膨脹合金

1896年法國物理學家C.E.Guialme發(fā)現(xiàn)了一種奇妙的合金，這種合金在磁性溫度即居里點附近熱膨脹系數(shù)顯著減少，出現(xiàn)所謂反常熱膨脹現(xiàn)象（負反常），從而可以在室溫附近很寬的溫度范圍內(nèi)，獲得很小的甚至接近零的膨脹系數(shù)，這種合金，稱為低膨脹合金。這種合金的組成是64%的Fe和36%的Ni，呈面心里方結(jié)構(gòu)，其牌號為4J36，它的中文名字叫殷鋼，英文名字叫因瓦合金（invar），意思是體積不變又名不膨脹鋼。

1．膨脹系數(shù)小

因瓦合金也叫不脹鋼，其平均膨脹系數(shù)一般為1.5×10-6℃，含鎳在36%是達到1.8 ×10-8℃，且在室溫－80℃~100℃時均不發(fā)生變化。

2．強度、硬度不高

因瓦合金含碳量小于0.05%，硬度和強度不高，抗拉強度在517Mpa左右，屈服強度在276Mpa左右，維氏硬度在160左右，一般可以通過冷變形來提高強度，在強度提高的同時仍具有良好的塑性。

3．導熱系數(shù)低

因瓦合金的導熱系數(shù)為0.026～0.032cal/cm·sec·℃ ， 僅為45鋼導熱系數(shù)的1/3-1/4。

4．塑性、韌性高

因瓦合金的延伸率和斷面收縮率以及沖擊韌性都很高，延伸率 δ= 25-35%，沖擊韌性αK=18-33公斤 米/厘米2。

5．其它性能

具有反常熱膨脹特性的一種精密合金，又稱熱膨脹合金，廣泛用于電子工業(yè)、精密量具、精密儀表和低溫工程等領(lǐng)域。一般的金屬和合金受熱時膨脹，膨脹量隨溫度的升高呈線性增加，但有些合金的熱膨脹曲線在某一溫度出現(xiàn)彎曲點（不同斜率兩線段切線的交點，如圖1中的Tk所示），在彎曲點以下的熱膨脹系數(shù)比彎曲點以上的正常熱膨脹系數(shù)低得多，這種現(xiàn)象稱為反常熱膨脹特性。 膨脹合金分低膨脹合金和定膨脹合金，后者又稱封接合金。低膨脹合金在彎曲點以下的平均膨脹系數(shù)低于3×10-6℃-1；定膨脹合金在彎曲點以下的平均膨脹系數(shù)約為(4～10)×10-6℃-1。膨脹合金主要有Fe-Ni系、Fe-Ni-Co系和Fe-Ni-Cr系合金等,高鉻鋼和Co-Fe-Cr系合金也用作膨脹合金，但用量不大。膨脹合金除具有特定的熱膨脹系數(shù)外，根據(jù)不同用途還要求有良好的封接性、可焊性、耐蝕性、可加工性和易切削性，并且在使用溫度范圍內(nèi)不允許有引起膨脹特性明顯變化的相變。膨脹合金在制造工藝過程中必須準確控制合金的化學成分，其產(chǎn)品一般為棒材、板材、帶材、絲材和管材。

1.鐵鎳鈷玻封合金 FeNi29Co17

牌號:4J29( Kovar) 也叫可伐合金（Fe54%、Ni29%和Co17%），其膨脹系數(shù)為4.7×10－6/℃。

執(zhí)行標準:YB/T 5231-93

用途:用于制作與硬玻璃匹配封接的。適用于發(fā)射管、振蕩管、引燃管、晶體管以及管封插頭、繼電器外殼等電真空器件。在-60℃~ 40O℃溫度范圍內(nèi)具有一定的線膨脹系數(shù)，能與硬玻璃進行匹配牢固封接。

供貨狀態(tài)：帶材，線材,圓鋼,鍛件

2.瓷封合金 牌號:Vacodil42, 4J42，4J33,4J34

執(zhí)行標準:YB/T 5234-93

用途:用于制作與陶瓷封接的.適用于電真空器件與95% Al2O3陶瓷的匹配封接。在-60℃~ 600℃溫度范圍內(nèi)具有與95%Al2O3陶瓷相近的線膨脹系數(shù).

