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銅和銅合金的應用

2017-3-28 15:01 中國泵閥第一網 點擊:4591

1、電氣工業中的應用

電力輸送

力輸送中需要大量消耗高導電性的銅,主要用于動力申.線電纜、匯流排、變壓器、開關、接插元件和聯接器等。

在電線電纜的輸電過程中,由于電阻發熱而白白浪費電能。從節能和經濟的角度考慮,目前世界上正在推廣""最佳電纜截面""標準。過去流行的標準,單純地從降低一次安裝投資的角度出發,為了盡量減小電纜截面,以在設計要求的額定電流下,不至出現危險過熱,來確定電纜的最低允許尺寸。按這種標準鋪設的電纜,雖然安裝費低了;但是在長期使用過程中,電阻能耗卻比較大。""最佳電纜截面""標準,則兼顧一次安裝費用和電能消耗這兩個因素,適當放大電纜尺寸,以達到節能和最佳綜合經濟效益的目的。按照新的標準,電纜截面往往要比老標準加大一倍以上,可以獲得50%左右的節能效果。

我國在過去一段時間內,由于鋼供不應求,考慮到鋁的比重只有銅的 30%,在希望減輕重量的架空高壓輸電線路中曾采取以鋁代銅的措施。目前從環境保護考慮,空中輸電線將轉為鋪設地下電纜。在這種情況下,鋁與銅相比,存在導電性差和電纜尺寸較大的缺點,而相形見絀。

同樣的原回,以節能高效的銅繞組變壓器,取代!日的鋁繞組變壓器,也是明智的選擇。

 電機制造

在電機制造中,廣泛使用高導電和高強度的銅合金。主要用銅部位是定子、轉子和軸頭等。在大型電機中,繞組要用水或氫氣冷卻,稱為雙水內冷或氫氣冷卻電機,這就需要大長度的中空導線。

電機是使用電能的大戶,約占全部電能供應的60%。一臺電機運轉累計電費很高,一般在最初工作5 00小時內就達到電機本易的成本,一年內相當于成本的4~ 16倍,在整個工作壽命期間可以達到成本的200倍。電機效率的少量提高,不但可以節能;而且可以獲得顯著的經濟效益。開發和應用高效電機,是當前世界上的一個熱門課題。由于電機內部的能量消耗,主要來源于繞組的電阻損耗;因此,增大銅線截面是發展高效電機的一個關鍵措施。近年來己率先開發出來的一些高效電機與傳統電機相比,銅繞組的使用量增加25~ 100%。目前,美國能源部正在資助一個開發項目,擬采用鑄入銅的技術生產電機轉子。

 通訊電纜

80年代以來,由于光纖電纜載流容量大等優點,在通訊干線上不斷取代銅電纜,而迅速推廣應用。但是,把電能轉化為光能,以及輸入用戶的線路仍需使用大量的銅。隨著通訊事業的發展,人們對通訊的依賴越來越大,對光纖電纜和銅電線的需求都會不斷增加。

住宅電氣線路

近年來,隨著我國人民生活水平提高,家電迅速普及,住宅用電負荷增長很快。如圖6.6所示,1987年居民用電量為 269.6億度( l度=1千瓦•小時),10后年的 1996年猛升到 1131億度,增加 3.2倍。盡管如此,與發達國家相比仍有很大差距。例如,1995年美國的人均用電量是我國的14.6倍,日本是我國的8.6倍。我國居民用電量今后仍有很大發展。預計從 1996年到2005年,還要增長l.4倍。

2.電子工業中的應用

電子工業是新興產業,在它蒸蒸日上的發展過程中,不斷開發出鋼的新產品和新的應用領域。目前它的應用己從電真空器件和印刷電路,發展到微電子和半導體集成電路中。

電真空器件

電真空器件主要是高頻和超高頻發射管、波導管、磁控管等,它們需要高純度無氧銅和彌散強化無氧銅。

 印刷電路

銅印刷電路,是把銅箔作為表面,粘貼在作為支撐的塑料板上;用照相的辦法把電路布線圖印制在銅版上;通過浸蝕把多余的部分去掉而留下相互連接的電路。然后,在印刷線路板上與外部的連接處沖孔,把分立元件的接頭或其它部分的終端插入,焊接在這個口路上,這樣一個完整的線路便組裝完成了。如果采用浸鍍法,所有接頭的焊接可以一次完成。這樣,對于那些需要精細布置電路的場合,如無線電、電視機,計算機等,采用印刷電路可以節省大量布線和固定回路的勞動;因而得到廣泛應用,需要消費大量的銅箔。此外,在電路的連接中還需用各種價格低廉、熔點低、流動性好的銅基釬焊材料。

