铜及铜合金

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1、铜合金(copper alloy )以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的 合 金。纯铜呈紫红色，又称 紫铜。纯铜密度为8.96，熔点为1083 C,具有优良 的导电性、导热性、延展性和耐蚀性。主要用于制作发电机、母线、电缆、开 关装置、变压器等电工器材和热交换器、管道、太阳能加热装置的平板集热 器等导热器材。常用的铜合金分为黄铜、青铜、 自铜3大类。黄铜 以锌作主要添加元素的铜合金，具有美观的黄色，统称黄铜。铜锌 二元合金称普通黄铜或称简单黄铜。三元以上的黄铜称特殊黄铜或称复杂黄 铜。含锌低於36 %的黄铜合金由固溶体组成，具有良好的冷加工性能，如含 锌30%的黄铜常用来制作弹壳，俗称弹

2、壳黄铜或七三黄铜。含锌在3642%之间的黄铜合金由和固溶体组成，其中最常用的是含锌 40%的六四黄铜。为 了改善普通黄铜的性能，常添加其他元素，如 铝、镍、锰、锡、硅、铅等。铝 能提高黄铜的强度、硬度和耐蚀性，但使塑性降低，适合作海轮冷凝管及其 他耐蚀零件。 锡能提高黄铜的强度和对海水的耐腐性，故称海军黄铜，用作船 舶热工设备和螺旋桨等。铅能改善黄铜的切削性能；这种易切削黄铜常用作 钟 表零件。黄铜铸件常用来制作 阀门和管道配件等。青铜 原指铜锡合金，后除黄铜、白铜以外的铜合金均称青铜，并常在青 铜名字前冠以第一主要添加元素的名。锡青铜的铸造性能、减摩性能好和机械 性能好，适合於制造轴承、蜗轮

3、、齿轮等。铅青铜是现代发动机和磨床广泛使 用的轴承材料。铝青铜强度高，耐磨性和耐蚀性好，用於铸造高载荷的齿轮、 轴套、船用螺旋桨等。铍青铜和磷青铜的弹性极限高，导电性好，适於制造精 密弹簧和电接触元件，铍青铜还用来制造 煤矿、油库等使用的无火花工具。白铜 以镍为主要添加元素的铜合金。铜镍二元合金称普通白铜；加有锰 、铁、锌、铝等元素的白铜合金称复杂白铜。 工业用白铜分为结构白铜和电工 白铜两大类。结构白铜的特点是机械性能和耐蚀性好，色泽美观。这种白铜广 泛用於制造精密机械、化工机械和船舶构件。电工白铜一般有良好的热电性 能。锰铜、康铜、考铜是含锰量不同的锰白铜，是制造精密电工仪器、变阻器 、精

4、密电阻、应变片、热电偶等用的材料。编辑本段铜合金的分类铜合金的分类方法有三种 : 按合金系划分按合金系划分，可分为非合金铜和合金铜 .非合金铜包括高纯铜、韧铜、 脱氧铜、无氧铜等，习惯上，人们将非合金铜称为紫铜或纯铜，也叫红铜，而 其他铜合金则属于合金铜。我国和俄罗斯把合金铜分为黄铜、青铜和白铜，然 后在大类中划分小的合金系。 按功能划分 按功能划分，有导电导热用铜合金（只要有非合金化铜和微合金化铜）、 结构用铜合金（几乎包括所有铜合金）、耐蚀铜合金（主要有锡黄铜、铝黄铜、 各种不白铜、铝青铜、钛青铜等）耐磨铜合金（主要有含铅、锡、铝、锰等元 素复杂黄铜、铝青铜等）、易切削铜合金（铜-铅、铜-

5、碲、铜-锑等合金）、弹 性铜合金（主要有锑青铜、铝青铜、铍青铜、钛青铜等）阻尼铜合金（高锰铜 合金等）、艺术铜合金（纯铜、简单单铜、锡青铜、铝青铜、白铜等）。显然， 许多铜合金都具有多生功能。 按材料形成方法划分按材料形成方法划分为可为铸造铜合金和变形铜合金。事实上，许多铜合 金既可以用于铸造，又可以用于变形加工。通常变形铜合金可以用于铸造，而 许多铸造铜合金却不能进行锻造、挤压、深冲和拉拔等变形加工。铸造铜合金 和变形铜合金又可以细分为铸造用紫铜、黄铜、青铜和白铜。编辑本段铜和铜合金的应用1 电气工业中的应用 电力输送力输送中需要大量消耗高导电性的铜， 主要用于动力申 线电缆、汇流排 变压器

