Сплав 31НК

Назначение и область применения сплава 31НК

Сплав 31НК — прецизионный ферромагнитный материал тройной системы Fe–Ni–Co с нормируемым средним значением ТКЛР. По классификации ГОСТ 10994-74 относится к группе III — сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения.

Основное назначение: создание вакуумно-плотных металлостеклянных и металлокерамических спаёв в изделиях радиоэлектронной и электровакуумной техники. Физический принцип работы — согласование ТКЛР металлической детали с ТКЛР спаиваемого диэлектрика: в совместном узле при нагреве и охлаждении не возникают термические напряжения, разрушающие соединение. В зависимости от марки стекла или керамики подбирают конкретную марку сплава.

Типичные узлы применения: арматура и выводные детали электронных ламп и ЭВП, корпуса транзисторов и интегральных схем с герметичными вводами, спаи в лазерных системах, реле, датчиках давления и измерительных приборах повышенной точности.

Химический состав по ГОСТ 10994-74

Сплав 31НК выплавляется с жёстким контролем состава: любые отклонения по никелю или кобальту смещают значение ТКЛР и нарушают согласование с диэлектриком. Железо — основа, никель и кобальт — определяющие инварный эффект легирующие компоненты. Марганец и кремний присутствуют как технологические добавки для улучшения обрабатываемости давлением.

Элемент	Содержание, % мас.	Роль
Железо (Fe)	47,21–49,8	Основа
Никель (Ni)	30,5–31,5	Инварный эффект
Кобальт (Co)	19,5–20,5	Регулировка ТКЛР, повышение прочности
Марганец (Mn)	0,10–0,40	Технологическая добавка
Кремний (Si)	0,10–0,30	Технологическая добавка
Прочие примеси (сумма)	не более 0,09	Ограничены — смещают ТКЛР

Содержание кобальта (~20%) в сплаве 31НК выше, чем в родственных марках 29НК (~17%) и 33НК-ВИ (~17%). Именно повышенная доля кобальта смещает ТКЛР в среднюю группу значений и расширяет рабочий температурный диапазон согласования.

Физические свойства

ТКЛР и его физическая природа

Нормируемый ТКЛР сплава 31НК составляет (6–9)·10⁻⁶ К⁻¹ в диапазоне от −70 до +470 °С. Это средние значения для семейства Fe–Ni–Co прецизионных сплавов — выше, чем у коварообразного 29НК (4,5–6,5·10⁻⁶, согласован с боросиликатным стеклом), и соответствует классу стёкол и керамик с более высоким собственным ТКЛР.

Физическая природа стабильного ТКЛР — инварный эффект: ниже точки Кюри магнитострикционное сокращение решётки частично компенсирует тепловое расширение. При превышении точки Кюри сплав переходит в парамагнитное состояние, ТКЛР резко возрастает. Характерная точка перегиба дилатограммы нормируется стандартом и проверяется при входном контроле. Колебания химического состава в пределах допуска по ГОСТ 10994-74 смещают эту точку, поэтому при ответственных применениях требуют поставки с суженными пределами ТКЛР.

Параметр	Значение
Температура плавления	~1450 °С
Плотность	8,2 г/см³
ТКЛР (−70…+470 °С)	(6–9)·10⁻⁶ К⁻¹
Магнитные свойства	Ферромагнетик (ниже точки Кюри)

Механические свойства

Механические характеристики существенно зависят от состояния поставки. Для нагартованной (холоднокатаной) ленты нормируется временное сопротивление разрыву; для отожжённого полуфабриката, который используется при изготовлении спайных деталей, характерно более высокое удлинение при сниженной прочности. Перед созданием спая детали в любом случае проходят отжиг, поэтому исходное нагартованное состояние полуфабриката в готовом узле не сохраняется.

