Übersicht
Invarpulver ist ein Pulver aus einer Nickel-Eisen-Legierung, das aus Eisen und Nickel in einem Verhältnis besteht, das zu einem extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten führt. Der Name "invar" kommt von dem Wort "invariable" und bezieht sich auf die stabilen Abmessungen und die Beständigkeit gegen thermische Ausdehnung und Kontraktion.
Invar-Pulver hat sich zu einem wichtigen Werkstoff für Anwendungen entwickelt, die Präzision und Genauigkeit über einen großen Temperaturbereich erfordern. Dank seiner einzigartigen Eigenschaften kann Invar-Pulver in optischen, elektronischen, strukturellen und anderen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen die Einhaltung von Bauteilabmessungen und Spieltoleranzen entscheidend ist.
Dieser Leitfaden bietet einen detaillierten Überblick über Invar-Pulver, der die Zusammensetzung, die wichtigsten Eigenschaften, die Herstellungsverfahren, die Anwendungen, die Spezifikationen und andere technische Daten umfasst. Es werden Vergleiche zwischen Invar und anderen Legierungen mit geringer Ausdehnung angestellt. Darüber hinaus enthält er Informationen über Lieferanten, Sicherheitsverfahren, Prüfnormen und einen Abschnitt mit häufig gestellten Fragen.
Invar-Pulver Zusammensetzung
Invar-Pulver enthält zwischen 36 und 38 Gewichtsprozent Nickel, der Rest ist Eisen. Geringe Mengen an anderen Legierungselementen wie Mangan, Silizium und Kohlenstoff können ebenfalls vorhanden sein.
Der genaue Nickelgehalt innerhalb dieser Spanne wird auf der Grundlage des gewünschten Wärmeausdehnungskoeffizienten für die jeweilige Anwendung eingestellt. Höhere Nickelanteile führen zu niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Tabelle 1: Typische Zusammensetzung von Invar-Pulver
| Komponente | Gewicht % |
|---|---|
| Nickel (Ni) | 36 – 38% |
| Eisen (Fe) | Waage |
| Manganese (Mn) | 0 – 0.5% |
| Silizium (Si) | 0 – 0.5% |
| Kohlenstoff (C) | 0 – 0.1% |
Das Eisen-Nickel-Verhältnis führt zu einer austenitischen kubisch-flächenzentrierten Kristallstruktur, die die Volumenänderungen bei Temperaturschwankungen minimiert.
Dieses einzigartige Verhalten resultiert aus den gegensätzlichen Auswirkungen von Nickel und Eisen auf die physikalischen Eigenschaften der Legierung. Eisen hat einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten, während Nickel einen negativen Koeffizienten hat. Bei einem Nickelgehalt von etwa 36 % gleichen sich diese Effekte aus, was zu einer sehr geringen Netto-Wärmeausdehnung führt.
Eigenschaften von Invar-Pulver
Die entscheidende Eigenschaft von Invarpulver ist sein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK). Der WAK misst den Grad der Ausdehnung oder Kontraktion pro Grad Temperaturänderung.
Typische Werte für den WAK von Invarpulver reichen von ~1,2 x 10-6/°C bei 20°C bis ~1,8 x 10-6/°C zwischen 100-300°C. Dies ist deutlich niedriger als bei den meisten anderen Metallen.
Zum Vergleich: Aluminium hat einen WAK von ~24 x 10-6/°C und Edelstahl von ~17 x 10-6/°C. Damit ist Invar über ein breites Temperaturband hinweg äußerst formstabil.
