invar 36 Wärmeausdehnungskoeffizient

Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Invar 36 ist im Vergleich zu den meisten technischen Metallen sehr niedrig. Bei Raumtemperatur hat Invar 36 im Allgemeinen einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 1,2 bis 1,6 ppm/°C, je nach Materialzustand, Temperaturbereich, Wärmebehandlung und Prüfverfahren. Diese extrem niedrige thermische Ausdehnung ist der Hauptgrund dafür, dass Invar 36, auch bekannt als UNS K93600, W.Nr. 1.3912, FeNi36 und Ni36, in großem Umfang für Präzisionswerkzeuge, Verbundwerkstoffformen für die Luft- und Raumfahrt, Messstäbe, optische Rahmen, wissenschaftliche Instrumente, kryogene Geräte und Komponenten verwendet wird, die stabile Abmessungen bei Temperaturänderungen erfordern. Invar 36 hat jedoch nicht bei allen Temperaturen den gleichen Ausdehnungskoeffizienten. Seine thermische Ausdehnung bleibt in der Nähe der Raumtemperatur und bei vielen Anwendungen im kryogenen bis mittleren Temperaturbereich sehr gering, aber die Ausdehnungsrate nimmt mit steigender Temperatur zu, insbesondere oberhalb des normalen Bereichs mit geringer Ausdehnung.

Invar 36 Wärmeausdehnungskoeffizient Übersicht

Invar 36 ist eine Nickel-Eisen-Legierung mit kontrollierter Ausdehnung, die für Anwendungen entwickelt wurde, bei denen Maßänderungen minimiert werden müssen. Seine wichtigste Eigenschaft ist nicht die hohe Festigkeit, die hohe Härte oder die starke Korrosionsbeständigkeit. Ihr Hauptvorteil ist die extrem geringe Wärmeausdehnung. Wenn sich die Temperatur ändert, dehnen sich gewöhnliche Metalle aus oder ziehen sich zusammen. Invar 36 dehnt sich viel weniger aus, so dass das fertige Teil stabilere Abmessungen beibehalten kann.

Diese Eigenschaft ist besonders in der Feinmechanik wertvoll. Ein langer Messstab, eine Form aus Verbundwerkstoff, ein optischer Rahmen oder ein wissenschaftlicher Instrumententräger kann an Genauigkeit verlieren, wenn sich das Material bei Temperaturschwankungen zu stark ausdehnt. Invar 36 trägt dazu bei, dieses Problem zu verringern, da sein Wärmeausdehnungskoeffizient weitaus geringer ist als der von Kohlenstoffstahl, rostfreiem Stahl, Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen und vielen gängigen Nickellegierungen.

Zusammenfassung der grundlegenden thermischen Ausdehnung

Direkte Antwort: Wie hoch ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von Invar 36?

Die direkte Antwort lautet: Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Invar 36 liegt in der Regel bei 1,2 bis 1,6 × 10-⁶ /°C in der Nähe der Raumtemperatur, was oft als 1,2 bis 1,6 ppm/°C oder 1,2 bis 1,6 µm/m-°C angegeben wird. Dieser Wert kann je nach Prüftemperaturbereich, Wärmebehandlungsbedingungen, Kaltumformung, chemischer Zusammensetzung und Produktform variieren.

Für den praktischen technischen Gebrauch sollten Käufer eine CTE-Zahl nicht als universell für jede Invar 36 Stange, Platte oder jedes bearbeitete Teil betrachten. Ein von 20°C bis 100°C gemessener Koeffizient kann sich von einem Koeffizienten unterscheiden, der von 20°C bis 200°C oder von kryogener Temperatur bis Raumtemperatur gemessen wurde. Daher ist der richtige Weg, den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Invar 36 zu spezifizieren, den Temperaturbereich und den Materialzustand zu definieren und anzugeben, ob ein CTE-Prüfbericht erforderlich ist.

