钼铜材料的开发和应用
吕大铭(钢铁研究总院, 北京100081)
摘要:本文介绍和讨论了钼铜材料的发展简况, 基本性能, 制取方法和应用。 关键词:钼铜材料; 性能; 制取; 应用
THE EXPLOITATION AND APPLICATION OF Mo2Cu COMPOSITES
LU Da ming(Central Iron and Steel Research Institute ,Beijing 100081 ,China)
Abstract :The brief situation ,basic properties ,making process and application of Mo2Cu composites are interduced and discussed in this paper.
Key words :Mo2Cu composite ;properties ;process ;application
1 国内外发展简况
本世纪60 年代, 原苏联学者曾对钼铜材料作为一定膨胀系数的定膨胀合金进行过研究[1 ] , 研究合金中铜含量对材料膨胀系数的影响。70 年代, 国内曾对钼铜材料作为高导热定膨胀的半导体功率管的基片进行过研制[2、3 ] ,它的导热系数高于纯钼和纯铝, 而膨胀系数又低于无氧铜, 其膨胀系数与陶瓷、硅等材料匹配性好。80 年代, 通过在钼铜中加入少量的镍或其它元素, 用作与陶瓷封接的无磁封接金属材料和弦振式压力传感器中起温度补偿作用的无磁定膨胀材料[3 ] 。但是, 由于当时各方面条件的限制, 这些工作没有得到很好的推广, 应用对象比较单一狭窄, 用量很小。80 年代后期, 国外将钼铜材料作为真空开关管及开关电器中的电触头进行生产和应用, 同时开发作为大规模集成电路等微电子器件中的热沉①材料。表1 给出了德国和奥地利有关公司生产的电触头用钼铜材料的牌号和主要性能[4、5 ] 。表2 列出了作为热 沉材料的钼铜合金的组成及其相关的热性能[6 ] 。90 年代后, 国内通过技术引进, 也生产采用钼铜触头的真空开关管, 以及研究热沉材料用的钼铜合金[7 ] 。
表1 德国及奥地利有关公司生产的钼铜材料牌号及性能
国别及公司 牌号 成分Mo Cu电导率硬度HV 气体含量
德国DoDuCo 公司 MoCu25V 75 25 18 180 75
MoCu40V 60 40 26 140 75
奥地利plansee 公司MoCu30VS 70 30 27 170±20 -
MoCu40VS 60 40 30 160±20 -
MoCu50VS 50 50 32 150±20 -
MoCu30 70 30 26 HB140 -
V 及VS 均为真空用的标志, 即Vacuum(V) 及Vacuum Switch(VS) 表2 用作热沉材料的钼铜合金的组成及性能
材料 成分Mo Cu 密度 热膨胀系数 质量热容 Mo17Cu 83 17 10. 00 6. 5 165
Mo17Cu 83 17 10. 01 7. 0 180
Mo22Cu 78 22 9. 90 7. 2 175
Mo28Cu 72 28 9. 90 7. 7 185
2 钼铜材料的特性
一种材料的特性是决定该材料在什么领域可能得到应用的重要依据, 因此, 在讨论钼铜材料的开发与应用时, 必须认识和了解钼铜材料的特性。
钼铜材料和钨铜材料一样在组织上是由两种互不相溶的金属相所组成的假合金。因此, 这种材料应该兼有组成金属两者的特性, 而且可以取长补短, 获得良好的综
合性能。钨铜材料已较为普遍地用作电触头材料、电加工电极和航天高温材料等, 其性能已为人所知, 所以在论述钼铜材料时, 参照钨铜材料的特性进行讨论。
2. 1 高电导热导性
钨和钼是金属中除金、银、铜等高导金属外, 电导和热导性比较好的元素, 因此, 进一步加入高电导热导金属铜的钨铜和钼铜材料, 具有很高的电导热导性。表1 中 MoCu40VS 的电导性相当于标准铜电导性的50 %以上。表3 列出了经测定的导热系数[3 ] 。
表3 钨铜、钼铜材料的导热系数
材料 导热系数P ×102W ·(m·℃) - 1
无氧铜 3. 94
WCu20 2. 09
WCu10 1. 84
MoCu22 1. 67
MoCu10 1. 34
2. 2 低的可调节的热膨胀系数
