A liga Invar é uma liga especial composta principalmente de ferro e níquel, caracterizada principalmente por seu coeficiente de expansão térmica extremamente baixo. Seu nome "Invar" vem da palavra inglesa "invariável", refletindo sua característica de quase nenhuma expansão ou contração dimensional com mudanças de temperatura. As ligas Invar são usadas principalmente em instrumentos de precisão que exigem alta estabilidade dimensional, componentes estruturais aeroespaciais, equipamentos ópticos e sistemas de armazenamento de gás liquefeito.
Principais componentes e estrutura da liga Invar
A composição química típica da liga Invar é de aproximadamente 63% de ferro (Fe), aproximadamente 36% de níquel (Ni), sendo o restante vestígios de carbono, silício, manganês e outros elementos. A característica de baixa expansão térmica da liga decorre de seu arranjo atômico exclusivo de ferro-níquel; à medida que a temperatura aumenta, as mudanças na ordem magnética interna da liga neutralizam o efeito de expansão térmica dos metais comuns.
Os graus comuns de liga Invar incluem: Invar 36, Invar 32-5, Super Invar e Kovar. Invar 36 (também conhecido como 4J36 ou UNS K93600) é o modelo mais utilizado.
Propriedades físicas da liga Invar
1. Coeficiente de expansão térmica extremamente baixo: Na faixa de temperatura de 20 ℃ a 100 ℃, seu coeficiente médio de expansão linear é de apenas cerca de 1,2 × 10⁻⁶/℃, muito inferior ao do aço carbono comum (cerca de 12 × 10⁻⁶/℃).
2. Densidade: Aproximadamente 8,1 g/cm³.
3. Condutividade térmica: Baixa condutividade térmica, aproximadamente 10–14 W/(m·K).
4. Propriedades magnéticas: A liga Invar é ferromagnética à temperatura ambiente, perdendo seu magnetismo no ponto Curie de aproximadamente 230 ℃.
5. Dureza: A dureza Brinell no estado recozido é geralmente 130–180 HB, que pode ser melhorada através de trabalho a frio ou tratamento de envelhecimento.
Vantagens e aplicações da liga Invar
A maior vantagem da liga Invar reside na sua estabilidade dimensional extremamente elevada sob temperaturas variadas. Ele mantém uma taxa de expansão muito baixa em uma faixa de dezenas de graus abaixo de zero a centenas de graus Celsius, tornando-o ideal para componentes estruturais de precisão e ambientes com temperatura controlada.
As principais aplicações incluem:
— Suportes de sistemas ópticos, montagens de lentes, bases de interferômetros;
— Equipamento aeroespacial, componentes estruturais de satélites, caixas de giroscópios de precisão;
— Tanques de armazenamento de gás liquefeito (GNL) e estruturas de gasodutos;
— Embalagens eletrônicas, balanças de instrumentos, blocos padrão e outras ferramentas de medição.
Desempenho de usinagem da liga Invar
Embora a liga Invar tenha propriedades mecânicas relativamente estáveis, sua usinabilidade é geralmente considerada "ligeiramente difícil de usinar". Os principais motivos incluem:
1. Tendência significativa de endurecimento por trabalho;
2. Má condutividade térmica, resultando em calor de corte concentrado;
3. Propenso a travamento e desgaste da ferramenta.
Geralmente é recomendado o uso de ferramentas afiadas de metal duro, velocidades de corte mais baixas e refrigeração forçada. Possui boa soldabilidade, mas a entrada de calor deve ser rigorosamente controlada para evitar o engrossamento da microestrutura.
Comparação da liga Invar com outros materiais
Comparada ao aço carbono comum, a liga Invar tem um coeficiente de expansão térmica de apenas 1/10; em comparação com o aço inoxidável, a liga Invar tem resistência ligeiramente menor, mas melhor estabilidade térmica; em comparação com as ligas de titânio, a liga Invar possui estabilidade dimensional superior em baixas temperaturas, tornando-a insubstituível em instrumentos de engenharia criogênica e metrologia.
Notas típicas nacionais e internacionais
— Classes Chinesas: 4J36, 4J32-5, 4J38;
— Números UNS dos EUA: K93600 (Invar 36), K93500 (Super Invar);
— Grau DIN alemão: 1,3912;
— AFNOR francês: FeNi36.
A liga Invar é uma típica "liga de precisão de baixa expansão" amplamente utilizada nos campos aeroespacial, óptico e de engenharia criogênica devido à sua excelente estabilidade térmica e soldabilidade. Embora seja difícil de processar, a sua estabilidade dimensional é quase insubstituível, tornando-o um dos materiais básicos essenciais na engenharia de precisão.
