一次說清鎢產品有哪些？之六：鎢銅、鎢銀合金和鎢鋼

2022國慶期間，中鎢在線計畫為大家呈現系列短文簡要而全面地介紹除作為特殊商品的鎢礦山之外的鎢製品，包括鎢精礦、氧化鎢、金屬鎢製品、硬質合金、高比重合金、鎢銅、鎢銀、鎢鋼等知識。

一次說清鎢產品有哪些？之一：鎢精礦

一次說清鎢產品有哪些？之二：氧化鎢

一次說清鎢產品有哪些？之三：金屬鎢製品

一次說清鎢產品有哪些？之四：硬質合金

一次說清鎢產品有哪些？之五：鎢合金

第六篇 鎢銅、鎢銀合金和鎢鋼

1. 鎢銅製品

1.1 什麼是鎢銅合金？

鎢銅合金（W-Cu Alloy）是由鎢和銅元素組成的一種假合金，也是一種金屬發汗材料。鎢與銅既不形成固溶體，也不形成金屬間化合物，以各自金屬組元獨立、均勻的存在。因此稱之謂“假合金”，也被歸入“複合材料”。具有鎢骨架（骨架密度一般為70%～86%理論密度）的鎢銅材料，在高溫作用下，由於銅熔化、蒸發吸收了材料表面的熱量，對鎢基體有冷卻效果，就像人體發汗降低體溫一樣，因此鎢銅也是一種金屬發汗材料。需要注意的是，鎢和銅兩種材料通過焊接等粘結技術結合在一起的材料。

鎢銅合金綜合了金屬鎢和銅的優點，鎢熔點高（鎢熔點為3410℃，銅熔點為1080℃），密度大（鎢密度為19.34g/cm，銅密度為8.89/cm³）；銅導電導熱性能優越，鎢銅合金（WCu7~WCu50）微觀組織均勻、耐高溫、強度高、耐電弧燒蝕、密度大；導電、導熱性能適中，具有低體積膨脹係數，良好的塑性、高溫強度和導電導熱性等優點，但是抗氧化性能較差，易生銹，而且顏色會隨著銅含量的變化而改變。常用合金的含銅量為10%～50%。鎢銅合金廣泛應用於耐高溫材料、電接觸材料、電阻焊電極、高壓放電管電極等高壓開關用電工合金、電加工電極、微電子材料零部件、電子封裝材料和元器件廣泛應用於航太、航空、電子、電力、冶金、機械、體育器材等行業。

鎢銅合金熔滲法是較為特別的生產工藝，也是早期鎢銅合金的成熟生產工藝。熔滲法先將鎢粉壓制成型，並燒結成具有一定孔隙度的鎢骨架，然後熔滲銅。更多鎢銅合金內容請訪問www.tungsten-copper.com。

1.2 鎢銅簡史 

20世紀30年代，德國首先用粉末冶金法制成鎢銅假合金，用作高壓電器開關觸頭，代替純銅觸頭性能有很大改善。中國于50年代製造和應用鎢銅（銅鎢）觸頭。60年代中至80年代末，中國研究了鎢銅材料的抗固體燃氣燒蝕性和熱震性，研製出用於固體燃料火箭的噴管、燃氣舵和其他部件。

1.3 鎢銅合金有那些牌號和性能？

1.4 鎢銅合金是如何生產的？

鎢熔點（3400℃）與銅熔點（1083℃）相差很大，並且鎢與銅不發生合金化，無法用熔煉法製造鎢銅材料。這種材料用粉末冶金法製造，主要有混粉燒結法和熔滲法和兩種工藝結合的三種工藝。

（1）混粉燒結法

也稱為製備超細或納米鎢銅混合粉末直接燒結法，該方法方法主要有機械合金化和共還原法兩條途徑。屬於粉末冶金工藝，將鎢粉和銅粉按所需比例混合、壓制、燒結、複壓制得產品，一般用於製造含鎢量較低（一般低於60%）的產品。根據所用混合粉制取方法的不同分為混合氧化物共還原粉和機械合金化混合粉，機械合金化混合粉按粉末細微性大小不同分為一般機械合金化粉和機械合金化納米粉等工藝。

（2）熔滲法、熔浸法

是將平均細微性為4～10μm鎢粉壓坯（或加有少量銅粉的鎢粉壓坯）預燒結成多孔鎢體（骨架），然後放在銅液中浸滲；或壓坯不經預燒結而是燒結和熔滲合為一道工序在高於銅的熔點溫度下進行熔滲，熔滲法借助毛細力作用，熔融銅便滲透到鎢體的孔隙中而制得產品。

