سبيكة إنفار هي سبيكة خاصة تتكون أساسًا من الحديد والنيكل، وتتميز بشكل خاص بمعامل التمدد الحراري المنخفض للغاية. يأتي اسمها "Invar" من الكلمة الإنجليزية "invariable"، مما يعكس خصائصها المتمثلة في عدم إظهار أي توسع أو انكماش في الأبعاد تقريبًا مع تغيرات درجة الحرارة. تُستخدم سبائك إنفار بشكل أساسي في الأدوات الدقيقة التي تتطلب ثباتًا عالي الأبعاد، والمكونات الهيكلية الفضائية، والمعدات البصرية، وأنظمة تخزين الغاز المسال.
المكونات الرئيسية وهيكل سبائك Invar
التركيب الكيميائي النموذجي لسبائك إنفار هو حوالي 63% حديد (Fe)، وحوالي 36% نيكل (Ni)، والباقي عبارة عن كميات ضئيلة من الكربون والسيليكون والمنغنيز وعناصر أخرى. تنبع خاصية التمدد الحراري المنخفض للسبيكة من ترتيبها الذري الفريد من نوعه بين الحديد والنيكل. ومع ارتفاع درجة الحرارة، فإن التغيرات في الترتيب المغناطيسي الداخلي للسبيكة تعمل على إبطال تأثير التمدد الحراري للمعادن العادية.
تشمل درجات سبائك Invar الشائعة ما يلي: Invar 36، وInvar 32-5، وSuper Invar، وKovar. يعد Invar 36 (المعروف أيضًا باسم 4J36 أو UNS K93600) هو النموذج الأكثر استخدامًا.
الخصائص الفيزيائية لسبائك Invar
1. معامل التمدد الحراري المنخفض للغاية: في نطاق درجة الحرارة من 20 إلى 100 درجة مئوية، يبلغ متوسط معامل التمدد الخطي حوالي 1.2 × 10⁻⁶/°C فقط، وهو أقل بكثير من الفولاذ الكربوني العادي (حوالي 12 × 10⁻⁶/°C).
2. الكثافة: حوالي 8.1 جم/سم3.
3. الموصلية الحرارية: الموصلية الحرارية المنخفضة، حوالي 10-14 واط/(م·ك).
4. الخصائص المغناطيسية: تعتبر سبيكة Invar مغناطيسية حديدية في درجة حرارة الغرفة، وتفقد مغناطيسيتها عند نقطة كوري التي تبلغ حوالي 230 درجة مئوية.
5. الصلابة: صلابة برينل في الحالة الملدنة تكون بشكل عام 130-180 HB، والتي يمكن تحسينها من خلال العمل البارد أو معالجة الشيخوخة.
مزايا وتطبيقات سبائك Invar
تكمن الميزة الكبرى لسبائك Invar في ثبات الأبعاد العالي للغاية تحت درجات حرارة مختلفة. ويحافظ على معدل تمدد منخفض جدًا عبر نطاق يتراوح من عشرات الدرجات تحت الصفر إلى مئات الدرجات المئوية، مما يجعله مثاليًا للمكونات الهيكلية الدقيقة والبيئات التي يتم التحكم في درجة حرارتها.
تشمل التطبيقات الرئيسية ما يلي:
— دعامات النظام البصري، وحوامل العدسات، وقواعد مقياس التداخل؛
— معدات الفضاء الجوي، والمكونات الهيكلية للأقمار الصناعية، وأغطية الجيروسكوب الدقيقة؛
— صهاريج تخزين الغاز المسال وهياكل خطوط الأنابيب؛
— التغليف الإلكتروني، وموازين الأدوات، وكتل القياس، وأدوات القياس الأخرى.
أداء تصنيع سبائك Invar
في حين أن سبيكة Invar تتمتع بخصائص ميكانيكية مستقرة نسبيًا، إلا أن قابليتها للتشغيل الآلي تعتبر بشكل عام "صعبة بعض الشيء في الماكينة". الأسباب الرئيسية تشمل:
1. ميل كبير لتصلب العمل.
2. ضعف التوصيل الحراري، مما يؤدي إلى حرارة القطع المركزة؛
3. عرضة لالتصاق الأدوات وتآكلها.
يوصى عمومًا باستخدام أدوات كربيد حادة وسرعات قطع أقل ومبرد قسري. إنها تتمتع بقابلية لحام جيدة، ولكن يجب التحكم بشكل صارم في مدخلات الحرارة لتجنب خشونة البنية الدقيقة.
مقارنة سبائك Invar مع مواد أخرى
بالمقارنة مع الفولاذ الكربوني العادي، تتمتع سبيكة Invar بمعامل تمدد حراري يبلغ 1/10 فقط؛ بالمقارنة مع الفولاذ المقاوم للصدأ، تتمتع سبيكة Invar بقوة أقل قليلاً ولكن ثبات حراري أفضل؛ بالمقارنة مع سبائك التيتانيوم، تتمتع سبيكة Invar بثبات أبعاد فائق عند درجات حرارة منخفضة، مما يجعلها لا يمكن استبدالها في أدوات الهندسة المبردة وعلم القياس.
الدرجات المحلية والدولية النموذجية
- الدرجات الصينية: 4J36، 4J32-5، 4J38؛
- أرقام UNS الأمريكية: K93600 (Invar 36)، K93500 (Super Invar)؛
- درجة DIN الألمانية: 1.3912؛
- أفنور الفرنسي: FeNi36.
تعتبر سبيكة Invar عبارة عن "سبيكة دقيقة منخفضة التمدد" نموذجية تستخدم على نطاق واسع في مجالات الطيران والبصريات والهندسة المبردة نظرًا لاستقرارها الحراري الممتاز وقابليتها للحام. وعلى الرغم من صعوبة معالجتها، إلا أن ثبات أبعادها يكاد لا يمكن الاستغناء عنه، مما يجعلها واحدة من المواد الأساسية الأساسية في الهندسة الدقيقة.
