淺談燒結(jié)工藝對底座組密封性提升的影響

賴業(yè)方，李建軍，張銀娣，唐宏基，蔣九華

(桂林航天電子有限公司，廣西桂林，541002)

1 引言

繼電器用途廣泛，對于傳統(tǒng)行業(yè)的技術(shù)改造和新興行業(yè)的發(fā)展具有重要意義，是涉及未來國際競爭、綜合國力和軍事實力的重要戰(zhàn)略元件[1]。玻璃封接繼電器與其他類型密封繼電器相比具有很多優(yōu)良的性能，如機(jī)械強(qiáng)度、密封性、絕緣電阻和介質(zhì)耐電壓等，廣泛應(yīng)用于電子器件，并成為高壓高應(yīng)力和高溫場合下使用的高可靠航天繼電器[2]。隨著航天事業(yè)的高速發(fā)展，對繼電器的密封性要求越來越高。繼電器密封性主要取決于底座組密封性，而燒結(jié)工藝對底座組密封性的影響顯著。目前國內(nèi)對底座組燒結(jié)工藝研究越來越多，玻璃封接繼電器的密封性與金屬和玻璃結(jié)合質(zhì)量有直接的關(guān)系，金屬玻璃的結(jié)合質(zhì)量不僅與玻璃件有關(guān)，也與金屬件準(zhǔn)備有關(guān)，金屬件的準(zhǔn)備，其目的在于在配件表面形成一定的氧化層[3]。

本文主要從玻璃和金屬的封接進(jìn)行研究，結(jié)合現(xiàn)場的生產(chǎn)實際，底座組在微氧化氣氛下燒結(jié)，使底板和引出桿與玻璃接觸的表面形成一層氧化層，提高玻璃和金屬表面的潤濕，玻璃和金屬有了良好的封接，從而提高底座組的密封性。

2 微氧化燒結(jié)工藝對底座組密封性影響的機(jī)理分析

玻璃和金屬封接良好的前提是玻璃在金屬表面有良好的鋪展，玻璃和金屬的封接，實際上是表面潤濕的問題。一般來說，玻璃和純金屬表面幾乎是不潤濕的，但在空氣和氧介質(zhì)中則潤濕情況較好[4]。封接質(zhì)量的可靠性，是由金屬表面氧化膜所決定。雖然在底座組燒結(jié)前對底板進(jìn)行了預(yù)氧化，但是燒結(jié)使用的石墨模主要成分是碳，碳在高溫會發(fā)生氧化反應(yīng)，同時因為石墨多，氧氣少，產(chǎn)生較多的是還原性氣體一氧化碳；目前氣氛燒結(jié)的保護(hù)氣體是氮?dú)?，而氮?dú)庵械乃矔诟邷叵乱矔吞及l(fā)生反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣，最終導(dǎo)致燒結(jié)爐內(nèi)部氣氛偏還原性，不利于玻璃和金屬的封接。

2.1 玻璃的潤濕性和影響因素

2.1.1 玻璃的潤濕性

潤濕性是表征各接觸相自由表面能相互之間的關(guān)系，潤濕能力可以用表面張力表示。當(dāng)液滴處于平衡態(tài)時(見圖1)，各相界面間的表面張力關(guān)系服從公式(1)[5]。

(a)潤濕性較差

(b)潤濕性較好

σS-G=σL-Gcosθ+σS-L

(1)

式(1)中，σS-G— 固-氣界面上的表面張力；

σL-G—液-氣界面上的表面張力；

σS-L—固-液界面上的表面張力；

θ—潤濕角。

由(1)式可得：

cosθ=(σS-G-σS-L)/σL-G

(2)

當(dāng)液-固相間表面張力很大時，液滴趨于成球狀，以減小兩相界面，這時θ很大，如圖1(a)所示。而當(dāng)液-固相間表面張力很小時，液滴趨于擴(kuò)張層狀，這時θ很小，如圖1(b)所示，當(dāng)θ≈0°時，則稱為完全潤濕。

2.1.2 影響因素

熔融的玻璃液對純金屬的潤濕性較差。一般來說，純凈的金屬是不被熔融玻璃潤濕的[6]。通過查閱資料，真空中熔融玻璃對純凈金屬的潤濕角和不同氣氛下玻璃對某些金屬的潤濕角情況如下：

表1 真空中熔融玻璃對純凈金屬的潤濕角

表2 900℃時在不同氣體介質(zhì)中玻璃對金屬的潤濕角[7]

