Прецизионные сплавы с заданным ТКЛР

Прецизионные сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР, α) — материалы, у которых кривая расширения намеренно совмещена с кривой стекла, керамики или другого металла. Основная задача — обеспечить в спаях «металл-стекло» и «металл-керамика» отсутствие внутренних напряжений при нагреве и охлаждении. Без таких сплавов невозможна массовая электровакуумная техника, силовые полупроводниковые приборы, СВЧ-элементы, интегральные схемы в металлокерамических корпусах.

Физика согласования

Инвар (34–36 % Ni в железе) и родственные сплавы обладают низким ТКЛР из-за магнитострикционной аномалии — сплав компенсирует тепловое расширение за счёт спонтанной магнитострикции при нагреве. Легируя инварную основу кобальтом, хромом или медью, можно «сдвинуть» кривую α(T) к нужному профилю — прямому (Ковар для боросиликатных стёкол), плоскому (магнитно-мягкий 79НМ и родственные) или согласованному с медью и алюминием.

Марки в группе

• 29НК (Ковар) — 28,5–29,5 % Ni, 17–18 % Co, остальное — Fe. α = 5,3–5,6·10⁻⁶ 1/К в интервале 20–450 °C. Согласован с боросиликатными стёклами С49-1, С49-2, а также с керамикой типа поликор в диапазоне до 450 °C.
• 27КХ — 27 % Co, 3 % Cr, остальное — Fe. Плоская кривая расширения в интервале 20–500 °C, применяется для спаев с алюмосиликатными стёклами.
• 32НКД — 32 % Ni, 4–5 % Co, ~ 1 % Cu, остальное — Fe. Согласован с «твёрдыми» стёклами и керамикой с ТКЛР 4,5–4,8·10⁻⁶ 1/К.

Химия — по ГОСТ 10994-74, лента и проволока — по ГОСТ 14080-78.

Свойства и особенности

• ТКЛР α: 4,5–5,8·10⁻⁶ 1/К в рабочем интервале.
• Плотность: 8,15–8,35 г/см³.
• Электросопротивление: ρ = 0,49–0,55 Ом·мм²/м — заметно выше, чем у меди.
• Магнитные свойства: ферромагнитны при комнатной температуре; для приборов, требующих немагнитности, нужны другие материалы.
• Обрабатываемость: хорошо поддаются глубокой вытяжке, штамповке, сварке, серебряной и медной пайке, электронно-лучевой сварке.
• Точка Кюри: для 29НК ~ 450 °C — важна, потому что выше точки Кюри аномалия расширения исчезает и α возрастает почти вдвое.

Основные применения

• 29НК (Ковар) — вводы электровакуумных приборов (радиолампы, кинескопы, ЛБВ), корпуса кварцевых генераторов, металлокерамические спаи в силовых транзисторах и тиристорах.
• 27КХ — спаи с алюмосиликатными термостойкими стёклами, датчики температуры для авиационных приборов.
• 32НКД — вводы для стеклопакетов с ТКЛР ниже, чем у боросиликатов; ответственные высоковольтные и высокотемпературные вводы.

Технологический нюанс

Спай Ковар–стекло делают в защитной атмосфере или на вакуумной оснастке при температуре плавления стекла (обычно 900–1050 °C). Поверхность Ковара предварительно окисляют до тонкого слоя FeO+CoO+NiO, который растворяется в расплаве стекла — именно этот химический механизм обеспечивает адгезию. Отсутствие правильного окисления даёт «сухой» спай, легко трескающийся уже при первом термоциклировании. Именно поэтому вакуумные приборы с Коваром принято собирать в специализированных цехах с водородным отжигом заготовок и точной регулировкой оксидной плёнки.

Марки этой группы

• 29НК 29НК (Ковар) — прецизионный сплав с заданным ТКЛР для спаев со стеклом и керамикой: состав по ГОСТ 10994, свойства, применение в электровакуумной технике.
• 27КХ 27КХ — прецизионный сплав с плоской кривой ТКЛР: состав по ГОСТ 10994, свойства, применение — спаи с алюмосиликатным стеклом, датчики.
• 32НКД 32НКД — прецизионный сплав с низким ТКЛР для спаев с твёрдыми стёклами: состав по ГОСТ 10994, свойства, применение — высоковольтные вводы.