1. Indledning
Nikkel (kemisk symbol er, atomnummer 28) er en duktil, sølvhvidt overgangsmetal tilhørende koncernen 10 af den periodiske tabel.
Autoritative termodynamiske data fra NIST og Royal Society of Chemistry bekræfter, at rent nikkel har et standardsmeltepunkt på 1455 ° C. (2651 ° f, 1728 K).
Det elementære metal har i praksis et enkelt smeltepunkt, men nikkel-baserede legeringer smelter normalt over et interval, fordi legering ændrer solidus- og liquidus-temperaturerne.
Nikkels smelteadfærd er en af grundene til, at den er så udbredt i korrosionsbestandige og varmebestandige produkter.
Kommerciel nikkel og nikkel-baserede legeringer findes i kemisk behandlingsudstyr, Varmevekslere, ovn hardware, marine service, og højtemperatur strukturelle dele, hvor termisk stabilitet og kontrolleret størkning betyder lige så meget som styrke.
2. Smeltepunktet for ren nikkel
Til det elementære metal, nikkel behandles generelt som en enkelt smeltepunkt materiale snarere end en bredspektret legering.
Publicerede værdier fra forskellige tekniske kilder er ekstremt tætte, hvilket er, hvad ingeniører ønsker af et referencemetal: et stabilt tal, der trygt kan bruges i procesdesign.
Repræsentative værdier for rent nikkel
| Materiale | Smelteadfærd | Teknisk betydning |
| Ren nikkel | 1453–1455°C / 2647–2651°F / 1726–1728 K | Elementært nikkel er i det væsentlige et skarptsmeltende metal i praktisk brug. |
Den lille spredning mellem 1453°C og 1455°C er normal for offentliggjorte smeltedata.
Det afspejler forskelle i renhed, målemetode, og afrunding af konventioner frem for nogen meningsfuld ændring i selve metallet.
Til tekniske formål, rent nikkel skal behandles som et metal med et smeltepunkt på ca 1455° C..
3. Nikkellegeringer og smelteområder
Nikkel-baserede legeringer opfører sig ikke som rent nikkel.
Når andre elementer er tilføjet, legeringen udvikler normalt en solidus og flydende, så metallet begynder at smelte ved én temperatur og slutter med at smelte ved en højere temperatur.
Det er derfor, legeringsdatablade rapporterer en smelteområde i stedet for et enkelt punkt.
| Nikkelkvalitet / legering | smelteområde °C | smelteområde °F | smelteområde K |
| Nikkel 200 / Nikkel 201 | 1435–1445°C | 2610–2630°F | 1708.15–1718.15 K |
| Monel legering 400 | 1300–1350°C | 2370–2460°F | 1573.15–1623.15 K |
| INCONEL legering 600 | 1354–1413°C | 2470–2580°F | 1627.15–1686.15 K |
| VDM legering 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 legering 625 | 1290–1350°C | 2350–2460°F | 1563.15–1623.15 K |
| INCONEL legering 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 legering 690 | 1390–1410°C | 2534–2570°F | 1663.15–1683.15 K |
4. Faktorer, der påvirker nikkels smelteadfærd
Renhed
Renhed er den første og vigtigste faktor.
Rent nikkel viser en enkelt, skarpt defineret smeltepunkt, mens kommercielt rene kvaliteter som nikkel 200/201 viser et snævert smelteområde, fordi selv små sammensætningsforskelle har betydning.
Jo tættere materialet er på elementært nikkel, jo tættere opfører det sig på en etpunkts overgang.
Legeringstilsætninger
Legering er hovedårsagen til, at nikkelmaterialer udvikler smelteområder.
Tilsætninger af kobber, Krom, jern, Cobalt, Molybdæn, og andre elementer ændrer fasestabiliteten og skifter solidus- og liquidus-temperaturerne.
Det er derfor Monel 400, Inkonel 600, og ATI 617 hver har et forskelligt smelteinterval, selvom alle er nikkelbaserede materialer.
Produktform og specifikation
Kommercielle nikkelprodukter kan leveres med lidt forskellige offentliggjorte værdier afhængig af produktform og leverandørdatablad.
Dette betyder ikke, at metallets grundlæggende adfærd har ændret sig; det betyder, at det rapporterede interval afspejler den nøjagtige karakter, mindre urenheder, og produktets stand.
