Parasto metālu un sakausējumu kušanas punkti

1. Ievads

Materiāla kušanas temperatūra, kas definēta kā temperatūra, kurā tas standarta atmosfēras spiedienā pāriet no cietas vielas uz šķidrumu, ir materiālzinātnes pamatīpašība..

Šī vērtība ne tikai nosaka metāla vai sakausējuma apstrādes metodes, bet arī ietekmē tā piemērotību noteiktām vidēm un lietojumiem..

Precīzi kušanas temperatūras dati ir ļoti svarīgi drošai un efektīvai konstrukcijai, materiālu izvēle, un procesu optimizācija dažādās nozarēs — no kosmosa un autobūves līdz elektronikai un enerģētikai.

Šajā rakstā ir apskatīta gan tīru metālu, gan komerciālu sakausējumu kušanas īpašības, atbalsta galveno datu tabulas, diskusiju par ietekmējošiem faktoriem, un modernas mērīšanas metodes.

2. Kušanas uzvedības pamati

Termodinamiskā bāze

Kušanu regulē termodinamiskais līdzsvars, kur cietās fāzes Gibsa brīvā enerģija ir vienāda ar šķidruma enerģiju.

Kušanas laikā, materiāls absorbē latentais saplūšanas siltums bez temperatūras izmaiņām, līdz visa struktūra pāriet šķidrā stāvoklī.

Kristāliskā struktūra un savienošana

Kristāliskai struktūrai ir liela ietekme uz kušanas temperatūru. Piemēram:

• FCC (Uz seju orientēts kubiskais) metāli, piemēram, alumīnijs un varš, tiem ir relatīvi zemāki kušanas punkti blīvāk iesaiņotu atomu, bet zemākas saites enerģijas dēļ.
• BCC (Uz ķermeni vērsts kubisks) metāliem, piemēram, dzelzs un hromam, parasti ir augstāki kušanas punkti, pateicoties spēcīgākai atomu saitei un lielākai režģa stabilitātei.

Kušanas uzvedība sakausējumos

Atšķirībā no tīrām vielām, sakausējumiem parasti nav asas kušanas temperatūras. Tā vietā, viņi izstāda a kušanas diapazons, definē solidus (kušanas sākums) un šķidrs (pilnīga kušana) temperatūra.

Šo diapazonu izpratne ir ļoti svarīga metalurģijā, un tā bieži tiek vizualizēta binārās un trīskāršās fāzes diagrammas.

3. Tīro metālu kušanas punkti

Tīro metālu kušanas temperatūras ir labi raksturotas un kalpo kā atsauces vērtības rūpniecībā un akadēmiskajās aprindās.

Tālāk esošajā tabulā ir parādīti parasto inženiertehnisko metālu kušanas punkti pēc Celsija (° C), Fārenheita (° F), un Kelvins (Kandids):

Galveno metālu kušanas punkti

Citu svarīgu tīru metālu kušanas punkti

4. Parasto sakausējumu kušanas punkti

Praksē, lielākā daļa inženiertehnisko materiālu nav tīri metāli, bet sakausējumi. Šīs kombinācijas bieži izkūst virs a diapazons vairāku fāžu ar dažādu sastāvu dēļ.

Parastie sakausējumi un to kušanas diapazoni

5. Kušanas temperatūru ietekmējošie faktori

Metāla vai sakausējuma kušanas temperatūra nav fiksēta vērtība, ko nosaka tikai tā elementārais sastāvs.

Tas ir sarežģītas mijiedarbības rezultāts atomu struktūra, ķīmiskā saistīšana, mikrostruktūra, ārējais spiediens, un piemaisījumiem.

Leģējošu elementu ietekme

Viens no nozīmīgākajiem faktoriem, kas maina kušanas uzvedību, ir klātbūtne leģējošie elementi.

Šie elementi izjauc metāliskā kristāla režģa regularitāti, vai nu paaugstinot vai pazeminot kušanas temperatūru atkarībā no to rakstura un mijiedarbības ar parasto metālu.

