الألومنيوم, باعتبارها خفيفة الوزن, مقاومة للتآكل, والمعادن غير الحديدية شديدة المرونة, يلعب دورا لا يمكن الاستغناء عنه في الفضاء الجوي, تصنيع السيارات, إلكترونيات, وصناعات البناء.
إن نقطة انصهار الألومنيوم - التي تُعرف بأنها درجة الحرارة التي يتحول عندها الألومنيوم من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة تحت ضغط جوي قياسي - هي خاصية فيزيائية حرارية أساسية تحكم عملية معالجته, تصميم السبائك, والتطبيق الصناعي.
1. الخصائص الفيزيائية للألمنيوم النقي – بيانات نقطة الانصهار الرئيسية
| ملكية | قيمة (و) | قيمة (إمبراطوري) | ملحوظات |
| نقطة الانصهار (التوازن, 1 أجهزة الصراف الآلي) | 660.32 درجة مئوية (933.47 ك) | 1220.58 درجة فهرنهايت | درجة الحرارة المرجعية القياسية للنقية (99.999%) آل. |
| درجة الحرارة الديناميكية الحرارية | 933.47 ك | - | ما يعادل درجة الحرارة المطلقة. |
| حرارة الانصهار الكامنة | 397 كيلوجول·كجم⁻¹ | ≈ 170.68 وحدة حرارية بريطانية · رطل⁻¹ | الطاقة اللازمة للذوبان 1 كجم (أو 1 رطل) عند نقطة الانصهار. |
حرارة محددة (صلب, تقريبا., قريب 25 درجة مئوية) |
897 J · kg⁻ · k⁻⁻ | ≈ 0.2143 وحدة حرارية بريطانية·lb⁻¹·°F⁻¹ | استخدم cp المعتمد على درجة الحرارة لإجراء حسابات دقيقة للحرارة. |
| كثافة (صلب, ~20 درجة مئوية) | 2,700 كجم·م⁻³ | ≈ 168.6 رطل·قدم⁻³ | كثافة السائل أقل قليلاً وتعتمد على درجة الحرارة. |
| نقطة الغليان (الغلاف الجوي) | ≈ 2,470 درجة مئوية | ≈ 4,478 درجة فهرنهايت | الحد العلوي مفيد لمعالجة درجات الحرارة العالية. |
2. العوامل الرئيسية المؤثرة على نقطة انصهار الألومنيوم
على الرغم من أن الألمنيوم النقي يذوب عند 660.32 درجة مئوية, العديد من العوامل العملية تغير سلوك الذوبان/التصلب الفعال:
كيمياء السبائك - الصلبة والسائلة
سبائك الألومنيوم تفعل لا لها نقطة انصهار واحدة. لديهم سائل (درجة الحرارة التي فوقها السائل بالكامل) و أ الصلبة (درجة الحرارة التي أدناه تكون صلبة تماما).
وجود عناصر صناعة السبائك (و, ملغ, النحاس, الزنك, الحديد, إلخ.) يغير هذه الحدود وغالبا ما ينتج نطاق ذوبان (منطقة طرية) مع عواقب الصب الهامة.
- سهل الانصهار: تحتوي بعض أنظمة السبائك على تركيبات سهلة الانصهار عند درجات الحرارة أقل أن آل النقي (مثال: آل سي سهل الانصهار عند ≈ 577 درجة مئوية لحوالي 12.6% بالوزن Si).
- تأثير عملي: السبائك ذات نطاق التجميد الواسع تكون أكثر عرضة للتمزق الساخن, انكماش المسامية والفصل.
الشوائب والعناصر المتشردة
تتبع التلوث (على سبيل المثال, PB, ثنائية, النحاس من الخردة المختلطة) يمكن أن تخلق مراحل منخفضة الانصهار أو فلزات هشة, تسبب شذوذات ذوبان محلية وتغير مسارات التصلب; وهذا أمر بالغ الأهمية في عمليات إعادة التدوير.
ضغط
درجة حرارة الانصهار تعتمد على الضغط (علاقة كلابيرون); صناعيًا، هذا التأثير لا يكاد يذكر نظرًا لأن الذوبان يتم عند الضغط الجوي.
مصافي الحبوب والملقحات
لا تغير مصافي الحبوب الكيميائية نقطة الانصهار في حد ذاتها, لكنها تؤثر على سلوك التنوي أثناء التصلب (التبريد, عدد النوى), وبالتالي تغيير مسار التصلب العملي والبنية المجهرية.
