آلومینیوم, به عنوان یک سبک وزن, مقاوم در برابر خوردگی, و فلز غیر آهنی بسیار چکش خوار, نقشی بی بدیل در هوافضا ایفا می کند, تولید خودرو, الکترونیک, و صنایع ساختمانی.
نقطه ذوب آلومینیوم - به عنوان دمایی که در آن آلومینیوم از حالت جامد به حالت مایع تحت فشار استاندارد اتمسفر تبدیل می شود - یک خاصیت ترموفیزیکی اساسی است که بر پردازش آن حاکم است., طراحی آلیاژ, و کاربرد صنعتی.
1. خواص فیزیکی آلومینیوم خالص - داده های کلیدی نقطه ذوب
| اموال | ارزش (وت) | ارزش (امپراتوری) | یادداشت ها |
| نقطه ذوب (تعادل, 1 دستگاه خودپرداز) | 660.32 درجه سانتی گراد (933.47 ک) | 1220.58 درجه فارنهایت | دمای مرجع استاندارد برای خالص (99.999%) ال. |
| دمای ترمودینامیکی | 933.47 ک | - | معادل دمای مطلق. |
| گرمای نهان همجوشی | 397 kJ·kg-1 | ± 170.68 BTU·lb⁻1 | انرژی مورد نیاز برای ذوب شدن 1 کلوت (یا 1 پوند) در نقطه ذوب. |
گرمای خاص (جامد, تقریبا, نزدیک 25 درجه سانتی گراد) |
897 j · kg⁻⁻ · k⁻⁻ | ± 0.2143 BTU·lb-1·°F-1 | از cp وابسته به دما برای محاسبات دقیق گرما استفاده کنید. |
| تراکم (جامد, ~20 درجه سانتی گراد) | 2,700 kg·m³ | ± 168.6 پوند · فوت ³ | چگالی مایع کمی کمتر است و به دما بستگی دارد. |
| نقطه جوش (جوی) | ± 2,470 درجه سانتی گراد | ± 4,478 درجه فارنهایت | کران بالای مفید برای پردازش در دمای بالا. |
2. عوامل کلیدی موثر بر نقطه ذوب آلومینیوم
اگرچه آلومینیوم خالص در ذوب می شود 660.32 درجه سانتی گراد, بسیاری از عوامل عملی رفتار موثر ذوب/انجماد را تغییر می دهند:
شیمی آلیاژ - جامد و مایع
آلیاژهای آلومینیوم انجام می دهند نه دارای یک نقطه ذوب واحد. آنها یک مایع (دمایی که بالاتر از آن کاملاً مایع است) و الف جامد (دمایی که زیر آن کاملاً جامد است).
حضور عناصر آلیاژ (و, Mg, مس, روی, Fe, و غیره) این مرزها را تغییر می دهد و اغلب یک محدوده ذوب ایجاد می کند (منطقه گل آلود) با پیامدهای بازیگری مهم.
- یوتکتیک: برخی از سیستم های آلیاژی دارای ترکیبات یوتکتیک هستند که در دما ذوب می شوند زیر که از آل خالص (مثال: یوتکتیک Al-Si در ≈ 577 درجه سانتی گراد برای ~ 12.6 درصد وزنی Si).
- اثر عملی: آلیاژهایی با دامنه انجماد گسترده بیشتر در معرض پارگی داغ هستند, تخلخل انقباض و تفکیک.
ناخالصی ها و عناصر ولگرد
ردیابی آلودگی (به عنوان مثال, پب, دو, مس از قراضه مخلوط) می تواند فازهای ذوب کم یا بین فلزات شکننده ایجاد کند, باعث ایجاد ناهنجاری های ذوب موضعی و تغییر مسیر انجماد می شود; این در عملیات بازیافت بسیار مهم است.
فشار
دمای ذوب به فشار بستگی دارد (رابطه کلاپیرون); از نظر صنعتی این اثر ناچیز است زیرا ذوب در فشار اتمسفر انجام می شود.
تصفیه کننده غلات و تلقیح
پالایشگرهای دانه شیمیایی به خودی خود نقطه ذوب را تغییر نمی دهند, اما بر رفتار هستهزایی در طول انجماد تأثیر میگذارند (سرد کردن, تعداد هسته ها), بنابراین مسیر عملی انجماد و ریزساختار تغییر می کند.
