密封繼電器推動球陶瓷封接技術應用

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

密封繼電器內部的觸點切換是通過推動球快速推動簧片來實現的,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變為球體[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,從而實現觸點間的切換。然而每一次的推動,都會使推動球和簧片發生摩擦,從而產生磨損的隱患。推動球磨損表現出隨機性,磨損程度各不相同,且推動球磨損問題一直存在。經過大量的試驗驗證表明,推動球的磨損并非是推動球燒結過程不穩定導致,磨損主要與玻璃球本身耐磨性、強度、產品組裝結構特點、簧片厚度及質量等息息相關,是一個綜合復雜的系統性問題[2]。

根據前期大量的分析、驗證,從推動球的燒結、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

通過改變現有燒結、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的絕緣性能,同時強度和耐磨性都優于玻璃材料,因此研究陶瓷推動球的燒結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 陶瓷推動球封接結構示意圖

首先,設計兩種結構的陶瓷球,分別為通孔陶瓷球和盲孔陶瓷球結構。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構作為封接用陶瓷球。

對于封接陶瓷材料主要要求為:1)在使用溫度范圍內不發生相變,性能穩定;2)在高溫下,不與氮氣或氧氣化學反應;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。通過對比發現,氧化鋁陶瓷表面粗糙度不滿足要求,且分模線較明顯,經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,試驗后簧片狀態良好,最終選用氧化鋯陶瓷作為封接用陶瓷球。陶瓷球結構示意圖如圖3所示。選用氧化鋯陶瓷球中Y2O3含量要適當,如Y2O3含量較低時,陶瓷中單斜相含量較高,升溫過程會發生單斜相向四方相的轉變,導致陶瓷體積收縮,而在冷卻過程又會析出單斜相,使陶瓷體積膨脹,陶瓷球在整個燒結過程中因發生了體積變化而易出現開裂現象,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 陶瓷球結構示意圖

玻璃珠選用與4J29膨脹系數相當的牌號,以保證封接過程中的可靠性。由于受零件本身結構限制,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合力和同軸度,設計了如圖4和圖5所示的燒結模具,燒結模具采用石墨加工而成。圖4所示的定位模具設計為沉孔結構,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,以網絡外體的形式存在,Zr4+電價高,對玻璃網絡起集聚作用,降低玻璃的膨脹系數,增大玻璃的粘度和析晶傾向;2)氧化鋯的膨脹系數比玻璃大,對玻璃產生壓應力,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差產生的封接壓應力,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鍵結合;陶瓷與玻璃的膨脹系數差異,產生機械壓應力,彌補了局部膨脹系數不匹配不能長期高可靠使用的缺陷。

3 試驗驗證結果

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

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,通過以上結果分析認為陶瓷推動球能滿足產品耐磨損的質量要求,可有效解決玻璃球磨損的問題。

4 總結

推動球作為繼電器產品的關鍵零件之一,起到繼電器的開關作用,推動球磨損容易導致觸點不通,使整機產品出現功能性的故障。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下的磨損,因此應用陶瓷推動球具有重要的意義。