铜材料的分类及其应用

铜是一种化学元素,它的化学符号是Cu,它的原子序数是29,是一种过渡金属。铜的最普遍用途在于制造电线,通常现时所用的电线都是由纯铜制成,这是因为它的导电性和导热性都仅次于银,但却比银便宜得多。

铜材料的分类及其应用

常见分类

有很多人都认为铜就是只有一种。它就是唯一。但其实还有其他不同种类的铜的。比如合金铜;黄铜是由铜和锌所组成的合金;白铜是铜和镍的合金;青铜是铜和除了锌和镍以外的元素形成的合金,主要有锡青铜,铝青铜等;紫铜是铜含量很高的铜,其它杂质总含量在1%以下。

铜加工材分类:硫酸铜、氯化铜、铜棒、铜排、铜锭、铜板、铜线、铜合金、粗铜、铜带、氧化铜、铜箔、铜管、铜箔、铜泥、铜铸件、电解铜、其他铜合金铜材。

以纯铜或铜合金制成各种形状包括棒、线、板、带、条、管、箔等统称铜材。铜材的加工有轧制、挤制及拉制等方法,铜材中板材和条材有热轧的和冷轧的;而带材和箔材都是冷轧的;管材和棒材则分为挤制品和拉制品;线材都是拉制品。

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纯铜

纯铜是玫瑰红色金属,表面形成氧化铜膜后呈紫色,故工业纯铜常称紫铜或电解铜。密度为8~9g/cm?,熔点1083℃.纯铜导电性很好,大量用于制造电线、电缆、电刷等;导热性好,常用来制造须防磁性干扰的磁学仪器、仪表,如罗盘、航空仪表等;塑性极好,易于热压和冷力加工,可制成管、棒、线、条、带、板、箔、等铜材。纯铜产品有冶炼品及加工品两种。

中国紫铜加工材按成分可分为:普通紫铜(T1、T2、T3、T4)、无氧铜(TU1、TU2和高纯、真空无氧铜)、脱氧铜(TUP、TUMn)、添加少量合金元素的特种铜(砷铜、碲铜、银铜)四类。

纯铜的电导率和热导率仅次于银,广泛用于制作导电、导热器材。紫铜在大气、海水和某些非氧化性酸(盐酸、稀硫酸)、碱、盐溶液及多种有机酸(醋酸、柠檬酸)中,有良好的耐蚀性,用于化学工业。另外,紫铜有良好的焊接性,可经冷、热塑性加工制成各种半成品和成品。20世纪70年代,紫铜的产量超过了其他各类铜合金的总产量。

纯铜中的微量杂质对铜的导电、导热性能有严重影响。其中钛、磷、铁、硅等显着降低电导率,而镉、锌等则影响很小。氧、硫、硒、碲等在铜中的固溶度很小,可与铜生成脆性化合物,对导电性影响不大,但能降低加工塑性。普通紫铜在含氢或一氧化碳的还原性气氛中加热时,氢或一氧化碳易与晶界的氧化亚铜(Cu2O)作用,产生高压水蒸气或二氧化碳气体,可使铜破裂。这种现象常称为铜的”氢病”。氧对铜的焊接性有害。铋或铅与铜生成低熔点共晶,使铜产生热脆;而脆性的铋呈薄膜状分布在晶界时,又使铜产生冷脆。磷能显着降低铜的导电性,但可提高铜液的流动性,改善焊接性。适量的铅、碲、硫等能改善可切削性。

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黄铜

黄铜是铜及锌的合金。最简单的黄铜是铜、锌二元合金,称为简单黄铜或普通黄铜。改变黄铜中锌的含量可以得到不同机械性能的黄铜。黄铜中锌的含量越高,其强度也较高,塑性较低。工业中采用的黄铜含锌量不超过45%,含锌量再高将会产生脆性,使合金性能变坏。黄铜可分为铸造和压力加工两类产品。

黄铜又分:

1)普通黄铜

它是由铜和锌组成的合金。当含锌量小于39%时,锌能溶于铜内形成单相a,称单相黄铜,塑性好,适于冷热加压加工。当含锌量大于39%时,有a单相还有以铜锌为基的b固溶体,称双相黄铜,b使塑性小而抗拉强度上升,只适于热压力加工。