Til procesingeniører, det er en påmindelse om at bruge leverandørdatabladet til den specifikke varme eller parti i stedet for at stole på en generisk nikkelværdi.
Termisk proces kontekst
Nikkels smelteadfærd skal altid tolkes i sammenhæng. En støbeovn, en loddecyklus, og en svejseproces bruger ikke det samme termiske mål.
Smelteområdet bestemmer, hvor meget termisk frihøjde operatøren har, før metallet bliver blødt, begynder at flyde, eller mister formen.
I nikkelbaserede højtemperaturlegeringer, det vindue er en kernedel af designlogikken, ikke en eftertanke.
5. Fysisk & Kemiske ændringer under nikkelsmeltning
Oxidationsadfærd
Smeltet nikkel er meget kemisk aktivt. Over 1000 ° C., nikkel reagerer hurtigt med ilt for at danne nikkeloxid (NiO).
Uden beskyttelse mod inert gas, en tæt mørk oxidfilm dækker væskeoverfladen, øgede inklusionsdefekter i smelteslagge.
Industriel nikkelsmeltning skal anvende argonafskærmning eller vakuumsmeltning for at isolere oxygen.
Opløselighed af gaselementer
Smeltet nikkel har en stærk hydrogen- og nitrogenopløselighed. Gasopløseligheden topper nær smeltepunktet; overskydende opløst gas danner porøsitet i pinhole efter størkning.
Afgasningsbehandling er obligatorisk for nikkelstøbegods med høj renhed.
Magnetisk overgang
Nikkel besidder ferromagnetisme ved stuetemperatur. Dens Curie temperatur er 358 ° C.; over denne kritiske temperatur, nikkel mister magnetisme permanent indtil afkøling.
Magnetisk forsvinden under smeltning letter elektromagnetisk omrøring i smelteovne.
6. Sådan testes nikkels smeltepunkt?
Differentiel scanning kalorimetri og differentiel termisk analyse
Til bestemmelse i laboratorieskala, DSC og DTA er standard termiske analyseværktøjer til bestemmelse af smelte- og krystallisationstemperaturer for rene materialer.
ASTM E794 angiver, at denne testmetode beskriver bestemmelsen af smelte- og krystallisationstemperaturer ved differentiel scanningskalorimetri og differentiel termisk analyse, og at metoden er anvendelig til kvalitetskontrol, specifikationens accept, og forskning.
I praksis, kalibrering udføres ved hjælp af kendte referencestandarder, og rene metaller bruges almindeligvis som kalibreringsmaterialer.
Smeltetemperaturen tages typisk fra ekstrapoleret begyndelse af overgangen, mens prøven er fuldt smeltet på toppen.
Det gør DSC særlig nyttig til nikkel, når der er behov for en præcis laboratorieværdi.
Optisk pyrometri
Til meget varme industrielle forhold, optisk pyrometri er en praktisk berøringsfri metode, fordi den måler termisk stråling fra den varme genstand i stedet for at kræve fysisk kontakt.
Det gør det værdifuldt til ovnobservationer, håndtering af smelte, og andre procestjek ved høj temperatur, hvor kontaktsensorer kan være upraktiske.
Praktisk sammenligning af metoder
| Metode | Bedste brug | Styrke | Begrænsning |
| DSC / DTA | Laboratoriebestemmelse af smelte- og krystallisationstemperaturer | God til kontrolleret måling og kalibreringsbaseret analyse | Kræver små prøver og kontrollerede testbetingelser. |
| Optisk pyrometri | Ovn- og procestemperaturmåling | Berøringsfri og velegnet til meget varme overflader | Måler strålingstemperaturen i synsbanen, så opsætning og emissivitet betyder noget. |
7. Industrielle anvendelser af nikkelsmelteområdekontrol
Præcisionsstøbning
I præcisionsstøbning, smelteområdet bestemmer, hvor meget termisk frihøjde ovnen skal give, og hvor omhyggeligt smelten skal håndteres før hældning.
Rent nikkel og nikkelbaserede legeringer bruges i ovnkomponenter, kemiske behandlingsbeholdere, vekslere, højtemperatur-luftfartsdele, Atomreaktorer, og turbiner, hvilket betyder, at støberuten skal håndtere både høje temperaturer og aggressive servicekrav.
