El cobre-tungsteno ( tungsteno-cobre , CuW o WCu ) es una mezcla de cobre y tungsteno . Como el cobre y el tungsteno no son mutuamente solubles, el material está compuesto de partículas distintas de un metal dispersas en una matriz del otro. Por lo tanto, la microestructura es más bien la de un compuesto de matriz metálica en lugar de una verdadera aleación.
El material combina las propiedades de ambos metales, dando como resultado un material resistente al calor, resistente a la ablación , altamente conductor térmico y eléctrico y fácil de mecanizar .
Las piezas se fabrican a partir del compuesto CuW presionando las partículas de tungsteno hasta obtener la forma deseada, sinterizando la pieza compactada y luego infiltrándola con cobre fundido. También se encuentran disponibles láminas, varillas y barras de la mezcla compuesta.
Las mezclas de cobre y tungsteno que se utilizan habitualmente contienen entre un 10 y un 50 % en peso de cobre, siendo el resto principalmente tungsteno. Las propiedades típicas dependen de su composición. La mezcla con menos % en peso de cobre tiene mayor densidad, mayor dureza y mayor resistividad. La densidad típica de CuW90, con un 10 % de cobre, es de 16,75 g/cm 3 y de 11,85 g/cm 3 para CuW50. CuW90 tiene mayor dureza y resistividad de 260 HB kgf/mm 2 y 6,5 μΩ.cm que CuW50.
Propiedades típicas de las composiciones de cobre y tungsteno de uso común [1]
Los compuestos de CuW se utilizan cuando se necesita una combinación de alta resistencia al calor, alta conductividad eléctrica y térmica y baja expansión térmica. Algunas de las aplicaciones son la soldadura por resistencia eléctrica , como contactos eléctricos y como disipadores de calor . Como material de contacto, el compuesto es resistente a la erosión por arco eléctrico. Las aleaciones de WCu también se utilizan en electrodos para el mecanizado por descarga eléctrica [2] y el mecanizado electroquímico [3] .
El compuesto CuW75, con un 75 % de tungsteno, se utiliza ampliamente en soportes de chips , sustratos, bridas y marcos para dispositivos semiconductores de potencia . La alta conductividad térmica del cobre junto con la baja expansión térmica del tungsteno permiten una expansión térmica similar a la del silicio , el arseniuro de galio y algunas cerámicas . Otros materiales para estas aplicaciones son la aleación de cobre y molibdeno, AlSiC y Dymalloy .
Los compuestos con un 70-90% de tungsteno se utilizan en los revestimientos de algunas cargas moldeadas especiales . La penetración se mejora en un factor de 1,3 frente al cobre para un objetivo de acero homogéneo, ya que tanto la densidad como el tiempo de ruptura aumentan. [4] Los revestimientos de cargas moldeadas a base de polvo de tungsteno son especialmente adecuados para la terminación de pozos petrolíferos . También se pueden utilizar otros metales dúctiles como aglutinante en lugar del cobre. Se puede añadir grafito como lubricante al polvo. [5]
El CuW también se puede utilizar como material de contacto en el vacío. Cuando el contacto es de grano muy fino (VFG), la conductividad eléctrica es mucho mayor que la de una pieza normal de cobre tungsteno. [6] El cobre tungsteno es una buena opción para un contacto de vacío debido a su bajo costo, resistencia a la erosión por arco, buena conductividad y resistencia al desgaste mecánico y a la soldadura por contacto. El CuW suele ser un contacto para sistemas de vacío, petróleo y gas. No es un buen contacto para el aire, ya que la superficie se oxidará cuando se exponga. Es menos probable que el CuW se erosione en el aire cuando la concentración de cobre es mayor en el material. Los usos del CuW en el aire son como punta de arco, placa de arco y canal de arco. [7]
Los materiales de cobre y tungsteno se utilizan a menudo para contactos de arco en interruptores de hexafluoruro de azufre (SF6 ) de media a alta tensión en entornos que pueden alcanzar temperaturas superiores a los 20.000 K. La resistencia del material de cobre y tungsteno a la erosión por arco se puede aumentar modificando el tamaño del grano y la composición química. [6]
El proceso de electroerosión por chispa (EDM) requiere de tungsteno de cobre. Normalmente, este proceso se utiliza con grafito, pero como el tungsteno tiene un punto de fusión alto (3420 °C), esto permite que los electrodos de CuW tengan una vida útil más larga que los electrodos de grafito. Esto es crucial cuando los electrodos han sido procesados con un mecanizado complejo. Dado que los electrodos son susceptibles al desgaste, proporcionan una mayor precisión geométrica que los otros electrodos. Estas propiedades también permiten que las varillas y tubos fabricados para la electroerosión tengan un diámetro más pequeño y una mayor longitud, ya que el material es menos propenso a astillarse y deformarse. [8]
Las propiedades eléctricas y térmicas de los compuestos varían con diferentes proporciones. Un aumento en el cobre aumenta la conductividad térmica, que juega un papel muy importante cuando se utiliza en interruptores automáticos. La resistividad eléctrica aumenta con un aumento en el porcentaje de tungsteno presente en el compuesto, que varía de 3,16 con un 55% de tungsteno a 6,1 cuando el compuesto contiene un 90% de tungsteno. Un aumento en el tungsteno conduce a un aumento en la resistencia a la tracción máxima hasta que la aleación alcanza el 80% de tungsteno y el 20% de cobre con una resistencia a la tracción máxima de 663 MPa. Después de esta mezcla de cobre y tungsteno, la resistencia a la tracción máxima comienza a disminuir con bastante rapidez. [10]