1. Uvod
Nikla (kemijski simbol je, atomski broj 28) je duktilan, srebrno-bijeli prijelazni metal koji pripada grupi 10 periodnog sustava.
Mjerodavni termodinamički podaci NIST-a i Kraljevskog kemijskog društva potvrđuju da čisti nikal ima standardno talište od 1455 ° C (2651 ° F, 1728 K).
Elementarni metal ima jedno talište u praktičnom smislu, ali legure na bazi nikla obično se tope u određenom rasponu jer se legiranjem mijenjaju temperature solidus i liquidus.
Ponašanje nikla pri taljenju jedan je od razloga što se tako široko koristi u proizvodima otpornim na koroziju i toplinu.
Komercijalni nikal i legure na bazi nikla nalaze se u opremi za kemijsku obradu, izmjenjivači topline, hardver peći, pomorska služba, i visokotemperaturni strukturni dijelovi, gdje su toplinska stabilnost i kontrolirano skrućivanje važni jednako kao i čvrstoća.
2. Talište čistog nikla
Za elementarni metal, nikal se općenito tretira kao a materijal s jednom točkom taljenja nego legura širokog raspona.
Objavljene vrijednosti iz različitih tehničkih izvora vrlo su bliske, što je ono što inženjeri žele od referentnog metala: stabilan broj koji se može pouzdano koristiti u projektiranju procesa.
Reprezentativne vrijednosti za čisti nikal
| Materijal | Ponašanje pri otapanju | Inženjersko značenje |
| Čisti nikal | 1453–1455°C / 2647–2651°F / 1726–1728 K | Elementarni nikal je u biti metal oštrog taljenja u praktičnoj uporabi. |
Mali raspon između 1453°C i 1455°C normalan je za objavljene podatke o topljenju.
Odražava razlike u čistoći, metoda mjerenja, i konvencije zaokruživanja, a ne bilo kakve smislene promjene u samom metalu.
Za inženjerske svrhe, čisti nikal treba tretirati kao metal s talištem od oko 1455° C.
3. Legure nikla i područja taljenja
Legure na bazi nikla ne ponašaju se kao čisti nikal.
Nakon što se dodaju drugi elementi, legura obično razvija a solidus i tekućina, pa se metal počinje taliti na jednoj temperaturi, a završava topiti na višoj.
Zato podatkovne tablice legura izvješćuju a raspon topljenja umjesto jedne točke.
| Klasa nikla / legura | područje taljenja °C | područje taljenja °F | područje taljenja K |
| Nikla 200 / Nikla 201 | 1435–1445°C | 2610–2630°F | 1708.15–1718,15 tisuća kuna |
| Monel legura 400 | 1300–1350°C | 2370–2460°F | 1573.15–1623,15 tisuća kuna |
| INCONEL legura 600 | 1354–1413°C | 2470–2580°F | 1627.15–1686,15 tisuća kuna |
| VDM legura 601 | 1330–1370°C | 2426–2498°F | 1603.15–1643,15 tisuća kuna |
| HAYNES / INCONEL 617 | 1330–1375°C | 2430–2510°F | 1603.15–1648,15 tisuća kuna |
| INCONEL legura 625 | 1290–1350°C | 2350–2460°F | 1563.15–1623,15 tisuća kuna |
| INCONEL legura 718 | 1260–1336°C | 2300–2437°F | 1533.15–1609,15 tisuća kuna |
| HASTELLOY C-276 | 1323–1371°C | 2415–2500°F | 1596.15–1644,15 tisuća kuna |
| VDM legura 690 | 1390–1410°C | 2534–2570°F | 1663.15–1683,15 tisuća kuna |
4. Čimbenici koji utječu na ponašanje nikla pri topljenju
Čistoća
Čistoća je prvi i najvažniji faktor.
Čisti nikal pokazuje jednu, oštro određeno talište, dok komercijalno čiste vrste kao što je nikal 200/201 pokazuju uzak raspon taljenja jer su čak i male razlike u sastavu važne.
Što je materijal bliži elementarnom niklu, što se bliže ponaša prijelazu jedne točke.
Legirajući dodaci
Legiranje je glavni razlog zašto materijali od nikla razvijaju raspon taljenja.
Dodaci bakra, krom, željezo, kobalt, molibden, i drugi elementi mijenjaju faznu stabilnost i pomiču solidus i likvidus temperature.
Zato Monel 400, Udruživanje 600, i ATI 617 svaki ima drugačiji interval taljenja iako su svi materijali na bazi nikla.
