CN102276150A - 一种耐高温高压密封用玻璃材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高温高压密封用玻璃材料及其制备方法，由下列重量份的组分制成：SiO₂：9～12份；H₃BO₃：25～27份；Al₂O₃：4～6份；SrCO₃：5～8份；Pb₃O₄：50～53份；不可避免带入的其它杂质元素：≤1份。上述耐高温高压密封用玻璃材料的制备方法，包括以下步骤：a)配料；b)球磨；c)预烧结；e)保温烧结；e)水淬；f)球磨处理；g)分筛；h)干燥。本发明还提供了上述耐高温高压密封用玻璃材料与合金进行封装的方法以及性能测试方法。本发明的密封玻璃材料可与可伐合金或其他引线金属、不同牌号不锈钢合金进行匹配密封，密封强度及质量优异；通过控制封装方法，密封件能在高温、高压环境以及破坏性环境中正常使用，具备好的稳定性和可靠性。

Description

一种耐高温高压密封用玻璃材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种玻璃，特别涉及一种耐高温高压密封用玻璃材料及其制备方法。

背景技术

在现代工、农业及特殊行业领域，大量使用热电偶、热电阻、加热器件以及信号连接件等各种功能器件，进行温度、压力、电磁等参数的控制与测量，随着现代工业生产的高速发展，对封装材料和密封技术的要求越来越高，特别是在较苛刻的环境如高温、高压、油气开采等领域。传统的封装方法如采用各种环氧树脂、硅橡胶以及不同的高温胶进行固化密封，由于这些高温胶均系有机材料，受自身性能限制，不能在高温或者高压环境中使用，同时在服役期间会发生老化行为，导致封装失效，因此不能满足生产所需。

近年来,随着新型无机材料的研发与规模化生产,玻璃与金属的密封技术得到了广泛的重视和应用，其封装产品具有高可靠性、耐高温、耐高压、抗氧化、耐腐蚀、高密封、高绝缘等优点。但是，对于更高温度和压力环境中（不低于300℃、不低于100Mpa）使用的产品的密封选型，目前绝大多数密封用玻璃材料不能达到其所需主要性能指标,如高绝缘性、高温密封性、长期稳定性和可靠性等。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种应用于苛刻环境介质下的元器件封装，一种可靠性高、耐高温、耐高压、抗氧化、耐腐蚀、高密封、高绝缘性能的密封用玻璃材料及其制备方法。本发明同时还提供了上述耐高温高压密封用玻璃材料与合金进行封装的方法，以及耐高温高压密封用玻璃材料的性能测试方法。本发明还对密封器件的高温密封性和电气性能进行了测试评价。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种耐高温高压密封用玻璃材料，由下列重量份的组分制成：SiO₂：9～12份；H₃BO₃：25～27份；Al₂O₃：4～6份；SrCO₃：5～8份；Pb₃O₄：50～53份；不可避免带入的其它杂质成分：≤1份。

该配方设计具有熔融温度低、光泽度高、烧成温度范围宽、成本低等优点。

上述耐高温高压密封用玻璃材料的制备方法，包括以下步骤：

a)、配料：按照重量份称取各组分；

b)、球磨：将步骤a中配好的各组分放入球磨机内进行球磨，使配料混合均匀，研磨速率为350～450r/min左右，研磨时间30~60min；

c)、预烧结：将步骤b中球磨好的物料放入烧结炉中，在空气气氛下，以8±3℃/min升温速率升至800±10℃，进行预烧结，预烧结时间为30±10min；

d)、升温：预烧结后，以10±3℃/min升温速率升至1350±20℃；

e)、保温烧结；在1350±20℃保温烧结30±5min，烧结过程中进行搅拌，使熔料均匀；

f)、水淬：将步骤e中熔融好的熔料快速倒入冷水中进行水淬处理，得到耐高温高压密封用玻璃材料；

g)、球磨处理：将所制的耐高温高压密封用玻璃材料在球磨机内按湿磨工艺进行球磨制粉，湿磨所选介质为无水酒精或蒸馏水，研磨速率为350～450r/min左右，时间为30±5min；

