1. 導入
銅は、人類の最も汎用性の高い金属の中にランクされています, その並外れた電気伝導性のおかげです, 耐食性, と成形性.
さらに, 科学者とエンジニアは、電気配線から熱交換器までの範囲のコンポーネントを設計するために銅の熱挙動に依存しています.
その結果, 銅の融点を理解することは、冶金と産業用の両方のアプリケーションで不可欠になります.
2. 融点の定義と重要性
の 融点 均衡条件下で固体が液体に移行する温度を表します.
実際に, 固相結合力と熱攪拌のバランスを示します.
したがって, 冶金学者は、材料を選択するためのベンチマークとして融点を使用します, 炉の設計, 鋳造プロセスの制御.
3. 銅の融点
純粋な銅は約で溶けます 1,085℃ (1,984°F).
この温度で, 銅は固体から液体に移行します, キャストすることを許可します, 参加, または合金. その堅実な形で, 銅には 面心立方体 (FCC) 構造
4. 熱力学的および原子レベルの視点
原子スケールで, 銅の実質的な融点はその由来です 金属結合 - 積極的に帯電したイオンを接着する非局在電子の海.
その電子構成, [アル] 3d＆⁰4s, 原子ごとに1つの伝導電子を供給します, これは、電気伝導率を支えるだけでなく、原子間の結束を強化する.
- 融合のエンタルピー: 〜13 kj/mol
- 融解の潜熱: 〜205 kJ/kg
これらの値は、融解中に金属結合を破壊するために必要なエネルギーを定量化します.
さらに, 銅の比較的高い原子質量 (63.55 アム) 密なFCC格子 (12 最近隣人) その結合エネルギーと熱安定性を高めます.
5. 銅の融点に影響する要因
いくつかの重要なパラメーターは、銅の融解挙動を変えます, 多くの場合、摂氏数十度だけ固体から液体への遷移温度をシフトすることにより.
これらの変数を理解することで、純粋な銅プロセスと合金生産の両方で正確な熱管理が可能になります.
合金要素と不純物
- 亜鉛とブリキ: 10〜40重量の紹介 % Znは融解範囲を真鍮で約900〜940°Cに低下させます. 同様に, 5–15 wt % SNは950〜1,000°Cの融解間隔で青銅を生成します.
- 銀とリン: シルバーをトレースします (≤1重量 %) 銅の液体を5〜10°C上げることができます, リン中 0.1 wt % 融点をわずかに減らし、流動性を改善します.
- 酸素と硫黄: 溶解した酸素は、上記のcu₂o包有物を形成します 1,000 ℃, 局所的な融点うつ病を引き起こします.
その間, ASの低い硫黄汚染 0.02 wt % 腹立につながり、穀物の境界で低融合の共作を作成する.
穀物のサイズと微細構造
- 素晴らしい対. 粗粒: 細粒の銅は、粒子結合領域の増加が格子を強化するため、わずかに高い融解開始を示します。.
- 析出硬化: Cu – Beのような合金で, 沈殿物は、融点を上げることができる局所ひずみ場を導入します 8 ℃, 沈殿物の体積分率に応じて.
クリスタル格子の欠陥
- 空室と脱臼: 高空孔濃度 (>10⁻⁴原子分画) 格子歪みを紹介します, 融点を3〜7°Cに下げる.
- 加工硬化: 冷たい銅には、凝集エネルギーを減らす絡み合った転位が含まれています, したがって、溶け込みは約で縮小します 4 アニールされた銅と比較して°C.
圧力効果
- クレジロン関係: 圧力を上げると、融解温度が大まかに増加します +3 Kパー 100 MPa.
産業融解はめったに周囲圧力を上回ることはありませんが, 高圧実験では、この予測可能な勾配を確認します.
熱履歴と表面条件
- 事前加熱: 400〜600°Cへの事前発熱を遅くすると、表面の酸化物と水分が発生する可能性があります, 早期の融点うつ病の防止.
- 表面コーティング: 保護フラックス (例えば, ボラックスベース) 表面を安定させ、野外処理中に真の融点を維持する障壁を形成します.
