Сплав 36Н (инвар)

Сплав 36Н (инвар) — прецизионный сплав системы железо–никель, разработанный для деталей и конструкций, которым необходимо сохранять стабильные размеры при изменении температуры. Название «инвар» происходит от латинского invariabilis — «неизменный». Материал был открыт швейцарским физиком Шарлем Гийомом в 1896 году, а в 1920 году это открытие было отмечено Нобелевской премией по физике. По российской классификации сплав маркируется как 36Н (ГОСТ 10994-74), в международной практике обозначается FeNi36 или 64FeNi.

Главная особенность инвара — аномально низкий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) в диапазоне климатических температур. Это свойство обусловлено магнитострикционным эффектом: при нагреве объёмное сжатие, связанное с изменением магнитного состояния сплава, компенсирует обычное тепловое расширение кристаллической решётки. Благодаря этому механизму инвар практически не изменяет линейные размеры в широком интервале температур.

Химический состав сплава 36Н по ГОСТ 10994-74

Химический состав прецизионного сплава 36Н регламентирован ГОСТ 10994-74 «Сплавы прецизионные. Марки». Основу составляет железо, основным легирующим элементом является никель.

Согласно примечанию 2 к ГОСТ 10994-74, по соглашению изготовителя с потребителем допускается массовая доля углерода не более 0,10 %. Также регламентированы предельные содержания Mo, V и Al — каждого не более 0,1 %. При выплавке в 40-тонных печах допускается повышенное содержание V, Mo, Al (до 0,15 % каждого) и Cr (до 0,2 %).

Содержание углерода — один из критических параметров. Для достижения минимально возможного ТКЛР и наибольшей размерной стабильности массовая доля C не должна превышать 0,05 %. Повышенное содержание углерода смещает параметры кристаллической решётки и влияет на магнитострикцию парапроцесса, что увеличивает ТКЛР.

Физические свойства инвара 36Н

Инвар 36Н имеет однофазную аустенитную структуру (ГЦК-решётка γ-твёрдого раствора). Ниже приведены основные физические характеристики сплава.

У особо чистых сплавов (с содержанием кобальта менее 0,1 %) ТКЛР снижается до 0,62–0,65·10⁻⁶ 1/°C, что существенно расширяет возможности применения в прецизионном приборостроении.

Механические свойства сплава 36Н

Механические характеристики инвара зависят от состояния поставки — отожжённого или нагартованного (после холодной деформации).

В отожжённом состоянии инвар пластичен и хорошо обрабатывается давлением. Холодная пластическая деформация значительно повышает прочность (до 930 МПа для ленты), однако при этом возможно мартенситное превращение аустенита, которое приводит к потере аномально низкого ТКЛР. Для восстановления требуемых свойств после деформации необходима специальная термическая обработка.

Влияние содержания никеля на ТКЛР

Низкий коэффициент теплового расширения инвара обусловлен инварным эффектом, который проявляется в ферромагнитных сплавах Fe–Ni вблизи концентрации 36 % Ni. При нагреве в ферромагнитном состоянии (ниже точки Кюри) происходит магнитострикционное сжатие объёма сплава, компенсирующее обычное тепловое расширение решётки. Минимум ТКЛР приходится именно на содержание никеля около 36 %, что и определяет номинальный состав сплава 36Н.

Выше точки Кюри (около 260 °C для инвара) ферромагнитное упорядочение исчезает, магнитострикционная компенсация прекращается, и ТКЛР резко возрастает до значений, характерных для обычных сплавов Fe–Ni. Поэтому инварная аномалия наблюдается только в области температур значительно ниже точки Кюри.

Термическая обработка инвара 36Н

Термическая обработка является обязательным этапом при работе с инваром. Её основные задачи: снятие остаточных напряжений после механической обработки, стабилизация размеров и предотвращение мартенситного превращения.

Отжиг для стабилизации размеров

Для достижения минимального ТКЛР и стабильных размеров изделия из 36Н подвергают отжигу при температурах порядка 830–850 °C с последующим медленным охлаждением (с печью). Скорость охлаждения — критический параметр: быстрое охлаждение способно вызвать мартенситное превращение аустенита, что приведёт к увеличению ТКЛР и нестабильности размеров.

Обработка после холодной деформации

После холодной деформации (прокатки, волочения, штамповки) в структуре могут возникнуть участки деформационного мартенсита. Для восстановления аустенитной структуры и требуемого уровня ТКЛР выполняют повторный отжиг с контролируемым медленным охлаждением. Без такой обработки изделия теряют основное функциональное преимущество инвара — стабильность размеров.

