铜合金性能与应用.

主要内容1.纯铜的结构与性能2.纯铜的应用3.铜合金的分类4.铜合金的应用5.高速电气化铁路用铜和铜合金接触导线1.纯铜的结构性能1.1铜的基本概况铜（copper）是一种化学元素，它的化学符号是Cu，原子序数是29，相对原子质量是64，是一种过渡金属。纯铜呈紫红色，密度8.92g/mm2，熔点1083℃，沸点2567℃，常见化合价+1和+2。铜在地壳中的含量约为0.01%，在个别铜矿床中，铜的含量可以达到3%～5%。自然界中的铜，多数以化合物即铜矿物存在。1.2铜的晶体结构铜属于立方晶系，是面心立方（fcc），晶胞参数：a=361.49pmb=361.49pmc=361.49pmα=90°β=90°γ=90°1.3铜的物理化学性能铜是人类发现最早的金属之一，也是最好的纯金属之一。稍硬、极坚韧、耐磨损，导热、导电性能较好（铜的3d全满4s只有一个电子，电子的流动性好），还有很好的延展性，耐腐蚀能力强，但在潮湿的空气里在其表面可以生成一层绿色的碱式碳酸铜Cu2（OH)2CO3，叫做铜绿。可溶于硝酸和热浓硫酸，略溶于盐酸，容易被碱侵蚀。铜是不太活泼的重金属元素。在常温下不与干燥空气中的氧反应，但加热时能与氧化合成黑色的氧化铜CuO，继续在很高的温度下燃烧就生成红色的氧化亚铜Cu2O，Cu2O有毒。此外，常温下铜就能与卤素直接化合，加热时铜能与硫直接化合生成CuS，铜还能与三氯化铁作用。2.纯铜的应用铜是与人类关系非常密切的有色金属，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在中国有色金属材料的消费中仅次于铝。铜在电气、电子工业中应用最广、用量最大，占总消费量一半以上。用于各种电缆和导线，电机和变压器，开关以及印刷线路板的制造中。在机械和运输车辆制造中，用于制造工业阀门和配件、仪表、滑动轴承、模具、热交换器和泵等。在化学工业中广泛应用于制造真空器、蒸馏锅、酿造锅等。在国防工业中用以制造子弹、炮弹、枪炮零件等，每生产300万发子弹，需用铜13-14吨。在建筑工业中，用做各种管道、管道配件、装饰器件等。3.铜合金的分类3.1铜合金简介铜合金（copperalloy）是以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。分为三大类：黄铜、青铜和白铜。常添加的元素如：银、铬、镁、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。船舶常用的消防栓防爆月牙扳手，就是黄铜加铝铸造而成。3.2铜合金分类按合金分类按合金系划分，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，又分为黄铜、青铜、白铜。黄铜即以锌作主要添加元素的铜合金﹐具有美观的黄色，统称黄铜。白铜即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。青铜是我国使用最早的合金，至今已有三千多年的历史。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，如：锡青铜、铝青铜、铍青铜等。按功能分类按功能划分，有导电导热用铜合金（主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-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。按材料形成方法按材料形成方法可划分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。4.铜合金的应用4.1电气工业电力输送：电力输送中需要大量消耗高导电性的铜合金，主要用于制造电线电缆、汇流排、变压器、开关、接插原件和联接器等。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。4.2电子工业印刷电路：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。集成电路:微电子技术的核心是集成电路。最近，国际著名的计算机公司IBM，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，目前大多数引线框架都是铜合金4.3交通工业船舶：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、锡锌青铜、白钢以及镍铜合金己成为造船的标准材料。军舰和大部分大型商船的螺旋浆都用铝青铜或黄铜制造，一般在军舰和商船的自重中，铜和铜合金占2～3%。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。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。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。