インバー材の切削加工｜半導体・光学装置向け低熱膨張合金部品

インバー（インバー材）は、温度が変わってもほとんど伸び縮みしない低熱膨張合金です。インバー加工、つまりインバーの切削加工は、半導体製造装置や光学機器など、わずかな熱変形も嫌う部品に欠かせません。このページでは、インバーの特性と種類、スーパーインバーや42アロイ・コバールとの違い、主な用途、切削加工が難しい理由と対策を解説し、エヌテックのインバー切削加工についてご紹介します。

インバー（インバー材）とは

インバー（Invar）は、鉄にニッケルを約36%加えた鉄ニッケル合金です。名前は「不変（invariable）」に由来し、常温付近での熱膨張が非常に小さいことが最大の特長です。一般的な金属は温度が上がると膨張しますが、インバーは磁気的な性質（磁気体積効果）によって熱膨張が打ち消され、寸法変化がごくわずかに抑えられます。

熱膨張係数の比較（鉄・ステンレス・アルミ）

※値は代表的な目安で、成分・熱処理・温度範囲によって変わります。

表のとおり、インバーの熱膨張は炭素鋼のおよそ10分の1程度です。装置内の温度変化によって位置や寸法がずれると困る部品で、大きな効果を発揮します。

化学成分と主な性質

• 成分：鉄を主成分とし、ニッケルを約36%含みます。微量の炭素・マンガン・ケイ素などを含みます。
• 低熱膨張の温度範囲：熱膨張が小さいのは常温付近の限られた温度範囲で、高温になると膨張係数は大きくなります。
• 磁性：強磁性体で、磁石に付きます。
• 耐食性：ステンレスほどの耐食性はなく、環境によってはさびが発生するため、保管や表面処理に配慮が必要です。
• 強度：軟鋼に近い程度で、特に高強度な材料ではありません。

インバーの種類

インバー（36インバー・Fe-36Ni）

もっとも代表的なインバーで、「36インバー」とも呼ばれます。精密機器の構造部品、計測器、金型などに使われます。

スーパーインバー

インバーのニッケルの一部をコバルトに置き換えた合金（鉄・ニッケル約32%・コバルト約5%前後）で、常温付近の熱膨張がインバーよりさらに小さく、ゼロに近い値になります。より厳しい寸法安定性が求められる光学機器や半導体露光装置などの部品に用いられます。一般に材料価格はインバーより高く、低熱膨張を示す温度範囲もより狭くなる傾向があります。

42アロイ・コバールとの違い

同じ鉄ニッケル系の低熱膨張合金に、42アロイとコバールがあります。

• 42アロイ（Fe-42Ni）：熱膨張係数をシリコンやセラミックスに近づけた合金で、半導体のリードフレームなどに使われます。
• コバール（Fe-Ni-Co系）：硬質ガラスやセラミックスと熱膨張を合わせた合金で、ガラスとの封着部品（気密端子など）に使われます。

インバーが「できるだけ膨張しないこと」を目的とするのに対し、42アロイやコバールは「相手材と膨張を合わせること」を目的にしている点が違いです。

インバーの主な用途

• 半導体製造装置：ステージ部品、位置決めの基準となる構造部品、マスク周辺部品
• 光学機器：レンズやミラーの保持部品、光学ベンチ
• 計測機器：測長器や三次元測定機の基準部品、スケール
• 金型・治具：CFRP成形用の金型、熱による寸法変化を嫌う治具
• LNG関連：低温で使われる配管・タンク部品

インバーの切削加工が難しい理由

粘りが強く加工硬化しやすい

インバーはオーステナイト系ステンレスに似た粘りのある材料で、削られた表面が硬くなる加工硬化を起こしやすい性質があります。刃先がこすれるような条件では工具摩耗が急速に進みます。

構成刃先・バリ

延性が高いため、刃先に材料が溶着して構成刃先ができやすく、仕上げ面の荒れやむしれの原因になります。穴の出口やエッジにはバリが出やすく、精密部品ではバリ取りの工程にも配慮が必要です。