由表1和表2可以看出，熔融的玻璃對純凈金屬的潤濕角很大，說明玻璃對純凈金屬的潤濕性較差，而在氧和空氣的氣氛下潤濕角幾乎等于0°，潤濕性非常好。因為在氧化氣氛下，金屬表面形成了一層金屬氧化物，改善了玻璃對金屬的潤濕性。

2.2 保護(hù)氣氛燒結(jié)爐內(nèi)氣氛確認(rèn)

為了確認(rèn)保護(hù)氣氛燒結(jié)爐內(nèi)的氣氛，使氧化后的底板通過燒結(jié)爐，觀察底板的氧化層顏色的變化來確定爐內(nèi)氣氛，具體做法：把某型號底板按照批產(chǎn)工藝進(jìn)行氧化，此時底板呈現(xiàn)灰黑色，然后把底板分別放入不同溫度下的燒結(jié)爐子中進(jìn)行燒結(jié)，情況如下：

表3 燒結(jié)爐氣氛

根據(jù)表3可以看出：在900℃以下，爐內(nèi)為中性氣氛，則石墨和水汽未發(fā)生明顯反應(yīng)，而在900℃以上，爐內(nèi)氣氛為還原氣氛，說明石墨、水汽發(fā)生了反應(yīng)，而且溫度越高，還原氣氛越強(qiáng)。批產(chǎn)燒結(jié)封接曲線如下：

表4 批產(chǎn)燒結(jié)封接曲線

從批產(chǎn)燒結(jié)封接曲線可以看出：前面的4個溫區(qū)都為強(qiáng)還原氣氛，燒結(jié)時，底板孔的預(yù)氧化層會被還原掉一部分，預(yù)氧化層的缺少會導(dǎo)致玻璃與金屬潤濕不充分，底板內(nèi)壁與玻璃封接處會存在一些微小通道，導(dǎo)致底座組密封性差。

因此，通過控制溫度和網(wǎng)帶運(yùn)行頻率，底座組在微氧化條件下進(jìn)行燒結(jié)。因為是在氧化氣氛下，底板和引出桿與玻璃接觸的表面會形成一層氧化層，有利于改善玻璃和金屬的潤濕，修復(fù)因氧化層被還原掉潤濕性下降的缺陷，從而提高密封性。

3 底座組燒結(jié)優(yōu)化工藝試驗方案

3.1 燒結(jié)優(yōu)化工藝探索

從底座組型號大小考慮，選用大、中、小三種型號底座組進(jìn)行燒結(jié)優(yōu)化工藝的探索，燒結(jié)工藝包括溫度和網(wǎng)帶運(yùn)行速度兩個參數(shù)。溫度選定在金屬批產(chǎn)氧化溫度和玻璃軟化溫度之上，從生產(chǎn)效率和玻璃的黏度系數(shù)來選取網(wǎng)帶的運(yùn)行速度，網(wǎng)帶運(yùn)行太快不利于玻璃的液化和潤濕，太慢則會嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。針對溫度和網(wǎng)帶運(yùn)行速度兩個工藝參數(shù)設(shè)計正交試驗，處理后通過檢查底座組的密封性和外觀情況來確定具體燒結(jié)工藝，正交試驗方案設(shè)計和試驗情況如下：

表5 正交試驗方案設(shè)計

表6 優(yōu)化工藝處理后部分底座組密封性和外觀情況

采用以上工藝處理后的底座組金屬表面呈現(xiàn)暗黑色，說明金屬表面生成了一層氧化層。從表6可以看出，溫度和網(wǎng)帶運(yùn)行速度對底座組密封性都有很大的影響，1、2、3組試驗分析得知，玻璃雖然已經(jīng)到達(dá)了軟化溫度，但是由于溫度不高，此時玻璃的黏度較大，玻璃的移動較困難，導(dǎo)致玻璃來不及與底板進(jìn)行封接，所以底座組密封性提升不明顯。從4-12組試驗分析，當(dāng)溫度達(dá)到800℃以上時，三個型號的底座組密封性開始得到提升，說明玻璃在此溫度下得到了充分加熱，玻璃黏度也較低，同時當(dāng)網(wǎng)帶運(yùn)行速度較慢時，底座組在加熱區(qū)停留的時間也較長，密封性提升也更加明顯，但是也會出現(xiàn)一些外觀的問題。從13、14、15組試驗分析，因為溫度過高，底座組普遍出現(xiàn)了外觀問題，玻璃會出現(xiàn)爬高和飛濺的現(xiàn)象。因此綜合考慮底座組密封性提升情況、底座組外觀情況和生產(chǎn)效率，最后確定優(yōu)化燒結(jié)工藝。