Коррозионная стойкость инвара

Инвар 36Н не относится к нержавеющим сталям и не содержит достаточного количества хрома для формирования пассивной защитной плёнки. Тем не менее, после полировки поверхности сплав приобретает удовлетворительную стойкость к атмосферной коррозии в нормальных условиях. Для эксплуатации в агрессивных средах (морская вода, кислые растворы) на изделия из инвара наносят защитные покрытия.

Применение сплава 36Н в промышленности

Благодаря аномально низкому ТКЛР сплав 36Н находит применение в отраслях, где критична размерная стабильность деталей при изменении температуры.

Приборостроение и метрология

Основная область применения инвара — производство деталей измерительных и контрольных приборов: эталонов длины, деталей барографов и высотомеров, элементов часовых механизмов (балансиров хронометров), несущих конструкций лазерных установок. Все эти изделия требуют сохранения геометрических размеров в интервале климатических температур.

Геодезия

Из инвара изготавливают мерные проволоки и ленты для нивелирных реек, используемых в высокоточных геодезических измерениях. Минимальное температурное расширение обеспечивает достоверность результатов измерений независимо от условий окружающей среды.

Криогенная техника

Малая величина ТКЛР позволяет применять инвар для жёсткозакреплённых трубопроводов сложной пространственной формы в криогенных установках. Это снижает термические напряжения при транспортировке сжиженных газов и предотвращает разрушение трубопроводных систем.

Термобиметаллы

Сплав 36Н используется как пассивный (с малым ТКЛР) слой в термобиметаллических элементах. В сочетании с активными слоями из сплавов 20НГ, 75ГНД, 19НХ, 24НХ инвар входит в состав термобиметаллов различных марок, применяемых в тепловых реле, предохранителях, импульсных датчиках и термометрах.

Разновидность: сплав 36Н-ВИ

Обозначение 36Н-ВИ указывает на вакуумно-индукционную выплавку. Такой способ обеспечивает пониженное содержание газов (кислород ≤ 0,008 %, азот ≤ 0,01 %, водород ≤ 0,001 %) и углерода (≤ 0,02 %), что дополнительно снижает ТКЛР и повышает однородность свойств. Сплав 36Н-ВИ используется в наиболее ответственных изделиях, где предъявляются повышенные требования к размерной стабильности.

Суперинвар 32НКД — сплав с ещё меньшим ТКЛР

Для деталей приборов, требующих предельно высокой размерной стабильности, применяют суперинвар — отдельный сплав 32НКД (32 % Ni, ~4 % Co, Fe — основа). Дополнительное легирование кобальтом и медью позволяет ещё больше снизить ТКЛР (не более 1,0·10⁻⁶ 1/°C по ГОСТ). Суперинвар применяется в оптическом и лазерном приборостроении, а также для деталей, согласованных по тепловому расширению с кварцевой керамикой.

Формы поставки прецизионного сплава 36Н

Сплав 36Н выпускается в различных видах проката, регламентированных соответствующими стандартами:

Типоразмеры прутков охватывают диапазон от 2,0 мм (со специальной отделкой) до 200 мм (кованые). Лента выпускается толщиной от 0,02 до 2,50 мм, проволока — диаметром от 0,025 до 12,0 мм.

Зарубежные аналоги сплава 36Н

Сплав 36Н имеет аналоги в международных системах стандартизации:

Нормативные документы на сплав 36Н

Производство и поставка инвара 36Н регламентированы следующими стандартами:

Особенности механической обработки инвара

Инвар 36Н обрабатывается стандартным металлорежущим инструментом. Однако при механической обработке следует учитывать ряд особенностей:

Сплав склонен к наклёпу (упрочнению поверхностного слоя при резании), что повышает износ инструмента. Рекомендуется использовать твердосплавный инструмент с положительными передними углами и умеренными скоростями резания. После механической обработки для снятия остаточных напряжений и стабилизации размеров необходим отжиг.

Инвар удовлетворительно сваривается аргонодуговой сваркой (TIG). При сварке важно контролировать тепловложение, чтобы минимизировать зону термического влияния и сохранить требуемый уровень ТКЛР в околошовной зоне.

Хранение и транспортировка

Прокат из сплава 36Н хранят в закрытых складских помещениях, защищённых от влаги и агрессивных паров. Поскольку инвар не является коррозионностойким материалом, при длительном хранении рекомендуется консервация поверхности (масляная плёнка или ингибированная упаковка). Транспортировка осуществляется в крытых транспортных средствах.

Поставляем сплав 36Н (инвар) в виде прутков, листов, ленты и проволоки. Также в ассортименте — родственные сплавы никеля и другие прецизионные материалы. Условия поставки, сроки и объёмы — по запросу.