铜及铜合金
出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《现代工程材料实用手册》第446页（3683字）
铜是人类最先冶炼出来的金属，是继石材、木材等天然材料之后，出现的最古老的建筑材料，也是中国历史上应用最早、用途最广的一种有色金属。铜在地壳中的储藏量较小，约占0．01%，且在自然条件下很少以游离状态存在，而多以化合物状态存在。炼铜的矿石有：黄铜矿(CuFeS2)、辉铜矿(Cu2S)、斑铜矿(Cu3FeS2)、赤铜矿(Cu2O)和孔雀石[CuCO3·Ca(OH)2]等。
铜是一种容易精炼的金属材料，铜和铜合金最早用于制造武器，以后逐步发展到制造生活用具、工艺品、货币和装饰品等。当今，铜材在现代建筑上是一种高雅华贵的装饰材料，已被广泛用于建筑装饰及各种零部件。
(一)铜的特性与应用
铜属于有色重金属，密度为8．92g／cm3，熔点为1083℃。纯铜的新鲜断面是玫瑰红色的，但表面形成氧化铜膜后外观呈紫红色，故常称紫铜。这种氧化铜膜致密性较好，所以铜的抗蚀性也很好，加上色泽鲜艳，广泛应用于建筑领域，如建筑屋顶、给水管等。但是，由于其是立方晶格的晶体结构，强度较低、塑性较高，不适宜用作结构材料。
纯铜具有良好的导电性、导热性、耐腐蚀性、延展性、塑性和易加工性等物理化学特性，可压延成极薄的板(紫铜片)，拉制成很细的丝(铜线材)。导电性仅次于银而优于其他金属。在所有的商品金属中，铜的电阻系数小，导电性能最好。所以，铜在电气工程中是不可缺少的，广泛用于电力和信息传导的电线电缆以及机电、变压器、家电等工业。每年全世界大约有60%以上的铜应用于这方面。但纯铜的强度比较低，不宜直接作为结构材料。
中国生产的纯铜产品分为两类：一类属于冶炼产品，包括铜锭、铜线锭和电解铜；另一类属于加工产品，是指铜锭经加工变形而获得的各种形状的纯铜材。根据铜中的杂质含量多少，工业纯铜可分为T1，T2，T3，T4四种。T为铜的汉语拼音字头，数字为编号，数字越大，表示铜的纯度越低。以上两类产品的牌号、代号、成分及用途，如表14－31所示。
表14－31 纯铜产品的牌号、代号、成分及用途
在我国的古建筑物中，铜材是一种高档的装饰材料，多用于宫廷、寺庙、纪念性建筑和商品铜字招牌等。在现代建筑装饰工程中，铜材仍是集古朴与华贵于一身的高级装饰材料，可用于高级宾馆、商厦、展览馆、大会堂等建筑中的柱面、楼梯扶手、栏杆、防滑条等，使建筑物显得光彩耀目、美观雅致、光亮耐久，并烘托出华丽、高雅的氛围。除此之外，铜材还可用于制作外墙板、把手、门锁、五金配件等。
(二)铜合金的特性及应用
铜通过添加合金化元素，形成系列铜合金，可大大改善其强度和耐锈蚀性，但导电性略有下降。铜合金中最主要的合金元素是锌、锡、铝和镍。
1．黄铜
黄铜是以铜、锌为主要合金元素的的铜合金，黄铜分为普通黄铜和特殊黄铜。当黄铜中只含铜和锌两种元素量、不含其他合金元素时，称为普通黄铜。普通黄铜不仅有良好的力学性能、耐腐蚀性能和工艺性能，而且价格也比纯铜低得多。普通黄铜管用于发电厂的冷凝器和汽车散热器上。
为了进一步改善普通黄铜的力学性能，提高其耐蚀性与工艺性能(如铸造性、切削性)，常加入铅、铝、锰、锡、铁、镍、硅等形成各种特殊的合金黄铜。例如，含铅黄铜用于制造各种螺钉、螺母、氧气瓶阀门、电器插座、手表零件、轴承轴瓦等。在黄铜中加入铝元素，可以提高其强度、硬度和耐腐蚀性能等，可广泛地用于制作汽车零件。另外，合金黄铜还有锡黄铜、铁黄铜、镍黄铜、铝黄铜等，主要用于造船工业、石油工业、机械工业、滨海发电工业等。
