（光学工程专业论文）波纹管真空钎焊前镀膜工艺改革的研究.pdf

th7p ， 摘要 x 9 1 t o 波纹管真空钎焊前镀膜工艺改革的研究 专业：光学工程 硕士生签字： 指导教师签字： 摘要 ， 本课题来源于陕西宝光集团有限公司的生产实践，1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢波 纹管真空钎焊前镀膜工艺一般采用电镀、化学镀工艺，用物理气相沉积技术 在i c r l 8 n i 9 t i 不锈钢波纹管待钎部位沉积金属膜以改善不锈钢的真空钎焊性 能的研究在国内尚属首次，也未见国外有关文献报导。，x 、7 本文讨论了钎料的润湿作用和材料的钎焊性，提出可以在1 c r l 8 n i 9 t i 不 锈钢表面镀金属膜，以改善a g c u 2 8 钎料的润湿作用。本文用物理气相沉积 技术在i c r l 8 n i 9 t i 不锈钢材料上沉积了金属膜，研究了金属膜对1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢材料真空钎焊性能的影响。在此基础上，选用热蒸发镀膜技术在 1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢波纹管的待钎部位沉积了一层镍金属膜，研究了该金属膜 层对1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢波纹管真空钎焊后的真空气密性的影响；进而讨论了 1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢波纹管真空钎焊前用物理气相沉积技术替代陕西宝光集团 有限公司现行的电镀镍工艺的可行性。 研究结果表明：用热蒸发技术和电弧离子镀技术沉积t i 金属膜的 1 匹1 8 n i 9 t i 不锈钢试件的真空钎焊性能很差，不能满足对真空钎焊接头的抗 拉性能要求，沉积c u 金属膜和n i 金属膜的i c r l 8 n i 9 t i 不锈钢试件的真空钎 焊性能与电镀镍的真空钎焊性能相当，可以满足对真空钎焊接头的抗拉性能 要求。但是沉积c u 金属膜的1 c r l s n i 9 t i 不锈钢试件在真空钎焊炉中真空钎 焊后颜色变浅，不利于i c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的真空钎焊。本文选用热蒸发沉积 技术在1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢波纹管上沉积了一层镍膜，分析了1 c r l s n i 9 t i 不 锈钢波纹管的真空气密性。结果表明：选用热蒸发沉积技术沉积了一层镍膜 的1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢波纹管试件检漏结果良好，没有发现漏气现象。可见， 用物理气相沉积技术中的热蒸发技术和电弧离子镀技术在i c r l 8 n i 9 t i 不锈钢 波纹管上沉积镍膜替代电镀n i 工艺在技术上都可能可行；且试验验证用热蒸 发技术在1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢波纹管上沉积n i 膜替代电镀镍工艺技术上可行。 与现有的电镀镍工艺相比，热蒸发镍的生产成本不高，在经济上可行。无论 是从环保还是从降低生产成本角度出发，该工艺改革都具有重大的社会效益 和经济效益。一 ，y 关键词：物理气相沉积金属膜不锈钢波纹管 瓦甄：三薅料一 - ，- _ _ _ - - 一 真空钎焊性能 耍塞三些堂堕堡主堂垡垒塞 t h es t u d yo fr e v o iu t i o n iz a t i o no ft h et e c h n o l o g yo f d e p o s i t i o nb e f o r ev a c u u mb r a z in g d i s c i p l i n e ：o p t i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n t s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： a b s t r a c t sp r o j e c ts t e m sf r o mt h e p r a c t i c e i ns h a n n x ib a o g u a n gc o r p o r a t i o n b e f o r ev a c u u mb r a z i n g ，m e t a lf i l m sa r eo f t e n d e p o s i t e do nb e l l o w sm a d eo f s t a i n l e s ss t e e l l c r l 8 n i 9 t ib v p l a t i n g h o w e v e r , i ti st h ef i r s tt i m et h a tm e t a lf i l m s d e p o s i t e do n t h eb e l l o w sb yp h y s i c a lv a p o r d e p o s i