陳郁蔥 譚小兵 王 宜

（廣東福田電器有限公司 佛山 528000）

前言

在目前的電工行業(yè)里，鋁或銅及其合金因其優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱等特性而被廣泛應(yīng)用。許多電工產(chǎn)品（插座和排插等）的接線端子主要采用鐵端子（里面有一個(gè)銅片插套）或者銅端子，外接導(dǎo)線主要有銅線和鋁線。作為金屬材料，銅導(dǎo)線和鋁導(dǎo)線雖然具有較好的耐大氣腐蝕性，但由于大氣環(huán)境的嚴(yán)酷性，特別是在潮濕環(huán)境或海洋大氣中，銅導(dǎo)線和鋁導(dǎo)線的耐蝕性明顯下降。同時(shí)，接線端子和導(dǎo)線的連接使得兩者之間存在電勢差，形成電化學(xué)腐蝕，加劇了導(dǎo)線的損壞。因此，在接線端子和導(dǎo)線的接觸部位電阻往往較大，容易出現(xiàn)溫升過高和能量損耗大等現(xiàn)象，以致導(dǎo)線在高溫時(shí)容易發(fā)生蠕變，影響導(dǎo)線的載流能力，從而損毀導(dǎo)線，造成斷電事故。

本文采用連續(xù)鹽霧試驗(yàn)?zāi)M接線端子和導(dǎo)線在潮濕空氣中長期使用后的腐蝕行為，并做了接線端子兩邊導(dǎo)線的溫升測試，研究不同連接方式的導(dǎo)線和端子在大氣環(huán)境下的腐蝕情況和溫升變化，為現(xiàn)實(shí)生活中的導(dǎo)線連接方式提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)

對(duì)于載流部件而言，載流件損耗的能量幾乎全部轉(zhuǎn)換為熱能，其中一部分散失在周圍介質(zhì)中，另一部分則使導(dǎo)線升溫。當(dāng)導(dǎo)線溫度超過某一極限值后，機(jī)械強(qiáng)度明顯降低，影響其載流能力，與之聯(lián)結(jié)或相鄰的非載流體也將不同程度地受損，最后導(dǎo)致供電系統(tǒng)損壞。

由焦耳熱計(jì)算公式：Q=I2Rt可知，導(dǎo)體的溫升是與電阻值成正比，電阻值與接觸面積和導(dǎo)體材質(zhì)（銅或者鋁導(dǎo)線）有關(guān)。在接線端子和導(dǎo)線連接處，由于大氣環(huán)境和介質(zhì)間的電勢差，使得接線端子和導(dǎo)線容易受到腐蝕，導(dǎo)致兩者間的接觸電阻發(fā)生變化，從而影響其溫升和使用壽命。

本文采用的試驗(yàn)材料為普通（橫截面積為2.5 mm2的硬導(dǎo)線）的銅導(dǎo)線和鋁導(dǎo)線、鐵端子、銅端子、絕緣套件和銅片等，試驗(yàn)前先用去離子水和無水乙醇清洗表面油污和雜質(zhì)后，冷風(fēng)吹干。利用鹽霧試驗(yàn)箱，按照國家標(biāo)準(zhǔn)，采用連續(xù)噴霧方式對(duì)材料進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，設(shè)定NaCl鹽霧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（5±0.5）%，pH為6.5-7.2，試驗(yàn)箱溫度為（35±1）℃。鹽霧腐蝕四天（96 h）后，去離子水清洗腐蝕樣品，自然干燥后，觀察其表面形貌。

截取四條3 m長的普通銅導(dǎo)線和鋁導(dǎo)線，在中間1.5 m處剝線50-60 mm，用斜口鉗剪開成兩半，中間用鐵端子或銅端子連接，放入鹽霧試驗(yàn)箱做腐蝕試驗(yàn)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)，采用連續(xù)噴霧方式對(duì)材料進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)四天（96 h）后，自然干燥，做溫升測試，總負(fù)載為1 200 W的白熾燈。同時(shí)，做一組未做腐蝕試驗(yàn)組的溫升測試作對(duì)比。圖1所示，為負(fù)載溫升試驗(yàn)裝置圖和溫升測量接線圖。

