Invar 36 vs Kovar vs Super Invar：您的零件该选哪种合金
Invar 36 vs Kovar 归结为一个问题：您想要零件尽可能少膨胀，还是想要它以与玻璃相同的速率膨胀？Invar 36 和 Super Invar 追求前者，室温下典型热膨胀系数分别为 1.2 至 1.6 和 0.3 至 0.6 ppm/°C。Kovar 追求后者，膨胀系数为 5.0 至 5.5 ppm/°C，专门调配以匹配硼硅玻璃和氧化铝。它们常被归为一类，因为都是具有特殊热性能的铁镍或铁镍钴合金，但它们并不能互相替代。选对合金，首先要弄清楚您需要它完成的是哪种任务。
简明结论
- Invar 36：适用于室温附近的尺寸稳定性需求，如安装座、工作台、工装和计量框架。
- Kovar：适用于在电子和真空封接中匹配玻璃与氧化铝陶瓷，而不是单纯追求最小膨胀。
- Super Invar：当 Invar 36 在较窄的工作温度带内仍然膨胀过多，且额外成本和交期是值得的。
- Alloy 42：需要类似 Kovar 的膨胀特性但不含钴时，多用于引线框架和薄壁零件。
全面对比
以下数值均为室温附近的典型手册数据。出厂质保书确认的是化学成分，不是您具体材料批次的实测 CTE，这一区别详见《Invar 材料认证》。Invar 规格参考列出了完整的规格编号。
| 属性 | Invar 36 | Super Invar | Kovar | Alloy 42 |
|---|---|---|---|---|
| 名义成分 | 36% Ni，余量为 Fe | 32% Ni，5% Co，余量为 Fe | 29% Ni，17% Co，余量为 Fe | 42% Ni，余量为 Fe |
| 典型热膨胀系数，ppm/°C | 1.2 至 1.6 | 0.3 至 0.6 | 5.0 至 5.5 | 4.0 至 6.0 |
| 该 CTE 适用的温度范围 | 约 20 至 100 °C，超过后缓慢上升 | 约 20 至 90 °C，超过后急剧上升 | 约 30 至 200 °C，与硼硅玻璃匹配 | 与 Kovar 相近 |
| 密度，g/cm3 | 8.05 | 约 8.1 | 8.36 | 8.12 |
| 居里温度 | 约 230 °C | 低于 Invar 36，以出厂数据为准 | 约 435 °C | 以出厂数据为准 |
| 典型用途 | 光学安装座、计量框架、复合材料工装 | 空间光学器件、激光结构件 | 玻璃-金属封接、气密封装 | 引线框架、双金属、薄壁封接件 |
| 加工要点 | 粘软，会冷作硬化，先粗加工再应力消除再精加工 | 与 Invar 36 相近，库存规格较少 | 与 Invar 36 相近，封接前需退火和清洁 | 多为薄壁件，平面度主要由夹具决定 |
| 依据规格 | ASTM F1684，UNS K93600 | 按成分定义，无单一通用引用标准 | ASTM F15，UNS K94610 | ASTM F30，UNS K94100 |
居里温度之所以重要，是因为低膨胀特性与合金的磁性状态相关。随着零件接近居里点，其膨胀系数会向普通钢材靠近，这也是为什么 Invar 36 在室温附近能保持其数值，而在高温工艺中就会失去这一特性。完整曲线的讨论见《Invar 36 CTE 随温度变化》。
按应用场景的决策表
以下是典型的起点。最终的答案取决于工作温度范围和公差要求，具体以加工厂的报价为准。
| 应用场景 | 首选 | 原因 | 需要注意的地方 |
|---|---|---|---|
| 实验室或仪器用光学安装座、工作台 | Invar 36 | 合理成本下膨胀系数最低，库存规格最全 | 省略应力消除会抵消选材的意义 |
| 温度范围明确的望远镜或空间光学器件 | Super Invar | 比 Invar 36 的残余膨胀减少一半甚至更多 | 适用温度带较窄，约 90 °C 以上优势会消失 |
| 玻璃-金属封接、引脚密封、气密封装 | Kovar | 在封接温度范围内与硼硅玻璃和氧化铝匹配 | 不是稳定性合金，不要用于安装座 |
| 高压罐固化的复合材料铺层模具 | Invar 36 | 在固化周期中保持形状，可加工大规格板材 | 厚板交期长，粗加工后需稳定化处理 |
| 半导体平台或计量框架 | Invar 36 | 在 20 至 25 °C 下稳定，公差可以做严 | 需 20 °C 下检测，需洁净室精加工 |
