Alumiinin sulamispiste: Pure Al: sta seoksiin

1. Esittely

Alumiini on nykyään monipuolisimpia ja runsasmetalleja, Industriesia ilmailu- ja kulutuselektroniikkaan.

Sen yhdistelmä kevyt, hyvä johtavuus, ja korroosionkestävyys tekee siitä välttämättömän.

Valmistaa, kierrättää, tai liity alumiiniin tehokkaasti, Insinöörien on tiedettävä tarkalleen, milloin se siirtyy kiinteästä nesteeseen.

Tässä artikkelissa, Me pohdimme alumiinin sulamispistettä - sen tarkka arvo, vaikuttavat tekijät, mittaustekniikat, ja teollisuusvaikutukset.

Selventämällä näitä yksityiskohtia, Pyrimme varustamaan materiaalitieteilijät ja tuotantoinsinöörit toimivia oivalluksia prosessien optimoimiseksi, jotka luottavat alumiinin sulamiskäyttäytymiseen.

2. Mikä on sulamispiste?

Termodynamiikassa, se sulamispiste Merkitsee lämpötilaa, jossa kiinteä ja sen nestemäinen faasi esiintyvät samanaikaisesti tasapainossa.

Tällä tarkalla lämpötilassa, Kiinteä aine imee tarpeeksi lämpöä katkaisemaan kidehilat,

muuttuu nesteeksi säilyttäen vakiolämpötilaa, kunnes sulaminen valmistuu.

Useat tekijät vaikuttavat tasapainolämpötilaan:

• Puhtaus: Puhtailla aineilla on terävä, hyvin määriteltyjä sulamispisteitä. Jopa hivenaineet voivat laajentaa sulamisaluetta ja vähentää alkamislämpötilaa.
• Paine: Paine noustessa, Sulamispisteet kasvavat tyypillisesti Clapeyron -suhde,
  joka yhdistää paineen ja lämpötilan muutokset vaiherajoilla tilavuus- ja entropiaerojen kautta.
• Seotus: Alumiinin sekoittaminen elementtien, kuten piin tai kuparin kanssa nestemäinen ja solidus vaihekaavion viivat.
  Nestemaa edustaa lämpötilaa, jonka yläpuolella seos on täysin nestemäinen,
  kun taas solidus merkitsee lämpötilaa, jonka alapuolella se on täysin kiinteä. Näiden kahden rivin välillä, kiinteä ja nestemäinen.

3. Puhtaan alumiinin sulamispiste

Vakioarvo: 660.32 ° C (1220.58 ° f)

Tavanomaisessa ilmakehän paineella (0.1 MPA), puhdas alumiini sulaa jhk 660.32 ° C (1,220.58 ° f).

Laboratoriot vahvistavat tämän arvon käyttämällä korkean tarkkuuden kiinteän pisteen soluja ja vertailu sertifioituihin vertailumateriaaleihin.

Teollisuuslämpöparit lukevat usein 5–10 ° C korkeampia kuin todellinen sulatuslämpötila ylikuumennuksen ja mittausvirheen vuoksi,
Joten operaattorit yleensä asettavat uunin asetuspisteet ympärille 680–700 ° C Ennen kaatamista.

Alumiinin sulamispistettä vaikuttavat tekijät

Seostavien elementtien vaikutus

Alumiinin seottaessa, elementit, kuten pii (Ja), magnesium (Mg), kupari (Cu), ja sinkki (Zn) Muuta sen sulamiskäyttäytymistä:

• Pii (Al - kyllä) seokset (ESIM., A356, A319) Näyttää eutektiset koostumukset ympärillä 12.6 WT % Ja. Heidän eutektinen seos sulaa 577 ° C, kun taas likvidi on lähellä 615 ° C.
• Magnesium (Al - Mg) lisäykset (ESIM., 6061 metalliseos) työntää nestemaa suunnilleen 650 ° C ja 582 ° C, Karkean sulatusalueen luominen 68 ° C.
• Kupari (Al-cu) ja Sinkki (Al - Zn) Sulatusalueen vaihtaminen edelleen: esimerkiksi, 7075 (Al -zn -mg -) on neste lähellä 635 ° C ja solidus ympäri 475 ° C, leviäminen ~ 160 ° C.
• Jokaisen seoksen sulamisalue ilmestyy sen vaihekaavioon, ja valmistajien on kohdistettava valu
  tai suulakepuristuslämpötilat selvästi nestemäisen yläpuolella varmistaaksesi ohuiden osien täydellisen juoksevuuden ja asianmukaisen ruokinnan.

