概要
インバー粉末 は、熱膨張係数が極めて小さい鉄とニッケルからなるニッケル鉄合金粉である。インバーという名称は、寸法が安定し、熱膨張や熱収縮に強いことを意味する “不変”という言葉に由来しています。
インバー粉末は、さまざまな温度範囲で精密さと正確さが要求される用途で重要な材料となっています。そのユニークな特性により、インバー粉末は光学、電子、構造など、部品の寸法やクリアランスの公差を維持することが重要な用途に使用されています。
このガイドでは、インバー粉末の組成、主要特性、製造方法、用途、仕様、その他の技術データを網羅したインバー粉末の詳細な概要を説明しています。インバーと他の低膨張合金との比較も行っています。サプライヤー情報、安全な取り扱い手順、試験規格、FAQセクションも含まれています。
インバー・パウダーの組成
インバー粉末のニッケル含有量は36～38重量% で、残りは鉄である。マンガン、ケイ素、炭素などの他の合金元素も少量含まれることがある。
この範囲内の正確なニッケル含有量は、用途に 応じて望ましい熱膨張係数に基づいて調整され る。ニッケル含有率が高いほど、熱膨張係数は低くなります。
表1：インバー粉末の代表的組成
| コンポーネント | 重量 |
|---|---|
| ニッケル（Ni） | 36 – 38% |
| 鉄（Fe） | バランス |
| マンガン (Mn) | 0 – 0.5% |
| ケイ素 (Si) | 0 – 0.5% |
| カーボン（C） | 0 – 0.1% |
鉄とニッケルの割合がオーステナイト系面心立方晶の結晶構造を生み出し、温度変化による体積変化を最小限に抑える。
このユニークな挙動は、合金の物理的特性に対 するニッケルと鉄の相反する影響に起因する。鉄は正の熱膨張係数を持つのに対し、ニッケルは負の熱膨張係数を持つ。ニッケル含有量が約36%になると、これらの効果が相殺され、正味の熱膨張が非常に小さくなります。
インバー粉末の特性
インバー粉末の特徴は、熱膨張係数（CTE）が低いことである。CTEは、温度変化1度あたりの膨張または収縮の程度を測定します。
インバー粉末のCTEは、20℃で～1.2 x 10-6/°C、100～300℃で～1.8 x 10-6/°Cである。これは、他のほとんどの金属よりも著しく低い。
比較のため、アルミニウムのCTEは～24×10-6/℃、ステンレス鋼は～17×10-6/℃である。このため、インバーは広い温度帯にわたって寸法安定性が高い。
表2：インバー粉末の主要特性
| プロパティ | 価値観 |
|---|---|
| 熱膨張係数 | 1.2 – 1.8 x 10-6/°C |
| 密度 | 8.0 – 8.2 g/cc |
| 比熱 | 450 J/kg-K |
| 熱伝導率 | 10 – 30 W/m-K |
| 電気抵抗率 | 70 – 80 μΩ-cm |
| ヤング率 | 140 – 145 GPa |
| ポアソン比 | 0.294 – 0.305 |
| 引張強度 | 200 – 240 MPa |
| 融点 | 1420 – 1450°C |
熱安定性に加えて、インバー粉末は以下のような特長がある：
- 高い強度と剛性
- 優れた耐食性
- 良好な電気および熱伝導性
- 酸化および老化に対する耐性
- 溶接とろう付けが容易
- 精密加工能力
この特性の組み合わせにより、インバー粉末は厳しい使用環境でも優れた性能を発揮します。部品は温度変化にも精度を維持し、負荷がかかっても変形しにくい。
インバー粉末の製造
インバー・パウダーは、合金を溶融し、溶融ストリームを微細な液滴に分解するプロセスであるガスアトマイズによって製造される。高圧ガスジェットが金属の流れにぶつかり、球状の粉末粒子に分解されます。
粒度分布は、ガス流量、ノズルの設計、その他のパラメータによって制御される。ガスアトマイズされたインバー粉末の粒径は、一般的に10～150ミクロンである。より微粒化すれば、サブミクロンのパウダーが得られる。
水アトマイズはインバー粉末の製造に使われるもう一つの方法で、一般に粒径が大きい。溶融合金の流れは高圧水ジェットによって粉砕される。
ガスアトマイズ粉末は、水アトマイズに比べて表面形態が滑らかで、優れた流動特性を示す。
固化後、インバー粉末はふるい分けを受け、所望の粒度分率を得る。また、加工による応力を緩和し、特性を最適化するためにアニール処理を行うこともある。
インバー粉末の用途
インバー粉末の用途は、熱膨張係数が極めて低く、予測可能であることを利用しています。部品の寸法、クリアランス公差、アライメント、温度変化に対する精度を維持することが重要な場合に使用されます。
表3：インバー粉末の用途
| 産業 | 申し込み |
|---|---|
| 光学 | ミラーブランク、リフレクター、マウント、光学ベンチ |
| エレクトロニクス | 精密抵抗器、基板、シール、コネクタ |
