Kovar: Definition, Eigenschaften, Sorten und Anwendungen

Kovar, auch bekannt als ASTM F15-Legierung, ist eine Legierung mit kontrollierter Ausdehnung, die häufig für Metalldichtungen, Deckel, Leadframes und Gehäuseböden elektronischer Bauteile für hochintegrale Glas- und Keramikverbindungen verwendet wird. Kovar besteht aus Eisen, Nickel und Kobalt. Die Legierung wurde entwickelt, um den technologischen Anforderungen des Computer-, Mikrowellen-, Hydrid-, Halbleiter- und Weltraumzeitalters gerecht zu werden, und ist damit ein wichtiges Material für die Verteidigungs-, Luft- und Raumfahrt- sowie Telekommunikationsindustrie.

Dieser Artikel behandelt alles, was Sie schon immer über die Kovar-Legierung wissen wollten – von der Definition über die Ursprünge, Sorten und Eigenschaften bis hin zu konkreten Anwendungen.

Was ist Kovar?

Kovar ist eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung (Fe-Ni-Co-Legierung) mit austenitischem Gefüge, die üblicherweise einen silbergrauen Glanz aufweist. Typische Kovar-Legierungen enthalten 53 % Eisen, 29 % Nickel, 17 % Kobalt, weniger als 0,5 % Mangan, 0,2 % Silizium sowie insgesamt weniger als 0,25 % Aluminium, Magnesium, Zirkonium und Titan.

Ausdehnungslegierungen werden auch als Legierungen mit festgelegter Ausdehnung oder Einschmelzlegierungen bezeichnet. Es handelt sich um Legierungen mit einem relativ konstanten niedrigen oder mäßigen Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von -70 bis 500 °C.

Woher stammt Kovar?

Kovar ist auf den Ausdehnungskoeffizienten des zu verschmelzenden Materials wie Glas oder Keramik abgestimmt. Der Name „Kovar“ leitet sich aus einer Kombination der Nachnamen seiner Entwickler, Kovacs und Vakoma, ab.

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurde Platin als Einschmelzmaterial für die Verbindung mit Weichglas verwendet. 1896 stellte C.E. Guillaume in Frankreich die Invar-Legierung (36 Ni-Fe) her und leitete daraus die Platin ersetzende 46Ni-Fe-Einschmelzlegierung ab, die früheste Einschmelzlegierung. Anschließend wurde eine dünne Kupferschicht auf die Oberfläche der verbesserten Legierung aufgebracht, also 42 Ni-Fe-Draht (allgemein als Dumet-Draht bekannt), der als nicht angepasste Einschmelz-Zuleitung für Weichglas bis in die 1970er Jahre verwendet wurde.

Mit der Entwicklung der elektrischen Vakuumtechnik entstand Hartglas mit hohem Schmelzpunkt, guter thermischer Stabilität und geringerem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Zunächst wurde Molybdän für die Verbindung mit Hartglas verwendet, doch da Molybdän sehr hart und schlecht verformbar ist, ließ es sich nur schwer in komplexe Bauteilformen stanzen.

In den 1930er Jahren entstand die als Kovar (Fe-Ni-Co) bekannte Legierung für Hartglasverbindungen. Ihre Ausdehnungskurve stimmt sehr gut mit der von Hartglas überein, sodass die Einschmelzspannung auf einen sehr geringen Wert sinkt, und sie besitzt eine sehr gute Verformbarkeit: Sie lässt sich nicht nur zu dünnem Band walzen, sondern auch zu feinem Draht ziehen. Darüber hinaus entstanden Einschmelzlegierungen auf Fe-Ni-Cr-, Fe-Cr- und Fe-Ni-Cu-Basis für Weichglasverbindungen.

Woraus besteht Kovar?

Kovar-Legierungen sind Metalllegierungen aus Eisen, Nickel und Kobalt, typischerweise mit etwa 54 % Eisen, 29 % Nickel und 17 % Kobalt. Sie weisen einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Da ihr Wärmeausdehnungskoeffizient dem von Glas und Keramik ähnelt, werden sie häufig in der Einschmelz-, Elektronik- und Vakuumtechnik eingesetzt.

Was sind die wichtigsten Eigenschaften von Kovar?

