=== 第 9 章 常用之非鐵金屬材料 ===

1. ===第9章 常用之非鐵金屬材料=== 9-1銅及銅合金 9-2鋁及鋁合金 9-3鉛、錫、鋅及其合金 9-4其他

2. 銅（Copper，Cu）是人類所熟悉的金屬之一，其最重要的性質為導電性高，質地柔軟，延展性大等，所以常被用來當做電線及管件的主要材料，如圖9-1 所示。 大部分的銅是由銅礦經過冶煉而得，銅礦中若含銅量在2~3%時，就有開採的價值，比鐵礦類來得經濟。 一般依所含成分不同，可將銅礦分為兩種： 1.含硫化物的銅礦，例如：黃銅礦（Chalcopyrites，CuFeS2）、輝銅礦（Chalcocite，Cu2S）及硫砷銅礦（Enargite Cu3(As Sb)S4）等。 2.含氧化物的銅礦，例如：赤銅礦（Cuprite，Cu2O）、孔雀石（Malachite (CuCO3)2．Cu(OH)2）及黑銅礦（Tenorite，CuO）等。 9-1銅及銅合金

3. 9-1銅及銅合金

4. 9-1銅及銅合金 1.冶煉含硫化物的銅礦時，先將銅礦打碎後與熔劑依比例放入鼓風爐中熔煉，在1250℃左右的爐溫下，銅礦石熔融後形成含銅與鐵 的硫化物（Cu2S．FeS），即得所謂的鑌銅（Matte），如反應式(9-1)。由於鑌銅的比重大而沉入爐底與爐渣分離，鑌銅的含銅量 約為30~50%。

5. 9-1銅及銅合金 其次，再將此熔融的鑌銅（硫化亞銅）送入轉爐中，以強風吹入，使空氣中的氧與硫、鐵等結合並除去氧化物；鑌銅中的FeS 會先被氧化，其鐵成分形成熔渣，如反應式(9-2)，之後Cu2S中的S被氧化，而留下熔融狀態的銅，如反應式(9-3)、(9-4)，此時的銅稱為粗銅或泡銅（Blister copper）。

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7. 9-1銅及銅合金 2.冶煉含氧化物的銅礦時，以銅礦和焦炭共同置入鼓風爐中加熱，粗銅即被還原而析出，可得純度達97~99%銅。 其化學反應式為：

8. 9-1銅及銅合金 礦石經焙燒而成氧化銅，同時產生之SO2可製造硫酸。稀硫酸可溶解氧化銅並成為硫酸銅，再加入廢鐵即可得到沉澱銅（Cement copper）。 其化學反應式為

9. 9-1銅及銅合金 無論是粗銅或沉澱銅都必須再經過電解精煉的過程，方可得到高純度的銅。粗銅的電解，如圖9-2 所示，粗銅作為陽極板，純銅片作為陰極板，陰極板與陽極板以交錯且間隔之方式排列，飽和的硫酸銅溶液作為電解質。 當電流通過時，粗銅從陽極溶解而聚積於陰極板上，陰極板上塗有一層石墨，以使得聚積於純銅片上的銅易於剝離，經過電解精煉後的銅，稱為電解銅（Electrolytic copper），其純度約在99.95~99.96%之間。

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11. 9-1銅及銅合金 反射爐煉銅法之流程，如圖9-3 所示。黃銅礦經鍛燒後送入反射爐中產生鑌銅，再將熔融的鑌銅熔液置於轉爐中，將其中的雜質、SO2及O2等氧化物除去，使得Cu2O還原成粗銅，此種銅稱為韌煉銅（Tough pitch coper）。韌煉銅熔解時若加入磷予以脫氧可得到脫氧銅（Deoxidized copper）。最後，視需要將粗銅送入精煉爐產生純銅。

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13. 9-1銅及銅合金 銅之主要物理性質，如表9-1 所示，可知銅的比重較鋼為大，且其結晶格子型式為FCC；導電度為58Ω-mm2/m，而電阻係數為0.01724Ω-mm2/m。

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15. 9-1銅及銅合金 銅為紫紅色有光澤的金屬且為熱與電的良導體，質地軟而堅韌，但強度小，熔點很高。 氧的含量在0.03~0.05%時，銅的導電度最大。 磷、砷等雜質，固溶於銅中，將降低銅的導電度，鉛及硫等並不固溶於銅中，對銅的導電度影響較小。

