1. Introduction
Le cuivre se classe parmi les métaux les plus polyvalents de l'humanité, grâce à sa conductivité électrique exceptionnelle, résistance à la corrosion, et formabilité.
De plus, Les scientifiques et les ingénieurs comptent sur le comportement thermique du cuivre pour concevoir des composants allant du câblage électrique aux échangeurs de chaleur.
Par conséquent, Comprendre le point de fusion du cuivre devient indispensable à la fois dans la métallurgie et les applications industrielles.
2. Définition et signification du point de fusion
Le point de fusion représente la température à laquelle un solide se transforme en un liquide dans des conditions d'équilibre.
En pratique, Il marque l'équilibre entre les forces de liaison en phase solide et l'agitation thermique.
Donc, Les métallurgistes utilisent le point de fusion comme référence pour sélectionner les matériaux, Fours de conception, et contrôler les processus de coulée.
3. Point de fusion du cuivre
Le cuivre pur fond à peu près 1,085°C (1,984°F).
À cette température, le cuivre passe d'un solide à un liquide, Permettre de le lancer, joint, ou allié. Sous sa forme solide, Le cuivre a un cubique à faces centrées (FCC) structure
4. Perspective thermodynamique et au niveau atomique
À l'échelle atomique, Le point de fusion substantiel du cuivre découle de son liaison métallique—Une mer d'électrons délocalisés collant des ions chargés positivement.
Sa configuration d'électrons, [Ardente] 3D & ⁰4s, fournit un électron de conduction par atome, qui non seulement sous-tend la conductivité électrique mais renforce également la cohésion interatomique.
- Enthalpie de fusion: ~ 13 kJ / mol
- Chaleur latente de la fusion: ~ 205 kJ / kg
Ces valeurs quantifient l'énergie requise pour briser les liaisons métalliques pendant la fusion.
En outre, masse atomique relativement élevée du cuivre (63.55 amu) et treillis FCC dense (12 voisins les plus proches) élever son énergie de liaison et sa stabilité thermique.
5. Facteurs affectant le point de fusion du cuivre
Plusieurs paramètres clés modifient le comportement de fusion du cuivre, souvent en déplaçant sa température de transition solide à liquide par des dizaines de degrés Celsius.
La compréhension de ces variables permet une gestion thermique précise dans les processus de cuivre pur et la production en alliage.
Éléments d'alliage et impuretés
- Zinc et étain: Présentation de 10 à 40% en poids % Zn abaisse la plage de fusion à environ 900–940 ° C en laiton. De la même manière, 5–15 WT % SN donne du bronze avec un intervalle de fusion de 950–1 000 ° C.
- Argent et phosphore: Même trace l'argent (≤1 poids %) peut augmenter le liquide de cuivre de 5 à 10 ° C, tandis que le phosphore à 0.1 wt % réduit légèrement le point de fusion et améliore la fluidité.
- Oxygène et soufre: L'oxygène dissous forme des inclusions ci-dessus ci-dessus 1,000 °C, déclencher la dépression de point de fusion localisée.
Entre-temps, contamination en soufre aussi faible que 0.02 wt % conduit à la fragilisation et crée une eutectique à faible tentative aux joints de grains.
Taille des grains et microstructure
- Fine vs. Grains grossiers: Le cuivre à grains fins présente un début de fusion marginalement plus élevé - généralement à 2 à 5 ° C au-dessus du matériau à grain gros.
- Durcissement par précipitation: Dans les alliages comme Cu - être, Les précipités introduisent des champs de déformation locaux qui peuvent élever la fusion 8 °C, en fonction de la fraction volumique du précipité.
Défauts de réseau cristallin
- Postes vacants et dislocations: Hautes concentrations de vacance (>10⁻⁴ Fraction atomique) introduire la distorsion du réseau, abaissant le point de fusion de 3–7 ° C.
- Écrouissage: Le cuivre à froid contient des dislocations enchevêtrées qui réduisent l'énergie cohésive, donc déprimant la fusion d'environ 4 ° C par rapport au cuivre recuit.
Effets de pression
- Relation de clageyron: La pression augmente augmente la température de fusion à une vitesse à peu près +3 K par 100 MPa.
Bien que les fusions industrielles dépassent rarement la pression ambiante, Des expériences à haute pression confirment cette pente prévisible.
Historique thermique et conditions de surface
- Préalable: Pré-héros lent à 400–600 ° C peut ouvrir des oxydes de surface et l'humidité, Empêcher la dépression précoce du point de fusion.
