Alumīnija kausēšanas punkts: No tīra Al līdz sakausējumiem

1. Ievads

Alumīnijs ierindojas starp šodien daudzveidīgākajiem un bagātīgākajiem metāliem, Nozares pamatā no kosmiskās aviācijas līdz patēriņa elektronikai.

Tā kombinācija viegls svars, laba vadītspēja, un izturība pret koroziju padara to neaizstājamu.

Ražot, pārstrādāt, vai efektīvi pievienojieties alumīnijai, Inženieriem precīzi jāzina, kad tas pāriet no cieta uz šķidrumu.

Šajā rakstā, Mēs iedziļināmies alumīnija kausēšanas punktā - tā ir precīza vērtība, ietekmējošie faktori, mērīšanas paņēmieni, un rūpnieciskā ietekme.

Noskaidrojot šo informāciju, Mēs cenšamies aprīkot materiālus zinātniekus un ražošanas inženierus ar ieskatu, lai optimizētu procesus, kas paļaujas uz alumīnija kušanas izturēšanos.

2. Kāds ir kušanas punkts?

Termodinamikā, līdz kušanas punkts iezīmē temperatūru, kurā cieta un tās šķidruma fāze pastāv līdzsvarā.

Šajā precīzajā temperatūrā, Cieta krāsa absorbē pietiekami daudz siltuma, lai salauztu kristāla režģi,

pārveidojot par šķidrumu, saglabājot nemainīgu temperatūru, līdz kausēšana ir pabeigta.

Vairāki faktori ietekmē līdzsvara temperatūru:

• Tīrība: Tīrām vielām ir asas, labi definēti kausēšanas punkti. Pat izsekošanas piemaisījumi var paplašināt kušanas diapazonu un samazināt sākuma temperatūru.
• Spiediens: Palielinoties spiedienam, Kušanas punkti parasti palielinās atbilstoši Klapeirona attiecības,
  kas saista spiediena un temperatūras izmaiņas fāzes robežās, izmantojot tilpuma un entropijas atšķirības.
• Lītošs: Alumīnija sajaukšana ar tādiem elementiem kā silīcijs vai varš rada šķidrs un solis līnijas uz fāzes diagrammu.
  Šķidrums apzīmē temperatūru, virs kuras sakausējums ir pilnībā šķidrs,
  Kamēr solisus apzīmē temperatūru, zem kuras tā ir pilnībā cieta. Starp šīm divām līnijām, cieta un šķidra līdzāspastāvēšana.

3. Tīra alumīnija kausēšanas punkts

Standarta vērtība: 660.32 ° C (1220.58 ° F)

Zem standarta atmosfēras spiediena (0.1 MPA), tīrs alumīnijs Kūst plkst 660.32 ° C (1,220.58 ° F).

Laboratorijas apstiprina šo vērtību, izmantojot augstas precizitātes fiksēta punkta šūnas, un salīdzinājums ar sertificētiem atsauces materiāliem.

Rūpnieciskie termopāri bieži nolasa 5–10 ° C augstāku nekā patiesā kausēšanas temperatūra pārkaršanas un mērījumu kļūdas dēļ,
Tātad operatori parasti nosaka krāsns. 680–700 ° C Pirms ieliešanas.

Faktori, kas ietekmē alumīnija kušanas punktu

Leģējošu elementu ietekme

Kad leģēts alumīnijs, tādi elementi kā silīcijs (Un), magnijs (Mg), vara (Cu), un cinks (Zn) mainīt tās kušanas izturēšanos:

