Genel Bakış
Invar tozu son derece düşük bir termal genleşme katsayısı ile sonuçlanan oranlarda demir ve nikelden oluşan bir nikel-demir alaşımı tozudur. Invar” adı, sabit boyutlarına ve termal genleşme ve büzülmeye karşı direncine atıfta bulunan “değişmez” kelimesinden gelmektedir.
Invar tozu, çeşitli sıcaklıklarda hassasiyet ve doğruluk gerektiren uygulamalarda önemli bir malzeme haline gelmiştir. Eşsiz özellikleri, invar tozunun optik, elektronik, yapısal ve parça boyutlarının ve boşluk toleranslarının korunmasının kritik olduğu diğer uygulamalarda kullanılmasına olanak tanır.
Bu kılavuz, invar tozunun bileşimini, temel özelliklerini, üretim yöntemlerini, uygulamalarını, teknik özelliklerini ve diğer teknik verilerini kapsayan ayrıntılı bir genel bakış sağlar. İnvar ve diğer düşük genleşmeli alaşımlar arasında karşılaştırmalar yapılmaktadır. Tedarikçi bilgileri, güvenli kullanım prosedürleri, test standartları ve SSS bölümü de yer almaktadır.
Invar Toz Bileşimi
Invar tozu ağırlıkça -38 aralığında nikel içerir, bakiye ise demirdir. Az miktarda manganez, silikon ve karbon gibi diğer alaşım elementleri de mevcut olabilir.
Bu aralıktaki kesin nikel içeriği, uygulama için istenen termal genleşme katsayısına göre ayarlanır. Daha yüksek nikel yüzdeleri daha düşük termal genleşme katsayıları ile sonuçlanır.
Tablo 1: Invar Tozunun Tipik Bileşimi
| Bileşen | Ağırlık % |
|---|---|
| Nikel (Ni) | 36 – 38% |
| Demir (Fe) | Denge |
| Manganez (Mn) | 0 – 0.5% |
| Silisyum (Si) | 0 – 0.5% |
| Karbon (C) | 0 – 0.1% |
Demir-nikel oranları, sıcaklık değişimlerinde hacim değişikliklerini en aza indiren östenitik yüz merkezli kübik bir kristal yapı oluşturur.
Bu benzersiz davranış, nikel ve demirin alaşımın fiziksel özellikleri üzerindeki zıt etkilerinden kaynaklanır. Demir pozitif bir termal genleşme katsayısına sahipken nikel negatif bir katsayıya sahiptir. Yaklaşık nikel içeriğinde, bu etkiler birbirini dengeleyerek çok düşük net termal genleşmeye yol açar.
Invar Toz Özellikleri
Invar tozunun belirleyici özelliği düşük termal genleşme katsayısıdır (CTE). CTE, bir derecelik sıcaklık değişimi başına genleşme veya büzülme derecesini ölçer.
Invar tozunun CTE'si için tipik değerler 20°C'de ~1,2 x 10-6/°C ile 100-300°C arasında ~1,8 x 10-6/°C arasında değişmektedir. Bu, diğer metallerin çoğundan önemli ölçüde daha düşüktür.
Karşılaştırma için, alüminyumun CTE değeri ~24 x 10-6/°C ve paslanmaz çeliğin ~17 x 10-6/°C'dir. Bu, invarı geniş bir sıcaklık bandında boyutsal olarak oldukça kararlı hale getirir.
Tablo 2: Invar Tozunun Temel Özellikleri
| Mülkiyet | Değerler |
|---|---|
| Termal Genleşme Katsayısı | 1.2 – 1,8 x 10-6/°C |
| Yoğunluk | 8.0 – 8,2 g/cc |
| Özgül Isı | 450 J/kg-K |
| Termal İletkenlik | 10 – 30 W/m-K |
| Elektriksel Dirençlilik | 70 – 80 μΩ-cm |
| Young’s Modülü | 140 – 145 GPa |
| Poisson’s Oranı | 0.294 – 0.305 |
| Çekme Dayanımı | 200 – 240 MPa |
| Erime Noktası | 1420 – 1450°C |
Termal stabiliteye ek olarak, invar tozu şunları sunar:
- Yüksek mukavemet ve sertlik
- Mükemmel korozyon direnci
- İyi elektrik ve ısı iletkenliği
- Oksidasyona ve yaşlanmaya karşı direnç
- Kaynak ve sert lehimleme kolaylığı
- Hassas işleme kabiliyeti
Özelliklerin kombinasyonu, invar tozunun zorlu çalışma ortamlarında iyi performans göstermesini sağlar. Parçalar sıcaklık dalgalanmalarında doğruluğu korur ve yük altında deformasyona karşı direnç gösterir.
