超小型密封繼電器推動桿部件燒結(jié)后的主要缺陷及探討

王　永，李亞濤

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

研究與設(shè)計

超小型密封繼電器推動桿部件燒結(jié)后的主要缺陷及探討

王永，李亞濤

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

摘要：超小型密封繼電器推動桿部件燒結(jié)后的主要缺陷有歪頭、平頭和氣泡，這些缺陷的存在降低了玻璃絕緣子的電性能和機械性能，如何控制和減少上述缺陷是推動桿部件燒結(jié)研究的重要課題。本文從玻坯密度、可伐合金的預(yù)氧化、玻璃絕緣子與燒結(jié)模的潤濕等方面，對推動桿部件燒結(jié)后的主要缺陷進行了較詳細的探討。

關(guān)鍵詞：密封繼電器；推動桿部件；歪頭；平頭；氣泡

1前言

密封繼電器廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、兵器以及船舶等領(lǐng)域，隨著航天、航空、航海以及信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，密封繼電器也朝著小型、超小型、大功率、高可靠的方向發(fā)展。其中，密封繼電器的觸點切換功能是通過推動桿部件推動簧片實現(xiàn)的。因此，推動桿部件是密封繼電器的重要組成部分。

推動桿部件由玻璃球和推動桿兩部分組成。其中，玻璃球一般由DM305、DM308以及7052玻璃粉燒結(jié)而成，推動桿材料一般選用4J29可伐合金。這是由于具有鐵磁性的可伐合金在居里點溫度以下時體積膨脹，從而具有較低的膨脹系數(shù)，在0～400℃和上述玻璃的膨脹系數(shù)相近，能夠進行匹配封接[1]。

對于推動桿部件的制造工藝，章群仁等[2]從玻璃粉造粒、玻坯壓制、裝片以及燒結(jié)工藝等方面進行了較詳細的分析與探討；劉燕等[3]主要從推動桿的預(yù)氧化，玻坯的制備，裝片以及燒結(jié)模的設(shè)計等方面進行了研究。然而，對推動桿部件燒結(jié)后的缺陷的論述卻鮮有報道。本文將對小型、超小型密封繼電器的推動桿組合燒結(jié)后的主要缺陷問題進行初步的分析與探討。

2推動桿部件燒結(jié)后的主要問題及探討

小型、超小型密封繼電器的推動桿部件燒結(jié)后缺陷有黑點、露頭、歪頭、平頭和氣泡等。黑點的產(chǎn)生主要是由于在裝片過程中操作不規(guī)范，使玻璃坯粘附石墨所致，黑點的存在會降低推動球的耐磨性以及電性能，正確規(guī)范的操作可以有效的減少黑點；露頭是由于石墨燒結(jié)模太薄，使推動桿與玻璃坯結(jié)合的部分過長所致，可以通過更換燒結(jié)模來解決。燒結(jié)的推動桿部件的主要缺陷是歪頭、平頭以及氣泡，對于小型密封繼電器的推動桿部件燒結(jié)后主要是歪頭和氣泡，而超小型密封繼電器的推動桿部件燒結(jié)后三者都存在，其中平頭所占的比例最大。

2.1歪頭

推動桿部件歪頭缺陷的實質(zhì)是玻璃球平行于推動桿長度方向的中心軸線與推動桿長度方向的中心軸線不重合。根據(jù)兩者中心軸線的偏移程度，可以分為兩種類型：一種是推動桿完全在玻璃球中心軸線的一側(cè)，如圖1(a)所示。產(chǎn)生這種缺陷的原因有以下三個方面：(1)在推動桿組合裝片時，玻璃坯底部沒有完全與石墨板接觸。(2)裝片后，在移動的過程中不小心碰到玻璃坯使其傾斜靠在推動桿上。(3)在燒結(jié)推動或者燒結(jié)爐帶速不穩(wěn)定產(chǎn)生振動，導(dǎo)致玻璃坯傾斜；另一種是推動桿部分偏離玻璃球的中心軸線，如圖1(b)所示，主要原因是排蠟并?；蟮牟Ａ髋c推動桿的間隙過大。第一種缺陷在燒結(jié)后較容易辨別、剔除，對于第二種缺陷由于推動桿組合本身尺寸較小，推動桿與推動球的偏移用肉眼很難分別，需要通過顯微鏡仔細分辨。推動桿歪頭在規(guī)范的操作情況下主要出現(xiàn)的缺陷是第二種，并且缺陷率較高。這種缺陷只有通過提高玻璃坯的尺寸精度以及優(yōu)化與推動桿的公差配合才能較好地解決。