代号用”H+数字”表示,H表示黄铜,数字表示铜的质量分数。如H68表示含铜量为68%,含锌量为32%的黄铜;铸造黄铜则在代号前”Z”字,如ZH62。

H90、H80单相,金黄色,故有金色共称之,称为镀层,装饰品,奖章等。H68、H59属于双相黄铜,广泛用于电器上的结构件,如螺栓,螺母,垫圈、弹簧等。

一般情况下,冷变形加工用单相黄铜,热变形加工用双相黄铜。

2)特殊黄铜

在普通黄铜中加入其它合金元素所组成的多元合金称为黄铜。常加入的元素有铅、锡、铝等,相应地可称为铅黄铜、锡黄铜、铝黄铜。加合金元素的目的。主要是提高抗拉强度改善工艺性。

代号:为”H+主加元素符号(除锌外)+铜的质量分数+主加元素质量分数+其它元素质量分数”表示。

如:HPb59-1表示铜的质量分数为59%,含主加元素铅的质量分数为1%,余量为锌的铅黄铜。

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青铜

青铜是历史上应用最早的一种合金,原指铜锡合金,因颜色呈青灰色,故称青铜。为了改善合金的工艺性能和机械性能,大部分青铜内还加入其他合金元素,如铅、锌、磷等。由于锡是一种稀缺元素,所以工业上还是用许多不含锡的无锡青铜,他们不仅价格便宜,还具有所需要的特殊性能。青铜也分为压力加工和铸造产品两大类。

代号:表示方法为”Q+主加元素符号及质量分数+其它元素的质量分数”所组成。铸造产品则在代号前加”Z”字,如:Qal7表示含铝为5%,其余为铜的铝青铜ZQsn10-1表示含锡量为10%,其它合金元素含量为1%,余量为铜的的铸造锡青铜。青铜又可分为锡青铜和特殊青铜(即无锡青铜)两类。

(1)是由锡为主加元素的铜锡合金,也称为锡青铜

当含锡量小于5~6%,锡溶于铜中形成a固溶体,塑性上升,当含锡量大于5~6%时,由于出现了Cu31Sb8为基的固溶体,抗拉强度下降,所以锡青铜含锡量大多在3~14%之间,当含锡量小于5%,适用于冷变形加工,当含锡量为5~7%时的适用于热变形加工。当含锡量大于10%时,适用于铸造。

由于a与电极电位相近,且成分中的锡氮化后生成致密的二氧化锡薄膜,耐大气、耐海水等的耐蚀性上升,只是耐酸性较差。

因为锡青铜结晶温度范围较宽,流动性差,不易形成集中缩孔,而易形成枝晶偏析和分散缩孔,铸造收缩率小,有利于得尺寸极接近于铸型的铸件,所以适于铸造形状复杂,壁厚较大的条件,而不适宜铸造要求致密度高和密封性好的铸件。锡青铜有良好的减摩性,抗磁性及低温韧性。锡青铜按生产方法可分为压力加工锡青铜与铸造锡青铜两大类。

A、压力加工锡青铜

含锡量一般小于8%,宜冷热压力加工成板|、带、棒、管等型材供应,经加工硬化后,其抗拉强度、硬度上升、而塑性下降。再退火后可保持较高抗拉强度下改善塑性、尤其是获得高的弹性极限。适制仪表上要求耐蚀及耐磨件,弹性件,抗磁件及机器中滑动轴承,轴套等常用的有Qsn4-3Qsn6.5~0.1。

B、铸造锡青铜

以铸锭供应,由铸造车间铸成铸件使用,适宜铸造形状复杂但致密度要求不高的铸件,如滑动轴承、齿轮等。常用的有ZQsn10-1ZQsn6-6-3。

2)特殊青铜

加入其它元素以取代锡,或为无锡青铜,多数特殊青铜都比锡青铜具有更高的机性,耐磨性与耐蚀性,常用的有铝青铜(QAL7QAL5)铅青铜(ZQPB30)等。

以镍为主要添加元素的铜基合金呈银白色,称为白铜。镍含量通常为10%、15%、20%,含量越高,颜色越白。铜镍二元合金称普通白铜,加锰、铁、锌和铝等元素的铜镍合金称为复杂白铜,纯铜加镍能显着提高强度、耐蚀性、电阻和热电性。工业用白铜根据性能特点和用途不同分为结构用白铜和电工用白铜两种,分别满足各种耐蚀和特殊的电、热性能。

