Το κράμα Invar είναι ένα ειδικό κράμα που αποτελείται κυρίως από σίδηρο και νικέλιο, που χαρακτηρίζεται κυρίως από τον εξαιρετικά χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής του. Το όνομά του "Invar" προέρχεται από την αγγλική λέξη "invariable", αντανακλώντας το χαρακτηριστικό του ότι δεν παρουσιάζει σχεδόν καμία διαστολή ή συστολή διαστάσεων με τις αλλαγές θερμοκρασίας. Τα κράματα Invar χρησιμοποιούνται κυρίως σε όργανα ακριβείας που απαιτούν υψηλή σταθερότητα διαστάσεων, δομικά στοιχεία αεροδιαστημικής, οπτικό εξοπλισμό και συστήματα αποθήκευσης υγροποιημένου αερίου.
Κύρια εξαρτήματα και δομή του κράματος Invar
Η τυπική χημική σύνθεση του κράματος Invar είναι περίπου 63% σίδηρος (Fe), περίπου 36% νικέλιο (Ni), με το υπόλοιπο να είναι ίχνη άνθρακα, πυριτίου, μαγγανίου και άλλων στοιχείων. Το χαρακτηριστικό χαμηλής θερμικής διαστολής του κράματος πηγάζει από τη μοναδική ατομική του διάταξη σιδήρου-νικελίου. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, οι αλλαγές στην εσωτερική μαγνητική τάξη του κράματος εξουδετερώνουν το φαινόμενο της θερμικής διαστολής των συνηθισμένων μετάλλων.
Οι κοινές ποιότητες κραμάτων Invar περιλαμβάνουν: Invar 36, Invar 32-5, Super Invar και Kovar. Το Invar 36 (γνωστό και ως 4J36 ή UNS K93600) είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο μοντέλο.
Φυσικές ιδιότητες του κράματος Invar
1. Εξαιρετικά χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής: Εντός του εύρους θερμοκρασιών από 20℃ έως 100℃, ο μέσος συντελεστής γραμμικής διαστολής του είναι μόνο περίπου 1,2 × 10-6/℃, πολύ χαμηλότερος από αυτόν του συνηθισμένου ανθρακούχου χάλυβα (περίπου 12 × 10/⁄⁄).
2. Πυκνότητα: Περίπου 8,1 g/cm³.
3. Θερμική αγωγιμότητα: Χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, περίπου 10–14 W/(m·K).
4. Μαγνητικές ιδιότητες: Το κράμα Invar είναι σιδηρομαγνητικό σε θερμοκρασία δωματίου, χάνοντας τον μαγνητισμό του στο σημείο Curie του περίπου 230℃.
5. Σκληρότητα: Η σκληρότητα Brinell σε κατάσταση ανόπτησης είναι γενικά 130–180 HB, η οποία μπορεί να βελτιωθεί μέσω ψυχρής επεξεργασίας ή επεξεργασίας γήρανσης.
Πλεονεκτήματα και εφαρμογές του κράματος Invar
Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα του κράματος Invar έγκειται στην εξαιρετικά υψηλή διαστατική του σταθερότητα κάτω από διάφορες θερμοκρασίες. Διατηρεί πολύ χαμηλό ρυθμό διαστολής σε ένα εύρος από δεκάδες βαθμούς κάτω από το μηδέν έως εκατοντάδες βαθμούς Κελσίου, καθιστώντας το ιδανικό για δομικά εξαρτήματα ακριβείας και περιβάλλοντα ελεγχόμενης θερμοκρασίας.
Οι κύριες εφαρμογές περιλαμβάνουν:
— Υποστηρίγματα οπτικού συστήματος, βάσεις φακών, βάσεις συμβολόμετρου.
— Αεροδιαστημικός εξοπλισμός, δορυφορικά δομικά στοιχεία, περιβλήματα γυροσκοπίων ακριβείας.
— Δεξαμενές αποθήκευσης υγροποιημένου αερίου (LNG) και κατασκευές αγωγών·
— Ηλεκτρονικές συσκευασίες, ζυγαριές οργάνων, μπλοκ μετρητών και άλλα εργαλεία μέτρησης.
Απόδοση κατεργασίας του κράματος Invar
Ενώ το κράμα Invar έχει σχετικά σταθερές μηχανικές ιδιότητες, η μηχανική του ικανότητα θεωρείται γενικά "ελαφρώς δύσκολη στη μηχανική επεξεργασία". Οι κύριοι λόγοι περιλαμβάνουν:
1. Σημαντική τάση σκληρύνσεως εργασίας.
2. Κακή θερμική αγωγιμότητα, με αποτέλεσμα συγκεντρωμένη θερμότητα κοπής.
3. Επιρρεπής στο κόλλημα των εργαλείων και τη φθορά του εργαλείου.
Γενικά συνιστάται η χρήση αιχμηρών εργαλείων καρβιδίου, χαμηλότερες ταχύτητες κοπής και εξαναγκασμένου ψυκτικού υγρού. Έχει καλή συγκολλησιμότητα, αλλά η εισροή θερμότητας πρέπει να ελέγχεται αυστηρά για να αποφευχθεί η τραχύτητα της μικροδομής.
Σύγκριση κράματος Invar με άλλα υλικά
Σε σύγκριση με τον συνηθισμένο ανθρακούχο χάλυβα, το κράμα Invar έχει συντελεστή θερμικής διαστολής που είναι μόνο 1/10. Σε σύγκριση με τον ανοξείδωτο χάλυβα, το κράμα Invar έχει ελαφρώς χαμηλότερη αντοχή αλλά καλύτερη θερμική σταθερότητα. Σε σύγκριση με τα κράματα τιτανίου, το κράμα Invar έχει ανώτερη σταθερότητα διαστάσεων σε χαμηλές θερμοκρασίες, καθιστώντας το αναντικατάστατο σε όργανα κρυογονικής μηχανικής και μετρολογίας.
Τυπικοί εγχώριοι και διεθνείς βαθμοί
— Κινεζικοί βαθμοί: 4J36, 4J32-5, 4J38;
— Αριθμοί UNS των ΗΠΑ: K93600 (Invar 36), K93500 (Super Invar).
— Γερμανικός βαθμός DIN: 1,3912;
— Γαλλικό AFNOR: FeNi36.
Το κράμα Invar είναι ένα τυπικό "κράμα ακριβείας χαμηλής διαστολής" που χρησιμοποιείται ευρέως στην αεροδιαστημική, την οπτική και την κρυογονική μηχανική λόγω της εξαιρετικής θερμικής σταθερότητας και συγκολλησιμότητας. Αν και είναι δύσκολο να επεξεργαστεί, η σταθερότητα των διαστάσεων του είναι σχεδόν αναντικατάστατη, καθιστώντας το ένα από τα βασικά βασικά υλικά στη μηχανική ακριβείας.