الظواهر السطحية وأفلام الأكسيد
يشكل الألومنيوم طبقة ألومينا مستقرة (al₂o₃) على السطح. في حين أن الأكسيد لا يغير درجة حرارة ذوبان الجزء الأكبر, لأنه يؤثر على انتقال الحرارة على السطح, سلوك الخبث وسلوك التوقيف الحراري المكتشف عن طريق طرق الاتصال / القياس الحراري.
3. نطاقات ذوبان سبائك الألومنيوم الشائعة
فيما يلي اثنين موجزة, تظهر الجداول المهنية ذوبان نموذجي (صلبة → السائل) نطاقات للعموم مسنن (تزوير) سبائك الألومنيوم و صب سبائك الألومنيوم.
مهم: هذه الأرقام عبارة عن نطاقات نموذجية إرشادية تستخدم لتخطيط العمليات واختيار المواد.
المطاوع المشترك / تشكيل سبائك الألومنيوم – نطاق الذوبان النموذجي
| سبيكة درجة | نطاق ذوبان (درجة مئوية) | نطاق ذوبان (درجة فهرنهايت) | نطاق ذوبان (ك) | ملاحظات فنية |
| 1050 / 1100 (آل نقي تجاريا) | ~660.3 – 660.3 | ~1220.6 – 1220.6 | ~933.5 – 933.5 | بالقرب من ذوبان نقطة واحدة بسبب النقاء العالي جدًا. |
| 2024 (آل النحاس) | ~500 – 638 | ~932 – 1180 | ~773 – 911 | نطاق تجميد واسع; حساسة للانصهار الأولي. |
| 2014 (آل النحاس) | ~500 – 638 | ~932 – 1180 | ~773 – 911 | مماثلة ل 2024; يؤثر المحتوى العالي من النحاس على قابلية التشغيل على الساخن. |
| 5083 (آل ملغ) | ~570 – 640 | ~1058 – 1184 | ~843 – 913 | نطاق ذوبان مرتفع بسبب Mg; مقاومة ممتازة للتآكل. |
| 5454 (آل ملغ) | ~595 – 645 | ~1103 – 1193 | ~868 – 918 | كثيرا ما تستخدم في أوعية الضغط والخزانات. |
6061 (آل-مغ-سي) |
~555 – 650 | ~1031 – 1202 | ~828 – 923 | سبائك هيكلية تستخدم على نطاق واسع; نطاق الانصهار حرج للمعالجة الحرارية. |
| 6082 (آل-مغ-سي) | ~555 – 650 | ~1031 – 1202 | ~828 – 923 | نسخة قوة أعلى من سلسلة 6xxx. |
| 7075 (آل-الزن-المغنيسيوم-النحاس) | ~477 – 635 | ~891 – 1175 | ~750 – 908 | نطاق ذوبان واسع جدًا; عرضة للانصهار الموضعي. |
| 3003 (Al–Mn) | ~640 – 660 | ~1184 – 1220 | ~913 – 933 | سلوك الذوبان قريب من الألومنيوم النقي. |
سبائك الألومنيوم المصبوبة المشتركة — نطاق ذوبان نموذجي
| سبيكة درجة | نطاق ذوبان (درجة مئوية) | نطاق ذوبان (درجة فهرنهايت) | نطاق ذوبان (ك) | ملاحظات فنية |
| آل سي سهل الانصهار (~12.6% نعم) | ~577 – 577 | ~1070.6 – 1070.6 | ~850.1 – 850.1 | تكوين سهل الانصهار مع نقطة انصهار حادة. |
| A356 / السي 7 ملغ | ~558 – 613 | ~1036 – 1135 | ~831 – 886 | قابلية صب ممتازة وقابلة للعلاج بالحرارة. |
| A357 (تعديل A356) | ~555 – 605 | ~1031 – 1121 | ~828 – 878 | تحسين القوة ومقاومة التعب. |
| A380 (آل سي كو) | ~515 – 585 | ~959 – 1085 | ~788 – 858 | سبيكة صب قياسية ذات درجة حرارة سائلة منخفضة. |
319 (آل سي كو) |
~525 – 605 | ~977 – 1121 | ~798 – 878 | توازن جيد بين قابلية الصب والقوة الميكانيكية. |
| أدك12 (JIS يموت الصب سبيكة) | ~500 – 580 | ~932 – 1076 | ~773 – 853 | تستخدم على نطاق واسع سبائك الصب; السيطرة على الشوائب أمر بالغ الأهمية. |
| AlSi9Cu3(الحديد) | ~510 – 600 | ~950 – 1112 | ~783 – 873 | سبيكة صب متعددة الاستخدامات للهندسة المعقدة. |
| A413 (سبائك السيليكون عالية) | ~560 – 620 | ~1040 – 1148 | ~833 – 893 | مناسبة للمسبوكات ذات درجة الحرارة العالية والضغط الضيق. |
3. طرق قياس دقيقة لنقطة انصهار الألومنيوم
يعد القياس الدقيق لنقطة انصهار الألومنيوم أمرًا بالغ الأهمية لتوصيف المواد وتحسين العملية.
