1. Ievads
Vara rindas starp cilvēces daudzpusīgākajiem metāliem, Pateicoties tā izcilajai elektriskajai vadītspējai, izturība pret koroziju, un formablitāte.
Turklāt, Zinātnieki un inženieri paļaujas uz vara termisko izturēšanos, lai izstrādātu komponentus, sākot no elektriskās elektroinstalācijas līdz siltummaiņiem.
Līdz ar to, Izpratne par vara kušanas temperatūru kļūst neaizstājama gan metalurģijas, gan rūpnieciskās lietojumprogrammās.
2. Kušanas punkta definīcija un nozīme
Līdz kušanas punkts apzīmē temperatūru, kurā līdzsvara apstākļos cieta pāreja šķidrumā.
Praksē, Tas iezīmē līdzsvaru starp cietās fāzes savienošanas spēkiem un termisko uzbudinājumu.
Tāpēc, Metalurgisti izmanto kausēšanas punktu kā etalonu materiālu izvēlei, Dizainas, un liešanas procesu kontrole.
3. Vara kausēšanas punkts
Tīrs vara kūst aptuveni 1,085° C (1,984° F).
Šajā temperatūrā, vara pāreja no cietas uz šķidrumu, ļaujot to atveidot, pievienojās, vai sakausēts. Tā cietā formā, varam ir a uz seju orientēts kubiskais (FCC) struktūra
4. Termodinamiskā un atomu līmeņa perspektīva
Atomu skalā, Vara būtiskais kausēšanas punkts izriet no tā metāliska savienošana- Delokalizēto elektronu jūra, kas līmējoši lādēti joni.
Tā elektronu konfigurācija, [Ar] 3D & ⁰4S, piegādā vienu vadīšanas elektronu uz vienu atomu, kas ne tikai pamato elektrisko vadītspēju, bet arī pastiprina interatomisko kohēziju.
- Saplūšanas entalpija: ~ 13 kJ/mol
- Latents kušanas karstums: ~ 205 kJ/kg
Šīs vērtības kvantitatīvi nosaka enerģiju, kas nepieciešama metāla saišu sadalīšanai kušanas laikā.
Turklāt, vara salīdzinoši augstā atomu masa (63.55 amu) un blīvs FCC režģis (12 tuvākie kaimiņi) paaugstināt tās saites enerģiju un termisko stabilitāti.
5. Faktori, kas ietekmē vara kausēšanas punktu
Vairāki galvenie parametri maina vara kušanas izturēšanos, Bieži vien, mainot tā cietā un šķidruma pārejas temperatūru par desmitiem grādu pēc Celsija.
Izpratne par šiem mainīgajiem ļauj precīzi pārvaldīt gan tīros vara procesos, gan sakausējuma ražošanā.
Elementu un piemaisījumu leģēšana
- Cinks un alva: Iepazīstinām ar 10–40 masu % Zn pazemina kušanas diapazonu līdz aptuveni 900–940 ° C misiņā. Līdzīgi, 5–15 WT % SN iegūst bronzu ar kušanas intervālu 950–1 000 ° C.
- Sudraba un fosfors: Pat izsekot sudrabam (≤1 wt %) var paaugstināt vara šķidrumu par 5–10 ° C, kamēr fosfors 0.1 wt % nedaudz samazina kušanas temperatūru un uzlabo plūstamību.
- Skābeklis un sēra: Izšķīdušais skābeklis veido cu₂o ieslēgumus virs 1,000 ° C, lokalizēta kušanas temperatūras depresijas izraisīšana.
Tikmēr, sēra piesārņojums tik zems kā 0.02 wt % noved pie emblozēšanas un rada zemu dzīļu eutektiku pie graudu robežām.
Graudu lielums un mikrostruktūra
- Smalks pret. Rupji graudi: Smalkai vara varam ir nedaudz lielāks kausēšanas sākums - parasti 2–5 ° C virs rupjas gredzenveida materiāla - jo palielināts graudu saistītais laukums stiprina režģi.