Tabelle 2: Wichtige Eigenschaften von Invar-Pulver
| Eigentum | Werte |
|---|---|
| Koeffizient der thermischen Ausdehnung | 1,2 – 1,8 x 10-6/°C |
| Dichte | 8,0 – 8,2 g/cc |
| Spezifische Wärme | 450 J/kg-K |
| Wärmeleitfähigkeit | 10 – 30 W/m-K |
| Elektrischer Widerstand | 70 – 80 μΩ-cm |
| Young’s modulus | 140 – 145 GPa |
| Fisch’s Verhältnis | 0.294 – 0.305 |
| Zugfestigkeit | 200 – 240 MPa |
| Schmelzpunkt | 1420 – 1450°C |
Zusätzlich zur thermischen Stabilität bietet Invar-Pulver:
- Hohe Festigkeit und Steifigkeit
- Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit
- Gute elektrische und thermische Leitfähigkeit
- Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation und Alterung
- Einfaches Schweißen und Löten
- Fähigkeit zur Präzisionsbearbeitung
Durch die Kombination dieser Eigenschaften kann Invar-Pulver auch in anspruchsvollen Betriebsumgebungen gut funktionieren. Die Teile behalten ihre Genauigkeit auch bei Temperaturschwankungen und halten Verformungen unter Last stand.
Herstellung von Invar-Pulver
Invar-Pulver wird durch Gaszerstäubung hergestellt, ein Verfahren, bei dem die Legierung geschmolzen und der geschmolzene Strom in feine Tröpfchen zerlegt wird. Hochdruck-Gasstrahlen treffen auf den Metallstrom, wodurch dieser in kugelförmige Pulverpartikel zerfällt.
Die Partikelgrößenverteilung wird durch den Gasdurchsatz, die Düsengestaltung und andere Parameter gesteuert. Gasverdüstes Invar-Pulver hat in der Regel eine Partikelgröße von 10 bis 150 Mikrometern. Eine feinere Zerstäubung kann Pulver im Submikronbereich erzeugen.
Die Wasserverdüsung ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Invar-Pulver, das in der Regel größere Partikelgrößen aufweist. Der Strom der geschmolzenen Legierung wird durch Hochdruck-Wasserstrahlen zerstäubt.
Gasverdüstes Pulver hat im Vergleich zu wasserverdüstem eine glatte Oberflächenmorphologie und weist bessere Fließeigenschaften auf.
Nach der Verfestigung wird das Invarpulver gesiebt, um die gewünschten Korngrößenfraktionen zu erhalten. Es kann auch geglüht werden, um verarbeitungsbedingte Spannungen abzubauen und die Eigenschaften zu optimieren.
Anwendungen von Invar-Pulver
Die Anwendungen von Invar-Pulver profitieren von seinem extrem niedrigen und vorhersehbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Es wird dort eingesetzt, wo die Einhaltung von Bauteilabmessungen, Spieltoleranzen, Ausrichtung und Präzision bei Temperaturschwankungen entscheidend ist.
Tabelle 3: Anwendungen von Invar-Pulver
| Industrie | Anmeldung |
|---|---|
| Optik | Spiegelrohlinge, Reflektoren, Fassungen, optische Bänke |
| Elektronik | Präzisionswiderstände, Substrate, Dichtungen, Anschlüsse |
| Verteidigung | Feuerleitinstrumente, Trägheitsnavigationssysteme |
| Luft- und Raumfahrt | Antennen, Verbundmatrizen, Satelliten- und Teleskopkomponenten |
| Energie | Dichtungen für Brennstoffzellen, Batterien, Hochtemperaturdichtungen |
| Automobilindustrie | Sauerstoffsensoren, Kraftstoffeinspritzsysteme |
Einige spezifische Anwendungen sind:
- Spiegelrohlinge für Teleskope, Mikroskope, Laser, Lithografie und optische Messgeräte, bei denen die Bildstabilität bei Temperaturschwankungen gewährleistet sein muss.
- Präzisionswiderstände, die enge Widerstandstoleranzen erfordern, die durch thermische Ausdehnung und Kontraktion nicht beeinträchtigt werden. Der TCR (Temperaturkoeffizient des Widerstands) von Invar ist extrem niedrig.
- Dichtungen, Anschlüsse, Gehäuse und Substrate für die Mikro- und Optoelektronik, bei denen die Ausrichtungsgenauigkeit im Mikrometerbereich auch bei Temperaturschwankungen erhalten bleiben muss.