16. 9-1銅及銅合金 純銅的延展性僅次於金與銀，可以製成管、薄板及細線。銅在常溫加工時，容易硬化而變脆，如加熱於600~700℃，約30分鐘即可退火而軟化。 若將銅加熱至750~850℃可避免高溫硬化，如圖9-4 所示，銅在常溫加工時，其硬度、抗拉強度與伸長率隨加工度變化之情形。

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19. 9-1銅及銅合金 純銅為紫紅色的金屬，在乾燥空氣中，不易起變化。但在潮濕空氣中與二氧化碳作用時，銅的表面容易生成一層綠色的鹼性碳酸銅，俗稱銅綠，銅綠可保護銅不再繼續被氧化，置於清水中不易起作用。 銅中的氧及不純物含量越少，則銅的耐蝕性愈大，而銅中氧的含量若少於0.003%（又稱為無氧銅）時，對酸類具有耐蝕性，韌煉銅（含0.04%之氧）可溶於高溫濃硫酸及濃硝酸中。

20. 9-1銅及銅合金 銅的最大用途為製造電線及電纜。硬拉銅線一般用於輸電線、電車線及天線；退火軟銅線用於電纜、電機用線、屋內電線等，純銅的機械性質，如表9-2 所示。

21. 9-1銅及銅合金 黃銅是銅和鋅的合金，黃銅的表面一般均為光亮的黃色或金黃色，容易加工，常用的黃銅，含鋅量大都在30~40%之間。黃銅的顏色可隨含鋅量的改變而不同。 而鋅含量對黃銅之機械性質影響很大，如圖9-5所示，並說明如下：

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23. 9-1銅及銅合金 1.抗拉強度 鋅含量約35%以前，抗拉強度一直小幅穩定的增加，35~43%之間，抗拉強度急速增大到最高點，以後又急速減小。 2.伸長率 鋅含量約在10%時，伸長率略小，然後隨著含鋅量的增加而增大，含鋅量達30%時具有最大的伸長率，超過30%以後，伸長 率又急速地減小。

24. 9-1銅及銅合金 3.硬度 硬度在含40%鋅量以後，開始急遽的增大。一般金屬的機械性質是當抗拉強度增大時，伸長率會減小，而黃銅在含鋅量約 10 30%時，伸長率與抗拉強度卻同時增大，這是黃銅的特性之一。

25. 9-1銅及銅合金 常溫加工後的黃銅材料，如：銅管、桿或條等，在使用或貯存的過程中，容易發生應力腐蝕破裂，這種現象稱為季裂（Season crack）。 其原因為材料加工應力，以及材料長期受到潮濕和高溫所造成，為了防止季裂發生，通常是將黃銅加熱至250~300 ℃退火約30 分鐘，以除去內部應力，或表面施以防蝕處理。黃銅在大氣中不易被腐蝕，因此可保持光澤美麗的外表。

26. 9-1銅及銅合金 但黃銅對酸鹼抵抗力弱，對海水的耐蝕較強，當黃銅被腐蝕時，多是因為鋅被溶解而消失，此種現象稱之為脫鋅（Dezincification）。 黃銅依照用途通常可分成三類：(1)鑄造黃銅；(2)鍛造黃銅；(3)特殊黃銅， 茲分述如下：

27. 9-1銅及銅合金 (1)鑄造黃銅（Cast brass） 黃銅鑄件，以含鋅量30~40%使用最普遍，除含銅、鋅外，還加入少量其他元素，如鉛、錫等。鑄造黃銅主要用在煤氣管、自來水管接頭與閥體（如圖9-6 所示）、機械鑄件、建築裝飾等方面

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29. (2)鍛造黃銅（Wrought brass） 黃銅由預鑄銅塊經冷熱輾壓或抽拉、擠製等方法，可製成銅板、銅帶、銅管或銅絲等。鍛造黃銅種類很多，最常見有三種： 七三黃銅； 二一黃銅； 六四黃銅。 說明如下： Ⅰ.七三黃銅：含銅量約為70%，其餘為鋅，延展性大，適合於常溫加工。槍砲的彈殼（如圖9-7 所示），多以此種黃銅製造，故又名彈殼黃銅。 9-1銅及銅合金

