Kovar: definición, propiedades, grados y aplicaciones

El Kovar, también conocido como aleación ASTM F15, es una aleación de expansión controlada que se utiliza habitualmente en sellos metálicos, tapas, marcos de conductores y bases de encapsulados electrónicos para vidrio y cerámica de alta integridad. El Kovar se fabrica a partir de hierro, níquel y cobalto. La aleación está diseñada para satisfacer las necesidades tecnológicas de la era de la informática, las microondas, los hidruros, los semiconductores y la exploración espacial, lo que la convierte en un material importante para las industrias de defensa, aeroespacial y de telecomunicaciones.

Este artículo profundizará en todo lo que siempre quiso saber sobre la aleación Kovar, incluidos su definición, sus orígenes, sus grados, sus propiedades y sus aplicaciones específicas.

¿Qué es el Kovar?

El Kovar es una aleación de hierro-níquel-cobalto (aleación Fe-Ni-Co) con una estructura metalúrgica austenítica que suele presentar un brillo gris plateado. Las aleaciones Kovar típicas contienen un 53 % de hierro, un 29 % de níquel, un 17 % de cobalto, menos de un 0,5 % de manganeso, un 0,2 % de silicio y menos de un 0,25 % de aluminio, magnesio, circonio y titanio en total.

Las aleaciones lavables también se conocen como aleaciones de expansión fija o aleaciones de sellado. Son aleaciones que presentan un coeficiente de expansión bajo o moderado relativamente constante en el intervalo de temperatura de -70 a 500 °C.

¿Cuál es el origen del Kovar?

El Kovar iguala el coeficiente de expansión del material que se va a sellar, como el vidrio o la cerámica. El nombre «Kovar» proviene de la combinación de los apellidos de sus creadores, Kovacs y Vakoma.

A principios del siglo XIX se utilizaba el platino como material de sellado para sellar con vidrio blando. En 1896, el francés C.E. Guillaume fabricó la aleación Invar (36 Ni-Fe) y, a partir de ella, se derivó la aleación de sellado 46Ni-Fe en sustitución del platino, que fue la primera aleación de sellado. Posteriormente, se aplicó una fina capa de cobre en la superficie de la aleación mejorada, es decir, el hilo de 42 Ni-Fe (conocido comúnmente como hilo Dumet), que se utilizó como hilo conductor de sellado de vidrio blando no compatible hasta la década de 1970.

Con el desarrollo de la tecnología del vacío eléctrico surgió el vidrio duro, con alto punto de fusión, buena estabilidad térmica y menor coeficiente de expansión térmica. En un principio se utilizaba molibdeno para sellar con vidrio duro, pero, debido a que el molibdeno es muy duro y tiene poca ductilidad, resulta difícil estamparlo en piezas de formas complejas.

En la década de 1930 apareció la aleación conocida como Kovar (Fe-Ni-Co) para el sellado con vidrio duro; su curva de expansión coincide muy bien con la del vidrio duro, de modo que la tensión de sellado se reduce a un valor muy pequeño, y posee una ductilidad muy buena, por lo que no solo puede laminarse en tiras finas, sino también estirarse en hilos finos. Además, también aparecieron otras aleaciones de sellado para vidrio blando, como los sistemas Fe-Ni-Cr, Fe-Cr y Fe-Ni-Cu.

¿De qué está hecho el Kovar?

Las aleaciones Kovar son aleaciones metálicas que contienen hierro, níquel y cobalto, normalmente alrededor de un 54 % de hierro, un 29 % de níquel y un 17 % de cobalto. Tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo. Debido a que su coeficiente de expansión térmica es similar al del vidrio y la cerámica, se utiliza ampliamente en sellado, electrónica y tecnología de vacío.

¿Cuáles son las características clave del Kovar?

El Kovar es una aleación de hierro-níquel-cobalto con una estructura metalográfica austenítica. A continuación se presentan las principales características del Kovar:

Bajo coeficiente de expansión térmica: El Kovar tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo, muy cercano al de la mayoría de los materiales de vidrio. Esto significa que el Kovar mantiene su estabilidad dimensional durante los cambios de temperatura, lo que lo hace ideal para la fabricación de tubos de vacío, dispositivos semiconductores, condensadores y otros componentes electrónicos de alta precisión.

Buenas propiedades mecánicas: El Kovar tiene una alta resistencia y dureza, lo que lo hace adecuado para la fabricación de instrumentos y dispositivos de alta precisión. Además, el Kovar tiene buena tenacidad y resistencia a la tracción, y puede soportar grandes impactos y vibraciones.

Resistencia a la corrosión: El Kovar es capaz de resistir productos químicos comunes, especialmente en entornos de alta temperatura, y sus propiedades oxidantes son relativamente buenas. Esto lo convierte en un material ideal para su uso en entornos resistentes a la corrosión.