- Hochpräzisionsinstrumente und Messwerkzeuge, bei denen die Maßkalibrierung davon abhängt, dass sich die Hardware über einen breiten Betriebstemperaturbereich hinweg nur minimal ausdehnt und zusammenzieht.
- Antennen- und Reflektorschüsseln, die für eine korrekte elektromagnetische Strahlenbildung und -übertragung durch heiße und kalte Orbitalzyklen präzise geformt sein müssen.
- Verbundwerkstoff-Matrix-Verstärkung für Weltraumspiegel und Strukturen, die Steifigkeit in Kombination mit einem angepassten CTE erfordern.
- Präzisionskomponenten und -baugruppen für Satellitennutzlasten und Raumfahrzeugsysteme, die erheblichen Temperaturextremen ausgesetzt sind und gleichzeitig ihre Ausrichtung und Funktionalität beibehalten müssen.
Bei diesen und anderen anspruchsvollen Anwendungen sorgt die außergewöhnliche thermische Dimensionsstabilität von invar’ für ein robustes Design und stellt sicher, dass kritische Leistungsparameter nicht durch Temperaturänderungen beeinträchtigt werden.
Invar-Pulver Spezifikationen
Invar-Pulver ist in verschiedenen Größenbereichen, Reinheiten und Legierungsgraden erhältlich, die auf unterschiedliche Herstellungsverfahren und Endverwendungsanforderungen zugeschnitten sind.
Tabelle 4: Spezifikationen der Invar-Pulvergröße
| Maschenweite | Micron Size |
|---|---|
| -140 | Weniger als 106 μm |
| -100 | 150 μm |
| -325 | Weniger als 45 μm |
| -400 | 38 μm |
| -635 | 20 μm |
| -10 μm | 10 μm |
| -2,5 μm | 2,5 μm |
Feineres Invarpulver eignet sich für additive Fertigungsverfahren, die Fließfähigkeit und Packungsdichte erfordern. Gröberes Pulver eignet sich für die konventionelle Press-Sinter-Fertigung.
Der chemische Reinheitsgrad reicht von 99 % für Industriequalitäten bis 99,9 % oder höher für Hochleistungsanwendungen. Der Sauerstoffgehalt muss unter 50 ppm gehalten werden.
Kundenspezifische Legierungen mit einem Nickelanteil von 36-38% ergeben WAKs von ~0,9 x 10-6/°C bis ~2 x 10-6/°C. Mn, Si und C können ebenfalls angepasst werden.
Tabelle 5: Invar-Pulverlegierungssorten
| Legierungsgrad | Nickel % | WAK x 10-6/°C |
|---|---|---|
| Invar 36 | 36% | ~1.2 |
| Nilo 36® | 36% | ~1.2 |
| Pernifer 36® | 36% | ~1.2 |
| Invar 38® | 38% | ~0.9 |
Zu den internationalen Normen für die chemische Zusammensetzung gehören:
- ASTM F3061 – Nickel-Eisen-Legierungen mit geringer Ausdehnung für Glas-Metall-Präzisionsdichtungen
- DIN 1.3912 – Niedrigausdehnungslegierung für Dichtungen und Komponenten von Präzisionsinstrumenten
Invar-Pulver-Lieferanten
Invar-Pulver ist bei weltweit führenden Anbietern von Spezialmetallpulvern erhältlich. Typische Preise liegen zwischen $50/kg und $120/kg, je nach Legierungsgrad, Pulvergröße und Bestellmenge.
Tabelle 6: Lieferanten von Invar-Pulver
| Anbieter | Produkt-Güteklassen |
|---|---|
| Sandvik | Osprey® Invar-Pulver |
| Hoganas | Astaloy® Invar |
| Kymera | Invar 36, Invar 38 |
| CNPC | Invar-Legierungspulver |
| Epson Atmix | Invar-Feinpulver |
Handhabung und Sicherheit
Von Invar-Pulver gehen keine nennenswerten Gesundheitsgefahren aus. Es sollten jedoch die üblichen Sicherheitsvorkehrungen für die Handhabung und Arbeit mit Metallpulvern beachtet werden.