| 引线框架、薄壁冲压或蚀刻件 | Alloy 42 | 类似 Kovar 的膨胀特性，不含钴，有薄带库存 | 平面度由夹具决定，不由切削工艺决定 |
| 约 100 K 以下的低温结构件 | Invar 36，需核实数据 | CTE 随温度降低进一步下降 | 应以实测数据验证，而非室温数值 |
依次了解这四种合金
Invar 36：适用场景与加工方式
只要零件需要在房间、高压罐或轨道温度变化时保持尺寸和形状，Invar 36 就是默认选择。光学安装座、复合材料铺层工装、计量框架和仪器工作台都依赖它，因为在这个合金家族中，没有其他材料能以合理成本达到接近零的单位温度膨胀量。它的加工方式类似粘软、易冷作硬化的材料，与奥氏体不锈钢相近，详见《Invar 36 加工参数》，一个精密零件会经过《Invar 加工件的应力消除》以及 Invar 36 加工 页面中介绍的粗加工、应力消除、精加工顺序。
Kovar：为什么它不是一种稳定性合金
Kovar 的存在是为了解决另一个问题：让金属与玻璃或陶瓷粘合，且不会随温度变化而使接缝开裂。玻璃和氧化铝有各自的膨胀系数，与之封接的金属零件必须在工作温度范围内以几乎相同的速率膨胀和收缩，否则这种不匹配会在每个温度循环中给封接施加应力。Kovar 的成分经过调配，以匹配硼硅玻璃和 94% 至 96% 氧化铝陶瓷，这也是为什么它常出现在气密电子封装、引脚密封件和传感器外壳中，而不是光学工作台上。
用于玻璃或陶瓷封接的零件通常在封接前经过退火和仔细清洁，因为表面氧化物和污染物对润湿性和结合质量的影响，和合金本身的性质一样重要。这与 Invar 36 所用的应力消除工序是不同的工艺考量，经常封接 Kovar 的加工厂通常有自己的一套清洁和退火做法，详见《Kovar 玻璃-金属封接零件》和Kovar 加工页面。
Super Invar：更低的膨胀系数，更窄的适用范围
Super Invar 用更复杂的成分（铁、镍加钴，而不只是铁和镍）换取比 Invar 36 更低的膨胀系数。代价是 Super Invar 保持最低膨胀系数的温度范围更窄，大约在 20 至 90 °C 之间，超过这个范围后 CTE 会急剧上升。它的库存也不如 Invar 36 常见，这会影响交期和成本，从材料采购角度的讨论见《选择 Invar 库存》。
Super Invar 的额外成本，在工作温度范围明确且落在该合金适用带内的空间光学器件和精密激光结构件上才值得付出，详见《用于光学工作台和望远镜结构的 Invar》。超出这个范围，Invar 36 可能表现相近但成本更低，因此在决定使用它之前应先核实您实际的工作温度范围。Super Invar 加工页面和《何时 Invar 36 已经不够用》详细讨论了这一决策。
Alloy 42 简介
Alloy 42，镍含量约 42%，符合 ASTM F30，其膨胀范围与 Kovar 相近，但不含钴，常见于引线框架、封接件和双金属零件，这些场合 Kovar 匹配玻璃的特性并非决定因素。它通常以薄带或薄片形式供应，而不是厚棒材，因此大多数 Alloy 42 零件在铣削之前会先经过冲压、蚀刻或线切割，在薄壁部分，平面度主要由夹具而不是切削工艺决定。参见《Alloy 42 引线框架加工》。
机床上的差异
切削
这四种合金都是面心立方结构的铁镍材料，切削特性与奥氏体不锈钢相似：粘软，如果刀具摩擦刃口容易冷作硬化，进给量过轻时对刀具寿命影响很大。硬质合金铣削速度通常在每分钟 30 至 60 米，正前角刀具加大流量冷却液适用于整个合金家族。含钴的 Kovar 和 Super Invar 往往对刀具磨损更大，因此加工厂常从速度区间的低端开始。
热处理
这才是真正的差异所在。Invar 36 或 Super Invar 的精密零件要经过粗加工、应力消除、精加工，最严格的零件还要在低温下稳定化处理一到两天。用于封接的 Kovar 零件则要退火并清洁到封接工艺所需的表面状态，对安装座重要的应力消除，在这里是次要因素。薄壁的 Alloy 42 通常在到达加工厂之前，作为薄带材就已经退火处理过。
清洁与操作
这些合金在室温下都具有铁磁性，因此细小切屑会粘附在零件和夹具上。用于封接的 Kovar 需要无氧化物、无油脂的表面，因此最终清洁本身就是一道工艺步骤。用于光学的 Invar 36 更看重颗粒控制，而不是化学洁净度。请在询价单中说明您需要哪一种。
算例：一个假设的 200 mm 垫片在 10 °C 温度变化下的表现
