RKS.061.25.1754型號(hào)外齒高硬度轉(zhuǎn)盤(pán)軸承 |
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機(jī)械配件用某型號(hào)軸承在電裝前的存儲(chǔ)階段發(fā)生嚴(yán)重腐蝕,軸承表面鍍金層表面及其與陶瓷絕緣子的焊接位置表面大片區(qū)域發(fā)生變色,并呈放射狀向周?chē)鷶U(kuò)散。RKS.061.25.1754型號(hào)軸承殼體材料為FeCo、Ni、Au,焊接區(qū)為AgCu焊料,陶瓷絕緣子為Al2O3;而同批次同型號(hào)相同工藝材料的殼體及焊接區(qū)表面完好。該器件的存儲(chǔ)環(huán)境溫度為22℃,濕度為50%。為查明腐蝕原因,避免類(lèi)似事故再次發(fā)生,本文通過(guò)腐蝕形貌觀察、腐蝕產(chǎn)物能譜分析、制樣鏡檢、軸承及SEM等理化檢驗(yàn)方法對(duì)失效原因進(jìn)行了分析。 一、理化檢驗(yàn)與結(jié)果 ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 1、宏觀檢查 對(duì)失效件進(jìn)行宏觀檢查,發(fā)現(xiàn)圖1標(biāo)識(shí)區(qū)域?yàn)樽兩顕?yán)重區(qū)域,其表面腐蝕變色形貌如圖1b所示。從圖中可見(jiàn):LD激光器鍍金層表面大片區(qū)域發(fā)生腐蝕變色,并呈放射狀向四周擴(kuò)散。另外,部分引腳焊盤(pán)的周邊也存在腐蝕變色現(xiàn)象。圖片 a)整體形貌 b)局部腐蝕變色形貌 圖1 LD激光器的宏觀形貌 2、微觀分析 采用掃描電子顯微鏡對(duì)激光器表面形貌進(jìn)行檢查,結(jié)果如圖2所示,變色區(qū)Ⅰ表面的腐蝕形貌,鍍金層表面附著有大量疏松腐蝕產(chǎn)物;未變色區(qū)Ⅱ表面的局部放大形貌,鍍層表面潔凈、結(jié)構(gòu)未見(jiàn)異常。圖片 a)變色與未變色形貌 b)Ⅰ與Ⅱ處放大 表1 軸承表面不同區(qū)域EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%) 圖片 ![]() 在圖2所示位置對(duì)激光器表面的腐蝕產(chǎn)物及未變色區(qū)域進(jìn)行能譜(EDS)的對(duì)比分析,結(jié)果如表1所示。能譜分析結(jié)果表明:腐蝕產(chǎn)物主要含C、O、S、Ag、Cu、Au等元素,而未變色區(qū)域主要成分為Au,且不含S、Ag、Cu,據(jù)此推測(cè)鍍金層表面變色區(qū)域附著的腐蝕產(chǎn)物的物相可能為Ag、Cu的硫化物。 3、金相檢測(cè) 將上述軸承灌封后沿引腳軸向進(jìn)行磨拋,對(duì)軸承表面變色區(qū)的鍍層完整性進(jìn)行金相檢查。圖3a為殼體與陶瓷絕緣體焊接位置附近低倍金相形貌,其鍍層變色區(qū)域與焊接區(qū)域的高倍金相形貌如圖3b、3c所示。由圖3b可知,殼體表面變色位置的鍍金層與鍍鎳層完整致密,未見(jiàn)鍍層破損脫落或腐蝕通道;但在殼體變色位置與陶瓷絕緣子的焊接界面處發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象,開(kāi)裂位置及金相形貌如圖3c所示。另外,從圖3d中開(kāi)裂位置高倍金相形貌可以看出,在焊接位置頂端,陶瓷絕緣子與焊料表面鍍層結(jié)合處較為疏松。 圖片 a)低倍金相形貌 b)Ⅰ處高倍金相形貌 圖片 c)Ⅱ處高倍金相形貌 d)Ⅲ處高倍金相形貌 圖3 焊接區(qū)剖面金相形貌 ![]() 4、掃描電鏡物相分析 使用掃描電子顯微鏡與能譜分析儀,對(duì)殼體鍍層表面的腐蝕產(chǎn)物與陶瓷絕緣子-焊料焊接界面的形貌與成分進(jìn)行檢測(cè)。陶瓷絕緣子與殼體焊接位置的形貌如圖4所示,裂紋從陶瓷絕緣子內(nèi)部穿過(guò)陶瓷絕緣子表面的mo-mo層擴(kuò)展到焊料。 ![]() 基于上述電鏡觀察及物相分析的結(jié)果,再結(jié)合兩處變色剖面及同批次同型號(hào)未變色剖面的差異。通過(guò)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)激光器表面變色主要是由于陶瓷絕緣子與焊接區(qū)之間存在貫穿裂紋,為腐蝕介質(zhì)進(jìn)入界面及AgCu焊料的遷移提供了通道。另外,在焊接位置頂端,陶瓷絕緣子與焊料表面鍍層結(jié)合處較為疏松,更加有利于腐蝕介質(zhì)的進(jìn)入及AgCu焊料的遷出。 焊接區(qū)的AgCu焊料沿裂紋遷移至殼體表面后發(fā)生了爬行腐蝕,即在含硫物質(zhì)的作用下生成大量Ag、Cu的硫化物,并在Ag、Cu的暴露面上及其周?chē)鷶U(kuò)散、堆集,從而導(dǎo)致激光器表面大片區(qū)域發(fā)生變色。且空氣中的含硫物質(zhì)可引起Ag、Cu的爬行腐蝕,而界面位置開(kāi)裂就會(huì)加快氣體介質(zhì)的進(jìn)入,使Ag、Cu的爬行腐蝕速度加快。 失效激光器的陶瓷/可伐封接工藝為:陶瓷絕緣子表面燒結(jié)Mo層后鍍Ni,后與AgCu焊料進(jìn)行焊接。但Ni的富集會(huì)導(dǎo)致鉬的海綿強(qiáng)度下降,造成AgCu焊料焊接陶瓷時(shí)強(qiáng)度較低,且鉬層本身強(qiáng)度較低,因而容易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。 圖片 三、結(jié)論與建議 ![]() 綜合兩處變色剖面與未變色剖面的差異以及分析結(jié)果表明:陶瓷與焊接界面位置開(kāi)裂,導(dǎo)致AgCu焊料發(fā)生爬行腐蝕,致使外齒轉(zhuǎn)盤(pán)軸承表面大片區(qū)域發(fā)生變色。 而未發(fā)生失效現(xiàn)象的同批次同型號(hào)軸承在陶瓷絕緣子內(nèi)部也發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象,但裂紋沒(méi)有擴(kuò)展至焊接界面,后續(xù)仍存在裂紋擴(kuò)展至界面的風(fēng)險(xiǎn)。宇航用元器件發(fā)射過(guò)程中存在外力沖擊,太空服役環(huán)境下存在溫度循環(huán),都可能使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展并導(dǎo)致封裝結(jié)構(gòu)失效。鑒于上述現(xiàn)象和應(yīng)用背景,提出以下建議: (1)對(duì)于類(lèi)似結(jié)構(gòu)的陶瓷/可伐封接器件,用Ag焊料或Cu焊料焊接,可保證焊接強(qiáng)度較高,降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。 (2)建議陶瓷絕緣子表面燒結(jié)金屬Wu,代替本身強(qiáng)度較低的金屬鉬。 |
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