Kovar: Definição, propriedades, graus e aplicações
O Kovar, também conhecido como liga ASTM F15, é uma liga de expansão controlada, normalmente utilizada em vedantes metálicos, tampas, estruturas de chumbo e bases de embalagens electrónicas para vidro e cerâmica de alta integridade. A liga foi concebida para satisfazer as necessidades tecnológicas da era dos computadores, das micro-ondas, dos hidretos, dos semicondutores e do espaço, o que a torna um material importante para as indústrias da defesa, aeroespacial e das telecomunicações.
Este artigo abordará tudo o que sempre quis saber sobre a liga de 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 normalmente um brilho cinzento-prateado. As ligas de 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.
As ligas laváveis são também conhecidas como ligas de expansão fixa ou ligas de selagem. São ligas que têm um coeficiente relativamente constante de expansão baixa ou moderada na gama de temperaturas de -70 a 500°C.
Qual é a origem do Kovar?
Kovar corresponde ao coeficiente de expansão do material a vedar, como o vidro ou a cerâmica. O nome "Kovar" provém da combinação dos apelidos dos seus criadores, Kovacs e Vakoma.
No início do século XIX, platina foi utilizado como material de selagem para selar vidro macio. Em 1896, o francês C.E. Guillaume produziu a liga Invar (36 Ni-Fe) e, em seguida, derivou em vez da liga de vedação de platina 46Ni-Fe, que é a mais antiga liga de vedação. Posteriormente, uma fina camada de cobre na superfície da liga melhorada, ou seja, 42 fios de Ni-Fe (vulgarmente conhecidos por fios Dumet) utilizados como fios condutores de vedação de vidro macio não correspondentes, foram utilizados até à década de 1970.
Com o desenvolvimento da tecnologia de vácuo elétrico, o surgimento de alto ponto de fusão, boa estabilidade térmica, menor coeficiente de expansão térmica do vidro duro. Inicialmente, o molibdénio era utilizado para selar com vidro duro, devido ao facto de o molibdénio ser muito duro, ter pouca ductilidade e ser difícil de perfurar a forma complexa das peças.
Na década de 1930, apareceu a liga de vedação de vidro duro conhecida como Kovar (Fe-Ni-Co), a sua curva de expansão e o vidro duro combinam muito bem, de modo que a tensão de vedação desce para um valor muito pequeno e tem uma ductilidade muito boa, não só pode ser enrolada numa tira fina, mas também pode ser puxada para um fio fino. Além disso, também apareceu com o sistema de vedação de vidro macio Fe-Ni-Cr, sistema Fe-Cr, sistema Fe-Ni-Cu e outras ligas de vedação.
De que é feito o Kovar?
As ligas de Kovar são ligas metálicas que contêm ferro, níquel e cobalto, tipicamente cerca de 54% de ferro, 29% de níquel e 17% de cobalto. Tem um coeficiente de expansão térmica muito baixo. Devido ao seu coeficiente de expansão térmica, que é semelhante ao do vidro e da cerâmica, é amplamente utilizado na tecnologia de vedação, eletrónica e vácuo.
Quais são as principais caraterísticas do Kovar?
O Kovar é uma liga de ferro-níquel-cobalto com uma estrutura metalográfica austenítica. As principais caraterísticas do Kovar são as seguintes
Coeficiente de expansão térmica baixo: 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 mudanças de temperatura, o que o torna ideal para o fabrico de tubos de vácuo, dispositivos semicondutores, condensadores e outros componentes electrónicos de alta precisão.
Boas propriedades mecânicas: O Kovar tem uma 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 e pode 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 conveniente para o fabrico de peças e componentes com formas complexas.
Excelente desempenho de revestimento: As superfícies de kovar podem ser revestidas com ouro, prata, níquel, crómio e outros metais. A fim de 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 revestidos para melhorar a resistência à corrosão do dispositivo.
