阿茹汗 2025-11-01 18:38:58
每经编辑|钟筠溪
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自古以(yi)来,铜便(bian)以(yi)其(qi)独特的魅力和(he)卓越的(de)性(xing)能,在人(ren)类(lei)文明(ming)的发(fa)展(zhan)史(shi)中扮(ban)演着(zhe)举足(zu)轻重(zhong)的角色。从古(gu)老(lao)的(de)货(huo)币到精(jing)美的(de)工艺品(pin),再到(dao)现代工业中的精(jing)密(mi)部(bu)件,铜(tong)及(ji)其合金的(de)身影(ying)无处不(bu)在(zai)。今(jin)天,我们将(jiang)深(shen)入(ru)探(tan)索铜的内(nei)在世(shi)界,聚焦其在耐腐蚀性这(zhe)一(yi)关(guan)键性(xing)能(neng)上的非(fei)凡(fan)表现,并(bing)将其与我们(men)熟(shu)悉(xi)的老伙(huo)计——钢材,进行(xing)一(yi)次别(bie)开(kai)生面的(de)性能对比(bi)分析。
小标(biao)题一(yi):铜的(de)腐蚀(shi)“免(mian)疫(yi)力”:为(wei)何它(ta)能经受时间(jian)的考验(yan)?
我们日常生(sheng)活(huo)中接(jie)触(chu)到的许(xu)多金属,或(huo)多或(huo)少都(dou)会经历“生锈(xiu)”的困扰,然(ran)而铜却(que)显得格(ge)外(wai)“长寿(shou)”。这并(bing)非偶(ou)然(ran),而(er)是(shi)其内在(zai)化学结(jie)构(gou)的必(bi)然。铜的耐腐蚀(shi)性,主(zhu)要体现在它在(zai)多种(zhong)环境(jing)下的稳定性。
氧化层的自我保(bao)护(hu):当(dang)铜暴露在(zai)空气中时,它(ta)会(hui)与氧气发生反应,形(xing)成(cheng)一层薄(bao)薄(bao)的(de)氧(yang)化铜(CuO)或氧(yang)化亚铜(Cu?O)。这(zhe)层(ceng)氧化物(wu)并(bing)非像(xiang)铁锈那样疏松(song)易脱落(luo),而是相(xiang)对致(zhi)密(mi)且与铜(tong)基体(ti)结合(he)牢固(gu)。更神奇的(de)是,随(sui)着时间的(de)推移,这层(ceng)氧化物可(ke)能会(hui)进一步与(yu)空(kong)气中的其他(ta)成分(fen)(如(ru)二氧(yang)化(hua)碳、硫(liu)化物(wu)等(deng))发(fa)生反(fan)应,形成一(yi)层绿(lv)色(se)的(de)铜绿(lv)(主要成分为(wei)碱(jian)式碳酸铜(tong)、碱式(shi)硫酸铜等(deng))。
这(zhe)层(ceng)铜绿,虽然在美学上(shang)可(ke)能(neng)不(bu)被(bei)所有人喜爱,但(dan)它却(que)如同(tong)一(yi)个(ge)坚固的盾(dun)牌,有效地隔绝了外(wai)界腐(fu)蚀性物质(zhi)与金属本(ben)体的直接(jie)接触,大(da)大(da)延缓了金(jin)属的(de)进(jin)一(yi)步腐蚀。这(zhe)种“自(zi)我(wo)保(bao)护”机制,是(shi)铜能够长(zhang)期保持(chi)其结(jie)构(gou)完整(zheng)性和功能性的重要(yao)原因(yin)。电化学稳(wen)定性(xing):在(zai)电(dian)化(hua)学腐蚀方面,铜(tong)也表现出良好的(de)耐受(shou)性。