Epäpuhtaudet ja nestemäinen / kiinteä masennus

Jopa pieniä määriä rauta (Fe), nikkeli (Sisä-), tai kromi (Cr) toimia epäpuhtauksina,

muodostaa usein metallisia yhdisteitä (ESIM., Ali) ja nestesälämpötilan alentaminen usealla asteella.

Esimerkiksi, vain 0.1 WT % Fe voi laskea nestemäistä ~ 2–3 ° C: lla.

Valimot lieventävät tätä käyttämällä vuotoja (kloridi- tai fluoriapohjainen) ja kaasunpoisto oksidien ja vedyn poistamiseksi,

siten teroittaa sulavaa tasangoa ja vähentämällä Soliduksen ja likvidoksen välistä kuilua.

Sulamisen paineen riippuvuus (Clapeyron -suhde)

Kohonneissa paineissa, alumiinin sulamispiste nousee suunnilleen 6 K/GPA.

Useimmille teollisuusprosesseille, jotka toimivat tai lähellä 1 pankkiautomaatti, Tämä vaikutus osoittautuu vähäiseksi.

Kuitenkin, korkeapaineinen tutkimus (ESIM., Diamond -Anvil -solukokeet) paljastaa sen 1 GPA, Alumiinin sulatuspiste kiipeää ympäri 666 ° C.

Vaikka sitä ei sovelleta suoraan vakiovaluihin, Tämä tieto korostaa, kuinka paine vaikuttaa kiinteään ja nestetasapainoon.

4. Seosjärjestelmät ja sulamisalueet

Alla on ei-tyhjentävä, mutta laaja luettelo yleisistä alumiiniseoksista ja niiden likimääräisestä solidus/likvidoksesta (sulaminen) lämpötila.

Monissa tapauksissa, Jokaisella seoksella on a alue Soliduksen välissä (sulamisen alkaminen) ja neste (täysin nestemäinen) Seostamisen ja eutektisten reaktioiden vuoksi.

Muistiinpanot ja havainnot:

• Puhdas alumiini (1100) sulaa tarkalleen osoitteessa 660.3 ° C (1 220.5 ° f); kaupallinen 1100 voi osoittaa lievää ± 1 ° C (± 1.8 ° f) Epäpuhtauksien aiheuttamat vaihtelut.
• Al - Si -casting -seokset (A356, A380, ADC12, A413) ominaisuus Solidus -arvot 546 ° C (1 015 ° f) kohtaan ~ ~ 577 ° C (1 071 ° f), nestemellä lähellä 595–615 ° C (1 103–1 139 ° f).
  Joissakin suhteellisen kapeat jäätymisvälit (ESIM., A356) tuottaa hienoja mikrorakenteita ja hyviä mekaanisia ominaisuuksia.
• Mg-kantavat takoreosit (5052, 5083, 6061, 6082, 6063) show solidus -lämpötilat 545 ° C (1 013 ° f) ja 582 ° C (1 080 ° f),
  kun taas likvidus on välillä 640 ° C (1 184 ° f) ja 655 ° C (1 211 ° f).
  Mg -sisältökiipeinä, Solidus putoaa alempiin, sulatusalueen laajentaminen.
• Luja 7000 sarja (7050, 7075) Näyttely hyvin leveät jäätymisalueet,
  Eutektiikka lähellä 470–475 ° C (878–887 ° F) ja nestemäinen noin 635–640 ° C (1 175–1 184 ° f).
  Huolellinen prosessin hallinta (tyhjiövalu, HPDC) on välttämätöntä kuuman halkeamisen estämiseksi.
• Kuparirikkaat alumiiniseokset (2024, 2014) olla Solidus -arvot lähellä 490–502 ° C (914–935 ° F)
  ja Lähellä lähellä 640-642 ° 100 (1 184–1 188 ° f)- erittäin suuri ~ 140 ° C -väli (≈ 252 ° f), vaaditaan tarkka lämpötilanhallinta vikojen välttämiseksi.
• Nousevat seokset (Al -li, Skaali, Albemet, nano-seos) Säädä sulatuskäyttäytymistä vain muutamalla asteella, mutta tarjoaa ainutlaatuisia mekaanisia tai prosessointia.

