一般的な金属と合金の融点

1. 導入

材料の融点は、標準的な大気圧下で固体から液体に移行する温度として定義されていますが、材料科学の基本的な特性です.

この値は、金属または合金の処理方法を決定するだけでなく、特定の環境とアプリケーションへの適合性にも影響します.

正確な融点データは、安全で効率的な設計のために重要です, 材料の選択, 航空宇宙や自動車からエレクトロニクスやエネルギーまで、さまざまな業界での最適化を最適化します.

この記事では、純粋な金属と市販の合金の両方の融解挙動を探ります, キーデータのテーブルでサポートされています, 影響力のある要因の議論, および最新の測定技術.

2. 融解行動の基礎

熱力学的基盤

融解は統治されています 熱力学的平衡, 固相のギブス自由エネルギーが液体の自由エネルギーに等しい場所.

融解中, 材料が吸収します 融合の潜熱 構造全体が液体状態に移行するまで温度の変化なし.

結晶構造と結合

結晶構造は、融解温度に大きな影響を与えます. 例えば:

• FCC (顔中心の立方体) 金属, アルミニウムや銅など, 密に詰まった原子がより密に融合しているため、比較的低い融点がありますが、結合エネルギーが低い.
• BCC (体中心の立方体) 鉄やクロムのような金属は、一般に、原子結合が強く、格子安定性が高いため、より高い融点を示します。.

合金の融解挙動

純粋な物質とは異なり, 合金には通常、鋭い融点はありません. その代わり, 彼らはaを展示します 融解範囲, で定義されています ソリッド (融解の開始) そして 液体 (完全な融解) 気温.

これらの範囲を理解することは冶金で重要であり、しばしば視覚化されます バイナリおよび三元位相図.

3. 純粋な金属の融点

純粋な金属の融点はよく特徴付けられており、産業および学界の基準値として機能します.

下の表は、摂氏全体の一般的なエンジニアリング金属の融点を示しています (℃), 華氏 (°F), とケルビン (K):

重要な金属の融点

他の重要な純粋な金属の融点

4. 一般的な合金の融点

実際に, ほとんどのエンジニアリング材料は、純粋な金属ではなく合金です. これらの組み合わせは、しばしばに溶けます 範囲 構成が異なる複数のフェーズのため.

一般的な合金とその融解範囲

5. 融点に影響する要因

金属または合金の融点は、その元素組成だけによって決定される固定値ではありません.

これは、複雑な相互作用の結果です 原子構造, 化学結合, 微細構造, 外圧, と不純物.

合金要素の効果

融解行動を変える最も重要な要因の1つは、 合金要素.

これらの要素は金属クリスタル格子の規則性を破壊します, その性質とベースメタルとの相互作用に応じて、融点を上げるか下げますか.

• 鋼の炭素: 鉄の炭素含有量の増加は、ソリッド温度を大幅に低下させる.
  純粋な鉄は〜1538°Cで溶けます, しかし、炭素鋼は溶け始めます 1425 °C炭化鉄の形成による.
• シリコン (そして): 多くの場合、アイアンとアルミニウム合金を鋳造するために追加されます, シリコン缶 上げる 純粋なアルミニウムの融点ですが、ユートテクチック混合物の一部がそれを下げる傾向があります.
• クロム (Cr), ニッケル (で): ステンレス鋼で, これらの合金要素 微細構造を安定させます 融解挙動に影響を与える可能性があります.
  例えば, 304 ステンレス鋼は、そのために1400〜1450°Cの範囲で溶けます 18% cr and 8% NIコンテンツ.
• 銅 (銅) と亜鉛 (亜鉛): 真鍮で, Cu: Zn比は融解範囲を決定します. ZN含有量が高いほど融点が減少し、キャスティブが向上します, しかし、強度に影響を与える可能性があります.

