インバーとは

いんばー

Fe-36%Ni合金。磁気体積効果がふつうの熱膨張を打ち消し、室温付近の線膨張係数が約1×10⁻⁶ K⁻¹ と非常に小さい。

「インバー」は、1分野の1問の練習問題に出てきます(材料の熱的性質など)。

発見と名前の由来

インバーは、スイスのギヨームが1896年に見いだした Fe-36%Ni(質量%)の合金で、温度によって長さがほとんど変わらないことから、「不変の」を意味する invariable にちなんで名づけられました。ギヨームは、ニッケル鋼の異常な性質の発見による精密な測定への貢献で、1920年にノーベル物理学賞を受けています。それまで長さの標準や精密な測量の器具には高価な白金合金などが使われていましたが、インバーによって安価で熱膨張の小さい材料が得られ、振り子時計や測量用のテープなどに広く使われるようになりました。

組成と加工・熱処理による変化

Fe-Ni 合金の室温の線膨張係数は、Ni が約36%の付近で極小になり、組成がそこから数%ずれるだけで大きくなります。炭素、マンガン、ケイ素などの不純物も膨張を大きくするので、組成を厳しく管理します。また、加工や熱処理の条件でも値が変わり、焼入れや冷間加工をすると室温の線膨張係数はさらに小さくなる一方で、時間とともに長さが少しずつ変わる経年変化が起こりやすくなります。そこで精密な用途では、適切な温度で安定化の処理をします。Co を加えたスーパーインバーでは、室温の線膨張係数がさらに小さくなります。

使える温度範囲と性質の弱点

磁気による膨張が熱膨張を打ち消すのは、強磁性であるキュリー温度より十分低い温度範囲です。温度が上がってキュリー温度に近づくと打ち消しの効果が弱まり、膨張は急に大きくなるので、インバーが低膨張なのは、おおむね室温を中心とした限られた範囲です。また、強度はそれほど高くなく、熱伝導率は約10 W/(m·K) 程度と小さく、ニッケルを多く含むので高価です。用途に合わせて、膨張を少し許す代わりに低膨張の温度範囲を広げた Fe-Ni-Co 系の合金なども使い分けられています。

主な用途

インバーは、温度が変わっても寸法を保ちたい部品に使われます。精密な測定器や光学機器の構造部材、レーザーの共振器、有機ELディスプレーを蒸着でつくるときの微細な穴をもつマスク、かつてのブラウン管のシャドウマスクがその例です。液化天然ガスの運搬船のメンブレン方式のタンクでは、−162℃に冷えても縮みが小さいので、薄い板で内張りをつくれます。バイメタルでは、膨張の小さい側の板に使われます。また、Fe-29%Ni-17%Co のコバールのように、ガラスやセラミックスと膨張をそろえて封着に使う合金も、同じ仲間です。

インバーの練習問題に挑戦

Fe-36%Ni合金(インバー)の線膨張係数が、室温付近で約1×10⁻⁶ K⁻¹ と非常に小さい理由として正しいものはどれか。

ANiがFeの格子振動を抑えてデバイ温度が大きく上がり、室温では原子がほとんど振動しなくなるから
Bキュリー温度より下で、磁気秩序による体積の膨張が昇温で磁化とともに減り、熱膨張を打ち消すから
C温度が上がると、BCCからより密に詰まったFCCへの相変態が少しずつ進み、そのぶん体積が縮んで膨張を打ち消すから

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正解：B. キュリー温度より下で、磁気秩序による体積の膨張が昇温で磁化とともに減り、熱膨張を打ち消すから

インバーは強磁性体で、自発磁化があると原子間距離が伸びて体積が大きくなる磁気体積効果(自発体積磁歪)が大きく現れます。温度が上がると磁化が弱まるので、この磁気による膨張の分が減り、格子振動によるふつうの熱膨張をほぼ打ち消します。このため、キュリー温度より下で線膨張係数が約1×10⁻⁶ K⁻¹ と小さくなり、精密な測定器や液化天然ガスの容器などに使われます。キュリー温度を超えると打ち消しがなくなり、ふつうの金属並みに膨張します。インバーは室温でFCCの単相で、原子の振動は温度とともにふつうに激しくなり、膨張を打ち消すような相変態も起こっていません。

よくある質問

なぜ Ni が約36%のときに膨張が最も小さくなるのですか。

Fe-Ni 合金の磁気体積効果の大きさと、温度による磁化の減り方は組成で変わり、ふつうの熱膨張を室温付近でちょうど打ち消すのが、Ni が約36%の付近だからです。そこから組成がずれると打ち消しが不十分になり、膨張が大きくなります。

インバーは高温でも膨張しませんか。

いいえ。低膨張なのはキュリー温度より十分低い範囲だけで、キュリー温度を超えると、ふつうの金属と同じ程度に膨張します。使う温度範囲での線膨張係数のデータを確かめることが大切です。

インバーは磁石につきますか。

つきます。インバーは室温で強磁性で、その磁気体積効果を利用して熱膨張を打ち消しています。キュリー温度より高く加熱すると磁石につかなくなり、同時に低膨張の性質も失われます。

解説の中の「インバー」

インバーは強磁性体で、自発磁化があると原子間距離が伸びて体積が大きくなる磁気体積効果(自発体積磁歪)が大きく現れます。
Fe-36%Ni合金(インバー)の線膨張係数が、室温付近で約1×10⁻⁶ K⁻¹ と非常に小さい理由として正しいものは…

「インバー」が出てくる問題(1問)

Fe-36%Ni合金(インバー)の線膨張係数が、室温付近で約1×10⁻⁶ K⁻¹ と非常に小さい理由として正しいものはどれか。