因瓦合金发展现状及应用前景

摘 要:简要介绍典型的因瓦合金主要特点及应用, 介绍膨胀合金的重要品种, 传统的典型因瓦合金及应用, 以及在

新技术发展情况下, 因瓦合金作为老材料的新应用发展。

关键词:因瓦合金;膨胀合金;新用途

1 因瓦合金的性能及特点

因瓦合金属于膨胀合金类别,膨胀合金是指在应用中对膨胀系数 α有特定要求的一类精密合金 。它在精密合金中占有很大比重 ,不仅应用数量大、产品价值也较高 。它在电子工业中的应用非常广泛 ,电子管 、晶体管集成电路以及电容 、继电器等都要用到膨胀合金 ,近年来电子工业的迅速发展 ,膨胀合金用量很大。本文着重介绍传统的典型因瓦合金及应用, 以及在新技术发展情况下,因瓦合金作为老材料的新应用发展 。

1.1 因瓦合金简介

含镍 36%的 Ni-Fe合金具有很低的膨胀系数 , 因其尺寸几乎不随温度变化而被称为因瓦合金 ,性能显示如图 1所示 Fe-Ni合金的因瓦区在 Ni为 36. 5%附近, 凡偏离该成分都会引起合金 αT值得增加 。故准确控制镍含量是获得因瓦合金的关键

[ 1] 。 与因瓦合金相对应的国内典型牌号为 4J36 合金 ,含 35.0% ～ 37.0%Ni、余为 Fe的低膨胀合金, 在 -60 ～ 100℃内具有很小的膨胀系数,居里点较高, 低温组织稳定性良好。

1.2 因瓦合金性能

因瓦合金的主要性能如表 1 ～ 3所示 。

2 因瓦合金传统应用

2.1 因瓦合金用于制作显示器荫罩

因瓦合金具有低膨胀系数而用于制作显示器荫罩 。因其热膨胀系数接近为零的特点 ,因瓦合金被日益广泛用于荫罩的生产。荫罩作为显像管的一个关键器件 , 其材料选择是否合适将直接影响清晰度的提高 。人们将注意力集中在因瓦合金上 , 主要因为因瓦合金的膨胀系数小, 从室温到 100℃约为 1.1 ×10-6 /℃[ 2 ～ 4 ] 。 对于因瓦合金荫罩的成形加工进行了应用基础方面的研究 。荫罩通常在 200℃下冲压成形 。在此温度下坯料受冲压力作用容易产生变形, 当变形量恰到合适的程度 , 才有可能在解除冲压力后恢复至室温设计要求的形状和尺寸, 最终成为合格的产品 。如图 2所示。

2.2 因瓦合金用于热双金属低膨胀层

热双金属片是一种用于实现温度控制的比较简单的自控元件, 它是由两层热膨胀系数不同的金属 (或合金 )组成,膨胀系数大的一层为主动层, 热膨胀系数小的一层为被动层。热双金属的被动层用因瓦合金, 其热膨胀系数为 (1.8 ～ 4.8)×10-6 /℃。如图 3所示。

2.3 因瓦合金用于电子元器件封接材料

因瓦合金代替铂用作于玻璃封接的引丝, 大大的降低了成本 。引线框架和电真空管如图 4 。

2.4 因瓦合金用于机械设备部件

因瓦合金主要用于环境温度波动时要求尺寸近于恒定的元件, 以保证使用精度。如精密仪器、仪表中的元件 -精密天平的臂 ,标准钟的摆杆 、摆轮 ,长度标尺, 大地测量基准尺 ,各种微波谐振腔, 微波通讯的波导管 ,标准频率发生器等发面 。其次因瓦合金在液态天然气 、液态氢、液态氧的储罐与运输管道上和在热双金属被动层中的应用量都比较大。

