インバー

インバー合金：驚異の低膨張率合金

インバー(Invar)は、鉄を主成分とし、約36%のニッケルと微量のマンガン、炭素を含む合金です。その最大の特徴は、常温付近で極めて低い熱膨張率を示す点にあります。これは、鉄やニッケル単体の熱膨張率のおよそ1/10に過ぎず、温度変化による寸法変化が非常に小さいことを意味します。この特異な性質から、精密機器や、温度変化の影響を受けやすい環境で使用される様々な製品に広く用いられています。

インバー合金の発見と歴史

インバーの発見は、1897年にスイスの物理学者シャルル・エドゥアール・ギヨームによってなされました。彼は、鉄-ニッケル合金の研究中に、特定の組成比において熱膨張率が著しく小さくなる現象を発見し、この合金を「Invariable Steel（変形しない鋼）」と名付けました。この功績により、ギヨームは1920年にノーベル物理学賞を受賞しています。

ギヨームの研究は、国際度量衡委員会からの依頼がきっかけでした。当時、精密な測定器具の開発に課題があり、温度変化の影響を受けにくい材料の開発が求められていたのです。ギヨームは、様々な金属合金を試行錯誤する中で、鉄とニッケルの組み合わせに注目し、インバー合金を発見しました。

初期の研究では、合金組成の微妙な変化が熱膨張率に大きな影響を与えることが明らかになり、600種類にも及ぶ合金が試験されました。この過程で、ギヨームは熱膨張と磁気特性の間に密接な関係があることを突き止めました。インバー合金の低い熱膨張率は、磁気歪みと通常の格子振動による熱膨張が相殺されることで生まれる、特異な現象であることが判明しています。

インバー合金の特性と組織

インバー合金は、面心立方構造(fcc)を持ち、鉄原子とニッケル原子が規則正しく配置されています。その低い熱膨張率は、絶対零度から約90℃の範囲で、2×10⁻⁶K⁻¹以下という極めて小さな値を示します。これは、純鉄やニッケルの熱膨張率(約12～13×10⁻⁶K⁻¹)と比較して、桁違いに小さい値です。

しかし、この低い熱膨張率は高温では維持されず、キュリー温度（約280℃）を超えると急激に熱膨張率が増加します。キュリー温度は合金組成を調整することで変化させることができますが、600℃以上で低い熱膨張率を維持できる鉄-ニッケル合金は未だ発見されていません。

インバー合金の機械的特性は、マンガンや炭素などの添加元素によって調整できます。これらの元素の添加は、強度や耐食性を向上させる効果があります。

インバー合金の用途

インバー合金の低い熱膨張率と金属としての優れた機械的性質から、様々な用途で利用されています。

精密機器: 時計、測量機器、実験装置など、温度変化による寸法変化が許されない精密機器に不可欠です。
電子機器: ブラウン管のシャドーマスク、集積回路基板など、精密な位置決めが求められる電子機器部品に使用されます。
低温設備: LNGタンカーのタンク、極低温環境での実験装置など、低温環境下でも寸法安定性が求められる用途に使用されます。
宇宙開発: 温度変化の激しい宇宙空間で使用される機器、人工衛星の構造材料などにも利用されています。
* バイメタル: 異なる熱膨張率を持つ金属を組み合わせたバイメタル構造では、インバー合金の低い熱膨張率が、温度変化による変形の制御に役立っています。

インバー合金と類似合金

インバー合金と同様の低い熱膨張率を示す合金は他にも存在します。コバールはガラスと熱膨張係数が近い合金として、精密光学用途に使用されます。42アロイはアルミナセラミックと熱膨張係数が近いため、集積回路基板の製造に使用されます。プラチナイトはガラスと熱膨張係数が同じため、ガラスへの溶接に利用されます。しかし、インバー合金はこれらの合金と比較して、金属材料としての優れた加工性、電気伝導率、溶接性、弾性などを備えているという利点があります。

まとめ

インバー合金は、その低い熱膨張率という特異な性質から、精密機器から宇宙開発まで、幅広い分野で不可欠な材料となっています。その発見から100年以上が経過した現在でも、その高い信頼性と有用性から、様々な製品に利用され続けています。今後の研究開発によって、更なる高性能化や新しい用途開拓が期待されます。

もう一度検索