Invar 36, Kovar và Super Invar: Hợp kim nào phù hợp cho chi tiết của bạn
Invar 36 so với Kovar quy về một câu hỏi: bạn muốn chi tiết giãn nở càng ít càng tốt, hay giãn nở cùng tốc độ với một miếng thủy tinh? Invar 36 và Super Invar làm điều thứ nhất, với CTE điển hình ở nhiệt độ phòng là 1.2 đến 1.6 và 0.3 đến 0.6 ppm/°C. Kovar làm điều thứ hai, ở mức 5.0 đến 5.5 ppm/°C, được điều chỉnh để khớp với thủy tinh borosilicate và alumina. Chúng thường bị gộp chung vì đều là hợp kim sắt niken hoặc sắt niken cobalt với hành vi nhiệt khác thường, nhưng không thể thay thế cho nhau. Chọn đúng hợp kim bắt đầu từ việc biết bạn cần nó làm công việc nào.
Câu trả lời ngắn
- Invar 36 cho độ ổn định kích thước gần nhiệt độ phòng: đế lắp, bàn gia công, khuôn gá, khung đo lường.
- Kovar để khớp với thủy tinh và gốm alumina trong mối hàn kín điện tử và chân không, không phải để giảm thiểu độ giãn nở tự thân.
- Super Invar khi Invar 36 vẫn dịch chuyển quá nhiều trong một dải hoạt động hẹp và chi phí, thời gian giao hàng thêm là hợp lý.
- Alloy 42 khi cần độ giãn nở giống Kovar nhưng không có cobalt, chủ yếu ở lead frame và các tiết diện mỏng.
Bảng so sánh đầy đủ
Mọi giá trị đều là số liệu điển hình từ sổ tay kỹ thuật, gần nhiệt độ phòng. Chứng nhận nhà máy xác nhận thành phần hóa học, không phải CTE đo thực cho lô nấu cụ thể của bạn, một điểm khác biệt được bàn trong chứng nhận vật liệu Invar. Tài liệu tham chiếu tiêu chuẩn Invar liệt kê đầy đủ các ký hiệu.
| Đặc tính | Invar 36 | Super Invar | Kovar | Alloy 42 |
|---|---|---|---|---|
| Thành phần danh định | 36 % Ni, còn lại Fe | 32 % Ni, 5 % Co, còn lại Fe | 29 % Ni, 17 % Co, còn lại Fe | 42 % Ni, còn lại Fe |
| CTE điển hình, ppm/°C | 1.2 đến 1.6 | 0.3 đến 0.6 | 5.0 đến 5.5 | 4.0 đến 6.0 |
| Dải nhiệt độ CTE đó đúng | Khoảng 20 đến 100 °C, tăng nhẹ ở trên | Khoảng 20 đến 90 °C, tăng mạnh ở trên | Khoảng 30 đến 200 °C, khớp với thủy tinh borosilicate | Dải tương tự Kovar |
| Khối lượng riêng, g/cm3 | 8.05 | Khoảng 8.1 | 8.36 | 8.12 |
| Điểm Curie | Khoảng 230 °C | Thấp hơn Invar 36, dữ liệu nhà máy quyết định | Khoảng 435 °C | Dữ liệu nhà máy quyết định |
| Ứng dụng điển hình | Đế quang học, khung đo lường, khuôn gá composite | Quang học không gian, kết cấu laser | Mối hàn kín kim loại-thủy tinh, vỏ kín khí | Lead frame, lưỡng kim, mối hàn kín mỏng |
| Ghi chú gia công | Dẻo dính, biến cứng, gia công thô rồi ủ khử ứng suất rồi tinh | Giống Invar 36, ít phôi có sẵn hơn | Giống Invar 36, ủ và làm sạch trước khi hàn kín | Thường mỏng, đồ gá chi phối độ phẳng |
| Tiêu chuẩn áp dụng | ASTM F1684, UNS K93600 | Theo thành phần, không có một ký hiệu chung duy nhất | ASTM F15, UNS K94610 | ASTM F30, UNS K94100 |
Điểm Curie quan trọng vì độ giãn nở thấp gắn liền với trạng thái từ tính của hợp kim. Khi chi tiết tiến gần điểm Curie, CTE tăng dần về mức của thép thường, đó là lý do Invar 36 giữ được giá trị của nó gần nhiệt độ phòng nhưng mất đi trong một quy trình nhiệt độ cao. Đường cong đầy đủ được bàn trong CTE của Invar 36 theo nhiệt độ.