 集成電路

微電子技術的核心是集成電路。集成電路是指以半導體晶體材料為基片(芯片),采用專門的工藝技術將組成電路的元器件和互連線集成在基片內部、表面或基片之上的微小型化電路。這種微電路在結構上比最緊湊的分立元件電路在尺寸和重量上小成千上萬倍。它的出現引起了計算機的巨大變革,成為現代信息技術的基礎。目前己開發出的超大規模集成電路,在比小姆指甲還小的單個芯片面積上,能做出的晶體管數目,己達十萬甚至百萬以上。最近,國際著名的計算機公司IBM(國際商業機器公司),己采用鋼代替硅芯片中的鋁作互連線,取得了突破性進展。這種用銅的新型微芯片,可以獲得30%的效能增益,電路的線尺寸可以減小到0.12微米,可使在單個芯片上集成的晶體管數目達到200萬個。這就為古老的金屬銅,在半導體集成電路這個最新技術領域中的應用,開創了新局面。

引線框架

為了保護集成電路或混合電路的正常工作,需要對它進行封裝;并在封裝時,把電路中大量的接頭從密封體內引出來。這些引線要求有一定的強度,構成該集成封裝電路的支承骨架,稱為引線框架。實際生產中,為了高速大批量生產,引線框架通常在一條金屬帶上按特定的排列方式連續沖壓而成。框架材料占集成電路總成本的1/3~ l/4,而且用量很大;因此,必須要有低的成本。

銅合金價格低廉,有高的強度、導電性和導熱性,加工性能、針焊性和耐蝕性優良,通過合金化能在很大范圍內控制其性能,能夠較好地滿足引線框架的性能要求,己成為引線框架的一個重要材料。它是目前鋼在微電子器件中用量最多的一種材料。

 

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3. 交通工業中的應用

船舶

由于良好的耐海水腐蝕性能,許多銅合金,如:鋁青銅、錳青銅、鋁黃銅、炮銅(錫鋅青銅)、白鋼以及鎳銅合金(蒙乃爾合金)己成為造船的標準材料。一般在軍艦和商船的自重中,銅和銅合金占2~3%。

軍艦和大部分大型商船的螺旋漿都用鋁青銅或黃銅制造。大船的螺旋漿每支重 20~ 25噸。伊麗莎白皇后號和瑪麗皇后號航母的螺旋漿每支重達3 5噸。大船沉重的尾軸常用""海軍上將""炮銅,舵和螺旋漿的錐形螺栓也用同樣材料。引擎和鍋爐房內也大量用鋼和銅合金。世界上第一艘核動力商船,使用了30噸白銅冷凝管。近來用鋁黃銅管作油罐的大型加熱線圈。在10萬噸級的船上就有12個這種儲油罐,相應的加熱系統規模相當大。船上的電氣設備也很復雜,發動機、電動機、通訊系統等幾乎完全依靠銅和銅合金來工作。大小船只的船艙內經常用鋼和銅合金來裝飾。甚至木制小船,也最好用鋼合金(通常是硅青銅)的螺絲和釘子來固定木結構,這種螺絲可以用滾軋大量生產出來。

為了防止船殼被海生物污損影響航行,過去經常采用包覆銅加以保護;現在,則普遍用刷含銅油漆的辦法來解決。

二次世界大戰中,為御防德國磁性水雷對艦船的襲擊,曾發展了抗磁性水雷裝置,在鋼船殼周圍附一圈銅帶,通上電流以中和船的磁場,這樣就可以不引爆水雷。從1944年以后,盟軍的所有船只,共計約18,000艘,都裝上了這種去磁裝置而得到了保護。一些大型主力艦為此需用大量的銅,例如其中一艘用去銅線長 28英里,重約 30噸。

汽車

汽車用銅每輛10~2I公斤,隨汽車類型和大小而異,對于小轎車約占自重的6~9%%。銅和銅合金主要用于散熱器、制動系統管路、液壓裝置、齒輪、軸承、剎車摩擦片、配電和電力系統、墊圈以及各種接頭、配件和飾件等。其中用鋼量比較大的是散熱器。現代的管帶式散熱器,用黃銅帶焊接成散熱器管子,用薄的銅帶折曲成散熱片。