5. Mittaus- ja määritysmenetelmät

Alumiinin sulamispisteen tarkasti määrittäminen vaatii hallittuja laboratoriomenetelmiä. Insinöörit ja tutkijat luottavat:

Differentiaalinen skannauskalorimetria (DSC)

DSC mittaa lämpövirtauksen pieneen alumiininäytteeseen (5–10 mg) Lämpötilaramppeina tunnetulla nopeudella (ESIM., 10 ° C/min).

Se endoterminen huippu at 660.3 ° C vastaa fuusion piilevää lämpöä (karkeasti 10.71 KJ/mol, tai 394 J/g).

Korkean tarkkuuden DSC -instrumentit saavuttavat ± 0,5 ° C tarkkuuden kalibroimalla ensisijaisilla viitteillä, kuten indium (sulamispiste 156.6 ° C) ja sinkki (419.5 ° C).

Erilainen lämpöanalyysi (DTA)

DTA: ssa, viite (inertti materiaali) ja alumiininäytteellä on sama lämmitysohjelma. Lämpötilaero niiden välillä paljastaa sulamisen alkamisen.

Vaikka vähemmän tarkka kuin DSC, DTA tarjoaa ± 1 ° C: n resoluution, Se, että se on hyödyllinen seosalueen karakterisoimiseksi pariksi jäähdytyskäyrien kanssa.

Termoelementtipohjaiset uunitestit

Teollisuusrahastot luottavat usein jhk Tyyppi K (NICR - NIAL) tai Tyyppi n (Nikrsi) Lämpöparit asetetaan sulaan alumiiniin.

Kun näyte saavuttaa 660 ° C, Operaattorit huomauttavat väliaikaisen tasango (jääpisteen uunin tyyli) osoittaa piilevän lämmön imeytymisen.

Kuitenkin, ylikuumenemis voi työntää näennäisen lämpötilan 680–700 ° C Ennen kuin se putoaa todelliseen likvidoon.

Toistuva kalibrointi referenssimetalleja vastaan ​​auttaa korjaamaan systemaattisia virheitä, mutta ei voi kokonaan eliminoida hapettumiseen liittyviä puolueellisuuksia.

Tarkkuuden haasteet (Hapetus, Ylikuumenemis)

Sulan alumiini muodostaa nopeasti alumiiniokso (Alkari) kalvoa pinnalla, Sisäisen nesteen ja vinoutumisen lämpötilan lukemien eristäminen.

Samanaikaisesti, irtotavarana alumiini usein ylikuuastiat 20–30 ° C: lla sen likvidoksen yläpuolella, koska ytimten esteet viivästyttävät sulamisen alkamista.

Näiden kysymysten voittamiseksi, Laboratoriot sekoittavat näytteitä inertin kaasun alla (argoni) tai levitä virtauksia oksidikalvojen katkaisemiseksi ennen mittausten tekemistä.

Ne myös kiinnittävät kiinteä pisteen solut termoelementtien kalibroimiseksi sertifioitujen standardien suhteen.