• Silīcijs (Al - jā) sakausējumi (Piem., A356, A319) Izstādē eutektiskas kompozīcijas apkārt 12.6 wt % Un. Viņu eutektiskais maisījums kūst plkst 577 ° C, tā kā šķidrums atrodas tuvu 615 ° C.
• Magnijs (AL - mg) papildinājumi (Piem., 6061 sakausējums) Nospiediet šķidrumu aptuveni 650 ° C un Solidus to 582 ° C, Izveidot kušanas diapazonu aptuveni 68 ° C.
• Varš (Al-CU) un Cinks (Al - Zn) Pārslēgt kausēšanas diapazonus tālāk: piemēram, 7075 (Al -zn -mg -ar) tuvumā ir šķidrums 635 ° C un solidus apkārt 475 ° C, ~ 160 ° C izplatība.
• Katra sakausējuma kušanas diapazons parādās tā fāzes diagrammā, un ražotājiem ir jānovērš liešana
  vai ekstrūzijas temperatūra krietni virs šķidruma.

Piemaisījumi un šķidruma / cieta depresija

Pat neliels daudzums dzelzs (Fe), niķelis (Iekšā), vai hroms (Krekls) darbojas kā piemaisījumi,

bieži veido starpmetālu savienojumus (Piem., Al₃fe) un šķidruma temperatūras pazemināšana par vairākiem grādiem.

Piemēram, tikai 0.1 wt % Fe var nolaist šķidrumu par ~ 2–3 ° C.

Latvras to mazina, izmantojot plūsmas (Hlorīda vai fluora bāzes) un degazēšana, lai noņemtu oksīdus un ūdeņradi,

tādējādi asina kausēšanas plato un samazinot spraugu starp solidusu un šķidrumu.

Kušanas atkarība no spiediena (Klapeirona attiecības)

Zem paaugstināta spiediena, Alumīnija kušanas temperatūra palielinās ar aptuveni ātrumu 6 K/GPA.

Lielākajai daļai rūpniecisko procesu, kas darbojas tuvu vai tuvu 1 bankomāts, Šis efekts izrādās nenozīmīgs.

Tomēr, Pētījums par augstu spiedienu (Piem., Dimanta -anil šūnu eksperimenti) atklāj, ka plkst 1 GPA, Alumīnija kausēšanas punkts kāpj apkārt 666 ° C.

Kaut arī tas nav tieši piemērojams standarta liešanai, Šī informācija uzsver, kā spiediens ietekmē cietā un šķidruma līdzsvaru.

4. Sakausējuma sistēmas un kušanas diapazoni

Zemāk ir nepilnīgs, bet plašs parasto alumīnija sakausējumu un to aptuveno solidus/liquidus saraksts (kūstošs) temperatūra.

Daudzos gadījumos, katrs sakausējums demonstrē a diapazons starp solidusu (Kušanas sākums) un šķidrs (pilnībā šķidrs) sakarā ar leģēšanu un eutektiskām reakcijām.

Piezīmes un novērojumi:

• Tīrs alumīnijs (1100) Kūst precīzi plkst 660.3 ° C (1 220.5 ° F); tirdzniecības 1100 var parādīt nelielu ± 1 ° C (± 1.8 ° F) variācijas izsekošanas piemaisījumu dēļ.
• Al - Si liešanas sakausējumi (A356, A380, ADC12, A413) iezīmēt Solidus vērtības no 546 ° C (1 015 ° F) līdz ~ 577 ° C (1 071 ° F), ar šķidrumu netālu no 595–615 ° C (1 103–1 139 ° F).
  Dažos salīdzinoši šauros sasalšanas intervālus (Piem., A356) dod smalkas mikrostruktūras un labas mehāniskās īpašības.
• MG-Beeparing kaltas sakausējumi (5052, 5083, 6061, 6082, 6063) izrādīt Solidus temperatūra starp 545 ° C (1 013 ° F) un 582 ° C (1 080 ° F),
  Kamēr Liquidus atrodas starp 640 ° C (1 184 ° F) un 655 ° C (1 211 ° F).
  Kad MG saturs kāpj, Solidus pazeminās zemāk, Kušanas diapazona paplašināšana.
• Lielas izturības 7000 sērija (7050, 7075) izstādīt ļoti Plašas sasalšanas diapazoni,
  Eutektika netālu no 470–475 ° C (878–887 ° F) un šķidruma ap 635–640 ° C (1 175–1 184 ° F).
  Rūpīga procesa kontrole (vakuuma liešana, HPDC) ir svarīgi, lai novērstu karstu plaisāšanu.
• Ar varu bagāti alumīnija sakausējumi (2024, 2014) būt Solidus vērtības tuvu 490–502 ° C (914–935 ° F)
  un Tuvu 640-642 ° 100 (1 184–1 188 ° F)- ļoti liels intervāls ~ 140 ° C (≈ 252 ° F), pieprasa precīzu temperatūras pārvaldību, lai izvairītos no defektiem.
• Jaunie sakausējumi (Al -li, Skalot, Albemete, nano-sakausējums) Kūstot kušanas izturēšanos tikai par dažiem grādiem, bet piedāvā unikālas mehāniskas vai apstrādes priekšrocības.