Facilidad de mecanizado:El Kovar es fácil de procesar y fabricar, y puede moldearse y procesarse mediante forja, laminado en caliente, laminado en frío y soldadura. Esto hace que el Kovar sea muy conveniente para la fabricación de piezas y componentes de formas complejas.

Excelente rendimiento de recubrimiento: las superficies de Kovar pueden recubrirse con oro, plata, níquel, cromo y otros metales. Para mejorar la conductividad de la corriente de alta frecuencia y reducir la resistencia de contacto, se suele recubrir con baños de oro y plata. Puede aplicarse un recubrimiento de níquel u oro para mejorar la resistencia a la corrosión del dispositivo.

¿Cuáles son las grados comunes del Kovar?

4J29, K94610, 1.3981

La aleación Kovar 4J29 es un material de aleación de alto rendimiento compuesto por aproximadamente un 70 % de hierro, un 29 % de níquel, un 0,5-1 % de cobalto y otros oligoelementos, con un coeficiente de expansión muy estable, ampliamente utilizado en aplicaciones de alta tecnología exigentes. Ideal para electrónica, aeroespacial y óptica, se utiliza para fabricar encapsulados electrónicos, carcasas de instrumentos y sensores, y encapsulados para componentes de láseres y detectores.

Procesamiento de la aleación de expansión 4J29

El trabajo en frío incluye pasos como el trefilado y el laminado. Dado que la aleación 4J29 posee buena ductilidad y tenacidad, es adecuada para el trabajo en frío con el fin de obtener la forma y el tamaño deseados. Tras el trabajo en frío, normalmente se realiza un recocido de alivio de tensiones a una temperatura controlada de 600-700 °C para reducir las tensiones internas generadas durante el procesamiento y mejorar la estabilidad del material.

La aleación de expansión 4J29 se somete con frecuencia a tratamiento de solución sólida y tratamiento de envejecimiento. La temperatura de solución sólida se controla entre 800 y 900 °C, seguida de un enfriamiento rápido para garantizar una estructura uniforme de la aleación. El tratamiento de envejecimiento se lleva a cabo mediante calentamiento a una temperatura media de 500-600 °C para estabilizar la microestructura del material y, así, mejorar sus propiedades mecánicas.

Debido al bajo coeficiente de expansión del 4J29, es fácil que se produzca una concentración de tensiones térmicas durante el proceso de soldadura; se recomienda utilizar soldadura por arco con argón o soldadura láser, y la temperatura de soldadura debe controlarse estrictamente por debajo de 900 ℃ para evitar un crecimiento excesivo del grano en la estructura, que afecta a las propiedades mecánicas del material.

¿Cuáles son las principales propiedades del Kovar?

Resistencia a la tracción: La resistencia a la tracción de las aleaciones Kovar es de 550-750 MPa. La resistencia a la tracción a altas temperaturas (por ejemplo, 400 °C) se reduce, pero aún es capaz de mantener una alta resistencia para cumplir los requisitos de rendimiento de los encapsulados electrónicos en entornos de alta temperatura.

Límite elástico: La aleación Kovar tiene un límite elástico de 300-500 MPa; un límite elástico más alto le permite soportar tensiones manteniendo una buena estabilidad dimensional y de forma.

Punto de fusión: Las aleaciones Kovar tienen un punto de fusión de aproximadamente 1.300 °C a 1.400 °C (2.372 °F a 2.552 °F). El alto punto de fusión de la aleación permite una buena estabilidad estructural a temperaturas elevadas, lo que la hace adecuada para su uso en encapsulados electrónicos, tecnología de vacío y aplicaciones que operan a alta temperatura.

Dureza: Con una dureza de HRB 90-100, las aleaciones Kovar son moderadamente duras y poseen buena resistencia al desgaste, lo que las hace adecuadas para su uso en entornos resistentes a la abrasión y de alta temperatura.

Densidad: Con una densidad de 8,4 g/cm³, las aleaciones Kovar son moderadamente densas, y su mayor peso las hace adecuadas para aplicaciones que requieren pesos de material relativamente grandes.

Propiedades electromagnéticas: Debido a la gran cantidad de níquel y cobalto, las aleaciones Kovar poseen excelentes propiedades magnéticas, especialmente adecuadas para algunos componentes y equipos magnéticos.

Soldabilidad: Las aleaciones Kovar tienen buena soldabilidad y son especialmente adecuadas para soldarse con otros metales (cobre, aluminio). Especialmente en el campo del encapsulado de precisión, la manejabilidad del proceso de soldadura la convierte en un material ideal.

Alargamiento: El buen alargamiento de aproximadamente 20-30 % hace que las aleaciones Kovar sean adecuadas para la soldadura y el mecanizado de precisión, manteniendo además cierto grado de ductilidad a temperaturas más altas, lo que facilita su manipulación para el procesamiento térmico.

¿Cuáles son las aplicaciones del Kovar?

Las aleaciones Kovar se utilizan en una amplia gama de aplicaciones en la industria y la tecnología modernas; veamos algunas de las aplicaciones más comunes.