Direkte CTE-Referenztabelle

Invar 36 UNS K93600 / W.Nr. 1.3912 Werkstoffkennzeichnung

Invar 36 wird im Allgemeinen als UNS K93600 und W.Nr. 1.3912 bezeichnet. Diese Bezeichnungen sind wichtig, da Legierungen mit kontrollierter Ausdehnung leicht verwechselt werden können. Invar 36, Kovar, Super Invar, Alloy 42 und andere Fe-Ni- oder Fe-Ni-Co-Legierungen können in Stangen- oder Plattenform ähnlich aussehen, aber ihr Wärmeausdehnungskoeffizient und ihr Anwendungsbereich sind unterschiedlich.

Beim Kauf von Invar 36 Rundstäben, Flachstäben, Platten oder präzisionsbearbeitetem Material sollte das Materialzertifikat eindeutig den korrekten Sortennamen und die korrekte Bezeichnung ausweisen. Für internationale Käufer ist UNS K93600 besonders nützlich, da es eine eindeutige Materialidentität für verschiedene Lieferanten und Länder bietet.

Gemeinsame Bezeichnungen

Warum eine korrekte Identifizierung wichtig ist

Wenn ein Projekt die Wärmeausdehnungsleistung von Invar 36 erfordert, sollte eine andere Legierung mit geringer Ausdehnung nicht ohne technische Genehmigung ersetzt werden. Kovar eignet sich möglicherweise besser für Glas-Metall-Dichtungen, während Super Invar eine geringere Ausdehnung in der Nähe der Raumtemperatur bietet, aber einen engeren praktischen Temperaturbereich hat. Der erste Schritt vor der Überprüfung des Wärmeausdehnungskoeffizienten ist die korrekte Identifizierung des Materials.

Warum Invar 36 einen extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat

Invar 36 hat aufgrund seiner speziellen Eisen-Nickel-Zusammensetzung einen extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Legierung enthält etwa 36% Nickel und den Rest Eisen. Bei dieser Zusammensetzung zeigt das Material den bekannten Invar-Effekt, bei dem die normale Wärmeausdehnung durch das magnetische und atomare Verhalten des Fe-Ni-Legierungssystems stark reduziert wird.

Die meisten Metalle dehnen sich mit steigender Temperatur aus, weil die Atome stärker schwingen und der Gitterabstand zunimmt. Invar 36 verhält sich in einem nützlichen Temperaturbereich anders. Sein internes magnetisches Verhalten gleicht einen Teil der normalen Wärmeausdehnung aus, was zu einer ungewöhnlich geringen Dimensionsänderung führt.

Die Rolle von 36% Nickel

Der Nickelgehalt ist entscheidend. Weicht der Nickelgehalt erheblich vom erforderlichen Bereich ab, kann der Invar-Effekt nachlassen. Aus diesem Grund ist die Kontrolle der chemischen Zusammensetzung von entscheidender Bedeutung. Invar 36 ist nicht einfach “Eisen plus Nickel”. Es muss das richtige Nickel-Eisen-Gleichgewicht aufweisen, um das erwartete geringe Wärmeausdehnungsverhalten zu erreichen.

Zusammensetzung und thermische Stabilität

Der Wärmeausdehnungskoeffizient kann auch durch Restelemente, Kaltarbeit, Glühen, Spannungsabbau und die thermische Vorgeschichte beeinflusst werden. Bei Präzisionsanwendungen sollten Käufer nicht nur die Sortenbezeichnung prüfen, sondern auch die chemische Zusammensetzung, den Wärmebehandlungszustand und ggf. die CTE-Prüfdaten.

Invar 36 Wärmeausdehnungskoeffizient bei Raumtemperatur

Bei Raumtemperatur und in raumnahen Temperaturbereichen zeigt Invar 36 seine beste Leistung bei geringer Ausdehnung. Ein üblicher Referenzbereich ist etwa 1,2 bis 1,6 ppm/°C von Raumtemperatur bis etwa 100°C, obwohl die tatsächlichen Werte je nach Spezifikation und Materialbeschaffenheit variieren können.

Aufgrund des niedrigen WAK bei Raumtemperatur eignet sich Invar 36 für Messwerkzeuge, optische Fassungen, Laborgeräte, Präzisionsstäbe, Kalibrierungsgeräte und Komponenten, die in Werkstätten oder Labors verwendet werden, wo die Temperatur schwanken kann, die Maßgenauigkeit aber stabil bleiben muss.

