Hva er materialinvar? - Egenskaper, kvaliteter, maskinering

Det er avgjørende å opprettholde god dimensjonsstabilitet i høypresisjonsapplikasjoner. Vanlige materialer har en tendens til å utvide seg og trekke seg sammen med termiske svingninger. Denne termiske utvidelsen eller sammentrekningen fører til dimensjonsendringer. Nå til dags kreves dimensjonspresisjon på mikrometernivå i kritiske sektorer som luftfart, romfart og måleutstyr. Bare materialer med lav CTE som Invar 36 er egnet for slike applikasjoner. La oss lære mer om egenskapene, typene og maskinering av Invar-legeringer.

Hva er materialinvar

Invar er et materiale med lav CTE som viser ubetydelige dimensjonsendringer som respons på temperaturendringer. Det består hovedsakelig av jern og nikkel. På grunn av dets uforanderlige dimensjoner brukes det hovedsakelig i sensitive applikasjoner.

Definisjon av materialinvar

«Invar» er oppkalt etter det engelske ordet «invariable». Det har fått navnet sitt fordi dimensjonene til komponenter laget av materialet Invar ikke varierer med temperaturendringer. Denne unike egenskapen skyldes den kjemiske sammensetningen av denne legeringen. En perfekt balanse mellom nikkel og jern skaper denne magien.

Kort historie om Invar-materiale

Materialet Invar ble oppfunnet av den sveitsiske fysikeren Charles Édouard Guillaume i 1896. På grunn av sin unikt lave CTE-egenskap mottok Charles Édouard Guillaume en nobelpris i 1920. Siden oppfinnelsen har materialet Invar blitt mye brukt i presisjonsinstrumenter, optiske enheter og luftfartskomponenter.

Hvorfor lav termisk ekspansjon er viktig

Termisk ekspansjon endrer dimensjonene til komponenter når temperaturen endres. Det kan føre til feiljustering, målefeil eller strukturelle spenninger. Dermed blir en lav CTE viktig for dimensjonsfølsomme komponenter. Materiale Invar med en CTE på bare 1.2 × 10⁻⁶ /°C regnes som et utmerket valg for slike komponenter.

Vanlige handelsnavn og synonymer

Den vanligste typen Invar-legering inneholder 36 % nikkel. Det finnes imidlertid noen variasjoner. Kommersielt er denne legeringen kjent som «Invar36». Noen selskaper skriver den som «NILO 36». En annen vanlig type kalles «Super Invar», som inneholder et tilsetningsstoff på rundt 4 % kobolt. «Super Invar» har en ekstra lav CTE.

Grunnleggende om materialinvar

Det geniale ved materialet Invar ligger i dets kjemiske sammensetning og mikrostruktur. Det er dette presise forholdet mellom nikkel og jern som gir den lave CTE-magien. Mikrostrukturen og den kjemiske sammensetningen er ansvarlig for dets eksepsjonelle egenskaper.

Materialets sammensetning Invar

Materialet Invar er en jern-nikkellegering med 36 % nikkelinnhold. Et Ni-innhold på 36 % samsvarer med «sweet spot» (sweet spot). Ved dette sweet spot-punktet blir termisk ekspansjon uforanderlig. Dette skjer fordi termisk ekspansjon kompenseres av magnetisk sammentrekning i denne legeringen. Noen Invar-kvaliteter viser avvik fra dette Ni-innholdet på 36 % for å oppnå andre egenskaper.

Mikrostruktur og magnetisme

Er Invar-materialet magnetisme? Materialet Invar har en flatesentrert kubisk (FCC) austenittisk matrise. Under Curie-temperaturen på 230 °C eksisterer det i en ferromagnetisk tilstand. Mens de termiske vibrasjonene har en tendens til å utvide materialet, utøver den magnetiske ordningen en kontraherende kraft. Denne effekten kalles magnetovolumkobling. Derfor har materialet Invar en svært lav CTE.

Egenskaper til materiale Invar

De kjemiske og mekaniske egenskapene til materialet Invar avhenger hovedsakelig av dets kjemiske sammensetning. Bortsett fra den lave CTE-egenskapen, har det også diverse andre egenskaper. Samlet sett er egenskapene til materialet Invar svært egnet for dimensjonsfølsomme komponenter. La oss se litt på disse detaljene.

