什麼是黃銅

在銅中加入鋅的合金。含Zn約30%的7-3黃銅為α相單相,延性大;約40%的6-4黃銅含有β相,強度高。

日文名稱: 黄銅

「黃銅」出現在5領域的5道練習題中(晶體缺陷與擴散, 材料的熱性質, 熱處理與金屬材料等)。

這個名詞所屬的領域: 金屬材料與合金

鋅的量與相的變化

在Cu-Zn系狀態圖中,FCC的α相最多可固溶約39%的鋅(450℃附近),鋅比這更多時就出現BCC的β相。β相在低於450℃附近的溫度,會成為原子規則排列的β′相,又硬又不易冷變形。因此含鋅約30%的7-3黃銅為α單相,適合冷的深引伸;含鋅約40%的6-4黃銅為α+β′的2相,在高溫時β相增加而變軟,所以進行熱加工。鋅超過約50%時會出現脆的γ相,因此實用的黃銅限於鋅比這更少的範圍。

代表性的黃銅與用途

在JIS中,7-3黃銅編號為C2600,6-4黃銅為C2801等。7-3黃銅伸長率大,過去一直用於彈殼、燈頭、散熱器零件等需要深引伸的零件。6-4黃銅強度高、容易熱鍛,因此用於螺栓、螺帽、閥等。易削黃銅(C3604等)含有數%的鉛,細小分散的鉛能把切屑切斷,因此適合以自動車床大量生產的小零件。在接觸飲用水的零件中,也使用以鉍或矽取代鉛的黃銅。

黃銅特有的腐蝕

黃銅依環境會發生只有鋅選擇性溶出、留下多孔質銅的脫鋅腐蝕。這是外形雖然保留、強度卻幾乎喪失的危險腐蝕,在6-4黃銅這類含β相的黃銅,以及停滯的水、含氯化物的水中容易發生。在α黃銅中,微量添加砷、銻、磷可以抑制脫鋅。此外,在含氨的環境中若有拉伸殘留應力,會發生沿著晶界破裂的季裂(應力腐蝕破裂),因此加工後要以低溫退火去除應力。

與銅比較時的性質

鋅比銅便宜,因此黃銅的材料費比銅低,而且強度更高。鋅在銅中發揮固溶強化的作用,α黃銅不只強度、連伸長率也比純銅大,是它的特徵。另一方面,溶入的鋅會散射電子,使導電率與熱傳導率降到純銅的3成左右,因此不適合電線或散熱的用途。顏色在鋅少時是帶紅色的金色,鋅越多黃色越強,由於容易加工又有美麗的顏色,也用於裝飾品、建築五金與小號等銅管樂器。

練習黃銅的題目

將銅與黃銅(Cu-Zn合金)接合後加熱,放在原界面的惰性標記會往黃銅側移動(柯肯達爾效應)。這個現象所顯示的事實,下列何者正確?

  1. A2種原子的擴散速率不同,擴散以空位機制進行
  2. B原子只以間隙機制擴散,界面兩側的晶格點數目不變
  3. C界面產生的熱應力把標記推向黃銅側
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正確答案:A. 2種原子的擴散速率不同,擴散以空位機制進行

鋅擴散進入銅的速率大於銅擴散進入黃銅的速率,因此從黃銅側離開的原子比進入的原子多。置換型擴散藉由與空位交換來進行,所以空位會朝與原子淨流動相反的方向流動,黃銅側的晶格面減少,標記便往黃銅側移動。這是證明擴散以空位機制進行的歷史性實驗。若只有間隙機制,晶格點的數目不變,標記不會移動。多餘的空位聚集起來就形成柯肯達爾孔洞,成為降低銲料接合部等可靠度的原因。

純銅(室溫熱導率約400 W/(m·K))中固溶約30%鋅的黃銅,熱導率降到約120 W/(m·K)。主要原因為下列何者?

  1. A鋅是幾乎不傳熱的物質,熱的通路減少了它所佔的體積
  2. B固溶使晶格變軟,傳遞大部分熱的聲子速度大幅下降
  3. C溶質原子散射傳導電子使平均自由徑變短,熱導率與電導率一同下降
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正確答案:C. 溶質原子散射傳導電子使平均自由徑變短,熱導率與電導率一同下降

金屬的熱主要由傳導電子傳遞,因此熱導率與電導率幾乎成正比,兩者以Wiedemann-Franz定律相連。進入銅晶格的鋅原子擾亂原子排列的週期性而散射電子,使電子的平均自由徑變短,黃銅的電導率只有純銅的3成左右。熱導率也同樣從約400降到約120 W/(m·K)。鋅本身是熱導率約116 W/(m·K) 的金屬,並不是不傳熱的物質。金屬中聲子傳遞的熱本來就只是一部分,因此即使晶格的性質稍有改變,也無法說明這麼大的下降。

常見問題

黃銅只有一種成分嗎?

不是。黃銅是銅鋅合金的總稱,依鋅的量與添加元素,有7-3黃銅、6-4黃銅、易削黃銅等許多種類。英文稱為 brass,銅管樂隊(brass band)的名稱也源自於此。

黃銅與青銅有什麼不同?

黃銅是在銅中加入鋅,青銅是在銅中加入錫的合金。青銅的鑄造性、耐磨耗性與耐蝕性優異,用於軸承、鑄件與銅像等美術品。青銅的名稱,據說來自年久後表面形成的青綠色鏽(銅綠)的顏色。

黃銅會生鏽嗎?

不會像鐵那樣生紅鏽,但在空氣中表面會氧化而顏色變暗,濕氣或汗水也可能產生銅綠。依用水環境不同,也需要注意脫鋅腐蝕與季裂。

解析中的「黃銅」

出現「黃銅」的題目(5題)

  1. 將銅與黃銅(Cu-Zn合金)接合後加熱,放在原界面的惰性標記會往黃銅側移動(柯肯達爾效應)。這個現象所顯示的事實,下列何者正確?
  2. 純銅(室溫熱導率約400 W/(m·K))中固溶約30%鋅的黃銅,熱導率降到約120 W/(m·K)。主要原因為下列何者?
  3. 關於置換型固溶強化的敘述,下列何者正確?
  4. 銅合金的名稱與主要合金元素的組合,下列何者正確?
  5. 關於應力腐蝕破裂的敘述,下列何者正確?

相關名詞

空位 Wiedemann-Franz定律 聲子 固溶強化 差排 應力腐蝕破裂 不鏽鋼 加工硬化 再結晶 回復

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