نقطة الانصهار من النحاس & سبائك النحاس

1. مقدمة

يحتل النحاس المرتبة بين المعادن الأكثر تنوعا في الإنسانية, بفضل الموصلية الكهربائية الاستثنائية, مقاومة التآكل, والقابلية للتشكيل.

علاوة على ذلك, يعتمد العلماء والمهندسون على السلوك الحراري للنحاس لتصميم مكونات تتراوح من الأسلاك الكهربائية إلى المبادلات الحرارية.

بالتالي, يصبح فهم نقطة انصهار النحاس لا غنى عنه في كل من التطبيقات المعدنية والصناعية.

2. تعريف وأهمية نقطة الانصهار

ال نقطة الانصهار يمثل درجة الحرارة التي تنتقل فيها إلى سائل في ظل ظروف التوازن.

في الممارسة العملية, إنه يمثل التوازن بين قوى الترابط المرحلة الصلبة والتحريض الحراري.

لذلك, يستخدم علماء المعادن نقطة الانصهار كمعيار لاختيار المواد, تصميم الأفران, والسيطرة على عمليات الصب.

3. نقطة الانصهار من النحاس

يذوب النحاس النقي في تقريبا 1,085درجة مئوية (1,984درجة فهرنهايت).

في هذه درجة الحرارة, التحولات النحاسية من صلبة إلى سائل, السماح له أن يلقي, انضم, أو ألعاب. في شكله الصلب, النحاس لديه مكعب محوره الوجه (لجنة الاتصالات الفيدرالية) بناء

4. المنظور الديناميكي الحراري والذري

على النطاق الذري, تنبع نقطة الانصهار الكبيرة للنحاس من الترابط المعدني—ه.

تكوين الإلكترون, [AR] 3D & ⁰4S, يوفر إلكترون توصيل واحد لكل ذرة, الذي لا يدعم الموصلية الكهربائية فحسب ، بل يعزز أيضًا التماسك المشترك الذاتي.

• المحتوى الحراري للانصهار: ~ 13 كيلو جول/مول
• الحرارة الكامنة للذوبان: ~ 205 كيلو جول/كجم

تحدد هذه القيم الطاقة المطلوبة لكسر الروابط المعدنية أثناء الانصهار.

بالإضافة إلى, الكتلة الذرية المرتفعة نسبيا من النحاس (63.55 أمو) وشبكة FCC كثيفة (12 أقرب الجيران) رفع طاقة الرابطة والاستقرار الحراري.

5. العوامل التي تؤثر على نقطة ذوبان النحاس

تعمل العديد من المعلمات الرئيسية على تغيير سلوك ذوبان النحاس, في كثير من الأحيان عن طريق تحويل درجة حرارة الانتقال الصلبة إلى السائل بمقدار عشرات الدرجات المئوية.

يتيح فهم هذه المتغيرات الإدارة الحرارية الدقيقة في كل من عمليات النحاس النقي وإنتاج السبائك.

عناصر السبائك والشوائب

• الزنك والقصدير: تقديم 10-40 بالوزن % Zn يخفض نطاق الانصهار إلى حوالي 900-940 درجة مئوية في النحاس. بصورة مماثلة, 5-15 بالوزن % ينتج SN البرونز مع فاصل ذوبان يتراوح بين 950 و 1000 درجة مئوية.
• الفضة والفوسفور: حتى تتبع الفضة (≤1 بالوزن %) يمكن رفع سائل النحاس بمقدار 5-10 درجة مئوية, بينما الفوسفور في 0.1 بالوزن % يقلل من نقطة الانصهار قليلاً ويحسن السيولة.
• الأكسجين والكبريت: يشكل الأكسجين المذاب شوائب cu₂o أعلاه 1,000 درجة مئوية, يؤدي إلى الاكتئاب نقطة الانصهار المترجمة.
  في أثناء, تلوث الكبريت منخفض مثل 0.02 بالوزن % يؤدي إلى احتضان ويخلق انخفاضات منخفضة في حدود الحبوب.

