ทองแดง-ทังสเตน
ทองแดง-ทังสเตน ( ทังสเตน-ทองแดง , CuWหรือWCu ) คือส่วนผสมของทองแดงและทังสเตนเนื่องจากทองแดงและทังสเตนไม่สามารถละลายซึ่งกันและกันได้ วัสดุนี้จึงประกอบด้วยอนุภาคที่แยกจากกันของโลหะชนิดหนึ่งที่กระจายอยู่ในเมทริกซ์ของโลหะอีกชนิดหนึ่ง ดังนั้น โครงสร้างจุลภาคจึงเป็นวัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะ มากกว่า ที่จะเป็นโลหะผสมที่แท้จริง
วัสดุนี้รวมคุณสมบัติของโลหะทั้งสองชนิดเข้าด้วยกัน ทำให้ได้วัสดุที่ทนความร้อนทนต่อการกัดกร่อน นำ ความร้อนและไฟฟ้า ได้ดีเยี่ยม และขึ้นรูป ได้ ง่าย
ชิ้นส่วนต่างๆ ผลิตจากวัสดุคอมโพสิต CuW โดยการอัดอนุภาคทังสเตนให้เป็นรูปทรงที่ต้องการ จากนั้นทำการ เผาผนึกชิ้นส่วนที่อัดแน่นแล้ว และแทรกซึมด้วยทองแดงหลอมเหลว นอกจากนี้ยังมีแผ่น แท่ง และบาร์ของส่วนผสมคอมโพสิตนี้ให้เลือกใช้ด้วย
โลหะผสมทองแดง-ทังสเตนที่ใช้กันทั่วไปจะมีทองแดงเป็นส่วนประกอบ 10–50% โดยน้ำหนัก ส่วนที่เหลือส่วนใหญ่เป็นทังสเตน คุณสมบัติโดยทั่วไปจะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของมัน โลหะผสมที่มีทองแดงน้อยกว่าจะมีค่าความหนาแน่น ความแข็ง และความต้านทานสูงกว่า โดยทั่วไปแล้ว ความหนาแน่นของ CuW90 ซึ่งมีทองแดง 10% จะอยู่ที่ 16.75 กรัม/ซม³และ 11.85 กรัม/ซม³สำหรับ CuW50 CuW90 มีความแข็งและความต้านทานสูงกว่า CuW50 โดยมีค่า 260 HB kgf/mm² และ 6.5 μΩ.cm ตามลำดับ
คุณสมบัติทั่วไปขององค์ประกอบทองแดงทังสเตนที่ใช้กันทั่วไป[ 1 ]
| องค์ประกอบ | ความหนาแน่น | ความแข็ง | ความต้านทาน | การนำไฟฟ้า | ความแข็งแรงในการดัดงอ |
|---|---|---|---|---|---|
| ร้อยละโดย น้ำหนัก | กรัม/ซม. 3 ≥ | HB Kgf/mm 2 ≥ | μΩ.cm≤ | % IACS ≥ | 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 |
| ดับเบิลยู90/คิว10 | 16.75 | 260 | 6.5 | 27 | 1160 |
แอปพลิเคชัน
วัสดุคอมโพสิต CuW ใช้ในกรณีที่ต้องการคุณสมบัติที่ผสมผสานกันระหว่างความทนทานต่อความร้อนสูง การนำไฟฟ้าและความร้อนสูง และการขยายตัวทางความร้อนต่ำ การใช้งานบางส่วนได้แก่การเชื่อมด้วยความต้านทานไฟฟ้าหน้าสัมผัสไฟฟ้าและตัวระบายความร้อนในฐานะวัสดุสัมผัส วัสดุคอมโพสิตมีความทนทานต่อการกัดกร่อนจากอาร์คไฟฟ้า โลหะผสม WCu ยังใช้ในอิเล็กโทรดสำหรับการตัดเฉือนด้วยการปล่อยประจุไฟฟ้า[ 2 ]และการตัดเฉือนด้วยไฟฟ้าเคมี[ 3 ]
วัสดุผสม CuW75 ซึ่งมีทังสเตน 75% ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในตัวยึดชิปซับสเตรต ขอบ และเฟรมสำหรับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง การนำความร้อนสูงของทองแดงร่วมกับการขยายตัวทางความร้อนต่ำของทังสเตนช่วยให้การขยายตัวทางความร้อนเข้ากันได้กับซิลิคอนแกลเลียม อา ร์เซไนด์และเซรามิก บางชนิด วัสดุอื่นๆ สำหรับการใช้งานเหล่านี้ ได้แก่ โลหะผสมทองแดง-โมลิบเดนัมAlSiCและDymalloy
วัสดุผสมที่มีทังสเตน 70–90% ใช้ในซับในของระเบิดรูปทรง พิเศษบางชนิด การเจาะทะลุเพิ่มขึ้น 1.3 เท่าเมื่อเทียบกับทองแดงสำหรับเป้าหมายเหล็กที่เป็นเนื้อเดียวกัน เนื่องจากทั้งความหนาแน่นและเวลาการแตกตัวเพิ่มขึ้น[ 4 ]ซับในระเบิดรูปทรงที่ทำจากผงทังสเตนเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเจาะบ่อน้ำมันโลหะที่อ่อนตัวได้อื่นๆ สามารถใช้เป็นสารยึดเกาะแทนทองแดงได้เช่นกัน กราไฟต์สามารถเติมลงในผงเพื่อใช้เป็นสารหล่อลื่นได้[ 5 ]
