膨胀合金解析

1、膨胀合金(Expanding metal) 膨胀合金概述 膨胀合金分类和特征 Fe-Ni系膨胀合金 Fe-Ni-Co系膨胀合金 Fe-Ni-Cr系膨胀合金 Fe-Cr系膨胀合金 其它膨胀合金1第1页1. 膨胀合金概述 (1) 金属和合金热膨胀 热膨胀物理本质与金属原子热振动相关。金属合金晶体内部原子呈周期排列结构，称为空间点阵。引力和斥力相等时原子间势能为最低，按双原子模型，二原子间势能可简单地表示为图1 原子间势能曲线 按式(1)势能曲线如图1所表示。图中A点为势能最低点，所对应为平衡距离r0。当温度升高时，原子在A点附近振幅加大，因为势能曲线并不对称，随温度升高，平衡位置沿AB改变，则r0

2、增大。故通常金属和合金都是显示受热而膨胀。(1)2第2页 在某温度下，它平衡距离r0可由式(1)一阶导数等于零求得，即(2) 宏观上金属与合金在加热或冷却时，尺寸和体积发生改变，这种因为温度改变造成尺寸和体积改变现象，称为热膨胀。表征金属与合金热膨胀主要参数是膨胀系数。 长度为L、体积为V金属或合金，当温度改变为dT时，长度改变为dL, 体积改变为dV，则定义线膨胀系数为 体膨胀系数为(3)(4)3第3页 大部分金属膨胀系数与其熔点成反比，高熔点金属膨胀系数小；低熔点膨胀系数大。1896年，法国吉欧姆发觉Fe-36.5Ni合金在室温范围内，尺寸不随温度而改变现象，取名为因瓦效应(Invar来自

3、于Invariable，意为不变)，之后，类似低膨胀系数合金相继问世。(2) 反常热膨胀 普通金属与合金膨胀系数随温度改变规律为正常热膨胀。但一些金属和合金，如镍和铁镍合金膨胀系数随温度改变规律与之不一样，图2所表示为反常热膨胀。镍膨胀系数在居里点附近异常增大，叫正反常；而Fe-35Ni合金在居里点附近膨胀系数显著减小，可靠近零甚至负值，称负反常，也叫因瓦反常。图2 反常热膨胀(虚线为正常膨胀)4第4页 可见，反常膨胀合金与其铁磁性亲密相关。在居里温度以上含有与普通合金类似正常热膨胀，而在居里温度以下则出现反常热膨胀。 饱和磁化强度改变能够看成是晶格热振动和磁致伸缩随温度发生改变这两部分叠加结

4、果。因瓦合金含有很大由磁转变产生对应体积改变，伴伴随较大体积收缩，抵消了由晶格振动加剧产生正常热膨胀值，即发生体积磁致伸缩。但随温度提升饱和磁化强度急剧下降，在居里点以上合金转变为顺磁性，磁性行为引发负膨胀原因消失，膨胀系数增大到正常值。 还有一些反铁磁合金，在居里点以下温度也含有反常热膨胀，如铬基和钯基合金。铬基加工性能差，钯为贵金属，所以未作商业应用，但仍是一个潜在发展方向。 中国膨胀合金采取汉语拼音和数字结合编号方法，比如：4JXX(数字)，J是拼音Jing(精)。5第5页 膨胀合金按合金系列分类便于了解同类合金冶炼、加工、结构等性质，可分为：Fe-Ni、Fe-Ni-Co、Fe-Ni-C

5、r、Fe-Ni-Cu、Fe-Cr系。按用途和特征分类则便于使用。(1) 低膨胀(因瓦)合金 其(20100)1210-6-1，主要用作热双金属主动层和控温敏感元件。热双金属(片)是由两层或两层以上含有不一样热膨胀系数金属材料沿层间接触面牢靠地按合在一起片状复合材料。含有高膨胀系数合金作主动层，含有低膨胀系数合金作被动层。8第8页 图3是热双金属片随温改变示意图。在室温时状态，是平直图3a；加热时，它将变成图3b形状，这是因为组成热双金属片两层材料含有不一样热膨胀系数，含有高膨胀系数主动层，受热时伸长较大，而含有低膨胀系数被动层伸长较小，因为两层是牢靠地结合在一起，所以，加热时使热双金属片向被动

