低热膨胀合金简介

室温附近线膨胀系数低于4×10/℃的铁基、钴基、铂基热膨胀合金，包括经典的因瓦合金(FeNi36)、超因瓦合金(FeNi31C05)、不锈因瓦合金(C054Cr9Fe)及FePt53合金。后者在一40℃附近具有最大负值线膨胀系数(一35×10/℃)，在0～40℃温度范围为一2．7×10/℃。不锈因瓦合金线膨胀系数低于超因瓦合金，耐海水腐蚀。不锈因瓦合金和FePt53合金的线膨胀系数对化学成分非常敏感，而且主要元素为稀贵元素，因此用量很少，尤其是FePt53合金几乎无实用价值。

性能及影响因素主要合金及性能列于表。影响热膨胀合金性能的最主要因素是化学成分，其次是内应力。铁镍基合金中，镍 钴总量为36%时，线膨胀系数最低。总量为34%或39%时，线膨胀系数都高于2．5×10/℃。膨胀曲线的弯曲点几乎与镍 钴总量成正比，因此在-40℃附近使用时选用FeNi34合金，在300℃以上使用时选用镍含量高于42%的铁镍合金，因为它们在相应温度下具有较低的线膨胀系数，尽管在室温附近线膨胀系数高于FeNi36合金。不锈因瓦合金对化学成分波动更是敏感，比如同是退火态，钴含量也相同，只是一个含铁37%、含铬9%，另一个含铁36．5%、含铬9．5%，前者室温附近的线膨胀系数为-1．2×10/℃，后者为0.05×10/℃内应力可以降低热膨胀合金的线膨胀系数，例如冷变形和切削加工，或是加热到高温后快冷，都使合金线膨胀系数降低。然而随着时间的推移，内应力释放，膨胀系数又升高，因此快冷必须结合低温回火，才能保证性能稳定。

中国低膨胀合金牌号及退火态性能 应用开发 法国是全世界低膨胀合金工业化最早的国家，也是生产牌号最多的国家，有标准因瓦合金、超级因瓦合金、大地测量因瓦合金、低温因瓦合金及ADR等牌号。日本生产的低热膨胀合金牌号也较多，除了因瓦合金、超因瓦合金、不锈因瓦合金以外，最近又开发了高强度低热膨胀合金和无磁低热膨胀合金，其中MGA-13T合金和KEL-52合金室温至100℃的平均线膨胀系数为2．5×10/℃，抗拉强度达1100MPa；KEL-11为非铁磁性，室温至100℃的平均线膨胀系数低于0.5×10/℃。低热膨胀合金主要用于微波设备的谐振腔、彩色显像管的荫罩、标准尺、大地测量丝、精密天平臂梁、精密电容器片、液态天然气贮罐和输送管道、热双金属被动层，以及要求尺寸恒定的精密仪器仪表元件。中国于1958年开始研制低热膨胀合金，1960年开始批量生产，不久就开发了多种牌号低热膨胀合金，扩大了生产规模，到60年代中期，不仅按照国家标准供应全国用户，而且还能满足某些用户的特殊要求，例如线膨胀系数低于0.5×10/℃或低于3×10/℃，而抗拉强度高于1000MPa，不含钴的低热膨胀合金。上面所提到的低热膨胀合金，除日本开发的KEL-11以外，都是铁磁性材料，而一些电子设备和精密仪表元件，如录音录像磁头的支架、彩色显像管零件、电子显微镜零件、核反应堆附近的测量仪表零件等，使用的低热膨胀合金应当是非铁磁性的。使用的大部分低热膨胀合金是铁镍基，韧性高，切削过程不断屑，严重地降低车削速度，而且降低加工件的表面质量，因此不得不在合金中加入硒、钙、铅、硫等元素，从而出现了切削因瓦合金。切削因瓦合金中这些元素的总添加量不得超过0.25%，否则低热膨胀合金的热膨胀性能和延展性都受到很大影响。标准频率发生器和波长计等精密器件，既要求恒弹性又要求低热膨胀特性，有待于研究开发。

1896年法国物理学家C.E.Guialme发现了一种奇妙的合金，这种合金在磁性温度即居里点附近热膨胀系数显著减少，出现所谓反常热膨胀现象（负反常），从而可以在室温附近很宽的温度范围内，获得很小的甚至接近零的膨胀系数，这种合金，称为低膨胀合金。这种合金的组成是64%的Fe和36%的Ni，呈面心里方结构，其牌号为4J36，它的中文名字叫殷钢，英文名字叫因瓦合金（invar），意思是体积不变又名不膨胀钢。

具有反常热膨胀特性的一种精密合金，又称热膨胀合金，广泛用于电子工业、精密量具、精密仪表和低温工程等领域。一般的金属和合金受热时膨胀，膨胀量随温度的升高呈线性增加，但有些合金的热膨胀曲线在某一温度出现弯曲点（不同斜率两线段切线的交点，如图1中的Tk所示），在弯曲点以下的热膨胀系数比弯曲点以上的正常热膨胀系数低得多，这种现象称为反常热膨胀特性。 膨胀合金分低膨胀合金和定膨胀合金，后者又称封接合金。低膨胀合金在弯曲点以下的平均膨胀系数低于3×10-6℃-1；定膨胀合金在弯曲点以下的平均膨胀系数约为(4～10)×10-6℃-1。膨胀合金主要有Fe-Ni系、Fe-Ni-Co系和Fe-Ni-Cr系合金等,高铬钢和Co-Fe-Cr系合金也用作膨胀合金，但用量不大。膨胀合金除具有特定的热膨胀系数外，根据不同用途还要求有良好的封接性、可焊性、耐蚀性、可加工性和易切削性，并且在使用温度范围内不允许有引起膨胀特性明显变化的相变。膨胀合金在制造工艺过程中必须准确控制合金的化学成分，其产品一般为棒材、板材、带材、丝材和管材。

高膨胀合金，一般在室温至100℃ 温度范围内具有很高的膨胀系数，其平均线膨胀系 数高于15×10^-6/℃。在元素周期表中，由Ni、Co、 Fe等过渡族元素组成的某些合金，由于它们的铁磁 性在一定的温度范围内具有被称为因瓦效应的反常 热膨胀行为，因而可以获得各种不同膨胀系数的合 金。膨胀合金主要有Fe-Ni系、Fe-Ni-Co系、Fe-NiCr系等，广泛应用于仪器仪表和电真空技术、集成 电路。膨胀合金除具有特定的膨胀系数外，根据不 同用途还要求有良好的封接性、可焊性、耐蚀性、可 加工性和易切削性，并且在使用温度范围内不允许 有引起膨胀特性明显变化的相变。其产品一般为棒 材、板材、带材、丝材和管材。亦称热膨胀合金。

广泛用做工程技术领域 中使用的测温元件。 高膨胀合金很少单独使用，几乎都与低膨胀合金组 元配对复合成热双金属使用。