钨铜材料(tungsten-copper  composite)

以钨和铜两种元素组成的材料。钨与铜不形成固溶体，也不形成金属间化合物，而是以各自金属组元独立、均匀的存在。因此，开始称之谓“假合金”，后来也归入“复合材料”中。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，是一种金属发汗材料。钨具有高熔点、高强度和高硬度，铜具有良好导电性、导热性和韧性，钨铜材料综合了钨和铜的性能，具有很高的使用价值。

钨铜材料的简史        

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，中同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。




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钨丝的生产大都用仲钨酸铵 （APT）作原料。一般的工艺过程是将仲钨酸铵在 500℃左右的空气中焙烧成三氧化钨,或在450℃左右的氢气中轻微还原成蓝色氧化钨。制作白炽灯灯丝的钨丝需要在三氧化钨或蓝色氧化钨中掺入少量的氧化钾、氧化硅和氧化铝，三者用量总和不超过1%,这就是巴兹在1922年发明的钨丝掺杂工艺。经过掺杂处理的钨的氧化物用氢气还原成金属钨粉。还原过程一般分两步进行:第一步在630℃左右还原成二氧化钨（棕色氧化钨）,第二步在820℃左右还原成金属钨粉。两步还原的目的是使掺入的钾充分发挥作用和控制粉末粒度。这样取得的掺杂钨粉再在一种特制的模子中压制成细长的方条。把方条在氢气中通电，用自电阻加热(温度达3000℃左右)的方法进行烧结，烧结后钨条的密度可达到理论值的85%以上。这种钨条便可以用旋锻方法加工成直径为3mm左右的钨杆,然后进一步用模子拉拔的方法加工成各种不同粗细的钨丝。例如220V、15W的白炽灯用的钨丝直径约为15µm，而 10000W的溴钨灯用的钨丝直径约为1.25mm。更细的钨丝如 220V、10W的白炽灯钨丝直径约为12µm，则要采用电解腐蚀的方法来制作。

当钨丝的直径达到微米级时，用常规的卡尺很难精确地测定其直径。因此,国际上通常将直径在0.2mm以下的钨丝用其切长为200mm丝段的重量来表示丝的粗细,例如上述15W白炽灯钨丝的直径可以用0.679mg/200mm来表示。




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钨铜特性

钨铜是利用高纯钨粉优异的金属特性和高纯紫铜粉的可塑性、高导电性等优点,经静压成型、高温烧结、溶渗铜的工艺精制而成的复合材料。断弧性能好,导电导热好,热膨胀小,高温不软化,高强度,高密度,高硬度。

钨铜用途:

1.电阻焊电极：综合了钨和铜的优点,耐高温、耐电弧烧蚀、强度高、比重大、导电、导热性好,易于切削加工,并具有发汗泠却等特性,由于具有钨的高硬度、高熔点、抗粘附的特点,经常用来做有一定耐磨性、抗高温的凸焊、对焊电极。

2.钨铜电火花电极：针对钨钢、耐高温超硬合金制作的模具需电蚀时,普通电极损耗大,速度慢,而钨铜高的电腐蚀速度,低的损耗率,精确的电极形状,优良的加工性能,能保证被加工件的精确度大大提高。

3.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。

4.电子封装材料：既有钨的低膨胀特性,又具有铜的高导热特性,其热膨胀系数和导电导热性可以通过调整材料的成分而加以改变,从而给材料的使用提供了便利。

钨丝工业的发展从一开始就是同照明灯泡工业紧密联系在一起的。1878年，爱迪生(T．A．Edison)发明了碳丝灯泡。但这种灯泡存在着严重的缺点，主要是寿命太短。将近20年后(1897年)，碳丝被锇丝和钽丝所取代，但由于Os、Ta熔点较低，因而工作温度和光效低。

