Stopy specjalne – Invar ®, Kovar ®, Permalloy

Stopy specjalne – Invar®, Kovar®, Permalloy

Stopy o specjalnych właściwościach fizycznych

Invar ®, Kovar ® i Permalloy to stopy specjalne które należą do grupy specjalnych stopów żelaza i niklu projektowanych przede wszystkim ze względu na ściśle określone właściwości fizyczne. W przeciwieństwie do typowych stopów niklu stosowanych głównie ze względu na odporność korozyjną lub wysokotemperaturową, w tej grupie materiałów kluczowe znaczenie mają kontrolowana rozszerzalność cieplna, stabilność wymiarowa oraz właściwości magnetyczne.
Zmiana proporcji niklu, żelaza, kobaltu i innych pierwiastków pozwala uzyskać materiały o bardzo małym współczynniku rozszerzalności cieplnej, współczynniku rozszerzalności dopasowanym do szkła lub ceramiki albo bardzo wysokiej przenikalności magnetycznej i niskiej koercji.
Stopy te znajdują zastosowanie między innymi w precyzyjnej aparaturze pomiarowej, optyce, elektronice, elektrotechnice, lotnictwie, technice kriogenicznej, urządzeniach próżniowych, hermetycznych przepustach szkło-metal oraz ekranowaniu magnetycznym.

Invar® 36 / Alloy 36 – stop o bardzo małej rozszerzalności cieplnej

Invar 36, Alloy 36, FeNi36 – W.Nr. 1.3912, UNS K93600 jest stopem żelaza i niklu zawierającym około 36% Ni. Jego najbardziej charakterystyczną właściwością jest wyjątkowo mała rozszerzalność cieplna w zakresie temperatur obejmującym typowe warunki otoczenia.
Współczynnik rozszerzalności cieplnej Invaru 36 jest w odpowiednim zakresie temperatur około dziesięciokrotnie mniejszy niż w przypadku typowej stali węglowej. Dzięki temu element wykonany z Invaru zmienia swoje wymiary pod wpływem zmian temperatury w znacznie mniejszym stopniu niż element stalowy o podobnych wymiarach.
Zjawisko to określane jest jako efekt Invaru. Wynika ono ze szczególnej zależności pomiędzy strukturą krystaliczną stopu Fe-Ni a jego właściwościami magnetycznymi. Zmiany objętości związane ze stanem magnetycznym częściowo kompensują normalną rozszerzalność cieplną sieci krystalicznej.

Stabilność wymiarowa Invaru 36

Bardzo mała rozszerzalność cieplna sprawia, że Invar 36 stosowany jest wszędzie tam, gdzie nawet niewielka zmiana wymiarów elementu pod wpływem temperatury mogłaby powodować utratę dokładności urządzenia.
Materiał znajduje zastosowanie między innymi w:

precyzyjnych przyrządach pomiarowych,
systemach optycznych i laserowych,
elementach urządzeń lotniczych i kosmicznych,
oprzyrządowaniu do produkcji elementów kompozytowych,
formach i matrycach wymagających wysokiej stabilności wymiarowej,
elementach aparatury laboratoryjnej,
urządzeniach elektronicznych,
systemach pozycjonowania i metrologii,
elementach urządzeń kriogenicznych.

Invar 36 zachowuje również dobre właściwości mechaniczne i ciągliwość w niskich temperaturach, dzięki czemu może być stosowany w elementach instalacji kriogenicznych.

Właściwości Invar 36 / Alloy 36

Invar 36 zawiera nominalnie około 36% niklu, a pozostałą część stanowi głównie żelazo. Gęstość materiału wynosi około 8,1–8,2 g/cm³.
W zależności od dokładnego składu, stanu materiału i zakresu temperatur współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej może osiągać wartości rzędu około 1–2 × 10^-6/K w charakterystycznym dla Invaru zakresie temperatur. Dla porównania typowe stale konstrukcyjne wykazują wartości wielokrotnie wyższe.
Niski współczynnik rozszerzalności nie pozostaje jednak stały w nieograniczonym zakresie temperatur. Wraz ze wzrostem temperatury efekt Invaru stopniowo zanika, dlatego przy projektowaniu precyzyjnych elementów należy analizować współczynnik rozszerzalności dla rzeczywistego zakresu temperatur pracy.
Invar 36 jest materiałem ferromagnetycznym poniżej temperatury Curie. Jego wyjątkowo mała rozszerzalność cieplna jest bezpośrednio związana z właściwościami magnetycznymi stopu.