普通黄铜的牌号用“H”(黄字的汉语拼音字首)加数字来表示，数字代表平均含铜量，含锌量不必标出，如“H62”表示普通黄铜的含铜量为62%。特殊黄铜则在“H”之后标以主加元素的符号，并在其后表明铜及合金元素含量的百分数，如“HPb59－1”表示特殊黄铜的含铜量为59%，含铅量为1%。如果是铸造黄铜，牌号中还应加上“Z”字母，如“ZHAl67－2．5”表示铸造黄铜的含铜量为67%、含铝量为2．5%。
2．青铜
青铜原指铜与锡的合金。现在，在铜合金中主要加入的元素不是锌和镍，而是锡、铝、铬、铍等其他元素，通称为青铜。青铜分为锡青铜和无锡青铜。
锡青铜是由铜与锡组成的合金，锡青铜中锡的质量百分数一般在30%以下，当锡的含量百分数在15%～20%之间时，其抗拉强度最大，而当锡的质量百分数在10%以内时其伸长率比较大，如果超过10%就会急剧变小。
锡青铜在中国应用的历史非常悠久，用于铸造钟、鼎、乐器和祭器等。锡青铜也可用作轴承、轴套和耐磨零件等。铝青铜、铍青铜用于制造承受重载的耐腐蚀、耐磨损构件和重要弹簧零件，以及电接触器、电阻焊电极、钟表及仪表零件。
无锡青铜是含铝、硅、铅、铍、锰等合金元素的铜基合金，包括铝青铜、硅青铜、铅青铜等。铝青铜中铝的质量百分数一般在15%以下，在生产中往往还添加少量的铁和锰，以改善其力学性能。铝青铜耐腐蚀性好，经过加工的材料，其强度接近一般的碳素钢，在大气中不产生变色，即使加热到高温也不会氧化，这是由于铝青铜合金中铝经氧化形成致密的薄膜所致。
青铜的牌号以字母“Q”(青字的汉语拼音字首)表示，后面加第一个主加元素符号及除了铜以外的各元素的百分数QSn4－3、QBe2等。如果是铸造的青铜，牌号中还应加上“Z”字，如ZQAl9－4等。
3．白铜
白铜是以铜镍为主的合金，镍的添加量通常为10%～30%。为改善合金的组织和性能，常添加适量的锌或铁和锰。锌白铜酷似白银，在造币和装饰器件中用于仿银，还大量用于制造仪表零件。由于白铜兼有高耐蚀和高强度的综合性，大量用于船舶、滨海发电等海水冷凝管中。
(三)铜合金装饰制品的应用
铜合金经挤压或压制可形成不同横断面形状的型材，主要有空心型材和实心型材，可用来制造管材、板材、线材、固定件及各种机器零件等。铜合金型材也具有铝合金类似的特点，不仅可用于门窗的制作，而且可以作为骨架材料装配幕墙。如以铜合金型材作骨架，以吸热玻璃、热反射玻璃、中空玻璃等为立面形成的玻璃幕墙，彻底改变传统外墙的单一面貌，使建筑物乃至城市建筑风格生辉。
在建筑装饰工程中，用铜合金制成的各种铜合金压板(如压型板)，可用于建筑物的外墙装饰，使建筑物金碧辉煌、光亮耐久。铜合金还可以制成五金配件、铜门、铜栏杆、铜嵌条、防滑条、雕花铜柱和铜雕壁画等，广泛应用于建筑装饰工程中。铜合金的另一种应用是铜粉，俗称为“金粉”，是一种铜合金制成的金色颜料，主要成分为铜及少量的锌、铝、锡等金属。铜粉常用来调制成装饰涂料，代替“贴金”。
用铜合金制成的产品表面具有独特的亮度和质感，往往是光亮如镜、气度非凡，有高雅华贵的感觉。在古代，人们以铜合金装饰的建筑是高贵和权势的象征。如古希腊的宗教及宫殿建筑多采用金、铜装饰，古罗马的雄师凯旋门有青铜雕塑，中国唐朝的宫殿使用铜装饰。
在现代建筑装饰中，铜合金制品主要用于高档场所的装修。如显耀的厅门配以铜质的把手、门锁；螺旋式楼梯扶手栏杆选用铜质管材；华贵的大理石饰面配以金黄色的铜嵌条；灯具、家具采用制作精致、色泽光亮的铜合金等，无疑会在原有豪华、华贵的氛围中增添装饰的艺术性，使其装饰效果得以充分发挥。
由于铜制品的表面易受空气中有害物质的腐蚀作用，为提高其抗腐蚀能力和耐久性，可在铜制品的表面用镀钛合金等方法进行处理，不仅能极大地提高铜制品的光泽度，而且还能增加铜制品的使用寿命。