1. Introducción
Los puntos de fusión de un material, definido como la temperatura a la que pasa de sólido a líquido bajo presión atmosférica estándar, es una propiedad fundamental en la ciencia de los materiales.
Este valor no solo determina los métodos de procesamiento para un metal o aleación, sino que también afecta su idoneidad para entornos y aplicaciones específicos..
Los datos precisos de punto de fusión son críticos para un diseño seguro y eficiente, selección de materiales, y optimización de procesos en una variedad de industrias, desde aeroespaciales y automotrices hasta electrónica y energía.
Este artículo explora el comportamiento de fusión de los metales puros y las aleaciones comerciales., compatible con tablas de datos clave, Discusión de factores influyentes, y técnicas de medición modernas.
2. Fundamentos del comportamiento de fusión
Base termodinámica
La fusión se rige por equilibrio termodinámico, donde la energía libre de Gibbs de la fase sólida es igual a la del líquido.
Durante la fusión, un material absorbe el calor latente de fusión sin un cambio de temperatura hasta que toda la estructura transique al estado líquido.
Estructura cristalina y enlace
La estructura cristalina tiene un profundo impacto en las temperaturas de fusión. Por ejemplo:
- FCC (Cúbico centrado en la cara) rieles, como el aluminio y el cobre, tienen puntos de fusión relativamente más bajos debido a átomos más densamente empaquetados pero una energía de unión más baja.
- BCC (Cúbico centrado en el cuerpo) Los metales como el hierro y el cromo generalmente exhiben puntos de fusión más altos debido a la unión atómica más fuerte y una mayor estabilidad de la red..
Comportamiento de fusión en aleaciones
A diferencia de las sustancias puras, Las aleaciones generalmente no tienen un punto de fusión agudo. En cambio, Ellos exhiben un rango de fusión, definido por el solidus (inicio de la fusión) y líquido (Fundación completa) temperaturas.
Comprender estos rangos es crítico en la metalurgia y a menudo se visualiza a través de Diagramas de fase binarios y ternarios.
3. Puntos de fusión de metales puros
Los puntos de fusión de los metales puros están bien caracterizados y sirven como valores de referencia en la industria y la academia.
La siguiente tabla presenta los puntos de fusión de los metales de ingeniería comunes en Celsius (°C), Fahrenheit (°F), y Kelvin (k):
Puntos de fusión de metales clave
| Metal | Punto de fusión (°C) | (°F) | (k) |
|---|---|---|---|
| Aluminio (Alabama) | 660.3 | 1220.5 | 933.5 |
| Cobre (Cu) | 1085 | 1985 | 1358 |
| Hierro (fe) | 1538 | 2800 | 1811 |
| Níquel (En) | 1455 | 2651 | 1728 |
| Acero (Carbón) | 1425–1540 | 2600–2800 | (dependiendo de la calificación) |
| Titanio (De) | 1668 | 3034 | 1941 |
| Zinc (zinc) | 419.5 | 787.1 | 692.6 |
| Dirigir (PB) | 327.5 | 621.5 | 600.7 |
| Estaño (sn) | 231.9 | 449.4 | 505.1 |
| Plata (Agotamiento) | 961.8 | 1763.2 | 1234.9 |
| Oro (Au) | 1064.2 | 1947.6 | 1337.4 |
Puntos de fusión de otros metales puros importantes
| Metal | Punto de fusión (°C) | (°F) | (k) |
|---|---|---|---|
| Cromo (cr) | 1907 | 3465 | 2180 |
| Molibdeno (Mes) | 2623 | 4753 | 2896 |
| Tungsteno (W.) | 3422 | 6192 | 3695 |
| Tántalo (Frente a) | 3017 | 5463 | 3290 |
| Platino (PT) | 1768 | 3214 | 2041 |
| Paladio (PD) | 1555 | 2831 | 1828 |
| Cobalto (Co) | 1495 | 2723 | 1768 |
| Zinc (zinc) | 419.5 | 787.1 | 692.6 |
| Magnesio (magnesio) | 650 | 1202 | 923 |
| Bismuto (Bi) | 271 | 520 | 544 |
| Indio (En) | 157 | 315 | 430 |
| Mercurio (Hg) | –38.83 | –37.89 | 234.32 |
| Litio (Li) | 180.5 | 356.9 | 453.7 |
| Uranio (U) | 1132 | 2070 | 1405 |
| Circonio (Zr) | 1855 | 3371 | 2128 |
4. Puntos de fusión de aleaciones comunes
En la práctica, La mayoría de los materiales de ingeniería no son metales puros, sino aleaciones. Estas combinaciones a menudo se derriten sobre un rango Debido a múltiples fases con diferentes composiciones.
