Kovar: Definição, Propriedades, Graus e Aplicações

O Kovar, também conhecido como liga ASTM F15, é uma liga de expansão controlada comummente utilizada em vedantes metálicos, tampas, quadros de terminais e bases de embalagens eletrónicas para vidro e cerâmica de alta integridade. O Kovar é feito de ferro, níquel e cobalto. A liga foi concebida para responder às necessidades tecnológicas da era dos computadores, micro-ondas, hidretos, semicondutores e da era espacial, tornando-se um material importante para as indústrias de defesa, aeroespacial e de telecomunicações.

Este artigo irá aprofundar tudo o que sempre quis saber sobre a liga Kovar, incluindo a sua definição, origens, graus, propriedades e aplicações específicas.

O que é o Kovar?

O Kovar é uma liga de ferro-níquel-cobalto (liga Fe-Ni-Co) com uma estrutura metalúrgica austenítica que apresenta habitualmente um brilho cinzento-prateado. As ligas Kovar típicas contêm 53% de ferro, 29% de níquel, 17% de cobalto, menos de 0,5% de manganês, 0,2% de silício e menos de 0,25% de alumínio, magnésio, zircónio e titânio no total.

As ligas laváveis são também conhecidas como ligas de expansão fixa ou ligas de vedação. São ligas que apresentam um coeficiente de expansão baixo ou moderado relativamente constante no intervalo de temperatura de -70 a 500°C.

Qual é a origem do Kovar?

O Kovar corresponde ao coeficiente de expansão do material a vedar, como o vidro ou a cerâmica. O nome “Kovar” resulta da combinação dos apelidos dos seus criadores, Kovacs e Vakoma.

No início do século XIX, a platina era utilizada como material de vedação para vedar com vidro macio. Em 1896, o francês C.E. Guillaume criou a liga Invar (36 Ni-Fe) e, a partir dela, derivou a liga de vedação 46Ni-Fe em substituição da platina, que é a liga de vedação mais antiga. Posteriormente, uma fina camada de cobre na superfície da liga melhorada, ou seja, o fio 42 Ni-Fe (comummente conhecido como Dumet Wire), utilizado como fios condutores de vedação de vidro macio não correspondente, continuou a ser utilizado até à década de 1970.

Com o desenvolvimento da tecnologia de vácuo elétrico, surgiu o vidro duro, com elevado ponto de fusão, boa estabilidade térmica e menor coeficiente de expansão térmica. Inicialmente, utilizava-se o molibdénio para vedar com vidro duro, mas, dado que o molibdénio é muito duro, tem baixa ductilidade e é difícil de estampar em peças de forma complexa.

Na década de 1930 surgiu a liga conhecida como Kovar (Fe-Ni-Co), para vedação com vidro duro; a sua curva de expansão corresponde muito bem à do vidro duro, o que reduz a tensão de vedação a um valor muito pequeno, e possui uma ductilidade muito boa, podendo não só ser laminada em tiras finas como também estirada em fio fino. Além disso, surgiram também ligas de vedação dos sistemas Fe-Ni-Cr, Fe-Cr, Fe-Ni-Cu e outros, para vedação com vidro macio.

De que é feito o Kovar?

As ligas Kovar são ligas metálicas que contêm ferro, níquel e cobalto, tipicamente cerca de 54% de ferro, 29% de níquel e 17% de cobalto. Têm um coeficiente de expansão térmica muito baixo. Devido ao seu coeficiente de expansão térmica, semelhante ao do vidro e da cerâmica, são amplamente utilizadas em vedação, eletrónica e tecnologia de vácuo.

Quais são as principais características do Kovar?

O Kovar é uma liga de ferro-níquel-cobalto com uma estrutura metalográfica austenítica. Seguem-se as principais características do Kovar:

Baixo coeficiente de expansão térmica: O Kovar tem um coeficiente de expansão térmica muito baixo, muito próximo do da maioria dos materiais de vidro. Isto significa que o Kovar mantém a sua estabilidade dimensional durante as variações de temperatura, tornando-o ideal para o fabrico de tubos de vácuo, dispositivos semicondutores, condensadores e outros componentes eletrónicos de alta precisão.

Boas propriedades mecânicas: O Kovar tem elevada resistência e dureza, o que o torna adequado para o fabrico de instrumentos e dispositivos de alta precisão. Além disso, o Kovar tem boa tenacidade e resistência à tração, podendo suportar grandes choques e vibrações.

Resistência à corrosão: O Kovar é capaz de resistir a produtos químicos comuns, especialmente em ambientes de alta temperatura, e as suas propriedades oxidantes são relativamente boas. Isto torna-o um material ideal para utilização em ambientes resistentes à corrosão.