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白铜

以镍为主要添加元素的铜基合金呈银白色,称为白铜。铜镍二元合金称普通白铜,加锰、铁、锌和铝等元素的铜镍合金称为复杂白铜,纯铜加镍能显着提高强度、耐蚀性、电阻和热电性。工业用白铜根据性能特点和用途不同分为结构用白铜和电工用白铜两种,分别满足各种耐蚀和特殊的电、热性能。

辨别方法

白铜、黄铜、红铜(也称为”紫铜”)、青铜(青灰色或者灰黄色)是从颜色上区别的。其中白铜、黄铜极易区分;红铜是纯铜(杂质<1%)、青铜(其他合金成分5%左右)稍难以区别。未氧化时,红铜色泽较青铜亮,青铜略带青色或黄色偏暗;氧化后,红铜变为黑色,青铜则位青绿色(多水的有害氧化)或者巧克力色。

铜是人类祖先最早应用的金属。它具有许多优异的特性和奇妙的功能,不但为人类社会的进步作出了不可磨灭的贡献;而且随着人类文明的发展不断开发出新的用途。铜既是一个古老的金属,又是一个充满生机和活力的现代工程材料。当前人类步入了丰富多彩的,以电气化和电子信息为特征的,高度文明的社会,为铜的应用,用开辟了更为广阔的大地。

为什么要用铜,主要利用它哪些性能?铜具有优良的导电和导热性,居所有工程金属材料之冠,这是它在当前电气化和电子信息社会中产生举足轻重作用的主要依据。铜还有许多优异的综合性能:它对大气、海水、土壤以及许多化学介质有很强的耐蚀性;它用在结构上刚柔并济,富有弹性,耐摩擦,抗磨损;它具有多彩的外观,是人们钟爱的、古朴典雅的象征。除了上述众多的使用性能外,它还有一系列良好的加工、铸造、焊接、易切削等工艺性能,从而使它获得了经济和广泛的应用。

——房屋建设占48%:包括:管道系统(水,热,气,防火喷淋等);房屋设施(空调,冰箱等);建筑装修(屋顶,流槽,装饰等);通讯线路(声、像、数据等);电源系统。

——装备生产占 41%:包括:工业装备(电机,变压器等);交通工具(汽车,铁路,飞机等);电子器件;轻工业品(家用电器,仪表,工具等)

——基本设施占11%:包括:大型工程(交通设施,石化工业,采冶工业等);电力事业(输电,配电等);通信网络。

值得注意的是,房屋建设与人们生产水平的提高直接相关,铜在这方面的应用占有最大的比重;特别是我国将住宅建设作为拉动整个国民经济发展的一个重要环节,由此可见,积极推广铜的应用对国计民生的重要作用。

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电气工业中的应用

※ 电力输送

电力输送中需要大量消耗高导电性的铜,主要用于动力、线电缆、汇流排、变压器、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”更佳电缆截面”标准。”更佳电缆截面”标准,则兼顾一次按装费用和电能消耗这两个因素,适当放大电缆尺寸,以达到节能和更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内,由于钢供不应求,考虑到铝的比重只有铜的 30%,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。

同样的原因,以节能高效的铜绕组变压器,取代美日的铝绕组变压器,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4~16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25~ 100%。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。我国居民用电量今后仍有很大发展,这也极大的增加了铜导线的应用。

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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),己采用铜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~ l/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。

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能源及石化工业中的应用

※ 能源工业

火力及原子能发电都要依靠蒸气作功。蒸气的回路如下:

锅炉发生蒸气- 蒸气推动汽轮机作功- 作功后的蒸汽送至冷凝器- 冷却成水- 回到锅炉重新变成蒸汽。

其间主冷凝器由管板和冷凝管组成。由于钢导热性好并能抗水的腐蚀,所以它们均使用锅黄铜、铝黄铜或白铜制造。根据资料介绍,每万千瓦装机容量需要5吨冷凝管。一个60万千瓦的发电厂就需要300吨冷凝管材。

太阳能的利用也要使用许多铜管。例如:英国伦敦附近某旅馆的一个游泳池,装备了太阳能加热器,在夏季可以将水温保持在18~24℃。在该太阳能加热器中含有784磅(356公斤)铜管。

