Visión general
Polvo de invar es un polvo de aleación de níquel y hierro compuesto de hierro y níquel en proporciones que dan lugar a un coeficiente de dilatación térmica extremadamente bajo. El nombre "invar" procede de la palabra "invariable", en referencia a sus dimensiones estables y su resistencia a la dilatación y contracción térmicas.
El polvo de invar se ha convertido en un material importante en aplicaciones que requieren precisión y exactitud a distintas temperaturas. Sus propiedades únicas permiten utilizar el polvo de invar en aplicaciones ópticas, electrónicas, estructurales y de otro tipo en las que es fundamental mantener las dimensiones de las piezas y las tolerancias de holgura.
Esta guía ofrece una visión detallada del polvo de invar que abarca su composición, propiedades clave, métodos de producción, aplicaciones, especificaciones y otros datos técnicos. Se comparan el invar y otras aleaciones de baja expansión. También se incluye información sobre proveedores, procedimientos de manipulación segura, normas de ensayo y una sección de preguntas frecuentes.
Composición del polvo de invar
El polvo de invar contiene entre 36 y 38% de níquel en peso, siendo el resto hierro. También puede contener pequeñas cantidades de otros elementos de aleación, como manganeso, silicio y carbono.
El contenido exacto de níquel dentro de esta gama se ajusta en función del coeficiente de dilatación térmica deseado para la aplicación. A mayores porcentajes de níquel, menores coeficientes de dilatación térmica.
Tabla 1: Composición típica del polvo de invar
| Componente | Peso % |
|---|---|
| Níquel (Ni) | 36 – 38% |
| Hierro (Fe) | Saldo |
| Manganeso (Mn) | 0 – 0.5% |
| Silicio (Si) | 0 – 0.5% |
| Carbono (C) | 0 – 0.1% |
Las proporciones de hierro-níquel generan una estructura cristalina austenítica cúbica centrada en la cara que minimiza los cambios de volumen con las variaciones de temperatura.
Este comportamiento único se debe a los efectos opuestos del níquel y el hierro en las propiedades físicas de la aleación. El hierro tiene un coeficiente positivo de dilatación térmica, mientras que el níquel tiene un coeficiente negativo. Con un contenido de níquel en torno a 36%, estos efectos se contrarrestan mutuamente, dando lugar a una dilatación térmica neta muy baja.
Propiedades del polvo de invar
La propiedad que define al polvo invar es su bajo coeficiente de expansión térmica (CTE). El CTE mide el grado de expansión o contracción por cada grado de cambio de temperatura.
Los valores típicos del CET del polvo de invar oscilan entre ~1,2 x 10-6/°C a 20°C y ~1,8 x 10-6/°C entre 100-300°C. Este valor es significativamente inferior al de la mayoría de los metales.
A modo de comparación, el aluminio tiene un CET de ~24 x 10-6/°C y el acero inoxidable es de ~17 x 10-6/°C. Esto hace que el invar sea muy estable dimensionalmente en una amplia gama de temperaturas.
Tabla 2: Propiedades clave del polvo de invar
| Propiedad | Valores |
|---|---|
| Coeficiente de dilatación térmica | 1,2 - 1,8 x 10-6/°C |
| Densidad | 8,0 - 8,2 g/cc |
| Calor específico | 450 J/kg-K |
| Conductividad térmica | 10 - 30 W/m-K |
| Resistividad eléctrica | 70 - 80 μΩ-cm |
| Módulo de Young | 140 - 145 GPa |
| Relación de Poisson | 0.294 – 0.305 |
| Resistencia a la tracción | 200 - 240 MPa |
| Punto de fusión | 1420 - 1450°C |
Además de estabilidad térmica, el polvo de invar ofrece:
- Alta resistencia y rigidez
- Excelente resistencia a la corrosión
- Buena conductividad eléctrica y térmica
- Resistencia a la oxidación y al envejecimiento
- Facilidad de soldadura
- Capacidad de mecanizado de precisión
Esta combinación de propiedades permite que el polvo invar funcione bien en entornos operativos exigentes. Las piezas mantienen la precisión a pesar de las fluctuaciones de temperatura y resisten la deformación bajo carga.