- Revêtements de surface: Flux de protection (par ex., à base de borax) former une barrière qui stabilise la surface et maintient le vrai point de fusion pendant le traitement en plein air.
6. Point de fusion des alliages de cuivre
Vous trouverez ci-dessous une liste complète des points de fusion pour une gamme d'alliages de cuivre communs.
Ces valeurs se réfèrent aux températures de liquidus typiques; Les alliages se solidifient souvent sur une plage (Solide → liquide) que nous citons ici comme un intervalle de fusion approximatif.
| Nom d'alliage / NOUS | Composition (WT%) | Gamme de fusion (°C) |
|---|---|---|
| C10200 (ECD) | ≥99,90cu | 1 083–1085 |
| C11000 (Electlytique avec) | ≥99,90cu | 1 083–1085 |
| C23000 (Laiton jaune) | ~ 67cu - 33zn | 900 –920 |
| C26000 (Cartouche Laiton) | ~ 70cu - 30ZN | 920 –940 |
| C36000 (Laiton de mouche libre) | ~ 61cu -38zn -1pb | 920 –940 |
| C46400 (Laiton naval) | ~ 60cu -39n -1sn | 910 –960 |
| C51000 (Bronze phosphoreux) | ~ 95cu -5Sn | 1 000–1050 |
| C52100 (Phos à haute résistance. Bronze) | ~ 94CU -6SN | 1 000–1050 |
| C61400 (Aluminium Bronze) | ~ 82cu -10al -8fe | 1 015–1035 |
| C95400 (Aluminium Bronze) | ~ 79CU-10AL-6NI-3O | 1 020–1045 |
| C83600 (En laiton rouge au plomb) | ~ 84CU -6SN -5PB -5NZ | 890 –940 |
| C90500 (Métal) | ~ 88cu -10Sn -2n | 900 –950 |
| C93200 (Bronze au silicium) | ~ 95S. | 1 000–1050 |
| C70600 (90–10 Cupronickel) | 90 Avec -10ni | 1 050–1150 |
| C71500 (70–30 Cupronickel) | 70 Avec -30ni | 1 200–1300 |
| C17200 (Cuivre-béryllium) | ~ 97cu -2be -11co | 865 –1000 |
7. Variation du point de fusion dans les alliages de cuivre
Le comportement de fusion du cuivre se déplace considérablement une fois que les éléments d'alliage entrent dans le réseau.
En pratique, Les métallurgistes exploitent ces variations pour adapter les températures de coulée, fluidité, et performances mécaniques.
Influence des éléments d'alliage
- Zinc (Zn):
Ajout de 10 à 40% en poids % Zn pour former le laiton abaisse la plage de fusion à grossièrement 900–940 ° C, Merci au Cu - Zn Eutectic à ~ 39 poids % Zn (fondre à ~ 900 ° C).
Cuites à haut zinc (au-dessus de 35 % Zn) commencer à aborder cette composition eutectique, présentant un intervalle de fusion plus étroit et une fluidité supérieure. - Étain (Sn):
Présentation de 5 à 15% en poids % SN donne du bronze avec un intervalle de fusion 950–1 000 ° C.
Ici, Le diagramme de phase Cu - Sn montre un eutectique à ~ 8 poids % Sn (~ 875 ° C), Mais les compositions pratiques en bronze se trouvent au-dessus, Pousser le Liquidus près 1,000 ° C pour assurer une force adéquate. - Nickel (Dans):
En cupronickels (10–30 WT % Dans), Le Liquidus grimpe de 1,050 °C (pour 10 % Dans) jusqu'à 1,200 °C (pour 30 % Dans).
La forte affinité du nickel pour le cuivre augmente l'énergie de la liaison et déplace à la fois solide et liquide vers le haut. - Aluminium (Al):
Bronzes en aluminium (5–11 WT % Al) faire fondre entre 1,020–1 050 ° C.
Leur diagramme de phase révèle des phases intermétalliques complexes; un eutectique primaire autour 10 % Al se produit à ~ 1 010 ° C, Mais les alliages plus élevés nécessitent des températures supérieures 1,040 ° C pour se liquéfier complètement. - Béryllium (Être):
Même de petits ajouts (~ 2 WT %) de réduire l'intervalle de fusion à 865–1 000 ° C en favorisant un eutectique à basse température 2 % Être (~ 780 ° C).
Cela facilite le travail de précision, mais exige des contrôles soigneux et de sécurité en matière de santé pendant la fusion.