(a)　　　　　　　 (b)

2.2平頭

超小型密封繼電器推動桿部件的另一種主要缺陷是平頭，平頭可以描述為推動球與石墨模的接觸為面接觸而非線接觸。這種缺陷本身不會影響降低推動桿部件的電性能，但由于平頭面往往粘附有石墨，電鍍酸洗的過程中很難去除，電鍍后往往會爬銀，導(dǎo)致部件的電性能降低。此外，平頭的存在還會造成更多的歪頭。

為了分析解決平頭問題，筆者建立了一個平頭模型，如圖2所示。假設(shè)推動球的半徑為r1，推動桿的半徑為R，平頭面的半徑AB設(shè)為r3，通過測量推動球在BO方向的長度以及水平方向的直徑，可算出r2，進而得到θ1，則r3=r1cosθ1，又令K=r3/R，則K=r1cosθ1/R?？梢姡筋^面半徑與半徑R的比值、推動球的半徑、石墨模的潤濕角(熔封后冷卻到室溫測得的表觀值)以及推動桿的半徑有關(guān)。筆者通過對三種不同直徑(R分別為1mm,0.44mm和0.29mm)的推動桿部件的K值進行計算，發(fā)現(xiàn)隨著推動桿直徑減少，K值依次增大，分別為1.15、1.45和1.75。對于K值為1.15的推動桿部件，燒結(jié)后未見平頭缺陷的很少，K值越小，平頭缺陷所占比例越大。三種推動桿部件的推動球與推動桿半徑的設(shè)計比分別為1.8、2.4和3。可見，K值與設(shè)計比有關(guān)，如想不出現(xiàn)平頭缺陷，其設(shè)計比最好不要超過2。需要說明的是，該平頭模型僅適用于燒結(jié)模為文獻[2]中圖7所示的結(jié)構(gòu)。

推動桿部件的燒結(jié)后能否成球形主要與表面張力、粘度、與石墨模具的潤濕和摩擦力有關(guān)。玻璃坯在燒結(jié)過程中，由于玻璃熔體與石墨模具不潤濕，為了減少與石墨的接觸面積，以及自身的表面積，在表面張力的作用下玻璃熔體有收縮為球體的趨勢；在收縮過程中，玻璃熔體的上部只受到粘度引起的阻力，而在燒結(jié)溫度時，玻璃粘度較低，阻力較小，能收縮為半球形，而玻璃熔體與石墨模具接觸的部分，除了受到粘度引起的阻力外，還受到與石墨模接觸而產(chǎn)生的摩擦力，因此最終不能收縮為球體，形成平頭缺陷。由θ1得到θ2的范圍為135°～145°?？梢?，要減少平頭就需要增大θ2。由于玻璃張力與粘度在熔封溫度下很難改變，玻璃絕緣子對石墨模具的潤濕角改變量也有限，但可以考慮減少摩擦阻力即減少玻璃熔體與石墨模具的接觸面積。筆者進行了大量的實驗表明，平頭缺陷不能從燒結(jié)工藝上優(yōu)化解決，優(yōu)化設(shè)計燒結(jié)模是一種有效的方法。劉燕[3]等設(shè)計的燒結(jié)模是在燒結(jié)定位孔的口部開了一個沉孔，其結(jié)構(gòu)的實質(zhì)是通過減少玻坯底部與石墨模具的接觸面積，利用玻璃熔體的表面張力而球化，若沉孔大小不合適，不僅會使根部變形嚴重，還會引起歪頭缺陷。為此，筆者設(shè)計了如圖3所示的燒結(jié)模。該燒結(jié)?？梢杂行У販p少平頭，且不易引起歪頭，但由于石墨柱較細，容易折斷。

