Visão geral
Pó de Invar é um pó de liga de níquel-ferro composto de ferro e níquel em proporções que resultam em um coeficiente de expansão térmica extremamente baixo. O nome "invar" vem da palavra "invariável", referindo-se às suas dimensões estáveis e à resistência à expansão e contração térmica.
O pó de invar se tornou um material importante em aplicações que exigem precisão e exatidão em uma variedade de temperaturas. Suas propriedades exclusivas permitem que o pó de invar seja usado em aplicações ópticas, eletrônicas, estruturais e outras em que é fundamental manter as dimensões das peças e as tolerâncias de folga.
Este guia fornece uma visão geral detalhada do pó de invar, abrangendo sua composição, principais propriedades, métodos de produção, aplicações, especificações e outros dados técnicos. São feitas comparações entre o invar e outras ligas de baixa expansão. Também estão incluídas informações sobre fornecedores, procedimentos de segurança no manuseio, padrões de teste e uma seção de perguntas frequentes.
Composição do pó de Invar
O pó de Invar contém uma faixa de 36-38% de níquel por peso, sendo o restante ferro. Pequenas quantidades de outros elementos de liga, como manganês, silício e carbono, também podem estar presentes.
O teor exato de níquel dentro dessa faixa é ajustado com base no coeficiente de expansão térmica desejado para a aplicação. Percentuais mais altos de níquel resultam em coeficientes de expansão térmica mais baixos.
Tabela 1: Composição típica do pó de Invar
| Componente | Peso % |
|---|---|
| Níquel (Ni) | 36 – 38% |
| Ferro (Fe) | Equilíbrio |
| Manganês (Mn) | 0 – 0.5% |
| Silício (Si) | 0 – 0.5% |
| Carbono (C) | 0 – 0.1% |
As proporções de ferro-níquel geram uma estrutura cristalina cúbica austenítica de face centrada que minimiza as alterações de volume em relação às variações de temperatura.
Esse comportamento exclusivo resulta dos efeitos opostos do níquel e do ferro sobre as propriedades físicas da liga. O ferro tem um coeficiente positivo de expansão térmica, enquanto o níquel tem um coeficiente negativo. Com cerca de 36% de teor de níquel, esses efeitos se contrabalançam, levando a uma expansão térmica líquida muito baixa.
Propriedades do pó de Invar
A propriedade que define o pó de invar é seu baixo coeficiente de expansão térmica (CTE). O CTE mede o grau de expansão ou contração por grau de mudança de temperatura.
Os valores típicos do CTE do pó de invar variam de ~1,2 x 10-6/°C a 20°C a ~1,8 x 10-6/°C entre 100-300°C. Esse valor é significativamente menor do que o da maioria dos outros metais.
Para fins de comparação, o alumínio tem um CTE de ~24 x 10-6/°C e o aço inoxidável é de ~17 x 10-6/°C. Isso torna o invar altamente estável dimensionalmente em uma ampla faixa de temperatura.
Tabela 2: Principais propriedades do pó de Invar
| Propriedade | Valores |
|---|---|
| Coeficiente de expansão térmica | 1,2 - 1,8 x 10-6/°C |
| Densidade | 8,0 - 8,2 g/cc |
| Calor específico | 450 J/kg-K |
| Condutividade térmica | 10 - 30 W/m-K |
| Resistividade elétrica | 70 - 80 μΩ-cm |
| Módulo de Young | 140 - 145 GPa |
| Índice de Poisson | 0.294 – 0.305 |
| Resistência à tração | 200 - 240 MPa |
| Ponto de fusão | 1420 - 1450°C |
Além da estabilidade térmica, o pó de invar oferece:
- Alta resistência e rigidez
- Excelente resistência à corrosão
- Boa condutividade elétrica e térmica
- Resistência à oxidação e ao envelhecimento
- Facilidade de soldagem e brasagem
- Capacidade de usinagem de precisão
A combinação de propriedades permite que o pó de invar tenha um bom desempenho em ambientes operacionais exigentes. As peças mantêm a precisão durante as flutuações de temperatura e resistem à deformação sob carga.