6、层方向弯曲；冷却时则相反，它将弯曲成图3c形状。因为热双金属片在温度改变时发生弯曲，从而产生一定图3 热双金属片随温度改变示意图推力和位移，利用这一功效，热双金属片可实现热-机械能转换。 热双金属片被广泛地用作温度测量及自动控制设备中热敏元件、传感器元件，实现温度指示，温度控制，程序控制和温度赔偿等功效。9第9页 主动层材料应选取含有大膨胀系数高膨胀合金。在被动层材料确定情况下，主动层材料膨胀系数越高，热双金属片热敏感性越好。另外，要求两层合金都应含有较高熔点和良好焊接性，含有相近弹性模量E且值很高。同时，要确保在较宽温度范围内不发生可逆相变，不然因为相变体积效应引发膨胀系数改变，造成热双金属

7、片弯曲功效下降。被动层材料含有较小热膨胀系数。 普通选取Ni36、Ni42、Ni50合金作为热双金属片被动层材料，这3种材料最高使用温度范围分别为：180200，340370，450480。 热双金属片热灵敏度，电阻率，弹性模量和线性温度范围是其性能要求基本要素。热双金属片热灵敏度表示热双金属片因为温度改变而发生弯曲程度，由热双金属片组合层线膨胀系数差值所决定。当热双金属片厚度一定时，组合层线膨胀系数差值越大，热灵敏度10第10页越高，当两层厚度比为1:1时，可取得最大热灵敏度。 电阻率表示热双金属片抵抗电流经过时特征参数，按电阻率大小，热双金属片分为高、中、低电阻率类型。弹性模量是计算热双金

8、属元件推力、力矩、内应力必要参数。线性温度范围是热双金属片弯曲位移量与温度成线性关系温度范围。在此温度范围内，热双金属片含有最大热敏感性。这个温度范围大小主要取决于组成热双金属片金属材料膨胀特征和居里温度Tc。 热双金属合金以5JXXXX表示，依据用途和特征可分为： 1) 普通型 用于普通用途控制元件，普通自动控制装置，工作温度不太高。牌号有5J1378，5J1480，5J1578等。 2) 高敏感型 这类热双金属在温度改变不大时，产生弯曲值却很大，所以对信号灵敏度高。它含有高敏感、高电阻特征，但耐蚀性差，且弹性模量E值低，这类热双金属有5J等。11第11页 3) 特定电阻率型 这类热双金属主

9、要用于自动断流器等方面，要求含有一定电阻率值，用于低电阻型有5J1017、5J1416，中间夹镍或铜层组成。用于高、中电阻型牌号有5J、5J14140、5J1578或5J1480等。 4) 高温型 高温型用于控制较高温度自动装置中，合金牌号有 5J0756、5J1070等，5J0756线性温度范围为0400，5J1070 线性温度范围为20350。 5) 耐蚀型 耐蚀型用在腐蚀性介质或蒸汽疏水阀等潮湿性气氛中工作电动控制装置中，牌号有5J1075等。有时也可在普通型热双金属片外表面包复一层薄耐蚀合金，以到达耐蚀目标。(4) 其它封接合金 用于电子工业要求有高强度、高弹性、高导电、高导热和无磁性

10、12第12页要求，如无磁封接合金、高导电导热封接合金等。 因为封接合金用量很大，而钴价格又比较昂贵，所以研制了低钴封接合金，如Ni36Co5Cu3合金可与陶瓷封接，Ni36Co9合金与玻璃封接。无磁或弱磁封接合金有：Fe-Mo弱磁瓷封接合金、Fe-Ni、Fe-Ni-Cr系软玻璃封接合金。一些大功率半导体、金属陶瓷封接器件不但要求合金含有小膨胀系数，而且要求导热、导电性好、能与铜、硅钎焊。 在Fe-Ni系合金中加入wAg=3%，它710-6-1。使Fe-Ni合金电阻率能够从0.810-6 m降到0.1510-6 m。加铜也可使电阻率降低。这两种合金在300时膨胀系数与Ni29Co18合金及Ni3