وتشمل الطرق الشائعة:
المسح التفاضلي للسعرات الحرارية (DSC)
تعد DSC الطريقة الأكثر استخدامًا لقياس درجات انصهار المعادن نظرًا لدقتها وحساسيتها العالية.
يتضمن المبدأ تسخين عينة صغيرة من الألومنيوم (5-10 ملغ) والمواد المرجعية (خامل, على سبيل المثال, الألومينا) بمعدل ثابت (5–10 درجة مئوية/دقيقة) مع مراقبة فرق التدفق الحراري بينهما.
يتم تحديد نقطة الانصهار على أنها درجة حرارة بداية الذروة الماصة للحرارة (المقابلة لعملية الانصهار).
يستطيع DSC قياس نقاط الانصهار بدقة تبلغ ±0.1 درجة مئوية, مما يجعلها مناسبة لتحليل الألمنيوم والسبائك عالية النقاء.
طريقة المراقبة البصرية (طريقة الأنبوب الشعري)
تتضمن هذه الطريقة التقليدية غلق كمية صغيرة من مسحوق الألومنيوم في أنبوب شعري, الذي يتم تسخينه جنبًا إلى جنب مع مقياس الحرارة في حمام التسخين (على سبيل المثال, زيت السيليكون).
يتم تسجيل نقطة الانصهار عندما ينصهر مسحوق الألومنيوم بالكامل إلى سائل. بينما بسيطة ومنخفضة التكلفة, هذه الطريقة لديها دقة أقل (±1-2 درجة مئوية) ويستخدم في المقام الأول للتحليل النوعي أو التطبيقات منخفضة الدقة.
طريقة ذوبان فلاش الليزر
لقياسات نقطة الانصهار ذات الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية, يتم استخدام طريقة فلاش الليزر.
يقوم الليزر النبضي بتسخين سطح عينة الألومنيوم بسرعة, ويتم مراقبة عملية الذوبان بواسطة أجهزة استشعار بصرية (على سبيل المثال, البيرومترات, مقاييس التداخل).
يمكن لهذه الطريقة قياس نقاط الانصهار تحت ضغوط شديدة (ما يصل الى 10 المعدل التراكمي) مع دقة زمنية عالية, توفير البيانات للتطبيقات الفضائية والنووية.
طريقة المقاومة الكهربائية
تتغير المقاومة الكهربائية للألمنيوم بشكل كبير أثناء الذوبان (يتمتع الألومنيوم السائل بمقاومة أعلى من الألومنيوم الصلب بسبب خلل في توصيل الإلكترون).
عن طريق قياس مقاومة سلك الألمنيوم أثناء تسخينه, يتم تحديد نقطة الانصهار على أنها درجة الحرارة حيث تظهر المقاومة زيادة مفاجئة.
هذه الطريقة مناسبة للمراقبة في الموقع أثناء العمليات الصناعية (على سبيل المثال, لحام, صب).
4. الآثار الصناعية لنقطة انصهار الألومنيوم
تعد نقطة الانصهار المعتدلة للألمنيوم عاملاً رئيسياً يقود تطبيقه الصناعي على نطاق واسع, لأنه يوازن بين قابلية المعالجة والأداء:
عمليات الصب
نقطة انصهار الألومنيوم (660درجه مئوية) أقل بكثير من المعادن الحديدية, تمكين الصب الموفرة للطاقة:
- يموت الصب: سبائك السي سهل الانصهار (نطاق الانصهار 577-600 درجة مئوية) وتستخدم على نطاق واسع في يموت الصب, حيث أن درجة حرارة الانصهار المنخفضة تقلل من تآكل القالب واستهلاك الطاقة, السماح بإنتاج كميات كبيرة من المكونات المعقدة (على سبيل المثال, أجزاء محرك السيارات, المساكن الإلكترونية).
