膨胀合金

(2) 反常热膨胀
一般金属与合金的膨胀系数随温度变 化的规律为正常热膨胀。但某些金属和 合金，如镍和铁镍合金的膨胀系数随温 度变化的规律与之不同，图2所示为反常 热膨胀。镍的膨胀系数在居里点附近异 常增大，叫正反常；而Fe-35Ni合金在居 里点附近的膨胀系数明显减小，可接近 零甚至负值，称负反常，也叫因瓦反常。
铁-镍-钯合金(20~200℃)
锰-钯合金 无磁因瓦合金
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软玻璃的软化点为450℃，α(20~450℃)=(9~11)×10-6℃-1；硬玻璃的 软化点为550℃， α (20~550℃)=5×10-6℃-1；含95%(质量分数)Al2O3的 陶瓷α(20~800℃)=7×10-6℃-1，电真空器件通过钎焊使合金与陶瓷封接 在一起。
5J0756、5J1070等，5J0756的线性温度范围为0~400℃，5J1070 的线 性温度范围为20~350℃。
5) 耐蚀型 耐蚀型用在腐蚀性介质或蒸汽疏水阀等潮湿性气氛中工
作的电动控制装置中，，以达到耐蚀的目的。
一般选用Ni36、Ni42、Ni50合金作为热双金属片的被动层材料，这3 种材料的最高使用温度范围分别为：180~200℃，340~370℃， 450~480℃。
热双金属片的热灵敏度，电阻率，弹性模量和线性温度的范围是其 性能要求的基本要素。热双金属片热灵敏度表示热双金属片由于温度变 化而发生弯曲的程度，由热双金属片组合层的线膨胀系数的差值所决定。 当热双金属片的厚度一定时，组合层线膨胀系数的差值越大，热灵敏度
Fe-Ni膨胀合金包括低膨胀系数的4J36 合金和一定线膨胀系数的4J42、4J43、 4J50、4J52、4J54和4J58合金。(4J表示 膨胀合金，后面的数字，代表镍的质量分 数)。Fe-Ni系的膨胀系数、居里点，取决于 合金的化学成分。在居里点温度以下，镍 质量分数范围为36％~58％。
含镍34%以下的合金，由于存在α和γ
U (r)
A rm
B rn
(1)
按式(1)的势能曲线如图1所示。图
中A点为势能最低点，所对应的为平衡
距离r0。当温度升高时，原子在A点附 近的振幅加大，由于势能曲线并不对称，
随温度升高，平衡位置沿AB变化，则
r0增大。故通常金属和合金都是显示受 热而膨胀。
图1 原子间的势能曲线
2
在某温度下，它的平衡距离r0可由式(1)的一阶导数等于零求得，即
还有一些反铁磁合金，在居里点以下的温度也具有反常的热膨胀， 如铬基和钯基合金。铬基加工性能差，钯为贵金属，因此未作商业应用， 但仍是一种潜在的发展方向。
中国的膨胀合金采用汉语拼音和数字结合的编号方法，例如： 4JXX(数字)，J是拼音Jing(精)。
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2. 膨胀合金的分类和特征
膨胀合金按合金系列分类便于了解同类合金的冶炼、加工、结构等 性质，可分为：Fe-Ni、Fe-Ni-Co、Fe-Ni-Cr、Fe-Ni-Cu、Fe-Cr系。按 用途和特征分类则便于使用。
1 dL
(3)
L dT
体膨胀系数β为
1 dV
(4)
V dT
3
大部分金属的膨胀系数α与其熔点成反比，高熔点的金属膨胀系数小； 低熔点的膨胀系数大。1896年，法国吉欧姆发现Fe-36.5Ni合金在室温范 围内，尺寸不随温度而变化的现象，取名为因瓦效应(Invar来自于 Invariable，意为不变)，之后，类似的低膨胀系数的合金相继问世。
(4) 其他封接合金
用于电子工业要求有高强度、高弹性、高导电、高导热和无磁性的
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要求，如无磁封接合金、高导电导热封接合金等。 由于封接合金用量很大，而钴的价格又比较昂贵，因此研制了低钴
的封接合金，如Ni36Co5Cu3合金可与陶瓷封接，Ni36Co9合金与玻璃封 接。无磁或弱磁封接合金有：Fe-Mo弱磁瓷封接合金、Fe-Ni、Fe-Ni-Cr 系软玻璃封接合金。一些大功率半导体、金属陶瓷封接器件不仅要求合 金具有小的膨胀系数，而且要求导热、导电性好、能与铜、硅钎焊。
在Fe-Ni系合金中加入wAg=3%，它的α＜7×10-6℃-1。使Fe-Ni合金 的电阻率可以从0.8×10-6Ω ·m降到0.15×10-6Ω ·m。加铜也可使电阻率 降低。这两种合金在300℃时的膨胀系数与Ni29Co18合金及Ni33Co14合 金的相近，而导电、导热率却比它们高5倍。
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3. Fe-Ni系膨胀合金