پدیده های سطحی و فیلم های اکسیدی
آلومینیوم یک فیلم آلومینا پایدار را تشکیل می دهد (Al2O3) روی سطح. در حالی که اکسید دمای مذاب حجیم را تغییر نمی دهد, انتقال حرارت در سطح را تحت تأثیر قرار می دهد, رفتار تفاله و رفتار توقف حرارتی شناسایی شده با روش های تماسی/پیرومتریک.
3. محدوده ذوب آلیاژهای آلومینیوم رایج
در زیر دو مختصر آمده است, نمایش جداول حرفه ای ذوب معمولی (جامد → مایع) دامنه برای مشترک ساخته شده (جعل) آلیاژهای آلومینیوم و ریخته گری آلیاژهای آلومینیوم.
مهم است: این ارقام نشان دهنده محدوده های معمولی هستند که برای برنامه ریزی فرآیند و انتخاب مواد استفاده می شوند.
فرفورژه معمولی / آهنگری آلیاژهای آلومینیوم - محدوده ذوب معمولی
| نمره آلیاژ | دامنه ذوب (درجه سانتی گراد) | دامنه ذوب (درجه فارنهایت) | دامنه ذوب (ک) | نکات فنی |
| 1050 / 1100 (خالص تجاری آل) | ~660.3 - 660.3 | ~1220.6 - 1220.6 | ~933.5 - 933.5 | ذوب تقریباً تک نقطه ای به دلیل خلوص بسیار بالا. |
| 2024 (الکو) | ~ 500 - 638 | ~932 – 1180 | ~773 – 911 | محدوده انجماد گسترده; حساس به ذوب اولیه. |
| 2014 (الکو) | ~ 500 - 638 | ~932 – 1180 | ~773 – 911 | شبیه به 2024; محتوای مس بیشتر بر کارایی گرم تأثیر می گذارد. |
| 5083 (Al-Mg) | ~570 - 640 | ~ 1058 - 1184 | ~843 – 913 | دامنه ذوب بالا به دلیل منیزیم; مقاومت در برابر خوردگی عالی. |
| 5454 (Al-Mg) | ~595 - 645 | ~1103 - 1193 | ~868 – 918 | اغلب در مخازن تحت فشار و مخازن استفاده می شود. |
6061 (Al–Mg–Si) |
~555 - 650 | ~ 1031 - 1202 | ~828 - 923 | آلیاژ ساختاری به طور گسترده استفاده می شود; محدوده ذوب برای عملیات حرارتی حیاتی است. |
| 6082 (Al–Mg–Si) | ~555 - 650 | ~ 1031 - 1202 | ~828 - 923 | نسخه با قدرت بالاتر از سری 6xxx. |
| 7075 (Al–Zn–Mg–Cu) | ~477 - 635 | ~891 – 1175 | ~750 - 908 | محدوده ذوب بسیار گسترده; مستعد ذوب موضعی. |
| 3003 (المن) | ~640 - 660 | ~1184 - 1220 | ~ 913 - 933 | رفتار ذوب نزدیک به آلومینیوم خالص. |
آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری معمول - محدوده ذوب معمولی
| نمره آلیاژ | دامنه ذوب (درجه سانتی گراد) | دامنه ذوب (درجه فارنهایت) | دامنه ذوب (ک) | نکات فنی |
| یوتکتیک آل سی (~ 12.6٪ بله) | ~577 - 577 | ~ 1070.6 - 1070.6 | ~850.1 - 850.1 | ترکیب یوتکتیک با نقطه ذوب تیز. |
| A356 / AlSi7Mg | ~558 - 613 | ~ 1036 - 1135 | ~831 – 886 | ریخته گری عالی و قابلیت عملیات حرارتی. |
| A357 (A356 اصلاح شده) | ~555 - 605 | ~ 1031 - 1121 | ~828 - 878 | استحکام و مقاومت در برابر خستگی بهبود یافته است. |
| A380 (ال-سی-کو) | ~515 - 585 | ~959 - 1085 | ~788 – 858 | آلیاژ ریخته گری استاندارد با دمای مایع پایین. |
319 (ال-سی-کو) |
~525 - 605 | ~ 977 - 1121 | ~798 – 878 | تعادل خوبی از قابلیت ریخته گری و استحکام مکانیکی. |
| ADC12 (آلیاژ ریخته گری JIS) | ~ 500 - 580 | ~932 – 1076 | ~773 – 853 | آلیاژ ریخته گری به طور گسترده استفاده می شود; کنترل ناخالصی بسیار مهم است. |
| alsi9cu3(Fe) | ~510 - 600 | ~950 - 1112 | ~783 – 873 | آلیاژ ریخته گری همه کاره برای هندسه های پیچیده. |
| A413 (آلیاژ سیلیکون بالا) | ~560 - 620 | ~ 1040 - 1148 | ~833 – 893 | مناسب برای ریخته گری در دمای بالا و فشار محکم. |
3. روشهای اندازهگیری دقیق نقطه ذوب آلومینیوم
اندازهگیری دقیق نقطه ذوب آلومینیوم برای توصیف مواد و بهینهسازی فرآیند حیاتی است.
