黃銅（英語：brass），是以鋅作為主要合金元素的銅合金，因其呈黃色而稱為黃銅。單純的銅鋅二元合金稱為普通黃銅或簡單黃銅，在銅鋅合金中加入其他元素，構(gòu)成三元、四元或更多元的黃銅稱為復(fù)雜黃銅或特殊黃銅。黃銅的使用有著悠久的歷史，可以追溯到公元前5千紀(jì)的新石器時(shí)代，早期是使用含鋅的銅礦石直接冶煉。
鋅在銅中的溶解度隨著溫度下降而增加，且鋅含量的不同會形成不同的晶格結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響黃銅的性能。黃銅具有良好的機(jī)械性能和較強(qiáng)的耐磨性能，廣泛應(yīng)用于機(jī)械零件、艦船零件、軸承等，也被用于制作樂器、硬幣、首飾等，同時(shí)常用于制造閥門、水管、空調(diào)內(nèi)外機(jī)連接管和散熱器等。
歷史起源
目前發(fā)現(xiàn)的世界上最早的冶煉銅，是大約公元前4700~公元前4000年，1973年出土于陜西臨潼姜寨仰韶文化遺址的殘缺半圓形黃銅薄片，鑄態(tài)組織，檢驗(yàn)得知，其平均成分為66.5%的銅、25.6%的鋅、5.9%的鉛、0.87%的錫、1.1%的鐵。經(jīng)分析，它的冶煉方法比較原始，基本上就是礦石加木炭燃燒，其冶煉溫度在950到1000℃左右。說明在公元前5千紀(jì)，人類已經(jīng)掌握了冶銅技術(shù)。
到了新石器時(shí)代晚期，塞爾維亞和保加利亞開采冶煉銅礦。石魯?shù)录{格拉瓦（Rudna Glava）古銅礦位于多瑙河中游平原的塞爾維亞貝爾格萊德以東140千米，靠近羅馬尼亞邊界，其主要銅礦物為黃銅礦，含孔雀石、藍(lán)銅礦等主要礦物。
黃銅的記載最早見于東漢（25~220年）至三國的漢譯佛書，在古文獻(xiàn)中常被稱為“鍮[tōu]石”，可能出自波斯語。大約在五代十國至宋時(shí)煉丹家摸索出用爐甘石和銅煉制鍮石的方法。
元至明朝初期，煉制鍮石的方法從方士手中轉(zhuǎn)到民間，“鍮石”逐漸被“黃銅”所取代；明宣德（1426~1435年）時(shí)期黃銅的生產(chǎn)水平已很高，制造出了久負(fù)盛名的宣德香爐；正式將黃銅用于鑄錢，是在明代嘉靖年間（1522~1566年）；萬歷（1573~1620年）中期前后大量使用高鋅的四火黃銅，產(chǎn)量提高，其價(jià)值降至紅銅的水平；明天啟（1621~1627年）以后，直接使用金屬鋅配制合金鑄錢，黃銅鑄錢技術(shù)已基本成熟。幾乎與此同時(shí)，薩沃特（Savot）于1627年首次公布含銅的鋅合金可以制成黃銅。
此后，人們對黃銅各種性能如鑄造特性、加工性能的了解逐漸深入。同時(shí)鑄造錢幣需要大量的金屬鋅，促進(jìn)了黃銅冶煉技術(shù)的改進(jìn)與發(fā)展，一方面對發(fā)明單質(zhì)鋅冶煉技術(shù)有促進(jìn)作用，另一方面使黃銅冶煉技術(shù)從用菱鋅礦煉黃銅向用單質(zhì)鋅煉黃銅進(jìn)行轉(zhuǎn)化。于是，黃銅也開始用于制作大型天文儀器，如明代渾儀中的六合儀、三辰儀測量件即為鉛鋅黃銅所制，成分為Cu74.0%~85.8%、Pb6.6%~19.6%、Zn3.7%~12.0%。鋅和銅鋅合金（黃銅）的冶煉技術(shù)的論述最早見于中國明代學(xué)者宋應(yīng)星（1587~約1666）撰著的《天工開物》。