※ 石化工业

铜和许多铜合金,在水溶液、盐酸等非氧化性酸、有机酸(如:醋酸、柠檬酸、脂肪酸、乳酸、草酸等)、除氨以外的各种碱及非氧化性的有机化合物(如:油类、酚、醇等)中,均有良好的耐蚀性;因而,在石化工业中大量用于制造接触腐蚀性介质的各种容器、管道系统、过滤器、泵和阀门等器件。还利用它的导热性,制造各种蒸发器、热交换器和冷凝器。由于铜的塑性很好,特别适合于制造现代化工工业中结构错综复杂、铜管交叉编制的热交换器。此外在石油精炼工厂中都使用青铜生产工具;原回是冲击时不迸出火花,可以防止火灾发生。

※ 海洋工业

海洋占地球表面面积70%以上,合理地开发利用海洋资源日益受到人们的重视。海水中含确”容易造成腐蚀的氯离子,钢铁、铝、甚至不锈钢等许多工程金属材料均不耐海水腐蚀。此外在这些材料,以及木材、玻璃等非金属材料的表面上还会形成海洋生物污损。铜则一枝独秀,不但耐海水腐蚀;而且溶入水中的铜离子有杀菌作用,可以防止海洋生物污损。因而,铜和铜合金是海洋工业中十分重要的材料,业己在海水淡化工厂、海洋采油采气平台、以及其它海岸和海底设施中广泛应用。例如,海水淡化过程中使用的管路系统、泵和阀门,以及采油采气平台上使用的设备,包括飞溅区和水下用的螺栓、钻孔日,抗生物污损包套、泵阀和管路系统等等。

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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)、白铜以及镍铜合金(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,铜和铜合金占2~3%。

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35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铜和铜合金。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铜和铜合金来装饰。甚至木制小船,也最好用铜合金(通常是硅青铜)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。

※ 汽车

汽车用铜每辆10~21公斤,随汽车类型和大小而异,对于小轿车约占自重的6~9%。铜和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。其中用铜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,并用铜软焊代替易受铅污染的软焊组装散热器芯体。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。

※ 铁路

铁路的电气化对铜和铜合金的需要量很大。每公里的架空导线需用2 吨以上的异型铜线。为了提高它的强度,往往加入少量的铜(约1%)或银 (约of%)。此外,列车上的电机、整流器、以及控制、制动、电气和信号系统等都要依靠铜和铜合金来工作。

※ 飞机

飞机的航行也离不开铜。例如:飞机中的配线、液压、冷却和气动系统需使用铜材,轴承保持器和起落架轴承采用铝青铜管材,导航仪表应用抗磁钢合金,众多仪表中使用破铜弹性元件等等。

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机械和冶金工业中的应用 

※ 机械工程

几乎在所有的机器中都可以找到铜制品部件。除了电机、电路、油压系统、气压系统和控制系统中大量用钢以外,种类繁多用黄铜和青铜制造的传动件和固定件,如齿轮、蜗轮、蜗杆、联结件、紧固件、扭拧件、螺钉、螺母等,比比皆是。几乎在所有作机械相对运动的部件之间,都要使用减磨铜合金制作的轴承或轴套,特别是万吨级的大型挤压机、锻压机的缸套、滑板几乎都用青铜制成,铸件重量可达数吨。许多弹性元件,几乎都选用硅青铜和锡青铜作为材料。焊接工具、压铸模具等更离不开铜合金,如此等等。

※ 冶金设备

冶金工业是消耗电能的大户,素有”电老虎”之称。在冶金厂的建设中通常必须要有一个依靠铜来进行工作的庞大的输、配电系统和电力运转设备。此外,在火法冶金中,连续铸造技术已占据主导地位,其中的关键部件一结晶器,大都采用铬铜、银铜等高强度和高导热性的铜合金。电冶金中的真空电弧炉和电渣炉水冷坩埚使用钢管材制造,各种感应加热的感应线圈都是用铜管或异型铜管绕制而成,内中通水冷却。

※ 合金添加剂

铜是钢铁和铝等合金中的重要添加元素。少量铜(0.2~0.5%)加入低合金结构用钢中,可以提高钢的强度及耐大气和海洋腐蚀性能。在耐蚀铸铁和不锈钢中加入铜,可以进一步提高它们的耐蚀性。含铜30%左右的高镍合金是著名的高强度耐蚀”蒙乃尔合金”,在核工业中广泛使用。