Bảng quyết định theo ứng dụng
Một điểm khởi đầu điển hình. Dải nhiệt độ hoạt động và dung sai mới quyết định câu trả lời cuối cùng, và báo giá của xưởng là con số quyết định.
| Ứng dụng | Lựa chọn đầu tiên | Vì sao | Cần chú ý |
|---|---|---|---|
| Đế lắp hoặc bàn quang học, phòng lab hoặc thiết bị | Invar 36 | Giãn nở thấp nhất với chi phí hợp lý, phôi có sẵn rộng nhất | Bỏ qua ủ khử ứng suất sẽ xóa bỏ ý nghĩa của việc chọn vật liệu này |
| Kính viễn vọng hoặc quang học không gian với dải nhiệt xác định rõ | Super Invar | Giảm một nửa hoặc hơn độ giãn còn lại so với Invar 36 | Dải hẹp; trên khoảng 90 °C lợi thế mất dần |
| Mối hàn kín kim loại-thủy tinh, đầu xuyên, vỏ kín khí | Kovar | Bám theo thủy tinh borosilicate và alumina suốt dải hàn kín | Không phải hợp kim ổn định kích thước, không dùng cho đế lắp |
| Khuôn layup composite, chạy chu kỳ autoclave | Invar 36 | Giữ hình dạng qua các chu kỳ đóng rắn, gia công được ở tấm lớn | Thời gian giao tấm dày, cần ổn định hóa sau gia công thô |
| Bàn stage bán dẫn hoặc khung đo lường | Invar 36 | Ổn định ở 20 đến 25 °C với dung sai chặt | Kiểm tra ở 20 °C, hoàn thiện trong phòng sạch |
| Lead frame, chi tiết dập hoặc khắc mỏng | Alloy 42 | Giãn nở giống Kovar, không cobalt, có dạng dải mỏng | Độ phẳng do đồ gá quyết định, không phải do dao cắt |
| Kết cấu nhiệt độ thấp dưới khoảng 100 K | Invar 36, kiểm tra dữ liệu | CTE giảm thêm khi nhiệt độ giảm | Xác minh bằng dữ liệu đo thực, không dùng giá trị ở nhiệt độ phòng |
Bốn hợp kim, lần lượt
Invar 36: phù hợp ở đâu và gia công thế nào
Invar 36 là lựa chọn mặc định bất cứ khi nào một chi tiết phải giữ kích thước và hình dạng khi phòng, lò autoclave hoặc quỹ đạo thay đổi nhiệt độ. Đế quang học, khuôn layup composite, khung đo lường và bàn thiết bị dựa vào nó vì không có hợp kim khác trong nhóm này đạt được mức gần như không dịch chuyển trên mỗi độ với chi phí hợp lý. Nó gia công như một vật liệu dẻo dính, dễ biến cứng, tương tự thép không gỉ austenit, được bàn trong thông số gia công Invar 36, và một chi tiết chính xác làm từ nó đi qua trình tự gia công thô, ủ khử ứng suất, gia công tinh được mô tả trong ủ khử ứng suất cho chi tiết Invar gia công và trên trang gia công Invar 36.
Kovar: vì sao không phải là hợp kim ổn định kích thước
Kovar tồn tại để giải quyết một vấn đề khác: liên kết kim loại với thủy tinh hoặc gốm mà không làm nứt mối nối khi nhiệt độ thay đổi. Thủy tinh và alumina có hệ số giãn nở riêng, và một chi tiết kim loại hàn kín với chúng cần giãn nở và co lại ở tốc độ gần bằng nhau suốt dải nhiệt hoạt động, nếu không sự lệch nhau đó sẽ gây ứng suất cho mối hàn kín ở mỗi chu kỳ. Thành phần của Kovar được điều chỉnh để bám theo thủy tinh borosilicate và gốm alumina 94 đến 96 %, đó là lý do nó xuất hiện trong vỏ kín khí điện tử, đầu xuyên và vỏ cảm biến hơn là trong đế quang học.
Các chi tiết dùng cho mối hàn kín thủy tinh hoặc gốm thường được ủ và làm sạch kỹ trước khi hàn kín, vì oxit bề mặt và tạp chất ảnh hưởng đến khả năng thấm ướt và chất lượng liên kết không kém gì tính chất khối của hợp kim. Đây là một vấn đề quy trình khác so với trình tự ủ khử ứng suất dùng cho Invar 36, và một xưởng hàn kín Kovar thường xuyên sẽ có quy trình làm sạch và ủ riêng cho việc này, được bàn trong chi tiết mối hàn kín kim loại-thủy tinh Kovar và trên trang gia công Kovar.