Produção de pó de Invar
O pó de Invar é produzido por atomização de gás, um processo que envolve a fusão da liga e a desintegração do fluxo fundido em gotículas finas. Jatos de gás de alta pressão atingem o fluxo de metal, fazendo com que ele se divida em partículas esféricas de pó.
A distribuição do tamanho das partículas é controlada por meio da taxa de fluxo de gás, do design do bocal e de outros parâmetros. O pó de invar atomizado a gás geralmente tem tamanhos de partículas que variam de 10 a 150 mícrons. A atomização mais fina pode produzir pó submicrônico.
A atomização com água é outro método usado para produzir pó de invar, geralmente com partículas maiores. O fluxo da liga fundida é quebrado por jatos de água de alta pressão.
O pó atomizado a gás tem uma morfologia de superfície suave em comparação com o atomizado a água e apresenta melhores características de fluxo.
Após a solidificação, o pó de invar passa por peneiramento para obter as frações de tamanho de partícula desejadas. Ele também pode ser recozido para aliviar as tensões do processamento e otimizar as propriedades.
Aplicações do pó de Invar
As aplicações do pó de invar aproveitam seu coeficiente de expansão térmica extremamente baixo e previsível. Ele é usado quando é fundamental manter as dimensões das peças, as tolerâncias de folga, o alinhamento e a precisão em relação às variações de temperatura.
Tabela 3: Aplicações do pó de Invar
| Setor | Aplicativo |
|---|---|
| Ótica | Blanks de espelhos, refletores, suportes, bancadas ópticas |
| Eletrônicos | Resistores de precisão, substratos, vedações, conectores |
| Defesa | Instrumentos de controle de incêndio, sistemas de orientação inercial |
| Aeroespacial | Antenas, matrizes compostas, componentes de satélites e telescópios |
| Energia | Vedações para células de combustível, baterias, juntas de alta temperatura |
| Automotivo | Sensores de oxigênio, sistemas de injeção de combustível |
Algumas aplicações específicas incluem:
- Espelhos em branco para telescópios, microscópios, lasers, litografia e equipamentos de metrologia óptica, nos quais a estabilidade da imagem deve ser mantida com as variações de temperatura.
- Resistores de precisão que exigem tolerâncias de resistência rígidas, não afetadas pela expansão e contração térmicas. O TCR (coeficiente de resistência à temperatura) do invar é extremamente baixo.
- Vedações, conectores, pacotes e substratos para microeletrônica e optoeletrônica em que a precisão do alinhamento em nível de mícron deve ser mantida com o ciclo de temperatura.
- Instrumentos de alta precisão e ferramentas de metrologia em que a calibração dimensional depende da expansão e contração mínima do hardware em uma ampla faixa de temperatura operacional.
- Antenas e pratos refletores que devem manter o formato preciso para a formação e transmissão adequadas do feixe eletromagnético durante os ciclos orbitais quentes e frios.
- Reforço de matriz composta para espelhos espaciais e estruturas que exigem rigidez combinada com CTE compatível.
- Componentes e montagens de precisão para cargas úteis de satélites e sistemas de espaçonaves que passam por temperaturas extremas significativas e precisam manter o alinhamento e a funcionalidade.
Nessas e em outras aplicações desafiadoras, a excepcional estabilidade dimensional térmica da invar proporciona robustez ao projeto e garante que os parâmetros críticos de desempenho não sejam afetados pelas mudanças de temperatura.
Especificações do pó de Invar
O pó de Invar está disponível em várias faixas de tamanho, purezas e graus de liga adaptados a diferentes processos de fabricação e requisitos de uso final.
Tabela 4: Especificações de tamanho do pó de Invar
| Tamanho da malha | Tamanho em mícrons |
|---|---|
| -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 |
O pó de invar mais fino é adequado para métodos de fabricação de aditivos que exigem fluidez e densidade de empacotamento. O pó mais grosso funciona para a fabricação convencional por prensagem e sinterização.
