1. Ievads
Niķelis (ķīmiskais simbols ir, atomu numurs 28) ir elastīgs, sudrabaini balts pārejas metāls, kas pieder grupai 10 no periodiskās tabulas.
Autoritatīvie termodinamiskie dati no NIST un Karaliskās ķīmijas biedrības apstiprina, ka tīram niķelim ir standarta kušanas temperatūra 1455 ° C (2651 ° F, 1728 Kandids).
Elementārajam metālam praktiski ir viens kušanas punkts, bet sakausējumi uz niķeļa bāzes parasti kūst noteiktā diapazonā, jo sakausēšana maina cietās un šķidrās temperatūras.
Niķeļa kušanas īpašības ir viens no iemesliem, kāpēc to tik plaši izmanto korozijizturīgos un karstumizturīgos izstrādājumos.
Komerciālais niķelis un sakausējumi uz niķeļa bāzes ir atrodami ķīmiskās apstrādes iekārtās, siltummaiņi, krāsns aparatūra, jūras dienests, un augstas temperatūras konstrukcijas daļas, kur termiskā stabilitāte un kontrolēta sacietēšana ir tikpat svarīga kā izturība.
2. Tīra niķeļa kušanas temperatūra
Par elementāru metālu, niķelis parasti tiek uzskatīts par a materiāls ar vienu kušanas punktu nevis plaša diapazona sakausējums.
Publicētās vērtības no dažādiem tehniskajiem avotiem ir ļoti tuvas, ko inženieri vēlas no atsauces metāla: stabils skaitlis, ko var droši izmantot procesa plānošanā.
Tīra niķeļa reprezentatīvās vērtības
| Materiāls | Kušanas uzvedība | Inženierzinātņu nozīme |
| Tīrs niķelis | 1453-1455°C / 2647–2651°F / 1726-1728 K | Elementārais niķelis būtībā ir praktiski kūstošs metāls. |
Nelielā izkliede starp 1453°C un 1455°C ir normāla publicētajiem kušanas datiem.
Tas atspoguļo tīrības atšķirības, mērīšanas metode, un noapaļošanas konvencijas, nevis jebkādas nozīmīgas izmaiņas pašā metālā.
Inženiertehniskiem nolūkiem, tīrs niķelis ir jāapstrādā kā metāls ar kušanas temperatūru aptuveni 1455° C.
3. Niķeļa sakausējumi un kušanas diapazoni
Niķeļa bāzes sakausējumi neizturas kā tīrs niķelis.
Kad ir pievienoti citi elementi, sakausējums parasti attīstās a solidus un šķidrs, tātad metāls sāk kust vienā temperatūrā un beidz kušanu augstākā temperatūrā.
Tāpēc sakausējuma datu lapās ir norādīts a kušanas diapazons viena punkta vietā.
| Niķeļa šķira / sakausējums | kušanas diapazons °C | kušanas diapazons °F | kušanas diapazons K |
| Niķelis 200 / Niķelis 201 | 1435-1445°C | 2610–2630°F | 1708.15–1718,15 K |
| Monela sakausējums 400 | 1300-1350°C | 2370–2460°F | 1573.15–1623,15 K |
| INCONEL sakausējums 600 | 1354-1413°C | 2470–2580°F | 1627.15–1686,15 K |
| VDM sakausējums 601 | 1330-1370°C | 2426–2498°F | 1603.15–1643,15 K |
| HAINS / INCONEL 617 | 1330-1375°C | 2430-2510°F | 1603.15–1648,15 K |
| INCONEL sakausējums 625 | 1290-1350°C | 2350–2460°F | 1563.15–1623,15 K |
| INCONEL sakausējums 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 |
| VDM sakausējums 690 | 1390-1410°C | 2534–2570°F | 1663.15–1683,15 K |
4. Faktori, kas ietekmē niķeļa kušanas uzvedību
Tīrība
Tīrība ir pirmais un vissvarīgākais faktors.
