不锈钢-陶瓷封接技术

从原则上说应该避免热膨胀系数相差较大的材 料相组合， 但有时从产品需要出发， 不得不用非匹配 组合， 例如不锈钢与陶瓷封接， 此时应采取尽量减小 残余应力的方法， 即 ! 把金属变薄、 变细、 端部加工 成刀刃状； 使用塑性变形好， 杨氏模量低的软金 " 属； 过渡封接 （在陶瓷和金属间夹入热膨胀系数介 # 于两者之间的单层或复合层材料； $采用平衡方法。 此处指陶瓷 金属 陶瓷， 即金属两侧都放陶瓷的封 ! ! 接方法， 使残余应力两面平衡， 以减小单个侧面的残 余应力； %尽可能选择压应力的封接组合； &在保证 耐热性的前提下， 尽可能的降低焊接温度。 以上$项单独使用或复合使用均有效。 由于不锈钢具有许多突出的优点， 高新科技领 域的不少场合均要求它与非氧化物陶瓷封接， 加之 材料价格适中， 因而， 当前应用不锈钢 陶瓷封接的 !
图’ ! * + *型不锈钢管与陶瓷的真空 电子束焊接结构件
作者曾对某外国公司海洋中应用的特种封接组 件进行了解剖分析， 其结构也是套封， 主体金属是 （ ） 主体陶瓷为 , + & $ + . /不锈钢 ! * 0 1 + * 0 2 + 1 3 0 ’ 4 5 6， 见图: 。 7 8 9 $ , 瓷， ) % 和#
（最大值） # （最大值） , # . （最大值） （最大值） 2 , . # 0 （最大值） $ 0 # 0 0 , # 0 0 0 # / 0 （最大值） / ; # 5 , # 0 0 # # , , （最大值） . （最大值） 5 # % , # 0 % # # , % # # , % # # . （最大值） , # 0 （最大值） , # 0 （最大值） , , % （最大值） , # . （最大值） . （最大值） . （最大值） . （最大值） .
［ ］ " 为： 者膨胀系数最合适的范围
属的组合， 如表 " 所示， 这是日本目前较实用的组 合。
表3 各种陶瓷及其结合金属
陶瓷 氧化铝瓷 氧化铍瓷 氧化镁瓷 氧化锆瓷 镁橄榄石瓷 滑石瓷 尖晶石瓷 莫来石瓷 接合金属 可伐， ， ， ， 0 > / . / ? @ ! 7 3 A0 ! $ AB C合金 可伐， ， 0 > / ? @ ! 7 3 A0 ! $ AB C合金 可伐， ， ， 0 > / . / / 可伐， ， ， 0 > / . / ， ， 0 > / . / -可伐 ， 9 ) D
陶瓷封接结构 " 典型的几种不锈钢 * ［ ，］ % " $ ! 过渡金属封接法 & 即在不锈钢 陶瓷中间加入弹性模量低、 膨胀系 * 数介于两者之间的薄金属片或环。见图# 、 图. 。 " $ "
［ ］ ’ 夹封结构
度为# 外径为# 内径为;? 两管中间 0? ?， ,? ?， ?， 为动配合， 陶瓷管两端各留有 , $## ,? ? 的间 隙， 以防止焊接加热时产生应力。采用真空电子束焊 方法焊接# 接头为搭接焊缝。 % * %型不锈钢管与陶瓷管， 首先是对焊件表面进行清理， 采取酸洗法除油 脂及污垢。之后对焊件进 行 焊 前 预 热， 以; ,#0 , ／ 并保温一段时间， 一 3 ? ’ :的速度预热到# . , ,3， 般为; ， 以便使陶瓷件预热均匀。焊接时加 # 0? ’ : 热要均匀。焊完一道焊缝之后， 焊第二道焊缝时， 又 要重新预热到 # . , ,3。之后焊第二道焊缝。接头 焊完之后， 以. ／ , # . 03 ? ’ :的冷却速度随炉冷却， 不可过快。当冷却到$ 在空气中冷却。 , ,3可出炉， 这种工艺规范如表;所示。
##########$
. , , .年 ! " & B C 0
万方数据
##########$
$
真空电子技术
技
术
交
流
! " # $ $ %& ’ & # ( ) * + , # -
图% 夹封结构示意图 图! （ ） 采用中间金属法进行 # " $ & % ’ 瓷与 ） 高强度封接件 不锈钢的封接， （ (
万方数据
""""""""""#
#
真空电子技术
高陇桥： 不锈钢2陶瓷封接技术
! " # $ $ %& ’ & # ( ) * + , # -
需求与日俱增。这样， 了解和制造不锈钢材料封接 件已成当务之急， 尽管封接难度较大 （特别是结构设 计） ， 进展也较缓慢。 !
［ ］ " ! # 常用封接不锈钢的分类和特点
非匹配封接应力的方法及结构。特别提出刀口封接在国内外已有应用， 并有足够的强度， 如能用于真空开关管， 必将进一步 降低成本。
关键词： 不锈钢 陶瓷封接； 刀口封接； 陶瓷管壳 !