Oblik i specifikacija proizvoda
Komercijalni proizvodi od nikla mogu se isporučivati s malo drugačijim objavljenim vrijednostima, ovisno o obliku proizvoda i podatkovnom listu dobavljača.
To ne znači da se temeljno ponašanje metala promijenilo; to znači da navedeni raspon odražava točnu ocjenu, manje nečistoće, i stanje proizvoda.
Za inženjere procesa, to je podsjetnik da upotrijebite podatkovnu tablicu dobavljača za specifičnu toplinu ili lot radije nego da se oslanjate na generičku vrijednost nikla.
Toplinsko-procesni kontekst
Ponašanje nikla pri taljenju uvijek se mora tumačiti u kontekstu. Peć za lijevanje, ciklus lemljenja, i postupak zavarivanja ne koriste isti toplinski cilj.
Raspon taljenja određuje koliko toplinskog prostora operater ima prije nego što metal omekša, počinje teći, ili gubi oblik.
U visokotemperaturnim legurama na bazi nikla, taj je prozor ključni dio logike dizajna, nije naknadna misao.
5. Fizički & Kemijske promjene tijekom taljenja nikla
Ponašanje oksidacije
Rastaljeni nikal vrlo je kemijski aktivan. Iznad 1000 ° C, nikal brzo reagira s kisikom stvarajući niklov oksid (NiO).
Bez zaštite od inertnog plina, gusti tamni oksidni film prekriva površinu tekućine, povećanje inkluzije troske za taljenje.
Industrijsko taljenje nikla mora usvojiti zaštitu od argona ili vakuumsko taljenje za izolaciju kisika.
Topljivost plinovitih elemenata
Rastaljeni nikal ima jaku topljivost u vodiku i dušiku. Vrh topljivosti plina je blizu tališta; prekomjerna količina otopljenog plina nakon skrućivanja stvara rupicu poroznost.
Tretman otplinjavanjem obavezan je za odljevke od nikla visoke čistoće.
Magnetski prijelaz
Nikal posjeduje feromagnetizam na sobnoj temperaturi. Njegova Curiejeva temperatura je 358 ° C; iznad ove kritične temperature, nikal trajno gubi magnetizam dok se ne ohladi.
Magnetski nestanak tijekom taljenja olakšava elektromagnetsko miješanje u pećima za taljenje.
6. Kako testirati talište nikla?
Diferencijalna skenirajuća kalorimetrija i diferencijalna toplinska analiza
Za laboratorijsko određivanje, DSC i DTA su standardni alati za toplinsku analizu za određivanje temperatura taljenja i kristalizacije čistih materijala.
ASTM E794 navodi da ova metoda ispitivanja opisuje određivanje temperatura taljenja i kristalizacije diferencijalnom skenirajućom kalorimetrijom i diferencijalnom toplinskom analizom, te da je metoda korisna za kontrolu kvalitete, prihvaćanje specifikacije, i istraživanja.
U praksi, kalibracija se izvodi pomoću poznatih referentnih standarda, a čisti metali se obično koriste kao kalibracijski materijali.
Temperatura taljenja obično se uzima iz ekstrapolirani početak tranzicije, dok je uzorak potpuno otopljen na vrhuncu.
To čini DSC posebno korisnim za nikal kada je potrebna precizna laboratorijska vrijednost.
Optička pirometrija
Za vrlo vruće industrijske uvjete, optička pirometrija je praktična beskontaktna metoda jer mjeri toplinsko zračenje iz vrućeg objekta umjesto da zahtijeva fizički kontakt.
To ga čini vrijednim za promatranje peći, rukovanje talinom, i druge provjere procesa pri visokim temperaturama gdje kontaktni senzori mogu biti nepraktični.
Praktična usporedba metoda
| Metoda | Najbolja upotreba | Jačina | Ograničenje |
| DSC / DTA | Laboratorijsko određivanje temperatura taljenja i kristalizacije | Dobar za kontrolirana mjerenja i analizu temeljenu na kalibraciji | Zahtijeva male uzorke i kontrolirane uvjete ispitivanja. |
| Optička pirometrija | Mjerenje temperature peći i procesa | Beskontaktno i pogodno za vrlo vruće površine | Mjeri temperaturu zračenja na putu gledanja, tako da su postavke i emisivnost važni. |
7. Industrijska primjena kontrole raspona taljenja nikla
PrecisionCasting
U precizno lijevanje, raspon taljenja određuje koliki toplinski prostor mora osigurati peć i koliko pažljivo se mora upravljati talinom prije izlijevanja.
