نقطه ذوب مس & آلیاژهای مس

1. مقدمه

مس در بین متنوع ترین فلزات بشریت قرار دارد, به لطف هدایت الکتریکی استثنایی آن, مقاومت در برابر خوردگی, و شکل پذیری.

علاوه بر این, دانشمندان و مهندسان برای طراحی اجزای مختلف از سیم کشی برقی گرفته تا مبدل های حرارتی به رفتار حرارتی مس تکیه می کنند.

در نتیجه, درک نقطه ذوب مس در هر دو کاربرد متالورژی و صنعتی ضروری می شود.

2. تعریف و اهمیت نقطه ذوب

این نقطه ذوب دما را نشان می دهد که در آن یک ماده جامد در شرایط تعادل به یک مایع منتقل می شود.

در عمل, این تعادل بین نیروهای پیوند فاز جامد و تحریک حرارتی است.

بنابراین, متالورژیستها از نقطه ذوب به عنوان معیار برای انتخاب مواد استفاده می کنند, طراحی کوره ها, و کنترل فرآیندهای ریخته گری.

3. نقطه ذوب مس

مس خالص تقریباً ذوب می شود 1,085درجه سانتی گراد (1,984درجه فارنهایت).

در این دما, انتقال مس از یک جامد به یک مایع, اجازه دادن به آن, پیوسته, یا آلیاژ شده. به شکل جامد آن, مس دارای مکعب وسط صورت (FCC) ساختار

4. چشم انداز سطح ترمودینامیکی و اتمی

در مقیاس اتمی, نقطه ذوب قابل توجهی مس از آن ناشی می شود پیوند فلزی- دریای الکترونهای جدا شده که یونهای با بار مثبت را می چسباند.

پیکربندی الکترون آن, [آر] 3D & ⁰4s, در هر اتم یک الکترون هدایت را تأمین می کند, که نه تنها زیربنایی الکتریکی را زیر پا می گذارد بلکه انسجام متقابل را تقویت می کند.

• آنتالپی فیوژن: ~ 13 kJ/mol
• گرمای نهان ذوب: ~ 205 کیلوگرم در کیلوگرم

این مقادیر انرژی مورد نیاز برای شکستن پیوندهای فلزی در هنگام ذوب را کم می کنند.

علاوه بر این, توده اتمی نسبتاً زیاد مس (63.55 امو) و شبکه متراکم FCC (12 نزدیکترین همسایگان) انرژی پیوند و پایداری حرارتی خود را بالا ببرید.

5. عوامل مؤثر بر نقطه ذوب مس

چندین پارامتر کلیدی رفتار ذوب مس را تغییر می دهد, غالباً با تغییر دمای انتقال جامد به - مایع آن توسط ده ها درجه سانتیگراد.

درک این متغیرها مدیریت حرارتی دقیق را در هر دو فرآیند مس خالص و تولید آلیاژ امکان پذیر می کند.

عناصر آلیاژ و ناخالصی ها

• روی و قلع: معرفی 10-40 WT % روی برنج دامنه ذوب را تقریباً 900-940 درجه سانتیگراد کاهش می دهد. به همین ترتیب, 5–15 WT % SN با فاصله ذوب 950-1000 درجه سانتیگراد برنز تولید می کند.
• نقره و فسفر: حتی ردیابی نقره (≤1 WT %) می تواند مایع مس را با 5-10 درجه سانتیگراد بالا ببرد, در حالی که فسفر در 0.1 دنباله % نقطه ذوب را کمی کاهش داده و سیالیت را بهبود می بخشد.
• اکسیژن و گوگرد: اکسیژن حل شده اجزاء Cu₂o را در بالا شکل می دهد 1,000 درجه سانتی گراد, ایجاد افسردگی نقطه ذوب موضعی.
  در ضمن, آلودگی گوگرد به همان اندازه 0.02 دنباله % منجر به آغشته سازی می شود و در مرزهای دانه ، اوتکتیک های کم رنگ ایجاد می کند.