Aleaciones comunes y sus rangos de fusión
| Nombre de aleación | Rango de fusión (°C) | (°F) | (k) |
|---|---|---|---|
| Aluminio 6061 | 582–652 ° C | 1080–1206 ° F | 855–925k |
| Aluminio 7075 | 477–635 ° C | 891–1175 ° F | 750–908k |
| Latón (Amarillo, 70/30) | 900–940 ° C | 1652–1724 ° F | 1173–1213k |
| Latón rojo (85Con 15zn) | 960–1010 ° C | 1760–1850 ° F | 1233–1283k |
| Bronce (Con cáscara) | 850–1000 ° C | 1562–1832 ° F | 1123–1273k |
| Metal (Cus-sn-zn) | 900–1025 ° C | 1652–1877 ° F | 1173–1298k |
| Cuppronickel (70/30) | 1170–1240 ° C | 2138–2264 ° F | 1443–1513k |
| Monel (Ni-cu) | 1300–1350 ° C | 2372–2462 ° F | 1573–1623k |
| Inconel 625 | 1290–1350 ° C | 2354–2462 ° F | 1563–1623k |
| Hastelloy C276 | 1325–1370 ° C | 2417–2498 ° F | 1598–1643k |
| Acero inoxidable 304 | 1400–1450 ° C | 2552–2642 ° F | 1673–1723k |
| Acero inoxidable 316 | 1375–1400 ° C | 2507–2552 ° F | 1648–1673k |
| Acero carbono (leve) | 1425–1540 ° C | 2597–2804 ° F | 1698–1813k |
| Acero para herramientas (AISI D2) | 1420–1540 ° C | 2588–2804 ° F | 1693–1813k |
| Hierro dúctil | 1140–1200 ° C | 2084–2192 ° F | 1413–1473k |
| Hierro fundido (Gris) | 1150–1300 ° C | 2102–2372 ° F | 1423–1573k |
| Aleación de titanio (TI -6Al -4V) | 1604–1660 ° C | 2919–3020 ° F | 1877–1933k |
| Hierro forjado | 1480–1565 ° C | 2696–2849 ° F | 1753–1838k |
| Soldar (SN63PB37) | 183 ° C (eutéctico) | 361 ° F | 456 K |
| Metal antifricción | 245–370 ° C | 473–698 ° F | 518–643k |
| Cargas 3 (Aleación zn-al) | 380–390 ° C | 716–734 ° F | 653–663k |
| Nichromo (ni-cr-fe) | 1350–1400 ° C | 2462–2552 ° F | 1623–1673k |
| Metal de campo | 62 ° C | 144 ° F | 335 K |
| Metal de madera | 70 ° C | 158 ° F | 343 K |
5. Factores que influyen en el punto de fusión
El punto de fusión de un metal o aleación no es un valor fijo dictado únicamente por su composición elemental.
Es el resultado de interacciones complejas que involucran estructura atómica, enlace químico, microestructura, presión externa, e impurezas.
Efecto de elementos de aleación
Uno de los factores más significativos que alteran el comportamiento de fusión es la presencia de elementos de aleación.
Estos elementos interrumpen la regularidad de la red de cristal metálico, Levantando o bajando el punto de fusión dependiendo de su naturaleza e interacción con el metal base.
- Carbono en acero: El aumento del contenido de carbono en el hierro reduce significativamente la temperatura de Solidus.
El hierro puro se derrite a ~ 1538 ° C, Pero el acero al carbono comienza a derretirse 1425 ° C debido a la formación de carburos de hierro. - Silicio (Y): A menudo se agregan a las planchas y aleaciones de aluminio, Silicon Can aumentar El punto de fusión del aluminio puro pero tiende a bajarlo cuando parte de las mezclas eutécticas.
- Cromo (cr), Níquel (En): En aceros inoxidables, estos elementos de aleación estabilizar la microestructura y puede influir en el comportamiento de fusión.
Por ejemplo, 304 El acero inoxidable se derrite en el rango de 1400-1450 ° C debido a su 18% CR y 8% Contenido de NI. - Cobre (Cu) y zinc (zinc): En latón, el Cu: La relación Zn dicta el rango de fusión. El mayor contenido de Zn reduce el punto de fusión y mejora la capacidad de fundición, pero puede afectar la fuerza.
