钼、铬、钒等碳化物形成元素。合金元素总量达10～25%左右。高速钢刀具材料主要由两种基本成分构成：一种是金属碳化物（碳化钨、碳化钼或碳化钒），它赋予刀具较好的耐磨性及强度；二是分布在周围的钢基体，它使刀具具有较好的韧性和吸收冲击、防止碎裂的能力。
数控高速钢直柄铣刀
4.2 钨钢有哪些应用？
用于制造各种切削工具，如车刀、钴头、滚刀、机用锯条以及要求高的模具等。对于制造形状复杂、磨削困难的刀具，如拉刀、剃齿刀、插齿刀等，高速钢始终处于主导地位。特别是要求刀具具备高韧性时，就非高速钢莫属了。高速钢刀具占主导地位的领域，如精密零件、复杂零件、成形加工零件的市场也越来越大，对可磨性的要求也越来越高。
4.3 高速钢的起源
1898年，美国机械与管理工程师泰勒（TaylorF.W.）和冶金学家怀特（WhiteM.）研制发明了高速钢，并作了系统切削试验。当时他们确定的高速钢成分为C-0.67%，W-18.91%，Cr-5.47%，Mn-0.11%，V-0.29%，Fe-余量，与后来的W18Cr4V成分很接近。高速钢刀具切削效率比过去用的碳素工具钢和合金工具钢提高了好几倍，为美国当时的机械工业生产赢得了巨大的经济效益。W18Cr4V与后来的W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V三种高速钢，因为其切削性能和力学性能近似，统称为通用型。
4.4 钨钢与硬质合金
20世纪以后，高性能高速钢和粉末冶金高速钢相继出现，高速钢刀具材料性能得到了很大提高，尽管不断出现各种新的硬质合金he陶瓷材料等刀具材料，但高速钢一直沿用并发展至今，甚至曾长期占据霸主地位。
近年来，硬质合金刀具已成为高速钢刀具的天敌，高速钢刀具的市场份额逐渐减少，主导地位逐渐被硬质合金刀具所占据。高速钢刀具在全世界的销售额以每年约2%的数量在减少，全球高速钢总量约为16万～22万吨，占特钢总量的0.1%左右。与硬质合金相比，高速钢的强度高、韧性好，是制造复杂刀具和钻孔刀具的首选材料，据统计全世界33%的铣刀、95%的丝锥、51%的麻花钻、81%的齿轮刀具、86%的拉刀和95%的锯片由高速钢制造，其70%齿轮刀具、50%的拉刀、20%的立铣刀和10%的丝锥用粉未高速钢制造。中国硬质合金刀具发展迅速，但和硬质合金相比某些性能较弱，但是含钨高速钢的大尺寸，低成本，易获得和易加工等特点也足以使其在刀具行业中占60%以上，硬质合金刀具在40%左右，超硬刀具仅占2%左右，高速钢刀具仍占据着主导地位。
大尺寸是钨钢较之硬质合金的一大优势
4.5 钨钢/高速钢的主要种类
高速钢是一种复杂的钢种,含碳量一般在0.70～1.65%之间。含合金元素量较多，总量可达10～25%。按所含合金元素不同可分为：
①钨系高速钢（含钨 9～18%）；
②钨钼系高速钢（含钨5～12%,含钼2～6%）；
③高钼系高速钢（含钨0～2%,含钼5～10%）；
④钒高速钢，按含钒量的不同又分一般含钒量（含钒 1～2%）和高含钒量（含钒2.5～5%）的高速钢；
⑤钴高速钢（含钴 5～10%）。按用途不同高速钢又可分为通用型和特殊用途两种。
⑥通用型高速钢：主要用于制造切削硬度HB≤300的金属材料的切削刀具 (如钻头、丝锥、锯条)和精密刀具（如滚刀、插齿刀、拉刀），常用的钢号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。
⑦特殊用途高速钢：包括钴高速钢和超硬型高速钢（硬度HRC68～70）,主要用于制造切削难加工金属（如高温合金、钛合金和高强钢等）的刀具，常用的钢号有W12Cr4V5Co5、W2Mo9Cr4VCo8等。
附件：含钨高速钢的分类、牌号、化学成分、性能及用途
含钨高速钢的分类、牌号与化学成分
含钨高速钢的性能
含钨高速钢的用途
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