اندازه دانه و ساختار

• خوب در مقابل. غلات درشت: مس دانه ریز دارای یک شروع ذوب حاشیه ای بالاتر است - از نظر معمول 2-5 درجه سانتیگراد بالاتر.
• سخت شدن بارش: در آلیاژهای مانند مس -, رسوبات مزارع کرنش محلی را معرفی می کنند که می توانند ذوب را تا حداکثر افزایش دهند 8 درجه سانتی گراد, بسته به کسری حجم رسوب.

نقص شبکه کریستال

• جای خالی و جابجایی: غلظت بالای جای خالی (>10کسر اتمی) تحریف مشبک را معرفی کنید, پایین آمدن نقطه ذوب با 3-7 درجه سانتیگراد.
• سخت کاری: مس سرد با سردی حاوی جابجایی های درهم و برهم است که باعث کاهش انرژی منسجم می شود, از این رو ذوب شدن افسرده در حدود 4 درجه سانتیگراد در مقایسه با مس آنیل شده.

اثرات فشار

• رابطه کلاژیررون: افزایش فشار دمای ذوب را با سرعت تقریباً افزایش می دهد +3 k در هر 100 MPa.
  اگرچه ذوب صنعتی به ندرت از فشار محیط فراتر می رود, آزمایش های فشار بالا این شیب قابل پیش بینی را تأیید می کند.

تاریخچه حرارتی و شرایط سطح

• از پیش گرم کردن: قبل از گرم شدن آهسته تا 400-600 درجه سانتیگراد می تواند از اکسیدها و رطوبت سطح خارج شود, جلوگیری از افسردگی نقطه ذوب زودرس.
• روکش سطحی: شارهای محافظ (به عنوان مثال, مبتنی بر بوراکس) سدی را تشکیل دهید که سطح آن را تثبیت کند و نقطه ذوب واقعی را در هنگام پردازش در فضای باز حفظ کند.

6. نقطه ذوب آلیاژهای مس

در زیر یک لیست جامع از نقاط ذوب برای طیف وسیعی از آلیاژهای مس رایج آورده شده است.

این مقادیر مربوط به دمای مایع معمولی است; آلیاژها اغلب در یک محدوده محکم می شوند (جامد → مایع) که ما در اینجا به عنوان یک فاصله تقریبی ذوب نقل می کنیم.

نام آلیاژ / ایالات متحده	ترکیب (وزنی ٪)	دامنه ذوب (درجه سانتی گراد)
C10200 (ECD)	99.90cu	1 083-1085
C11000 (انتخابی با)	99.90cu	1 083-1085
C23000 (برنج زرد)	~ 67cu - 33zn	900 –920
C26000 (کارتریج برنجی)	70cu ~ - 30Zn	920 –940
C36000 (برنج رایگان -)	~ 61cu -38zn -1pb	920 –940
C46400 (نیروی دریایی برنج)	~ 60cu -39n -1sn	910 –960
C51000 (فسفر برنز)	~ 95CU -5SN	1 000-1050
C52100 (phos با ارتفاع زیاد. برنز)	~ 94CU -6SN	1 000-1050
C61400 (آلومینیوم برنز)	~ 82CU -10al -8fe	1 015-1035
C95400 (آلومینیوم برنز)	79CU-10AL-6NI-3O	1 020-1045
C83600 (برنج قرمز رهبری)	~ 84CU -6SN -5PB -5NZ	890 –940
C90500 (فلز اسلحه)	~ 88cu -10sn -2n	900 –950
C93200 (سیلیکون برنز)	95 پوند.	1 000-1050
C70600 (90–10 cupronickel)	90 با -10ni	1 050–1150
C71500 (70–30 cupronickel)	70 با -30ni	1 200-1300
C17200 (مس بریلیم)	~ 97cu -2be -11co	865 –1000

7. تغییر نقطه ذوب در آلیاژهای مس

رفتار ذوب مس به محض ورود عناصر آلیاژ به شبکه تغییر می کند.

در عمل, متالورژیست ها از این تغییرات برای تنظیم دمای ریخته گری سوءاستفاده می کنند, سیالیت, و عملکرد مکانیکی.

