銅及其合金材料在真空滅弧室中的應用

王帥　孟麗

摘? 要：該文說明了銅及銅合金材料在真空滅弧室生產過程中的技術要求。著重說明了真空開關管中的核心原件導電桿、屏蔽罩、焊料等銅及其合金材料的重要性。無氧銅、銀銅焊料、銅錳鎳焊料、銀銅鈀焊料在整個真空滅弧室管結構中起著重要的密封作用，其質量優劣決定了真空滅弧室的真空水平、絕緣水平等重要性能。

關鍵詞：真空滅弧室;銅合金;技術要求

中圖分類號：TG146? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

銅及銅合金具有高導電、導熱性能以及良好的延展性，易于加工，而且真空密封性能優異，即使很薄也不會漏氣，這對于電真空器件尤為重要。另外，它還具有優異的焊接性能，幾乎所有液態焊料都能良好地對其表面進行潤濕，而無須鍍鎳。因此，銅及銅合金是電真空器件廣泛采用的金屬之一。

真空滅弧室作為真空開關的核心元件，只有具有良好的機械強度、較高的絕緣水平和開斷能力，才能保證真空開關運行的穩定可靠。這就決定了真空滅弧室位于外殼結構上的零件必須能長期地保持管內部的真空度，不能有引起慢性漏氣的缺陷。因此真空滅弧室金屬零件常采用真空密封性能優異的材料。

在真空滅弧室制造中，銅及銅合金的用量最大。其中純銅往往被用做管外導電引線，無氧銅常用做導電桿、屏蔽筒等，銀銅、銅錳鎳作為焊料。導電桿和焊料作為管內零件，在整個真空滅弧室管結構中起著重要的密封作用，其質量優劣決定了真空滅弧室的真空水平。而屏蔽筒能夠吸附觸頭之間燃弧時產生的大量金屬蒸汽和液滴，防止電弧生成物沉積在陶瓷或玻璃外殼的內壁上，避免造成污染和降低絕緣水平，其質量的好壞直接影響真空滅弧室的開斷能力。

在真空滅弧室結構設計中，優先選用的銅及銅合金牌號主要有無氧銅TU1、TU2、銀銅及銅錳鎳合金。以下就直接影響真空滅弧室質量方面的技術指標提幾點看法。

1 無氧銅

1.1 無氧銅板、無氧銅管技術要求

1.1.1 化學成分

符合相應國標的規定，其中雜質含量應嚴格控制，尤其易蒸發的元素Zn、Cd、Bi、Sb等其總量不能超過0.1%。其含氧量應符合部標中三級以下的規定。

1.1.2 表面質量

入廠檢驗，在100倍顯微鏡下觀察裂紋、劃痕、夾雜或其他缺陷，劃痕深度或缺陷不允許超過壁厚的10%。

作為真空滅弧室的中間屏蔽罩，常采用δ1.2～δ1.5的無氧銅管制成。在燃弧期間，屏蔽罩將接受大量電弧生成物，如果厚度不均，局部過薄，容易造成該部位燒損。而且有部分開關管采用玻璃外殼，屏蔽罩能看得見，所以對外觀的要求較嚴格。在生產過程中，表面暴露的缺陷較多：桔皮、晶粒粗大、多皺等，導致表面非常粗糙，嚴重影響玻璃真空滅弧室的外觀質量，因此造成部件、整管的報廢的現象屢見不鮮。

1.2 無氧銅棒技術要求

1.2.1 化學成分

符合相應國標規定。其中雜質含量應嚴格控制，尤其易蒸發的元素Zn、Cd、Bi、Sb等，其總量不能超過0.1%。

1.2.2 含氧量

入廠檢驗為抽樣檢測，美國西屋公司規定還要進一步通過彎曲試驗，即將樣件置于氫氣爐中，約900 ℃，然后彎曲樣件。

1.2.3 外觀

經機加工、清洗后表面應無粗糙、夾雜、裂紋及其他表面缺陷。

1.2.4 內部質量

棒材斷口應致密、無縮尾，不允許有超出YB732中規定的氣孔、分層和夾雜、裂紋、疏松等缺陷。

在真空滅弧室生產中，上述缺陷不斷出現，使用前又不能逐一進行探傷，往往已形成部件，才暴露出來。象導電桿進爐釬焊后，表面出現起包、軸向氣孔，導致真空滅弧室部件漏氣，由此而產生的廢品使真空滅弧室生產廠家遭受一定的經濟損失。