t i o na r es t u d i e di nc h i n a a n d t h er e l a t e dd o c u m e n t so f t h i sf i e l dh a v en o tb e e ns e e ni n t e m a t i o n a l l y i nt l l i sp a d e r , t h ew e t t a b i l i t yo f b r a z i n gm a t e d a la n dt h eb r a z i n gp e r f o r r n a n c e o fs u b s t r a t ea r ed i s c u s s e d a n dam e t h o dt oi m p r o v et h ew e t t a b i l i t yo fb r a z i n g m a t e r i a l a g c u 2 8i sg i v e n t h a t i st o d e p o s i tm e t a lf i l m so ns t a i n i e s s s t e e l 1 c r l 8 n i 9 t i a tf i r s t m e t a lf i l m sa r ed e p o s i t e db yt h e t e c h n o l o g yo fp h y s i c a l v a p o rd e p o s i t i o n ( e v a p o r a t i o nd e p o s i t i o n ，a r ci o nd e p o s i t i o n ) ，t h e nt h ei n f l u e n c eo f m e t a lf i l m so nt h ev a c u u l nb r a z i n gp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d o nt h eb a s e s ，n i c k e l f i l m sa r ed e p o s i t e do nb e l l o w sb ye v a p o r a t i o nd e p o s i t i o n t h ei n f l u e n c eo fn i c k e l f i l m so nt h ev a c u u mt i g h ts e a l i n gp r o p e r t yi s a n a l y z e d ，t h er e a l i z a b i l i t yo ft h e r e v o l u t i o n i z a t i o no f u s i n gt h et e c h n o l o g yo f p h y s i c a lv a p o r d e p o s i t i o nt a k i n gp l a c e o f t h et e c h n o l o g yo f n i c k e lp l a t i n gi sd i s c u s s e d r e s e a r c hr e s e to ft h i sp r o j e c t ：t h ev a c u u n lb r a z i n gp e r f o r m a n c eo fs t a l n l e s s s t e e ll c r l 8 n i 9 t io nw h i c ht i t a n i u mf i l mi s d e p o s i t e db yt h et e c h n o l o g yo f a n da r ci o nd e p o s i t i o nc a nn o tm e e tt h en e e do ft h ev a c u u ms w i t c h ，b u tt h a to f s t a i n l e s ss t e e llc r l8 n i 9 t io nw h i c hc o p p e ro rn i c k e lf i l mi s d e p o s i t e db yt h e t e c h n o l o g yo f o fe v a p o r a t i o nd e p o s i t i o na n d a r ci o nd e p o s i t i o ni sg o o d h o w e v e r , a f t e rv a c u u mb r a z i n g t 1 1 ec o l o ro f t h es t a i n l e s ss t e e l1 c r l 8 n i 9 t io nw h i c hc o p p e r f i l mi sd e p o s i t e dh a sc h a n g e d w h i c hi sh a r m f u lt ov a c u u i nb r a z i n g n i c k e lf i l mi s d e p o s i t e d o nb e l l o w sm a d eo fs t a i n l e s ss t e e ll c r l 8 n i 9 