Invar kjemiske egenskaper

Invar 36 er korrosjonsbestandig i tørre miljøer. Men i fuktige eller aggressive miljøer kan det være utsatt for korrosjon. Materialet Invar har ikke et fullstendig beskyttende korrosjonsbestandig lag, slik som tilfellet er med rustfritt stål. Korrosjonsbestandigheten er imidlertid bedre enn for bløtt stål. Det ligger midt mellom de to. Her er en sammenligning av materialet Invar med andre vanlige materialer:

Invar mekaniske egenskaper

Sammenlignet med stål er materialet invar litt mykere og mer duktilt. La oss snakke mer om det.

Styrke og hardhet

Siden materialet Invar er mykere enn stål, er flytegrensen lav. Mens vanlige milde stålkvaliteter gir en avkastning på rundt 350 MPa, begynner materialet Invar å gi avkastning ved bare 275 MPa.

Stivhet og nedbøyning

Elastisitetsmodulen til Invar 36 er mye lavere enn stål. Den har en elastisitetsmodul på bare 140 GPa. Det betyr at Invar 36 vil begynne å bøye seg ved lavere belastninger. Den er hovedsakelig ansett for sin lave CTE og ikke stivhet. Derfor tar designere den med i betraktningen.

Vanlige kvaliteter av Invar- og CNC-materialer

Invar 36 og andre vanlige Fe-Ni-legeringer viser lav CTE. I noen bruksområder er en så lav CTE-verdi som mulig ønskelig. I andre bruksområder må CTE-verdien samsvare med innkapslingsmaterialene som glass. Derfor skreddersys den kjemiske sammensetningen av legeringene for å oppfylle kravene til bruksområdene.

Invar, Inovco og FeNi42

Inovo og FeNi42 tilhører også Fe-Ni-legeringssystemet. Sammenlignet med Invar 36 har Inovco og FeNi42 ulik kjemisk sammensetning og ulik ekspansjonsadferd. Mens Invar 36 opprettholder en svært lav CTE ved romtemperatur, har Inovco kontrollert CTE. Dette gjør ekspansjonen forutsigbar. FeNi42 har en CTE som matcher visse typer keramikk og glass. Dette gjør den kompatibel med tilstøtende materialer.

Hva er Invar 36 (UNS K93600)

Invar 36 er en kommersiell kvalitet som overholder UNS K93600-standarden. Den har et nikkelinnhold på 36 % og et jerninnhold på rundt 64 %. Den har en svært lav CTE som kan opprettholdes i et bredt temperaturområde fra -100 °C til +200 °C.

Invar 36 vs. Invar 42

På grunn av forskjellen i nikkelinnholdet viser Invar 36 og Invar 42 forskjellige egenskaper.

CTE, styrke, resistivitetsforskjeller

Tabellen nedenfor viser en sammenligning av egenskapene til Invar 36 og Invar 42:

Super Invar vs. Invar 36

Sammenlignet med Invar 36 viser Super Invar en imponerende lav CTE. Verdien av CTE for Super Invar er nesten en fjerdedel av Invar 36. Den er henholdsvis 0.3 × 10⁻⁶ /°C versus 1.2 × 10⁻⁶ /°C. Super Invar brukes derfor hovedsakelig i utstyr og verktøy med ultrahøy presisjon. Men det finnes også begrensninger. Super Invar opprettholder den lave CTE-verdien i et smalt temperaturområde (ikke over 65 ^° C). Den er også litt vanskelig å maskinere.

Invar vs. Kovar og rustfritt stål

Selv om Kovar og rustfritt stål også er Fe-Ni-legeringer, tjener de helt forskjellige formål. På grunn av den gode vedheften til Kovar til glass, brukes det hovedsakelig i glass-til-metall-tetninger. Kovar har en CTE som er sammenlignbar med glass. På den annen side er rustfritt stål i 300-serien hovedsakelig ansett for sin utmerkede korrosjonsbestandighet. Kort sagt, hovedbruken av Kovar er i kobling med glass, og hovedfunksjonen til rustfritt stål er korrosjonsbestandighet.

Hvor materiale Invar brukes

På grunn av sin bemerkelsesverdig lave CTE over et bredt temperaturområde, er Invar et foretrukket materiale i mange bruksområder. Det er mye brukt i høypresisjons- og kritiske sektorer. Det gir lav risiko for vridning, nedbøyning og dimensjonsendringer med temperatursvingninger.

