金属之王Invar 36——精密仪器设备不可或缺的结构材料

Invar 36即含有35.4%镍的合金，常温下具有很低的热膨胀系数（-20℃~20℃之间，其平均值约1.6×10-6/℃），号称金属之王，是精密仪器设备不可或缺的结构材料。

一、Invar 36 发现与发展

发现

1896年，瑞士籍法国物理学家纪尧姆（C.E.Guialme）发现该成分的合金具有的这一特性：在常温下（-80~230℃）表现出很小的热膨胀系数。

Guilaume 由于该发现也荣获1920年的诺贝尔奖，这是继德国物理学家伦琴（Wilhelm.Conrad.Roentgen）之后，第二个获此殊荣的物理学家，也是冶金专业第一个获此殊荣的科学家。

发展

1.1927年日本增本量研制出Fe-Ni-Co系Superinvar

2.1931年增本量又研制了Fe-Ni-Cr系不锈Invar

3.1937年德国A.Kussmann发现了Fe-Pt和Fe-Pd冶金系 Invar

4.1964年，Invar开始按照工业标准批量生产，成为商用合金材料

5.20世纪70年代，美国Inco公司研制出Incoloy903合金，使低膨胀合金进入了高温应用领域

6.80年代末期，在Invar系列合金的基础上形成了现代低膨胀超合金系列。

应用历程

1. 早期主要用于制造精密仪器仪表、标准钟的摆杆、摆轮及钟表的游丝

2. 在1920年代用Invar代替铂，用作于玻璃封接的引丝，显著降低了成本

3. 到了1950-1960年代，主要用于电子管、控温用的热双金属片、长度标尺、大地测量基线尺等

4.到了1980-1990年代，广泛用于微波技术、液化气容器、彩电的荫罩、架空电缆芯材、谐振腔、激光准直仪腔体、光刻机主基板等

5.进入21世纪之后，随着航天技术的飞速发展，其应用拓展到航天遥感器、精密激光设备、光学测量系统和波导管结构件、各种显微镜、天文望远镜中大型透镜的支撑系统以及需要安装透镜的各类科学仪器。

三、Invar 36 相近牌号

美国——lnvar36

德国——Vacodil36

法国——Fe-Ni36

英国——Nilo36

日本—— Cactus LE

俄罗斯—— 32H-B И

四、Invar 36 化学成分

因瓦合金属于高镍合金，通常含有32%-36%的镍，还含有少量的S、P、C等元素，由于镍为扩大奥氏体元素，故高镍使奥氏体转为马氏体的相变降至室温以下，﹣100~﹣120℃，因而经退火后，因瓦合金在室温及室温以下一定温度范围内，均具有面心晶格结构的奥氏体组织，也是镍溶于γ-Fe中形成的固溶体，因而因瓦合金具有以下性能：

• 热膨胀系数小

常温下平均膨胀系数1.6×10-6/℃，且在室温－80℃~230℃时比较稳定。

• 强度和硬度低

抗拉强度在590Mpa左右，屈服强度在410Mpa左右，布氏硬度在141HBS左右。

• 导热系数低

导热系数为10W/m.K ，仅为45钢导热系数的1/4左右。

• 塑性和韧性高

塑性、韧性、延伸率、断面收缩率以及冲击韧性都很高，延伸率δ= 30~45%，收缩率δ=50~70%。冲击韧性αK=130-310 J/cm2。

*Invar 不能热处理强化，其特性与奥氏体不锈钢类似，但比奥氏体不锈钢还要难加工。切削加工中主要表现为切削力大、切削温度高。在加工过程中，还具有软、粘特性和很大的塑性，不易断屑，加剧刀具的磨损，降低工件的加工精度，因而必须采用高性能刀具。

五、Invar 36 性能

物理性能

绝大多数的金属和合金都是在受热时体积膨胀，冷却时体积收缩，但因瓦合金由于它的铁磁性，在一定的温度范围内，具有因瓦效应的反常热膨胀，其膨胀系数极低，有时甚至为零或负值。

1.熔化温度范围：1430～1450℃。

2.热导率：λ=11W/(m·℃)。

3.比热容：c(20～100℃)=515J/(kg·℃)。

4.线膨胀系数：标准规定α1(20～100℃)≤1.5×10-6℃-1

合金试样在保护气氛或真空中加热到880℃±20℃，保温1h，以不大于300℃/h冷却，其平均线膨胀系数如下表：

合金的膨胀曲线如下图：

Invar 36 工艺性能与要求：

• 成形性能

合金很容易进行冷、热加工，热加工时应避免在含硫的气氛中加热。

• 焊接性能

合金可采用氧乙炔焊、电弧焊、点焊和氢原子焊等方法焊接。由于膨胀系数与合金的化学成分有关，应尽量避免因焊接造成合金成分的改变，因此最好使用氩弧焊，焊接的填充金属最好含有0.5%～1.5%的钛，以减少焊接的气孔和裂缝。

• 零件热处理工艺

该合金热处理可分为：消除应力退火、中间退火及稳定化处理。

1.消除应力退火：为消除零件在机械加工后的残存应力，要进行消除应力退火：530～550℃，保温1～2h,炉冷。

2.中间退火：为消除合金在冷轧、冷拔、冷冲压过程引起的加工硬化现象，以利于继续加工。工件加热到830～880℃，保温30min，炉冷或空冷。

3.稳定化处理：为获得具有较低的膨胀系数又能使其性能稳定的处理，一般采用三段处理：

(1)均匀化：在加热中，合金中的杂质充分固溶和合金化元素趋于均匀。工件在保护气氛中，加热到830℃，保温20min～1h，淬火。

(2)回火：在回火过程中能够部分消除由淬火产生的应力。工件加热到315℃，保温1～4h，炉冷。

(3)稳定化时效：使合金的尺寸稳定。工件加热到95℃，保温48h。对于冷加工或机械加工后的高精度零件，不宜采用高温处理时，可采用下述消除应力稳定化处理：工件加热到315～370℃，1～4h。

该合金不能用热处理硬化。

• 表面处理工艺

表面处理可采用喷砂、抛光或酸洗，合金可用25%盐酸溶液在70℃下酸洗，清除表面的氧化皮。