Kovar ist eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung mit austenitischem Gefüge. Im Folgenden finden Sie die wichtigsten Eigenschaften von Kovar:

Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient: Kovar hat einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem der meisten Glasmaterialien sehr nahekommt. Das bedeutet, dass Kovar bei Temperaturschwankungen seine Maßstabilität behält, was es ideal für die Herstellung von Vakuumröhren, Halbleiterbauelementen, Kondensatoren und anderen hochpräzisen elektronischen Komponenten macht.

Gute mechanische Eigenschaften: Kovar weist eine hohe Festigkeit und Härte auf und eignet sich daher für die Herstellung hochpräziser Instrumente und Geräte. Darüber hinaus besitzt Kovar eine gute Zähigkeit und Zugfestigkeit und kann großen Stößen und Vibrationen standhalten.

Korrosionsbeständigkeit: Kovar widersteht gängigen Chemikalien, insbesondere in Hochtemperaturumgebungen, und seine Oxidationsbeständigkeit ist relativ gut. Dadurch ist es ein ideales Material für den Einsatz in korrosionsbeständigen Umgebungen.

Leichte Verarbeitbarkeit:Kovar lässt sich leicht verarbeiten und fertigen und kann durch Schmieden, Warmwalzen, Kaltwalzen und Schweißen geformt und bearbeitet werden. Dadurch eignet sich Kovar hervorragend für die Herstellung komplex geformter Teile und Komponenten.

Hervorragende Galvanisierbarkeit: Kovar-Oberflächen können mit Gold, Silber, Nickel, Chrom und anderen Metallen galvanisiert werden. Um die Leitfähigkeit für Hochfrequenzstrom zu verbessern und den Kontaktwiderstand zu senken, werden sie häufig mit Gold- und Silberbeschichtungen versehen. Nickel- oder Goldbeschichtungen können die Korrosionsbeständigkeit des Bauteils erhöhen.

Welche gängigen Sorten von Kovar gibt es?

4J29, K94610, 1.3981

Die Kovar-Legierung 4J29 ist ein Hochleistungswerkstoff aus etwa 70 % Eisen, 29 % Nickel, 0,5–1 % Kobalt und weiteren Spurenelementen mit einem sehr stabilen Ausdehnungskoeffizienten, der in anspruchsvollen Hightech-Anwendungen weit verbreitet ist. Sie eignet sich ideal für Elektronik, Luft- und Raumfahrt sowie Optik und wird zur Herstellung von elektronischen Gehäusen, Instrumenten- und Sensorgehäusen sowie Gehäusen für Laser- und Detektorkomponenten verwendet.

Bearbeitung der Ausdehnungslegierung 4J29

Die Kaltumformung umfasst Schritte wie Ziehen und Walzen. Da die Legierung 4J29 eine gute Duktilität und Zähigkeit aufweist, eignet sie sich für die Kaltumformung, um die gewünschte Form und Größe zu erzielen. Nach der Kaltumformung wird üblicherweise eine Spannungsarmglühung bei einer kontrollierten Temperatur von 600–700 °C durchgeführt, um die bei der Bearbeitung entstehenden inneren Spannungen abzubauen und die Materialstabilität zu verbessern.

Die Ausdehnungslegierung 4J29 wird häufig einer Lösungsglühung und einer Auslagerungsbehandlung unterzogen. Die Lösungstemperatur wird auf 800–900 °C geregelt, gefolgt von einer schnellen Abkühlung, um ein gleichmäßiges Gefüge der Legierung sicherzustellen. Die Auslagerungsbehandlung erfolgt durch Erwärmen bei einer mittleren Temperatur von 500–600 °C, um das Gefüge des Materials zu stabilisieren und so seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern.

Aufgrund des niedrigen Ausdehnungskoeffizienten von 4J29 kommt es beim Schweißen leicht zu einer Wärmespannungskonzentration. Es wird empfohlen, das WIG-Schweißen oder Laserschweißen zu verwenden und die Schweißtemperatur streng unter 900 °C zu halten, um ein übermäßiges Kornwachstum im Gefüge zu verhindern, das die mechanischen Eigenschaften des Materials beeinträchtigt.

Welche Haupteigenschaften hat Kovar?

