نقطة انصهار النيكل

1. مقدمة

النيكل (الرمز الكيميائي هو, العدد الذري 28) هو اللدن, معدن انتقالي أبيض فضي ينتمي إلى المجموعة 10 من الجدول الدوري.

تؤكد البيانات الديناميكية الحرارية الموثوقة الصادرة عن المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) والجمعية الملكية للكيمياء أن النيكل النقي لديه نقطة انصهار قياسية تبلغ 1455 درجة مئوية (2651 درجة فهرنهايت, 1728 ك).

يحتوي المعدن العنصري على نقطة انصهار واحدة من الناحية العملية, لكن السبائك ذات قاعدة النيكل عادة ما تذوب على مدى معين لأن صناعة السبائك تغير درجات حرارة المواد الصلبة والسائلة.

يعد سلوك ذوبان النيكل أحد أسباب استخدامه على نطاق واسع في المنتجات المقاومة للتآكل والمقاومة للحرارة.

توجد سبائك النيكل وسبائك النيكل التجارية في معدات المعالجة الكيميائية, مبادلات حرارية, أجهزة الفرن, الخدمة البحرية, والأجزاء الهيكلية ذات درجة الحرارة العالية, حيث يكون الاستقرار الحراري والتصلب المتحكم فيه مهمًا بقدر أهمية القوة.

2. نقطة انصهار النيكل النقي

بالنسبة للمعدن العنصري, يتم التعامل مع النيكل بشكل عام على أنه أ مادة ذات نقطة انصهار واحدة بدلاً من سبيكة واسعة النطاق.

القيم المنشورة من مصادر فنية مختلفة متقاربة للغاية, وهو ما يريده المهندسون من المعدن المرجعي: رقم ثابت يمكن استخدامه بثقة في تصميم العملية.

القيم التمثيلية للنيكل النقي

يعد الفارق الصغير بين 1453 درجة مئوية و1455 درجة مئوية أمرًا طبيعيًا بالنسبة لبيانات الذوبان المنشورة.

إنه يعكس الاختلافات في الطهارة, طريقة القياس, واصطلاحات التقريب بدلاً من أي تغيير ذي معنى في المعدن نفسه.

للأغراض الهندسية, يجب أن يعامل النيكل النقي كمعدن بنقطة انصهار تبلغ حوالي 1455درجة مئوية.

3. سبائك النيكل ونطاقات الذوبان

سبائك النيكل لا تتصرف مثل النيكل النقي.

بمجرد إضافة عناصر أخرى, عادة ما تتطور السبيكة إلى أ الصلبة و سائل, لذلك يبدأ المعدن في الذوبان عند درجة حرارة معينة، وينتهي عند درجة حرارة أعلى.

هذا هو السبب في أن أوراق بيانات السبائك تشير إلى أ نطاق ذوبان بدلا من نقطة واحدة.

4. العوامل التي تؤثر على سلوك ذوبان النيكل

نقاء

النقاء هو العامل الأول والأهم.

يظهر النيكل النقي واحدا, نقطة انصهار محددة بشكل حاد, في حين أن الدرجات النقية تجاريا مثل النيكل 200/201 تظهر نطاق انصهار ضيقًا لأنه حتى الاختلافات التركيبية الصغيرة مهمة.

كلما كانت المادة أقرب إلى النيكل العنصري, كلما اقترب سلوكه من الانتقال من نقطة واحدة.

إضافات صناعة السبائك

صناعة السبائك هي السبب الرئيسي وراء تطوير مواد النيكل لنطاقات الانصهار.

اضافات النحاس, الكروم, حديد, الكوبالت, الموليبدينوم, وعناصر أخرى تغير استقرار الطور وتغير درجات حرارة المواد الصلبة والسائلة.

هذا هو السبب مونيل 400, إنكونيل 600, وأيه تي آي 617 ولكل منها فترة انصهار مختلفة على الرغم من أن جميعها عبارة عن مواد تعتمد على النيكل.

شكل المنتج ومواصفاته

قد يتم توفير منتجات النيكل التجارية بقيم منشورة مختلفة قليلاً اعتمادًا على نموذج المنتج وورقة بيانات المورد.

وهذا لا يعني أن السلوك الأساسي للمعدن قد تغير; فهذا يعني أن النطاق المبلغ عنه يعكس الدرجة الدقيقة, الشوائب البسيطة, وحالة المنتج.

لمهندسي العمليات, يعد هذا تذكيرًا باستخدام ورقة بيانات المورد للحرارة أو الكمية المحددة بدلاً من الاعتماد على قيمة عامة للنيكل.

سياق العملية الحرارية

يجب دائمًا تفسير سلوك ذوبان النيكل في السياق. فرن الصب, دورة مختلط, وعملية اللحام لا تستخدم نفس الهدف الحراري.

