1. Uvođenje
Nikl (hemijski simbol je, atomski broj 28) je duktilna, srebrno-bijeli prelazni metal koji pripada Grupi 10 periodnog sistema.
Autoritativni termodinamički podaci NIST-a i Kraljevskog hemijskog društva potvrđuju da čisti nikl ima standardnu tačku topljenja od 1455 ° C (2651 ° F, 1728 K).
Elementarni metal ima jednu tačku topljenja u praktičnom smislu, ali legure na bazi nikla se obično tope u određenom rasponu jer legiranje mijenja temperature solidusa i likvidusa.
Ponašanje nikla pri topljenju je jedan od razloga što se tako široko koristi u proizvodima otpornim na koroziju i toplinu..
Komercijalni nikl i legure na bazi nikla nalaze se u opremi za hemijsku obradu, Izmjenjivači topline, hardver peći, pomorska služba, i visokotemperaturnih konstrukcijskih dijelova, gdje su termička stabilnost i kontrolirano očvršćavanje važni jednako kao i snaga.
2. Tačka topljenja čistog nikla
Za elementarni metal, nikl se općenito tretira kao a materijal sa jednom tačkom topljenja a ne legura širokog spektra.
Objavljene vrijednosti iz različitih tehničkih izvora su izuzetno bliske, što inženjeri žele od referentnog metala: stabilan broj koji se može pouzdano koristiti u dizajnu procesa.
Reprezentativne vrijednosti za čisti nikl
| Materijal | Ponašanje topljenja | Inženjersko značenje |
| Čisti nikal | 1453–1455°C / 2647–2651°F / 1726–1728 K | Elementarni nikal je u suštini metal koji se oštro topi u praktičnoj upotrebi. |
Malo širenje između 1453°C i 1455°C je normalno za objavljene podatke o topljenju.
Odražava razlike u čistoći, metoda mjerenja, i konvencije zaokruživanja, a ne bilo kakve značajne promjene u samom metalu.
Za inženjerske svrhe, čisti nikl treba tretirati kao metal sa tačkom topljenja od oko 1455° C.
3. Legure nikla i rasponi topljenja
Legure na bazi nikla se ne ponašaju kao čisti nikl.
Nakon što se dodaju drugi elementi, legura obično razvija a solidus i tečnost, tako da se metal počinje topiti na jednoj temperaturi i završava se topiti na višoj.
Zato listovi sa podacima o leguri navode a opseg topljenja umjesto jedne tačke.
| Kvalitet nikla / legura | opseg topljenja °C | opseg topljenja °F | opseg topljenja K |
| Nikl 200 / Nikl 201 | 1435–1445°C | 2610–2630°F | 1708.15–1718,15 K |
| Monel legura 400 | 1300–1350°C | 2370–2460°F | 1573.15–1623,15 K |
| INCONEL Alloy 600 | 1354–1413°C | 2470–2580°F | 1627.15–1686,15 K |
| VDM legura 601 | 1330–1370°C | 2426–2498°F | 1603.15–1643,15 K |
| HAYNES / INCONEL 617 | 1330–1375°C | 2430–2510°F | 1603.15–1648,15 K |
| INCONEL Alloy 625 | 1290–1350°C | 2350–2460°F | 1563.15–1623,15 K |
| INCONEL Alloy 718 | 1260–1336°C | 2300–2437°F | 1533.15–1609,15 K |
| HASTELLOY C-276 | 1323–1371°C | 2415–2500°F | 1596.15–1644,15 K |
| VDM legura 690 | 1390–1410°C | 2534–2570°F | 1663.15–1683,15 K |
4. Faktori koji utiču na topljenje nikla
Čistoća
Čistoća je prvi i najvažniji faktor.
Čisti nikal pokazuje singl, oštro definisana tačka topljenja, dok su komercijalno čiste klase kao što je nikl 200/201 pokazuju uski raspon topljenja jer su važne čak i male razlike u sastavu.
Što je materijal bliži elementarnom niklu, što se bliže ponaša tranziciji u jednoj tački.
Dodaci za legiranje
Legiranje je glavni razlog zašto materijali nikla razvijaju opsege topljenja.
Dodaci bakra, hrom, gvožđe, kobalt, molibdenum, i drugi elementi menjaju faznu stabilnost i pomeraju temperature solidusa i likvidusa.
Zato Monel 400, Inconel 600, i ATI 617 svaki ima drugačiji interval topljenja iako su svi materijali na bazi nikla.
