Talište aluminija: Od čistog AL do legura

1. Uvod

Aluminij se nalazi među najsvestranijim i obilnijim metalima koji se danas koriste, Industrije koje podupiru zrakoplovstvo do potrošačke elektronike.

Njegova kombinacija lagan, Dobra vodljivost, i otpor korozije čini ga neophodnim.

Za proizvodnju, reciklirati, ili se učinkovito pridružiti aluminiju, Inženjeri moraju točno znati kada prelazi iz krute u tekućinu.

U ovom članku, Upućujemo se u aluminijsku talište - to je precizna vrijednost, Utjecajni čimbenici, Tehnike mjerenja, i industrijske implikacije.

Razjašnjenjem ovih detalja, Cilj nam je opremiti znanstvenike i inženjere proizvodnje s djelotvornim uvidima za optimizaciju procesa koji se oslanjaju na ponašanje topljenja aluminija.

2. Što je talište?

U termodinamici, a talište Označava temperaturu na kojoj kruta i njegova tekuća faza koegzistiraju u ravnoteži.

Na ovoj preciznoj temperaturi, krutina apsorbira dovoljno topline da razbije kristalnu rešetku,

pretvaranje u tekućinu uz održavanje konstantne temperature dok se tolje ne dovrši.

Nekoliko čimbenika utječe na ravnotežnu temperaturu:

• Čistoća: Čiste tvari imaju oštro, Dobro definirane točke topljenja. Čak i nečistoće u tragovima mogu proširiti raspon taljenja i smanjiti temperaturu početka.
• Pritisak: Kako se pritisak povećava, Točke taljenja obično se povećavaju prema Clapeyronov odnos,
  što povezuje promjene tlaka i temperature na faznim granicama putem razlika u volumenu i entropiji.
• Legiranje: Miješanje aluminija s elementima poput silicija ili bakra stvara tekućina i solud Linije na faznom dijagramu.
  Liquinus predstavlja temperaturu iznad koje je legura potpuno tekuća,
  dok solidus označava temperaturu ispod koje je potpuno čvrsta. Između ove dvije linije, kruti i tekući koegzist.

3. Talište čistog aluminija

Standardna vrijednost: 660.32 ° C (1220.58 ° F)

Pod standardnim atmosferskim tlakom (0.1 MPA), čist aluminij topi se na 660.32 ° C (1,220.58 ° F).

Laboratoriji potvrđuju ovu vrijednost koristeći stanice s visokom preciznom fiksnom točkom i uspoređuju s certificiranim referentnim materijalima.

Industrijski termoparovi često čitaju 5–10 ° C veću od istinske temperature taline zbog pregrijavanja i pogreške mjerenja,
pa operateri obično postavljaju zadane točke peći 680–700 ° C Prije ulijevanja.

Čimbenici koji utječu na točku topljenja aluminija

Učinak legirajućih elemenata

Kada legira aluminij, elementi poput silicij (I), magnezij (Mg), bakar (Pokrajina), i cink (Zn) izmijeniti njegovo ponašanje topljenja:

• Silicij (Al - Da) legure (Npr., A356, A319) izložite eutektičke skladbe oko 12.6 mas % I. Njihova se eutektička smjesa topi na 577 ° C, Dok je licus leži u blizini 615 ° C.
• Magnezij (Al -mg) dodaci (Npr., 6061 legura) gurnite licus na približno 650 ° C i solidus do 582 ° C, stvarajući raspon topljenja otprilike 68 ° C.
• Bakar (Al-cu) i Cinkov (Al -zn) pomaknite raspon topljenja dalje: na primjer, 7075 (Al -zn -mg -s) ima tekućinu u blizini 635 ° C I solidus okolo 475 ° C, Širenje ~ 160 ° C.
• Raspon taljenja svake legure pojavljuje se na njegovom faznom dijagramu, a proizvođači moraju ciljati na lijevanje
  ili ekstruzijske temperature znatno iznad tekućine kako bi se osigurala potpuna fluidnost i pravilno unošenje tankih presjeka.

Nečistoće i tekućina / čvrsta depresija

Čak i male količine željezo (FE), nikla (U), ili kroma (CR) djeluju kao nečistoće,

često formirajući intermetalne spojeve (Npr., Al₃fe) i smanjujući temperaturu likvida za nekoliko stupnjeva.