Super Invar: giãn nở thấp hơn, dải hẹp hơn
Super Invar đánh đổi một thành phần phức tạp hơn, sắt, niken và cobalt thay vì chỉ sắt và niken, để đạt hệ số giãn nở thấp hơn Invar 36. Điều đánh đổi là Super Invar chỉ giữ được mức giãn nở thấp nhất trong một dải nhiệt độ hẹp hơn, khoảng 20 đến 90 °C, và CTE của nó tăng mạnh ngoài dải đó. Nó cũng là loại phôi ít phổ biến hơn Invar 36, ảnh hưởng đến thời gian giao hàng và chi phí, được bàn từ góc độ nguồn cung trong chọn phôi Invar.
Super Invar đáng chi phí trên quang học không gian và kết cấu laser chính xác nơi dải nhiệt độ hoạt động được xác định rõ và nằm trong dải của hợp kim, được bàn trong Invar cho đế quang học và kết cấu kính viễn vọng. Ngoài dải đó, Invar 36 có thể hoạt động tương tự với chi phí thấp hơn, nên hãy kiểm tra dải nhiệt độ thực tế của bạn trước khi quyết định. Trang gia công Super Invar và khi nào Invar 36 không đủ đi sâu vào quyết định này.
Alloy 42, tóm tắt
Alloy 42, khoảng 42 % niken theo ASTM F30, nằm trong dải giãn nở tương tự Kovar nhưng không có cobalt, và xuất hiện trong lead frame, mối hàn kín và chi tiết lưỡng kim nơi tính năng khớp thủy tinh của Kovar không phải yếu tố quyết định. Nó thường được cung cấp dạng dải hoặc tấm mỏng hơn là thanh dày, nên hầu hết chi tiết Alloy 42 được dập, khắc hoặc cắt dây trước khi phay, và ở tiết diện mỏng, đồ gá, không phải quá trình cắt gọt, quyết định độ phẳng đạt được. Xem gia công Alloy 42 cho lead frame.
Điều gì khác nhau trên máy giữa các hợp kim
Cắt gọt
Cả bốn hợp kim đều là vật liệu sắt niken cấu trúc lập phương tâm mặt, cắt giống thép không gỉ austenit: dẻo dính, dễ biến cứng dưới một lưỡi dao cọ xát và khắc nghiệt với tuổi thọ dao nếu lượng chạy dao quá nhẹ. Tốc độ phay carbide điển hình 30 đến 60 m/phút, góc thoát dương và dung dịch làm mát tưới đẫm áp dụng cho cả nhóm. Kovar và Super Invar, có cobalt trong thành phần, thường khắc nghiệt hơn một chút với dao, nên xưởng thường bắt đầu ở đầu thấp của dải thông số.
Xử lý nhiệt
Đây là khác biệt thực sự. Một chi tiết chính xác Invar 36 hoặc Super Invar được gia công thô, ủ khử ứng suất, gia công tinh và, với những chi tiết chặt nhất, ổn định hóa ở nhiệt độ thấp trong một hoặc hai ngày. Một chi tiết Kovar dùng cho mối hàn kín được ủ và làm sạch đến trạng thái bề mặt mà quy trình hàn kín cần, và ủ khử ứng suất quan trọng cho một đế lắp trở thành yếu tố phụ. Alloy 42 ở tiết diện mỏng thường đã được ủ dưới dạng dải trước khi đến xưởng.
Làm sạch và xử lý
Cả bốn đều có từ tính ở nhiệt độ phòng, nên phoi mịn bám vào chi tiết và đồ gá. Kovar dùng cho hàn kín cần bề mặt không oxit, không dầu mỡ, nên bước làm sạch cuối là một bước quy trình riêng. Invar 36 dùng cho quang học cần kiểm soát hạt bụi hơn là độ sạch hóa học. Hãy nêu rõ bạn cần loại nào trong RFQ.
Ví dụ minh họa: một miếng đệm 200 mm giả định qua dao động 10 °C
Lấy ví dụ một miếng đệm dài 200 mm giả định trong một thiết bị chịu dao động 10 °C giữa lúc chuẩn hóa và lúc sử dụng, với dung sai chiều dài ±0.005 mm. Độ giãn bằng chiều dài nhân CTE nhân độ thay đổi nhiệt độ. Các giá trị là điển hình và mang tính minh họa.
| Hợp kim | CTE điển hình, ppm/°C | Độ giãn qua 10 °C, mm | Trong dung sai ±0.005 mm? |
|---|---|---|---|
| Super Invar | 0.45 | 0.0009 | Có, còn dư |
| Invar 36 | 1.4 | 0.0028 | Có |
| Alloy 42 | 5.0 | 0.010 | Không |
| Kovar | 5.2 | 0.010 | Không |
| Thép không gỉ 304 | 16.5 | 0.033 | Không |
Invar 36 giữ được dung sai với khoảng một nửa còn dư, thường là đủ khi chi tiết đã được ủ khử ứng suất và đo ở 20 °C. Super Invar mua thêm 0.002 mm dư, và việc đó có đáng với thời gian giao hàng dài hơn hay không phụ thuộc vào phần còn lại của bài toán: đồ gá, độ không chắc chắn khi đo và độ ổn định của các chi tiết xung quanh. Kovar và Alloy 42 bị loại khỏi công việc này, đó chính là điểm cần thấy: chúng là ứng viên cho mối hàn kín cửa sổ ở đầu khác của thiết bị, không phải cho miếng đệm. Cùng phép tính này trên một đế đầy đủ được thực hiện trong ví dụ minh họa đế quang học Invar.
