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.
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:
Наиболее востребовано двенадцать таких сплавов. Инвар входит в их число, как и элинвар, перминвар, манганин и лр.
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:
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.
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.
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.
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.
Они достаточно стабильны:
Благодаря этим свойствам, некоторые из которых являются уникальными, сплав приобретает сразу несколько полезных качеств:
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.
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.
Рядовой потребитель соприкасается с этим сплавом в бытовой технике и высокоточных часах в виде самых разнообразных деталей. Сейчас сплав никеля и железа есть в каждом современном телевизоре. Про компьютерные системы и говорить не стоит.
Без инвара не обходятся высокоточные современные медицинские приборы, авиационное и космическое оборудование. Правда, часто требуемые детали имеют микроскопические размеры, поэтому производить их сложно и дорого. Да и эксплуатация и ремонтное обслуживание требуют повышенной осторожности.
Нельзя не упомянуть и ковар. Это сплав никеля, железа и кобальта. Он легко поддаётся механической обработке, штамповке, прокатке. У него хорошая теплопроводность, практически нулевой коэффициент теплового расширения.
Единственный относительно значительный недостаток – подверженность коррозии. Но его нейтрализует защитное покрытие из серебра. Применение ковара достаточно широкое:
Правда, участие в сплаве кобальта и без того сложные и затратные приборы значительно удорожает. Но зато делает их долговечнее и надёжнее. Это особенно актуально там, где на оборудовании стараются не экономить, - в ведущих клиниках, например.
В современной промышленности металлы в чистом виде практически уже не используются. Даже железо, в основном, уходит на производство чугуна и стали. Всевозможные добавки качество металлов заметно улучшают, повышают их прочность, твёрдость и одновременно – пластичность. Причём новые сплавы появляются чуть ли не каждый год, - значит, свойства металлов будут продолжать улучшаться, и процесс этот становится постоянным.
Лазерная резка инвара имеет свои особенности и нюансы, которые важно учитывать при выполнении данного процесса. Инвар, благодаря своей уникальной термической стабильности, может быть более чувствителен к тепловым воздействиям при лазерной обработке, поэтому необходимо тщательно контролировать параметры резки, чтобы избежать деформации и искажения деталей. Также важно учитывать особенности химического состава инвара, чтобы подобрать оптимальные параметры лазерного облучения, обеспечивающие чистый и качественный рез. Для достижения оптимальных результатов при лазерной резке инвара необходимо использовать высококачественное оборудование и профессиональный подход к настройке параметров процесса.