Encapsulado electrónico

Dado que su coeficiente de expansión térmica es similar al del vidrio, las aleaciones Kovar se utilizan con frecuencia como material de sellado entre dispositivos electrónicos y materiales de vidrio. Por ejemplo, tubos electrónicos, encapsulados de vacío y algunos sensores de alta gama se encapsulan con aleaciones Kovar.

Aeroespacial

Las aleaciones Kovar también se utilizan en diversos vehículos aeroespaciales, especialmente en componentes que requieren una unión estrecha con otros materiales (cerámica, vidrio).

Médico

La baja expansión y la alta estabilidad térmica de las aleaciones Kovar las hacen igualmente importantes en el encapsulado de estos dispositivos. En el ámbito médico, muchos dispositivos electrónicos deben funcionar en entornos especiales, como equipos de rayos X y equipos de resonancia magnética.

Equipos ópticos

En algunos equipos ópticos, las aleaciones Kovar se utilizan para encapsular componentes ópticos con el fin de garantizar su estabilidad y su hermeticidad a altas temperaturas.

Tubos de vacío

La aleación Kovar se utiliza habitualmente en los casquillos de los tubos de vacío, donde puede combinarse eficazmente con el material de vidrio para garantizar la hermeticidad del entorno de vacío.

Instrumentación de alta gama

Muchos instrumentos de alta gama e instrumentos científicos utilizan aleación Kovar para garantizar un rendimiento estable a largo plazo, especialmente en entornos extremos.

¿Cuáles son las limitaciones del Kovar?

Procesos de fabricación complejos: Las aleaciones Kovar son muy duras y frágiles, lo que dificulta su mecanizado y exige equipos y conocimientos especializados para producir piezas de alta calidad. Esta complejidad requiere una mano de obra especializada para manipular el material, lo que incrementa aún más los costes de fabricación.

Frágil y propenso a la fractura:La elevada dureza del Kovar y, en consecuencia, su alta fragilidad, especialmente a bajas temperaturas, lo hacen potencialmente más susceptible de fracturarse o agrietarse durante el mecanizado. En aplicaciones sometidas a altas vibraciones o impactos, es propenso a romperse o quebrarse ante tensiones o impactos repentinos.

Costes elevados: La composición de la aleación Kovar contiene cobalto y níquel, elementos metálicos costosos, por lo que resulta menos atractiva para aplicaciones de producción en serie. El uso de este material puede aumentar los costes de producción, y el Kovar es más caro que otras aleaciones metálicas.

Difícil de procesar: Al soldarse a altas temperaturas, el Kovar exige un alto grado de destreza y es propenso a la deformación o a una resistencia insuficiente de la unión soldada.

Disponibilidad limitada: El suministro de materiales de aleación Kovar es limitado y encontrar proveedores fiables puede resultar complicado. Esta escasez dificulta garantizar un suministro continuo de aleaciones Kovar durante la producción.

Preguntas frecuentes

¿Es el Kovar una cerámica?

El Kovar no es una cerámica, sino una aleación. Tiene un coeficiente de expansión térmica similar al de las cerámicas.

¿Se oxida el Kovar?

Sí, aunque las aleaciones Kovar tienen intrínsecamente una buena resistencia a la corrosión, en determinadas condiciones se oxidan. No obstante, las aleaciones Kovar se oxidan lentamente y sus películas de óxido superficiales suelen ser finas y normalmente no afectan de forma significativa a las propiedades de las aleaciones, que pueden protegerse de la oxidación mediante tratamientos superficiales o recubrimientos sobre las aleaciones Kovar.

¿Se oxida el Kovar (herrumbre)?

Las aleaciones Kovar son intrínsecamente menos propensas a la herrumbre que el hierro puro, y los elementos níquel y cobalto les confieren una mejor resistencia a la corrosión, lo que las hace más resistentes a la herrumbre que el hierro puro o el acero de baja aleación. Sin embargo, siguen requiriendo cierta protección en condiciones ambientales severas.

¿Es dúctil el Kovar?

Las aleaciones Kovar tienen cierto grado de ductilidad, principalmente debido a su capacidad para mecanizarse en láminas finas, alambres o formas complejas que satisfacen la mayoría de las necesidades de procesamiento industrial.

¿Cómo mecanizar el Kovar?

El mecanizado CNC es un proceso de uso común para mecanizar Kovar, principalmente el fresado CNC y el torneado CNC. Además, según el proyecto, pueden realizarse estampado, soldadura y tratamientos superficiales según sea necesario.

Resumen

Este artículo presenta las aleaciones Kovar, explica qué son y sus propiedades, y ofrece un análisis en profundidad de las diversas aplicaciones de las aleaciones Kovar, en particular el encapsulado electrónico y la aeroespacial. Si desea obtener más información sobre las aleaciones Kovar, póngase en contacto con DEK.

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