铜材料: 特性, 应用领域 & 好处

铜不仅是金属，而且是人类发展的基石.

从古老的文明制作工具和艺术到其在现代技术进步中的关键作用, 铜一直是千年来驱动创新的关键材料.

多亏了其无与伦比的电导率, 耐用性, 和锻造性, 铜巩固了它作为世界上最重要的材料之一.

本文将探讨铜的核心特性, 各种成绩和类型, 以及如何为下一个项目选择最合适的铜.

1. 什么是铜?

铜 (铜), 与原子数 29, 是属于周期表IB组的过渡金属.

它的红色橙色色调是其最明显的功能之一, 它的金属光泽只会增强其吸引力.

以优异的延展性和高热电导率而闻名, 铜是最通用的金属之一.

它属于“红色金属”类别 黄铜 和 青铜, 所有这些都是不包含大量铁的非有产金属.

几个世纪以来, 铜的使用已从早期人类文明的基本工具扩展到现代行业的高级应用.

它的多功能性使其可以轻松处理, 使其成为各种制造业的必不可少的材料.

根据国际铜研究小组 (ICSG), 铜是全球使用的第三大金属, 铁和铝后.

铜的主要生产商, 包括智利, 秘鲁, 和刚果, 主导全球铜矿生产, 中国排名第四.

2. 铜制造工艺

铜制造涉及一系列旨在提取的步骤, 精炼, 并将铜塑造成各种行业的可用形式.

从采矿和冶炼到最终的塑造过程, 每个阶段对于确保铜符合其应用的具体要求至关重要.

以下, 我们分解铜制造中涉及的关键步骤, 强调使铜成为一种多功能且有价值的材料的技术.

提取铜

铜制造的第一阶段是从地球上提取铜矿. 这通常是通过开采方法（例如开放坑开采或地下采矿）来完成的, 取决于矿床的位置和深度.

矿业:

铜主要从矿床获得. 铜的两个最常见的矿石是辣椒岩 (cufes2) 和bornite (Cu5fes4).

这些矿石通常是通过开放式挖掘提取的, 去除大量地球以进入矿石的地方.

在某些情况下, 地下采矿用于达到更深的铜矿矿床.

开放坑采矿是更常用的方法, 周围考虑 60% 全球铜生产.

压碎和磨碎:

一旦提取, 将铜矿粉碎成较小的碎片，以暴露含铜的矿物质.

此过程之后是研磨, 这进一步降低了矿石颗粒的大小.

研磨增加矿石的表面积, 促进铜与周围废物的分离.

浮选:

压碎和磨碎后, 铜矿经历浮选以将铜矿物与废岩分开.

矿石与水和化学物质混合, 这会导致铜颗粒变为疏水 (排斥水).

这使铜矿物可以漂浮到表面, 他们被掠过的地方, 剩下的废物 (尾矿) 沉入底部.

冶炼和精炼

一旦将铜浓缩物与废物分离, 下一步是冶炼, 将浓缩物加热到高温以提取纯铜的地方.
有两种冶炼铜的主要方法: 高温冶金和电解精炼.

• 增射冶金冶炼:
  这种传统方法涉及将铜浓缩物加热到炉子中以去除杂质并产生“泡沫铜,”包含 98-99% 铜.
  浓缩物首先在炉子中加热, 导致铜融化并与其他元素分开.
  结果是铜和硫的混合物, 然后对其进行处理以产生精致的铜形式.
• 电解精炼:
  水泡铜, 仍然包含杂质, 经过电解精炼以产生高纯铜.
  在这个过程中, 电流通过硫酸铜溶液, 导致铜离子迁移并沉积在阴极上.
  杂质留在电解质溶液中. 结果是铜的纯度 99.99%, 这是大多数工业和电气应用的标准.

塑形和形成

一旦提取并精制了铜, 它经历了各种形状的过程，以将其变成可用的形式，例如床单, 电线, 管, 或合金.
这些过程包括铸造, 滚动, 绘画, 锻造, 和挤压.

铸件:

铸件 是将熔融铜倒入模具中以创建特定形状或组件的过程.

该技术对于生产大量特别有用, 复杂零件，例如配件, 阀, 或复杂的建筑特征. 两种主要的铸造方法是:

• 沙子铸造: 在沙子铸造中, 将熔融铜倒入由沙子制成的模具中. 冷却后, 沙模被破裂以揭示铸件.
• 压铸: 在铸造中, 熔融铜在高压下注入金属霉菌 (死亡). 此方法是生产精确的理想选择, 详细的零件，公差紧张.

