به مخلوط یا محلول‌های جامد فلزی که از یک فلز اصلی (پایه) و یک یا چند عنصر فلزی یا غیرفلزی دیگر تشکیل شده باشند آلیاژ گفته می‌شود. آلیاژها با هدف تغییر یا بهبود خواصی مثل چکش خواری، چقرمگی، استحکام، سختی و … ساخته می‌شوند. بنابراین آلیاژها بسیار مفیدتر از مواد اولیه تشکیل دهنده‌شان هستند. به عنوان مثال آلومینیوم خالص، یک فلز سبک با مقاومتی نه چندان خوب می‌باشد. اما با افزودن مس و منیزیم به آلومینیوم و تولید آلیاژی با پایه آن، این مقاومت تقویت شده و باعث بهبود خواص کلی ماده خواهد شد. هر آلیاژی با هدف خاصی ایجاد شده و کاربردهای خاص خودش را دارد. اینوار هم آلیاژی کاربردی و مستحکم است که کاربردهای خاص خودش را داشته و مزایای شگفت انگیزی را ارائه می‌کند. در ادامه با صباپروفیل همراه باشید تا به بررسی این آلیاژ شگفت‌انگیز و مزایای آن بپردازیم.
فهرست مطالب
اینوار چیست؟
اینوار، آلیاژی از نیکل و آهن است که مهمترین ویژگی آن کم بودن ضریب انبساط حرارتی و زیاد بودن استحکامش می‌باشد. کم بودن ضریب انبساط حرارتی به این معناست که در مقابل گرما و سرما واکنش کمی نشان داده و حداقل انبساط و انقباض را خواهد داشت. این ویژگی که نتیجه ترکیب آهن و نیکل می‌باشد در بسیاری از صنایع که به پایداری ابعادی نیاز دارند، کاربرد مهمی دارد.
آلیاژ اینوار (به انگلیسی invar) از 64 درصد آهن و 36 درصد نیکل تشکیل شده است. اما امکان تغییر این ترکیب بسته به کاربرد خاصی که قصد استفاده از اینوار در آن را داریم وجود دارد. این تغییر ترکیب می‌تواند میزان ضریب انبساط حرارتی، استحکام و مقاومت اینوار در مقابل تغییر شکل را دچار تغییر و تحول کند. اما رایج‌ترین نوع اینوار همان آلیاژ 64 درصد آهن – 36 درصد نیکل بوده و بیشترین کاربرد را در صنایع مختلف دارد.
تاریخچه آلیاژ اینوار
اولین جمله‌های کتاب اینوار در اواخر قرن نوزدهم نوشته شدند. جایی که چندین دانشمند و مهندس با یکدیگر مشارکت کردند تا این آلیاژ شگفت‌انگیز را به جهانیان معرفی کنند. اما اولین نفری که روی اینوار کار کرد فیزیکدانی سوئیسی به نام چارلز ادوارد گیوم بود. گیوم در دفتر بین المللی وزن و اندازه‌گیری فرانسه با تحقیق روی خواص حرارتی فلزات و آلیاژهای مختلف، جرقه اینوار را به شعله تبدیل کرد. در واقع هدف او یافتن ماده‌ای بود که توان اندازه‌گیری دقیق و پایدار را در دماهای متغیر ممکن سازد.
گیوم به تلاش‌های خود ادامه داد تا سرانجام در سال 1896 آلیاژی متشکل از 36 درصد نیکل و 64 درصد آهن را کشف کرد. او پس از آزمایش‌های گوناگون به این نتیجه رسید که این آلیاژ در مقابل انبساط و انقباض مقاوم بوده و به همین دلیل نام آن را از کلمه‌ی invariable گرفته و اینوار گذاشت. با کمک دانشمندان و مهندسان، اینوار به سرعت به رسمیت شناخته شد. همین امر باعث شد تا این آلیاژ جذاب کاربردهای زیادی در زمینه‌های مختلف پیدا کند. اولین کاربرد آن در ساخت ساعت‌های آونگی بود. چرا که نوسانات دما باعث شده بود تا میله‌های آونگ دچار انبساط و انقباض شده و عدم دقت در زمانبندی رخ دهد. اما میله‌های اینوار این مشکل را حل کرده و خیال ساعت‌سازان را برای زمانبندی دقیق ساعت‌ها راحت کرد.
با گذر زمان و در قرن بیستم اینوار جایگاه خود را در زمینه‌های هوانوردی هم پیدا کرد. چرا که پایداری آن برای ساخت اجزای هواپیما و قطعات اندازه‌گیری دقیقی مثل ژیروسکوپ و قطب نما کاملاً مناسب بود. این موضوع به پیشرفت فناوری هوانوردی مخصوصاً در طول دوره‌های جنگ جهانی اول و دوم کمک ویژه‌ای کرد.