（3）部分混粉燒結滲銅法

將鎢粉混入部分銅粉和少量燒結添加劑（如鎳粉）在較低的溫度下在氫氣中預燒結後將燒結料進行滲銅。它適宜於制取含銅較高（Cu ≥20%）的真空鎢銅材料。為獲得低氣體含量真空鎢銅材料須保證在燒結過程中充分還原和除氣並採用真空下滲銅和高真空下的脫氣處理。

（4）活化液相燒結法

活化燒結是指採用物理或化學的手段使燒結溫度降低，燒結時間縮短，燒結體性能提高的一種粉末冶金方法。基於在純鎢的活化固態燒結理論的基礎上，業界嘗試在W-Cu合金製備過程中採用加入微量活化元素（如Fe, Co, Ni）來提高燒結活性的方法。與高溫液相燒結法相比，採用該方法不僅降低了燒結溫度，縮短了燒結時間，而且燒結緻密度大大提高。在對W-Cu合金的導電導熱性能要求不高時，可以採用活化燒結法來製備高密度的W-Cu合金。W-Cu合金的活化液相燒結法是指採用化學活化W-Cu粉體進行活化液相燒結的方法。

（5）金屬注射成型（MIM）鎢銅生產法

金屬注射成形技術（Metal Injection Molding, MIM）是一種新型的粉末冶金近淨成形技術，對於鎢銅製品的生產，尤其是製備具有複雜的幾何形狀、均勻的組織結構和高性能、高精度鎢銅產品方面具有獨特的優勢，且能夠完全實現自動化連續操作，生產效率高。目前採用注射成形技術製備的了銅含量10%、15%、20%的鎢銅複合材料，緻密度均可達到99%。

（6）熱壓燒結鎢銅生產法

熱壓燒結是將一定比例的鎢粉和銅粉粉末裝入模腔內，在加壓的同時使粉末加熱到正常燒結溫度或更低溫度，經過較短時間燒結成均勻緻密的製品。熱壓將壓制和燒結兩道工序同時完成，可以在較低的壓力下迅速得到冷壓燒結所達不到的密度。

（7）3D列印鎢銅製造工藝

增材製造是近年來複雜結構件製造的新技術之一，在難熔金屬粉末製造技術的不斷進步給增材製造提供了優質的列印材料。由於火箭發動機及其噴嘴的複雜結構設計和性能要求，增壓泵等火箭發動機部件從3D列印的鋁件、到鎳合金的液壓渦輪、作為極佳的順勢高溫材料（發汗材料）鎢銅噴嘴等部件也逐步採用增材製造。

1.5 鎢銅合金有哪些主要產品和用途？

鎢銅合金綜合了金屬鎢和銅的優點，鎢熔點高，3410℃，密度大，19.34g/cm³；銅導電導熱性能優越，鎢銅合金微觀組織均勻、耐高溫、強度高、耐電弧燒蝕、密度大；導電、導熱性能適中，廣泛應用於軍用耐高溫材料、高壓開關用電工合金、電加工電極、微電子材料，做為零部件和元器件廣泛應用於航太、航空、電子、電力、冶金、機械、體育器材等行業。

（1）電接觸材料

具有高的抗電弧燒蝕性能和抗熔焊性能，用於各種高、低壓開關電器和某些儀錶中作為電觸頭、電觸點和電極。電觸頭是鎢銅材料應用量最大也是最重要的一類電工材料，特別是含銅量在20%～40%的鎢銅材料應用量最大，主要用作護斷路器觸頭和其他觸頭、觸點。含15%～20%Cu的鎢銅觸頭可用在電壓高達50萬V或更高的斷路器上。

（2）高壓開關用電工鎢銅合金

鎢銅合金在高壓開關128kV SF6斷路器WCu/CuCr中，以及高壓真空負荷開關（12kV 40.5KV 1000A），避雷器中得到廣泛應用，高壓真空開關體積小，易於維護，使用範圍廣，能在潮濕、易燃易爆以及腐蝕的環境中使用。主要性能要求是耐電弧燒蝕、抗熔焊、截止電流小、含氣量少、熱電子發射能力低等。除常規宏觀性能要求外，還要求氣孔率，微觀組織性能，故要採取特殊工藝，需真空脫氣、真空熔滲等複雜工藝。

（3）電加工材料

指用在電阻焊、電鉚接、電鐓鍛、電火花加工技術中的電極和模具材料。電火花加工要求電極或模具材料具有較好的導電性和抗電弧燒蝕性，以保證加工精度，所以多採用鎢銅材料。電阻焊也多採用鎢銅材料。電鉚接和電鐓鍛在某些場合下也採用鎢銅材料。