t i b ye v a p o r a t i o n d e p o s i t i o ni nt h i sp a p e ra n dt h ev a c u u mt i g h ts e a l i n gp r o p e r t yi se x c e l l e n t s o ， b e f o r ev a c u l l r n b r a z i n g i t i s t e c h n i c a l l y r e a l i z a b l et ou s et h e t e c h n o l o g yo f e v a p o r a t i o nd e p o s i t i o na n da r ci o nd e p o s i t i o nt ot a k ep l a c eo f t h et e c h n o l o g yo f n i c k e l p l a t i n g m o r e o v e r , i t h a sb e e nt e s t e dt h a t u s i n g t h e t e c h n o l o g y o f e v a p o r a t i o nd e p o s i t i o nt e c h n i c a l l yr e a l i z a b l e c o m p a r e d t ot h et e c h n o l o g yo f p l a t i n g ，n i c k e lf i l md e p o s i t e db y t h et e c h n o l o g yo f e v a p o r a t i o n d e p o s i t i o ni sc h e a p ； s ow ec a ns a yt h a ti ti s e c o n o m i c a l l yr e a l i z a b l e s o i t i so fg r e a tv a l u et o r e v o l u t i o n i z e k e yw o r d s ：p h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ；m e t a lf i l m ；b e l l o w s ；v a c u u mb r a z i n g p e r f o r m a n c e ；b r a z i n gm a t e r i a la g c u 2 8 2 1 本研究工作的背景、意义、现状及主要研究内容 1 1 本研究工作的背景和意义 1 1 1 真空开关的典型结构、优点和应用 a 真空灭弧室的工作原理 真空开关是在真空中进行电流开断的开关设备，因是利用真空作绝缘与灭 弧介质的断路器，又称真空断路器。它在真空度达1 0 也p a 以上的真空灭弧室f 图 1 n 内放置对触头，通过触头分合完成电路开关：当触头分开时，开关管能承受 额定电路电压而不发生电击穿；当带电分闸时，开关管能可靠、快速地灭弧【“ 2 。它的外壳由绝缘圆筒( 玻璃或陶瓷) 、盖板、波纹管组成。管轴装有一对 动、静触头，静触头通过静导电杆固定在静盖板上；与动触头相连接的动导电 杆穿过波纹管伸到开关管外，在操作机构作用下与静触头闭合或分开。波纹管 随同动导电杆伸长或压缩，屏蔽罩围在触头周围固定在静盖扳上。波纹管的一 个端口与动导电杆焊在一起，另一个端口与动端盖板焊在一起。波纹管是可伸 缩的元件，因此动导电杆借助波纹管的伸缩性可沿真空灭弧室的轴运动，而外 部的气体却不会进入真空室内部，这样就可以在完全密封的条件下从外部操作 触头的合、分，达到合、分电路的目的。 图1 1 真空灭弧室的结构 卜拉杆2 一动端盖板3 一波纹管屏蔽革4 一屏蔽罩5 一绝缘外 壳6 一静端盖板7 一排气管8 保护帽9 一静导电杆1 0 - 静触 头1 1 一动触头1 2 - 动导电杆1 3 一波纹管 b 真空开关的优点脚 真空开关是一种新型开关技术，其优点如下：， ( 1 ) 燃弧时间短，弧压低，电弧能量小，触头损耗小 ( 2 ) 体积小，重量轻； 西安工业学院硕士学位论文 ( 3 ) 寿命长，维修间隔周期长，维修方便； ( 4 ) 操作功率小，操作时振动及噪音小； ( 5 ) 使用安全，灭弧和绝缘不用油，没有火灾及爆炸的危险； ( 6 ) 触头置于真空室中，不受尘埃、潮气及有害气体等恶劣环境的影响， 通断稳定，工作可靠： ( 7 ) 触头开距小，动作快，适用于频繁操作。 c 真空开关的应用”1 正是由于真空开关的以上优点使得真空开关在电力系统及工业技术的许 多领域中得到了广泛应用，其四大应用领域如下： ( 1 ) 在频繁操作场所用于：电弧炉，特别是电弧炼钢炉；切合中、高压电 机：电气化铁道接触网送电的单相断路器，电力机车的断路器；自动 换相开关等。 ( 2 ) 在配电系统中取代1 0 3 5 k v 级技术指标的传统断路器用于：在事故 多发区和农村作配电系统短路保护；城市及高层大型建筑的变电站； 调整功率因数的电容器组的频繁切换等。 ( 3 ) 在快速保护场合用于：大型无线电设备等快速事故保护。若配合快速 操作机构，开断时间可小于3 0 m s 。 ( 4 ) 在安全防护领域用于：有防火防爆要求的矿井及化工生产中。 