Ковар (Kovar): уникальный металлический сплав контролируемого расширения

Ковар (Kovar): уникальный металлический сплав контролируемого расширения

Сплавы контролируемого расширения — Инвар, Ковар, Зеродур, представляют группу технических материалов, специально разработанных для обеспечения низкого коэффициента теплового расширения. Эти сплавы используются там, где требуется высокая термическая стабильность, например, на высокоточных токарных станках, измерительном оборудовании и т.п. Ковар (Kovar) – сплав трёх металлов: железа, никеля, кобальта. Разработан специально под соответствие коэффициенту теплового расширения стойкого боросиликатного стекла под воздействием теплового импульса.

Где находит применение уникальный сплав?

Ковар (Kovar) обладает одинаковым коэффициентом теплового расширения, что и боросиликатное стекло. Поэтому материал используется в качестве уплотнения между металлическими и стеклянными компонентами, работающими при различных температурах. К таким применениям относятся области:

  • электроники,
  • оптики,
  • фотоники,
  • аэрокосмической промышленности.

В основном, материал используется здесь для изготовления корпусов стеклянных компонентов:

  • вакуумных ламп,
  • кожухов рентгена,
  • микроволновых трубок,
  • ламп,
  • кожухов лазеров и других элементов.

Так, например, из серии эксклюзивных изделий можно отметить выводные рамки космических телескопов, изготовленных из материала Ковар (Kovar).

Окисление поверхностей деталей сплава Ковар

Фактически Ковар (Kovar), также нередко упоминаемый как сплав ASTM F15, UNS K94610, Fe-29Ni-17Co, представляет аустенитный аллотроп железа (аустенит). Так называемый аустенит или гранецентрированное кубическое железо содержит 29% никеля, 17% кобальта, некоторое количество хрома, кремния и углерода, иного железа с гранецентрированной кубической  микроструктурой.

Анодное соединение разрабатывалось как метод прочного соединения проводящих материалов, таких как Ковар (Kovar) и стекло. Метод анодного соединения связывает металл со стеклом, содержащим ионы, путём нагревания образцов при относительно низкой температуре.

Обычной практикой является окисление поверхности деталей сплава для улучшения свариваемости с боросиликатным стеклом. Методология позволяет заключать в металлические сборки электронные части — пьезоэлектрические и микрофлюидные датчики.

Типичные физические и механические свойства на Ковар

Физические свойства сплава отмечены следующими показателями:

  • плотность сплава составляет 0,021 кг/см2,
  • удельный вес 8,36,
  • температурная точка Кюри для этого вида металла — 435°C.

Критическая температурная точка плавления отмечена параметром 1450°C. Удельная теплоёмкость приближается к значению 0.105 кал /г/м на градус в условиях температуры 0°C и 0.155 кал/г/м на градус при температуре 430°C. Теплота плавления составляет 64 кал/г, степень теплопроводности — 17,3 Вт/м·K, а электрическое сопротивление равно — 490 мкОм/мм.

Что касается свойств механических, здесь внимания заслуживают такие показатели, как модуль сдвига (7.5 · 106) и модуль упругости (20 · 106). Также интерес представляют максимальная прочность (5273 кг/см2), предел текучести (3515 кг/см2) и температурная точка перегиба (430°C).

Также из механических свойств уникального сплава следует отметить коэффициент Пуассона, равный 317, свойства удлинения до 30%, скорость распространения звука внутри структуры – 4968 м/сек., степень твёрдости по Роквеллу – 78.

Особенности термической обработки металла Ковар (Kovar)

По причинам влияния на фактическую структуру материала, существует различие между термической обработкой материала для облегчения изготовления и термической обработкой материала для обеспечения оптимальных условий применения. Например, для герметизации, гальваники, пайки.

С целью съёма напряжений, как правило, используется технология отжига металла. Так, отжиг применяется для снятия напряжений и наклёпа деталей на промежуточных этапах изготовления. Специальная технология отжига используется при операциях кручения, формования, волочения.

При термической обработке отжигом

  1. Промыть и обезжирить детали.
  2. Отжигать в печи с контролем атмосферы, как правило, влажного или сухого водорода, диссоциированного аммиака, крекинг-газа или аналогичной нейтральной атмосферы.
  3. Температура отжига не критична; однако следует избегать высоких температур (выше 900°C) или длительных периодов времени (более 60 минут). Обработка с отходом от параметров способствует росту зерна. Типичный цикл: 850°C в течение 30 минут.
  4. Детали следует выдержать при температуре в течение указанного времени, после чего охладить печь до температуры ниже 175°C, что позволит избежать окисления и / или теплового удара (деформаций).

 

При термической обработке для окисления

  1. Использовать надлежащие методы очистки, обезжиривания и чистки деталей погружением.
  2. Окисление — термообработка в электропечи при температурах от 850°C до 900°C, пока детали не приобретут вишнёво-красный цвет. Продолжительность цикла нагрева составляет примерно 3 минуты, но по причинам температурной разницы во влажных помещениях и в печах, указанный цикл может варьироваться.
  3. Снизить интенсивность нагрева до 10°C в минуту. При охлаждении деталей образуется оксид. Полученный оксид может иметь окраску, от светло-серого цвета, до чёрного цвета. Обычно чёрный цвет характеризует чрезмерное окисление, поэтому такой подход не всегда желателен для получения качественного соединения стекла и металла.