3 因瓦合金新用途

3.1 因瓦合金特点在新领域的扩展

进入21世纪之后, 随着航天技术的飞速发展 ,因瓦合金新的应用还包括用在航天遥感器、精密激光、光学测量系统和波导管中作结构件、显微镜、天文望远镜中巨大透镜的支撑系统和需要安装透镜的各种各样科学仪器中。总之 ,随着因瓦合金不断应用于人造卫星 、激光、环形激光陀螺仪和其他先进的高科技产品 ,有力地表明因瓦合金这些材料正在帮助现代科学向更高水平迈进 。 LNG运输产品如图 5所示。

3.2 因瓦合金新用途

(1)因瓦合金用于LNG运输船 。因瓦合金特有的低膨胀性能 ,使在海洋长途运输 LNG产品中得到极大应用 ,在海洋运输中时间长 、温差大 , 如果采用因瓦合金作为罐体材料 ,可以有效抵御高温照射、低温环境、昼夜温差带来的罐体体积变化和焊缝开裂危险,导致产生危险 。因瓦合金具有很低的热膨胀系数, 所以用作液化天然气的贮罐 。

(2)因瓦合金用于特殊传输电缆 。电缆传输是目前研究的热点 ,也是传输技术的发展方向。高强度因瓦合金作为电力电缆材料 ,其需求量日益增长, 高强度因瓦合金线是可靠性极强的材料 ,从熔炼到加工都必须加以严格控制 ,可大幅度地提高其捻回值特性。新近开发成功的 Fe-Ni-Co合金,他利用了马氏体组织相变 ,使合金具有很高的强度和捻回值[ 5] 。

(3)因瓦合金用于卫星定位仪。卫星定位技术 (GPS),由美国研制、开发,主要用于军事, 航海等方面。最近我国已经开始建立自己的 GPS系统, 并引入到石油勘探、开发过程中,同时已经成为大地测量的主要技术手段 , 也是最具潜力的全能型技术,在矿山测量 、控制测量 、工程测量、环境监测、防灾减灾以及交通运输工具的导航方面发挥着重要的作用 。因瓦合金制成的线尺或带尺上,用于较短距离的精密测量 。如图 6所示 。

(4)因瓦合金可以提高离子激光器稳定性 。美国 Carpenter技术公司为 Coherent激光器公司研制了低膨胀系数的铁 、镍 、钴棒材。这种高级的因瓦合金 32 -5因其具有低的热膨胀系数和高热质而用于离子激光装置中的谐振器,保证确定激光器中的光学谐振腔镜子的临界准线[ 7] 。

(5)因瓦合金用于电子装置封装热控制用复合材料。一些新型先进的复合材料, 较之传统的电子封装热控制材料 ,具有非常高的导热性(比铜高1倍以上), 一定的低热膨胀系数,重量节省高达80%, 非常高的强度和刚度, 近终形的制造工艺, 可使生产成本减低 65%。近年来也开发了一些新型金属 -金属复合材料 , 包括因瓦合金 -银、因瓦合金 -铜。铜 -因瓦合金 -铜在承受很大热变动或机械应力的场合下可能显示出更好的性能[ 6] 。

(6)因瓦合金用于液晶显示屏制作 。如图 7所示。 图 7 液晶显示屏制作用材料

(7)因瓦合金用于计时装置 。计时装置在为改进前使用黄铜和钢, 使用锌和铁的同心管作为锌铁管摆杆, 改进方法后使用因瓦合金作为其计时装置的摆杆 ,这种材料具有小的膨胀系数, 温度变化产生的影响甚微, 可以非常容易的补偿。

4 因瓦合金研究发展

因瓦合金作为重要的镍合金品种 ,在应用领域不断扩大的情况下, 围绕因瓦合金和因瓦效应开展的研究工作一直没有间断过 。

(1)因瓦效应一直被凝聚态物理界关注, 其中晶格动力学方面的研究可以从微观角度和动态角度来解释因瓦效应的机理, 因此倍受重视 。Y.Endoh 等曾用非弹性中子散射方法系统地研究了铁基晶态因瓦合金 Fe3Pt, Fe65Ni35 和 Fe70M n30的声子色散关系, 在这些合金中均发现了低频声学支在居里温度 TC或奈耳温度 TN以下变软的现象 。他们认为这种软化现象起因于因瓦合金中存在着增强的电子 -声子相互作用 , 而这种相互作用又与因瓦合金费米能级附近的电子态密度有关。非晶态因瓦合金是否也有类似的声子软化现象是人们普遍关注的问题 。非晶态 Fe90Zr10合金具有显著的因瓦效应, 加入 CO对因瓦效应有很大影响 。