在许多高强度铝合金中都含有铜。通过淬火时效热处理,在合金中析出弥散分布的细小颗粒,而显著提高其强度,称为时效硬化铝合金。其中著名的有杜拉铝或称硬铝,它是一种含铜、锰、镁的铝合金,是制造飞机和火箭的重要结构材料。

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轻工业中的应用

轻工业产品与人民生活密切相关,品种繁多、五花八门。由于铜具有良好综合性能,到处可以看到它大显身手的踪影。

※ 空调器和冷冻机

空调器和冷冻机的控温作用,主要通过热交换器铜管的蒸发及冷凝作用来实现。热交换传热管的尺寸和传热性能,在很大程度上决定了整个空调机和制冷装置的效能和小型化。在这些机器上采用的都是高导热性能的异型铜管。利用铜的良好加工性能,最近开发和生产出带有内槽和高翅片的散热管,用于制造空调器、冷冻机、化工及余热口收等装置中的热交换器,可使新型热交换器的总热传导系数提高到用普通管的2~3倍,和用普通低翅片管的 1.2~1.3倍,己在国内使用,可节省 40%的铜,并使热交换器体积缩小 1/3以上。

※ 钟表

目前生产的钟表,计时器和有钟表机构的装置,其中大部分的工作部件都用”钟表黄铜”制造。合金中含1.5-2%的铅,有良好加工性能,适合于大规模生产。例如,齿轮由长的挤压黄铜棒切出,平轮由相应厚度的带材冲出,用黄铜或其它铜合金制作镂刻的钟表面以及螺丝和接头等等。大量便宜的手表用炮铜(锡锌青铜)制造,或镀以镍银(白铜)。一些著名的大钟都用钢和铜合金制作。英国”大笨钟”的时针用的是实心炮铜杆,分针用的是14英尺长的铜管。

一个现代化的钟表厂,以铜合金为主要材料,用压力机和精确的模具加工,每天可以生产一万到三万只钟表,费用很低。

※ 造纸

在当前信息万变的社会里,纸张消费量很大。纸张表面看来简单,但是造纸工艺却很复杂,需要通过许多步骤,应用很多机器,包括冷却器、蒸发器、打浆器、造纸机等等。其中许多部件,如:各种热交换管、辊轮、打击棒、半液体泵和丝网等,大部分都用铜合金制作。

例如,目前采用的长网造纸机,它要将制好的纸浆喷到快速运动的具有细小网孔( 40~60目)的网布上。网布由黄铜和磷青铜丝编织而成,它的宽度很大,一般在20英尺(6米)以上,要求保持完全平直。网布在一系列小的黄铜或铜辊子上运动,当带着喷附其上的纸浆通过时,湿气从下面空吸出去。网子同时振动以使纸浆中的小纤维粘结在一起。大型造纸机的网布尺寸很大,可以达到宽26英尺8英寸( 8. 1米)和长100英尺( 30. 5米)。湿纸浆不但含水,而且含有造纸过程中使用的化学药剂,腐蚀性很强。为了保证纸张质量,对网布材料要求很严,不但要有高的强度和弹性;而且要抗纸浆腐蚀,铜合金完全可以胜任。

※ 印刷

印刷中用铜版进行照相制版。表面抛光的铜版用感光乳胶敏化后,在它上面照相成像。感光后的铜版需加热使胶硬化。为避免受热软化,铜中往往含有少量的银或砷,以提高软化温度。然后,对版子进行腐蚀,形成分布着凹凸点子图形的印刷表面。

在自动排字机上,要通过黄铜字型块的编排,来制造版型,这是铜在印刷中的另一个重要用途。字型块通常用的是含铅黄铜,有时也用铜或青铜。

※ 酿酒

在世界的啤酒酿造中,铜起重要作用。经常用铜作麦芽桶和发酵罐的内村。在一些著名的啤酒厂中备有十余个容量超过2万加仑的这种大桶。在发酵缸中,为了降温,常用钢管通水冷却。还用钢管通水蒸汽在酿造啤酒时进行加热,以及用钢管输送酒液等。