Tīrs niķelis parāda singlu, asi noteikta kušanas temperatūra, savukārt komerciāli tīras kategorijas, piemēram, niķelis 200/201 uzrāda šauru kušanas diapazonu, jo pat nelielām sastāva atšķirībām ir nozīme.
Jo tuvāk materiāls ir elementārajam niķelim, jo tuvāk tas uzvedas viena punkta pārejai.
Leģēšanas piedevas
Leģēšana ir galvenais iemesls, kāpēc niķeļa materiāliem veidojas kušanas diapazoni.
Vara piedevas, hroms, dzelzs, kobalts, molibdēns, un citi elementi maina fāzes stabilitāti un maina cietā un likvīduma temperatūru.
Tāpēc Monels 400, Neiebilstība 600, un ATI 617 katram ir atšķirīgs kušanas intervāls, lai gan visi ir materiāli uz niķeļa bāzes.
Produkta forma un specifikācija
Komerciālie niķeļa izstrādājumi var tikt piegādāti ar nedaudz atšķirīgām publicētajām vērtībām atkarībā no produkta formas un piegādātāja datu lapas.
Tas nenozīmē, ka metāla būtiskā uzvedība ir mainījusies; tas nozīmē, ka norādītais diapazons atspoguļo precīzu atzīmi, nelieli piemaisījumi, un produkta stāvokli.
Procesu inženieriem, tas ir atgādinājums izmantot piegādātāja datu lapu konkrētajam siltumam vai partijai, nevis paļauties uz vispārēju niķeļa vērtību.
Termiskā procesa konteksts
Niķeļa kušanas uzvedība vienmēr ir jāinterpretē kontekstā. Liešanas krāsns, lodēšanas cikls, un metināšanas procesā neizmanto vienu un to pašu termisko mērķi.
Izkausēšanas diapazons nosaka, cik daudz termiskās telpas ir operatoram, pirms metāls kļūst mīksts, sāk plūst, vai zaudē formu.
Augstas temperatūras sakausējumos uz niķeļa bāzes, šis logs ir galvenā dizaina loģikas sastāvdaļa, nav pārdomas.
5. Fizisks & Ķīmiskās izmaiņas niķeļa kušanas laikā
Oksidācijas uzvedība
Izkausētais niķelis ir ļoti ķīmiski aktīvs. Iepriekš 1000 ° C, niķelis ātri reaģē ar skābekli, veidojot niķeļa oksīdu (NiO).
Bez inertās gāzes aizsardzības, blīva tumša oksīda plēve pārklāj šķidruma virsmu, pieaugošie kausēšanas izdedžu ieslēguma defekti.
Rūpnieciskajai niķeļa kausēšanai, lai izolētu skābekli, jāizmanto argona ekranēšana vai vakuumkausēšana.
Gāzes elementu šķīdība
Izkausētam niķelim ir spēcīga ūdeņraža un slāpekļa šķīdība. Gāzu šķīdības maksimums ir tuvu kušanas temperatūrai; pārmērīga izšķīdināta gāze pēc sacietēšanas veido caurumu porainību.
Degazācijas apstrāde ir obligāta augstas tīrības pakāpes niķeļa lējumiem.
Magnētiskā pāreja
Niķelim istabas temperatūrā piemīt feromagnētisms. Tā Kirī temperatūra ir 358 ° C; virs šīs kritiskās temperatūras, niķelis neatgriezeniski zaudē magnētismu līdz atdzišanai.
Magnētiskā izzušana kausēšanas laikā atvieglo elektromagnētisko maisīšanu kausēšanas krāsnīs.
6. Kā pārbaudīt niķeļa kušanas temperatūru?
Diferenciālā skenējošā kalorimetrija un diferenciālā termiskā analīze
Laboratorijas mēroga noteikšanai, DSC un DTA ir standarta termiskās analīzes rīki tīru materiālu kušanas un kristalizācijas temperatūras noteikšanai.