حجم الحبوب والبنية المجهرية

• غرامة مقابل. الحبوب الخشنة: يُظهر النحاس ذو الحبيبات الدقيقة ظهور ذوبان أعلى بشكل هامشي - على وجه الخصوص 2-5 درجة مئوية فوق المواد الخشنة الحبيبة - بسبب زيادة منطقة الحبيبات في الشبكة.
• تصلب هطول الأمطار: في السبائك مثل cu -be, تُرفع الرواسب حقول الإجهاد المحلية التي يمكن أن ترفع ذوبان ما يصل إلى ما يصل إلى 8 درجة مئوية, اعتمادًا على جزء حجم المترسع.

عيوب الشبكة الكريستالية

• الشواغر والخلع: تركيزات شاغرة عالية (>10⁻⁴ الكسر الذري) إدخال تشويه شعرية, خفض نقطة الانصهار بمقدار 3-7 درجة مئوية.
• تصلب العمل: يحتوي النحاس ذو العمل البارد على خلع متشابك يقلل من الطاقة المتماسكة, ومن هنا الاكتئاب الذوبان من قبل حوالي 4 درجة مئوية مقارنة بالنحاس الصلب.

آثار الضغط

• علاقة كلاجيرون: زيادة الضغط يزيد من درجة حرارة الانصهار بمعدل تقريبًا +3 ك لكل 100 MPa.
  على الرغم من أن ذوبان الصناعي نادراً ما يتجاوز الضغط المحيط, تؤكد تجارب الضغط العالي هذا المنحدر الذي يمكن التنبؤ به.

التاريخ الحراري وظروف السطح

• قبل السخان: بطيئة ما قبل السخان إلى 400-600 درجة مئوية يمكن أن يتفوق على أكاسيد السطح والرطوبة, منع الاكتئاب في نقطة الانصهار المبكر.
• الطلاء السطح: تدفقات واقية (على سبيل المثال, القائم على البوراكس) تشكل حاجزًا يثبت السطح ويحافظ على نقطة الانصهار الحقيقية أثناء المعالجة المفتوحة للهواء.

6. نقطة انصهار من سبائك النحاس

فيما يلي قائمة شاملة بنقاط الانصهار لمجموعة من سبائك النحاس المشتركة.

تشير هذه القيم إلى درجات حرارة السائل النموذجية; غالبًا ما تتجمع السبائك على نطاق (صلبة → السائل) الذي نقتبسه هنا كفاصل تقريبي ذوبان.

اسم سبيكة / نحن	تعبير (بالوزن ٪)	نطاق ذوبان (درجة مئوية)
C10200 (ECD)	≥99.90cu	1 083-1085
C11000 (انتخاب مع)	≥99.90cu	1 083-1085
C23000 (النحاس الأصفر)	~ 67CU - 33ZN	900 -920
C26000 (خرطوشة النحاس)	~ 70CU - 30ZN	920 -940
C36000 (النحاس الحرة)	~ 61CU -38ZN -1PB	920 -940
C46400 (النحاس البحري)	~ 60cu -39n -1sn	910 -960
C51000 (الفوسفور البرونزي)	~ 95CU -5SN	1 000-1050
C52100 (عالي طول phos. برونزية)	~ 94cu -6sn	1 000-1050
C61400 (برونز الألومنيوم)	~ 82CU -10AL -8FE	1 015-1035
C95400 (برونز الألومنيوم)	~ 79CU-10AL-6NI-3O	1 020-1045
C83600 (قادت النحاس الأحمر)	~ 84cu -6sn -5pb -5nz	890 -940
C90500 (بندقية المعادن)	~ 88CU -10SN -2N	900 -950
C93200 (برونز السيليكون)	~ 95s.	1 000-1050
C70600 (90-10 Cupronickel)	90 مع -10ni	1 050-1150
C71500 (70-30 Cupronickel)	70 مع -30ni	1 200-1300
C17200 (النحاس البريليوم)	~ 97CU -2BE -11CO	865 -1000

7. اختلاف نقطة الانصهار في سبائك النحاس

يتحول سلوك ذوبان النحاس بشكل كبير بمجرد دخول عناصر صناعة السبائك إلى الشبكة.

في الممارسة العملية, يستغل علماء المعادن هذه الاختلافات لتخصيص درجات حرارة الصب, سيولة, والأداء الميكانيكي.

