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鎳鐵合金材料特性 – 艾維數位工業

01月22日 2025

什麼是鎳鐵合金（INVAR）

主要是以鐵(Fe)及鎳(Ni)兩種元素所組成的合金。

1. Invar

又稱不變鋼、殷鋼、因瓦合金。瑞士的物理學家夏爾・紀堯姆（Charles Édouard Guillaume）在西元1896年發現了熱膨脹係數趨近於零的鎳鐵合金，因此在1920年榮獲諾貝爾物理學獎。Invar這個名稱的出現是由「Invariant」沿伸而出，代表著不變的意思，也更直接體現出這種材料的特色。相較其他金屬材料，這是一種熱膨脹係數非常低的合金，能在溫度變化大的環境中保持良好的穩定性。直到現今，Invar仍廣泛應用在儀器、量測、工程、科技、研究等領域。

Invar系列又包含：

- Invar 36

又稱作Alloy 36或殷鋼。主要成分是由36% 鎳（Ni）+64% 鐵（Fe）所組合而成具有極低的熱膨脹係數，在要求尺寸穩定性及高精度的應用中使用廣泛。

熱膨脹係數（CTE）：0.722 µin/in-°F (93.0°C)。

- Invar 32-5

又稱作Super Invar。主要成分是由32% 鎳（Ni）+68% 鐵（Fe）所組合而成。溫度從20℃開始溫度從20℃開始在室溫中，熱膨脹係數比Invar 36來的低，甚至是Invar 36的一半。另外Invar 32-52的成分中添加了5.5%的鉻，相較其他未添加者，耐腐蝕性會更加良好一些。

熱膨脹係數（CTE）：0.350 µin/in-°F (-55~95.0°C)。

2. Kovar

又稱作封接合金。主要成分是由29% 鎳（Ni）+54% 鐵（Fe）+17% 鈷（Co）所組合而成。大多金屬材料因為熱膨脹係數的關係，金屬的熱漲冷縮無法與玻璃等材料進行接合、密封，但Kovar的出現，解決了科技領域、半導體、電子設備等真空系統應用的問題。Kovar與硬玻璃(硼矽酸鹽玻璃)、陶瓷及石英等硬脆材料的膨脹率相近，適合用在需進行金屬與其硬脆材料的配合及封裝。

熱膨脹係數（CTE）：2.83~3.06 µin/in-°F (20~450°C)。

鎳鐵合金的相關特性

最大的特點就是「熱膨脹係數（CTE）非常低」，也因為熱膨脹係數低而延伸出以下特點：

- 尺寸的精度及穩定性：

因低膨脹係數的優點，對溫度變化的影響較小，對於需要進行精密、高精度加工或對尺寸公差有要求嚴格者，是很不錯的選擇。

- 不易變形：

在環境高溫和低溫的變化下，能有效降低材料在溫度化上所引起的變形、扭曲和裂痕。

- 較低磁性：

因為組成成分中含有鐵的元素，所以會具有些微磁性。當鎳含量增加，鐵含量減少時，會降低合金的磁性。

- 好的機械性質：

在環境溫度的變化下，仍能保持穩定、良好的強度與韌性。

- 不易鏽蝕：

在常溫乾燥的環境中，具有一定的耐腐蝕性，但在高濕度的環境中，材料表面仍然會有生鏽的風險，可以藉由表面處理加以改善並加強耐腐蝕性的部分。

鎳鐵合金各型號之組成成分

型號組成成分	Invar 36	Invar 32-5	Kovar
鎳（Ni）	36 ％	32 ％	29 ％
鐵（Fe）	63 ％	62 ％	54 ％
鈷（Co）	–	5.5 ％	17 ％
錳（Mn）	0.35 ％	0.40 ％	0.3 ％
矽（Si）	0.20 ％	0.25 ％	0.2 ％
碳（C）	0.02 ％	0.02 ％	0.02 ％

鎳鐵合金的應用

1. Invar 36

(1) 精密零件與設備儀器：因其材料的低膨脹係數特性，提供要求高尺寸精密度的領域應用。像是精密儀器和光學設備中，普遍使用在的結構部件、支撐件、各式精密零件等。應用例子如下所示：