1656年，格勞貝爾（Johann Rudolf Glauber，1604~1670，德國裔荷蘭人）發(fā)明“魯伯特王子的金屬”黃銅合金。18世紀(jì)早期，布里斯托爾是黃銅工業(yè)的重要中心。清代乾隆（1736~1796年）開始鑄造多元黃銅合金的“青錢”，標(biāo)志著中原地區(qū)古代黃銅鑄錢技術(shù)達(dá)到了最高水平。北京古觀象臺現(xiàn)存清代的8臺天文儀器均為黃銅或鉛鋅黃銅所制，平均含鋅量為27.6%，高于渾儀的含鋅量，說明黃銅已大量使用。
1816年，肖（Th.Shaw）在美國費(fèi)城發(fā)明了黃銅火帽。19世紀(jì)50~60年代，出現(xiàn)預(yù)先壓上底火的黃銅整體金屬彈殼，黃銅開始應(yīng)用于軍事上。
應(yīng)用
工業(yè)領(lǐng)域
黃銅以板材、棒材、管材、線材等廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。黃銅具有良好的電導(dǎo)率，熱導(dǎo)率和耐蝕性，并有足夠的強(qiáng)度和良好的冷、熱加工性能，被大量采用來制作冷凝管、散熱管、散熱片，冷卻設(shè)備及導(dǎo)電零件等，以及內(nèi)燃機(jī)和化工機(jī)械零件、接觸蒸汽的配件。因其具有的塑性和較高的強(qiáng)度，冷成型性能特別好，適于用冷沖壓或深拉法制造各種形狀復(fù)雜的零件和標(biāo)準(zhǔn)件，制作電機(jī)、儀表等壓鑄件。黃銅因具有良好的切削加工性能及耐磨性，可用來制作鐘表機(jī)芯，軸承、軸瓦、襯套、螺釘、閥體、旋塞、電器插座等。
船舶制造領(lǐng)域
黃銅大量用于艦艇制造工業(yè)，如壓力表、冷凝管、船舶零件、船艦焊接件的焊條等，以及汽車、拖拉機(jī)彈簧元件，亦可制作大型蝸桿、海船用螺旋槳等需要高強(qiáng)度、高耐蝕性的重要零件。
樂器制作領(lǐng)域
黃銅也用來制作銅管樂器。銅管樂器是管弦樂隊(duì)當(dāng)中十分重要的一組，它們使用相同的金屬材料制成，一般是黃銅或者白銅，并且這組樂器有十分相似的構(gòu)造和發(fā)音原理，演奏技術(shù)也基本相同。銅管樂器當(dāng)中最重要的四件樂器分別是小號、長號、圓號和大號，它們音色上整體統(tǒng)一，具有很好的融合性。銅管樂器組較多用于樂隊(duì)的中、低音區(qū)，它們的音域比較寬廣，有五個(gè)八度左右。銅管樂器組能表現(xiàn)氣勢恢宏、音響強(qiáng)烈的大場面，在高潮與強(qiáng)奏中應(yīng)用較多，它們的共同音色特征是飽滿、明亮、渾厚。
另外，黃銅敲起來聲音好聽，因此鑼、、鈴等樂器都是用黃銅制作的。
抗菌領(lǐng)域
實(shí)驗(yàn)表明，黃銅具有明顯的抗菌（大腸桿菌、金黃色葡萄球菌）和抗霉菌作用，可充分利用黃銅制品的抗菌和抗霉菌性能，改善家用電器等產(chǎn)品的抗微生物污染性能。
其他
黃銅還被用于制作槍炮的彈殼，制作門窗以及裝飾把手，制作硬幣。黃銅在珠寶首飾的設(shè)計(jì)中，它成了貴金屬材料的替代品。
結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)