蒸馏威士忌和其它烈性酒时,通常用钢制蒸馏锅。威士忌麦芽酒需蒸馏两次,要用两个大铜蒸馏锅。

※ 医药

制药工业中,各类蒸、煮、真空装置等都用纯铜制作。在医疗器械中则 广泛使用锌白铜。铜合金还是眼镜架的常用材料等等。

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建筑和艺术用铜

※ 管道系统

由于铜水管具有美观耐用、安装方便、安全防火、卫生保健等诸多优点,使它与镀锌钢管和塑料管相比存在明显优越的价格性能比。在住宅和公用建筑中,用于供水、供热、供气以及防火喷淋系统,日益受到人们的青睐,成为当前的首选材料。在发达国家中,铜制供水系统己占很大比重。美国纽约号称世界第六高楼的曼哈顿大厦,其中仅供水系统一项,就用去铜管 6万英尺 (1万公里)。在欧洲,饮水用钢管消耗量很大。英国的饮水用钢管消耗量平均每人每年1.6公斤,日本为0.2公斤。由于镀锌钢管容易锈蚀,许多国家己明令禁用。我国在房屋建设中推广使用铜管道系统,势在必行。

※ 房屋装修

在欧洲采用通板制作屋顶和漏檐已有传统。北欧国家中甚至用它作墙面装饰。铜耐大气腐蚀性能很好、经久耐用、可以回收,它有良好的加工性可以方便地制作成复杂的形状,而且它还有美观的色彩;因而很适合于用做房屋装修。它在教堂等古建筑物屋顶上的应用己有悠久历史,至今仍发出诱人的光彩;而且在现代大型建筑甚至公寓和住宅的建设上的应用也越来越多。例如:在伦敦,代表现代英国建筑艺术的”英联邦委员会”大厦,屋顶形状复杂,用铜板建造,重约 25吨;于 1966年开放的水晶宫运动中心,用铜 60吨做成波浪形的屋顶等等。据统计,用做屋顶的铜板,在德国平均每人每年消费0.8公斤,美国为0.2公斤。

此外,屋内的装修,如:门把手、锁、百页、按栏、灯具、墙饰以及厨房次具等等,使用钢制品不但经久耐用,消毒卫生,而且装点出高雅的气息,深受人们喜爱。

※ 塑像和工艺品

世界上没有那一种金属,能够像铜那样广泛应用于制造各种工艺品,从古至今,经久不衰。今天城市建设中,各种纪念物、铸钟、宝鼎、雕像、佛像、仿古制品等等,大量使用铸造铜合金。现代乐器,如长笛使用白铜制成,萨克斯管用的是黄铜材料。各种精美的艺术品,价廉物美的镀金以及仿金、仿银首饰也都需要使用各种成分的铜合金。

1996年建成的香港天坛大佛,使用锡、锌、铅青铜铸造拼接而成,高26米,重206吨。1997年建成的浙江普陀山南海观音大佛,高20米,重 70吨,是世界上第一座使用仿金材料建成的巨型铜像。嗣后在无锡落成了高88米的青铜释迹牟尼佛像。

※ 钱币

自从人类祖先使用钱币进行交易以来,就用铜和铜合金来制造钱币,历代相传,沿袭至今。随着现代自动投币电话、乘车和购物等利民活动的发展,造币用钢量有增无减。

在铜币的应用中,除了变化尺寸以外,可以很方便地采用不同合金成分、改变合金色彩来制造和区分不同面值的货币。常用的有含2 5%镍的”银币”,含20%锌和 1%锡的黄铜币以及含少量锡(3%)和锌(1.5%)的”铜”币。全世界每年生产铜币要消耗成千上万吨的铜。仅伦敦皇家造币厂一家,每年生产7亿个铜币,约需金属七千吨。

8
高科技上的应用

铜不但在传统工业中有广泛应用,而且在新兴产业以及高科技领域中也发挥着重要作用,举例如下:

※ 计算机

信息技术是高科技的前导。它依靠的是现代人类智慧的结晶——计算机这个工具,对瞬息万变、浩如烟海的信息进行加工和处理。计算机的心脏由微处理器(包含运算器和控制器)和存储器组成。这些基本部件(硬件)都是大规模集成电路,在微小的芯片上分布着千万个相互连接的晶体管、电阻。 电容等元件,以进行快速的数值运算,逻辑运算和大量的信息储存。这些集成电路的芯片要通过引线框架和印刷电路组装起来才能进行工作。从前面”电子工业中的应用”一章中可以看到,铜和铜合金不但是引线框架、焊料和印刷电路版中的重要材料;而且还能够在集成电路的微小元件互连中起重要作用

