1. Introduzione
Nichel (il simbolo chimico è, numero atomico 28) è un duttile, metallo di transizione bianco-argenteo appartenente al Gruppo 10 della tavola periodica.
Autorevoli dati termodinamici del NIST e della Royal Society of Chemistry confermano che il nichel puro ha un punto di fusione standard di 1455 °C (2651 °F, 1728 K).
Il metallo elementare ha un unico punto di fusione in termini pratici, ma le leghe a base di nichel di solito fondono entro un intervallo perché la lega modifica le temperature solidus e liquidus.
Il comportamento di fusione del nichel è uno dei motivi per cui è così ampiamente utilizzato nei prodotti resistenti alla corrosione e al calore.
Il nichel commerciale e le leghe a base di nichel si trovano nelle apparecchiature per il trattamento chimico, scambiatori di calore, hardware del forno, Servizio marino, e parti strutturali ad alta temperatura, dove la stabilità termica e la solidificazione controllata contano tanto quanto la resistenza.
2. Il punto di fusione del nichel puro
Per il metallo elementare, il nichel è generalmente trattato come a materiale a singolo punto di fusione piuttosto che una lega ad ampio spettro.
I valori pubblicati da diverse fonti tecniche sono estremamente vicini, che è ciò che gli ingegneri vogliono da un metallo di riferimento: un numero stabile che può essere utilizzato con sicurezza nella progettazione del processo.
Valori rappresentativi per il nichel puro
| Materiale | Comportamento di fusione | Significato ingegneristico |
| Nichel puro | 1453–1455 ° C. / 2647–2651°F / 1726–1728K | Il nichel elementare è essenzialmente un metallo a fusione rapida nell'uso pratico. |
Il piccolo intervallo tra 1453°C e 1455°C è normale per i dati di fusione pubblicati.
Riflette le differenze di purezza, metodo di misurazione, e convenzioni di arrotondamento piuttosto che qualsiasi cambiamento significativo nel metallo stesso.
Per scopi ingegneristici, il nichel puro deve essere trattato come un metallo con un punto di fusione di circa 1455°C.
3. Leghe di nichel e intervalli di fusione
Le leghe a base di nichel non si comportano come il nichel puro.
Una volta aggiunti altri elementi, la lega solitamente sviluppa a solido E liquido, quindi il metallo inizia a fondere ad una temperatura e finisce di fondere ad una temperatura più alta.
Ecco perché le schede tecniche delle leghe riportano a gamma di fusione invece di un singolo punto.
| Grado di nichel / lega | intervallo di fusione °C | intervallo di fusione °F | intervallo di fusione K |
| Nichel 200 / Nichel 201 | 1435–1445°C | 2610–2630°F | 1708.15–1718,15 K |
| Lega di monel 400 | 1300–1350 ° C. | 2370–2460°F | 1573.15–1623,15 K |
| Lega INCONEL 600 | 1354–1413°C | 2470–2580°F | 1627.15–1686,15 K |
| Lega VDM 601 | 1330–1370°C | 2426–2498°F | 1603.15–1643,15 K |
| HAYNES / INCONEL 617 | 1330–1375°C | 2430–2510°F | 1603.15–1648,15 K |
| Lega INCONEL 625 | 1290–1350 ° C. | 2350–2460°F | 1563.15–1623,15 K |
| Lega INCONEL 718 | 1260–1336°C | 2300–2437°F | 1533.15–1609,15 K |
| HASTELLOY C-276 | 1323–1371°C | 2415–2500°F | 1596.15–1644,15 K |
| Lega VDM 690 | 1390–1410°C | 2534–2570°F | 1663.15–1683,15 K |
4. Fattori che influenzano il comportamento di fusione del nichel
Purezza
La purezza è il primo e più importante fattore.
Il nichel puro mostra un singolo, punto di fusione ben definito, mentre i gradi commercialmente puri come il nichel 200/201 mostrano un intervallo di fusione ristretto perché anche piccole differenze compositive contano.
Più il materiale si avvicina al nichel elementare, più si avvicina a una transizione di un punto.
Aggiunte di lega
La formazione di leghe è la ragione principale per cui i materiali in nichel sviluppano intervalli di fusione.
Aggiunte di rame, cromo, ferro, cobalto, molibdeno, e altri elementi alterano la stabilità della fase e spostano le temperature solidus e liquidus.
Ecco perché Monel 400, Inconel 600, e ATI 617 ciascuno ha un intervallo di fusione diverso anche se sono tutti materiali a base di nichel.