Os níveis de pureza química variam de 99% para classes industriais a 99,9% ou mais para aplicações de alto desempenho. O teor de oxigênio deve ser mantido abaixo de 50 ppm.
As ligas personalizadas com níquel variando de 36-38% produzem CTEs de ~0,9 x 10-6/°C a ~2 x 10-6/°C. Mn, Si e C também podem ser ajustados.
Tabela 5: Graus de liga de pó de Invar
| Grau da liga | 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 |
Os padrões internacionais de composição química incluem:
- ASTM F3061 - Ligas de níquel-ferro de baixa expansão para vedações de precisão de vidro com metal
- DIN 1.3912 - Liga de baixa expansão para vedações e componentes de instrumentos de precisão
Fornecedores de Invar em pó
O pó de Invar está disponível nos principais fornecedores globais de pós metálicos especiais. O preço típico está entre $50/kg e $120/kg com base no grau da liga, no tamanho do pó e na quantidade do pedido.
Tabela 6: Fornecedores de pó de Invar
| Fornecedor | Classificação dos produtos |
|---|---|
| Sandvik | Pós Osprey® Invar |
| Hoganas | Astaloy® Invar |
| Kymera | Invar 36, Invar 38 |
| CNPC | Pós de liga de Invar |
| Epson Atmix | Pós finos de Invar |
Manuseio e segurança
O pó de Invar não apresenta riscos significativos à saúde. Entretanto, devem ser seguidas as precauções de segurança padrão para o manuseio e o trabalho com pós metálicos.
- Use luvas de proteção, óculos e máscaras contra poeira
- Evite o contato com a pele ou a inalação de pós
- Garanta ventilação e coleta de poeira adequadas
- Mantenha-se afastado de fontes de ignição, pois os pós podem ser inflamáveis
O pó de Invar deve ser armazenado em recipientes fechados em um ambiente limpo e seco. Evite condições que permitam a oxidação ou a contaminação por umidade.
Métodos de inspeção e teste
Para garantir que o pó de invar atenda às especificações, são usados vários procedimentos de teste e inspeção:
- Composição química - A espectroscopia de massa com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS), a espectroscopia de emissão óptica (OES) e a análise de combustão determinam o Ni, o Fe e outros elementos de liga.
- Distribuição do tamanho das partículas - Os analisadores de tamanho de partículas por difração a laser medem faixas de tamanho de pó. A análise por peneira separa as partículas em frações de tamanho.
- Microestrutura - A microscopia eletrônica de varredura com espectroscopia de raios X por dispersão de energia (SEM-EDS) revela a morfologia do pó, a estrutura interna e as fases presentes.
- Densidade - A picnometria de gás ou água mede a densidade do pó e a compara com a densidade teórica.
- Estrutura cristalina - A difração de raios X (XRD) confirma a fase cúbica centrada na face e os parâmetros de rede.
- Fluxo de pó - Os funis do fluxômetro Hall determinam a taxa de fluxo, o ângulo de repouso e outras características do pó.
- Expansão térmica - A dilatometria mede o CTE em uma faixa de temperaturas por meio de testes de alteração dimensional.
- Outros testes - A densidade do leito de pó, as taxas de fluxo de Hall, a análise de umidade, o conteúdo de oxigênio e nitrogênio, a densidade da torneira e os testes microbiológicos são realizados de acordo com as especificações da aplicação.
Os certificados de análise de fornecedores confiáveis confirmam que o pó de invar atende aos critérios de classificação exigidos.
Invar vs. outras ligas de baixa expansão
Embora o invar tenha o CTE mais baixo das ligas comuns, existem outras ligas de níquel e ferro-níquel projetadas para proporcionar uma expansão térmica muito baixa.