Quais são os tipos mais comuns de Kovar?
4J29, K94610, 1.3981
4J29 Liga de Kovar é um material de liga de alto desempenho constituído 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 exigentes de alta tecnologia. Ideal para a eletrónica, a indústria aeroespacial e a ótica, é utilizado para fabricar embalagens electrónicas, caixas para instrumentos e sensores e embalagens para lasers e componentes de detectores.
Processamento da liga de expansão 4J29
Processo de trabalho a frio
O trabalho a frio inclui etapas como a trefilagem e a laminagem. Uma vez que a liga 4J29 tem boa ductilidade e tenacidade, é adequada para o trabalho a frio para obter a forma e o tamanho desejados. Após o trabalho a frio, o recozimento para alívio de tensões é normalmente efectuado a uma temperatura controlada de 600-700°C para reduzir as tensões internas geradas durante o processamento e melhorar a estabilidade do material.
Processo de tratamento térmico
A liga de expansão 4J29 é frequentemente tratada com tratamento de solução sólida e tratamento de envelhecimento. A temperatura da solução sólida é controlada a 800-900°C, seguida de um arrefecimento rápido para garantir uma organização uniforme da liga. O tratamento de envelhecimento é efectuado por aquecimento a uma temperatura média de 500-600°C para estabilizar a microestrutura do material, melhorando assim as suas propriedades mecânicas.
Processo de soldadura
Devido ao baixo coeficiente de expansão do 4J29, é fácil produzir concentração de tensão térmica no processo de soldagem, recomenda-se o uso de soldagem a arco de argônio ou soldagem a laser, e a temperatura de soldagem deve ser estritamente controlada a menos de 900 ℃, a fim de evitar a organização de crescimento excessivo de grãos, o 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) será reduzida, mas continua a ser capaz de manter uma elevada resistência para cumprir os requisitos de desempenho das embalagens electrónicas em ambientes de alta temperatura.
Resistência ao escoamento: O limite de elasticidade da liga de Kovar é de 300-500 MPa, o que faz com que possa ser sujeita a tensões para manter 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 embalagens electrónicas, tecnologia de vácuo e aplicações operacionais a alta temperatura.
Dureza: Com uma dureza de HRB 90-100, as ligas de Kovar são moderadamente duras e têm uma boa resistência ao desgaste, o que as torna adequadas para utilização em ambientes resistentes à abrasão e a altas temperaturas.
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 utilização em aplicações que exigem pesos de material relativamente grandes.
Propriedades electromagnéticas: Devido à grande quantidade de níquel e cobalto, as ligas Kovar têm excelentes propriedades magnéticas, especialmente adequadas para alguns componentes e equipamentos magnéticos.
Soldabilidade: As ligas de Kovar têm uma boa soldabilidade e são particularmente adequadas para a soldadura com outros metais (cobre, alumínio). Especialmente no domínio das embalagens de precisão, a manobrabilidade do processo de soldadura torna-a um material ideal.
Alongamento: O bom alongamento de cerca de 20-30% torna as ligas Kovar adequadas para soldadura e maquinagem de precisão, mantendo um certo grau de ductilidade a temperaturas mais elevadas, o que as torna fáceis de manusear para processamento térmico.
Quais são as aplicações do Kovar?
As ligas de Kovar são utilizadas numa vasta gama de aplicações na indústria e tecnologia modernas, por isso vamos ver algumas das aplicações mais comuns.
Encapsulamento eletrónico
Dado que o seu coeficiente de expansão térmica é próximo do do vidro, as ligas de kovar são frequentemente utilizadas como material de vedação entre dispositivos electrónicos e materiais de vidro. Por exemplo, os tubos electrónicos, as embalagens de vácuo e alguns sensores topo de gama são encapsulados com ligas de kovar.
Aeroespacial
As ligas de Kovar são também utilizadas numa série de veículos aeroespaciaisespecialmente para componentes que requerem uma ligação estreita com outros materiais (cerâmica, vidro).
