管壳产品工艺改进和性能优化

管壳产品工艺改进和性能优化

赵青龙

泰州市航宇电器有限公司，江苏 泰州 225300

摘要： 玻璃封接领域中最成熟的是以4J29为外壳的匹配封接，但是由于价格及导热因素，以低碳钢为主的压缩封接工艺越来越受关注。文中通过对玻璃烧结过程中应力的计算来说明管壳产品中各部件搭配的合理及可行性。通过采取模具结构设计、玻璃用量、孔口设计、预镀镍层来解决玻璃开裂及易腐蚀的问题。

关键词：压缩封接 抗压强度

1 引言

玻璃烧结产品一般采用以可伐合金为外壳的匹配烧结接为主，但由于可伐合金的导热性和导电性差且价格较为昂贵，现在运用的已越来越少，即将取代的是低碳钢材料，它的导热性和导电性是可伐合金的4倍左右，可加工性好，具有良好的抗拉强度，且价格低廉。但它的膨胀系数较大，烧结后易存在玻珠开裂问题。

2. 低碳钢封接可行性分析

2.1 低碳钢封接的内部应力计算

金属管壳的结构多种多样，但都可以划分成最小的基本封接结构单元，如图1所示，现以基本的封接结构单元来对以低碳钢为外壳材料的封接应力进行分析并做大概的计算。

为 了减小应力，尽量选取与金属、玻璃、引线三者膨胀系数接近的材料。20~500℃温度下，低碳钢的膨胀系数为α1=12.5×10-6/℃,玻璃（ELAN13#）的膨胀系数为α2=9.1×10-6/℃,引线（4J50）的膨胀系数α3=9.0×10-6/℃。当降温从转变温度进行到室温过程时，玻璃已凝固，三者膨胀系数不一致，α1>α2>α3,收缩时产生永久热应力，使玻璃与外壳接触一侧和与引线接触侧受到压应力，玻璃的膨胀系数与引线的膨胀系数比较接近，所以引线与玻璃间应力可忽略不计，现只考虑外壳对玻璃的压力，对其径向压力进行计算。其受力形变关系如图2所示。

玻璃不受金属约束时，因降温而产生的自由收缩量为

2δ2 =α2（Tg –T）2R1 ①

金属不受玻璃约束时因降温而产生的自由收缩量为

2δ1 =α1（Tg –T）2R1 ②

以上两式中δ2 和δ1 分别为玻璃和低碳钢的自由收缩量,α2和α1分别为玻璃的转变温度(660℃)，T为常温（25℃），R1为金属孔半径。由于金属与玻璃是刚性连接，最终收缩量均为2δ，玻璃实际被压缩量为2（δ—δ2 ）金属实际被压缩量为2（δ1 —δ），根据胡克定律得出：

2（δ—δ2）=2P2R1/E2S2 ③

2（δ1—δ）=2P1R2/E1S1 ④

式中，P2和P1分别为玻璃和低碳钢的径向温差压力，E2 和E1分别为玻璃和低碳钢的杨氏模量，R2为外金属半径，S2 和S1分别为玻璃和低碳钢的横截面积。

由于收缩量2δ<<2R1,可设S2≈S1=S,而P2=P1=P,由式③、④可得

(δ1—δ2)= PR1(R1 /E2 +R2/E1)/S ⑤

将式①②代入式⑤经整理后得

δ= P/S=(α1—α2)（ Tg —T）R1 / (R1 /E2 + R2/E1 ) ⑥

式中，δ为金属与玻璃间的径向温差压应力，取玻珠直径Φ1.5mm,金属外环直径Φ2mm，将各参数代人计算结果为δ≈92MPa.。

玻璃没有固定的特征强度，其强度受使用环境及表面裂纹等因素引响。玻璃抗压强度是抗拉强度的10~20倍左右，玻璃的抗拉强度范围为20~80MPa。近似计算玻璃受到的压力远远小于其抗压强度，玻璃不会因受92MPa的压应力而开裂，安全范围内的压应力还可以使玻璃与金属结合的更紧。因此，外壳为低碳钢材料的压力封接强度可以满足产品的使用要求。

3 玻璃开裂的原因及解决措施

3.1模具结构设计不当

有的产品的芯数很多，且间距较大，此时若模具为一个整体，在烧结后引线对模具的摩擦力会很大，且在它们的共同作用下，模具将很难拆卸，即使最终克服摩擦力把模具拆卸下来，玻珠也已经开裂。

因此，模具设计时除了采用尽可能与外壳膨胀系数较接近的材料，它的设计结构也很重要，通过多种结构的试验，最终确定，以边距定位，将引线跨距大于13的模具进行分体的设计原则可以解决因模具设计而导致玻璃开裂的问题。

3.2 玻璃用量

通过跟踪多批产品中玻珠开裂的现象，发现大多数都是玻珠高出金属基体表面的情况，如图3所示，经分析，是由于玻璃的用量较多，封接后部分玻璃凸出金属基体表面，孔内的玻璃在封接冷却时受金属约束，并受金属挤压力f,封接中却在自身表面张力作用下发生拉裂，如图3所示

图3

通过不同玻璃用量的试验，证明玻璃的用量应在封接后玻璃低于金属基体0.1~0.2mm为宜，这样既能保证玻璃的强度，又能避免玻璃凸出金属基体面。

3.3外壳的孔口设计

外壳的孔口一般会有0.1~0.2mm的倒角，主要目的是去毛刺，经试验后发现，封接好的产品在经过高低温循环之后，孔口倒角处的玻璃也会产生裂纹。

低碳钢的封接属于压缩封接，玻璃承受压应力，边缘玻璃薄，强度不高。而由于倒角处金属表面状态不连续，其应力在倒角处集中。在生产过程中，边缘玻璃受外力作用很容易产生微裂纹。在温度循环或温度冲击时，封接处将产生交变应力或冲击应力，微裂纹在应力作用下扩展而形成裂纹，易导致外壳漏气。

因此，应避免玻璃进入倒角处以减小边缘效应，玻璃孔应设计为不倒角形式。

4 抗腐蚀性分析及解决措施

低碳钢与可伐合金相比，因不含镍，耐蚀性较差，管壳的耐蚀薄弱点在孔口周边。因为在烧结过程中，玻璃熔化后会爬升，冷却时会收缩，孔口周边会沾上少量玻璃，电镀时孔口金属基体不能被镀层完全覆盖，因此在耐蚀性试验尤其是盐雾试验时发生失效。

由于低碳钢与玻璃的封接是压力封接，在常态下，金属材料与玻璃相互挤压而结合在一起，相互压紧，不再仅仅依靠基体金属的氧化层与玻璃结合而封接。因此，可先将金属基体镀镍，再进行扩散退火，使镍层与低碳钢表面合金化，形成结合力强的表面保护层，再进行封接，使整个表面得到保护，从而提高抗蚀性能。

5结束语

由于低碳钢的膨胀系数与玻璃及模具的膨胀系数不匹配，使得低碳钢的压力封接成为了一个工艺难题。但是通过理论计算表明，该种封接方式是可以进行的，而且我公司已在生产类似的产品，在通过对玻璃的用量、孔口、模具设计、外壳镀镍等方面入手，对工艺进行调整和设计，提高了封接质量，解决了封接开裂、漏气、及抗蚀性等问题。

参考文献：

[1] 马英仁 封接玻璃四—封接玻璃中的应力 玻璃与搪瓷21卷1期