6、、开关、接插元件和联接器等。在电线电缆的输电过程中，由于电阻发热而白白浪费电能。从节能和经济 的角度考虑，目前世界上正在推广 最佳电缆截面 标准。过去流行的标准， 单纯地从降低一次安装投资的角度出发，为了尽量减小电缆截面，以在设计要 求的额定电流下，不至出现危险过热，来确定电缆的最低允许尺寸。按这种标 准铺设的电缆， 虽然安装费低了； 但是在长期使用过程中， 电阻能耗却比较大。 最佳电缆截面 标准，则兼顾一次安装费用和电能消耗这两个因素，适当放 大电缆尺寸，以达到节能和最佳综合经济效益的目的。按照新的标准，电缆截 面往往要比老标准加大一倍以上，可以获得 50%左右的节能效果。我国在过去一段时间

7、内，由于钢供不应求，考虑到铝的比重只有铜的 3 0，在希望减轻重量的架空高压输电线路中曾采取以铝代铜的措施。目前从 环境保护考虑， 空中输电线将转为铺设地下电缆。 在这种情况下， 铝与铜相比， 存在导电性差和电缆尺寸较大的缺点，而相形见绌。同样的原回，以节能高效的铜绕组变压器，取代！日的铝绕组变压器，也 是明智的选择。 电机制造在电机制造中，广泛使用高导电和高强度的铜合金。 主要用铜部位是定子、 转子和轴头等。在大型电机中，绕组要用水或氢气冷却，称为双水内冷或氢气 冷却电机，这就需要大长度的中空导线。电机是使用电能的大户， 约占全部电能供应的 60% 。一台电机运转累计电 费很高，一般在最初工

8、作 5 00 小时内就达到电机本易的成本，一年内相当于 成本的416倍，在整个工作寿命期间可以达到成本的 200倍。电机效率的 少量提高，不但可以节能；而且可以获得显著的经济效益。开发和应用高效电 机，是当前世界上的一个热门课题。由于电机内部的能量消耗，主要来源于绕 组的电阻损耗；因此，增大铜线截面是发展高效电机的一个关键措施。近年来 己率先开发出来的一些高效电机与传统电机相比，铜绕组的使用量增加25100%。目前，美国能源部正在资助一个开发项目，拟采用铸入铜的技术生产 电机转子。 通讯电缆80 年代以来，由于光纤电缆载流容量大等优点，在通讯干线上不断取代 铜电缆，而迅速推广应用。但是，把电能

9、转化为光能，以及输入用户的线路仍 需使用大量的铜。随着通讯事业的发展，人们对通讯的依赖越来越大，对光纤 电缆和铜电线的需求都会不断增加。 住宅电气线路 近年来，随着我国人民生活水平提高，家电迅速普及，住宅用电负荷增长 很快。如图 6.6 所示， 1987 年居民用电量为 269.6 亿度（ l 度=1 千瓦 小时） 10后年的 1996 年猛升到 1131 亿度，增加 3.2 倍。尽管如此，与发达国家 相比仍有很大差距。例如， 1995 年美国的人均用电量是我国的 14.6 倍，日本 是我国的 8.6 倍。我国居民用电量今后仍有很大发展。预计从 1996 年到 200 5 年，还要增长 l4

10、倍。2电子工业中的应用 电子工业是新兴产业，在它蒸蒸日上的发展过程中，不断开发出钢的新产 品和新的应用领域。目前它的应用己从电真空器件和印刷电路，发展到微电子 和半导体集成电路中。 电真空器件 电真空器件主要是高频和超高频发射管、波导管、磁控管等，它们需 要 高纯度无氧铜和弥散强化无氧铜。 印刷电路 铜印刷电路，是把铜箔作为表面，粘贴在作为支撑的塑料板上；用照相的 办法把电路布线图印制在铜版上； 通过浸蚀把多余的部分去掉而留下相互连接 的电路。然后，在印刷线路板上与外部的连接处冲孔，把分立元件的接头或其 它部分的终端插入，焊接在这个口路上，这样一个完整的线路便组装完成了。 如果采用浸镀法，所有

11、接头的焊接可以一次完成。这样，对于那些需要精细布 置电路的场合，如无线电、电视机，计算机等，采用印刷电路可以节省大量布 线和固定回路的劳动；因而得到广泛应用，需要消费大量的铜箔。此外，在电 路的连接中还需用各种价格低廉、熔点低、流动性好的铜基 钎焊材料。 集成电路 微电子技术的核心是集成电路。集成电路是指以半导体晶体材料为基片（芯片），采用专门的工艺技术将组成电路的元器件和互连线集成在基片内部、 表面或基片之上的微小型化电路。 这种微电路在结构上比最紧凑的分立元件电 路在尺寸和重量上小成千上万倍。它的出现引起了计算机的巨大变革，成为现 代信息技术的基础。目前己开发出的超大规模集成电路，在比小姆

