銅及其合金材料在真空滅弧室中的應(yīng)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(chǎn)過程中的技術(shù)要求。著重說明了真空開關(guān)管中的核心原件導(dǎo)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(gè)真空滅弧室管結(jié)構(gòu)中起著重要的密封作用，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣決定了真空滅弧室的真空水平、絕緣水平等重要性能。

關(guān)鍵詞：真空滅弧室;銅合金;技術(shù)要求

中圖分類號(hào)：TG146? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

銅及銅合金具有高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能以及良好的延展性，易于加工，而且真空密封性能優(yōu)異，即使很薄也不會(huì)漏氣，這對(duì)于電真空器件尤為重要。另外，它還具有優(yōu)異的焊接性能，幾乎所有液態(tài)焊料都能良好地對(duì)其表面進(jìn)行潤(rùn)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(guān)的核心元件，只有具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、較高的絕緣水平和開斷能力，才能保證真空開關(guān)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠。這就決定了真空滅弧室位于外殼結(jié)構(gòu)上的零件必須能長(zhǎng)期地保持管內(nèi)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(yōu)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(dǎo)電引線，無氧銅常用做導(dǎo)電桿、屏蔽筒等，銀銅、銅錳鎳作為焊料。導(dǎo)電桿和焊料作為管內(nèi)零件，在整個(gè)真空滅弧室管結(jié)構(gòu)中起著重要的密封作用，其質(zhì)量?jī)?yōu)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(shí)產(chǎn)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(nèi)壁上，避免造成污染和降低絕緣水平，其質(zhì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，優(yōu)先選用的銅及銅合金牌號(hào)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(zhì)量方面的技術(shù)指標(biāo)提幾點(diǎn)看法。

1 無氧銅

1.1 無氧銅板、無氧銅管技術(shù)要求

1.1.1 化學(xué)成分

符合相應(yīng)國(guó)標(biāo)的規(guī)定，其中雜質(zhì)含量應(yīng)嚴(yán)格控制，尤其易蒸發(fā)的元素Zn、Cd、Bi、Sb等其總量不能超過0.1%。其含氧量應(yīng)符合部標(biāo)中三級(jí)以下的規(guī)定。

1.1.2 表面質(zhì)量

入廠檢驗(yàn)，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(guān)管采用玻璃外殼，屏蔽罩能看得見，所以對(duì)外觀的要求較嚴(yán)格。在生產(chǎn)過程中，表面暴露的缺陷較多：桔皮、晶粒粗大、多皺等，導(dǎo)致表面非常粗糙，嚴(yán)重影響玻璃真空滅弧室的外觀質(zhì)量，因此造成部件、整管的報(bào)廢的現(xiàn)象屢見不鮮。

1.2 無氧銅棒技術(shù)要求

1.2.1 化學(xué)成分

符合相應(yīng)國(guó)標(biāo)規(guī)定。其中雜質(zhì)含量應(yīng)嚴(yán)格控制，尤其易蒸發(fā)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(yàn)為抽樣檢測(cè)，美國(guó)西屋公司規(guī)定還要進(jìn)一步通過彎曲試驗(yàn)，即將樣件置于氫氣爐中，約900 ℃，然后彎曲樣件。

1.2.3 外觀

經(jīng)機(jī)加工、清洗后表面應(yīng)無粗糙、夾雜、裂紋及其他表面缺陷。

1.2.4 內(nèi)部質(zhì)量

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

在真空滅弧室生產(chǎn)中，上述缺陷不斷出現(xiàn)，使用前又不能逐一進(jìn)行探傷，往往已形成部件，才暴露出來。象導(dǎo)電桿進(jìn)爐釬焊后，表面出現(xiàn)起包、軸向氣孔，導(dǎo)致真空滅弧室部件漏氣，由此而產(chǎn)生的廢品使真空滅弧室生產(chǎn)廠家遭受一定的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2.5 強(qiáng)度