6. Teollisuuden sulatus- ja valintakäytännöt

Teollisuusympäristössä, alumiini sulaa harvoin eristyksessä; Operaattorit ravistuvat erikoistuneiden käytäntöjen kautta laadukkaiden valujen tuottamiseksi:

Tyypilliset uunityypit

• Induktiouunit: Sähkömagneettiset kelat lämmitävät nopeasti romua tai harkkoja.
  Koska induktio keskittää lämpöä metalliin, Nämä uunit sulavat alumiinia tehokkaasti 700–750 ° C.
• Kaikuvat uunit: Kaasupäätetyt tulisijat sallivat suuret erät (jopa useita tonnia) sulautua jhk 700–720 ° C. Operaattorit kaatuvat kuohun säilyttäen samalla minimaalisen lämpötilan ylityksen.
• Kiertouunit: Kallistetut rummut pyörivät lämmityksen yhdistämiseksi ja sekoittamiseksi, Ylläpitää tasaista lämpötilaa ympärillä 700–750 ° C ja tarjoamalla hyvää sekoitusta seosten homogeenisuuteen.
• Upokasuunit: Pienempi kapasiteettiyksiköt (50–200 kg) Lämmitä alumiini sähköelementtien tai propaanin kautta, Metallin pitäminen lähellä 680–700 ° C kunnes kaatat.

Ja kaasu

Sulan alumiini vangitsee helposti vety (liukoisuus 0.7 cm³ h₂/100 g al at 700 ° C).

Minimoida kutistuminen huokoisuus, valimat kupla inertit kaasut (argoni, typpi) sulan läpi, Kannustetaan vetyä pakenemaan.

He myös esittelevät vuodot—Typisesti sekoitus klorideja tai fluorideja - jotka liukenevat ja kelluvat alumiinioksidia, helpottaa rasvaamista.

Tehokas vuoto vähentää oksidin sisällyttämistä enemmän kuin 80 %, parantaa suoraan lopullista valaistusta koskevaa eheyttä.

Energiankulutus ja tehokkuusnäkökohdat

Ensisijainen alumiini kuluttaa noin 13–15 kWh kilogrammaa kohti tuotettu metalli.

Sitä vastoin, toissijainen (kierrätetty) alumiini vaatii vain 1.8–2,2 kWh kilogrammaa kohti- suunnilleen 85 % energiansäästö.

Modernit uunit vipuvaikutus keraamiset kuitulinjat, regeneratiiviset polttimet, ja jätehuoneen talteenotto Leikkaa energiankulutusta ylimääräisellä 15–20 %.

Valintarata Energiakustannukset tonnilta sulaa tiiviisti, Lämmityksen mukaan 60 % Kokonaiskustannukset.

Sulata käsittely ja lämpötilan hallinta laadun suhteen

Yhdenmukaisen seoskoostumuksen varmistamiseksi ja makro -segregaation minimoimiseksi, Operaattorit sekoittavat sulaa alumiinia käyttämällä mekaanisia juoksupyöriä tai sähkömagneettista sekoittamista.

Heistä sulaa 700–720 ° C Lyhyt liotus (5–10 minuuttia) Ennen siirtoa uunien pitämiseen.

Lämpötilan ohjaimet - usein kytkettynä infrapunapyrometrit—Atu ± 5 ° C -stabiilisuus, liiallisen ylikuumenemisen estäminen samalla kun varmistetaan sujuvuuden ohuiden osien valujen kanssa.

7. Teolliset ja käytännölliset vaikutukset

Metallurgia: Sulamis- ja valintaprosessit

Valimot kalibroivat uunit 20–40 ° C: seen seoksen nestemäärän yläpuolella muottien täydellisen täyttämisen varmistamiseksi.

Liian alhainen lämpötila (ESIM., vähemmän kuin 50 ° C nestemäinen) aiheuttaa kylmää sulkeutumista ja väärinkäytöksiä,

kun taas liiallinen ylikuumeneminen (ESIM., > 150 ° C nestemäinen) kiihdyttää hapettumista ja kuohun muodostumista.