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。4.4建筑业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。由于镀锌钢管容易锈蚀，许多国家己明令禁用，上海于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。除了以上应用外，铜合金在轻工业、航空航天等工业中也有比较广泛的应用。5.高速电气化铁路用铜和铜合金接触导线电气化铁路开始于19世纪末，距现在约有130年的历史。到目前为止，已拥有高速电气化铁路的国家有日本、法国、德国、意大利、西班牙、美国、中国等60多个国家。从1879年5月柏林贸易展览会上展示第一条电气化铁路到2012年12月1日哈大高铁正式开通，全球电气化铁路营运里程已突破25万公里，中国总里程也已达到4.8万公里(包括低速、准高速和高速），跃升为世界第一位。接触线的发展是与电气化铁路的发展相对应的，这就要求有与之相适应的高速电气化铁路用接触导线。接触线也称电车线，是高速电气化铁路接触网的重要组成构件之一，一般做成两侧带有凹槽的圆柱状。接触线通过与机车上的电弓滑板滑动摩擦直接向机车输电，其性能直接影响机车的受流稳定性及安全性。铜和铜合金因具有强度高、导电性好、耐腐蚀、耐磨损和抗高温软化等综合性能，被广泛应用于电气化铁路用接触线材料。目前接触线材料大致有三种：纯铜接触线、铜合金接触线和复合金属接触线。铜合金接触线有：铜银型、铜锡型、铜镁型、铜铬锆型。复合金属接触线有：铝包钢和铜包钢。5.1纯铜接触线纯铜接触导线的电导率高,可以达到９７．５％ＩＡＣＳ，但是由于不含合金元素,只能依靠加工硬化来提高强度,所以其强度不高,耐磨、耐热性较差。抗拉强度≤350MPa，大量应用在≤200km/h的中低速铁路线上。我国已具备生产用于200km/h以下的接触导线能力。5.2铜银型接触线包括铜银和铜锡银。我国现已生产和标准化(铁道系统行业标准)的铜银和铜锡银接触导线，按其性能已和德国产铜银接触导线相当，但在接触导线的平直度上尚需稍作改进提高，以降低受电弓和接触导线的离线率。这类接触导线，根据德国在Re-250型接触网中的使用速度可达250km/h。国内正在运营的200～250km/h量级高速电气化铁路，普遍采用铜银、铜锡银系列接触导线，电导率均在85%IACS以上。我国自行研制的Cu-0.04Ag-0.07Sn接触导线抗拉强度和电导率分别达409MPa和90%IACS。铜银合金接触导线相对纯铜接触导线，它的导电性好、载流量大，但是此类接触导线材料的强化效果不明显。5.3铜锡型接触线世界各国高速铁路大多采用的接触线以铜锡合金和铜镁合金为主。相比之下，铜锡合金接触线制造工艺简单，成品率高，价格相对便宜。日本自１９９４年开始在东海道新干线和山阳新干线提速工程中采用新型铜锡合金接触线，并于１９９７年首次实现了商业运行速度３００ｋｍ／ｈ的目标。法国在速度为３００～３５０ｋｍ／ｈ的接触网中研制和试用的铜锡－１２０接触线，常温抗拉强度和电导率分别可达５３７．５ＭＰａ和７０％ＩＡＣＳ。而我国铜锡合金接触线的抗拉强度和电导率分别为３６０．８ＭＰａ和７０％ＩＡＣＳ，要达到法国的水平，还需要进一步的研究开发。除了日本和法国外，英国和澳大利亚也有铜锡合金接触线的应用实例。另外，我国台湾的台北—高雄高速铁路也将采用铜锡合金接触线5.4铜镁型接触线德国在开发时速达330km的Re2330型接触网中研制的镁铜-120接触线已进入试运行阶段,并取得了预期的效果。目前的抗拉强度和导电率可分别达到503MPa和70%IACS。要进一步提高强度,保持或提高导电率,还需添加第二甚至第三元素。另外,镁在制作镁铜合金的大规模生产中是难于连续稳定控制的元素,这些都需研究。5.5铜铬锆型接触线日本开发的PHC-110型接触导线，抗拉强度和电导率分别可达555.5MPa和78.8%IACS，其线密度为0.98kg/m，也比较低，但这种析出强化型合金在生产中必须进行热处理才能达到较高的强度和电导率。铜铬锆合金最显著的特点是再结晶温度(大约是500℃)远远高于纯铜的再结晶温度，具有较高的高温强度。在我国电线电缆厂中要做成大长度的接触导线，实现大规模生产，还缺少此类大型的熔炼和热处理设备以及热、冷加工工艺。5.6铜包钢型接触线1９８７年日本采用热浸涂法研制成功ＧＴ－ＣＳ－１１０和ＧＴＣＳＤ－１１０铜包钢接触线，并已在３００ｋｍ／ｈ的高速接触网中使用。铜包钢接触线的铜复比可在２０％～８５％之间变化，故可制成不同电导率与强度相匹配的导线。目前，铜包钢接触线在我国尚属空白，属于国家高速铁路建设急需的产品。研究和开发高质量的国产铜包钢接触线具有重要的意义。铜包钢线材的生产方法主要有铸造热压法、电镀法、浸涂上引法以及连续挤压包覆法等。其中，连续挤压包覆技术设备投资少，生产率高，铜包覆层厚度均匀、无露点、无焊缝，内在质量好，电导率高，成本低，是理想的生产工艺。