1 1 2 波纹管的结构及在真空灭弧室中的重要地位 波纹管的种类很多，但在真空灭弧室中使用液压成形波纹管和膜片焊接波 纹管两种。液压成形波纹管的外形及结构示于图1 2 1 1 1 。 曹 a ) 图1 2 液压成形波纹管 a ) 外形图b ) 剖视图 斗 _ i i b 1 波纹管是一个壁厚只有0 1 , - - 0 1 5 m m 的管壁呈波纹状的薄壁管。波纹管的 原料的厚度为1 - 2 m m 的板材，先经多次变薄拉伸，成为壁厚为0 i - - 0 1 5 m m 的 薄壁圆管，然后将薄壁管夹持在# f - i n 模具中，向薄壁管内注入高压油，高压 油使管壁按照模具变形，成为具有波纹状管壁的波纹管，然后经过热处理使之 成环状膜片，然后将一系列膜片用微等离子弧焊一片一片地焊接而成的。液压 成形波纹管和焊接波纹管都能满足普通真空灭弧室的要求，但出于经济上的考 虑，般真空灭弧室都是用液压成形波纹管。液压成形波纹管常用不锈钢、磷 青铜、铍青铜和黄铜制造，其中不锈钢波纹管因其有不易氧化、不易受热而失 去弹性和耐腐蚀等优点在真空灭弧室中用得最为广泛。奥氏体不锈钢是应用最 广泛的一类钢，其中以1 8 - 8 型不锈钢，既含1 8 c r 和8 n i 的铁基合金( 如 i c r l 8 n i 9 t i ，0 c r l 8 n i 9 ，0 0 c r l 7 n i l 4 m 0 2 等) 最有代表性，它具有较好的力学 性能和良好的耐热性能“”。i c r l 8 n i g t i 更是以其优异的性能和低廉的价格为 众多厂家所青睐，用以制造波纹管等器件。与我们合作的陕西宝光集团有限公 司目前大量生产的真空开关中的波纹管就是使用的这一材料。 波纹管是真空灭弧室中不可或缺的元件，只有采用了波纹管后才有可能从 真空灭弧室外部用机械力使触头运动，又能保持真空灭弧室外壳完全密封。真 空开关每一次合、分动作，都会使波纹管的波状薄壁产生一次大幅度的机械变 形，剧烈而频繁的机械变形容易使波纹管因疲劳而损坏。波纹管是真空灭弧室 外壳的一个组成部分，它一旦损坏，真空灭弧室的寿命便因漏气而终止了。真 空灭弧室的其它零件在正常运行中是不容易损坏的，所以波纹管的疲劳寿命也 就决定了真空灭弧室的机械寿命。此外，触头开距与波纹管的实际伸缩量是相 等的，故波纹管的允许伸缩量也就决定了所获得的最大触头开距【1 】。 1 1 3 本文研究工作的意义 真空灭弧室是任何真空开关不可缺少的元件，是真空开关的心脏，它的结 构及质量决定着真空开关的主要性能。波纹管室真空灭弧室中不可或缺的元 件，如前指出，波纹管的一个端口与动导电杆焊在一起，另一个端口与动端盖 板焊在一起。由于波纹管是用在真空灭弧室的，真空灭弧室对焊接提出了严格 的要求。例如，大部分零件间的焊缝要求高的机械强度，焊缝的电阻要小，以 便通导大的电流，真空灭弧室外壳上的焊缝要求致密，不漏气i l “j 。真空灭弧 室在排气中要在4 0 0 5 0 0 0 c 下长时间烘烤，因而要求焊缝在此温度下仍牢固、 致密，且无妨碍真空灭弧室工作的挥发物质。显然，常用的电焊、气焊等都不 能满足上述要求，真空灭弧室制造中常用的焊接方法是氢气保护下的或在真空 中进行的硬钎焊、氩弧焊以及微等离子弧焊等。这些焊接方法能获得气密性良 好的具有足够强度的焊缝，氢和真空中的硬钎焊焊缝具有很小的电阻，而且被 焊零件也不会氧化，所以焊接后的零件仍然十分清洁。硬钎焊在真空灭弧室中 用的最为广泛。真空灭弧室制造中最常用的焊料是银铜低共熔合金 b a 9 7 2 c u ( 含银7 2 ，铜2 8 ，熔点7 7 9 0 0 。b a 9 7 2 c u 是银铜共晶型钎料，它 有合适的熔点，没有结晶间隔，钎焊工艺性能好，它在铜及镍合金上流动性良 好，导热性、导电性也很好【6 7 一一h o 】。但对不锈钢、合金钢润湿性极差，如 果用以钎焊这类零件，应先在待钎部位镀铜或镍1 6 。1 “j ，效果较好。目前常 用的镀覆方法是电镀、化学钭69 1 0 1 “1 2 l 。用电镀方法在1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢 波纹管的待钎部位先镀镍再进行真空钎焊，则可以大大改善b a 9 7 2 c u 钎料对 不锈钢的润湿性。陕西宝光集团有限公司目前大批量生产的用于真空灭弧室的 = = ：= ：? = = ；= = = ：? _ ：薹骞三当堂堕堡主兰堡堡苎 波纹管正是采用这种方法来提高1 c r l 8 n i 9 t i 的真空钎焊工丢硅丽i 藩 b a 9 7 2 c u 对1 c r l 8 n i 9 t i 的润湿。但是在实际的生产过程中发现产品存在以下 不足之处： a 电镀镍工艺中由于c l 的残存，对不锈钢母材造成一定程度的腐蚀，有 时甚至会穿透波纹管，严重影响真空钎焊后波纹管的气密性，降低了真空开关 的成品质量，致使实际生产过程中的成品率仅为9 5 0 ，9 8 。 b 电镀镍层均匀分布，在波纹管的内外表面上全部镀上一层1 0um 左右 的镍层，影响波纹管的弹性。而如前所述，正是由于波纹管是可伸缩的元件才 使得可以在完全密封的条件下从外部操作触头的合、分，达到合、分电路的目 的，电镀镍后波纹管的疲劳寿命降低，减小了真空开关的机械寿命。 c 电镀镍的镀层粗糙，使零件端口发毛。 d 电镀方法必然带来“三废”的排放，对环境造成污染。 