Сплав 29НК-ВИ

Общие сведения о сплаве 29НК-ВИ

Сплав 29НК-ВИ — прецизионный деформируемый сплав системы Fe–Ni–Co с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР). Относится к III группе прецизионных сплавов по ГОСТ 10994-74. Литеры «ВИ» в обозначении марки указывают на способ получения — вакуумно-индукционную выплавку (переплав), которая обеспечивает пониженное содержание газов и неметаллических включений по сравнению с обычной дуговой плавкой.

В мировой практике сплав известен под торговым названием Kovar (зарегистрированная марка Carpenter Technology Corporation, UNS K94610, ASTM F15). Отечественный 29НК-ВИ является функциональным аналогом ковара, но регламентируется собственной системой ГОСТов.

Основное назначение сплава 29НК-ВИ — изготовление деталей для вакуумплотных спаев со стёклами марок С49-1, С52-1, С48-1 и С47-1. Низкий ТКЛР, близкий к ТКЛР боросиликатного стекла, позволяет создавать герметичные металлостеклянные соединения, стабильные в широком диапазоне температур.

Химический состав сплава 29НК-ВИ по ГОСТ 10994-74

Химический состав 29НК-ВИ строго регламентирован ГОСТ 10994-74 «Сплавы прецизионные. Марки». Основу составляют три элемента: железо (основа), никель (~29%) и кобальт (~17%). Содержание примесей ограничено жёсткими допусками, что необходимо для обеспечения заданных физических свойств.

Элемент	Массовая доля, %
Fe (железо)	Основа (остаток)
Ni (никель)	28,5–29,5
Co (кобальт)	17–18 (допуск ±0,5)
Si (кремний)	≤ 0,28
Mn (марганец)	≤ 0,4
Cu (медь)	≤ 0,2
Al (алюминий)	≤ 0,2
Ti (титан)	≤ 0,1
Cr (хром)	≤ 0,1
C (углерод)	≤ 0,02
S (сера)	≤ 0,015
P (фосфор)	≤ 0,015

Особенности состава 29НК-ВИ по сравнению с 29НК

Сплав 29НК-ВИ отличается от базового 29НК более жёсткими ограничениями, обусловленными вакуумно-индукционной выплавкой:

• Массовая доля кремния — не более 0,28% (для обычного 29НК — не более 0,3%).
• Массовая доля углерода — не более 0,02% (для обычного 29НК — не более 0,03%).
• Содержание газов нормировано: кислород ≤ 0,008%, азот ≤ 0,01%, водород ≤ 0,001%.

Суммарная массовая доля примесей (углерод, хром, медь, титан, сера, фосфор, марганец, кремний, алюминий) не должна превышать 1%. Пониженное содержание газов и примесей обеспечивает более стабильные физические свойства и улучшает технологичность при производстве ответственных изделий.

Физические свойства сплава 29НК-ВИ

Ключевое свойство сплава 29НК-ВИ — низкий и стабильный температурный коэффициент линейного расширения в заданном рабочем диапазоне температур. Это обусловлено инварным эффектом в тройной системе Fe–Ni–Co при определённом соотношении компонентов.

Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР)

Средний ТКЛР сплава 29НК-ВИ составляет (4,5–6,5)·10⁻⁶ 1/°С в интервале температур от −70 до +420 °С. Это значение согласовано с ТКЛР боросиликатных стёкол (марки С49-1, С52-1, С48-1, С47-1), у которых ТКЛР в близком диапазоне составляет примерно 5,2·10⁻⁶ 1/К.

Выше температуры точки перегиба (которая по нормативам должна быть ≥ 420 °С) ТКЛР резко возрастает. Это связано с фазовым переходом: сплав 29НК-ВИ является ферромагнетиком, и при достижении температуры Кюри магнитное упорядочение исчезает, что приводит к увеличению ТКЛР до значений порядка 9–10·10⁻⁶ 1/°С.

Средний ТКЛР отожжённой ленты 29НК-ВИ в зависимости от температуры

Температура, °С	Средний ТКЛР (α), 10−6 1/°С
от 20 до 100	~6,3
от 20 до 200	~5,9
от 20 до 300	~5,2
от 20 до 400	~5,0
от 20 до 500	~6,4
от 20 до 600	~7,7

Примечание: значения приведены для отожжённой ленты. Фактический ТКЛР зависит от термической обработки и степени деформации.

Прочие физические характеристики

Параметр	Значение
Плотность при 20 °С	~8200 кг/м³
Температура плавления	~1450 °С
Температура точки перегиба	≥ 420 °С
Удельное электрическое сопротивление	~490 мкОм·мм
Теплопроводность	~17,3 Вт/(м·К)
Модуль нормальной упругости (Юнга)	138–196 ГПа (зависит от термообработки)
Магнитные свойства	Ферромагнетик

Электрическая проводимость сплава 29НК-ВИ примерно в два раза выше, чем у инвара (сплав 36Н). Это свойство является значимым при использовании материала в электровакуумных приборах, где помимо согласования ТКЛР важны и электрические параметры.