從圖2可知，每個(gè)金屬件單獨(dú)做鹽霧試驗(yàn)時(shí)，只有（鐵螺絲+銅端子）組件和單獨(dú)的鐵螺絲時(shí)，發(fā)生局部微小腐蝕現(xiàn)象，其余金屬件（鐵端子、銅端子、銅螺絲、銅線、鋁線和銅片）未發(fā)現(xiàn)腐蝕生銹現(xiàn)象，說明采用的鐵端子和銅端子組件耐鹽霧腐蝕性能較好。

2 基于銅端子連接的試驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)采用銅端子作為連接導(dǎo)線（一般導(dǎo)線不接觸）的支撐體，由于其良好的導(dǎo)電性，銅端子作為導(dǎo)線的載流體和連接體，而螺絲采用鐵材質(zhì)和銅材質(zhì)，由導(dǎo)電性的容易程度來說，螺絲只作為導(dǎo)線的固定作用，不作載流體分析。

圖1 負(fù)載溫升試驗(yàn)裝置圖和溫升測量接線圖

圖2 金屬件鹽霧腐蝕后的表面情況

表1 溫升測試結(jié)果：溫升變化值

如表1數(shù)據(jù)所示，鹽霧腐蝕試驗(yàn)前后，銅導(dǎo)線的溫升普遍比鋁導(dǎo)線低，這是因?yàn)殂~的最外層只有一個(gè)電子，銅原子是面心立晶格結(jié)構(gòu)，空間利用率最高，在銅原子之間形成金屬鍵的時(shí)候，單位體積內(nèi)的自由電子多，這個(gè)電子就很容易成為自由電子，導(dǎo)致其導(dǎo)電性比鋁好。不管是何種接線方式，由于相連處的導(dǎo)體介質(zhì)不同，自由電子移動(dòng)速率有差別，故連接處溫升都比導(dǎo)線處的溫升大。

從腐蝕前后的溫升對(duì)比得知，對(duì)于（銅端子+鋁導(dǎo)線）組件來說，導(dǎo)線與端子相連接處溫升變化最大，這是由于鋁導(dǎo)線表面腐蝕嚴(yán)重，點(diǎn)蝕坑較多，截面積減小，電阻升高。而對(duì)于（銅端子+銅導(dǎo)線）組件來說，腐蝕后的溫升較腐蝕前的溫升變化不大，這是由于導(dǎo)線表面和端子內(nèi)部均無腐蝕現(xiàn)象。

對(duì)于鐵螺絲或者銅螺絲固定導(dǎo)線的方式，從數(shù)據(jù)中可知，采用鐵螺絲固定時(shí)，腐蝕后的溫升較高，這是因?yàn)殍F螺絲容易與銅端子或銅導(dǎo)線發(fā)生小部分腐蝕，表面電阻升高所致。

從圖3可知，對(duì)于（銅端子+鋁導(dǎo)線）組件來說，鋁導(dǎo)線與銅柱的相接處布滿了白色的腐蝕產(chǎn)物，輕輕一碰就會(huì)掉落；清理干凈后，發(fā)現(xiàn)鋁導(dǎo)線表面出現(xiàn)大面積的點(diǎn)蝕坑現(xiàn)象。并且，采用鐵螺絲固定導(dǎo)線時(shí)，鐵螺絲在銅端子外部腐蝕嚴(yán)重，采用銅螺絲時(shí)，螺絲和銅端子無腐蝕現(xiàn)象產(chǎn)生。

而對(duì)于（銅端子+銅導(dǎo)線）組件來說，銅導(dǎo)線和銅柱的連接處無腐蝕現(xiàn)象，但采用鐵螺絲固定導(dǎo)線時(shí)，螺絲與銅柱的連接處腐蝕生銹，對(duì)銅導(dǎo)線的腐蝕產(chǎn)生一點(diǎn)影響；當(dāng)采用銅螺絲固定導(dǎo)線時(shí)，整個(gè)導(dǎo)電介質(zhì)無腐蝕現(xiàn)象。