Obróbka Invaru 36

Invar 36 może być obrabiany plastycznie, spawany oraz obrabiany skrawaniem, jednak uzyskanie bardzo wysokiej stabilności wymiarowej wymaga odpowiedniego prowadzenia procesu technologicznego.
Obróbka skrawaniem powoduje powstawanie naprężeń własnych, które mogą prowadzić do niewielkich zmian wymiarów elementu po zakończeniu produkcji. W przypadku bardzo precyzyjnych komponentów stosuje się odpowiednią kolejność obróbki mechanicznej oraz zabiegi cieplne służące stabilizacji materiału i redukcji naprężeń.
Ma to szczególne znaczenie w przypadku dużych form do kompozytów, elementów optycznych, przyrządów pomiarowych oraz konstrukcji, w których wymagana jest stabilność wymiarowa na poziomie setnych lub tysięcznych części milimetra.

Kovar® – stop do szczelnych połączeń szkło-metal i ceramika-metal

Kovar – Alloy K, W.Nr. 1.3981, NiCo29-18, UNS K94610 jest precyzyjnym stopem żelaza, niklu i kobaltu o kontrolowanym współczynniku rozszerzalności cieplnej.
Typowy skład stopu obejmuje około 29% niklu, 17% kobaltu, a pozostałą część stanowi przede wszystkim żelazo.
W przeciwieństwie do Invaru 36 celem opracowania Kovaru nie było uzyskanie możliwie najmniejszej rozszerzalności cieplnej. Jego skład dobrano tak, aby charakterystyka rozszerzalności cieplnej materiału była odpowiednio dopasowana do wybranych gatunków szkła twardego oraz materiałów ceramicznych.

Dlaczego Kovar stosuje się do połączeń ze szkłem?

W hermetycznym połączeniu metal-szkło jednym z najważniejszych problemów są naprężenia powstające podczas chłodzenia po wykonaniu złącza.
Jeżeli metal kurczy się znacznie szybciej lub wolniej niż szkło, w złączu powstają naprężenia mogące doprowadzić do pękania szkła, rozszczelnienia lub utraty trwałości połączenia.
Kontrolowana rozszerzalność cieplna Kovaru umożliwia ograniczenie tych naprężeń. Dzięki temu stop jest szeroko wykorzystywany do wykonywania hermetycznych przepustów elektrycznych i elektronicznych, obudów, wyprowadzeń oraz połączeń metal-szkło i metal-ceramika.

Właściwości Kovaru

Kovar jest stopem Fe-Ni-Co o gęstości około 8,2 g/cm³. Jego charakterystyka rozszerzalności cieplnej jest ściśle kontrolowana podczas produkcji, ponieważ właśnie ta właściwość decyduje o możliwości wykonywania trwałych połączeń ze szkłem i ceramiką.
Dla zakresu temperatur od temperatury otoczenia do około 400–450°C średni współczynnik rozszerzalności cieplnej Kovaru jest rzędu około 5 × 10^-6/K, przy czym dokładna wartość zależy od analizowanego zakresu temperatur i stanu materiału.
Kovar może być obrabiany plastycznie, tłoczony, ciągniony, obrabiany skrawaniem oraz spawany. W produkcji elementów hermetycznych bardzo istotne znaczenie ma jednak odpowiednie przygotowanie powierzchni i kontrola warstwy tlenkowej uczestniczącej w tworzeniu trwałego połączenia ze szkłem.

Normy i oznaczenia Kovar

Podstawowe oznaczenia materiału to:

Kovar / Alloy K,
UNS K94610,
W.Nr. 1.3981,
NiCo29-18,
ASTM F15.

ASTM F15 określa wymagania dla stopu żelazo-nikiel-kobalt przeznaczonego przede wszystkim do zastosowań wymagających kontrolowanej rozszerzalności cieplnej i wykonywania połączeń uszczelniających.

Zastosowania Kovaru

Kovar jest szeroko stosowany w elektronice, elektrotechnice, technice próżniowej, aparaturze naukowej i urządzeniach specjalistycznych.
Typowe zastosowania obejmują:

hermetyczne przepusty elektryczne,
obudowy elementów elektronicznych,
wyprowadzenia tranzystorów i diod,
obudowy układów scalonych,
lampy elektronowe i mikrofalowe,
urządzenia próżniowe,
elementy aparatury rentgenowskiej,
połączenia metal-szkło,
połączenia metal-ceramika,
elementy czujników i aparatury pomiarowej.

Permalloy® – magnetycznie miękkie stopy niklu i żelaza

Permalloy jest nazwą stosowaną dla rodziny magnetycznie miękkich stopów niklu i żelaza charakteryzujących się bardzo wysoką przenikalnością magnetyczną i małą koercją.
Klasyczne odmiany Permalloy zawierają około 78–80% niklu, a pozostałą część stanowi głównie żelazo. Istnieje jednak wiele odmian stopów Fe-Ni o zmodyfikowanym składzie chemicznym, zawierających między innymi molibden, miedź, chrom lub mangan.
W przeciwieństwie do Invaru i Kovaru najważniejszą właściwością Permalloy nie jest kontrolowana rozszerzalność cieplna, lecz zdolność do bardzo łatwego magnesowania i rozmagnesowywania.

