Ковар: определение, свойства, марки и применение

Ковар, также известный как сплав ASTM F15, — это сплав с контролируемым расширением, который обычно применяется в металлических уплотнениях, крышках, выводах корпусов и основаниях электронных корпусов для высоконадёжных соединений со стеклом и керамикой. Ковар изготавливается из железа, никеля и кобальта. Сплав разработан с учётом технологических потребностей компьютерной, микроволновой, гидридной, полупроводниковой и космической отраслей, что делает его важным материалом для оборонной, аэрокосмической и телекоммуникационной промышленности.

В этой статье мы подробно рассмотрим всё, что вы хотели знать о сплаве ковар, включая его определение, историю, марки, свойства и конкретные области применения.

Что такое ковар?

Ковар — это железоникелькобальтовый сплав (сплав Fe-Ni-Co) с аустенитной металлургической структурой, обычно имеющий серебристо-серый блеск. Типичные сплавы ковар содержат 53% железа, 29% никеля, 17% кобальта, менее 0,5% марганца, 0,2% кремния и менее 0,25% суммарно алюминия, магния, циркония и титана.

Сплавы с контролируемым расширением также называют сплавами с фиксированным расширением или уплотнительными сплавами. Это сплавы, которые имеют относительно постоянный коэффициент низкого или умеренного расширения в диапазоне температур от -70 до 500°C.

Какова история ковара?

Ковар согласуется с коэффициентом расширения материала, с которым создаётся соединение, например стекла или керамики. Название «Ковар» происходит от сочетания фамилий его создателей — Ковача и Вакомы.

В начале XIX века платина использовалась в качестве уплотнительного материала для соединения с мягким стеклом. В 1896 году француз C.E. Guillaume создал сплав инвар (36 Ni-Fe), а затем на его основе разработал уплотнительный сплав 46Ni-Fe вместо платины — это был самый ранний уплотнительный сплав. Впоследствии на поверхность улучшенного сплава наносили тонкий слой меди, то есть проволоку 42 Ni-Fe (широко известную как Dumet Wire), которую использовали в качестве выводных проводов для соединения с несоответствующим мягким стеклом вплоть до 1970-х годов.

С развитием электровакуумной техники появилось твёрдое стекло с высокой температурой плавления, хорошей термической стабильностью и более низким коэффициентом теплового расширения. Сначала для соединения с твёрдым стеклом использовали молибден, но из-за того, что молибден очень твёрдый и обладает плохой пластичностью, из него трудно штамповать детали сложной формы.

В 1930-х годах появился сплав, известный как ковар (Fe-Ni-Co), для соединения с твёрдым стеклом: его кривая расширения очень хорошо согласуется с твёрдым стеклом, благодаря чему напряжение в соединении снижается до очень малой величины, а сам сплав обладает очень хорошей пластичностью — из него можно не только прокатывать тонкую ленту, но и вытягивать тонкую проволоку. Кроме того, появились уплотнительные сплавы систем Fe-Ni-Cr, Fe-Cr, Fe-Ni-Cu и других для соединения с мягким стеклом.

Из чего состоит ковар?

Сплавы ковар — это металлические сплавы, содержащие железо, никель и кобальт, обычно около 54% железа, 29% никеля и 17% кобальта. Он обладает очень низким коэффициентом теплового расширения. Благодаря коэффициенту теплового расширения, близкому к стеклу и керамике, он широко применяется в уплотнительной технике, электронике и вакуумной технике.

Каковы ключевые особенности ковара?

Ковар — это железоникелькобальтовый сплав с аустенитной металлографической структурой. Ниже приведены основные характеристики ковара:

Низкий коэффициент теплового расширения: Ковар обладает очень низким коэффициентом теплового расширения, очень близким к большинству стеклянных материалов. Это означает, что ковар сохраняет размерную стабильность при изменении температуры, что делает его идеальным для изготовления вакуумных ламп, полупроводниковых приборов, конденсаторов и других высокоточных электронных компонентов.

Хорошие механические свойства: Ковар обладает высокой прочностью и твёрдостью, что делает его пригодным для изготовления высокоточных приборов и устройств. Кроме того, ковар имеет хорошую вязкость и прочность на растяжение и способен выдерживать большие ударные нагрузки и вибрации.

Коррозионная стойкость: Ковар способен противостоять воздействию распространённых химических веществ, особенно в условиях высоких температур, а его окислительные свойства относительно хороши. Это делает его идеальным материалом для применения в коррозионно-стойких средах.