| ディフェンス | 火器管制機器、慣性誘導システム |
| 航空宇宙 | アンテナ、複合マトリックス、衛星・望遠鏡部品 |
| エネルギー | 燃料電池用シール、バッテリー、高温ガスケット |
| 自動車 | 酸素センサー、燃料噴射システム |
具体的な用途としては、以下のようなものがある：
- 望遠鏡、顕微鏡、レーザー、リソグラフィ、光学計測機器など、温度が変動しても像の安定性を維持しなければならない機器用のミラーブランク。
- 熱膨張や熱収縮の影響を受けない、厳しい抵抗値公差を必要とする精密抵抗器。インバーのTCR（抵抗温度係数）は極めて低い。
- マイクロエレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクス用のシール、コネクター、パッケージ、基板で、ミクロンレベルのアライメント精度が温度サイクルでも維持される必要があります。
- 寸法校正が、広い動作温度範囲にわたってハードウェアの伸縮を最小限に抑えることに依存する高精度機器および計測ツール。
- 電磁ビームの適切な形成と伝送のために、高温と低温の軌道周期を正確に保たなければならないアンテナと反射鏡ディッシュ。
- 宇宙用ミラーや、剛性と一致したCTEを必要とする構造物用の複合マトリックス補強材。
- アライメントと機能性を維持する必要がありながら、極端な温度にさらされる衛星ペイロードと宇宙船システム用の精密部品とアセンブリ。
これらの用途やその他の困難な用途において、invar’の卓越した熱寸法安定性は設計の堅牢性を提供し、重要な性能パラメータが温度変化による影響を受けないことを保証します。
インバー粉末の仕様
インバー粉末は、様々な製造プロセスや最終用途の要件に合わせた様々なサイズ範囲、純度、合金グレードで提供されています。
表4：インバー粉末のサイズ規格
| メッシュサイズ | ミクロンサイズ |
|---|---|
| -140 | 106μm未満 |
| -100 | 150 μm |
| -325 | 45μm未満 |
| -400 | 38 μm |
| -635 | 20 μm |
| -10 μm | 10 μm |
| -2.5 μm | 2.5 μm |
より微細なインバー粉末は、流動性と充填密度を必要とする積層造形法に適しています。より粗いパウダーは、従来のプレス・焼結製造に適しています。
化学的純度レベルは、工業用グレードの99％から高性能用途の99.9％以上まで幅広い。酸素含有量は50ppm以下に抑える必要がある。
ニッケルを36～38%に変化させたカスタム合金は、～0.9×10-6/℃～～2×10-6/℃のCTEを生み出す。Mn、Si、Cも調整可能です。
表5：インバー粉末合金グレード
| 合金グレード | ニッケル | CTE x 10-6/°C |
|---|---|---|
| インバー36 | 36% | ~1.2 |
| ニロ36 | 36% | ~1.2 |
| ペルニファー36 | 36% | ~1.2 |
| インバー 38 | 38% | ~0.9 |
化学組成に関する国際規格には以下のものがある：
- ASTM F3061 – 精密ガラス金属シール用低膨張ニッケル鉄合金
- DIN 1.3912 – シールおよび精密機器部品用低膨張合金
インバー粉末 供給者
インバー粉末は、世界有数の特殊金属粉末サプライヤーから入手可能です。一般的な価格は、合金グレード、パウダーサイズ、注文数量により、$50/kgから$120/kgです。
表6：インバー粉末のサプライヤー
| サプライヤー | 製品グレード |
|---|---|
| サンドビック | オスプレイ®インバー・パウダー |
| ホーガナス | アスタロイ®インバー |
| カイメラ | インバー36、インバー38 |
| 中国石油天然気集団公司 | インバー合金粉末 |
| エプソンアトミックス | インバー微粉末 |
取り扱いと安全性
インバー粉末は健康に重大な危険を及ぼすことはない。ただし、金属粉の取り扱いや作業に関する標準的な安全予防策に従うこと。
- 保護手袋、保護眼鏡、防塵マスクの使用
- 粉末の皮膚接触や吸入を避けること
- 十分な換気と集塵の確保
- 粉塵は引火性があるため、着火源から遠ざけてください。
インバー粉末は密閉容器に入れ、清潔で乾燥した環境で保管すること。湿気による酸化や汚染を避ける。
検査と試験方法
インバー粉末が仕様を満たしていることを確認するために、さまざまな試験や検査が行われている：
- 化学組成 誘導結合プラズマ質量分析(ICP-MS)、発光分光分析(OES)、燃焼分析により、Ni、Fe、その他の合金元素を測定。
- 粒度分布 レーザー回折式粒度分布測定機は、粉末の粒度範囲を測定します。ふるい分析では、粒子をサイズ画分に分けます。
- 微細構造 走査型電子顕微鏡とエネルギー分散型X線分光法（SEM-EDS）により、粉末の形態、内部構造、存在する相が明らかになった。
