Hợp kim Invar là một hợp kim đặc biệt chủ yếu bao gồm sắt và niken, đặc trưng nhất là hệ số giãn nở nhiệt cực thấp. Tên của nó "Invar" xuất phát từ từ tiếng Anh "bất biến", phản ánh đặc điểm của nó là hầu như không có sự giãn nở hoặc co lại chiều khi thay đổi nhiệt độ. Hợp kim Invar chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị chính xác đòi hỏi độ ổn định kích thước cao, các thành phần kết cấu hàng không vũ trụ, thiết bị quang học và hệ thống lưu trữ khí hóa lỏng.
Thành phần và cấu trúc chính của hợp kim Invar
Thành phần hóa học điển hình của hợp kim Invar là khoảng 63% sắt (Fe), khoảng 36% niken (Ni), phần còn lại là một lượng nhỏ carbon, silicon, mangan và các nguyên tố khác. Đặc tính giãn nở nhiệt thấp của hợp kim bắt nguồn từ sự sắp xếp nguyên tử sắt-niken độc đáo của nó; khi nhiệt độ tăng lên, những thay đổi trong trật tự từ bên trong của hợp kim sẽ chống lại hiệu ứng giãn nở nhiệt của kim loại thông thường.
Các loại hợp kim Invar phổ biến bao gồm: Invar 36, Invar 32-5, Super Invar và Kovar. Invar 36 (còn được gọi là 4J36 hoặc UNS K93600) là model được sử dụng rộng rãi nhất.
Tính chất vật lý của hợp kim Invar
1. Hệ số giãn nở nhiệt cực thấp: Trong phạm vi nhiệt độ từ 20oC đến 100oC, hệ số giãn nở tuyến tính trung bình của nó chỉ khoảng 1,2 × 10⁻⁶/oC, thấp hơn nhiều so với thép cacbon thông thường (khoảng 12 × 10⁻⁶/oC).
2. Mật độ: Khoảng 8,1 g/cm³.
3. Độ dẫn nhiệt: Độ dẫn nhiệt thấp, khoảng 10–14 W/(m·K).
4. Tính chất từ: Hợp kim Invar có tính sắt từ ở nhiệt độ phòng, mất từ tính ở điểm Curie khoảng 230oC.
5. Độ cứng: Độ cứng Brinell ở trạng thái ủ thường là 130–180 HB, có thể được cải thiện thông qua xử lý nguội hoặc xử lý lão hóa.
Ưu điểm và ứng dụng của hợp kim Invar
Ưu điểm lớn nhất của hợp kim Invar nằm ở độ ổn định kích thước cực cao dưới các nhiệt độ khác nhau. Nó duy trì tốc độ giãn nở rất thấp trong phạm vi từ hàng chục độ dưới 0 đến hàng trăm độ C, khiến nó trở nên lý tưởng cho các thành phần kết cấu chính xác và môi trường được kiểm soát nhiệt độ.
Các ứng dụng chính bao gồm:
— Giá đỡ hệ thống quang học, ngàm ống kính, đế giao thoa kế;
— Thiết bị hàng không vũ trụ, các bộ phận kết cấu vệ tinh, vỏ con quay hồi chuyển chính xác;
— Bể chứa khí hóa lỏng (LNG) và kết cấu đường ống;
— Bao bì điện tử, cân dụng cụ, khối đo và các dụng cụ đo lường khác.
Hiệu suất gia công của hợp kim Invar
Mặc dù hợp kim Invar có các đặc tính cơ học tương đối ổn định nhưng khả năng gia công của nó thường được coi là "hơi khó gia công". Những lý do chính bao gồm:
1. Xu hướng làm việc cứng lại đáng kể;
2. Độ dẫn nhiệt kém, dẫn đến nhiệt cắt tập trung;
3. Dễ bị dính dụng cụ và mài mòn dụng cụ.
Nói chung, nên sử dụng các công cụ cacbua sắc bén, tốc độ cắt thấp hơn và chất làm mát cưỡng bức. Nó có khả năng hàn tốt, nhưng nhiệt đầu vào phải được kiểm soát chặt chẽ để tránh làm thô cấu trúc vi mô.
So sánh hợp kim Invar với các vật liệu khác
So với thép carbon thông thường, hợp kim Invar có hệ số giãn nở nhiệt chỉ bằng 1/10; so với thép không gỉ, hợp kim Invar có độ bền thấp hơn một chút nhưng ổn định nhiệt tốt hơn; so với hợp kim titan, hợp kim Invar có độ ổn định kích thước vượt trội ở nhiệt độ thấp, khiến nó không thể thay thế trong các thiết bị đo lường và kỹ thuật đông lạnh.
Điểm tiêu biểu trong nước và quốc tế
— Lớp tiếng Trung: 4J36, 4J32-5, 4J38;
— Số UNS của Hoa Kỳ: K93600 (Invar 36), K93500 (Super Invar);
— Cấp DIN của Đức: 1.3912;
— AFNOR của Pháp: FeNi36.
Hợp kim Invar là một "hợp kim có độ chính xác giãn nở thấp" điển hình được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ, quang học và kỹ thuật đông lạnh do tính ổn định nhiệt và khả năng hàn tuyệt vời của nó. Mặc dù khó xử lý nhưng độ ổn định kích thước của nó gần như không thể thay thế, khiến nó trở thành một trong những vật liệu cơ bản thiết yếu trong kỹ thuật chính xác.