h)、分筛：将球磨处理后的耐高温高压密封用玻璃粉料进行分筛分级处理；

i)、干燥：将步骤h中分筛处理好的耐高温高压密封用玻璃粉料在120℃的温度下，干燥处理时间30~60min，即得到耐高温高压密封用玻璃材料。

优选的，所述步骤g中湿磨工艺的介质为无水酒精或蒸馏水的一种。无水酒精或蒸馏水不会引人其他有害杂质，保证耐高温高压密封用玻璃材料的可靠性。

该工艺设计具有工艺简易、成本低等优点。同时，在制备过程中，对熔料进行水淬处理，使熔料形成熔块釉，降低了铅的析出及对环境的污染。

采用上述配方，通过上述方法制备的耐高温高压密封用玻璃材料，可与可伐合金或其他引线金属、不同牌号不锈钢合金如17-4PH、Inconel X-750、Inconel 925、304、316、316L、1Cr18Ni9Ti等合金进行匹配密封，密封强度及质量优异，使其在不同牌号不锈钢合金之间或者被封合金之间进行封装，达到在苛刻环境中使用的功能器件具备较高的密封性能。

上述耐高温高压密封用玻璃材料与合金进行封装的方法，包括以下步骤：将耐高温高压密封用玻璃材料与合金和引线金属进行装配，在空气气氛或真空气氛下，以10±3℃/min升温至700±30℃，保温25±5min,然后随炉冷却，完成耐高温高压密封用玻璃材料与合金的封装。

通过控制封装工艺制度，密封件在高于300℃的环境中正常使用，封装结构最大能承受200MPa压力无泄漏，室温绝缘电阻高于1000MΩ/500VDC，并且封装表面平滑光整。即密封件在高温、高压环境以及破坏性环境中正常使用，具备好的稳定性和可靠性。

优选的，所述合金为17-4PH、Inconel X-750、Inconel 925、304、316、316L、1Cr18Ni9Ti不锈钢合金中的一种。

优选的，封装前对合金表面进行预氧化处理，使合金表面形成一层过渡氧化层。合金表面预氧化处理方法为在空气气氛下将合金置于烧结炉中进行氧化处理，以10±3℃/min升温至700±50℃，保温10±2min,然后随炉冷却。合金表面形成一层过渡氧化层，可以增强合金与耐高温高压密封用玻璃材料之间的结合力，使玻璃与合金结合成一个整体，结合更加牢固，其密封结构难以破坏。

上述耐高温高压密封用玻璃材料的性能测试方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）、绝缘电阻测试：将密封件密封部位浸泡在水中24h后，用超高电阻测试仪测量其绝缘电阻，绝缘电阻大于1000MΩ/500VDC，即满足产品的高绝缘要求；

（2）耐压强度测定：耐压强度是在超高压试验装置上进行，在150MPa压力下保压4h不泄漏，或200MPa压力保压1h无泄漏，即密封件在高压环境中正常使用，符合耐压要求；

（3）破坏性试验：用钢制工具对密封结构处进行敲击或钻孔破坏，玻璃与合金结合成一个整体，不能破坏其密封结构。

性能测试可以保证每一批次的耐高温高压密封用玻璃材料可以符合要求，避免由于操作失误造成不符合要求的产品出现。

本发明的一种耐高温高压密封用玻璃材料及其制备方法有益效果是，本密封玻璃材料，可与可伐合金或其他引线金属、不同牌号不锈钢合金如17-4PH、Inconel X-750、Inconel 925、304、316、316L、1Cr18Ni9Ti等合金进行匹配密封，密封强度及质量优异。通过控制封装方法，密封件能在高于300℃的环境中正常使用，封装结构最大能承受200MPa压力无泄漏，室温绝缘电阻高于1000MΩ/500VDC，并且封装表面平滑光整。即密封件能在高温、高压环境以及破坏性环境中正常使用，具备好的稳定性和可靠性。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

一种耐高温高压密封用玻璃材料，由下列重量份的组分制成：SiO₂：0.9㎏；H₃BO₃：2.5㎏；Al₂O₃：0.4㎏；SrCO₃：0.5㎏；Pb₃O₄：5㎏；并使不可避免带入的其它杂质成分≤0.1㎏。

