浅谈铜及铜合金的分类及应用

张鹏

摘要：铜及铜合金在机械、能源、交通以及工业设备中应用非常广泛，因此研究铜及铜合金的分类和应用很有必要，有利于更有效的应用铜及铜合金。

关键词：黄铜、青铜、白铜、应用

一、铜合金的分类

铜合金是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8.96g/cm3，熔点为1083℃，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、白铜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。含锌低于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，俗称弹壳黄铜或七三黄铜。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，适合于制造轴承﹑蜗轮﹑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，用于铸造高载荷的齿轮﹑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，适于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。这种白铜广泛用于制造精密机械﹑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、精密电阻、应变片、热电偶等用的材料。

二、铜及铜合金的应用

1.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汽作功。蒸汽的回路如下：

锅炉发生蒸汽- 蒸汽推动汽轮机作功- 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。由于铜导热性好并能抗水的腐蚀，所以它们均使用铝黄铜或白铜制造。太阳能的利用也要使用许多铜管。

※ 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。

※ 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，业已在海水淡化工厂、海洋采油采气平台、以及其它海岸和海底设施中广泛应用。

2.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，铜和铜合金占2～3%。 军舰和大部分大型商船的螺旋桨都用铝青铜或黄铜制造。大船的螺旋桨每支重 20～ 25吨。伊丽莎白皇后号和玛丽皇后号航母的螺旋桨每支重达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。

※ 汽车

汽车用铜每辆10～2I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。

※ 鐵路

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 。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。

3.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铜以外，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。

※ 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—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。

参考文献：

[1]闻邦春，张义民，鄂中凯，等.机械设计手册[M].5版.北京：机械工业出版社，2010

[2]中国重型机械工业协会《重型机械标准》编写委员会.重型机械标准[M].2007版.昆明：云南科技出版社，2007