โลหะผสม Invar เป็นโลหะผสมพิเศษที่ประกอบด้วยเหล็กและนิกเกิลเป็นหลัก โดยมีลักษณะที่โดดเด่นที่สุดคือค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ต่ำมาก ชื่อ "Invar" มาจากคำภาษาอังกฤษ "invariable" ซึ่งสะท้อนถึงคุณลักษณะที่แทบไม่มีการขยายหรือหดตัวตามอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง โลหะผสม Invar ส่วนใหญ่ใช้ในเครื่องมือที่มีความแม่นยำซึ่งต้องการความเสถียรของมิติสูง ส่วนประกอบโครงสร้างการบินและอวกาศ อุปกรณ์เกี่ยวกับสายตา และระบบจัดเก็บก๊าซเหลว
ส่วนประกอบหลักและโครงสร้างของโลหะผสม Invar
องค์ประกอบทางเคมีโดยทั่วไปของโลหะผสม Invar คือเหล็ก (Fe) ประมาณ 63% และนิกเกิล (Ni) ประมาณ 36% ส่วนที่เหลือเป็นปริมาณคาร์บอน ซิลิคอน แมงกานีส และองค์ประกอบอื่นๆ ลักษณะการขยายตัวทางความร้อนต่ำของโลหะผสมเกิดจากการจัดเรียงอะตอมของเหล็ก-นิกเกิลที่เป็นเอกลักษณ์ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น การเปลี่ยนแปลงลำดับแม่เหล็กภายในของโลหะผสมจะขัดขวางผลการขยายตัวทางความร้อนของโลหะธรรมดา
เกรดโลหะผสม Invar ทั่วไป ได้แก่: Invar 36, Invar 32-5, Super Invar และ Kovar Invar 36 (หรือเรียกอีกอย่างว่า 4J36 หรือ UNS K93600) เป็นรุ่นที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด
คุณสมบัติทางกายภาพของโลหะผสมอินวาร์
1. ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อนต่ำมาก: ภายในช่วงอุณหภูมิ 20°C ถึง 100°C ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นโดยเฉลี่ยจะอยู่ที่ประมาณ 1.2 × 10⁻⁶/℃ ซึ่งต่ำกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดามาก (ประมาณ 12 × 10⁻⁶/℃)
2. ความหนาแน่น: ประมาณ 8.1 ก./ซม.3
3. การนำความร้อน: การนำความร้อนต่ำ ประมาณ 10–14 W/(m·K)
4. คุณสมบัติทางแม่เหล็ก: โลหะผสม Invar เป็นแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกที่อุณหภูมิห้อง โดยสูญเสียความเป็นแม่เหล็กที่จุดกูรีประมาณ 230°C
5. ความแข็ง: ความแข็งของ Brinell ในสถานะอบอ่อนโดยทั่วไปคือ 130–180 HB ซึ่งสามารถปรับปรุงได้ผ่านการทำงานเย็นหรือการบำบัดริ้วรอย
ข้อดีและการใช้งานของ Invar Alloy
ข้อได้เปรียบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของโลหะผสม Invar คือความเสถียรของมิติที่สูงมากภายใต้อุณหภูมิที่ต่างกัน โดยจะรักษาอัตราการขยายตัวที่ต่ำมากในช่วงตั้งแต่สิบองศาต่ำกว่าศูนย์ไปจนถึงหลายร้อยองศาเซลเซียส ทำให้เหมาะสำหรับส่วนประกอบโครงสร้างที่มีความแม่นยำและสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมอุณหภูมิ
การใช้งานหลักได้แก่:
— รองรับระบบออปติคัล, เมาท์เลนส์, ฐานอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์;
— อุปกรณ์การบินและอวกาศ ส่วนประกอบโครงสร้างดาวเทียม เรือนไจโรสโคปที่มีความแม่นยำ
— ถังเก็บก๊าซเหลว (LNG) และโครงสร้างท่อส่งก๊าซ
— บรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ เครื่องชั่งเครื่องมือ บล็อกเกจ และเครื่องมือวัดอื่นๆ
ประสิทธิภาพการตัดเฉือนของโลหะผสม Invar
แม้ว่าโลหะผสม Invar มีคุณสมบัติทางกลค่อนข้างคงที่ แต่ความสามารถในการแปรรูปโดยทั่วไปถือว่า "ยากต่อการตัดเฉือนเล็กน้อย" สาเหตุหลักได้แก่:
1. แนวโน้มการแข็งตัวของงานที่สำคัญ
2. การนำความร้อนต่ำ ส่งผลให้ความร้อนตัดเข้มข้น
3. มีแนวโน้มที่จะติดเครื่องมือและการสึกหรอของเครื่องมือ
โดยทั่วไปขอแนะนำให้ใช้เครื่องมือคาร์ไบด์ที่มีความคม ลดความเร็วตัด และใช้น้ำยาหล่อเย็น มีความสามารถในการเชื่อมที่ดี แต่ต้องควบคุมการป้อนความร้อนอย่างเข้มงวดเพื่อหลีกเลี่ยงการแข็งตัวของโครงสร้างจุลภาค
การเปรียบเทียบโลหะผสม Invar กับวัสดุอื่น
เมื่อเปรียบเทียบกับเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา โลหะผสม Invar มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเพียง 1/10; เมื่อเทียบกับเหล็กกล้าไร้สนิม โลหะผสม Invar มีความแข็งแรงต่ำกว่าเล็กน้อย แต่มีความเสถียรทางความร้อนดีกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะผสมไทเทเนียม โลหะผสม Invar มีความเสถียรของมิติที่เหนือกว่าที่อุณหภูมิต่ำ ทำให้ไม่สามารถทดแทนได้ในเครื่องมือทางวิศวกรรมไครโอเจนิกและมาตรวิทยา
เกรดในประเทศและต่างประเทศโดยทั่วไป
— เกรดภาษาจีน: 4J36, 4J32-5, 4J38;
— หมายเลข UNS ของสหรัฐอเมริกา: K93600 (Invar 36), K93500 (Super Invar);
— เกรด DIN ของเยอรมัน: 1.3912;
— AFNOR ฝรั่งเศส: FeNi36
โลหะผสม Invar เป็น "โลหะผสมที่มีความแม่นยำในการขยายตัวต่ำ" ทั่วไปที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาการบินและอวกาศ ออพติก และวิศวกรรมความเย็นเยือกแข็ง เนื่องจากมีเสถียรภาพทางความร้อนและการเชื่อมได้ดีเยี่ยม แม้ว่าจะเป็นเรื่องยากในการประมวลผล แต่ความเสถียรของมิตินั้นแทบจะไม่มีใครแทนที่ได้ ทำให้เป็นหนึ่งในวัสดุพื้นฐานที่สำคัญในงานวิศวกรรมความเที่ยงตรง
