淺談銅及銅合金的分類及應用

張鵬

摘要：銅及銅合金在機械、能源、交通以及工業設備中應用非常廣泛，因此研究銅及銅合金的分類和應用很有必要，有利于更有效的應用銅及銅合金。

關鍵詞：黃銅、青銅、白銅、應用

一、銅合金的分類

銅合金是以純銅為基體加入一種或幾種其他元素所構成的合金。純銅呈紫紅色，又稱紫銅。純銅密度為8.96g/cm3，熔點為1083℃，具有優良的導電性、導熱性、延展性和耐蝕性。主要用于制作發電機、母線、電纜、開關裝置、變壓器等電工器材和熱交換器、管道、太陽能加熱裝置的平板集熱器等導熱器材。常用的銅合金分為黃銅、青銅、白銅3大類。

黃銅 以鋅作主要添加元素的銅合金，具有美觀的黃色，統稱黃銅。銅鋅二元合金稱普通黃銅或稱簡單黃銅。三元以上的黃銅稱特殊黃銅或稱復雜黃銅。含鋅低于36%的黃銅合金由固溶體組成，具有良好的冷加工性能，如含鋅30%的黃銅常用來制作彈殼，俗稱彈殼黃銅或七三黃銅。為了改善普通黃銅的性能，常添加其他元素，如鋁、鎳、錳、錫、硅、鉛等。鋁能提高黃銅的強度﹑硬度和耐蝕性，但使塑性降低，適合作海輪冷凝管及其他耐蝕零件。錫能提高黃銅的強度和對海水的耐腐性，故稱海軍黃銅，用作船舶熱工設備和螺旋槳等。鉛能改善黃銅的切削性能，這種易切削黃銅常用作鐘表零件。黃銅鑄件常用來制作閥門和管道配件等。

青銅 原指銅錫合金，后除黃銅﹑白銅以外的銅合金均稱青銅，并常在青銅名字前冠以第一主要添加元素的名。錫青銅的鑄造性能﹑減摩性能好和機械性能好，適合于制造軸承﹑蝸輪﹑齒輪等。鉛青銅是現代發動機和磨床廣泛使用的軸承材料。鋁青銅強度高，耐磨性和耐蝕性好，用于鑄造高載荷的齒輪﹑軸套﹑船用螺旋槳等。鈹青銅和磷青銅的彈性極限高，導電性好，適于制造精密彈簧和電接觸元件，鈹青銅還用來制造煤礦﹑油庫等使用的無火花工具。

白銅以鎳為主要添加元素的銅合金。銅鎳二元合金稱普通白銅，加有錳、鐵、鋅、鋁等元素的白銅合金稱復雜白銅。工業用白銅分為結構白銅和電工白銅兩大類。結構白銅的特點是機械性能和耐蝕性好，色澤美觀。這種白銅廣泛用于制造精密機械﹑化工機械和船舶構件。電工白銅一般有良好的熱電性能。錳銅﹑康銅﹑考銅是含錳量不同的錳白銅，是制造精密電工儀器、變阻器、精密電阻、應變片、熱電偶等用的材料。

二、銅及銅合金的應用

1.能源及石化工業中的應用

※ 能源工業

火力及原子能發電都要依靠蒸汽作功。蒸汽的回路如下：

鍋爐發生蒸汽- 蒸汽推動汽輪機作功- 作功后的蒸汽送至冷凝器- 冷卻成水- 回到鍋爐重新變成蒸汽。其間主冷凝器由管板和冷凝管組成。由于銅導熱性好并能抗水的腐蝕，所以它們均使用鋁黃銅或白銅制造。太陽能的利用也要使用許多銅管。

※ 石化工業

銅和許多銅合金，在水溶液、鹽酸等非氧化性酸、有機酸（如：醋酸、檸檬酸、脂肪酸、乳酸、草酸等）、除氨以外的各種堿及非氧化性的有機化合物（如：油類、酚、醇等）中，均有良好的耐蝕性；因而，在石化工業中大量用于制造接觸腐蝕性介質的各種容器、管道系統、過濾器、泵和閥門等器件。還利用它的導熱性，制造各種蒸發器、熱交換器和冷凝器。由于銅的塑性很好，特別適合于制造現代化工工業中結構錯綜復雜、銅管交叉編制的熱交換器。