11、3Co14合金相近，而导电、导热率却比它们高5倍。13第13页 Fe-Ni膨胀合金包含低膨胀系数4J36合金和一定线膨胀系数4J42、4J43、4J50、4J52、4J54和4J58合金。(4J表示膨胀合金，后面数字，代表镍质量分数)。Fe-Ni系膨胀系数、居里点，取决于合金化学成份。在居里点温度以下，镍质量分数范围为3658。 含镍34%以下合金，因为存在和两相组织，膨胀系数与成份关系较复杂；在镍20%左右，显示膨胀系数极高，可作高膨胀合金；升至36以后，膨胀系数出现最低值，最低膨胀系数在不一样温度与不一样合金成份相关。超出最低点以后，3. Fe-Ni系膨胀合金 图4 不一样温度下Fe-Ni

12、系合金膨胀系数与镍含量关系膨胀系数随成份增加而增加，wNi50，膨胀系数随成份增加变缓。14第14页(1) 4J36合金 1) 4J36合金性能 4J36合金在230以下，到-253，都含有极低膨胀系数，称为因瓦合金。合金含有良好力学性能和一定耐蚀性，居里温度约230。常温下，合金为奥氏体组织，高于此温度成为非磁性，膨胀系数增大。合金膨胀系数见表2。温度范围/膨胀系数/(10-6 -1)温度范围/膨胀系数 /(10-6 -1)-196201.38212002.45-129181.98212503.61-60211.76213005.16-40211.75213506.52-20211.6221

13、4007.800211.58214508.8821501.06215009.73211001.402155010.37211501.932160010.9715第15页 硅使合金居里点下降，碳、锰使膨胀系数升高。所以，在确保加工性要求下，应尽可能降低这些元素含量。加入wSe=0.10.4和wMn=0.5%1.5%，可改进合金切削性能，称易切削因瓦合金。 2) 4J36合金应用 4J36合金主要用于制造尺寸恒定，不随气温改变仪器和装置。 精密仪器、仪表零件，光学仪器零件，精密天平臂，标准钟摆轮，钟表赔偿摆。 长度标尺、刻线尺、大地测量用丝。 谐振腔、微波通信波导管、标准频率发生器、波长计。 等效

14、电容器、可变电容器叶片和支承杆、电容器温度赔偿线。 热双金属被动层、气体和燃料阀门、温度过载保护开关中热敏元件。16第16页 赔偿气缸活塞间隙，轻金属与钢零件连接间温度赔偿以确保温度改变时密封。 利用其导热性差，在真空器件、电子管中作消气剂杯、隔热支架、挡板、阴极引线。 低温和超低温空间技术下液氧(-183)、液氢(-253)储存罐和运输管。(2) 4J42、4J45、4J50、4J52、4J54合金 此几个膨胀合金居里点随镍含量升高而升高，成份范围决定于膨胀合金性能，其使用温度和膨胀性能列于表3。牌号4J424J454J504J524J54最高使用温度/3403703904204504804

15、80500520550/(10-6 -1)(室温约300)4.44.66.57.78.810.09.811.010.211.4/(10-6 -1)(室温约300)5.46.66.57.78.810.09.811.010.211.417第17页 这些合金大部分都作为软玻璃和陶瓷封接或热双金属组件。 1) 4J42：用于棒状热双金属，热双金属被动层，集成电路引线框架，密封插头，与软玻璃封接，表面涂银后可与陶瓷封接，与钼合金用于薄壁环封接。 2) 4J45：精密阻抗膜片，与蓝宝石、软玻璃、陶瓷封接，作铸铁焊条。 3) 4J50：热双金属被动层，湿簧、干簧继电器，精密阻抗膜片，软玻璃封接，精密长度尺。

16、 4) 4J52：软铅玻璃封接，电视机玻璃封接，小型电子管引线，焊铸铁焊条，功率管螺旋栅支架。 5) 4J54：软铅玻璃封接，电视机玻璃封接，焊铸铁焊条，云母封接。(3) 4J43合金(覆铜Fe-Ni合金)18第18页 4J43膨胀合金在380以下温度范围内，含有一定膨胀系数，专门用作覆铜Fe-Ni合金丝，普通称杜美丝，广泛用于软玻璃封接灯泡、电子管引线。因为其轴向和径向膨胀系数不一样，丝直径普通为0.20.8nm。 4J43合金膨胀系数低于软玻璃膨胀系数，导电性也差。经过覆铜以后，可使其径向膨胀系数基本上与软玻璃一致，同时使导电性和导热性都大大提升。在铜层外再涂上一层与玻璃成份靠近硼酸盐，在

