殷鋼- 殷瓦合金 invar鐵鎳合金材料性能

因瓦合金（invar，也稱為殷鋼）

1.殷鋼的定義

因瓦合金---國(guó)標(biāo)稱膨脹合金，是一種含鎳36%、鐵63.8%、碳0.2%的鎳鐵合金，其熱膨脹系數(shù)低，可在較寬的溫度范圍內(nèi)保持定長(zhǎng)。

2.基本屬性

因瓦合金屬于以鐵為基礎(chǔ)的高鎳合金，通常含32%～36%的Ni，還含有少量的S、P、C等元素，其余60%為Fe。

殷鋼，（Invar Steel的音譯），屬于鐵鎳合金的一種，其成分為鎳36%，鐵63.8%，碳0.2%。這種材料大的特點(diǎn)就是隨溫度的變形極小，適合于制作對(duì)溫度變形有嚴(yán)格要求的零件。殷鋼及與殷鋼有相似特性的材料有：殷鋼35Ni-65Fe，32Ni-64Fe-4Co(超殷鋼),37Fe-32Co-11Cr（不銹殷鋼）和非晶合金83Fe-17B等。

1896年殷鋼由瑞士物理學(xué)家夏爾·愛德華·紀(jì)堯姆（C. E. Guillaume）首先發(fā)現(xiàn)。

因瓦合金具有以下性能:

1.膨脹系數(shù)小

因瓦合金也叫不脹鋼，其平均膨脹系數(shù)一般為1.5×10-6℃，含鎳在36%是達(dá)到1.8 ×10-8℃，且在室溫－80℃—+100℃時(shí)均不發(fā)生變化。

2.強(qiáng)度、硬度不高

因瓦合金含碳量小于0.05%，硬度和強(qiáng)度不高，抗拉強(qiáng)度在517Mpa左右，屈服強(qiáng)度在276Mpa左右，維氏硬度在160左右，一般可以通過冷變形來提高強(qiáng)度，在強(qiáng)度提高的同時(shí)仍具有良好的塑性。

3.導(dǎo)熱系數(shù)低

因瓦合金的導(dǎo)熱系數(shù)為0.026～0.032cal/cm·sec·℃ ， 僅為45鋼導(dǎo)熱系數(shù)的1/3-1/4。

4.塑性、韌性高

因瓦合金的延伸率和斷面收縮率以及沖擊韌性都很高，延伸率 δ= 25-35%，沖擊韌性αK=18-33公斤 · 米/厘米

殷鋼，因瓦，膨脹合金，Invar36®是含鎳36%的鐵鎳合金。在204°C以下，它的熱膨脹系數(shù)大約為碳鋼的十分之一。
 Invar 36(4J36)因瓦合金合金又稱因瓦(INVAR)合金，合金的居里點(diǎn)約為230℃，低于這一溫度時(shí)合金是鐵磁性的，具有很低的膨脹系數(shù)，高于這一溫度時(shí)合金為無磁性的，膨脹系數(shù)增大。該合金主要用于制造在氣溫變化范圍內(nèi)尺寸近似恒定的元件，廣泛用于無線電工業(yè)、精密儀器、儀表及其他工業(yè)。

 Invar 36(4J36)因瓦合金材料牌號(hào) Invar 36(4J36)因瓦合金。

 Invar 36(4J36)因瓦合金相近牌號(hào) 見表1-1。

表1-1[1,2]

俄羅斯	美國(guó)	英國(guó)	日本	法國(guó)	德國(guó)
32H 32H-BИ -	Invar Nilvar Unipsan 36	Invar Nilo36 36Ni	不變鋼 Cactus LE -	Invar Standard Fe-Ni36 -	Vacodil36 Nilos36 -

Invar 36(4J36)因瓦合金材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) YB/T 5241-1993《低膨脹合金4J32、Invar 36(4J36)因瓦合金、4J38和4J40技術(shù)條件》。

Invar 36(4J36)因瓦合金化學(xué)成分 見表1-2。

表1-2%

C	P	S	Si	Mn	Ni	Fe
≤
0.05	0.020	0.020	0.30	0.2～0.6	35.0～37.0	余量

在平均線膨脹系數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件下，允許鎳含量偏離表1-2規(guī)定范圍。

 Invar 36(4J36)因瓦合金熱處理制度 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的膨脹系數(shù)性能檢驗(yàn)試樣按下述方法加工和熱處理：將半成品試樣加熱至840℃±10℃，保溫1h,水淬，再將試樣加工為成品試樣，在315℃±10℃保溫1h，隨爐冷或空冷。

