铜及其合金材料在真空灭弧室中的应用
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摘 要：该文说明了铜及铜合金材料在真空灭弧室生产过程中的技术要求。着重说明了真空开关管中的核心原件导电杆、屏蔽罩、焊料等铜及其合金材料的重要性。无氧铜、银铜焊料、铜锰镍焊料、银铜钯焊料在整个真空灭弧室管结构中起着重要的密封作用，其质量优劣决定了真空灭弧室的真空水平、绝缘水平等重要性能。
关键词：真空灭弧室;铜合金;技术要求
中图分类号：TG146 文献标志码：A
铜及铜合金具有高导电、导热性能以及良好的延展性，易于加工，而且真空密封性能优异，即使很薄也不会漏气，这对于电真空器件尤为重要。另外，它还具有优异的焊接性能，几乎所有液态焊料都能良好地对其表面进行润湿，而无须镀镍。因此，铜及铜合金是电真空器件广泛采用的金属之一。
真空灭弧室作为真空开关的核心元件，只有具有良好的机械强度、较高的绝缘水平和开断能力，才能保证真空开关运行的稳定可靠。这就决定了真空灭弧室位于外壳结构上的零件必须能长期地保持管内部的真空度，不能有引起慢性漏气的缺陷。因此真空灭弧室金属零件常采用真空密封性能优异的材料。
在真空灭弧室制造中，铜及铜合金的用量最大。其中纯铜往往被用做管外导电引线，无氧铜常用做导电杆、屏蔽筒等，银铜、铜锰镍作为焊料。导电杆和焊料作为管内零件，在整个真空灭弧室管结构中起着重要的密封作用，其质量优劣决定了真空灭弧室的真空水平。而屏蔽筒能够吸附触头之间燃弧时产生的大量金属蒸汽和液滴，防止电弧生成物沉积在陶瓷或玻璃外壳的内壁上，避免造成污染和降低绝缘水平，其质量的好坏直接影响真空灭弧室的开断能力。
在真空灭弧室结构设计中，优先选用的铜及铜合金牌号主要有无氧铜TU1、TU2、银铜及铜锰镍合金。以下就直接影响真空灭弧室质量方面的技术指标提几点看法。
1 无氧铜
1.1 无氧铜板、无氧铜管技术要求
1.1.1 化学成分
符合相应国标的规定，其中杂质含量应严格控制，尤其易蒸发的元素Zn、Cd、Bi、Sb等其总量不能超过0.1%。其含氧量应符合部标中三级以下的规定。
1.1.2 表面质量
入厂检验，在100倍显微镜下观察裂纹、划痕、夹杂或其他缺陷，划痕深度或缺陷不允许超过壁厚的10%。
作为真空灭弧室的中间屏蔽罩，常采用δ1.2～δ1.5的无氧铜管制成。在燃弧期间，屏蔽罩将接受大量电弧生成物，如果厚度不均，局部过薄，容易造成该部位烧损。而且有部分开关管采用玻璃外壳，屏蔽罩能看得见，所以对外观的要求较严格。在生产过程中，表面暴露的缺陷较多：桔皮、晶粒粗大、多皱等，导致表面非常粗糙，严重影响玻璃真空灭弧室的外观质量，因此造成部件、整管的报废的现象屡见不鲜。
1.2 无氧铜棒技术要求
1.2.1 化学成分
符合相应国标规定。其中杂质含量应严格控制，尤其易蒸发的元素Zn、Cd、Bi、Sb等，其总量不能超过0.1%。
1.2.2 含氧量
入厂检验为抽样检测，美国西屋公司规定还要进一步通过弯曲试验，即将样件置于氢气炉中，约900 ℃，然后弯曲样件。
1.2.3 外观
经机加工、清洗后表面应无粗糙、夹杂、裂纹及其他表面缺陷。
1.2.4 内部质量
棒材断口应致密、无缩尾，不允许有超出YB732中规定的气孔、分层和夹杂、裂纹、疏松等缺陷。
在真空灭弧室生产中，上述缺陷不断出现，使用前又不能逐一进行探伤，往往已形成部件，才暴露出来。象导电杆进炉钎焊后，表面出现起包、轴向气孔，导致真空灭弧室部件漏气，由此而产生的废品使真空灭弧室生产厂家遭受一定的经济损失。
1.2.5 强度
无氧铜棒应具备足够的强度。铜在500 ℃～600 ℃就有不同程度的变形，而真空开关管零部件焊接温度一般都高于800 ℃，在实际生产过程中，铜棒经真空钎焊后，变形的比例较大。经过高温后，铜棒的硬度也明显下降。关于硬度指标，国标中未做规定，但在美国西屋公司的标准中明确要求硬度指标HRF 68～95，并进行抽样检测。
