Сплав железа с никелем: его свойства и особенности

Инвар (сплав железа с никелем) просто необходим для создания высокоточных механических систем, одним из требований к которым является сохранение стабильных размеров при изменении температуры. Ни один из природных материалов такими свойствами не обладает.

Именно поэтому прецизионный сплав инвар сегодня настолько востребован предприятиями. Он применяется в самых разных сферах человеческой деятельности, например, в приборостроении, бытовой электронике. И адекватную замену ему пока не нашли.

Понятие прецизионных сплавов

Прецизионные сплавы отличаются от любых других тем, что в них основной металл обретает предварительно выбранные дополнительные характеристики. Они имеют уникальные физические, химические и механические свойства. Нужно понимать, что особенности сплава зависят от содержания в нем каждого из компонентов, таких как железо, никель, медь, кобальт и другие металлы.

Отдельно стоит сказать о прецизионных сплавах с «аномальными свойствами», как их принято обозначать. Их физические характеристики могут сохраняться либо претерпевают минимальные изменения под действием таких внешних факторов, как:

• температура;
• магнитное и электрическое поле, а именно здесь важны такие их свойства, как амплитуда, частота, фаза, поляризация;
• изменение уровня механической нагрузки;
• реактивные среды.

Чаще всего используются примерно двенадцать прецизионных сплавов, в том числе: элинвар, константан, перминвар, манганин, инвар. Инваром называется сплав никеля с железом, о котором говорится в данной статье.

Краткая характеристика железа и никеля

Железо в чистом виде имеет серебристо-серый цвет, является пластичным, ковким. Его самородки обладают заметным металлическим блеском, кроме того, отличаются значительной твердостью. Электропроводность также находится на высоком уровне, ведь металл легко передает ток за счет свободных электронов.

Железо имеет среднюю тугоплавкость, становится мягким при температуре +1 539 °C, из-за чего утрачивает свои ферромагнитные свойства. Данный элемент является химически активным, поэтому в нормальных условиях быстро реагирует с другими веществами.

При повышении температуры эти свойства проявляются еще ярче.

Находясь на воздухе, окисляется, в результате чего на его поверхности появляется оксидная пленка – именно она останавливает дальнейшую реакцию. При повышенной влажности на железе формируется ржавчина, что не мешает металлу и сплавам на его основе активно использоваться в промышленности.

Самородки никеля встречаются в железных метеоритах, а в более привычных условиях этот металл находят в сочетании с другими химическими элементами. Если говорить точнее, то для получения сплава, состоящего из железа и никеля, последний компонент получают из сульфидных, медно-никелевых руд:

• никелин – помимо никеля, содержит мышьяк;
• хлоантит – белый колчедан, в составе которого есть кобальт и железо;
• гарниерит – силикатная порода с долей магния;
• магнитный колчедан – представляет собой смесь серы, железа, меди;
• герсдорфит – имеет мышьяково-никелевый блеск;
• пентландит – содержит серу, железо, никель.

История открытия сплава железа и никеля

Инвар представляет собой сплав железа с никелем, причем на легирующий компонент приходится 36% от общей массы. Этот металл появился в 1896 году во Франции, а его создателем стал физик Шарль Гийом, который искал доступный по цене материал для эталонов мер массы и длины. Прежде для их производства использовали дорогой сплав на основе платины и иридия. 

За свое открытие физик был удостоен Нобелевской премии в 1920 году.

Разнообразие названий объясняется тем, что инвар является торговым брендом французской компании Imphy Alloys. Ведь именно она первой начала промышленное производство данного сплава железа с никелем. Правда, наименование продукта звучит как «Invar 36».

Процесс изготовления сплава

По своим внешним характеристикам и на ощупь инвар похож на сталь.

И это вполне логично, ведь речь идет о сплаве черных металлов, где железо играет роль главной составляющей. В инваре содержится в пределах 0,01–0,1% углерода, но обычно это показатель находится у нижней границы, так как речь идет об очень чистом металле.

Для производства данного сплава железа и никеля применяют гальванический метод. Сопоставление свойств интересующих нас металлов показало, что создать инвар не так сложно. Но проблема оказалась в том, что в результате реакции железо переходит из двухвалентного в трехвалентное состояние. Этот побочный эффект и вызвал основные трудности при изготовлении столь важного сплава, приводя к сниженному выходу материала и понижению его физических характеристик.

Сократить негативный эффект удалось за счет комплекса добавок, содержащего органические вещества, кислоты, амины. Таким образом получили соединения низкой растворимости с трехвалентным железом, улучшив качества материала.

