上海益励金属材料有限公司
材料牌号：4J54
法国牌号：N54
德国牌号：Vacodil 540/FeNi54
一、4J54概述
铁镍定膨胀合金是通过调整镍含量而获得在给定温度范围内能与膨胀系数不同的软玻璃和陶瓷匹配的一系列定膨胀合金，其膨胀系数和居里点随镍含量增加而增加。该合金是电真空工业中广泛使用的封接结构材料。
1.1 4J54材料牌号 4J54。
1.2 4J54相近牌号 见表1-1。
表1-1[1～3]
俄罗斯 |
美国 |
英国 |
日本 |
法国 |
德国 |
- |
- |
- |
- |
N54 |
Vacodil 540 FeNi54 |
1.3 4J54材料的技术标准
1.4 4J54化学成分 见表1-2。
表1-2[4] %
C |
Mn |
Si |
P |
S |
Al |
Co |
Ni |
Fe |
≤ |
||||||||
0.05 |
0.80 |
0.30 |
0.020 |
0.020 |
- |
- |
53.5～54.5 |
余量 |
在平均线膨胀系数达到标准规定条件下，允许镍含量偏离表1-2规定的范围。
1.5 4J54热处理制度 标准规定的膨胀系数性能检验试样其热处理制度：在保护气氛或真空中加热到850℃±20℃，保温1h，以不大于300℃/min速度冷至400℃以下出炉[4]。
1.6 4J54品种规格与供应状态 品种有棒材、管材、板材、带材和丝材。
1.7 4J54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 4J54应用概况与特殊要求 4J54合金主要用于和云母、软玻璃封接。
在应用中应使选用的封接材料与合金的膨胀系数相配。热处理时应控制其晶粒度，以保证材料具有良好的深冲引伸性能。当使用锻、轧材时应严格检验材料的气密性。
二、4J54物理及化学性能
2.1 4J54热性能
2.1.1 4J54溶化温度范围 该合金溶化温度约为1430℃[1,2]。
2.1.2 4J54热导率 λ=18.8W/(m·℃)[1,2]。
2.1.3 4J54比热容 该合金的比热容为502J/(kg•℃)。
2.1.4 4J54线膨胀系数 标准规定的合金平均线膨胀系数见表2-1。合金的平均线膨胀系数见表2-2。合金的膨胀曲线见图2-5。
表2-1
/10-6℃-1 |
||
20～300℃ |
20～400℃ |
20～450℃ |
10.2～11.4 |
10.2～11.4 |
- |
2.2 4J54密度 ρ=8.28g/cm3[1,2]。
2.3 4J54电性能 电阻率ρ=0.42μΩ·m[1,2]。
表2-2[1,2]
/10-6℃-1 |
|||||||
20～100℃ |
20～200℃ |
20～300℃ |
20～350℃ |
20～400℃ |
20～450℃ |
20～500℃ |
20～600℃ |
10.7 |
12.7 |
10.7 |
10.7 |
10.8 |
10.3 |
10.8 |
11.2 |
2.4 4J54磁性能
2.4.1 4J54居里点 Tc=530℃[1,2]。
2.4.2 4J54合金的磁性能
2.5 4J54化学性能 合金在大气、淡水和海水中有较好的耐腐蚀性。
三、4J54力学性能
3.1 4J54技术标准规定的性能
3.1.1 4J54硬度 深冲态带材应符合表3-1的规定。厚度不大于0.2mm的带材不作硬度检验。
3.1.2 4J54抗拉强度 合金带材的抗拉强度应符合表3-2的规定。
3.2 4J54室温及各种温度下的力学性能
3.2.1 4J54硬度 该合金（退火态）硬度HV约为135[1,2]。
表3-1[4] 表3-2[4]
δ/mm |
HV |
状态代号 |
状态 |
σb/MPa |
|
<2.5 |
≤170 |
R |
软态 |
<590 |
|
≤2.5 |
≤165 |
I |
硬态 |
>820 |
3.2.2 4J54拉伸性能 该合金（退火态）室温拉伸性能见表3-3。
表3-3[1,2,4]
σb/MPa |
σP0.2/MPa |
δ/% |
φ/% |
560 |
- |
35 |
- |
3.3 4J54持久和蠕变性能
3.4 4J54疲劳性能
3.5 4J54弹性性能
3.5.1 4J54弹性模量 该合金的弹性模量E=157GPa[1,2]。
四、4J54组织结构
4.1 4J54相变温度
4.2 4J54时间-温度-组织转变曲线
4.3 4J54合金组织结构 该合金为稳定的奥氏体组织。
4.4 4J54晶粒度 合金深冲带的晶粒度应不小于7级，小于7级的晶粒度不得超过面积的10%。厚度小于0.13mm的带材估计平均晶粒度时，沿带材厚度方向的晶粒个数应不少于8个。
五、4J54工艺性能与要求
5.1 4J54成形性能 该合金很容易进行冷、热加工。热加工温度不宜过高，加热时间不宜过长，应避免在含硫的气氛中加热。当带材冷应变率大于75%时，退火后会引起塑性各向异性。冷应变率在10%～15%，加热到950～1050℃时（在钎焊过程中不可避免）晶粒显著长大，致使合金塑性降低，对于薄的截面还可能丧失金属的真空气密性。因此成品的最终应变率应控制在60%左右[2，5]。
5.2 4J54焊接性能 该合金具有良好的焊接性能，可钎焊和点焊。该合金与软玻璃等材料封接前应进行预氧化处理。
5.3 4J54零件热处理工艺 热处理可分为：消除应力退火、中间退火及预氧化处理。
(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：430～540℃，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。工件需在真空或保护气氛中，加热到700～800℃，保温30～60min，然后炉冷、空冷或水淬。
(3)预氧化处理 该合金作封接材料使用时，在封接前应进行预氧化处理。使合金表面生成一层厚度均匀、致密的氧化膜。零件在1100℃下，在饱和湿氢中，加热30min，然后在大约800℃的空气中氧化5～10min。零件的增重在0.1～0.3mg/cm2为适宜[6]。
该合金不能用热处理硬化。
5.4 4J54表面处理工艺 在热处理、焊接或玻封之前，必须清除金属表面污物、油脂。氧化层严重时可采用喷砂或先在熔融碱液中浸泡，然后再酸洗。轻微氧化皮可用25%盐酸溶液在70℃下酸洗。
5.5 4J54切削加工与磨削性能 该合金切削加工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。磨削性能良好。
