1、Elee rr,ameehanical Componems 继电器底座组采用不锈钢与玻璃的封接工艺 霍武德 (桂林航天电嚣套司，广西桂林5410o2) 摘要：由于羊锈钢具有优良的抗盐碱和酸性气氛等恶劣介质的特性，所以，部分密封电嚣的基 座选用不锈钢材料与玻璃进行封接。文章在对比可伐合垒与玻璃进行匹配封接的基础上从选取玻 璃材料、玻璃鲍蟓子制垤、羊锈钢材料的前处理、封接以厦电镀等敏速，理论与实践相结台，着重夼绍 羊锈钢与玻璃进行压缩封接工艺过程的重点和难点。 关键词：封接；基座；玻璃鲍蟓子；制坯；净化；电镀 中图分类号：TM58 文献标识码：A 文章编号：10006133(2001)040027
2、04 1 前 言 2玻璃牌号的选择及制坯 随着科学技术的不断发展，电器元件对 玻璃与金属的封接工艺要求也在不断深化。 由于可伐合金的耐腐蚀能力远不及不锈钢， 若电器元件的基座是采用可伐合金作金属 基体与玻璃封接而成的，此类电器元件使用 于盐碱浓度高或含强腐蚀气体的恶劣环境 中，其耐腐蚀的性能就难以满足要求；而应 选择抗腐蚀性能较强的不锈钢作金属基体 与玻璃进行封接。所以，研究不锈钢与玻璃 封接的工艺就非常必要。 从机械加工、封接和电镀等方面看，不 锈钢与玻璃封接和可伐合金与玻璃封接相 比，其工艺性能的难度更大，限制条件更多。 不锈钢除机械加工性能差之外，更为甚者， 不锈钢非但在封接过程中容易氧
3、化，而且不 锈钢在一般环境中表面也会产生致密的氧 化薄膜，且不锈钢的氧化皮非常难以除尽， 给封接后电镀带来较大困难 况且不锈钢 本身电镀性能也比可伐合金难度大。考虑 以上因素，必须针对上述难点，制定相应的 工艺措施。 收穑日期：200Io82O 由于不锈钢材料的膨胀系数比较大 (96120)10。 ，所以一般采用压 缩封接，即玻璃的膨胀系数略小于不锈钢的 膨胀系数，封接后不锈钢对玻璃产生一个压 应力。与不锈钢封接的玻璃粉采用膨胀系 数一般为(8993)10 的压缩封接玻 璃粉。 封接基座主要组成部分如图l，其中玻 璃坯(未封接前的玻璃绝缘子)是用玻璃粉 加粘结剂在制坯机中自动成型的。 图1封接
4、基座示意图 维普资讯 机电元件 2001年12月 首先玻璃坯的重量和外形尺寸是需要 根据基板孔径、基板厚度和引出杆直径来计 算和设计的。 玻璃坯的重量： G=k(一R扦) 314 式中：G为玻璃坯重量；R 为基板孔半径； R轩为引出杆半径； 为玻璃密度； 为基板 厚度； 为修正系数(111)。 由于玻璃粉本身没有粘性，所以在制坯 前必须在玻璃粉中均匀掺人粘结剂，并制成 4080目的球形颗粒，然后再用机械制坯 机自动成型。刚制出的玻璃坯不但强度很 差，而且坯子里还含有粘结剂，还不能直接 用来封接，需要把玻璃坯子中的粘结剂排除 掉，固化后才能用来封接。排除粘结剂的温 度和时间，要根据所选粘结剂的成
5、分而定。 如选石蜡为粘结剂时，温度要分三段，而且 持续时问相当长，至少需要10h以上。如选 进口粘结剂，不但与玻璃粉容易拌匀，机械 成形性能好，制坯质量高，而且在排粘结剂 时，只需在300左右保温3h即可把粘结 剂排除干净。 粘结剂排除干净后，此时的玻璃坯强度 还不够，必须在玻璃软化温度点附近保温几 分钟，使玻璃处于半熔融状态后出炉空冷。 此时的玻璃坯既具有足够的强度，叉保持着 我们需要的形状。 由于玻璃坯在经过固化时要收缩，玻璃 坯在压制出来时和在固化后其外形尺寸相 差较大。所以必须经过试验来确定玻璃坯 内外径收缩率。计算公式为： 7抖= 抖(Dld1)D 式中： 为玻璃坯外径收缩率； 为经
