Invar staal: staal zonder thermische uitzetting

Invar is een austenitische nikkel-ijzerlegering met tussen 36% en 50% nikkel. Bij een nikkelgehalte van 36% heeft het materiaal de laagste uitzettingscoëfficiënt van alle metalen. Officieel wordt de legering met 36% nikkel invar genoemd, echter alle nikkel ijzerlegeringen tussen de 36 en 50% nikkel worden in de praktijk ook wel met invar aangeduid. De verklaring van de extreem lage thermische uitzetting ligt in het feit dat Invar een ferromagnetische- en een antiferromagnetische toestand kent. De laatste gaat gepaard met een volume krimp. Bij hogere temperaturen gaat de structuur over in deze antiferromagnetische toestand hetgeen de thermische uitzetting compenseert zodat de volume constant blijft. Dit verschijnsel heet het invareffect.

Inhoud

• Algemeen
• Het Invareffect
• Toepassingen van de invar legeringen
• Chemische samenstelling in gewichtsprocenten Invar 36
• Mechanische eigenschappen Invar 36
• Physische eigenschappen Invar 36
• Het bewerking van de invar legeringen
• Een familie van legeringen
• Gebruikte omrekeningsformules
• Lineaire uitzettingscoëfficiënt, α in 10-6 m/(m.ºK) van vaste stoffen bij 20 ºC
• Conclusie

Algemeen

Invar is een austenitische ijzer-nikkel legering met de laagste thermische uitzetting van de metalen. Het is redelijk sterk en taai en heeft een goede corrosieweerstand. Het is magnetisch beneden het Curie-punt en niet magnetisch er boven. Invar is altijd magnetisch in het temperatuur gebied waarin hij om zijn lage of specifieke thermische uitzetting wordt toegepast. Invar 36 heeft een minimale thermische uitzetting voor maat en vorm stabiliteit van onderdelen in bijvoorbeeld precisie instrumenten. Soms wil men een legering met een bepaalde uitzettingscoëfficiënt omdat het verbonden is met een ander materiaal zoals glas of porselein.

Het Invareffect

De ijzer-nikkel legering invar heeft een kubisch vlakken gecenterd (KVR) atoomrooster (afb.) met daarin willekeurig substitutioneel opgelost de nikkelatomen. De invarlegering heeft twee magnetische toestanden, namelijk de ferromagnetische en de antiferromagnetische toestand. Beide hebben een bij benadering gelijke energie inhoud waardoor ze gemakkelijk in elkaar overgaan. Bij kamertemperatuur is de structuur ferromagnetisch en bij hogere temperatuur antiferromagnetisch. De antimagnetische structuur heeft een grotere dichtheid en neemt dus een kleiner volume in dan de antiferromagnetische toestand. Het gevolg is dat bij stijgende temperatuur de thermische uitzetting van het staal gecompenseerd wordt door krimp van het rooster door de overgang naar de antiferromagnetische toestand waardoor het volume tijdens temperatuur stijging praktisch gelijk blijft en er weinig uitzetting plaats vindt.
Het invareffect treedt bij 36% Ni op beneden de curietemperatuur van 280 ºC. De thermische uitzetting van een ijzer-nikkel legering met 36% Ni is slechts een tiende van de uitzetting van ijzer. De nikkel-ijzer legering met 50% nikkel heeft een curietemperatuur van 565 °C. Voor temperaturen tussen de 280 en 565 °C is de uitzettingscoëfficiënt dus laag bij nikkel-ijzerlegeringen tussen de 36% en 50% nikkel. Boven circa 600ºC verdwijnt het invareffect wegens de thermische chaos in het atoomrooster dat de magnetische velden verstoort.

Fysische verklaring van het invareffect

IJzer en nikkel zijn beide ferromagnetisch en chemisch verwant met vrijwel gelijke atoomstructuur. Het fenomeen is te verklaren uit de atoomordening in het kristalrooster en de 'rotatie van elektronenschillen' rond het atoom en het daardoor opgewekte magnetisch veld. Het magnetisch veld neemt toe met stijgende temperatuur in het traject van -100 ºC tot circa +200 ºC waardoor het atoomrooster 'krimpt' wat een compenserend effect heeft op de thermische uitzetting.

Thermische energie is de energie die in de warmte beweging van de metaal atomen is opgeslagen en die is evenredig met de absolute temperatuur T in graden kelvin: E(thermisch) = kT. De evenredigheidsconstante k is de Bolzmannconstante, uitgedrukt in Joule per kelvin (J/K). Als de absolute temperatuur K twee keer zo hoog is, is de thermische energie van de atomen twee keer zo hoog. Bij hogere temperatuur wordt de thermische vibratie van de atomen zo groot dat de magneetvelden niet meer synchroon optreden en elkaar tegenwerken en het invareffect verdwijnt.