Facilidade de processamento:O Kovar é fácil de processar e fabricar, podendo ser moldado e processado por forjamento, laminagem a quente, laminagem a frio e soldadura. Isto torna o Kovar muito prático para a fabricação de peças e componentes de formas complexas.

Desempenho de revestimento excecional: as superfícies de Kovar podem ser revestidas com ouro, prata, níquel, crómio e outros metais. Para melhorar a condutividade da corrente de alta frequência e reduzir a resistência de contacto, é frequentemente revestido com ouro e prata. O níquel ou o ouro podem ser aplicados para melhorar a resistência à corrosão do dispositivo.

Quais são as classes comuns de Kovar?

4J29, K94610, 1.3981

A liga de Kovar 4J29 é um material de liga de alto desempenho composto por aproximadamente 70% de ferro, 29% de níquel, 0,5-1% de cobalto e outros oligoelementos, com um coeficiente de expansão muito estável, amplamente utilizado em aplicações tecnológicas exigentes. Ideal para eletrónica, aerospacial e ótica, é utilizada na produção de encapsulamentos eletrónicos, carcaças de instrumentos e sensores, e encapsulamentos para lasers e componentes de detetores.

Processamento da liga de expansão 4J29

O trabalho a frio inclui etapas como trefilagem e laminagem. Uma vez que a liga 4J29 possui boa ductilidade e tenacidade, é adequada para trabalho a frio de modo a obter a forma e as dimensões desejadas. Após o trabalho a frio, procede-se normalmente a um recozimento de alívio de tensões a uma temperatura controlada de 600-700°C, para reduzir as tensões internas geradas durante o processamento e melhorar a estabilidade do material.

A liga de expansão 4J29 é frequentemente submetida a tratamento de solubilização e a tratamento de envelhecimento. A temperatura de solubilização é controlada entre 800-900°C, seguida de arrefecimento rápido para garantir uma estrutura uniforme da liga. O tratamento de envelhecimento é realizado por aquecimento a uma temperatura média de 500-600°C, para estabilizar a microestrutura do material, melhorando assim as suas propriedades mecânicas.

Devido ao baixo coeficiente de expansão do 4J29, é fácil ocorrer concentração de tensões térmicas durante o processo de soldadura; recomenda-se a utilização de soldadura por arco de árgon ou soldadura a laser, e a temperatura de soldadura deve ser rigorosamente controlada abaixo de 900 ℃, de modo a evitar o crescimento excessivo de grão na estrutura, que afeta as propriedades mecânicas do material.

Quais são as principais propriedades do Kovar?

Resistência à tração: A resistência à tração das ligas de Kovar é de 550-750 MPa. A resistência à tração a altas temperaturas (por exemplo, 400°C) diminui, mas ainda é capaz de manter uma elevada resistência para satisfazer os requisitos de desempenho dos encapsulamentos eletrónicos em ambientes de alta temperatura.

Tensão de cedência: A tensão de cedência da liga de Kovar é de 300-500 MPa; uma tensão de cedência mais elevada permite-lhe suportar esforços mantendo uma boa estabilidade dimensional e de forma.

Ponto de fusão: As ligas de Kovar têm um ponto de fusão de aproximadamente 1 300°C a 1 400°C (2 372°F a 2 552°F). O elevado ponto de fusão da liga permite uma boa estabilidade estrutural a temperaturas elevadas, tornando-a adequada para utilização em encapsulamentos eletrónicos, tecnologia de vácuo e aplicações que operam a altas temperaturas.

Dureza: Com uma dureza de HRB 90-100, as ligas de Kovar são moderadamente duras e possuem boa resistência ao desgaste, sendo adequadas para utilização em ambientes resistentes à abrasão e de alta temperatura.

Densidade: Com uma densidade de 8,4 g/cm³, as ligas de Kovar são moderadamente densas, e a sua natureza mais pesada torna-as adequadas para aplicações que exigem pesos de material relativamente elevados.

Propriedades eletromagnéticas: Devido à grande quantidade de níquel e cobalto, as ligas de Kovar possuem excelentes propriedades magnéticas, sendo especialmente adequadas para alguns componentes e equipamentos magnéticos.

Soldabilidade: As ligas de Kovar possuem boa soldabilidade e são particularmente adequadas para soldadura com outros metais (cobre, alumínio). Especialmente no domínio dos encapsulamentos de precisão, a facilidade de manuseamento do processo de soldadura torna-a um material ideal.

Alongamento: O bom alongamento de cerca de 20-30% torna as ligas de Kovar adequadas para soldadura e maquinagem de precisão, mantendo simultaneamente um certo grau de ductilidade a temperaturas mais elevadas, o que facilita o seu manuseamento no processamento térmico.

Quais são as aplicações do Kovar?

As ligas de Kovar têm uma vasta gama de aplicações na indústria e tecnologia modernas; vejamos algumas das aplicações mais comuns.