CuW สามารถใช้เป็นวัสดุสัมผัสในสุญญากาศได้เช่นกัน เมื่อวัสดุสัมผัสมีเกรนละเอียดมาก (VFG) การนำไฟฟ้าจะสูงกว่าทองแดงทังสเตนทั่วไปมาก[ 6 ]ทองแดงทังสเตนเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับวัสดุสัมผัสในสุญญากาศ เนื่องจากมีต้นทุนต่ำ ทนต่อการกัดกร่อนจากอาร์ค มีการนำไฟฟ้าที่ดี และทนต่อการสึกหรอทางกลและการเชื่อมแบบสัมผัส CuW มักใช้เป็นวัสดุสัมผัสสำหรับระบบสุญญากาศ น้ำมัน และก๊าซ ไม่เหมาะสำหรับใช้ในอากาศ เนื่องจากพื้นผิวจะเกิดออกซิเดชันเมื่อสัมผัสกับอากาศ CuW มีโอกาสกัดกร่อนในอากาศน้อยลงเมื่อความเข้มข้นของทองแดงในวัสดุสูงขึ้น การใช้งาน CuW ในอากาศ ได้แก่ ปลายอาร์ค แผ่นอาร์ค และตัวนำอาร์ค[ 7 ]
วัสดุทองแดงทังสเตนมักใช้สำหรับหน้าสัมผัสอาร์คในเบรก เกอร์วงจร ซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์ (SF6 แรง ดันปานกลางถึงสูง ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 20,000K ความต้านทานของวัสดุทองแดงทังสเตนต่อการกัดกร่อนจากอาร์คสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการปรับขนาดเกรนและองค์ประกอบทางเคมี[ 6 ]
กระบวนการกัดเซาะด้วยประกายไฟ (EDM) ต้องใช้ทองแดงทังสเตน โดยปกติแล้ว กระบวนการนี้จะใช้กับกราไฟต์ แต่เนื่องจากทังสเตนมีจุดหลอมเหลวสูง (3420 °C) ทำให้ขั้วไฟฟ้า CuW มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าขั้วไฟฟ้ากราไฟต์ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญเมื่อขั้วไฟฟ้าได้รับการแปรรูปด้วยการตัดเฉือนที่ซับซ้อน เนื่องจากขั้วไฟฟ้ามีแนวโน้มที่จะสึกหรอ ขั้วไฟฟ้า CuW จึงให้ความแม่นยำทางเรขาคณิตมากกว่าขั้วไฟฟ้าชนิดอื่น คุณสมบัติเหล่านี้ยังช่วยให้แท่งและท่อที่ผลิตขึ้นสำหรับการกัดเซาะด้วยประกายไฟมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กลงและมีความยาวมากขึ้น เนื่องจากวัสดุมีโอกาสน้อยที่จะแตกหักและบิดงอ[ 8 ]
คุณสมบัติ
| ทังสเตน (ร้อยละโดย น้ำหนัก) | 55 | 68 | 70 | 75 | 78 | 80 | 85 | 90 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ความแข็งแรงดึงสูงสุด (MPa) | 434 | 517 | 586 | 620 | 648 | 662 | 517 | 483 |
| ค่าการนำความร้อน (W/(cm K)) | 2.4 | 2.1 | 2.01 | 1.89 | 1.84 | 1.82 | 1.75 | 1.47 |
| ความต้านทานไฟฟ้าที่ 20 °C | 3.16 | 3.33 | 3.41 | 3.51 | 3.71 | 3.9 | 4.71 | 6.1 |
| ความจุความร้อนจำเพาะที่ 100C [ 9 ] | 195 | 174 | 160 |
คุณสมบัติทางไฟฟ้าและความร้อนของวัสดุคอมโพสิตจะแตกต่างกันไปตามสัดส่วนต่างๆ การเพิ่มปริมาณทองแดงจะเพิ่มค่าการนำความร้อน ซึ่งมีบทบาทสำคัญอย่างมากเมื่อนำไปใช้ในเบรกเกอร์วงจร ความต้านทานไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นตามเปอร์เซ็นต์ของทังสเตนในวัสดุคอมโพสิต โดยมีค่าตั้งแต่ 3.16 ที่ทังสเตน 55% ไปจนถึง 6.1 เมื่อวัสดุคอมโพสิตมีทังสเตน 90% การเพิ่มปริมาณทังสเตนจะนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของความแข็งแรงดึงสูงสุด จนกระทั่งโลหะผสมมีทังสเตน 80% และทองแดง 20% โดยมีความแข็งแรงดึงสูงสุด 663 MPa หลังจากส่วนผสมของทองแดงและทังสเตนนี้ ความแข็งแรงดึงสูงสุดก็จะเริ่มลดลงอย่างรวดเร็ว [ 10 ]