Invar Tozu Üretimi
Invar tozu, alaşımın eritilmesini ve erimiş akışın ince damlacıklar halinde parçalanmasını içeren bir işlem olan gaz atomizasyonu yoluyla üretilir. Yüksek basınçlı gaz jetleri metal akışına çarparak küresel toz parçacıklarına ayrılmasına neden olur.
Partikül boyutu dağılımı gaz akış hızı, nozul tasarımı ve diğer parametreler aracılığıyla kontrol edilir. Gaz atomize invar tozu genellikle 10 ila 150 mikron arasında değişen partikül boyutlarına sahiptir. Daha ince atomizasyon mikron altı toz üretebilir.
Su atomizasyonu, tipik olarak daha büyük parçacık boyutlarına sahip invar tozu yapmak için kullanılan başka bir yöntemdir. Erimiş alaşım akışı yüksek basınçlı su jetleri tarafından parçalanır.
Gaz atomize toz, su atomizasyonuna kıyasla pürüzsüz bir yüzey morfolojisine sahiptir ve daha iyi akış özellikleri sergiler.
Katılaşmadan sonra, invar tozu istenen parçacık boyutu fraksiyonlarını elde etmek için eleme işlemine tabi tutulur. Ayrıca, işlemden kaynaklanan gerilimleri azaltmak ve özellikleri optimize etmek için tavlanabilir.
Invar Tozu Uygulamaları
Invar tozunun uygulamaları, son derece düşük ve öngörülebilir termal genleşme katsayısından yararlanır. Parça boyutlarının, boşluk toleranslarının, hizalamanın ve sıcaklık değişimleri üzerindeki hassasiyetin korunmasının kritik olduğu yerlerde kullanılır.
Tablo 3: Invar Tozu Uygulamaları
| Endüstri | Uygulama |
|---|---|
| Optik | Ayna boşlukları, reflektörler, montajlar, optik tezgahlar |
| Elektronik | Hassas dirençler, alt tabakalar, contalar, konektörler |
| Savunma | Ateş kontrol aletleri, ataletsel güdüm sistemleri |
| Havacılık ve Uzay | Antenler, kompozit matrisler, uydu ve teleskop bileşenleri |
| Enerji | Yakıt hücreleri, bataryalar, yüksek sıcaklık contaları için contalar |
| Otomotiv | Oksijen sensörleri, yakıt enjeksiyon sistemleri |
Bazı özel uygulamalar şunlardır:
- Sıcaklık dalgalanmalarında görüntü stabilitesinin korunması gereken teleskoplar, mikroskoplar, lazerler, litografi ve optik metroloji ekipmanları için ayna boşlukları.
- Termal genleşme ve büzülmeden etkilenmeyen sıkı direnç toleransları gerektiren hassas dirençler. Invar'ın TCR'si (sıcaklık direnç katsayısı) son derece düşüktür.
- Sıcaklık döngüsü ile mikron düzeyinde hizalama doğruluğunun korunması gereken mikroelektronik ve optoelektronik için contalar, konektörler, paketler ve alt tabakalar.
- Boyutsal kalibrasyonun donanımın geniş bir çalışma sıcaklığı bandında minimum düzeyde genleşmesine ve büzülmesine bağlı olduğu yüksek hassasiyetli aletler ve metroloji araçları.
- Sıcak ve soğuk yörünge döngüleri boyunca uygun elektromanyetik ışın oluşumu ve iletimi için hassas şekle sahip olması gereken anten ve yansıtıcı çanaklar.
- Uzay aynaları ve uygun CTE ile birlikte sertlik gerektiren yapılar için kompozit matris takviyesi.
- Uydu faydalı yükleri ve uzay aracı sistemleri için hassas bileşenler ve montajlar, hizalamayı ve işlevselliği sürdürmesi gerekirken önemli ölçüde aşırı sıcaklıklara maruz kalır.
Bu ve diğer zorlu uygulamalarda, invar’ın olağanüstü termal boyutsal kararlılığı tasarım sağlamlığı sağlar ve kritik performans parametrelerinin sıcaklık değişikliklerinden etkilenmemesini sağlar.
Invar Toz Özellikleri
Invar tozu, farklı üretim süreçlerine ve son kullanım gereksinimlerine göre çeşitli boyut aralıklarında, saflıklarda ve alaşım derecelerinde mevcuttur.
Tablo 4: Invar Toz Boyutu Özellikleri
| Mesh Boyutu | Mikron Boyutu |
|---|---|
| -140 | 106 μm'den küçük |
| -100 | 150 μm |
| -325 | 45 μm'den küçük |
| -400 | 38 μm |
| -635 | 20 μm |
| -10 μm | 10 μm |
| -2,5 μm | 2.5 μm |
Daha ince invar tozu, akışkanlık ve paketleme yoğunluğu gerektiren katkılı üretim yöntemleri için uygundur. Daha kaba toz, geleneksel pres ve sinter üretimi için çalışır.
