Was ist das Material Invar? -Eigenschaften, Güteklassen, Bearbeitung

Die Aufrechterhaltung einer guten Dimensionsstabilität ist bei hochpräzisen Anwendungen entscheidend. Herkömmliche Materialien neigen dazu, sich bei Temperaturschwankungen auszudehnen und zusammenzuziehen. Diese thermische Ausdehnung oder Kontraktion führt zu Dimensionsänderungen. Heutzutage ist in kritischen Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Weltraumforschung und der Messtechnik eine Dimensionspräzision im Mikrometerbereich erforderlich. Nur Materialien mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Invar 36 eignen sich für solche Anwendungen. Erfahren Sie mehr über Eigenschaften, Typen und die Bearbeitung von Invar-Legierungen.

Was ist Material Invar

Invar ist ein Werkstoff mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), der bei Temperaturänderungen nur geringfügige Dimensionsänderungen zeigt. Er besteht hauptsächlich aus Eisen und Nickel. Aufgrund seiner Dimensionsstabilität wird er vor allem in sensiblen Anwendungen eingesetzt.

Definition des Werkstoffs Invar

„Invar“ ist nach dem englischen Wort für „invariable“ (unveränderlich) benannt. Der Name kommt daher, dass sich die Abmessungen von Bauteilen aus Invar bei Temperaturschwankungen nicht verändern. Diese einzigartige Eigenschaft beruht auf der chemischen Zusammensetzung dieser Legierung. Ein perfektes Gleichgewicht zwischen Nickel und Eisen sorgt für diese magische Eigenschaft.

Kurze Geschichte des Invar-Materials

Der Werkstoff Invar wurde 1896 vom Schweizer Physiker Charles Édouard Guillaume erfunden. Aufgrund seines einzigartig niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten erhielt Charles Édouard Guillaume 1920 einen Nobelpreis. Seit seiner Erfindung wird Invar häufig in Präzisionsinstrumenten, optischen Geräten und Luft- und Raumfahrtkomponenten verwendet.

Warum eine geringe Wärmeausdehnung wichtig ist

Durch die Wärmeausdehnung verändern sich die Abmessungen von Bauteilen bei Temperaturänderungen. Dies kann zu Fehlausrichtungen, Messfehlern oder strukturellen Spannungen führen. Daher ist ein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) für dimensionsempfindliche Bauteile wichtig. Das Material Invar mit einem CTE von nur 1.2 × 10⁻⁶ /°C gilt als ausgezeichnete Wahl für solche Bauteile.

Gängige Handelsnamen und Synonyme

Die gängigste Invar-Legierung enthält 36 % Nickel. Es gibt jedoch einige Variationen. Im Handel ist diese Legierung als „Invar36“ bekannt. Manche Firmen bezeichnen sie auch als „NILO 36“. Ein weiterer gängiger Typ ist „Super Invar“, der einen Kobaltzusatz von etwa 4 % enthält. „Super Invar“ hat einen besonders niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Grundlagen des Werkstoffes Invar

Die Brillanz des Werkstoffs Invar liegt in seiner chemischen Zusammensetzung und Mikrostruktur. Es ist dieses präzise Verhältnis von Nickel und Eisen, das den niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausmacht. Die Mikrostruktur und die chemische Zusammensetzung sind für seine außergewöhnlichen Eigenschaften verantwortlich.

Materialzusammensetzung Invar

Invar ist eine Eisen-Nickel-Legierung mit 36 % Nickelanteil. Ein Nickelanteil von 36 % entspricht dem „Sweet Spot“. An diesem Sweet Spot wird die Wärmeausdehnung konstant. Dies liegt daran, dass die Wärmeausdehnung in dieser Legierung durch magnetische Kontraktion kompensiert wird. Einige Invar-Typen weisen Abweichungen von diesem Nickelanteil von 36 % auf, um unterschiedliche Eigenschaften zu erreichen.