Características microestructurales
La microestructura, especialmente el tamaño del grano y la distribución de fase, puede tener una influencia sutil pero impactante en el comportamiento de fusión de los metales:
- Tamaño de grano: Los granos más finos pueden reducir ligeramente el punto de fusión aparente debido al aumento del área límite de grano, que tiende a derretirse antes de los granos mismos.
- Segundas fases/inclusiones: Precipitados (p.ej., carburos, nitruros) e inclusiones no metálicas (p.ej., óxidos o sulfuros) puede derretirse o reaccionar a temperaturas más bajas,
causa licencia local y degradación de la integridad mecánica durante la soldadura o la falsificación.
Impurezas y elementos traza
Incluso pequeñas cantidades de impurezas, menos del 0.1%, pueden alterar el comportamiento de fusión de un metal:
- Azufre y fósforo en acero: Estos elementos forman eutécticas de bajo punto de fusión, cual debilitar los límites de grano y reducir la capacidad de trabajo en caliente.
- Oxígeno en titanio o aluminio: Impurezas intersticiales como O, norte, o H puede aconsejar el material y estrecha el rango de fusión, conduciendo a agrietarse en procesos de fundición o sinterización.
Efectos ambientales y de presión
El punto de fusión también es un función de condiciones externas, especialmente presión:
- Efectos de alta presión: El aumento de la presión externa generalmente aumenta el punto de fusión, A medida que se vuelve más difícil para los átomos superar la energía de la red.
Esto es particularmente relevante en estudios geofísicos y fusión de vacío.. - Aspirador o atmósferas controladas: Los metales como el titanio y el circonio se oxidan a altas temperaturas en el aire.
La fusión debe realizarse bajo vacío o gas inerte (argón) Para evitar la contaminación y mantener la pureza de aleación.
Estructura cristalina y enlace
La disposición atómica y la energía de unión dentro de la red de cristal son fundamentales para el comportamiento de fusión:
- Cúbico centrado en el cuerpo (BCC) Rieles: Hierro (fe), cromo (cr), y molibdeno (Mes) exhibir altos puntos de fusión debido a un fuerte embalaje atómico y mayores energías de unión.
- Cúbico centrado en la cara (FCC) Rieles: Aluminio (Alabama), cobre (Cu), y níquel (En) También muestran puntos de fusión significativos, pero son típicamente más bajos que los metales BCC de peso atómico similar.
- Hexagonal lleno (HCP): Metales como el titanio y el zinc se derriten a temperaturas más bajas de lo esperado debido al comportamiento de unión anisotrópica.
Tabla resumen: Factores y sus efectos típicos
| Factor | Efecto sobre el punto de fusión | Ejemplos |
|---|---|---|
| Contenido de carbono (en acero) | ↓ disminuye la temperatura de Solidus | El acero se derrite ~ 100 ° C más bajo que el hierro puro |
| Contenido de silicio | ↑ aumenta o ↓ disminuye dependiendo de la matriz/aleación | Las aleaciones de al-si se derriten más bajo que puro Al |
| Tamaño de grano | ↓ Los granos finos pueden reducir ligeramente el punto de fusión aparente | Las aleaciones de Ni de grano fino se derriten más uniformemente |
| Impurezas | ↓ promover liquación temprana y derretimiento localizado | S y P en acero reducen la trabajabilidad en caliente |
| Presión | ↑ La presión más alta aumenta el punto de fusión | Utilizado en procesos de sinterización de alta presión |
| Vínculo & Estructura cristalina | ↑ enlaces más fuertes = punto de fusión más alto | Mes > CU debido a una red más fuerte de BCC |
6. Técnicas y estándares de medición
Comprender los puntos de fusión de metales y aleaciones con alta precisión es fundamental en la ingeniería de materiales, especialmente para aplicaciones que involucran el lanzamiento, soldadura, forja, y diseño térmico.
Sin embargo, Medir puntos de fusión no es tan sencillo como parece, especialmente para aleaciones complejas que se derriten en un rango en lugar de un solo punto.
Esta sección explora las técnicas de medición más ampliamente aceptadas, Protocolos estándar, y consideraciones clave para datos confiables de punto de fusión.
Calorimetría diferencial de barrido (DSC)
La calorimetría de escaneo diferencial es uno de los métodos más precisos y ampliamente utilizados para determinar los puntos de fusión de metales y aleaciones.
- Principio de funcionamiento: DSC mide el flujo de calor requerido para aumentar la temperatura de una muestra en comparación con una referencia en condiciones controladas.