(2)研究了 Fe-Ni-CO-Al-C系因瓦合金的成分,热处理和冷加工对其强度和热膨胀系数的影响 。供试验用因瓦合金的成分含 C在 0.0%之 0.27%, Ni31.67% ～ 36.08%, CO9.85%至 9.91%, Al2.31% 至 3.52%范围内变化 ,由真空熔炼法生产。试样经固溶,时效热处理 ,采取不同变形率的冷拔拉丝加工 , 研究了力学性能和热膨胀系数。结果表明 ,为了获得高于通常钢丝的强度(﹥ 1500MPa)合金含 C量必须高于 0.2%。通过调整热处理条件和冷加工条件 ,可得到不同性能。含时效元素 Al量不同的合金 ,可通过调整 Ni含量来得到大致同等的强度。

(3)美国卡彭特技术公司新近开发成功一种热膨胀系数极小的低膨胀铁镍合金“ CarperterSuperIn- var32 -5”,它含有 Fe66%, Ni32%, CO5.5%和少量 Mn、Si、C。这一低膨胀合金已用于离子激光器的谐振腔,之所以选用这一合金是因为该合金的热膨胀系数低而且热质量高 。该合金系奥氏体固溶态合金,在-55 ～ 95℃温度范围内具有最低的热膨胀系数 。该合金用于离子激光器的谐振腔后 ,可有效地提高激器的工作性能。 

(4)日本山阳特殊钢公司, 开发成功了一种高压输电线芯线用的超高强度新型因瓦合金 “ INVAR- H3 ” 。它较之其公司因瓦合 “ INVAR-Z3”, 不仅具有较高的强度特性 ,而且保持了优良的抗扭转特性。

(5)通过中子散射方式对因瓦无序合金 Fe65 Ni35 ,因瓦有序合金 Fe3 Pt以及非因瓦无序合金 Fe50Ni50的旋转动力性进行了研究。发现两种因瓦合金显示共同不规则的动态特性。明确磁振组可以检测到居里温度。自旋波的刚度常数 D(T)随温度的变 化为 D(T){=}D0 (1 -CT5 /2 )。尽管在实际中, 磁 振子激发可以解释非因瓦合金的综合强度测量 ,但是它只能解释约一半的因瓦合金磁化温度变化。

5 结 论

(1)因瓦合金作为低膨胀合金材料自诞生以来已经有一百多年的历史了 ,由于其特殊的性能在室温附近有很低的平均线膨胀系数, 组织性能稳定, 因瓦合金被用于精密仪器上,随着不断的发展 , 被用于航空等众多领域上 。现在仍在不断的探索研究其更多更广泛的应用及其领域。

(2)随着因瓦合金的发展 ,在国民经济包括国防工业中都占有很重要的地位,随着时代的进步和人民物质生活水平的提高, 因瓦合金用量也会有大幅度的增长 ,因瓦合金除具有低膨胀特性外 ,还要求具有高强度 ,以及适应不同环境条件(腐蚀和无磁条件 )应用的综合特性 ,这还需在日后工作应用中更进一步的研究 。

(3)因瓦合金在电子元器件的封接材料 、显示器用荫罩等传统应用方面已经使用成熟 , 应用良好 ,并在新领域航天遥感器 、精密激光 、光学测量系统及一些精密科学仪器中发展应用 。因此作为老牌号的因瓦合金 ,其性能特殊 , 围绕因瓦合金和因瓦效应研究也应不断开展,不断扩大其应用领域 。