- صب الرمل: يتم صب الألمنيوم النقي والألمنيوم منخفض السبائك في قوالب رملية, مع درجات حرارة صب عادة ما تكون 50-100 درجة مئوية فوق درجة حرارة السائل (700–750 درجة مئوية) لضمان ملء تجويف القالب بالكامل.
المعالجة الحرارية واللحام
- المعالجة الحرارية: تحدد نقطة انصهار الألومنيوم درجة الحرارة القصوى لعمليات المعالجة الحرارية.
على سبيل المثال, تتم المعالجة الحرارية للمحلول لسبائك سلسلة 6xxx عند درجة حرارة 530-570 درجة مئوية - أقل بكثير من درجة حرارة المادة الصلبة (580درجه مئوية)- لتجنب الذوبان الجزئي (حرق) من السبائك. - لحام: يتطلب لحام الألومنيوم مصادر حرارية يمكنها الوصول بسرعة إلى نقطة الانصهار مع تقليل التشوه الحراري.
تشمل الطرق الشائعة لحام TIG (درجة حرارة القوس ~ 6000 درجة مئوية) واللحام MIG, مع التحكم في درجات حرارة اللحام عند 660-700 درجة مئوية لضمان دمج المعدن الأساسي دون نمو مفرط للحبيبات.
تطبيقات درجات الحرارة العالية
تفرض نقطة انصهار الألومنيوم قيودًا على استخدامه في درجات الحرارة العالية: يحتفظ الألومنيوم النقي فقط 50% من قوتها في درجة حرارة الغرفة عند 200 درجة مئوية وتلين بشكل ملحوظ فوق 300 درجة مئوية.
لتوسيع قابليتها للتطبيق في درجات الحرارة العالية, عناصر السبائك (على سبيل المثال, النيكل, الكوبالت) تضاف لتكوين مركبات بين المعادن عالية الذوبان, تمديد درجة حرارة الخدمة لسبائك الألومنيوم إلى 300-400 درجة مئوية (على سبيل المثال, 2618 سبائك لمكونات محركات الطائرات).
إعادة تدوير الألمنيوم
نقطة الانصهار المعتدلة للألمنيوم تجعله قابلاً لإعادة التدوير بدرجة كبيرة.
يتطلب الألومنيوم المعاد تدويره فقط 5% من الطاقة اللازمة لإنتاج الألمنيوم الأولي, مثل ذوبان خردة الألومنيوم (عند 660-700 درجة مئوية) يستهلك طاقة أقل بكثير من استخراج الألومنيوم من البوكسيت.
هذه كفاءة الطاقة, مدفوعة بخصائص ذوبان الألومنيوم, مما يجعلها واحدة من أكثر المعادن المعاد تدويرها على مستوى العالم.
6. تحليل مقارن مع المعادن والسبائك الأخرى
| معدن / سبيكة | نقطة الانصهار (درجة مئوية) | نقطة الانصهار (درجة فهرنهايت) | نقطة الانصهار (ك) | الملاحظات الرئيسية |
| الألومنيوم (آل, نقي) | 660.3 | 1220.6 | 933.5 | نقطة انصهار منخفضة; ممتاز للصب والتشكيل خفيف الوزن. |
| نحاس (النحاس, نقي) | 1085 | 1985 | 1358 | الموصلية الحرارية العالية; يتطلب درجات حرارة معالجة أعلى من آل. |
| حديد (الحديد, نقي) | 1538 | 2800 | 1811 | نقطة انصهار أعلى بكثير; تستخدم على نطاق واسع في صناعة الصلب. |
| فُولاَذ (الصلب الكربوني, ~0.2%ج) | 1425-1540 | 2600-2800 | 1698-1813 | نطاق الانصهار يعتمد على التكوين; أعلى من سبائك الألومنيوم. |
| التيتانيوم (ل, نقي) | 1668 | 3034 | 1941 | نسبة القوة إلى الوزن عالية; السلوك الحراري. |
المغنيسيوم (ملغ, نقي) |
650 | 1202 | 923 | أقل قليلا من آل; شديدة التفاعل وخفيفة الوزن. |
| الزنك (الزنك, نقي) | 419.5 | 787 | 692.7 | نقطة انصهار منخفضة; تستخدم في الصب والجلفنة. |
| النيكل (في, نقي) | 1455 | 2651 | 1728 | مقاومة ممتازة للتآكل; سبائك نقطة انصهار عالية للفضاء. |
| النحاس (Cu -Zn, 60/40) | 900-940 | 1652-1724 | 1173-1213 | نطاق انصهار السبائك أقل من النحاس النقي; مناسبة للصب. |
| برونزية (النحاس والقصدير, 88/12) | 950-1050 | 1742-1922 | 1223-1323 | أقل قليلاً من النحاس; تحسين castability ومقاومة التآكل. |
6. المفاهيم الخاطئة والمزالق الشائعة
الخلط بين نقطة الانصهار ودرجة حرارة التليين
درجة حرارة تليين الألومنيوم (≈300 درجة مئوية) غالبًا ما يتم الخلط بينه وبين نقطة الانصهار.