相较于铁等(deng)活泼金属(shu),铜的(de)标准电极电势(shi)较高,这意(yi)味着在许多常见电(dian)解(jie)质(zhi)溶(rong)液(ye)中,铜不容(rong)易(yi)发生阳(yang)极溶解,即不容(rong)易失(shi)去电子变(bian)成金(jin)属离(li)子。即(ji)使在有氧存在(zai)的酸性或中性(xing)溶液中(zhong),铜的(de)腐(fu)蚀速率也相对(dui)较(jiao)低,其(qi)形(xing)成(cheng)的(de)钝(dun)化层能够(gou)有(you)效抑制(zhi)电化学(xue)反应的进行。应(ying)对不(bu)同介质的(de)策略(lve):铜在不(bu)同(tong)介质中(zhong)的(de)表现也各有(you)千秋。
在(zai)淡水中,其腐(fu)蚀(shi)速率非(fei)常(chang)缓慢(man)。在(zai)海(hai)水环境(jing)中(zhong),虽然存(cun)在(zai)氯离子等(deng)腐蚀性物(wu)质,但铜及(ji)其(qi)合金(如(ru)黄(huang)铜、青铜(tong))在海水中(zhong)的耐(nai)腐蚀(shi)性仍然(ran)优(you)于许(xu)多其(qi)他金(jin)属(shu),这也(ye)是为什(shen)么它们(men)常(chang)被用于船舶制(zhi)造和(he)海洋工(gong)程中的原因(yin)。即使在某(mou)些弱酸性(xing)或碱(jian)性环(huan)境中,铜也(ye)能保持(chi)相当(dang)程度(du)的(de)稳(wen)定(ding)性。
当(dang)然,在(zai)强(qiang)氧(yang)化性(xing)酸(suan)(如硝(xiao)酸(suan))和某(mou)些特定化(hua)学品(pin)环境中(zhong),铜(tong)的腐(fu)蚀(shi)性(xing)会显著(zhu)增(zeng)强,这(zhe)时就需要(yao)采取额(e)外的防(fang)护措施或选(xuan)择(ze)更适合(he)的材料。
小标题二:铜合(he)金的“超能(neng)力”:定(ding)制化的(de)耐腐蚀(shi)解决方(fang)案(an)
纯铜虽然(ran)具(ju)有(you)良好(hao)的(de)耐(nai)腐(fu)蚀性,但在某(mou)些应用场(chang)景下,其机(ji)械性能可能无(wu)法满(man)足需求。此(ci)时,各(ge)种铜合(he)金便应(ying)运而(er)生,它们在(zai)保(bao)持(chi)优异(yi)耐腐(fu)蚀性的还(hai)能显(xian)著提升强度、硬(ying)度、导电(dian)性(xing)、导热性等(deng)多种性能(neng)。
黄铜(铜锌合金(jin)):黄铜(tong)是最(zui)常见(jian)的铜合金(jin)之一,通过加入不同(tong)比例(li)的锌(xin),可以(yi)显(xian)著(zhu)提(ti)高铜的(de)强度和硬度(du)。锌(xin)的(de)加(jia)入对(dui)铜(tong)的(de)耐腐蚀(shi)性影响(xiang)相对较小(xiao),尤其(qi)是(shi)在(zai)大气(qi)和(he)水(shui)介质中(zhong)。例如,在(zai)某(mou)些(xie)淡(dan)水和海(hai)水环(huan)境(jing)中,黄铜(tong)的(de)耐(nai)腐(fu)蚀性依然表(biao)现(xian)出色,这(zhe)也是为(wei)什么(me)黄(huang)铜常用于水管(guan)接头(tou)、阀门(men)和装(zhuang)饰(shi)件(jian)的原因。
青(qing)铜(tong)(铜锡合金):青铜是(shi)另一种重(zhong)要(yao)的(de)铜合(he)金,加入锡后,其强度(du)和耐(nai)磨性(xing)得到(dao)大幅提升。青铜(tong)在耐(nai)腐蚀性方(fang)面(mian)也表(biao)现(xian)不俗(su),尤(you)其是(shi)在(zai)海水和工(gong)业用(yong)水中(zhong),其耐腐(fu)蚀(shi)性甚至优于某些黄(huang)铜。这(zhe)也是(shi)为什么青铜在古代(dai)就被(bei)广泛(fan)用于(yu)制造武器、工具(ju)和雕塑(su),如(ru)今也(ye)常用(yong)于(yu)轴(zhou)承、齿(chi)轮等需要高耐(nai)磨和(he)耐腐(fu)蚀的(de)场合。