Médico
A baixa expansão e a estabilidade a altas temperaturas das ligas de kovar tornam-nas igualmente importantes no encapsulamento destes dispositivos. Na área médica, muitos dispositivos electrónicos têm de funcionar em ambientes especiais, tais como equipamento de raios X e equipamento de ressonância magnética.
Equipamento ótico
Em alguns equipamentos ópticos, as ligas de kovar são utilizadas para encapsular componentes ópticos para garantir a sua estabilidade e desempenho de vedação a altas temperaturas.
Tubos de vácuo
A liga de Kovar é normalmente utilizada nas tampas das extremidades dos tubos de vácuo, podendo combinar-se eficazmente com o material de vidro para garantir a hermeticidade do ambiente de vácuo.
Instrumentação topo de gama
Muitos instrumentos topo de gama e instrumentos científicos utilizam a liga de kovar para garantir o seu desempenho estável a longo prazo, especialmente em ambientes extremos.
Quais são as limitações do Kovar?
Processos de fabrico complexos: As ligas de Kovar são altamente duras e quebradiças, o que as torna difíceis de maquinar e requer equipamento e conhecimentos especiais para produzir peças de alta qualidade. Esta complexidade exige uma mão de obra especializada para lidar com o material, o que aumenta ainda mais os custos de fabrico.
Frágil e fácil de fraturar:A elevada dureza do Kovar e, consequentemente, a sua elevada fragilidade, especialmente a baixas temperaturas, torna-o potencialmente mais suscetível à fratura ou fissuração durante a maquinagem. Em aplicações sujeitas a vibrações ou choques elevados, é suscetível de rutura ou quebra em caso de tensão ou impacto súbitos.
Custos elevados: A composição da liga de Kovar contém cobalto e níquel, que são elementos metálicos caros e, por conseguinte, menos atractivos 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 requer um elevado grau de processamento e é propenso a distorções ou a uma resistência insuficiente da junta soldada.
Disponibilidade limitada: Os materiais de liga de Kovar têm uma oferta limitada e encontrar fornecedores fiáveis pode ser um desafio. Esta escassez torna difícil assegurar um fornecimento contínuo de ligas de Kovar durante a produção.
FAQs
Kovar é uma cerâmica?
O Kovar não é uma cerâmica, mas sim uma liga. Tem um coeficiente de expansão térmica semelhante ao da cerâmica.
O Kovar oxida-se?
Sim, embora as ligas de kovar tenham inerentemente uma boa resistência à corrosão, em determinadas condições as ligas de kovar oxidam. No entanto, as ligas de kovar oxidam lentamente e as suas películas de óxido de superfície são geralmente finas e não afectam significativamente as propriedades das ligas, que podem ser protegidas da oxidação por tratamentos de superfície ou revestimentos nas ligas de kovar.
O Kovar enferruja?
As ligas de Kovar são inerentemente menos propensas a enferrujar 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, continua a ser necessária alguma proteção em condições ambientais severas.
O Kovar é dúctil?
As ligas de Kovar têm um certo grau de ductilidade, principalmente devido à sua capacidade de serem maquinadas em folhas finas, fios ou formas complexas que satisfazem a maioria das necessidades de processamento industrial.
Como maquinar o Kovar?
Maquinação CNC é um processo comummente utilizado para maquinar o kovar, principalmente Fresagem CNC e Torneamento CNC. Além disso, podem ser realizadas estampagens, soldaduras e tratamentos de superfície, consoante as necessidades do projeto.
Resumo
Este artigo apresenta as ligas de kovar, explica o que são e quais as suas propriedades e fornece uma análise aprofundada das várias aplicações das ligas de kovar, em particular as embalagens electrónicas e a indústria aeroespacial. Se pretender obter mais informações sobre as ligas de kovar, contacte DEK.
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