中图分类号： / 0 1 2 $ 文献标识码： & 文章编号： （ ） " # # 3 ! 4 5 6 2 3 # # 3 # 2 ! # # 7 # ! # 2
蚀性能分类可分为抗点蚀不锈钢、 抗应力腐蚀不锈 钢、 抗磨蚀不锈钢等； 按功能特点分有无磁不锈钢、 易切削不锈钢、 高强度不锈钢、 低温和超低温不锈 钢、 超塑性不锈钢等。目前， 我国常用的封接不锈钢 主要是! （含 # ， ， ， 面心 # % * %型 % +! " % +& ’ , # +!） 立方， 奥氏体， 无磁性。加热冷却时无相变， 不能热 处理硬化， 塑性好， 易于成型， 加工硬化能力强， 低温 韧性好， 可焊性好。 " # ! " # % & ’ ( ) ’也是奥氏体不锈 钢， 无磁性， 加入 ) ’后使钢具有较高的抗晶间腐蚀 性能。化学组成分为 !!, ： # . +， ! " # / + ## ( +， ： ： （!+ 2, & ’ % + ## # +， ) ’ 01 , . +） #, % +， 2 5。 ! # 5 5 1 # , . , # , ,3 4 #
# 62!!: 6! ; !" < 1 式中!: 为金属的热膨胀系数 （ ／=） ； " # ! ;为陶瓷
< 1 的热膨胀系数 （ ／ 。 " # =）
由上式出发考虑的热膨胀相对较适合陶瓷与金
收稿日期： 3 # # 3 ! # 5 ! # $
#
""""""""""#
3 # # 3年 ! " 0 ) E 2
陶瓷 金属封接是电子工业， 特别是真空电子器 ! 件的关键技术之一。它既是一门工艺性和实用性都 很强的基础技术， 又是一门跨学科的复杂技术。 做为金属 陶瓷封接件， 依其不同的用途， 有着 ! 不同的要求。一般来说， 陶瓷封接件应具备如下的 特性和条件： ! 封接强度满足使用要求； " 真空气 密； #残余应力小； $ 满足使用环境的要求； % 封接 价格低廉； 工艺简单易行， 重复性好； &厚度适当， ’ 显微结构中各界面清晰、 层次分明、 完整、 无相互交 换渗透。 对陶 瓷 金 属 封 接 件 做 破 坏 性 实 验， 例如做 ! 正常情况是： 其断裂面一般 & 8 /9 抗拉强度实验， 金属封接的各个界面， 而应是由于残 不发生于陶瓷 ! 余应力的影响发生在陶瓷 金属界面附近的陶瓷部 ! 分。所以在选择被封接的金属材料及封接结构时， 必须选择对陶瓷不产生拉应力的材料和结构。 日本陶瓷 金属封接专家高盐治男通过许多实 ! 验， 根据封接温度的不同， 提出金属、 陶瓷封接时二
退过火的片材和带材"
不锈钢种类繁多， 按在室温下的金相组织划分， 有马氏体型、 奥氏体型、 铁素体型和双相型不锈钢 等。按化学成分划分， 基本上可分为铬不锈钢和铬 镍不锈钢两大系统， 分别以 ! " # $和 ! " # % & ’ % 为代 表， 其它不锈钢也都是在这两种钢的基础上发展起 来的， 例如 # 。按用途分类， ! " # % & ’ (和# ! " # % & ’ ( ) ’ 则包括按使用介质环境划分的耐硝酸不锈钢、 耐硫 酸不锈钢以及尿素不锈钢和耐海水不锈钢等； 按腐
= # / # # ( # , # # $ % 0 , , , $ % , , , 0 , $ , 0 . . 注： ） 磅 ／ 英寸 ／ ## 4 , 5 (& > ? " 退过火的棍材和板材。 = 为作者加入的。 == 因而不应当用在真空管中； 被罗列的所有其他钢材有最大的硫含量为, $ , $型含有最小量为, # 0 +的硫， , $ +。
真空电子技术
技
术
交
流
! " # $ $ %& ’ & # ( ) * + , # -
不锈钢 陶瓷封接技术 !
高陇桥
（北京真4; $
! " #$ % & ’ ( ) # * * $ % # # ) + % , + # . & / ’ 0$ # & )! # 0 " ( , ) , 1 2
表" 美国一些典型的不锈钢组成和性能
组 别 6 7 8 7 型编号 ; # , 可以 变 硬 的 铬 钢 ; . , （马 氏 体 的 和 磁 性 ; ; , 6 体的） ; ; , < ; ; , ! 不可能变硬的铬钢 （铁 素 体 的 和 磁 性 体的） ; , 0 ; $ , ; ; 5 . , # 不可 能 变 硬 的 铬 * $ , # 镍 和 铬 镍 锰 钢 * * $ , . （奥 氏 体 的 和 非 磁 == $ , $ 性体的） $ , ; . , . ! " # # 0 # # $ 0 # . # # ; # 5 # # % # 5 # # % # 5 # # % # # 0 # # ; 0 # ; # # % # $ / . $ # 5 # # % # # ( # / # 5 # # % # / # # ( # / # # ( # % # . , & ’ 2 2 2 2 2 2 2 ! （最大值） , # 0 超过, # 0 , 5 , # , / 0 , / 0 # , ( 0 , ( 0 # # . , （最大值） , , % 9 : （最大值） # （最大值） # （最大值） # （最大值） # （最大值） # （最大值） # 抗张强度 屈服强度 延伸率 洛氏硬度 ／ 磅英寸2. ／ 磅英寸2.） ／ .英寸的+ 5 0 , , , " ( 0 , , , " # , 0 , , , " # , / , , , " # # , , , , 5 0 , , , / 0 , , , % , , , , # # 0 , , , # , 0 , , , # # , , , , ( , , , , " ( , , , , % 0 , , , $ 0 , , , 0 , , , , 5 , , , , 5 . , , , 5 0 , , , ; , , , , ; 0 , , , 0 , , , , 0 0 , , , 0 0 , , , ; , , , , ; , , , , $ 0 , , , $ 0 , , , . 0 . 0 . , # % # ; . 0 . 0 . , 0 0 0 0 5 , 0 , 0 , 0 , < * % , < * ( . < * ( 0 < * ( 5 < * ( / < * / 0 < * % , < * % $ < * ( , < * ( , < * % 0 < * % 0 2 < * % , < * % ,