6. 銅合金の融点
以下は、一般的な銅合金の範囲の融点の包括的なリストです.
これらの値は、典型的なLiquidus温度を指します; 合金はしばしば範囲で固化します (固体→液体) ここでは、おおよその融解間隔として引用しています.
| 合金名 / 私たち | 構成 (wt％) | 融解範囲 (℃) |
|---|---|---|
| C10200 (ECD) | ≥99.90cu | 1 083–1085 |
| C11000 (withでelectlytic) | ≥99.90cu | 1 083–1085 |
| C23000 (イエローブラス) | 〜67cu -33zn | 900 –920 |
| C26000 (カートリッジ真鍮) | 〜70cu -30zn | 920 –940 |
| C36000 (フリーマシンブラス) | 〜61CU -38ZN -1PB | 920 –940 |
| C46400 (海軍真鍮) | 〜60cu -39n -1Sn | 910 –960 |
| C51000 (リン青銅) | 〜95CU -5SN | 1 000〜1050 |
| C52100 (高強度のPhos. ブロンズ) | 〜94CU -6SN | 1 000〜1050 |
| C61400 (アルミニウム青銅) | 〜82CU -10AL -8FE | 1 015–1035 |
| C95400 (アルミニウム青銅) | 〜79CU-10AL-6NI-3O | 1 020–1045 |
| C83600 (リードされた赤い真鍮) | 〜84CU -6SN -5PB -5NZ | 890 –940 |
| C90500 (ガンメタル) | 〜88CU -10SN -2N | 900 –950 |
| C93200 (シリコンブロンズ) | 〜95s。 | 1 000〜1050 |
| C70600 (90–10カプロニッケル) | 90 -10niで | 1 050–1150 |
| C71500 (70–30カプロニッケル) | 70 -30niで | 1 200–1300 |
| C17200 (ベリリウム銅) | 〜97cu -2be -11co | 865 –1000 |
7. 銅合金の融点変動
合金化要素が格子に入ると、銅の融解挙動は劇的にシフトします.
実際に, 冶金学者は、これらのバリエーションを活用して、鋳造温度を調整します, 流動性, および機械的パフォーマンス.
合金要素の影響
- 亜鉛 (亜鉛):
10〜40重量を追加します % 真鍮を形成するZnは融点範囲をほぼ低下させます 900–940°C, 〜39 wtのCu – Zn reutecticに感謝します % 亜鉛 (〜900°Cで融解します).
高亜鉛ブラス (その上 35 % 亜鉛) その共晶組成にアプローチし始めます, より狭い融解間隔と優れた流動性を示します. - 錫 (SN):
5〜15重量の紹介 % SNは、の融解間隔で青銅を生成します 950–1,000°C.
ここ, Cu – SN相図は、〜8 wtの共晶を示しています % SN (〜875°C), しかし、実用的な青銅器の構成はその上にあります, 液体を近くに押します 1,000 適切な強度を確保するための°C. - ニッケル (で):
カプロニケルズで (10–30 wt % で), Liquidusは登ります 1,050 ℃ (のために 10 % で) まで 1,200 ℃ (のために 30 % で).
銅に対するニッケルの強い親和性は結合エネルギーを上げ、ソリッドと液体の両方を上向きにシフトします. - アルミニウム (アル):
アルミニウムブロンズ (5–11 wt % アル) 間に溶けます 1,020–1,050°C.
それらの相図は、複雑な金属間相を明らかにします; 周りの主要な共同 10 % Alは〜1,010°Cで発生します, しかし、高等の合金には上記の温度が必要です 1,040 完全に液化する°C. - ベリリウム (なれ):
わずかな追加でさえ (〜2 wt %) の融解間隔を減らす 865–1,000°C 近くで低テンペラチックの共晶を促進することにより 2 % なれ (〜780°C).
これにより、精密な作業が容易になりますが、溶ける際に慎重な健康と安全性のコントロールが必要です.