滚动:

铜可以形成薄纸, 盘子, 并通过称为滚动的过程进行剥离.

在这个过程中, 铜通过一系列滚筒，以减少其厚度. 有两种类型的滚动:

• 热滚动: 在热滚动中, 加热铜，然后穿过滚筒以减少其厚度并提高均匀性.
  此方法用于较大的产品，例如板和板.
• 冷滚动: 在冷滚动中, 在室温下滚动铜，以达到更平滑的表面饰面和更高的尺寸精度.
  冷滚动会产生更薄，更精确的床单, 厚度很小 0.005 英寸.

绘画:

绘图是用于生产铜线和管的过程. 铜被拉动了, 这会降低直径并增加长度.
此方法对于生产电气应用中使用的铜线至关重要.

绘画可以逐步完成, 铜通过多个模具以达到所需的厚度.

它也用于创建用于管道和工业应用的铜管.

锻造:

铜材料锻造涉及通过施加压力来塑造铜, 通常通过锤击或紧迫.

此过程用于创建需要高强度和耐用性的零件.

锻造在汽车的生产中很常见, 航天, 和电气行业. 锻造有两种主要类型:

• 开放式锻造: 在开放式锻造中, 将铜放置在两个扁平模具之间，并锤打或按下以达到所需的形状.
• 闭合锻造: 将铜放置在带有特定形状的模具中，然后被锤打或按下以填充模具腔.
  此方法用于创建更多复杂的形状和组件.

挤压:

挤出涉及迫使铜在模具中以创建具有特定横截面的零件. 该过程被广泛用于制造铜管, 杆, 和个人资料.

使用液压压力或RAM推动铜推开模具, 创建一个厚度均匀的连续轮廓.

模状确定挤压铜的最终形式, 可以切成所需的长度.

合金和其他修改

铜材料通常与其他金属合金合金以增强其机械性能. 这些合金是通过将铜与锌等元素结合而创建的, 锡, 铍, 和铝.
合金过程涉及将金属融化在一起形成均匀的混合物，表现出优异的强度, 戴阻力, 或耐腐蚀性.

• 黄铜 (铜锌合金): 黄铜是通过将锌添加到铜来制成的, 产生坚固的合金, 耐腐蚀, 而且高度可加工.
• 青铜 (铜锡合金): 青铜是铜和锡的合金, 以硬度而闻名, 戴阻力, 以及能够承受高压力环境的能力.
• 铍铜 (铜晶金合金): 这种高强度合金非常适合应用
  这同时需要电导率和增强的强度, 例如航空航天和电气触点.

完成过程

一旦将铜塑造成所需的形式, 它可能会经历各种完成过程以改善其外观, 质地, 或表面质量.

这些过程包括抛光, 电镀, 和涂层.

• 抛光: 抛光用于光滑铜的表面并增强其外观. 它通常用于装饰铜件，例如珠宝和建筑特征.
• 电镀: 铜通常用其他金属电镀, 例如金或银, 为了增强其外观或添加其他特性，例如耐腐蚀性.
• 涂层: 铜可能涂有防护层，以防止破坏和增强耐用性. 常见涂料包括漆或清晰的防护膜.

3. 铜的类型及其成绩

铜是一种多功能金属，具有广泛的应用. 可以通过将其与其他元素合成来增强其属性.

以下, 我们探索铜的主要类型及其各自等级，以帮助指导您的材料选择.

3.1. 纯铜 (非合金铜)

纯铜因其出色的电导率和可锻造性而受到珍视, 使其非常适合在电气系统中应用, 热交换器, 还有更多.

纯铜的普通等级:

• C11000 (电解性强度螺距铜 - ETP): 由于其出色的电导率，该等级是最广泛使用的纯铜 (关于 100% IACS).
  它是电线的理想选择, 电缆, 和其他电气设备.
• C10100 (无氧铜): 通过去除氧气，无氧铜提供更高的纯度,
  使其成为高性能应用的首选选择，例如真空管, 敏感的电气系统, 和高端音频设备.

3.2. 铜合金

铜合金是通过将铜与其他金属（如锌）结合而设计的, 锡, 铝, 和铍以改善诸如强度之类的特性, 耐腐蚀性, 并戴阻力.

• 黄铜 (铜锌合金)
  

  黄铜合金是通过将铜与锌混合而成的, 提供良好的可加以可加性和耐腐蚀性.
  黄铜广泛用于管道, 电连接器, 和乐器.

