封接合金

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封接合金又称定膨胀合金或可伐合金。在-70至500℃温度范围内,具有比较恒定的较低或中等程度膨胀系数的合金。它与玻璃或陶瓷等被封接材料的膨胀系数相接近,从而达到匹配封接的效果。主要类型有铁镍、铁镍钴、铁镍铬系合金。还有无氧铜、钨、钼及其合金和复合材料。主要用于电子工业及电真空工业作封接材料。 [1] 
中文名
封接合金
外文名
sealing alloy
别    称
膨胀合金、可伐合金
温度范围
-70至500℃
主要类型
铁镍、铁镍钴、铁镍铬系合金
应用行业
电子工业及电真空工业

封接合金发展历程

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19世纪初,已开始用铂作为封接材料与软玻璃封接。1879年,爱迪生(T.Edison)发明的白炽灯泡以及早期的电子管和X射线管通过玻璃的引出线都用铂丝。在 1896年法国吉尧姆 (C.E.Guillaume)制成因瓦(Invar)合金(36Ni-Fe)以后,又派生出了代替铂的46Ni-Fe封接合金,这是最早的封接合金。后来进一步改进这种合金,在表面覆一层薄铜,这种覆铜的42Ni-Fe丝(俗称杜美丝,Dumet Wire)用作非匹配软玻璃封接引出线一直使用到70年代。随着电真空技术的发展,出现了熔点高、热稳定性好、热膨胀系数更低的硬玻璃。初期采用钼或钨与硬玻璃封接。20世纪30年代出现了与硬玻璃封接的称为可伐 (Kovar)的Fe-Ni-Co合金;此外,还出现了与软玻璃封接的Fe-Ni-Cr系、Fe-Cr系、Fe-Ni-Cu系等封接合金。
第二次世界大战后,随着超高频、大功率电真空器件的发展,出现了与氧化铝、氧化铍等陶瓷封接的合金。对膨胀合金提出兼具高导热、高导电、无磁性等物理性能的要求。为此采用了复合膨胀合金(如覆铜的可伐合金带材和丝材)、含难熔金属的封接合金 (如Ni-Mo、Ni-Mo-W系等),但用量都不大。
在一定的温度范围内,金属与玻璃的热膨胀系数相一致的封接称为匹配封接。两者的热膨胀系数相差较大的封接称为非匹配封接。一般采用匹配封接,以保证密封质量。附表列出了一些常用封接合金的牌号、成分、平均热膨胀系数和用途。图2和3分别示出合金、玻璃和陶瓷的膨胀曲线。

封接合金作用原理

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金属与玻璃封接是靠金属表面所形成的一层致密的氧化膜与加热后的玻璃通过扩散熔融而完成结合的。金属与陶瓷不能直接熔融粘合,而是在陶瓷封接面金属化后用焊料来连接。在封接和使用的整个过程中,封接合金不应发生能引起膨胀特性有明显变化的相变。封接合金的熔点需高于玻璃熔封和陶瓷封焊的温度,应能与无氧铜等金属钎焊或熔焊,并具有良好的加工性,以便制成丝材、带材、管材和冲压成各种形状的复杂零件

封接合金特点性能要求

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封接合金的特点为:
1)制造电子管各工艺温度范围内和管子使用温度范围内,合金的热膨胀特性都应与玻璃或陶瓷相匹配。
2)在使用温度范围内,合金组织不得发生变化;
3)合金表面应容易形成牢固而致密的氧化膜;
4)合金的熔点应高于玻璃的封接温度;
5)合金的封接、焊接、电镀和机械加工等工艺性能良好;
6)不纯物质(挥发物)、夹杂物、气体含量应尽量少;
7)塑性良好,能经受冷、热变形,容易制成各种形状的零件。
在这些性能要求中,最重要的是与玻璃或陶瓷接近的热膨胀特性和对玻璃有良好的浸润性。这两个性质总称为合金的可封接性。 [2] 

