アルミニウムの融点: 純粋なアルから合金まで

1. 導入

アルミニウムは、今日使用されている最も汎用性が高く豊富な金属の1つです, 航空宇宙から家電まで産業を支えています.

の組み合わせ 軽量, 良好な導電性, そして 耐食性 不可欠になります.

製造する, リサイクル, または、アルミニウムに効果的に参加します, エンジニアは、いつ固体から液体に移行するかを正確に知る必要があります.

この記事で, 私たちはアルミニウムの融点、つまり正確な価値を掘り下げます, 影響要因, 測定技術, および産業的影響.

これらの詳細を明確にすることにより, 私たちは、材料科学者と生産エンジニアに、アルミニウムの融解動作に依存するプロセスを最適化するための実用的な洞察を提供することを目指しています.

2. 融点は何ですか?

熱力学で, the 融点 固体とその液相が平衡状態で共存する温度をマークします.

この正確な温度で, 固体は、クリスタル格子を壊すのに十分な熱を吸収します,

融解が完了するまで一定温度を維持しながら液体に変換する.

いくつかの要因は平衡温度に影響します:

• 純度: 純粋な物質には鋭いものがあります, 明確に定義された融点. 微量不純物でさえ融解範囲を広げ、発症温度を下げることができます.
• プレッシャー: 圧力が上がると, 融点は通常、に従って増加します クレイペイロン関係,
  体積とエントロピーの違いを介して位相境界での圧力と温度の変化をリンクする.
• 合金: アルミニウムとシリコンや銅などの要素を混合すると、作成されます 液体 そして ソリッド 位相図の線.
  Liquidusは、合金が完全に液体である温度を表しています,
  ソリッドは完全に固体である温度を示しますが. これら2つの行の間, 固体と液体が共存します.

3. 純粋なアルミニウムの融点

標準値: 660.32 °C (1220.58 °F)

標準的な大気圧の下 (0.1 MPA), 純粋な アルミニウム で溶けます 660.32 °C (1,220.58 °F).

研究所は、高精度の固定点セルを使用してこの値を確認し、認定された参照資料との比較.

産業用熱電対は、過熱および測定エラーにより、真の溶融温度よりも5〜10°C高いことがよくあります,
したがって、オペレーターは通常、炉のセットポイントを周囲に設定します 680–700°C 注ぐ前.

アルミニウムの融点に影響を与える要因

合金要素の効果

アルミニウムを合金化するとき, などの要素 シリコン (そして), マグネシウム (mg), 銅 (cu), と亜鉛 (Zn) その融解挙動を変えます:

• シリコン (al-はい) 合金 (例えば。, A356, A319) 周りの共同作曲を展示します 12.6 wt % そして. それらの共晶混合物は溶けます 577 °C, 一方、液体は近くにあります 615 °C.
• マグネシウム (al – mg) 追加 (例えば。, 6061 合金) Liquidusをほぼに押します 650 °C そしてソリッドス 582 °C, 大まかに融解範囲を作成します 68 °C.
• 銅 (al-cu) そして 亜鉛 (Al – Zn) シフトの融解範囲はさらに範囲です: 例えば, 7075 (al -zn -mg -with) 近くに液体があります 635 °C そして周りのソリッド 475 °C, 〜160°Cの広がり.
• 各合金の融解範囲は、その位相図に表示されます, メーカーはキャストをターゲットにしなければなりません
  または、薄いセクションの完全な流動性と適切な給餌を確保するために、液体をはるかに上回る押出温度.

不純物と液体 /固形うつ病

少量でさえ 鉄 (fe), ニッケル (で), またはクロム (cr) 不純物として行動します,

多くの場合、金属間化合物を形成します (例えば。, al₃fe) 液体温度を数度抑制します.

例えば, ただ 0.1 wt % fe Liquidusを〜2〜3°C低下させることができます.

Foundriesは、フラックスを使用してこれを軽減します (塩化物またはフッ化物ベース) 酸化物と水素を除去するために脱ガスします,

したがって、溶けた高原を研ぎ澄まし、ソディアスとリキドゥスの間のギャップを減らす.

融解の圧力依存性 (クレイペイロン関係)

上昇した圧力の下, アルミニウムの融点は、ほぼの速度で上昇します 6 K/GPA.

またはその近くで動作するほとんどの産業プロセスの場合 1 ATM, この効果は無視できることがわかります.

しかし, 高圧研究 (例えば。, ダイヤモンド角環境実験) それを明らかにします 1 GPA, アルミニウムの融点は周りに登ります 666 °C.

標準鋳造に直接適用できませんが, この情報は、圧力が固形液平衡にどのように影響するかを強調しています.

4. 合金システムと融解範囲

以下は、一般的なアルミニウム合金とその近似ソリッド/液体の網羅的ではあるが広範なリストです (溶融) 気温.

多くの場合, 各合金はaを示します 範囲 ソリッドの間 (融解の開始) と液体 (完全液体) 合金化とユートテクティック反応のため.