Na primjer, samo 0.1 mas % FE može sniziti likvidu za ~ 2–3 ° C.

Ljterice to ublažavaju primjenom toka (klorid ili fluorid) i degasiranje za uklanjanje oksida i vodika,

na taj način izoštravanje visoravni za topljenje i smanjenje jaz između solusa i licus -a.

Ovisnost o topljenju (Clapeyronov odnos)

Pod povišenim pritiscima, Točka topljenja aluminija raste brzinom od približno 6 K/GPA.

Za većinu industrijskih procesa koji rade na ili blizu ili u blizini 1 bankomat, Ovaj se učinak dokazuje zanemarivim.

Međutim, Istraživanje visokog tlaka (Npr., Eksperimenti s dijamantnim stanicama) otkriva to na 1 GPA, Točka topljenja aluminija penje se okolo 666 ° C.

Iako nije izravno primjenjivo na standardno lijevanje, Ove informacije naglašavaju kako pritisak utječe na ravnotežu krute i tekućine.

4. Legura i rasponi topljenja

Ispod je nerazumljiv, ali opsežan popis uobičajenih aluminijskih legura i njihov približni solidus/licussus (topljenje) temperatura.

U mnogim slučajevima, Svaka legura pokazuje a raspon Između solusa (početak topljenja) i tekućina (Potpuno tekuća) Zbog legiranja i eutektičkih reakcija.

Bilješke i zapažanja:

• Čisti aluminij (1100) Topi točno na 660.3 ° C (1 220.5 ° F); komercijalni 1100 može pokazati blagi ± 1 ° C (± 1.8 ° F) varijacija zbog nečistoća u tragovima.
• Al - Si za lijevanje legura (A356, A380, ADC12, A413) značajka vrijednosti solidus od 546 ° C (1 015 ° F) do ~ ~ 577 ° C (1 071 ° F), s Liquicus blizu 595–615 ° C (1 103–1 139 ° F).
  Relativno uski intervali zamrzavanja u nekim (Npr., A356) Ponose fine mikrostrukture i dobra mehanička svojstva.
• Kovane legure koje nose mg (5052, 5083, 6061, 6082, 6063) pokazati temperature solidusa između 545 ° C (1 013 ° F) i 582 ° C (1 080 ° F),
  Dok licus leži između 640 ° C (1 184 ° F) i 655 ° C (1 211 ° F).
  Kako se Mg sadržaj penje, Solud se spušta niže, Širenje raspona taljenja.
• Visoka čvrstoća 7000 niz (7050, 7075) izložite vrlo široki rasponi zamrzavanja,
  eutektika blizu 470–475 ° C (878–887 ° F) i licus oko 635–640 ° C (1 175–1 184 ° F).
  Pažljiva kontrola procesa (vakuum, HPDC) je bitno za sprečavanje vrućeg pucanja.
• Aluminijske legure bogate bakra (2024, 2014) imati Vrijednosti solidusa blizu 490–502 ° C (914–935 ° F)
  i Blizu 640-642 ° 100 (1 184–1 188 ° F)- vrlo velik interval od ~ 140 ° C (≈ 252 ° F), zahtijevajući precizno upravljanje temperaturom kako bi se izbjegli nedostaci.
• Legure u nastajanju (Al -li, Skala, Albemet, nano-lele) Ugađanje ponašanja topljenja za samo nekoliko stupnjeva, ali nude jedinstvene mehaničke ili prednosti za obradu.

5. Metode mjerenja i određivanja

Točno precizno određivanje tališta aluminija zahtijeva kontrolirane laboratorijske metode. Inženjeri i istraživači oslanjaju se:

Diferencijalna skenirajuća kalorimetrija (DSC)

DSC mjeri protok topline u mali aluminijski uzorak (5–10 mg) Kako se temperatura povećava poznatom brzinom (Npr., 10 ° C/min).

A Endotermički vrh na 660.3 ° C odgovara latentnoj toplini fuzije (grubo 10.71 KJ/Mol, ili 394 J/g).

DSC instrumenti visoke preciznosti postižu ± 0,5 ° C točnost kalibracijom s primarnim referencama kao što je Indium (talište 156.6 ° C) i cink (419.5 ° C).

Diferencijalna toplinska analiza (DTA)

U DTA, referenca (inertni materijal) a aluminijski uzorak dijeli isti program grijanja. Temperaturna razlika između njih otkriva početak topljenja.

