مسحوق إنفار: التركيب والخصائص والتطبيقات

لمحة عامة

مسحوق إنفار هو مسحوق من سبائك النيكل والحديد يتكون من الحديد والنيكل بنسب تؤدي إلى معامل تمدد حراري منخفض للغاية. يأتي الاسم “invar&8221; من كلمة “ثابت” في إشارة إلى أبعاده المستقرة ومقاومته للتمدد والانكماش الحراري.

أصبح مسحوق Invar مادة مهمة في التطبيقات التي تتطلب الدقة والدقة على نطاق من درجات الحرارة. تسمح خواصه الفريدة باستخدام مسحوق إنفار في التطبيقات البصرية والإلكترونية والهيكلية وغيرها من التطبيقات التي يكون فيها الحفاظ على أبعاد الأجزاء وتفاوتات الخلوص أمرًا بالغ الأهمية.

يقدم هذا الدليل لمحة عامة مفصلة عن مسحوق الإنفار الذي يغطي تركيبته وخصائصه الرئيسية وطرق إنتاجه وتطبيقاته ومواصفاته والبيانات الفنية الأخرى. يتم إجراء مقارنات بين الإنفار والسبائك الأخرى منخفضة التمدد. كما يتضمن معلومات عن الموردين، وإجراءات التعامل الآمن، ومعايير الاختبار، وقسم للأسئلة الشائعة.

تركيبة مسحوق إنفار

يحتوي مسحوق Invar على نسبة تتراوح بين 36-38% من النيكل بالوزن، بينما يتكون الرصيد المتبقي من الحديد. وقد توجد أيضًا كميات صغيرة من عناصر السبائك الأخرى مثل المنجنيز والسيليكون والكربون.

يتم ضبط محتوى النيكل الدقيق ضمن هذا النطاق بناءً على معامل التمدد الحراري المطلوب للاستخدام. وتؤدي النسب المئوية الأعلى للنيكل إلى انخفاض معاملات التمدد الحراري.

الجدول 1: التركيب النموذجي لمسحوق إنفار

المكوّن	الوزن %
النيكل (ني)	36 – 38%
الحديد (Fe)	الرصيد
المنجنيز (Mn)	0 – 0.5%
السيليكون (Si)	0 – 0.5%
الكربون (C)	0 – 0.1%

تولد نسب الحديد والنيكل بنية بلورية مكعبة متمركزة على الوجه من الأوستنيتي تقلل من تغيرات الحجم على التغيرات في درجات الحرارة.

وينتج هذا السلوك الفريد من نوعه عن التأثيرات المتعارضة للنيكل والحديد على الخواص الفيزيائية للسبائك&8217;، والخصائص الفيزيائية. فالحديد له معامل تمدد حراري موجب بينما النيكل له معامل سالب. عند حوالي 36% من محتوى النيكل، تتوازن هذه التأثيرات مع بعضها البعض مما يؤدي إلى تمدد حراري صافٍ منخفض للغاية.

خواص مسحوق إنفار

الخاصية المميزة لمسحوق الإنفار هي انخفاض معامل التمدد الحراري (CTE). يقيس معامل التمدد الحراري CTE درجة التمدد أو الانكماش لكل درجة تغير في درجة الحرارة.

تتراوح القيم النموذجية لـ CTE لمسحوق الإنفار من 1.2 × 10-6/°مئوية تقريبًا عند درجة حرارة 20 درجة مئوية إلى 1.8 × 10-6/°مئوية تقريبًا بين 100-300 درجة مئوية. وهذا أقل بكثير من معظم المعادن الأخرى.

وعلى سبيل المقارنة، يبلغ معدل CTE للألومنيوم حوالي 24 × 10-6/°م مئوية والفولاذ المقاوم للصدأ حوالي 17 × 10-6/°مئوية. وهذا يجعل الإنفار مستقر الأبعاد بدرجة كبيرة على نطاق واسع من درجات الحرارة.