メモと観察:

• 純粋なアルミニウム (1100) 正確に溶けます 660.3 °C (1 220.5 °F); コマーシャル 1100 わずかな±を示す可能性があります 1 °C (± 1.8 °F) 微量不純物による変動.
• Al – Si鋳造合金 (A356, A380, ADC12, A413) 特徴 ソリッド値から 546 °C (1 015 °F) に 〜 577 °C (1 071 °F), Liquidusは595〜615°Cの近くにあります (1 103–1 139 °F).
  一部の比較的狭い凍結間隔 (例えば。, A356) 微細な微細構造と良好な機械的特性を生成します.
• Mg-Bearing Wrought Alloys (5052, 5083, 6061, 6082, 6063) 見せる 間のソリッドの温度 545 °C (1 013 °F) そして 582 °C (1 080 °F),
  Liquidusは間にあります 640 °C (1 184 °F) そして 655 °C (1 211 °F).
  MG含有量が登ると, ソリッドは低下します, 融解範囲の広がり.
• 高強度 7000 シリーズ (7050, 7075) 非常に展示 広い凍結範囲,
  470〜475°Cの近くの共作 (878–887°F) 635〜640°C前後のLiquidus (1 175–1 184 °F).
  慎重なプロセス制御 (真空鋳造, HPDC) 熱い亀裂を防ぐために不可欠です.
• 銅が豊富なアルミニウム合金 (2024, 2014) 持っている 490〜502°C近くのソリッド値 (914–935°F)
  そして 640-642°100近く (1 184–1 188 °F) - 〜140°Cの非常に大きな間隔 (≈ 252 °F), 欠陥を避けるために正確な温度管理を要求します.
• 新興合金 (al -li, スカル, albemet, ナノアロイ) 微調整溶融挙動はわずか数度だけですが、独自の機械的または処理の利点を提供します.

5. 測定方法と決定方法

アルミニウムの融点を正確に特定するには、制御された実験方法が必要です. エンジニアと研究者は依存しています:

微分走査熱量測定 (DSC)

DSCは、熱の流れが小さなアルミニウムサンプルへの測定値を測定します (5–10 mg) 既知の速度で温度が上昇します (例えば。, 10 °C/min).

The 吸熱ピーク で 660.3 °Cは、融合の潜熱に対応します (だいたい 10.71 KJ/mol, または 394 j/g).

高精度DSC機器は、インジウムなどの主要な参照で校正することにより±0.5°Cの精度を達成します (融点 156.6 °C) と亜鉛 (419.5 °C).

微分熱分析 (DTA)

DTAで, 参照 (不活性材料) アルミニウムサンプルは同じ加熱プログラムを共有しています. それらの間の温度差は、融解開始を明らかにします.

DSCよりも正確ではありませんが, DTAは±1°Cの解像度を提供します, 冷却曲線と組み合わせると、合金範囲を特徴付けるのに役立つようにします.

熱電対ベースの炉テスト

産業鋳造所はしばしば依存しています タイプk (NICR -NIAL) または タイプn (nicrsi-some) 溶融アルミニウムに挿入された熱心.

サンプルに達すると 660 °C, オペレーターは一時的なものに注意してください 高原 (アイスポイント炉スタイル) 潜熱吸収を示します.

しかし, 過熱 見かけの温度をプッシュできます 680–700°C それが真の液体に落ちる前に.

参照金属に対する繰り返しのキャリブレーションは、系統的なエラーを修正するのに役立ちますが、酸化関連バイアスを完全に排除することはできません.

精度の課題 (酸化, 過熱)

溶融アルミニウムはすぐに形成されます アルミナ (al₂o₃) その表面にフィルム, 内側の液体と歪みの温度測定値を絶縁します.

同時に, しばしばバルクアルミニウム 過熱 核形成の障壁が溶融の開始を遅らせるため、液体の上に20〜30°C上.

これらの問題を克服するため, 研究所は不活性ガス下のサンプルを攪拌します (アルゴン) または、測定する前に酸化物膜を壊すためにフラックスを適用します.

また、固定点セルをマウントして、認定基準に対して熱電対を較正します.

6. 産業融解と鋳造の慣行

産業環境で, アルミニウムはめったに溶けません; オペレーターは、高品質の鋳物を作成するための一連の専門的なプラクティスを介してグリストを獲得します:

典型的な炉タイプ

• 誘導炉: 電磁コイルは、スクラップまたはインゴットを急速に加熱します.
  誘導は金属内で熱を濃縮するためです, これらの炉は、アルミニウムを効率的に溶かします 700–750°C.
• 反響炉: ガス火の炉床は大きなバッチを可能にします (最大数トン) で溶ける 700–720°C. 最小限の温度オーバーシュートを維持しながら、オペレーターはドロスをスキムします.
• ロータリー炉: 傾斜ドラムが回転し、加熱と攪拌を組み合わせます, 周りの均一な温度を維持します 700–750°C 合金の均一性に適した混合を提供します.
• るつぼ炉: より小さな容量ユニット (50–200 kg) 電子要素またはプロパンを介した熱アルミニウム, 近くに金属を保持しています 680–700°C 注ぐまで.