يشير التليين إلى انخفاض قوة الخضوع بسبب انزلاق حدود الحبوب وحركة الخلع, بينما الذوبان ينطوي على مرحلة انتقالية.
يمكن أن يؤدي هذا الارتباك إلى معالجة حرارية غير مناسبة, مما أدى إلى انخفاض الخواص الميكانيكية.
تجاهل نطاق الانصهار في السبائك
الألومنيوم النقي لديه نقطة انصهار حادة, لكن سبائك الألومنيوم تظهر نطاق انصهار (السائل إلى الصلب).
يمكن أن يؤدي عدم مراعاة هذا النطاق أثناء الصب إلى حدوث عيوب مثل مسامية الانكماش (إذا سكب قريبًا جدًا من درجة حرارة المادة الصلبة) أو التكسير الساخن (إذا تم تبريده بسرعة كبيرة عبر نطاق الانصهار).
التغاضي عن آثار النجاسة
حتى أثر الشوائب (على سبيل المثال, 0.1% حديد) يمكن أن يخفض درجة انصهار الألومنيوم ويزيد من نطاق انصهاره.
في التطبيقات عالية الدقة (على سبيل المثال, مكونات الفضاء الجوي), تعد المراقبة الصارمة لمحتوى الشوائب أمرًا ضروريًا لضمان سلوك الذوبان المتسق وجودة المنتج النهائي.
7. خاتمة
نقطة انصهار الألومنيوم (660.32℃ للألمنيوم النقي) هي خاصية أساسية متجذرة في تركيبها الذري والروابط المعدنية, بمثابة حجر الزاوية في معالجتها وتطبيقها.
عوامل متعددة – بما في ذلك النقاء, عناصر السبائك, الضغط الخارجي, والتاريخ الحراري - تعديل سلوك الذوبان, تمكين تصميم سبائك الألومنيوم مصممة لتلبية الاحتياجات الصناعية المتنوعة.
من صب سبائك Al-Si في درجات حرارة منخفضة إلى سبائك سلسلة 7xxx عالية القوة للفضاء, نقطة انصهار الألومنيوم تملي معلمات العملية, حدود الأداء, وكفاءة إعادة التدوير.
بينما تسعى الصناعات إلى تخفيف الوزن وكفاءة الطاقة, توازن الألومنيوم الفريد من نوعه لنقطة الانصهار المعتدلة, كثافة منخفضة, وسوف تستمر إمكانية إعادة التدوير في ترسيخ مكانتها باعتبارها مادة رئيسية في مشهد التصنيع العالمي.
الأسئلة الشائعة
هل درجة حرارة انصهار الألومنيوم هي نفسها؟ 6061 أو 7075?
لا. 6061 و 7075 هي سبائك ذات نطاقات صلبة/سائلة تختلف عن Al النقي. يجب الإشارة إلى سلوك ذوبانها إلى بيانات خاصة بالسبائك أو قياسها عن طريق التحليل الحراري.
ما مقدار الحرارة الزائدة التي يجب أن أستخدمها في عملية الصب مقابل القوالب؟. صب الرمل?
غالبًا ما تتطلب عمليات القالب والضغط العالي حرارة شديدة معتدلة (20-50 درجة مئوية) بسبب الامتلاء السريع; قد تتطلب مصبوبات الرمل والمقطع السميك ارتفاعًا عاليًا في درجة الحرارة (40-100 درجة مئوية) لضمان الامتلاء الكامل. الأمثل للسبائك والعفن.
لماذا تكون مسامية الهيدروجين أسوأ في الألومنيوم؟?
قابلية ذوبان الهيدروجين في الألومنيوم السائل أعلى بكثير منها في الحالة الصلبة. أثناء التصلب، يتم رفض الهيدروجين ويشكل مسام غازية ما لم تتم إزالته مسبقًا عن طريق التفريغ.
هل يغير الضغط درجة انصهار الألومنيوم عمليا؟?
تتغير نقطة الانصهار مع الضغط, ولكن بالنسبة لممارسة المسبك الجوي القياسية، يكون التأثير ضئيلًا.