無氧銅棒應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度。銅在500 ℃～600 ℃就有不同程度的變形，而真空開關(guān)管零部件焊接溫度一般都高于800 ℃，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，銅棒經(jīng)真空釬焊后，變形的比例較大。經(jīng)過高溫后，銅棒的硬度也明顯下降。關(guān)于硬度指標(biāo)，國(guó)標(biāo)中未做規(guī)定，但在美國(guó)西屋公司的標(biāo)準(zhǔn)中明確要求硬度指標(biāo)HRF 68～95，并進(jìn)行抽樣檢測(cè)。

1.2.6 蒸發(fā)嚴(yán)重

真空滅弧室內(nèi)部的零部件焊接溫度較高，且處于真空狀態(tài)，因此很容易蒸發(fā)，常常出現(xiàn)銅棒經(jīng)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(zhì)量，更嚴(yán)重的是影響真空滅弧室壽命，蒸發(fā)物往往沉積在冷的陶瓷或玻璃外殼內(nèi)表面上，會(huì)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(shù)要求

2.1 銀銅焊料

銀銅合金具有低熔點(diǎn)、高導(dǎo)電、高強(qiáng)度、好的塑性和加工性能，在各種介質(zhì)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(yīng)用的要求。

2.1.1 化學(xué)成分

符合相應(yīng)國(guó)標(biāo)的規(guī)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(huì)由于溫度升高而蒸發(fā)。蒸發(fā)物沉積到陶瓷或玻璃外殼的內(nèi)表面，會(huì)引起電介質(zhì)材料漏電，破壞絕緣。

所以真空滅弧室用的焊料應(yīng)嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，各種高蒸氣壓的雜質(zhì)應(yīng)控制在0.005%以內(nèi)。尤其不允許含有微量非金屬雜質(zhì)，如果在軋制過程中帶入油污而未清洗干凈，當(dāng)焊料熔化后，在焊縫表面上會(huì)形成一層黑色的浮渣或斑點(diǎn)，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(shí)，焊料會(huì)產(chǎn)生“沸騰”現(xiàn)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(nèi)壁上，會(huì)降低絕緣水平。

2.2 銅錳鎳焊料

銅錳鎳是美國(guó)西屋公司研制的三元合金焊料，焊接性能極為優(yōu)異，成本低廉，西屋公司至今仍在使用。其突出優(yōu)點(diǎn)是能潤(rùn)濕多種金屬，如不銹鋼、鎢鉬等材質(zhì)可直接進(jìn)行釬焊，而無須電鍍。其缺點(diǎn)是熔流點(diǎn)高，導(dǎo)電性、柔韌性不如銀銅焊料，而且錳蒸發(fā)嚴(yán)重。

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠提供的銅錳鎳焊料達(dá)不到進(jìn)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(qiáng)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(gè)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(qiáng)度不夠?qū)е麻_裂。

偏析也容易引起熔蝕，釬焊過程中存在一個(gè)液態(tài)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(huì)破壞被釬焊零件的形狀和尺寸，甚至把薄的零件熔穿，這對(duì)真空滅弧室的生產(chǎn)是極為不利的。

2.2.2 非金屬雜質(zhì)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(zhì)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(chǔ)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(yōu)點(diǎn)，而且蒸汽壓降低，既保持了原有的流散性，又改善了潤(rùn)濕性。實(shí)踐證明銀銅鈀焊料對(duì)許多金屬都能較好地潤(rùn)濕，特別對(duì)于不銹鋼、鎢鉬等，表面不用電鍍，直接釬焊，而且對(duì)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(jià)格較高，限制了在真空滅弧室生產(chǎn)中的應(yīng)用，只在關(guān)鍵部位少量采用。

3 結(jié)語

綜上所述，真空滅弧室用銅合金材料的技術(shù)要求是關(guān)系到真空滅弧室質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。雖然銅及銅合金的生產(chǎn)已有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，但在應(yīng)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(chǎn)廠能不斷探索，研究開發(fā)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。

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