تأثیر عناصر آلیاژ

• روی (روی):
  اضافه کردن 10-40 WT % روی برای تشکیل برنج ، دامنه ذوب را تقریباً پایین می آورد 900-940 درجه سانتیگراد, با تشکر از eutectic cu -Zn در 39 پوند % روی (ذوب در 900 درجه سانتیگراد).
  برنج های روی بالا (بالا 35 % روی) شروع به نزدیک شدن به آن ترکیب eutectic, نشان دادن فاصله ذوب باریک تر و سیالیت برتر.
• قلع (Sn):
  معرفی 5-15 WT % SN برنز با فاصله ذوب از 950-1000 درجه سانتیگراد.
  اینجا, نمودار فاز مس -SN یک eutectic در 8 پوند وزن نشان می دهد % Sn (875 درجه سانتیگراد), اما ترکیبات برنز عملی بالاتر از آن است, فشار دادن مایع به نزدیک 1,000 ° C برای اطمینان از استحکام کافی.
• نیکل (در):
  در cupronickels (10–30 WT % در), مایعات از صعود از 1,050 درجه سانتی گراد (برای 10 % در) تا 1,200 درجه سانتی گراد (برای 30 % در).
  میل شدید نیکل برای مس انرژی پیوند را بالا می برد و هم Solidus و هم Liquidus را به سمت بالا تغییر می دهد.
• آلومینیوم (ال):
  برنزهای آلومینیومی (5-11 WT % ال) ذوب شدن 1,020-1،050 درجه سانتیگراد.
  نمودار فاز آنها مراحل پیچیده بین فلزی را نشان می دهد; یک eutectic اولیه در اطراف 10 % AL در دمای 1،010 پوند رخ می دهد, اما آلیاژهای بالاتر به درجه حرارت بالا نیاز دارند 1,040 درجه سانتیگراد به طور کامل مایع.
• بریلیم (بودن):
  حتی اضافات کوچک (~ 2 WT %) از فاصله ذوب شدن به 865-1000 درجه سانتیگراد با ترویج یک eutectic دما کم در نزدیکی 2 % بودن (780 درجه سانتیگراد).
  این کار دقیق را تسهیل می کند اما نیاز به کنترل دقیق سلامت و ایمنی در هنگام ذوب است.

اثرات اتمامیک و جامد -

• سیستم های بیرونی: آلیاژهای موجود در ترکیبات eutectic یا در نزدیکی یک واحد جامد می شوند, دمای تیز - ادیله برای ریخته گری یا ریخته گری های دیواری نازک.
  به عنوان مثال, یک آلیاژ مس -زین در 39 % روی در 900 درجه سانتی گراد, حداکثر سیالیت.
• راه حل های جامد: آلیاژهای فرعی یا هیپوتکتیک دارای دامنه ذوب هستند (جامد تا مایع).
  دامنه های وسیع تر می تواند باعث ایجاد مناطق "قارچ" در هنگام جامد شود, خطر جدایی و تخلخل. در مقابل, آلیاژهای بیش از حد eTectic ممکن است در هنگام خنک کننده ، بین فلزی شکننده ایجاد کنند.

8. ارتباط صنعتی نقطه ذوب مس

نقطه ذوب مس از 1 085 درجه سانتی گراد (1 984 درجه فارنهایت) در تقریباً هر عملیات در مقیاس بزرگ که سنگ معدن را به اجزای تمام شده تبدیل می کند ، نقش مهمی ایفا می کند.

در عمل, تولید کنندگان از این خاصیت برای بهینه سازی مصرف انرژی استفاده می کنند, کنترل کیفیت محصول, و زباله ها را به حداقل برسانید.

ذوب و پالایش

ریخته گری ها و ذوب آهن ها به طور معمول کنسانتره مس را گرم می کنند 1 200–1 300 درجه سانتی گراد, بیش از نقطه ذوب فلز برای اطمینان از جداسازی کامل سرباره.

با حفظ کوره تقریباً 1 100 درجه سانتی گراد, اپراتورها تلفات اکسیداسیون را کاهش می دهند: فرآیندهای کنترل شده به خوبی می توانند شکل گیری dross را از 4 % پایین به زیر 1 %.

علاوه بر این, گیاهان الکترورفین با حل کردن آنگه های نجس در محلول های اسیدی ، بازسازی مجدد را دور می زنند, با این حال ، آنها هنوز هم به ذوب های اولیه بستگی دارند تا صفحات با امنیت بالا را ریخته و.