Mikrostruktur und Magnetismus

Ist Invar magnetisch? Invar hat eine kubisch-flächenzentrierte (FCC) austenitische Matrix. Unterhalb der Curietemperatur von 230 °C liegt es in einem ferromagnetischen Zustand vor. Während thermische Schwingungen das Material ausdehnen, übt die magnetische Ordnung eine kontrahierende Kraft aus. Dieser Effekt wird als Magnetovolumina-Kopplung bezeichnet. Daher hat Invar einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Eigenschaften des Materials Invar

Die chemischen und mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs Invar hängen hauptsächlich von seiner chemischen Zusammensetzung ab. Neben seinem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten weist Invar noch weitere Merkmale auf. Insgesamt eignen sich die Eigenschaften des Werkstoffs Invar hervorragend für dimensionsempfindliche Bauteile. Lassen Sie uns etwas näher auf diese Details eingehen.

Chemische Eigenschaften von Invar

Invar 36 ist in trockenen Umgebungen korrosionsbeständig. In feuchten oder aggressiven Umgebungen kann es jedoch korrosionsanfällig sein. Das Material Invar verfügt nicht über eine vollständig korrosionsbeständige Schutzschicht wie Edelstahl. Seine Korrosionsbeständigkeit ist jedoch besser als die von Baustahl und liegt zwischen beiden. Hier ein Vergleich des Materials Invar mit anderen gängigen Materialien:

Mechanische Eigenschaften von Invar

Im Vergleich zu Stahl ist das Material Invar etwas weicher und duktiler. Lassen Sie uns mehr darüber sprechen.

Stärke und Härte

Da Invar weicher als Stahl ist, ist die Streckgrenze gering. Während herkömmliche Weichstähle bei etwa 350 MPa nachgeben, beginnt Invar bereits bei 275 MPa zu brechen.

Steifigkeit und Durchbiegung

Der Elastizitätsmodul von Invar 36 ist deutlich niedriger als der von Stahl. Er beträgt nur 140 GPa. Das bedeutet, dass Invar 36 bereits bei geringerer Belastung zu Verformungen neigt. Invar XNUMX wird hauptsächlich für seinen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und nicht für seine Steifigkeit geschätzt. Daher berücksichtigen Designer diesen Wert.

Gängige Sorten von Invar- und CNC-Materialien

Invar 36 und andere gängige Fe-Ni-Legierungen weisen einen niedrigen WAK auf. Für manche Anwendungen ist ein möglichst niedriger WAK-Wert wünschenswert. In anderen Anwendungen muss der WAK dem des umhüllenden Materials, beispielsweise Glas, entsprechen. Daher wird die chemische Zusammensetzung der Legierungen an die jeweiligen Anwendungsanforderungen angepasst.

Invar, Inovco und FeNi42

Inovo und FeNi42 gehören ebenfalls zum Fe-Ni-Legierungssystem. Im Vergleich zu Invar 36 unterscheiden sich Inovco und FeNi42 in ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrem Ausdehnungsverhalten. Während Invar 36 bei Raumtemperatur einen sehr niedrigen WAK aufweist, hat Inovco einen kontrollierten WAK. Dies macht die Ausdehnung vorhersehbar. FeNi42 hat einen WAK, der dem bestimmter Keramiken und Gläser entspricht. Dies macht es mit den angrenzenden Materialien kompatibel.

Was ist Invar 36 (UNS K93600)

Invar 36 ist eine Handelssorte, die dem UNS-Standard K93600 entspricht. Es enthält 36 % Nickel und etwa 64 % Eisen. Es hat einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), der in einem weiten Temperaturbereich von -100 °C bis +200 °C aufrechterhalten werden kann.

Invar 36 vs. Invar 42

Aufgrund des unterschiedlichen Nickelgehalts weisen Invar 36 und Invar 42 unterschiedliche Eigenschaften auf.