假设一个 200 mm 长的垫片，用于一台仪器，在标定和使用之间会经历 10 °C 的温度变化，长度公差为 ±0.005 mm。膨胀量等于长度乘以 CTE 再乘以温度变化。数值为典型且示意性的。
| 合金 | 典型热膨胀系数，ppm/°C | 10 °C 下的膨胀量，mm | 是否在 ±0.005 mm 内 |
|---|---|---|---|
| Super Invar | 0.45 | 0.0009 | 是，有余量 |
| Invar 36 | 1.4 | 0.0028 | 是 |
| Alloy 42 | 5.0 | 0.010 | 否 |
| Kovar | 5.2 | 0.010 | 否 |
| 304 不锈钢 | 16.5 | 0.033 | 否 |
Invar 36 满足公差要求，还剩约一半的余量，这通常在零件经过应力消除并在 20 °C 下测量后就足够了。Super Invar 能再多买 0.002 mm 的余量，是否值得为此承担更长的交期，取决于预算的其余部分：夹具、测量不确定度以及周边零件的稳定性。Kovar 和 Alloy 42 在这个任务上都不合适，这正是问题的关键：它们是仪器另一端窗口封接件的候选材料，而不是这个垫片的候选材料。同样的计算方法在一个完整工作台上的应用，详见《Invar 光学工作台算例》。
成本与交期差异
材料成本大致跟随镍和钴含量，以及库存规格的常见程度而变化。在常见的棒材和板材规格中，Invar 36 是这三种合金里库存最广的。Kovar 由于在电子封装领域用量大，库存也很充足；Super Invar 最不常见，非标准规格的交期往往更长。Alloy 42 以薄带形式很常见，以棒材形式则很少见。在小零件上，这些差异都不算大，但在更大的结构件或需要非标准厚度的项目上会累积起来，这一点在《为什么 Invar 36 零件成本更高》中有讨论。
如何在图纸和询价单上指定每种合金
请说明具体合金及其适用规格，而不是只依赖“Invar”这个词：Invar 36 对应 ASTM F1684 和 UNS K93600，Kovar 对应 ASTM F15 和 UNS K94610，Alloy 42 对应 ASTM F30 和 UNS K94100，Super Invar 则按名义成分和所需的 CTE 范围说明。如果您不确定公差需要哪种合金，可以说明功能、工作温度范围，以及零件是否要与玻璃或陶瓷封接，具体见《Invar 询价单图纸清单》。这比自己猜一个规格引用能更快获得有用的建议。通过询价表单发送图纸，我们会为您匹配在您零件所需的具体合金上有经验的加工厂。
常见问题
Kovar 像 Invar 一样是一种低膨胀合金吗？
不完全是同一个意义上的低膨胀合金。Kovar 的膨胀特性是为了与硼硅玻璃和氧化铝陶瓷相匹配以便封接，而不是为了尽可能低。它的典型热膨胀系数约为 5.0 至 5.5 ppm/°C，是 Invar 36 的 1.2 至 1.6 的数倍。
玻璃封接件中可以用 Invar 36 代替 Kovar 吗？
通常不能，除非重新设计封接结构。选用 Kovar 正是因为它的膨胀特性与所封接的玻璃或陶瓷相匹配。Invar 36 相对于常用封接玻璃膨胀得太少，热循环时反而可能使封接开裂，而不是保护它。
什么时候 Super Invar 比 Invar 36 多花的钱才值得？
当 Invar 36 本已很小的膨胀量仍然超过您的公差，并且您的工作温度范围恰好落在 Super Invar 设计的适用带内时。超出这个范围后，Super Invar 的优势会缩小，因此在指定它之前，值得先核实您实际的温度范围。
这三种合金的加工方式有区别吗？
在机床上差别不大。它们都是粘软、易冷作硬化的铁镍合金，用锋利硬质合金刀具和大流量冷却液，在相近的转速和进给下加工。真正的区别在于热处理顺序、Kovar 封接前的清洁工序，以及 Super Invar 可用的库存规格。
参考资料
本文中的数值为典型手册参考值，供规划使用。您所用材料批次的出厂质保书，以及加工厂针对您具体几何形状给出的报价，才是最终依据。
延伸阅读
- Invar 加工：采购方在发出图纸前需要了解的事 · 材料
- 如何找到一家真正加工过 Invar 的加工厂 · 选择供应商
- 为什么 Invar 36 零件成本更高，加工厂如何定价 · 成本
- 加工 Invar 36 的转速、进给与刀具寿命 · 工艺流程