不锈钢玻封连接器密封失效分析及改进

2022-08-31弓雪原董红军党喜龙

机电元件 2022年4期

关键词：奥氏体壳体不锈钢

弓雪原，张凯，董红军，党喜龙

（郑州航天电子技术有限公司，河南郑州，450001）

1 引言

在生产中某型号的不锈钢封接电连接器在经过-65℃～+200℃的温度冲击后，出现漏率上升的问题。针对此问题，分析了温冲后漏率上升的原因，找到了提高封接组件温冲后漏率的工艺方法，提高了产品的可靠性。

2 不锈钢密封连接器漏率失效原因分析

2.1 不锈钢压缩封接机理

不锈钢由于具有良好的机械性能、高耐磨性、较强的抗腐蚀能力等优点，广泛用于军工产品零件的加工。在高密封连接器生产过程中常选择不锈钢材料做为壳体进行封接，不锈钢壳体玻璃封接组件是由奥氏体不锈钢壳体、玻璃坯、铁镍合金插针在氮气保护下高温封接而成，不锈钢壳体玻璃封接组件属于压缩封接［1～2］。

玻璃具有抗压而不抗拉的材料特性，一般情况下，玻璃的抗压强度为抗张强度的10～20倍。压缩封接利用玻璃抗压强度显著高于抗张强度的材料特性实现玻璃与金属的封接，即外层金属的线膨胀系数大于玻璃和内层金属，而玻璃与内层金属的线膨胀系数相当，在高温封接后随温度的下降，尤其在退火温度降至室温阶段，使玻璃承受来自外部壳体的压应力，由于玻璃与金属的封接面受到压应力，充分发挥了玻璃抗压强度高的特点，冷却至室温后可实现玻璃与金属的高强度、高气密封性封接［3］。

在进行玻璃-金属的封接时，玻璃的化学键是离子-共价混合型化学键，而金属材料是以金属键为主的物质，与玻璃之间的化学键键性相差很远，因此彼此之间很难形成牢固气密封接。如果要实现玻璃-金属的气密封接，就需要对金属预氧化，即在金属表面生成以低价氧化物为主的过渡层，作为玻璃和金属之间结合的桥梁。因为金属的低价氧化物从化学键类型角度来看，它接近于金属，因此能与金属牢固地结合；而靠近外层的高价氧化物的化学键键性与玻璃类似，故能与玻璃牢固地结合。由此可见，氧化物过渡层对于玻璃-金属封接是至关重要的。

奥氏体不锈钢是以Fe基为主，Cr、Ni及少量Ti、N等元素的合金，其高温条件下氧化物主要为Cr、Fe的氧化物，如Cr2O3、FeO、Fe4O3、Fe2O3等，其中低价的氧化物如Cr2O3、FeO等更易于玻璃浸润结合，即壳体表面低价氧化物生成状态直接影响不锈钢壳体与玻璃的浸润效果［4～5］。

压缩封接的线膨胀系数需满足：不锈钢160～180，玻璃90～100，铁镍合金90～100（×10-7／℃），在此线膨胀系数范围内组合可以实现压缩封接。本文中所用到的壳体材料为1Cr18Ni9Ti，膨胀系数为170（×10-7／℃），玻璃的膨胀系数为89（×10-7／℃），插针为4J50，线膨胀系数为92～100（×10-7／℃），满足压缩封接的要求。

2.2 封接过程应力分布

在金属与玻璃封接时，由于封接温度高，玻璃尚处于粘滞流动状态，它可以通过自身的塑形变形来消除应力，这时不会产生应力。但在封接结束冷却时，在Tg以下，玻璃开始失去粘滞流动性，到退火下限温度Ts时玻璃完全失去塑性变形能力，开始产生应力。应力情况视玻璃和金属两种材料的热膨胀系数的不同及封接形式不同而异。

不锈钢与玻璃封接属于压缩封接，压缩封接利用玻璃抗压强度显著高于抗张强度的材料特性实现玻璃与金属的封接，即外层金属的线膨胀系数大于玻璃和内层金属，而玻璃与内层金属的线膨胀系数相当，在高温封接后随温度的下降，尤其在退火温度降至室温阶段，玻璃在轴向、径向、切向都将承受来自外部壳体的压应力，由于玻璃与金属的封接面受到压应力，充分发挥了玻璃抗压强度高的特点，冷却至室温后可实现玻璃与金属的高强度、高气密封性封接，应力状态如图1所示。