• Ogleklis tēraudā: Palielinot oglekļa saturu dzelzs sastāvā, ievērojami pazeminās cietās daļiņas temperatūra.
  Tīra dzelzs kūst ~1538 °C, bet oglekļa tērauds sāk kust 1425 °C, jo veidojas dzelzs karbīdi.
• Silīcijs (Un): Bieži pievieno čuguniem un alumīnija sakausējumiem, silīcija var paaugstināt tīra alumīnija kušanas temperatūru, bet mēdz to pazemināt, ja tas ir daļa no eitektiskiem maisījumiem.
• Hroms (Krekls), Niķelis (Iekšā): Nerūsējošajos tēraudos, šie leģējošie elementi stabilizē mikrostruktūru un var ietekmēt kušanas uzvedību.
  Piemēram, 304 nerūsējošais tērauds kūst 1400–1450 °C diapazonā, pateicoties tā 18% Kr un 8% Ni saturs.
• Vara (Cu) un cinks (Zn): Misiņā, Cu: Zn attiecība nosaka kušanas diapazonu. Lielāks Zn saturs samazina kušanas temperatūru un uzlabo liejamību, bet var ietekmēt spēku.

Mikrostruktūras īpašības

Mikrostruktūrai, īpaši graudu izmēram un fāzes sadalījumam, var būt smalka, bet ietekmīga ietekme uz metālu kušanas izturēšanos.:

• Graudu lielums: Smalkāki graudi var nedaudz samazināt šķietamo kušanas temperatūru, jo palielinās graudu robežas laukums, kas mēdz izkust agrāk nekā paši graudi.
• Otrās fāzes/iekļaušanas: Nokrišņi (Piem., karbīdi, nitrīdi) un nemetāliski ieslēgumi (Piem., oksīdi vai sulfīdi) var izkausēt vai reaģēt zemākā temperatūrā,
  izraisot vietējā likvidācija un mehāniskās integritātes pasliktināšanās metināšanas vai kalšanas laikā.

Piemaisījumi un mikroelementi

Pat neliels piemaisījumu daudzums — mazāk nekā 0,1% — var mainīt metāla kušanas izturēšanos:

• Sērs un fosfors tēraudā: Šie elementi veido eitektiku ar zemu kušanas temperatūru, kuras vājina graudu robežas un samazina karstās apstrādes spēju.
• Skābeklis titānā vai alumīnijā: Intersticiālie piemaisījumi, piemēram, O, N, vai H var trauslot materiālu un sašaurina kušanas diapazonu, izraisot plaisāšanu liešanas vai saķepināšanas procesos.

Vides un spiediena ietekme

Kušanas temperatūra ir arī a ārējo apstākļu funkcija, īpaši spiediens:

• Augsta spiediena efekti: Palielināts ārējais spiediens parasti paaugstina kušanas temperatūru, jo atomiem kļūst grūtāk pārvarēt režģa enerģiju.
  Tas ir īpaši svarīgi ģeofizikālajos pētījumos un vakuumkausēšanā.
• Vakuums vai kontrolēta atmosfēra: Metāli, piemēram, titāns un cirkonijs, gaisā oksidējas augstā temperatūrā.
  Kausēšana jāveic zem vakuums vai inerta gāze (argons) lai novērstu piesārņojumu un uzturētu sakausējuma tīrību.

Kristāliskā struktūra un savienošana

Atomu izkārtojums un savienojuma enerģija kristāla režģī ir būtiska kušanas uzvedībai:

• Uz ķermeni vērsts kubisks (BCC) Metāli: Dzelzs (Fe), hroms (Krekls), un molibdēns (Noplūde) uzrāda augstus kušanas punktus spēcīgas atomu blīvēšanas un augstākas savienošanas enerģijas dēļ.
• Uz seju orientēts kubiskais (FCC) Metāli: Alumīnijs (Al), vara (Cu), un niķelis (Iekšā) uzrāda arī ievērojamus kušanas punktus, bet parasti tie ir zemāki nekā BCC metāliem ar līdzīgu atomu svaru.
• Sešstūrains, cieši iesaiņots (HCP): Metāli, piemēram, titāns un cinks, kūst zemākā temperatūrā, nekā paredzēts, pateicoties anizotropai saistīšanai.