17、与软玻璃封接时将有良好浸润性。覆铜层厚度要按4J43合金膨胀系数和尽可能靠近软玻璃膨胀系数标准经过计算得到。4J43合金膨胀系数见表4。 经覆铜以后其轴向和径向膨胀系数见表5。温度范围/13501310013150132001325013300133501340013450135001355013600/(106-1)6.026.105.895.785.555.525.455.856.707.488.318.99表4 4J43合金膨胀系数19第19页室温/约100约200约300约350约400约450约500轴向7.206.426.086.106.707.638.46径向9.268.968.

18、868.899.3710.1810.89表5 覆铜4J43合金丝膨胀系数 (单位： 10-6-1) 覆铜4J43合金丝直径受0.8mm限制，表面硼酸层易受潮，可用其它合金部分代之，如在Fe-Ni合金中加入铜Ni41Cu9合金可与软玻璃封接，制造显像管、110V/15W或220V/100W指示灯、220V/100W普通灯泡。其室温300和室温400膨胀系数分别为(8.409.50)10-6-1和(5.509.60)10-6-1。(4) 4J58合金 4J58合金在600以下温度范围含有一定膨胀系数合金，在气温改变范围内，与铜膨胀系数基本一致，被称作稳定因瓦合金。18600膨胀系数见表6。20第2

19、0页温度范围/18501810018150182001825018300183501840018450185001855018600/(10-6-1)10.6011.3111.5611.5111.5811.7311.7911.9212.0112.0712.0612.28表6 4J58合金膨胀系数 该合金使用要有良好稳定性，要求尺寸在长久使用保持稳定(合金应尽可能降低碳及其它杂质含量，碳及杂质是尺寸不稳定原因)；加工中要尽可能减小内应力；要有良好抛光和刻线性能，刻线面要求达0.025m表面粗糙度，刻面不能有缺点；材料要求硬韧适当。21第21页 该系列包含低膨胀系数4J32合金，与硬玻璃、陶瓷封接

20、合金4J29、4J31、4J33、4J34等，其中4J29合金用量最大。适量钴代替相Fe-Ni合金中镍可提升合金居里点而不增加膨胀系数。对封接合金要求合金Ar3最少在-80或-100以下以保持相组织，以此为标准钴量称最正确钴含量，此含量与锰、碳间关系可按下式估算： wCo=1.55wNi+Co+3wMn+18wC-55% 无钴膨胀系数=5.110-6-1Fe-42Ni合金，弯曲点温度350；最正确含钴量为18%(质量分数)，Ni+Co总质量分数为46.5Fe-Ni-Co合金含有一样膨胀系数，其弯曲点温度为430。(1) 4J32合金 4J32合金是在Fe-36Ni合金基础上用一部分钴代替镍而发

21、展而来，在-6080温度范围内其膨胀系数比Fe-36Ni合金低二分之一。其在-100以下使用时，组织稳定性不如Fe-36Ni合金，4J32合金膨胀系数列于表7。4. Fe-Ni-Co系膨胀合金22第22页表7 4J32合金膨胀系数温度范围/膨胀系数/(10-6 -1)温度范围/膨胀系数/(10-6 -1)-6020-0.92162503.20-4020-0.8163004.88-2021-0.69163506.41020-0.74164007.7016500.52164508.76161000.86165009.61161501.351655010.26162002.011660010.80

22、4J32合金主要用于微波技术中谐振腔体L-C振荡电路电容器，腔体容积恒定取决于材料低膨胀特征和尺寸稳定性。(2) 4J29合金23第23页 4J29合金被称为“可伐合金” (Kovar)，含wNi=29和wCo=17%，在-80450温度范围，与一些高硅硼硬玻璃膨胀系数一致，被广泛用于高真空玻璃-金属气密封接。如高频功率管、整流管、X射线管底座或阳极引出帽、晶体管和集成电路底盘、引出线或支架等，与高Al2O3陶瓷封接制作陶瓷管。4J29合金膨胀系数见表8。温度范围/膨胀系数/(10-6 -1)温度范围/膨胀系数/(10-6 -1)-6020-7.8173005.3-4020-7.8173505