5. Mērīšanas un noteikšanas metodes

Precīzi precīzi noteikt alumīnija kausēšanas punktu ir vajadzīgas kontrolētas laboratorijas metodes. Inženieri un pētnieki paļaujas:

Diferenciālā skenēšanas kalorimetrija (DSC)

DSC mēra siltuma plūsmu nelielā alumīnija paraugā (5–10 mg) kā temperatūras palaišanas ar zināmu ātrumu (Piem., 10 ° C/min).

Līdz endotermiskā virsotne pie 660.3 ° C atbilst latentajam saplūšanas karstumam (aptuveni 10.71 KJ/mol, vai 394 J/g).

Augstas precizitātes DSC instrumenti sasniedz ± 0,5 ° C precizitāti, kalibrējot ar primārajām atsaucēm, piemēram, Indija (kušanas punkts 156.6 ° C) un cinks (419.5 ° C).

Diferenciālā termiskā analīze (DTA)

DTA, atsauce (inerts materiāls) un alumīnija paraugam ir tāda pati apkures programma. Temperatūras starpība starp tiem atklāj kušanas sākumu.

Kaut arī mazāk precīzs nekā DSC, DTA nodrošina ± 1 ° C izšķirtspēju, Padarot to noderīgu, lai raksturotu sakausējuma diapazonu, pārī ar dzesēšanas līknēm.

Uz termopāriem balstīti krāsns testi

Rūpniecisko lietuvju skaits bieži paļaujas Tips k (NICR - vienas) vai N tipa n (Nicrsi-kādu) termopāri, kas ievietoti izkausētā alumīnijā.

Kad paraugs sasniedz 660 ° C, Operatori atzīmē pagaidu plato (ledus punkta krāsns stils) norāda latento siltuma absorbciju.

Tomēr, pārkarsējošs var virzīt šķietamo temperatūru līdz 680–700 ° C pirms tas nokrīt uz īstā šķidruma.

Atkārtota kalibrēšana pret atsauces metāliem palīdz labot sistemātiskas kļūdas, bet nevar pilnībā novērst ar oksidāciju saistītās novirzes.

Izaicinājumi precizitātē (Oksidācija, Pārkarsējošs)

Izkausēts alumīnijs ātri veido alumīnija oksīds (Al₂o₃) Filma uz tās virsmas, Iekšējā šķidruma un sagrozīšanas temperatūras rādījumi.

Vienlaikus, lielapjoma alumīnijs bieži pārkarsēt līdz 20–30 ° C virs tā šķidruma.

Lai pārvarētu šos jautājumus, Laboratorijas maisa paraugus zem inertas gāzes (argons) vai uzklājiet plūsmas, lai salauztu oksīda plēves pirms mērījumu veikšanas.

Viņi arī uzstāda fiksēta punkta šūnas, lai kalibrētu termopārus pret sertificētiem standartiem.