- 密度 ガスまたは水のピクノメトリーで粉体の密度を測定し、理論密度と比較する。
- 結晶構造 X線回折（XRD）により、面心立方相と格子定数が確認された。
- パウダーフロー – ホール流量計ファンネルは、流量、安息角、その他の粉体特性を測定します。
- 熱膨張 ダイラトメトリーは、寸法変化試験を通じて、さまざまな温度範囲にわたってCTEを測定します。
- その他のテスト – パウダーベッド密度、ホール流量、水分分析、酸素および窒素含有量、タップ密度、および微生物学的テストは、アプリケーションの仕様に従って実行されます。
信頼できる供給業者の分析証明書により、インバー粉末が要求される等級基準を満たしていることが確認されている。
インバーと他の低膨張合金との比較
インバーは一般的な合金の中で最も熱膨張率が小さいが、非常に低い熱膨張率を実現するよう設計されたニッケル合金や鉄ニッケル合金もある。
表7：低CTE合金粉末の比較
| 合金 | CTE x 10-6/°C | 構成 | 備考 |
|---|---|---|---|
| インバー36 | ~1.2 | ニッケル36%、鉄 | 低熱膨張率、高強度 |
| インバー 38 | ~0.9 | 38% Ni, バランス Fe | インバー36より低いCTE |
| コバール | ~5.9 | 29% Ni, 17% Co, bal.Fe | インバーとスチールのCTE |
| アロイ45 | ~5 | ニッケル45%、鉄Fe | インバーより安価 |
| アロイ46 | ~2 | 46% Ni, bal.Fe | インバーに近づくCTE |
| スーパー・インバー | ~0.4 | 32% Ni, bal.Fe+Co添加 | 極めて低いCTE |
インバーと他の低CTE合金の長所と短所
表8：長所と短所の比較
| 合金 | 長所 | 短所 |
|---|---|---|
| インバー | 非常に低く、安定したCTE | 他の合金より高価 |
| 優れた強度 | Alやポリマーより高密度 | |
| 良好な耐食性 | ||
| コバール | インバーより低コスト | インバーより高いCTE |
| 機械加工と成形が容易 | 熱安定性が低い | |
| ホウケイ酸ガラスへのシール | ||
| アロイ45 | インバーより安価 | インバーより低い性能 |
| 様々な用途に使えるCTE | ||
| アロイ46 | 合金45よりも低いCTE | インバーより高いCTE |
| 優れた特性の組み合わせ | ||
| スーパー・インバー | 極めて低いCTE | 調達がより困難に |
| 優れた熱安定性 | より高いコスト |
温度変化に対する最大限の寸法安定性を必要とする最も要求の厳しい用途では、インバーはCTEが非常に低く、予測可能性が高いため、他の追随を許しません。
コストがより大きな要因であるが、熱的性能は依然として良好でなければならない場合、コバールやアロイ45のような低ニッケル合金は、膨張特性を妥協した手頃な代替品を提供する。
よくある質問
インバー粉末は何でできているのですか？
インバー粉末の主成分は36～38％のニッケルで、残りは鉄である。少量のマンガン、ケイ素、炭素が含まれることもある。この組成により、熱膨張係数が極めて低くなっている。
インバー粉末はどのように製造されるのですか？
ガスアトマイゼーションによって製造され、合金は高圧ガスジェットによって溶融され、微細な球状粒子に分解される。これにより、粉末の粒度分布と形態を厳密に制御することができます。
インバー粉末は何に使われるのですか？
温度が変化しても寸法安定性や精密公差を維持しなければならない用途に使用される。一般的な用途としては、光学、電子機器、航空宇宙部品、精密機器、シール、基板などがある。
インバー・パウダーの主な特性は？
- 熱膨張係数 1.2 – 1.8 x10-6/°C
- 高い強度と剛性
- 耐食性
- 良好な導電性と溶接性
- 広い温度範囲で安定
インバー粉末にはどのような基準が適用されますか？
ASTM F3061およびDIN 1.3912は、シールや精密用途に使用される36%ニッケル低膨張インバー合金の化学組成をカバーしています。
インバー粉末は他の低膨張合金と比べてどうですか？
Invarは一般的な合金の中で最もCTEが低い。コバールやアロイ46は、より低コストの代替品ですが、熱安定性が多少犠牲になります。スーパーインバーはCTEが極めて低いが、より高価で入手しにくい。
どのような粒度とグレードがありますか？
インバー粉末は10ミクロンから150ミクロンまでのサイズで供給できる。一般的なニッケル含有量は36%（Invar 36）と38%（Invar 38）である。ニッケルが高いほど膨張が小さくなります。特注合金も製造可能です。
インバー粉末はどのように扱い、保管すべきですか？