23、.2-2021-8.0174005.1020-7.8174505.317506.5175006.2171006.4175507.1171506.2176007.8172005.9177009.2172505.61780010.3表8 4J29合金膨胀系数 24第24页(3) 4J31、4J33、4J34陶瓷封接合金 随超高频电真空器件发展，含有机械强度高、耐高温、尺寸精密、介电性能强、介质损耗小陶瓷已逐步替换玻璃材料。含95%以上Al2O3高氧化铝瓷陶瓷被广泛地应用于超高频电真空器件。4J31、4J33、4J34合金除膨胀系数与4J29稍有不一样外，其它性能基本一致。它对于95%Al2O3陶瓷

24、点阵膨胀系数比4J29合金有更加好匹配。 图5是4J34合金与4J29合金和95%Al2O3陶瓷膨胀曲线比较。95%Al2O3陶瓷与99%Al2O3陶瓷性能虽有差异，但其膨胀系数基本相同。图5 95%Al2O3陶瓷、4J29和4J34膨胀曲线25第25页 4J31、4J33合金膨胀系数与4J34合金在室温到600间膨胀系数基本类似，见图6。 4J31、4J33、4J34、Ni27Co25合金与95%(质量分数)AI2O3陶瓷室温至600温度范围膨胀参数见表9。图6 4J31、4J33、4J34合金膨胀曲线(4) 4J30合金 4J30合金是在Fe-Ni-Co系基础上加入0.28%铜Fe-Ni-

25、Co-Cu合金，在-70400温度范围内，膨胀系数与钼相近，性能和工艺性与Fe-Ni-Co合金类似。主要用于与DW-211、DW-270等钨组电真空玻璃封接，制造磁控管、调速管以及开关输入输出窗等。4J30合金膨胀系数见表10。26第26页温度范围/4J314J334J34Ni27Co2595Al2O3室温约507.546.947.90-室温约1007.617.057.708.805.8室温约1507.267.127.54-室温约2007.076.907.348.706.2室温约2506.806.536.92-室温约3006.606.346.798.396.6室温约3506.466.156.5

26、8-室温约4006.296.066.447.966.9室温约4506.196.106.31-室温约5006.736.886.537.657.2室温约5506.427.647.23-室温约6008.107.347.828.327.4 表9 4J31、4J33、4J34、Ni27Co25合金和95(质量分数)Al2O3陶瓷膨胀系数 27第27页温度范围/19501910019150192001925019300193501940019450195001955019600/(10-6-1)4.194.524.294.083.783.683.694.065.026.117.057.86表10 4J30

27、合金膨胀系数(5) 4J44和4J46合金 因为钴需进口，4J44和4J46合金是低钴用于硬玻璃封接Fe-Ni-Co系合金。其成份和膨胀系数分别列于表11和12。合金CPSMnSiNiCoCuFe4J440.030.020.020.40.334.235.28.59.5余量4J460.050.020.020.40.336.537.55.06.03.04.0余量合金牌号平均线膨胀系数/(10-6-1)室温约200室温约300室温约400室温约500室温约6004J444.35.34.35.14.65.26.46.9-4J46-5.56.55.66.67.08.09.5表11 4J44和4J46合金

28、化学成份 表12 4J44和4J46合金膨胀系数 28第28页 Fe-Ni-Cr系合金是在Fe-Ni系合金基础上，为提升合金膨胀系数，以适应一些软玻璃封接需要而发展合金系列。这一系列合金包含4J46、4J47、4J48和4J49。加入铬后合金膨胀系数与Fe-Ni系4J42膨胀系数比较列于表13。5. Fe-Ni-Cr膨胀合金 合金牌号主要成份()线膨胀系数/(10-6-1)NiCrFe室温约300室温约4004J4242-585.06.04J6426528.010.04J47471528.38.54J48474498.79.04J49476478.99.7表13 Cr对Fe-Ni合金膨胀系数提