上述耐高温高压密封用玻璃材料的制备方法，包括以下步骤：

a)、配料：按照重量份称取各组分；

b)、球磨：将步骤a中配好的各组分放入球磨机内以350r/min左右的速度进行混料球磨60min，使配料混合均匀；

c)、预烧结：将步骤b中球磨好的物料取出置于坩埚内，放入烧结炉中，在空气气氛下，以5℃/min左右升温速率升至800℃，进行预烧结，预烧结时间为30min；

d)、升温：预烧结后，以7℃/min左右升温速率升至1330℃；

e)、保温烧结；在1330℃保温烧结35min熔融烧结，烧结过程中进行搅拌，使熔料均匀；

f)、水淬：将步骤e中熔融好的熔料快速倒入冷水中进行水淬处理，得到耐高温高压密封用玻璃材料；

g)、球磨处理：将所制的耐高温高压密封用玻璃材料在球磨机内按湿磨工艺进行球磨制粉，湿磨的介质为无水乙醇，研磨速率为350r/min，时间为30min；

h)、分筛：将球磨处理后的耐高温高压密封用玻璃粉料进行分筛分级处理；

i)、干燥：将步骤h中分筛处理好的耐高温高压密封用玻璃粉料在120℃的温度下，干燥处理时间30min，即得到耐高温高压密封用玻璃材料。

耐高温高压密封用玻璃材料与合金进行封装的方法，包括以下步骤：封装前对合金表面进行预氧化处理，使合金表面形成一层过渡氧化层，合金表面预氧化处理方法为在空气气氛下将合金置于烧结炉中进行氧化处理，以7℃/min左右速率升温至700℃，保温10min,然后随炉冷却,再将耐高温高压密封用玻璃材料与17-4PH合金和引线金属进行装配，在空气气氛或真空气氛下，以7℃/min左右速率升温至680℃，保温25min,然后随炉冷却，完成耐高温高压密封用玻璃材料与合金的封装。

耐高温高压密封用玻璃材料的性能测试方法，包括以下步骤：

（1）、绝缘电阻测试：将密封件密封部位浸泡在水中24h后，用超高电阻测试仪测量其绝缘电阻，绝缘电阻大于1000MΩ/500VDC，即满足产品的高绝缘要求；

（2）耐压强度测定：耐压强度是在超高压试验装置上进行，在150MPa压力下保压4h不泄漏，或200MPa压力保压1h无泄漏，即密封件在高压环境中正常使用，符合耐压要求；

（3）破坏性试验：用钢制工具对密封结构处进行敲击或钻孔破坏，玻璃与合金结合成一个整体，不能破坏其密封结构为合格。

实施例2

一种耐高温高压密封用玻璃材料，由下列重量份的组分制成：SiO₂：1.2㎏；H₃BO₃：2.7㎏；Al₂O₃：0.6㎏；SrCO₃：0.8㎏；Pb₃O₄：5.3㎏；并使不可避免带入的其它杂质元素≤0.1㎏。

上述耐高温高压密封用玻璃材料的制备方法同实施例1，球磨机以450r/min左右的速度进行混料球磨30min；预烧结以11℃/min左右升温速率升至810℃；在步骤g中球磨处理的湿磨工艺的介质为蒸馏水。

耐高温高压密封用玻璃材料与Inconel X-750不锈钢合金和引线金属进行封装，封装的方法同实施例1，在空气气氛或真空气氛下，以13℃/min左右速率升温至720℃。

耐高温高压密封用玻璃材料的性能测试方法同实施例1。经测试各项指标符合要求。

实施例3

一种耐高温高压密封用玻璃材料，由下列重量㎏的组分制成：SiO₂：1.0㎏；H₃BO₃：2.6㎏；Al₂O₃：0.5㎏；SrCO₃：0.6㎏；Pb₃O₄：5.1㎏；不可避免带入的其它杂质元素：≤0.1㎏。

上述耐高温高压密封用玻璃材料的制备方法同实施例1，球磨机以400r/min左右的速度进行混料球磨45min；预烧结以8℃/min左右升温速率升至810℃；在步骤g中球磨处理的湿磨工艺的介质为蒸馏水。

