不銹鋼玻封連接器密封失效分析及改進

弓雪原，張 凱，董紅軍，黨喜龍

（鄭州航天電子技術(shù)有限公司，河南鄭州，450001）

1 引言

在生產(chǎn)中某型號的不銹鋼封接電連接器在經(jīng)過-65℃～+200℃的溫度沖擊后，出現(xiàn)漏率上升的問題。針對此問題，分析了溫沖后漏率上升的原因，找到了提高封接組件溫沖后漏率的工藝方法，提高了產(chǎn)品的可靠性。

2 不銹鋼密封連接器漏率失效原因分析

2.1 不銹鋼壓縮封接機理

不銹鋼由于具有良好的機械性能、高耐磨性、較強的抗腐蝕能力等優(yōu)點，廣泛用于軍工產(chǎn)品零件的加工。在高密封連接器生產(chǎn)過程中常選擇不銹鋼材料做為殼體進行封接，不銹鋼殼體玻璃封接組件是由奧氏體不銹鋼殼體、玻璃坯、鐵鎳合金插針在氮氣保護下高溫封接而成，不銹鋼殼體玻璃封接組件屬于壓縮封接［1～2］。

玻璃具有抗壓而不抗拉的材料特性，一般情況下，玻璃的抗壓強度為抗張強度的10～20倍。壓縮封接利用玻璃抗壓強度顯著高于抗張強度的材料特性實現(xiàn)玻璃與金屬的封接，即外層金屬的線膨脹系數(shù)大于玻璃和內(nèi)層金屬，而玻璃與內(nèi)層金屬的線膨脹系數(shù)相當，在高溫封接后隨溫度的下降，尤其在退火溫度降至室溫階段，使玻璃承受來自外部殼體的壓應力，由于玻璃與金屬的封接面受到壓應力，充分發(fā)揮了玻璃抗壓強度高的特點，冷卻至室溫后可實現(xiàn)玻璃與金屬的高強度、高氣密封性封接［3］。

在進行玻璃-金屬的封接時，玻璃的化學鍵是離子-共價混合型化學鍵，而金屬材料是以金屬鍵為主的物質(zhì)，與玻璃之間的化學鍵鍵性相差很遠，因此彼此之間很難形成牢固氣密封接。如果要實現(xiàn)玻璃-金屬的氣密封接，就需要對金屬預氧化，即在金屬表面生成以低價氧化物為主的過渡層，作為玻璃和金屬之間結(jié)合的橋梁。因為金屬的低價氧化物從化學鍵類型角度來看，它接近于金屬，因此能與金屬牢固地結(jié)合；而靠近外層的高價氧化物的化學鍵鍵性與玻璃類似，故能與玻璃牢固地結(jié)合。由此可見，氧化物過渡層對于玻璃-金屬封接是至關(guān)重要的。

奧氏體不銹鋼是以Fe基為主，Cr、Ni及少量Ti、N等元素的合金，其高溫條件下氧化物主要為Cr、Fe的氧化物，如Cr2O3、FeO、Fe4O3、Fe2O3等，其中低價的氧化物如Cr2O3、FeO等更易于玻璃浸潤結(jié)合，即殼體表面低價氧化物生成狀態(tài)直接影響不銹鋼殼體與玻璃的浸潤效果［4～5］。

壓縮封接的線膨脹系數(shù)需滿足：不銹鋼160～180，玻璃90～100，鐵鎳合金90～100（×10-7／℃），在此線膨脹系數(shù)范圍內(nèi)組合可以實現(xiàn)壓縮封接。本文中所用到的殼體材料為1Cr18Ni9Ti，膨脹系數(shù)為170（×10-7／℃），玻璃的膨脹系數(shù)為89（×10-7／℃），插針為4J50，線膨脹系數(shù)為92～100（×10-7／℃），滿足壓縮封接的要求。

