Инвар: полезное братство никеля и железа

Металлы обладают многими полезными свойствами, поэтому используются в промышленности практически повсеместно, в том числе и при создании высокоточных механических систем. Но в этом случае изделия должны сохранять одинаковые размеры при разных температурах. Природные металлы этим свойством не обладают. Зато сплав железа с никелем сохраняет неизменность объёма под воздействием и низких, и высоких температурных значений. Он получил название инвар.

Благодаря этому качеству инвар имеет большую востребованность, особенно в электронике и приборостроении. Причём, такая устойчивость к воздействию температур является уникальной.

Что такое прецизионные сплавы

В них металл, который берётся за основу соединения, войдя в состав сплава, приобретает добавочные полезные характеристики. Это могут быть физические или химические свойства, механические качества. Их привносит в основу дополнительный компонент.
Некоторые такие сплавы приобретают так называемые аномальные свойства То есть у них не меняются характеристики под воздействием даже очень агрессивных факторов:

• температурных изменений, иногда существенных;
• электрического и магнитного поля;
• механической нагрузки;
• помещения в реактивную среду.

Наиболее востребовано двенадцать таких сплавов. Инвар входит в их число, как и элинвар, перминвар, манганин и лр.

Характеристика железа и никеля

Железо – металл самый распространённый. Имеет серебристо-серый цвет, пластичен, поддаётся ковке. Самородки обладают характерным металлическим блеском, отличаются повышенной твёрдостью. Железо свободно передаёт электрический ток при помощи свободных электронов.

Считается тугоплавким металлом, но при температуре + 1539 градусов переходит в мягкое состояние и утрачивает ферромагнитные свойства.

Однако повышение температурной среды увеличивает и химическую активность железа.

Длительное нахождение этого металла на открытом воздухе приводит к окислению – образованию характерной плёнки на поверхности. Влажная среда формирует на железе ржавчину.

Никель в чистом виде находят в некоторых метеоритах. А на Земле он содержится в некоторых рудах с другими компонентами:

• в сочетании с мышьяком он находится в никелине;
• это же соседство наблюдается в гнрсдорфсите;
• в белом колчедане или хлоаните никель содержится вместе с кобальтом и железом;
• в магнитном колчедане – с железом, медью и серой;
• в гарниерите – с магнием;
• в пентландите – с железом и серой.

Метод выделения никеля из этих руд зависит от их состава. Чаще всего он – компонент второстепенный, который руду обогащает, сохраняя главные свойства основного компонента.

Основные достоинства никеля и его сплавов – повышенная прочность, жаростойкость и жаропрочность. Изделия из него можно эксплуатировать в щелочных и кислотных растворах. Магнитные свойства материала сохраняются даже на сильном морозе.

Единственный недостаток металла — его отсутствие на планете в чистом виде. Приходится выделять его из руды. Процесс достаточно затратный, поэтому это сказывается и на стоимости исходного материала, и на тех изделиях, которые из него производят.

Главная сфера применения никеля – металлургическая промышленность. И основной выход – производство легированных нержавеющих сталей.

История открытия сплава

В 1896 году сплав синтезировал швейцарско-французский физик Шарль Гийом. Для своего времени это был крайне работоспособный человек. Он родился в Швейцарии, в семье часовщика. Страна известна, как производитель самых точных в мире часов, поэтому неудивительно, что Гийом ещё в юном возрасте увлекся измерительными системами. Правда, вскоре он перебрался во Францию, где занялся ещё и медициной, но основного своего увлечения не бросил. Одной из первых его работ было определение степени точности ртутного термометра.

Через некоторое время его привлекло создание эталона массы и длины. Гийом настойчиво искал материал, который сохранял бы эти свойства в любых условиях – и в жару, и в мороз. До этого подобные эталоны изготавливались из сочетания платины и иридия, материал получался чрезмерно дорогим и труднодоступным.

После многолетних изысканий Гийом, наконец-то, создал необходимый продукт. Дешёвый и долговечный. Новый сплав был назван инваром, что латыни переводится, как «неизменный». Учёный получил за своё открытие Нобелевскую премию. И было, за что, — сплав железа и никеля не подвергался тепловому расширению в диапазоне от – 80 градусов до +100 по Цельсию.

