Сталь Инвар: свойства и ключевые применения объяснены
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Сталь Инвар, также известная как сплав Fe-Ni, является специализированным сортом стали, в основном состоящим из железа и никеля, обычно содержащим около 36% никеля. Эта уникальная композиция классифицирует Инвар как сплав с низким коэффициентом расширения, что делает его особенно ценным в приложениях, где критична размерная стабильность. Основной легирующий элемент, никель, значительно влияет на тепловые расширительные свойства материала, в результате чего коэффициент теплового расширения практически равен нулю в определенном температурном диапазоне.
Всеобъемлющий обзор
Наиболее значительными характеристиками Инвара являются его исключительная размерная стабильность, низкий коэффициент теплового расширения и хорошие механические свойства при комнатной температуре. Эти черты делают его идеальным для прецизионных инструментов, аэрокосмических приложений и компонентов, требующих высокой размерной точности.
Преимущества стали Инвар:
- Низкое тепловое расширение: Основным преимуществом Инвара является его минимальное тепловое расширение, что делает его подходящим для приложений, где колебания температуры могут привести к значительным изменениям размеров.
- Хорошая облицовка: Инвар может обрабатываться с точными допусками, что необходимо в прецизионной инженерии.
- Высокая прочность: Он сохраняет хорошие прочностные и вязкие свойства при комнатной температуре.
Ограничения стали Инвар:
- Стоимость: Высокое содержание никеля делает Инвар более дорогим, чем стандартные стали.
- Ограниченные показатели при высоких температурах: Хотя он хорошо работает при комнатной температуре, его механические свойства могут ухудшаться при повышенных температурах.
- Коррозионная стойкость: Инвар не так устойчив к коррозии, как некоторые нержавеющие стали, что может ограничить его использование в определенных условиях.
Исторически Инвар был разработан в конце 19 века и с тех пор нашел применение в различных областях, включая аэрокосмическую отрасль, прецизионные измерительные инструменты и научные приборы благодаря своим уникальным свойствам.
Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты
| Стандартная организация | Обозначение/Класс | Страна/Регион происхождения | Примечания/Замечания |
|---|---|---|---|
| UNS | K93600 | США | Ближайший эквивалент Инвар 36 |
| ASTM | A 320 | США | Стандартная спецификация для Инвар |
| EN | 1.3912 | Европа | Незначительные композицонные различия, о которых следует знать |
| JIS | G 4303 | Япония | Эквивалент Инвар 36 с незначительными вариациями |
| GB | 0Cr18Ni9 | Китай | Похожие свойства, но разная коррозионная стойкость |
В колонке 'Примечания/Замечания' важно отметить, что хотя эти классы обычно считаются эквивалентными, тонкие различия в составе могут повлиять на производительность, особенно в отношении теплового расширения и коррозионной стойкости.
Ключевые свойства
Химический состав
| Элемент (Символ и название) | Диапазон содержания (%) |
|---|---|
| Fe (Железо) | Остальное |
| Ni (Никель) | 36.0 - 38.0 |
| C (Углерод) | 0.03 макс |
| Mn (Марганец) | 0.5 макс |
| Si (Кремний) | 0.5 макс |
| S (Сера) | 0.01 макс |
| P (Фосфор) | 0.01 макс |
Основная роль никеля в Инваре заключается в снижении коэффициента теплового расширения, что имеет решающее значение для приложений, требующих высокой размерной стабильности. Углерод, хотя присутствует в минимальных количествах, помогает повысить прочность сплава, в то время как марганец и кремний способствуют общей вязкости и обрабатываемости.
