4J29合金(可伐Kovar合金)分析与研究——干隆金属

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[1～4]

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%

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℃[1,2]。

2.1.2 4J29热导率 见表2-1。

表2-1[1]

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[1,5]。

表2-2[1]

2.3.1 4J29电阻温度系数 见表2-3。

表2-3[1]

2.4 4J29磁性能

2.4.1 4J29居里点 Tc=430℃[1,5]。

2.4.2 4J29合金的磁性能 见表2-4[1]。

    在4000A/m下，剩余磁感应强度Br=0.98T，矫顽力Hc=68.8A/m[1,2]。

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[1,2]

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

表3-2

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[1,5]

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。

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。当最终应变率为60%～65%，晶粒度为7～8.5级时，其塑性各向异性最小[2,4,7～9]。

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[10]。

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[11]。

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。