يحدد نطاق الذوبان مقدار الإرتفاع الحراري الذي يتمتع به المشغل قبل أن يلين المعدن, يبدأ بالتدفق, أو يفقد شكله.

في سبائك النيكل ذات درجة الحرارة العالية, هذه النافذة هي جزء أساسي من منطق التصميم, ليست فكرة لاحقة.

5. بدني & التغيرات الكيميائية أثناء ذوبان النيكل

سلوك الأكسدة

النيكل المنصهر نشط كيميائيا للغاية. فوق 1000 درجة مئوية, يتفاعل النيكل بسرعة مع الأكسجين لينتج أكسيد النيكل (نيو).

بدون حماية الغاز الخامل, يغطي طبقة أكسيد داكنة كثيفة سطح السائل, زيادة عيوب إدراج خبث الصهر.

يجب أن يستخدم ذوبان النيكل الصناعي التدريع بالأرجون أو الصهر الفراغي لعزل الأكسجين.

ذوبان عناصر الغاز

يحتوي النيكل المنصهر على قابلية ذوبان قوية للهيدروجين والنيتروجين. ذوبان الغاز يصل إلى ذروته بالقرب من نقطة الانصهار; يشكل الغاز المذاب المفرط مسامية الثقب بعد التصلب.

تعتبر معالجة التفريغ إلزامية لمسبوكات النيكل عالية النقاء.

التحول المغناطيسي

يمتلك النيكل المغناطيسية الحديدية في درجة حرارة الغرفة. درجة حرارة كوري هي 358 درجة مئوية; فوق درجة الحرارة الحرجة هذه, يفقد النيكل مغناطيسيته بشكل دائم حتى يبرد.

يسهل الاختفاء المغناطيسي أثناء الصهر التحريك الكهرومغناطيسي في أفران الصهر.

6. كيفية اختبار نقطة انصهار النيكل?

المسح التفاضلي للسعرات الحرارية والتحليل الحراري التفاضلي

لتحديد نطاق المختبر, DSC و DTA هي أدوات التحليل الحراري القياسية لتحديد درجات حرارة الانصهار والتبلور للمواد النقية.

تنص ASTM E794 على أن طريقة الاختبار هذه تصف تحديد درجات حرارة الانصهار والبلورة عن طريق قياس السعرات الحرارية بالمسح التفاضلي والتحليل الحراري التفاضلي, وأن الطريقة مفيدة لمراقبة الجودة, قبول المواصفات, والأبحاث.

في الممارسة العملية, يتم إجراء المعايرة باستخدام معايير مرجعية معروفة, ويشيع استخدام المعادن النقية كمواد للمعايرة.

عادة ما يتم أخذ درجة حرارة الانصهار من بداية استقرائية من المرحلة الانتقالية, بينما تذوب العينة بالكامل عند الذروة.

وهذا يجعل كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) مفيدًا بشكل خاص للنيكل عند الحاجة إلى قيمة معملية دقيقة.

قياس الحرارة الضوئية

للظروف الصناعية شديدة الحرارة, البروميتر البصري هي طريقة عملية لعدم الاتصال لأنها تقيس الإشعاع الحراري الصادر عن الجسم الساخن بدلاً من طلب الاتصال الجسدي.

وهذا يجعلها ذات قيمة لملاحظات الفرن, التعامل مع ذوبان, وغيرها من عمليات التحقق من درجات الحرارة المرتفعة حيث قد تكون أجهزة استشعار الاتصال غير عملية.

المقارنة العملية بين الأساليب

7. التطبيقات الصناعية للتحكم في نطاق ذوبان النيكل

الصب الدقيق

في صب الدقة, يحدد نطاق الذوبان مقدار الإرتفاع الحراري الذي يجب أن يوفره الفرن ومدى العناية بالذوبان قبل الصب.

يتم استخدام سبائك النيكل النقي وسبائك النيكل في مكونات الفرن, أوعية المعالجة الكيميائية, المبادلات, أجزاء الطيران ذات درجة الحرارة العالية, المفاعلات النووية, والتوربينات, مما يعني أن مسار الصب يجب أن يتعامل مع درجات الحرارة المرتفعة ومتطلبات الخدمة القاسية.

لسبائك السبائك, النقطة المهمة ليست نقطة الانصهار الوحيدة بل نقطة الانصهار نافذة صلبة وسائلة.

قد تبدأ سبيكة النيكل في التجمد بينما لا يزال جزء من المعدن سائلاً, لذلك يجب أن تأخذ ممارسة المسبك في الاعتبار التغذية, انكماش, والتحكم في التصلب عبر النطاق الكامل.

وهذا استنتاج هندسي من فترات الذوبان المنشورة لسبائك النيكل.

لحام

يتم لحام المواد القائمة على النيكل على نطاق واسع لأنه يمكن ربطها بعمليات اللحام التقليدية والاحتفاظ بأداء مفيد في البيئات الصعبة.

