CN104529190B - 一种玻璃与金属的封接结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种玻璃与金属的封接结构及其制备方法。该封接结构包含膨胀系数在3.1×10‑6m/(m.K)至3.4×10‑6m/(m.K)的玻璃管，以及与所述玻璃管封接的膨胀系数在10×10‑6m/(m.K)至12×10‑6m/(m.K)的铁素体不锈钢。该封接结构采用豪斯基伯封接方式，首先对呈环状或管状的铁素体不锈钢的一端进行减薄，然后将减薄后的铁素体不锈钢与玻璃进行封接。本发明的玻璃与金属的封接结构能够有效降低玻璃与金属热膨胀系数不匹配的程度，提高封装结构的稳定性、抗氧化能力，降低工艺、人力成本，降低残余应力。

Description

一种玻璃与金属的封接结构及其制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，涉及一种玻璃与金属的封接结构，及其制备方法和应用。
背景技术
金属环或金属管与玻璃管封接的制作已经是现有的技术。这种封接的难点在于金属与玻璃的热膨胀系数的差异。要制作这样的封接，首先需要将金属在湿氢炉里进行氧化处理，温度在800～1200℃之间。在这个温度下，湿氢使金属环表面形成一层氧化层，这样的氧化层有利于玻璃和金属之间的结合。
封接是在很高的温度下进行，此时玻璃的粘度低，可以与金属环上已经制备好的氧化层浸润和熔合。当封接件冷却下来，玻璃达到其退火温度，在这个温度下，因变形造成的应力还留在玻璃里。当封接件进一步冷却，玻璃和金属之间热膨胀系数的不匹配导致应力累积，应力的大小程度取决于热膨胀系数不匹配的程度、封接件的大小、以及所用材料的形状和厚度。
目前，硼硅玻璃与金属可以采用三种不同的封接方式：
第一种方法是用匹配的金属和玻璃，比如可伐金属和与其相匹配的玻璃，如Fiolax或8250玻璃。这些材料的热膨胀系数是互相匹配的，Fiolax玻璃和可伐金属膨胀系数都在5.5×10-6m/(m.K)。这种通过消除不匹配来实现封接的办法很直接，也容易实现，然而，这些特殊的玻璃和可伐金属价格昂贵。
第二种方法是过渡封接，可以降低成本。这种封接和前述的第一种方式类似，但采用数种不同的玻璃，逐渐过渡到3.3硼硅玻璃的膨胀系数。3.3硼硅玻璃是一种常用材料，价格不高。这种方法的缺点是：制作工艺复杂，人工成本高。
第三种方法是豪斯基伯封接(house keeper seal)。这种封接的不锈钢环一端壁厚减到0.1mm以下。通过削弱不锈钢，使其对封接的作用力降低，控制在可以接受的范围内。到目前为止，豪斯基伯封接都采用奥氏体不锈钢。但奥氏体不锈钢的膨胀系数较高，与玻璃的膨胀系数相差较大，一则其对壁厚的减薄程度要求较高，提高了工艺成本。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种玻璃与金属的封接结构，以及实现这种封接的方法。与现有的豪斯基伯封接方法相比，本发明能够有效降低玻璃与金属热膨胀系数不匹配的程度，提高封装结构的稳定性、抗氧化能力，降低工艺、人力成本，降低残余应力。
本发明采用的技术方案如下：
一种玻璃与金属的封接结构，其包含膨胀系数在3.1×10-6m/(m.K)至3.4×10-6m/(m.K)的玻璃管，以及与所述玻璃管封接的膨胀系数在10×10-6m/(m.K)至12×10-6m/(m.K)的铁素体不锈钢。
进一步地，所述玻璃管的化学成分是(均为质量分数)：75％～85％的氧化硅，10％-15％的氧化硼，2％-5％的氧化钠和1％-5％氧化铝；所述铁素体不锈钢的化学成分是(均为质量分数)：15％-22％的铬，低于0.5％的镍和超过70％的铁。但本发明不以此为限制，也可以采用现有的其它成分的玻璃管材料。
进一步地，所述玻璃与金属的封接结构的封接类型属于豪斯基伯封接(housekeeper seal)。
进一步地，所述铁素体不锈钢呈环状或管状，环或管的边缘是带锥度的(减薄的)，锥度为0.5～5°。
一种制备上述玻璃与金属的封接结构的方法，其步骤包括：
1)对呈环状或管状的铁素体不锈钢的一端进行减薄，
2)将减薄后的铁素体不锈钢与玻璃进行封接。
进一步地，通过带锥度的涨口胎具对铁素体不锈钢进行所述减薄。
进一步地，通过CNC加工的方法对铁素体不锈钢进行所述减薄。
本发明的玻璃与金属的封接结构可以用于太阳能线性聚光集热器，进一步可用于太阳能光热发电电站。
本发明通过研究发现铁素体不锈钢在所有耐久性试验里，性能都超过奥氏体不锈钢制作的封接件。铁素体不锈钢的膨胀系数比奥氏体不锈钢低得多，因此，采用豪斯基伯封接方式时可以使用边缘厚度稍厚的。这种封接工艺简单，设备和人力消耗低；稳定性提高；这种封装结构极大地降低了玻璃与金属的热膨胀系数不匹配程度，使冷热交替循环对材料造成的损害降低，而耐热冲击性能也得到极大提高。另外，铁素体不锈钢可以避免发生奥氏体不锈钢可能出现的剥离腐蚀(剥离腐蚀是指奥氏体不锈钢表面形成氧化物后，与基材的结合力较差，使得氧化层和基材剥离开来)。
附图说明
图1是实施例中铁素体不锈钢环与涨口胎具安装的示意图。
图2是实施例中不锈钢环的端部涨开并减薄的示意图。
图3是实施例中铁素体不锈钢环与玻璃进行封接的示意图。
其中：
1—铁素体不锈钢环
2—带锥度的涨口胎具
3—玻璃管
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。
实施例1：
本实施例的玻璃与金属的封接结构，其制备方法包括如下步骤：
1)将铁素体不锈钢环1的待与玻璃进行封接的一端端部安装到带锥度的涨口胎具2上，如图1所示。
2)将不锈钢环1向胎具2方向推进，使其端部涨开，如图2所示。
3)将铁素体不锈钢环1的待与玻璃进行封接的一端端部用CNC加工成3°倾角。
4)将上述步骤制备好的不锈钢环1和玻璃3进行封接(参考图3所示)。封接的具体方法为：
a)将金属在湿氢炉里进行氧化处理，温度在800～1200℃之间。在这个温度下，湿氢使金属环表面形成一层氧化层，这样的氧化层有利于玻璃和金属之间的结合。
b)在高温下进行封接，此时玻璃的粘度低，可以与金属环上已经制备好的氧化层浸润和熔合。
c)对封接件进行冷却处理。
本实施例中，玻璃管的膨胀系数为3.1×10-6m/(m.K)，铁素体不锈钢的膨胀系数为10×10-6m/(m.K)。玻璃管的化学成分是(均为质量分数)：75％的氧化硅，15％的氧化硼，5％的氧化钠和5％的氧化铝；铁素体不锈钢的化学成分是(均为质量分数)：19.6％的铬，0.4％的镍和80％的铁。
本实施例制备的玻璃与金属的封接结构，经过4万次60℃到500℃冷热交替循环测试无损坏。
实施例2：
本实施例的玻璃与金属的封接结构的制备方法，包括如下步骤：
1)将铁素体不锈钢环1的待与玻璃进行封接的一端端部安装到带锥度的涨口胎具2上， 如图1所示。
2)将不锈钢环1向胎具2方向推进，使其端部涨开，如图2所示。
3)将铁素体不锈钢环1的待与玻璃进行封接的一端端部用CNC加工成2°倾角。
4)将上述步骤制备好的不锈钢环1和玻璃进行封接，如图3所示。具体的封接方法与实施例1相同。
本实施例中，玻璃管的膨胀系数为3.4×10-6m/(m.K)，铁素体不锈钢的膨胀系数为12×10-6m/(m.K)的。玻璃管的化学成分是(均为质量分数)：85％的氧化硅，10％的氧化硼，2％的氧化钠和3％的氧化铝；铁素体不锈钢的化学成分是：16.8％的铬，0.2％的镍和83％的铁。
本实施例制备的玻璃与金属的封接结构，经过4万次60℃到500℃冷热交替循环测试，无损坏。而使用奥氏体不锈钢环制作的豪斯基伯封接，经过1万次60℃到500℃冷热交替循环测试就已经损坏了。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (7)

