密封繼電器推動球陶瓷封接技術(shù)應(yīng)用

彭澤輝，王 永，楊政勇

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 前言

密封繼電器內(nèi)部的觸點切換是通過推動球快速推動簧片來實現(xiàn)的,推動球使用的材料為玻璃,一般選用與可伐合金匹配封接的DM-305玻璃珠,通過干粉制坯的方法壓制成型。推動球是由玻璃珠與金屬桿組裝在一起后,在高溫氮氣氣氛保護條件下燒結(jié)而成。推動球的成型主要是依靠玻璃的表面張力,在升溫的過程中,玻璃珠由圓柱狀逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榍蝮w[1]。

圖1 推動球磨損形貌

玻璃與可伐合金封接、扳彎、電鍍后,通過點焊,使金屬桿與銜鐵牢固的焊接在一起,銜鐵在電磁力的作用下,帶動推動球一起運動,從而實現(xiàn)觸點間的切換。然而每一次的推動,都會使推動球和簧片發(fā)生摩擦,從而產(chǎn)生磨損的隱患。推動球磨損表現(xiàn)出隨機性,磨損程度各不相同,且推動球磨損問題一直存在。經(jīng)過大量的試驗驗證表明,推動球的磨損并非是推動球燒結(jié)過程不穩(wěn)定導(dǎo)致,磨損主要與玻璃球本身耐磨性、強度、產(chǎn)品組裝結(jié)構(gòu)特點、簧片厚度及質(zhì)量等息息相關(guān),是一個綜合復(fù)雜的系統(tǒng)性問題[2]。

根據(jù)前期大量的分析、驗證,從推動球的燒結(jié)、電鍍工藝、動簧片電鍍等方面入手,對推動球磨損采取一系列控制措施,目前執(zhí)行的措施如表1所示。采取上述措施后,推動球的磨損問題雖很大程度減小,但磨損問題仍無法完全避免。

表1 采取控制措施情況

通過改變現(xiàn)有燒結(jié)、電鍍工藝等方法無法徹底杜絕推動球磨損問題。只有改變推動球的材料,提高推動球本身的耐磨性,才可徹底解決推動球磨損問題。陶瓷材料具有與玻璃相當(dāng)?shù)慕^緣性能,同時強度和耐磨性都優(yōu)于玻璃材料,因此研究陶瓷推動球的燒結(jié)工藝具有非常重要的意義。

2 陶瓷推動球材料選擇與封接機理

2.1 材料選擇

由于金屬與陶瓷本身無法封接,需借助中間層玻璃將兩者封接在一起。陶瓷球封接效果示意圖如圖2所示,內(nèi)層為金屬桿,中間層為玻璃,最外層為陶瓷,通過在高溫氣氛保護條件下將三者牢固的封接在一起。

圖2 陶瓷推動球封接結(jié)構(gòu)示意圖

首先,設(shè)計兩種結(jié)構(gòu)的陶瓷球,分別為通孔陶瓷球和盲孔陶瓷球結(jié)構(gòu)。通孔陶瓷球可以從頂部觀察封接界面情況,容易校正。但加工后的陶瓷球分模線較為明顯(分模線在陶瓷中部),使用過程中容易使簧片出現(xiàn)異常磨損;盲孔陶瓷球不能直接觀察封接界面情況,裝配校正難度相對較大,但加工的陶瓷球無分模線,表面光滑。因此,為了避免簧片異常磨損,最終選擇表面光滑的盲孔結(jié)構(gòu)作為封接用陶瓷球。

對于封接陶瓷材料主要要求為:1)在使用溫度范圍內(nèi)不發(fā)生相變,性能穩(wěn)定;2)在高溫下,不與氮氣或氧氣化學(xué)反應(yīng);3)能溶解在玻璃中;4)制造成本低;5)抗熱震性較高;6)耐壓、絕緣性能高。要滿足上述要求可選用氧化物陶瓷,對常用的氧化鋁和氧化鋯陶瓷進行了驗證。通過對比發(fā)現(xiàn),氧化鋁陶瓷表面粗糙度不滿足要求,且分模線較明顯,經(jīng)過上釉的氧化鋁陶瓷表面粗糙度能滿足要求,但試驗后簧片磨損嚴重,釉層也觀察到輕微磨損。相比之下氧化鋯陶瓷表面則比較光滑,且耐磨性好,試驗后簧片狀態(tài)良好,最終選用氧化鋯陶瓷作為封接用陶瓷球。陶瓷球結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。選用氧化鋯陶瓷球中Y2O3含量要適當(dāng),如Y2O3含量較低時,陶瓷中單斜相含量較高,升溫過程會發(fā)生單斜相向四方相的轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致陶瓷體積收縮,而在冷卻過程又會析出單斜相,使陶瓷體積膨脹,陶瓷球在整個燒結(jié)過程中因發(fā)生了體積變化而易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,且外表面要求光滑,不能有裂紋、凹坑、凸起、氣孔等局部缺陷,表面粗糙度可滿足Ra≤0.4。陶瓷球的硬度超過1200 HV,而玻璃球的硬度只有約530 HV,氧化鋯陶瓷球硬度為玻璃的2倍多。