CTE bei Raumtemperatur Bedeutung

Beispiel einer Dimensionsänderung

Wenn ein 1 Meter langer Stab aus Invar 36 einen WAK von 1,5 µm/m-°C hat, bewirkt eine Temperaturänderung von 10°C eine Längenänderung von etwa 15 µm. Ein Stab aus Kohlenstoffstahl kann sich unter den gleichen Bedingungen um ein Vielfaches mehr ausdehnen. Aus diesem Grund ist Invar 36 für Präzisionsrahmen und Messteile geeignet.

Wärmeausdehnungskoeffizient von Invar 36 in verschiedenen Temperaturbereichen

Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Invar 36 ändert sich mit der Temperatur. Im normalen Niedrigausdehnungsbereich bleibt er sehr niedrig, steigt aber mit zunehmender Temperatur an. Für die technische Auslegung muss das Temperaturintervall angegeben werden. Ein WAK-Wert von 20°C bis 100°C ist nicht dasselbe wie ein WAK-Wert von 20°C bis 300°C.

Typischer Temperaturbereich Referenz

Warum ein Temperaturbereich angegeben werden muss

Wenn ein Käufer nur “Invar 36 mit niedrigem WAK” verlangt, kann der Lieferant Standardmaterialdaten liefern. Handelt es sich bei der Anwendung jedoch um Werkzeuge für die Luft- und Raumfahrt, optische Positionierung, kryogene Montage oder Messgeräte, kann der genaue WAK-Bereich von Bedeutung sein. Eine klare Spezifikation sollte den Temperaturbereich angeben, z. B. 20°C bis 100°C oder 20°C bis 200°C.

Wärmeausdehnungskoeffizient Einheit: ppm/°C und µm/m-°C

Der Wärmeausdehnungskoeffizient wird oft in verschiedenen Einheiten angegeben. Für Invar 36 können Käufer ppm/°C, µm/m-°C, ×10-⁶/°C oder ×10-⁶/K angeben. Diese Einheiten sind eng miteinander verwandt und für praktische technische Zwecke oft numerisch gleichwertig.

Einheit Erläuterung

Einfache Konvertierung

In praktischen Werkstofftabellen ist 1 ppm/°C gleich 1 µm/m-°C und entspricht 1 × 10-⁶/°C. Wenn also in einem Invar-36-Datenblatt 1,5 × 10-⁶/°C angegeben ist, können Käufer dies auch als 1,5 ppm/°C oder 1,5 µm/m-°C lesen.

Thermische Ausdehnungsleistung von kryogenen bis moderaten Temperaturen

Invar 36 verfügt über eine nützliche Leistung mit geringer Ausdehnung von kryogenen Temperaturen bis hin zu moderaten Temperaturen. Aus diesem Grund wird die Legierung nicht nur in Präzisionsinstrumenten für Raumtemperaturen verwendet, sondern auch in Flüssiggas, wissenschaftlichen Geräten für niedrige Temperaturen, kryogenen Trägern und Luft- und Raumfahrtsystemen, die kalten Bedingungen ausgesetzt sind.

Kryogenische Leistung

Bei kryogenen Temperaturen ziehen sich viele Werkstoffe stark zusammen und können spröde werden. Invar 36 zeichnet sich durch geringe Kontraktion und gute Zähigkeit aus und eignet sich daher gut für Komponenten, die bei kalten Temperaturen eingesetzt werden. Dies ist wichtig für LNG-Systeme, Flüssiggastransport, Tieftemperaturinstrumente und wissenschaftliche Geräte.

Leistung bei moderaten Temperaturen

Bei moderaten Temperaturen weist Invar 36 immer noch eine geringere Ausdehnung auf als die meisten anderen technischen Metalle. Mit zunehmender Temperatur steigt der Ausdehnungskoeffizient jedoch an. Bei Anwendungen in der Nähe von 200°C oder darüber sollte der Konstrukteur vor der endgültigen Auswahl detaillierte Daten zur Wärmeausdehnung prüfen.