- Producción: El instrumento produce una curva que muestra una pico endotérmico en el punto de fusión. Para aleaciones, revela ambos solidus y líquido temperaturas.
- Aplicaciones: Comúnmente utilizado para aleaciones de aluminio, aleaciones de soldadura, metales preciosos, y materiales avanzados como aleaciones de memoria de forma.
Ejemplo: En una prueba DSC de una aleación al-si, el inicio de la fusión (solidus) ocurre a ~ 577 ° C, Mientras que la licuefacción completa (líquido) termina a ~ 615 ° C.
Análisis térmico a través de DTA y TGA
Análisis térmico diferencial (DTA)
DTA es similar a DSC pero se enfoca en diferencia de temperatura en lugar del flujo de calor.
- Utilizado ampliamente en investigación para estudiar Transformaciones de fase y reacciones de fusión.
- DTA sobresale en entornos que requieren rangos de temperatura más altos, tales como prueba de superiloys y cerámica.
Análisis termogravimétrico (TGA)
Aunque no se usa directamente para la determinación del punto de fusión, TGA ayuda a evaluar oxidación, descomposición, y evaporación que puede influir en el comportamiento de fusión a altas temperaturas.
Observación visual con hornos de alta temperatura
Para metales tradicionales como el acero, cobre, y titanio, El punto de fusión a menudo se observa visualmente usando pirometría óptica o hornos de microscopio a alta temperatura:
- Procedimiento: Una muestra se calienta en un horno controlado mientras se monitorea su superficie. La fusión se observa por el colapso de la superficie, mojada, o formación de cuentas.
- Exactitud: Menos preciso que DSC pero aún ampliamente utilizado en entornos industriales para control de calidad.
Nota: Este método sigue siendo estándar en las fundiciones a las cotizaciones donde se requiere un cribado de aleación rápida., especialmente para formulaciones personalizadas.
Estándares y protocolos de calibración
Para garantizar resultados consistentes y globalmente aceptados, Las pruebas de punto de fusión deben cumplir con estándares internacionales, incluido:
| Estándar | Descripción |
|---|---|
| ASTM E794 | Método de prueba estándar para la fusión y cristalización de materiales por análisis térmico |
| ASTM E1392 | Directrices para la calibración de DSC utilizando metales puros como el indio, zinc, y oro |
| ISO 11357 | Serie para el análisis térmico de polímeros y metales, Incluye métodos DSC |
| DE 51004 | Estándar alemán para determinar el comportamiento de fusión por DTA |
Calibración es esencial para resultados precisos:
- Metales de referencia puros con puntos de fusión conocidos (p.ej., indio: 156.6 °C, estaño: 231.9 °C, oro: 1064 °C) se utilizan para calibrar instrumentos de análisis térmico.
- La calibración debe realizarse periódicamente para corregir deriva y garantizar una precisión consistente, especialmente cuando se mide los materiales anteriores 1200 °C.
Desafíos prácticos en la medición de punto de fusión
Varios factores pueden complicar las pruebas de punto de fusión:
- Oxidación: Los metales como el aluminio y el magnesio se oxidan fácilmente a temperaturas elevadas, Afectando la transferencia y precisión del calor. Atmósferas protectores (p.ej., argón, nitrógeno) o las cámaras de vacío son esenciales.
- Muestra de homogeneidad: Las aleaciones no homogéneas pueden exhibir amplios rangos de fusión, requiriendo un muestreo cuidadoso y múltiples pruebas.
- Sobrecalentamiento o alquilar: En pruebas dinámicas, Las muestras pueden sobrepasar o El verdadero punto de fusión debido al retraso térmico o la mala conductividad térmica.
- Pequeños efectos de muestra: En materiales de metalurgia o nanoescala en polvo, El tamaño de partícula pequeño puede reducir los puntos de fusión debido al aumento de la energía superficial.
7. Procesamiento industrial y aplicaciones de datos de puntos de fusión
Esta sección explora cómo el comportamiento de fusión informa procesos y aplicaciones industriales clave, mientras destaca casos de uso específicos en las industrias modernas.
Formación de fundición y metal
Una de las aplicaciones más directas de los datos de puntos de fusión se encuentra en fundición de metales y Formando procesos, donde el temperatura de transición sólida a líquido determina los requisitos de calefacción, diseño de moldes, y estrategias de enfriamiento.
- Metales de baja fusión (p.ej., aluminio: ~ 660 ° C, zinc: ~ 420 ° C) son ideales para un alto volumen fundición a presión, ofreciendo tiempos de ciclo rápidos y bajos costos de energía.