• • C36000 (免费安装的黄铜): 以其出色的可加工性而闻名, C36000通常用于创建螺纹零件和配件.

    

  • C27000 (商业黄铜): 这种合金提供了良好的强度和耐腐蚀性的平衡, 经常用于商业应用.

• 青铜 (铜锡合金):

  青铜, 主要由铜和锡制成, 以其硬度和抵抗力而闻名, 使其适用于高压力应用.

• • C51000 (磷青铜): 磷铜含有磷, 增加了强度和耐磨性,
    使其非常适合电气接触, 弹簧, 和轴承.
  • C61400 (铝青铜): 同时包含铜和铝, 这种合金提供了极好的力量, 耐腐蚀性 (特别是在海水), 并戴阻力.

• 铍铜 (铜晶金合金):

  这些合金以其高强度而闻名, 出色的电导率, 和耐腐蚀性.

• • C17200 (铍铜): 这是最常见的铍铜合金之一, 广泛用于需要高疲劳强度的应用,
    例如航空航天和汽车行业的电气触点和弹簧.
  • C17000 (铍铜, 高力量): 该级比C17200提供了更大的力量，并且经常用于精密仪器和军事应用.

• 铝青铜 (铜铝合金):

  铝青铜是一种高强度合金，以其出色的磨损和耐腐蚀性而闻名,
  使其非常适合高压和海洋应用.

• • C95400 (铝青铜): 最多 11% 铝含量, 该合金通常用于海洋设备和液压缸.
  • C95800 (高强度铝青铜): 铝青铜的更强变体, 它是航空航天和汽车应用的理想选择.

3.3. 专业铜合金

铜镍和铜铅合金通常用于在特定应用中增强特性, 例如海洋环境和高负载应用程序.

• 铜尼克合金: 这些合金对海水腐蚀具有高度抗性, 使其非常适合海洋和化学加工应用.

• • C70600 (90/10 铜尼克): 用于海洋环境中的热交换器和海水管道, 该合金具有出色的耐腐蚀性.
  • C71500 (70/30 铜尼克): 提供增强的强度和耐腐蚀性,
    C71500用于更苛刻的应用, 包括工业和海洋环境.

• 铜铅合金: 这些合金添加了铅来提高可加工性, 使其非常适合衬套和轴承等高负载的组件.

• • C93200 (铅锡青铜): 这种合金是衬套的理想选择, 轴承, 以及需要轻松加工和高负载能力的齿轮.

4. 铜的关键特性

铜的非凡特性使其成为各个行业中如此宝贵的材料.

它的化学结合, 身体的, 机械性能允许在广泛的应用中使用它, 从电线到装饰饰面.

了解这些关键特性可以帮助确保在任何项目中有效地使用铜.

让我们更详细地探索铜的最重要的化学和物理特性:

化学特性

• 耐腐蚀性:
  铜以其明显抵抗腐蚀的能力而闻名, 特别是在大气和海洋环境中.
  当暴露于空气和水分时, 铜自然形成由碳酸盐和硫酸铜组成的保护性绿色古铜色.
  该古铜色充当防止进一步氧化的保护层, 大大提高金属的寿命.
  随着时间的推移, 该铜绿可以成为建筑和艺术应用中的独特特征.
• 反应性:
  铜对大多数酸的抵抗使其在许多环境中持久耐用.
  然而, 它可以用更具侵略性的物质反应, 例如硝酸和硫酸, 这可能导致铜盐的形成.
  在大多数大气条件下, 与许多其他金属相比，铜不会快速氧化，反应性要低得多.
  缓慢的氧化过程不会损害铜的结构完整性, 使其对长期申请非常可靠.
• 电腐蚀:
  当铜与铝或钢等更活跃的金属接触时 (例如盐水), 可能发生电腐蚀.
  当不同的金属产生电化学反应时，就会发生这种情况, 引起其中一种金属 (通常是越活跃的) 腐蚀比自己更快.
  适当的绝缘和材料兼容性是防止铜与其他金属相互作用的应用中的电腐蚀的关键.
• 环境稳定性:
  铜的环境稳定性是其定义特征之一. 它抵抗从暴露于各种环境因素（例如湿度）的退化, 雨, 和海水.
  这种质量使铜非常适合户外应用，例如屋顶, 覆层, 和海洋环境.
  它经常用于建筑物的建造, 桥梁, 以及需要忍受恶劣天气条件的基础设施.