Kopsavilkuma tabula: Faktori un to tipiskā ietekme

Koeficients	Ietekme uz kušanas temperatūru	Piemēri
Oglekļa saturs (tēraudā)	↓ Pazemina cietības temperatūru	Tērauds kūst par ~100°C zemāk nekā tīra dzelzs
Silīcija saturs	↑ Paaugstina vai ↓ pazemina atkarībā no matricas/sakausējuma	Al-Si sakausējumi kūst zemāk nekā tīrs Al
Graudu lielums	↓ Smalki graudi var nedaudz samazināt šķietamo kušanas temperatūru	Smalki graudaini Ni sakausējumi kūst vienmērīgāk
Piemaisījumi	↓ Veicināt agrīnu sašķidrināšanu un lokalizētu kušanu	S un P tēraudā samazina karstās apstrādes spēju
Spiediens	↑ Augstāks spiediens palielina kušanas temperatūru	Izmanto augstspiediena saķepināšanas procesos
Līmēšana & Kristāla struktūra	↑ Spēcīgākas saites = augstāka kušanas temperatūra	Noplūde > Cu stiprāka BCC režģa dēļ

6. Mērīšanas metodes un standarti

Metālu un sakausējumu kušanas punktu izpratne ar augstu precizitāti ir ļoti svarīga materiālu inženierijā, īpaši lietojumiem, kas saistīti ar liešanu, metināšana, kalšana, un siltuma dizains.

Lai arī, kušanas punktu mērīšana nav tik vienkārša, kā šķiet, īpaši sarežģītiem sakausējumiem, kas kūst diapazonā, nevis vienā punktā.

Šajā sadaļā ir apskatītas visplašāk pieņemtās mērīšanas metodes, standarta protokoli, un galvenie apsvērumi ticamiem kušanas temperatūras datiem.

Diferenciālā skenējošā kalorimetrija (DSC)

Diferenciālā skenējošā kalorimetrija ir viena no precīzākajām un visplašāk izmantotajām metodēm metālu un sakausējumu kušanas punktu noteikšanai..

• Darba princips: DSC mēra siltuma plūsmu, kas nepieciešama, lai palielinātu parauga temperatūru, salīdzinot ar atsauci kontrolētos apstākļos.
• Izvade: Instruments izveido līkni, kas parāda an endotermiskā virsotne kušanas punktā. Sakausējumiem, tas atklāj gan solidus un šķidrs temperatūra.
• Pieteikumi: Parasti izmanto alumīnija sakausējumiem, lodmetālu sakausējumi, dārgmetāli, un uzlaboti materiāli, piemēram, formas atmiņas sakausējumi.

Piemērs: Al-Si sakausējuma DSC testā, kušanas sākums (solidus) notiek pie ~577 °C, kamēr pilnīga sašķidrināšana (šķidrs) beidzas pie ~615 °C.

Termiskā analīze, izmantojot DTA un TGA

Diferenciālā termiskā analīze (DTA)

DTA ir līdzīga DSC, bet koncentrējas uz temperatūras starpība nevis siltuma plūsma.

• Plaši izmantots pētījumos, lai pētītu fāzes transformācijas un kušanas reakcijas.
• DTA izceļas vidēs, kurās nepieciešami augstāki temperatūras diapazoni, piemēram, supersakausējumu un keramikas testēšana.

Termogravimetriskā analīze (TGA)

Lai gan to neizmanto tieši kušanas punkta noteikšanai, TGA palīdz novērtēt oksidēšanās, sadalīšanās, un iztvaikošana kas var ietekmēt kušanas uzvedību augstās temperatūrās.

Vizuāla novērošana ar augstas temperatūras krāsnīm

Tradicionāliem metāliem, piemēram, tēraudam, vara, un titāns, kušanas temperatūra bieži tiek novērota vizuāli, izmantojot optiskā pirometrija vai augstas temperatūras mikroskopa krāsnis:

• Procedūra: Paraugu karsē kontrolētā krāsnī, kamēr uzrauga tā virsmu. Kušana tiek novērota pēc virsmas sabrukšanas, mitrināšana, vai krelles veidošana.
• Precizitāte: Mazāk precīzs nekā DSC, taču joprojām plaši izmanto rūpnieciskos apstākļos kvalitātes kontrolei.

Piezīme: Šī metode joprojām ir standarta lietuvēs, kur nepieciešama ātra sakausējuma sijāšana, īpaši pielāgotiem preparātiem.