روشهای متداول شامل:
کالریمتری اسکن تفاضلی (DSC)
DSC به دلیل دقت و حساسیت بالا پرکاربردترین روش برای اندازه گیری نقطه ذوب فلزات است..
اصل شامل گرم کردن یک نمونه کوچک آلومینیومی است (5– 10 میلی گرم) و یک ماده مرجع (بی جان, به عنوان مثال, آلومینا) با نرخ ثابت (5– 10℃ در دقیقه) در حالی که اختلاف جریان گرما بین آنها را نظارت می کند.
نقطه ذوب به عنوان دمای شروع پیک گرماگیر تعیین می شود (مربوط به فرآیند همجوشی).
DSC می تواند نقاط ذوب را با دقت ± 0.1 ℃ اندازه گیری کند, آن را برای تجزیه و تحلیل آلومینیوم و آلیاژ با خلوص بالا مناسب می کند.
روش مشاهده بصری (روش لوله مویرگی)
این روش سنتی شامل آب بندی مقدار کمی پودر آلومینیوم در یک لوله مویرگی است, که در کنار یک دماسنج در حمام گرمایش گرم می شود (به عنوان مثال, روغن سیلیکون).
نقطه ذوب زمانی ثبت می شود که پودر آلومینیوم کاملاً به مایع تبدیل شود. در حالی که ساده و کم هزینه است, این روش دقت کمتری دارد (± 1-2 ℃) و در درجه اول برای تجزیه و تحلیل کیفی یا کاربردهای با دقت پایین استفاده می شود.
روش ذوب فلاش لیزری
برای اندازه گیری نقطه ذوب فشار بالا و دمای بالا, از روش فلاش لیزری استفاده شده است.
لیزر پالسی به سرعت سطح یک نمونه آلومینیومی را گرم می کند, و فرآیند ذوب توسط حسگرهای نوری نظارت می شود (به عنوان مثال, پیرومترها, تداخل سنج ها).
این روش می تواند نقاط ذوب را تحت فشارهای شدید اندازه گیری کند (تا 10 GPa) با وضوح زمانی بالا, ارائه داده ها برای کاربردهای هوافضا و هسته ای.
روش مقاومت الکتریکی
مقاومت الکتریکی آلومینیوم در طول ذوب به طور قابل توجهی تغییر می کند (آلومینیوم مایع به دلیل اختلال در هدایت الکترون، مقاومت بالاتری نسبت به آلومینیوم جامد دارد).
با اندازه گیری مقاومت یک سیم آلومینیومی هنگام گرم شدن, نقطه ذوب به عنوان دمایی که در آن مقاومت افزایش ناگهانی را نشان می دهد، شناسایی می شود.
این روش برای نظارت در محل در طول فرآیندهای صنعتی مناسب است (به عنوان مثال, جوشکاری, ریخته گری).
4. مفاهیم صنعتی نقطه ذوب آلومینیوم
نقطه ذوب متوسط آلومینیوم یک عامل کلیدی است که کاربرد صنعتی گسترده آن را هدایت می کند, زیرا قابلیت پردازش و عملکرد را متعادل می کند:
فرآیندهای ریخته گری
نقطه ذوب آلومینیوم (660℃) به طور قابل توجهی کمتر از فلزات آهنی است, امکان ریخته گری با انرژی کارآمد:
- دایکستینگ: آلیاژهای یوتکتیک Al-Si (محدوده ذوب 577-600 ℃) به طور گسترده در ریخته گری استفاده می شود, زیرا دمای ذوب پایین آنها باعث کاهش سایش قالب و مصرف انرژی می شود, امکان تولید قطعات پیچیده با حجم بالا را فراهم می کند (به عنوان مثال, قطعات موتور اتومبیل, محفظه های الکترونیکی).
- ریخته گری شن و ماسه: آلومینیوم خالص و آلومینیوم کم آلیاژ در قالب های ماسه ریخته گری می شوند, با دمای ریختن معمولاً 50 تا 100 درجه بالاتر از دمای مایع (700-750 ℃) برای اطمینان از پر شدن کامل حفره قالب.