Простота обработки:Ковар легко обрабатывается и поддаётся формовке, а также может быть отформован и обработан ковкой, горячей и холодной прокаткой и сваркой. Это делает ковар очень удобным для изготовления деталей и компонентов сложной формы.

Выдающиеся характеристики гальванического покрытия: поверхности ковара можно покрывать золотом, серебром, никелем, хромом и другими металлами. Для повышения проводимости высокочастотного тока и снижения контактного сопротивления его часто покрывают золотом и серебром. Никелевое или золотое покрытие наносят для повышения коррозионной стойкости изделия.

Какие распространённые марки ковара существуют?

4J29, K94610, 1.3981

Сплав ковар 4J29 — это высокоэффективный сплав, состоящий примерно из 70% железа, 29% никеля, 0,5–1% кобальта и других микроэлементов, с очень стабильным коэффициентом расширения, широко применяемый в ответственных высокотехнологичных областях. Он идеально подходит для электроники, аэрокосмической отрасли и оптики и используется для изготовления электронных корпусов, корпусов приборов и датчиков, а также корпусов лазеров и детекторных компонентов.

Обработка расширяющегося сплава 4J29

Холодная обработка включает такие операции, как волочение и прокатка. Поскольку сплав 4J29 обладает хорошей пластичностью и вязкостью, он подходит для холодной обработки с целью получения нужной формы и размеров. После холодной обработки обычно проводят отжиг для снятия напряжений при контролируемой температуре 600–700°C, чтобы уменьшить внутренние напряжения, возникающие при обработке, и повысить стабильность материала.

Расширяющийся сплав 4J29 часто подвергают гомогенизационному отжигу и старению. Температура гомогенизации поддерживается на уровне 800–900°C с последующим быстрым охлаждением для обеспечения однородной структуры сплава. Старение проводят путём нагрева при средней температуре 500–600°C для стабилизации микроструктуры материала, что повышает его механические свойства.

Из-за низкого коэффициента расширения 4J29 в процессе сварки легко возникает концентрация термических напряжений, поэтому рекомендуется применять аргонодуговую или лазерную сварку, а температуру сварки следует строго контролировать на уровне менее 900 ℃, чтобы предотвратить чрезмерный рост зерна в структуре, который влияет на механические свойства материала.

Каковы основные свойства ковара?

Предел прочности при растяжении: Предел прочности при растяжении сплавов ковар составляет 550–750 МПа. При высоких температурах (например, 400°C) предел прочности снижается, но сплав всё ещё способен сохранять высокую прочность, отвечая требованиям к характеристикам электронных корпусов в условиях высоких температур.

Предел текучести: Предел текучести сплава ковар составляет 300–500 МПа; более высокий предел текучести позволяет ему выдерживать нагрузки, сохраняя хорошую стабильность размеров и формы.

Температура плавления: Температура плавления сплавов ковар составляет примерно от 1 300°C до 1 400°C (от 2 372°F до 2 552°F). Высокая температура плавления сплава обеспечивает хорошую структурную стабильность при повышенных температурах, что делает его пригодным для электронных корпусов, вакуумной техники и применений при высоких рабочих температурах.

Твёрдость: Твёрдость HRB 90–100 означает, что сплавы ковар обладают умеренной твёрдостью и хорошей износостойкостью, что делает их пригодными для применения в условиях абразивного износа и высоких температур.

Плотность: Плотность 8,4 г/см³ означает, что сплавы ковар обладают умеренной плотностью, а их относительно большой вес делает их пригодными для применений, требующих сравнительно большой массы материала.

Электромагнитные свойства: Благодаря большому содержанию никеля и кобальта сплавы ковар обладают превосходными магнитными свойствами и особенно подходят для некоторых магнитных компонентов и оборудования.

Свариваемость: Сплавы ковар обладают хорошей свариваемостью и особенно подходят для сварки с другими металлами (медью, алюминием). Особенно в области прецизионных корпусов технологичность процесса сварки делает его идеальным материалом.

Относительное удлинение: Хорошее относительное удлинение около 20–30% делает сплавы ковар пригодными для прецизионной сварки и механообработки, а также позволяет им сохранять определённую пластичность при более высоких температурах, что облегчает их термическую обработку.

Где применяется ковар?

Сплавы ковар находят широкое применение в современной промышленности и технике, поэтому давайте рассмотрим некоторые из наиболее распространённых областей применения.

Электронные корпуса

Поскольку коэффициент теплового расширения ковара близок к стеклу, коваровые сплавы часто применяют в качестве герметизирующего материала между электронными приборами и стеклянными материалами. Например, электронные лампы, вакуумные корпуса и некоторые высококлассные датчики герметизируют коваровыми сплавами.