Zugfestigkeit: Die Zugfestigkeit von Kovar-Legierungen beträgt 550–750 MPa. Bei hohen Temperaturen (z. B. 400 °C) nimmt die Zugfestigkeit ab, dennoch bleibt eine hohe Festigkeit erhalten, um die Leistungsanforderungen elektronischer Gehäuse in Hochtemperaturumgebungen zu erfüllen.

Streckgrenze: Die Streckgrenze von Kovar-Legierungen beträgt 300–500 MPa. Die höhere Streckgrenze ermöglicht es, Belastungen standzuhalten und dabei eine gute Maß- und Formstabilität zu bewahren.

Schmelzpunkt: Kovar-Legierungen haben einen Schmelzpunkt von etwa 1.300 °C bis 1.400 °C (2.372 °F bis 2.552 °F). Der hohe Schmelzpunkt der Legierung ermöglicht eine gute Strukturstabilität bei erhöhten Temperaturen und eignet sich daher für elektronische Gehäuse, Vakuumtechnik und Anwendungen im Hochtemperaturbetrieb.

Härte: Mit einer Härte von HRB 90–100 sind Kovar-Legierungen mäßig hart und weisen eine gute Verschleißfestigkeit auf, wodurch sie sich für verschleißfeste und hochtemperaturbeständige Umgebungen eignen.

Dichte: Mit einer Dichte von 8,4 g/cm³ sind Kovar-Legierungen mäßig dicht; ihre höhere Masse macht sie für Anwendungen geeignet, die ein relativ hohes Materialgewicht erfordern.

Elektromagnetische Eigenschaften: Aufgrund des hohen Nickel- und Kobaltanteils weisen Kovar-Legierungen hervorragende magnetische Eigenschaften auf und eignen sich besonders für bestimmte magnetische Komponenten und Geräte.

Schweißeignung: Kovar-Legierungen besitzen eine gute Schweißeignung und eignen sich besonders zum Schweißen mit anderen Metallen (Kupfer, Aluminium). Insbesondere im Bereich der Präzisionsgehäuse macht die gute Handhabbarkeit des Schweißprozesses sie zu einem idealen Werkstoff.

Dehnung: Die gute Dehnung von etwa 20–30 % macht Kovar-Legierungen für Präzisionsschweißen und -bearbeitung geeignet, während sie bei höheren Temperaturen eine gewisse Duktilität beibehalten, was sie für die Warmbearbeitung leicht handhabbar macht.

Wo wird Kovar eingesetzt?

Kovar-Legierungen finden in der modernen Industrie und Technik ein breites Anwendungsspektrum. Sehen wir uns einige der gängigsten Anwendungen an.

Elektronische Kapselung

Da sein Wärmeausdehnungskoeffizient dem von Glas nahekommt, werden Kovar-Legierungen häufig als Dichtungsmaterial zwischen elektronischen Bauteilen und Glaswerkstoffen eingesetzt. Beispielsweise werden Elektronenröhren, Vakuumgehäuse und einige hochwertige Sensoren mit Kovar-Legierungen verkapselt.

Luft- und Raumfahrt

Kovar-Legierungen werden auch in einer Reihe von Luft- und Raumfahrzeugen verwendet, insbesondere für Komponenten, die eine feste Verbindung mit anderen Materialien (Keramik, Glas) erfordern.

Medizintechnik

Die geringe Ausdehnung und die hohe Temperaturstabilität von Kovar-Legierungen machen sie gleichermaßen wichtig für die Verkapselung dieser Geräte. Im medizinischen Bereich müssen viele elektronische Geräte in speziellen Umgebungen betrieben werden, etwa in Röntgengeräten und MRT-Anlagen.

Optische Geräte

In einigen optischen Geräten werden Kovar-Legierungen zur Verkapselung optischer Komponenten verwendet, um deren Stabilität und Dichtheit bei hohen Temperaturen zu gewährleisten.

Vakuumröhren

Kovar-Legierungen werden häufig für die Endkappen von Vakuumröhren eingesetzt, da sie sich wirksam mit dem Glaswerkstoff verbinden lassen und so die Hermetizität der Vakuumumgebung gewährleisten.