عملیات حرارتی و جوشکاری
- عملیات حرارتی: نقطه ذوب آلومینیوم حداکثر دمای فرآیندهای عملیات حرارتی را محدود می کند.
به عنوان مثال, عملیات حرارتی محلول آلیاژهای سری 6xxx در دمای 530-570 درجه سانتیگراد انجام می شود - بسیار کمتر از دمای جامدوس (580℃)- برای جلوگیری از ذوب جزئی (سوزاندن) از آلیاژ. - جوشکاری: جوشکاری آلومینیوم به منابع گرمایی نیاز دارد که به سرعت به نقطه ذوب برسد و در عین حال اعوجاج حرارتی را به حداقل برساند..
روش های رایج عبارتند از جوشکاری TIG (دمای قوس ~6000℃) و جوشکاری MIG, با دمای جوش کنترل شده در 660-700 درجه سانتیگراد برای اطمینان از همجوشی فلز پایه بدون رشد بیش از حد دانه.
برنامه های کاربردی در دمای بالا
نقطه ذوب آلومینیوم محدودیت هایی را برای استفاده در دمای بالا ایجاد می کند: آلومینیوم خالص فقط حفظ می شود 50% استحکام آن در دمای اتاق در 200 درجه سانتیگراد است و به طور قابل توجهی بالاتر از 300 درجه سانتیگراد نرم می شود.
برای گسترش کاربرد آن در دمای بالا, عناصر آلیاژ (به عنوان مثال, نیکل, کبالت) برای تشکیل ترکیبات بین فلزی با ذوب بالا اضافه می شوند, افزایش دمای سرویس آلیاژهای آلومینیوم به 300-400 درجه سانتیگراد (به عنوان مثال, 2618 آلیاژ برای اجزای موتورهای هوافضا).
بازیافت آلومینیوم
نقطه ذوب متوسط آلومینیوم آن را بسیار قابل بازیافت می کند.
آلومینیوم بازیافتی فقط نیاز دارد 5% انرژی مورد نیاز برای تولید آلومینیوم اولیه, به عنوان ذوب ضایعات آلومینیوم (در 660-700 ℃) انرژی بسیار کمتری نسبت به استخراج آلومینیوم از بوکسیت مصرف می کند.
این بهره وری انرژی, توسط ویژگی های ذوب آلومینیوم هدایت می شود, آن را به یکی از بازیافتترین فلزات در سطح جهان تبدیل میکند.
6. تجزیه و تحلیل مقایسه ای با سایر فلزات و آلیاژها
| فلز / آلیاژ | نقطه ذوب (درجه سانتی گراد) | نقطه ذوب (درجه فارنهایت) | نقطه ذوب (ک) | نکات کلیدی |
| آلومینیوم (ال, خالص) | 660.3 | 1220.6 | 933.5 | نقطه ذوب کم; عالی برای ریخته گری سبک و شکل دهی. |
| مس (مس, خالص) | 1085 | 1985 | 1358 | هدایت حرارتی بالا; به دمای پردازش بالاتری نسبت به Al نیاز دارد. |
| آهن (Fe, خالص) | 1538 | 2800 | 1811 | نقطه ذوب به طور قابل توجهی بالاتر; به طور گسترده در فولادسازی استفاده می شود. |
| فولاد (فولاد کربن, ~0.2% C) | 1425–1540 | 2600- 2800 | 1698-1813 | محدوده ذوب به ترکیب بستگی دارد; بالاتر از آلیاژهای آلومینیوم. |
| تیتانیوم (از, خالص) | 1668 | 3034 | 1941 | نسبت استحکام به وزن بالا; رفتار نسوز. |
منیزیم (Mg, خالص) |
650 | 1202 | 923 | کمی پایین تر از ال; بسیار واکنش پذیر و سبک وزن. |
| روی (روی, خالص) | 419.5 | 787 | 692.7 | نقطه ذوب کم; برای ریخته گری و گالوانیزه استفاده می شود. |
| نیکل (در, خالص) | 1455 | 2651 | 1728 | مقاومت در برابر خوردگی عالی; آلیاژهای با نقطه ذوب بالا برای هوافضا. |
| برنج (مس -zn, 60/40) | 900-940 | 1652– 1724 | 1173– 1213 | محدوده ذوب آلیاژی کمتر از مس خالص است; مناسب برای ریخته گری. |
| برنز (Cu-Sn, 88/12) | 950–1050 | 1742-1922 | 1223–1323 | کمی پایین تر از مس; قابلیت ریخته گری و مقاومت در برابر خوردگی بهبود یافته است. |
6. باورهای غلط و مشکلات رایج
گیج شدن نقطه ذوب با دمای نرم شدن
دمای نرم شدن آلومینیوم (≈300℃) اغلب با نقطه ذوب آن اشتباه گرفته می شود.