تأثير عناصر صناعة السبائك

• الزنك (الزنك):
  إضافة 10-40 بالوزن % Zn لتشكيل النحاس يخفض نطاق الانصهار إلى تقريبا 900-940 درجة مئوية, بفضل cu -zn eutectic في ~ 39 بالوزن % الزنك (الذوبان عند 900 درجة مئوية ~).
  النحاس العالية (فوق 35 % الزنك) ابدأ في الاقتراب, إظهار فاصل ذوبان أضيق وسيولة متفوقة.
• القصدير (سن):
  تقديم 5-15 بالوزن % SN يعطي البرونز مع فاصل ذوبان 950-1000 درجة مئوية.
  هنا, يظهر مخطط مرحلة Cu -Sn انصهارًا عند ~ 8 بالوزن % سن (~ 875 درجة مئوية), لكن التركيبات البرونزية العملية تكمن فوق ذلك, دفع السائل بالقرب من 1,000 ° C لضمان قوة كافية.
• النيكل (في):
  في Cupronickels (10-30 بالوزن % في), السائل يتسلق من 1,050 درجة مئوية (ل 10 % في) ما يصل الى 1,200 درجة مئوية (ل 30 % في).
  تقارب النيكل القوي للنحاس يرفع طاقة السندات ويتحول على حد سواء الصلبة والسيوف إلى الأعلى.
• الألومنيوم (آل):
  البرونز الألومنيوم (5-11 بالوزن % آل) تذوب بين 1,020-1050 درجة مئوية.
  يكشف مخطط الطور الخاص بهم عن مراحل معقدة بين المحالين; انخراج أولي حول 10 % يحدث في ~ 1،010 درجة مئوية, لكن السبائك العليا تتطلب درجات حرارة أعلى 1,040 درجة مئوية للمساء بالكامل.
• البريليوم (يكون):
  حتى الإضافات الصغيرة (~ 2 بالوزن %) من أن تقلل من الفاصل الزمني لذوبان 865-1000 درجة مئوية من خلال الترويج للانصهار المنخفض درجات الحرارة بالقرب من 2 % يكون (~ 780 درجة مئوية).
  هذا يسهل العمل الدقيق ولكنه يتطلب عناصر التحكم في الصحة والسلامة الدقيقة أثناء الانصهار.

آثار الانصهار والحل الصلبة

• النظم الناقص: سبائك في أو بالقرب من التراكيب المنبعثة تتجمع في واحدة, درجة حرارة حادة - مثيل للموت الصب أو المسبوكات الرقيقة.
  على سبيل المثال, سبيكة Cu -Zn في 39 % Zn يصلب في 900 درجة مئوية, تعظيم السيولة.
• حلول صلبة: تظهر السبائك شبه الهادئة أو السفلية (صلبة إلى سائل).
  يمكن أن تسبب نطاقات أوسع مناطق "طري" أثناء التصلب, المخاطرة بالعزل والمسامية. على النقيض من ذلك, قد تشكل السبائك المفرطة في الالتفافية المتداخلة عند التبريد.

8. الأهمية الصناعية لنقطة ذوبان النحاس

نقطة انصهار النحاس 1 085 درجة مئوية (1 984 درجة فهرنهايت) يلعب دورًا محوريًا في كل عملية واسعة النطاق تقريبًا تحول خام إلى مكونات نهائية.

في الممارسة العملية, الشركات المصنعة تستفيد من هذا العقار لتحسين استخدام الطاقة, تحكم جودة المنتج, وتقليل النفايات.

الصهر والتكرير

المسابك والمصاهر بشكل روتيني يسخن النحاس إلى 1 200-1 300 درجة مئوية, تجاوز نقطة انصهار المعدن لضمان فصل الخبث الكامل.

من خلال الحفاظ على الفرن تقريبًا 1 100 درجة مئوية, المشغلين يقللون من خسائر الأكسدة: يمكن أن تقطع العمليات التي يتم التحكم فيها جيدًا تشكيل الخبث من 4 % وصولاً إلى أقل 1 %.

بالإضافة إلى, تتجاوز نباتات الإلكترون من خلال إذابة أنودات النجاسة في المحاليل الحمضية, ومع ذلك ، ما زالوا يعتمدون على الذوبان الأولية لإلقاء لوحات أمنية عالية.