الجدول 2: الخصائص الأساسية لمسحوق إنفار

الممتلكات	القيم
معامل التمدد الحراري	1.2 &#8211؛ 1.8 × 10-6/° مئوية
الكثافة	8.0 &#8211؛ 8.2 جم/سم مكعب
الحرارة النوعية	450 جول/كجم-كجم-ك
التوصيل الحراري	10 &#8211؛ 30 واط/م-ك
المقاوماتية الكهربائية	70 – 80 μΩ-سم
مقياس يونغ&8217;معامل يونغ&8217	140 &#8211؛ 145 جيجا باسكال
نسبة السمك&8217;s نسبة السمك	0.294 – 0.305
قوة الشد	200 &#8211؛ 240 ميجا باسكال
نقطة الانصهار	1420 – 1450°C

بالإضافة إلى الثبات الحراري، يوفر مسحوق الإنفار:

• قوة وصلابة عالية
• مقاومة ممتازة للتآكل
• توصيل كهربائي وحراري جيد
• مقاومة الأكسدة والشيخوخة
• سهولة اللحام واللحام بالنحاس
• القدرة على التصنيع الآلي الدقيق

يسمح هذا المزيج من الخصائص لمسحوق إنفار بأداء جيد في بيئات التشغيل الصعبة. تحافظ الأجزاء على الدقة خلال تقلبات درجات الحرارة وتقاوم التشوه تحت الحمل.

إنتاج مسحوق إنفار

يتم إنتاج مسحوق Invar عن طريق الانحلال الغازي، وهي عملية تنطوي على صهر السبيكة وتفكيك التيار المنصهر إلى قطرات دقيقة. تضرب نفاثات الغاز عالية الضغط تيار المعدن، مما يؤدي إلى تفككه إلى جزيئات مسحوق كروية.

يتم التحكم في توزيع حجم الجسيمات من خلال معدل تدفق الغاز وتصميم الفوهة وغيرها من المعلمات. يحتوي مسحوق الإنفار المرذاذ بالغاز عادةً على أحجام جسيمات تتراوح بين 10 إلى 150 ميكرون. يمكن أن ينتج الانحلال الأدق مسحوقًا دون الميكرون.

الانحلال المائي هو طريقة أخرى تُستخدم لصنع مسحوق الإنفار، وعادةً ما يكون بأحجام جسيمات أكبر. يتم تحطيم تيار السبيكة المنصهرة بواسطة نفاثات ماء عالية الضغط.

يتميز المسحوق المرذاذ بالغاز بتشكل سطح أملس مقارنةً بالمسحوق المرذاذ بالماء ويظهر خصائص تدفق أفضل.

بعد التصلب، يخضع مسحوق الإنفار للنخل للحصول على أجزاء حجم الجسيمات المطلوبة. ويمكن أيضًا تلدينه لتخفيف الضغوط الناتجة عن المعالجة وتحسين الخصائص.

استخدامات مسحوق إنفار

تستفيد استخدامات مسحوق الإنفار من معامل التمدد الحراري المنخفض للغاية والذي يمكن التنبؤ به. ويتم استخدامه عندما يكون الحفاظ على أبعاد القِطع، وتفاوتات الخلوص، والمحاذاة، والدقة في التغيرات في درجات الحرارة أمرًا بالغ الأهمية.

الجدول 3: تطبيقات مسحوق إنفار

الصناعة	طلب
البصريات	فراغات المرايا، والعاكسات، والحوامل، والمقاعد البصرية
الإلكترونيات	المقاومات الدقيقة والركائز وموانع التسرب والموصلات
الدفاع	أجهزة التحكم في إطلاق النار، وأنظمة التوجيه بالقصور الذاتي
الفضاء	الهوائيات والمصفوفات المركبة ومكونات الأقمار الصناعية والتلسكوبات
الطاقة	موانع التسرب لخلايا الوقود والبطاريات والحشيات ذات درجة الحرارة العالية
السيارات	مستشعرات الأكسجين، وأنظمة حقن الوقود

تتضمن بعض التطبيقات المحددة ما يلي:

• فراغات المرايا للتلسكوبات والمجاهر والليزر والطباعة الحجرية ومعدات القياس البصري حيث يجب الحفاظ على ثبات الصورة مع تقلب درجات الحرارة.
• مقاومات دقيقة تتطلب تفاوتات مقاومة ضيقة لا تتأثر بالتمدد والانكماش الحراري. معامل المقاومة الحرارية TCR (معامل درجة الحرارة للمقاومة) للإيفار منخفض للغاية.
• موانع التسرب والموصلات والحزم والركائز الخاصة بالإلكترونيات الدقيقة والإلكترونيات الضوئية حيث يجب الحفاظ على دقة المحاذاة على مستوى الميكرون مع تدوير درجة الحرارة.
• الأدوات عالية الدقة وأدوات القياس حيث تعتمد معايرة الأبعاد على تمدد الأجهزة وتقلصها إلى الحد الأدنى على نطاق درجة حرارة تشغيل واسعة.
• أطباق الهوائي والأطباق العاكسة التي يجب أن تحتفظ بشكل دقيق لتكوين الحزمة الكهرومغناطيسية المناسبة وإرسالها خلال الدورات المدارية الساخنة والباردة.
• تقوية مصفوفة مركبة لمرايا الفضاء والهياكل التي تتطلب صلابة مقترنة بتطابق CTE.
• المكونات والتركيبات الدقيقة لحمولات الأقمار الصناعية وأنظمة المركبات الفضائية التي تتعرض لدرجات حرارة قصوى كبيرة مع الحاجة إلى الحفاظ على المحاذاة والوظائف.

في هذه التطبيقات وغيرها من التطبيقات الصعبة، يوفر الثبات الاستثنائي للأبعاد الحرارية في إنفار&8217 متانة التصميم ويضمن عدم تأثر معلمات الأداء الحرجة بالتغيرات في درجات الحرارة.

مواصفات مسحوق إنفار البودرة

يتوفر مسحوق Invar في نطاقات أحجام ونقاوة ودرجات سبائك مختلفة مصممة خصيصًا لعمليات التصنيع المختلفة ومتطلبات الاستخدام النهائي.

الجدول 4: مواصفات حجم مسحوق إنفار المسحوق

حجم الشبكة	حجم الميكرون
-140	أقل من 106 ميكرومتر
-100	150 ميكرومتر
-325	أقل من 45 ميكرومتر
-400	38 ميكرومتر
-635	20 ميكرومتر
-10 ميكرومتر	10 ميكرومتر
-2.5 ميكرومتر	2.5 ميكرومتر

مسحوق الإنفار الأدق مناسب لطرق التصنيع المضافة التي تتطلب قابلية التدفق وكثافة التعبئة. يناسب المسحوق الأكثر خشونة التصنيع التقليدي بالضغط والتلبيد.

تتراوح مستويات النقاء الكيميائي من 99% للدرجات الصناعية إلى 99.9% أو أعلى للتطبيقات عالية الأداء. يجب أن يبقى محتوى الأكسجين أقل من 50 جزء في المليون.

وتنتج السبائك المخصصة التي تحتوي على النيكل بنسبة تتراوح بين 36-38% سبائك مخصصة من النيكل تتراوح درجة حرارتها من 0.9 × 10-6/°م إلى 2 × 10-6/°م. يمكن أيضًا تعديل المنغنيز والسيليكون وC.

الجدول 5: رتب سبائك مسحوق إنفار

درجة السبيكة	نيكل %	CTE × 10-6/ درجة مئوية
إنفار 36	36%	~1.2
نيلو 36®	36%	~1.2
بيرنيفر 36®	36%	~1.2
إنفار 38®	38%	~0.9

تشمل المعايير الدولية للتركيب الكيميائي ما يلي:

• ASTM F3061 &#8211؛ سبائك النيكل والحديد منخفضة التمدد لموانع التسرب الدقيقة من الزجاج إلى المعدن
• DIN 1.3912 DIN &#8211؛ سبيكة منخفضة التمدد لموانع التسرب ومكونات الأدوات الدقيقة

موردو مسحوق إنفار

يتوفر مسحوق Invar من كبار الموردين العالميين لمساحيق المعادن المتخصصة. يتراوح السعر النموذجي بين 50 دولارًا/كجم إلى 120 دولارًا/كجم بناءً على درجة السبيكة وحجم المسحوق وكمية الطلب.

الجدول 6: موردو مسحوق إنفار

المورد	درجات المنتج
ساندفيك	مساحيق أوسبري® إنفار
هوجاناس	أستالوي® إنفار
كيميرا	إنفار 36، إنفار 38
شركة البترول الوطنية الصينية	مساحيق سبائك إنفار
إبسون أتميكس	مساحيق إنفار الناعمة

المناولة والسلامة

لا يشكل مسحوق إنفار أي مخاطر صحية كبيرة. ومع ذلك، يجب اتباع احتياطات السلامة القياسية لمناولة المساحيق المعدنية والعمل بها.

