일반 금속 및 합금의 용융점

1. 소개

표준 대기압 하에서 고체에서 액체로 전환되는 온도로 정의 된 재료의 용융점은 재료 과학의 기본 특성입니다..

이 값은 금속 또는 합금의 처리 방법을 결정할뿐만 아니라 특정 환경 및 응용 프로그램에 대한 적합성에도 영향을 미칩니다..

정확한 멜로 포인트 데이터는 안전하고 효율적인 설계에 중요합니다., 재료 선택, 항공 우주 및 자동차에서 전자 제품 및 에너지에 이르기까지 다양한 산업 분야의 프로세스 최적화.

이 기사는 순수 금속과 상업적 합금의 녹는 거동을 탐구합니다., 주요 데이터 테이블에 의해 지원됩니다, 영향력있는 요인에 대한 토론, 현대 측정 기술.

2. 녹는 거동의 기초

열역학적 기초

용융은 통제됩니다 열역학적 평형, 고체상의 깁스가없는 에너지는 액체와 동일합니다..

녹는 동안, 재료는 융합의 잠복 전체 구조가 액체 상태로 전환 될 때까지 온도 변화없이.

결정 구조 및 결합

결정 구조는 용융 온도에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어:

• FCC (얼굴 중심 입방) 궤조, 알루미늄 및 구리와 같은, 더 조밀하게 포장 된 원자로 인해 융점이 상대적으로 낮지 만 결합 에너지가 낮습니다..
• 숨은참조 (신체 중심 입방) 철 및 크롬과 같은 금속은 일반적으로 원자 결합이 강하고 격자 안정성이 더 높은 융점을 나타냅니다..

합금의 녹는 거동

순수한 물질과 달리, 합금은 일반적으로 날카로운 용융점이 없습니다. 대신에, 그들은 전시합니다 용융 범위, 정의 solidus (녹는 발병) 그리고 액체 (완전한 용융) 온도.

이러한 범위를 이해하는 것은 야금에서 중요하며 종종 이진 및 3 단계 다이어그램.

3. 순수한 금속의 용융점

순수한 금속의 녹는 점은 잘 특성화되어 있으며 산업 및 학계의 기준 값으로 사용됩니다..

아래 표는 섭씨 전역의 일반적인 엔지니어링 금속의 녹는 점을 제시합니다. (℃), 화씨 (°F), 그리고 켈빈 (케이):

주요 금속의 용융점

다른 중요한 순수 금속의 융점

4. 일반적인 합금의 용융점

실제로, 대부분의 엔지니어링 재료는 순수한 금속이 아니라 합금입니다. 이 조합은 종종 a에 녹습니다 범위 다른 구성이있는 여러 단계로 인해.

일반적인 합금 및 녹는 범위

5. 용융점에 영향을 미치는 요인

금속 또는 합금의 용융점은 원소 구성에 의해서만 지시되는 고정 값이 아닙니다..

복잡한 상호 작용의 결과입니다 원자 구조, 화학적 결합, 미세 구조, 외부 압력, 그리고 불순물.

합금 요소의 효과

녹는 거동을 변화시키는 가장 중요한 요소 중 하나는 합금 요소.

이 요소들은 금속 결정 격자의 규칙 성을 방해합니다., 본질과 기본 금속과의 상호 작용에 따라 용융점을 높이거나 낮추는 것.

• 강철의 탄소: 철의 탄소 함량이 증가하면 고체 온도가 크게 낮아집니다..
  순수한 철은 ~ 1538 ° C에서 녹습니다, 그러나 탄소강이 녹기 시작합니다 1425 철차화물의 형성으로 인해 ° C.
• 규소 (그리고): 종종 캐스트 아이언과 알루미늄 합금에 추가됩니다, 실리콘은 할 수 있습니다 들어올리다 순수한 알루미늄의 융점이지만 음성 혼합물의 일부일 때 그것을 낮추는 경향이 있습니다..
• 크롬 (Cr), 니켈 (~ 안에): 스테인레스 강에서, 이 합금 요소 미세 구조를 안정화시킵니다 녹는 행동에 영향을 줄 수 있습니다.
  예를 들어, 304 스테인레스 스틸은 1400–1450 ° C의 범위에서 녹습니다. 18% Cr 및 8% NI 컨텐츠.
• 구리 (구리) 그리고 아연 (아연): 황동으로, Cu: Zn 비율은 용융 범위를 지시합니다. Zn 함량이 높을수록 녹는 점이 줄어들고 주조가 향상됩니다., 그러나 힘에 영향을 줄 수 있습니다.