（4）電加工電極

電火花加工電極早期採用銅或石墨電極，便宜但不耐燒蝕，現在基本上已被鎢銅電極頂替。鎢銅電極的優點是耐高溫、高溫強度高、耐電弧燒蝕，並且導電導熱性能好，散熱快。應用集中在電火花電極、電阻焊電極和高壓放電管電極。電加工電極特點是品種規格繁多，批量小而總量多。作為電加工電極的鎢銅材料應具有盡可能高的緻密度和組織的均勻性，特別是細長的棒狀、管狀以及異型電極。

（5）高壓放電管電極

高壓真空放電管在工作時，觸頭材料會在零點幾秒的時間內溫度升高幾千攝氏度，而鎢銅的抗燒蝕性能、高韌性，良好的導電、導熱性能給放電管穩定的工作提供必要的條件。

（6）軍用耐高溫材料

鎢銅合金在航太航空中用作導彈、火箭發動機的噴管、燃氣舵、空氣舵、鼻錐，主要要求是要求耐高溫（3000K~5000K）、耐高溫氣流沖刷能力，主要利用銅在高溫下揮發形成的發汗製冷作用（銅熔點1083℃），降低鎢銅表面溫度，保證在高溫極端條件下使用。

（7）暫態高溫材料 

一種既重要又特殊的鎢銅材料，可在接近鎢熔點和稍超過鎢熔點的溫度下使用，工作時間很短，幾秒至200秒便完成使命，所以叫暫態高溫材料。這類材料主要用來製造航天器的高溫部件，如火箭噴管、制導導彈飛行方向的燃氣舵、導彈端頭(頭錐、鼻錐)和其他構件。抗燒蝕性和抗熱震性是暫態高溫材料的最主要使用性能，因為固體燃料的燃氣溫度一般高達2700～3300℃，燃氣流中含有大量的固體粒子，對噴管、燃氣舵等部件有嚴重的沖刷和燒蝕作用;而且這些部件是在急劇溫升的條件下（幾秒鐘升至工作溫度）工作的，因此對部件產生激烈的熱震破壞作用。對端頭而言，當飛行器飛入太空再進入大氣層時，由於速度快而受到粒子雲的激烈摩擦產生高溫和侵蝕。鎢銅材料是能夠滿足上述要求的較好材料。隨著碳-碳（C-C）纖維複合材料的研製成功和發展，因它具有質輕和抗熱震性好的優點，火箭噴管喉襯越來越多地用它來製造。但其抗燒蝕性遠不如鎢銅材料，對那些要求抗燒蝕性高的噴管喉襯、燃氣舵和其他部件仍需用鎢基材料製造。

鎢銅火箭喉襯

鎢銅火箭喉襯是一種典型的暫態高溫材料。固體火箭發動機為使用固體推進劑的化學火箭發動機，由藥柱、燃燒室、噴管元件和點火裝置等組成。其中火箭發動機噴管屬收斂-擴散型噴管，由入口段、喉部、出口錐構成，它的作用是將燃燒產物的熱能轉換為高速射流的動能從而產生推力。當發動機工作時，滲入鎢骨架中的銅汽化蒸發，吸取熱量，降低喉襯溫度而起到保護作用。由於滲入銅的作用，大大提高了合金強度，通常高於基體強度法人4-5倍，進而提升抗熱震性，改善機加工性。火箭喉襯之所以要用鎢銅合金來作為重點生產原料，就是因為它能承受較高的工作溫度和機械衝擊能力。

（8）藥型罩鎢銅破甲材料

破甲彈（HEAT，High-Explosive Anti-Tank）是基於門羅效應（聚能效應）開發而來的化學能反裝甲彈種空心裝藥破甲彈或聚能裝藥破甲彈，主要用於毀傷坦克、裝甲車等裝甲目標，藥型罩就是HEAT的“心臟”。鎢銅材料可用作藥型罩破甲材料，用鎢銅材料(常用W-30Cu材料)製成杯形或漏斗形的罩，倒裝於彈藥筒的前端，靠火藥的溫度和壓力使罩變形成射流而穿甲。這種藥型罩最早用紫銅製造，並大量應用。為了增大罩的單位品質從而提高破甲能力，單位品質比紫銅大的鎢銅材料藥型罩，理想情況下比紫銅罩破甲能力提高30%左右。