نرم شدن به کاهش استحکام تسلیم ناشی از لغزش مرز دانه و حرکت نابجایی اشاره دارد., در حالی که ذوب شامل یک انتقال فاز است.
این سردرگمی می تواند منجر به عملیات حرارتی نامناسب شود, منجر به کاهش خواص مکانیکی می شود.
نادیده گرفتن محدوده ذوب در آلیاژها
آلومینیوم خالص دارای نقطه ذوب تیز است, اما آلیاژهای آلومینیوم دارای محدوده ذوب هستند (مایع به جامد).
عدم در نظر گرفتن این محدوده در طول ریخته گری می تواند باعث نقص هایی مانند تخلخل انقباض شود (اگر خیلی نزدیک به دمای جامدوس ریخته شود) یا ترک داغ (اگر در محدوده ذوب خیلی سریع سرد شود).
نادیده گرفتن اثرات ناخالصی
حتی ردیابی ناخالصی ها (به عنوان مثال, 0.1% آهن) می تواند نقطه ذوب آلومینیوم را کاهش داده و دامنه ذوب آن را افزایش دهد.
در کاربردهای با دقت بالا (به عنوان مثال, اجزای هوافضا), کنترل دقیق محتوای ناخالصی برای اطمینان از رفتار ذوب ثابت و کیفیت محصول نهایی ضروری است.
7. نتیجه گیری
نقطه ذوب آلومینیوم (660.32℃ برای آلومینیوم خالص) یک ویژگی اساسی است که ریشه در ساختار اتمی و پیوند فلزی آن دارد, به عنوان سنگ بنای پردازش و کاربرد آن عمل می کند.
عوامل متعدد از جمله خلوص, عناصر آلیاژ, فشار بیرونی, و تاریخچه حرارتی - رفتار ذوب آن را اصلاح کنید, امکان طراحی آلیاژهای آلومینیوم متناسب با نیازهای مختلف صنعتی.
از ریخته گری در دمای پایین آلیاژهای Al-Si تا آلیاژهای سری 7xxx با مقاومت بالا برای هوافضا, نقطه ذوب آلومینیوم پارامترهای فرآیند را دیکته می کند, محدودیت های عملکرد, و راندمان بازیافت.
همانطور که صنایع به دنبال کاهش وزن و بهره وری انرژی هستند, تعادل منحصر به فرد آلومینیوم در نقطه ذوب متوسط, چگالی کم, و قابلیت بازیافت همچنان به استحکام جایگاه خود به عنوان یک ماده کلیدی در چشم انداز تولید جهانی ادامه خواهد داد.
سوالات متداول
آیا دمای نقطه ذوب آلومینیوم برای یکسان است 6061 یا 7075?
خیر. 6061 و 7075 آلیاژهایی با محدوده جامد/مایع هستند که با Al خالص متفاوت هستند. رفتار ذوب آنها باید به داده های خاص آلیاژ ارجاع داده شود یا با تجزیه و تحلیل حرارتی اندازه گیری شود.
چه مقدار سوپرهیت باید برای دایکستینگ در مقابل. ریخته گری شن و ماسه?
فرآیندهای قالب و فشار بالا اغلب به گرمای فوق العاده متوسط نیاز دارند (20-50 درجه سانتیگراد) به دلیل پر شدن سریع; شن و ماسه و قطعات ریخته گری با مقاطع ضخیم تر ممکن است به گرمای فوق العاده موثر بیشتری نیاز داشته باشند (40-100 درجه سانتیگراد) برای اطمینان از پر شدن کامل. برای آلیاژ و قالب بهینه سازی کنید.
چرا تخلخل هیدروژن در آلومینیوم بدتر است؟?
حلالیت هیدروژن در آلومینیوم مایع بسیار بیشتر از جامد است. در طول انجماد هیدروژن دفع می شود و منافذ گازی را تشکیل می دهد مگر اینکه قبلاً با گاز زدایی حذف شود.
آیا فشار در عمل نقطه ذوب آلومینیوم را تغییر می دهد؟?
نقطه ذوب با فشار تغییر می کند, اما برای روش استاندارد ریخته گری اتمسفر اثر ناچیز است.