Unterschiede bei WAK, Festigkeit und spezifischem Widerstand

Die folgende Tabelle bietet einen Vergleich der Eigenschaften von Invar 36 und Invar 42:

Super Invar vs. Invar 36

Im Vergleich zu Invar 36 weist Super Invar einen beeindruckend niedrigen CTE auf. Der CTE-Wert von Super Invar beträgt fast ein Viertel des von Invar 36. Er beträgt 0.3 × 10⁻⁶ /°C gegenüber 1.2 × 10⁻⁶ /°C. Super Invar wird daher hauptsächlich in hochpräzisen Geräten und Werkzeugen eingesetzt. Es gibt jedoch auch Einschränkungen. Super Invar behält den niedrigen CTE in einem engen Temperaturbereich (nicht über 65 ^oC). Es ist auch etwas schwierig zu bearbeiten.

Invar vs. Kovar und Edelstahl

Kovar und rostfreier Stahl sind zwar ebenfalls Fe-Ni-Legierungen, dienen aber völlig unterschiedlichen Zwecken. Aufgrund der guten Haftung von Kovar an Glas wird es hauptsächlich in Glas-Metall-Verbindungen verwendet. Kovar hat einen mit Glas vergleichbaren WAK. Edelstahl der 300er-Serie hingegen wird vor allem für seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit geschätzt. Kurz gesagt: Kovar wird hauptsächlich in der Verbindung mit Glas verwendet, und die Hauptfunktion von rostfreiem Stahl ist die Korrosionsbeständigkeit.

Wo das Material Invar verwendet wird

Aufgrund seines bemerkenswert niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) über einen weiten Temperaturbereich ist Invar ein bevorzugtes Material für viele Anwendungen. Es wird häufig in hochpräzisen und kritischen Bereichen eingesetzt. Es bietet ein geringes Risiko von Verzug, Durchbiegung und Maßänderungen bei Temperaturschwankungen.

Optische und bildgebende Systeme

Optische und bildgebende Systeme erfordern heutzutage höhere Genauigkeit und Auflösung. In der wissenschaftlichen Forschung können selbst mikroskopische Dimensionsänderungen den Fokus oder die Ausrichtung verzerren. Teleskope, Linsen, Lasersysteme und Satellitenbildinstrumente sollten daher über stabile optische Pfade verfügen. Das Material Invar mit seinem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) bietet genau dies. Temperaturänderungen beeinflussen seine Abmessungen kaum.

Luft- und Raumfahrt und Luftfahrtstrukturen

Um ihre Funktionalität zu erhalten, müssen Luft- und Raumfahrtstrukturen präzise Abmessungen aufweisen. Invar selbst trägt zur Dimensionsstabilität bei und unterstützt auch andere Materialien dabei. Beispielsweise werden Kohlefaserverbundwerkstoffe in Invar-36-Formen ausgehärtet. Während des Aushärtungsprozesses kommt es bei Temperaturänderungen zu geometrischen Verformungen.

Präzisionsmess- und wissenschaftliche Geräte

Das Material Invar wird in Geräten wie Interferometern, Koordinatenmessgeräten und Waagen verwendet. Es erhält die Abmessungen und Geometrie kritischer Komponenten. So können Genauigkeit und Präzision gewährleistet werden.

Was sind bessere Alternativen zu Invar

Obwohl das Material Invar einige außergewöhnliche Eigenschaften bietet, ist es in manchen Situationen möglicherweise nicht die beste Wahl. Es können weitere Aspekte wie das vorhersehbare Ausdehnungsprofil, die Korrosionsbeständigkeit, die Kosten und die Verfügbarkeit eine Rolle spielen. Kovar und Edelstahl sind zwei weitere Materialien mit einzigartigen Eigenschaften. Lassen Sie uns näher darauf eingehen.

Kovar zur Anpassung der Wärmeausdehnung

Kovar ist eine Fe-Ni-Co-Legierung mit etwa 29 % Ni, 17 % Co und dem Rest Fe. Im Gegensatz zu Invar, das eine vernachlässigbare Ausdehnung aufweist, dehnt sich Kovar kontrolliert aus. Sein WAK entspricht dem von Borosilikatglas. Daher ist es ein ideales Montagematerial für Glas und Keramik. Es dehnt sich proportional zur Glasmenge aus. Dadurch werden thermische Spannungen und Rissbildung in solchen Baugruppen minimiert.

