Инвар (Invar) – металл (сплав) под изготовление высокостабильной механики

Инвар (Invar) – металл (сплав) под изготовление высокостабильной механики

Высокоточные механические системы являются неотъемлемой частью многих современных технологий. Однако для производства высокоточных механических систем требуется соответствующий материал – металл или сплав, характеристики которого позволяют достичь нужного результата. И здесь на сцену механической инженерии выходит Инвар — металл, применимый там, где желательна высокая степень стабильности размеров при изменении температуры. Рассмотрим, что представляет собой уникальный сплав в действительности, чтобы иметь ясное представление.

Инвар — история появления железоникелевого сплава 

Сплав Инвар впервые удалось получить гражданину швейцарского происхождения — инженеру-физику Шарлю Эдуарду Гийому. Событие это случилось в 1896 году, в момент пребывания физика в Париже (Франция). Физик занимался изысканиями металла, обладающего низким коэффициентом расширения, и обнаружил интересную деталь. Оказалось, что КТР (Коэффициент Термического Расширения) железо-никелевого сплава очень низкий при содержимом структуры: 36% никеля + 64% железа.

Инвар, кроме всего прочего, торговый бренд французской компании «Imphy Alloys», специалистами которой впервые было запущено промышленное производство Инвара. Полное наименование продукта, однако, презентуется как Invar 36 (FeNi36). Наименование Инвар никак не связано с термином инвариантность, как это может показаться при первом знакомстве. К тому же низкий КТР сплава отмечается в ограниченном диапазоне температур (4 — 38°C).

Что такое Инвар для прецизионных механических систем?

Внешне Инвар напоминает сталь и при контактном исследовании оставляет те же ощущения. Это очевидно, так как имеет место сплав чёрных металлов, в составе которого железо является основным компонентом. Этот сплав железа с никелем содержит 0,01% — 0,1% углерода. Сплав высокой чистоты, как правило, содержит 0,01% углерода или менее того.

Инвар в металлических промышленных стержнях
Стержневые элементы высокоточных механических конструкций, изготовленные из уникального железоникелевого сплава Invar 36

Содержание углерода вместе с другими «примесями» является основным фактором временной стабильности Инвара. Помимо железа и никеля, допустимо содержание:

  • никеля,
  • кобальта,
  • хрома,
  • углерода,
  • марганца,
  • фосфора,
  • кремния,
  • серы,
  • алюминия,
  • магния,
  • циркония,
  • титана.

Точное процентное содержание отмеченных элементов варьируется в зависимости от спецификации и производства. Модификация Супер-Инвар содержит около 5% кобальта за счёт снижения на 5% содержания никеля. Другая модификация – Ковар, содержит 54% железа, 29% никеля, 17% кобальта.

Механические свойства Инвар 36 против нержавеющей стали 304

В принципе, сплав Инвар по механическим свойствам сравним со сталью. Однако следует отметить несколько различий между сплавом Инвар 36 и нержавеющей сталью 304:

  • модуль Юнга,
  • удельная жёсткость,
  • предел текучести,
  • теплопроводность,

все эти показатели ниже для Инвара.

Коэффициент термического расширения Инвар и Супер-Инвар намного ниже того же показателя популярных металлов — алюминия и стали. С точки зрения атомарной структуры, тепловое расширение отражается увеличением среднего расстояния между атомами. Большая энергия связи атомов в материале приводит к более низкому показателю КТР.

Инвар - листовая конфигурация материала на основе железоникелевого сплава
Пример продукта для использования в области механики — листового металла, изготовленного на основе уникального железоникелевого сплава Инвар

Коэффициент термического расширения Супер-Инвара приближается к нулевому КТР при специальной термообработке. Однако такое состояние возможно лишь в очень ограниченном диапазоне температур. Более медленное изменение КТР с изменением температуры сплава Инвара 36, делает этот материал предпочтительнее Супер-Инвара для применений, где есть значительные изменения температуры.

Низкий коэффициент термического расширения Инвар 36 оптимально подходит для инженерии в области опто-механики. Именно здесь, как правило, создаются системы, инвариантные к температуре. То есть системы, которые должны соответствовать определённым целям производительности за счёт изменения температуры.

Длина волны света для оптических систем в видимой части спектра составляет приблизительно 0,5 мкм. Системные требования обычно предполагают, чтобы оптические элементы выдерживались с некоторым допуском около этого значения. В этом плане конструкционный металл с низким коэффициентом теплового расширения видится исключительной ценностью.

Процедура механической обработки / термообработки

В отличие от инженерных чертежей алюминиевых и стальных деталей, чертежи деталей, выполненных из Инвара, как правило, содержат подробную процедуру механической обработки / термообработки. Целью этой процедуры является получение оптимального коэффициента теплового расширения и временной стабильности.

Такая процедура обработки обычно включает термообработку «MIT» или «Lement». На простом чертеже с использованием такого вида термической обработки, соответственно, указывается следующее:

  1. После обработки отжечь при температуре 830°C в течение 30 минут. Охладить водой или средством полиалкиленгликоль.
  2. Для снятия напряжения выдержать деталь при температуре 315°C в течение 1 часа. Затем охладить до температуры 95°C с последующей выдержкой в течение 48 часов в условиях прохладного открытого воздуха.

Отмеченная технологическая процедура относительно проста, не требует значительных материальных расходов. Тем не менее, существует проблема. Тяжелая обработка, — резание на глубину более 100 мкм, способна нарушить термообработку, что приводит к необходимости проведения ещё одного цикла термообработки.

Инвар - продукт произведённый в виде металлической проволоки
Металлическая проволока, изготовленная на базе железоникелевого сплава с уникальными температурными свойствами

Процедура, альтернативная описанной выше (используемой для высокоточных деталей из инвара), включает черновую обработку, близкую к конечному размеру (~ 1,3 мм). Затем выполняется термообработка и получистовая обработка (~ 0,13 мм). Далее выполняется ещё одна термообработка (отличная от первой). На заключительном этапе машинная автоматическая обработка.

Эти процедуры могут быть рекомендациями некоторых компаний производителей. Обычно варьируются в зависимости от желаемого уровня точности. Другие инструкции на техническом чертеже могут указывать верхнюю границу температуры материала, а также запрет на магнитный зажим при обработке.

Также следует отметить — Инвар подвержен коррозии, что заставляет производителей покрывать металл никелем или хромом. Кроме того, инженерам и техникам важно знать: механическая пара нержавеющая сталь – Инвар 36, даёт дефект быстрого истирания.


При помощи информации: CarpenterTechnology