（9）微電子材料

鎢銅電子封裝和熱沉材料，既具有鎢的低膨脹特性，又具有銅的高導熱特性，其熱膨脹係數和導熱導電性能可以通過調整鎢銅的成分而加以改變，因而給鎢銅提供了更廣的應用範圍。由於鎢銅材料具有很高的耐熱性和良好的導熱導電性，同時又與矽片、砷化鎵及陶瓷材料相匹配的熱膨脹係數，故在半導體材料中得到廣泛的應用。適用于與大功率器件封裝材料、熱沉材料、散熱元件、陶瓷以及砷化鎵基座等。

附錄：

（1）中華人民共和國國家標準 GBT8320-2017《銅鎢及銀鎢電觸頭，Copper-Tungsten and Silver-Tungsten Electrical Contacts》

（2）美國鎢銅標準，ASTMB 702-93 (2019) Copper-Tungsten Electrical Contact Material

（3）美國碳化鎢銀標準，ASTM B663-94 (2012) Standard Specification for Silver-Tungsten Carbide Electrical Contact Material

2. 什麼是碳化鎢銅？

碳化鎢銅合金是採用高品質碳化鎢粉及無氧銅粉，使用傳統粉末冶金生產工藝壓制-燒結-滲銅和後續精加工製成。碳化鎢銅組織細密、性能優異、斷弧性能好、導電性好、熱膨脹小，且耐高溫、耐電弧燒蝕性好，強度高、比重大，易於切削加工。碳化鎢銅和鎢銅材料一樣，具有發汗冷卻特性，是一種暫態高溫材料，也常作為真空觸頭材料、電極材料。

碳化鎢銅的各項性能與金屬鎢銅合金類似，其產品性能和用途也基本一致。

3. 什麼是鎢銀合金？（Silver Tungsten Alloy, Tungsten Silver Alloy）

鎢銀合金又稱銀鎢合金（W-Ag Alloy）是由鎢和銀組成的銀灰色合金材料，密度11.75～16.1g/cm3，硬度75～180HB，抗彎強度75～726MAP。與鎢銅相比，它的強度和硬度均較低，而導電導熱性、塑性和抗氧化性都更好。W-Ag合金的密度、硬度和抗彎強度都會隨原料配比的不同而發生改變，常用合金的含銀量為30%～80%。銀鎢合金因具有較好的導電性、耐焊接性和耐腐蝕性，銀鎢合金綜合了銀和鎢優點，高熔點、高比重、易切削、高導電、耐磨耐損、抗熔焊、抗氧化等特性；鎢銀材料可以製作高光潔度電極；比普通的電極更能達到不錯的光潔度的效果，使加工模具達到高的精度。

鎢銀合金廣泛應用於斷路器、電源開關、重型繼電器、低壓功率開關、起重用開關，火車頭用開關、大電流開關的預接點，以及重負荷的繼電器、空氣斷路器等。值得注意的是，加鈷可改善銀對鎢的潤濕性，降低接觸電阻。

銀鎢、碳化鎢銀主要有哪些產品？

鎢銀和碳化鎢銀材料主要包括鎢銀板、鎢銀棒、鎢銀塊等基本形狀用於加工成為銀鎢、碳化鎢銀合金點焊電極、銀鎢電火花電極、銀鎢觸頭、銀鎢觸片、螺母焊電極、針平行封焊電極 、模具修補電極等各類鎢銀和碳化鎢銀製品。

4. 什麼是鎢鋼？

現代工業中，鎢的應用總量85%以上應用於石油和天然氣、礦業、電子、金屬加工、機器設備、重型製造業，其他應用於軍事、核能和航空航太工業等。在鎢的最終用途中，硬質合金的用量最大，主要需求來自於汽車、航空、建築、採礦、油氣鑽探、電子製造等行業。歐美日等發達國家，硬質合金占到了鎢消費量的50-60%，鋼鐵行業在20-25%，鎢製品和其它共占20%左右；中國鎢品消費結構大致為硬質合金類48%、鋼鐵行業40%、鎢製品8%、化工及其它4%。中鎢在線的統計資料顯示，2021年我國用於鎢鋼冶煉的鎢條和鎢鐵產量分別為1800噸、6500噸左右，除了出口鎢鐵2000左右外，為我國合金工具鋼、高合金工具鋼和高速工具鋼產量合計73萬噸提供了鎢原材料。

4.1 什麼是鎢鋼？

我們所謂鎢鋼並非近年來坊間來自於臺灣等華語地區對於硬質合金常用稱謂，而是添加了鎢元素的鋼鐵製品。鎢鋼是指鎢作為合金成分用於生產高速鋼、高速工具鋼和冷作模具等使用的高速鋼，我國80%的耐磨鋼，50%的耐熱鋼與軸承鋼，40%的彈簧鋼均含有鎢或鉬，高速鋼耗鎢約占我國鋼中耗鎢總量的90%左右。