미세 구조적 특성

미세 구조, 특히 곡물 크기 및 위상 분포는 금속의 용융 거동에 미묘하지만 영향을 미치는 영향을 미칠 수 있습니다.:

• 입자 크기: 더 미세한 곡물, 곡물보다 일찍 녹는 경향이 있습니다.
• 두 번째 단계/포함: 침전 (예를 들어, 탄화물, 질화물) 및 비금속 포함 (예를 들어, 산화물 또는 황화물) 더 낮은 온도에서 녹거나 반응 할 수 있습니다,
  원인 현지 주류 용접 또는 단조 동안 기계적 무결성을 저하시키는 것.

불순물 및 미량 요소

0.1%가없는 소량의 불순물조차도 금속의 녹는 행동을 변경할 수 있습니다.:

• 철강의 황과 인: 이러한 요소는 저진 지점 음성학을 형성합니다, 어느 입자 경계를 약화시킵니다 열렬한 작업 능력을 줄입니다.
• 티타늄 또는 알루미늄의 산소: O와 같은 간질 불순물, N, 또는 H는 재료를 수용 할 수 있습니다 용융 범위를 좁 힙니다, 주조 또는 소결 과정에서 균열이 발생합니다.

환경 및 압력 효과

용융점은 또한 a입니다 외부 조건의 기능, 특히 압력:

• 고압 효과: 외부 압력이 증가하면 일반적으로 용융점이 높아집니다, 원자가 격자 에너지를 극복하는 것이 어려워지면서.
  이것은 특히 지구 물리학 연구 및 진공 용융과 관련이 있습니다..
• 진공 또는 제어 대기: 티타늄 및 지르코늄과 같은 금속은 공기 중 고온에서 산화됩니다..
  용융을 수행해야합니다 진공 또는 불활성 가스 (아르곤) 오염을 방지하고 합금 순도를 유지합니다.

결정 구조 및 결합

결정 격자 내의 원자 배열 및 결합 에너지는 용융 거동의 기본입니다.:

• 신체 중심 입방 (숨은참조) 궤조: 철 (철), 크롬 (Cr), 및 몰리브덴 (모) 강한 원자 포장 및 높은 결합 에너지로 인해 높은 용융점을 나타냅니다..
• 얼굴 중심 입방 (FCC) 궤조: 알류미늄 (알), 구리 (구리), 그리고 니켈 (~ 안에) 또한 상당한 융점을 나타내지 만 일반적으로 유사한 원자 중량의 BCC 금속보다 낮습니다..
• 육각형 가까운 포장 (HCP): 이방성 결합 거동으로 인해 티타늄 및 아연과 같은 금속이 예상보다 낮은 온도에서 녹습니다..

요약표: 요인과 전형적인 효과

요인	용융점에 미치는 영향	예
탄소 함량 (강철로)	↓ 고체 온도를 낮 춥니 다	강철 용융 ~ 100 ° C 순수한 철보다 낮습니다
실리콘 함량	↑ 매트릭스/합금에 따라 상승 또는 ↓ 낮은	Al-Si 합금은 순수한 Al보다 낮습니다
입자 크기	↓ 미세 곡물은 명백한 녹는 점을 약간 감소시킬 수 있습니다	세분화 된 NI 합금이 더 균일하게 녹습니다
불순물	↓ 초기 주류 및 국소 용융을 촉진합니다	강철의 S와 P는 뜨거운 작업성을 줄입니다
압력	↑ 압력이 높을수록 융점이 증가합니다	고압 소결 공정에 사용됩니다
본딩 & 결정 구조	↑ 더 강한 결합 = 더 높은 융점	모 > 더 강한 BCC 격자로 인해 Cu

6. 측정 기법 및 표준

높은 정확도로 금속 및 합금의 융점을 이해하는 것은 재료 공학에서 중요합니다., 특히 캐스팅과 관련된 응용 프로그램의 경우, 용접, 단조, 열 설계.

하지만, 녹는 점을 측정하는 것은 보이는 것만 큼 간단하지 않습니다., 특히 단일 지점이 아닌 범위에서 녹는 복잡한 합금의 경우.

이 섹션에서는 가장 널리 인정되는 측정 기법을 살펴 봅니다, 표준 프로토콜, 신뢰할 수있는 용융점 데이터에 대한 주요 고려 사항.

시차 주사 열량계 (DSC)

차동 주사 열량 측정법은 금속 및 합금의 융점을 결정하는 가장 정확하고 널리 사용되는 방법 중 하나입니다..

• 작동 원리: DSC는 제어 된 조건 하에서 기준에 비해 샘플의 온도를 높이는 데 필요한 열 흐름을 측정합니다..
• 산출: 악기는 곡선을 보여주는 곡선을 생성합니다 흡열 피크 녹는 점에서. 합금 용, 그것은 두 가지를 모두 보여준다 solidus 그리고 액체 온도.
• 응용: 알루미늄 합금에 일반적으로 사용됩니다, 솔더 합금, 귀금속, 그리고 모양 메모리 합금과 같은 고급 재료.