30. 9-1銅及銅合金 Ⅱ.二一黃銅：含銅量約為65%。抗拉強度較七三黃銅小，而伸長率較大。它具有優良的常溫加工性能，可抽拉或冷壓製造銅桿、銅線、銅片、銅管、木螺釘及彈簧等，因其顏色為黃色，故又稱之為黃黃銅。 Ⅲ六四黃銅：含銅量約為60%，其餘為鋅，適用於高溫加工。主要用途為製成冷暖氣管、銅片、線、桿等，含60% 銅及40%鋅之黃銅又稱為孟慈合金（Muntzmetal），發現者為英國人孟慈，因而得名。它能耐海水侵蝕，可作為船舶的外皮。

31. (3)特殊黃銅（Special brass） 特殊黃銅是銅中除含鋅元素外，還加入其他元素如鉛、錫、鋁、錳、矽、鎳及鐵等。其目的在改良黃銅的切削性、 耐蝕性及機械性質等，分述如下： Ⅰ.加鉛特殊黃銅（Lead brass）：黃銅中含鉛量約在0.5 3%。黃銅中含鉛可降低抗拉強度、伸長率及增加切削性。木螺釘、鐘錶之齒輪、螺桿等通常含2 3%之鉛。 9-1銅及銅合金

32. 9-1銅及銅合金 Ⅱ.加錫特殊黃銅（Tin brass）：黃銅中含錫量約0.75 1%，可增強黃銅的耐蝕性，尤其是它可抵抗海水的侵蝕。七三黃銅中加入1%錫稱為海軍合金（Admiralty metal），六四黃銅中加入0.75%的錫稱為海軍黃銅（Naval brass），海軍合金主要用來製造船舶中的管子，例如：冷卻管、加熱管等。 海軍黃銅常用於船舶零件的製造，如螺旋槳軸等。

33. 9-1銅及銅合金 Ⅲ.加鋁特殊黃銅（Aluminium brass）：黃銅中加入鋁，可增加 耐蝕性。 含76%銅、22%錫、2%鋁之鋁黃銅，其耐蝕性較海軍黃銅為優，適合於常溫及高溫加工。

34. 9-1銅及銅合金 Ⅳ.高強度黃銅（High tension brass）：黃銅中加入錳、鋁、錫 等，可增加耐蝕性和強度，加入鐵可使晶粒變細，增加硬度以改善機械性質。因其具有最高強度（抗拉強度450N/mm2以上）而得名。適合於高溫加工及鑄造，可製造高強 度及耐蝕性之機件。

35. 9-1銅及銅合金 銲接用合金主要用作結合的材料，將熔點較低之銲接用合金加熱並融入欲接合的母材之間。若母材不熔化，僅銲接用合金熔化者，稱為軟銲（Soldering），其銲接溫度在427℃以下，一般以錫充當銲料故亦稱錫銲。 若母材之局部與銲接用合金互熔者，稱為硬銲，銲接溫度在427℃以上，一般以銅充當銲料故亦稱銅銲。

36. 硬銲合金通常係指銅鋅合金而言，如表9-3 所示。 9-1銅及銅合金

37. 9-1銅及銅合金 硬銲於銲接時常以硼砂作為清潔劑，以除去表面之氧化物並增加熔液流動性。常用於碳化鎢刀片、管接頭、電氣零件（如圖9-8 所示）等之接合。

38. 9-1銅及銅合金 青銅是銅和錫的合金，它具有鑄造容易、強度大、流動性良好、導電性佳以及耐腐蝕、耐磨耗等特點。 它可以作為優良的鑄造用銅合金，也可以加以鍛造，其色澤也隨著含錫量的不同而改變。完全退火狀態的青銅其機械性質，如圖9-9 所示，說明如下：

39. 9-1銅及銅合金

40. 9-1銅及銅合金 1.抗拉強度：抗拉強度隨含錫量的增加而增大，於17~20%間達到最大值後，當含量超過20%後，其抗拉強度大幅降低。 2.伸長率：含3~4% 錫時伸長率最大，以後隨含錫量的增加，其伸長率顯著減小；含25%錫幾乎無伸長率。 3.硬度：含錫量低於5%時，青銅的硬度呈緩慢增加趨勢，至15%以後則急速增大。