Khác biệt về chi phí và thời gian giao hàng
Chi phí vật liệu đại khái theo hàm lượng niken và cobalt cũng như mức độ phổ biến của kích thước phôi. Invar 36 là loại có sẵn rộng rãi nhất trong ba hợp kim ở các kích thước thanh và tấm thông dụng. Kovar đứng sát sau nhờ khối lượng dùng trong đóng gói điện tử, và Super Invar ít phổ biến nhất, thường có thời gian giao hàng dài hơn cho bất kỳ thứ gì ngoài kích thước tiêu chuẩn. Alloy 42 phổ biến ở dạng dải và hiếm ở dạng thanh. Không khác biệt nào trong số này lớn trên một chi tiết nhỏ, nhưng chúng cộng dồn trên các kết cấu lớn hơn hoặc các chương trình cần độ dày ngoài tiêu chuẩn, một điểm được bàn trong vì sao chi tiết Invar 36 đắt hơn.
Cách chỉ định từng hợp kim trên bản vẽ và RFQ
Hãy ghi rõ hợp kim và tiêu chuẩn áp dụng thay vì chỉ dựa vào từ “Invar”: Invar 36 theo ASTM F1684 với UNS K93600, Kovar theo ASTM F15 với UNS K94610, Alloy 42 theo ASTM F30 với UNS K94100 và Super Invar theo thành phần danh định cùng dải CTE bạn cần. Nếu bạn không chắc dung sai của mình cần hợp kim nào, hãy nêu rõ chức năng, dải nhiệt độ hoạt động và chi tiết có hàn kín với thủy tinh hay gốm không, được bàn trong những gì cần đưa vào RFQ Invar. Điều đó giúp bạn nhận được gợi ý hữu ích nhanh hơn là tự đoán ký hiệu. Gửi bản vẽ của bạn qua form RFQ, và chúng tôi kết nối bạn với các xưởng có kinh nghiệm với đúng hợp kim chi tiết của bạn cần.
Câu hỏi thường gặp
Kovar có phải là hợp kim giãn nở thấp như Invar không?
Không theo nghĩa đó. Độ giãn nở của Kovar được thiết kế để khớp với thủy tinh borosilicate và gốm alumina cho mục đích hàn kín, không phải để thấp nhất có thể. CTE điển hình của nó, khoảng 5.0 đến 5.5 phần triệu trên mỗi độ C, cao hơn nhiều lần so với 1.2 đến 1.6 của Invar 36.
Tôi có thể thay Invar 36 cho Kovar trong một mối hàn kín thủy tinh không?
Thường là không nếu không thiết kế lại mối hàn kín. Kovar được chọn chính vì độ giãn nở của nó bám theo thủy tinh hoặc gốm mà nó liên kết với. Invar 36 giãn nở quá ít so với thủy tinh hàn kín điển hình, điều này có thể làm nứt mối hàn kín khi chu kỳ nhiệt thay vì bảo vệ nó.
Khi nào Super Invar đáng để trả thêm chi phí so với Invar 36?
Khi độ giãn nở của Invar 36, dù đã rất nhỏ, vẫn làm chi tiết dịch chuyển nhiều hơn dung sai cho phép, và nhiệt độ hoạt động của bạn nằm gần dải thiết kế của Super Invar. Ngoài dải đó, lợi thế của Super Invar giảm đi, nên bạn nên kiểm tra dải nhiệt độ thực tế trước khi chỉ định hợp kim này.
Ba hợp kim này có gia công khác nhau không?
Trên máy thì không khác nhiều. Cả ba đều là hợp kim sắt niken dẻo dính, dễ biến cứng, chạy ở tốc độ và lượng chạy dao tương tự với dao carbide sắc và dung dịch làm mát tưới đẫm. Khác biệt nằm ở trình tự xử lý nhiệt, việc làm sạch trước khi hàn kín thủy tinh với Kovar và kích thước phôi có sẵn cho Super Invar.
Cần báo giá cho chi tiết này?
Gửi bản vẽ cho chúng tôi. Chúng tôi kết nối bạn với tối đa 3 xưởng gia công Invar và phản hồi trong 24 giờ làm việc.
Kết nối với xưởng gia công Invar