Optiske og bildesystemer

Nå til dags krever optiske og bildebehandlingssystemer større nøyaktighet og høyere oppløsning. I vitenskapelig forskning kan selv mikroskopiske dimensjonsendringer forvrenge fokus eller justering. Derfor bør teleskoper, linser, lasersystemer og satellittavbildningsinstrumenter ha optiske baner som forblir stabile. Materialet Invar med sin lave CTE tilbyr nettopp det. Temperaturendringer påvirker ikke dimensjonene nevneverdig.

Luftfarts- og luftfartsstrukturer

For å opprettholde funksjonalitet må luftfartsstrukturer beholde nøyaktige dimensjoner. Selv om materialet Invar i seg selv opprettholder dimensjonene, hjelper det også andre materialer med å gjøre det. For eksempel herdes karbonfiberkompositter i Invar 36-former. Under herdeprosessen oppstår det ikke forvrengning i geometrien ved temperaturendringer.

Presisjonsmåling og vitenskapelig utstyr

Materialinvar brukes i enheter som interferometre, CMM-er og vekter. Materialet opprettholder dimensjonene og geometrien til kritiske komponenter. Dermed kan nøyaktighet og presisjon opprettholdes.

Hva er bedre alternativer til Invar

Selv om materialet Invar tilbyr noen eksepsjonelle egenskaper, er Invar i noen situasjoner kanskje ikke det beste valget. Det kan være andre hensyn som forutsigbar ekspansjonsprofil, korrosjonsbestandighet, kostnad og tilgjengelighet. Kovar og rustfritt stål er to andre materialer med noen unike funksjoner. La oss diskutere det mer.

Kovar for termisk ekspansjonstilpasning

Kovar er en Fe-Ni-Co-legering som har rundt 29 % Ni, 17 % Co og resten Fe. I motsetning til Invar, som viser ubetydelig utvidelse, utvider Kovar seg, men på en kontrollert måte. Dens CTE (Corporate Teiling Test) tilsvarer borsilikatglass. Derfor er det et ideelt monteringsmateriale for glass og keramikk. Det utvider seg proporsjonalt med glasset. Dermed minimerer det termiske spenninger og sprekker i slike sammenstillinger.

Rustfritt stål 440C for høy styrke og stabilitet

Rustfritt stål 440C er hovedsakelig verdsatt for sin utmerkede korrosjonsbestandighet og styrke. I applikasjoner der korrosjonsbestandighet veier mer enn lav CTE, kan rustfritt stål 440C være å velge.

Når man skal bruke et alternativ i stedet for Invar

Invar er hovedsakelig kjent som et materiale med lav CTE. Men det finnes mange bruksområder der lav CTE ikke er en nødvendig egenskap. Det kan være andre faktorer som styrke, korrosjonsbestandighet, maskinbarhet, kostnad osv. Så, basert på kravene til en spesifikk applikasjon, velges et materiale.

CNC-maskineringsmateriale Invar-legering

Materialet Invar har moderat styrke og er relativt mykere enn stål. Men Invar-materialet er fortsatt vanskelig å CNC-maskinere. Det er tilbøyelig til å herde under for mye kraft på verktøyet. På grunn av sin lave varmeledningsevne kan varme lett bygge seg opp under maskinering. Så det må være streng prosesskontroll for å håndtere disse problemene.

CNC fresing Invar

For å unngå deformasjonsherding foretrekkes høye matehastigheter med grunne skjæredybder. Keramiske eller hardmetallverktøy med skarpe skjærekanter bør brukes. For å forhindre varmeoppbygging bør det brukes en god kjøleeffekt.

CNC Turning Invar

Materiale i Invar-legering har en tendens til å danne lange og trådete spon. Dette kan være en stor utfordring ved maskinering av Invar-legeringer. Sponbrytere kan hjelpe. Bruk hardmetallinnsatser med positiv sponvinkel for å unngå lange spon. Konstant mating kan unngå verktøyforsinkelse. Dermed kan varmeoppbygging reduseres.

CNC boring Invar

Siden Invar er duktilt, kan sponavgang være et problem ved boring. Peck-boresyklus kan være nyttig for å fjerne spon og varmeoppbygging. Kobolt HSS- eller karbidbor viser god slitestyrke i krevende applikasjoner.