Oblik i specifikacija proizvoda
Komercijalni proizvodi od nikla mogu se isporučiti s malo drugačijim objavljenim vrijednostima ovisno o obliku proizvoda i podacima o dobavljaču.
To ne znači da se fundamentalno ponašanje metala promijenilo; to znači da prijavljeni raspon odražava tačnu ocjenu, manje nečistoće, i stanje proizvoda.
Za inženjere procesa, to je podsjetnik da koristite tablicu podataka dobavljača za specifičnu toplinu ili partiju umjesto da se oslanjate na generičku vrijednost nikla.
Kontekst termičkog procesa
Ponašanje topljenja nikla uvijek se mora tumačiti u kontekstu. Peć za livenje, ciklus lemljenja, i proces zavarivanja ne koristi isti termalni cilj.
Opseg topljenja određuje koliko toplinskog prostora operater ima prije nego što metal omekša, počinje da teče, ili gubi oblik.
U visokotemperaturnim legurama na bazi nikla, taj prozor je ključni dio logike dizajna, nije naknadna misao.
5. Fizički & Hemijske promjene tokom topljenja nikla
Oksidacijsko ponašanje
Rastopljeni nikal je visoko hemijski aktivan. Iznad 1000 ° C, nikl brzo reaguje sa kiseonikom i stvara nikl oksid (NiO).
Bez zaštite od inertnog gasa, gusti tamni oksidni film prekriva površinu tečnosti, povećanje defekta inkluzije šljake topljenja.
Industrijsko topljenje nikla mora imati zaštitu od argona ili vakuumsko taljenje kako bi se izolirao kisik.
Rastvorljivost gasnih elemenata
Rastopljeni nikl ima jaku rastvorljivost vodonika i azota. Rastvorljivost gasa dostiže vrhunac blizu tačke topljenja; prekomjerno otopljeni plin stvara rupicu poroznosti nakon skrućivanja.
Obrada otplinjavanjem je obavezna za odljevke od nikla visoke čistoće.
Magnetic Transition
Nikl poseduje feromagnetizam na sobnoj temperaturi. Njegova Curie temperatura je 358 ° C; iznad ove kritične temperature, nikl trajno gubi magnetizam dok se ne ohladi.
Magnetski nestanak tokom topljenja olakšava elektromagnetno mešanje u pećima za topljenje.
6. Kako testirati tačku topljenja nikla?
Diferencijalna skenirajuća kalorimetrija i diferencijalna termička analiza
Za laboratorijsko određivanje, DSC i DTA su standardni alati za termičku analizu za određivanje temperatura topljenja i kristalizacije čistih materijala.
ASTM E794 navodi da ova metoda ispitivanja opisuje određivanje temperature topljenja i kristalizacije pomoću diferencijalne skenirajuće kalorimetrije i diferencijalne termičke analize, i da je metoda korisna za kontrolu kvaliteta, prihvatanje specifikacije, i istraživanja.
U praksi, kalibracija se vrši korištenjem poznatih referentnih standarda, a čisti metali se obično koriste kao materijali za kalibraciju.
Temperatura topljenja se obično uzima iz ekstrapolirani početak tranzicije, dok je uzorak potpuno otopljen na vrhuncu.
To čini DSC posebno korisnim za nikl kada je potrebna precizna laboratorijska vrijednost.
Optička pirometrija
Za veoma vruće industrijske uslove, optička pirometrija je praktična beskontaktna metoda jer mjeri toplinsko zračenje iz vrućeg predmeta umjesto da zahtijeva fizički kontakt.
To ga čini vrijednim za posmatranje peći, rukovanje topljenjem, i druge provjere procesa na visokim temperaturama gdje kontaktni senzori mogu biti nepraktični.
Praktično poređenje metoda
| Metoda | Najbolja upotreba | Snaga | Ograničenje |
| DSC / DTA | Laboratorijsko određivanje temperatura topljenja i kristalizacije | Dobro za kontrolisano merenje i analizu zasnovanu na kalibraciji | Zahtijeva male uzorke i kontrolirane uvjete ispitivanja. |
| Optička pirometrija | Merenje temperature peći i procesa | Beskontaktan i pogodan za vrlo vruće površine | Mjeri radijativnu temperaturu na stazi gledanja, tako da su podešavanja i emisivnost bitni. |
7. Industrijska primjena kontrole opsega topljenja nikla
PrecisionCasting
U precizno livenje, Opseg topljenja određuje koliko toplinskog prostora peć mora osigurati i koliko pažljivo se mora upravljati talinom prije izlivanja.