图1 不锈钢封接应力分布示意图

2.3 温冲过程应力分布

不锈钢封接件在经过多个-65℃～+200℃的温度冲击试验时受到的应力分析为：

（1）高温时，不锈钢壳体的膨胀大于玻璃，两者间的压应力减小；

（2）低温时，不锈钢壳体的收缩大于玻璃，两者间的压应力增大；

（3）随着温度冲击的进行，不锈钢壳体与玻璃结合界面的压应力时大时小，经过多次温度循环，不锈钢壳体与玻璃结合部位的应力不断发生变化，同时如果不锈钢壳体发生组织转变，将会产生相变应力，导致不锈钢封接件耐温度冲击能力下降［6～7］。

2.4 金相组织分析

2.4.1 壳体材料温冲后金相组织分析

某型号的不锈钢密封连接器在封接后，检测氦质谱漏率不大于1×10-9Pa·m3／s，满足技术指标要求，在后续经历-65℃～+200℃的温度冲击后，检漏发现漏率升高到10-6Pa·m3／s，漏率不合格。

采用线切割将温冲后两种型号的连接器沿轴向切开，然后用酚醛树脂冷镶嵌制样，磨抛后首先用体式显微镜观察玻璃，发现玻璃中存在贯穿裂纹，如图2（a）所示。然后将试样采用王水（盐酸：硝酸＝3：1）腐蚀15～30s，在ZISS光学显微镜下观察壳体材料的金相组织，壳体材料金相组织如图2中（b）、（c）、（d）所示。

图2 不锈钢玻璃封接连接器温冲后玻璃和壳体图片

1Cr18Ni9Ti室温下的金相组织为奥氏体组织，但由图1可以看出，壳体材料在经历-65℃～+200℃的温度冲击后，金相组织不完全是奥氏体，存在层片状的组织，金相组织发生了变化。对壳体不同组织处进行显微硬度测试，显微镜硬度值如表1所示，不同组织处的压痕如图3所示。

图3 不同组织显微硬度压痕

表1 温冲后壳体中不同组织处显微硬度（HV0.2）

通过显微硬度测试，可以得出显微硬度值低处为奥氏体组织，显微硬度值高处不是奥氏体组织。

通过金相组织对比分析及显微硬度测试，可以得出壳体材料在温冲过程中发生了组织转变，导致壳体材料的膨胀系数发生了突变，使得玻璃受到相变应力，造成温冲后漏率不合格。

2.4.2 壳体原材料金相组织分析

对于温冲后不合格的连接器壳体所用1Cr18Ni9Ti原材料进行了金相组织分析，发现原材料纵截面的组织成带状分布，金相组织不是完全奥氏体组织，并含有铁素体和方形的氮化钛夹杂，如图4所示。

1Cr18Ni9Ti在热轧空冷和高温加热后缓冷的条件下，将会出现铁素体组织，一般呈条状沿纵向变形方向分布，如图4（c）所示，经查询该批材料的交货状态为热轧退火态。

图4 壳体原材料1Cr18Ni9Ti金相组织

1Cr18Ni9Ti为奥氏体不锈钢，室温下保持稳定的奥氏体组织，由于元素分布不均匀，造成该批1Cr18Ni9Ti原材料纵截面金相组织成带状分布，如图4（a）、（b）、（c）所示，在后续的-65℃～+200℃的温度冲击过程中，金相组织发生了转变，使得温冲后漏率不合格。

3 改进措施

为消除1Cr18Ni9Ti中的铁素体组织及元素分布不均匀带来的影响，获取单一的奥氏体组织，需要对壳体材料进行固溶处理。为减少固溶处理时材料氧化皮厚度，采用真空淬火炉进行固溶处理。固溶处理的加热曲线如图6所示。

图6 真空固溶处理加热曲线

固溶处理后，壳体材料的金相组织如图7所示。金相组织为奥氏体组织，晶粒呈细小的等轴晶，靠近壳体边部的晶粒较大。由于该批1Cr18Ni9Ti原材料为热轧退火态，原材料在热轧时各段的轧制温度和冷却速度不一样，造成组织结构不一致，成分不均匀。固溶处理加热保温过程中，材料在高温下原子活动加剧，σ相溶解，化学成分趋于均匀，快速冷却后就获得均匀的奥氏体单相组织。

图7 壳体固溶处理后金相组织

固溶处理后的壳体外观存在一层很薄的氧化皮，通过热酸洗和振动饰光，去除壳体外面一层很薄的氧化皮，然后按照图8所示工艺流程进行封接。

图8 玻璃封接工艺流程图

封接完成后，对封接件进行检漏，漏率为1.8×10-10Pa·m3／s，满足漏率不大于1×10-9Pa·m3／s的要求，再经过-65℃～+200℃的温度冲击后，封接件的漏率为2.0×10-10Pa·m3／s，漏率合格。将温冲后的封接件纵向抛开，通过磨抛，王水腐蚀，观察封接组件温冲后壳体材料的金相组织，如图9所示。壳体在经过温度冲击后保持稳定的奥氏体组织。