Door verandering van de chemische samenstelling onder andere door toevoeging van magnetische elementen als chroom en mangaan en paramagnetische elementen als titanium en vanadium kan de uitzettingscoëfficiënt naar wens gevarieerd worden.

Toepassingen van de invar legeringen

• De uitzettingscoëfficiënt van een invar legering kan door variatie in chemische samenstelling door de metallurg bepaald worden en nauwkeurig afgesteld op de specifieke toepassing.
• Voor de strippen van bimetalen om een groot verschil in thermische uitzetting tussen de strippen te realiseren.
• Goede hechting aan een ander materiaal; als uitzettingscoëfficiënt overeenkomt met die van het andere materiaal, bijvoorbeeld glas of keramiek. Bij gloeilampen gaan elektrische contacten door het glas heen, nikkel-ijzerlegering met 45% nikkel heeft in dat geval de juiste uitzettingscoëfficiënt. Dezelfde legering wordt gebruikt voor bevestigen van microscoop lenzen.
• Temperatuurverschil zonder thermische spanning, denk hierbij aan complexe meetinstrumenten.
• Moderne bewerkingsmachines waarbij de maatvoering van het product niet verstoord wordt door temperatuur schommeling zoals bewerkingswarmte.
• De Invar legering voor gietvormen en mallen voor het gieten van kunststof composieten in speciale, soms grote ingewikkelde, gietvormen (vliegtuigindustrie). Gietvorm en product moeten de zelfde thermische uitzetting hebben om vervorming te voorkomen tijdens harden van het product.

Chemische samenstelling in gewichtsprocenten Invar 36

Mechanische eigenschappen Invar 36

Physische eigenschappen Invar 36

Het bewerking van de invar legeringen

De bewerkbaarheid van de invar legeringen zoals het verspanen, het warm en koud vervormen, het lassen en het slijpen en polijsten is te vergelijken met het bewerken van de klassieke austenitische roestvaste stalen zoals AISI T304 en AISI T316

Warmtebehandeling van invar 36

Het harden van staal door een warmtebehandeling is alleen mogelijk als er een structuur transformatie plaats vindt van austeniet naar ferriet tijdens afkoeling van het staal vanuit het austeniet gebied. Door het austeniet stabiliserend effect van nikkel behoudt invar echter zijn austeniet structuur en vindt er geen transformatie plaats. Het harden van invar staal door een warmtebehandeling is dus niet mogelijk. De hardheid en daarmee de sterkte kan alleen verhoogd worden door kouddeformatie (versteviging).

Verspaanbaarheid

Invar is taai en daardoor niet gemakkelijk te verspanen. De verspaanbaarheid is te vergelijken met die van austenitisch roestvast staal. Het verspanen kan gebeuren met snelstaal maar hardmetaal heeft de voorkeur in beide gevallen moeten de snijvlakken scherp gehouden worden.

Een familie van legeringen

Na de ontdekking van het Invar effect startte de ontwikkeling van een aantal Invar legeringen waarvan de thermische uiitzettingscoëfficiënt is aangepast aan een specifieke toepassing. Bijvoorbeeld een uitzettingscoëfficiënt gelijk aan die van glas als het staal ingesmolten wordt in glas. Deze aanpassing van de uitzettingscoëfficiënt wordt v.n.l. gerealiseerd door het variëren van het nikkelgehalte.

Inovco

Inovo (Fe-33Ni-4.5Co) heeft een extra lage uitzettingcoefficient: α= 0.55 x 10-6m/ºC.

Invar 42

INVAR 42 heeft laagste uitzettingscoëfficiënt α tussen 20-300 ºC. toegepast voor metaal verbindingen met glas en ceramiek, spacers, frames, malls (composite manufacturing).

Kovar

Kovar is een FeNiCo legering die dezelfde uitzetting heeft als glas en daarom wordt gebruikt voor optische doeleinden, waaronder sattelieten. Tussen 20-500 ºC, heeft Kovar de laagste uitzettingscoefficient van de invar legeringen, gelijk aan glas en ceramiek.

Gebruikte omrekeningsformules

Warmtegeleidingscoefficient λ = W/(m.K); Verouderd: Kcal/(m.h.c) x (4,19/3,6)
Celsius uit Farenheit: ºC = (ºF - 32) / 1,8
Celsius uit Kelvin: ºC = ºK - 273,15

Lineaire uitzettingscoëfficiënt, α in 10-6 m/(m.ºK) van vaste stoffen bij 20 ºC

Conclusie

De thermische uitzetting van invar legeringen is dus een functie van de werktemperatuur en het nikkelgehalte. De uitzettingscoëfficiënt kan men laten variëren van praktisch nul tot die van ongelegeerd koolstofstaal. Voor verbinding van een invar legering met een ander metaal, zoals keramisch materiaal of glas is de juiste legering te ontwerpen zonder dat onderlinge spanning of speling t.g.v. uitzetting en krimp tussen de te verbinden materialen optreden.