Standarti un kalibrēšanas protokoli

Lai nodrošinātu konsekventus un globāli pieņemtus rezultātus, kušanas temperatūras testiem ir jāatbilst starptautiskajiem standartiem, ieskaitot:

Standarta	Apraksts
ASTM E794	Standarta testa metode materiālu kausēšanai un kristalizācijai ar termisko analīzi
ASTM E1392	Vadlīnijas DSC kalibrēšanai, izmantojot tīrus metālus, piemēram, indiju, cinks, un zelts
Iso 11357	Sērija polimēru un metālu termiskai analīzei, ietver DSC metodes
No 51004	Vācijas standarts kušanas uzvedības noteikšanai ar DTA

Kalibrēšana ir svarīgi precīziem rezultātiem:

• Tīri standartmetāli ar zināmiem kušanas punktiem (Piem., indijs: 156.6 ° C, skārda: 231.9 ° C, zelts: 1064 ° C) tiek izmantoti termiskās analīzes instrumentu kalibrēšanai.
• Lai labotu, periodiski jāveic kalibrēšana drifts un nodrošināt konsekventu precizitāti, īpaši, mērot iepriekš minētos materiālus 1200 ° C.

Kušanas temperatūras mērīšanas praktiskie izaicinājumi

Kušanas punkta testēšanu var sarežģīt vairāki faktori:

• Oksidācija: Metāli, piemēram, alumīnijs un magnijs, viegli oksidējas paaugstinātā temperatūrā, kas ietekmē siltuma pārnesi un precizitāti. Aizsargājošās atmosfēras (Piem., argons, slāpeklis) vai vakuuma kameras ir būtiskas.
• Parauga homogenitāte: Var būt nehomogēni sakausējumi plaši kušanas diapazoni, nepieciešama rūpīga paraugu ņemšana un vairākas pārbaudes.
• Pārkaršana vai nepietiekama karsēšana: Dinamiskajos testos, paraugi var pārsniegums vai pārsniegums patiesā kušanas temperatūra siltuma nobīdes vai sliktas siltumvadītspējas dēļ.
• Nelieli paraugi efekti: Pulvermetalurģijā vai nanomēroga materiālos, mazs daļiņu izmērs var samazināt kušanas punktus palielinātas virsmas enerģijas dēļ.

7. Kušanas punkta datu rūpnieciskā apstrāde un pielietojums

Šajā sadaļā ir apskatīts, kā kušanas process ietekmē galvenos rūpnieciskos procesus un lietojumus, vienlaikus izceļot konkrētus lietošanas gadījumus mūsdienu nozarēs.

Liešana un metāla formēšana

Viens no tiešākajiem kušanas punkta datu lietojumiem ir metāla liešana un veidošanās procesi, kur pārejas temperatūra no cietas uz šķidrumu nosaka apkures prasības, veidņu dizains, un dzesēšanas stratēģijas.

• Zemas kušanas metāli (Piem., alumīnijs: ~660 °C, cinks: ~420 °C) ir ideāli piemērots liela apjoma mirkšana, piedāvā ātru cikla laiku un zemas enerģijas izmaksas.
• Augstas kušanas materiāli kā tērauds (1425-1540 °C) un titāns (1668 ° C) pieprasīt ugunsizturīgās veidnes un precīza termiskā kontrole lai izvairītos no virsmas defektiem un nepilnīgiem pildījumiem.

Piemērs: No Inconel izgatavoto turbīnu lāpstiņu investīciju liešanā 718 (~1350–1400 °C), precīza kausēšanas un sacietēšanas kontrole ir būtiska, lai panāktu mikrostrukturālo integritāti un mehānisko uzticamību.

Metināšana un cietlodēšana

Metināšana ietver lokalizēta kušana no metāla, lai izveidotu stipru, pastāvīgas locītavas. Precīzi kušanas temperatūras dati ir svarīgi atlasei:

• Pildvielas metāli kas kūst nedaudz zem parastā metāla
• Metināšanas temperatūra lai novērstu graudu augšanu vai atlikušo spriegumu
• Lodēšanas sakausējumi, piemēram, lodmetāli uz sudraba bāzes, kas kūst 600–800 °C, lai savienotu detaļas, neizkausējot pamatni

Ieskats: Nerūsējošais tērauds (304) kušanas diapazons ir ~1400–1450 °C. TIG metināšanā, tas informē par aizsarggāzes izvēli (argons/hēlijs), uzpildes stienis, un pašreizējie līmeņi.