Producción de polvo de invar
El polvo de invar se produce mediante atomización con gas, un proceso que consiste en fundir la aleación y desintegrar la corriente fundida en finas gotitas. Chorros de gas a alta presión golpean la corriente de metal, haciendo que se rompa en partículas esféricas de polvo.
La distribución del tamaño de las partículas se controla mediante el caudal de gas, el diseño de la boquilla y otros parámetros. El polvo invar atomizado con gas suele tener tamaños de partícula que oscilan entre 10 y 150 micras. Una atomización más fina puede producir polvo submicrónico.
La atomización con agua es otro método utilizado para fabricar polvo de invar, normalmente con partículas de mayor tamaño. La corriente de aleación fundida se rompe mediante chorros de agua a alta presión.
El polvo atomizado con gas tiene una morfología superficial más suave que el atomizado con agua y presenta mejores características de flujo.
Tras la solidificación, el polvo de invar se somete a tamizado para obtener las fracciones granulométricas deseadas. También puede recocido para aliviar las tensiones de procesamiento y optimizar las propiedades.
Aplicaciones del polvo de invar
Las aplicaciones del polvo de invar aprovechan su coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo y predecible. Se utiliza cuando es fundamental mantener las dimensiones de las piezas, las tolerancias de holgura, la alineación y la precisión frente a las variaciones de temperatura.
Tabla 3: Aplicaciones del polvo de invar
| Industria | Solicitud |
|---|---|
| Óptica | Espejos en bruto, reflectores, soportes, bancos ópticos |
| Electrónica | Resistencias de precisión, sustratos, juntas, conectores |
| Defensa | Instrumentos de control de incendios, sistemas de guiado inercial |
| Aeroespacial | Antenas, matrices compuestas, componentes de satélites y telescopios |
| Energía | Juntas para pilas de combustible, baterías, juntas de alta temperatura |
| Automotor | Sondas Lambda, sistemas de inyección de combustible |
Algunas aplicaciones específicas son:
- Espejos en bruto para telescopios, microscopios, láseres, litografía y equipos de metrología óptica en los que debe mantenerse la estabilidad de la imagen a medida que fluctúa la temperatura.
- Resistencias de precisión que requieren tolerancias de resistencia muy ajustadas y que no se ven afectadas por la dilatación y contracción térmicas. El TCR (coeficiente de temperatura de resistencia) de invar es extremadamente bajo.
- Sellos, conectores, paquetes y sustratos para microelectrónica y optoelectrónica en los que la precisión de alineación a nivel de micras debe mantenerse con los ciclos de temperatura.
- Instrumentos de alta precisión y herramientas de metrología en los que la calibración dimensional depende de que el hardware se expanda y contraiga mínimamente en una amplia banda de temperaturas de funcionamiento.
- Antenas y reflectores que deben mantener una forma precisa para la correcta formación y transmisión del haz electromagnético a través de ciclos orbitales fríos y calientes.
- Refuerzo de matriz compuesta para espejos y estructuras espaciales que requieran rigidez combinada con un CET ajustado.
- Componentes y conjuntos de precisión para cargas útiles de satélites y sistemas de naves espaciales que experimentan temperaturas extremas significativas y necesitan mantener la alineación y la funcionalidad.
En estas y otras aplicaciones exigentes, la excepcional estabilidad dimensional térmica de invar proporciona robustez al diseño y garantiza que los parámetros críticos de rendimiento no se vean afectados por los cambios de temperatura.
Especificaciones del polvo de invar
El polvo de invar está disponible en varios rangos de tamaño, purezas y grados de aleación adaptados a diferentes procesos de fabricación y requisitos de uso final.
Tabla 4: Especificaciones de tamaño del polvo de invar
| Luz de malla | Tamaño en micras |
|---|---|
| -140 | Menos de 106 μm |
| -100 | 150 μm |
| -325 | Menos de 45 μm |
| -400 | 38 μm |
| -635 | 20 μm |
| -10 μm | 10 μm |
| -2,5 μm | 2,5 μm |
El polvo invar más fino es adecuado para los métodos de fabricación aditiva que requieren fluidez y densidad de empaquetamiento. El polvo más grueso es adecuado para la fabricación convencional por prensado y sinterizado.
