Invar-Bearbeitungsdienstleistungen

Invar ist ein Spezialstahl mit einem Nickelgehalt von ca. 36 %. Es handelt sich um eine Legierung mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wodurch sie von Temperaturänderungen nahezu unbeeinflusst bleibt.

Was ist Invar?

Invar ist ein Spezialstahl mit einem Nickelgehalt von ca. 36 %, wobei Invar 36 eine gängige Sorte ist. Der Rest besteht hauptsächlich aus Eisen und enthält Spuren anderer Elemente. Aufgrund seines extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten findet er breite Anwendung in wichtigen Bereichen wie der Herstellung von Messkomponenten. Das Hauptmerkmal von Invar ist sein extrem niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient; im Temperaturbereich von -60 °C bis +80 °C liegt er typischerweise bei etwa 1.5 × 10⁻⁶/°C und ist damit deutlich niedriger als der von normalem Stahl (11–13 × 10⁻⁶/°C). Sobald die Temperatur den Curie-Punkt (ca. 230 °C) überschreitet, verschwindet der Magnetismus, der magnetostriktive Effekt hört auf, und die Legierung dehnt sich wie gewöhnliche Metalle aus.

Invar besitzt eine gewisse Festigkeit, Härte und gute Plastizität und eignet sich daher sowohl für die Kalt- als auch für die Warmumformung. Es lässt sich leicht in verschiedene Formen wie Drähte, Bänder, Stäbe und Rohre bringen. Allerdings neigt es stark zur Kaltverfestigung, sodass nach der Kaltumformung eine Wärmebehandlung erforderlich sein kann, um seine Plastizität wiederherzustellen.

Eigenschaften der Invar-Legierung

Physikalische Eigenschaften der Invar-Legierung

Dichte der Invar-Legierung: 8.0–8.3 g/cm³
Wärmeausdehnungseigenschaften der Invar-Legierung: 1.5 × 10⁻⁶/℃ (-60℃ bis +80℃)
Invar-Legierung Zugfestigkeit: 400 MPa-700 MPa
Invar-Legierung, Streckgrenze: 250 MPa-500 MPa
Härte der Invar-Legierung: 150 HB-250 HB
Invar-Legierung Schmelzpunkt: 1427℃
Invar ist ein stark ferromagnetisches Material im Temperaturbereich von -60℃ bis +80℃, sein Magnetismus verschwindet jedoch oberhalb von 230℃ vollständig.

Chemische Zusammensetzung der Invar-Legierung

chemische Zusammensetzung	Prozentsatz(%)	Die Rolle chemischer Komponenten
Fe	63 ~ 65	Die Matrixelemente gewährleisten die grundlegenden mechanischen Eigenschaften der Legierung.
Ni	35 ~ 37	Durch die Senkung des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Legierung wird deren Kompatibilität mit Glas verbessert.
Mn	≤ 0.5	Desoxidation und Entschwefelung optimieren die Gieß- und Walzeigenschaften der Legierung.
Si	≤ 0.3	Desoxidationsmittel verbessern die Oxidationsbeständigkeit von Legierungen.
C	≤ 0.05	Die Kontrolle der Härte und Zähigkeit der Legierung ist von entscheidender Bedeutung; zu hohe Werte können die Dichtungssicherheit beeinträchtigen.
P	≤ 0.02	Schädliche Verunreinigungen müssen streng kontrolliert werden, um die Bildung spröder Phasen zu vermeiden.

Anwendungsbranchen der Invar-Legierung

Halbleiterverpackung

Kernkomponenten für die Waferherstellung/Verpackung: Präzisionstische, Träger und Führungsschienen für Halbleiterlithographiemaschinen (Lithographiemaschinen erfordern eine Maßgenauigkeit im Nanometerbereich, und Temperaturverformung ist eine Hauptfehlerquelle); Vorrichtungen und Sockel für Wafer-Säge- und Bondanlagen; Leadframes (Invar42) und Verpackungssockel, die auf die Ausdehnungseigenschaften von Siliziumwafern abgestimmt sind (thermischer Ausdehnungskoeffizient von Silizium ≈ 2.6 × 10⁻⁶/℃), um thermische Spannungsrisse während der Verpackung zu verhindern.
Komponenten für Vakuumanlagen: Hohlraumhalterungen und Flansche für Vakuumbeschichtungs- und Ätzanlagen für die Halbleiterindustrie; Temperaturschwankungen in einer Vakuumumgebung führen nicht zu Dichtungsausfällen oder Hohlraumverformungen.