اما امروزه با پیشرفت تکنولوژی، اینوار هم ثبات بیشتری پیدا کرده و جایگاه خود را در صنایع مختلف تحمیل می‌کند. صنایعی مثل هوافضا، الکترونیک، مخابرات و تحقیقات علمی که از ابزار دقیق استفاده می‌کنند. با افزایش و توسعه این کاربردها شاید شما هم حضور این آلیاژ را بیشتر از قبل در اطرافتان حس کنید.
مراحل تولید invar
برای تولید اینوار مراحل مختلفی طی می‌شود که در ادامه به شرح آن‌ها خواهیم پرداخت:
- انتخاب مواد اولیه:
معمولاً اینوار از آهن و نیکل تشکیل شده و هرچقدر آهن و نیکل باکیفیت‌تری تهیه شود اینوار با کیفیت‌تری تولید خواهد شد. درصد نیکل در این ترکیب حدود 36 درصد و درصد آهن 64 درصد است. اما ممکن است برای تغییر خواص از عناصر جزئی نیز استفاده شود. - ذوب و آلیاژسازی:
پس از انتخاب مواد خام اولیه، آن‌ها را در محیطی کنترل شده مثل کوره قوس الکتریکی یا کوره القایی ذوب می‌کنیم. پس از آن، فلزات ذوب شده را با هم ترکیب می‌کنیم تا آلیاژ اینوار تشکیل شود. - ریخته‌گری یا شکل‌دهی:
پس از تشکیل آلیاژ اینوار مذاب، آن را در قالب یا شمش ریخته و به شکل مورد نظر در می‌آوریم. این مواد در قالب یا شمش نگهداری می‌شود تا به صورت جامد دربیاید. - عملیات حرارتی:
یکی از مهمترین گام‌ها در ساخت آلیاژ اینوار، عملیات حرارتی است. چرا که برای بهینه‌سازی خواصی مثل ضریب انبساط حرارتی پایین آن، این عملیات واجب است. این مرحله به این صورت است که قطعات تشکیل شده اینوار تحت فرایندهای گرمایش و سرمایش کنترل شده‌ای قرار می‌گیرند. متداول‌ترین عملیات حرارتی برای اینوار عملیات حرارتی آنیلینگ بوده و شامل گرم کردن مواد تا دمای خاص و سپس سرد کرد آن می‌شود. این عملیات باعث کاهش تنش‌های داخلی، اصلاح ریزساختار و افزایش پایداری ابعادی آلیاژ می‌شود. - ماشینکاری و تکمیل:
پس از آن که عملیات حرارتی انجام شد ممکن است لازم باشد تا اجزای اینوار را برای دستیابی به شکل، ابعاد و کیفیت سطح مورد نظر تحت ماشینکاری قرار دهیم. این فرایند ممکن است شامل برش، حفاری، سنگ‌زنی، پرداخت یا هر تکنیک ماشینکاری دیگری باشد. پس از انجام ماشینکاری، کار اینوار تکمیل شده و یک آلیاژ اینوار کامل شده داریم.
ویژگی‌ها و خواص اینوار
آلیاژ اینوار که نام خود را از کلمه invariable به معنای تغییر ناپذیر گرفته است ویژگی‌های منحصر به فردی دارد که ارزش آن را در صنایع مختلف تثبیت می‌کند. در ادامه به بررسی برخی از این ویژگی‌ها خواهیم پرداخت:
ضریب انبساط حرارتی پایین
همان‌طور که می‌دانید مهمترین ویژگی آلیاژ اینوار پایین بودن ضریب انبساط حرارتی آن است. این آلیاژ بر خلاف بسیاری از مواد دیگر که با تغییرات دما انبساط و انقباض زیادی را از خود نشان می‌دهند ثبات زیادی داشته و تغییر حداقلی را نسبت به گرما و سرما از خود نشان می‌دهد.
پایداری ابعادی
پایین بودن ضریب انبساط حرارتی اینوار باعث شده تا ثبات ابعادی خود را حفظ کرده و خطر تاب برداشتن، اعوجاج و یا سایر تغییرات ابعادی را به حداقل برساند. این موضوع باعث شده تا این آلیاژ در جاهایی که نیاز به پایداری ابعاد و ثبات عملکرد دارند کاربرد بسیار خوبی داشته باشد.
دقت بالا
ثبات و پایداری ابعادی بالای اینوار باعث شده تا از آن برای کاربردهایی که نیاز به دقت بسیار بالایی دارند استفاده شود. به ظور مثال از اینوار به طور گسترده‌ای در ابزار دقیق، تجهیزات علمی و ابزار اندازه‌گیری استفاده می‌شود.