フラックスと脱ガス

溶融アルミニウムは水素を容易にトラップします (までの溶解度 0.7 cm³h₂/100 g al で 700 °C).

最小化する 収縮気孔率, Foundriesバブル不活性ガス (アルゴン, 窒素) 溶けを通して, 水素が逃げることを奨励します.

彼らも紹介します フラックス - 典型的には塩化物またはフッ化物のブレンド - アルミナを溶かして浮かぶ, スキムが簡単にレンダリングします.

効果的なフラックスは、酸化物の包含をさらに減少させます 80 %, 最終的な鋳造の完全性を直接改善します.

エネルギー消費と効率の考慮事項

一次アルミニウムの融解が消費されます 13–15 kWhキログラムあたり 生産された金属の.

対照的に, 二次 (リサイクル) アルミニウム 必要があります 1.8–2.2 kWhキログラムあたり - 大まかに 85 % 省エネ.

現代の炉がレバレッジ セラミック繊維ライニング, 再生バーナー, そして 廃棄物の回復 追加でエネルギー使用を削減するため 15–20 %.

Foundries Track 1トンあたりのエネルギーコスト 密接に溶けます, 暖房がまでに説明します 60 % 総鋳造コスト.

品質のための溶融治療と温度制御

一貫した合金組成を確保し、マクロ分離を最小限に抑えます, オペレーターは、機械的装備または電磁攪拌を使用して溶融アルミニウムを攪拌します.

彼らは溶けます 700–720°C 短い浸漬のために (5–10分) 保持炉に移動する前.

温度コントローラー - しばしばリンクされています 赤外線ピロメーター - 測定±5°Cの安定性, 薄切断鋳物の流動性を確保しながら、過度の過熱を防ぎます.

7. 産業的および実用的な意味

冶金: 融解と鋳造プロセス

ファウンドリは、金型の完全な充填を確保するために、合金の液体の上から20〜40°Cまで炉を校正します.

温度が低すぎます (例えば。, 未満 50 °C 液体) コールドシャットを引き起こし、誤って誤解します,

過度の過熱中 (例えば。, > 150 °C 液体) 酸化とドロスの形成を加速します.

溶融品質は、機械的特性に直接影響します: よくコントロールされたメルト収量 伸び

その上 12 % A356鋳物, 制御不良は延性を下に減らすことができます 5 %.

航空宇宙, 自動車, 建設用途

• 航空宇宙: Al – Li合金の精密投資鋳造 (液体〜 640 °C, solidus〜 510 °C) 重要なジェットエンジンコンポーネントの多孔度を避けるために清潔さを溶かすことを要求します.
• 自動車: A380の高圧ダイキャスト (液体〜 595 °C) 伝送の場合、カビの加熱が必要です 240–260°C 悪寒を避けるため.
• 工事: の押し出し 6061 ウィンドウフレームはで発生します 500–520°C, Liquidus以下, 形成性と寸法の安定性のバランス.

溶接および添加剤の製造上の考慮事項

• 融合溶接: ガスタングステンアーク溶接 (gtaw) 6061-T6が実行されます DC電極陰性 溶接プールを維持するように調整された熱入力 650–700°C.
  しかし, 熱の影響を受けたゾーン (ハズ) 下にドロップする可能性があります 500 °C, 再老化していないとしても軟化を引き起こします.
• 添加剤の製造 (SLM/EBM): 細かいアルミニウム粉末 (粒子サイズ15〜45 µm) で
  パウダーベッドの融合には、の局所温度を生成するレーザーまたは電子ビームが必要です 1,000 °C+ 高い反射率と導電率を補うため.
  プロセスパラメーターは、キーホル化とスパッタを最小限に抑える必要があります, アルミニウムの融点が鋼鉄よりも低いにもかかわらず.

熱処理の設計 & ホットワーキング

鍛造または押し出しのスケジュールは、典型的にはSolidus以下のままです 350–550°C (662–1 022 °F) - 初期の融解を避けるため.

形成後, 合金はしばしば近くで解決策を起こします 515–535°C (959–995°F) T6またはその他の気性を確立するための消光.

リサイクル効率

二次アルミニウム製錬所は、ほとんどの合金を溶かします 700–720°C (1 292–1 328 °F),

達成 90–95 % 回復 〜0.5〜0.8 kWh/kgで、再溶融鋼よりもエネルギーが低くなります (1,400–1,600°C / 2-4 kWh/kg).

8. 他の金属との比較

9. 結論

アルミニウムの融点, 660.32 °C, 無数の産業事業をアンカーします, 一次精錬から高度な添加剤の製造まで.

融解しきい値が比較的低いため、エネルギー消費が減少します, リサイクルを加速します,

銅や鋼などの高度な金属と比較して鋳造を簡素化する.

産業がより軽いものを推進し続けています, 強い, より複雑なアルミニウム成分,

アルミニウムの融解動作の理解と管理は非常に重要です.

ナノ合金に関するさらなる研究, 極度の圧力融解, エネルギー効率の高い暖房方法が約束されます

現代の冶金におけるアルミニウムの役割を定義するこの基本的な移行（液体に固定されている）の理解を深めるために.