黃銅的表面顏色因含鋅量的不同而改變，含鋅量由少增多時(shí)它的顏色由深黃變淡黃而變白色，同時(shí)沸點(diǎn)也隨之下降。
普通黃銅的合金相圖中有五個(gè)包晶轉(zhuǎn)變和六個(gè)單相區(qū)。鋅在銅中的溶解度隨著溫度下降而增加。α相是Zn在銅中的固溶體，具有立方晶系，塑性良好，適宜進(jìn)行冷、熱加工。β相是以電子化合物CuZn為基的固溶體，具有體心立方晶格，塑性好，可進(jìn)行熱加工。當(dāng)溫度下降至456 ~468℃時(shí)，它發(fā)生有序化轉(zhuǎn)變，成為有序固溶體β'，脆性很大。γ相是以電子化合物Cu5Zn8為基的固溶體，具有復(fù)雜立方晶格。普通黃銅不能熱處理強(qiáng)化，一般進(jìn)行再結(jié)晶退火和去應(yīng)力退火。α黃銅在冷加工時(shí)具有韌性和延展性，而β黃銅只有在熱加工時(shí)才具有韌性，即冷加工時(shí)延展性較低。
黃銅的力學(xué)性能與化學(xué)成分、組織狀態(tài)的關(guān)系極大（見下圖）。wZn≤32%時(shí)，強(qiáng)度Rm和塑性A都隨含鋅量的增加而提高。當(dāng)wZn超過32%以后，因組織中有β'相出現(xiàn)，故塑性A急劇下降，而強(qiáng)度Rm在wZn=45%附近達(dá)到最大值。當(dāng)wZn達(dá)47%時(shí)，合金全部為β'相，強(qiáng)度Rm和塑性A都很低，無實(shí)用價(jià)值。工業(yè)用黃銅的wZn一般不超過50%，按其退火組織可分為α黃銅和（α+β）黃銅。鋅在銅中固溶度454℃達(dá)到最大值，為38.95%，室溫下鋅在銅中固溶度小于33%。
性能
耐腐蝕性能
黃銅在大氣中腐蝕很慢，在純凈的淡水中腐蝕速率也不大（0.0025~0.025mm/年），在海水中腐蝕稍快（0.0075~0.1mm/年），在流動的熱海水中還會產(chǎn)生“脫鋅腐蝕”。水中的氟化物對黃銅的腐蝕影響很小，氯化物影響較大，而碘化物則有嚴(yán)重影響。在含有O2、CO2、H2S、SO2、NH3等氣體的水中，黃銅的腐蝕速率劇增。在礦水尤其是含F(xiàn)e2(SO4)3的水中極易腐蝕。在硝酸和鹽酸中產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，在硫酸中腐蝕較慢，而在氫氧化鈉溶液中則耐蝕。黃銅耐沖擊腐蝕性能比純銅好。
特殊黃銅的耐蝕性比普通黃銅好。在黃銅中加入約1%的Sn，可顯著降低黃銅的脫鋅腐蝕及提高在海水中的耐蝕性；在黃銅中加入約2%Pb，可以增加耐磨性能，因而大大降低了它在流動海水中的腐蝕速率。為了防止脫鋅腐蝕，還可加入少量的As、Sb、B（0.02%~0.05%）；在海軍黃銅中含有0.5%~1.0%Mn，可提高強(qiáng)度，并兼有很好的耐蝕性。在含65%Cu及55%Cu的黃銅中用12%~18%Ni代替部分Zn，由于色澤呈銀白，故稱為銀或德國銀。這種合金在鹽、堿及非氧化性酸中具有很優(yōu)良的耐蝕性能。同時(shí)由于大量的Ni代替了Zn，故沒有脫鋅現(xiàn)象。