Аэрокосмическая отрасль

Коваровые сплавы также применяются в ряде аэрокосмических аппаратов, особенно в компонентах, требующих плотного соединения с другими материалами (керамикой, стеклом).

Медицина

Низкое расширение и высокая температурная стабильность коваровых сплавов делают их столь же важными при герметизации таких устройств. В медицинской сфере многие электронные приборы должны работать в особых условиях, например рентгеновское оборудование и оборудование МРТ.

Оптическое оборудование

В некоторых оптических приборах коваровые сплавы используют для герметизации оптических компонентов, чтобы обеспечить их стабильность и герметичность при высоких температурах.

Вакуумные лампы

Коваровый сплав обычно применяется в торцевых крышках вакуумных ламп: он эффективно соединяется со стеклом и обеспечивает герметичность вакуумной среды.

Высококлассное приборостроение

Многие высококлассные и научные приборы используют коваровый сплав для обеспечения долговременной стабильной работы, особенно в экстремальных условиях.

Каковы ограничения ковара?

Сложные производственные процессы: Коваровые сплавы обладают высокой твёрдостью и хрупкостью, что затрудняет их обработку и требует специального оборудования и опыта для изготовления качественных деталей. Такая сложность требует специализированного персонала для работы с материалом, что дополнительно увеличивает производственные затраты.

Хрупкость и склонность к разрушению:Высокая твёрдость ковара и, как следствие, высокая хрупкость, особенно при низких температурах, делают его более подверженным разрушению или растрескиванию при обработке. В условиях высоких вибраций или ударных нагрузок он склонен к разрыву или поломке при внезапном напряжении или ударе.

Высокая стоимость: В составе коварового сплава присутствуют кобальт и никель — дорогие металлические элементы, что делает его менее привлекательным для массового производства. Использование этого материала может увеличить производственные затраты, а ковар дороже других металлических сплавов.

Сложность обработки: При высокотемпературной сварке ковар требует высокого мастерства и склонен к деформации или недостаточной прочности сварного соединения.

Ограниченная доступность: Запасы коваровых сплавов ограничены, и найти надёжных поставщиков может быть сложно. Эта редкость затрудняет обеспечение непрерывных поставок коваровых сплавов в процессе производства.

Часто задаваемые вопросы

Ковар — это керамика?

Ковар — не керамика, а сплав. Его коэффициент теплового расширения близок к керамике.

Окисляется ли ковар?

Да, хотя коваровые сплавы изначально обладают хорошей коррозионной стойкостью, при определённых условиях они окисляются. Однако коваровые сплавы окисляются медленно, а их поверхностные оксидные плёнки обычно тонкие и, как правило, существенно не влияют на свойства сплавов; защитить их от окисления можно поверхностной обработкой или покрытиями на коваровых сплавах.

Ржавеет ли ковар?

Коваровые сплавы изначально менее склонны к ржавлению, чем чистое железо, а элементы никеля и кобальта придают им лучшую коррозионную стойкость, поэтому они более устойчивы к ржавлению, чем чистое железо или низколегированная сталь. Однако в суровых условиях окружающей среды им всё же требуется определённая защита.

Пластичен ли ковар?

Коваровые сплавы обладают определённой степенью пластичности, главным образом благодаря возможности обрабатывать их в тонкие листы, проволоку или сложные формы, отвечающие большинству потребностей промышленной обработки.

Как обрабатывать ковар?

Обработка на станках с ЧПУ — распространённый процесс обработки ковара, главным образом фрезерование с ЧПУ и токарная обработка с ЧПУ. Кроме того, в зависимости от проекта можно выполнять штамповку, сварку и финишную обработку поверхности по необходимости.

Резюме

В этой статье представлены коваровые сплавы, объяснено, что это такое и каковы их свойства, а также подробно проанализированы различные области применения коваровых сплавов, в частности электронная герметизация и аэрокосмическая отрасль. Если вы хотите узнать больше о коваровых сплавах, свяжитесь с DEK.

DEK — глобальный производитель индивидуальных деталей, обеспечивающий высокое качество услуг клиентам из различных отраслей по всему миру. Мы особенно хорошо работаем с труднообрабатываемыми металлическими материалами, включая ковар, инвар и титан. Если вы заинтересованы в запуске нового обработка сплава ковар проекта с нами, мы ответим вам в течение 6 часов, предоставив соответствующую информацию для дальнейшего обсуждения конкретных деталей производства.