Auswahl des Temperaturbereichs

Einfluss des Nickelgehalts auf die Wärmeausdehnung von Invar 36

Der Nickelgehalt hat einen direkten Einfluss auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Invar 36. Die Legierung ist auf einen Nickelgehalt von etwa 36% ausgelegt, da diese Zusammensetzung das als Invar-Effekt bekannte geringe Ausdehnungsverhalten bewirkt. Wenn sich der Nickelgehalt zu stark ändert, kann sich der Ausdehnungskoeffizient ändern und das Material nicht mehr die erwartete Leistung erbringen.

Anforderung an den Nickelgehalt

Ein üblicher Bereich für die Zusammensetzung von Invar 36 liegt zwischen 35% und 37% Nickel, mit Eisen als Ausgleich. Dieser Bereich sollte im MTC überprüft werden. Für Präzisionsanwendungen ist die Überprüfung der Zusammensetzung wichtig, da das Wärmeausdehnungsverhalten vom richtigen Fe-Ni-Gleichgewicht abhängt.

Restliche Elemente sind wichtig

Obwohl Nickel und Eisen die Hauptelemente sind, können Restelemente wie Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Schwefel, Phosphor, Kobalt und Chrom das Materialverhalten ebenfalls beeinflussen. Sie sollten innerhalb des geforderten Standardbereichs bleiben. Bei strengen WAK-Anwendungen können die Käufer zusätzliche Tests verlangen, anstatt sich nur auf die Chemie zu verlassen.

Einfluss von Wärmebehandlung und Glühzustand auf die Ausdehnungsstabilität

Wärmebehandlung und Werkstoffzustand können die Ausdehnungsstabilität von Invar 36 beeinflussen. Glühen, Spannungsabbau, Kaltverformung, künstliche Alterung und thermische Vorgeschichte können die Eigenspannung und den mikrostrukturellen Zustand verändern. Bei hochpräzisen Bauteilen kann dies die endgültige Maßhaltigkeit beeinflussen.

Geglühter Zustand

Geglühte Invar 36 Stäbe oder Platten bieten in der Regel eine bessere Duktilität und geringere Eigenspannungen. Dies ist hilfreich für die Präzisionsbearbeitung, den Formenbau, Messwerkzeuge und optische Komponenten. Wenn das Teil enge Abmessungen einhalten muss, wird häufig ein geglühtes oder spannungsarmes Material bevorzugt.

Kaltarbeitseffekt

Kaltziehen oder Kaltverformung kann die Festigkeit und die Maßtoleranz verbessern, aber es können Eigenspannungen entstehen. Einige Kaltverformungszustände können den Ausdehnungskoeffizienten geringfügig verringern, aber der Zustand bleibt bei höheren Temperaturen möglicherweise nicht stabil. Bei Präzisionsanwendungen sollte die Kaltverformung sorgfältig kontrolliert werden.

Spannungsabbau nach der Bearbeitung

Große oder präzise Invar 36 Teile können sich während der Bearbeitung bewegen, wenn innere Spannungen freigesetzt werden. Ein gängiges Verfahren ist die Vorbearbeitung, das Spannungsfreiglühen und die anschließende Fertigbearbeitung. Dies trägt zur Verbesserung der Maßhaltigkeit des fertigen Bauteils bei.

Dimensionsstabilität von Invar 36 Rundstahl und Platten

Invar 36 Rundstahl und Platten werden beide aus Gründen der Dimensionsstabilität verwendet, aber ihre Verarbeitungsanforderungen können unterschiedlich sein. Rundstahl wird üblicherweise zu Stangen, Wellen, Stiften, Abstandshaltern, Stützen und feinmechanischen Teilen verarbeitet. Platten werden in der Regel für Verbundwerkzeuge, Formböden, Rahmen, Platten und flache Präzisionsstrukturen verwendet.

Invar 36 Rundstab

Invar 36 Rundstahl eignet sich für Präzisionswellen, Messstangen, Führungsstifte, Abstandshalter und zylindrisch bearbeitete Teile. Bei diesen Anwendungen sind Durchmessertoleranz, Geradheit, Oberflächengüte und Eigenspannung wichtig. Präzisionsgeschliffener Rundstahl kann die Bearbeitungszeit verkürzen und die Endgenauigkeit verbessern.