物理特性

密度:

铜的密度相对较高 8.96 g/cm³, 促进其稳定性和结构完整性.
虽然这种高密度在重量敏感的应用中可能是不利的 (比如航空航天), 它还使铜在大多数其他用途中具有耐用性和力量感.
该属性使铜非常适合结构稳定性和重量不太关注的应用, 例如在电气系统和构造中.

熔点:

铜材料的熔点相对较高，为1,085°C (1,984°f), 这使其适用于高温应用.
它可以承受高温而不会失去其结构完整性或性能.
该物业在热交换器等行业中至关重要, HVAC系统, 和工业炉,
铜需要在升高温度下保持其功能而不会变弱或变形的地方.

导热率:

铜的热导率很出色, 有价值 385 w/m·k, 就传热效率而言，仅次于银.
这种高热电导率使铜迅速散发热量, 这在冷却系统中尤其重要, 热交换器, 和炊具.
铜是需要有效传热的行业的理想选择, 例如电子产品,
冷藏, 和汽车冷却系统, 在确保快速散热以保持系统性能的过程中.

电导率:

铜的电导率是其最著名的特性之一, 有价值 59.6 ×10^6 s/m.
该特性使铜成为电线首选的材料, 电路板, 和连接器, 因为它允许电力以最小的电阻流动.
铜的高电导率确保电气系统有效地发挥作用, 是否在住宅接线, 大型工业设备, 或高性能电子.

锻造性和延展性:

铜的锻造性允许将其锤打或将其卷成薄薄的床单而不会破裂, 虽然其延展性可以将其拉入细线中而不会破裂.
这些特性对于需要灵活性和强度的电线和其他铜件的制造至关重要.
铜的易于形状和形成的能力使其非常适合涉及复杂形状和细节的应用, 例如电子和装饰品.

热膨胀:

铜的热膨胀系数中等 (16.5 µm/m·°C从20°C到100°C), 这意味着它会随温度变化而扩大和收缩.
在温度变化很大的应用中必须考虑这一点, 由于过度热膨胀会导致组件的压力和潜在失败.
铜的热膨胀特性通常会考虑到将经历温度频繁波动的系统的设计中.

磁性特性:

铜是一种非磁性材料, 在必须最小化磁干扰的应用中，这是一个重要的优势.
例如, 在电子设备（例如医疗设备和磁性组件）中,
铜的非磁性性质可确保其存在不会影响系统的性能.
这使得铜成为制造敏感的电气组件和系统在需要最小磁性干扰的环境中运行的敏感电气组件和系统的理想选择。.

5. 铜的应用

铜材料是一种多才多艺的材料，在多个行业中具有广泛的应用.

它的出色电导率和热导率的独特组合, 耐腐蚀性, 和锻造性使其在各个领域都必不可少, 从电气工程到医疗保健.

电气和电子设备

• 布线和电缆: 铜是电线的标准材料，因为其高电导率.

  

  从电力输电线到家用接线.
  铜的低电阻确保最小的能量损失, 使其非常适合高性能电气系统.

• 电动机和变压器: 铜的高电导率对于电动机和变压器的有效运行至关重要,
  在各种设备中找到, 从家用电器到工业机械.
  铜绕组用于变压器和电动机，因为它们可以确保电力的有效传输.
• 印刷电路板 (PCB): 铜在PCB中使用，因为它能够传导电力并承受涉及的高温 电子产品 制造业.
  将铜痕迹蚀刻到板上以形成电路，以连接电子设备的各个组件.
• 电池: 铜用于电池的制造, 包括在电动汽车中使用的 (电动汽车).
  铜件, 例如终端和当前收藏家, 帮助提高电池系统的效率和可靠性, 特别是在高需求的应用中.

管道和构造

• 管道和配件: 几个世纪以来，铜一直是管道系统的首选材料.
  它的耐腐蚀性, 耐用性, 和抗菌特性使其非常适合水管, 特别是在住宅和商业管道中.
  铜管广泛用于冷水系统, 以及加热系统.
• 屋顶和沟渠: 铜也用于建造建筑, 特别是用于屋顶, 沟, 和落水管.
  它的耐腐蚀性可确保寿命长, 即使在恶劣的天气条件下.
  随着时间的推移, 铜发展了一个特征性的绿色铜绿, 进一步保护它免受环境损害.
• HVAC系统: 铜通常用于加热, 通风, 和空调 (HVAC) 系统, 主要用于制冷剂管.
  它的高热电导率使其能够有效传输热量, 这对于空调单元和热泵的运行至关重要.