استحکام زیاد
علاوه بر ضریب انبساط حرارتی پایین و پایداری و دقت بالا، اینوار را به استحکام زیادش هم می‌شناسیم. این ویژگی باعث شده تا این آلیاژ مقاومت خوبی را در مقابل تنش‌ها و بارهای مختلف از خود نشان دهد. این موضوع باعث شده تا علاوه بر عدم تغییر شکل ابعادی، تحمل زیادی را در مقابل بارهای سنگین نیز داشته باشد. به همین دلیل است که از این آلیاژ در کاربردهایی که بارهای سنگین و نیروهای مکانیکی زیادی دارند استفاده‌ی گسترده‌ای می‌شود.
مقاومت در مقابل مغناطیسی شدن
اینوار نفوذپذیری مغناطیسی کمی دارد. این به این معنی است که به راحتی مغناطیسی نشده و تحت تاثیر میدان‌های مغناطیسی هم قرار نمی‌گیرد. این موضوع باعث شده تا از اینوار در کاربردهایی که نیاز به حداقل تداخل مغناطیسی دارند استفاده شود.
جوش‌پذیری عالی
اینوار جوش‌پذیری خوبی داشته و می‌توان آن را به راحتی جوش داد. این موضوع باعث می‌شود تا از آن برای ساخت اجزای پیچیده و سختارهای محکم استفاده کرد.
مقاومت در برابر خوردگی و اکسیداسیون
خوردگی و اکسیداسیون از جمله معایبی هستند که می‌توانند زیان‌های زیادی را در دراز مدت وارد کنند. از جمله ویژگی‌های مثبت اینوار این است که در مقابل خوردگی و اکسیداسیون مقاومت خوبی را از خود نشان می‌دهد. این امر باعث شده تا آلیاژ اینوار طول عمر خوبی داشته باشد و از آن در کاربردهایی که با رطوبت و گازهای مختلف سر و کار دارند استفاده ویژه‌ای شود.
رسانایی الکتریکی و حرارتی
از دیگر ویژگی‌های اینوار می‌توان به این موضوع اشاره کرد که دوستی خوبی با برق، گرما و سرما دارد. به عبارت دیگر این آلیاژ رسانایی الکتریکی و حرارتی خوبی داشته و می‌تواند هادی برق و حرارت باشد. هرچند که میزان این رسانا بودن به مس و آلومینیوم نخواهد رسید اما باز هم خواص رسانایی آن در کاربردهای الکتریکی و الکترونیکی مفید فایده واقع می‌شود.
بیشتر بدانید: رساناترین فلزات روی زمین
معایب و محدودیت‌های اینوار
با تمام ویزگی‌های مثبتی که اینوار دارد باز هم بی‌نقص نبوده و معایب و محدودیت‌هایی مهم دارد. محدودیت‌هایی که اگر قبل از استفاده از آن در نظر گرفته نشوند ممکن است باعث ایجاد مشکلاتی شوند. برخی از این محدودیت‌ها را با هم بررسی می‌کنیم.
گران بودن
به دلیل وجود نیکل و فرایندهای خاص تولید، اینوار از فلزاتی مثل فولاد و آلومینیوم گران‌تر است. شاید این هزینه بالا در مقابل خواص و کیفیتی که ارائه می‌دهد ناچیز باشد اما در کاربردهایی که مقرون به صرفه بودن در آن‌ها مهم است ایجاد مشکل می‌کند.
شکننده بودن
آلیاژ اینوار با وجود استحکامی که دارد از انعطاف و شکل‌پذیری کمی برخوردار است. این به این معنی است که اگر آن را در معرض فشار زیاد قرار دهیم، امکان شکستن آن وجود دارد. بنابراین استفاده از آن در فضاهایی که نیاز به خمکاری دارند ممکن نیست.
محدودیت ماشین کاری
ماشینکاری اینوار به دلیل سختی و استحکام زیادی که دارد می‌تواند دشوار باشد. این موضوع باعث سایش ابزار و کاهش سرعت برش می‌شود. به همین دلیل برای ماشینکاری آن به ابزارها و تکنیک‌های خاصی نیاز می‌باشد.
زمانی که می‌خواهید از اینوار استفاده کنید باید این معایب و محدودیت‌ها را هم درنظر بگیرد. چرا که ممکن است در برخی از کاربردها نیاز باشد تا از جایگزین مناسب‌تری استفاده شود که این محدودیت‌ها را نداشته باشد.