Hochwertige Messinstrumente

Viele hochwertige Instrumente und wissenschaftliche Geräte verwenden Kovar-Legierungen, um ihre langfristig stabile Leistung zu gewährleisten, insbesondere in extremen Umgebungen.

Welche Einschränkungen hat Kovar?

Komplexe Herstellungsprozesse: Kovar-Legierungen sind sehr hart und spröde, was die Bearbeitung anspruchsvoll macht und spezielle Ausrüstung sowie Fachkenntnisse erfordert, um hochwertige Teile herzustellen. Diese Komplexität erfordert spezialisierte Fachkräfte für die Handhabung des Materials, was die Herstellungskosten weiter erhöht.

Spröde und bruchanfällig:Die hohe Härte und die daraus resultierende hohe Sprödigkeit von Kovar, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, machen es während der Bearbeitung potenziell anfälliger für Brüche oder Risse. In Anwendungen mit hohen Vibrationen oder Stößen kann es bei plötzlicher Belastung oder einem Aufprall brechen oder reißen.

Hohe Kosten: Die Legierungszusammensetzung von Kovar enthält Kobalt und Nickel, teure Metallelemente, weshalb es für Anwendungen in der Massenproduktion weniger attraktiv ist. Die Verwendung dieses Materials kann die Produktionskosten erhöhen, und Kovar ist teurer als andere Metalllegierungen.

Schwierig zu verarbeiten: Beim Hochtemperaturschweißen erfordert Kovar ein hohes Maß an handwerklichem Können und neigt zu Verformungen oder zu einer unzureichenden Festigkeit der Schweißverbindung.

Begrenzte Verfügbarkeit: Kovar-Legierungen sind nur begrenzt verfügbar, und es kann schwierig sein, zuverlässige Lieferanten zu finden. Diese Knappheit macht es anspruchsvoll, während der Produktion eine kontinuierliche Versorgung mit Kovar-Legierungen sicherzustellen.

Häufig gestellte Fragen

Ist Kovar eine Keramik?

Kovar ist keine Keramik, sondern eine Legierung. Sein Wärmeausdehnungskoeffizient ähnelt dem von Keramik.

Oxidiert Kovar?

Ja, obwohl Kovar-Legierungen von Natur aus eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen, oxidieren sie unter bestimmten Bedingungen. Allerdings oxidieren Kovar-Legierungen langsam, und ihre Oberflächenoxidschichten sind in der Regel dünn und beeinträchtigen die Eigenschaften der Legierungen normalerweise nicht wesentlich. Durch Oberflächenbehandlungen oder Beschichtungen auf den Kovar-Legierungen kann ein Schutz vor Oxidation erreicht werden.

Rostet Kovar?

Kovar-Legierungen sind von Natur aus weniger rostanfällig als reines Eisen, und die Elemente Nickel und Kobalt verleihen ihnen eine bessere Korrosionsbeständigkeit, sodass sie widerstandsfähiger gegen Rost sind als reines Eisen oder niedrig legierter Stahl. Unter rauen Umgebungsbedingungen ist jedoch dennoch ein gewisser Schutz erforderlich.

Ist Kovar duktil?

Kovar-Legierungen weisen eine gewisse Duktilität auf, die vor allem darauf zurückzuführen ist, dass sie sich zu dünnen Blechen, Drähten oder komplexen Formen verarbeiten lassen, die den meisten industriellen Bearbeitungsanforderungen entsprechen.

Wie wird Kovar bearbeitet?

CNC-Bearbeitung ist ein häufig eingesetztes Verfahren zur Bearbeitung von Kovar, vor allem CNC-Fräsen und CNC-Drehen. Darüber hinaus können je nach Projekt auch Stanzen, Schweißen und Oberflächenbehandlungen nach Bedarf durchgeführt werden.

Zusammenfassung

Dieser Artikel stellt Kovar-Legierungen vor, erläutert, was sie sind und welche Eigenschaften sie haben, und bietet eine eingehende Analyse der verschiedenen Anwendungen von Kovar-Legierungen, insbesondere der elektronischen Verkapselung und der Luft- und Raumfahrt. Wenn Sie mehr über Kovar-Legierungen erfahren möchten, kontaktieren Sie bitte DEK.

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