黃銅除了上述腐蝕特性外，在一定介質(zhì)及特定應(yīng)力條件下，會發(fā)生腐蝕破裂。引起黃銅應(yīng)力腐蝕破裂的物質(zhì)主要是氨和能派生氨的物質(zhì)，或硫化物。此外，蒸氣、氧、SO2、CO2、CN-對應(yīng)力腐蝕具有加速作用。拉應(yīng)力是黃銅發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的必要條件。黃銅中鋅含量越高，其應(yīng)力腐蝕破裂敏感性越大。Si可有效地防止α黃銅的應(yīng)力腐蝕破裂。Si、Mn能改善α+β和β黃銅的耐應(yīng)力腐蝕的性能。在氨氣氛條件下，Si、As、Ce、Mg等元素改善α黃銅的抗應(yīng)力腐蝕性能。在大氣條件下，Si，Ce，Mg等元素改善應(yīng)力腐蝕性能。在工業(yè)大氣暴露試驗(yàn)的結(jié)果表明，銅Zn合金中加入Ai，Ni、Sn可減輕應(yīng)力腐蝕傾向。
鑄造工藝性能
黃銅的凝固區(qū)間很小，因此液態(tài)金屬流動性好，充型能力佳，縮松傾向小。熔煉時(shí)鋅產(chǎn)生很大的蒸汽壓，能充分去除銅液中的氣體，故黃銅中不易產(chǎn)生氣孔。熔煉溫度比錫青銅低，熔鑄均較方便，不僅可以較容易地鑄造細(xì)小的首飾件，也常用于銅工藝品的鑄造。
機(jī)械性能
黃銅中由于含鋅量不同，機(jī)械性能也不一樣。對于α黃銅，隨著含鋅量的增多，σb（黃銅抗拉強(qiáng)度）和δ（伸長率）均不斷增高。對于（α＋β）黃銅，當(dāng)含鋅量增加到約為45%之前，室溫強(qiáng)度不斷提高。若再進(jìn)一步增加含鋅量，則由于合金組織中出現(xiàn)了脆性更大的γ相（以Cu5Zn8化合物為基的固溶體），強(qiáng)度急劇降低。（α＋β）黃銅的室溫塑性則始終隨含鋅量的增加而降低。所以含鋅量超過45%的銅鋅合金無實(shí)用價(jià)值。
加工性能
α單相黃銅（從H96至H65）具有良好的塑性，能承受冷熱加工，但α單相黃銅在鍛造等熱加工時(shí)易出現(xiàn)中溫脆性，其具體溫度范圍隨含Zn量不同而有所變化，一般在200～700℃之間。因此，熱加工時(shí)溫度應(yīng)高于700℃。單相α黃銅中溫脆性區(qū)產(chǎn)生的原因主要是在Cu-Zn合金系α相區(qū)內(nèi)存在著Cu3Zn和Cu9Zn兩個(gè)有序化合物，在中低溫加熱時(shí)發(fā)生有序轉(zhuǎn)變，使合金變脆；另外，合金中存在微量的鉛、鉍有害雜質(zhì)與銅形成低熔點(diǎn)共晶薄膜分布在晶界上﹐熱加工時(shí)產(chǎn)生晶間破裂。實(shí)踐表明，加入微量的鈰[shì]可以有效地消除中溫脆性。
兩相黃銅（從H63至H59），合金組織中除了具有塑性良好的α相外，還出現(xiàn)了由電子化合物CuZn為基的β固溶體。β相在高溫下具有很高的塑性，而低溫下的β'相（有序固溶體）性質(zhì)硬脆。故（α+β）黃銅應(yīng)在熱態(tài)下進(jìn)行鍛造。含鋅量大于46%～50%的β黃銅因性能硬脆，不能進(jìn)行壓力加工。
焊接性能
黃銅的焊接性能很好，體積較大的通常采用氣焊，纖細(xì)一般采用火槍焊接。
打磨拋光性能
黃銅的切削性能很好，能經(jīng)受校正、打磨、修飾等操作。
鋅當(dāng)量系數(shù)
