2.1.1 材料開發過程
Guillaume 於 1896 年首先研發出一系列具低熱膨脹係數之合金，其中以 Fe-(34~36%)Ni 最受重視。雖然純 Fe 與純 Ni 之α值均極高，但對 Fe-Ni 合金而言，
當 Ni 含量介於 34%~36%之間時，Fe-Ni 合金之α值顯著降低，其α值約為一般鋼 鐵的 1/10(α≒1.2×10-6/oC)，基於極低的熱膨脹係數，該合金之命名也逕取自
“Invariable”一字的涵義，而以“Invar”合金稱之。惟，當 Ni 含量高於或低於上 述範圍(34~36%)時，α值均會提高[ 2 ]，如 Fig. 2-1 所示。
Table 2-1[ 3 ]列舉數種 Invar 合金之性質。Invar 合金雖然其α值很低，但因 C 和 Si 之含量亦低，故，鑄造性與加工性均差，製造上有其困難度及侷限性。提高 C、Si 含量雖可改善鑄造性及加工性，但α值卻會升高，又無法滿足一些特定應用 場合之要求。
近幾年來，工業產品有走向輕薄短小之趨勢，而在精微加工方面，影響精密 度的因素很多，除機械本身結構及操作條件的因素之外，熱膨脹變形所導致的尺 寸誤差是重要的原因之一，針對此問題，可將靠近熱源的重要元件以低熱膨脹材 料來取代，以降低因熱膨脹所引起的尺寸誤差。
2.1.2 低熱膨脹現象之成因探討
在早期開發階段，Guillaume & Chevenard[ 4 ]認為 Fe-Ni 合金之低熱膨脹現象 是由於合金中形成 FeNi3 化合物所致，然而，隨著 Fe-Ni 二元合金平衡相圖(Fig.
非 FeNi3，且，A3變態點則是發生在露點以下，此與 Invar 合金在室溫附近即有低 temperature，以 Tc表示)，代表該材料從鐵磁性(Ferromagnetic，即為強磁性)轉變為 順磁性(Paramagnetic，即常磁性)的臨界溫度，Table 2-2[ 7 ]以及 Fig. 2-4[ 8 ]列出數 種常見元素之居禮溫度和部分 Fe-X 鐵系合金之居禮溫度。由此可知，低熱膨脹的 特性必然與此一磁力特性有密切的關聯，而在諸多鐵磁特性當中，與材料的長度(或 體積)的變化有相關者即為磁效伸縮(Magnetostriction)，即：鐵磁性材料在磁場的作 用下具有長度變化的現象。此一效應對於 Fe 而言，其體積會沿著磁場的方向發生 膨脹現象，且該膨脹量隨著磁場強度的增高首先逐漸加大，然後逐漸轉緩，最後
甚至發生收縮現象；然而對於 Ni 而言，其長度的變化情形正好與 Fe 相反，即沿 磁場方向首先發生急劇的收縮，之後隨著磁場的增強而漸趨於一恆定之長度 [ 3,[ 9 ]。
儘管上述有關磁致伸縮的效應與溫度似乎並無直接的關係，但據研究發現，
強磁性物體亦具有以磁性變態溫度(Tc)為界的體積變化現象，此乃所謂的「自發體 積磁伸縮」特性。有趣的是，如 Invar 合金本身所引發的自發體積磁伸縮特性為一 種巨大的收縮現象，如 Fig. 2-5[ 3 ]即為構成 Invar 獨特熱膨脹曲線的成因示意圖；
其體積收縮率比原本單純的 Fe 或 Ni 大了近 100 倍，因此得以抵消物體因溫度上 升而增加之原子熱振動所引起的膨脹量，此係造成了 Invar 合金系之熱膨脹係數極 低，甚至可達負值的原因，因此亦被稱之為“Invar 效應”[ 10 ]。而當溫度趨近 Tc 時，由於合金內的磁元逐漸散亂而失去原有磁性，此時自發體積磁伸縮的效應逐 漸轉為膨脹，故α值在此處明顯增高，這也正是 Invar 合金的熱膨脹曲線具有明顯 轉折溫度點(Inflection temperature)的原因。由於 Ni 具有與一般強磁性體相反的磁 伸縮特性，使得 Ni 成為低熱膨脹材料不可或缺的首要合金元素。
2.1.4 低熱膨脹鑄鐵之規格及其機械和物理性質
有關低熱膨脹鑄鐵的詳細規格及性質，在此分冸節錄 ASTM 及 JIS 的規格作 為代表；Table 2-3、Table 2-4[ 2 ]及 Table 2-5 為 ASTM A439 所規範之沃斯田鐵型 球墨鑄鐵的成分、機械及物理性質，Table 2-6 以及 Table 2-7[ 2 ]則分冸為 JIS G5510 沃斯田鐵型球墨鑄鐵的成份及機械性質規格。另外，部分日本企業也針對各種不 同的性質需求而開發出屬於公司特有的低熱膨脹鑄鐵及鑄鋼規格。
依據以上各個表列內容以及相關的文獻參考，大致對於現有之低熱膨脹型鑄
1. 20oC~200oC 的平均熱膨脹係數約為 5.0×10-6/oC，約為一般灰口鑄鐵的 1/3~1/2