微細構造特性

微細構造、特に粒子サイズと位相分布は、金属の融解挙動に微妙であるが影響力のある影響を与えることができます:

• 粒度: 細かい穀物は、穀物境界面積の増加により、見かけの融点をわずかに減らすことができます, 穀物自体よりも早く溶ける傾向があります.
• 第2フェーズ/包含: 沈殿します (例えば, 炭化物, 窒化物) および非金属包含物 (例えば, 酸化物または硫化物) 低温で溶けたり反応したりする可能性があります,
  原因 地元の液体 溶接または鍛造中の機械的完全性を分解します.

不純物と痕跡要素

少量の不純物（0.1％以下）でさえ、金属の融解挙動を変える可能性があります:

• 鋼の硫黄とリン: これらの要素は、低い販売点の共作を形成します, どれの 穀物の境界を弱めます そして、ホットワーキング能力を低下させます.
• チタンまたはアルミニウムの酸素: oのような間質性不純物, N, またはhは材料を抱きしめることができます 融解範囲を狭めます, 鋳造または焼結プロセスの割れにつながります.

環境と圧力の影響

融点もaです 外部条件の関数, 特にプレッシャー:

• 高圧効果: 外部圧力を上げると、一般に融点が上昇します, 原子が格子エネルギーを克服するのが難しくなるにつれて.
  これは、地球物理学および真空融解に特に関連しています.
• 真空または制御された大気: チタンやジルコニウムのような金属は、空気中の高温で酸化します.
  融解は下で実行する必要があります 真空または不活性ガス (アルゴン) 汚染を防ぎ、合金の純度を維持するため.

結晶構造と結合

結晶格子内の原子配置と結合エネルギーは、融解挙動の基本です:

• 体中心の立方体 (BCC) 金属: 鉄 (鉄), クロム (Cr), とモリブデン (モー) 強力な原子パッキングとより高い結合エネルギーのために高い融点を示す.
• 顔中心の立方体 (FCC) 金属: アルミニウム (アル), 銅 (銅), そしてニッケル (で) また、重要な融点を示しますが、通常、同様の原子量のBCC金属よりも低いです.
• 六角形の密集 (HCP): 異方性結合挙動のために、チタンや亜鉛のような金属は予想よりも低い温度で溶けます.

概要表: 要因とその典型的な効果

要素	融点への影響	例
炭素含有量 (スチールで)	↓ソリッド温度を下げます	鋼は純粋な鉄よりも〜100°C低い溶けになります
シリコンコンテンツ	↑マトリックス/合金に応じて上昇または低下します	al-si合金は純粋なalよりも低く溶けます
粒度	↓細かい穀物は、見かけの融点をわずかに減らす可能性があります	細粒のNi合金はより均一に溶けます
不純物	↓早期液化と局所溶融を促進します	鋼のSとPは、熱い作業性を低下させます
プレッシャー	↑圧力が高くなると融点が増加します	高圧焼結プロセスで使用されます
ボンディング & 結晶構造	↑強い結合=より高い融解点	モー > BCC格子が強いためCU

6. 測定技術と標準

高精度のある金属と合金の融点を理解することは、材料工学で重要です, 特に鋳造を含むアプリケーションの場合, 溶接, 鍛造, および熱デザイン.

しかし, 融点の測定は、見た目ほど簡単ではありません, 特に、単一のポイントではなく範囲で溶ける複雑な合金の場合.

このセクションでは、最も広く受け入れられている測定技術について説明します, 標準プロトコル, 信頼できる融点データの重要な考慮事項.

示差走査熱量測定 (DSC)

微分スキャン熱量測定は、金属と合金の融点を決定するための最も正確で広く使用されている方法の1つです。.

• 動作原理: DSCは、制御された条件下での基準と比較して、サンプルの温度を上げるために必要な熱流を測定します.
• 出力: 機器は、ANを示す曲線を生成します 吸熱ピーク 融点で. 合金用, それは両方を明らかにします ソリッド そして 液体 気温.
• アプリケーション: アルミニウム合金に一般的に使用されます, はんだ合金, 貴金属, 形状記憶合金のような高度な素材.