热双金属合金以5JXXXX表示，根据用途和特性可分为：
1) 普通型 用于一般用途的控制元件，一般的自动控制装置，工作
温度不太高。牌号有5J1378，5J1480，5J1578等。
2) 高敏感型 这类热双金属在温度变化不大时，产生的弯曲值却很
大，因此对信号的灵敏度高。它具有高敏感、高电阻特性，但耐蚀性差， 且弹性模量E值低，这类热双金属有5J2011等。
膨胀系数α /(10-6 ℃-1) 2.45 3.61 5.16 6.52 7.80 8.88 9.73 10.37 10.97
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硅使合金的居里点下降，碳、锰使膨胀系数升高。因此，在保证加 工性的要求下，应尽量降低这些元素的含量。加入wSe=0.1％~0.4％和 wMn=0.5%~1.5%，可改善合金的切削性能，称易切削因瓦合金。
定膨胀合金性能要求：膨胀系数与被封接材料匹配，塑性好．易加 工，在工作的温度范围内不发生相变，有良好的导电、导热性，及较高 的机械强度和加工性。用于封接的定膨胀合金有Fe-Ni、Fe-Ni-Co、FeNi-Cr、Ni-Co系，还有无氧铜、钨、钼及其合金、复合材料等。
(3) 高膨胀合金
其α (20~100℃)>12×10-6℃-1，主要用作热双金属的主动层和控温敏 感元件。热双金属(片)是由两层或两层以上具有不同热膨胀系数的金属材 料沿层间接触面牢固地按合在一起的片状复合材料。具有高膨胀系数的 合金作主动层，具有低膨胀系数的合金作被动层。
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3) 特定电阻率型 这类热双金属主要用于自动断流器等方面，要
求具有一定的电阻率值，用于低电阻型的有5J1017、5J1416，中间夹镍 或铜层组成。用于高、中电阻型的牌号有5J2010、5J14140、5J1578或 5J1480等。
4) 高温型 高温型用于控制较高温度的自动装置中，合金牌号有
在某一定温度范围内保持一定的膨胀系数，其α(20~100℃)=(4~11) ×10-6℃-1。这种合金的膨胀系数与玻璃、陶瓷和云母等接近，可与之匹
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配(或非匹配)封接，所以又称为封接合金，被广泛地应用于电子管、晶体 管、集成电路等电真空器件中作封接、引线和结构材料。
合金 Fe-36Ni Fe-32Ni-4Co Fe-52Co-11Cr Fe-36Ni-0.2Se Fe-33Ni-7.5Co Fe-25Pt Fe-35Pd Fe-(28~32)Ni(5.5~10)Pd Pd-35.5Mn Fe-94Cr-0.5Mn
-129~18 -60~21 -40~21 -20~21 0~21 21~50 21~100 21~150
膨胀系数α/(10-6 ℃-1) 1.38 1.98 1.76 1.75 1.62 1.58 1.06 1.40 1.93
温度范围/℃
21~200 21~250 21~300 21~350 21~400 21~450 21~500 21~550 21~600
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图3是热双金属片随温变化的示意图。在
室温时的状态，是平直的图3a；加热时，它
将变成图3b的形状，这是由于组成热双金属
片的两层材料具有不同的热膨胀系数，具有
高膨胀系数的主动层，受热时伸长较大，而
具有低膨胀系数的被动层伸长较小，由于两
层是牢固地结合在一起，因此，加热时使热
双金属片向被动层方向弯曲；冷却时则相反，
图2 反常热膨胀(虚线为正常膨胀)
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可见，反常膨胀的合金与其铁磁性密切相关。在居里温度以上具有 与一般合金类似的正常热膨胀，而在居里温度以下则出现反常热膨胀。
饱和磁化强度的改变可以看成是晶格热振动和磁致伸缩随温度发生 变化这两部分叠加的结果。因瓦合金具有很大的由磁转变产生的相应体 积变化，伴随着较大的体积收缩，抵消了由晶格振动加剧产生的正常热 膨胀值，即发生体积磁致伸缩。但随温度提高饱和磁化强度急剧下降， 在居里点以上合金转变为顺磁性，磁性行为引起负膨胀的因素消失，膨 胀系数增大到正常值。
它将弯曲成图3c的形状。由于热双金属片在
温度变化时发生弯曲，从而产生一定的
图3 热双金属片随温度变化示意图
推力和位移，利用这一功能，热双金属片可实现热-机械能转换。