※ 海洋工業

海洋占地球表面面積70%以上，合理地開發利用海洋資源日益受到人們的重視。海水中含容易造成腐蝕的氯離子，鋼鐵、鋁、甚至不銹鋼等許多工程金屬材料均不耐海水腐蝕。此外在這些材料，以及木材、玻璃等非金屬材料的表面上還會形成海洋生物污損。銅則一枝獨秀，不但耐海水腐蝕；而且溶入水中的銅離子有殺菌作用，可以防止海洋生物污損。因而，銅和銅合金是海洋工業中十分重要的材料，業已在海水淡化工廠、海洋采油采氣平臺、以及其它海岸和海底設施中廣泛應用。

2.交通工業中的應用

※ 船舶

由于良好的耐海水腐蝕性能，許多銅合金，如：鋁青銅、錳青銅、鋁黃銅、炮銅（錫鋅青銅）、白鋼以及鎳銅合金（蒙乃爾合金）己成為造船的標準材料。一般在軍艦和商船的自重中，銅和銅合金占2～3%。 軍艦和大部分大型商船的螺旋槳都用鋁青銅或黃銅制造。大船的螺旋槳每支重 20～ 25噸。伊麗莎白皇后號和瑪麗皇后號航母的螺旋槳每支重達3 5噸。大船沉重的尾軸常用"海軍上將"炮銅，舵和螺旋漿的錐形螺栓也用同樣材料。引擎和鍋爐房內也大量用銅和銅合金。世界上第一艘核動力商船，使用了30噸白銅冷凝管。近來用鋁黃銅管作油罐的大型加熱線圈。在10萬噸級的船上就有12個這種儲油罐，相應的加熱系統規模相當大。船上的電氣設備也很復雜，發動機、電動機、通訊系統等幾乎完全依靠銅和銅合金來工作。大小船只的船艙內經常用銅和銅合金來裝飾。甚至木制小船，也最好用銅合金（通常是硅青銅）的螺絲和釘子來固定木結構，這種螺絲可以用滾軋大量生產出來。為了防止船殼被海生物污損影響航行，過去經常采用包覆銅加以保護；現在，則普遍用刷含銅油漆的辦法來解決。

※ 汽車

汽車用銅每輛10～2I公斤，隨汽車類型和大小而異，對于小轎車約占自重的6～9%。銅和銅合金主要用于散熱器、制動系統管路、液壓裝置、齒輪、軸承、剎車摩擦片、配電和電力系統、墊圈以及各種接頭、配件和飾件等。其中用銅量比較大的是散熱器?，F代的管帶式散熱器，用黃銅帶焊接成散熱器管子，用薄的銅帶折曲成散熱片。

※ 鐵路

鐵路的電氣化對銅和銅合金的需要量很大。每公里的架空導線需用2 噸以上的異型銅線。為了提高它的強度，往往加入少量的銅（約1%）或銀 。此外，列車上的電機、整流器、以及控制、制動、電氣和信號系統等都要依靠銅和銅合金來工作。

※ 飛機

飛機的航行也離不開銅。例如：飛機中的配線、液壓、冷卻和氣動系統需使用銅材，軸承保持器和起落架軸承采用鋁青銅管材。

3.機械和冶金工業中的應用

※ 機械工程

幾乎在所有的機器中都可以找到銅制品部件。除了電機、電路、油壓系統、氣壓系統和控制系統中大量用銅以外，種類繁多用黃銅和青銅制造的傳動件和固定件，如齒輪、蝸輪、蝸桿、聯結件、緊固件、扭擰件、螺釘、螺母等，比比皆是。幾乎在所有作機械相對運動的部件之間，都要使用減磨銅合金制作的軸承或軸套，特別是萬噸級的大型擠壓機、鍛壓機的缸套、滑板幾乎都用青銅制成，鑄件重量可達數噸。

※ 冶金設備

冶金工業是消耗電能的大戶，素有"電老虎"之稱。在冶金廠的建設中通常必須要有一個依靠銅來進行工作的龐大的輸、配電系統和電力運轉設備。此外，在火法冶金中，連續鑄造技術已占據主導地位，其中的關鍵部件—結晶器，大都采用鉻銅、銀銅等高強度和高導熱性的銅合金。電冶金中的真空電弧爐和電渣爐水冷坩堝使用鋼管材制造，各種感應加熱的感應線圈都是用銅管或異型銅管繞制而成。

參考文獻：

[1]聞邦春，張義民，鄂中凱，等.機械設計手冊[M].5版.北京：機械工業出版社，2010

[2]中國重型機械工業協會《重型機械標準》編寫委員會.重型機械標準[M].2007版.昆明：云南科技出版社，2007