白铜(tong)(铜镍合金):白铜,如(ru)康(kang)铜(Cu-Ni-Mn)和(he)蒙乃(nai)尔合(he)金(Ni-Cu),在(zai)耐海水腐(fu)蚀方面具(ju)有极其卓(zhuo)越的性(xing)能(neng)。它们的耐(nai)腐蚀性极(ji)强,能(neng)够(gou)抵(di)抗(kang)氯离子(zi)引起(qi)的点蚀(shi)和(he)缝隙(xi)腐蚀(shi),因此在(zai)海洋工程、化工设(she)备、热(re)交换(huan)器等领域得(de)到了(le)广(guang)泛应(ying)用。
小标题(ti)三:铜(tong)与钢的“初(chu)次交锋”:耐腐蚀(shi)性的(de)初(chu)步(bu)审视(shi)
当我们把(ba)目光(guang)转向(xiang)钢材时,我(wo)们不得不面(mian)对(dui)一个普遍的现象:钢材(cai),特(te)别是(shi)普通(tong)碳(tan)钢(gang),其耐(nai)腐蚀性(xing)相(xiang)对较(jiao)弱(ruo)。
铁锈(xiu)的“甜(tian)蜜(mi)负担”:钢(gang)材的(de)主(zhu)要成(cheng)分是(shi)铁,铁(tie)在地表环(huan)境中(zhong)极易(yi)氧化,形(xing)成疏(shu)松的氧化(hua)铁(tie),也就(jiu)是我们常说的(de)铁锈。铁锈(xiu)不仅破坏(huai)了材(cai)料的整(zheng)体(ti)性,还(hai)会(hui)加(jia)速(su)金属的(de)进一步(bu)腐(fu)蚀。虽(sui)然不(bu)锈钢(gang)通过(guo)添加铬等(deng)元(yuan)素形成(cheng)了致(zhi)密的(de)氧化(hua)铬钝(dun)化层(ceng),从而实现了(le)优(you)异的耐腐(fu)蚀性,但普(pu)通(tong)钢(gang)材则(ze)在这(zhe)方(fang)面(mian)与铜(tong)形(xing)成了(le)鲜(xian)明的(de)对比。
环境(jing)适应(ying)性差(cha)异:在大气、水、土壤等常见环(huan)境(jing)中(zhong),铜及其(qi)大多数合金在(zai)长期(qi)使用下,其(qi)表面形成(cheng)的稳定保护(hu)层能够(gou)使其保持(chi)良好(hao)的(de)外观和(he)结构(gou)完整性。而(er)普(pu)通(tong)钢材(cai)则需要频(pin)繁进行防锈处(chu)理,如(ru)涂漆、镀锌(xin)等(deng),才(cai)能维(wei)持其(qi)使(shi)用(yong)寿命。即便(bian)是(shi)经(jing)过不(bu)锈钢(gang)化处理的(de)钢(gang)材(cai),虽然耐(nai)腐(fu)蚀性(xing)大幅提(ti)升,但在(zai)某(mou)些特定的极端腐(fu)蚀(shi)环境下(xia),铜合金(jin)仍然可能(neng)展(zhan)现出(chu)其独(du)特的优势(shi)。
总体(ti)而言(yan),在耐(nai)腐蚀(shi)性这一(yi)维度(du)上(shang),铜及(ji)其(qi)合金凭(ping)借其独特的氧化层(ceng)形(xing)成机(ji)制(zhi)和良好(hao)的(de)电(dian)化(hua)学稳(wen)定(ding)性,为我们提(ti)供了许多(duo)可靠(kao)的解(jie)决方(fang)案,尤其是在那(na)些对材(cai)料寿(shou)命(ming)和(he)可靠性要求(qiu)极高(gao)的(de)应(ying)用场(chang)景中。它们是名(ming)副(fu)其(qi)实的(de)“时间(jian)的(de)朋友(you)”。
