重有色金屬材料(heavynonferrousmetalandalloysemi-products)

銅、鎳、鉛、鋅、錫、鎘等重有色金屬及其合金，以及以這些金屬和合金經(jīng)熔鑄、壓力加工或粉末冶金方法制成的材料。重有色金屬材料具有密度大(7～12g／cm³)、強(qiáng)度中等、延展性好、較耐腐蝕、色澤鮮艷等特點(diǎn)(其中銅及銅合金并具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性)，故被制成各種器件廣泛使用在工業(yè)和科學(xué)技術(shù)各部門中。重有色金屬材料歷史悠久，早在公元前7000年就為人類所使用，到20世紀(jì)90年代初，其產(chǎn)量達(dá)到2000萬t以上，僅次于鋼鐵，居金屬材料中之第二位。

簡史重有色金屬是人類最早使用的金屬材料。根據(jù)在埃及和西亞出土文物了解，大約在公元前7000年～前6000年就有鍛造的自然銅制件出現(xiàn)，在公元前3700年，開始制造含錫10％～14％的青銅棒；公元前1()0年左右，古羅馬人初次制成含鋅17．35％的黃銅貨幣。公元前3000年前，在埃及即有鉛制品出現(xiàn)。公元前700年～前600年，埃及人就使用錫器(古埃及人把錫和鉛看作為一種金屬的兩種形態(tài))，在古羅馬時期(公元前27年～公元476年)，英國在康沃爾(Cornwall)處大量生產(chǎn)錫并向歐洲大陸出口。1746年德國化學(xué)家馬格拉夫(A．s．Margraf，1709～1782年)用異極礦(H₂Zn₂SO₅)和木炭分離出純鋅。1751年瑞典化學(xué)家克朗斯特(CronstedtBAF)從紅砷鎳礦中分離出鎳，1905年美國首先生產(chǎn)出耐蝕的鎳銅合金——蒙乃爾合金。1817年德國化學(xué)家施特羅邁爾(F．Stromeyer)發(fā)現(xiàn)了鎘。

中國是最早使用重有色金屬材料的國家之一。河南偃師縣二里頭村出土文物表明，在公元前1600年～前1500年夏末商初時期，即有青銅器出現(xiàn)，公元前1200年商朝時期，已能合理使用金、銅、錫、鉛四種金屬，青銅(銅錫合金)冶鑄技術(shù)已達(dá)成熟階段；戰(zhàn)國時期的《周禮•考工記》載有青銅成分；3、4世紀(jì)東漢時期已能制作白銅，4、5世紀(jì)南北朝時期已能用爐甘石(碳酸鋅礦石)和銅煉得黃銅。商朝晚期有錫戈出土。西周(公元前1066年～前771年)有鉛戈出土。明代已大量生產(chǎn)鋅，宋應(yīng)星所著《天工開物》(1637年)記有煉鋅的詳細(xì)方法(當(dāng)時稱倭鉛)。由于封建制度對生產(chǎn)力的阻滯，中國的重有色金屬材料發(fā)展緩慢。鴉片戰(zhàn)爭后，在洋務(wù)派的提倡下，開始了工業(yè)性生產(chǎn)，但產(chǎn)量不大。1949年剛解放時，重有色金屬材料的年產(chǎn)量僅2563t，主要材料多依靠從國外進(jìn)口。中華人民共和國成立后，重有色金屬材料工業(yè)得到迅速發(fā)展，到20世紀(jì)90年代初，生產(chǎn)重有色金屬材料的工廠已遍布全國各地，洛陽銅加工廠、沈陽有色金屬加工廠、西北銅加工廠、上海有色金屬總公司等大型重有色金屬材料加工企業(yè)，經(jīng)過技術(shù)改造后的裝備水平已達(dá)到或接近世界80年代末期水平。1996年的中國有色金屬(包括銅、鋁、鉛、鋅、鎳、錫、銻、汞銀、鎂和鈦等)材料產(chǎn)量達(dá)到523．1萬t，其中包括鋁190．97萬t，鋅118．48萬t，銅111．91萬t，鉛70．62萬t，其他(包括鎳、錫、銻、銀、鎂和鈦等)32．02萬t，品種基本齊全，已能滿足國內(nèi)需要，并有部分向國外出口。