- Materiales de alta fusión como acero (1425–1540 ° C) y titanio (1668 °C) requerir moldes refractarios y control térmico preciso Para evitar defectos de la superficie y rellenos incompletos.
Ejemplo: En el lanzamiento de la inversión de cuchillas de turbina hechas de Inconel 718 (~ 1350–1400 ° C), El control preciso de fusión y solidificación es crítico para lograr la integridad microestructural y la confiabilidad mecánica.
Soldadura y soldadura
La soldadura implica el derretimiento localizado de metal para crear fuerte, articulaciones permanentes. Los datos precisos del punto de fusión son esenciales para seleccionar:
- Metales de relleno que se derrite ligeramente debajo del metal base
- Temperaturas de soldadura Para prevenir el crecimiento del grano o las tensiones residuales
- Aleaciones de soldadura, como soldaduras a base de plata, que se derriten entre 600–800 ° C para unir componentes sin derretir la base
Conocimiento: Acero inoxidable (304) tiene un rango de fusión de ~ 1400–1450 ° C. En soldadura de tig, Esto informa la elección de proteger el gas. (argón/helio), barra de relleno, y niveles actuales.
Metalurgia de polvo y fabricación aditiva
Los puntos de fusión también rigen tecnologías de fabricación avanzada como metalurgia en polvo (P.M) y Fabricación aditiva de metal (SOY), dónde perfiles térmicos impactar directamente la calidad de la parte.
- En PM Sinterización, Los metales se calientan justo debajo de su punto de fusión (p.ej., hierro a ~ 1120-1180 ° C) unir las partículas a través de la difusión sin licuefacción.
- En fusión de lecho de polvo láser (LPBF), Los puntos de fusión determinan Configuración de potencia láser, velocidad de escaneo, y adhesión de capa.
Estudio de caso: Para TI-6Al-4V (rango de fusión: 1604–1660 ° C), La fabricación aditiva requiere precalentamiento controlado para reducir las tensiones residuales y evitar la deformación.
Diseño de componentes de alta temperatura
En sectores de alto rendimiento como aeroespacial, generación de energía, y procesamiento químico, Los componentes deben mantener la resistencia mecánica a temperaturas elevadas.
De este modo, El punto de fusión sirve como umbral de detección Para la selección de materiales.
- Superalloys basados en níquel (p.ej., Inconel, Hastelloy) se utilizan en cuchillas de turbina y motores a reacción debido a sus altos rangos de derretimiento (1300–1400 ° C) y resistencia a la fluencia.
- Metales refractarios como tungsteno (punto de fusión: 3422 °C) se emplean en componentes orientados al plasma y elementos de calefacción del horno.
Nota de seguridad: Siempre diseñar con un margen de seguridad Debajo del punto de fusión del material para evitar el ablandamiento térmico, inestabilidad de fase, o falla estructural.
Reciclaje y procesamiento secundario
En operaciones de reciclaje, el El punto de fusión proporciona un parámetro crítico para separar, recuperante, y reprocesamiento de metales valiosos:
- Aleaciones de aluminio y zinc, con sus puntos de fusión relativamente bajos, son ideales para la remelulación y la remanufactura de eficiencia energética.
- Sistemas de clasificación puede usar el perfil térmico para segregar chatarra de metal mixto basado en comportamientos de fusión distintos.
Aplicaciones especiales: Soldadura, Aleaciones fusibles, y fusibles térmicos
Algunas aplicaciones explotan Puntos de fusión bajos controlados con precisión para diseño funcional:
- Aleaciones de soldadura (p.ej., SN-PB Eutectic en 183 °C) se eligen para la electrónica debido a sus agudos puntos de fusión, Minimizar el estrés térmico en las placas de circuito.
- Aleaciones fusibles como el metal de la madera (~ 70 ° C) o el metal de Field (~ 62 ° C) servir cortes térmicos, válvulas de seguridad, y actuadores sensibles a la temperatura.
8. Conclusión
Los puntos de fusión no son solo una cuestión de termodinámica: influyen directamente en cómo se diseñan metales y aleaciones, procesado, y aplicado en configuraciones del mundo real.
Desde la investigación fundamental hasta la fabricación práctica, Comprender el comportamiento de fusión es esencial para garantizar fiabilidad, eficiencia, y innovación.
A medida que las industrias presionan por materiales más avanzados en entornos extremos, La capacidad de manipular y medir el comportamiento de fusión con precisión seguirá siendo una piedra angular de la ingeniería de materiales y la ciencia termofísica.