Kimyasal saflık seviyeleri endüstriyel sınıflar için ile yüksek performanslı uygulamalar için ,9 veya daha yüksek arasında değişir. Oksijen içeriği 50 ppm'nin altında tutulmalıdır.
Nikeli -38 arasında değişen özel alaşımlar ~0,9 x 10-6/°C ila ~2 x 10-6/°C arasında CTE'ler üretir. Mn, Si ve C de ayarlanabilir.
Tablo 5: Invar Toz Alaşım Kaliteleri
| Alaşım Sınıfı | Nikel % | 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 |
Kimyasal bileşim için uluslararası standartlar şunları içerir:
- ASTM F3061 – Hassas Camdan Metale Contalar için Düşük Genleşmeli Nikel-Demir Alaşımları
- DIN 1.3912 – Contalar ve Hassas Alet Bileşenleri için Düşük Genleşmeli Alaşım
Invar Toz Tedarikçileri
Invar tozu, önde gelen küresel özel metal tozu tedarikçilerinden temin edilebilir. Tipik fiyatlandırma, alaşım derecesine, toz boyutuna ve sipariş miktarına bağlı olarak 50 $/kg ila 120 $/kg arasındadır.
Tablo 6: Invar Toz Tedarikçileri
| Tedarikçi | Ürün Sınıfları |
|---|---|
| Sandvik | Osprey® Invar tozları |
| Hoganas | Astaloy® Invar |
| Kymera | Invar 36, Invar 38 |
| CNPC | Invar alaşım tozları |
| Epson Atmix | Invar ince tozlar |
Taşıma ve Güvenlik
Invar tozunun sağlık açısından önemli bir tehlikesi yoktur. Ancak, metalik tozların taşınması ve bunlarla çalışmaya yönelik standart güvenlik önlemlerine uyulmalıdır.
- Koruyucu eldiven, gözlük ve toz maskesi kullanın
- Tozların ciltle temasından veya solunmasından kaçının
- Yeterli havalandırma ve toz toplama sağlayın
- Toz tozlar yanıcı olabileceğinden ateşleme kaynaklarından uzak tutun
Invar tozu temiz ve kuru bir ortamda kapalı kaplarda saklanmalıdır. Oksidasyona veya nemden kaynaklanan kontaminasyona izin veren koşullardan kaçının.
Muayene ve Test Yöntemleri
Invar tozunun spesifikasyonları karşıladığından emin olmak için çeşitli test ve denetim prosedürleri kullanılır:
- Kimyasal bileşim – İndüktif olarak eşleşmiş plazma kütle spektroskopisi (ICP-MS), optik emisyon spektroskopisi (OES) ve yanma analizi Ni, Fe ve diğer alaşım elementlerini belirler.
- Parçacık boyutu dağılımı – Lazer difraksiyon partikül boyutu analizörleri toz boyutu aralıklarını ölçer. Elek analizi, partikülleri boyut fraksiyonlarına ayırır.
- Mikroyapı – Enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (SEM-EDS) ile taramalı elektron mikroskobu, toz morfolojisini, iç yapısını ve mevcut fazları ortaya çıkarır.
- Yoğunluk – Gaz veya su piknometrisi toz yoğunluğunu ölçer ve teorik yoğunlukla karşılaştırır.
- Kristal yapı – X-ışını kırınımı (XRD), yüz merkezli kübik fazı ve kafes parametrelerini doğrulamaktadır.
- Toz akışı – Hall akış ölçer hunileri akış hızını, geri tepme açısını ve diğer toz özelliklerini belirler.
- Termal genleşme – Dilatometri, boyutsal değişim testleri aracılığıyla bir dizi sıcaklıkta CTE'yi ölçer.
- Diğer testler toz yatak yoğunluğu, Hall akış hızları, nem analizi, oksijen ve nitrojen içeriği, musluk yoğunluğu ve mikrobiyolojik testler uygulama spesifikasyonlarına göre yapılır.
Saygın tedarikçilerden alınan analiz sertifikaları, invar tozunun gerekli kalite kriterlerini karşıladığını doğrulamaktadır.
Invar ve Diğer Düşük Genleşmeli Alaşımlar
Invar, yaygın alaşımlar arasında en düşük CTE'ye sahip olsa da, çok düşük termal genleşme sağlamak üzere tasarlanmış başka nikel ve demir-nikel alaşımları da vardır.