2.2 封接過程應力分布

在金屬與玻璃封接時，由于封接溫度高，玻璃尚處于粘滯流動狀態(tài)，它可以通過自身的塑形變形來消除應力，這時不會產(chǎn)生應力。但在封接結(jié)束冷卻時，在Tg以下，玻璃開始失去粘滯流動性，到退火下限溫度Ts時玻璃完全失去塑性變形能力，開始產(chǎn)生應力。應力情況視玻璃和金屬兩種材料的熱膨脹系數(shù)的不同及封接形式不同而異。

不銹鋼與玻璃封接屬于壓縮封接，壓縮封接利用玻璃抗壓強度顯著高于抗張強度的材料特性實現(xiàn)玻璃與金屬的封接，即外層金屬的線膨脹系數(shù)大于玻璃和內(nèi)層金屬，而玻璃與內(nèi)層金屬的線膨脹系數(shù)相當，在高溫封接后隨溫度的下降，尤其在退火溫度降至室溫階段，玻璃在軸向、徑向、切向都將承受來自外部殼體的壓應力，由于玻璃與金屬的封接面受到壓應力，充分發(fā)揮了玻璃抗壓強度高的特點，冷卻至室溫后可實現(xiàn)玻璃與金屬的高強度、高氣密封性封接，應力狀態(tài)如圖1所示。

圖1 不銹鋼封接應力分布示意圖

2.3 溫沖過程應力分布

不銹鋼封接件在經(jīng)過多個-65℃～+200℃的溫度沖擊試驗時受到的應力分析為：

（1）高溫時，不銹鋼殼體的膨脹大于玻璃，兩者間的壓應力減??；

（2）低溫時，不銹鋼殼體的收縮大于玻璃，兩者間的壓應力增大；

（3）隨著溫度沖擊的進行，不銹鋼殼體與玻璃結(jié)合界面的壓應力時大時小，經(jīng)過多次溫度循環(huán)，不銹鋼殼體與玻璃結(jié)合部位的應力不斷發(fā)生變化，同時如果不銹鋼殼體發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，將會產(chǎn)生相變應力，導致不銹鋼封接件耐溫度沖擊能力下降［6～7］。

2.4 金相組織分析

2.4.1 殼體材料溫沖后金相組織分析

某型號的不銹鋼密封連接器在封接后，檢測氦質(zhì)譜漏率不大于1×10-9Pa·m3／s，滿足技術(shù)指標要求，在后續(xù)經(jīng)歷-65℃～+200℃的溫度沖擊后，檢漏發(fā)現(xiàn)漏率升高到10-6Pa·m3／s，漏率不合格。

采用線切割將溫沖后兩種型號的連接器沿軸向切開，然后用酚醛樹脂冷鑲嵌制樣，磨拋后首先用體式顯微鏡觀察玻璃，發(fā)現(xiàn)玻璃中存在貫穿裂紋，如圖2（a）所示。然后將試樣采用王水（鹽酸：硝酸＝3：1）腐蝕15～30s，在ZISS光學顯微鏡下觀察殼體材料的金相組織，殼體材料金相組織如圖2中（b）、（c）、（d）所示。

圖2 不銹鋼玻璃封接連接器溫沖后玻璃和殼體圖片

1Cr18Ni9Ti室溫下的金相組織為奧氏體組織，但由圖1可以看出，殼體材料在經(jīng)歷-65℃～+200℃的溫度沖擊后，金相組織不完全是奧氏體，存在層片狀的組織，金相組織發(fā)生了變化。對殼體不同組織處進行顯微硬度測試，顯微鏡硬度值如表1所示，不同組織處的壓痕如圖3所示。

圖3 不同組織顯微硬度壓痕

表1 溫沖后殼體中不同組織處顯微硬度（HV0.2）

通過顯微硬度測試，可以得出顯微硬度值低處為奧氏體組織，顯微硬度值高處不是奧氏體組織。

通過金相組織對比分析及顯微硬度測試，可以得出殼體材料在溫沖過程中發(fā)生了組織轉(zhuǎn)變，導致殼體材料的膨脹系數(shù)發(fā)生了突變，使得玻璃受到相變應力，造成溫沖后漏率不合格。