對(duì)于（銅端子+鋁導(dǎo)線）組件來說，由于鋁原子自身的晶界和沉淀相缺陷以及發(fā)生的電化學(xué)腐蝕和氧化還原反應(yīng)，容易使鋁導(dǎo)線受到點(diǎn)蝕攻擊，鋁導(dǎo)線表面的致密氧化膜γ-Al2O3遭到破壞，腐蝕介質(zhì)穿過氧化膜與基體反應(yīng)產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物，γ-Al2O3容易轉(zhuǎn)變成γ-AlOOH和Al（OH）3。而Cl-加速了合金的腐蝕速率，在鋁合金表面的活性位置（如氧化膜不完整或材質(zhì)不均勻處）發(fā)生吸附，隨著時(shí)間的延長，吸附在表面的離子與氧化膜繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，金屬表面上氧的吸附點(diǎn)被氯離子所替代，形成復(fù)雜氯的可溶絡(luò)合物，使氧化膜破壞，最后生成可溶于水的AlCl3，一碰就容易脫落。[1]而點(diǎn)蝕是一種腐蝕集中于金屬表面很小范圍且深入到金屬內(nèi)部的蝕孔腐蝕形態(tài)，隨著腐蝕時(shí)間的延長，點(diǎn)蝕坑相互連通塌陷形成大的點(diǎn)蝕坑，導(dǎo)致鋁導(dǎo)線的強(qiáng)度較低，容易折斷。

對(duì)于（銅端子+銅導(dǎo)線）組件來說，采用銅螺絲固定導(dǎo)線時(shí)，銅一般很難發(fā)生化學(xué)腐蝕。但當(dāng)采用鐵螺絲固定導(dǎo)線時(shí)，由于鐵的金屬活潑性大于銅（鋁＞鐵＞氫＞銅），在潮濕環(huán)境下，鐵螺絲和銅柱或銅導(dǎo)線之間存在電勢差，就會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，且鹽霧氣氛的Cl-加速了合金的腐蝕效率，發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，故在銅端子外部的鐵螺絲表面就會(huì)腐蝕生銹。

由以上現(xiàn)象可知，試驗(yàn)樣品的腐蝕程度為：鋁導(dǎo)線+銅端子（鐵螺絲）＞鋁導(dǎo)線+銅端子（銅螺絲）＞銅導(dǎo)線+銅端子（鐵螺絲）＞銅導(dǎo)線+銅端子（銅螺絲）。相應(yīng)的溫升變化也跟腐蝕程度成正比，鋁導(dǎo)線+銅端子（鐵螺絲）組件腐蝕后的溫升變化最大，銅導(dǎo)線+銅端子（銅螺絲）組件腐蝕后的溫升變化最小。

3 基于鐵端子連接的試驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)采用鐵端子作為連接導(dǎo)線的支撐體，由導(dǎo)電性的容易程度來說，鐵螺絲只用于固定導(dǎo)線，且鐵螺絲與導(dǎo)線接觸處用絕緣體隔開，故不作載流體分析。

圖3 Cu接線端子(螺絲:鐵左/銅右)與導(dǎo)線（上銅下鋁）鹽霧腐蝕后的表面情況

由表2第一行數(shù)據(jù)和圖4可知，當(dāng)采用絕緣體隔開導(dǎo)線，線與線的導(dǎo)電性完全由鐵端子這個(gè)載流體來實(shí)現(xiàn)。由數(shù)據(jù)可知，無論是銅線還是鋁線連接，鐵端子的溫升都比銅端子的高。這是因?yàn)殍F的電阻比銅或鋁大，耐腐蝕能力較差，易氧化生銹，造成的電流損失較大，導(dǎo)致鐵端子和導(dǎo)線的發(fā)熱量大，溫升高，容易損壞導(dǎo)線，降低導(dǎo)線的使用壽命。所以，鐵端子一般不做載流體。

由表2第二到四行的腐蝕前數(shù)據(jù)和圖4可知，當(dāng)兩導(dǎo)線相接觸或采用銅片時(shí)，介質(zhì)的導(dǎo)電性由導(dǎo)線或銅片決定，溫升變化較小。采用銅片做載流體時(shí)，溫升變化最小，這是因?yàn)殂~片與導(dǎo)線的接觸面積較大，可移動(dòng)的自由電子較多，故導(dǎo)電性好，溫升小，而導(dǎo)線接觸時(shí)，接觸面積較小，且有界面電阻，故溫升較大。