热双金属片被广泛地用作温度测量及自动控制设备中的热敏元件、 传感器元件，实现温度指示，温度控制，程序控制和温度补偿等功能。
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主动层材料应选用具有大膨胀系数的高膨胀合金。在被动层材料确 定的情况下，主动层材料的膨胀系数越高，热双金属片的热敏感性越好。 另外，要求两层合金都应具有较高的熔点和良好的焊接性，具有相近的 弹性模量E且值很高。同时，要保证在较宽的温度范围内不发生可逆相变， 否则由于相变的体积效应引起的膨胀系数的变化，导致热双金属片弯曲 功能下降。被动层材料具有较小的热膨胀系数。
两相组织，膨胀系数与成分的关系较复杂；
在镍20%左右，显示膨胀系数极高，可作
高膨胀合金；升至36％以后，膨胀系数出
现最低值，最低膨胀系数在不同温度与不 同合金成分相关。超过最低点以后，
图4 不同温度下Fe-Ni系合金的 膨胀系数与镍含量的关系
膨胀系数随成分增加而增加，wNi>50％，膨胀系数随成分增加变缓。
膨胀合金(Expanding metal)
1. 膨胀合金概述 2. 膨胀合金的分类和特征 3. Fe-Ni系膨胀合金 4. Fe-Ni-Co系膨胀合金 5. Fe-Ni-Cr系膨胀合金 6. Fe-Cr系膨胀合金 7. 其他膨胀合金
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1. 膨胀合金概述
(1) 金属和合金的热膨胀
热膨胀的物理本质与金属原子的热振动有关。金属合金晶体的内部的 原子呈周期排列结构，称为空间点阵。引力和斥力相等时原子间的势能为 最低，按双原子模型，二原子间的势能可简单地表示为
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(1) 4J36合金
1) 4J36合金的性能 4J36合金在230℃以下，到-253℃，都具有
极低的膨胀系数，称为因瓦合金。合金具有良好的力学性能和一定的耐 蚀性，居里温度约230℃。常温下，合金为奥氏体组织，高于此温度成为 非磁性，膨胀系数增大。合金的膨胀系数见表2。
温度范围/℃ -196~20
(1) 低膨胀(因瓦)合金
其α(20~100℃)<1.8×10-6℃-1，主要用于制造精密仪器仪表中随温度 变化尺寸近似恒定的元件，如精密天平的臂、标准钟摆杆、摆轮、长度 标尺、大地测量基准尺、谐振腔、微波通信的波导管、标准频率发生器 等，还用作热双金属的被动层。
一些低膨胀合金列于表1。
(2) 定膨胀合金
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越高，当两层厚度比为1:1时，可获得最大的热灵敏度。
电阻率表示热双金属片抵抗电流通过时的特性参数，按电阻率大小， 热双金属片分为高、中、低电阻率类型。弹性模量是计算热双金属元件 的推力、力矩、内应力的必要参数。线性温度范围是热双金属片弯曲位 移量与温度成线性关系的温度范围。在此温度范围内，热双金属片具有 最大的热敏感性。这个温度范围的大小主要取决于组成热双金属片的金 属材料的膨胀特性和居里温度Tc。
dU (R) Am Bn dr rm1 rn1 0
(2)
宏观上金属与合金在加热或冷却时，尺寸和体积发生变化，这种由
于温度变化导致尺寸和体积变化的现象，称为热膨胀。表征金属与合金
热膨胀的主要参数是膨胀系数。
长度为L、体积为V的金属或合金，当温度变化为dT时，长度的变化
为dL, 体积变化为dV，则定义线膨胀系数α为
2) 4J36合金的应用 4J36合金主要用于制造尺寸恒定，不随气温
这种合金的膨胀系数与玻璃陶瓷和云母等接近可与之匹106备注fe36ni18232因瓦合金fe32ni4co10230超因瓦合金fe52co11cr10117不锈因瓦合金fe36ni02se15易切削低膨胀合金fe33ni75co20高温低膨胀合金20300fe25pt3080铁铂合金fe35pd00340铁钯合金fe2832ni5510pd05300铁镍钯合金20200pd355mn15锰钯合金fe94cr05mn约00约50一些低膨胀系数的合金配或非匹配封接所以又称为封接合金被广泛地应用于电子管晶体管集成电路等电真空器件中作封接引线和结构材料
表1 一些低膨胀系数的合金
α /(10－6 ℃-1) ≤1.8 ≤1.0 ≤1.0 ≤1.5 ≤2.0 -30 0.0
0.5
1.5 约0.0
TC或TN /℃ 232 230 117 80 340
300
约50 (TN)
备注 因瓦合金 超因瓦合金 不锈因瓦合金 易切削低膨胀合金 高温低膨胀合金(20~300℃) 铁-铂合金 铁-钯合金