1. Popis materiálu
Materiály na bázi WCu nejsou klasickými slitinami, nýbrž kovovými kompozity (tzv. pseudoslitinami). Wolfram a měď nejsou vzájemně rozpustné, proto se materiál vyrábí metodami práškové metalurgie - buď kapilární infiltrací tekuté mědi do porézní wolframové kostry, nebo lisováním a spékáním (sintrováním) směsi prášků obou kovů. Výsledný materiál v sobě unikátně spojuje přednosti obou složek: extrémní odolnost proti elektrickému oblouku, vysokou tvrdost a nízkou tepelnou roztažnost wolframu s vynikající elektrickou a tepelnou vodivostí mědi. Vlastnosti lze plynule ladit poměrem obou prvků (nejčastěji od WCu 70/30 po WCu 90/10) - viz i naše stránka o čistém wolframu.
2. Chemické složení a standardní jakosti
Nejběžnější průmyslové varianty kompozitu vyjádřené hmotnostním poměrem:
| Označení jakosti | Obsah wolframu (W) | Obsah mědi (Cu) | Nečistoty celkem |
|---|---|---|---|
| WCu 70/30 (Class 10) | 68,0 - 72,0 % | zbytek (cca 30 %) | ≤ 0,05 % |
| WCu 75/25 (Class 11) | 73,0 - 77,0 % | zbytek (cca 25 %) | ≤ 0,05 % |
| WCu 80/20 (Class 12) | 78,0 - 82,0 % | zbytek (cca 20 %) | ≤ 0,05 % |
| WCu 85/15 | 83,0 - 87,0 % | zbytek (cca 15 %) | ≤ 0,05 % |
3. Výrobní a materiálové normy
- ASTM B702: Standardní specifikace pro materiály elektrických kontaktů z wolframu a mědi.
- RWMA (Resistance Welding Manufacturing Alliance): Specifikace pro materiály odporového svařování (Class 10, Class 11, Class 12).
- GB/T 8320: Mezinárodní norma pro měď-wolframové kompozitní materiály.
4. Vyráběné polotovary
- Kulaté a čtyřhranné tyče: Tažené nebo lisované v délkách do 1000 mm.
- Desky a ploché tyče: Standardní tloušťky od 2 mm do 50 mm, formáty přizpůsobené pro výrobu elektrod.
- Hotové EDM elektrody: Polotovary s nalisovaným nebo napájeným měděným závitovým koncem.
- Chladiče (Heat sinks): Přesně řezané podložky pro elektronické součástky.
5. Popis typického použití
- Elektroerozivní obrábění (EDM): Prvotřídní materiál pro hloubicí elektrody při obrábění tvrdokovů (karbidů) a kalených nástrojových ocelí. Vykazuje minimální opal elektrod a perfektní stabilitu v řezu.
- Silnoproudá elektrotechnika: Silové kontakty vysokonapěťových jističů, SF6 spínačů a vakuových odpínačů namáhaných elektrickým obloukem.
- Odporové svařování: Svařovací elektrody, čelisti a trny pro bodové a švové svařování kovů s vysokou vodivostí (např. křížení měděných drátů).
- Mikroelektronika: Tepelné rozptylovače (heat sinks) a základové desky pro výkonové laserové diody, RF tranzistory a CPU moduly.
6. Fyzikální vlastnosti (srovnání jakostí)
| Vlastnost | WCu 70/30 | WCu 75/25 | WCu 80/20 | WCu 85/15 |
|---|---|---|---|---|
| Hustota (g/cm3) | 13,8 - 14,1 | 14,5 - 14,8 | 15,2 - 15,6 | 15,9 - 16,3 |
| Elektrická vodivost (% IACS) | 42 - 47 | 38 - 42 | 34 - 38 | 30 - 34 |
| Tepelná vodivost (W/m·K) | 190 - 210 | 175 - 190 | 160 - 175 | 140 - 160 |
| Koeficient tepelné roztažnosti (10-6/K) | 9,2 - 9,8 | 8,3 - 9,0 | 7,0 - 7,8 | 6,5 - 7,0 |
| Likvidus teplota tavení | Měděná fáze taje při 1083 °C. Wolframová kostra drží pevnost do 3422 °C. | |||
7. Mechanické vlastnosti
| Vlastnost | WCu 70/30 | WCu 75/25 | WCu 80/20 | WCu 85/15 |
|---|---|---|---|---|
| Tvrdost (HB / HRB) | ≥ 175 HB / 85 HRB | ≥ 195 HB / 90 HRB | ≥ 220 HB / 98 HRB | ≥ 240 HB / 102 HRB |
| Pevnost v tahu Rm (MPa) | 420 - 480 | 470 - 540 | 540 - 620 | 590 - 680 |
| Pevnost v ohybu (MPa) | ≥ 600 | ≥ 650 | ≥ 700 | ≥ 750 |
| Modul pružnosti (GPa) | ~ 210 | ~ 240 | ~ 275 | ~ 300 |
8. Popisy a podmínky obrábění
Soustružení
Technologická doporučení: Obrábí se za studena. Je nutné zvolit dostatečně vysokou tuhost stroje. Pro optimální čistotu povrchu a eliminaci otřepů se doporučuje volit vyšší řezné rychlosti. Přerušovaný řez je možný, ale zvyšuje opotřebení břitu na hřbetu.
- Nástroje: Vyměnitelné destičky z jemnozrnného tvrdokovu (submikronová struktura, skupina ISO K10 - K20) s velmi ostrým břitem.
- Geometrie: Úhel čela (γ) = 5° až 10° (pozitivní geometrie snižuje řezný odpor a lepení mědi), úhel hřbetu (α) = 6° až 8°.