29、升29第29页 合金中铬在空气中加热时易氧化，生成绿色或灰绿色氧化膜，此氧化膜致密性好，与基体结合牢靠，而且易被铅玻璃所润湿，使封接更牢靠，所以成为主要软玻璃封接材料。如作电子束管阳极帽，尾端引出线，密封电容器绝缘子引出线，小型管芯柱等。4J6、4J47、4J48和4J49膨胀系数见表14。合金室温膨胀系数/(10-6-1)约50约100约150约200约250约300约350约400约450约500约550约6004J6205.726.806.656.997.057.718.619.6710.3711.0811.6512.184J47207.928.668.678.588.458.348.2

30、48.268.519.149.7210.034J48208.498.718.708.618.528.528.429.009.6310.3910.8711.324J49208.408.999.099.048.918.918.079.6210.2810.8911.3711.76 表14 4J6、4J47、4J48和4J49合金膨胀系数 4J6合金是Fe-Ni-Cr系代表牌号，在该系列中出现最早，应用也最广，世界上许多国家都在生产与之成份类似合金。30第30页6. Fe-Cr系膨胀合金 Fe-Cr合金膨胀系数与铬含量关系在铬摩尔分数达24%，300900都出现一个极小，见图7。当铬摩尔分数到达40%

31、50%时，因为出现新相，膨胀系数出现极大。图7 Fe-Cr合金膨胀系数与铬含量关系 早期Fe-Cr合金作为不锈钢使用，20世纪40年代开使作为封接材料使用。当前，在17Cr-Fe和28Cr-Fe合金基础上，加入少许钛、镍、钼、钒合金元素，用来稳定组织，细化晶粒，提升合金抗氧化性和耐蚀性，合金稳定组织都是铁素体。代表合金如4J18、4J28合金。 4J18合金铬质量分数在18左右，有少许钛、钼、钒，从-50到1200温度范围中为稳定铁素体组织；4J28合金因其处于稳31第31页定铁素体区，所以含wNi0.5，不加其它合金元素。这两种合金膨胀系数列于表15。 4J18合金用于软玻璃封接，4J28合

32、金与铂组玻璃膨胀曲线一致,可用于软玻璃封接，制造电子束管阳极帽或大功率整流管引出线。合金线膨胀系数/(10-6-1)约50约100约150约200约250约300约350约400约450约500约550约6004J188.969.709.9010.1510.1710.2910.4210.7010.8711.1011.2911.354J288.829.669.829.9710.0710.2210.3310.5410.7510.7610.9710.99表15 4J18和4J28合金膨胀系数 32第32页7. 其它膨胀合金 (1) 其它因瓦低膨胀合金 1) 不锈因瓦合金4J9 含有良好耐蚀性低膨胀合

33、金，称为“不锈因瓦膨胀合金”，此合金膨胀系数趋近零或为负，但低膨胀系数温度范围较狭窄，含钴量高，价格贵。其为Fe-Co-Cr类合金，表16是铁、钴、铬、镍含量与膨胀系数关系。CoFeCrNi20/(10-6-1)-63.5-36.51.254.536.59.00.254.037.59.0-1.254.536.09.50.554.036.59.50.053.537.09.5-0.853.037.59.5-0.654.535.510.00.554.036.010.00.053.536.510.0-0.553.037.010.00.2表16 Fe-Co-Cr合金膨胀系数与成份(质量分数)关系 33第

34、33页 4J9合金各元素质量分数为：0.024碳、0.005磷、0.0068硫、0.08硅、0.2锰、53.35钴、9.1铬、余铁，其低膨胀系数范围在-60-100，见表17。温度范围/-6021-4021-2021021215021100211502120021250213002140021500 /(10-6-1)-0.61-0.63-0.68-0.67-0.660.422.665.547.348.8611.0412.94表17 4J9合金膨胀系数 2) 高强度低膨胀合金 4J35合金在-100100有较低膨胀系数高强度弥散硬化型合金。合金元素质量分数为：碳(0.05%)、硅(0.5%)、锰(0.20.4%)、镍(34%35%)、钴(56%)、钛(2.22.8%)余铁，是高钴Fe-Ni合金。合金膨胀系数列于表18。温度范围/-100202010020200203002040020500 /(10-6-1)3.03.66.29.211.212.5表18 4J35膨胀系数 34第34页 3)