Iako manje precizan od DSC -a, DTA osigurava rezoluciju ± 1 ° C, što ga čini korisnim za karakterizaciju raspona legura kada se upare s krivuljama hlađenja.

Testovi peći utemeljeni na termoelemu

Industrijske ljevaonice često se oslanjaju Tip k (Nicr -nie) ili Tip N (Nicrsi-neki) Termoparovi umetnuti u rastopljeni aluminij.

Kako uzorak dopire 660 ° C, Operatori bilježe privremeni plato (Stil peći od ledološkog točaka) što ukazuje na latentnu apsorpciju topline.

Međutim, pregrijavanje može gurnuti prividnu temperaturu na 680–700 ° C prije nego što padne na pravog licusa.

Ponavljana kalibracija prema referentnim metalima pomaže ispraviti sustavne pogreške, ali ne može u potpunosti ukloniti pristranosti povezane s oksidacijom.

Izazovi u preciznosti (Oksidacija, Pregrijavanje)

Rastaljeni aluminij brzo tvori an glinica (Al₂o₃) Film na njegovoj površini, Izolirajuća unutarnja očitanja temperature tekućine i nagiba.

Istovremeno, skupno aluminij često pregrijavanje do 20–30 ° C iznad njegovog tekućeg jer je nukleacijske barijere odgađaju početak topljenja.

Da biste prevladali ta pitanja, Laboratoriji miješaju uzorke pod inertnim plinom (argon) ili primijeniti tokove za razbijanje oksidnih filmova prije mjerenja.

Oni također montiraju stanice fiksne točke da kalibriraju termoelelere prema certificiranim standardima.

6. Prakse industrijskog topljenja i lijevanja

U industrijskim uvjetima, aluminij se rijetko topi u izolaciji; Operatori se probijaju kroz niz specijaliziranih praksi za proizvodnju odljevaka kvalitete:

Tipične vrste peći

• Indukcijske peći: Elektromagnetske zavojnice brzo zagrijavaju otpad ili ingoti.
  Jer indukcija koncentrira toplinu unutar metala, ove peći učinkovito tope aluminij na 700–750 ° C.
• Reverberatorne peći: Ognjišta na plin omogućuju velike serije (do nekoliko tona) rastopiti se na 700–720 ° C. Operatori uklanjaju Dross uz održavanje minimalne temperature.
• Rotacijske peći: Nagnuti bubnjevi okreću se za kombiniranje grijanja i miješanja, Održavanje ujednačene temperature oko 700–750 ° C i nudeći dobro miješanje za homogenost legura.
• Peći za razap: Jedinice manjeg kapaciteta (50–200 kg) Toplinski aluminij putem električnih elemenata ili propana, držeći metal u blizini 680–700 ° C dok se ne izlije.

Fluksiranje i degasiranje

Rastopljeni aluminij lako zarobljava vodik (Topljivost do 0.7 cm³ h₂/100 g al na 700 ° C).

Da se minimizira Poroznost skupljanja, Ljevaonica mjehurića inertni plinovi (argon, dušik) kroz talinu, Poticanje vodika da pobjegne.

Oni također uvode tokovi—Tipično mješavina klorida ili fluorida - koji se otapaju i plutaju glinica, olakšavajući ga za preskakanje.

Učinkovito protok smanjuje uključivanje oksida za više od 80 %, izravno poboljšanje konačnog integriteta lijevanja.

Potrošnja energije i razmatranja učinkovitosti

Taljenje primarnog aluminija konzumira 13–15 kWh po kilogramu proizvedena metala.

Za razliku od, sekundarni (recikliran) aluminij zahtijeva samo 1.8–2,2 kWh po kilogramu—A otprilike 85 % ušteda energije.

Moderne peći poluge obloge keramičkih vlakana, regenerativni plamenici, i oporavak otpada za smanjenje potrošnje energije dodatnim 15–20 %.

Ljevaonica zapisa Trošak energije po toni od rastopljenog, Kao grijanje čini do 60 % ukupnih troškova lijevanja.

Liječenje taline i kontrola temperature za kvalitetu

Kako bi se osigurao dosljedan sastav legura i minimizirao makro -segregaciju, Operatori miješaju rastopljeni aluminij pomoću mehaničkih vozača ili elektromagnetskog miješanja.