• استخدم قفازات واقية ونظارات واقية وأقنعة واقية من الغبار
• تجنب ملامسة المساحيق للجلد أو استنشاقها
• ضمان التهوية الكافية وجمع الغبار
• يُحفظ بعيداً عن مصادر الاشتعال لأن غبار المسحوق يمكن أن يكون قابلاً للاشتعال

يجب تخزين مسحوق إنفار في حاويات مغلقة في بيئة نظيفة وجافة. تجنب الظروف التي تسمح بالتأكسد أو التلوث من الرطوبة.

طرق الفحص والاختبار

لضمان مطابقة مسحوق الإنفار للمواصفات، يتم استخدام مجموعة متنوعة من إجراءات الاختبار والفحص:

• التركيب الكيميائي &#8211؛ يحدد التحليل الطيفي الكتلي للبلازما المقترنة بالحث بالبلازما (ICP-MS)، والتحليل الطيفي للانبعاثات الضوئية (OES)، وتحليل الاحتراق، عناصر النيكل والحديد وعناصر السبائك الأخرى.
• توزيع حجم الجسيمات &#8211؛ تقيس أجهزة تحليل حجم الجسيمات بالحيود الليزري نطاقات حجم المسحوق. يفصل تحليل المنخل الجسيمات إلى أجزاء الحجم.
• البنية المجهرية &#8211؛ يكشف الفحص المجهري الإلكتروني بالمسح الضوئي مع مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (SEM-EDS) عن شكل المسحوق وبنيته الداخلية والأطوار الموجودة.
• الكثافة &#8211؛ يقيس قياس كثافة المسحوق بالغاز أو الماء ويقارن بالكثافة النظرية.
• التركيب البلوري &#8211؛ يؤكد حيود الأشعة السينية (XRD) الطور المكعب المتمركز حول الوجه ومعلمات الشبكة.
• تدفق المسحوق &#8211؛ تحدد أقماع مقياس التدفق Hall معدل التدفق، وزاوية الارتداد، وخصائص المسحوق الأخرى.
• التمدد الحراري &#8211؛ يقيس مقياس التمدد CTE على نطاق من درجات الحرارة من خلال اختبارات تغير الأبعاد.
• اختبارات أخرى &#8211؛ يتم إجراء كثافة قاع المسحوق، ومعدلات تدفق القاعة، وتحليل الرطوبة، ومحتوى الأكسجين والنيتروجين، وكثافة الصنبور، والاختبارات الميكروبيولوجية حسب مواصفات التطبيق.

تؤكد شهادات التحليل من الموردين ذوي السمعة الطيبة أن مسحوق الإنفار يفي بمعايير الدرجة المطلوبة.

سبائك إنفار مقابل السبائك الأخرى منخفضة التمدد

في حين أن الإنفار يتميز بأدنى معدل تمدد حراري CTE من السبائك الشائعة، هناك سبائك أخرى من النيكل والحديد والنيكل مصممة لتوفير تمدد حراري منخفض للغاية.

الجدول 7: مقارنة مساحيق السبائك المنخفضة CTE

سبيكة	CTE × 10-6/ درجة مئوية	التركيب	الملاحظات
إنفار 36	~1.2	36% نيكل، والتوازن Fe	أدنى مستوى CTE، قوة عالية
إنفار 38	~0.9	38% نيكل، والتوازن Fe	CTE أقل من Invar 36
كوفار	~5.9	29% نيكل، 17% كولا، بال. Fe	CTE بين إنفار والفولاذ
سبيكة 45	~5	45% نيكل، بال. Fe	أقل تكلفة من الإنفار
سبيكة 46	~2	46% ني، بال. Fe	CTE أقرب إلى إنفار
سوبر إنفار	~0.4	32% نيكل، أرصدة. إضافات الحديد + Co	CTE منخفضة للغاية