- Řezné podmínky: Řezná rychlost vc = 60 - 100 m/min, posuv f = 0,1 - 0,15 mm/ot. Jako chlazení jsou ideální vodou ředitelné emulze s vysokým podílem mazací složky (prevence lepení nárůstků na břitu).
Frézování
Technologická doporučení: Používejte výhradně sousledné frézování (climb milling). Na koncích obrobku (při výjezdu frézy z řezu) hrozí kvůli přítomnosti wolframu vyštipování hran - tomuto jevu lze zamezit sražením hran polotovaru před frézováním nebo použitím technologického přídavku.
- Nástroje: Celotvrdokovové frézy s leštěnými drážkami, ideálně vícedrážkové pro zklidnění řezu.
- Řezné podmínky: Řezná rychlost vc = 50 - 80 m/min. Posuv na zub fz = 0,02 - 0,06 mm/zub (menší posuvy chrání hrany před vylamováním).
Vrtání
Technologická doporučení: Vrtání je nejnáročnější operací u WCu. Materiál klade velký odpor a měď má snahu svírat vrták. Je nutné často provádět cyklus vyjíždění z otvoru (peck drilling) pro spolehlivý odvod třísek, jinak hrozí zalomení nástroje.
- Nástroje: Tvrdokovové vrtáky s vnitřním chlazením a ostře broušenou špičkou.
- Geometrie: Vrcholový úhel standardní 118° až 135°, výrazně vyhlazené a leštěné šroubovice.
- Řezné podmínky: Řezná rychlost vc = 25 - 45 m/min, posuv f = 0,03 - 0,07 mm/ot.
Řezání
- Mechanické řezání: Lze provádět na běžných pásových pilách s bimetalovými pásy s jemným ozubením při nízkých řezných rychlostech za intenzivního chlazení emulzí. U tlustších desek se doporučuje abrazivní dělení.
- Elektroerozivní řezání (EDM): Drátové řezání (Wire-EDM) je velmi přesné, avšak kvůli vysoké elektrické a tepelné odolnosti samotného kompozitu WCu probíhá řezání znatelně pomaleji než u běžné oceli či hliníku. Je třeba upravit generátor stroje na režim pro tvrdokovy.
Broušení
Technologická doporučení: Broušení zaručuje nejlepší drsnost povrchu (Ra < 0,4 µm). Vzhledem k diametrálně odlišné tvrdosti obou složek (W vs Cu) hrozí při nevhodném kotouči vytrhávání měkké mědi z wolframové matice nebo zanesení (zalepení) kotouče.
- Specifikace kotoučů: Kotouče z karbidu křemíku (SiC) se střední až měkkou vazbou, případně diamantové kotouče.
- Chlazení: Trvalé a hojné chlazení kapalinou s nízkou viskozitou. Kotouč je nutné pravidelně oživovat.
9. Svařování a spojování
Vzhledem k tomu, že WCu taje ve dvou zcela odlišných teplotních fázích (1083 °C a 3422 °C), je klasické tavné svařování (TIG, MIG, plamen) nemožné - došlo by k úplnému vytečení měděné složky z wolframové kostry a destrukci struktury materiálu.
- Pájení (brazing): Hlavní a nejspolehlivější metoda spojování WCu (např. připájení elektrody na ocelový nebo čistě měděný držák). Používají se stříbrné pájky (např. Ag-Cu-Zn-Cd) s teplotou pájení 650 °C až 750 °C nebo vysokoteplotní pájky na bázi mědi. Povrch WCu musí být dokonale odmaštěn a očištěn.
- Svařování třením (friction welding): Lze úspěšně použít pro spojení WCu tyčí s čistou mědí nebo konstrukční ocelí.
- Mechanické spoje: Běžně používané ve formě závitových spojů. Závity lze do WCu řezat přímo (tvrdokovovými závitníky), doporučuje se však použít jemnější stoupání závitu.
10. Tepelné zpracování a teplotní limity
- Omezení provozních teplot: Kompozity WCu nesmí být trvale vystaveny teplotám přesahujícím 950 °C - 1000 °C ani v ochranné atmosféře, protože dochází k tavení měděné infiltrační fáze a jejímu „pocení“ na povrch materiálu.
- Oxidace na vzduchu: Nad teplotu 400 °C dochází na volném vzduchu k silné oxidaci mědi i wolframu. Veškeré aplikace pracující za vyšších teplot vyžadují vakuum nebo inertní plyny (argon, dusík).
- Žíhání: Žíhání na odstranění pnutí po náročném obrábění lze provádět při teplotách 450 °C - 550 °C po dobu 1-2 hodin v ochranné atmosféře.
11. Doporučené povlakování nástrojů
Kombinace abrazivního wolframu a lepivé mědi klade na povrch nástroje specifické nároky.
- TiAlN / AlCrN (PVD povlaky): Velmi vhodné pro univerzální frézování a soustružení. Zvyšují povrchovou tvrdost břitu a brání otěru o wolframové částice.
- DLC povlaky (Diamond-Like Carbon): Vynikající volba pro vrtání a jemné dokončovací operace. Tyto povlaky mají extrémně nízký koeficient tření, což drasticky snižuje náchylnost měděné složky k lepení na břity nástroje a minimalizuje tvorbu nárůstků.
Možnosti dodávek: WCu kompozitní materiály mohou být dodány buď ve formě polotovarů pro další zpracování, nebo jako již hotové komponenty podle zadání (výkresu). Příbuzný materiál s ještě vyšší hustotou nabízíme také ve formě wolframových slitin W-NiFe a W-NiCu.