1879年爱迪生曾经试用碳灯丝且使用了数百小时。虽然“碳”有极高的熔点 （3550℃），但是却有着低的“升华”温度。在低温时直接由固体升华为气态，因此很容易消耗，使用寿命短。而且必须完全隔绝空气（会在空气内燃烧）。目 前几乎都是使用熔点为（3410℃）的钨丝，优点是低于熔点时其“升华”的速率较低。因此可以加热到较“碳丝”更高的温度。钨丝一样会在空气中燃烧，因此需要灯泡抽成真空。

为了避免灯丝的升华，灯泡内注入了惰性气体，这些气体主要为氩气（argon）并且不包含氧气。藉由碰撞使部份气化的钨原子能够重回灯丝。虽然惰性气体增 加了灯丝的使用寿命，但是也付出了一些代价。原本真空的灯泡内由于惰性气体的存在增加了热的传导与对流，带走了能量，于是降低了平衡的温度。升华的钨气于 惰性气体内形成微弱的粒子也藉由对流在灯泡内表面形成黑点。

1903年，根据杰司特(A．Just)和汉纳门(F．Hannaman)的专利，匈牙利首次制造出钨灯丝。它是将碳丝在含有自由氢的钨的卤氧化物蒸汽中通过电流加热到高温，使碳完全被钨置换。这样制得的白炽灯丝或多或少地含有碳，不仅脆性相当严重，而且灯泡在使用时，灯丝不断致密化，因而灯丝的电参数会发生变化。

1904年，杰司特和汉纳门认识到了碳对脆性的影响，采用无碳的粘结剂与钨的化合物混合，再挤压成丝，然后在氢中加热还原成金属。这种方法制得的钨丝非常脆，但由于它的光效要好得多，还是取代了碳丝、锇丝和钽丝用于制作灯泡。

上述这些方法都不能制备细钨丝。为了解决这个问题，1907年，一种低镍含量的钨合金问世，它是通过机械加工方法制备的，但是严重的脆性妨碍了它的应用。直到1909年，美国通用电器公司的库利奇(w．D．Coolidge)通过粉末冶金法制得钨坯条，再利用机械加工生产出在室温下具有延性的钨丝，从而奠定了钨丝加工业的基础，也奠定了粉末冶金的基础。

然而这种“延性”钨灯丝在灯泡点燃后表现出明显的脆性。1913年，平奇(Pintsch)发明了钍钨丝(二氧化钍的含量为1%～2%)，从而使白炽灯丝的脆性大大降低。起初，灯丝的下垂(见钨丝的抗下垂性能)并不是一个问题，因为此时的灯丝是直丝，但1913年以后，兰米尔(Langmuir)将直丝改为螺旋丝，这样，当灯泡使用时，高的工作温度和自重的作用使灯丝下垂，因而纯钨和钍钨都难以满足使用要求。

为了解决钨丝下垂和寿命短等问题，1917年，柏斯(A．Pacz)发明了高温下“不变形”的钨丝。起初，他在制备纯钨时采用耐火坩埚焙烧三氧化钨，无意中发现用这种三氧化钨还原所得钨粉制成的钨丝螺旋，经再结晶后异常神秘地不再下垂。随后，经过218次反复实验验证，他终于发现在钨酸中添加钾和钠的硅酸盐，经过还原、压制、烧结、加工等制得的钨丝，再结晶后形成相当粗的晶粒结构，既不软又抗下垂，这是最早的不下垂钨丝。柏斯的发现奠定了不下垂钨丝的生产基础，直到现在美国仍称不下垂钨丝为“218钨丝”，以纪念柏斯的这项重大发现。

不过，最早生产的不下垂钨丝的脆性比钍钨丝严重，以致有些灯泡厂坚持使用钍钨丝作灯丝。但随着不下垂钨丝生产工艺的不断发展和完善，人们逐渐认识到在氧化钨中同时添加钾、硅、铝的化合物，可以使钨灯丝在高温下具有良好的抗下垂性能，同时经再结晶后又具有满意的室温延性。这就是现在人们常说的“AKS钨丝”，即“不下垂钨丝”或“掺杂钨丝”，米尔掺chan纳(T．Millner)在1931年将这种改进的不下垂效应称为“GK效应”。




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