ユートテクティックおよびソリューション効果
- ユートクティックシステム: 1回で共和系の組成またはその近くの合金が固化する, 急激な温度 - ダイキャスティングまたは薄壁キャスティング用のideal.
例えば, Cu – Zn合金 39 % Znは固まります 900 ℃, 流動性を最大化します. - ソリッドソリューション: 皮下または低ヨートティックの合金は、融解範囲を示します (固体から液体).
より広い範囲は、固化中に「どろどろ」ゾーンを引き起こす可能性があります, リスクのある隔離と気孔率. 対照的に, 高ヨートティック合金は、冷却時に脆い金属間を形成する可能性があります.
8. 銅の融点の産業関連
銅の融点 1 085 ℃ (1 984 °F) 鉱石を完成したコンポーネントに変換するほぼすべての大規模な操作で極めて重要な役割を果たします.
実際に, メーカーはこのプロパティを活用して、エネルギー使用を最適化します, 製品の品質を制御します, 廃棄物を最小限に抑えます.
製錬と精製
ファウンドリと製錬所は、銅濃縮物を日常的に加熱します 1 200–1 300 ℃, 完全なスラグ分離を確保するために、金属の融点を超えて.
炉を大まかに維持します 1 100 ℃, オペレーターは酸化損失を減らします: よく制御されているプロセスは、ドロスの形成を削減できます 4 % 下まで 1 %.
さらに, 酸性溶液に不純な陽極を溶解することにより、伸びる植物バイパスリメル, それでも、彼らはまだ最初の融解に依存して高品質のプレートをキャストします.
キャスティングと合金生産
真鍮を生産するとき, ブロンズ, またはアルミニウムブロンズ, 技術者は、各合金のすぐ上に溶融温度を設定します 液体.
例えば, 70/30 真鍮は約で溶けます 920 ℃, その間 6 % アルミニウムブロンズが必要です 1 040 ℃.
狭い内に入浴することによって ±5°C ウィンドウ, 彼らは完全なカビの浸透を達成します, 気孔を減らします 30 %, 一貫した合金化学を確保します.
大気制御と酸化管理
溶融銅は酸素と激しく反応するためです, 多くの施設が誘導または反響炉を改装します アルゴンまたは窒素シュラウド.
これらの不活性環境は、酸化損失を低下させます 2 % (オープンエア) 以下に 0.5 %, これにより、バスバーやコネクタなどの重要なコンポーネントの表面仕上げと電気伝導率が向上します.
リサイクルとエネルギー効率
スクラップ銅が消費するリサイクル まで 85 % エネルギーが少ない 一次生産よりも.
しかし, 混合合金のスクラップには、多くの場合、液体のポイントが付いた真鍮と青銅が含まれています。 900 °Cに 1 050 ℃.
現代のスクラップ融解システムは、再生バーナーと廃棄物の回復を採用しています, 全体的なエネルギー使用をトリミングします 15–20 %.
結果として, 二次銅が貢献しています 30 % 世界の供給の, コスト削減と環境上の利点に起因します.
9. 正確な融解制御が必要なアプリケーション
特定の製造プロセスでは、品質を保証するために銅の融点の周りに非常に厳しい温度調節を要求します, パフォーマンス, と再現性.
下に, 正確な融解制御にかかっている3つの重要なアプリケーションを調べます.
インベストメント鋳造
で インベストメント鋳造, ファウンドリは、内部の溶融温度を維持しています ±5°C 滑らかなカビの充填を確保し、多孔性を最小限に抑えるための合金のLiquidusの.
例えば, リン型ブロンズインペラーを鋳造するとき (液体〜1,000°100), 通常、オペレーターは入浴をします 1,005 ℃.
そうすることで, 彼らは過熱することなく完全なカビの浸透を達成します, それ以外の場合は次元の精度を分解し、ドロスの形成を増やすでしょう.
電気使用のための高品質の銅生産
電気グレードの銅の製造業者 (≥ 99.99 % 銅) 真空または不活性ガスの下で融解します, 内部への温度を制御します ±2°C の 1,083 ℃.