- Nokrišņu sacietēšana: Sakausējumos, piemēram, Cu - BE, Nokrišņi rada vietējos celma laukus, kas var paaugstināt kausēšanu līdz līdz 8 ° C, Atkarībā no nogulsnes tilpuma frakcijas.
Kristāla režģa defekti
- Vakances un dislokācijas: Augsta vakanču koncentrācija (>10⁻⁴ Atomu frakcija) Iepazīstiniet ar režģa kropļojumiem, Kušanas punkta pazemināšana par 3–7 ° C.
- Darba sacietēšana: Auksti apstrādāts varš satur sapinušas dislokācijas, kas samazina saliedēto enerģiju, Tādējādi nomācoša kausēšana par apmēram 4 ° C, salīdzinot ar rūdītu varu.
Spiediena ietekme
- Clageyron attiecības: Paaugstināšanas spiediens palielina kušanas temperatūru aptuveni aptuveni +3 K pret 100 MPA.
Kaut arī rūpniecības kūst reti pārsniedz apkārtējo spiedienu, Augsta spiediena eksperimenti apstiprina šo paredzamo slīpumu.
Siltuma vēsture un virsmas apstākļi
- Iepriekš uzkarsēt: Lēna iepriekš pagatavošana līdz 400–600 ° C var pārspēt virsmas oksīdus un mitrumu, novēršot agrīnu kausēšanas punktu depresiju.
- Virsmas pārklājumi: Aizsardzības plūsmas (Piem., bāzes bāzes) veido barjeru, kas stabilizē virsmu un uztur patieso kausēšanas punktu brīvā dabas apstrādes laikā.
6. Vara sakausējumu kausēšanas punkts
Zemāk ir visaptverošs kušanas punktu saraksts ar kopīgu vara sakausējumu diapazonu.
Šīs vērtības attiecas uz tipisko šķidruma temperatūru; sakausējumi bieži sacietē diapazonā (Ciets → šķidrums) kuru mēs šeit citējam kā aptuvenu kausēšanas intervālu.
| Sakausējuma nosaukums / Mūs | Sastāvs (WT%) | Kušanas diapazons (° C) |
|---|---|---|
| C10200 (ECD) | ≥99,90cu | 1 083–1085 |
| C11000 (Ievadīts ar) | ≥99,90cu | 1 083–1085 |
| C23000 (Dzeltens misiņš) | ~ 67cu - 33zn | 900 –920 |
| C26000 (Kasetnes misiņš) | ~ 70cu - 30zn | 920 –940 |
| C36000 (Brīva mašīna misiņš) | ~ 61cu -38zn -1pb | 920 –940 |
| C46400 (Jūras misiņš) | ~ 60cu -39n -1Sn | 910 –960 |
| C51000 (Fosfora bronza) | ~ 95cu -5nn | 1 000–1050 |
| C52100 (Augstas izturības fos. Bronza) | ~ 94cu -6sn | 1 000–1050 |
| C61400 (Alumīnija bronza) | ~ 82cu -10al -8fe | 1 015–1035 |
| C95400 (Alumīnija bronza) | ~ 79cu-10al-6ni-3o | 1 020–1045 |
| C83600 (Svina sarkanais misiņš) | ~ 84cu -6n -5pb -5nz | 890 –940 |
| C90500 (Pistoles metāls) | ~ 88cu -10sn -2n | 900 –950 |
| C93200 (Silīcija bronza) | ~ 95s. | 1 000–1050 |
| C70600 (90–10 cupronickel) | 90 Ar -10ni | 1 050–1150 |
| C71500 (70–30 cupronickel) | 70 Ar -30ni | 1 200–1300 |
| C17200 (Berilija vara) | ~ 97cu -2be -11co | 865 –1000 |
7. Kušanas punkta variācija vara sakausējumos
Vara kausēšanas uzvedība dramatiski mainās, tiklīdz leģēti elementi nonāk režģī.
Praksē, Metalurgisti izmanto šīs variācijas, lai pielāgotu liešanas temperatūru, šķidrums, un mehāniskā veiktspēja.