Sulan laatu vaikuttaa suoraan mekaanisiin ominaisuuksiin: Hyvin kontrolloitu sulamistuotto pidentymiset

edellä 12 % A356 -valuissa, kun taas huono hallinta voi vähentää taipuisuuttaan alle 5 %.

Ilmailu-, Autoteollisuus, ja rakennuskäyttö

• Ilmailu-: AL -LI -seosten tarkkuusinvestointien valinta (neste ~ 640 ° C, Solidus ~ 510 ° C) Vaatii sulaa puhtautta välttääkseen huokoisuuden kriittisiä suihkumoottorikomponentteja.
• Autoteollisuus: Korkeapaineinen kuolema A380: n valu (neste ~ 595 ° C) Vaihteistokoteloissa vaatii homeen lämmitystä 240–260 ° C vilunväristykseen.
• Rakennus: Suulakepuristus 6061 Sillä ikkunakehykset tapahtuvat 500–520 ° C, Hyvin nidonnen alapuolella, Tasapainotettavuus ulottuvuudella stabiilisuudella.

Hitsaus- ja lisäaineiden valmistusnäkökohdat

• Fuusiohitsaus: Kaasun volframi kaarihitsaus (Gtaw) 6061-T6-ajoissa DC -elektrodin negatiivinen lämmöntulolla räätälöity hitsausaltaan pitämiseksi 650–700 ° C.
  Kuitenkin, Lämpövaikutteinen vyöhyke (Hass) voi pudota alapuolelle 500 ° C, aiheuttaen pehmenemistä, ellei sitä uudelleen.
• Lisäaineiden valmistus (SLM/EBM): Hienot alumiini -jauheet (Hiukkaskoko 15–45 um) sisä-
  Jauhesängyn fuusio vaatii lasereita tai elektronisäteitä, jotka tuottavat paikallisia lämpötiloja 1,000 ° C+ Korkean heijastavuuden ja johtavuuden kompensoimiseksi.
  Prosessiparametrien on minimoitava avainholointi ja roiskuminen, Huolimatta alumiinin alemmasta sulamispisteestä kuin teräs.

Lämpökäsittelyn suunnittelu & Kuuma työ

Taonta- tai suulakepuristusaikataulut pysyvät selvästi alle solidus - tyypillisesti 350–550 ° C (662–1 022 ° f)- välttää alkava sulaminen.

Muodostumisen jälkeen, Seokset läpikäyvät usein lähellä 515–535 ° C (959–995 ° F) ja sammutus T6: n tai muiden lempeiden perustamiseksi.

Kierrätystehokkuus

Toissijainen alumiinisulatukset sulavat useimmat seokset 700–720 ° C (1 292–1 328 ° f),

saavuttaminen 90–95 % palautus ~ 0,5–0,8 kWh/kg-pienempi energia kuin teräs uudelleen suljettava (1,400–1 600 ° C / 2-4 kWh/kg).

8. Vertailut muiden metallien kanssa

9. Johtopäätös

Alumiinin sulamispiste, 660.32 ° C, ankkuroi lukemattomia teollisuusoperaatioita, ensisijaisesta sulatuksesta edistyneeseen lisäaineiden valmistukseen.

Sen suhteellisen matala sulatuskynnys vähentää energiankulutusta, kiihdyttää kierrätystä,

ja yksinkertaistaa valun verrattuna korkeamman sulamismetallien, kuten kuparin ja terästen, verrattuna.

Kun teollisuus jatkaa kevyemmän työntöä, vahvempi, ja monimutkaisemmat alumiinikomponentit,

Alumiinin sulamiskäyttäytymisen ymmärtäminen ja hallinta pysyy tärkeänä.

Jatkotutkimusta nano-seosista, äärimmäinen paine, ja energiatehokkaat lämmitysmenetelmät lupaavat

Syventämme ymmärrystämme tästä perustavanlaatuisesta muutoksesta - suloinen nesteeseen -, joka määrittelee alumiinin roolin nykyaikaisessa metallurgiassa.