圖2　平頭模型

圖3　改進的燒結(jié)模

2.3氣泡

氣泡是推動桿部件常見的主要缺陷之一。氣泡的存在不僅降低玻璃絕緣子的機械性能，還降低其電性能和密封性能，但由于氣體在玻璃熔體中可以是溶解狀態(tài)，化學(xué)結(jié)合態(tài)或者氣泡，采用常規(guī)的燒結(jié)方法很難完全消除。因此，預(yù)防和減少氣泡是研究的重點。氣泡的化學(xué)成分一般包含N2、O2、CO、CO2和水蒸氣等。當(dāng)熔封氣氛為微氧化時，除N2主要以物理溶解外，其它氣體都主要以化合結(jié)合態(tài)存在[4]。

推動桿部件氣泡的主要來源有以下四個方面：(1)玻坯。通過對一種超小型密封繼電器推動桿部件玻化后的玻坯進行相對密度的測試。結(jié)果表明，其相對密度僅65%，則玻璃內(nèi)部有35%都是空氣，這些氣體如果在隨后的燒結(jié)過程中排出受阻就會形成氣泡。(2)玻璃熔體和可伐合金氧化膜的反應(yīng)。羅大為等[5]研究表明，高溫熔封時，可伐合金表面氧化膜中的Fe3O4會與玻璃熔體中的SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成O2，如公式(1)所示。筆者通過測量13000根推動桿預(yù)氧化前后的質(zhì)量差，根據(jù)封接的高度，并假設(shè)生成的氧化膜全部為Fe3O4，計算出反應(yīng)放出的氣體是推動球球體體積(包含封接的推動桿部分)的5.5%。假如其全部變成一個氣泡，氣泡的體積為160μm(在標準大氣壓條件下)。在實際可伐合金氧化膜中，盡管Fe3O4只是氧化產(chǎn)物的一部分，但其潛在的可放出的氣體量不容忽視。(3)可伐合金脫碳。在高溫時，可伐合金中固溶的碳可能與燒結(jié)氣氛的中水蒸氣反應(yīng)，生成CO和H2?？煞ズ辖鸬腃含量為0.02 wt%，根據(jù)推動桿質(zhì)量以及封接高度和推動總長之比，并假設(shè)推動桿封接部分的C全部參與反應(yīng)，則產(chǎn)生的氣體體積是推動球球體體積的60.36%。因此，可伐合金中固溶的C與水蒸氣的反應(yīng)也是潛在的氣泡的主要來源之一。(4)石墨模具。石墨模具在高溫產(chǎn)生氣體除了與石墨本身孔隙率較高，容易吸附氣體和雜質(zhì)有關(guān)外，還由于石墨模在高溫?zé)Y(jié)時會發(fā)生氧化，生成CO或CO2。

2Fe3O4+3SiO2=3Fe2SiO4+O2

(1)