1.一种玻璃与金属的封接结构，其特征在于，包含膨胀系数在3.1×10-6m/(m·K)至3.4×10-6m/(m·K)的玻璃管，以及与所述玻璃管封接的膨胀系数在10×10-6m/(m·K)至12×10-6m/(m·K)的铁素体不锈钢；所述玻璃管的化学成分按照质量分数是：75％～85％的氧化硅，10％-15％的氧化硼，2％-5％的氧化钠和1％-5％氧化铝；所述铁素体不锈钢的化学成分按照质量分数是：15％-22％的铬，低于0.5％的镍和超过70％的铁；所述铁素体不锈钢呈环状或管状，其与玻璃封接的一端带有锥度，所述锥度为0.5～5°。
2.如权利要求1所述的封接结构，其特征在于：所述玻璃与金属的封接类型为豪斯基伯封接。
3.一种制备权利要求1所述玻璃与金属的封接结构的方法，其步骤包括：
1)对呈环状或管状的铁素体不锈钢的一端进行减薄，
2)将减薄后的铁素体不锈钢与玻璃进行封接。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：使用带锥度的涨口胎具对铁素体不锈钢进行所述减薄。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：通过CNC加工的方法对铁素体不锈钢进行所述减薄。
6.一种包含权利要求1或2所述玻璃与金属封接结构的太阳能线性聚光集热器。
7.一种包含权利要求6所述太阳能线性聚光集热器的太阳能光热发电电站。
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