本文的研究工作是利用物理气相沉积( p h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，简称 p v d ) 技术在不锈钢波纹管的待钎部位镀覆金属膜，研究b a 9 7 2 c u 对 1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的润湿性，探讨在陕西宝光集团有限公司的实际生产中用该 技术替代电镀技术的可行性。物理气相沉积技术是指利用某种物理过程，如物 质的蒸发或在受到离子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质从源物质 到薄膜的可控的原子转移过程。该种薄膜制备方法具有以下几个特点【1 3 】： a 需要使用固态的或者熔化态的物质作为沉积过程的源物质： b 源物质要经过物理过程进入气相： c 需要相对较低的气体压力环境； d 在气相中及衬底表面上并不发生化学反应，对衬底没有化学腐蚀； e 对环境没有污染。 通过以上的分析可以看出，本文的研究工作对于保护环境、改善产品性能、 提高成品率等都具有重要意义。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国内外物理气相沉积技术的发展与现状 热蒸发、离子镀、溅射镀膜是物理气相沉积技术的三种基本方法。由这些 基本方法又派生出了各种改进的方法。p v d 技术的基本方法和由此而派生的 改进技术如表1 1 所示”“”1 。 热蒸发技术是一种发展得较早、应用得较广泛的镀膜技术【l ”。热蒸发技术 最早是在电阻加热蒸发源的基础上发展起来的，随着薄膜技术的广泛应用，采 用电阻加热蒸发源已不能满足蒸镀难熔金属和氧化物的需要，同时也难以制作 高度纯净的薄膜，于是发展了将电子束作为加热蒸发源的方法。随着电子技术 的发展和完善，到1 9 6 5 年，利用电子束进行镀膜的技术发展成熟并得到很好 的应用。采用激光作为热源来蒸发淀积薄膜是一种新的薄膜制备技术【l ”。1 9 6 5 年，s m i t h 和t u r n e r 第一次尝试用红宝石激光加热蒸发制备各种半导体薄膜l l ”。 1 9 8 8 年，c h e u n g 和s a n k u r 总结了用激光加热蒸发制备半导体薄膜、金属膜及 长脉冲和连续激光器。1 9 8 7 年，贝尔实验室成功地制备出高质量的高温超导 薄膜”，使激光镀膜法成为一种重要的镀膜技术，并被人们广泛地进行研究和 发展。目前，准分子激光蒸发镀膜技术已经成为高温超导薄膜和高温超导电子 器件制备的一项重要工艺。同时还研究制各了b i t i 3 0 3 ( 2 0 】、p b 3 g e o l l 2 1 】和 s r t i 0 3 2 2 1 等铁电织构薄膜，在晶体结构和铁电性( 极化回滞曲线) 等方面取得 了较好的结果。 表1 ip v d 技术分类f 1 4 t 15 i 基本类型改进的方法 热蒸发镀膜一般的蒸镀 ( 通过热能来蒸发和活化原反应性蒸镀 子) 电场蒸镀 电子束蒸镀 激光蒸镀 闪光蒸镀 气体散射蒸镀 离子镀一般的离子镀 ( 通过电子束蒸发，用等离子反应性离子镀 体或高频电磁场来活化原子)低压离子镀 低压反应性离子镀 空心阴极离子镀 反应性空心阴极离子镀 活性反应离子镀 高频离子镀 溅射一般的溅射 ( 通过等离子体溅射和活化反应性溅射 原子)高频溅射 反应性高频溅射 磁控溅射 离子束溅射 离子镀技术是在真空蒸镀和真空溅射的基础上于六十年代初发展起来的 一门新型的薄膜制备技术田l 。它最早是由v m m a t c e x 于1 9 6 3 年提出并付诸实 践的。它采用的是直流二极型离子镀装置。1 9 7 1 年c h a m k e r 等研究了成型枪 电子束离子镀。1 9 7 2 年，m o l e y 和s m i t h 把空心热阴极放电( h o l l o wc a t h o d e d i s c h a r g e ) 技术用于薄膜沉积提出了空心阴极离子镀技术，而后日本的小宫宗 治等人发展完善了空心阴极离子镀，使离子镀的离化率提高。同年，r e b u n s h a h 发明了活性反应离子镀( a c t i v a t e dr e a c t i v ee v a p o r a t i o n ) 技术，并成功镀制了 t i n 、t i c 超硬膜层，是离子镀技术发展到了一个新阶段。1 9 7 3 年，村山洋一 等发明了射频激励法离子镀例。随着真空放电理论的发展和完善，把真空电弧 放电用于电弧蒸发源的多弧离子镀技术应运而生。前苏联在7 0 年代开发了这 项技术；1 9 8 0 年美国从苏联引进该技术；1 9 8 2 年，美国的多弧公司首先推出 多弧离子镀商品化设备；我国于1 9 8 6 年将多弧离子镀设备投产田j ；进入二十 世纪九十年代，多弧离子镀设备和工艺均有了重大的改进：本世纪初，有学者 提出应将多弧离子镀称为电弧离子镀【2 ”。当前，电丽两手覆覆泵趸= 而。鬲再i 吾 广泛的离子镀工艺，它在刀具镀覆t i n 等膜层的应用上发展尤其迅速，这些膜 层使刀具的使用寿命提高了3 1 0 倍。电弧离子镀在沉积t i c 、z r n 、h f n 、c r n 、 ( t i - a 1 ) n 、m o n 、t i c n 、a 1 2 0 3 等超硬膜层上也有很多应用，在沉积装饰涂层 和耐蚀、耐热镀层上也倍受人们重视，近年来己用该工艺在2 0 0 。c 低温下沉积 成功非晶类金刚石碳膜【2 6 1 。