高速鋼又名風鋼或鋒鋼，意思是淬火時即使在空氣中冷卻也能硬化，並且很鋒利。它是一種成分複雜的合金鋼，含有鎢、鉬、鉻、釩等碳化物形成元素。合金元素總量達10～25%左右。高速鋼刀具材料主要由兩種基本成分構成：一種是金屬碳化物（碳化鎢、碳化鉬或碳化釩），它賦予刀具較好的耐磨性及強度；二是分佈在周圍的鋼基體，它使刀具具有較好的韌性和吸收衝擊、防止碎裂的能力。

4.2 鎢鋼有哪些應用？

用於製造各種切削工具，如車刀、鈷頭、滾刀、機用鋸條以及要求高的模具等。對於製造形狀複雜、磨削困難的刀具，如拉刀、剃齒刀、插齒刀等，高速鋼始終處於主導地位。特別是要求刀具具備高韌性時，就非高速鋼莫屬了。高速鋼刀具占主導地位的領域，如精密零件、複雜零件、成形加工零件的市場也越來越大，對可磨性的要求也越來越高。

4.3 高速鋼的起源

1898年，美國機械與管理工程師泰勒（TaylorF.W.）和冶金學家懷特（WhiteM.）研製發明了高速鋼，並作了系統切削試驗。當時他們確定的高速鋼成分為C-0.67%，W-18.91%，Cr-5.47%，Mn-0.11%，V-0.29%，Fe-餘量，與後來的W18Cr4V成分很接近。高速鋼刀具切削效率比過去用的碳素工具鋼和合金工具鋼提高了好幾倍，為美國當時的機械工業生產贏得了巨大的經濟效益。W18Cr4V與後來的W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V三種高速鋼，因為其切削性能和力學性能近似，統稱為通用型。 

4.4 鎢鋼與硬質合金

20世紀以後，高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼相繼出現，高速鋼刀具材料性能得到了很大提高，儘管不斷出現各種新的硬質合金he陶瓷材料等刀具材料，但高速鋼一直沿用並發展至今，甚至曾長期佔據霸主地位。

近年來，硬質合金刀具已成為高速鋼刀具的天敵，高速鋼刀具的市場份額逐漸減少，主導地位逐漸被硬質合金刀具所佔據。高速鋼刀具在全世界的銷售額以每年約2%的數量在減少，全球高速鋼總量約為16萬～22萬噸，占特鋼總量的0.1%左右。與硬質合金相比，高速鋼的強度高、韌性好，是製造複雜刀具和鑽孔刀具的首選材料，據統計全世界33%的銑刀、95%的絲錐、51%的麻花鑽、81%的齒輪刀具、86%的拉刀和95%的鋸片由高速鋼製造，其70%齒輪刀具、50%的拉刀、20%的立銑刀和10%的絲錐用粉未高速鋼製造。中國硬質合金刀具發展迅速，但和硬質合金相比某些性能較弱，但是含鎢高速鋼的大尺寸，低成本，易獲得和易加工等特點也足以使其在刀具行業中占60%以上，硬質合金刀具在40%左右，超硬刀具僅占2%左右，高速鋼刀具仍佔據著主導地位。

4.5 鎢鋼/高速鋼的主要種類

高速鋼是一種複雜的鋼種,含碳量一般在0.70～1.65%之間。含合金元素量較多，總量可達10～25%。按所含合金元素不同可分為：

①鎢系高速鋼（含鎢 9～18%）；

②鎢鉬系高速鋼（含鎢5～12%,含鉬2～6%）；

③高鉬系高速鋼（含鎢0～2%,含鉬5～10%）；

④釩高速鋼，按含釩量的不同又分一般含釩量（含釩 1～2%）和高含釩量（含釩2.5～5%）的高速鋼；

⑤鈷高速鋼（含鈷 5～10%）。按用途不同高速鋼又可分為通用型和特殊用途兩種。

⑥通用型高速鋼：主要用於製造切削硬度HB≤300的金屬材料的切削刀具 (如鑽頭、絲錐、鋸條)和精密刀具（如滾刀、插齒刀、拉刀），常用的鋼號有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。

⑦特殊用途高速鋼：包括鈷高速鋼和超硬型高速鋼（硬度HRC68～70）,主要用於製造切削難加工金屬（如高溫合金、鈦合金和高強鋼等）的刀具，常用的鋼號有W12Cr4V5Co5、W2Mo9Cr4VCo8等。

附件：含鎢高速鋼的分類、牌號、化學成分、性能及用途

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