1. Zavedení
Nikl (chemical symbol Ni, atomové číslo 28) je tažný, stříbřitě bílý přechodový kov patřící do Group 10 periodické tabulky.
Autoritativní termodynamická data z NIST a Royal Society of Chemistry potvrzují, že čistý nikl má standardní bod tání 1455 ° C. (2651 ° F., 1728 K).
Elementární kov má v praxi jeden bod tání, ale slitiny na bázi niklu se obvykle taví v určitém rozsahu, protože legování mění teploty solidu a likvidu.
Chování niklu při tavení je jedním z důvodů, proč je tak široce používán ve výrobcích odolných proti korozi a teplu.
Komerční nikl a slitiny na bázi niklu se nacházejí v zařízeních pro chemické zpracování, výměníky tepla, furnace hardware, námořní služba, a vysokoteplotní konstrukční díly, kde na tepelné stabilitě a řízeném tuhnutí záleží stejně jako na pevnosti.
2. Bod tání čistého niklu
For the elemental metal, nikl je obecně považován za a materiál s jedním bodem tání spíše než širokorozsahová slitina.
Publikované hodnoty z různých technických zdrojů jsou si velmi blízké, což je to, co inženýři chtějí od referenčního kovu: stabilní číslo, které lze s jistotou použít při návrhu procesu.
Reprezentativní hodnoty pro čistý nikl
| Materiál | Melting behavior | Technický význam |
| Čistý nikl | 1453–1455 °C / 2647–2651 °F / 1726-1728 K | Elementární nikl je v podstatě ostře se tající kov v praktickém použití. |
Malý rozptyl mezi 1453 °C a 1455 °C je pro publikované údaje o tání normální.
Odráží rozdíly v čistotě, metoda měření, a zaokrouhlovací konvence spíše než jakákoli smysluplná změna v samotném kovu.
Pro inženýrské účely, čistý nikl by měl být považován za kov s teplotou tání asi 1455° C..
3. Slitiny niklu a rozsahy tavení
Slitiny na bázi niklu se nechovají jako čistý nikl.
Jakmile jsou přidány další prvky, slitina se obvykle vyvíjí a solidus a kapalný, takže kov se začíná tavit při jedné teplotě a končí tání při vyšší.
To je důvod, proč datové listy slitin uvádějí a rozsah tání místo jediného bodu.
| Třída niklu / slitina | rozsah tání °C | melting range °F | melting range K |
| Nikl 200 / Nikl 201 | 1435–1445°C | 2610–2630°F | 1708.15–1718,15 K |
| Monel Alloy 400 | 1300–1350 °C | 2370–2460 °F | 1573.15–1623,15 K |
| Slitina INCONEL 600 | 1354–1413 °C | 2470–2580 °F | 1627.15–1686,15 K |
| Slitina VDM 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 |
| Slitina INCONEL 625 | 1290–1350 °C | 2350–2460 °F | 1563.15–1623,15 K |
| Slitina INCONEL 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 |
| Slitina VDM 690 | 1390–1410 °C | 2534–2570 °F | 1663.15–1683,15 K |
4. Faktory, které ovlivňují chování niklu při tání
Čistota
Čistota je prvním a nejdůležitějším faktorem.
Čistý nikl ukazuje singl, ostře definovaný bod tání, zatímco komerčně čisté třídy, jako je nikl 200/201 vykazují úzký rozsah tání, protože záleží i na malých rozdílech ve složení.
Čím blíže je materiál elementárnímu niklu, tím blíže se chová k jednobodovému přechodu.
Legující přísady
Legování je hlavním důvodem, proč niklové materiály rozvíjejí rozsahy tání.
Additions of copper, Chromium, železo, kobalt, molybden, a další prvky mění fázovou stabilitu a posouvají teploty solidu a likvidu.
That is why Monel 400, Inconel 600, and ATI 617 každý má jiný interval tání, i když všechny jsou materiály na bázi niklu.
Forma a specifikace produktu
Komerční niklové produkty mohou být dodávány s mírně odlišnými publikovanými hodnotami v závislosti na formě produktu a datovém listu dodavatele.
To neznamená, že se základní chování kovu změnilo; to znamená, že uváděný rozsah odráží přesný stupeň, minor impurities, and product condition.