铜的热膨胀系数较高, 而钨、钼的热膨胀系数很低, 因此, 可以根据不同的成分组合制成所需要的较低的热膨胀系数, 从而使它们可以与其它材料的热膨胀系数匹配组合, 避免因热膨胀系数差别过大而引起的热应力破坏。表4 给出了所测定的钨铜、钼铜材料的热膨胀系数[3 ] 。
表4 钨铜、钼铜材料的热膨胀系数
材料 热膨胀系数 材料 热膨胀系数
WCu 7 5. 43 MoCu10 5. 40
WCu10 6. 50 MoCu18 7. 49
WCu15 7. 20 MoCu25 8. 30
WCu20 8. 20
2. 3 特殊的高温性能
钨和钼系高熔点金属(难熔金属) ,其熔点分别为3400 ℃和2615 ℃, 而铜的熔点仅为1083 ℃。钨铜和钼铜材料在常温和中温时, 既有较好的强度, 又有一定的塑性, 而当超过铜的熔点的高温时, 材料中所含有的铜可以液化蒸发吸热起到冷却作用(发汗冷却) , 因此可以作为特殊用途的高温材料, 如耐火药燃烧温度的喷管喉衬, 高温电弧作用下的电触头等。
2. 4 无磁性
钨、钼、铜均为非铁磁性金属, 因此, 所组成的钨铜、钼铜材料均为无磁性, 这就使它们有可能在各种有磁场作用下代替常规由铁族元素组成的带磁性的各种合金。
2. 5 低气体含量和良好的真空性能
无论是钨、钼或铜, 其氧化物极易还原, 它们的N2 、H2 、C 等杂质也易于去除, 从而保持在真空下极低的放气而具有很好的真空使用性能。
2. 6 良好的机加工性
纯钨、纯钼金属本身由于较高的硬度和脆性, 进行机加工比较困难, 特别是加工成形状比较复杂、精细的部件时效率低、废品多。而钨铜和钼铜材料, 由于加入铜后材料硬度降低、塑性增加, 故有利于机加工, 可以采取各种加工手段加工成任何复杂形状的部件。
2. 7 钨铜和钼铜的比较
钨熔点比钼高, 密度比钼大, 因此钨铜更适合于更高温度下使用, 也可作为高密度材料应用。而钼由于密度相对较低, 因此使用钼铜可以减轻部件重量, 这对于航天及仪表等要求尽量轻量化时有利。
3 钼铜材料的制取
钼铜材料的制取基本上与钨铜材料相似, 主要通过两种途径:渗铜法和混合物烧结法。
3. 1 渗铜法
它是将钼粉直接压制成形, 在高温氩气中烧结成多孔钼坯, 然后将烧结好的多孔钼坯在真空或惰性气体下渗入融熔的铜。为了得到所需铜含量的钼铜材料, 需要控制烧结钼坯的孔隙度, 使这些孔隙渗入铜后达到所要求的铜含量。此法很容易制得含铜≤30 %(质量分数) 的钼铜材料, 对于≥30 %(质量分数) 含铜的钼铜材料, 则可采用混合部分铜粉的钼铜混合粉进行压制、烧结然后渗铜的方法。
3. 2 混合粉烧结法
它是按所需成分的钼铜材料混合钼粉和铜粉, 然后压制成形, 烧结直接制成产品。也可用氧化钼和氧化铜的混合粉共还原得到钼铜混合粉进行压制烧结, 而且后者可以得到组织更为致密更为均匀的产品。高铜含量的钼铜材料更适合用混合粉烧结, 因为它工艺简单而同样可得到高致密的产品, 必要时还可进一步采用复压来提高密度。低铜含量的钼铜材料直接混粉烧结时, 则需首先将钼铜混合粉制成超细粉或进行机械活化, 从而提高其烧结活性, 保证烧结产品的致密。
4 钼铜材料的应用
根据前述钼铜材料的特性并国内外发展情况, 钼铜材料已在以下几个方面获得应用。
4. 1 真空开关电触头
目前, 国外已将钼铜材料与钨铜材料同时列为电触头材料。国内钨铜真空触头正在大面积推广, 但也有个别已选用钼铜材料。因此, 可以根据真空开关的不同性能要求, 在不同的情况下分别采用钨铜材料和钼铜材料, 以达到材料最佳的使用效果。
4. 2 电真空器散热元件
大功率的集成电路和微波器件要求高电导热导材料作为导电散热元件, 同时又要兼顾真空性能、耐热性能及热膨胀系数等。钨铜和钼铜材料由于其各项特性符合这些要求, 因此是这方面应用的优选材料。
4. 3 仪器仪表元件材料
由于钼铜材料的许多物理特性、如无磁性、定热膨胀系数、高弹性模量、高电导热导性等, 使它适合作为一些特殊要求的仪器仪表元件, 而且钼铜较钨铜密度低、重量轻、塑性好、机加工方便, 更适合于作为仪表材料。
4. 4 航天及武器用材
钼铜材料比钼更耐烧蚀, 更具有塑性和可加工性, 因此, 可以用作使用温度稍低的火箭、导弹的高温部件, 也可代替钼作为其它武器中的零部件, 如增程炮等。
4. 5 其它
钼铜材料也可作为固体动密封、滑动摩擦的加强肋, 高温炉的水冷电极头, 以及电加工电极等, 其应用还可进一步开发。