ریخته گری و تولید آلیاژ

هنگام تولید برنج, برنز, یا برنز آلومینیومی, تکنسین ها دمای ذوب را دقیقاً بالاتر از هر آلیاژ قرار می دهند مایع.

به عنوان مثال, 70/30 برنجی در حدود ذوب می شود 920 درجه سانتی گراد, در حالی که 6 % برنز آلومینیوم نیاز دارد 1 040 درجه سانتی گراد.

با نگه داشتن حمام در یک باریک 5 درجه سانتیگراد پنجره, آنها به نفوذ کامل قالب می رسند, تخلخل را تا حداکثر کاهش دهید 30 %, و از شیمی آلیاژ مداوم اطمینان حاصل کنید.

کنترل جو و مدیریت اکسیداسیون

زیرا مس مذاب با اکسیژن به شدت واکنش نشان می دهد, بسیاری کفن آرگون یا نیتروژن.

این محیط های بی اثر باعث کاهش تلفات اکسیداسیون از 2 % (هوا) به زیر 0.5 %, در نتیجه بهبود سطح سطح و هدایت الکتریکی برای اجزای مهم مانند میله های اتوبوس و اتصالات.

بازیافت و بهره وری انرژی

بازیافت قراضه مس مصرف می کند تا 85 % انرژی کمتری از تولید اولیه.

با این حال, قراضه آلیاژ مخلوط اغلب حاوی برنج و برنز با نقاط مایع از آن است 900 ° C تا 1 050 درجه سانتی گراد.

سیستم های ذوب قراضه مدرن از مشعلهای احیا کننده و بازیابی گرمای زباله استفاده می کنند, پیرایش استفاده از انرژی کلی توسط 15-20 %.

در نتیجه, مس ثانویه اکنون در این زمینه نقش دارد 30 % از عرضه جهانی, ناشی از صرفه جویی در هزینه و مزایای زیست محیطی.

9. برنامه هایی که نیاز به کنترل ذوب دقیق دارند

برخی فرآیندهای تولیدی نیاز به تنظیم دمای فوق العاده محکم در اطراف نقطه ذوب مس برای تضمین کیفیت, عملکرد, و تکرارپذیری.

در زیر, ما سه برنامه اصلی را که به کنترل ذوب دقیق وابسته است ، بررسی می کنیم.

ریخته گری سرمایه گذاری

در ریخته گری سرمایه گذاری, ریخته گری ها دمای ذوب را در درون خود حفظ می کنند 5 درجه سانتیگراد از مایع آلیاژ برای اطمینان از پر شدن قالب صاف و به حداقل رساندن تخلخل.

به عنوان مثال, هنگام ریختن یک پروانه فسفر - برنز (مایع ~ 1000 ° 100), اپراتورها به طور معمول حمام را در نگه می دارند 1,005 درجه سانتی گراد.

با این کار, آنها بدون گرمای بیش از حد به نفوذ کامل قالب می رسند, که در غیر این صورت دقت بعدی را تخریب می کند و شکل گیری dross را افزایش می دهد.

تولید مس با امنیت بالا برای مصارف الکتریکی

تولید کنندگان مس درجه برقی (≥ 99.99 % مس) ذوب را در زیر خلاء یا گاز بی اثر انجام دهید, کنترل دما تا درون ± 2 درجه سانتیگراد از 1,083 درجه سانتی گراد.

این کنترل دقیق از گرفتاری گاز و آلودگی جلوگیری می کند, هر دوی آنها هدایت را به خطر می اندازند.

علاوه بر این, مدیریت حرارتی محکم در خطوط ریخته گری مداوم ، ساختارهای دانه ریز را به همراه دارد که باعث افزایش بیشتر عملکرد الکتریکی و کاهش مقاومت در زیر می شود 1.67 μΩ·cm.

تولید افزودنی و رسوب نازک -

در فیوژن پودر لیزر (LPBF) از آلیاژهای مس, مهندسان قدرت لیزر و سرعت اسکن را برای تولید استخرهای ذوب بومی شده در اطراف تنظیم می کنند 1,100 – 1,150 درجه سانتی گراد.

پروفایل حرارتی دقیق - که اغلب در زمان واقعی با پیرومترها کنترل می شود., تخلخل, و نقص سوراخ کلید.

