Invarstahl

Wärmeausdehnungskoeffizient in Abhängigkeit vom Nickelgehalt

Invar ist eine Eisen-Nickel-Legierung mit 36 % Gehalt an Nickel (FeNi36).

Der Name wird auch als Oberbegriff für eine Gruppe von Legierungen und Verbindungen verwendet, welche die bemerkenswerte Eigenschaft besitzen, in bestimmten Temperaturbereichen anomal kleine oder zum Teil negative Wärmeausdehnungskoeffizienten (engl. Coefficient of Thermal Expansion, CTE) zu haben. Der Name resultiert also aus der Invarianz der Dehnung bezüglich einer Temperaturänderung. Er ist eine Marke von Imphy Alloys, die gegenwärtig zum Stahlkonzern Arcelor Mittal gehören. Invar-Legierungen haben in der Wirtschaft ein breites Anwendungsspektrum gefunden und werden dort eingesetzt, wo besonderer Wert auf Längenstabilität bei Temperaturschwankungen gelegt wird.

Historie

Entdeckt wurde dieser Effekt 1896 von dem Schweizer Physiker Charles Édouard Guillaume an der Invar-Legierung Fe65Ni35, der dafür 1920 den Nobelpreis für Physik erhielt. Er arbeitete im internationalen Büro für Gewichte und Maße und suchte ein billiges Material, um Längen- und Massenstandards herzustellen. Damals wurden diese Standards, wie zum Beispiel das Urmeter, aus einer Platin-Iridium-Legierung gefertigt.

Legierungen

Fe65Ni35-Invar enthält 65% Eisen und 35% Nickel. Bis zu 1% Magnesium, Silicium und Kohlenstoff werden legiert, um die mechanischen Eigenschaften zu verändern. Durch Legieren von 5% Cobalt kann der thermische Ausdehnungskoeffizient weiter reduziert werden.

Varianten dieser Legierung haben einen etwas anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. So hat Kovar den Ausdehnungskoeffizienten von Glas (um 5ppm/K) und wird deshalb für optische Geräte verwendet.

Heutzutage sind viele weitere Legierungen bekannt, bei denen ein Invar-Effekt auftritt:

fcc-Struktur 

FeNi, FePt, FePd, FeMn, CoMn, FeNiPt, FeNiMn, CoMnFe...

bcc-Struktur 

CrFe, CrMn

hcp-Struktur 

CoCr

amorph 

FeB, FeP...

Laves-Phasen und Verbindungen: TiFe2, ZrFe2, RECo2 (RE=seltene Erden außer Eu), FeC, Dy2(FeCo)17...

Eigenschaften

Am Beispiel von Fe65Ni35-Invar:

• spez. el. Widerstand = 75-85 µOhmcm,
• Elastizitätsmodul = 140-150 GPa,
• Brinellhärte = 160,
• Reißdehnung < 45%,
• Zugfestigkeit = 450-590 MPa,
• Dichte = 8 g/cm³,
• Längenausdehnungskoeffz. bei 20-90°C = 1,7-2,0 ·10^-6 K^-1,
• Wärmeleitfähigkeit bei 23°C = 13 Wm^-1K^-1

Physikalischer Hintergrund

Der Invar-Effekt beruht auf einer negativen Volumenmagnetostriktion des Kristallgitters. Das bedeutet, dass durch eine Abstoßung der magnetischen Momente der einzelnen Atome der Legierung das Gitter "aufgebläht" wird, sich die Atomabstände also vergrößern. Dieser Effekt nimmt jedoch mit steigender Temperatur ab (da die magnetischen Momente abnehmen) und lässt das Kristallgitter dadurch schrumpfen. Die Abnahme der negativen Volumenmagnetostriktion bei steigender Temperatur verhält sich damit gegenläufig zur Wärmeausdehnung, die die Atomabstände vergrößert. Diese physikalischen Phänomene können sich in bestimmten Temperaturbereichen so kompensieren, dass sich die Atomabstände effektiv nicht ändern und der Festkörper dadurch keine Längenänderung (bzw. Volumenänderung) erfährt. Der Invar-Effekt verschwindet zusammen mit den magnetischen Momenten der Atome ab der jeweiligen magnetischen Ordnungstemperatur des Materials, also der Curie-Temperatur bzw. der Néel-Temperatur.

Verwendungsbereich

Invar wurde zunächst verwendet, um billige Massen- und Längenstandards herzustellen. Außerdem wurde es benutzt, um sehr genaue Pendeluhren und Chronometer herzustellen. Eine Hälfte von Bimetallen ist häufig aus Invar.

Invar-Legierungen werden für ein weites Spektrum von Produkten eingesetzt, die hohe Längenstabilität bei Temperaturschwankungen erfordern. Beispiele sind Lochmasken für Bildröhren, Glas-Metall-Übergänge, Tanks von Flüssiggasschiffen (Membrantanks), Chip-Basisplatten, Lasergehäuse, Hohlleiter und astronomische und seismographische Instrumente. Durch die Entwicklung einer Methode zum Schweißen von Invar wurden die Anwendungsmöglichkeiten ausgeweitet. In der Geodäsie werden Drähte aus Invar zur hochpräzisen Distanzmessung im Kurzstreckenbereich (bis ca. 20 m) verwendet, z. B. im Tunnel- oder Staudammbau. In der Verarbeitung von großen CFK-Bauteilen werden beispielsweise auch in der Luft- und Raumfahrt die entsprechenden Laminierwerkzeuge teilweise aus Invar hergestellt

Weblinks

• Bild der Wissenschaft über Invar