Механические свойства
| Свойство | Условие/Температура | Температура испытания | Типичное значение/Диапазон (метрические - SI единицы) | Типичное значение/Диапазон (империальные единицы) | Стандартное руководство для метода испытания |
|---|---|---|---|---|---|
| Удельная прочность | Отожженное | Комнатная температура | 480 - 600 МПа | 70 - 87 ksi | ASTM E8 |
| Упругость (с учетом 0.2% смещения) | Отожженное | Комнатная температура | 220 - 350 МПа | 32 - 51 ksi | ASTM E8 |
| Удлинение | Отожженное | Комнатная температура | 30 - 40% | 30 - 40% | ASTM E8 |
| Твердость (По Роквеллу B) | Отожженное | Комнатная температура | 80 - 90 HRB | 80 - 90 HRB | ASTM E18 |
| Упругость (Шарпи) | Отожженное | -20°C | 30 Дж | 22 фут-фунт | ASTM E23 |
Сочетание этих механических свойств делает Инвар подходящим для применения в условиях, требующих высокой прочности и вязкости, особенно под механическим нагружением. Его низкая предел прочности по сравнению с другими высокопрочными сплавами компенсируется отличной размерной стабильностью.
Физические свойства
| Свойство | Условие/Температура | Значение (метрические - SI единицы) | Значение (империальные единицы) |
|---|---|---|---|
| Плотность | Комнатная температура | 8.0 г/см³ | 0.289 фунт/дюйм³ |
| Температура плавления | - | 1450 °C | 2642 °F |
| Теплопроводность | Комнатная температура | 13 Вт/м·К | 75 BTU·дюйм/ч·фут²·°F |
| Удельная теплоемкость | Комнатная температура | 0.46 кДж/кг·К | 0.11 BTU/фунт·°F |
| Электрическое сопротивление | Комнатная температура | 0.5 µΩ·м | 0.5 µΩ·дюйм |
| Коэффициент теплового расширения | 20-100 °C | 1.2 x 10⁻⁶ /K | 0.67 x 10⁻⁶ /°F |
Низкий коэффициент теплового расширения особенно важен для приложений в прецизионных инструментах, где даже незначительные изменения размеров могут привести к значительным ошибкам.
Коррозионная стойкость
| Коррозионный агент | Концентрация (%) | Температура (°C/°F) | Рейтинг стойкости | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| Хлориды | 3% | 25°C / 77°F | Умеренно | Риск местной коррозии |
| Серная кислота | 10% | 20°C / 68°F | Poor | Не рекомендуется |
| Азотная кислота | 20% | 25°C / 77°F | Хорошо | Как правило, устойчива |
| Морская вода | - | 25°C / 77°F | Умеренно | Риск локальной коррозии |
Инвар обладает умеренной стойкостью к коррозии, особенно в кислых средах. Он подвержен коррозии в средах, богатых хлоридами, что делает его менее подходящим для морских приложений по сравнению с нержавеющими сталями. При сравнении с такими классами, как AISI 304 или AISI 316, коррозионная стойкость Инвара ниже, особенно в средах с хлоридами, где нержавеющие стали превосходят.
Тепловая стойкость
| Свойство/Предел | Температура (°C) | Температура (°F) | Замечания |
|---|---|---|---|
| Максимальная температура непрерывной эксплуатации | 300 °C | 572 °F | Выше этого свойства могут ухудшаться |
| Максимальная температура периодической эксплуатации | 400 °C | 752 °F | Только кратковременное воздействие |
| Температура раскипячивания | 600 °C | 1112 °F | Риск окисления |
Инвар сохраняет свои механические свойства при умеренных температурах, однако выше 300 °C он может испытывать значительное ухудшение качества. Его стойкость к окислению ограничена, и следует соблюдать осторожность в приложениях с высокими температурами, чтобы избежать раскипячивания.
Свойства обработки
Свариваемость
| Процесс сварки | Рекомендуемый наполнитель (Классификация AWS) | Типичные защитные газ/флюс | Примечания |
|---|---|---|---|
| TIG | ERNi-1 | Аргон | Рекомендуется предварительный нагрев |
| MIG | ERNi-1 | Аргон | Может потребоваться постсварочная термообработка |
Инвар обычно сваривается с использованием процессов TIG и MIG, но часто рекомендуется предварительный нагрев, чтобы минимизировать риск трещин. Постсварочная термообработка может помочь снять напряжения и улучшить общую целостность сварки.