供貨狀態(tài)：帶材，線材,圓鋼,鍛件.

3.低膨脹合金 FeNi36, FeNi32CO4Cu，Invar,因瓦合金

牌號:4J32,4J36 4J38,4J40 ，執(zhí)行標準:YB/T 5241-93 產(chǎn)品性能特點是主要用于:制作在環(huán)境溫度變化范圍內(nèi)對尺寸有高精度要求的儀表零件用4J32,4J36合金和高溫低膨脹4J40合金及易切削4J38合金。4J36它的熱膨脹系數(shù)很低,能在很寬的溫度范圍內(nèi)保持固定的長度。

由于因瓦合金含鎳較高，提高了鋼的淬透性和可淬性，提高了鋼的耐氣性，耐蝕性和耐磨性。 通過因瓦合金的化學成分、金相組織及機械、物理性能分析可知，因瓦合金的切削加工性與奧氏體不銹鋼類似，但比奧氏體不銹鋼還要難加工，故因瓦合金在加工中主要具有切削力大、切削溫度高、刀具磨損快等特點，因而因瓦合金在加工過程中，出現(xiàn)軟、粘和很大的塑性，切屑不易折斷，增加了切屑和前到面的摩擦，加劇了刀具的磨損，這樣不僅降低了刀具的耐用度，而且降低了工件的加工精度，因而在加工因瓦合金加工時，必須采用高性能的硬質(zhì)合金涂層刀具和新的加工方法，才能使切削加工順利進行，只要方法得當，就可使難加工的因瓦合金變得很容易加工。

低膨脹合金大都應用于在一定的環(huán)境溫度要求尺寸近似恒定的元器件中。主要有：(1)精密儀器儀表，光學儀器中的元件，如精密天平的臂，標準件的擺桿，擺輪，鐘表的外補償?shù)龋?2)長度標尺。大地測量基線尺；(3)各種諧振腔，微波通訊的波導管，標準頻率發(fā)生器等；(4)標準電容器的葉片和支承桿等；(5)液態(tài)天然氣，液態(tài)氫，液態(tài)氧等的儲蓄罐和運輸管道；(6)熱雙金屬片的被動層；(7)高分辨率陰極射線管(顯象管)中的陰罩；(8)宇航工業(yè)復合材料零件的模子；(9)用于人造衛(wèi)星，激光，環(huán)形激光陀螺儀及其他先進的高科技產(chǎn)品。

高膨脹合金，一般在室溫至100℃ 溫度范圍內(nèi)具有很高的膨脹系數(shù)，其平均線膨脹系 數(shù)高于15×10^-6/℃。在元素周期表中，由Ni、Co、 Fe等過渡族元素組成的某些合金，由于它們的鐵磁 性在一定的溫度范圍內(nèi)具有被稱為因瓦效應的反常 熱膨脹行為，因而可以獲得各種不同膨脹系數(shù)的合 金。膨脹合金主要有Fe-Ni系、Fe-Ni-Co系、Fe-NiCr系等，廣泛應用于儀器儀表和電真空技術(shù)、集成 電路。膨脹合金除具有特定的膨脹系數(shù)外，根據(jù)不 同用途還要求有良好的封接性、可焊性、耐蝕性、可 加工性和易切削性，并且在使用溫度范圍內(nèi)不允許 有引起膨脹特性明顯變化的相變。其產(chǎn)品一般為棒 材、板材、帶材、絲材和管材。亦稱熱膨脹合金。

廣泛用做工程技術(shù)領(lǐng)域 中使用的測溫元件。 高膨脹合金很少單獨使用，幾乎都與低膨脹合金組 元配對復合成熱雙金屬使用。

室溫附近線膨脹系數(shù)低于4×10/℃的鐵基、鈷基、鉑基熱膨脹合金，包括經(jīng)典的因瓦合金(FeNi36)、超因瓦合金(FeNi31C05)、不銹因瓦合金(C054Cr9Fe)及FePt53合金。后者在一40℃附近具有最大負值線膨脹系數(shù)(一35×10/℃)，在0～40℃溫度范圍為一2．7×10/℃。不銹因瓦合金線膨脹系數(shù)低于超因瓦合金，耐海水腐蝕。不銹因瓦合金和FePt53合金的線膨脹系數(shù)對化學成分非常敏感，而且主要元素為稀貴元素，因此用量很少，尤其是FePt53合金幾乎無實用價值。