예: AL-SI 합금의 DSC 테스트에서, 용융의 시작 (solidus) ~ 577 ° C에서 발생합니다, 완전한 액화 동안 (액체) ~ 615 ° C에서 마무리합니다.

DTA 및 TGA를 통한 열 분석

차동 열 분석 (DTA)

DTA는 DSC와 유사하지만 중점을 둡니다 온도 차이 열 흐름보다는.

• 연구를위한 연구에 광범위하게 사용됩니다 위상 변환 그리고 녹는 반응.
• 더 높은 온도 범위가 필요한 환경에서 DTA는 탁월합니다, 슈퍼 합금 및 도자기 테스트와 같은.

열 중량 분석 (TGA)

용융점 결정에 직접 사용되지는 않지만, TGA는 평가를 도와줍니다 산화, 분해, 그리고 증발 그것은 고온에서 녹는 행동에 영향을 줄 수 있습니다.

고온 용광로를 사용한 시각적 관찰

강철과 같은 전통적인 금속의 경우, 구리, 그리고 티타늄, 융점은 종종 시각적으로 사용되는 것으로 관찰됩니다 광학 불법 측정법 또는 고온 현미경 용광로:

• 절차: 표면을 모니터링하는 동안 샘플이 제어 된 용광로에서 가열됩니다.. 융합은 표면 붕괴로 관찰됩니다, 습식, 또는 구슬 형성.
• 정확성: DSC보다 덜 정확하지만 여전히 품질 관리를 위해 산업 환경에서 널리 사용됩니다..

메모: 이 방법은 빠른 합금 스크리닝이 필요한 파운드리에서 여전히 표준입니다., 특히 맞춤형 공식의 경우.

표준 및 보정 프로토콜

일관되고 전 세계적으로 수용된 결과를 보장합니다, 녹는 점 테스트를 준수해야합니다 국제 표준, 포함:

기준	설명
ASTM E794	열 분석에 의한 재료의 용융 및 결정화를위한 표준 테스트 방법
ASTM E1392	인듐과 같은 순수한 금속을 사용한 DSC 교정에 대한 지침, 아연, 그리고 금
ISO 11357	중합체 및 금속의 열 분석을위한 시리즈, DSC 방법을 포함합니다
에서 51004	DTA에 의한 용융 거동 결정을위한 독일 표준

구경 측정 정확한 결과에 필수적입니다:

• 알려진 용융점이있는 순수한 기준 금속 (예를 들어, 인듐: 156.6 ℃, 주석: 231.9 ℃, 금: 1064 ℃) 열 분석 기기를 교정하는 데 사용됩니다.
• 교정을 정기적으로 수행해야합니다 경향 일관된 정확도를 보장합니다, 특히 위의 재료를 측정 할 때 1200 ℃.

용융점 측정의 실질적인 과제

몇 가지 요소가 용융점 테스트를 복잡하게 할 수 있습니다:

• 산화: 알루미늄 및 마그네슘과 같은 금속은 높은 온도에서 쉽게 산화됩니다., 열 전달 및 정확도에 영향을 미칩니다. 보호 대기 (예를 들어, 아르곤, 질소) 또는 진공 챔버가 필수적입니다.
• 샘플 균질성: 불균일 합금이 나타날 수 있습니다 넓은 용융 범위, 신중한 샘플링 및 여러 테스트가 필요합니다.
• 과열 또는 과열: 동적 테스트에서, 샘플은 할 수 있습니다 오버 슈트 또는 슈트 열 지연 또는 열전 전도성이 좋지 않아 진정한 융점.
• 작은 샘플 효과: 분말 야금 또는 나노 스케일 재료에서, 작은 입자 크기는 표면 에너지 증가로 인해 융점을 줄일 수 있습니다..

7. 융점 데이터의 산업 처리 및 응용

이 섹션에서는 녹는 행동이 주요 산업 프로세스 및 응용 프로그램에 어떻게 알리는지를 탐색합니다., 현대 산업의 특정 사용 사례를 강조하면서.

주조 및 금속 형성

녹는 점 데이터의 가장 직접적인 응용 중 하나는 금속 주조 그리고 과정 형성, 어디에 고체-액체 전이 온도 난방 요구 사항을 결정합니다, 곰팡이 디자인, 냉각 전략.

• 저진 금속 (예를 들어, 알류미늄: ~ 660 ° C, 아연: ~ 420 ° C) 대량에 이상적입니다 다이캐스팅, 빠른 사이클 시간과 낮은 에너지 비용을 제공합니다.
• 고기 재료 강철처럼 (1425–1540 ° C) 그리고 티타늄 (1668 ℃) 필요하다 내화 된 곰팡이 그리고 정확한 열 제어 표면 결함과 불완전한 충전을 피하기 위해.