离子镀技术是当今适用面最广、最先进的表面处理 技术之一，随着社会的进步，科学的发展，离子镀技术必将更加完善。 溅射是在辉光放电中产生的，辉光放电是溅射镀膜的基础【2 3 】。早期的溅射 镀膜是采用直流二极溅射，这种溅射技术的镀膜速率比热蒸发低个数量级， 而且基片温度易上升，膜层质量差，纯度低。6 0 年代研究出了射频溅射镀膜， 实现了绝缘体的溅射镀膜，引起了各方面的重视。与此同时，又出现了三极溅 射装置和同轴圆柱磁控溅射装置，可以进行高真空溅射镀膜，使镀膜速率有所 改善，还改善了膜层质量。7 0 年代出现的平面磁控溅射装置，使高速、低温 溅射镀膜成为现实。从此，溅射镀膜以崭新的面貌出现在技术领域和生产中。 近年来，磁控溅射正在取代其它溅射装置，并渗入蒸镀的传统领域。自1 9 8 2 年以来，我国已研制生产了几种磁控溅射设备。当前，溅射镀膜广泛应用于机 械、电子、化学、光学、塑料及太阳能利用等行业中。例如，利用磁控溅射制 备的幕墙玻璃已成为建筑物外装修的一种流行趋势。磁控溅射大规模生产的透 明导电玻璃在液晶显示器上的应用已成为现实。溅射镀膜得到的t i n 、t i c 、 t i c n 、t i a l n 等己广泛用作切削刀具、量具、模具和耐磨零件的硬质涂层。磁 控溅射技术的应用面不断扩大，相应的配套技术装备也在不断完善和发展，在 表面材料改性的前沿性研究和功能性材料的应用中溅射技术的作用也越来越 大1 2 “。近年来发展起来的非平衡磁控溅射技术更是受到广泛的关注，随着研究 的深入必将得到广泛的应用。 总之，物理气相沉积技术是进行材料表面改性的重要技术，得到了国内外 许多研究者的关注，近年来发展尤其迅速，我们选用这一技术来进行研究是很 有意义的。 1 ，2 2 真空开关制造技术的发展与现状 真空开关的制造涉及到清洗、热处理、封接等工艺，其中各部分之间的连 接问题尤其令人关注，因为如果零件间的连接不安全牢固，就有可能引起真空 泄漏，影响真空开关的真空密封性，导致真空开关损坏。 从各国近二、三十年来申请的专利来看，有关真空开关的制造技术的专利 主要讨论改善真空开关的真空气密性，延长其寿命，提高生产效率及改进生产 工艺等问题。 1 9 7 6 年，h r u d a 申请的美国专利1 2 7 璇汲一种尤其适用于在处理5 v 左右的 电压、5 0 0 0 a 以上的电流的电化学装置( 如电解槽) 中使用的低压强流短路开 关。该开关由一柔性波纹管形成外腔，从而允许加载有大电流的端板间的相对 移动，由波纹管提供牢固的密封环境。波纹管表面镀覆一层弹性保护膜，如橡 胶硅或者聚四氟乙烯。这层膜可以保护波纹管不受腐蚀性气氛的侵害，也可以 保护波纹管不暴露在标准大气压下的氧气氛中，因此提高了波纹管的寿命。并 6 耳暑；：= = 鼻= = - = ! = 毒善i ；些主肇堡毒笔篓篓苎 且该开关的底部是一平而大的平面，为开关提供了良好的散甄_ 西秀覆写面i 翟 的强载流体之间的连接。触头放置在牢固的密封腔内，使其接触寿命长并且即 使在腐蚀性气氛中也能可靠工作。因此，本发明的波纹管型短路开关能在恶劣 的环境下操作，尤其适用于电解槽短路。 1 9 7 8 年，c r o u c h 等人发表的专利【2 8 】提出了一种具有保护波纹管免受机械 损伤的装置的真空开关。该发明更多的涉及到保护波纹管免遭当其不能保持其 轴对称性时开关动作所引起的机械损伤的方法。通常情况下，波纹管在开关动 作的伸缩过程中和不动作时都能保持其轴对称性。然而当波纹管所受的压力大 于设计压力时，波纹管将会弯曲成香蕉状。这种弯曲的结果将使得肝关动作时 波纹管上端与导向套筒的上部摩擦引起波纹管的损伤。本发明采用一种廉价且 不需要增大开关尺寸的方法。该方法使用一个比通常的导向套简直径更大的导 向套筒并在其外表面和端面镀一层自润滑膜，通常是聚四氟乙烯( t f e ) 使得 波纹管内表面与镀膜套筒外表面之间的间隙不大于o 0 3 英寸( 0 8 m m ) 。虽然 波纹管上部仍然会与套筒上端接触，但聚四氟乙烯膜能使这些部分的摩擦减小 到很小值以至波纹管几乎没有可能会由于开关预期寿命中的这种接触而受到 损伤。 1 9 8 3 年，s a k u m a 等人申请的专利i z 9 j 中在真空开关的金属壳( 铜或不锈钢) 与绝缘陶瓷盘的外表面之间引入了一铜制的环状应力衰减件。显著减少了金属 壳与绝缘陶瓷盘钎焊后冷却至室温的过程中产生的热应力，增加了钎焊接头的 强度。并且由于铜和不锈钢都不是铁磁材料，所以有可能减小壳中的涡流电流， 减弱壳中的磁致伸缩振动。 1 9 9 1 年，d o t h o i 等人的专利【3 0 j 指出在金属化陶瓷件上用化学方法或电镀 方法镀覆至少两层金属层( 每层由n i ，c u ，a g ，s n 组成) ，钎焊时它们作为 钎料层。对硬钎焊有用的镀层是那些每层都由n i ，c u 或a g 组成的镀层。文 章中给出了一个例子，先在金属化陶瓷件上镀一层厚度至少为0 5 姗的n i ，c u 或a g 层，再至少镀上一层厚度为1 0 1 0 5 m 的n i ，c u 或a g 层，直到镀层的 总厚度达到15 - 3 0 0 9 i n 。 1 9 9 2 年，b e t t g e 等人申请的专利。”中提出了一套载荷制动装置及其操作 方法。该装置包括一个真空开关和两个叶片状开关。一个叶片开关与真空开关 并联，另一个叶片开关与它们串联。