La aleación Invar es una aleación especial compuesta principalmente de hierro y níquel, que se caracteriza sobre todo por su coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo. Su nombre "Invar" proviene de la palabra inglesa "invariable", lo que refleja su característica de no exhibir casi ninguna expansión o contracción dimensional con los cambios de temperatura. Las aleaciones Invar se utilizan principalmente en instrumentos de precisión que requieren alta estabilidad dimensional, componentes estructurales aeroespaciales, equipos ópticos y sistemas de almacenamiento de gas licuado.
Componentes principales y estructura de la aleación Invar.
La composición química típica de la aleación Invar es aproximadamente 63% de hierro (Fe), aproximadamente 36% de níquel (Ni), y el resto son trazas de carbono, silicio, manganeso y otros elementos. La característica de baja expansión térmica de la aleación se debe a su disposición atómica única de hierro y níquel; A medida que aumenta la temperatura, los cambios en el orden magnético interno de la aleación contrarrestan el efecto de expansión térmica de los metales ordinarios.
Los grados comunes de aleación Invar incluyen: Invar 36, Invar 32-5, Super Invar y Kovar. Invar 36 (también conocido como 4J36 o UNS K93600) es el modelo más utilizado.
Propiedades físicas de la aleación Invar
1. Coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo: dentro del rango de temperatura de 20 ℃ a 100 ℃, su coeficiente promedio de expansión lineal es solo de aproximadamente 1,2 × 10⁻⁶/℃, mucho más bajo que el del acero al carbono ordinario (aproximadamente 12 × 10⁻⁶/℃).
2. Densidad: Aproximadamente 8,1 g/cm³.
3. Conductividad térmica: Baja conductividad térmica, aproximadamente 10–14 W/(m·K).
4. Propiedades magnéticas: la aleación Invar es ferromagnética a temperatura ambiente y pierde su magnetismo en su punto Curie de aproximadamente 230 ℃.
5. Dureza: La dureza Brinell en estado recocido es generalmente de 130 a 180 HB, que puede mejorarse mediante trabajo en frío o tratamiento de envejecimiento.
Ventajas y aplicaciones de la aleación Invar
La mayor ventaja de la aleación Invar radica en su extremadamente alta estabilidad dimensional bajo temperaturas variables. Mantiene una tasa de expansión muy baja en un rango que va desde decenas de grados bajo cero hasta cientos de grados Celsius, lo que lo hace ideal para componentes estructurales de precisión y entornos con temperatura controlada.
Las aplicaciones principales incluyen:
— Soportes de sistemas ópticos, monturas de lentes, bases de interferómetros;
— Equipos aeroespaciales, componentes estructurales de satélites, carcasas de giroscopios de precisión;
— tanques de almacenamiento de gas licuado (GNL) y estructuras de tuberías;
— Embalajes electrónicos, básculas de instrumentos, bloques patrón y otras herramientas de medición.
Rendimiento de mecanizado de la aleación Invar
Si bien la aleación Invar tiene propiedades mecánicas relativamente estables, su maquinabilidad generalmente se considera "ligeramente difícil de mecanizar". Las principales razones incluyen:
1. Tendencia significativa al endurecimiento laboral;
2. Mala conductividad térmica, lo que resulta en calor de corte concentrado;
3. Propenso a que las herramientas se peguen y se desgasten.
Generalmente se recomienda utilizar herramientas de carburo afiladas, velocidades de corte más bajas y refrigerante forzado. Tiene buena soldabilidad, pero el aporte de calor debe controlarse estrictamente para evitar el engrosamiento de la microestructura.
Comparación de la aleación Invar con otros materiales
En comparación con el acero al carbono ordinario, la aleación Invar tiene un coeficiente de expansión térmica de sólo 1/10; en comparación con el acero inoxidable, la aleación Invar tiene una resistencia ligeramente menor pero una mejor estabilidad térmica; En comparación con las aleaciones de titanio, la aleación Invar tiene una estabilidad dimensional superior a bajas temperaturas, lo que la hace insustituible en instrumentos de metrología e ingeniería criogénica.
Grados típicos nacionales e internacionales
— Calidades chinas: 4J36, 4J32-5, 4J38;
— Números UNS de EE. UU.: K93600 (Invar 36), K93500 (Super Invar);
— Grado DIN alemán: 1.3912;
— AFNOR francés: FeNi36.
La aleación Invar es una típica "aleación de precisión de baja expansión" ampliamente utilizada en los campos de la ingeniería aeroespacial, óptica y criogénica debido a su excelente estabilidad térmica y soldabilidad. Aunque es difícil de procesar, su estabilidad dimensional es casi insustituible, lo que lo convierte en uno de los materiales básicos esenciales en la ingeniería de precisión.