Invar 36 Platte

Invar 36 Platten werden häufig für Verbundwerkstoffformen in der Luft- und Raumfahrt, Werkzeugplatten, Rahmen und große Präzisionsstrukturen verwendet. Bei Plattenanwendungen sind Ebenheit, Eigenspannung, Dickentoleranz und Spannungsabbau wichtig. Große Platten können eine sorgfältige Bearbeitungsreihenfolge erfordern, um Verformungen zu vermeiden.

Faktoren für die Dimensionsstabilität

Wärmeausdehnung von Invar 36 im Vergleich zu Edelstahl und Kohlenstoffstahl

Invar 36 hat einen viel geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Edelstahl und Kohlenstoffstahl. Dieser Unterschied ist der Hauptgrund dafür, dass Invar 36 für Präzisionsteile verwendet wird, bei denen sich gewöhnlicher Stahl zu stark ausdehnen würde.

Vergleich der thermischen Ausdehnung

Praktische Bedeutung des Vergleichs

Wenn in einem optischen Präzisionssystem eine Fassung aus Aluminium oder Edelstahl verwendet wird, können Temperaturschwankungen die Ausrichtung verändern. Bei Verwendung einer Fassung aus Invar 36 ist die Änderung der Abmessungen viel geringer. Aus diesem Grund wird Invar 36 oft gewählt, obwohl es teurer und schwerer ist als viele andere Metalle.

Invar 36 gegenüber Kovar und Super Invar Wärmeausdehnungsunterschied

Invar 36, Kovar und Super Invar sind alle Legierungen mit kontrollierter Ausdehnung, werden aber nicht für denselben Zweck verwendet. Ihr Wärmeausdehnungsverhalten und ihre Anwendungslogik sind unterschiedlich.

Invar 36 gegen Kovar

Kovar ist eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung mit kontrollierter Ausdehnung, die hauptsächlich für die Ausdehnung von Hartglas und Keramik entwickelt wurde. Sie wird häufig für hermetische Dichtungen, elektronische Gehäuse, Glas-Metall-Dichtungen, Vakuumröhren, Sensoren und Keramik-Metall-Baugruppen verwendet. Invar 36 wird in der Regel wegen seiner geringen Ausdehnung und Dimensionsstabilität ausgewählt, nicht für Glasdichtungen.

Invar 36 gegen Super Invar

Super Invar kann eine noch geringere Wärmeausdehnung aufweisen als Invar 36 bei Raumtemperatur. Super Invar hat jedoch einen engeren nutzbaren Temperaturbereich und ist möglicherweise empfindlicher gegenüber Temperatur und Verarbeitungsbedingungen. Invar 36 wird häufiger verwendet, weil es ein praktisches Gleichgewicht zwischen geringer Ausdehnung, Verfügbarkeit, Bearbeitbarkeit, Zähigkeit und Temperaturbereich bietet.

Beratung bei der Auswahl

Wählen Sie Invar 36, wenn die Hauptanforderung stabile Abmessungen bei normalen Temperaturschwankungen oder bei kryogener bis mäßiger Temperaturanwendung ist. Wählen Sie Kovar, wenn eine Anpassung der Ausdehnung an Glas oder Keramik erforderlich ist. Wählen Sie Super Invar nur, wenn eine extrem geringe Ausdehnung bei Raumtemperatur wichtiger ist als ein breiter Temperaturbereich und allgemeine Verfügbarkeit.

Anwendungen, die eine geringe Wärmeausdehnung erfordern Invar 36

Invar 36 wird in vielen Anwendungen eingesetzt, bei denen eine geringe Wärmeausdehnung die Hauptanforderung an die Konstruktion ist. Es wird nicht nur ausgewählt, weil es eine Nickellegierung ist. Sie wird ausgewählt, weil sie hilft, Maßfehler, thermische Spannungen, Ausrichtungsänderungen und Messabweichungen zu reduzieren.

Verbundwerkstoff-Werkzeuge für die Luft- und Raumfahrt

In Formen für Verbundwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrt wird häufig Invar 36 verwendet, da die Werkzeuge während der Erwärmungs- und Abkühlungszyklen ihre genaue Form beibehalten müssen. Die geringe Ausdehnung trägt zur Verbesserung der Genauigkeit und Wiederholbarkeit der fertigen Verbundwerkstoffteile bei.