汽车和运输

• 车辆电线: 铜在汽车行业广泛用于接线, 连接器, 和其他电气组件.
  随着电动汽车采用的越来越多 (电动汽车), 铜的需求预计由于电池中的使用而增加, 电动机, 和动力总成.

  

• 制动器和散热器: 铜用于汽车制动线, 散热器, 和热交换器由于其高热电导率和强度而引起的.
  铜有助于维护车辆的冷却系统, 防止在操作过程中过热.
• 电动车辆和混合动力汽车: 作为 汽车 行业过渡到电动和混合动力汽车, 对铜的需求正在增加.
  铜对于电动汽车电动机的制造至关重要, 电池连接器, 和充电基础设施, 提供有效的电气传输并提高性能.

可再生能源和绿色技术

• 太阳能电池板: 铜在可再生能源系统中起关键作用, 特别是在太阳能发电中.
  铜用于光伏 (PV) 用于电气连接的太阳能电池板和运输太阳能电池产生的电力的接线.
  该材料的出色电导率提高了太阳能系统的效率.
• 风力涡轮机: 风力涡轮机依靠铜来用于其电气组件, 包括发电机和变压器.
  铜用于发电机的绕组，以确保有效的能量从机械能转换为电能.
• 地热和水电能: 铜也用于地热和水力发电系统中.
  该材料的出色传热功能使其非常适合地热系统中使用的热交换器,
  它的耐腐蚀性是确保水力发电系统中暴露于水的材料的寿命的关键.

工业应用

• 热交换器: 铜广泛用于热交换器, 这是将热量从一种介质转移到另一种介质的设备.

  

  由于其高热电导率, 铜在冷藏等应用中特别有效, 空调, 和工业冷却系统.

• 机械和设备: 铜用于工业机械的制造, 包括泵, 阀, 和压缩机, 由于其抵抗腐蚀和磨损.
  在涉及高温和压力的应用中, 铜合金, 例如青铜, 经常使用.
• 工业紧固件和轴承: 铜合金, 例如青铜, 用于生产工业紧固件,
  轴承, 和衬套由于高强度, 戴阻力, 和能够承受高温的能力.
  这些应用在航空航天等行业中很常见, 防御, 和重型机械.

消费产品

• 硬币和奖牌: 由于铜的耐用性，铜早已被用于硬币和奖牌的铸造, 耐腐蚀性, 并能够轻松模制成复杂的设计.
  在许多国家, 铜与其他金属结合使用, 例如镍, 生产硬币和纪念项目.
• 珠宝: 铜的延展性和吸引人的红色颜色使其成为珠宝设计的流行材料.
  它通常与其他金属合金, 例如银或黄金, 在手镯中创建独特的设计, 戒指, 耳环, 和其他配件.
• 乐器: 铜合金, 特别是黄铜 (铜锌合金), 用于制作乐器（例如小号）, 萨克斯管, 和cy.
  该材料的声学特性和成形的能力使其非常适合产生高质量的声音.

医疗保健和医疗应用

• 抗菌特性: 铜具有天然抗菌特性, 这使其在医疗机构中有用.
  铜合金用于制造医疗设备, 包括手术器械, 导管, 和植入物.
  材料抑制有害细菌生长的能力, 病毒, 真菌对于减少医院和诊所的感染至关重要.
• 骨科植入物: 铜和铜合金用于某些骨科植入物的生产, 例如关节替换.
  铜的生物相容性和促进愈合的能力使其成为这些医疗应用的首选材料.
• 医疗设备: 铜用于医疗设备，例如温度计, X射线机, 和诊断工具.
  铜有效地进行热量和电力的能力对于许多医疗设备的准确运作至关重要.

航空航天和防御

• 飞机组件: 铜及其合金被广泛用于 航天 由于其出色的导热性和电导率的应用, 以及他们承受极端温度的能力.
  铜用于飞机接线, 电子组件, 热交换器, 甚至某些结构部件.
• 军事技术: 在国防工业, 铜用于一系列应用, 包括军事沟通系统, 和雷达.
  铜的高电导率和耐用性使其成为需要在恶劣环境中可靠性能的系统的关键材料.

6. 结论

铜材料是一种经受了时间考验的材料, 在古代和现代行业中起着至关重要的作用.

它的出色电导率, 耐腐蚀性, 在各种应用程序中的多功能性使其成为众多领域的关键资源.

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