Invar-Stahl: Eigenschaften und wichtige Anwendungen erklärt
Bagikan
Table Of Content
Table Of Content
Invar-Stahl, auch bekannt als Fe-Ni-Legierung, ist eine spezielle Stahlgüte, die hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht und typischerweise etwa 36 % Nickel enthält. Diese einzigartige Zusammensetzung klassifiziert Invar als eine Legierung mit geringer Ausdehnung, was sie besonders wertvoll in Anwendungen macht, bei denen dimensionsstabilität entscheidend ist. Das primäre Legierungselement Nickel beeinflusst die thermischen Ausdehnungseigenschaften des Materials erheblich, was zu einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten führt, der über einen bestimmten Temperaturbereich nahezu null ist.
Umfassender Überblick
Die bedeutendsten Eigenschaften von Invar sind seine außergewöhnliche dimensionsstabilität, der niedrige thermische Ausdehnungskoeffizient und die guten mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur. Diese Merkmale machen ihn ideal für Präzisionsinstrumente, Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie Bauteile, die eine hohe dimensionalgenauigkeit erfordern.
Vorteile von Invar-Stahl:
- Niedrige thermische Ausdehnung: Der primäre Vorteil von Invar ist seine minimale thermische Ausdehnung, was ihn für Anwendungen geeignet macht, bei denen Temperaturschwankungen zu erheblichen dimensionalen Änderungen führen können.
- Gute Bearbeitbarkeit: Invar kann mit engen Toleranzen bearbeitet werden, was in der Präzisionsfertigung von wesentlicher Bedeutung ist.
- Hohe Festigkeit: Er behält gute Festigkeit und Zähigkeit bei Raumtemperatur.
Beschränkungen von Invar-Stahl:
- Kosten: Der hohe Nickelgehalt macht Invar teurer als Standardstähle.
- Begrenzte Hochtemperatureigenschaften: Während er bei Raumtemperatur gut funktioniert, können seine mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen abnehmen.
- Korrosionsbeständigkeit: Invar ist nicht so korrosionsbeständig wie einige rostfreie Stähle, was seine Verwendung in bestimmten Umgebungen einschränken kann.
Historisch gesehen wurde Invar Ende des 19. Jahrhunderts entwickelt und hat seitdem Anwendungen in verschiedenen Bereichen gefunden, einschließlich Luft- und Raumfahrt, Präzisionsmesswerkzeuge und wissenschaftliche Instrumente, aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften.
Alternative Namen, Standards und Äquivalente
| Standardorganisation | Bezeichnung/Qualität | Land/Region des Ursprungs | Hinweise/Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| UNS | K93600 | USA | Nähester Äquivalent zu Invar 36 |
| ASTM | A 320 | USA | Standardbeschreibung für Invar |
| EN | 1.3912 | Europa | Kleine zusammensetzungsunterschiede zu beachten |
| JIS | G 4303 | Japan | Äquivalent zu Invar 36 mit leichten Variationen |
| GB | 0Cr18Ni9 | China | Ähnliche Eigenschaften, aber unterschiedliche Korrosionsbeständigkeit |
In der Spalte 'Hinweise/Bemerkungen' ist es wichtig hervorzuheben, dass diese Qualitäten oft als äquivalent betrachtet werden, subtile Unterschiede in der Zusammensetzung jedoch die Leistung beeinflussen können, insbesondere in Bezug auf thermische Ausdehnung und Korrosionsbeständigkeit.
Wesentliche Eigenschaften
Chemische Zusammensetzung
| Element (Symbol und Name) | Prozentsatzbereich (%) |
|---|---|
| Fe (Eisen) | Rest |
| Ni (Nickel) | 36,0 - 38,0 |
| C (Kohlenstoff) | 0,03 max |
| Mn (Mangan) | 0,5 max |
| Si (Silizium) | 0,5 max |
| S (Schwefel) | 0,01 max |
| P (Phosphor) | 0,01 max |
Die Hauptrolle von Nickel in Invar besteht darin, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu reduzieren, was für Anwendungen, die eine hohe dimensionsstabilität erfordern, entscheidend ist. Kohlenstoff, obwohl in minimalen Mengen vorhanden, trägt zur Verbesserung der Festigkeit der Legierung bei, während Mangan und Silizium zur allgemeinen Zähigkeit und Bearbeitbarkeit beitragen.
Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft | Zustand/Temperatur | Testtemperatur | Typischer Wert/Bereich (metrisch - SI-Einheiten) | Typischer Wert/Bereich (imperiale Einheiten) | Referenzstandard für Testmethode |
|---|---|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Weichgeglüht | Raumtemp | 480 - 600 MPa | 70 - 87 ksi | ASTM E8 |
| Streckgrenze (0,2% Offset) | Weichgeglüht | Raumtemp | 220 - 350 MPa | 32 - 51 ksi | ASTM E8 |
| Dehnung | Weichgeglüht | Raumtemp | 30 - 40% | 30 - 40% | ASTM E8 |
| Härte (Rockwell B) | Weichgeglüht | Raumtemp | 80 - 90 HRB | 80 - 90 HRB | ASTM E18 |
| Schlagfestigkeit (Charpy) | Weichgeglüht | -20°C | 30 J | 22 ft-lbf | ASTM E23 |
Die Kombination dieser mechanischen Eigenschaften macht Invar geeignet für Anwendungen, die hohe Festigkeit und Zähigkeit erfordern, insbesondere unter mechanischen Belastungsbedingungen. Seine niedrige Streckgrenze im Vergleich zu anderen hochfesten Legierungen wird durch seine ausgezeichnete dimensionsstabilität ausgeglichen.
Physikalische Eigenschaften
| Eigenschaft | Zustand/Temperatur | Wert (metrisch - SI-Einheiten) | Wert (imperiale Einheiten) |
|---|---|---|---|
| Dichte | Raumtemp | 8,0 g/cm³ | 0,289 lb/in³ |
| Schmelzpunkt | - | 1450 °C | 2642 °F |
| Wärmeleitfähigkeit | Raumtemp | 13 W/m·K | 75 BTU·in/h·ft²·°F |
| Spezifische Wärmefähigkeit | Raumtemp | 0,46 kJ/kg·K | 0,11 BTU/lb·°F |
| Elektrischer Widerstand | Raumtemp | 0,5 µΩ·m | 0,5 µΩ·in |
| Koeffizient der thermischen Ausdehnung | 20-100 °C | 1,2 x 10⁻⁶ /K | 0,67 x 10⁻⁶ /°F |
Der niedrige Koeffizient der thermischen Ausdehnung ist besonders wichtig für Anwendungen in Präzisionsinstrumenten, bei denen selbst geringfügige dimensionale Veränderungen zu erheblichen Fehlern führen können.
Korrosionsbeständigkeit
| Korrosives Mittel | Konzentration (%) | Temperatur (°C/°F) | Widerstandsbewertung | Hinweise |
|---|---|---|---|---|
| Chloride | 3% | 25°C / 77°F | Befriedigend | Risiko von Lochkorrosion |
| Schwefelsäure | 10% | 20°C / 68°F | Schlecht | Nicht empfohlen |
| Salpetersäure | 20% | 25°C / 77°F | Gut | Allgemein widerstandsfähig |
| Meerwasser | - | 25°C / 77°F | Befriedigend | Risiko lokaler Korrosion |
Invar zeigt eine moderate Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in sauren Umgebungen. Er ist anfällig für Lochkorrosion in chloride-reichen Umgebungen, was ihn weniger geeignet für marine Anwendungen im Vergleich zu rostfreien Stählen macht. Im Vergleich zu Güten wie AISI 304 oder AISI 316 ist die Korrosionsbeständigkeit von Invar im chloridhaltigen Umgebungen, in denen rostfreie Stähle übertreffen, geringer.
Hitzebeständigkeit
| Eigenschaft/Grenze | Temperatur (°C) | Temperatur (°F) | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Maximale Betriebstemperatur | 300 °C | 572 °F | Darüber können die Eigenschaften abnehmen |
| Maximale intermittierende Betriebstemperatur | 400 °C | 752 °F | Nur kurze Einwirkung |
| Skalierungstemperatur | 600 °C | 1112 °F | Risiko der Oxidation |
Invar behält seine mechanischen Eigenschaften bis zu moderaten Temperaturen, kann jedoch über 300 °C erhebliche Verschlechterungen erfahren. Seine Oxidationsbeständigkeit ist begrenzt, und es muss in Hochtemperaturanwendungen darauf geachtet werden, eine Skalierung zu vermeiden.
Verarbeitungs-Eigenschaften
Schweißbarkeit
| Schweißverfahren | Empfohlene Füllmetall (AWS-Klassifikation) | Typisches Schutzgas/Flussmittel | Hinweise |
|---|---|---|---|
| TIG | ERNi-1 | Argon | Vorwärmung empfohlen |
| MIG | ERNi-1 | Argon | Nachwärmbehandlung möglicherweise erforderlich |
Invar ist im Allgemeinen mit TIG- und MIG-Verfahren schweißbar, jedoch wird oft eine Vorwärmung empfohlen, um das Risiko von Rissen zu minimieren. Eine Nachwärmbehandlung kann helfen, Spannungen abzubauen und die Gesamtheit der Schweißnahtintegrität zu verbessern.