Edelstahl 440C für hohe Festigkeit und Stabilität

Edelstahl 440C wird vor allem wegen seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit geschätzt. In Anwendungen, bei denen die Korrosionsbeständigkeit wichtiger ist als ein niedriger WAK, kann Edelstahl 440C gewählt werden.

Wann sollte eine Alternative anstelle von Invar verwendet werden?

Invar ist vor allem als Werkstoff mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten bekannt. Es gibt jedoch viele Anwendungen, bei denen ein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient keine zwingende Eigenschaft ist. Faktoren wie Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Bearbeitbarkeit, Kosten usw. spielen eine Rolle. Die Materialauswahl richtet sich daher nach den Anforderungen einer bestimmten Anwendung.

CNC-Bearbeitungsmaterial Invar-Legierung

Das Material Invar weist eine mittlere Festigkeit auf und ist vergleichsweise weicher als Stahl. Dennoch ist Invar schwer CNC-bearbeitbar. Es neigt bei übermäßiger Krafteinwirkung auf das Werkzeug zur Kaltverfestigung. Aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit kann es bei der Bearbeitung leicht zu einem Hitzestau kommen. Daher ist eine strenge Prozesskontrolle erforderlich, um diese Probleme zu bewältigen.

CNC Fräsen Invar

Um Kaltverfestigung zu vermeiden, sind hohe Vorschübe bei geringer Schnitttiefe zu bevorzugen. Es sollten Keramik- oder Hartmetallwerkzeuge mit scharfen Schneidkanten verwendet werden. Um einen Wärmestau zu vermeiden, sollte eine großzügige Flutkühlung eingesetzt werden.

CNC-Drehen Invar

Das Material Invar neigt zur Bildung langer, faseriger Späne. Dies kann bei der Bearbeitung von Invar-Legierungen eine große Herausforderung darstellen. Spanbrecher können Abhilfe schaffen. Verwenden Sie Hartmetalleinsätze mit positivem Spanwinkel, um lange Späne zu vermeiden. Ein konstanter Vorschub kann Werkzeugverweilzeiten vermeiden. Dadurch wird die Wärmeentwicklung gemildert.

CNC Bohren Invar

Da Invar duktil ist, kann die Spanabfuhr beim Bohren problematisch sein. Der Tieflochbohrzyklus kann bei der Abfuhr von Spänen und der Wärmeentwicklung hilfreich sein. Kobalt-HSS- oder Hartmetallbohrer weisen bei anspruchsvollen Anwendungen eine gute Verschleißfestigkeit auf.

Bearbeitungsspitzen für Materialien mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten

Beschichtungen und Überzüge zum Schutz

Die bearbeitete Oberfläche benötigt möglicherweise eine Beschichtung, um die Ästhetik und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Vernickeln, Passivieren und Lackieren sind drei gängige Methoden. Passivieren erzeugt eine Oxidschicht mit minimaler Maßänderung. Vernickeln und Lackieren sieht zwar ansprechender aus, die Abmessungen der Teile können sich jedoch ändern. Daher sollte bei der CNC-Bearbeitung ein Toleranzbereich für die Dicke dieser zusätzlichen Schichten berücksichtigt werden.

Wärmebehandlung für Dimensionsstabilität im Material Invar

Die Aufrechterhaltung der Dimensionsstabilität des Werkstoffs Invar ist wichtig, da dieser hauptsächlich in dimensionsempfindlichen Anwendungen eingesetzt wird. Innere Spannungen, die bei der CNC-Bearbeitung oder beim Gießen usw. entstehen, können Dimensionsänderungen beeinflussen. Um die Dimensionsstabilität zu erhalten, wird Invar einer Wärmebehandlung unterzogen, um innere Spannungen abzubauen.