Čisti nikal i legure na bazi nikla koriste se u komponentama peći, posude za kemijsku obradu, izmjenjivači, visokotemperaturni zrakoplovni dijelovi, nuklearni reaktori, i turbine, što znači da ruta lijevanja mora podnijeti zahtjeve visoke temperature i agresivne upotrebe.
Za odljevke od legura, važna točka nije jedno talište već solid-liquid prozor.
Legura na bazi nikla može se početi smrzavati dok je dio metala još tekući, tako da ljevaonička praksa mora uzeti u obzir hranjenje, skupljanje, i kontrolu skrućivanja u cijelom rasponu.
To je inženjerski zaključak iz objavljenih intervala taljenja legura na bazi nikla.
Zavarivanje
Materijali na bazi nikla naširoko se zavaruju jer se mogu spojiti konvencionalnim postupcima zavarivanja i zadržati korisnu izvedbu u zahtjevnim okruženjima.
INCONEL legura 600 je opisan kao lako spojen konvencionalnim postupcima zavarivanja, a proizvođač navodi specifične materijale za zavarivanje zaštićenog metalnog luka, plinski volframov luk, i plinsko metalnolučno spajanje.
MONEL Legura 400 je također opisan kao lako spojen konvencionalnim procesima.
Za zavarivanje, kontrola raspona taljenja je važna jer se osnovni metal ne smije pregrijati izvan predviđene zone taljenja.
Legure nikla često se biraju upravo zbog njihovih intervala taljenja, jačina, i toplinski odziv može podržati kontrolirano spajanje u servisno kritičnim aplikacijama.
Ovo je osobito važno kada zavareni dio mora ostati dimenzijski stabilan i otporan na koroziju nakon izrade.
Toplotna obrada
Toplinska obrada još je jedno područje u kojem je važna kontrola raspona taljenja, jer rukovatelj mora sigurno ostati ispod bilo kojeg početnog stanja taljenja dok još uvijek postiže zahtijevani toplinski ciklus.
IMALI SMO 617, na primjer, je obično otopina žarena na 1175° C (2150° F), koji se nalazi ispod objavljenog raspona taljenja od 1330–1380 ° C.
Taj razmak je upotrebljivi toplinski prozor koji omogućuje toplinsku obradu bez urušavanja mikrostrukture.
Ista logika se primjenjuje u širem smislu na legure na bazi nikla: toplinska obrada mora se odabrati imajući na umu solidus i likvidus legure tako da dio dobije željeno metalurško stanje bez djelomičnog taljenja.
U praktičnoj proizvodnji, to je razlog zašto se legure nikla obično obrađuju s mnogo strožom temperaturnom disciplinom nego metali nižeg tališta.
8. Zaključak
Talište čistog nikla je oko 1455° C (1728 K / 2651° F), s mjerodavnim referencama grupiranim vrlo blizu te vrijednosti.
Malo širenje objavljenih brojeva normalno je i odražava povijest mjerenja i zaokruživanje, nije značajno inženjersko neslaganje.
Još važnije, stvarna industrijska vrijednost nikla leži u načinu na koji se ponašanje taljenja mijenja kada se nikal legira.
Komercijalno čisti razredi nikla tale se u uskom rasponu, dok legure na bazi nikla kao što je Monel 400, Udruživanje 600, i ATI 617 projektirani su oko vlastitih intervala solidus-likvidus.
Zato nikal nije samo metal s visokim talištem; to je visokotemperaturna platforma za projektiranje materijala otpornih na koroziju i toplinu.
Česta pitanja
Koja je točka taljenja nikla u Celzijusu i Fahrenheitu?
Čisti nikl tali se na oko 1455° C, o kojoj se radi 2651° F. ASM daje blisko povezanu vrijednost 1453° C.
Zašto legure nikla imaju raspon taljenja umjesto jedne točne točke?
Budući da se legiranjem mijenja fazna ravnoteža, pa se materijal počinje topiti na a solidus temperaturi i završava topljenje na višoj tekućina temperatura.
Je li čisti nikal lakši za obradu nego legure nikla?
Nije nužno. Čisti nikal ima oštro talište, ali često se biraju legure na bazi nikla jer nude bolju otpornost na koroziju, zadržavanje snage, ili otpornost na toplinu za predviđenu uslugu.
Zašto je nikal toliko važan u inženjerstvu visokih temperatura?
Budući da kombinira visoko talište s korisnom duktilnošću i sposobnošću formiranja obitelji legura otpornih na toplinu koje se koriste u hardveru za peći, izmjenjivači, zrakoplovni dijelovi, i sustavi povezani s turbinama.