※ 超导和低温

一般材料(除半导体以外)的电阻随温度降低而减小,当温度降得很低时,某些材料的电阻会完全消失,这种现象称为超导性。出现超导性的这个最高温度称为该材料的超导临界温度。超导性的发现为电的利用打开了一个新大地。回为电阻为零,只要施加一个很小的电压就可以产生十分巨大(理论上是无限大)的电流,获得巨大的磁场和磁力;或者当电流通过它时,不发生电压的降低和电能的损耗。显然它的实际应用将会引起人类在生产和生活上的变革,很受人们的关注。

但是对通常的金属来说,只有当温度降低到十分接近绝对零度(-273 °C)时才出现超导性,在工程上很难实现。近年来已开发出一些超导合金,它们的临界温度比纯金属的高,例如,Nb3Sn合金为18.1K。但是它们的应用一点也离不开铜。首先是这些合金要在超低温下工作,要通过气体的液化来获得低温,例如:液氦、液氢和液氮的液化温度分别为4K(一269℃)、20K(一253℃)和77K(一 196℃)。铜在这样低的温度下仍有良好的韧塑性,是低温工程中不可缺少的结构和管路输送材料。此外,Nb3Sn、NbTi等超导合金很脆,难以加工成型材,需用铜做包套材料把它们结合起来。目前这些超导材料已用于制作强磁体,在医疗诊断的核磁共振仪以及某些矿山强力磁选机上得到了应用。正在筹划中的,时速超过500公里的磁浮列车,也要依靠这些超导材料磁体把列车悬浮起来,避免轮轨接触的阻力,而实现车厢的高速运行。

※ 航天技术

火箭、卫星和航天飞机中,除了微电子控制系统和仪器、仪表设备以外,许多关键性的部件也要用到铜和铜合金。例如:火箭发动机的燃烧室和推力室的内村,可以利用钢的优良导热性来进行冷却,以保持温度在允许的范围内。亚里安那5号火箭的燃烧室内村,用的是铜一银一结合金,在这个村简内加工出360个冷却通道,火箭发射时通入液态氢进行冷却。

此外,铜合金也是卫星结构中承载构件用的标准材料。卫星上的太阳翼板通常是由铜与其它几个元素的合金制成的。

※ 高能物理

揭示物质结构之谜是科学家孜孜以求的重大基础课题。对这个问题的认识每深入一步,都会给人类带来重大的影响。当前原子能的利用就是一个例子。近代物理的最新研究业已发现,物质的最小构成单元不是分子和原子而是比它小亿倍的夸克和轻子。现在对这些基本粒子的研究往往要在比原子弹爆炸时的核作用高数百倍的极高反应能下进行,称为高能物理。这样高的能量是通过带电粒子在强磁场内,经过长距离加速,向固定的靶”轰击”而获得(高能加速器),或者两个相反方向加速运动的粒子流互相对撞而获得(对撞机)。为此,需要用钢作绕组构筑出长距离的强磁场通道。此外,在受控热核反应装置中也要有类似的结构。为了降低由于通过大电流的发热温升,这些磁通道由中空的异型铜棒绕成,以便通入介质进行冷却。

9
铜化合物的应用

铜的化合物,主要有:硫酸铜(五水、一水和无水)、醋酸铜、氧化铜和氧化亚铜、氯化铜和氯化亚铜、氯氧化铜、硝酸铜、氰化铜、脂肪酸铜、环烷酸铜等,在农牧业、工业和医疗卫生等各个领域都有广泛应用。其中应用最广的是硫酸铜,通常是五水硫酸铜(CuSO4·5H2O),由于呈兰色,俗称兰矾。它往往也是生产其它许多盐类的原料。

人类应用钢化合物的历史可以追溯到五千多年前,墓葬中发现古埃及人己使用硫酸铜做染色时的媒染剂(留色饰染剂),一直沿用至今。根据统计,目前世界上生产硫酸铜的厂子超过一百家,世界年消费量约20万吨,估计其中3/4用于农牧业,主要用作杀菌剂。

※ 在农牧业中的应用

铜的化合物是消除病虫害的有效杀菌农药,可以控制所有霉菌或真菌引起的病害。除直接采用硫酸铜泡种子外,在果园和农田中经常使用的是一些铜盐混合液。最重要的有以法国著名葡萄产地命名的波尔多液(石灰硫酸铜液)和伯更狄液(苏打硫酸铜液),还有巴黎绿、菌杀特等。