Leģējošo elementu ietekme
- Cinks (Zn):
Pievienojot 10–40 masas % Zn, lai veidotu misiņu, pazemina kušanas diapazonu līdz aptuveni 900–940 ° C, Paldies Cu - Zn eutektikai pie ~ 39 masas % Zn (Kūstot pie ~ 900 ° C).
Augstas cinka misiņa (iepriekš 35 % Zn) Sāciet tuvināties šim eutektiskajam kompozīcijai, parādot šaurāku kausēšanas intervālu un izcilu plūstamību. - Alvas (Sn):
Iepazīstinām ar 5–15 masu % SN iegūst bronzu ar kausēšanas intervālu 950–1 000 ° C.
Šeit, Cu - Sn fāzes diagramma parāda eutektiku pie ~ 8 masas % Sn (~ 875 ° C), bet praktiskas bronzas kompozīcijas ir virs tā, nospiežot šķidrumu tuvu 1,000 ° C, lai nodrošinātu atbilstošu izturību. - Niķelis (Iekšā):
Cupronickels (10–30 WT % Iekšā), Liquidus kāpj no 1,050 ° C (par 10 % Iekšā) līdz 1,200 ° C (par 30 % Iekšā).
Niķeļa spēcīgā afinitāte pret varu palielina saites enerģiju un maina gan Solidus, gan Liquidus uz augšu. - Alumīnijs (Al):
Alumīnija bronzas (5–11 WT % Al) izkausēt starp 1,020–1 050 ° C.
To fāzes diagramma atklāj sarežģītas starpmetāla fāzes; Primārā eitektika apkārt 10 % Al notiek ~ 1,010 ° C, bet augstāka līmeņa sakausējumiem nepieciešama augstāka temperatūra 1,040 ° C, lai pilnībā sašķidrinātu. - Berilijs (Būt):
Pat mazi papildinājumi (~ 2 masas %) samazināt kausēšanas intervālu līdz 865–1 000 ° C reklamējot zemas temperatūras eutektiku 2 % Būt (~ 780 ° C).
Tas atvieglo precīzu darbu, bet prasa rūpīgu veselības un drošības kontroli kušanas laikā.
Eutektiskā un cietā izšķirtspējas ietekme
- Eutektiskās sistēmas: Sakausējumi pie eutektiskām kompozīcijām sakopti vienā, Asas temperatūra - ideāls liešanas vai plānas sienas lējumiem.
Piemēram, Cu - Zn sakausējums 39 % Zn sacietē plkst 900 ° C, maksimizējot plūstamību. - Cietie risinājumi: Subeutektiskie vai hipo -eutektiskie sakausējumi uzrāda kušanas diapazonu (ciets līdz šķidrumam).
Plašākas diapazons var izraisīt “mīkstas” zonas sacietēšanas laikā, riskējot ar segregāciju un porainību. Turpretī, Hiper -etektiski sakausējumi var veidot trauslus starpmetālus, atdzesējot.
8. Vara kušanas temperatūras nozīme vara
Vara kausēšanas punkts 1 085 ° C (1 984 ° F) spēlē galveno lomu praktiski visās liela mēroga operācijā, kas pārveido rūdu par gatavām komponentiem.
Praksē, Ražotāji izmanto šo īpašumu, lai optimizētu enerģijas patēriņu, Kontroles produkta kvalitāte, un samazināt atkritumus.
Kausēšana un rafinēšana
Lietuves un kausētāji regulāri uzkarsē vara koncentrātus 1 200–1 300 ° C, Pārsniedziet metāla kausēšanas punktu, lai nodrošinātu pilnīgu sārņu atdalīšanu.
Uzturot krāsni aptuveni 1 100 ° C, Operatori samazina oksidācijas zudumus: Labi kontrolēti procesi var samazināt dross veidošanos no 4 % uz leju līdz zem 1 %.
Turklāt, Elektrorefinēšanas augi, apiet pārņemšanu, izšķīdinot strupceļus skābos šķīdumos, Tomēr tie joprojām ir atkarīgi no sākotnējām kausējumiem, lai izlietu ar lielas atteices plāksnēm.