41. 一般而言青銅加工性較黃銅差，但鑄造性佳，熔液流動性良好，鑄件收縮率很小，故多用為鑄物。青銅依照其用途一般可分一般而言青銅加工性較黃銅差，但鑄造性佳，熔液流動性良好，鑄件收縮率很小，故多用為鑄物。青銅依照其用途一般可分 成下列數種： 1.機械用青銅 機械用青銅俗稱砲銅（Gunmetal）。昔日曾以含錫量10%左右的青銅鑄造砲身，因而得名。現在的機械用青銅除含10%錫外，另加入2%的鋅，可增大機械強度及延展性，耐蝕耐磨性亦 甚為良好。它的主要用途是製造齒輪、閥、螺旋槳及其他抗蝕耐磨機件等，用途很廣。 9-1銅及銅合金

42. 9-1銅及銅合金 2.軸承用青銅 軸承用青銅（Bearing bronze）含錫量約在12~15%，此種含錫量的青銅組織，適用於鐵路車箱車軸等低速度重負荷的軸承。作為高速回轉的軸承則另含5~30%鉛。 3.硬幣用青銅 作為硬幣用的青銅（Coinage bronze），含錫量約在4~10%，延展性良好，鑄造性亦甚優異。

43. 4.鐘用青銅 鐘用青銅（Bell bronze）主要為鑄鐘用，常用於寺廟及教堂之鐘銅，如圖9-10 所示。 9-1銅及銅合金

44. 5.鑄像用青銅 鑄像用青銅（Statuary bronze）含80~90%銅、2~8%錫、1~12%鋅、1~3% 鉛，主要用於製造青銅器（如圖9-11 所示）、銅像及傢飾用青銅。有時含鋅量可提高，使熔液流動性良好，因此鑄件表面紋路清晰，含鉛量增加可使青銅之雕刻、加工更容易。 9-1銅及銅合金

45. 6.鏡銅 鏡銅（Speculum metal）成分銅佔2/3、錫佔1/3，古代用以製鏡，若加入少量的鎳及砷可以製造科學儀器。 7.特殊青銅 特殊青銅是於銅中加入鋁、磷、矽、錳、鎳及其他元素以改良材料性質，使用途更為廣泛。各種特殊青銅分別說明如下： 9-1銅及銅合金

46. (1)鋁青銅 銅與鋁的合金稱為鋁青銅（Aluminium bronze），鋁的含量約8~12%，其餘為銅。 鋁青銅在耐蝕、耐磨、耐熱及耐疲勞性方面，要較黃銅及青銅為優。但在可鑄性、加工性及熔接性方面卻較黃銅為差，可加入鐵、鎳、錳等元素加以改良。 鋁青銅極適合製造耐海水與耐酸性的機械零件，如船舶、抽水機零件等。內燃機內之耐熱性機件也常以鋁青銅製成，9~12.5%鋁之鋁青銅加入鐵、鎳、錳及鋅等之合金，稱為H.B.合金，它是高強度的耐蝕合金，常作為飛機零件。 9-1銅及銅合金

47. 9-1銅及銅合金 (2)磷青銅（Phosphorus bronze） 青銅中加磷可除去合金中之氧元素，以改善品質。 磷量增加時，可與銅化合形成Cu3P 的極硬化合物，此種磷青銅耐磨性頗佳，它可用來作為軸承以及機械零件的材料。

48. 9-1銅及銅合金 (3)矽青銅 矽青銅（Silicon bronze）係銅-矽合金，銅中含矽可除去銅中之氧元素，並可增加銅的強度及導電率。它的機械性質與磷青銅相似，耐酸、耐蝕、熔接性均佳，含3% 矽、1% 錫、 0.1%鎘的矽青銅稱為砷合金，它被用來製造軋延板，耐蝕性強，為化工最常用之材料。

49. (4)錳青銅 前述之高強度黃銅屬於第一類錳青銅（Manganese bronze）， 含錳量較低，約在1.5~3%，此處之錳青銅屬第二類，錳含量可達20%，此類合金之特性為加工容易，強度大，尤其在高溫時仍能保持其強度，故可作為高溫機械的零件。 錳青銅的電阻溫度係數近於零，是標準電阻及精密儀器的材料。含71%銅、20%錳及9% 鋁之合金稱為哈斯勒合金（Heusler alloy）是一種強磁性合金。 9-1銅及銅合金

50. 9-1銅及銅合金 (5)鎳青銅（Nickel bronze） 銅鎳合金中加入適量之鋁、矽、鋅及錳等成為回火硬化性銅合金，其耐蝕性佳，高溫時強度不變，適合製造熱機零件。