Präzisionsmessgeräte

Messstäbe, Kalibrierrahmen, Messkomponenten und Prüfvorrichtungen verwenden Invar 36, um temperaturbedingte Fehler zu reduzieren. Dies ist wichtig in der Messtechnik, bei Laborgeräten und in der Hochpräzisionsfertigung.

Optische und Lasersysteme

Optische Rahmen, Laserträger, Teleskopkomponenten und Instrumentenstrukturen verwenden Invar 36, um die Ausrichtung beizubehalten. Kleine thermische Bewegungen können zu großen optischen Fehlern führen, daher ist das Material mit geringer Ausdehnung so wertvoll.

Kryogenische und LNG-Ausrüstung

Invar 36 wird in kryogenen Anwendungen eingesetzt, da es eine geringe Kontraktion und gute Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen aufweist. Es kann dazu beitragen, thermische Fehlanpassungen bei der Lagerung von LNG, dem Transport von Flüssiggas und wissenschaftlichen Tieftemperatursystemen zu verringern.

Elektronik und wissenschaftliche Instrumente

Elektronische Rahmen, Sensorträger, Satellitenkomponenten und wissenschaftliche Instrumente können Invar 36 verwenden, wenn thermische Stabilität erforderlich ist. Bei diesen Anwendungen kann eine Maßabweichung die Signalgenauigkeit, die Ausrichtung oder die Montageleistung beeinträchtigen.

Wie man Invar 36 für Anwendungen mit geringer Ausdehnung spezifiziert

Eine eindeutige Materialanfrage sollte Sorte, UNS-Nummer, Produktform, Größe, Menge, Lieferzustand, Oberflächengüte, Toleranz, MTC-Anforderung und CTE-Anforderung enthalten. Zum Beispiel: Invar 36 Rundstab, UNS K93600 / W.Nr. 1.3912, Durchmesser 25 mm, präzisionsgeschliffene Oberfläche, geglühter Zustand, mit MTC und Wärmeausdehnungskoeffiziententest von 20°C bis 100°C. Diese Art von Anfrage hilft dem Lieferanten, das richtige Material für die jeweilige Anwendung anzubieten und zu liefern.

Invar 36 Wärmeausdehnungskoeffizient Verwandte Fragen

Wie hoch ist der CTE von Invar 36?

Der WAK von Invar 36 beträgt in der Regel etwa 1,2 bis 1,6 ppm/°C bei Raumtemperatur, je nach Temperaturbereich, Wärmebehandlung, Kaltverformung, Zusammensetzung und Prüfverfahren. Dies ist viel niedriger als bei Kohlenstoffstahl, Edelstahl und Aluminiumlegierungen, weshalb Invar 36 häufig für Präzisionswerkzeuge, Messstangen, Formen, optische Rahmen und Anwendungen zur Dimensionsstabilität verwendet wird.

Dehnt sich Invar 36 bei Wärme aus?

Ja, Invar 36 dehnt sich bei Wärme aus, aber viel weniger als die meisten anderen Metalle. Es handelt sich um eine Legierung mit geringer Ausdehnung, nicht um ein Material mit Null-Ausdehnung. Seine Ausdehnung ist in der Nähe der Raumtemperatur sehr gering und bleibt für viele Anwendungen im kryogenen Bereich bis zu mäßigen Temperaturen nützlich, aber der Ausdehnungskoeffizient steigt mit zunehmender Temperatur.

Warum hat Invar 36 eine geringe Ausdehnung?

Invar 36 weist eine geringe Ausdehnung auf, da es etwa 36% Nickel und als Rest Eisen enthält, wodurch der spezielle Fe-Ni-Invar-Effekt entsteht. Diese Zusammensetzung reduziert die normale Wärmeausdehnung über einen nützlichen Temperaturbereich. Das genaue Ausdehnungsverhalten kann auch durch Wärmebehandlung, Kaltarbeit, Restelemente und den Temperaturbereich beeinflusst werden, so dass bei kritischen Anwendungen der WAK durch Spezifikation oder Prüfung bestätigt werden sollte.