Механические свойства ленты из сплава 29НК-ВИ

Механические характеристики определены на образцах холоднокатаной ленты по ГОСТ 14080-78 при температуре 20 °С:

Параметр	Мягкая лента (толщина 0,3–2,5 мм)	Нагартованная лента (толщина 0,02–2,5 мм)
Предел кратковременной прочности (σв)	490–610 МПа	≤ 930 МПа
Относительное удлинение (δ4)	≥ 23%	Не нормируется

Мягкая лента поставляется в термически обработанном состоянии и обладает высокой пластичностью (удлинение ≥ 23%), что делает её пригодной для штамповки, гибки и вытяжки. Нагартованная лента обладает повышенной прочностью (до 930 МПа), но ограниченной пластичностью, и используется там, где требуется жёсткость конструкции.

Технологические свойства и обработка

Пайка сплава 29НК-ВИ

Сплав 29НК-ВИ хорошо паяется оловянно-свинцовыми припоями (типа ПОС), что обусловлено удовлетворительной смачиваемостью поверхности. Для соединений, работающих при повышенных температурах или требующих высокой прочности шва, применяют серебряные припои. Пайка с медью и медными сплавами выполняется без затруднений.

Перед пайкой со стеклом или керамикой заготовки подвергают отжигу в атмосфере влажного водорода при 800–900 °С, после чего создают на поверхности оксидную плёнку контролируемой толщины. Эта плёнка, состоящая преимущественно из оксидов кобальта и никеля, существенно улучшает адгезию к расплавленному стеклу и обеспечивает формирование прочного вакуумплотного спая.

Механическая обработка

Сплав 29НК-ВИ поддаётся механической обработке на металлорежущих станках. Обработку ведут инструментом с твёрдосплавными пластинами при пониженных скоростях подачи. При обработке следует контролировать нагрев — интенсивное теплообразование в зоне резания может привести к деформации изделия. Рекомендуется применение обильного охлаждения.

Сплав отличается высокой пластичностью и хорошо поддаётся холодной штамповке, гибке, вытяжке и прокатке. Детали, полученные методом холодной деформации, для снятия внутренних напряжений подвергают отжигу.

Сварка

Сварка 29НК-ВИ возможна, однако требует аккуратного контроля тепловложения, чтобы не нарушить микроструктуру сплава и не ухудшить его свойства по ТКЛР в зоне термического влияния. После сварки рекомендуется отжиг для восстановления стабильных значений ТКЛР.

Коррозионная стойкость и защита поверхности

Сплав 29НК-ВИ не обладает собственной коррозионной стойкостью во влажных средах. При эксплуатации в условиях повышенной влажности или агрессивных сред поверхность изделий нуждается в защитном покрытии. Наиболее распространённый метод — гальваническое никелирование. Никелевое покрытие обеспечивает защиту от коррозии и одновременно улучшает паяемость.

Для изделий, предназначенных для пайки со стеклом, защитное покрытие не наносят — вместо этого формируют управляемую оксидную плёнку для обеспечения адгезии.

Термическая обработка

Основные режимы термообработки изделий из сплава 29НК-ВИ включают отжиг для стабилизации ТКЛР. Отжиг проводят в защитной атмосфере (водород, вакуум) при температурах от 800 до 1000 °С. Время выдержки зависит от толщины заготовки и может составлять от 20 минут до нескольких часов. Охлаждение — с печью или в защитной среде до температуры ниже 300 °С.

Лента и проволока из 29НК-ВИ по ГОСТ 14080-78 и ГОСТ 14081-78 должны быть морозостойкими до −70 °С. По требованию потребителя изготавливают продукцию с морозостойкостью до −196 °С.

Нормативная документация и формы поставки

Химический состав сплава 29НК-ВИ регламентирован ГОСТ 10994-74 «Сплавы прецизионные. Марки». Требования к готовой продукции определяются следующими стандартами:

Вид продукции	Нормативный документ
Лента холоднокатаная	ГОСТ 14080-78
Проволока холоднотянутая	ГОСТ 14081-78
Прутки и листы	ГОСТ 14082-78
Трубы холоднодеформированные	ТУ 14-3-972-80

Сортамент ленты 29НК-ВИ по ГОСТ 14080-78

Холоднокатаная лента из сплава 29НК-ВИ выпускается толщиной от 0,02 до 2,5 мм. По состоянию материала лента подразделяется на:

• Мягкую (термически обработанную) — обозначение «М» — толщина 0,3–2,5 мм.
• Нагартованную — без дополнительного обозначения — толщина 0,02–2,5 мм.