Forma e specifiche del prodotto
I prodotti commerciali in nichel possono essere forniti con valori pubblicati leggermente diversi a seconda della forma del prodotto e della scheda tecnica del fornitore.
Ciò non significa che il comportamento fondamentale del metallo sia cambiato; significa che l'intervallo riportato riflette il voto esatto, impurità minori, e le condizioni del prodotto.
Per ingegneri di processo, si tratta di un promemoria per utilizzare la scheda tecnica del fornitore per il calore o il lotto specifico anziché fare affidamento su un valore di nichel generico.
Contesto del processo termico
Il comportamento di fusione del nichel deve sempre essere interpretato nel contesto. Un forno di colata, un ciclo di brasatura, e un processo di saldatura non utilizzano lo stesso target termico.
L'intervallo di fusione determina la quantità di margine termico di cui dispone l'operatore prima che il metallo si ammorbidisca, comincia a scorrere, o perde forma.
Nelle leghe ad alta temperatura a base di nichel, quella finestra è una parte fondamentale della logica di progettazione, non un ripensamento.
5. Fisico & Cambiamenti chimici durante la fusione del nichel
Comportamento di ossidazione
Il nichel fuso è altamente attivo chimicamente. Sopra 1000 °C, il nichel reagisce rapidamente con l'ossigeno per generare ossido di nichel (NiO).
Senza protezione da gas inerte, una densa pellicola di ossido scuro ricopre la superficie del liquido, aumento dei difetti di inclusione delle scorie di fusione.
La fusione industriale del nichel deve adottare la schermatura dell'argon o la fusione sotto vuoto per isolare l'ossigeno.
Solubilità degli elementi gassosi
Il nichel fuso ha una forte solubilità nell'idrogeno e nell'azoto. La solubilità del gas raggiunge il picco vicino al punto di fusione; l'eccesso di gas disciolto forma porosità stenopeica dopo la solidificazione.
Il trattamento di degasaggio è obbligatorio per i getti di nichel di elevata purezza.
Transizione magnetica
Il nichel possiede ferromagnetismo a temperatura ambiente. La sua temperatura di Curie è 358 °C; al di sopra di questa temperatura critica, il nichel perde il magnetismo permanentemente fino al raffreddamento.
La scomparsa magnetica durante la fusione facilita l'agitazione elettromagnetica nei forni fusori.
6. Come testare il punto di fusione del nichel?
Calorimetria differenziale a scansione e analisi termica differenziale
Per la determinazione su scala di laboratorio, DSC E Dta sono gli strumenti standard di analisi termica per determinare le temperature di fusione e cristallizzazione di materiali puri.
ASTM E794 afferma che questo metodo di prova descrive la determinazione delle temperature di fusione e cristallizzazione mediante calorimetria a scansione differenziale e analisi termica differenziale, e che il metodo è utile per il controllo di qualità, accettazione delle specifiche, e ricerca.
In pratica, la calibrazione viene eseguita utilizzando standard di riferimento noti, e i metalli puri sono comunemente usati come materiali di calibrazione.
La temperatura di fusione viene generalmente presa da esordio estrapolato della transizione, mentre il campione è completamente fuso al picco.
Ciò rende la DSC particolarmente utile per il nichel quando è necessario un valore di laboratorio preciso.
Pirometria ottica
Per condizioni industriali molto calde, pirometria ottica è un metodo pratico senza contatto perché misura la radiazione termica proveniente dall'oggetto caldo anziché richiedere il contatto fisico.
Ciò lo rende prezioso per le osservazioni delle fornaci, gestione della fusione, e altri controlli di processo ad alta temperatura in cui i sensori di contatto potrebbero essere poco pratici.
Confronto pratico dei metodi
| Metodo | Miglior utilizzo | Forza | Limitazione |
| DSC / Dta | Determinazione in laboratorio delle temperature di fusione e cristallizzazione | Ottimo per misurazioni controllate e analisi basate sulla calibrazione | Richiede campioni piccoli e condizioni di test controllate. |
| Pirometria ottica | Misurazione della temperatura del forno e del processo | Senza contatto e adatto a superfici molto calde | Misura la temperatura radiativa nel percorso di osservazione, quindi la configurazione e l'emissività contano. |
7. Applicazioni industriali del controllo dell'intervallo di fusione del nichel
PrecisionCasting
In fusione di precisione, l'intervallo di fusione determina quanto margine termico deve fornire il forno e con quanta attenzione deve essere gestita la fusione prima della colata.
Nei componenti dei forni vengono utilizzati nichel puro e leghe a base di nichel, recipienti per il trattamento chimico, scambiatori, parti aerospaziali ad alta temperatura, reattori nucleari, e turbine, il che significa che il percorso di colata deve gestire sia le alte temperature che i requisiti di servizio aggressivi.
