(3 Голосов)

 

Детали, изготовленные из инвара

Инвар (англ.: Invar) – это сплав железа (64 %) и никеля (36 %), обладающий очень низким коэффициентом теплового расширения. Он также известен под другими обозначениями: инвар 36 (Invar 36), нило-аллой 36 (Nilo alloy 36), нилвар (Nilvar), НС 36 (NS 36), пермаллой Д (Permalloy D), радио-металл 36 (Radio metal 36), вакодил 36 (Vacodil 36). Данному сплаву присвоен номер материала 1.3912.

Название «инвар» происходит от латинского слова invarians («неизменный») и означает «сплав, имеющий неизменяемый коэффициент теплового расширения». То же самое название используется как общее обозначение группы уникальных сплавов и соединений, которые в определенных диапазонах температур имеют аномально низкий или отрицательный коэффициент теплового расширения.

Invar – это торговая марка компании Imphy Alloys Inc., в настоящее время принадлежащей сталелитейному концерну Arcelor Mittal. Сплавы инвар находят широкое применение в промышленной сфере в тех случаях, когда от какого-либо устройства требуется неизменность линейных размеров при колебаниях температуры.

Явление практически полного отсутствия теплового расширения было открыто в 1896 году швейцарским физиком Шарлем Гийомом (фр.: Charles Guillaume) при исследовании сплава Fe65Ni35. В 1920 году за это открытие ученый был удостоен Нобелевской премии в области физики. Швейцарец работал в Международном бюро мер и весов и занимался поиском дешевого материала для изготовления эталонов мер длины и массы. В то время эти эталоны, например, эталон метра, изготавливались из очень дорогого платиноиридиевого сплава.

Инвар Fe65Ni35 содержит 65 % железа и 35 % никеля. Для изменения механических свойств сплава к нему в качестве легирующих присадок добавляется до 1 % магния (Мg), кремния (Si) и углерода (C). Путём присадки 5 % кобальта (Co) можно ещё больше понизить коэффициент теплового расширения сплава. Такой сплав называется иновко (Inovco; FeNi33Co4,5). Его коэффициент теплового расширения α при температуре от 20 °C до 100 °C равен 0,55 ´ 10–6/К. Другие варианты этого сплава отличаются от него величиной КТР. Так, коэффициент теплового расширения ковара (Kovar) составляет около 5 ´ 10–6/К.

В настоящее время известно множество других сплавов, обладающих эффектом инвара, в том числе:

– с кубической гранецентрированной решеткой: FeMn, CoMn, FeNi, FePd, FePt, CoMnFe, FeNiPt, FeNiMn и многие другие;

– с кубической объемноцентрированной решеткой: CrFe, CrMn;

– с гексагональной максимально плотной упаковкой атомов: CoCr;

– аморфные: FeB, FeP и многие другие.

Свойства инвара на примере сплава Fe65Ni35:

удельное электрическое сопротивление = 0,75-0,85 Ом · мм2/м,

модуль упругости = 140-150 ГПа,

твердость по Бринеллю = 160,

удлинение при разрыве < 45 %,

прочность на разрыв = 450-590 МПа,

плотность = 8 г/см3,

коэффициент линейного расширения при 20-90 °C = 1,7-2,0 · 10−6 K−1,

коэффициент теплопроводности при 23 °C = 13 Втм−1 K−1.

Явление почти полного отсутствия теплового расширения объясняется отрицательной объемной магнитострикцией кристаллической решетки инвара или других аналогичных сплавов. Это означает, что в результате взаимного отталкивания магнитных полюсов отдельных атомов сплава его кристаллическая решетка «надувается», то есть увеличиваются расстояния между атомами. Однако этот эффект снижается с увеличением температуры (из-за уменьшения магнитных моментов отдельных атомов), что ведет к сжатию кристаллической решетки. Таким образом, уменьшение отрицательной объемной магнитострикции при возрастании температуры противодействует тепловому расширению, которое стремится увеличить расстояния между атомами. В определенных диапазонах температур эти физические явления способны настолько компенсировать друг друга, что при этом фактически не происходит изменение межатомных расстояний, что препятствует изменению длины (или объема) твердого тела. Эффект инвара исчезает вместе с исчезновением магнитных моментов атомов после достижения температуры магнитного упорядочения соответствующего материала, то есть температуры Кюри или температуры Нееля.

Изначально инвар применялся для изготовления дешевых эталонов мер массы и длины. Кроме того, он использовался в конструкциях высокоточных маятниковых часов и хронометров. В наши дни из этого сплава часто изготавливается один слой структуры биметаллов.

Сплавы инвар применяются в большом числе изделий, от которых требуется высокая стабильность линейных размеров при колебаниях температуры. Так, инвар используется в производстве теневых масок для приемных трубок цветных телевизоров, переходов стекло-металл, мембранных танков для перевозки сжиженного природного газа, подложек чипов, корпусов лазерных устройств, волноводов, а также астрономических и сейсмографических приборов. Разработка метода сварки инвара позволила расширить возможности его применения. В геодезии используется проволока из инвара для изготовления прецизионных нивелирных реек, а также для высокоточного измерения коротких расстояний (приблизительно до 20 метров), например, в туннеле- и плотиностроении. Кроме того, из инвара изготавливаются некоторые формы для ламинирования, применяемые в технологии изготовления крупных деталей из пластика, армированного углеволокном.