По точности прокатки: нормальная (НТ), повышенная (Т), высокая (Б). По виду кромок — обрезная (О) и необрезная. Пример условного обозначения: Лента 29НК-ВИ-М-НТ-О-1,0×50 ГОСТ 14080-78 — лента из сплава 29НК-ВИ, мягкая, нормальной точности прокатки, обрезная, толщиной 1,0 мм, шириной 50 мм.

Проволока 29НК-ВИ по ГОСТ 14081-78

Проволока из сплава 29НК-ВИ поставляется в холоднотянутом состоянии. Она применяется для изготовления токовых выводов электровакуумных приборов, электрических вводов через стекло и других элементов, требующих герметичного спая металла со стеклом.

Прутки и листы 29НК-ВИ по ГОСТ 14082-78

Сортовой прокат из 29НК-ВИ включает горячекатаные и кованые прутки, а также листы. Применяется для изготовления фланцев, корпусных деталей и других элементов электровакуумных приборов.

Области применения сплава 29НК-ВИ

Основная область применения сплава 29НК-ВИ — создание вакуумплотных металлостеклянных спаев. Согласованность ТКЛР сплава с ТКЛР боросиликатных стёкол позволяет получать надёжные герметичные соединения, сохраняющие целостность при термоциклировании.

Электровакуумная техника и электроника

Сплав 29НК-ВИ широко используется в производстве электровакуумных приборов: электронных ламп, магнетронов, стабилитронов, диодов. Проволока из 29НК-ВИ применяется для изготовления токовых выводов (электрических вводов через стекло), где критична герметичность соединения проволоки со стеклянным баллоном.

В микроэлектронике сплав используют для корпусов интегральных микросхем (металлостеклянные и керамические корпуса типа DIP, flat-pack), выводных рамок и крышек. Материал обеспечивает герметичную защиту полупроводниковых кристаллов от внешней среды.

Оптическое приборостроение

Благодаря стабильности линейных размеров при колебаниях температуры, сплав 29НК-ВИ применяется в оптических приборах и системах наведения. Это критично для космической оптики и оборудования спутников, где рабочий диапазон температур существенно изменяется.

Конденсаторы переменной ёмкости

Сплав 29НК-ВИ используется при изготовлении пластин конденсаторов переменной ёмкости. Низкий ТКЛР обеспечивает стабильность зазоров между пластинами при колебаниях температуры, что важно для точности настройки частоты в радиоэлектронных устройствах. Для повышения электропроводности рабочую поверхность пластин покрывают серебром.

Производство осветительных приборов

Проволока из сплава 29НК-ВИ применяется для изготовления токовыводов люминесцентных ламп и ламп накаливания, где требуется вакуумплотный ввод электрического проводника через стеклянный баллон.

Преимущества вакуумно-индукционной выплавки (ВИ)

Вакуумно-индукционный переплав обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с обычной дуговой выплавкой для прецизионных сплавов:

• Пониженное содержание газов (O₂, N₂, H₂), что снижает количество неметаллических включений.
• Более точный контроль химического состава, в том числе пониженное содержание углерода (≤ 0,02%) и кремния (≤ 0,28%).
• Более однородная структура металла, что положительно сказывается на стабильности ТКЛР.
• Улучшенная технологичность при производстве тонкой ленты и проволоки малых сечений.

Эти особенности делают сплав 29НК-ВИ предпочтительным для ответственных изделий электровакуумной техники и микроэлектроники, где требования к однородности свойств и чистоте материала особенно высоки.

Отличия марок 29НК, 29НК-ВИ, 29НК-1 и 29НК-ВИ-1

По ГОСТ 10994-74 существует четыре разновидности сплава с номинальным содержанием 29% никеля и кобальта:

Марка	Выплавка	Нормы ТКЛР
29НК	Обычная (дуговая электропечь)	Нормальные
29НК-ВИ	Вакуумно-индукционная	Нормальные
29НК-1	Обычная (дуговая электропечь)	Суженные
29НК-ВИ-1	Вакуумно-индукционная	Суженные

Цифра «1» в обозначении марки указывает на суженные пределы нормирования ТКЛР по сравнению с базовыми марками. Марки с суффиксом «ВИ» имеют более строгие требования к содержанию углерода, кремния и газов.

Условия хранения и транспортировки

Продукцию из сплава 29НК-ВИ хранят в сухих закрытых помещениях, защищённых от воздействия влаги, агрессивных паров и механических повреждений. Лента поставляется в рулонах, проволока — в мотках или на катушках, прутки — в связках. Упаковка должна обеспечивать сохранность поверхности при транспортировке, поскольку дефекты поверхности могут нарушить герметичность спая со стеклом.