Effets eutectiques et solides
- Systèmes eutectiques: Les alliages à ou près des compositions eutectiques se solidifient en un seul, Température pointue - Idéal pour les moulages de mat.
Par exemple, un alliage cu - zn à 39 % Zn se solidifie à 900 °C, Maximiser la fluidité. - Solutions solides: Les alliages sous-eutectiques ou hypo-eutectiques présentent une plage de fusion (solide à liquide).
Des gammes plus larges peuvent provoquer des zones «pâteuses» pendant la solidification, risquer la ségrégation et la porosité. En revanche, Les alliages hyper-eutectiques peuvent former des intermétalliques cassants lors du refroidissement.
8. Pertinence industrielle du point de fusion du cuivre
Le point de fusion du cuivre de 1 085 °C (1 984 °F) joue un rôle central dans pratiquement toutes les opérations à grande échelle qui transforment le minerai en composants finis.
En pratique, Les fabricants tirent parti de cette propriété pour optimiser la consommation d'énergie, Contrôler la qualité du produit, et minimiser les déchets.
Fusion et raffinage
Foundries et fonderies chauffant régulièrement les concentrés de cuivre pour 1 200–1 300 °C, dépassant le point de fusion du métal pour assurer une séparation complète des scories.
En maintenant la fournaise à peu près 1 100 °C, Les opérateurs réduisent les pertes d'oxydation: Les processus bien contrôlés peuvent réduire la formation de scories 4 % jusqu'au sous 1 %.
En outre, Les plantes électroréfinées contournent le remontage en dissolvant les anodes impures dans des solutions acides, Pourtant, ils dépendent toujours de la fusion initiale pour lancer des plaques de haute sécurité.
Production de coulée et d'alliage
Lors de la production de laiton, bronze, ou bronze en aluminium, Les techniciens fixent des températures de fonte juste au-dessus de chaque alliage liquide.
Par exemple, 70/30 Le laiton fond à environ 920 °C, alors que 6 % Le bronze en aluminium nécessite 1 040 °C.
En tenant le bain dans un étroit ± 5 ° C fenêtre, Ils atteignent une pénétration complète des moisissures, réduire la porosité jusqu'à 30 %, et assurer une chimie en alliage cohérente.
Contrôle de l'atmosphère et gestion de l'oxydation
Parce que le cuivre fondu réagit vigoureusement avec l'oxygène, de nombreuses installations modifient l'induction ou les fours réverbrés avec argon ou haubs azote.
Ces environnements inertes réduisent les pertes d'oxydation de 2 % (à ciel ouvert) à ci-dessous 0.5 %, améliorant ainsi la finition de surface et la conductivité électrique pour des composants critiques comme les barres de bus et les connecteurs.
Recyclage et efficacité énergétique
Recycler la ferraille consomme du cuivre jusqu'à 85 % Moins d'énergie que la production primaire.
Cependant, La ferraille à alliage mixte contient souvent des cuivres et des bronzes avec des points de liquidus allant de 900 ° C à 1 050 °C.
Les systèmes modernes de fusion de ferraille utilisent des brûleurs régénératifs et une récupération de la chauffeur des déchets, rédaction de la consommation d'énergie globale par 15–20 %.
Par conséquent, Le cuivre secondaire contribue maintenant à 30 % de l'offre mondiale, tiré par des économies de coûts et des avantages environnementaux.
9. Applications nécessitant un contrôle de fusion précis
Certains processus de fabrication exigent une régulation de température exceptionnellement étroite autour du point de fusion de Copper pour garantir la qualité, performance, et répétabilité.
Ci-dessous, Nous examinons trois applications clés qui dépensent du contrôle de fusion précis.
Moulage d'investissement
Dans moulage de précision, Les fonderies maintiennent des températures de fonte à l'intérieur ± 5 ° C du liquidus de l'alliage pour assurer la garniture de moisissure lisse et minimiser la porosité.
Par exemple, Lorsque vous jetez une turbine phosphore-bronze (liquide ~ 1 000 ° 100), Les opérateurs tiennent généralement le bain à 1,005 °C.
En faisant ainsi, Ils atteignent une pénétration complète des moisissures sans surchauffer, qui autrement dégraderait la précision dimensionnelle et augmenterait la formation de scories.
Production de cuivre de grande taille pour un usage électrique
Fabricants de cuivre de qualité électrique (≥ 99.99 % Cu) Effectuer la fusion sous vide ou gaz inerte, contrôler la température à l'intérieur ± 2 ° C de 1,083 °C.