1.2.5 強度

無氧銅棒應具備足夠的強度。銅在500 ℃～600 ℃就有不同程度的變形，而真空開關管零部件焊接溫度一般都高于800 ℃，在實際生產過程中，銅棒經真空釬焊后，變形的比例較大。經過高溫后，銅棒的硬度也明顯下降。關于硬度指標，國標中未做規定，但在美國西屋公司的標準中明確要求硬度指標HRF 68～95，并進行抽樣檢測。

1.2.6 蒸發嚴重

真空滅弧室內部的零部件焊接溫度較高，且處于真空狀態，因此很容易蒸發，常常出現銅棒經高溫真空釬焊后，已失去原有金屬光澤，表面已變得很粗糙，不僅影響真空滅弧室的外觀質量，更嚴重的是影響真空滅弧室壽命，蒸發物往往沉積在冷的陶瓷或玻璃外殼內表面上，會增大電極間的漏電，降低真空滅弧室的絕緣水平。

2 銅合金技術要求

2.1 銀銅焊料

銀銅合金具有低熔點、高導電、高強度、好的塑性和加工性能，在各種介質中都有良好的抗蝕性，盡管其蒸氣壓高，仍在電真空器件中大量用于密封焊料，無論是焊料本身還是所形成的焊縫均能滿足真空滅弧室應用的要求。

2.1.1 化學成分

符合相應國標的規定。銀銅焊料不能含蒸氣壓高的元素Zn、Cd、Bi、Mg。如果焊料的蒸氣壓過高，在器件的使用過程中，會由于溫度升高而蒸發。蒸發物沉積到陶瓷或玻璃外殼的內表面，會引起電介質材料漏電，破壞絕緣。

所以真空滅弧室用的焊料應嚴格控制雜質含量，各種高蒸氣壓的雜質應控制在0.005%以內。尤其不允許含有微量非金屬雜質，如果在軋制過程中帶入油污而未清洗干凈，當焊料熔化后，在焊縫表面上會形成一層黑色的浮渣或斑點，影響器件的真空性能，這也正是真空電子器件中使用的焊料必須具有良好清潔性的原因。

2.1.2 濺散性

真空滅弧室用的焊料不允許含有較多的氣體，在焊料熔化時，焊料會產生“沸騰”現象，使焊料噴濺，并形成氣孔。這不僅破壞了焊縫的氣密性，而且濺散出來的焊料微粒附著在附近零件或外殼內壁上，會降低絕緣水平。

2.2 銅錳鎳焊料

銅錳鎳是美國西屋公司研制的三元合金焊料，焊接性能極為優異，成本低廉，西屋公司至今仍在使用。其突出優點是能潤濕多種金屬，如不銹鋼、鎢鉬等材質可直接進行釬焊，而無須電鍍。其缺點是熔流點高，導電性、柔韌性不如銀銅焊料，而且錳蒸發嚴重。

目前國內生產廠提供的銅錳鎳焊料達不到進口水平，主要存在兩方面問題。

2.2.1 偏析

偏析使真空滅弧室的焊接強度受到很大的影響。象絲料斷口表面顏色不均勻，造成焊料流散不良，個別部位堆焊料，而其他部位缺焊料，這樣很容易引起真空滅弧室慢漏或由于焊縫強度不夠導致開裂。

偏析也容易引起熔蝕，釬焊過程中存在一個液態焊料與基體金屬相互作用的過程，通常基體金屬向液體焊料的溶解，是形成焊縫所必需的，如果溶解速度過快，溶解量過大，就會破壞被釬焊零件的形狀和尺寸，甚至把薄的零件熔穿，這對真空滅弧室的生產是極為不利的。

2.2.2 非金屬雜質含量高

焊料熔化后，在焊縫表面殘留一層灰色的浮渣，不僅影響真空滅弧室的外觀質量，而且破壞真空滅弧室的真空密封性能。

2.3 銀銅鈀焊料

銀銅鈀焊料是在銀銅焊料基礎上添加適量鈀，使之不僅具有銀銅焊料易于加工、塑性良好的優點，而且蒸汽壓降低，既保持了原有的流散性，又改善了潤濕性。實踐證明銀銅鈀焊料對許多金屬都能較好地潤濕，特別對于不銹鋼、鎢鉬等，表面不用電鍍，直接釬焊，而且對基體金屬熔蝕較小，這是其他焊料所無法比擬的。但銀銅鈀焊料價格較高，限制了在真空滅弧室生產中的應用，只在關鍵部位少量采用。

3 結語

綜上所述，真空滅弧室用銅合金材料的技術要求是關系到真空滅弧室質量的關鍵指標。雖然銅及銅合金的生產已有相當長的時間，但在應用過程中，仍然存在許多不能滿足使用的地方，希望銅及銅合金生產廠能不斷探索，研究開發出性能更高的銅及銅合金材料，以滿足真空滅弧室制造的要求。

參考文獻

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