推動桿部件裝片后燒結(jié)時，在溫度較低時，玻坯未致密，呈多孔特征，產(chǎn)生的氣體容易排出，隨著溫度升高玻坯密度提高，氣孔排除受阻。當(dāng)玻坯熔融并收縮為球形時。可見，氣泡的排除有以下兩種途徑：(1)通過使小氣泡長大上浮到玻璃絕緣子外表面排除；(2)通過使氣泡內(nèi)的氣體溶解于玻璃熔體而消失。推動桿部件氣泡內(nèi)的壓力可用公式(2)來表達。在高溫熔封階段，由于推動球的半徑較小，熔體產(chǎn)生的靜壓力項很小，可忽略不計，由推動球產(chǎn)生的壓力約為大氣壓的1%，也可忽略不計。因此，氣泡的內(nèi)部壓力主要取決于表面張力對氣泡產(chǎn)生的壓力，與氣泡半徑成反比，氣泡半徑越小，由表面張力引起的壓力越大。因此，小氣泡趨向與溶解于玻璃熔體而消失；對于較大氣泡，由于在玻璃熔封溫度，玻璃熔體的粘度仍然較大(103～104Pa.s),氣泡在玻璃熔體中很難移動，且由于燒結(jié)時間有限，熔封氣氛中的氣體也很難擴散到熔體內(nèi)部，可認為和內(nèi)部玻璃熔體和氣泡無氣體交換。因此，氣泡的長大與縮小取決于氣泡內(nèi)某種氣體的分壓PA和氣泡周圍玻璃熔體溶解的該氣體的分壓PB，在熔封階段若溫度保持恒定，則PA=PB，氣泡大小保持不變，即存在于玻璃熔體中；對于在玻璃熔體近表面的較大氣泡，其長大、縮小或消失不僅取決于PA和PB，還取決于熔封氣氛中該氣體的分壓PC。假如近表面存在一個只含N2的氣泡，由于熔封氣氛主要為N2，由公式(2)可知，氣泡的壓力PA>PC，則氣泡內(nèi)的N2向外逸出，氣泡減小。然而，這樣的氣泡能否消失取決于氣泡的大小，由于玻璃熔體的表面張力在0.22～0.38 N/m之間[6]，假設(shè)玻璃熔體的表面張力0.3N/m，當(dāng)氣泡半徑為0.06mm時，由表面張力產(chǎn)生的壓力僅為大氣壓的1/10，則PA與PC相差不大，氣泡略減小，這種氣泡很難排除，就可能留在推動球表面，形成表面氣泡。當(dāng)氣泡半徑小于0.006mm時，由表面張力產(chǎn)生的壓力等于一個大氣壓，為保持氣壓平衡，則氣泡向外擴散逸出，氣泡將明顯減小，氣泡減小后在表面張力的作用下內(nèi)壓增大，氣體將不斷逸出，直至消失。上述推論是假設(shè)生成的只是單一組分的氣泡，在實際生產(chǎn)中，推動桿部件燒結(jié)后的玻璃絕緣子表面的觀察到氣泡往往含有多種組分，氣泡能否長大、縮小或消失，取決于進入氣泡和從氣泡中排出的氣體量的相對大小，當(dāng)進入的氣體量少于排出的氣體量時，根絕氣體大小半徑的不同，氣體可能縮小或消失，反之則氣泡可能長大。此外，當(dāng)較大氣泡中含熔封的氣體的分壓較大時，則氣泡很難排出。

(2)

式中：P-氣泡內(nèi)部壓力，MPa；σ-玻璃表面張力,N/mm；ρ-玻璃液密度,g/mm3；g-重力加速度N/g;h-氣泡上部熔體的高度,mm，P0-大氣壓,0.1MPa；R-推動球直徑，mm。