6. Rūpnieciskā kušanas un liešanas prakse

Rūpniecības apstākļos, alumīnijs reti kūst izolēti; Operatori sarūk, izmantojot specializētas prakses secību, lai iegūtu kvalitatīvas lējumus:

Tipiski krāsns veidi

• Indukcijas krāsnis: Elektromagnētiskās spoles ātri silda lūžņus vai lietņus.
  Jo indukcijas koncentrāti siltums metāla iekšpusē, Šīs krāsnis efektīvi izkausē alumīniju 700–750 ° C.
• Reverberācijas krāsnis: Ar gāzi uzlīmēti pavardi ļauj lielām partijām (līdz vairākām tonnām) izkausēt plkst 700–720 ° C. Operatori atlaiž dross, vienlaikus saglabājot minimālu temperatūras pārsniegšanu.
• Rotācijas krāsnis: Noliektās bungas pagriežas, lai apvienotu sildīšanu un maisīšanu, saglabājot vienmērīgu temperatūru apkārt 700–750 ° C un piedāvāt labu sajaukšanu sakausējuma viendabīgumam.
• Tīģeļa krāsnis: Mazākas ietilpības vienības (50–200 kg) siltuma alumīnijs, izmantojot elektriskos elementus vai propānu, turot metālu tuvumā 680–700 ° C Līdz ieliešanai.

Plūsma un degazēšana

Izkausēts alumīnijs viegli slazdā ūdeņradis (šķīdība līdz 0.7 cm³ h₂/100 g al pie 700 ° C).

Lai samazinātu saraušanās porainība, lietuvju burbuļa inertās gāzes (argons, slāpeklis) caur kausējumu, mudinot ūdeņradi aizbēgt.

Viņi arī iepazīstina plūsmas—Pieši hlorīdu vai fluorīdu maisījums - tas izšķīst un peld alumīnija oksīda, atveidojot vieglāku slēpšanu.

Efektīva plūsma samazina oksīda iekļaušanu vairāk nekā 80 %, tieši uzlabot galīgo liešanas integritāti.

Enerģijas patēriņš un efektivitātes apsvērumi

Kūstot primāro alumīniju patērē 13–15 kWh uz kilogramu ražotās metāla.

Turpretī, sekundārs (pārstrādāts) alumīnijs prasa tikai 1.8–2,2 kWh uz kilogramu- aptuveni 85 % enerģijas taupīšana.

Mūsdienu krāsnis izmanto keramikas šķiedru oderējums, reģeneratīvie degļi, un atkritumu karš Lai samazinātu enerģijas patēriņu ar papildu 15–20 %.

Lietuvju trase enerģijas izmaksas par tonnu cieši izkausē, kā apkure veido līdz 60 % no kopējām liešanas izmaksām.

Kausēt kvalitātes apstrādi un temperatūras kontroli

Lai nodrošinātu konsekventu sakausējuma sastāvu un samazinātu makro segregāciju, Operatori maisa izkausētu alumīniju, izmantojot mehāniskos lāpstiņriteņus vai elektromagnētisko maisīšanu.

Viņi tur kausu plkst 700–720 ° C īsu mērcēšanu (5–10 minūtes) Pirms pārnešanas uz krāsnīm.

Temperatūras kontrolieri - bieži saistīti ar infrasarkanie pirometri—Maintain ± 5 ° C stabilitāte, novēršot pārmērīgu pārkaršanu, vienlaikus nodrošinot plūstamību plānu sekciju lējumiem.

7. Rūpnieciskā un praktiskā ietekme

Metalurģija: Kušanas un liešanas procesi

ATTIECĪBAS Kalibrējiet krāsnis līdz 20–40 ° C virs sakausējuma šķidruma, lai nodrošinātu pilnīgu veidņu pildījumu.

Pārāk zema temperatūra (Piem., mazāk nekā 50 ° C šķidrs) izraisa aukstumu un nepareizi,

Kamēr pārmērīga pārkaršana (Piem., > 150 ° C šķidrs) paātrina oksidāciju un Dross veidošanos.