Bearbeitbarkeit
| Bearbeitungsparameter | Invar-Stahl | AISI 1212 | Hinweise/Tipps |
|---|---|---|---|
| Relativer Bearbeitungsindex | 50% | 100% | Erfordert langsamere Geschwindigkeiten |
| Typische Schnittgeschwindigkeit (Drehen) | 30 m/min | 60 m/min | Kohlenstoffwerkzeuge verwenden |
Invar hat eine moderate Bearbeitbarkeit und erfordert langsamere Schnittgeschwindigkeiten und spezielles Werkzeug, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Die Anwesenheit von Nickel kann zu Werkzeugverschleiß führen, was eine sorgfältige Auswahl der Schnittparameter notwendig macht.
Formbarkeit
Invar weist eine gute Formbarkeit sowohl bei Kalt- als auch bei Warmbearbeitungsprozessen auf. Aufgrund seiner verfestigenden Eigenschaften ist jedoch eine sorgfältige Steuerung des Formprozesses notwendig, um Risse zu vermeiden. Die Biegeradien sollten größer sein als die typischerweise für Standardstähle verwendeten, um seinen einzigartigen Eigenschaften Rechnung zu tragen.
Wärmebehandlung
| Behandlungsprozess | Temperaturbereich (°C/°F) | Typische Haltezeit | Kühlmethode | Primärer Zweck / Erwartetes Ergebnis |
|---|---|---|---|---|
| Glühen | 800 - 1000 °C / 1472 - 1832 °F | 1 - 2 Stunden | Luft | Weichmachen, Verbesserung der Duktilität |
| Zusatzbehandlung | 1000 - 1100 °C / 1832 - 2012 °F | 1 Stunde | Wasser | Homogenisierung der Mikrostruktur |
Wärmebehandlungsprozesse wie Glühen können die Mikrostruktur von Invar erheblich verändern und dessen Duktilität und Bearbeitbarkeit verbessern. Die metallurgischen Transformationen während dieser Behandlungen können zu einer gleichmäßigen Verteilung der Phasen führen, die entscheidend für die Beibehaltung der gewünschten Eigenschaften ist.
Typische Anwendungen und Endverwendungen
| Industrie/Sektor | Beispiel für spezifische Anwendung | Schlüsseleigenschaften des Stahls, die in dieser Anwendung genutzt werden | Grund für die Auswahl (Kurz) |
|---|---|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Flugzeugkomponenten | Niedrige thermische Ausdehnung, hohe Festigkeit | Präzision und Stabilität |
| Messung | Präzisionsinstrumente | Dimensionsstabilität, Bearbeitbarkeit | Genauigkeit in Messungen |
| Elektronik | Leiterplatten | Niedrige thermische Ausdehnung, elektrische Eigenschaften | Stabilität unter Temperaturänderungen |
| Wissenschaftlich | Laborgeräte | Korrosionsbeständigkeit, geringe Ausdehnung | Zuverlässigkeit in Experimenten |
Weitere Anwendungen umfassen:
- Optische Geräte
- Uhren und Zeitmesser
- Hochpräzise Werkzeuge
Invar wird für diese Anwendungen hauptsächlich aufgrund seiner niedrigen thermischen Ausdehnung ausgewählt, die in Umgebungen, in denen Temperaturvariationen zu erheblichen Messfehlern führen können, entscheidend ist.
Wichtige Überlegungen, Auswahlkriterien und weiterführende Einblicke
| Eigenschaft/Eigenschaft | Invar-Stahl | AISI 304 | AISI 316 | Kurze Pro-/Kontra- oder Abwägungshinweise |
|---|---|---|---|---|
| Schlüsselmethode mechanische Eigenschaft | Moderat | Hoch | Hoch | Invar ist weniger stark als rostfreie Stähle |
| Schlüsseldimension Korrosionsaspekt | Befriedigend | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Invar ist weniger widerstandsfähig gegenüber Chloriden |
| Schweißbarkeit | Moderat | Gut | Gut | Invar erfordert spezielle Überlegungen |
| Bearbeitbarkeit | Moderat | Hoch | Hoch | Invar erfordert langsamere Geschwindigkeiten |
| Formbarkeit | Gut | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Invar hat spezifische Biegeanforderungen |
| Ungefähre relative Kosten | Hoch | Moderat | Moderat | Der Nickelgehalt von Invar treibt die Kosten |
| Typische Verfügbarkeit | Begrenzt | Hoch | Hoch | Invar ist weniger weit verbreitet |
Bei der Auswahl von Invar für eine spezifische Anwendung müssen Überlegungen wie Kosten, Verfügbarkeit und die spezifischen mechanischen und thermischen Eigenschaften, die erforderlich sind, gegen Alternativen wie rostfreie Stähle abgewogen werden. Die einzigartigen Eigenschaften von Invar machen ihn in Nischenanwendungen besonders wertvoll, insbesondere in der Präzisionsfertigung und der Luft- und Raumfahrt, wo dimensionsstabilität von größter Bedeutung ist. Seine höheren Kosten und die begrenzte Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu rostfreien Stählen können jedoch seine Verwendung in allgemeineren Anwendungen einschränken.