淺談燒結工藝對底座組密封性提升的影響

賴業方，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，對于傳統行業的技術改造和新興行業的發展具有重要意義，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良的性能，如機械強度、密封性、絕緣電阻和介質耐電壓等，廣泛應用于電子器件，并成為高壓高應力和高溫場合下使用的高可靠航天繼電器[2]。隨著航天事業的高速發展，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，而燒結工藝對底座組密封性的影響顯著。目前國內對底座組燒結工藝研究越來越多，玻璃封接繼電器的密封性與金屬和玻璃結合質量有直接的關系，金屬玻璃的結合質量不僅與玻璃件有關，也與金屬件準備有關，金屬件的準備，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行研究，結合現場的生產實際，底座組在微氧化氣氛下燒結，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 微氧化燒結工藝對底座組密封性影響的機理分析

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，但在空氣和氧介質中則潤濕情況較好[4]。封接質量的可靠性，是由金屬表面氧化膜所決定。雖然在底座組燒結前對底板進行了預氧化，但是燒結使用的石墨模主要成分是碳，碳在高溫會發生氧化反應，同時因為石墨多，氧氣少，產生較多的是還原性氣體一氧化碳；目前氣氛燒結的保護氣體是氮氣，而氮氣中的水汽也會在高溫下也會和碳發生反應生成一氧化碳和氫氣，最終導致燒結爐內部氣氛偏還原性，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系，潤濕能力可以用表面張力表示。當液滴處于平衡態時(見圖1)，各相界面間的表面張力關系服從公式(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。而當液-固相間表面張力很小時，液滴趨于擴張層狀，這時θ很小，如圖1(b)所示，當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 保護氣氛燒結爐內氣氛確認

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

表3 燒結爐氣氛

根據表3可以看出：在900℃以下，爐內為中性氣氛，則石墨和水汽未發生明顯反應，而在900℃以上，爐內氣氛為還原氣氛，說明石墨、水汽發生了反應，而且溫度越高，還原氣氛越強。批產燒結封接曲線如下：

表4 批產燒結封接曲線

從批產燒結封接曲線可以看出：前面的4個溫區都為強還原氣氛，燒結時，底板孔的預氧化層會被還原掉一部分，預氧化層的缺少會導致玻璃與金屬潤濕不充分，底板內壁與玻璃封接處會存在一些微小通道，導致底座組密封性差。

因此，通過控制溫度和網帶運行頻率，底座組在微氧化條件下進行燒結。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 底座組燒結優化工藝試驗方案

3.1 燒結優化工藝探索

從底座組型號大小考慮，選用大、中、小三種型號底座組進行燒結優化工藝的探索，燒結工藝包括溫度和網帶運行速度兩個參數。溫度選定在金屬批產氧化溫度和玻璃軟化溫度之上，從生產效率和玻璃的黏度系數來選取網帶的運行速度，網帶運行太快不利于玻璃的液化和潤濕，太慢則會嚴重影響生產效率。針對溫度和網帶運行速度兩個工藝參數設計正交試驗，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工藝，正交試驗方案設計和試驗情況如下：

表5 正交試驗方案設計

表6 優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，溫度和網帶運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，玻璃雖然已經到達了軟化溫度，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，導致玻璃來不及與底板進行封接，所以底座組密封性提升不明顯。從4-12組試驗分析，當溫度達到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，同時當網帶運行速度較慢時，底座組在加熱區停留的時間也較長，密封性提升也更加明顯，但是也會出現一些外觀的問題。從13、14、15組試驗分析，因為溫度過高，底座組普遍出現了外觀問題，玻璃會出現爬高和飛濺的現象。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效率，最后確定優化燒結工藝。

3.2 優化燒結工藝方案實施

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

4 試驗結果

4.1 密封性鑒定情況

4.1.1 大型底座組密封性鑒定

序號底座組狀態精檢漏(Pa·m3/s)粗檢漏12345批產狀態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,漏點涂膠后達負10數量級4.5×10-10焊縫漏,漏點涂膠后達負10數量級3.5×10-10合格

由表7可以看出，該底座組產品正常批產狀態的密封性水平在負7和負8數量級，經優化工藝處理后，密封性提升明顯，密封性水平提升到負9到負10數量級之間。

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，該底座組產品批產狀態的密封性水平在負8和負9數量級，經優化工藝處理后，密封性提升較明顯，基本上達到了負10數量級。

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，該底座組產品批產狀態的密封性水平在負9和負10數量級，經優化工藝處理后，密封性提升明顯，均達到了負10數量級。

4.1.4 密封性檢測小結

從密封性檢測數據可以看出，三種型號底座組經過優化燒結工藝后，密封性均得到了較好的提升，大型和中型底座組產品效果提升更為明顯。

4.2 絕緣子抗裂紋力情況

表10 批產底座組抗裂紋力測試情況

表11 優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，優化工藝處理后的底座組與批產底座組的抗裂紋力基本相當。

4.3 底座組引出桿與玻璃絕緣子結合強度測試

按企業標準《底座組引出桿與玻璃絕緣子結合強度的測試》進行測試，此企業標準引用的國軍標為GJB 360《電子及電氣元件試驗方法》。測試完的合格判據為：底座組不應有引出桿松動或斷裂現象，也不應有其它對底座組正常工作產生有害影響的任何損壞現象。

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，測試結果如下：

表13 彎曲測試情況

4.3.3 轉矩測試

表14 轉矩測試情況

4.3.4 小結

經測試，底座組引出桿與玻璃絕緣子結合強度符合規范要求。

5 結論

本文結合底座組燒結生產實際，對影響底座組密封性的因素進行了研究，保護氣氛燒結爐的還原氣氛對底座組密封性有關鍵性的影響。因此在微氧化條件下對底座組進行燒結處理，經過一系列試驗、生產驗證，底座組的密封性得到明顯提升，其他各項性能與批產底座組相當。