Обрабатываемость
| Параметр обработки | Сталь Инвар | AISI 1212 | Примечания/советы |
|---|---|---|---|
| Относительный индекс обрабатываемости | 50% | 100% | Требует более медленных скоростей |
| Типичная скорость резания (Токарная обработка) | 30 м/мин | 60 м/мин | Используйте карбидные инструменты |
Инвар имеет умеренную обрабатываемость, требуя более медленных скоростей резания и специализированного инструмента для достижения оптимальных результатов. Присутствие никеля может привести к износу инструмента, что требует тщательного выбора параметров резания.
Формуемость
Инвар обладает хорошей формуемостью как в холодных, так и в горячих процессах формовки. Однако из-за своих характеристик упрочнения при работе необходимо тщательно контролировать процесс формовки, чтобы избежать трещин. Радиусы изгиба должны быть больше, чем обычно используют для стандартных сталей, чтобы учесть его уникальные свойства.
Термическая обработка
| Процесс обработки | Диапазон температуры (°C/°F) | Типичное время выдержки | Метод охлаждения | Основная цель / Ожидаемый результат |
|---|---|---|---|---|
| Отжиг | 800 - 1000 °C / 1472 - 1832 °F | 1 - 2 часа | Воздух | Омолаживание, улучшение пластичности |
| Растворная обработка | 1000 - 1100 °C / 1832 - 2012 °F | 1 час | Вода | Гомогенизация микроструктуры |
Процессы термической обработки, такие как отжиг, могут значительно изменить микроструктуру Инвара, улучшая его пластичность и обрабатываемость. Металургические преобразования в ходе этих обработок могут привести к более равномерному распределению фаз, что имеет решающее значение для поддержания желаемых свойств.
Типичные приложения и конечные использования
| Отрасль/Сектор | Конкретный пример применения | Ключевые свойства стали, используемые в этом применении | Причина выбора (Кратко) |
|---|---|---|---|
| Аэрокосмическая отрасль | Компоненты самолетов | Низкое тепловое расширение, высокая прочность | Точность и стабильность |
| Измерение | Прецизионные инструменты | Размерная стабильность, обрабатываемость | Точность измерений |
| Электроника | Печатные платы | Низкое тепловое расширение, электрические свойства | Стабильность при изменениях температуры |
| Научные | Лабораторное оборудование | Коррозионная стойкость, низкое расширение | Надежность в экспериментах |
Другие приложения включают:
- Оптические устройства
- Часы и наручные часы
- Оборудование высокой точности
Инвар выбирается для этих приложений в первую очередь благодаря своему низкому тепловому расширению, что критично в средах, где температурные колебания могут привести к значительным ошибкам измерений.
Важные соображения, критерии выбора и дальнейшие сведения
| Особенность/Свойство | Сталь Инвар | AISI 304 | AISI 316 | Краткая заметка о плюсах/минусах или компромиссах |
|---|---|---|---|---|
| Ключевое механическое свойство | Умеренное | Высокое | Высокое | Инвар менее прочен, чем нержавеющие стали |
| Ключевой аспект коррозии | Умеренный | Отличный | Отличный | Инвар менее устойчив к хлоридам |
| Свариваемость | Умеренная | Хорошая | Хорошая | Инвар требует специальных мер |
| Обрабатываемость | Умеренная | Высокая | Высокая | Инвар требует более медленных скоростей |
| Формуемость | Хорошая | Отличная | Отличная | Инвар имеет специфические требования к изгибу |
| Приблизительная относительная стоимость | Высокая | Умеренная | Умеренная | Содержание никеля в Инваре определяет стоимость |
| Типичная доступность | Ограниченная | Высокая | Высокая | Инвар менее часто доступен |
При выборе Инвара для конкретного применения необходимо учитывать такие факторы, как стоимость, доступность и специфические механические и тепловые свойства, требуемые по сравнению с альтернативами, такими как нержавеющие стали. Уникальные свойства Инвара делают его незаменимым в нишевых приложениях, особенно в области прецизионной инженерии и аэрокосмической отрасли, где размерная стабильность имеет первостепенное значение. Однако его более высокая стоимость и ограниченная коррозионная стойкость по сравнению с нержавеющими сталями могут ограничить его использование в более общих приложениях.