例: Al-Si合金のDSCテスト, 融解の開始 (ソリッド) 〜577°Cで発生します, 完全な液化中 (液体) 〜615°Cで仕上げます.

DTAおよびTGAを介した熱分析

微分熱分析 (DTA)

DTAはDSCに似ていますが、焦点を合わせています 温度差 熱の流れではなく.

• 研究のために研究で広範囲に使用されました 位相変換 そして融解反応.
• DTAは、より高い温度範囲を必要とする環境で優れています, スーパーアロや陶器のテストなど.

熱重量分析 (TGA)

ただし、融点の決定に直接使用されていません, TGAは評価に役立ちます 酸化, 分解, そして 蒸発 それは高温での融解挙動に影響を与える可能性があります.

高温炉での視覚的観察

鋼のような従来の金属用, 銅, そしてチタン, 融点は視覚的に使用されていることがよくあります 光学ピロメトリー または 高温顕微鏡炉:

• 手順: サンプルは、その表面が監視されている間に制御された炉で加熱されます. 融解は表面崩壊によって観察されます, 濡れ, またはビーズの形成.
• 正確さ: DSCよりも正確ではありませんが、品質管理のために産業環境でまだ広く使用されています.

注記: この方法は、迅速な合金スクリーニングが必要なファウンドリーではまだ標準です, 特にカスタム製剤用.

標準とキャリブレーションプロトコル

一貫したグローバルに受け入れられている結果を確保するため, 融点テストは準拠する必要があります 国際基準, 含む:

標準	説明
ASTM E794	熱分析による材料の融解と結晶化のための標準テスト方法
ASTM E1392	インジウムのような純粋な金属を使用したDSCキャリブレーションのガイドライン, 亜鉛, そして金
ISO 11357	ポリマーと金属の熱分析のためのシリーズ, DSCメソッドが含まれています
から 51004	DTAによる融解挙動を決定するためのドイツの標準

較正 正確な結果には不可欠です:

• 既知の融点を持つ純粋な参照金属 (例えば, インジウム: 156.6 ℃, 錫: 231.9 ℃, 金: 1064 ℃) 熱分析機器の校正に使用されます.
• 修正するには、定期的にキャリブレーションを実行する必要があります ドリフト 一貫した精度を確保します, 特に上記の材料を測定する場合 1200 ℃.

融点測定における実際的な課題

いくつかの要因が融点テストを複雑にする可能性があります:

• 酸化: アルミニウムやマグネシウムのような金属は、高温で簡単に酸化する, 熱伝達と精度に影響します. 保護雰囲気 (例えば, アルゴン, 窒素) または真空チャンバーが不可欠です.
• サンプルの均一性: 不均一な合金が展示される場合があります 広い融解範囲, 慎重なサンプリングと複数のテストが必要です.
• 過熱または過小評価: 動的テストで, サンプルはそうするかもしれません オーバーシュートまたはオーバーシュート 熱ラグまたは熱伝導率の低さによる真の融点.
• 小さなサンプル効果: 粉末冶金またはナノスケールの材料で, 粒子サイズが小さい場合は、表面エネルギーの増加により融点を減らすことができます.

7. 産業処理と融点データの応用

このセクションでは、融解動作が主要な産業プロセスとアプリケーションにどのように通知するかを調べます, 近代的な産業全体で特定のユースケースを強調している間.

鋳造と金属形成

融点データの最も直接的なアプリケーションの1つはにあります 金属鋳物 そして プロセスの形成, ここで 固体から液体への遷移温度 加熱要件を決定します, 金型デザイン, および冷却戦略.

• 低融合金属 (例えば, アルミニウム: 〜660°C, 亜鉛: 〜420°C) 大量に理想的です ダイカスト, 速いサイクル時間と低エネルギーコストを提供します.
• 融合材料 スチールのように (1425–1540°C) そしてチタン (1668 ℃) 必要とする 耐火型 そして 正確な熱制御 表面欠陥や不完全な充填を避けるため.