Ce contrôle strict empêche le piégeage et la contamination du gaz, qui compromettent tous deux la conductivité.
De plus, La gestion thermique serrée dans les lignes de coulée continue donne des structures de grains fins qui améliorent encore les performances électriques et réduisent la résistivité en dessous 1.67 µΩ·cm.
Fabrication additive et dépôt de film mince
Dans la fusion laser en poudre (LPBF) d'alliages de cuivre, Les ingénieurs ajustent la puissance du laser et la vitesse de balayage pour produire des piscines de fusion localisées à environ 1,100 – 1,150 °C.
Profil thermique précis - souvent surveillé en temps réel avec des pyromètres - Prevants Balling, porosité, et défauts de trou de serrure.
De la même manière, en dépôt de vapeur physique (PVD) de films en cuivre, Les températures de creuset doivent rester à l'intérieur ± 1 ° C du point de consigne de l'évaporation (typiquement 1,300 °C) Pour contrôler les taux de dépôt et l'uniformité du film jusqu'à la précision nanométrique.
10. Comparaisons avec d'autres métaux
La comparaison du point de fusion du cuivre vers un spectre plus large de métaux clarifie davantage comment la structure atomique et les énergies de liaison dictent le comportement thermique - et aide les ingénieurs à sélectionner les matériaux appropriés.
Points de fusion et énergies de liaison
| Métal | Point de fusion (°C) | Énergie de liaison (kJ / mol) | Structure cristalline |
|---|---|---|---|
| Magnésium | 650 | 75 | HCP |
| Zinc | 420 | 115 | HCP |
| Plomb | 327 | 94 | FCC |
| Aluminium | 660 | 106 | FCC |
| Argent | 961 | 216 | FCC |
| Or | 1 064 | 226 | FCC |
| Cuivre | 1 085 | 201 | FCC |
| Cobalt | 1 495 | 243 | HCP (α-quoi) |
| Nickel | 1 455 | 273 | FCC |
| Titane | 1 668 | 243 | HCP (α-vous) |
| Fer | 1 538 | 272 | Cci (Δ -), FCC (γ-Fe) |
| Platine | 1 768 | 315 | FCC |
| Tungstène | 3 422 | 820 | Cci |
Implications pour la conception des alliages
- Énergie et coût: Les métaux comme le cuivre ont un équilibre entre les températures de fusion raisonnables (autour 1 085 °C) et de fortes propriétés mécaniques.
En revanche, Le traitement du tungstène ou du platine nécessite un équipement spécialisé à haute température et une plus grande entrée d'énergie. - Se joindre et couler: Lors de la combinaison des métaux différents, comme le brasage du cuivre au titane,
Les ingénieurs sélectionnent des charges avec des points de fusion sous le métal à basse température pour éviter les dommages à la métal. - Réglage des performances: Les concepteurs d'alliages tirent parti de ces tendances de fusion et de liaison aux matériaux d'ingénierie qui fonctionnent dans des conditions thermiques spécifiques,
Qu'ils aient besoin d'un alliage fusible à basse température ou d'un superalliage à haute température.
11. Conclusion
Le point de fusion des alliages de cuivre et de cuivre incarne un équilibre entre une forte liaison métallique et des exigences thermiques réalisables.
Les ingénieurs obtiennent des performances optimales dans la fusion, fonderie, et fabrication avancée en contrôlant les impuretés, Éléments d'alliage, et les paramètres de processus.
Alors que les industries visent une plus grande efficacité énergétique et durabilité matérielle, Une compréhension approfondie du comportement de fusion du cuivre reste un fondement essentiel pour l'innovation.
FAQ
Comment le point de fusion du cuivre est-il mesuré?
Les laboratoires déterminent le point de fusion du cuivre en utilisant la calorimétrie de balayage différentiel (DSC) ou un four à haute température équipé de thermocouples calibrés.
Ces méthodes chauffent des échantillons à des taux contrôlés (généralement 5 à 10 ° C / min) et enregistrer le début de la transition solide à liquide.
Quelles impuretés affectent le plus fortement le point de fusion du cuivre?
Zinc et étain baisser considérablement le liquidus de cuivre (à 900–940 ° C en lasses et 950–1 000 ° C en bronzes). Inversement, La trace de l'argent peut l'augmenter de 5 à 10 ° C.
L'oxygène et le soufre forment souvent des oxydes ou des sulfures à faible tentative, provoquant des dépressions de point de fusion localisées.