Tabela 7: Comparação de pós de liga de baixo CTE
| Liga metálica | CTE x 10-6/°C | Composição | Notas |
|---|---|---|---|
| Invar 36 | ~1.2 | 36% Ni, equilíbrio Fe | Menor CTE, alta resistência |
| Invar 38 | ~0.9 | 38% Ni, equilíbrio Fe | CTE mais baixo do que o Invar 36 |
| Kovar | ~5.9 | 29% Ni, 17% Co, bal. Fe | CTE entre Invar e aço |
| Liga 45 | ~5 | 45% Ni, bal. Fe | Menos caro que o invar |
| Liga 46 | ~2 | 46% Ni, bal. Fe | CTE mais perto de invar |
| Super Invar | ~0.4 | 32% Ni, bal. Adições de Fe + Co | CTE extremamente baixo |
Prós e contras do Invar em relação a outras ligas de baixo CTE
Tabela 8: Comparação de prós e contras
| Liga metálica | Prós | Contras |
|---|---|---|
| Invar | CTE muito baixo e estável | Mais caro do que outras ligas |
| Excelente resistência | Densidade maior do que a do alumínio ou dos polímeros | |
| Boa resistência à corrosão | ||
| Kovar | Custo mais baixo do que o invar | CTE mais alto do que o invar |
| Fácil de usinar e moldar | Menos estável termicamente | |
| Vedação em vidro borossilicato | ||
| Liga 45 | Menos caro que o invar | Desempenho inferior ao do invar |
| CTE viável para muitos usos | ||
| Liga 46 | CTE mais baixo que o da liga 45 | CTE ainda mais alto do que o invar |
| Boa combinação de propriedades | ||
| Super Invar | CTE extremamente baixo | Mais difícil de obter |
| Estabilidade térmica superior | Custo mais alto |
Para as aplicações mais exigentes que requerem estabilidade dimensional máxima em relação às variações de temperatura, o CTE muito baixo e altamente previsível do invar o torna incomparável.
Quando o custo é um fator mais importante, mas o desempenho térmico ainda precisa ser bom, as ligas com menor teor de níquel, como Kovar e Alloy 45, apresentam alternativas econômicas com um comprometimento das características de expansão.
Perguntas frequentes
De que é feito o pó de invar?
O pó de Invar consiste principalmente de níquel 36-38% e o restante é ferro. Pequenas quantidades de manganês, silício e carbono também podem estar presentes. Essa composição resulta em um coeficiente de expansão térmica extremamente baixo.
Como o pó de invar é produzido?
É fabricado por atomização a gás, em que a liga é derretida e desintegrada em partículas esféricas finas por meio de jatos de gás de alta pressão. Isso permite um controle rígido da distribuição do tamanho e da morfologia do pó.
Para que é usado o pó de invar?
Ele é usado em aplicações em que a estabilidade dimensional e as tolerâncias de precisão devem ser mantidas conforme a temperatura varia. Os usos comuns incluem óptica, eletrônica, componentes aeroespaciais, instrumentos de precisão, vedações e substratos.
Quais são as principais propriedades do pó de invar?
- Coeficiente de expansão térmica de 1,2 - 1,8 x10-6/°C
- Alta resistência e rigidez
- Resistência à corrosão
- Boa condutividade e soldabilidade
- Estável em uma ampla faixa de temperatura
Quais padrões se aplicam ao pó de invar?
A ASTM F3061 e a DIN 1.3912 abrangem a composição química das ligas invar de níquel de baixa expansão 36% usadas em vedações e aplicações de precisão.
Como o pó de invar se compara a outras ligas de baixa expansão?
O Invar tem o CTE mais baixo de todas as ligas comuns. O Kovar e a Alloy 46 oferecem alternativas de custo mais baixo, mas com algum sacrifício na estabilidade térmica. O super invar tem um CTE extremamente baixo, mas é mais caro e menos disponível.
Quais são os tamanhos e graus de partículas disponíveis?
O pó de Invar pode ser fornecido em faixas de tamanho de 10 a 150 mícrons. Os teores de níquel mais comuns são 36% (Invar 36) e 38% (Invar 38). Um maior teor de níquel proporciona menor expansão. Também são produzidas ligas personalizadas.
Como o pó de invar deve ser manuseado e armazenado?