For process engineers, to je připomínka, abyste pro konkrétní teplo nebo šarži použili datový list dodavatele, spíše než se spoléhali na obecnou hodnotu niklu.
Thermal-process context
Chování niklu při tání musí být vždy interpretováno v kontextu. A casting furnace, pájecí cyklus, a svařovací proces nepoužívají stejný tepelný cíl.
Rozsah tavení určuje, jakou tepelnou výšku má operátor k dispozici, než kov změkne, begins to flow, nebo ztrácí tvar.
Ve vysokoteplotních slitinách na bázi niklu, toto okno je základní součástí logiky návrhu, not an afterthought.
5. Fyzikální & Chemické změny během tavení niklu
Oxidační chování
Roztavený nikl je vysoce chemicky aktivní. Výše 1000 ° C., nikl rychle reaguje s kyslíkem za vzniku oxidu niklu (NiO).
Bez ochrany inertním plynem, hustý tmavý oxidový film pokrývá povrch kapaliny, zvyšující se defekty vměstků tavící strusky.
Průmyslové tavení niklu musí využívat argonové stínění nebo vakuové tavení, aby se izoloval kyslík.
Rozpustnost prvků plynu
Roztavený nikl má silnou rozpustnost ve vodíku a dusíku. Rozpustnost plynu vrcholí blízko bodu tání; přebytečný rozpuštěný plyn vytváří po ztuhnutí dírkovou pórovitost.
Odplynění je povinné pro odlitky z vysoce čistého niklu.
Magnetic Transition
Nikl má feromagnetismus při pokojové teplotě. Jeho Curieova teplota je 358 ° C.; nad touto kritickou teplotou, nikl trvale ztrácí magnetismus až do vychladnutí.
Magnetické vymizení během tavení usnadňuje elektromagnetické míchání v tavicích pecích.
6. Jak otestovat bod tání niklu?
Diferenciální skenovací kalorimetrie a diferenciální termická analýza
Pro stanovení v laboratorním měřítku, DSC a DTA jsou standardními nástroji tepelné analýzy pro stanovení teplot tání a krystalizace čistých materiálů.
ASTM E794 uvádí, že tato zkušební metoda popisuje stanovení teplot tání a krystalizace pomocí diferenciální skenovací kalorimetrie a diferenciální termické analýzy, a že metoda je užitečná pro kontrolu kvality, přijetí specifikace, a výzkum.
V praxi, kalibrace se provádí pomocí známých referenčních standardů, a čisté kovy se běžně používají jako kalibrační materiály.
Teplota tání se obvykle odebírá z extrapolovaný začátek of the transition, zatímco vzorek je na vrcholu zcela roztaven.
Díky tomu je DSC zvláště užitečné pro nikl, když je potřeba přesná laboratorní hodnota.
Optical pyrometry
Pro velmi horké průmyslové podmínky, optická pyrometrie je praktickou bezkontaktní metodou, protože měří tepelné záření z horkého předmětu spíše než vyžaduje fyzický kontakt.
Díky tomu je cenný pro pozorování pece, manipulace s taveninou, a další kontroly vysokoteplotních procesů, kde mohou být kontaktní senzory nepraktické.
Praktické srovnání metod
| Metoda | Nejlepší využití | Pevnost | Omezení |
| DSC / DTA | Laboratorní stanovení teplot tání a krystalizace | Dobré pro řízené měření a analýzu založenou na kalibraci | Vyžaduje malé vzorky a kontrolované testovací podmínky. |
| Optical pyrometry | Měření teploty pece a procesu | Bezkontaktní a vhodný na velmi horké povrchy | Měří radiační teplotu v pozorovací dráze, takže záleží na nastavení a emisivitě. |
7. Průmyslové aplikace řízení rozsahu tavení niklu
PrecisionCasting
V Přesné obsazení, rozsah tavení určuje, jakou tepelnou výšku musí pec poskytovat a jak pečlivě je třeba s taveninou zacházet před litím.
V součástech pecí se používá čistý nikl a slitiny na bázi niklu, nádoby na chemické zpracování, exchangers, vysokoteplotní letecké díly, jaderné reaktory, and turbines, což znamená, že cesta odlévání musí zvládat požadavky na vysokou teplotu a agresivní provoz.