Encapsulamento eletrónico

Como o seu coeficiente de dilatação térmica é próximo do do vidro, as ligas kovar são frequentemente utilizadas como material de vedação entre dispositivos eletrónicos e materiais vítreos. Por exemplo, tubos eletrónicos, embalagens de vácuo e alguns sensores de gama alta são encapsulados com ligas kovar.

Aeroespacial

As ligas kovar são também utilizadas em vários veículos aeroespaciais, especialmente em componentes que exigem uma ligação estreita com outros materiais (cerâmica, vidro).

Médico

A baixa dilatação e a elevada estabilidade térmica das ligas kovar tornam-nas igualmente importantes no encapsulamento destes dispositivos. No setor médico, muitos dispositivos eletrónicos necessitam de funcionar em ambientes especiais, como equipamentos de raios X e equipamentos de ressonância magnética.

Equipamento Ótico

Em alguns equipamentos óticos, as ligas kovar são utilizadas para encapsular componentes óticos, de modo a garantir a sua estabilidade e desempenho de vedação a altas temperaturas.

Tubos de Vácuo

A liga kovar é habitualmente utilizada nas tampas terminais dos tubos de vácuo, podendo combinar-se eficazmente com o material vítreo para garantir a hermeticidade do ambiente de vácuo.

Instrumentação de Gama Alta

Muitos instrumentos de gama alta e instrumentos científicos utilizam liga kovar para garantir um desempenho estável a longo prazo, especialmente em ambientes extremos.

Quais são as limitações do Kovar?

Processos de fabrico complexos: As ligas kovar são muito duras e quebradiças, o que as torna difíceis de maquinar e exige equipamento e conhecimentos especializados para produzir peças de alta qualidade. Esta complexidade requer mão de obra especializada para manusear o material, o que aumenta ainda mais os custos de fabrico.

Quebradiço e fácil de fraturar:A elevada dureza do Kovar e, consequentemente, a sua elevada fragilidade, especialmente a baixas temperaturas, tornam-no potencialmente mais suscetível de fraturar ou fissurar durante a maquinagem. Em aplicações sujeitas a elevada vibração ou choque, é suscetível de rutura ou quebra sob tensão ou impacto súbitos.

Custos elevados: A composição da liga Kovar contém cobalto e níquel, que são elementos metálicos dispendiosos e, por isso, menos atrativos para aplicações de produção em massa. A utilização deste material pode aumentar os custos de produção, e o Kovar é mais caro do que outras ligas metálicas.

Difícil de processar: Quando soldado a altas temperaturas, o Kovar exige um elevado grau de rigor técnico e é propenso a distorção ou a resistência insuficiente da junta soldada.

Disponibilidade limitada: O fornecimento de materiais de liga Kovar é limitado, e encontrar fornecedores fiáveis pode ser um desafio. Esta escassez torna difícil garantir um fornecimento contínuo de ligas Kovar durante a produção.

Perguntas frequentes

O Kovar é uma cerâmica?

O Kovar não é uma cerâmica, mas sim uma liga. Tem um coeficiente de dilatação térmica semelhante ao das cerâmicas.

O Kovar oxida?

Sim, embora as ligas kovar tenham intrinsecamente uma boa resistência à corrosão, em determinadas condições as ligas kovar oxidam. No entanto, as ligas kovar oxidam lentamente e os seus filmes de óxido superficial são geralmente finos e habitualmente não afetam significativamente as propriedades das ligas, podendo ser protegidas da oxidação através de tratamentos superficiais ou revestimentos nas ligas kovar.

O Kovar enferruja?

As ligas kovar são intrinsecamente menos propensas à ferrugem do que o ferro puro, e os elementos níquel e cobalto conferem-lhes uma melhor resistência à corrosão, tornando-as mais resistentes à ferrugem do que o ferro puro ou o aço de baixa liga. No entanto, ainda requerem alguma proteção em condições ambientais severas.

O Kovar é dúctil?

As ligas kovar têm um certo grau de ductilidade, principalmente devido à sua capacidade de serem maquinadas em chapas finas, fios ou formas complexas que satisfazem a maioria das necessidades de processamento industrial.

Como maquinar o Kovar?

A usinagem CNC é um processo habitualmente utilizado para maquinar o kovar, principalmente fresamento CNC e torneamento CNC. Além disso, podem ser realizadas estampagem, soldadura e tratamentos superficiais conforme necessário, dependendo do projeto.

Resumo

Este artigo apresenta as ligas kovar, explica o que são e as suas propriedades, e fornece uma análise aprofundada das várias aplicações das ligas kovar, em particular o encapsulamento eletrónico e a aerospacial. Se pretender saber mais sobre as ligas kovar, contacte a DEK.

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