- 半導體精密儀器
- 電子顯微鏡支撐結構件
- 鏡頭和反射鏡支架
- 光學鏡頭相關零件
- 鐘錶的擺輪、游絲
- 顯示器的陰影遮罩（OLED）
- 船舶使用的儀器與設備
- 船體的框架、接合處
- 船隻的動力和冷卻系統
- 船體其他結構在低溫下容易受到熱應力影響的部位

(2) 航空及太空領域：在製造、使用以及飛行的過程中，需要面對高低溫度以及壓力的變化，需確保運行期間都能保持相關零件設備的穩定性、尺寸精度以及系統的正常運行。INVAR 36就時常應用在航太領域相關的設備、零件、儀器中。應用例子如下所示：

- 衛星及太空船的結構、部件
- 機用零件的模具
- 導航系統
- 電子控制裝置

(3) 醫療與化學工業領域：該領域的設備或零組件會受到化學物品的腐蝕、高低溫度的變化以及高壓的影響，所以需要具備一定的耐腐蝕性和強度。應用例子如下所示：

- 醫療器械
- 實驗室設備
- 粒子加速器
- 化學反應器
- 磁振造影相關元件（MRI，又稱核磁共振）
- 液化天然氣運輸（LNG），例如儲氣槽中96型薄膜型圍護系

2. Invar 32-5

(1) 雷射、光學領域：其極低的熱膨脹系數，在精密光學及雷射儀器結構相關零組件中，能夠保持穩定的尺寸，避免因溫度而引起的相關元件的誤差，確保儀器高精密度的控制與測量。應用例子如下所示：

- 框架
- 基板
- 支撐結構
- 望遠鏡
- 雷射工作臺
- 環形雷射陀螺儀

(2) 電子元件：INVAR 32-5因其材料特性，常應用在需面對高頻、對溫度變化敏感以及要求高精度的產品上，例如需進行金屬及低膨脹材料(玻璃或石英)的接合。以及能有效控制溫度變化引起的誤差。確保儀器設備運行期間的結構、性能具備良好穩定性及可靠性。應用例子如下所示：

- 半導體製程設備元件
- 波導管
- 真空管
- 微波濾波器

(3) 醫療領域：其優異的尺寸穩定性，能確保設備在不同環境變化下的高準確度。在影像設備和診斷儀器中，助於提升醫療影像的清晰及精確度，對病人的診斷至關重要。應用例子如下所示：

- 手術器械
- 精密診斷儀器
- 核磁共振成像元件

(4) 設備：因其低熱膨脹系數的特性，時常應用在高精度量測儀器以及機械設備中，能有效降低因溫度變化所引起的精度誤差，保障其設備的可靠性。應用例子如下所示：

- 量規
- 長度標準工具
- 定位裝置
- 溫度測量設備中的零組件

3. Kovar

(1) 電子元件：身為金屬的KOVAR，能與玻璃或陶瓷這類低膨脹係數材料的膨脹率相似，所以非常適合運用在電子、電信以及半導體製程中設備的相關零組件、封裝或真空製程，以及其他需精密配合的應用中。應用例子如下所示：

- 積體電路
- 光纖元件
- 真空管
- 二極體
- 混合封裝
- 電晶體
- 微波管
- 連接器
- 基座
- 電子槍
- 高壓饋通
- 壓控表面聲波振盪器的封裝

(2) 醫療設備：良好的生物與材料的相容性、良好的機械性質以及耐腐蝕性，在溫度變化以及長期使用時，能確保其穩定性與可靠性。應用例子如下所示：

- 陶瓷外科工具
- 內視鏡之成像系統（玻璃or藍寶石）
- 植入式裝置

(3) 設備儀器：其低熱膨脹特性，以及好的機械性能，能確保設備在不同溫度條件的環境中的不受干擾、穩定、精度及耐用性。應用例子如下所示：

- 光譜儀
- 感測器
- 氣相層析儀
- 雷達系統中電路板

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