铜和铜合金的应用Word下载.docx
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调查的结果示于图6.1。
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。
※中铜的消费量
近年来，随着全世界经济的发展，铜的消费量不断上升。
如图6.2所示，从1992年到1997年的五年间，世界钢的消费量从1100.5万吨增加到1310万吨，增长17%，年平均递增3.5%。
我国近年来铜需求量，年均增加速度4～5%，预计到2000将达到125～135万吨。
按人平均的年消费量：
发达国家（约占人口11亿）为10～20公斤；
发展中国家（约占人口49亿）为0～2公斤。
发达国家的钢消费水平显著高于发展中国家。
在发达国家中一个居民一生约需消费一吨钢，这个数字是相当可观的。
上述两个数据的对比表明，铜的消费水平，在一定程度上反映了一个国家的发展程度。
我国近年来铜的需求量虽有明显增长，但农村人日广阔，还存在一些贫困地区，按人口平均的年消费水平仅达0.l公斤左右，与印度（0.13公斤）相近，有十分广阔的发展前景。
※铜的消费结构
图6美国的铜消费结构（1983-1988年平均）
图6.4中国的铜消费结构（1986-1990年平均）
美国从1983年到1988年铜的消费量从201万吨增加到221万吨。
六年间铜在各行业应用的平均比例示于图6.3。
可见电气和电子工业消费铜最多。
它由1960年的52％上升到1988年的70％。
这是和电气化、自动化、信息化及整个社会现代化程度的提高密切相关的。
铜在建筑上的应用，在欧美等发达国家中已比较普遍，占有相当大的比例。
图6.4上给出我国在1986到1990年的相应时间内，铜的消费结构。
由于统计行业的分类方式有所差异，不能把图6.3和6.4直接进行比较。
在中国如果把电气、电子、邮电以及轻工中家电产品部分中铜的应用加在一起，作为电气和电子行业来计算，估计在60％左右。
与欧美等国相比，我国钢在建筑上的应用，近年来才刚刚起步，存在着巨大的潜在市场。
据统计，美国铜在住宅中的应用，每户用量1970年为120公斤，到1996年增加到200公斤。
汽车平均每辆用铜，1950年为10公斤，到1996年上升到19公斤，电动汽车则需每辆用铜25到40公斤。
图6.5上示出了世界铜市场在各个建设部门中应用的分配情况：
-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%
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%
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。
1．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，主要用于动力申．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"
最佳电缆截面"
标准。
过去流行的标准，单纯地从降低一次按装投资的角度出发，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，虽然按装费低了；
但是在长期使用过程中，电阻能耗却比较大。
"
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，一般在最初工作500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。
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2005年，还要增长l．4倍。
目前，我国的住宅电气线路设计容量偏低。
以两居室为例，表6.l上对比了北京、香港和日本的建筑电气设计标准。
可见，香港和日本在设计中，充分考虑了居民用电增长的需求；
我国住宅电气线路设计容量亟待提高。
图6.6我国居民用电量需求及预测
表6.1北京、香港和日本建筑电气设计标准
项目
北京
香港
日本
每户计算负荷（千瓦）
2
11
9
分支线路回路数
3
7
6
总计算负荷电流/开关电流（安）
10/20
60/63
40/50
电源铜质进线截面（毫米）
16
14
插座数量
19
22
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。
※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。
关于铜和铜合金在船舶中的应用情况，将在后节中介绍。
4．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。
表6.2汽车用新型铜散热器与铝钎焊散热器的比较（在相同散热条件下？
）
散热器芯
铝散热器
铜散热器
头部宽度，毫米
432
395
散热管高度，毫米
550
505
散热片厚度，毫米
0.114
0.038
散热管厚度，毫米
0.381
0.102
冷却液压力降，千帕
4.75
空气压力降，千帕
0.307
芯的净重量，公斤
1.67
1.56
芯的湿重量，公斤
2.04
1.89
此外，近年来为了环保，大力推广和发展电动汽车，每辆汽车的用钢量将成倍增加。
※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。
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。
5．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。
通过淬火一时效热处理，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。
6．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。
由于钢具有良好综合性能，到处可以看到它大显身手的踪影。
现仅举数例如下：
※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。
利用钢的良好加工性能，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搂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，大部分都用钢合金制作。
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.l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。
7．建筑和艺术用铜
※管道系统
由于钢水管具有美观耐用、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（l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。
香港早于1996年1月起禁止使用，上海也于1998年5月起实行。
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
在欧洲采用钢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。
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，用钢板建造，重约25吨；
于1966年开放的水晶宫运动中心，用钢60吨做成波浪形的屋顶等等。
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