Per fusioni in leghe, il punto importante non è il singolo punto di fusione ma il finestra solido-liquido.
Una lega a base di nichel può iniziare a congelare mentre parte del metallo è ancora liquida, quindi la pratica della fonderia deve tenere conto dell'alimentazione, restringimento, e controllo della solidificazione su tutta la gamma.
Questa è una deduzione ingegneristica dagli intervalli di fusione pubblicati delle leghe a base di nichel.
Saldatura
I materiali a base di nichel sono ampiamente saldati perché possono essere uniti mediante processi di saldatura convenzionali e mantengono prestazioni utili in ambienti difficili.
Lega INCONEL 600 è descritto come facilmente unito mediante processi di saldatura convenzionali, e il produttore elenca materiali di saldatura specifici per l'arco metallico schermato, arco di tungsteno gassoso, e giunzione ad arco metallico a gas.
Lega MONEL 400 è anche descritto come facilmente unito mediante processi convenzionali.
Per la saldatura, il controllo dell'intervallo di fusione è importante perché il metallo di base non deve essere surriscaldato oltre la zona di fusione prevista.
Le leghe di nichel vengono spesso selezionate proprio per i loro intervalli di fusione, forza, e la risposta termica può supportare l'unione controllata in applicazioni critiche per il servizio.
Ciò è particolarmente importante quando la parte saldata deve rimanere dimensionalmente stabile e resistente alla corrosione dopo la fabbricazione.
Trattamento termico
Il trattamento termico è un’altra area in cui è importante il controllo dell’intervallo di fusione, perché l'operatore deve rimanere in sicurezza al di sotto di qualsiasi condizione di incipiente fusione pur raggiungendo il ciclo termico richiesto.
ABBIAMO AVUTO 617, Per esempio, è normalmente solubilizzato 1175°C (2150°F), che si trova al di sotto dell'intervallo di fusione pubblicato di 1330–1380 ° C..
Questo divario è la finestra termica utilizzabile che rende possibile il trattamento termico senza far crollare la microstruttura.
La stessa logica si applica più ampiamente alle leghe a base di nichel: il trattamento termico deve essere selezionato tenendo presente il solidus e il liquidus della lega in modo che la parte raggiunga lo stato metallurgico desiderato senza fondersi parzialmente.
Nella produzione pratica, questo è il motivo per cui le leghe di nichel vengono solitamente lavorate con una disciplina della temperatura molto più rigorosa rispetto ai metalli a punto di fusione inferiore.
8. Conclusione
Il punto di fusione del nichel puro è circa 1455°C (1728 K / 2651°F), con riferimenti autorevoli che si raggruppano molto vicino a quel valore.
La leggera differenza nei numeri pubblicati è normale e riflette la cronologia delle misurazioni e gli arrotondamenti, non un disaccordo tecnico significativo.
Ancora più importante, Il vero valore industriale del nichel risiede nel modo in cui il comportamento di fusione cambia quando il nichel viene legato.
I gradi di nichel commercialmente puro fondono in un intervallo ristretto, mentre le leghe a base di nichel come il Monel 400, Inconel 600, e ATI 617 sono progettati attorno ai propri intervalli solidus-liquidus.
Ecco perché il nichel non è solo un metallo con un alto punto di fusione; è una piattaforma ad alta temperatura per la progettazione di materiali resistenti alla corrosione e al calore.
Domande frequenti
Qual è il punto di fusione del nichel in gradi Celsius e Fahrenheit?
Il nichel puro si scioglie a circa 1455°C, di cui si tratta 2651°F. ASM fornisce un valore strettamente correlato di 1453°C.
Perché le leghe di nichel hanno intervalli di fusione invece di un punto esatto??
Perché la lega modifica l'equilibrio di fase, quindi il materiale inizia a sciogliersi a solido temperatura e finisce di sciogliersi a una temperatura più alta liquido temperatura.
Il nichel puro è più facile da lavorare rispetto alle leghe di nichel?
Non necessariamente. Il nichel puro ha un punto di fusione acuto, ma le leghe a base di nichel vengono spesso selezionate perché offrono una migliore resistenza alla corrosione, ritenzione della forza, o resistenza al calore per il servizio previsto.
Perché il nichel è così importante nell'ingegneria delle alte temperature??
Perché combina un elevato punto di fusione con un'utile duttilità e la capacità di formare famiglie di leghe resistenti al calore utilizzate nell'hardware dei forni, scambiatori, parti aerospaziali, e sistemi relativi alle turbine.