For alloy castings, důležitým bodem není jediný bod tání, ale solidus-liquidus window.
Slitina na bázi niklu může začít mrznout, zatímco část kovu je stále tekutá, takže slévárenská praxe musí počítat s krmením, srážení, a kontrola tuhnutí v celém rozsahu.
To je technický závěr z publikovaných intervalů tání slitin na bázi niklu.
Svařování
Materiály na bázi niklu jsou široce svařovány, protože je lze spojovat konvenčními svařovacími procesy a zachovávají si užitečný výkon v náročných prostředích.
Slitina INCONEL 600 je popisován jako snadno spojitelný konvenčními svařovacími procesy, a výrobce uvádí konkrétní svařovací materiály pro stíněný kovový oblouk, gas tungsten-arc, a plynové spojování kov-oblouk.
MONEL Alloy 400 je také popisován jako snadno spojitelný konvenčními procesy.
Pro svařování, kontrola rozsahu tavení je důležitá, protože základní kov nesmí být přehřátý nad zamýšlenou tavnou zónu.
Slitiny niklu jsou často vybírány právě kvůli jejich intervalům tavení, pevnost, a tepelná odezva může podporovat řízené spojování v aplikacích kritických pro provoz.
To je zvláště důležité, když svařovaný díl musí zůstat po výrobě rozměrově stálý a odolný proti korozi.
Tepelné zpracování
Tepelné zpracování je další oblastí, kde záleží na řízení rozsahu tání, protože operátor musí zůstat bezpečně pod všemi počátečními podmínkami tání a přitom stále dosahovat požadovaného tepelného cyklu.
MĚLI JSME 617, například, je normálně rozpouštěcí žíhaný při 1175° C. (2150° F.), která leží pod publikovaným rozsahem tání 1330–1380 °C.
Tato mezera je použitelné tepelné okno, které umožňuje tepelné zpracování bez zhroucení mikrostruktury.
Stejná logika platí šířeji pro slitiny na bázi niklu: tepelné zpracování musí být zvoleno s ohledem na solidus a likvidus slitiny, aby díl získal zamýšlený metalurgický stav, aniž by se částečně roztavil.
V praktické výrobě, to je důvod, proč se slitiny niklu obvykle zpracovávají s mnohem přísnější teplotní disciplínou než kovy s nižší teplotou tání.
8. Závěr
Teplota tání čistého niklu je cca 1455° C. (1728 K / 2651° F.), s autoritativními odkazy shlukujícími se velmi blízko této hodnotě.
Mírný rozptyl ve zveřejněných číslech je normální a odráží historii měření a zaokrouhlování, nejde o smysluplnou inženýrskou neshodu.
Ještě důležitější je, Skutečná průmyslová hodnota niklu spočívá ve způsobu, jakým se chování při tavení mění, když je nikl legován.
Komerčně čistý nikl se taví v úzkém rozmezí, zatímco slitiny na bázi niklu, jako je Monel 400, Inconel 600, and ATI 617 jsou navrženy kolem svých vlastních intervalů solidus-liquidus.
To je důvod, proč nikl není jen kov s vysokým bodem tání; je to vysokoteplotní platforma pro navrhování korozivzdorných a tepelně odolných materiálů.
Časté časté
Jaká je teplota tání niklu ve stupních Celsia a Fahrenheita?
Čistý nikl taje při cca 1455° C., o které jde 2651° F.. ASM dává úzce související hodnotu 1453° C..
Proč mají slitiny niklu rozsahy tání místo jednoho přesného bodu?
Protože legování mění fázovou rovnováhu, takže materiál se začne tavit při a solidus teplotě a končí tání při vyšší kapalný teplota.
Čistý nikl se zpracovává snadněji než slitiny niklu?
Ne nutně. Čistý nikl má ostrý bod tání, ale často se volí slitiny na bázi niklu, protože nabízejí lepší odolnost proti korozi, udržení síly, nebo tepelnou odolnost pro zamýšlený provoz.
Proč je nikl tak důležitý ve vysokoteplotním strojírenství?
Protože kombinuje vysoký bod tání s užitečnou tažností a schopností vytvářet rodiny žáruvzdorných slitin používaných v kování pecí, exchangers, díly letectví, a systémy související s turbínami.