Первой организовала промышленное производство сплава фирма Imphy Alloys. Поэтому новый продукт стал брендом фирмы и иногда представлялся, как аллой. Ещё его часто называли радиометаллом, поскольку он был очень востребован на производстве радиодеталей.

Процесс изготовления

Внешне и даже на ощупь инвар можно перепутать со сталью. И это неудивительно – и в том, и в другом металле присутствует железо.

Чтобы получить инвар, чаще всего задействуют гальванический метод. Предполагалось, что соединение двух компонентов в растворе под воздействием электричества будет быстрым и простым, но возникли трудности. При образовании сплава железо переходило из двухвалентного состояния в трехвалентное. В результате оно хуже растворялось и теряло часть своих полезных качеств. Пришлось вносить другие дополнительные компоненты, — кислоты и амины.

Разработаны и другие способы изготовления сплава никеля и железа. Увеличивает качество и скорость процесса применение сульфамитного и фторборатного электролитов. Осадок в этом случае образуется быстрее, материал получается эластичнее. Однако подобные электролиты изготавливаются дольше и сложнее обычных, и поэтому стоимость их значительно выше. Такая методика производства инвара широкого распространения не получила.

Структура сплава

Фактически это железо, растворённое с никелем. Последний проникает в железо уже при температуре + 500 градусов, но ускоряется процесс при + 800. Предельная доля никеля в сплаве может достигать 60 %. Скорость реакции зависит от катализаторов в виде примесей углерода, хрома, фосфора и пр. Могут добавляться алюминий, цирконий и титан. В суперинвар добавляют 5 % кобальта, заменив им такое же пропорциональное количество никеля.

Физические и химические свойства

Они достаточно стабильны:

• температура окончательного начала плавления + 1430 градусов Цельсия;
• предел прочности – 49 кгс на кв м;
• стандартная плотность сплава – 8 130 кг на куб м.
• структура сплава однофазная, т е однородная, без разделения элементов;
• коэффициент теплового расширения низкий.

Благодаря этим свойствам, некоторые из которых являются уникальными, сплав приобретает сразу несколько полезных качеств:

• устойчивость к механическим воздействиям у материала очень высокая, что позволяет использовать его при изготовлении механизмов и деталей, испытывающих повышенную нагрузку;
• инвар обладает высокой магнитной проницаемостью;
• коэффициент теплового расширения остаётся неизменным практически при любых температурах, — это позволяет изготавливать с его применением высокоточные приборы и датчики;
• материал сохраняет основные характеристики даже в агрессивной среде;
• несмотря на присутствие в составе сплава железа, ржавчина на нём не образуется;
• при всей своей устойчивости к внешним воздействиям сплав обладает хорошей пластичностью.

Эти полезные качества сплава можно ещё и улучшить. Для этого применяют разные варианты механической обработки. Например, прочность изделий из инвара повышает холодная пластическая деформация, которая проводится при низких температурах

От коррозии инвар защищают специальной полировкой. А в случае повышенной агрессивности внешней среды применяются защитные покрытия. Хотя в большинстве случаев сплав защищается сам, в этом и проявляется его аномальность.

Сферы применения инвара

В принципе, сплав никеля и железа позволяет изготовить любую деталь или форму даже по заказу в единичном экземпляре. Производят из инвара и тонкую проволоку, и целые тонкие, но очень прочные листы. Своих потребителей имеет и инварная лента.

Во время производственного цикла свойства материала могут улучшаться. Для этого плавку подвергают последующей термической обработке, а поверхность – направленной деформации.

Часто сплав используют в сочетании со стеклом, производстве различного рода мембранных ёмкостей, которые востребованы во время транспортировки сжиженного газа.

С каждым годом растёт применение сплава железа и никеля в микроэлектронике. Из него изготавливают подложки чипов, поверхности лазерных установок, волноводов.

Долгое время сварочные работы на соединении железа и никеля были связаны с определёнными трудностями. Но сейчас разработан более простой и надёжный способ, который применение инвара существенно расширил.

Активно используется материал при производстве различных аккумуляторов. А соединение сплава с титаном сегодня позволяет использовать его в протезировании зубов и изготовлении различных имплантатов. С некоторыми добавками инвар применяют при чеканке монет и даже изготовлении спиралей для мундштуков электронных сигарет. В последнее время тонкую проволоку используют для обмотки гитарных струн. При помощи оксидных соединений производят стекло, лазурь и керамику.