Tablo 7: Düşük CTE Alaşımlı Tozların Karşılaştırılması
| Alaşım | CTE x 10-6/°C | Kompozisyon | Notlar |
|---|---|---|---|
| Invar 36 | ~1.2 | 36 Ni, denge Fe | En düşük CTE, yüksek mukavemet |
| Invar 38 | ~0.9 | 38 Ni, denge Fe | Invar 36'dan daha düşük CTE |
| Kovar | ~5.9 | 29 Ni, Co, bal. Fe | Invar ve çelik arasındaki CTE |
| Alaşım 45 | ~5 | 45 Ni, bal. Fe | Invar'dan daha ucuz |
| Alaşım 46 | ~2 | 46 Ni, bal. Fe | CTE invar'a daha yakın |
| Süper Invar | ~0.4 | 32 Ni, bal. Fe + Co ilaveleri | Son derece düşük CTE |
Invar ve Diğer Düşük CTE Alaşımlarının Artıları ve Eksileri
Tablo 8: Artı ve Eksilerin Karşılaştırılması
| Alaşım | Artıları | Eksiler |
|---|---|---|
| Invar | Çok düşük, kararlı CTE | Diğer alaşımlara göre daha pahalı |
| Mükemmel güç | Al veya polimerlerden daha yüksek yoğunluk | |
| İyi korozyon direnci | ||
| Kovar | İnvardan daha düşük maliyet | Invar'dan daha yüksek CTE |
| İşlenmesi ve şekillendirilmesi kolay | Termal olarak daha az kararlı | |
| Borosilikat cama sızdırmazlık sağlar | ||
| Alaşım 45 | Invar'dan daha ucuz | Invar'dan daha düşük performans |
| Birçok kullanım için uygulanabilir CTE | ||
| Alaşım 46 | Alaşım 45'ten daha düşük CTE | Invar'dan hala daha yüksek CTE |
| İyi özellik kombinasyonu | ||
| Süper Invar | Son derece düşük CTE | Kaynak bulmak daha zor |
| Üstün termal kararlılık | Daha yüksek maliyet |
Sıcaklık değişimlerinde maksimum boyutsal kararlılık gerektiren en zorlu uygulamalar için invar’ın çok düşük ve son derece öngörülebilir CTE'si onu eşsiz kılar.
Maliyetin daha büyük bir faktör olduğu ancak termal performansın yine de iyi olması gerektiği durumlarda, Kovar ve Alloy 45 gibi daha düşük nikel alaşımları, genleşme özelliklerinden ödün vererek uygun fiyatlı alternatifler sunar.
SSS
Invar tozu neyden yapılır?
Invar tozu esas olarak -38 nikelden oluşur ve bakiye demirdir. Az miktarda manganez, silikon ve karbon da mevcut olabilir. Bu bileşim, son derece düşük bir termal genleşme katsayısı ile sonuçlanır.
Invar tozu nasıl üretilir?
Alaşımın eritildiği ve yüksek basınçlı gaz jetleri kullanılarak ince küresel parçacıklara ayrıştırıldığı gaz atomizasyonu yoluyla üretilir. Bu, toz boyutu dağılımı ve morfolojisi üzerinde sıkı kontrol sağlar.
Invar tozu ne için kullanılır?
Sıcaklık değiştikçe boyutsal kararlılığın ve hassas toleransların korunması gereken uygulamalarda kullanılır. Yaygın kullanım alanları arasında optik, elektronik, havacılık ve uzay bileşenleri, hassas aletler, contalar ve alt tabakalar bulunur.
İnvar tozunun temel özellikleri nelerdir?
- Termal genleşme katsayısı 1,2 – 1,8 x10-6/°C
- Yüksek mukavemet ve sertlik
- Korozyon direnci
- İyi iletkenlik ve kaynaklanabilirlik
- Geniş bir sıcaklık aralığında kararlı
İnvar tozu için hangi standartlar geçerlidir?
ASTM F3061 ve DIN 1.3912, contalarda ve hassas uygulamalarda kullanılan nikel düşük genleşmeli invar alaşımları için kimyasal bileşimi kapsar.
Invar tozu diğer düşük genleşmeli alaşımlara kıyasla nasıldır?
Invar, yaygın alaşımlar arasında en düşük CTE'ye sahiptir. Kovar ve Alloy 46 daha düşük maliyetli alternatifler sunar ancak termal stabiliteden bir miktar ödün verir. Süper invar son derece düşük bir CTE'ye sahiptir ancak daha pahalıdır ve daha az bulunur.
Hangi partikül boyutları ve kaliteleri mevcuttur?
Invar tozu 10 ila 150 mikron boyut aralığında tedarik edilebilir. Yaygın nikel içeriği (Invar 36) ve 'dir (Invar 38). Daha yüksek nikel daha düşük genleşme sağlar. Özel alaşımlar da üretilmektedir.
Invar tozu nasıl kullanılmalı ve saklanmalıdır?