- Schutzhandschuhe, Schutzbrille und Staubmaske verwenden
- Vermeiden Sie Hautkontakt oder das Einatmen von Pulvern
- Angemessene Belüftung und Staubabsaugung sicherstellen
- Von Zündquellen fernhalten, da Pulverstäube entflammbar sein können
Invar-Pulver sollte in geschlossenen Behältern in einer sauberen, trockenen Umgebung gelagert werden. Vermeiden Sie Bedingungen, die eine Oxidation oder Kontamination durch Feuchtigkeit ermöglichen.
Inspektions- und Prüfverfahren
Um sicherzustellen, dass Invar-Pulver den Spezifikationen entspricht, werden verschiedene Test- und Prüfverfahren eingesetzt:
- Chemische Zusammensetzung Induktiv gekoppelte Plasmamassenspektroskopie (ICP-MS), optische Emissionsspektroskopie (OES) und Verbrennungsanalyse bestimmen Ni, Fe und andere Legierungselemente.
- Partikelgrößenverteilung – Laserbeugungs-Partikelgrößenanalysatoren messen Pulvergrößenbereiche. Die Siebanalyse trennt die Partikel in Größenfraktionen.
- Mikrostruktur Die Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (SEM-EDS) gibt Aufschluss über die Morphologie des Pulvers, die innere Struktur und die vorhandenen Phasen.
- Dichte Die Gas- oder Wasserpyknometrie misst die Pulverdichte und vergleicht sie mit der theoretischen Dichte.
- Kristallstruktur Die Röntgenbeugung (XRD) bestätigt die kubisch-flächenzentrierte Phase und die Gitterparameter.
- Pulverfluss – Hall-Durchflussmessertrichter bestimmen Durchflussmenge, Schüttwinkel und andere Pulvereigenschaften.
- Thermische Ausdehnung Die Dilatometrie misst den CTE über einen Temperaturbereich mittels Dimensionsänderungstests.
- Andere Tests – Pulverbettdichte, Hall-Durchflussraten, Feuchtigkeitsanalyse, Sauerstoff- und Stickstoffgehalt, Klopfdichte und mikrobiologische Tests werden gemäß den Anwendungsspezifikationen durchgeführt.
Analysezertifikate namhafter Anbieter bestätigen, dass Invar-Pulver die geforderten Qualitätskriterien erfüllt.
Invar im Vergleich zu anderen Legierungen mit geringer Ausdehnung
Invar hat zwar den niedrigsten WAK der gängigen Legierungen, aber es gibt auch andere Nickel- und Eisen-Nickel-Legierungen, die für eine sehr geringe Wärmeausdehnung ausgelegt sind.
Tabelle 7: Vergleich von Pulvern mit niedriger CTE-Legierung
| Legierung | WAK x 10-6/°C | Zusammensetzung | Anmerkungen |
|---|---|---|---|
| Invar 36 | ~1.2 | 36% Ni, Rest Fe | Geringster WAK, hohe Festigkeit |
| Invar 38 | ~0.9 | 38% Ni, Rest Fe | Geringerer WAK als Invar 36 |
| Kovar | ~5.9 | 29% Ni, 17% Co, bal. Fe | WAK zwischen Invar und Stahl |
| Legierung 45 | ~5 | 45% Ni, bal. Fe | Günstiger als Invar |
| Legierung 46 | ~2 | 46% Ni, Rest. Fe | CTE näher an invar |
| Super Invar | ~0.4 | 32% Ni, bal. Fe + Co Zusätze | Äußerst niedriger CTE |
Vor- und Nachteile von Invar im Vergleich zu anderen Legierungen mit niedrigem WAK
Tabelle 8: Vergleich der Vor- und Nachteile
| Legierung | Profis | Nachteile |
|---|---|---|
| Invar | Sehr niedriger, stabiler CTE | Teurer als andere Legierungen |
| Ausgezeichnete Stärke | Höhere Dichte als Al oder Polymere | |
| Gute Korrosionsbeständigkeit | ||
| Kovar | Niedrigere Kosten als Invar | Höherer CTE als Invar |
| Leicht zu bearbeiten und zu formen | Weniger thermisch stabil | |
| Versiegelt mit Borosilikatglas | ||
| Legierung 45 | Günstiger als Invar | Geringere Leistung als Invar |
| Praktikabler CTE für viele Anwendungen | ||
| Legierung 46 | Niedrigerer WAK als Alloy 45 | Immer noch höherer CTE als Invar |
| Gute Kombination von Eigenschaften | ||
| Super Invar | Äußerst niedriger CTE | Schwieriger zu beschaffen |
| Hervorragende thermische Stabilität | Höhere Kosten |
Für die anspruchsvollsten Anwendungen, die eine maximale Dimensionsstabilität bei Temperaturschwankungen erfordern, ist der sehr niedrige und gut vorhersehbare WAK von Invar unübertroffen.