例: インコネルから作られたタービンブレードの投資鋳造 718 (〜1350〜1400°C), 微細構造の完全性と機械的信頼性を達成するためには、正確な融解と固化制御が重要です.

溶接とろう付け

溶接に関係します 局所的な融解 強力な金属の, 永久関節. 正確な融点データは、選択に不可欠です:

• フィラー金属 それはベースメタルのわずかに溶けます
• 溶接温度 穀物の成長や残留ストレスを防ぐため
• ろう付け合金, 銀ベースのはんだなど, ベースを溶かすことなくコンポーネントを結合するために600〜800°Cの間で溶けます

洞察力: ステンレス鋼 (304) 溶融範囲は〜1400〜1450°Cです. TIG溶接で, これは、シールドガスの選択を通知します (アルゴン/ヘリウム), フィラーロッド, および現在のレベル.

粉末冶金および添加剤の製造

融点は、ような高度な製造技術も管理しています パウダー冶金 (PM) そして 金属添加剤の製造 (午前), どこ サーマルプロファイル 部品品質に直接影響します.

• で PM焼結, 金属は融点のすぐ下に加熱されます (例えば, 〜1120〜1180°Cの鉄) 液化なしで拡散を通じて粒子を結合する.
• で レーザーパウダーベッドフュージョン (LPBF), 融点が決定​​します レーザー電源設定, スキャン速度, そして 層の接着.

ケーススタディ: TI-6AL-4Vの場合 (融解範囲: 1604–1660°C), 添加剤の製造には、残留ストレスを軽減し、ワーピングを避けるために制御された予熱が必要です.

高温コンポーネント設計

のような高性能セクターで 航空宇宙, 発電, そして 化学処理, コンポーネントは、高温で機械的強度を維持する必要があります.

したがって, 融点はaとして機能します スクリーニングしきい値 材料選択用.

• ニッケルベースの超合金 (例えば, インコネル, ハステロイ) 溶融範囲が高いため、タービンブレードとジェットエンジンで使用されます (1300–1400°C) クリープ抵抗.
• 耐火物 タングステンのように (融点: 3422 ℃) プラズマ向けコンポーネントと炉の暖房元素で使用されます.

安全ノート: 常にデザインします 安全マージン 材料の融点の下で、熱軟化を避けます, 位相不安定性, または構造障害.

リサイクルおよび二次処理

リサイクル操作, の 融点は重要なパラメーターを提供します 分離用, 回復, 貴重な金属の再処理:

• アルミニウムおよび亜鉛合金, 比較的低い融点で, エネルギー効率の高いリメルティングと再製造に最適です.
• ソートシステム サーマルプロファイリングを使用して、異なる融解行動に基づいて混合金属スクラップを分離できます.

特別なアプリケーション: はんだ付け, 融合する合金, および熱ヒューズ

いくつかのアプリケーションが悪用されます 正確に制御された低融点 のために 機能設計:

• はんだ合金 (例えば, sn-pb reutecticで 183 ℃) 鋭い融点によりエレクトロニクスに選ばれます, 回路基板の熱応力を最小化します.
• 融合する合金 木材の金属のように (〜70°C) またはフィールドの金属 (〜62°C) サーブします サーマルカットオフ, 安全バルブ, そして 温度に敏感なアクチュエーター.

8. 結論

融点は熱力学の問題だけではありません。金属と合金の設計方法に直接影響します, 処理, 現実世界の設定で適用されます.

基礎研究から実践的な製造まで, 融解行動を理解することは、確実に不可欠です 信頼性, 効率, そして 革新.

産業がより高度な材料を押し進めるにつれて 極端な環境, 融解行動を精密に操作して測定する能力は、材料工学と熱物理学の礎のままです.