耐高温高压密封用玻璃材料与Inconel 925不锈钢合金进行封装，封装的方法同实施例1，在真空气氛下，以10℃/min左右速率升温至720℃。

耐高温高压密封用玻璃材料的性能测试方法同实施例1。经测试各项指标符合要求。

实施例4

其他同实施例1，耐高温高压密封用玻璃材料与304不锈钢合金进行封装，封装的方法同实施例1，在空气气氛下，以8℃/min左右速率升温至680℃。

耐高温高压密封用玻璃材料的性能测试方法同实施例1。经测试各项指标符合要求。

实施例5

其他同实施例1，耐高温高压密封用玻璃材料与316不锈钢合金进行封装，封装的方法同实施例1，在空气气氛下，以9℃/min左右速率升温至700℃；

耐高温高压密封用玻璃材料的性能测试方法同实施例1。经测试各项指标符合要求。

实施例6

其他同实施例1，耐高温高压密封用玻璃材料与316L不锈钢合金进行封装，封装的方法同实施例1，在真空气氛下，以10℃/min左右速率升温至710℃；

耐高温高压密封用玻璃材料的性能测试方法同实施例1。经测试各项指标符合要求。

实施例7

其他同实施例1，耐高温高压密封用玻璃材料与1Cr18Ni9Ti不锈钢合金进行封装，封装的方法同实施例1，在空气气氛下，以10℃/min左右速率升温至720℃；

耐高温高压密封用玻璃材料的性能测试方法同实施例1。经测试各项指标符合要求。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种耐高温高压密封用玻璃材料，其特征在于：由下列重量份的组分制成：SiO₂：9～12份；H₃BO₃：25～27份；Al₂O₃：4～6份；SrCO₃：5～8份；Pb₃O₄：50～53份；不可避免带入的其它杂质成分：≤1份。

2.权利要求1所述耐高温高压密封用玻璃材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

a)、配料：按照重量份称取各组分；

b)、球磨：将步骤a中配好的各组分放入球磨机内进行球磨，使配料混合均匀，研磨速率为350～450r/min，研磨时间30~60min；

c)、预烧结：将步骤b中球磨好的物料置于坩埚内放入烧结炉中，在空气气氛下，以8±3℃/min升温速率升至800±10℃，进行预烧结，预烧结时间为30±10min；

d)、升温：预烧结后，以10±3℃/min升温速率升至1350±20℃；

e)、保温烧结；在1350±20℃保温烧结30±5min，烧结过程中进行搅拌，使熔料均匀；

f)、水淬：将步骤e中熔融好的熔料快速倒入冷水中进行水淬处理，得到耐高温高压密封用玻璃材料；

g)、球磨处理：将所制的耐高温高压密封用玻璃材料在球磨机内按湿磨工艺进行球磨制粉，研磨速率为350～450r/min，时间为30±5min；

h)、分筛：将球磨处理后的耐高温高压密封用玻璃粉料进行分筛分级处理；

i)、干燥：将步骤h中分筛处理好的耐高温高压密封用玻璃粉料在120℃的温度下，干燥处理时间30~60min，即得到耐高温高压密封用玻璃材料。

3.根据权利要求2所述的耐高温高压密封用玻璃材料的制备方法，其特征在于：所述步骤g中湿磨工艺的介质为无水酒精或蒸馏水的一种。

4.权利要求1所述耐高温高压密封用玻璃材料与合金进行封装的方法，其特征在于：包括以下步骤：将耐高温高压密封用玻璃材料与合金和引线金属进行装配，在空气气氛或真空气氛下，以10±3℃/min升温至700±30℃，保温25±5min,然后随炉冷却，完成耐高温高压密封用玻璃材料与合金的封装。

5.根据权利要求4所述的耐高温高压密封用玻璃材料与合金进行封装的方法，其特征在于：所述合金为17-4PH、Inconel X-750、Inconel 925、304、316、316L、1Cr18Ni9Ti不锈钢合金中的一种。

6.根据权利要求4所述的耐高温高压密封用玻璃材料与合金进行封装的方法，其特征在于：封装前对合金表面进行预氧化处理，使合金表面形成一层过渡氧化层，合金表面预氧化处理方法为在空气气氛下将合金置于烧结炉中进行氧化处理，以10±3℃/min升温至700±50℃，保温10±2min,然后随炉冷却。

7.权利要求1所述耐高温高压密封用玻璃材料的性能测试方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）、绝缘电阻测试：将密封件密封部位浸泡在水中24h后，用超高电阻测试仪测量其绝缘电阻，绝缘电阻大于1000MΩ/500VDC，即满足产品的高绝缘要求；

（2）耐压强度测定：耐压强度是在超高压试验装置上进行，在150MPa压力下保压4h不泄漏，或200MPa压力保压1h无泄漏，即密封件能在高压环境中正常使用，符合耐压要求；

（3）破坏性试验：用钢制工具对密封结构处进行敲击或钻孔破坏，玻璃与合金结合成一个整体，不能破坏其密封结构为合格。