2.4.2 殼體原材料金相組織分析

對于溫沖后不合格的連接器殼體所用1Cr18Ni9Ti原材料進行了金相組織分析，發(fā)現(xiàn)原材料縱截面的組織成帶狀分布，金相組織不是完全奧氏體組織，并含有鐵素體和方形的氮化鈦夾雜，如圖4所示。

1Cr18Ni9Ti在熱軋空冷和高溫加熱后緩冷的條件下，將會出現(xiàn)鐵素體組織，一般呈條狀沿縱向變形方向分布，如圖4（c）所示，經(jīng)查詢該批材料的交貨狀態(tài)為熱軋退火態(tài)。

圖4 殼體原材料1Cr18Ni9Ti金相組織

1Cr18Ni9Ti為奧氏體不銹鋼，室溫下保持穩(wěn)定的奧氏體組織，由于元素分布不均勻，造成該批1Cr18Ni9Ti原材料縱截面金相組織成帶狀分布，如圖4（a）、（b）、（c）所示，在后續(xù)的-65℃～+200℃的溫度沖擊過程中，金相組織發(fā)生了轉(zhuǎn)變，使得溫沖后漏率不合格。

3 改進措施

為消除1Cr18Ni9Ti中的鐵素體組織及元素分布不均勻帶來的影響，獲取單一的奧氏體組織，需要對殼體材料進行固溶處理。為減少固溶處理時材料氧化皮厚度，采用真空淬火爐進行固溶處理。固溶處理的加熱曲線如圖6所示。

圖6 真空固溶處理加熱曲線

固溶處理后，殼體材料的金相組織如圖7所示。金相組織為奧氏體組織，晶粒呈細小的等軸晶，靠近殼體邊部的晶粒較大。由于該批1Cr18Ni9Ti原材料為熱軋退火態(tài)，原材料在熱軋時各段的軋制溫度和冷卻速度不一樣，造成組織結(jié)構(gòu)不一致，成分不均勻。固溶處理加熱保溫過程中，材料在高溫下原子活動加劇，σ相溶解，化學成分趨于均勻，快速冷卻后就獲得均勻的奧氏體單相組織。

圖7 殼體固溶處理后金相組織

固溶處理后的殼體外觀存在一層很薄的氧化皮，通過熱酸洗和振動飾光，去除殼體外面一層很薄的氧化皮，然后按照圖8所示工藝流程進行封接。

圖8 玻璃封接工藝流程圖

封接完成后，對封接件進行檢漏，漏率為1.8×10-10Pa·m3／s，滿足漏率不大于1×10-9Pa·m3／s的要求，再經(jīng)過-65℃～+200℃的溫度沖擊后，封接件的漏率為2.0×10-10Pa·m3／s，漏率合格。將溫沖后的封接件縱向拋開，通過磨拋，王水腐蝕，觀察封接組件溫沖后殼體材料的金相組織，如圖9所示。殼體在經(jīng)過溫度沖擊后保持穩(wěn)定的奧氏體組織。

圖9 溫沖后殼體材料金相組織

4 結(jié)論

不銹鋼玻璃封接電連接器溫沖后漏率不合格，通過金相組織分析，可得出如下結(jié)論：

（1）不銹鋼玻璃封接電連接器殼體原材料1Cr18Ni9Ti的狀態(tài)為熱軋退火態(tài)，原材料存在成分不均勻的現(xiàn)象；

（2）不銹鋼玻璃封接電連接器在溫度沖擊過程中，殼體材料發(fā)生了組織轉(zhuǎn)變，金相組織不是完全的奧氏體組織，產(chǎn)生了相變應力，導致耐溫度沖擊能力下降，在玻璃內(nèi)部產(chǎn)生了貫穿裂紋，造成漏率上升。

通過對殼體材料進行固溶處理，使得殼體材料的化學成分趨于均勻一致，過剩相充分溶解到固溶體中，獲得單一的奧氏體組織，從而使不銹鋼玻璃封接電連接器在溫度沖擊過程中，殼體材料保持穩(wěn)定單一的奧氏體組織，不產(chǎn)生相變應力，使得連接器溫沖后漏率合格。