この厳しい制御は、ガスの閉じ込めと汚染を防ぎます, どちらも導電率を妥協します.
さらに, 連続鋳造ラインの緊密な熱管理は、電気性能をさらに高め、抵抗率を下回る細かい穀物構造を生成します 1.67 μΩ・cm.
添加剤の製造と薄膜堆積
レーザーパウダーベッドフュージョンで (LPBF) 銅合金の, エンジニアはレーザー電源とスキャン速度を調整して、周りに局所的なメルトプールを生成します 1,100 – 1,150 ℃.
正確なサーマルプロファイリング - 多くの場合、ピロメーターでリアルタイムで監視されます - 弾道を促進する, 気孔率, および鍵穴の欠陥.
同様に, 物理的な蒸気沈着で (PVD) 銅フィルムの, るつぼの温度は内にとどまる必要があります ±1°C 蒸発設定値の (通常 1,300 ℃) 堆積速度とフィルムの均一性をナノメートルの精度に制御する.
10. 他の金属との比較
銅の融点をより広い金属のスペクトルと比較することは、原子構造と結合エネルギーが熱挙動をどのように決定するかをさらに明確にし、エンジニアが適切な材料を選択するのに役立ちます.
融点と結合エネルギー
| 金属 | 融点 (℃) | 結合エネルギー (KJ/mol) | 結晶構造 |
|---|---|---|---|
| マグネシウム | 650 | 75 | HCP |
| 亜鉛 | 420 | 115 | HCP |
| 鉛 | 327 | 94 | FCC |
| アルミニウム | 660 | 106 | FCC |
| 銀 | 961 | 216 | FCC |
| 金 | 1 064 | 226 | FCC |
| 銅 | 1 085 | 201 | FCC |
| コバルト | 1 495 | 243 | HCP (α-何) |
| ニッケル | 1 455 | 273 | FCC |
| チタン | 1 668 | 243 | HCP (α-あなた) |
| 鉄 | 1 538 | 272 | BCC (Δ‑ fe), FCC (γ‑ fe) |
| 白金 | 1 768 | 315 | FCC |
| タングステン | 3 422 | 820 | BCC |
合金設計への影響
- エネルギーとコスト: 銅のような金属は、合理的な融解温度のバランスをとる (その周り 1 085 ℃) および強力な機械的特性.
対照的に, タングステンまたはプラチナの処理には、特殊な高温機器とより大きなエネルギー入力が必要です. - 参加とキャスティブ: 異なる金属を組み合わせるとき, ろう付け銅からチタンなど,
エンジニアは、塩基金属の損傷を避けるために、低温金属の下の融点でフィラーを選択します. - パフォーマンスチューニング: 合金設計者は、特定の熱条件下で実行される材料をエンジニアリングするために、これらの融解および結合の傾向を活用します,
彼らが低温の融合合金を必要とするか、高温の超合金を必要とするか.
11. 結論
銅と銅の合金の融点は、強力な金属結合と実行可能な熱要件のバランスを象徴しています.
エンジニアは、製錬で最適なパフォーマンスを達成します, 鋳造, 不純物を制御することにより、高度な製造, 合金要素, およびプロセスパラメーター.
産業がより大きなエネルギー効率と材料の持続可能性を求めて努力するにつれて, 銅の融解行動を徹底的に把握することは、革新のための重要な基盤のままです.
よくある質問
銅の融点はどのように測定されますか?
実験室は、微分スキャン熱量測定を使用して銅の融点を決定します (DSC) または、較正された熱電対を備えた高温炉.
これらの方法は、制御された速度でサンプルを加熱します (通常、5〜10°C/min) 固体から液体への遷移の開始を記録します.
銅の融点に最も強く影響する不純物?
亜鉛とスズは、銅の液体を大幅に低下させます (真鍮で900〜940°C、ブロンズで950〜1,000°Cに). 逆に, トレースシルバーは5〜10°Cで上げることができます.
酸素と硫黄は、しばしば低分解酸化物または硫化物を形成します, 局所的な融点抑うつを引き起こします.