ASTM E794 norāda, ka šī testa metode apraksta kušanas un kristalizācijas temperatūru noteikšanu ar diferenciālo skenēšanas kalorimetriju un diferenciālo termisko analīzi., un ka metode ir noderīga kvalitātes kontrolei, specifikācijas pieņemšana, un pētījumiem.
Praksē, kalibrēšana tiek veikta, izmantojot zināmus atsauces standartus, un tīrus metālus parasti izmanto kā kalibrēšanas materiālus.
Kušanas temperatūru parasti ņem no ekstrapolēts sākums no pārejas, kamēr paraugs ir pilnībā izkusis pie maksimuma.
Tas padara DSC īpaši noderīgu niķelim, ja ir nepieciešama precīza laboratorijas vērtība.
Optiskā pirometrija
Ļoti karstiem rūpnieciskiem apstākļiem, optiskā pirometrija ir praktiska bezkontakta metode, jo tā mēra siltuma starojumu no karsta objekta, nevis prasa fizisku kontaktu.
Tas padara to vērtīgu krāsns novērojumiem, kausējuma apstrāde, un citas augstas temperatūras procesa pārbaudes, kur kontaktu sensori var būt nepraktiski.
Praktiskā metožu salīdzināšana
| Metode | Vislabāk izmantot | Izturība | Ierobežojums |
| DSC / DTA | Kušanas un kristalizācijas temperatūras laboratoriskā noteikšana | Piemērots kontrolētiem mērījumiem un uz kalibrēšanu balstītai analīzei | Nepieciešami nelieli paraugi un kontrolēti testa apstākļi. |
| Optiskā pirometrija | Krāsns un procesa temperatūras mērīšana | Bezkontakta un piemērots ļoti karstām virsmām | Mēra starojuma temperatūru skatīšanās ceļā, tāpēc iestatījumam un izstarojumam ir nozīme. |
7. Niķeļa kušanas diapazona kontroles rūpnieciskie pielietojumi
Precīzijas liešana
Iekšā precizitātes liešana, kušanas diapazons nosaka, cik liela termiskā telpa ir jānodrošina krāsnī un cik rūpīgi kausējums jāpārvalda pirms ieliešanas.
Krāšņu sastāvdaļās tiek izmantots tīrs niķelis un sakausējumi uz niķeļa bāzes, ķīmiskās apstrādes trauki, apmainītāji, augstas temperatūras kosmosa daļas, kodolreaktori, un turbīnas, kas nozīmē, ka liešanas maršrutam ir jāatbilst gan augstām temperatūrām, gan agresīvām apkalpošanas prasībām.
Sakausējumu lējumiem, svarīgais punkts nav vienīgais kušanas punkts, bet gan ciets-šķidrums logs.
Niķeļa bāzes sakausējums var sākt sasalt, kamēr daļa metāla vēl ir šķidra, tāpēc liešanas praksē ir jāņem vērā barošana, saraušanās, un sacietēšanas kontrole visā diapazonā.
Tas ir inženiertehnisks secinājums no publicētajiem niķeļa bāzes sakausējumu kušanas intervāliem.
Metināšana
Materiāli uz niķeļa bāzes tiek plaši metināti, jo tos var savienot ar parastajiem metināšanas procesiem un saglabāt noderīgu veiktspēju prasīgās vidēs.
INCONEL sakausējums 600 ir aprakstīts kā viegli savienojams ar parastajiem metināšanas procesiem, un ražotājs uzskaita īpašus metināšanas materiālus aizsargātam metāla lokam, gāzes volframa loks, un gāzes metāla loka savienošana.
MONEL sakausējums 400 tiek aprakstīts arī kā viegli savienojams ar tradicionālajiem procesiem.
Par metināšanu, kušanas diapazona kontrolei ir nozīme, jo parasto metālu nedrīkst pārkarst ārpus paredzētās saplūšanas zonas.