特殊黃銅的組織，可根據(jù)黃銅中加入元素的“鋅當(dāng)量系數(shù)”來推算。在銅-鋅合金中加入少量其他合金元素，會使銅-鋅系中的α/（a＋3）相界向左移動（縮小α區(qū)）或向右移動（擴(kuò)大α區(qū)）。因此，特殊黃銅的組織通常即相當(dāng)于簡單黃銅中增加（或減少）鋅含量的合金組織。例如在銅-鋅合金中加入1%硅之后的組織，即相當(dāng)于銅-鋅合金中增加10%鋅的合金組織，故稱硅的“鋅當(dāng)量系數(shù)”為10，急劇縮小α區(qū)；在銅-鋅合金中加入1%鎳，則合金的組織相當(dāng)于在銅-鋅合金中減少1.5%鋅的合金組織，故鎳的“鋅當(dāng)量系數(shù)”為-1.5，使α區(qū)擴(kuò)大。
分類
按照化學(xué)成分的不同，黃銅可分為普通黃銅和特殊黃銅；按照生產(chǎn)方法的不同，可分為壓力加工黃銅和鑄造黃銅。
普通黃銅
當(dāng)鋅含量小于35%時(shí)，構(gòu)成單相的α固溶體，因此單相黃銅又稱α黃銅，α黃銅在冷加工時(shí)具有韌性和延展性。當(dāng)鋅含量為36%~46%時(shí)，成為α+β復(fù)相黃銅，β黃銅只有在熱加工時(shí)才具有韌性，即冷加工時(shí)延展性較低。當(dāng)鋅含量超過46%~50%時(shí)，因β相太多，脆性大，無實(shí)用價(jià)值。
特殊黃銅
在銅-鋅合金中加入少量（一般為1%～2%，少數(shù)達(dá)3%～4%，極個(gè)別的達(dá)5%～6%）錫、鋁、錳、鐵、硅、鎳、鉛等元素，構(gòu)成三元、四元、甚至五元合金而形成的黃銅，即為特殊黃銅。添加這些元素的目的是提高普通黃銅的某些性能。如加Al、Sn、Si、Ni可提高其耐蝕性；加Si能提高黃銅鑄造時(shí)的流動性，以改善其鑄造性能；加Mn、Al可提高其強(qiáng)度；加Pb可提高其切削性能等。
錫黃銅
錫黃銅也稱海軍黃銅，是在銅鋅合金基礎(chǔ)上加入0.5%~1.5%錫的黃銅，錫可提高黃銅的強(qiáng)度和硬度以及在海洋大氣和海水中的耐腐蝕性，能改善黃銅的切削加工性能。錫雖然提高了黃銅的耐蝕性能，但不能從根本上消除應(yīng)力腐蝕破裂傾向，可采用低溫退火（440~470℃）提高應(yīng)力腐蝕抗力。此外，含錫過多，合金中會出現(xiàn)脆性的CuZnSn化合物相，降低合金的塑性，故錫黃銅中含錫量一般為1%。
鋁黃銅
鋁黃銅是在銅鋅合金基礎(chǔ)上加入0.7%~3.5%鋁的黃銅，鋁可在合金表面形成致密并和基體結(jié)合牢固的Al2O3氧化膜，提高黃銅對氣體、溶液，特別是對海水的耐蝕性，還可提高黃銅的硬度和強(qiáng)度。不過，鋁使黃銅鑄造組織粗化，鋁超過2%時(shí)塑性、韌性下降，含2%Al，20%Zn的鋁黃銅具有最高的熱塑性。此外，鋁縮小銅鋅合金包晶反應(yīng)溫度間隔，而顯著改善黃銅的鑄造性能。含鋁的特殊黃銅焊接比較困難，且有高的應(yīng)力腐蝕破裂傾向，必須進(jìn)行充分的低溫退火加以消除。
鉛黃銅
鉛黃銅是在銅鋅合金基礎(chǔ)上加入鉛的黃銅，鉛不溶于黃銅內(nèi)，而是以游離質(zhì)點(diǎn)分布在其晶界上，按其組織可分為α和（α+β）兩種。鉛黃銅的切削性能優(yōu)良，耐磨性好。鉛對黃銅的強(qiáng)度影響不大，略微降低塑性。
硅黃銅