在(zai)上(shang)一部(bu)分,我们深(shen)入探(tan)究了铜及其合(he)金在耐腐蚀性(xing)方面的出(chu)色(se)表(biao)现。在(zai)现代工(gong)程(cheng)设计中(zhong),材料的(de)性能(neng)并非(fei)单一(yi)维度(du)可(ke)以决定(ding),抗压强(qiang)度作为(wei)衡量材(cai)料承受(shou)外部(bu)压力(li)能力(li)的(de)指(zhi)标,同样(yang)至(zhi)关重(zhong)要(yao)。今天,我(wo)们将(jiang)继(ji)续铜与(yu)钢(gang)的(de)性能对比(bi)分析,将焦(jiao)点转(zhuan)向(xiang)它(ta)们在(zai)抗(kang)压强度上的(de)较量,并探讨(tao)在实际(ji)应用中,哪(na)种材(cai)料更(geng)能(neng)承担起(qi)“脊梁(liang)”的(de)重任。
小标题(ti)一(yi):抗(kang)压之(zhi)下(xia),韧(ren)性与刚(gang)性的抉择——钢材的(de)优势(shi)所(suo)在(zai)
当谈及抗(kang)压强(qiang)度,钢(gang)材往(wang)往(wang)是(shi)人们(men)首先(xian)想(xiang)到的(de)材(cai)料。这(zhe)得(de)益于(yu)其(qi)原子结构(gou)和冶(ye)金工(gong)艺赋予的(de)独特属(shu)性。
晶体(ti)结构的优越性(xing):钢材主要由铁(tie)原子(zi)构成,其晶(jing)体结(jie)构(gou)在高温(wen)下会(hui)发生变化(hua),通过(guo)热处理(li)等(deng)工艺(yi),可(ke)以(yi)调控其微(wei)观组织,如(ru)铁素体、奥(ao)氏体、马氏(shi)体(ti)等。这些(xie)组织(zhi)形式(shi)赋(fu)予(yu)了钢(gang)材极高的(de)强度(du)和(he)硬度。尤其是在形成固(gu)溶体或(huo)合金化(hua)后,钢(gang)材的原子(zi)排(pai)列(lie)更加紧密,抵抗外力挤压(ya)的能力显著增(zeng)强。
高屈服强度(du)与抗(kang)拉(la)强(qiang)度:钢(gang)材(cai)通常(chang)拥有(you)远(yuan)高于纯(chun)铜的(de)屈(qu)服强度和(he)抗拉(la)强度。屈服强度(du)是指材料开始(shi)发生塑性(xing)变(bian)形(xing)的应力(li)值,而(er)抗(kang)拉强(qiang)度则(ze)是材(cai)料在(zai)拉(la)伸过程中所(suo)能承(cheng)受的(de)最大应力。这(zhe)意(yi)味着在(zai)相(xiang)同的尺寸(cun)下(xia),钢材能够承受(shou)更(geng)大的(de)压力(li)而不(bu)发生(sheng)永(yong)久变形或断(duan)裂。这使(shi)得钢(gang)材(cai)成为建造摩天大(da)楼(lou)、桥梁(liang)、重型(xing)机(ji)械(xie)等需(xu)要承(cheng)受巨(ju)大(da)载荷的(de)结构(gou)的理想选(xuan)择。
合(he)金化(hua)的无(wu)限可能(neng):通(tong)过在(zai)钢中(zhong)加入(ru)不同(tong)的合金(jin)元(yuan)素,如(ru)碳、锰、硅、铬、镍、钼等,可以进(jin)一步(bu)提(ti)升(sheng)钢材的(de)强(qiang)度、硬度(du)、韧性以及耐(nai)磨性(xing),从而(er)衍生出各(ge)种高性能(neng)特种钢(gang)。例(li)如,高(gao)强度(du)低合金钢(gang)(HSLA)在保持良(liang)好焊接性(xing)的能(neng)够(gou)提供更高的(de)强度重(zhong)量(liang)比(bi);工具钢(gang)则(ze)以其极(ji)高的(de)硬(ying)度(du)和耐磨性(xing),成为切削(xue)工具(ju)和模具的首(shou)选(xuan)。