Invar 36(4J36)因瓦合金品種規(guī)格與供應(yīng)狀態(tài) 品種有棒、管、板、絲和帶。

 Invar 36(4J36)因瓦合金熔煉與鑄造工藝 用非真空感應(yīng)爐、真空感應(yīng)爐和電弧爐熔煉。

Invar 36(4J36)因瓦合金應(yīng)用概況與特殊要求 該合金是典型低膨脹合金。經(jīng)航空工廠長(zhǎng)期使用，性能穩(wěn)定；使用中應(yīng)嚴(yán)格控制熱處理工藝及加工工藝，以保證材料的穩(wěn)定性。

二、Invar 36(4J36)因瓦合金物理及化學(xué)性能 

Invar 36(4J36)因瓦合金熱性能                                        

Invar 36(4J36)因瓦合金溶化溫度范圍 1430～1450℃[1,2]。

Invar 36(4J36)因瓦合金熱導(dǎo)率 λ=11W/(m•℃)[1,2]。

Invar 36(4J36)因瓦合金比熱容 c(20～100℃)=515J/(kg•℃)。

Invar 36(4J36)因瓦合金線膨脹系數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定α1(20～100℃)≤1.5×10-6℃-1。

合金試樣在保護(hù)氣氛或真空中加熱到880℃±20℃，保溫1h，以不大于300℃/h冷卻，其平均線膨脹系數(shù)見表2-1。合金的膨脹曲線見圖 2-1。

表2-1[1]

溫度范圍/℃		溫度范圍/℃	/10-6℃-1
20～60	1.8	20～250	3.6
20～40	1.8	20～300	5.2
20～20	1.6	20～350	6.5
20～0	1.6	20～400	7.8
20～50	1.1	20～450	8.9
20～100	1.4	20～500	9.7
20～150	1.9	20～550	10.4
20～200	2.5	20～600	11.0

Invar 36(4J36)因瓦合金密度 ρ=8.10g/cm3[1]。

Invar 36(4J36)因瓦合金電性能

Invar 36(4J36)因瓦合金電阻率 ρ=0.78μΩ·m[1,2]。

Invar 36(4J36)因瓦合金電阻溫度系數(shù) 見表2-2。 

表2-2[1,2]

溫度范圍/℃	20～50	20～100	20～200	20～300	20～400	20～500
αR/103℃-1	1.8	1.7	1.4	1.2	1.0	0.9

Invar 36(4J36)因瓦合金磁性能

Invar 36(4J36)因瓦合金居里點(diǎn) Tc=230℃[1,2]。

Invar 36(4J36)因瓦合金合金（帶材）的磁性能 見表2-3。

表2-3[1,2]

H/(A/m)	B/T	H/(A/m)	B/T
8	1.8×10-2	160	0.74
16	4.2×10-2	400	0.97
24	8×10-2	800	1.12
40	0.2	2000	1.27
80	0.5	4000	1.32

在4000A/m下，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br=0.6T，矯頑力Hc=48A/m[1,2]。

Invar 36(4J36)因瓦合金合金磁導(dǎo)率與溫度的關(guān)系（磁場(chǎng)強(qiáng)度400A/m) 見表2-4。

表2-4[1,2]

θ/℃	-17.8	10.0	37.8	66	93	116
μ/(mH/m)	2.25	2.14	2.04	1.93	1.81	1.70

Invar 36(4J36)因瓦合金化學(xué)性能 合金在大氣、淡水、和海水中有一定的耐腐蝕性。 

三、Invar 36(4J36)因瓦合金力學(xué)性能

Invar 36(4J36)因瓦合金技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能

Invar 36(4J36)因瓦合金室溫及各種溫度下的力學(xué)性能 

 Invar 36(4J36)因瓦合金硬度 合金在退火狀態(tài)的硬度HV=140[1,2]。

Invar 36(4J36)因瓦合金拉伸性能 合金（退火狀態(tài)）在常溫下的拉伸性能見表3-1。在不同冷應(yīng)變下的拉伸性能見表3-2。 

表3-1[1]

σb/MPa	σP0.2/MPa	δ/%
450	274	35

表3-2

ε/%	σb/MPa	σP0.2/MPa	δ/%
15 25 30	641 689 731	448 617 655	14 9 8

Invar 36(4J36)因瓦合金持久和蠕變性能

Invar 36(4J36)因瓦合金疲勞性能 

Invar 36(4J36)因瓦合金彈性性能 

Invar 36(4J36)因瓦合金彈性模量 合金（退火狀態(tài)）的彈性模量E=144GPa。

四、Invar 36(4J36)因瓦合金組織結(jié)構(gòu)

Invar 36(4J36)因瓦合金相變溫度           

Invar 36(4J36)因瓦合金時(shí)間-溫度-組織轉(zhuǎn)變曲線 

Invar 36(4J36)因瓦合金合金組織結(jié)構(gòu) 合金為單相奧氏體組織。

Invar 36(4J36)因瓦合金晶粒度 冷應(yīng)變率ε=60%～70%、厚度d=1mm的帶材，在表4-1所示溫度下退火1h，空冷后，按YB 027-1992標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行晶粒度評(píng)級(jí)，結(jié)果見表4-1。