Maskineringsspisser for materialer med lav CTE

Plettering og belegg for beskyttelse

Den maskinbearbeidede overflaten kan trenge et belegglag for å forbedre estetikk og korrosjonsbestandighet. Nikkelbelegg, passivering og maling er tre vanlige metoder. Passivering gir et oksidbelegg med minimal dimensjonsendring. Nikkelbelegg og malingssystemer har et mer tiltalende utseende, men dimensjonene på delene kan endres. Derfor bør det tas hensyn til tykkelsen på disse ekstra lagene i CNC-maskinering.

Varmebehandling for dimensjonsstabilitet i materiale Invar

Det er viktig å opprettholde dimensjonsstabilitet i materialet Invar, ettersom det hovedsakelig brukes i dimensjonssensitive applikasjoner. Indre spenninger som bygger seg opp under CNC-maskinering eller støping osv. kan påvirke dimensjonsendringer. For å opprettholde stabile dimensjoner utsettes materialet Invar for varmebehandling for å redusere indre spenninger.

gløding

Materialets Invar holdes ved rundt 850 ^° C og avkjøles deretter i ovnen. Oppholdstiden i ovnen bestemmes av delenes dimensjoner. Gløding endrer mikrostrukturen slik at alle indre spenninger avlastes og duktiliteten gjenopprettes. Det hjelper også i påfølgende formingsoperasjoner.

Stress Relief

Spenningsavlastning gjøres ved temperaturer lavere enn full glødetemperatur. Hovedformålet er å avlaste indre spenninger. Et temperaturområde på 300–600 ^° C er tilstrekkelig for dette formålet.

Stabilisering av aldring

Materialet Invar kan gjennomgå fasetransformasjoner over lang tid. Det er derfor risiko for dimensjonsendringer i løpet av levetiden. Aldringsbehandling gis derfor for å akselerere fasetransformasjonsprosessen. All fasetransformasjon som kan skje i løpet av levetiden skjer derfor før delene tas i bruk.

Hvorfor maskinering av materiale Invar er dyrt

CNC-maskinering av invarlegering er relativt dyrere enn andre vanlige materialer. Flere faktorer bidrar til kostnaden. Invar er kostbart, og maskineringsprosessen er litt vanskelig. Men den nesten null ekspansjonsadferden gjør det likevel verdt det.

Høy pris på rå invar

Invar 36 har rundt 36 % nikkelinnhold. Nikkel har lenge vært et dyrt metall. Nyere bruksområder for nikkel, som batterikatoder for elbiler, har økt etterspørselen betydelig. Som et resultat har nikkelprisen stadig økt. Så materialet Invar ser ut til å bli et dyrt materiale på lang sikt.

Vanskelig å maskinere

På grunn av dens arbeidsherdbarhet under maskinering og lave varmeledningsevne er det flere utfordringer ved CNC-maskinering av invar-legering. Seigheten til invar-materialet resulterer i oppbygde kanter og lange spon. Som et resultat må maskinister bruke lavere matehastigheter, lettere kutt og hyppige verktøyskift. Høy skrapgenerering, hyppige verktøyskift og langsommere maskinering øker kostnadene.

Rask verktøyslitasje

På grunn av materialets høye seighet slites Invar-verktøyet raskt. Dyre hardmetallverktøy må brukes. Også disse slites raskt.

Konklusjon

Materiale Invar er et svært verdifullt materiale med lav CTE for produsenter av høypresisjonsutstyr. På grunn av sin nesten null termiske utvidelse gir det en utmerket dimensjonsstabilitet. Men det er visse utfordringer med å maskinere nøyaktige deler ut av materialet Invar. På grunn av de høye kostnadene er generering av defekte deler skadelig. Derfor må leverandører av disse komponentene være helt profesjonelle.

TUOFA CNC Machining er et slikt navn. Vi hos TUOFA CNC Machining tilbyr tilpassede maskineringstjenester for Invar-materialer. Vårt dedikerte maskineringsteam sørger for at komponentene oppfyller alle ønskede spesifikasjoner.

Vanlige spørsmål om materialinvar

Hvorfor er Invar så dyrt

Invar er dyrt på grunn av det høye nikkelinnholdet. Nikkel har vært et dyrt metall, og prisen har stadig økt.

Er Invar vanskelig å maskinere

Ja. Den høye seigheten, lave varmeledningsevnen og arbeidsherdbarheten byr på flere utfordringer.

Hvilket metall har minst termisk utvidelse

Super Invar har en imponerende lav CTE på bare 0.3 x 10⁻⁶ ^/ ° ^C.