硅黃銅是在銅鋅合金基礎(chǔ)上加入1.5%~4.0%硅的黃銅，硅能提高黃銅的力學(xué)性能、耐磨性的耐蝕性，硅黃銅具有良好的鑄造性能，并能進(jìn)行焊接和切削加工。
錳黃銅
錳在固態(tài)黃銅中有較大的溶解度。黃銅中加入一定量的錳有細(xì)化晶粒的作用，并能在不降低塑性的條件下，提高合金的強(qiáng)度、硬度和在海水、氯化物及過熱蒸汽中的耐蝕性能，錳黃銅具有良好的冷，熱加工性能。
鎳黃銅
鎳與銅能無限固溶，且能擴(kuò)大α-Cu相區(qū)，雙相黃銅添加適當(dāng)?shù)逆嚳赊D(zhuǎn)變?yōu)閱蜗帱S銅。黃銅中加鎳可顯著提高黃銅的力學(xué)性能以及在大氣和海水中的耐蝕性，還能細(xì)化黃銅的晶粒大小，可提高黃銅的再結(jié)晶溫度，降低應(yīng)力腐蝕開裂傾向，鎳黃銅的冷、熱加工性能良好。
鐵黃銅
鐵黃銅中，鐵以富鐵相的微粒析出，作為晶核而細(xì)化晶粒，并能阻止再結(jié)晶晶粒長大，從而提高合金的機(jī)械性能和工藝性能，同時(shí)鐵使黃銅具有高的韌性、耐磨性及在大氣和海水中優(yōu)良的抗蝕性，常與錳同時(shí)加入。鐵在α相中的溶解度為1.0%，且溶解度隨鋅含量的增加而減小。
天然黃銅
天然黃銅是一種銅與鋅的合金礦物，1993年中國新礦物與礦物命名委員會黃蘊(yùn)慧等人在《巖石礦物學(xué)雜志》根據(jù)成因與成分命名為自然黃銅。
牌號
中國常用的單相黃銅牌號有H80、H70、H68等，“H”為黃銅的漢語拼音字首，數(shù)字表示平均含銅量。而常用雙相黃銅的牌號有H62、H59等。
特殊黃銅的編號方法是：H+主加元素符號+銅含量+主加元素含量。特殊黃銅可分為壓力加工黃銅（以黃銅加工產(chǎn)品供應(yīng)）和鑄造黃銅兩類，其中鑄造黃銅在編號前加“Z”。例如，HPb60-1表示平均成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為60%Cu，1%Pb，余為Zn的鉛黃銅；ZCuZn31Al2表示平均成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為31%Zn，2%Al，余為Cu的鋁黃銅。
生產(chǎn)制備
生產(chǎn)黃銅可使用熔煉法。合金熔煉是指將一定成分配比的塊體金屬原料加熱熔化，然后冷卻成型的過程。
黃銅的熔煉大多使用工頻有芯感應(yīng)熔煉爐，使金屬爐料本身發(fā)出熱量，來加熱和熔化金屬。熔煉黃銅時(shí)會使用木炭或鹽類組成的熔劑作為覆蓋劑。熔煉黃銅時(shí)一般的加料順序是：銅、廢料和鋅。黃銅熔煉過程中采用低溫加鋅，不僅可以減少鋅的燒損，同時(shí)也有利于熔煉作業(yè)的安全進(jìn)行。熔煉復(fù)雜黃銅，特別當(dāng)含有某些熔點(diǎn)較高或者易氧化的合金元素時(shí)，熔煉氣氛的選擇和控制方法是比較重要的。隨著鋅含量的增加而蒸氣壓力增大，熔液中氣體的飽和度越低，鋅的蒸發(fā)能有利于熔體中各種氣體的排出，因此“噴火”已成為所有高鋅黃銅除氣精煉的主要工藝手段。高鋅黃銅可根據(jù)噴火次數(shù)和程度判定是否到達(dá)出爐溫度。
參考資料 >
中國新礦物(2022)——陜西、甘肅、青海、新疆新礦物篇.微信公眾平臺.2023-07-24