高膨胀合金介绍

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。

常用高膨胀合金有Cu60Zn40、 FeNi22Cr3，FeNi20Mn6、FeNi13Mn7 和Mn72Cr18Ni10合金。线膨胀系数分别为19×10^-6/℃、18.5×10^-6/℃， 21×10^-6/℃和21×10^-6/℃。用于热双金属主动层和控温敏感元件。

高膨胀合金主要用作热双金属片的主动层和控温敏感元件。热双金属的复合生产方法主要有已广泛使用的焊接热轧法和固相结合法，此外还有双浇法、熔合法、粉末法、镀层法、涂层法、爆炸法、电火花的非全面焊接法等多种方法。

高膨胀合金焊接热轧法

先把加热后的两层热双金属片放在一起强力热轧成一体，因易于分层后改为先将两层固定（焊合、包覆、铆接）、后热轧的方法。其中以焊接热轧法较好。该法是把精整好的两层坯料去除油污，用焊条沿周边焊合，热轧的第一道次变形率必须大于50%，该法属于热扩散、机械结合型结合机制。其缺点是坯料必须严格精整，若厚度公差漂移较大时，会造成同一炉号的制品因厚度比差异，带来比弯曲K的一致性差等问题。

高膨胀合金固相结合法

两种金属的结合面不形成任何液相体的金属结合，称冷结合，或固相结合。固相结合法的步骤如下。

①冷轧带坯表面抛毛 用钢丝刷钢带呈无光的“毛”态，除去表面氧化膜及其污物，露出“新鲜”金属，增加了钢带表面的活性，使钢带表面产生许多微观的凹凸不平，增加表面积。

②大压下率轧制结合压下率常为70%以上，使得组合层材料间彼此极其靠近，形成以机械咬合为主的较牢固的初结合。其压接温度应略超过结合材料的最低再结晶温度，但要远低于使金属结合面形成脆性化合物和液相物的温度。有人称此初结合为核结合。

③扩散烧结在保护气氛下进行扩散退火，使已经极为靠近的组合层材料接触面处的原子相互扩散，形成“金属键”相互吸引，达到牢固结合。

该三步式固相结合法省去了其他法的“刨床精整、焊接”工序，能成卷轧制，成材的厚度比较均匀，尺寸精度高、性能稳定、成本低，已为各国所应用。

热双金属经冷轧和冲剪成元件后，必须进行时效性稳定化热处理，其处理温度要比元件使用中遇到的最高温度高出10～50℃，保温1～2h，升、降温速度勿快。拟定稳定化热处理制度时，还应考虑材料的构成、元件的形状、大小。若有黄铜或锰基合金时，处理温度要低；若元件的厚度小于1mm时，处理温度应低。因热处理过程中，元件要作自由弯吐，尤其是螺旋形元件，故在热处理时元件间应留有距离。蝶形跳跃式元件因其冷变形率较大、内应力较大，则应进行充分的稳定化热处理，但温度不能过高，可增加保温时间或处理次数。如有可能，在元件装配后，应连同相关的零部件，甚至整体装配件一起进行热处理，因为其他零部件在加工过程中也会产生内应力，也能影响元件动作的稳定性。

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。

1．膨胀系数小

因瓦合金也叫不胀钢，其平均膨胀系数一般为1.5×10-6℃，含镍在36%是达到1.8 ×10-8℃，且在室温－80℃~100℃时均不发生变化。

2．强度、硬度不高

因瓦合金含碳量小于0.05%，硬度和强度不高，抗拉强度在517Mpa左右，屈服强度在276Mpa左右，维氏硬度在160左右，一般可以通过冷变形来提高强度，在强度提高的同时仍具有良好的塑性。

3．导热系数低

因瓦合金的导热系数为0.026～0.032cal/cm·sec·℃ ， 仅为45钢导热系数的1/3-1/4。

4．塑性、韧性高

因瓦合金的延伸率和断面收缩率以及冲击韧性都很高，延伸率 δ= 25-35%，冲击韧性αK=18-33公斤 米/厘米2。

5．其它性能