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4J29膨胀合金
一、4J29概述
    4J29合金又称可伐(Kovar)合金。该合金在20~450℃具有与硅硼硬玻璃相近的线膨胀系数,居里点较高,并有良好的低温组织稳定性。合金的氧化膜致密,能很好地被玻璃浸润。且不与汞作用,适合在含汞放电的仪表中使用。是电真空器件主要密封结构材料。
1.1 4J29材料牌号 4J29。
1.2 4J29相近牌号 见表1-1。
                                               表1-1
俄罗斯 美国 英国 日本 法国 德国
29HК Kovar Nilo K KV-1 Dilver P0 Vacon 12
29HК-BИ Rodar Techallony Glasseal 29-17 Telcaseal KV-2 KV-3 Dilver P1 Silvar 48
 
1.3 4J29材料的技术标准 YB/T 5231-1993《铁镍钴玻封合金4J29和4J44技术条件》。
1.4 4J29化学成分 见表1-2。
                                       表1-2%
C Mn Si P S Cu Cr Mo Ni Co Fe
≤
0.03 0.5 0.30 0.020 0.020 0.20 0.20 0.20 28.5~29.5 16.8~7.8 余量
 
在平均线膨胀系数达到标准规定条件下,允许镍、钴含量偏离表1-2规定范围。铝、镁、锆和钛的含量各不大于0.10%,其总量应不大于0.20%。
 
1.5 4J29热处理制度 标准规定的膨胀系数及低温组织稳定性的性能检验试样,在氢气气氛中加热至900℃±20℃,保温1h,再加热至1100℃±20℃,保温15min,以不大于5℃/min速度冷至200℃以下出炉。
1.6 4J29品种规格与供应状态 品种有丝、带、板、管和棒材。
1.7 4J29熔炼与铸造工艺 用非真空感应炉、真空感应炉或电弧炉熔炼。
1.8 4J29应用概况与特殊要求 该合金是国际通用的典型的Fe-Ni-Co硬玻璃封接合金。经航空工厂长期使用,性能稳定。主要用于电真空元器件如发射管、振荡管、引燃管、磁控管、晶体管、密封插头、继电器、集成电路的引出线、底盘、外壳、支架等的玻璃封接。在应用中应使选用的玻璃与合金的膨胀系数相匹配。根据使用温度严格检验其低温组织稳定性。在加工过程中应进行适当的热处理,以保证材料具有良好的深冲引伸性能。当使用锻材时应严格检验其气密性。
二、4J29物理及化学性能 
2.1 4J29热性能 
2.1.1 4J29溶化温度范围 该合金溶化温度约为1450℃。
2.1.2 4J29热导率 见表2-1。
                                             表2-1
θ/℃ 100 200 300 400 500
λ/(W/(m·℃)) 20.6 21.5 22.7 23.7 25.4
2.1.3 4J29比热容 在0℃时,比热容为440J/(kg?℃);在430℃时,比热容为649J/(kg?℃)。
2.1.4 4J29线膨胀系数 标准规定α1(20~400℃)=(4.6~5.2)×10-6℃-1;α1(20~450℃)=(5.1~5.5)×10-6℃-1(当用于晶体管时上限为5.6×10-6℃-1)。
合金的平均线膨胀系数见表2-2。合金的膨胀曲线见图2-1。
2.2 4J29密度
2.3 4J29电性能
2.3.1 4J29电阻率 ρ=0.48μΩ·m。
                                        表2-2
 
θ/℃ /10-6℃-1 θ/℃ /10-6℃-1
20~60 7.8 20~500 6.2
20~100 6.4 20~550 7.1
20~200 5.9 20~600 7.8
20~300 5.3 20~700 9.2
20~400 5.1 20~800 10.2
20~450 5.3 20~900 11.4
2.3.1 4J29电阻温度系数 见表2-3。
                                                表2-3
温度范围/℃ 20~50 20~85 20~100 20~200 20~300 20~400
αR/10-3℃-1 3.7 3.7 3.9 3.9 3.7 3.3
 
2.4 4J29磁性能
2.4.1 4J29居里点 Tc=430℃。
2.4.2 4J29合金的磁性能 见表2-4。
    在4000A/m下,剩余磁感应强度Br=0.98T,矫顽力Hc=68.8A/m。
2.5 4J29化学性能 合金在大气、淡水和海水中有较好的耐腐蚀性。
                                           表2-4
H/(A/m) B/T H/(A/m) B/T H/(A/m) B/T
8 0.9×10-2 80 0.35 2000 1.47
16 2.1×10-2 160 0.81 4000 1.61
24 3.6×10-2 400 1.17
40 8.3×10-2 800 1.34
三、4J29力学性能
3.1 4J29技术标准规定的性能
3.1.1 4J29硬度 深冲态带材的硬度应符合表3-1的规定。厚度不大于0.2mm时不作硬度检验。
3.1.2 4J29抗拉强度 丝材和带材的抗拉强度应符合表3-2的规定。
                                        表3-1
状态 δ/mm 硬度HV
深冲态 >2.5 ≤170
≤2.5 ≤165
 