6、验 系数；D 为烘坯前直径； 为烘坯后直径。 3 不锈钢材料封接前的处理 由于不锈钢材质比较硬，不便于机械加 工，所以机械加工前应对不锈钢材料进行半 退软，即在真空炉中900C保温34h，再随 炉冷却。不锈钢经过半退软后，其机械加工 性能得到很大改善，加工精度也大大提高。 为了便于以后的加工工序(烧结和电 镀)，不锈钢材料加工成所需零件后，除对零 件进行化学去油外，还必须进行化学抛光， 然后镀镍保护。这是因为不锈钢材料在半 退软时，其表面不可避免有微氧化现象产 生，而不锈钢的氧化皮是很难完全除尽的， 必须延长不锈钢零件在热盐酸中的浸泡时 问。要把不锈钢零件表面的氧化皮除尽，零 件基体表面难免有
7、部分被酸洗“发毛”。必 须配制专用抛光剂，对其进行化学抛光，使 表面光亮平整。 为了防止不锈钢在空气中微氧化，生成 致密的微氧化保护膜，不锈钢零件在化学抛 光后，应立即在它表面镀上45 】的镍 层。除此之外，镀上镍层不但能很好地保护 不锈钢零件在与玻璃封接时不被氧化，而且 镍层在氧化后能与高温的玻璃液很好地浸 润封接。 为了在封接时使玻璃能沿不锈钢零件 表面良好浸润，提高封接的结合强度和密封 性，镀好镍层的不锈钢零件还必须进行预氧 化处理，其预氧化过程是在700左右的炉 中保温46min后，出炉空冷即可。 4封 接 金属与玻璃封接的相关参数主要是：封 接温度、升温速度、保温时间、降温速度等。
8、工艺曲线见图2。 封接温度是根据玻璃的软化温度来确 定的，在玻璃与金属封接时，理论上要求玻 璃的粘度应在1O一10PaB之间。 升温速度控制是通过改变炉子的功率 来实现的。升温速度太慢会延长组件在炉 子中的持续时间，使玻璃绝缘子容易受石墨 粉尘的污染；升温速度太快会导致玻璃绝缘 子颗粒飞溅和玻璃沿金属表面攀延。 保温时间主要根据组件的大小和多少 维普资讯 V012l N04 图2基座封接曲线图 来确定，一般只要保证每个组件的温度都达 到封接温度即可。 降温速度是根据玻璃封接过程中的物 理化学变化特性来确定的。根据理论，玻璃 在高温熔化过程中持续时间的长短将直接 影响玻璃绝缘子的性能。玻璃在其软
9、化温 度点以上的温度范围持续较长时间，玻璃体 内容易产生局部晶粒异常长大现象，从而使 玻璃绝缘子内部存在难以消除的晶界应力。 所以玻璃与金属封接过程完成后应立即降 温至玻璃软化温度点以下。 可伐与玻璃封接应在有氮气保护的炉 子中进行。先把炉子升到预定温度，封接温 度一般选在玻璃软化温度点以上180 220；然后将装配在石墨模具上的不锈钢 零件与玻璃坯子的组件，直接放进高温炉中 加热，其炉子回升温度的速度应控制在(6 10)rain，待炉子温度回升到预定温度后， 保温一段时间(此时间必须根据零件的热容 量及炉子的功率来定)后，迅速降温到比软 化温度点低IO0C左右，保温58rain后再 缓慢降温
10、。这样才符合玻璃与金属封接的 物理化学特性。 由于封接后玻璃绝缘子冷却速度比较 快(相对于玻璃绝缘子去除应力的降温速 度)，玻璃与金属封接处存在较大不均匀的 应力。这种应力的存在会使玻璃绝缘子机 械强度大大下降。此应力很容易与引出杆 传来的外力叠加，使玻璃绝缘子碎裂。为了 减少玻璃内部不均匀的应力，必须对不锈钢 零件与玻璃封接的基座及时进行去应力(也 称退火)处理。去应力过程为：把基座放在 常温炉子中，随炉升温到去应力温度，保温 一定时间(玻璃与金属封接处的应力完全消 失)，再按一定的降温速度缓慢冷却到常温 (见图3)。这样即使金属对玻璃还存在一 定的噩应力，但它是有均匀梯度的，这种应 力会抵