Избавиться от осадка позволяет метод эффективной диффузии электролитического раствора. Последний содержит в себе сернокислое железо, борную кислоту, сахарин, сернокислый никель и сульфат натрия.

При использовании пластин никеля и железа важно учитывать размер пластины. В некоторых случаях соединения получают при помощи электрических печей.

Структура полученного сплава

При плавлении сплав железа с никелем представляет собой растворенное твердое железо в никелевой основе. За счет подобного соединения удается повысить температуру структурной устойчивости на 200 °С. Проникновение никеля в железо происходит при достижении +500 °С, а ускорение наблюдается только при +800 °С.

Составляющая FeNi3 является основным структурным элементом сплава, поэтому содержание никеля доходит до 55%. Данный эффект связан с температурой обработки материала. Стоит оговориться, что предельная доля никеля составляет 60%.

Немаловажно, что одно железо в составе сплава не позволяет придать материалу необходимые свойства. Настолько важная временная стабильность инвара объясняется присутствием углерода и прочих примесей. К ним относятся кобальт, хром, углерод, марганец, фосфор.

Также в составе сплава железа с никелем может быть кремний, сера, алюминий, магний, цирконий, титан. Их доля во многом определяется спецификацией сплава и производством. Так, суперинвар включает в себя примерно 5% кобальта, что достигается за счет отказа от 5% никеля. В еще одном варианте сплава – коваре – присутствует 54% железа, 29% никеля, 17% кобальта.

Физические и химические свойства сплава

Основными физическими характеристиками сплава железа с никелем являются:

• температура плавления +1 430 °C;
• предел механической прочности 49 кгс/мм2;
• плотность стандартного сплава 8 130 кг/м³.

Названные физические свойства являются уникальными и связаны с химическими особенностями инвара:

• характерно выраженная однофазная структура;
• низкий коэффициент теплового расширения, так как во время повышения температуры общее тепловое расширение компенсируется магнитострикционным снижением объемного показателя.

Благодаря названным физическим, химическим характеристикам металл имеет такие важные положительные качества:

• повышенная устойчивость к механическим воздействиям, за счет чего из сплава железа с никелем можно изготавливать механизмы, функционирующие в условиях серьезных нагрузок;
• высокая внутренняя магнитная проницаемость элементов, состоящих из инвара;
• постоянный КТР, позволяющий применять металл для изготовления компонентов приборов, датчиков;
• способность сохранять неизменные характеристики даже в агрессивных средах;
• устойчивость к появлению ржавчины;
• пластичность.

Защитить металл от корродирования позволяет специальная полировка. Повышенная устойчивость к воздействию агрессивной внешней среды достигается посредством нанесения защитных покрытий.

Сферы применения инвара

Этот сплав железа с никелем производят в виде проволоки, тонкой плоской ленты либо могут придавать иную форму по желанию заказчика. Например, иногда требуются небольшие листы, прутки, лента из инвара. В процессе изготовления удается улучшить свойства металла при помощи особых технологических условий, таких как плавка с последующей термической обработкой, специфическая деформация и обработка поверхности.

Разные виды инвара используют для создания переходов от металла к стеклу, производства мембранных емкостей, применяемых в процессе транспортировки сжиженного газа. В микроэлектронике сплав железо плюс никель играет роль подложек чипов, корпусов лазерных установок, волноводов. Не так давно появился надежный способ сварки инвара, за счет чего металл стал применяться в еще большем числе отраслей.

Поскольку речь идет именно о магнитном сплаве железа с никелем, что объясняется наличием внутреннего магнетизма у его основных компонентов, инвар активно используется в электротехнике. Он является материалом для постоянных магнитов, сердечников трансформаторов, электроизмерительных приборов, электромагнитов.

Данный сплав применяется в производстве деталей приборов, измерительной и экспериментальной аппаратуры, обеспечивая им способность сохранять линейные размеры при любых внешних условиях.

Без инвара сегодня не обходится производство датчиков, преобразователей энергии, он играет роль компонента в биметаллических элементах. Особые характеристики позволили использовать этот металл по его первоначальному назначению – как материал эталонов длины и массы.

Однако малые размеры деталей, сложность, высокая цена производства элементов из прецизионных металлов приводят к тому, что все оборудование, компоненты которого состоят из инвара, должно эксплуатироваться с особой осторожностью.

В современной промышленности используются только сплавы. Так, почти все добываемое в мире железо идет на производство чугунов и сталей. Это связано с тем, что сплавы превосходят чистые металлы по своим свойствам, ведь их характеризуют такие качества, как прочность, твердость, упругость, пластичность. А сплавы железа с никелем, помимо прочего, имеют магнитные свойства. На предприятиях их дополнительно усиливают за счет легирования.