                                        表3-2
状态代号 状态 σb/MPa
丝材 带材
R 软态 <585 <570
1/4I 1/4硬态 585~725 520~630
1/2I 1/2硬态 655~795 590~700
3/4I 3/4硬态 725~860 600~770
I 硬态 >850 >700
3.2 4J29室温及各种温度下的力学性能 
3.2.1 4J29硬度 冷应变率为50%的带材,在不同退火温度下的硬度见图3-1。
3.2.2 4J29拉伸性能 合金(退火态)在室温的拉伸性能见表3-3。冷应变率为50%的带材,在不同退火温度下的拉伸性能见图3-2。
                                     表3-3
σb/MPa σP0.2/MPa δ/%
520 330 30
3.3 4J29持久和蠕变性能
3.4 4J29疲劳性能 
3.5 4J29弹性性能 
3.5.1 4J29弹性模量 E=138GPa。
四、4J29组织结构
4.1 4J29相变温度 γ→α相变温度在-80℃以下。  
4.2 4J29时间-温度-组织转变曲线 
4.3 4J29合金组织结构 合金按1.5规定的热处理制度处理后,再经-78.5℃冷冻,大于等于4h不应出现马氏体组织。但当合金成分不当时,在常温或低温下将发生不同程度的奥氏体(γ)向针状马氏体(α)转变,相变时伴随着体积膨胀效应。合金的膨胀系数相应增高,致使封接件的内应力剧增,甚至造成部分损坏。影响合金低温组织稳定性的主要因素是合金的化学成分。从Fe-Ni-Co三元相图中可以看到,镍是稳定γ相的主要元素,镍含量偏高有利于γ相的稳定。随合金总变形率增加其组织越趋向稳定。合金成分偏析也可能造成局部区域的γ→α相变。此外晶粒粗大也会促进γ→α相变。
4.4 4J29晶粒度 标准规定深冲态带材的晶粒度应不小于7级,小于7级的晶粒不得超过面积的10%。厚度小于0.13mm的带材估计平均晶粒度时,沿带材厚度方向晶粒个数应不少于8个。
冷应变率为60%~70%的厚的带材,在表4-1所示温度下退火1h,空冷后,按YB 027-1992附录A评级,其晶粒度见表4-1。
                                                 表4-1
退火温度/℃ 675 700 750 800 900 1000 1100 1200
晶粒度级别 开始再结晶 >10 >10 10 7.5 5.0 4.0 3.0
五、4J29工艺性能与要求
5.1 4J29成形性能 该合金具有良好的冷、热加工性能,可制成各种复杂形状的零件。但应避免在含硫的气氛中加热。在冷轧时,当带材的冷应变率大于70%时,退火后会引起塑性各向异性;冷应变率在10%~15%范围时,合金在退火后会导致晶粒急剧长大,也将产生合金的塑性各向异性。当 终应变率为60%~65%,晶粒度为7~8.5级时,其塑性各向异性 小。
合金带材的杯突值与厚度的关系见图5-1。
5.2 4J29焊接性能 该合金可采用钎焊、熔焊、电阻焊等方法与铜、钢、镍等金属焊接。当合金中锆含量大于0.06%时,将影响板材的氩弧焊焊接质量,甚至使焊缝开裂。
该合金与玻璃封接前,应清洗干净,随后进行高温湿氢处理、预氧化处理。
5.3 4J29零件热处理工艺 热处理可分为:消除应力退火、中间退火、净化去气处理、预氧化处理。
(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:470~540℃,保温1~2h,炉冷或空冷。
(2)中间退火 为消除合金在冷轧、冷拔、冷冲压过程中引起的加工硬化现象,以利于继续加工。工件需在干氢、分解氨或真空中,加热到750~900℃,保温14min~1h,然后炉冷,空冷或水淬。
(3)净化去气处理 零件成形后,预氧化处理前,需进行湿氢处理,处理前应进行除油。工作需在饱和湿氢中,加热到950~1050℃,保温10~30min,然后炉冷。
(4)预氧化处理 合金在湿氢处理后,熔封前一般要进行预氧化处理,使合金表面生成一层厚度均匀、致密的氧化膜,该氧化膜与基体结合牢固,且能很好地与熔融的玻璃浸润。零件在湿氢处理后,在大约800℃的空气中氧化。零件的增重在0.2~0.4mg/cm2范围为宜。
该合金不能用热处理硬化。
5.4 4J29表面处理工艺 表面处理可用喷砂、抛光、酸洗。
零件与玻璃封接后,为易于焊接,需去除封接时生成的氧化膜,可将零件在10%盐酸+10%硝酸的水溶液中,加热到70℃左右,酸洗2~5min。
该合金具有良好的电镀性能,表面能镀金、银、镍、铬等金属。为便于零件间的焊接或热压粘结,常镀以铜、镍、金、锡的镀层。为改善高频电流的传导能力,降低接触电阻以保证正常的阴极发射特性,常镀以金、银的镀层。为提高器件的耐蚀性能可镀镍或金。
5.5 4J29切削加工与磨削性能 该合金切削特性和奥氏体不锈钢相似。加工时采用高速钢或硬质合金刀具,低速切削加工。切削时可使用冷却剂。该合金磨削性能良好。

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