Optik- und Optoelektronikindustrie

Optische Komponenten erfordern eine extrem hohe Stabilität hinsichtlich Geometrie, Koaxialität und Parallelität. Temperaturbedingte Verformungen führen direkt zu Abbildungs-/Transmissionsfehlern. Invar ist ein zentrales Substratmaterial für:

Optische Linsen/Linsenbaugruppen: Objektivtubus und Objektivfassungen in High-End-Kameras, Mikroskopen und medizinischen Endoskopen; optische Halterungen in Infrarot-Wärmebildkameras, die sicherstellen, dass sich das optische System der Linse aufgrund von Temperaturschwankungen nicht verschiebt.

Optoelektronische Displaykomponenten: Präzisionsvorrichtungen und Substratträger für die OLED/Mini-LED-Panel-Herstellung, die die Planheit des Panels während des Herstellungsprozesses gewährleisten und die Displayausbeute verbessern.

Luft- und Raumfahrt

Komponenten des Satelliten/der Raumstation: Satellitenantennenrahmen, Hochfrequenz-Resonator und bordeigene optische Gerätebasis, die eine genaue Antennenausrichtung und optische Pfadübertragung auch bei drastischen Temperaturänderungen im Orbit gewährleisten; Positionierungsgelenke und Referenzachsen für den Präzisionsroboterarm der Raumstation.

Aerospace Precision Components: Basis für ein Trägheitsnavigationssystem (INS) für zivile/militärische Flugzeuge und zentrale Trägerstruktur für Luftfahrtinstrumente, wodurch Messfehler aufgrund von Umgebungstemperaturänderungen während des Fluges minimiert werden.

Flüssigerdgas (LNG) / Kryogene Energiespeicherung und -transport

Kernkomponenten für LNG-Tanker/Lagertanks: Die innere Membran (0.7~1.2 mm dick) von LNG-Membranspeichertanks steht in direktem Kontakt mit dem -163℃ kalten Flüssigerdgas und löst so die Probleme der kryogenen Schrumpfung, Rissbildung und Verformung von normalem Stahl; sie wird auch für Dichtungen und Flansche in LNG-Pipelines und Ventilen verwendet.

Kryogene Anlagen für flüssigen Wasserstoff/flüssigen Sauerstoff: Auskleidungen und Rohrleitungsanschlüsse für Lagertanks für flüssigen Wasserstoff (-253℃) und flüssigen Sauerstoff (-183℃) in Luft- und Raumfahrtraketen; Super Invar 4J32 ist aufgrund seines niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten die bevorzugte Wahl.

Optoelektronik und optische Kommunikation

HF-/Mikrowellenbauteile: HF-Hohlräume und Filterrahmen für 5G-Basisstationen und Phased-Array-Radargeräte. Die geringe Wärmeausdehnung von Invar gewährleistet, dass die Resonanzfrequenz des HF-Signals nicht mit der Umgebungstemperatur driftet, wodurch die Kommunikationsstabilität verbessert wird.

Komponenten für die faseroptische Kommunikation: Substrate für die Gehäuse von Faser-Bragg-Gittern gewährleisten, dass die Gitterwellenlänge nicht von der Temperatur beeinflusst wird und somit die Genauigkeit der faseroptischen Sensorik/Kommunikation erhalten bleibt.

Die wichtigsten Anwendungsgebiete von Invar-Legierungen sind: die Herstellung von Präzisionslehren, Endmaßen, Standardlinealen, Gitterlinealen und Referenzstäben für Längenmessgeräte;

Kernkomponenten von astronomischen/optischen Präzisionsgeräten: Teleskoprohrträger, optische Plattformbasen und Gehäuse für Laserinterferometer;

Hochpräzise Führungsschienen und Positioniervorrichtungen für Lithographiemaschinen und Halbleiterprüfgeräte.

