膨胀合金

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。

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

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.铁镍钴玻封合金 FeNi29Co17

牌号:4J29( Kovar) 也叫可伐合金（Fe54%、Ni29%和Co17%），其膨胀系数为4.7×10－6/℃。

执行标准:YB/T 5231-93

用途:用于制作与硬玻璃匹配封接的。适用于发射管、振荡管、引燃管、晶体管以及管封插头、继电器外壳等电真空器件。在-60℃~ 40O℃温度范围内具有一定的线膨胀系数，能与硬玻璃进行匹配牢固封接。

供货状态：带材，线材,圆钢,锻件

2.瓷封合金 牌号:Vacodil42, 4J42，4J33,4J34

执行标准:YB/T 5234-93

用途:用于制作与陶瓷封接的.适用于电真空器件与95% Al2O3陶瓷的匹配封接。在-60℃~ 600℃温度范围内具有与95%Al2O3陶瓷相近的线膨胀系数.

供货状态：带材，线材,圆钢,锻件.

3.低膨胀合金 FeNi36, FeNi32CO4Cu，Invar,因瓦合金

牌号:4J32,4J36 4J38,4J40 ，执行标准:YB/T 5241-93 产品性能特点是主要用于:制作在环境温度变化范围内对尺寸有高精度要求的仪表零件用4J32,4J36合金和高温低膨胀4J40合金及易切削4J38合金。4J36它的热膨胀系数很低,能在很宽的温度范围内保持固定的长度。

由于因瓦合金含镍较高，提高了钢的淬透性和可淬性，提高了钢的耐气性，耐蚀性和耐磨性。 通过因瓦合金的化学成分、金相组织及机械、物理性能分析可知，因瓦合金的切削加工性与奥氏体不锈钢类似，但比奥氏体不锈钢还要难加工，故因瓦合金在加工中主要具有切削力大、切削温度高、刀具磨损快等特点，因而因瓦合金在加工过程中，出现软、粘和很大的塑性，切屑不易折断，增加了切屑和前到面的摩擦，加剧了刀具的磨损，这样不仅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时，必须采用高性能的硬质合金涂层刀具和新的加工方法，才能使切削加工顺利进行，只要方法得当，就可使难加工的因瓦合金变得很容易加工。

低膨胀合金大都应用于在一定的环境温度要求尺寸近似恒定的元器件中。主要有：(1)精密仪器仪表，光学仪器中的元件，如精密天平的臂，标准件的摆杆，摆轮，钟表的外补偿等；(2)长度标尺。大地测量基线尺；(3)各种谐振腔，微波通讯的波导管，标准频率发生器等；(4)标准电容器的叶片和支承杆等；(5)液态天然气，液态氢，液态氧等的储蓄罐和运输管道；(6)热双金属片的被动层；(7)高分辨率阴极射线管(显象管)中的阴罩；(8)宇航工业复合材料零件的模子；(9)用于人造卫星，激光，环形激光陀螺仪及其他先进的高科技产品。

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。

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。