예: Inconel로 만든 터빈 블레이드의 투자 캐스팅 718 (~ 1350–1400 ° C), 정확한 용융 및 응고 제어는 미세 구조적 무결성 및 기계적 신뢰성을 달성하는 데 중요합니다..

용접 및 브레이징

용접은 포함됩니다 국소 용융 강하게 만들기 위해 금속, 영구적 인 관절. 정확한 융점 데이터는 선택하는 데 필수적입니다:

• 필러 금속 기본 금속 아래에서 약간 녹입니다
• 용접 온도 곡물 성장 또는 잔류 응력을 방지합니다
• 브레이징 합금, 실버 기반 군인과 같은, 베이스를 녹지 않고 구성 요소를 결합하기 위해 600–800 ° C 사이의 녹는

통찰력: 스테인레스 스틸 (304) 용융 범위는 ~ 1400–1450 ° C입니다. TIG 용접에서, 이것은 차폐 가스의 선택을 알려줍니다 (아르곤/헬륨), 필러로드, 그리고 현재 수준.

분말 야금 및 첨가제 제조

녹는 점은 또한 고급 제조 기술과 같은 고급 제작 기술을 적용합니다 분말 야금 (오후) 그리고 금속 첨가제 제조 (오전), 어디 열 프로파일 부품 품질에 직접 영향을 미칩니다.

• ~ 안에 오후 소결, 금속은 용융점 바로 아래에서 가열됩니다 (예를 들어, ~ 1120–1180 ° C에서 철) 액화없이 확산을 통해 입자를 결합합니다.
• ~ 안에 레이저 분말 침대 융합 (LPBF), 녹는 점이 결정됩니다 레이저 전원 설정, 스캔 속도, 그리고 층 접착력.

사례 연구: TI-6AL-4V 용 (용융 범위: 1604–1660 ° C), 첨가제 제조에는 잔류 응력을 줄이고 뒤틀림을 피하기 위해 제어 된 예열이 필요합니다..

고온 구성 요소 설계

고성능 부문에서 항공우주, 발전, 그리고 화학 처리, 구성 요소는 높은 온도에서 기계적 강도를 유지해야합니다.

따라서, 용융점은 a로 사용됩니다 스크리닝 임계 값 재료 선택을 위해.

• 니켈 기반 슈퍼 합금 (예를 들어, 인코넬, 하스텔로이) 높은 용융 범위로 인해 터빈 블레이드와 제트 엔진에 사용됩니다. (1300–1400 ° C) 크리프 저항.
• 내화 된 금속 텅스텐처럼 (녹는점: 3422 ℃) 플라즈마 대면 성분 및 용광로 가열 요소에 사용됩니다.

안전 노트: 항상 a로 디자인하십시오 안전 마진 열 연화를 피하기 위해 재료의 용융점 아래, 위상 불안정성, 또는 구조적 실패.

재활용 및 보조 처리

재활용 작업에서, 그만큼 융점은 중요한 매개 변수를 제공합니다 분리를 위해, 회복, 귀중한 금속을 재 처리합니다:

• 알루미늄 및 아연 합금, 비교적 녹는 점으로, 에너지 효율적인 재발 및 재 제조에 이상적입니다.
• 분류 시스템 열 프로파일 링을 사용하여 별개의 용융 거동에 따라 혼합 금속 스크랩을 분리 할 수 ​​있습니다..

특별 응용 프로그램: 납땜, 가용성 합금, 열 퓨즈

일부 응용 프로그램이 악용됩니다 정확하게 제어 된 낮은 용융점 ~을 위한 기능 디자인:

• 솔더 합금 (예를 들어, SN-PB 공학적 AT 183 ℃) 날카로운 녹는 점으로 인해 전자 제품에 대해 선택됩니다., 회로 보드의 열 응력을 최소화합니다.
• 가용성 합금 나무의 금속처럼 (~ 70 ° C) 또는 필드의 금속 (~ 62 ° C) 봉사하십시오 열 컷오프, 안전 밸브, 그리고 온도에 민감한 액추에이터.

8. 결론

녹는 점은 단순한 열역학의 문제가 아닙니다. 금속과 합금이 설계되는 방식에 직접적인 영향을 미칩니다., 가공, 실제 설정에 적용됩니다.

기초 연구에서 실제 제조에 이르기까지, 녹는 행동을 이해하는 것은 보장하는 데 필수적입니다 신뢰할 수 있음, 능률, 그리고 혁신.

산업이 더 고급 재료를 밀어 내면서 극단적 인 환경, 정밀하게 녹는 행동을 조작하고 측정하는 능력은 재료 공학 및 열 물리학의 초석으로 남아 있습니다..