Häufig gestellte Fragen zur Kovar-Bearbeitung

Was ist eine Invar-Legierung?

Invar-Legierungen sind Eisenlegierungen, die aus Eisen (Fe) und einem signifikanten Anteil Nickel (Ni) bestehen und einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Der typische Nickelgehalt dieser Legierungen liegt bei etwa 36 %. Ihre wichtigste Eigenschaft ist die bemerkenswerte Dimensionsstabilität über einen weiten Temperaturbereich, die praktisch unbeeinflusst von Temperaturschwankungen ist. Diese Eigenschaft macht Invar-Legierungen in vielen Präzisionsanwendungen, in denen Temperaturänderungen extrem kritisch sind, äußerst wertvoll.

Was sind die Hauptanwendungsgebiete der Invar-Legierung?

Invar-Legierungen werden hauptsächlich in der Präzisionsinstrumenten- und Prüfindustrie, der Luft- und Raumfahrt- sowie der Militärindustrie, der Elektronik-, Kommunikations- und Halbleiterindustrie sowie der Optik- und Optoelektronikindustrie eingesetzt.

Wie lassen sich Spannungen beseitigen, die bei der Bearbeitung von Invar-Legierungen entstehen?

Vor der Bearbeitung wird der Invar-Rohling einer Spannungsarmglühung unterzogen. Dazu wird er auf 600–650 °C erhitzt und 2–4 Stunden lang gehalten. Anschließend wird er im Ofen mit einer Abkühlrate von ≤ 50 °C/h langsam auf unter 150 °C abgekühlt. Die Verformung während der Bearbeitung resultiert hauptsächlich aus thermischen Spannungen durch die Schnittwärme, elastischer Verformung aufgrund zu hoher Spannkräfte und plastischer Verformung durch ungleichmäßige Schnittkräfte des Werkzeugs. Der Kern dieses Arbeitsschritts ist **niedrige Temperatur, geringe Kraft und gleichmäßiger Schnitt**. Für jeden Schritt liegen präzise Prozesspläne vor. Nach der Bearbeitung wird der Rohling erneut spannungsarmgeglüht. Dazu wird er auf 300–350 °C erhitzt und 1–2 Stunden lang gehalten. Anschließend wird er im Ofen mit einer Abkühlrate von ≤ 40 °C/h auf Raumtemperatur abgekühlt.

Besitzt die Invar-Legierung Magnetismus?

Invar-Legierungen sind bei Raumtemperatur ferromagnetisch, ihre Magnetisierung nimmt jedoch mit steigender Temperatur ab. Insbesondere kann die Magnetisierung von Invar-Legierungen ab einem bestimmten kritischen Punkt deutlich abnehmen oder ganz verschwinden. Dieses Phänomen ähnelt dem Verlust der Magnetisierung vieler ferromagnetischer Materialien oberhalb ihrer kritischen Temperatur (der sogenannten Curie-Temperatur). Bei Invar-Legierungen liegt die Curie-Temperatur typischerweise niedrig, in der Regel um 230 °C, was bedeutet, dass ihre Magnetisierung bereits in der Nähe dieser Temperatur abnimmt.

Lässt sich Invar-Legierung schweißen?

Invar-Legierungen sind zwar schweißbar, zählen aber zu den schwer schweißbaren Speziallegierungen. Die größten Herausforderungen beim Schweißen sind die hohe Heißrissneigung, die leichte Entstehung von Eigenspannungen und thermischer Verformung nach dem Schweißen sowie das Versagen der geringen Wärmeausdehnung im Schweißbereich. Nicht alle Schweißverfahren sind geeignet. Die Schweißprozesse müssen gezielt ausgewählt und die Schweißparameter streng kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass die Schweißqualität den Eigenschaften des Grundwerkstoffs hinsichtlich geringer Wärmeausdehnung entspricht.