分類重有色金屬材料可根據(jù)重有色金屬及其合金品種、生產(chǎn)方法、形狀、性能和用途加以分類。(1)按重有色金屬及其合金品種劃分，有銅、銅合金、鎳、鎳合金、鋅、鋅合金、鉛、鉛合金、錫、錫合金和鎘，鎘合金很少使用。(2)按生產(chǎn)方法劃分，有變形材料、鑄造材料和粉末冶金材料。(3)按材料形狀劃分，有板、帶、箔、管、棒、線、球、型材、鍛件、鑄件、復(fù)合材料和粉末等。(4)按材料性能劃分，有導(dǎo)電材料、彈性材料、耐蝕材料、焊接材料、切削材料、超塑材料和功能材料等。(5)按材料用途劃分，有通用材料、結(jié)構(gòu)材料、換熱器材料、鐘表材料、電真空材料、熱電偶材料、汽車水箱材料、造幣材料、彈殼材料、軸承材料、裝飾材料、樂器材料和電鍍材料等。

制備方法重有色金屬的鑄造材料、變形材料和粉末冶金材料分別用熔鑄、熔鑄加壓力加工以及粉末冶金的方法制備。

鑄造材料在熔爐內(nèi)熔煉后直接在砂型、金型或臘型中鑄成鑄件成品，或用壓力鑄造、離心鑄造、真空鑄造等鑄成鑄件成品。

變形材料重有色金屬變形材料的熔鑄見重有色金屬材料熔煉和重有色金屬材料鑄造。重有色金屬材料的壓力加工有軋制、擠壓、鍛造和拉伸等方法。(1)對于重有色金屬板、帶、箔材，是將鑄造的扁錠加熱到O．8T熔(T镕為用絕對溫度表示的材料的熔點(diǎn))左右，在熱軋機(jī)上熱軋開坯(將鑄造組織改變?yōu)榧庸そM織)，然后在中軋機(jī)上粗軋減薄，最后在精軋機(jī)上軋制成所需厚度的成品。(2)對于重有色金屬棒、線及型材，是將鑄造的圓錠加熱到O．8T镕左右，在擠壓機(jī)上擠壓或在棒線軋機(jī)上熱軋開坯，然后在拉伸饑上拉伸成成品。(3)對于重有色金屬管材，是將鑄造的圓錠加熱到O．8T镕左右，在管材擠壓機(jī)上擠成管坯(或在穿孔機(jī)上穿孔制成管坯)，然后在軋管機(jī)上軋制，再在拉伸機(jī)(包括圓盤拉伸機(jī))上拉制成成品。(4)對于重有色金屬鍛材，是在鍛造機(jī)上熱鍛或冷鍛成成品。

此外，尚需注意：(1)重有色金屬材料亦可在水平連鑄機(jī)上鑄出板坯、棒坯、線坯和管坯，水平連鑄的坯料可不經(jīng)熱加工，而在均勻化退火后直接進(jìn)行冷加工。(2)熔點(diǎn)較高的銅、銅合金、鎳、鎳合金在冷加工時會產(chǎn)生冷作硬化，需要進(jìn)行中間退火以恢復(fù)塑性。兩次退火間的總加工率與材料的性能有關(guān)，一般在30％～70％之間，中間退火溫度約為O．4T熔。純銅和純鎳的總加工率可大一些，在有些情況下可達(dá)90％以上而無需退火。退火后一般需要酸洗，光亮退火后可不經(jīng)酸洗。(3)熔點(diǎn)較低的鋅、鉛、錫、鎘及其合金，一般無加工硬化現(xiàn)象，不需中間退火。(4)根據(jù)應(yīng)用情況，重有色金屬變形材料也可不進(jìn)行冷變形，直接在熱軋或擠壓狀態(tài)下使用；或?qū)⒗浼庸さ某善方?jīng)成品退火后使用。(5)重有色金屬材料還可采用特殊的加工方法，如用帶坯焊成管坯，用電解方法制成箔材，用爆炸成形方法制造復(fù)合材料等。