虽(sui)然(ran)在(zai)普(pu)遍认(ren)知(zhi)中,钢材的抗压强度更(geng)胜一(yi)筹,但这(zhe)并不意(yi)味着(zhe)铜就“不堪(kan)一击”。铜及(ji)其合(he)金在特(te)定(ding)领域,同样(yang)能够展现(xian)出令人(ren)惊讶(ya)的“骨架(jia)”力量(liang)。
纯铜(tong)的(de)强度(du)潜(qian)力:纯(chun)铜的(de)抗拉强(qiang)度(du)相(xiang)对较低(di),但其(qi)塑性非(fei)常(chang)好(hao),易(yi)于加(jia)工成(cheng)各种复(fu)杂的形状。在(zai)某些只(zhi)需要(yao)中(zhong)等强(qiang)度且(qie)对导(dao)电(dian)性(xing)、导(dao)热性(xing)有极高(gao)要求的场合,纯铜(tong)仍(reng)然是(shi)不可(ke)替代(dai)的。铜(tong)合金的“硬核(he)”力(li)量:关(guan)键在于铜(tong)合金。通过(guo)精(jing)心(xin)调配合(he)金(jin)成分(fen),铜合金(jin)的(de)强度可以得(de)到显著(zhu)提升(sheng)。
高(gao)强(qiang)度黄(huang)铜:通过(guo)增(zeng)加锌(xin)的含量(如某(mou)些特种黄铜),可以(yi)显(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)其屈服强(qiang)度(du)和抗(kang)拉(la)强度(du),使其(qi)在一(yi)些(xie)受力不(bu)极端(duan)但需要良好耐腐蚀性(xing)的场合(he),能够与(yu)某些钢(gang)材一(yi)较高下。青(qing)铜的(de)承(cheng)载(zai)能(neng)力:如前(qian)所述,青铜(tong)在加入锡(xi)后,强度(du)和硬(ying)度都有(you)大幅提升。一些高(gao)强(qiang)度(du)青(qing)铜,如(ru)铝青(qing)铜,其(qi)抗拉强度甚(shen)至(zhi)可以(yi)媲美一(yi)些中等强(qiang)度(du)的钢材,同(tong)时(shi)还兼具(ju)优异(yi)的耐腐(fu)蚀(shi)性和(he)耐磨性,常(chang)用于(yu)制(zhi)造高负荷轴承(cheng)、齿(chi)轮、螺(luo)旋桨(jiang)等。
特(te)种(zhong)铜合金(jin)的崛起:还(hai)有一(yi)些(xie)高(gao)性(xing)能铜合金,如(ru)铍铜,其强度、硬(ying)度和耐(nai)磨性都非常高,可(ke)以与高强(qiang)度(du)钢(gang)媲美(mei),同时还保(bao)留了铜(tong)的(de)优良(liang)导电性,广(guang)泛应用于(yu)航空航天(tian)、电子(zi)元(yuan)件等(deng)领域。
在理(li)解了(le)铜和钢在(zai)耐(nai)腐(fu)蚀性和抗(kang)压强度(du)上(shang)的特点后(hou),我们可以进行(xing)一(yi)次更(geng)全面的(de)性能(neng)对比(bi)分析(xi)。
极(ji)致(zhi)强度(du)与(yu)承(cheng)重(zhong):如果您(nin)的(de)首要考(kao)虑是(shi)承(cheng)受极(ji)高的(de)压力和(he)载荷(he),例(li)如(ru)大型桥(qiao)梁(liang)、高(gao)层建筑的承重(zhong)结构(gou)、重型(xing)机(ji)械的(de)框架(jia)等,那(na)么(me)钢(gang)材,特别是高强(qiang)度钢,无(wu)疑是更(geng)优的(de)选择。其高(gao)屈服(fu)强(qiang)度和抗(kang)拉强度(du)能(neng)够提供(gong)最(zui)可(ke)靠(kao)的结(jie)构支(zhi)撑。耐腐蚀环境(jing)下(xia)的(de)结(jie)构(gou):当项目(mu)处(chu)于腐(fu)蚀(shi)性环境(jing),如海洋工程(cheng)、化(hua)工(gong)管(guan)道、某些水(shui)处理(li)设备(bei)等,并(bing)且需(xu)要一定的(de)结构(gou)强度时,铜合金(jin)(如白铜(tong)、某(mou)些高(gao)强度青(qing)铜)可能(neng)会成(cheng)为理(li)想的(de)解决方案。