因此，该发明的载荷开关要闭合时，两个 叶片开关处于闭合位置，真空开关在装置闭合过程中保持断开。当载荷开关要 断开时，真空开关的触头首先闭合，然后与之并联的叶片开关断开，然后真空 开关断开，最后与之串联的叶片状开关断开。这种动作方法的优点是：真空开 关管既不负载启动短路电流，也不负载额定电流，并且也没有连续的静态电压 的作用。因此，对真空开关的介电质性能、动态性能、热性能的要求微乎其微。 这使得生产比目前标注的开关管更小，性价比更好的真空开关管成为可能。 1 9 9 7 年，t a n i m i z u 等人申请的专利闻中提出了一种低成本、可靠性好的 真空开关及其制造方法。该发明由于除去了传统的金属端板，使得构成真空开 关的部件间的连接部分的数量减少了，从而需要真空密封的部分也相应减少， 结果易真空泄漏的部分的数量也减少了。由于静导杆的部分材料是含1 1 0 c r 的c u 合金且截面积随弯矩值的变化而变化，从而那部分的机械强度增加了约 4 0 ，结果，减少了静导杆与空心圆柱绝缘体之间热膨胀系数不同引起的负作 = - _ ：f 五= ：= = ：_ = 姜婆筝些堂肇堡丰掌堡堕塞 用。由于静导杆还有一凸出部分，因此，在加压过程中可趸丽爵再葡孺丽；手丽 电场集中被释放了。此外，采用双重真空密封焊接结构，使得可能引起真空泄 漏部分的真空气密性增加了。此外，钎焊环弯曲部分的构造使得部件间的连接 可靠，可能引起真空泄漏部分的真空气密性增加了；并且由于这一结构，钎料 在部件间的连接部分均匀流散，从而能得到可靠的钎焊接头。各部件的顺序组 装，使得真空开关的焊接可通过一个单一的焊接过程完成，本发明的真空开关 部件能有效地吸收来自于加热器的热量以缩短加热时间，且由于安装前在静导 杆和动导杆上镀有镍层，而n i 层不会在钎料的钎焊温度下扩散，即使在真空 炉中真空密封后仍保持其电接触性能，所以传统的生产真空开关所需的镀银时 间也不需要了，结果，缩短了生产周期，提高了生产效率：并且由于镍层与钎 料，尤其是银系列钎料有良好的润湿性，因而能得到真空密封性能和导电性能 都很好的优良接头。总之，该发明所论述的真空开关制造方法，不仅能缩短生 产周期，提高生产效率，从而降低生产成本；并且能够大大提高真空开关的真 空密封性能。 2 0 0 0 年，m a y o 等人的专利【3 3 】发明了种新的真空开关的组件的组装方 法。使用该方法只在电极周围车- d , 槽，减少了生产过程中从电极上车出的材 料的量，提高了生产效率；使用该方法可以省去一些在真空开关钎焊和接下来 的生产工艺之前的一些不必要的生产工序，缩短了生产周期，提高了生产效率； 同时降低了对操作人员技能的要求：并且由于从电极上车出的材料的减少，增 加了电极的截面积，使流经电极的电流强度减小，从而可以使流经电极的连续 电流增加而电极的温度不超过其温度限制。 1 9 9 9 年，德国的西门子公司公开了克劳斯格斯纳的发明的专ne 3 4 】：在 铜件上电镀一个银层，它与下面的铜件表面层一起构成焊料，可以简化真空开 关中陶瓷件与铜件之间进行真空密封焊接时的焊接过程。该发明的个实例中 提到用优质钢制造的波纹管可以在焊接区设有一个非常薄得贵金属层，尤其是 镀金层。 从上面的论述可以看出，目前国内外研究的重点都放在真空开关的制造工 艺上，对其密封性的讨论更多一些，波纹管作为其中的重要元件被单独提出讨 论的不多，目前笔者尚未见国内外有关于用物理气相沉积技术对真空开关中的 不锈钢波纹管进行真空钎焊前的表面处理的报道。 1 3 本文研究的主要内容及章节安排 1 3 1 研究内容及拟解决的关键问题 本课题研究的主要内容包括：用物理气相沉积技术的方法在1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢材料( 片料和棒料) 上镀覆金属膜，进行a g c u 2 s 钎料的润湿性试验及 真空钎焊接头的拉伸性能试验；用物理气相沉积方法在1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢波 纹管上镀覆适宜的金属膜，进行波纹管的气密性试验，检验波纹管封接后的气 密性；分析对1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢波纹管进行真空镀膜的可行性。拟解决的关 键技术是选择合适的膜材，寻求适宜的镀膜方法及最优的镀制工艺在 8 - 要塞三些兰堕堡圭兰垡笙茎 1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢上沉积金属膜，使所沉积的膜层与基片具有较好的附着力， 在真空钎焊炉中不致挥发或氧化，能改善i c r l 8 n i 9 t i 不锈钢与a g c u 2 8 钎料 的润湿性，从而使真空钎焊更易进行，获得的钎焊接头性能优良。 