Liešanas un sakausējuma ražošana
Ražojot misiņu, bronza, vai alumīnija bronza, Tehniķi nosaka kausēšanas temperatūru tieši virs katra sakausējuma šķidrs.
Piemēram, 70/30 misiņš kūst apmēram 920 ° C, kamēr 6 % Nepieciešama alumīnija bronza 1 040 ° C.
Turot vannu šaurā iekšienē ± 5 ° C logs, Viņi sasniedz pilnīgu pelējuma iespiešanos, samazināt porainību līdz līdz 30 %, un nodrošināt konsekventu sakausējuma ķīmiju.
Atmosfēras kontrole un oksidācijas pārvaldība
Tā kā izkusis varš enerģiski reaģē ar skābekli, daudzas telpas modernizē indukciju vai reverberējošas krāsnis ar argona vai slāpekļa apvalki.
Šīs inertās vides samazina oksidācijas zudumus no 2 % (ētra) uz zemāk 0.5 %, tādējādi uzlabojot virsmas apdari un elektrisko vadītspēju tādiem kritiskiem komponentiem kā autobusu stieņi un savienotāji.
Pārstrāde un energoefektivitāte
Lūžņu pārstrāde vara patērē līdz 85 % Mazāka enerģija nekā primārā produkcija.
Lai arī, Jauktā sakausējuma lūžņi bieži satur pūtējus un bronzas ar šķidruma punktiem, sākot no 900 ° C līdz 1 050 ° C.
Mūsdienu lūžņu kušanas sistēmas izmanto reģeneratīvus degļus un atkritumu karkasu atjaunošanos, Apgriežot kopējo enerģijas patēriņu 15–20 %.
Rezultātā, Sekundārais varš tagad veicina 30 % no globālās piegādes, ko veicina izmaksu ietaupījumi un vides priekšrocības.
9. Lietojumprogrammas, kurām nepieciešama precīza kausēšanas vadība
Daži ražošanas procesi prasa ārkārtīgi saspringtu temperatūras regulēšanu ap vara kausēšanas punktu, lai garantētu kvalitāti, sniegums, un atkārtojamība.
Zemāk, Mēs pārbaudām trīs galvenās lietojumprogrammas, kas ietekmē precīzu kušanas kontroli.
Investīciju liešana
Iekšā investīciju liešana, lietuves uztur kausējuma temperatūru ± 5 ° C no sakausējuma šķidruma, lai nodrošinātu gludu pelējuma pildījumu un samazinātu porainību.
Piemēram, Liekot fosfora -bronzas lāpstiņriteni (šķidrums ~ 1000 ° 100), Operatori parasti tur vannu plkst 1,005 ° C.
To darot, Viņi sasniedz pilnīgu pelējuma iespiešanos, pārkarstot, kas citādi pasliktinātu izmēru precizitāti un palielinātu dross veidošanos.
Augstas iespējamās vara ražošana elektriskai lietošanai
Elektriskās kvalitātes vara ražotāji (≥ 99.99 % Cu) Veiciet izkausēšanu zem vakuuma vai inerta gāzes, Temperatūras kontrole uz iekšpusi ± 2 ° C no 1,083 ° C.
Šī stingrā kontrole novērš gāzes ieslodzījumu un piesārņojumu, Abas no tām kompromitē vadītspēju.
Turklāt, Stingra termiskā pārvaldība nepārtrauktās liešanas līnijās dod smalku graudu struktūras, kas vēl vairāk uzlabo elektrisko veiktspēju un samazina pretestību zemāk 1.67 µΩ · cm.
Piedevu ražošana un plānas aizvietošana
Lāzera pulvera dobuma saplūšanā (LPBF) no vara sakausējumiem, Inženieri pielāgo lāzera jaudu un skenēšanas ātrumu, lai apkārt būtu lokalizēti kausēšanas baseini 1,100 - 1,150 ° C.
Precīza siltuma profilēšana - bieži tiek novērota reālā laikā ar pirometru - provokāti, kas balling, porainība, un atslēgas cauruma defekti.