Til legeringsstøbegods, det vigtige punkt er ikke det enkelte smeltepunkt, men det fast-flydende vindue.
En nikkel-baseret legering kan begynde at fryse, mens en del af metallet stadig er flydende, så støberi praksis skal tage højde for fodring, Krympning, og størkningskontrol over hele området.
Det er en teknisk konklusion fra de offentliggjorte smelteintervaller for nikkel-baserede legeringer.
Svejsning
Nikkelbaserede materialer svejses i vid udstrækning, fordi de kan sammenføjes ved konventionelle svejseprocesser og bibeholder nyttig ydeevne i krævende miljøer.
INCONEL legering 600 beskrives som let forbundet med konventionelle svejseprocesser, og producenten angiver specifikke svejsematerialer til afskærmet metalbue, gas wolfram bue, og gasmetalbueforbindelse.
MONEL Legering 400 beskrives også som let forbundet med konventionelle processer.
Til svejsning, smelteområdekontrol har betydning, fordi basismetallet ikke må overophedes ud over den tilsigtede smeltezone.
Nikkellegeringer vælges ofte netop på grund af deres smelteintervaller, styrke, og termisk respons kan understøtte kontrolleret sammenføjning i servicekritiske applikationer.
Dette er især vigtigt, når den svejste del skal forblive formstabil og korrosionsbestandig efter fremstilling.
Varmebehandling
Varmebehandling er et andet område, hvor styring af smelteområde har betydning, fordi operatøren skal holde sig sikkert under enhver begyndende smeltetilstand, mens den stadig når den påkrævede termiske cyklus.
VI HAVDE 617, for eksempel, er normalt opløsningsglødet kl 1175° C. (2150° f), som ligger under sit offentliggjorte smelteområde på 1330–1380°C.
Det mellemrum er det anvendelige termiske vindue, der gør varmebehandling mulig uden at kollapse mikrostrukturen.
Den samme logik gælder mere bredt for nikkel-baserede legeringer: varmebehandling skal vælges med legeringens solidus og liquidus i tankerne, så delen opnår den tilsigtede metallurgiske tilstand uden delvist at smelte.
I praktisk fremstilling, dette er grunden til, at nikkellegeringer normalt behandles med meget strammere temperaturdisciplin end lavtsmeltende metaller.
8. Konklusion
Smeltepunktet for rent nikkel er ca 1455° C. (1728 K / 2651° f), med autoritative referencer, der klynger meget tæt på denne værdi.
Den lille spredning i offentliggjorte tal er normal og afspejler målehistorik og afrunding, ikke en meningsfuld teknisk uenighed.
Endnu vigtigere, Nikkels reelle industrielle værdi ligger i den måde, hvorpå smelteadfærd ændres, når nikkel legeres.
Kommercielt rene nikkelkvaliteter smelter over et snævert område, mens nikkel-baserede legeringer såsom Monel 400, Inkonel 600, og ATI 617 er konstrueret omkring deres egne solidus-liquidus-intervaller.
Derfor er nikkel ikke bare et metal med et højt smeltepunkt; det er en højtemperaturplatform til design af korrosionsbestandige og varmebestandige materialer.
FAQS
Hvad er smeltepunktet for nikkel i Celsius og Fahrenheit?
Rent nikkel smelter ca 1455° C., som handler om 2651° f. ASM giver en nært beslægtet værdi af 1453° C..
Hvorfor har nikkellegeringer smelteområder i stedet for ét nøjagtigt punkt?
Fordi legering ændrer faseligevægt, så materialet begynder at smelte ved a solidus temperatur og afslutter smeltning ved en højere flydende temperatur.
Er rent nikkel lettere at forarbejde end nikkellegeringer?
Ikke nødvendigvis. Rent nikkel har et skarpt smeltepunkt, men nikkel-baserede legeringer vælges ofte, fordi de giver bedre korrosionsbestandighed, fastholdelse af styrke, eller varmebestandighed for den påtænkte service.
Hvorfor er nikkel så vigtigt i højtemperaturteknik?
Fordi det kombinerer et højt smeltepunkt med nyttig duktilitet og evnen til at danne varmebestandige legeringsfamilier, der bruges i ovnhardware, vekslere, rumfartsdele, og turbine-relaterede systemer.