12、指甲还小的 单个芯片面积上，能做出的晶体管数目，己达十万甚至百万以上。最近，国际 著名的计算机公司IBM （国际商业机器公司），己采用钢代替硅芯片中的铝作 互连线，取得了突破性进展。这种用铜的新型微芯片，可以获得 30%的效能增 益，电路的线尺寸可以减小到 0.12 微米，可使在单个芯片上集成的晶体管数 目达到 200 万个。这就为古老的金属铜， 在半导体集成电路这个最新技术领域 中的应用，开创了新局面。 引线框架 为了保护集成电路或混合电路的正常工作，需要对它进行封装；并在封装 时，把电路中大量的接头从密封体内引出来。这些引线要求有一定的强度，构 成该集成封装电路的支承骨架，称为引线框架。实

13、际生产中，为了高速大批量 生产，引线框架通常在一条金属带上按特定的排列方式连续冲压而成。框架材 料占集成电路总成本的1/ 3丨/ 4,而且用量很大；因此，必须要有低的成 本。铜合金价格低廉，有高的强度、导电性和导热性，加工性能、针焊性和耐 蚀性优良，通过合金化能在很大范围内控制其性能，能够较好地满足引线框架 的性能要求，己成为引线框架的一个重要材料。它是目前钢在微电子器件中用 量最多的一种材料。3. 交通工业中的应用 船舶由于良好的耐海水腐蚀性能，许多铜合金，如：铝青铜、锰青铜、铝黄铜、 炮铜（锡锌青铜）、白钢以及镍铜合金（蒙乃尔合金）己成为造船的标准材料。 一般在军舰和商船的自重中，铜和铜合

14、金占 23%。军舰和大部分大型商船的螺旋浆都用铝青铜或黄铜制造。 大船的螺旋浆每 支重 20 25 吨。伊丽莎白皇后号和玛丽皇后号航母的螺旋浆每支重达 3 5 吨。大船沉重的尾轴常用 海军上将 炮铜，舵和螺旋浆的锥形螺栓也用同样 材料。引擎和锅炉房内也大量用钢和铜合金。世界上第一艘核动力商船，使用 了 30 吨白铜冷凝管。 近来用铝黄铜管作油罐的大型加热线圈。 在 10 万吨级的 船上就有 12 个这种储油罐，相应的加热系统规模相当大。船上的电气设备也 很复杂，发动机、电动机、通讯系统等几乎完全依靠铜和铜合金来工作。大小 船只的船舱内经常用钢和铜合金来装饰。甚至木制小船，也最好用钢合金（通 常

15、是硅青铜）的螺丝和钉子来固定木结构， 这种螺丝可以用滚轧大量生产出来。为了防止船壳被海生物污损影响航行，过去经常采用包覆铜加以保护；现 在，则普遍用刷含铜油漆的办法来解决。二次世界大战中，为御防德国磁性水雷对舰船的袭击，曾发展了抗磁性水 雷装置，在钢船壳周围附一圈铜带，通上电流以中和船的磁场，这样就可以不 引爆水雷。从 1944 年以后，盟军的所有船只，共计约 18， 000 艘，都装上了 这种去磁装置而得到了保护。一些大型主力舰为此需用大量的铜，例如其中一 艘用去铜线长 28 英里，重约 30 吨。 汽车汽车用铜每辆 102I 公斤，随汽车类型和大小而异，对于小轿车约占自 重的 69%。铜和

16、铜合金主要用于散热器、 制动系统管路、 液压装置、 齿轮、 轴承、刹车摩擦片、配电和电力系统、垫圈以及各种接头、配件和饰件等。其 中用钢量比较大的是散热器。现代的管带式散热器，用黄铜带焊接成散热器管子，用薄的铜带折曲成散热片。近年来为了进一步提高铜散热器的性能，增强它对铝散热器的竞争力，作 了许多改进。在材质方面，向铜中添加微量元素，以达到在不损失导热性的 前 提下，提高其强度和软化点，从而减薄带材的厚度，节省用钢量；在制造 工艺 方面，采用高频或激光焊接铜管，并用钢钎焊代替易受铅污染的软焊组 装散热 器芯体。这些努力的结果示于表 6.2，与钎焊铝散热器相比，在相同的 散热条件 下，即在相同的空气和冷却剂的压力降下，新型铜散热器的重量更 轻，尺寸显 著缩小；再加上钢的耐蚀性好、使用寿命长，铜散热器的优势就 更明显。此外