کاربردهای آلیاژ اینوار
مزیت‌های منحصر به فرد اینوار این امکان را فراهم کرده‌اند تا از آن در کاربردهای مختلفی استفاده شود. کاربردهایی که شاید تا قبل از استفاده از اینوار، کیفیتی پایین داشته و پس از آن ارتقا و پیشرفتی بزرگ را تجربه کرده‌اند. در واقع اینوار برای تولید مقاطع مهمی مثل قوطی آهن یا پروفیل سبک کاربرد نداشته و در صنایعی مهم برای تولید قطعات به کار می‌رود. برخی از این کاربردها به شرح زیر می‌باشند:
ابزار دقیق اندازه‌گیری
همان‌طور که گفتیم ضریب انبساط حرارتی پایین اینوار باعث شده تا از آن در ابزار و تجهیزات علمی استفاده شود. چرا که اینوار در مقابل ناملایمات دمایی تغییری نکرده و ثبات ابعادی خود را حفظ می‌کند. برخی از این ابزارها عبارتند از آونگ‌ها، مترهای اندازه‌گیری خاص، ابزار نقشه برداری، خطکش‌ها و کولیس‌های دقیق
دستگاه‌های تنظیم کننده دما
انبساط حرارتی کم ویژگی مناسبی برای استفاده در دستگاه‌های تنظیم کننده دما می‌باشد. چرا که عملکرد این دستگاه‌ها به گونه‌ای است که باید عملکرد ثابت را در محدوده دمایی‌های متفاوت حفظ کنند. از جمله این کاربردها ترموستات‌ها هستند که نیاز به موادی با ضریب انبساط حرارتی پایین دارند.
برق و الکترونیک
قطعاتی مانند شیلدهای مغناطیسی، اتصالات الکتریکی و محفظه‌های الکترونیکی که نیاز به نفوذپذیری مغناطیسی کمی دارند از اینوار استفاده می‌کنند. چرا که اینوار وظیفه خود را به خوبی انجام داده و تداخل مغناطیسی را به حداقل می‌رساند.
فناوری‌های هوافضا و ماهواره
در فناوری‌های هوافضا و ماهواره ویژگی‌هایی مثل پایداری ابعادی و ضریب انبساط حرارتی پایین از اهمیت خاصی برخوردارند. به همین دلیل از اینوار در ساخت اجزایی مثل مخازن سوخت و قطعاتی که در مجاورت با دمای بسیار زیاد هستند استفاده می‌شود.
ساعت سازی
تغییرات دما و انبساط و انقباض قطعات ساعت می‌تواند باعث آسیب دیدن آن شود. به همین دلیل است که برای برخی از قطعات ساعت از اینوار استفاده می‌شود. انبساط حرارتی پایین اینوار می‌تواند تضمین کند که ساعت بدون توجه به تغییرات دما، زمان دقیق را نشان دهد.
جمع‌بندی
اینوار ترکیبی از نیکل و آهن است که مهمترین خصوصیت آن ضریب انبساط حرارتی پایین می‌باشد. پس از آنکه چارلز ادوارد گیوم در سال 1896 این آلیاژ را کشف کرد، روز به روز شاهد ارتقا کاربردها و خواص آن می‌باشیم. خواصی مثل پایداری ابعادی، استحکام زیاد و رسانا بودن آن که کاربردهای آن را توسعه می‌دهند. اما در کنار تمام ویژگی‌ها و مزایای اینوار باید معایب و محدودیت‌های آن را هم در نظر گرفت. چرا که گران بودن، شکننده بودن و محدودیت ماشینکاری آن می‌تواند روند کار را دچار مشکل کند.
با تمام این مزایا و محدودیت‌ها، آلیاژ اینوار کاربرد گسترده‌ای در تولید قطعات مختلف دارد. قطعاتی مثل ابزار دقیق اندازه‌گیری و ترموستات‌ها که با وجود اینوار کیفیت بسیار بالاتری را از خود ارائه می‌دهند. این موارد نشان می‌دهد که اینوار جایگاه خود را در زندگی ما پیدا کرده و روز به روز در حال بهتر و با کیفیت‌تر شدن است.
انواع آلیاژ اینوار و کاربردهای آن‌ها کدامند؟
آلیاژ اینوار انواعی دارد که در جدول زیر به بررسی آن‌ها می‌پردازیم:
| Invar 36 | Invar 42 | Invar 32-5 | Invar m93 | |
| ترکیبات | 36% نیکل + 64% آهن | 42% نیکل + 58% درصد آهن | 32% نیکل + 5% کبالت + 63% آهن | اضافه شدن 0.5 الی 1.2% منگنز |
| خواص | انبساط حرارتی کم و پایداری ابعادی عالی | کاهش بیشتر ضریب انبساط حرارتی | افزایش استحکام و سختی | بهبود ماشینکاری و جوش‌پذیری |
| کاربردها | ابزار دقیق، تجهیزات علمی و … | سیستم‌های نوری دقیق و کاربردهای لیزری | اجزای ساختاری در هوا فضا و فناوری ماهواره | تولید قطعات یا مجموعه‌های پیچیده |
فولاد و آلیاژ, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امین شاکری | بروزرسانی : 18 آذر 1402