Состояние	σᵤ, МПа	Твёрдость HB	Примечание
Нагартованная лента	до 930	200–220	Верхний предел по ГОСТ 14080-78 для аналогичных марок
Мягкое (отожжённое) состояние	490–610	—	Высокая пластичность, пригодно для гибки и формовки

Подготовка к металлостеклянным и металлокерамическим спаям

Сплав 31НК сам по себе не смачивается расплавленным стеклом — для образования прочного вакуумно-плотного спая поверхность детали должна быть покрыта специально сформированной оксидной плёнкой. Типовой технологический цикл состоит из двух этапов:

1. Отжиг в атмосфере влажного водорода при 800–900 °С — восстанавливает поверхность, снимает загрязнения и остаточные напряжения, обеспечивает нужную микроструктуру.
2. Окисление на воздухе при контролируемой температуре и выдержке — формирует плёнку из оксидов никеля и кобальта заданной толщины. Состав и толщина плёнки критичны: именно она обеспечивает адгезию к расплавленному стеклу и герметичность спая.

Нарушение режима окисления — одна из наиболее распространённых причин брака в производстве металлостеклянных узлов. Режимы подбираются под конкретную марку стекла или керамики и указываются в технологической документации на изделие.

Сплав хорошо лудится оловянно-свинцовыми и другими мягкими припоями. Для деталей, работающих во влажной среде, рекомендуется гальваническое никелирование поверхности — это одновременно защищает от коррозии и улучшает условия монтажа.

Коррозионная стойкость

Коррозионная стойкость сплава 31НК невысока — это системное свойство Fe–Ni–Co материалов данной группы. Сплав активно корродирует в растворах серной, соляной и азотной кислот при комнатной температуре, а также во влажной атмосфере. Защитных пассивирующих плёнок, аналогичных хромоксидным на нержавеющих сталях, на поверхности не образуется.

Для изделий, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности или конденсации, обязательна антикоррозионная защита: гальваническое никелирование, хромирование или иное покрытие. Выбор метода защиты — за технологом с учётом условий эксплуатации и допустимости покрытия в конкретном узле.

Сплав 31НК в семействе прецизионных сплавов с заданным ТКЛР

При выборе марки сплава для конкретного спаного узла решающий параметр — ТКЛР спаиваемого диэлектрика. Ниже приведено сравнение основных Fe–Ni–Co прецизионных сплавов с заданным ТКЛР по группе применения:

Марка	Ni, %	Co, %	ТКЛР, ·10⁻⁶ К⁻¹	Диапазон, °С	Тип спаиваемого диэлектрика
29НК	28,5–29	17–18	4,5–6,5	−70…+420	Боросиликатное стекло (С49-1, С52-1 и др.)
31НК	30,5–31,5	19,5–20,5	6–9	−70…+470	Мягкое стекло, слюда, техническая керамика
33НК-ВИ	32,5–33,5	16,5–17,5	6–9	−70…+470	Мягкое стекло С72-4, слюда, керамика
36Н (инвар)	35–37	—	~1,2	−20…+100	Эталонные детали, геодезия, лазерная оптика (не для спаев)

31НК и 33НК-ВИ занимают одну нишу по ТКЛР, но различаются по соотношению Ni/Co. Марку выбирают исходя из фактических значений ТКЛР спаиваемого стекла или керамики в рабочем температурном диапазоне — эти данные приводит поставщик диэлектрика.

Формы поставки

Сплав 31НК поставляется в деформированном состоянии. Стандартные виды полуфабрикатов: лента холоднокатаная, полоса, пруток горячекатаный, проволока. Состояние поставки — мягкое (отожжённое) или нагартованное — согласуется при оформлении заказа. Химический состав нормируется ГОСТ 10994-74. Допуски по геометрическим размерам и механические свойства — по нормативной документации на конкретный вид проката.

При оформлении заявки рекомендуется указывать требуемый диапазон ТКЛР (в пределах (6–9)·10⁻⁶ К⁻¹) и марку спаиваемого диэлектрика: это позволяет при необходимости подобрать плавку с подходящими характеристиками.