近年來為了進一步提高銅散熱器的性能,增強它對鋁散熱器的競爭力,作了許多改進。在材質方面,向銅中添加微量元素,以達到在不損失導熱性的前 提下,提高其強度和軟化點,從而減薄帶材的厚度,節省用鋼量;在制造工藝 方面,采用高頻或激光焊接銅管,并用鋼釬焊代替易受鉛污染的軟焊組裝散熱器芯體。這些努力的結果示于表6.2,與釬焊鋁散熱器相比,在相同的散熱條件 下,即在相同的空氣和冷卻劑的壓力降下,新型銅散熱器的重量更輕,尺寸顯著縮小;再加上鋼的耐蝕性好、使用壽命長,銅散熱器的優勢就更明顯。此外,近年來為了環保,大力推廣和發展電動汽車,每輛汽車的用鋼量將成倍增加。

 鐵路

鐵路的電氣化對銅和銅合金的需要量很大。每公里的架空導線需用2 噸以上的異型銅線。為了提高它的強度,往往加入少量的銅(約1%)或銀 (約of%)。此外,列車上的電機、整流器、以及控制、制動、電氣和信 號系統等都要依靠銅和銅合金來工作。

飛機

飛機的航行也離不開銅。例如:飛機中的配線、液壓、冷卻和氣動系統需使用銅材,軸承保持器和起落架軸承采用鋁青銅管材,導航儀表應用抗磁鋼合金,眾多儀表中使用破銅彈性元件等等。

4. 輕工業中的應用

輕工業產品與人民生活密切相關,品種繁多、五花八門。由于鋼具有良好綜合性能,到處可以看到它大顯身手的蹤影。現僅舉數例如下:

空調器和冷凍機

空調器和冷凍機的控溫作用,主要通過熱交換器銅管的蒸發及冷凝作用來實現。熱交換傳熱管的尺寸和傳熱性能,在很大程度上決定了整個空 調機和制冷裝置的效能和小型化。在這些機器上采用的都是高導熱性能的異型銅管。利用鋼的良好加工性能,最近開發和生產出帶有內槽和高翅片的散熱管,用于制造空調器、冷凍機、化工及余熱口收等裝置中的熱交換器,可使新型熱交換器的總熱傳導系數提高到用普通管的2~3倍,和用普通低翅片管的 1.2~1.3倍,己在國內使用,可節省 40%的銅,并使熱交換器體積縮小 1/3以上。

鐘表

目前生產的鐘表,計時器和有鐘表機構的裝置,其中大部分的工作部件都用""鐘表黃銅""制造。合金中含1.5-2%的鉛,有良好加工性能,適合于大規模生產。例如,齒輪由長的擠壓黃銅棒切出,平輪由相應厚度的帶材沖出,用黃銅或其它銅合金制作摟刻的鐘表面以及螺絲和接頭等等。大量便宜的手表用炮銅(錫鋅青銅)制造,或鍍以鎳銀(白銅)。一些著名的大鐘都用鋼和銅合金制作。英國""大笨鐘""的時針用的是實心炮銅桿,分針用的是14英尺長的銅管。

一個現代化的鐘表廠,以銅合金為主要材料,用壓力機和精確的模具加工,每天可以生產一萬到三萬只鐘表,費用很低。

造紙

在當前信息萬變的社會里,紙張消費量很大。紙張表面看來簡單,但是造紙工藝卻很復雜,需要通過許多步驟,應用很多機器,包括冷卻器、蒸發器、打漿器、造紙機等等。其中許多部件,如:各種熱交換管、輥輪、打擊棒、半液體泵和絲網等,大部分都用鋼合金制作。

例如,目前采用的長網造紙機,它要將制好的紙漿噴到快速運動的具有細小網孔( 40~60目)的網布上。網布由黃銅和磷青銅絲編織而成,它的寬度很大,一般在20英尺(6米)以上,要求保持完全平直。網布在一系列小的黃銅或銅輥子上運動,當帶著噴附其上的紙漿通過時,濕氣從下面空吸出去。網子同時振動以使紙漿中的小纖維粘結在一起。大型造紙機的網布尺寸很大,可以達到寬26英尺8英寸( 8. l米)和長100英尺( 3 0. 5米)。濕紙漿不但含水,而且含有造紙過程中使用的化學藥劑,腐蝕性很強。為了保證紙張質量,對網布材料要求很嚴,不但要有高的強度和彈性;而且要抗紙漿腐蝕,銅合金完全可以勝任。