据报导,用铜杀菌剂可以防治百余种作物中经常发生的300多种病害。这些作物包括:

-葡萄、柑桔、香蕉、苹果、梨、桃等各种多年生的果木;

-咖啡、橡胶、棉花、甜菜等经济作物;

-小麦、大米、玉米、大麦、燕麦等谷物;

-豆类、西红柿、土豆和莴苣等。

铜是保持农作物和畜禽健康成长必须的微量营养素。通常,当农田土壤中的有效铜含量低于2ppmm(1ppmm为百分之一)时,农作物就要因缺铜而减产,严重时甚至颗粒不收,或者当牧场土壤中有效铜含量低于5ppmm时,牲畜就要患缺铜症。目前由于集约性的高产作业,在大量使用有化肥中不含铜或含铜量很低,引起土地瘠化,使缺铜日益成为当前世界上日益关注的问题。为了纠正和防止缺铜,要及时用铜盐补充。可以直接加入或者和富含氮和磷的肥料一起加入;可以用来改良土壤长期起作用,或者每年喷洒在作物的幼苗上。对于畜禽,除改善牧场外,可以将铜盐掺入饲料中或采用其它办法直接注入有缺铜症状的牲畜体内。硫酸钢还是猪和鸡的助长剂,可以提高它们的食欲和增进食物的转化。在饲料中拌人0.1%的硫酸铜,能够显著地促进猪和肉鸡的增重。

铜离子有强烈的消毒灭菌作用,可以防止一些常见牲畜疾病的流行。例如:水中少量铜(不足lppm)就能够消灭水中繁殖的给输、螺和蜗牛等软体动物,这些软体动物是血吸虫的寄主,因而可以防止热带和温带动物中容易出现的肝血吸虫病。还可以用硫酸铜来消毒栏圈,防止牛、羊烂脚,以及猪丹毒和牛痢疾的传播等。

此外,池塘、水田、水渠和河湖中令人讨厌的绿藻污染,可以加入铜盐来消除。铜盐可以作为防霉保鲜剂,应用于谷物、水果和蔬菜的储藏。其中一个简便的办法,是用浸过铜盐的纸进行包装

※ 在工业上的应用

铜化合物在工业上的应用很广,几乎每一行业都或多或少地用到它,下面举一些例子。

硫酸铜是印染工艺中常用的染剂,以提高光泽的持久性和耐洗性,广泛应用于纺织和皮革业.

铜的化合物有兰、绿、红、黑等彩色,可以用做玻璃、陶瓷、水泥、搪瓷的着色剂。它们也是某些染发剂的组成。在烟火中加入硝酸铜发绿光,等等。

添加铜化合物的油漆有抗海水生物污损的作用。

铜的一些有机化合物是有效的防腐剂,用于纸浆、木材、木制品和帆布等织物的防腐。

铜的某些化合物是橡胶、石油和人造纤维生产过程中的重要化学制剂,起催化、净化等作用。

硫酸铜电解液,用于镀铜、生产电解铜箔和铜的提纯等。

在采矿业中,以硫酸铜为活化剂,对铅、锌、铝和金等矿物进行浮选。

※ 在人体保健上的应用

铜是人体健康不可缺少的微量营养素,对于血液、中枢神经和免疫系统,头发、皮肤和骨骼组织以及脑子和肝、心等内脏的发育和功能有重要影响。铜主要从日常饮食中摄入。世界卫生组织建议,为了维持健康,成人每公斤体重每天应摄入0.03毫克铜。孕妇和婴幼儿应加倍。缺铜会弓I起各种疾病,可以服用含铜补剂和药丸来加以补充。

铜离子可以消毒杀菌、卫生防疫。例如:可以杀灭易于在水中滋生的大肠杆菌和痢疾等病菌,清除水中传播血吸虫病的蛞蝓和螺等软体动物,以及传播疟疾的蚊子幼虫等疾病携带体。它还可以应用在游泳池内,防止绿藻污染和通过地板传染足癣等等。

铜的化合物可以治疗某些疾病。在一些西方国家很早就用硫酸盐来医治肺病和精神失常;在一些非洲和亚洲国家则用来治疗溃疡和皮肤病。含铜药品目前正在不断开发中。


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