Temperm

Material Invar wird bei etwa 850 gehalten⁰C und anschließend im Ofen abgekühlt. Die Verweilzeit im Ofen richtet sich nach den Abmessungen der Teile. Durch das Glühen wird die Mikrostruktur so verändert, dass alle inneren Spannungen abgebaut und die Duktilität wiederhergestellt wird. Es unterstützt auch nachfolgende Formgebungsvorgänge.

Stress Relief

Das Spannungsarmglühen erfolgt bei Temperaturen unterhalb der Glühtemperatur. Das Hauptziel ist der Abbau innerer Spannungen. Ein Temperaturbereich von 300-600⁰C ist hierfür ausreichend.

Stabilisierung des Alterns

Das Material Invar kann über einen langen Zeitraum Phasenumwandlungen durchlaufen. Daher besteht die Gefahr von Maßänderungen während der Lebensdauer. Eine Alterungsbehandlung beschleunigt den Phasenumwandlungsprozess. Alle Phasenumwandlungen, die während der Lebensdauer auftreten können, finden daher vor der Inbetriebnahme der Teile statt.

Warum die Bearbeitung von Material Invar teuer ist

Die CNC-Bearbeitung von Invar-Legierungen ist vergleichsweise teurer als bei anderen gängigen Materialien. Mehrere Faktoren tragen zu den Kosten bei. Invar ist teuer und die Bearbeitung etwas aufwändig. Dennoch lohnt sich das nahezu null Ausdehnungsverhalten.

Hoher Preis für Roh-Invar

Invar 36 enthält etwa 36 % Nickel. Nickel ist seit langem ein teures Metall. Neuere Anwendungen von Nickel, wie z. B. Batteriekathoden für Elektrofahrzeuge, haben die Nachfrage deutlich erhöht. Infolgedessen steigt der Nickelpreis stetig an. Daher scheint Invar langfristig ein teures Material zu sein.

Schwer zu bearbeiten

Aufgrund der Kaltverfestigung während der Bearbeitung und der geringen Wärmeleitfähigkeit ist die CNC-Bearbeitung von Invar-Legierungen mit einigen Herausforderungen verbunden. Die Zähigkeit des Materials Invar führt zu Aufbauschneiden und langen Spänen. Infolgedessen müssen die Maschinenbediener langsamere Vorschübe, leichtere Schnitte und häufige Werkzeugwechsel vornehmen. Hoher Ausschuss, häufiger Werkzeugwechsel und langsamere Bearbeitung treiben die Kosten in die Höhe.

Schneller Werkzeugverschleiß

Aufgrund der hohen Zähigkeit des Materials Invar verschleißen Werkzeuge schnell. Es müssen teure Hartmetallwerkzeuge verwendet werden. Auch diese verschleißen schnell.

Fazit

Invar ist ein äußerst wertvolles Material mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten für Hersteller hochpräziser Geräte. Dank seiner nahezu Null-Wärmeausdehnung bietet es eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität. Die Fertigung präziser Teile aus Invar ist jedoch mit gewissen Herausforderungen verbunden. Aufgrund der hohen Kosten ist die Entstehung fehlerhafter Teile nachteilig. Daher müssen Lieferanten dieser Komponenten absolut professionell vorgehen.

TUOFA CNC Machining ist ein solcher Name. Wir von TUOFA CNC Machining bieten kundenspezifische Bearbeitungsdienste für Invar-Materialien an. Unser engagiertes Bearbeitungsteam stellt sicher, dass die Komponenten alle gewünschten Spezifikationen erfüllen.

FAQs zum Werkstoff Invar

Warum ist Invar so teuer

Invar ist aufgrund des hohen Nickelgehalts teuer. Nickel ist ein teures Metall und sein Preis steigt ständig.

Ist Invar schwer zu bearbeiten?

Ja. Die hohe Zähigkeit, die geringe Wärmeleitfähigkeit und die Kaltverfestigung stellen mehrere Herausforderungen dar.

Welches Metall hat die geringste Wärmeausdehnung

Super Invar hat einen beeindruckend niedrigen CTE von nur 0.3 x 10^-6/ ^oC.