Wysoka przenikalność magnetyczna Permalloy

Przenikalność magnetyczna określa zdolność materiału do przewodzenia strumienia magnetycznego. Stopy Permalloy mogą uzyskiwać bardzo wysoką przenikalność magnetyczną, szczególnie po odpowiedniej obróbce cieplnej.
Jednocześnie charakteryzują się niską koercją, czyli wymagają niewielkiego przeciwnego pola magnetycznego do ich rozmagnesowania.
Połączenie tych właściwości powoduje, że Permalloy zaliczany jest do materiałów magnetycznie miękkich. Materiały tego typu są szczególnie przydatne w urządzeniach, w których pole magnetyczne musi być łatwo skupiane, przewodzone lub ekranowane.

Znaczenie obróbki cieplnej Permalloy

Właściwości magnetyczne Permalloy są wyjątkowo silnie uzależnione od struktury materiału, naprężeń własnych i zastosowanej obróbki cieplnej.
Gięcie, tłoczenie, cięcie, szlifowanie i inne operacje technologiczne mogą wprowadzać naprężenia powodujące istotne pogorszenie przenikalności magnetycznej.
Dlatego elementy wykonane z wysokoprzenikalnych stopów Fe-Ni często poddawane są końcowemu wyżarzaniu magnetycznemu po zakończeniu zasadniczych operacji mechanicznych. Proces prowadzony jest w kontrolowanej atmosferze i ma na celu redukcję naprężeń oraz uzyskanie optymalnej struktury magnetycznej.
Z tego względu właściwości magnetycznych gotowego elementu nie można oceniać wyłącznie na podstawie składu chemicznego materiału wyjściowego.

Zastosowania Permalloy

Stopy magnetycznie miękkie z rodziny Permalloy stosowane są między innymi w:

ekranach magnetycznych,
transformatorach specjalistycznych,
rdzeniach magnetycznych,
przekładnikach i czujnikach prądowych,
cewkach i dławikach,
przekaźnikach,
czujnikach pola magnetycznego,
aparaturze pomiarowej,
urządzeniach telekomunikacyjnych,
elektronice precyzyjnej,
systemach wymagających ochrony przed zewnętrznym polem magnetycznym.

Invar, Kovar i Permalloy – najważniejsze różnice

Choć wszystkie te materiały bazują w znacznym stopniu na układzie żelazo-nikiel, zostały opracowane do zupełnie różnych zastosowań.
Invar 36 stosowany jest przede wszystkim tam, gdzie konieczna jest bardzo wysoka stabilność wymiarowa i minimalizacja zmian wymiarów spowodowanych zmianą temperatury.
Kovar posiada kontrolowaną rozszerzalność cieplną dopasowaną do określonych materiałów szklanych i ceramicznych, dzięki czemu jest podstawowym materiałem do wykonywania wielu rodzajów hermetycznych przepustów i obudów.
Permalloy został opracowany przede wszystkim ze względu na bardzo wysoką przenikalność magnetyczną i niską koercję. Stosowany jest w rdzeniach, czujnikach i ekranach magnetycznych.
Dlatego stopów tych nie należy traktować jako zamienników, mimo że podstawowymi składnikami każdego z nich są żelazo i nikiel.

Inne stopy o kontrolowanej rozszerzalności cieplnej

Oprócz Invaru 36 i Kovaru istnieje szeroka grupa stopów Fe-Ni oraz Fe-Ni-Co, w których zawartość niklu i innych dodatków dobierana jest w celu uzyskania określonej charakterystyki rozszerzalności cieplnej.
Do tej grupy należą między innymi Alloy 42, Alloy 48, Alloy 52 oraz Super Invar. Zwiększanie zawartości niklu w stopach Fe-Ni umożliwia uzyskanie innych charakterystyk rozszerzalności cieplnej, dzięki czemu materiały mogą być dobierane do konkretnego rodzaju szkła, ceramiki lub materiału współpracującego.
Super Invar zawiera dodatkowo kobalt i został opracowany w celu uzyskania jeszcze niższej rozszerzalności cieplnej w określonym zakresie temperatur niż klasyczny Invar 36.

Inne stopy magnetycznie miękkie

Rodzina wysokoprzenikalnych stopów Fe-Ni obejmuje wiele materiałów różniących się zawartością niklu i dodatków stopowych.
Do najbardziej znanych należą Permalloy, Mo-Permalloy, Supermalloy oraz inne stopy niklowo-żelazowe przeznaczone do zastosowań magnetycznych.
Dodatek molibdenu i innych pierwiastków pozwala modyfikować rezystywność elektryczną, przenikalność magnetyczną, koercję oraz charakterystykę magnesowania materiału.
Przy doborze materiału magnetycznie miękkiego należy uwzględnić nie tylko skład chemiczny, lecz również grubość elementu, częstotliwość pola magnetycznego, indukcję roboczą, wymagany poziom ekranowania oraz końcową obróbkę cieplną.