1 3 2 章节安排 第一章论述本文研究工作的背景和意义，综述物理气相沉积技术和真空 开关制造技术的发展现状，指出本文研究的方向； 第二章引入y o u n g 方程和y o u n g - d u p r e 方程，讨论钎料的润湿作用和材 料的钎焊性，提出改善不锈钢与a g c u 2 8 钎料的真空钎焊性能的途径； 第三章论述本文采用的物理气相沉积技术的设备原理与方法； 第四章用物理气相沉积技术在1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢抗拉棒试件上沉积金属 膜，用a g c u 2 8 钎料在真空钎焊炉中真空钎焊，讨论沉积金属膜的1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢抗拉棒的真空钎焊接头的抗拉性能； 第五章用物理气相沉积技术在1 c r l s n i 9 t i 不锈钢试件上沉积铜金属膜和 镍金属膜，讨论a g c u 2 8 钎料在其上的润湿性； 第六章用适宜的物理气相沉积技术在不锈钢波纹管上镀膜，分析所镀金 属膜层对不锈钢波纹管真空钎焊性能的影响； 第七章分析用物理气相沉积技术在不锈钢波纹管表面镀膜改善其真空钎 焊性能的可行性； 第八章结论与展望。 一堕茎三些堂堕堡主堂焦笙塞 2 改善1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢真空钎焊性能的理论分析 2 1 液固界面的润湿性 2 1 1 钎焊 钎焊是采用液相线温度比母材固相线温度低的金属材料作钎料，将零件和 钎料加热到钎料熔化，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互溶 解和扩散而实现连接零件的方法。根据使用钎料的不同，钎焊一般分为：软钎 焊( 钎料液相线温度低于4 5 0 ) 和硬钎焊( 钎料液相线温度高于4 5 0 0 c ) 9 1 。 钎焊接头的形成过程也就是熔态钎料填充接头间隙并同母材发生相互作用和 随后的钎缝冷却结晶过程。熔态钎料与母材的界面是可以用y o u n g 方程和 y o u n g d u p r e 方程来描述的。 2 1 2y o u n g 方程和y o u n g d u p r e 方程 y o u n g 方程和y o u n g d u p r e 方程是描述液固界面润湿性的两个重要方程。 早在1 8 0 5 年，t y o u n g 在研究表面张力和毛细现象的基础上，推出了著名的 y o u n g 方程。 在图2 1 ( a ) 中将固、液、气三相交汇点o 作为坐标原点，平行于液固 界面的方向作为x 轴的方向，o 。o 。、0 。分别表示的是气相与固相间的界 面张力、液相与固相间的界面张力、液相与气相间的界面张力。那么在平衡状 态下，三相交汇点0 出必然达到力学平衡。通过x 方向的力学平衡计算可直接 得到y o u n g 方程： c o s 占=h h 盯一 川 ( 2 1 ) 其次也可以通过平衡状态下，系统自由能g 应保持最小导出y o u n g 方程。”。 在图2 1 ( b ) 中，设润湿角e 的微小变化o 引起了固相润湿面积a 增加了， 此时，液相的表面就增加了a ( o + e ) ，则整个系统自由能的变化为： g = ( 蚓一k 1 ) 鲋+ l o i g x c ? 妒+ 口) ( 2 2 ) 当系统处于最低能量状态时，有l i m ( 署) = 0 从( 2 3 ) 式得： i 盯。i l 盯。i + i 仃l 。l c o s e = 0 ( 2 3 ) ：；齐= = 气= 璺萋三当：；! i 墨圭兰堡兽享 y o u n g 方程确定了润湿角0 与各相表面张力之间的买泵i 石品i i t y o u n g 方程的基础上，于1 8 6 9 年首次提出液相在固相表面上的附着功w a d 与润湿角0 之间的关系f 3 7 1 ： 一 = i 仃h i ( 1 + c o s o ) ( 2 4 ) 此式也称为y o t m g - d u p r e 方程。该方程表明，液相与固相间的附着功越大，则 润湿角越小。 丑x c a ) 力平衡法b ) 能量最低原则法 图2 1y o u n g 方程导出的两种方法 这两个方程至今仍是人们研究表面现象、界面润湿、焊接、材料复合、冶 金反应等方面的基础公式。 2 2 钎料的润湿作用 2 2 1 润湿 润湿是液态与固态物质接触后相互沾附的现象。当液体处于自由状态下， 为使其本身处于稳定状态，它力图保持球形的表面。而当液体与固体相接触时， 这种情况将发生改变，其变化取决于液体内部的内聚力和液固两相间的附着力 的相互关系。如果内聚力大于附着力，则液体不能沾附在固体表面上。当附着 力大于内聚力时，液体就能沾附在固体表面，即发生润湿作用。 钎焊时，熔态钎料如果不能沾附在固体母材的表面( 即不润湿母材) 就不 能填充接头间隙；只有在熔态钎料能润湿母材的情况下，填隙作用才有可能实 现 2 2 2 润湿角 衡量钎料对木材润湿能力的大小，可用钎料( 液相) 与母材( 固相) 相接 触时的接触夹角( 即润湿角) 的大小来表示9 0 1 。从公式( 2 1 ) 可以看出， 润湿角0 的大小与各界面张力的数值有关。当0 。 o 。时，c o se 为正值，即 o 。 0 9 0 。，这时钎料能润湿母材；当0 。 0 。时，c o so 为负值，9 0 。 e 1 8 0 。， 这时可认为钎料不能润湿母材。e - - 0 。表示钎料完全润湿母材，0 = 1 8 0 。表示钎 料完全不润湿母材。因此，润湿角。是钎料对母材润湿程度的量度。钎焊时希 2 2 3 影响钎料润湿作用的因素 从公式( 2 1 ) 可以看出，钎料对钎焊金属的润湿性取决于具体条件下三 相间的相互作用，但无论情况如何，o 。：增大，o 。或o 。，减小，都能使c o se 增大，o 减小，即能改善液态钎料对钎焊金属的润湿性。从物理概念上说，o 。减小意味着液体内部原子对表面原子的