Līdzīgi, Fiziskā tvaiku nogulsnēšanā (PVD) no vara filmām, tīģeļa temperatūrai jāpaliek iekšā ± 1 ° C no iztvaikošanas uzdotā punkta (parasti 1,300 ° C) kontrolēt nogulsnēšanās ātrumu un plēves vienveidību līdz nanometru precizitātei.
10. Salīdzinājumi ar citiem metāliem
Salīdzinot vara kausēšanas punktu ar plašāku metālu spektru.
Kušanas punkti un saites enerģijas
| Metāls | Kušanas punkts (° C) | Saites enerģija (KJ/mol) | Kristāla struktūra |
|---|---|---|---|
| Magnijs | 650 | 75 | HCP |
| Cinks | 420 | 115 | HCP |
| Svins | 327 | 94 | FCC |
| Alumīnijs | 660 | 106 | FCC |
| Sudrabs | 961 | 216 | FCC |
| Zelts | 1 064 | 226 | FCC |
| Vara | 1 085 | 201 | FCC |
| Kobalts | 1 495 | 243 | HCP (α -kas) |
| Niķelis | 1 455 | 273 | FCC |
| Titāns | 1 668 | 243 | HCP (α -jūs) |
| Dzelzs | 1 538 | 272 | BCC (Δ -fe), FCC (γ -FE) |
| Platīns | 1 768 | 315 | FCC |
| Volframs | 3 422 | 820 | BCC |
Ietekme uz sakausējuma dizainu
- Enerģija un izmaksas: Metāli, piemēram, varš, ir līdzsvars starp saprātīgu kušanas temperatūru (apkārt 1 085 ° C) un spēcīgas mehāniskās īpašības.
Turpretī, Volframa vai platīna apstrādei ir nepieciešams specializēts augstas temperatūras aprīkojums un lielāka enerģijas ievade. - Pievienošanās un atlasība: Apvienojot atšķirīgus metālus, piemēram, vara cietlodēšana uz titānu,
Inženieri izvēlas pildvielas ar kušanas temperatūru zem zemākas temperatūras metāla, lai izvairītos no pamatnes metāla bojājumiem. - Veiktspējas noregulēšana: Sakausējuma dizaineri izmanto šīs kausēšanas un savienošanas tendences inženieru materiāliem, kas darbojas īpašos termiskos apstākļos,
Neatkarīgi no tā, vai viņiem ir nepieciešams zemas temperatūras kausējams sakausējums vai augstas temperatūras superaloy.
11. Secinājums
Vara un vara sakausējumu kušanas temperatūra iemieso līdzsvaru starp spēcīgu metālisko savienošanu un funkcionējošajām termiskajām prasībām.
Inženieri sasniedz optimālu veiktspēju kausēšanu, liešana, un uzlabota ražošana, kontrolējot piemaisījumus, leģējošie elementi, un procesa parametri.
Tā kā nozares cenšas panākt lielāku energoefektivitāti un materiālo ilgtspējību, Rūpīga vara kausēšanas izturēšanās izpratne joprojām ir kritisks pamats inovācijai.
FAQ
Kā mēra vara kušanas temperatūru?
Laboratorijas nosaka vara kausēšanas punktu, izmantojot diferenciālo skenēšanas kalorimetriju (DSC) vai augstas temperatūras krāsns, kas aprīkota ar kalibrētiem termopāriem.
Šīs metodes silda paraugus ar kontrolētu ātrumu (parasti 5–10 ° C/min) un ierakstiet cietā un līdz līskapa pārejas sākumu.
Kas visspēcīgāk ietekmē vara kausēšanas punktu?
Cinks un alva ievērojami pazemina vara šķidrumu (līdz 900–940 ° C misiņos un 950–1 000 ° C bronzās). Tieši pretēji, izsekošanas sudrabs to var paaugstināt par 5–10 ° C.
Skābeklis un sēra bieži veido zemu kausējošus oksīdus vai sulfīdus, izraisot lokalizētas kušanas punkta depresijas.