Los niveles de pureza química oscilan entre 99% para grados industriales y 99,9% o superior para aplicaciones de alto rendimiento. El contenido de oxígeno debe mantenerse por debajo de 50 ppm.
Las aleaciones personalizadas con níquel variado de 36-38% producen CET de ~0,9 x 10-6/°C a ~2 x 10-6/°C. También pueden ajustarse el Mn, el Si y el C.
Tabla 5: Calidades de la aleación en polvo Invar
| Grado de aleación | Níquel % | CTE x 10-6/°C |
|---|---|---|
| Invar 36 | 36% | ~1.2 |
| Nilo 36 | 36% | ~1.2 |
| Pernifer 36 | 36% | ~1.2 |
| Invar 38 | 38% | ~0.9 |
Las normas internacionales para la composición química incluyen:
- ASTM F3061 - Aleaciones de níquel-hierro de baja dilatación para juntas de precisión vidrio-metal.
- DIN 1.3912 - Aleación de baja dilatación para juntas y componentes de instrumentos de precisión
Proveedores de polvo de invar
El polvo de invar está disponible en los principales proveedores mundiales de polvos metálicos especiales. Los precios suelen oscilar entre $50/kg y $120/kg en función del grado de aleación, el tamaño del polvo y la cantidad del pedido.
Tabla 6: Proveedores de polvo de invar
| Proveedor | Grados del producto |
|---|---|
| Sandvik | Polvos Osprey® Invar |
| Hoganas | Astaloy® Invar |
| Kymera | Invar 36, Invar 38 |
| CNPC | Polvos de aleación de invar |
| Epson Atmix | Polvo fino de invar |
Manipulación y seguridad
El polvo de invar no presenta riesgos significativos para la salud. No obstante, deben seguirse las precauciones de seguridad habituales para manipular y trabajar con polvos metálicos.
- Utilizar guantes, gafas y máscaras de protección contra el polvo
- Evitar el contacto con la piel o la inhalación de polvos
- Garantizar una ventilación y una captación de polvo adecuadas
- Mantener alejado de fuentes de ignición ya que los polvos pueden ser inflamables
El polvo de invar debe almacenarse en recipientes cerrados en un ambiente limpio y seco. Evite condiciones que permitan la oxidación o la contaminación por humedad.
Métodos de inspección y ensayo
Para garantizar que el polvo de invar cumple las especificaciones, se utilizan diversos procedimientos de ensayo e inspección:
- Composición química - La espectroscopia de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS), la espectroscopia de emisión óptica (OES) y el análisis de combustión determinan el Ni, el Fe y otros elementos de aleación.
- Distribución granulométrica - Los analizadores granulométricos por difracción láser miden los rangos de tamaño del polvo. El análisis por tamizado separa las partículas en fracciones de tamaño.
- Microestructura - La microscopía electrónica de barrido con espectroscopia de dispersión de energía de rayos X (SEM-EDS) revela la morfología del polvo, la estructura interna y las fases presentes.
- Densidad - La picnometría de gas o de agua mide la densidad del polvo y la compara con la densidad teórica.
- Estructura cristalina - La difracción de rayos X (DRX) confirma la fase cúbica centrada en la cara y los parámetros de red.
- Flujo de polvo - Los embudos con caudalímetro Hall determinan el caudal, el ángulo de reposo y otras características del polvo.
- Dilatación térmica - La dilatometría mide el CET en una gama de temperaturas mediante ensayos de cambio dimensional.
- Otras pruebas - La densidad del lecho de polvo, los caudales Hall, el análisis de humedad, el contenido de oxígeno y nitrógeno, la densidad del grifo y las pruebas microbiológicas se realizan según las especificaciones de la aplicación.
Los certificados de análisis de proveedores acreditados confirman que el polvo de invar cumple los criterios de calidad exigidos.
Invar frente a otras aleaciones de baja dilatación
Aunque invar tiene el CET más bajo de las aleaciones comunes, hay otras aleaciones de níquel y hierro-níquel diseñadas para proporcionar una expansión térmica muy baja.