封接合金常见类型

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玻璃封接用铬铁合金
和玻璃封接用的铬铁合金是含铬28%的铬铁合金,又称做高铬钢或28号膨胀合金。合金中由于加入了铬,使膨胀系数降低,因此可与软玻璃进行匹配封接。含铬量高的铬铁合金,一般在室温至熔点温度的全部范围内将是铁氧体的状态,所以也称做铁氧体的铬铁合金。这种合金在封接前需在湿氢中加热到950℃,使表面形成灰绿色的、薄而致密的CrO3及Fe2O3的氧化层,这种氧化层能很好地溶入玻璃并形成草绿色或褐绿色的封接面。这种合金的特点是,由于含铬量大于28%,因而其相变点特别高。一般显像管的第二阳极引线帽及彩色显像管中屏上固定荫罩框架的锥头。圆扫描示波管的偏转电极针等,以及盘形芯柱的管针,均是由高铬钢制的。过去当显像管玻璃锥体的压制工艺未解决时,曾用高铬钢作成金属锥体,再和玻璃屏进行封接,这在一些老式显像管中还可看到。然而必须注意,当加热到800-1200℃以上时,将产生奥斯丁体铁,这种奥斯丁体的膨胀系数要比铁氧体的铬铁合金大得多,并且在较低温度时,仍能稳定地保存在合金中,在这种情况下,将使膨胀系数改变,因而就会出现膨胀系数特性曲线不正常的危险,而使材料不适合和玻璃封接。因此,铁氧体的铬铁合金无论是在冶炼生产中或是在使用中,对于奥斯丁体的出现,必须给予很大的注意。
铬铁合金没有氧化的危险,所产生的绿到鼠灰色的氧化铬及氧化铁表面层,是非常牢固地附着在合金丝上,并且在封接过程中还可防止进一步的氧化。 [3] 
铁镍钴玻璃封接合金
这种合金属于精密合金,又称可伐。它是铁、镍、钴的合金,一般含镍29%,钴18%,其余是铁。其膨胀系数由于钴的加入而降低,与钼及硬玻璃相近,适合于和硬玻璃作匹配封接。封接时表面生成有氧化钻的氧化层,而氧化钴极易溶于玻璃中而形成鼠灰色的封接面。当氧气不足时,由于氧化层几乎全部溶入玻璃而使封接面呈金属本身的银白色,虽不漏气,但强度很差。氧化过度时,则因氧化层太厚而呈深灰色甚至黑色,易造成漏气。
可伐的优点是其膨胀系数随温度变化的曲线与钼组玻璃的膨胀曲线几乎重合,因此与钼组玻璃封接时,其可靠性更高,这就使封接后的退火工艺较为简单。可伐的缺点是在变形加工时,它的结晶结构易于转变(奥斯丁体转变成马丁体)而使性能变化,如电阻率增加。因此,可伐零件在进行这类加工后,必须进行退火处理。在封接前,可伐零件须在1000℃左右湿氢中的退火,既可消除应力,还可使表面脱碳,这就使可伐不致在今后封接加热时,由于表面碳的氧化使封接处出现气泡而降低了封接处的强度和造成慢性漏气。另外,因可伐的电阻率高,如用作引线时,若考虑到过热所引起的炸裂问题,一般要在可伐表面上镀上一层高导电率的材料,如金、银、铜.或做成大面积接触。可伐的成分比例很重要,否则将影响封接面的应力。 [3] 
在电真空器件中,铁镍钻封接合金广泛地用来制造引出环、引出线和管壳等零件。
铁镍钴陶瓷封接合金
这种合金属于精密合金,也是铁、镍、钴的合金,又称为陶瓷可伐。在-60-600℃时它的膨胀系数与95%氧化铝陶瓷相近,常用来和陶瓷作匹配封接。在金属陶瓷发射管、行波管、速调管等器件和真空电容器中,铁镍钻陶瓷封接合金广泛地用来制作引出线、引出环、管壳等零件。 [3] 
参考资料
  • 1.    李学文编. 中国袖珍百科全书[M]. 长城出版社, 2001.
  • 2.    中国机械工程学会. 中国材料工程大典[J]. 机械设计与制造, 2006, 16(10):177-177.
  • 3.    本书编写组. 电子工业技术词典.电子管[M]. 国防工业出版社, 1977.
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