推動桿部件裝片時采用的是定位模材料是石墨，在燒結(jié)時推動桿部件外面蓋上不銹鋼外殼，在高溫時熔封氣體中除含N2外，還有O2、H2O、H2、CO和CO2等。這些氣體的存在將阻礙氣泡內(nèi)部相應(yīng)的組分氣體的排除。因此盡可能從源頭上減少引入玻璃熔體的氣體總量，可以從以下幾個方面進行優(yōu)化及控制：(1)提高玻坯密度。玻坯密度越高，孔隙率越低，則引入的N2和O2量將減少。這可以通過優(yōu)化?；に噷崿F(xiàn)，合理的玻化工藝可將玻坯相對密度提高至90%及以上。(2)控制氧化膜的成分與厚度。氧化膜中Fe3O4含量越高，氧化膜越厚，則反應(yīng)放出的O2越多。要減少放出的O2量就要優(yōu)化預(yù)氧化工藝，預(yù)氧化工藝要根據(jù)熔封氣氛制定，熔封氣氛為氧化性，則預(yù)氧化時間適當(dāng)短些，為還原氣氛時，則長一些，但不管熔封氣氛如何，在保證封接強度的情況下，盡量減少氧化膜厚度，要避免過氧化。(3)可伐合金凈化處理。可伐合金的凈化不僅可以去除可伐合金的表面氧化膜，減少表面碳含量，還有均化奧氏體組織以及獲得合適的奧氏體晶粒度的作用。(4)石墨模具的選擇與處理。石墨模具應(yīng)選擇高純石墨，以減少在熔封的高溫、微氧化氣氛中石墨模的粉化，減少CO或CO2的生成；裝片前要用壓縮氣體吹凈模具表面的石墨粉塵，這是由于石墨粉末的比表面積大，在高溫時更易和熔封氣氛中的氧氣反應(yīng)，生成CO或CO2，且石墨粉塵容易粘附在推動球表面，降低推動桿部件的電性能。

3結(jié)束語

對于超小型密封繼電器推動桿部件的燒結(jié)，要做好兩方面的工作：一方面要優(yōu)化、控制燒結(jié)工藝，包括熔封溫度，熔封時間和熔封氣氛。其中，熔封溫度和時間都可以較精確的控制，熔封氣氛則不易精確控制，尤其是不銹鋼盒中的微氣氛，與通入保護氣氛不同，它可以是氧化氣氛，也可以是還原氣氛，也有可能從氧化轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原氣氛，這種微氣氛對玻璃熔體表面氣泡的排除有較大的影響，也是燒結(jié)工藝中容易忽視的環(huán)節(jié)。如何控制好燒結(jié)氣氛是燒結(jié)工藝中急待解決的問題。另一方面，要加強工藝管理。只有加強推動桿部件制備的各個工序的管理控制，如提高玻坯密度，金屬引線的凈化，氧化膜厚度的控制，燒結(jié)模的優(yōu)化設(shè)計，燒結(jié)工藝的優(yōu)化控制等，才能從根本上減少歪頭、平頭和氣泡缺陷。

參考文獻：

[1]王以康，4J29合金簡介[J]，上海鋼研，1982(S1): 2-23.

[2]章群仁，林堅，劉正國，密封繼電器推動桿部分制造工藝探討[J]，機電元件，1998,18(2)：35-39.

[3]劉燕，張斌，蒙高安等，微型繼電器推動桿部件的工藝研究[J],機電元件，2012,32(4): 27-29+46.

[4]同紅蓮，韓林，玻璃絕緣子氣泡的預(yù)防和控制[J]，機電元件，2012,22(3):39-42.

[5]Luo D W, Shen Z S, Wetting and spreading behavior of borosilicate glass on Kovar[J], J Alloys Compd, 2009,477(1):407-413.

[6]潘金龍，玻璃工藝學(xué)[M]，北京：中國輕工業(yè)出版社，1995:77.

收稿日期：2014-12-07

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.01.007

中圖分類號：TN784

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6133(2015)01-0029-04

Discuss the Main Defects of the Sintered Push Rod Parts of
Ultra-miniature Sealed Relay

WANG Yong, LI Ya-tao

(Guizhou Space Appliance Co., Ltd., Guiyang Guizhou 550009)

Abstract：After sintering, the main defects of the ultra-small sealed relay push rod parts incurred includes wryneck, flat head and bubble, the existence of these defects reduces the electrical and mechanical properties of glass insulator. How to control and reduce those defects is an important research topic of the push rod parts sintering. In this paper, the defects on the push rod parts after sintering are discussed in detail from the density of glass, the pre-oxidation of Kovar, the wetting between glass insulator and sintering mould, etc.

Keywords：sealed relay, push rod parts, wryneck; flat head; bubble