Tabla 7: Comparación de polvos de aleación de bajo CET
| Aleación | CTE x 10-6/°C | Composición | Notas |
|---|---|---|---|
| invar 36 | ~1.2 | 36% Ni, equilibrio Fe | Mínimo CET, alta resistencia |
| Invar 38 | ~0.9 | 38% Ni, equilibrio Fe | CET inferior a Invar 36 |
| Kovar | ~5.9 | 29% Ni, 17% Co, bal. Fe | CET entre el invar y el acero |
| Aleación 45 | ~5 | 45% Ni, bal. Fe | Más barato que invar |
| Aleación 46 | ~2 | 46% Ni, bal. Fe | CTE más cerca de invar |
| Súper Invar | ~0.4 | 32% Ni, bal. Adiciones de Fe + Co | ETC extremadamente bajo |
Ventajas e inconvenientes del invar frente a otras aleaciones de bajo CET
Cuadro 8: Comparación de pros y contras
| Aleación | Pros | Contras |
|---|---|---|
| Invar | CTE muy bajo y estable | Más caro que otras aleaciones |
| Excelente resistencia | Mayor densidad que el Al o los polímeros | |
| Buena resistencia a la corrosión | ||
| Kovar | Menor coste que invar | CET superior al invar |
| Fácil de mecanizar y moldear | Menos estable térmicamente | |
| Sellos para vidrio borosilicato | ||
| Aleación 45 | Más barato que invar | Rendimiento inferior al invar |
| CTE viable para muchos usos | ||
| Aleación 46 | CET inferior al de la aleación 45 | ETC más elevado que el invar |
| Buena combinación de propiedades | ||
| Súper Invar | ETC extremadamente bajo | Más difícil de conseguir |
| Estabilidad térmica superior | Mayor coste |
Para las aplicaciones más exigentes que requieren la máxima estabilidad dimensional frente a las variaciones de temperatura, el CET muy bajo y altamente predecible de invar lo hace inigualable.
Cuando el coste es un factor importante pero el rendimiento térmico debe seguir siendo bueno, las aleaciones con bajo contenido en níquel, como Kovar y la aleación 45, presentan alternativas asequibles con un compromiso en las características de expansión.
Preguntas más frecuentes
¿De qué está hecho el polvo de invar?
El polvo de invar se compone principalmente de níquel 36-38% y el resto de hierro. También puede contener pequeñas cantidades de manganeso, silicio y carbono. Esta composición da como resultado un coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo.
¿Cómo se produce el polvo de invar?
Se fabrica mediante atomización con gas, en la que la aleación se funde y se desintegra en finas partículas esféricas utilizando chorros de gas a alta presión. Esto permite un control estricto de la distribución del tamaño del polvo y la morfología.
¿Para qué se utiliza el polvo de invar?
Se utiliza en aplicaciones en las que deben mantenerse la estabilidad dimensional y las tolerancias de precisión al variar la temperatura. Los usos más comunes son la óptica, la electrónica, los componentes aeroespaciales, los instrumentos de precisión, las juntas y los sustratos.
¿Cuáles son las principales propiedades del polvo de invar?
- Coeficiente de dilatación térmica de 1,2 - 1,8 x10-6/°C
- Alta resistencia y rigidez
- Resistencia a la corrosión
- Buena conductividad y soldabilidad
- Estable en una amplia gama de temperaturas
¿Qué normas se aplican al polvo de invar?
ASTM F3061 y DIN 1.3912 cubren la composición química de las aleaciones invar de níquel de baja expansión 36% utilizadas en juntas y aplicaciones de precisión.
¿Cómo se compara el polvo de invar con otras aleaciones de baja expansión?
El invar tiene el CET más bajo de todas las aleaciones comunes. El kovar y la aleación 46 ofrecen alternativas más baratas, pero con cierto sacrificio de la estabilidad térmica. El super invar tiene un CET extremadamente bajo, pero es más caro y está menos disponible.
¿Qué granulometrías y calidades hay disponibles?
El polvo de invar puede suministrarse en tamaños de 10 a 150 micras. Los contenidos comunes de níquel son 36% (Invar 36) y 38% (Invar 38). A mayor contenido de níquel, menor expansión. También se fabrican aleaciones a medida.
¿Cómo debe manipularse y almacenarse el polvo de invar?