إيجابيات وسلبيات Invar مقابل السبائك الأخرى منخفضة CTE

الجدول 8: مقارنة بين الإيجابيات والسلبيات

سبيكة	الإيجابيات	السلبيات
إنفار	منخفض جداً ومستقر CTE	أغلى من السبائك الأخرى
	قوة ممتازة	كثافة أعلى من الألومنيوم أو البوليمرات
	مقاومة جيدة للتآكل
كوفار	تكلفة أقل من invar	CTE أعلى من invar
	سهل التشغيل الآلي والتشكيل	أقل استقرارًا حراريًا
	الأختام على زجاج البورسليكات
سبيكة 45	أقل تكلفة من الإنفار	أداء أقل من invar
	CTE عملي للعديد من الاستخدامات
سبيكة 46	CTE أقل من سبيكة 45	لا يزال CTE أعلى من invar
	مزيج جيد من الخصائص
سوبر إنفار	CTE منخفضة للغاية	أكثر صعوبة في المصدر
	ثبات حراري فائق	تكلفة أعلى

بالنسبة للتطبيقات الأكثر تطلبًا التي تتطلب أقصى قدر من الثبات في الأبعاد على التغيرات في درجات الحرارة، فإن معامل CTE المنخفض للغاية والذي يمكن التنبؤ به للغاية يجعله لا مثيل له.

عندما تكون التكلفة عاملاً أكبر ولكن يجب أن يظل الأداء الحراري جيدًا، فإن سبائك النيكل المنخفضة مثل Kovar وSloy 45 تقدم بدائل معقولة التكلفة مع وجود حل وسط بشأن خصائص التمدد.

التعليمات

مما يتكون مسحوق الإنفار؟

يتكون مسحوق إنفار في المقام الأول من 36-38% من النيكل مع وجود الحديد في النسبة المتبقية. وقد توجد أيضًا كميات صغيرة من المنجنيز والسيليكون والكربون. وينتج عن هذه التركيبة معامل تمدد حراري منخفض للغاية.

كيف يتم إنتاج مسحوق الإنفار؟

يتم تصنيعه عن طريق الانحلال الغازي حيث يتم صهر السبيكة وتفكيكها إلى جسيمات كروية دقيقة باستخدام نفاثات غاز عالية الضغط. يتيح ذلك تحكمًا محكمًا في توزيع حجم المسحوق وشكله.

ما هو مسحوق الإنفار المستخدم في ماذا يستخدم مسحوق الإنفار؟

ويُستخدم في التطبيقات التي يجب فيها الحفاظ على ثبات الأبعاد وتفاوتات الدقة مع اختلاف درجات الحرارة. وتشمل الاستخدامات الشائعة البصريات والإلكترونيات والمكونات الفضائية والأدوات الدقيقة وموانع التسرب والركائز.

ما هي الخصائص الرئيسية لمسحوق الإنفار؟

• معامل التمدد الحراري 1.2 &#8211؛ 1.8 × 10-6/ درجة مئوية
• قوة وصلابة عالية
• مقاومة التآكل
• توصيل جيد وقابلية لحام جيدة
• مستقر على نطاق واسع من درجات الحرارة

ما هي المعايير التي تنطبق على مسحوق الإنفار؟

تغطي ASTM F3061 وDIN 1.3912 التركيب الكيميائي لسبائك الإنفار منخفضة التمدد المصنوعة من النيكل بنسبة 36% المستخدمة في موانع التسرب والتطبيقات الدقيقة.

كيف يمكن مقارنة مسحوق الإنفار بمسحوق السبائك الأخرى منخفضة التمدد؟

يتميز Invar بأقل نسبة CTE من أي سبيكة شائعة. توفر سبيكة Kovar والسبائك 46 بدائل أقل تكلفة ولكن مع بعض التضحية في الاستقرار الحراري. ويتميز الإنفار الفائق بانخفاض شديد في معامل التخزين CTE ولكنه أغلى ثمناً وأقل توافراً.

ما هي أحجام الجسيمات والدرجات المتوفرة؟

يمكن توفير مسحوق Invar في أحجام تتراوح من 10 إلى 150 ميكرون. المحتوى الشائع من النيكل هو 36% (Invar 36) و38% (Invar 38). يعطي النيكل الأعلى تمددًا أقل. كما يتم إنتاج سبائك مخصصة.

كيف يجب التعامل مع مسحوق الإنفار وتخزينه؟

معرفة المزيد من عمليات الطباعة ثلاثية الأبعاد