粉末冶金材料重有色金屬粉末材料的制備方法是，首先將材料用化學(xué)、饑械或其他方法制成金屬粉末，然后經(jīng)過混合、壓制、燒結(jié)成形或再進(jìn)行壓力加工成形為所需要的成品。

應(yīng)用各種重有色金屬材料因其性能不同而使用于各個不同領(lǐng)域中。銅及銅合金主要用作導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料、結(jié)構(gòu)材料和儀器儀表零件等。鎳及鎳合金主要用作電真空材料、耐蝕材料、儀器儀表材料和熱電偶材料。鋅及鋅合金主要用作電池材料、超塑材料和印刷材料。鉛及鉛合金主要用作耐酸、耐蝕材料和防護(hù)鍍層。鎘主要用作電鍍材料和原子反應(yīng)堆的控制材料。

展望重有色金屬材料歷史悠久，品種繁多，為工業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步所必需。盡管由于儲量較少，資源逐重zhong漸枯竭，最終將為其他材料所代替，但預(yù)計在21世紀(jì)前半葉，仍將會繼續(xù)發(fā)揮重要作用。當(dāng)前世界重有色金屬材料的主要發(fā)展動向是：(1)添加微量元素，提高與改善現(xiàn)有材料的綜合性能。現(xiàn)有的重有色金屬材料雖能基本滿足需要，但隨著使用條件的不斷惡化，人們對材料的強(qiáng)度、耐熱和耐蝕性能要求逐漸提高，以便能在高溫、潮濕、有污染介質(zhì)的環(huán)境中長期使用。為此，冶金學(xué)家們正在深入研究添加各種微量元素對重有色金屬材料的影響。如添加微量元素對提高銅軟化溫度和耐蝕性能的影響；添加微量元素對鋅耐蝕性能的影響；添加微量元素對鎳真空性能的影響等。以期用之改善材料性能，滿足使用要求。(2)將實(shí)驗(yàn)室已有成果在工業(yè)上加以應(yīng)用。20世紀(jì)后半葉，在重有色金屬材料的研究方面，取得了許多重要成果，如銅一鎳一錫、銅一鎳一鉻等亞穩(wěn)分解高強(qiáng)彈性材料，銅一鋅一鋁、銅一鋅一硅、銅一鋁一鎳等形狀記憶銅合金。這些材料多半還在試驗(yàn)室或中試階段，人們正在研究實(shí)現(xiàn)這些材料大規(guī)模生產(chǎn)的條件，以期在工業(yè)上發(fā)揮作用。(3)采用多種強(qiáng)化途徑，研制高強(qiáng)合金。為了滿足工業(yè)技術(shù)日益發(fā)展的需要，當(dāng)前冶金學(xué)家們一方面繼續(xù)采用各種傳統(tǒng)的強(qiáng)化效應(yīng)研制新的重有色金屬材料，如用多元素復(fù)合化合物在固溶體中沉淀硬化研制銅合金、鎳合金；用各種粒子彌散強(qiáng)化研制彌散強(qiáng)化銅、強(qiáng)化鎳和彌散強(qiáng)化青銅等。另一方面還在采用新的強(qiáng)化方法，如用鎢、鈮、鉭、鉻等高熔點(diǎn)金屬纖維和碳纖維研制纖維強(qiáng)化的銅合金基復(fù)合材料，以更好地實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)和高強(qiáng)的結(jié)合，滿足航天工業(yè)和原子能工業(yè)的需要。