Wenn die Kosten ein größerer Faktor sind, die thermische Leistung aber dennoch gut sein muss, bieten Legierungen mit niedrigerem Nickelgehalt wie Kovar und Alloy 45 erschwingliche Alternativen mit einem Kompromiss bei den Ausdehnungseigenschaften.
FAQ
Woraus besteht Invar-Pulver?
Invar-Pulver besteht hauptsächlich aus 36-38 % Nickel, der Rest ist Eisen. Geringe Mengen an Mangan, Silizium und Kohlenstoff können ebenfalls vorhanden sein. Diese Zusammensetzung führt zu einem extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Wie wird Invar-Pulver hergestellt?
Es wird durch Gasverdüsung hergestellt, bei der die Legierung geschmolzen und mit Hilfe von Hochdruckgasstrahlen in feine kugelförmige Partikel zerlegt wird. Dies ermöglicht eine genaue Kontrolle über die Größenverteilung und Morphologie des Pulvers.
Wofür wird Invar-Pulver verwendet?
Es wird in Anwendungen eingesetzt, bei denen Maßhaltigkeit und Präzisionstoleranzen bei Temperaturschwankungen eingehalten werden müssen. Zu den üblichen Anwendungen gehören Optik, Elektronik, Luft- und Raumfahrtkomponenten, Präzisionsinstrumente, Dichtungen und Substrate.
Was sind die wichtigsten Eigenschaften von Invarpulver?
- Wärmeausdehnungskoeffizient von 1,2 – 1,8 x10-6/°C
- Hohe Festigkeit und Steifigkeit
- Korrosionsbeständigkeit
- Gute Leitfähigkeit und Schweißbarkeit
- Stabil über einen breiten Temperaturbereich
Welche Normen gelten für Invar-Pulver?
ASTM F3061 und DIN 1.3912 regeln die chemische Zusammensetzung von Invar-Legierungen mit 36% Nickelanteil und geringer Ausdehnung, die für Dichtungen und Präzisionsanwendungen verwendet werden.
Wie schneidet Invar-Pulver im Vergleich zu anderen Legierungen mit geringer Ausdehnung ab?
Invar hat den niedrigsten WAK aller gängigen Legierungen. Kovar und Alloy 46 sind kostengünstigere Alternativen, allerdings mit gewissen Abstrichen bei der thermischen Stabilität. Super-Invar hat einen extrem niedrigen WAK, ist aber teurer und weniger verfügbar.
Welche Partikelgrößen und -qualitäten gibt es?
Invar-Pulver kann in Größenordnungen von 10 bis 150 Mikron geliefert werden. Übliche Nickelgehalte sind 36% (Invar 36) und 38% (Invar 38). Ein höherer Nickelgehalt führt zu einer geringeren Ausdehnung. Es werden auch kundenspezifische Legierungen hergestellt.
Wie sollte Invar-Pulver gehandhabt und gelagert werden?