Formy dostawy stopów specjalnych

W zależności od gatunku i specyfikacji stopy o kontrolowanej rozszerzalności cieplnej oraz stopy magnetycznie miękkie mogą być dostarczane między innymi jako:

blachy i płyty,
taśmy i folie,
pręty okrągłe,
pręty płaskie,
druty,
rury i kapilary,
odkuwki,
półfabrykaty i elementy wykonywane według dokumentacji technicznej.

Dostępność konkretnej postaci, wymiaru i stanu materiału zależy od gatunku oraz wymaganych właściwości fizycznych.

Gatunki stopów specjalnych – Invar®, Kovar® i Permalloy

Alloy 36 / Invar 36 / FeNi36 – W.Nr. 1.3912, UNS K93600 – stop Fe-Ni zawierający około 36% Ni, o bardzo małej rozszerzalności cieplnej.
Alloy 42 / Invar 42 / Nilo 42 – W.Nr. 1.3917, UNS K94100 – stop Fe-Ni zawierający około 42% Ni, stosowany między innymi w technice szkło-metal i elektronice.
Alloy 48 – W.Nr. 1.3922, UNS K94840 – stop Fe-Ni zawierający około 48% Ni, o kontrolowanej rozszerzalności cieplnej.
Alloy 52 – stop Fe-Ni zawierający około 50–52% Ni, przeznaczony między innymi do połączeń szkło-metal i zastosowań elektronicznych.
Super Invar – UNS K93500 – stop Fe-Ni-Co opracowany w celu uzyskania wyjątkowo małej rozszerzalności cieplnej.
Kovar / Alloy K – W.Nr. 1.3981, NiCo29-18, UNS K94610 – stop Fe-Ni-Co o kontrolowanej rozszerzalności cieplnej, przeznaczony przede wszystkim do hermetycznych połączeń ze szkłem i ceramiką.
Permalloy – rodzina magnetycznie miękkich stopów Fe-Ni o wysokiej przenikalności magnetycznej; klasyczne odmiany zawierają około 78–80% Ni.
Mo-Permalloy – stop Fe-Ni z dodatkiem molibdenu, przeznaczony do zastosowań wymagających wysokiej przenikalności magnetycznej i małej koercji.
Supermalloy – wysokoprzenikalny stop Fe-Ni-Mo o bardzo dobrych właściwościach magnetycznie miękkich, stosowany między innymi w ekranowaniu i precyzyjnych elementach magnetycznych.

Stopy niklu

Inconel® – superstopy niklu i chromu

Stopy o bardzo wysokiej odporności na utlenianie i pełzanie w wysokich temperaturach. Stosowane w energetyce, lotnictwie i przemyśle chemicznym.
Gatunki: Inconel 600, Inconel 601, Inconel 625, Inconel 686, Inconel 718, Inconel X-750, Inconel HX.

Incoloy® – stopy niklu, żelaza i chromu

Łączą odporność korozyjną z dobrą stabilnością strukturalną. Szczególnie cenione w chemii i petrochemii.
Gatunki: Incoloy 800 H/HT, Incoloy 825, Incoloy 925, Incoloy DS, Incoloy 330, Incoloy A-286.

Nimonic® – superstopy wysokotemperaturowe

Materiały wzmacniane wydzieleniowo, stosowane w lotnictwie i turbinach gazowych. Wyróżniają się wysoką odpornością na pełzanie i zmęczenie cieplne.
Gatunki: Nimonic 75, Nimonic 80A, Nimonic 90, Nimonic 263, Nimonic 901.

Udimet® / Waspaloy® – superstopy do ekstremalnych obciążeń

Stosowane w silnikach lotniczych i energetyce, tam gdzie wymagana jest najwyższa odporność na pełzanie i zmęczenie cieplne.
Gatunki: Udimet 188, Udimet L-605, Waspaloy.

Monel® i czysty nikiel – odporność chemiczna i morska

Monel (stopy niklu z miedzią) i czysty nikiel to materiały odporne na wodę morską, kwasy i zasady. Często stosowane w przemyśle morskim, chemicznym i aparaturze specjalistycznej.
Gatunki: Monel 400, Monel K-500, Nickel 200, Nickel 201.

Stopy specjalne – Invar®, Kovar®, Permalloy

Materiały o unikalnych własnościach fizycznych – niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, stabilność wymiarowa lub kontrolowana przenikalność magnetyczna. Stosowane w elektronice, optyce i aparaturze precyzyjnej.
Gatunki: Invar 36, Kovar, Permalloy, Nilomag 77.