1.2.6 蒸发严重
真空灭弧室内部的零部件焊接温度较高，且处于真空状态，因此很容易蒸发，常常出现铜棒经高温真空钎焊后，已失去原有金属光泽，表面已变得很粗糙，不仅影响真空灭弧室的外观质量，更严重的是影响真空灭弧室寿命，蒸发物往往沉积在冷的陶瓷或玻璃外壳内表面上，会增大电极间的漏电，降低真空灭弧室的绝缘水平。
2 铜合金技术要求
2.1 银铜焊料
银铜合金具有低熔点、高导电、高强度、好的塑性和加工性能，在各种介质中都有良好的抗蚀性，尽管其蒸气压高，仍在電真空器件中大量用于密封焊料，无论是焊料本身还是所形成的焊缝均能满足真空灭弧室应用的要求。
2.1.1 化学成分
符合相应国标的规定。银铜焊料不能含蒸气压高的元素Zn、Cd、Bi、Mg。如果焊料的蒸气压过高，在器件的使用过程中，会由于温度升高而蒸发。蒸发物沉积到陶瓷或玻璃外壳的内表面，会引起电介质材料漏电，破坏绝缘。
所以真空灭弧室用的焊料应严格控制杂质含量，各种高蒸气压的杂质应控制在0.005%以内。尤其不允许含有微量非金属杂质，如果在轧制过程中带入油污而未清洗干净，当焊料熔化后，在焊缝表面上会形成一层黑色的浮渣或斑点，影响器件的真空性能，这也正是真空电子器件中使用的焊料必须具有良好清洁性的原因。
2.1.2 溅散性
真空灭弧室用的焊料不允许含有较多的气体，在焊料熔化时，焊料会产生“沸腾”现象，使焊料喷溅，并形成气孔。这不仅破坏了焊缝的气密性，而且溅散出来的焊料微粒附着在附近零件或外壳内壁上，会降低绝缘水平。 2.2 铜锰镍焊料
铜锰镍是美国西屋公司研制的三元合金焊料，焊接性能极为优异，成本低廉，西屋公司至今仍在使用。其突出优点是能润湿多种金属，如不锈钢、钨钼等材质可直接进行钎焊，而无须电镀。其缺点是熔流点高，导电性、柔韧性不如银铜焊料，而且锰蒸发严重。
目前国内生产厂提供的铜锰镍焊料达不到进口水平，主要存在两方面问题。
2.2.1 偏析
偏析使真空灭弧室的焊接强度受到很大的影响。象丝料断口表面颜色不均匀，造成焊料流散不良，个别部位堆焊料，而其他部位缺焊料，这样很容易引起真空灭弧室慢漏或由于焊缝强度不够导致开裂。
偏析也容易引起熔蚀，钎焊过程中存在一个液态焊料與基体金属相互作用的过程，通常基体金属向液体焊料的溶解，是形成焊缝所必需的，如果溶解速度过快，溶解量过大，就会破坏被钎焊零件的形状和尺寸，甚至把薄的零件熔穿，这对真空灭弧室的生产是极为不利的。
2.2.2 非金属杂质含量高
焊料熔化后，在焊缝表面残留一层灰色的浮渣，不仅影响真空灭弧室的外观质量，而且破坏真空灭弧室的真空密封性能。
2.3 银铜钯焊料
银铜钯焊料是在银铜焊料基础上添加适量钯，使之不仅具有银铜焊料易于加工、塑性良好的优点，而且蒸汽压降低，既保持了原有的流散性，又改善了润湿性。实践证明银铜钯焊料对许多金属都能较好地润湿，特别对于不锈钢、钨钼等，表面不用电镀，直接钎焊，而且对基体金属熔蚀较小，这是其他焊料所无法比拟的。但银铜钯焊料价格较高，限制了在真空灭弧室生产中的应用，只在关键部位少量采用。
3 结语
综上所述，真空灭弧室用铜合金材料的技术要求是关系到真空灭弧室质量的关键指标。虽然铜及铜合金的生产已有相当长的时间，但在应用过程中，仍然存在许多不能满足使用的地方，希望铜及铜合金生产厂能不断探索，研究开发出性能更高的铜及铜合金材料，以满足真空灭弧室制造的要求。
参考文献
[1]刘思远.真空灭弧室CuCr触头材料发射率研究[J].电工材料，2017（5）：3-7，11.
[2]王小军.三种CuCr触头材料对真空灭弧室投切背靠背电容器组性能的影响[J].电工材料，2014（5）：3-7.
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