إنتاج وسبائك

عند إنتاج النحاس, برونزية, أو المصنوعة من الألومنيوم, يضع الفنيون درجات حرارة ذوبان فوق كل سبيكة مباشرة سائل.

على سبيل المثال, 70/30 النحاس يذوب في حوالي 920 درجة مئوية, بينما 6 % يتطلب البرونز الألمنيوم 1 040 درجة مئوية.

عن طريق الاستحمام داخل الضيق ± 5 درجة مئوية نافذة, يحققون تغلغل العفن الكامل, تقليل المسامية بحد 30 %, وضمان كيمياء سبيكة متسقة.

التحكم في الجو وإدارة الأكسدة

لأن النحاس المنصهر يتفاعل بقوة مع الأكسجين, العديد من المرافق التعديل التحريض أو الأفران الصدى مع أرجون أو النيتروجين.

هذه البيئات الخاملة تقلل من خسائر الأكسدة من 2 % (في الهواء الطلق) إلى أدناه 0.5 %, وبالتالي تحسين الانتهاء من السطح والتوصيل الكهربائي للمكونات الحرجة مثل قضبان الحافلات والموصلات.

إعادة التدوير وكفاءة الطاقة

إعادة تدوير الخردة النحاس يستهلك ما يصل الى 85 % طاقة أقل من الإنتاج الأولي.

لكن, غالبًا ما تحتوي الخردة المختلطة على النحاس والبرونز مع نقاط سائل تتراوح 900 ° C ل 1 050 درجة مئوية.

تستخدم أنظمة ذوبان الخردة الحديثة شعلات تجديدية واستعادة السخان, تقليص استخدام الطاقة الإجمالية بواسطة 15-20 %.

نتيجة ل, يساهم النحاس الثانوي الآن 30 % من العرض العالمي, مدفوعة بتوفير التكاليف والمزايا البيئية.

9. التطبيقات التي تتطلب التحكم الدقيق في الانصهار

تتطلب بعض عمليات التصنيع تنظيم درجة حرارة ضيقة بشكل استثنائي حول نقطة انصهار النحاس لضمان جودة, أداء, والتكرار.

أقل, ندرس ثلاثة تطبيقات رئيسية تتوقف على التحكم الدقيق في الانصهار.

صب الاستثمار

في صب الاستثمار, المسابك تحافظ على درجات حرارة الذوبان داخل ± 5 درجة مئوية من سائل السبائك لضمان ملء القالب السلس وتقليل المسامية.

على سبيل المثال, عند الإلقاء (سائل ~ 1000 ° 100), عادة ما يحتفظ المشغلون في الحمام 1,005 درجة مئوية.

بالقيام بذلك, إنهم يحققون تغلغلًا كاملاً دون ارتفاع درجة الحرارة, والتي من شأنها أن تتحلل دقة الأبعاد وزيادة تكوين الخبث.

إنتاج النحاس عالي الأمن للاستخدام الكهربائي

الشركات المصنعة للنحاس من الدرجة الكهربائية (≥ 99.99 % النحاس) أداء ذوبان تحت الفراغ أو الغاز الخامل, السيطرة على درجة الحرارة في الداخل ± 2 درجة مئوية ل 1,083 درجة مئوية.

يمنع هذا السيطرة الصارمة رفع الغاز والتلوث, كل منهما التوصيل التوصيلي.

علاوة على ذلك, تعطي الإدارة الحرارية الضيقة في خطوط الصب المستمرة هياكل الحبوب الدقيقة التي تعزز الأداء الكهربائي وتقلل من المقاومة أدناه 1.67 Ω·سم.

التصنيع الإضافي وترسب الرقيق

في اندماج مسحوق الليزر (LPBF) من سبائك النحاس, يقوم المهندسون بضبط طاقة الليزر وسرعة المسح الضوئي لإنتاج حمامات ذوبان محلية في حولك 1,100 - 1,150 درجة مئوية.

التنميط الحراري الدقيق - الذي يتم مراقبه في الوقت الفعلي مع pyrometers - تحطيم بالينج, المسامية, وعيوب ثقب المفتاح.