به همین ترتیب, در رسوب بخار فیزیکی (پی وی پی) از فیلم های مس, دمای قابل حمل باید در درون بماند ± 1 درجه سانتیگراد از نقطه تنظیم تبخیر (به طور معمول 1,300 درجه سانتی گراد) برای کنترل نرخ رسوب و یکنواختی فیلم به دقت نانومتر.

10. مقایسه با فلزات دیگر

مقایسه نقطه ذوب مس با طیف وسیع تری از فلزات ، بیشتر توضیح می دهد که چگونه ساختار اتمی و انرژیهای پیوند دهنده رفتار حرارتی را دیکته می کنند - و به مهندسان کمک می کند تا مواد مناسب را انتخاب کنند.

نقاط ذوب و انرژی پیوند

فلز	نقطه ذوب (درجه سانتی گراد)	انرژی پیوند (KJ/Mol)	ساختار کریستالی
منیزیم	650	75	HCP
روی	420	115	HCP
سرب	327	94	FCC
آلومینیوم	660	106	FCC
نقره ای	961	216	FCC
طلا	1 064	226	FCC
مس	1 085	201	FCC
کبالت	1 495	243	HCP (α -چه)
نیکل	1 455	273	FCC
تیتانیوم	1 668	243	HCP (α -you)
آهن	1 538	272	BCC (δ -), FCC (γ -)
پلاتین	1 768	315	FCC
تنگستن	3 422	820	BCC

پیامدهای طراحی آلیاژ

• انرژی و هزینه: فلزات مانند مس تعادل بین دمای ذوب معقول دارند (اطراف 1 085 درجه سانتی گراد) و خواص مکانیکی قوی.
  در مقابل, پردازش تنگستن یا پلاتین به تجهیزات تخصصی دما و انرژی بیشتر نیاز دارد.
• پیوستن و قابلیت بازیگری: هنگام ترکیب فلزات متفاوت, مانند مس با تیتانیوم,
  مهندسان پرکننده ها را با نقاط ذوب زیر فلز دما -دما پایین تر انتخاب می کنند تا از آسیب های پایه جلوگیری کنند.
• تنظیم عملکرد: طراحان آلیاژ این روند ذوب و پیوند را به مواد مهندسی که در شرایط حرارتی خاص انجام می دهند ، استفاده می کنند,
  این که آیا آنها به یک آلیاژ با دما -درجه حرارت پایین نیاز دارند یا یک سوپر آلیاوی دما بالا.

11. نتیجه گیری

نقطه ذوب آلیاژهای مس و مس تعادل بین پیوند فلزی قوی و الزامات حرارتی قابل اجرا را نشان می دهد.

مهندسان در ذوب شدن به عملکرد بهینه دست می یابند, ریخته گری, و تولید پیشرفته با کنترل ناخالصی ها, عناصر آلیاژ, و پارامترهای پردازش.

همانطور که صنایع در تلاش برای بهره وری بیشتر انرژی و پایداری مواد هستند, درک کاملی از رفتار ذوب مس ، پایه و اساس مهمی برای نوآوری است.

 

سوالات متداول

نقطه ذوب مس چگونه اندازه گیری می شود?

آزمایشگاه ها نقطه ذوب مس را با استفاده از کالری سنجی اسکن دیفرانسیل تعیین می کنند (DSC) یا یک کوره دما با دما مجهز به ترموکوپل های کالیبره شده.

این روش ها نمونه های گرما با نرخ کنترل شده (به طور معمول 5-10 درجه سانتیگراد در دقیقه) و شروع انتقال جامد - به - مایع را ثبت کنید.

چه ناخالصی ها به شدت بر نقطه ذوب مس تأثیر می گذارد?

روی و قلع مایع مس به طور قابل توجهی پایین تر است (تا 900-940 درجه سانتیگراد در برنج و 950-1000 درجه سانتیگراد در برنز). برعکس, ردیابی نقره می تواند آن را با 5-10 درجه سانتیگراد بالا ببرد.

اکسیژن و گوگرد اغلب اکسیدهای کم رنگ یا سولفیدها را تشکیل می دهند, باعث افسردگی های نقطه ذوب موضعی.