Pulvermetalurģija un piedevu ražošana

Kušanas punkti regulē arī tādas progresīvas ražošanas tehnoloģijas kā pulvermetalurģija (PM) un metāla piedevu ražošana (Esmu), kur termiskie profili tiešā veidā ietekmē detaļu kvalitāti.

• Iekšā PM saķepināšana, metāli tiek uzkarsēti tieši zem to kušanas temperatūras (Piem., gludināt ~1120–1180 °C) saistīt daļiņas caur difūziju bez sašķidrināšanas.
• Iekšā lāzera pulvera gultas saplūšana (LPBF), kušanas punktus nosaka lāzera jaudas iestatījumi, skenēšanas ātrums, un slāņa saķere.

Gadījuma izpēte: Paredzēts Ti-6Al-4V (kušanas diapazons: 1604-1660 °C), piedevu ražošanai nepieciešama kontrolēta priekšsildīšana, lai samazinātu atlikušo spriegumu un izvairītos no deformācijas.

Augstas temperatūras komponentu dizains

Augstas veiktspējas nozarēs, piemēram avi kosmosa, enerģijas ražošana, un ķīmiskā apstrāde, komponentiem ir jāsaglabā mehāniskā izturība paaugstinātā temperatūrā.

Tā, kušanas temperatūra kalpo kā a skrīninga slieksnis materiālu izvēlei.

• Supersakausējumi uz niķeļa bāzes (Piem., Neiebilstība, Hastelijs) tiek izmantoti turbīnu lāpstiņās un reaktīvos dzinējos to augstā kušanas diapazona dēļ (1300-1400 °C) un šļūdes pretestība.
• Ugunsizturīgi metāli kā volframs (kušanas punkts: 3422 ° C) tiek izmantoti plazmas komponentos un krāsns sildelementos.

Drošības piezīme: Vienmēr projektējiet ar a drošības rezerve zem materiāla kušanas temperatūras, lai izvairītos no termiskās mīkstināšanas, fāzes nestabilitāte, vai strukturālas kļūmes.

Pārstrāde un otrreizējā pārstrāde

Pārstrādes operācijās, līdz kušanas temperatūra nodrošina kritisku parametru atdalīšanai, atveseļojas, un vērtīgu metālu pārstrāde:

• Alumīnija un cinka sakausējumi, ar salīdzinoši zemu kušanas temperatūru, ir ideāli piemēroti energoefektīvai pārkausēšanai un pārstrādei.
• Šķirošanas sistēmas var izmantot termisko profilēšanu, lai atdalītu jauktus metāllūžņus, pamatojoties uz atšķirīgām kušanas īpašībām.

Īpašas lietojumprogrammas: Lodēšana, Kūstoši sakausējumi, un termo drošinātāji

Dažas lietojumprogrammas izmanto precīzi kontrolēti zemi kušanas punkti par funkcionāls dizains:

• Lodēšanas sakausējumi (Piem., Sn-Pb eitektika plkst 183 ° C) tiek izvēlēti elektronikai to aso kušanas punktu dēļ, samazinot termisko spriegumu shēmas plates.
• Kūstoši sakausējumi kā Vuda metāls (~70 °C) vai lauka metāls (~62 °C) kalpot iekšā termiskie ierobežojumi, drošības vārsti, un temperatūras jutīgi izpildmehānismi.

8. Secinājums

Kušanas punkti nav tikai termodinamikas jautājums – tie tieši ietekmē metālu un sakausējumu projektēšanu, apstrādāts, un tiek lietots reālās pasaules iestatījumos.

No fundamentālajiem pētījumiem līdz praktiskai ražošanai, kausēšanas uzvedības izpratne ir būtiska, lai nodrošinātu uzticamība, efektivitāte, un inovācijas.

Nozarēm tiecoties pēc progresīvākiem materiāliem ekstrēma vide, spēja precīzi manipulēt un izmērīt kušanas uzvedību joprojām būs materiālu inženierijas un termofizikālās zinātnes stūrakmens.