性能及影響因素主要合金及性能列于表。影響熱膨脹合金性能的最主要因素是化學成分，其次是內(nèi)應力。鐵鎳基合金中，鎳 鈷總量為36%時，線膨脹系數(shù)最低?？偭繛?4%或39%時，線膨脹系數(shù)都高于2．5×10/℃。膨脹曲線的彎曲點幾乎與鎳 鈷總量成正比，因此在-40℃附近使用時選用FeNi34合金，在300℃以上使用時選用鎳含量高于42%的鐵鎳合金，因為它們在相應溫度下具有較低的線膨脹系數(shù)，盡管在室溫附近線膨脹系數(shù)高于FeNi36合金。不銹因瓦合金對化學成分波動更是敏感，比如同是退火態(tài)，鈷含量也相同，只是一個含鐵37%、含鉻9%，另一個含鐵36．5%、含鉻9．5%，前者室溫附近的線膨脹系數(shù)為-1．2×10/℃，后者為0.05×10/℃內(nèi)應力可以降低熱膨脹合金的線膨脹系數(shù)，例如冷變形和切削加工，或是加熱到高溫后快冷，都使合金線膨脹系數(shù)降低。然而隨著時間的推移，內(nèi)應力釋放，膨脹系數(shù)又升高，因此快冷必須結(jié)合低溫回火，才能保證性能穩(wěn)定。

中國低膨脹合金牌號及退火態(tài)性能 應用開發(fā) 法國是全世界低膨脹合金工業(yè)化最早的國家，也是生產(chǎn)牌號最多的國家，有標準因瓦合金、超級因瓦合金、大地測量因瓦合金、低溫因瓦合金及ADR等牌號。日本生產(chǎn)的低熱膨脹合金牌號也較多，除了因瓦合金、超因瓦合金、不銹因瓦合金以外，最近又開發(fā)了高強度低熱膨脹合金和無磁低熱膨脹合金，其中MGA-13T合金和KEL-52合金室溫至100℃的平均線膨脹系數(shù)為2．5×10/℃，抗拉強度達1100MPa；KEL-11為非鐵磁性，室溫至100℃的平均線膨脹系數(shù)低于0.5×10/℃。低熱膨脹合金主要用于微波設(shè)備的諧振腔、彩色顯像管的蔭罩、標準尺、大地測量絲、精密天平臂梁、精密電容器片、液態(tài)天然氣貯罐和輸送管道、熱雙金屬被動層，以及要求尺寸恒定的精密儀器儀表元件。中國于1958年開始研制低熱膨脹合金，1960年開始批量生產(chǎn)，不久就開發(fā)了多種牌號低熱膨脹合金，擴大了生產(chǎn)規(guī)模，到60年代中期，不僅按照國家標準供應全國用戶，而且還能滿足某些用戶的特殊要求，例如線膨脹系數(shù)低于0.5×10/℃或低于3×10/℃，而抗拉強度高于1000MPa，不含鈷的低熱膨脹合金。上面所提到的低熱膨脹合金，除日本開發(fā)的KEL-11以外，都是鐵磁性材料，而一些電子設(shè)備和精密儀表元件，如錄音錄像磁頭的支架、彩色顯像管零件、電子顯微鏡零件、核反應堆附近的測量儀表零件等，使用的低熱膨脹合金應當是非鐵磁性的。使用的大部分低熱膨脹合金是鐵鎳基，韌性高，切削過程不斷屑，嚴重地降低車削速度，而且降低加工件的表面質(zhì)量，因此不得不在合金中加入硒、鈣、鉛、硫等元素，從而出現(xiàn)了切削因瓦合金。切削因瓦合金中這些元素的總添加量不得超過0.25%，否則低熱膨脹合金的熱膨脹性能和延展性都受到很大影響。標準頻率發(fā)生器和波長計等精密器件，既要求恒彈性又要求低熱膨脹特性，有待于研究開發(fā)。