سبيكة إنكونيل 600 يوصف بأنه مرتبط بسهولة بعمليات اللحام التقليدية, وتدرج الشركة المصنعة مواد لحام محددة للقوس المعدني المحمي, قوس غاز التنغستن, وربط القوس المعدني بالغاز.

سبائك المونيل 400 يوصف أيضًا بأنه انضم بسهولة إلى العمليات التقليدية.

للحام, يعد التحكم في نطاق الانصهار أمرًا مهمًا لأن المعدن الأساسي لا يجب أن يتم تسخينه أكثر من اللازم خارج منطقة الانصهار المقصودة.

غالبًا ما يتم اختيار سبائك النيكل على وجه التحديد بسبب فترات انصهارها, قوة, والاستجابة الحرارية يمكن أن تدعم الانضمام المتحكم فيه في التطبيقات الحيوية للخدمة.

وهذا مهم بشكل خاص عندما يجب أن يظل الجزء الملحوم ثابتًا الأبعاد ومقاومًا للتآكل بعد التصنيع.

المعالجة الحرارية

المعالجة الحرارية هي مجال آخر حيث يكون التحكم في نطاق الذوبان مهمًا, لأنه يجب على المشغل البقاء بأمان تحت أي حالة ذوبان أولية مع الاستمرار في الوصول إلى الدورة الحرارية المطلوبة.

كان لدينا 617, على سبيل المثال, عادة ما يكون المحلول صلبًا في 1175درجة مئوية (2150درجة فهرنهايت), الذي يقع تحت نطاق ذوبانه المنشور البالغ 1330-1380 درجة مئوية.

هذه الفجوة هي النافذة الحرارية القابلة للاستخدام والتي تجعل المعالجة الحرارية ممكنة دون انهيار البنية المجهرية.

وينطبق نفس المنطق على نطاق أوسع على سبائك النيكل: يجب اختيار المعالجة الحرارية مع الأخذ في الاعتبار الحالة الصلبة والسائلة للسبائك بحيث يكتسب الجزء الحالة المعدنية المقصودة دون ذوبان جزئي.

في التصنيع العملي, وهذا هو السبب في أن سبائك النيكل تتم معالجتها عادةً بنظام درجة حرارة أكثر صرامة من المعادن ذات درجة الذوبان المنخفضة.

8. خاتمة

درجة انصهار النيكل النقي على وشك 1455درجة مئوية (1728 ك / 2651درجة فهرنهايت), مع تجميع المراجع الموثوقة بالقرب من تلك القيمة.

يعد الانتشار الطفيف في الأرقام المنشورة أمرًا طبيعيًا ويعكس تاريخ القياس والتقريب, ليس خلافًا هندسيًا ذا معنى.

والأهم من ذلك, تكمن القيمة الصناعية الحقيقية للنيكل في الطريقة التي يتغير بها سلوك الذوبان عند سبائك النيكل.

تذوب درجات النيكل النقي تجاريًا على نطاق ضيق, بينما السبائك ذات قاعدة النيكل مثل المونيل 400, إنكونيل 600, وأيه تي آي 617 تم تصميمها حول فترات الصلابة والسائل الخاصة بها.

ولهذا السبب فإن النيكل ليس مجرد معدن ذو نقطة انصهار عالية; إنها منصة ذات درجة حرارة عالية لتصميم مواد مقاومة للتآكل ومقاومة للحرارة.

 

الأسئلة الشائعة

ما هي درجة انصهار النيكل بالدرجة المئوية والفهرنهايت?

يذوب النيكل النقي عند حوالي 1455درجة مئوية, وهو على وشك 2651درجة فهرنهايت. يعطي ASM قيمة وثيقة الصلة بـ 1453درجة مئوية.

لماذا تحتوي سبائك النيكل على نطاقات انصهار بدلاً من نقطة واحدة محددة؟?

لأن صناعة السبائك تغير توازن الطور, لذلك تبدأ المادة في الذوبان عند أ الصلبة درجة الحرارة وينتهي ذوبان في أعلى سائل درجة حرارة.

هل معالجة النيكل النقي أسهل من معالجة سبائك النيكل؟?

ليس بالضرورة. النيكل النقي لديه نقطة انصهار حادة, ولكن غالبا ما يتم اختيار سبائك النيكل لأنها توفر مقاومة أفضل للتآكل, الاحتفاظ بالقوة, أو مقاومة الحرارة للخدمة المقصودة.

لماذا يعد النيكل مهمًا جدًا في هندسة درجات الحرارة العالية؟?

لأنه يجمع بين نقطة انصهار عالية مع ليونة مفيدة والقدرة على تشكيل مجموعات من السبائك المقاومة للحرارة المستخدمة في أجهزة الفرن, المبادلات, أجزاء الفضاء الجوي, والأنظمة المتعلقة بالتوربينات.