由表2第二行的腐蝕后數(shù)據(jù)和圖4可知，當(dāng)不加銅片時(shí)，（鐵端子+鋁導(dǎo)線）組件腐蝕后的溫升較腐蝕前的溫升變化不大，這是因?yàn)閷?dǎo)線表面和端子內(nèi)部均無腐蝕現(xiàn)象。而（鐵端子+銅導(dǎo)線）組件腐蝕后的溫升變化比較大，這是由于鐵端子與銅導(dǎo)線發(fā)生部分腐蝕，因銅導(dǎo)線表面腐蝕物不導(dǎo)電而造成導(dǎo)線接觸不良，界面電阻增大，發(fā)熱量增大，導(dǎo)致溫升變化較大。

由表2第三、四行的腐蝕后數(shù)據(jù)和圖4可知，當(dāng)加銅片時(shí)，溫升變化與銅端子與導(dǎo)線連接時(shí)的溫升現(xiàn)象大體一致。對(duì)于（銅片+鋁導(dǎo)線）組件來說，導(dǎo)線與銅片相連接處的溫升變化最大，這是由于鋁導(dǎo)線表面腐蝕嚴(yán)重，點(diǎn)蝕坑較多，截面積減小，且銅片與鐵端子發(fā)生化學(xué)腐蝕后生銹，故連接處的電阻變大，溫升變大。而對(duì)于（銅片+銅導(dǎo)線）組件來說，腐蝕后的金屬件溫升略有變大，這是由于導(dǎo)線表面和銅片接觸處無腐蝕現(xiàn)象，銅片與鐵端子發(fā)生化學(xué)腐蝕后生銹導(dǎo)致的。

由以上現(xiàn)象可知，鐵端子因溫升較高，不適合單獨(dú)做載流體；只有采用導(dǎo)線接觸或者銅片做載流體時(shí)，導(dǎo)線溫升變化才會(huì)降低。當(dāng)采用銅片做載流體時(shí)，不適合接鋁線，因?yàn)殇X導(dǎo)線容易與銅片發(fā)生電化學(xué)腐蝕，產(chǎn)生點(diǎn)蝕坑，使截面積變小，電阻變大，發(fā)熱量增大，導(dǎo)致溫升變化較大。

4 結(jié)論

1）當(dāng)鋁導(dǎo)線和銅端子或銅片接觸時(shí)，容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致溫升變化很大，兩者之間存在惡性破壞循環(huán)，容易使鋁導(dǎo)線因點(diǎn)蝕而導(dǎo)致鋁線強(qiáng)度降低，甚至斷裂，從而發(fā)生斷電事故；而鋁導(dǎo)線跟鋁導(dǎo)線接觸通電時(shí)，基本無腐蝕現(xiàn)象，溫升變化不大。所以，應(yīng)避免接鋁導(dǎo)線時(shí)，有銅材質(zhì)相接觸，損壞鋁導(dǎo)線。而現(xiàn)階段市面上大多電工產(chǎn)品采用銅端子，考慮到實(shí)際使用，建議用戶使用銅導(dǎo)線連接。

表2 溫升測試結(jié)果：溫升變化值

圖4 Fe接線端子(接線方式同表2)與導(dǎo)線（左銅右鋁）鹽霧腐蝕后的表面情況

2）當(dāng)銅導(dǎo)線與銅端子相連接時(shí)，采用鐵螺絲，螺絲會(huì)與銅柱發(fā)生腐蝕作用，而銅導(dǎo)線與鐵端子相連接時(shí)，導(dǎo)線會(huì)與鐵端子發(fā)生腐蝕作用，導(dǎo)致溫升發(fā)生變化。所以，應(yīng)避免接銅導(dǎo)線時(shí)，有鐵材質(zhì)接觸，損壞銅導(dǎo)線。但由于鐵材質(zhì)較銅材質(zhì)成本低，因此大多數(shù)廠家會(huì)選擇鐵螺絲，這也是導(dǎo)致電工產(chǎn)品在使用過程中損壞的原因之一。

3）由實(shí)驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)查詢可建議，在高溫且潮濕或有腐蝕性氣體的環(huán)境中，對(duì)于接線端子和導(dǎo)線的連接處，通常需要在連接處鍍錫處理或者涂抹導(dǎo)電膏以及選用同材質(zhì)的緊固螺絲，來防止銅或鋁氧化或發(fā)生電化學(xué)腐蝕，且能增加接觸面積，降低連接處的電阻和能量損耗，提高導(dǎo)線的使用壽命。