Izkausēšanas kvalitāte tieši ietekmē mehāniskās īpašības: labi kontrolēta kausējuma raža pagarinājumi

iepriekš 12 % A356 lējumos, Kaut arī slikta kontrole var samazināt elastību līdz zemāk 5 %.

Aviācija, Automašīna, un būvniecības izmantošana

• Aviācija: AL - LI sakausējumu precīzas investīciju liešana (šķidrums ~ 640 ° C, Solidus ~ 510 ° C) pieprasa izkausēt tīrību, lai izvairītos no porainības kritiskos reaktīvo motoru komponentos.
• Automašīna: A380 liešana ar augstu spiedienu (šķidrums ~ 595 ° C) Pārraides gadījumiem ir nepieciešama pelējuma sildīšana 240–260 ° C Lai izvairītos no drebuļiem.
• Būvniecība: Ekstrūzija 6061 logu rāmjiem notiek plkst 500–520 ° C, labi zem šķidruma, Formējamība ar izmēru stabilitāti līdzsvaro.

Metināšanas un piedevu ražošanas apsvērumi

• Saplūšanas metināšana: Gāzes volframa loka metināšana (Gtaw) no 6061-t6 skrējieniem plkst Līdzstrāvas elektrods negatīvs ar siltuma ieeju, kas pielāgota, lai saglabātu metināto baseinu plkst 650–700 ° C.
  Tomēr, siltuma skartā zona (HAZ) var nokrist zemāk 500 ° C, izraisot mīkstināšanu, ja netiek atkārtoti veikts.
• Piedevu ražošana (SLM/EBM): Smalki alumīnija pulveri (daļiņu izmērs 15–45 µm) iekšā
  pulvera gultnes saplūšanai nepieciešami lāzeri vai elektronu sijas, kas rada vietējo temperatūru 1,000 ° C+ Lai kompensētu augstu atstarošanos un vadītspēju.
  Procesa parametriem jāsamazina atslēgas vadīšana un izšļakstīšana, Neskatoties uz alumīnija apakšējo kušanas punktu nekā tērauds.

Siltuma apstrādes projektēšana & Karsts darbs

Kalšanas vai ekstrūzijas grafiki paliek krietni zem solitus - parasti 350–550 ° C (662–1 022 ° F)- lai izvairītos no sākuma kausēšanas.

Pēc veidošanās, sakausējumi bieži iziet šķīdumu tuvu 515–535 ° C (959–995 ° F) un slāpēt, lai izveidotu T6 vai citus temperatūras.

Pārstrādes efektivitāte

Sekundārie alumīnija kausējumi izkausē lielāko daļu sakausējumu 700–720 ° C (1 292–1 328 ° F),

sasniedzšana 90–95 % atveseļošanās pie ~ 0,5–0,8 kWh/kg-zemāka enerģija nekā tērauda atkārtota kausēšana (1,400–1 600 ° C / 2-4 kWh/kg).

8. Salīdzinājumi ar citiem metāliem

9. Secinājums

Alumīnija kausēšanas punkts, 660.32 ° C, enkuri neskaitāmas rūpniecības operācijas, no primārās kausēšanas līdz uzlabotai piedevu ražošanai.

Tā salīdzinoši zemais kušanas slieksnis samazina enerģijas patēriņu, paātrina pārstrādi,

un vienkāršo liešanu, salīdzinot ar augstākas krāsas metāliem, piemēram, vara un tēraudu.

Tā kā nozares turpina virzīties uz šķiltavu, stiprāks, un sarežģītākas alumīnija sastāvdaļas,

Izpratne par alumīnija kušanas izturēšanos joprojām būs izšķiroša.

Turpmākie pētījumi par nano sakausēšanu, ārkārtēja spiediena kausēšana, un energoefektīvas apkures metodes sola

Lai padziļinātu mūsu izpratni par šo pamata pāreju - cietu pret šķidrumu -, kas definē alumīnija lomu mūsdienu metalurģijā.