11、消易使玻璃绝缘子碎裂的外加拉应 力 周3基座去应力曲线图 退火温度应确定在所选玻璃材料的固 化温度点附近。退火温度越高，消除应力的 时间就越短；但退火温度太高，由于玻璃绝 缘子逐渐变软，会使基座结构发生变化。为 了保险，一般取固化温度的下限，而把退火 时间适当延长来达到消除应力的目的。 5 电 镀 由于不锈钢表面有一层薄而透明的氧 化膜，此氧化膜除去后又能迅速生成，因此 按一般钢铁零件的电镀工艺不能获得附着 力良好的镀层。不锈钢零件电镀时，通常都 必须除油后进行活化和预镀镍，才能提高镀 层的附着力。 不锈钢与玻璃封接的基座，一般选择镀 金。在镀金前需预镀镍。由于基座的金属件 在封接前就已经镀了
12、一层镍，只是此时基痤 金属表面的镍层有部分被氧化。只需把基座 维普资讯 机电元件 2001年I2月 表面的氧化层完全酸洗掉，就可以对其基座 进行碱性氰化物镀金(为了防止把玻璃绝缘 子碰裂，通常采取挂镀)。由于不锈钢零件在 封接前进行过抛光，其表面非常光滑，再加上 不锈钢镀镍后经过封接的高温，其镍层在金 属表面的附着目 力大大提高。只要严格控制 电镀液中各种物质的含量和电镀时的电流电 压，不锈钢零件的表面就可以得到致密而牢 固的镀层，从根本上克服不锈钢封接容易产 生氧化、电镀酸洗困难的问题。 6结束语 采用上述工艺加工出来的基座，其绝缘 电阻在1000M,Q、介质耐电压大于1000V、金 属与玻
13、璃封接处的泄漏率小于110 Pa s，而且在与可伐与玻璃封接的基座作 对比试验时，以不锈钢为基体的基座在抗盐 碱环境和恶劣的酸性气氛环境方面的性能 都强得多。上述工艺巳通过工艺评审，并应 用于型号产品。 (上接第5页) j1t1 T叭 +4 一一一 辛怿守 卜l 叶 卜卜 一* 1 j l i h，lff,i， ，0 一一一 ： mTl。调 3 41 r1- Bt 100981 rdd (b】 围7实测动态电流渡形(a)和仿真电流波形(b) 上述计算结果是在考虑了铁心中的涡 数学模型与实测结果规律一致。考虑到极 流以及系统的漏磁作用后得到的，从比较的 化电磁系统结构的复杂性、继电器实际参数 结
14、果来看，我们所建立的模型较准确地符合 的离散性以及实际生产加工过程中种种其 继电器的实际动态过程。 它因素影响的不确定性，从继电器动态特性 4结 论 根据KJHWIM型极化继电器的结构 特点，我们建立了整个继电器电磁系统的动 态数学模型以及平衡旋转式永磁系统的分 析计算模型，并推导出了永磁系统的计算公 式，在此基础上我们开发出该产品的仿真设 计系统；产品特性仿真计算的结果表明我们 所建立的电磁系统的数学模型能较准确地 反映继电器的实际动态过程，计算结果与实 测值十分接近，误差在工程允许的范围内， 的计算结果来看，我们认为用此数学模型进 行产品特性分析与优化设计是可行的，通过 仿真系统进行产品设计使得设计效率提高 了，并且开发成本也大大地降低了。 参考文献： I j 费鸿俊，张冠生电磁机构动态分析与计算M北 京：机械工业出版社1993 2张冠生电器理论基础M北京：机槭工业出版 社1997 【3粱慧敏，马广程刘茂恺等带永碰继电器碰钢的优 化J上海电器技术，1999(3) 4l佟为明刘宁滨，刘茂恺等极化碰系统永磁工作点 的求解J低压电器20004J 维普资讯