 印刷

印刷中用銅版進行照相制版。表面拋光的銅版用感光乳膠敏化后,在它上面照相成像。感光后的銅版需加熱使膠硬化。為避免受熱軟化,銅中往往含有少量的銀或砷,以提高軟化溫度。然后,對版子進行腐蝕,形成分布著凹凸點子圖形的印刷表面。

在自動排字機上,要通過黃銅字型塊的編排,來制造版型,這是銅在印刷中的另一個重要用途。字型塊通常用的是含鉛黃銅,有時也用銅或青銅。

醫藥

制藥工業中,各類蒸、煮、真空裝置等都用純銅制作。在醫療器械中則廣泛使用鋅白銅。銅合金還是眼鏡架的常用材料等

 

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5. 建筑用銅

 管道系統

由于鋼水管具有美觀耐用、安裝方便、安全防火、衛生保健等諸多優點,使它與鍍鋅鋼管和塑料管相比存在明顯優越的價格性能比。在住宅和公用建筑中,用于供水、供熱、供氣以及防火噴淋系統,日益受到人們的青睞,成為當前的首選材料。在發達國家中,銅制供水系統己占很大比重。美國紐約號稱世界第六高樓的曼哈頓大廈,其中僅供水系統一項,就用去銅管 6萬英尺 (l公里)。在歐洲,飲水用鋼管消耗量很大。英國的飲水用鋼管消耗量平均每人每年1.6公斤,日本為0.2公斤。由于鍍鋅鋼管容易銹蝕,許多國家己明令禁用。香港早于1996年 1月起禁止使用,上海也于 1998年5月起實行。我國在房屋建設中推廣使用銅管道系統,勢在必行。

房屋裝修

在歐洲采用鋼板制作屋頂和漏檐已有傳統。北歐國家中甚至用它作墻面裝飾。銅耐大氣腐蝕性能很好、經久耐用、可以回收,它有良好的加工性可以方便地制作成復雜的形狀,而且它還有美觀的色彩;因而很適合于用做房屋裝修。它在教堂等古建筑物屋頂上的應用己有悠久歷史,至今仍發出誘人的光彩;而且在現代大型建筑甚至公寓和住宅的建設上的應用也越來越多。例如:在倫敦,代表現代英國建筑藝術的""英聯邦委員會""大廈,屋頂形狀復雜,用鋼板建造,重約 25噸;于 1966年開放的水晶宮運動中心,用鋼 60噸做成波浪形的屋頂等等。據統計,用做屋頂的銅板,在德國平均每人每年消費0.8公斤,美國為0.2公斤。

此外,屋內的裝修,如:門把手、鎖、百頁、按欄、燈具、墻飾以及廚房次具等等,使用鋼制品不但經久耐用,消毒衛生,而且裝點出高雅的氣息,深受人們喜愛。

6. 高科技上的應用

中計算機

超導和低溫

最近發現了一些臨界溫度更高的材料,稱為""高溫超導材料"",它們大多是復合氧化物。較早發現和比較著名的一種是含鉛的銅基氧化物( YB2 Cu3 O7),臨界溫度為90K,可以在液氮溫度下工作。目前還沒有獲得臨界溫度在室溫附近的材料;而且這些材料難于做成大塊物體,它們能通過可保持超導性的電流密度也不夠高。因此,目前還未能在強電的場合下應用,有待進一步研究開發。

航天技術

火箭、衛星和航天飛機中,除了微電子控制系統和儀器、儀表設備以外,許多關鍵性的部件也要用到銅和銅合金。例如:火箭發動機的燃燒室和推力室的內村,可以利用鋼的優良導熱性來進行冷卻,以保持溫度在允許的范圍內。亞里安那5號火箭的燃燒室內村,用的是銅一銀一結合金,在這個村簡內加工出360個冷卻通道,火箭發射時通入液態氫進行冷卻。

此外,銅合金也是衛星結構中承載構件用的標準材料。衛星上的太陽翼板通常是由銅與其它幾個元素的合金制成的。

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