3.2 優(yōu)化燒結(jié)工藝方案實施

選用大、中、小三種型號產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化工藝方案驗證，具體方案為：在微氧化氣氛下進(jìn)行燒結(jié)處理，使用優(yōu)化燒結(jié)工藝處理后的底座組符合《玻璃封接規(guī)范》的要求，對試驗底座組進(jìn)行密封性檢測、絕緣子抗裂紋力及進(jìn)行底座組引出桿與玻璃絕緣子結(jié)合強(qiáng)度測試。

4 試驗結(jié)果

4.1 密封性鑒定情況

4.1.1 大型底座組密封性鑒定

序號底座組狀態(tài)精檢漏(Pa·m3/s)粗檢漏12345批產(chǎn)狀態(tài)4.0×10-7合格7.3×10-8合格1.1×10-7合格9.6×10-7合格2.2×10-7合格123456789101112優(yōu)化工藝處理9.0×10-10合格7.2×10-10合格9.7×10-9合格4.9×10-10合格6.0×10-10合格5.4×10-10合格6.2×10-10合格5.2×10-9合格6.3×10-10合格2.7×10-10焊縫漏,漏點(diǎn)涂膠后達(dá)負(fù)10數(shù)量級4.5×10-10焊縫漏,漏點(diǎn)涂膠后達(dá)負(fù)10數(shù)量級3.5×10-10合格

由表7可以看出，該底座組產(chǎn)品正常批產(chǎn)狀態(tài)的密封性水平在負(fù)7和負(fù)8數(shù)量級，經(jīng)優(yōu)化工藝處理后，密封性提升明顯，密封性水平提升到負(fù)9到負(fù)10數(shù)量級之間。

4.1.2 中型底座組密封性鑒定

表8 中型底座組密封性鑒定情況

由表8可以看出，該底座組產(chǎn)品批產(chǎn)狀態(tài)的密封性水平在負(fù)8和負(fù)9數(shù)量級，經(jīng)優(yōu)化工藝處理后，密封性提升較明顯，基本上達(dá)到了負(fù)10數(shù)量級。

4.1.3 小型底座組密封性鑒定

表9 小型底座組密封性鑒定情況

由表9可以看出，該底座組產(chǎn)品批產(chǎn)狀態(tài)的密封性水平在負(fù)9和負(fù)10數(shù)量級，經(jīng)優(yōu)化工藝處理后，密封性提升明顯，均達(dá)到了負(fù)10數(shù)量級。

4.1.4 密封性檢測小結(jié)

從密封性檢測數(shù)據(jù)可以看出，三種型號底座組經(jīng)過優(yōu)化燒結(jié)工藝后，密封性均得到了較好的提升，大型和中型底座組產(chǎn)品效果提升更為明顯。

4.2 絕緣子抗裂紋力情況

表10 批產(chǎn)底座組抗裂紋力測試情況

表11 優(yōu)化工藝處理后底座組抗裂紋力測試情況

由表10和表11可以看出，優(yōu)化工藝處理后的底座組與批產(chǎn)底座組的抗裂紋力基本相當(dāng)。

4.3 底座組引出桿與玻璃絕緣子結(jié)合強(qiáng)度測試

按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《底座組引出桿與玻璃絕緣子結(jié)合強(qiáng)度的測試》進(jìn)行測試，此企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引用的國軍標(biāo)為GJB 360《電子及電氣元件試驗方法》。測試完的合格判據(jù)為：底座組不應(yīng)有引出桿松動或斷裂現(xiàn)象，也不應(yīng)有其它對底座組正常工作產(chǎn)生有害影響的任何損壞現(xiàn)象。

4.3.1 拉力測試

拉力測試情況如下：

表12 拉力測試情況

4.3.2 彎曲測試

引出桿直徑的≤0.8mm的底座組做彎曲測試。引出桿彎曲90°再回到正常位置為一次彎曲，測試結(jié)果如下：

表13 彎曲測試情況

4.3.3 轉(zhuǎn)矩測試

表14 轉(zhuǎn)矩測試情況

4.3.4 小結(jié)

經(jīng)測試，底座組引出桿與玻璃絕緣子結(jié)合強(qiáng)度符合規(guī)范要求。

5 結(jié)論

本文結(jié)合底座組燒結(jié)生產(chǎn)實際，對影響底座組密封性的因素進(jìn)行了研究，保護(hù)氣氛燒結(jié)爐的還原氣氛對底座組密封性有關(guān)鍵性的影響。因此在微氧化條件下對底座組進(jìn)行燒結(jié)處理，經(jīng)過一系列試驗、生產(chǎn)驗證，底座組的密封性得到明顯提升，其他各項性能與批產(chǎn)底座組相當(dāng)。