بصورة مماثلة, في ترسب البخار المادي (PVD) أفلام النحاس, يجب أن تبقى درجات حرارة بوتقة في الداخل ± 1 درجة مئوية من نقطة التبخر (عادة 1,300 درجة مئوية) للتحكم في معدلات الترسب وتوحيد الفيلم وصولاً إلى دقة النانومتر.

10. مقارنات مع المعادن الأخرى

توضح مقارنة نقطة انصهار النحاس مع مجموعة أوسع من المعادن كيفية إملاء البنية الذرية والترابط السلوك الحراري - ويساعد المهندسين على اختيار المواد المناسبة.

نقاط الانصهار وطاقات السندات

معدن	نقطة الانصهار (درجة مئوية)	طاقة السندات (kj/mol)	الهيكل البلوري
المغنيسيوم	650	75	HCP
الزنك	420	115	HCP
يقود	327	94	لجنة الاتصالات الفيدرالية
الألومنيوم	660	106	لجنة الاتصالات الفيدرالية
فضي	961	216	لجنة الاتصالات الفيدرالية
ذهب	1 064	226	لجنة الاتصالات الفيدرالية
نحاس	1 085	201	لجنة الاتصالات الفيدرالية
الكوبالت	1 495	243	HCP (α -ماذا)
النيكل	1 455	273	لجنة الاتصالات الفيدرالية
التيتانيوم	1 668	243	HCP (α -أنت)
حديد	1 538	272	نسخة مخفية الوجهة (Δ - ف), لجنة الاتصالات الفيدرالية (γ - ف)
البلاتين	1 768	315	لجنة الاتصالات الفيدرالية
التنغستن	3 422	820	نسخة مخفية الوجهة

الآثار المترتبة على تصميم السبائك

• الطاقة والتكلفة: المعادن مثل النحاس تحقق توازنًا بين درجات حرارة الانصهار المعقولة (حول 1 085 درجة مئوية) وخصائص ميكانيكية قوية.
  على النقيض من ذلك, تتطلب معالجة التنغستن أو البلاتين معدات متخصصة في درجة الحرارة ومدخلات طاقة أكبر.
• الانضمام والقابلية: عند الجمع بين المعادن المختلفة, مثل نهر النحاس إلى التيتانيوم,
  يختار المهندسون مواد مواد مع نقاط ذوبان أسفل المعدن السفلي لدرجة الحرارة لتجنب تلف القاعدة.
• ضبط الأداء: يعزف مصممو السبائك على اتجاهات الانصهار والترابط لمواد المهندسين التي تؤدي في ظل ظروف حرارية محددة,
  سواء كانوا يحتاجون إلى سبيكة منخفضة للانصهار أو فائقة درجات الحرارة العالية.

11. خاتمة

تلخص نقطة انصهار سبائك النحاس والسبائك النحاسية توازنًا بين الترابط المعدني القوي والمتطلبات الحرارية القابلة للتطبيق.

يحقق المهندسون الأداء الأمثل في الصهر, صب, والتصنيع المتقدم عن طريق السيطرة على الشوائب, عناصر السبائك, ومعلمات المعالجة.

بينما تسعى الصناعات لتحقيق مزيد من كفاءة الطاقة واستدامة المواد, يظل فهم شامل لسلوك ذوبان النحاس أساسًا مهمًا للابتكار.

 

الأسئلة الشائعة

كيف يتم قياس نقطة انصهار النحاس?

تحدد المختبرات نقطة انصهار النحاس باستخدام المسح التفاضلي للمسح الفضائي (DSC) أو فرن عالي درجة الحرارة مزود بالمزدوجات الحرارية المعايرة.

هذه الطرق تسخين العينات بمعدلات محكومة (عادة 5-10 درجة مئوية/دقيقة) وتسجيل بداية الانتقال الصلب إلى السائل.

ما هي الشوائب التي تؤثر بقوة على نقطة ذوبان النحاس?

الزنك والقصدير يقللان بشكل ملحوظ من سائل النحاس (إلى 900-940 درجة مئوية في النحاس و 950-1000 درجة مئوية في البرونز). على العكس من ذلك, يمكن أن ترفع الفضة التتبع بمقدار 5-10 درجة مئوية.

غالبًا ما يشكل الأكسجين والكبريت أكاسيدًا أو كبريتيدات منخفضة, التسبب في الانخفاضات في نقطة الانصهار المترجمة.