它们(men)在提供(gong)足(zu)够(gou)强(qiang)度(du)的能(neng)够(gou)抵抗(kang)环(huan)境的(de)侵蚀(shi),从(cong)而延(yan)长(zhang)设(she)备寿(shou)命,降低维(wei)护成本。导(dao)电/导(dao)热与(yu)结(jie)构(gou)结合(he):在一些(xie)对导电性(xing)和(he)导热性(xing)有特殊要(yao)求的场合(he),例(li)如精密仪(yi)器(qi)、电(dian)子设备(bei)外壳、某(mou)些(xie)散热器等,铜(tong)及其(qi)合(he)金能(neng)够(gou)同时满足强度(du)和传(chuan)导性(xing)能的(de)需(xu)求(qiu)。这时(shi),它们(men)可能比(bi)钢(gang)材更(geng)具优(you)势。
成本与(yu)综合效益:成本(ben)也是(shi)一个重(zhong)要考量因素。在许多情况下(xia),普通(tong)钢材的价格要(yao)低于铜及其合(he)金。因(yin)此(ci),在满(man)足(zu)性能要(yao)求(qiu)的前(qian)提下,选(xuan)择成本效益(yi)更高(gao)的材(cai)料是工(gong)程设计(ji)的常态。在(zai)某些(xie)特殊应用中,铜(tong)合(he)金虽然(ran)初(chu)始成本较高,但其(qi)卓越的耐(nai)腐蚀(shi)性和(he)长寿命(ming)可(ke)能带(dai)来更(geng)高的(de)长期综合(he)效益(yi)。
钢材(cai):强壮(zhuang)、可(ke)靠(kao)、经济,是(shi)建(jian)筑(zhu)、汽车(che)、机(ji)械(xie)制(zhi)造(zao)的(de)基石(shi)。纯铜(tong):柔韧(ren)、导电(dian)、导(dao)热,是电子、电(dian)力(li)、艺术的宠(chong)儿(er)。铜合金:多(duo)面手(shou),在保留铜(tong)的某些(xie)优(you)点(dian)的(de)大幅(fu)提升(sheng)强度(du)、硬度、耐(nai)磨(mo)性(xing)、耐(nai)腐(fu)蚀性,是满足(zu)特定工程需求(qiu)的(de)“定制(zhi)化(hua)”材料(liao)。
铜与钢,各有千(qian)秋,也各(ge)有(you)局限(xian)。铜(tong)以其卓越(yue)的耐腐(fu)蚀性,在时(shi)间的洗礼中展(zhan)现出恒久(jiu)的魅力(li),成(cheng)为守(shou)护者。而钢(gang)材则(ze)以其(qi)无与伦比(bi)的抗压(ya)强(qiang)度(du),构筑起现(xian)代文明的(de)宏(hong)伟骨(gu)架,成(cheng)为承载者。理解(jie)它们各(ge)自(zi)的性能(neng)优势(shi),并在具(ju)体的(de)工程(cheng)需求(qiu)下进(jin)行(xing)权衡,才(cai)能找到最(zui)合适(shi)的材料解(jie)决方(fang)案。
无论(lun)是铜的(de)温润(run)坚(jian)韧,还是(shi)钢(gang)的(de)刚毅(yi)磅礴,它们都(dou)在(zai)各(ge)自(zi)的领域,以(yi)其独(du)特的(de)方(fang)式,书(shu)写(xie)着材料科(ke)学的(de)辉(hui)煌(huang)篇章。
2025-11-01,胡桃开襟,光大期货有色金属类日报8.15
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图片来源:每经记者 陶发庆
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