圖3 陶瓷球結(jié)構(gòu)示意圖

玻璃珠選用與4J29膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)呐铺?以保證封接過程中的可靠性。由于受零件本身結(jié)構(gòu)限制,玻璃管的厚度非常薄(單邊厚度不足0.1mm),采用干粉制坯的方法壓制玻璃珠時進粉十分困難,無法壓制成型,需采用拉制成型的玻璃珠進行封接。

為了保證封接后的結(jié)合力和同軸度,設(shè)計了如圖4和圖5所示的燒結(jié)模具,燒結(jié)模具采用石墨加工而成。圖4所示的定位模具設(shè)計為沉孔結(jié)構(gòu),可對陶瓷球進行輔助定位,以提高封接過程的同軸度;圖5所示的壓塊用于壓住陶瓷球,以保證陶瓷球-玻璃-金屬的封接長度(結(jié)合力大小主要取決于封接長度)。

圖4 定位模具

圖5 壓塊

2.2 封接機理

氧化鋯陶瓷-玻璃-4J29金屬封接后的質(zhì)量之所以能得到保證,其封接機理主要為:1)氧化鋯陶瓷與玻璃相互溶解,其溶解度約為3 wt.%。氧化鋯溶解在玻璃中后,以網(wǎng)絡(luò)外體的形式存在,Zr4+電價高,對玻璃網(wǎng)絡(luò)起集聚作用,降低玻璃的膨脹系數(shù),增大玻璃的粘度和析晶傾向;2)氧化鋯的膨脹系數(shù)比玻璃大,對玻璃產(chǎn)生壓應(yīng)力,保證了封接的可靠性;3)玻璃與金屬的封接是通過金屬表面的氧化層與玻璃相互作用,形成牢固的過渡層以及氧化鋯與玻璃金屬因膨脹系數(shù)差產(chǎn)生的封接壓應(yīng)力,進而保證了封接的可靠性。

簡而言之,氧化鋯陶瓷-玻璃-4J29金屬的封接機理為氧化鋯陶瓷與玻璃相互溶解形成牢固的化學(xué)鍵結(jié)合;陶瓷與玻璃的膨脹系數(shù)差異,產(chǎn)生機械壓應(yīng)力,彌補了局部膨脹系數(shù)不匹配不能長期高可靠使用的缺陷。

3 試驗驗證結(jié)果

對燒結(jié)后的陶瓷推動球進行封接強度檢測,其拉脫力檢測結(jié)果>70 N,封接強度完全能夠滿足使用要求;對裝配后的產(chǎn)品進行X、Y、Z向正弦激勵振動各2h,X、Y、Z向隨機激勵振動各15min,試驗后產(chǎn)品未出現(xiàn)失效情況;做完激勵振動后的產(chǎn)品經(jīng)過10萬次機械壽命,頻率為2.5次/s,測試后產(chǎn)品同樣未出現(xiàn)失效情況。對激勵振動及機械壽命試驗后的產(chǎn)品進行拆殼,在顯微鏡下檢查陶瓷推動球外觀情況,陶瓷推動球均未發(fā)生磨損,性能、外觀均滿足使用需求。圖6、圖7為某型號產(chǎn)品所用陶瓷推動球。

圖6 繼電器陶瓷推動球

對陶瓷推動球進行了封接強度、激勵振動以及機械壽命的驗證,通過以上結(jié)果分析認為陶瓷推動球能滿足產(chǎn)品耐磨損的質(zhì)量要求,可有效解決玻璃球磨損的問題。

4 總結(jié)

推動球作為繼電器產(chǎn)品的關(guān)鍵零件之一,起到繼電器的開關(guān)作用,推動球磨損容易導(dǎo)致觸點不通,使整機產(chǎn)品出現(xiàn)功能性的故障。氧化鋯陶瓷具有較高的硬度和較光滑的表面,封接后結(jié)合力較高,封接更可靠,同時陶瓷推動球與玻璃推動球相比具有更高的耐磨性,高的耐磨性可有效避免在工作狀態(tài)下的磨損,因此應(yīng)用陶瓷推動球具有重要的意義。