Niķeļa sakausējumus bieži izvēlas tieši to kušanas intervālu dēļ, izturība, un termiskā reakcija var atbalstīt kontrolētu pievienošanos pakalpojumam kritiskām lietojumprogrammām.
Tas ir īpaši svarīgi, ja metinātajai daļai pēc izgatavošanas jāpaliek stabilai izmēriem un izturīgai pret koroziju.
Termiskā apstrāde
Termiskā apstrāde ir vēl viena joma, kurā ir svarīga kušanas diapazona kontrole, jo operatoram ir droši jāpaliek zem jebkāda sākuma kušanas stāvokļa, vienlaikus sasniedzot nepieciešamo termisko ciklu.
MUMS BIJA 617, piemēram, parasti šķīdums tiek atkvēlināts pie 1175° C (2150° F), kas atrodas zem publicētā kušanas diapazona 1330-1380°C.
Šī sprauga ir izmantojamais termiskais logs, kas padara iespējamu termisko apstrādi, nesalaužot mikrostruktūru.
Tāda pati loģika plašāk attiecas uz sakausējumiem uz niķeļa bāzes: termiskā apstrāde ir jāizvēlas, ņemot vērā sakausējuma cietību un šķidrumu, lai detaļa iegūtu paredzēto metalurģisko stāvokli bez daļējas kušanas.
Praktiskajā ražošanā, tāpēc niķeļa sakausējumus parasti apstrādā ar daudz stingrāku temperatūras disciplīnu nekā metālus ar zemāku kušanas temperatūru.
8. Secinājums
Tīra niķeļa kušanas temperatūra ir aptuveni 1455° C (1728 Kandids / 2651° F), ar autoritatīvām atsaucēm, kas ir ļoti tuvu šai vērtībai.
Nelielā publicēto skaitļu atšķirība ir normāla parādība un atspoguļo mērījumu vēsturi un noapaļošanu, nav jēgpilnas inženierijas domstarpības.
Vēl svarīgāk, niķeļa patiesā rūpnieciskā vērtība slēpjas tajā, kā niķeļa sakausēšanas laikā mainās kušanas īpašības.
Komerciāli tīra niķeļa markas kūst šaurā diapazonā, savukārt sakausējumi uz niķeļa bāzes, piemēram, Monel 400, Neiebilstība 600, un ATI 617 ir izstrādāti atbilstoši saviem solidus-liquidus intervāliem.
Tāpēc niķelis nav tikai metāls ar augstu kušanas temperatūru; tā ir augstas temperatūras platforma korozijizturīgu un karstumizturīgu materiālu projektēšanai.
FAQ
Kāda ir niķeļa kušanas temperatūra pēc Celsija un Fārenheita?
Tīrs niķelis kūst apmēram plkst 1455° C, kas ir par 2651° F. ASM sniedz cieši saistītu vērtību 1453° C.
Kāpēc niķeļa sakausējumiem ir kušanas diapazoni, nevis viens precīzs punkts?
Jo sakausēšana maina fāzes līdzsvaru, tā materiāls sāk kust pie a solidus temperatūra un beidz kušanu augstākā temperatūrā šķidrs temperatūra.
Vai tīru niķeli ir vieglāk apstrādāt nekā niķeļa sakausējumus?
Nav obligāti. Tīram niķelim ir asa kušanas temperatūra, bet bieži tiek izvēlēti sakausējumi uz niķeļa bāzes, jo tie nodrošina labāku izturību pret koroziju, spēka saglabāšana, vai karstumizturība paredzētajam pakalpojumam.
Kāpēc niķelis ir tik svarīgs augstas temperatūras inženierijā??
Tā kā tas apvieno augstu kušanas temperatūru ar noderīgu elastību un spēju veidot karstumizturīgu sakausējumu grupas, ko izmanto krāsns aparatūrā, apmainītāji, kosmosa daļas, un ar turbīnām saistītās sistēmas.