加工熱と寸法の安定性

インバーは熱膨張が小さいとはいえ、加工中の発熱による局所的な変形や、切削・保持によって生じる残留応力の影響は避けられません。インバー部品はもともと寸法安定性を求めて採用されるため、加工後に寸法が変化しては意味がありません。加工条件と工程の組み方が品質を左右します。

インバー切削加工のポイント

工具・切削条件

• 切れ味のよい刃形（すくい角の大きい工具）を選び、こすらずに切ることを優先します。
• 加工硬化層を削らないよう、適度な切込みと送りを確保します。
• クーラントを十分に供給し、刃先の温度上昇と溶着を抑えます。
• 薄肉部はクランプ力や切削抵抗による変形に注意し、段取りを工夫します。

応力除去・時効処理と工程の組み方

精度の高いインバー部品では、荒加工の後に応力除去焼なましや安定化処理（寸法を落ち着かせるための熱処理や時効）を入れ、その後に仕上げ加工を行う工程が一般的です。荒加工で取り代を均等に残し、熱処理で応力を解放してから仕上げることで、加工後の寸法変化を抑えます。熱処理の条件は材料メーカーの推奨やお客様の仕様に従います。

測定環境（温度管理）

インバー部品を測定する際は、測定する側の測定機やゲージの温度にも注意が必要です。部品が熱膨張しにくくても、測定機器や基準器はふつうの金属でできているため、温度が変わると測定値がずれます。温度管理された環境で、ワークと測定機の温度をなじませてから測定することが重要です。

溶接したインバー構造物の仕上げ加工

インバーは溶接構造物として使われることもあります。大型のフレームやベースなどを溶接で組み立てた後、取り付け面や基準面を機械加工で仕上げることで、組立精度を確保します。溶接後の構造物は溶接ひずみや残留応力を含んでいるため、基準の取り方、取り代の配分、加工順序の検討が重要です。エヌテックでは、お客様が溶接したインバー構造物を仕上げ加工した実績があります。

エヌテックのインバー切削加工

半導体製造装置向けの加工実績

エヌテックは、半導体製造装置向けのインバー部品の加工実績があります。広島県福山市の本社工場と神奈川県相模原市の相模原工場で、NC旋盤10台超、複合加工機（INTEGREX）3台、マシニングセンタ（縦・横・5面加工）を使い分け、丸物・角物のインバー部品を1個から承ります。チタンやニッケル合金などの難削材の加工実績も活かしています（→ チタン切削加工のページ）。

20℃恒温検査室での測定

20℃の恒温検査室に三次元測定機2台を備え、専任検査員による出荷前検査を行っています。工程はバーコードで管理し、ISO9001に基づく品質管理体制のもとで、寸法安定性が求められるインバー部品の品質を確認してからお届けします（→ 検査ルームのページ）。

よくある質問

Q. インバーとはどんな金属ですか？

A. 鉄にニッケルを約36%加えた合金で、常温付近での熱膨張が炭素鋼のおよそ10分の1程度と非常に小さいことが特長です。温度変化による寸法のずれを嫌う精密機器の部品に使われます。

Q. インバーとスーパーインバーの違いは何ですか？

A. スーパーインバーはニッケルの一部をコバルトに置き換えた合金で、インバーよりさらに熱膨張が小さく、ゼロに近い値を示します。そのぶん材料価格は高くなる傾向があり、必要な寸法安定性に応じて使い分けます。

Q. インバーは切削加工しにくいですか？

A. 粘りが強く加工硬化しやすいため、オーステナイト系ステンレスと同様に削りにくい部類の材料です。切れ味のよい工具、適切な切込み・送り、十分なクーラントに加え、応力除去を挟んだ工程の組み方が精度を左右します。

Q. 溶接したインバー構造物の仕上げ加工だけを依頼できますか？

A. はい。お客様が溶接したインバー構造物の仕上げ加工の実績があります。構造物の図面と仕上げ加工箇所、要求精度をお知らせください。

お問い合わせ

インバー部品の切削加工は、エヌテックにご相談ください。図面（または現物写真）に、材質（インバー・スーパーインバーなど）・数量・希望納期を添えてお送りいただければ、加工方法と工程をご提案します。溶接構造物の仕上げ加工のみのご依頼もお問い合わせください。