表4-1[1,2]

退火溫度/℃	700	750	800	900	1000	1050	1100	1200
晶粒度級(jí)別	開始再結(jié)晶	>10	>10	9.0	6.5	4.0	3.0	2.0

五、Invar 36(4J36)因瓦合金工藝性能與要求

Invar 36(4J36)因瓦合金成形性能 合金很容易冷、熱加工。熱加工時(shí)應(yīng)避免在含硫的氣氛中加熱。

Invar 36(4J36)因瓦合金焊接性能 合金可采用氧乙炔焊、電弧焊、點(diǎn)焊和氫原子焊等方法焊接。由于膨脹系數(shù)與合金的化學(xué)成分有關(guān)，應(yīng)盡量避免因焊接造成合金成分的改變，因此使用氬弧焊，焊接的填充金屬好含有0.5%～1.5%的鈦，以減少焊接的氣孔和裂縫。
Invar 36(4J36)因瓦合金零件熱處理工藝 該合金熱處理可分為：消除應(yīng)力退火、中間退火及穩(wěn)定化處理。

(1)消除應(yīng)力退火 為消除零件在機(jī)械加工后的殘存應(yīng)力，要進(jìn)行消除應(yīng)力退火：530～550℃，保溫1～2h,爐冷。

(2)中間退火 為消除合金在冷軋，冷拔、冷沖壓過程引起的加工硬化現(xiàn)象，以利于繼續(xù)加工。工件加熱到830～880℃，保溫30min，爐冷或空冷。

(3)穩(wěn)定化處理 為獲得具有較低的膨脹系數(shù)又能使其性能穩(wěn)定的處理。一般采用三段處理。

a)均勻化：在加熱中，合金中的雜質(zhì)充分固溶和合金化元素趨于均勻。工件在保護(hù)氣氛中，加熱到830℃，保溫20min～1h，淬火。

b)回火：在回火過程中能夠部分消除由淬火產(chǎn)生的應(yīng)力。工件加熱到315℃，保溫1～4h，爐冷。

c)穩(wěn)定化時(shí)效：使合金的尺寸穩(wěn)定。工件加熱到95℃，保溫48h。對(duì)于冷加工或機(jī)械加工后的高精度零件，不宜采用高溫處理時(shí)，可采用下述消除應(yīng)力穩(wěn)定化處理：工件加熱到315～370℃，1～4h。

該合金不能用熱處理硬化。

 Invar 36(4J36)因瓦合金表面處理工藝 表面處理可采用噴砂、拋光或酸洗。合金可用25%鹽酸溶液在70℃下酸洗，清除氧化皮。
Invar 36(4J36)因瓦合金切削加工與磨削性能 該合金切削加工特性和奧氏體不銹鋼相似。加工時(shí)采用高速鋼或硬質(zhì)合金刀具，低速切削加工。切削時(shí)可使用冷卻劑。該合金磨削性能良好。

連接應(yīng)用

主要適用于電器元件與硬玻璃、軟玻璃、陶瓷匹配封接的玻封合金，屬于低膨脹合金。其狀態(tài)有硬態(tài)和軟態(tài)兩種． 4J36(Invar 36/K93600/1.3912) 因瓦合金/玻封合金在-60度--80 度 大氣溫度變化內(nèi)有較低的膨脹系數(shù)和良好的可塑性，用于制作在氣溫變化范圍內(nèi)尺寸近于恒定的元件，廣泛用于無線電，精密儀表,儀器和其他行業(yè)， 4J36(Invar 36/K93600/1.3912) 因瓦合金/玻封合金用來制作標(biāo)準(zhǔn)量具，微波諧振腔，雙金屬波動(dòng)層等。

制造應(yīng)用

殷瓦合金在室溫附近的平均熱膨脹系數(shù)低于10-6℃-1，主要用來制造標(biāo)準(zhǔn)尺、測(cè)溫計(jì)、測(cè)距儀、鐘表擺輪、塊規(guī)、微波設(shè)備的諧振腔、重力儀構(gòu)件、熱雙金屬組元材料，光學(xué)儀器零件等。熔融法制造。

模具應(yīng)用

隨著復(fù)合材料技術(shù)的不斷發(fā)展，在精密復(fù)合材料成型工藝中，普通金屬模具因熱膨脹系數(shù)與復(fù)合材料不一致而導(dǎo)致復(fù)合材料零件尺寸與理論尺寸不一致的問題逐漸顯現(xiàn)。因此在航空航天、軌道交通領(lǐng)域已開始使用殷瓦合金鋼制造精密復(fù)合材料模具。