Drže se topi na 700–720 ° C za kratko natapanje (5–10 minuta) prije prelaska u držanje peći.

Kontroleri temperature - često povezani s infracrveni pirometri—Intain ± 5 ° C stabilnost, Sprječavanje pretjeranog pregrijavanja uz osiguravanje fluidnosti za odljeve u tankom presjeku.

7. Industrijske i praktične implikacije

Metalurgija: Postupci topljenja i lijevanja

Ljejne kalibriraju peći na 20–40 ° C iznad legure tekućine kako bi se osiguralo potpuno punjenje kalupa.

Preniska temperatura (Npr., manje nego 50 ° C tekućina) uzrokuje hladnoće i zabludi,

dok pretjerano pregrijavanje (Npr., > 150 ° C tekućina) ubrzava oksidaciju i stvaranje droge.

Kvaliteta otope izravno utječe na mehanička svojstva: Dobro kontrolirani prinos topljenja produženja

iznad 12 % U A356 odljeva, dok loša kontrola može smanjiti duktilnost na dolje 5 %.

Aerospace, Automobilizam, i konstrukcije

• Aerospace: Precizno investiciranje legura al -li (tekućina ~ 640 ° C, solidus ~ 510 ° C) Zahtijeva se rastopi čistoća kako bi se izbjegla poroznost u kritičnim komponentama mlaznog motora.
• Automobilizam: Umro visoki pritisak lijeva A380 (tekućina ~ 595 ° C) Za prijenosne kućice zahtijeva grijanje plijesni do 240–260 ° C Da biste izbjegli hladnoću.
• Konstrukcija: Ekstruzija 6061 jer se okviri prozora događaju na 500–520 ° C, znatno ispod likvida, Uravnotežavanje formabilnosti s dimenzionalnom stabilnošću.

Razmatranja zavarivanja i aditiva

• Fuzijsko zavarivanje: Zavarivanje plinskog volframskog luka (GTAW) od 6061-T6 trčanja na DC elektroda negativan s unosom topline prilagođen za zadržavanje bazena zavarivanja na 650–700 ° C.
  Međutim, Zona zahvaćena toplinom (Haz) Može pasti ispod 500 ° C, uzrokujući omekšavanje ako ne i ponovno starije.
• Aditivna proizvodnja (SLM/EBM): Fini aluminijski prah (Veličina čestica 15–45 µm) u
  Fuzija u prahu zahtijevaju lasere ili elektronske grede koje stvaraju lokalne temperature 1,000 ° C+ nadoknaditi visoku reflektivnost i vodljivost.
  Parametri procesa moraju minimizirati ključ i prskanje, Unatoč nižoj talištu aluminija od čelika.

Dizajniranje toplinske obrade & Vrući rad

Rasporedi kovanja ili ekstruzije ostaju znatno ispod solidusa - obično 350–550 ° C (662–1 022 ° F)— Da izbjegnete rastojanje početnog.

Nakon formiranja, legure često podliježu rješenju u blizini 515–535 ° C (959–995 ° F) i gašenje za uspostavljanje T6 ili drugih temperatura.

Učinkovitost recikliranja

Sekundarne aluminijske topionice topi većinu legura na 700–720 ° C (1 292–1 328 ° F),

postizanje 90–95 % oporavak pri ~ 0,5–0,8 kWh/kg-FAR niža energija od ponovnog mAltiranja čelika (1,400–1,600 ° C / 2-4 kWh/kg).

8. Usporedbe s drugim metalima

9. Zaključak

Točka topljenja aluminija, 660.32 ° C, sidre bezbroj industrijskih operacija, od primarnog topiranja do napredne proizvode aditiva.

Njegov relativno nizak prag topljenja smanjuje potrošnju energije, ubrzava recikliranje,

i pojednostavljuje lijevanje u usporedbi s višim metalima poput bakra i čelika.

Dok se industrije i dalje guraju za lakši, jači, i složenije aluminijske komponente,

Razumijevanje i upravljanje ponašanjem aluminijskog topljenja ostat će presudno.

Daljnja istraživanja nano-legura, Ekstremno taljenje tlaka, i obećavaju energetski učinkovite metode grijanja

Da produbimo naše razumijevanje ovog temeljnog prijelaza - iskrivljeno u tekuću - koja definira ulogu aluminija u modernoj metalurgiji.