Čisti nikl i legure na bazi nikla koriste se u komponentama peći, posude za hemijsku obradu, izmjenjivači, visokotemperaturni vazduhoplovni delovi, nuklearnih reaktora, i turbine, što znači da ruta livenja mora da izdrži i visoke temperature i zahtevne agresivne usluge.
Za odljevke od legura, važna tačka nije pojedinačna tačka topljenja, već prozor čvrsto-tečnost.
Legura na bazi nikla može početi da se smrzava dok je dio metala još uvijek tečan, tako da livnička praksa mora uzeti u obzir ishranu, skupljanje, i kontrola očvršćavanja u cijelom rasponu.
To je inženjerski zaključak iz objavljenih intervala taljenja legura na bazi nikla.
Zavarivanje
Materijali na bazi nikla su široko zavareni jer se mogu spojiti konvencionalnim procesima zavarivanja i zadržati korisne performanse u zahtjevnim okruženjima.
INCONEL Alloy 600 je opisan kao lako spojen konvencionalnim procesima zavarivanja, a proizvođač navodi specifične materijale za zavarivanje za zaštićeni metalni luk, gasni volfram luk, i plinsko-metalno-lučno spajanje.
MONEL legura 400 je također opisan kao lako spojen konvencionalnim procesima.
Za zavarivanje, Kontrola raspona topljenja je važna jer se osnovni metal ne smije pregrijati izvan predviđene zone fuzije.
Legure nikla se često biraju upravo zbog njihovih intervala topljenja, snaga, i termalni odgovor može podržati kontrolirano spajanje u kritičnim aplikacijama.
Ovo je posebno važno kada zavareni dio nakon izrade mora ostati dimenzionalno stabilan i otporan na koroziju.
Toplotni tretman
Toplinska obrada je još jedna oblast u kojoj je važna kontrola opsega topljenja, jer rukovalac mora ostati bezbedno ispod bilo kakvog početnog stanja topljenja dok još uvek postiže zahtevani termički ciklus.
IMALI SMO 617, na primjer, je obično rastvor žaren na 1175° C (2150° F), koji se nalazi ispod svog objavljenog raspona topljenja 1330–1380°C.
Taj jaz je upotrebljivi termički prozor koji omogućava termičku obradu bez urušavanja mikrostrukture.
Ista logika se u širem smislu primjenjuje na legure na bazi nikla: termička obrada mora biti odabrana imajući na umu solidus i likvidus legure kako bi dio dobio željeno metalurško stanje bez djelomičnog topljenja.
U praktičnoj proizvodnji, to je razlog zašto se legure nikla obično obrađuju s mnogo strožom temperaturnom disciplinom od metala nižeg topljenja.
8. Zaključak
Tačka topljenja čistog nikla je oko 1455° C (1728 K / 2651° F), sa autoritativnim referencama koje su grupisane veoma blizu toj vrednosti.
Blago širenje u objavljenim brojevima je normalno i odražava istoriju mjerenja i zaokruživanje, nije značajno inženjersko neslaganje.
Još važnije, Prava industrijska vrijednost nikla leži u načinu na koji se ponašanje pri topljenju mijenja kada se nikl legira.
Komercijalno čisti nikl se tope u uskom opsegu, dok legure na bazi nikla kao što je Monel 400, Inconel 600, i ATI 617 su projektovani oko sopstvenih intervala solidus-likvidus.
Zato nikal nije samo metal sa visokom tačkom topljenja; to je visokotemperaturna platforma za dizajniranje materijala otpornih na koroziju i toplinu.
FAQs
Koja je tačka topljenja nikla u Celzijusima i Farenhajtu?
Čisti nikl se topi na oko 1455° C, što je o 2651° F. ASM daje blisko povezanu vrijednost 1453° C.
Zašto legure nikla imaju raspon topljenja umjesto jedne tačne tačke?
Jer legiranje mijenja faznu ravnotežu, tako da se materijal počinje topiti na a solidus temperature i završava topljenje na višoj tečnost temperatura.
Je li čisti nikl lakši za obradu od legura nikla?
Nije nužno. Čisti nikl ima oštru tačku topljenja, ali legure na bazi nikla se često biraju jer nude bolju otpornost na koroziju, zadržavanje snage, ili otpornost na toplotu za predviđenu uslugu.
Zašto je nikal toliko važan u visokotemperaturnom inženjerstvu?
Zato što kombinuje visoku tačku topljenja sa korisnom duktilnošću i sposobnošću da formira porodice legura otpornih na toplotu koje se koriste u hardveru peći, izmjenjivači, vazduhoplovnih delova, i sistemi vezani za turbine.
