1. Introduksjon
Nikkel (kjemisk symbol er, atomnummer 28) er en duktil, sølvhvitt overgangsmetall som tilhører gruppen 10 av det periodiske bordet.
Autoritative termodynamiske data fra NIST og Royal Society of Chemistry bekrefter at rent nikkel har et standard smeltepunkt på 1455 ° C. (2651 ° F., 1728 K).
Det elementære metallet har et enkelt smeltepunkt i praksis, men nikkel-baserte legeringer smelter vanligvis over et område fordi legering endrer solidus- og liquidus-temperaturene.
Nikkels smelteatferd er en grunn til at det er så mye brukt i korrosjonsbestandige og varmebestandige produkter.
Kommersiell nikkel og nikkelbaserte legeringer finnes i kjemisk prosessutstyr, Varmevekslere, maskinvare til ovnen, Marintjeneste, og konstruksjonsdeler med høy temperatur, hvor termisk stabilitet og kontrollert størkning betyr like mye som styrke.
2. Smeltepunktet for rent nikkel
For det elementære metallet, nikkel blir generelt behandlet som en enkelt-smeltepunkt materiale heller enn en bredspektret legering.
Publiserte verdier fra forskjellige tekniske kilder er ekstremt nære, som er hva ingeniører ønsker fra et referansemetall: et stabilt tall som trygt kan brukes i prosessdesign.
Representative verdier for rent nikkel
| Materiale | Smelteatferd | Teknisk betydning |
| Rent nikkel | 1453–1455 ° C. / 2647–2651°F / 1726–1728 K | Elementært nikkel er i hovedsak et skarptsmeltende metall i praktisk bruk. |
Den lille spredningen mellom 1453°C og 1455°C er normal for publiserte smeltedata.
Det gjenspeiler forskjeller i renhet, målemetode, og avrundingskonvensjoner i stedet for noen meningsfull endring i selve metallet.
For ingeniørformål, rent nikkel bør behandles som et metall med et smeltepunkt på ca 1455° C..
3. Nikkellegeringer og smelteområder
Nikkelbaserte legeringer oppfører seg ikke som rent nikkel.
Når andre elementer er lagt til, legeringen utvikler vanligvis en Solidus og flytende, så metallet begynner å smelte ved én temperatur og slutter å smelte ved en høyere temperatur.
Det er derfor legeringsdatablad rapporterer en smelteområde i stedet for et enkelt punkt.
| Nikkelkvalitet / legering | smelteområde °C | smelteområde °F | smelteområde K |
| Nikkel 200 / Nikkel 201 | 1435–1445°C | 2610–2630°F | 1708.15–1718.15 K |
| Monel legering 400 | 1300–1350 ° C. | 2370–2460°F | 1573.15–1623,15 K |
| INCONEL legering 600 | 1354–1413°C | 2470–2580°F | 1627.15–1686.15 K |
| VDM-legering 601 | 1330–1370°C | 2426–2498°F | 1603.15–1643,15 K |
| HAYNES / INCONEL 617 | 1330–1375°C | 2430–2510°F | 1603.15–1648.15 K |
| INCONEL legering 625 | 1290–1350 ° C. | 2350–2460°F | 1563.15–1623,15 K |
| INCONEL legering 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-legering 690 | 1390–1410°C | 2534–2570°F | 1663.15–1683.15 K |
4. Faktorer som påvirker nikkels smelteatferd
Renhet
Renhet er den første og viktigste faktoren.
Rent nikkel viser en singel, skarpt definert smeltepunkt, mens kommersielt rene kvaliteter som nikkel 200/201 viser et smalt smelteområde fordi selv små komposisjonsforskjeller betyr noe.
Jo nærmere materialet er elementært nikkel, jo nærmere den oppfører seg en ettpunkts overgang.
Legeringstillegg
Legering er hovedårsaken til at nikkelmaterialer utvikler smelteområder.
Tilsetninger av kobber, krom, stryke, kobolt, Molybden, og andre elementer endrer fasestabiliteten og skifter solidus- og liquidus-temperaturene.
Det er derfor Monel 400, Inconel 600, og ATI 617 hver har forskjellige smelteintervaller selv om alle er nikkelbaserte materialer.
Produktform og spesifikasjon
Kommersielle nikkelprodukter kan leveres med litt forskjellige publiserte verdier avhengig av produktform og leverandørdatablad.
Dette betyr ikke at metallets grunnleggende oppførsel har endret seg; det betyr at det rapporterte området gjenspeiler den nøyaktige karakteren, mindre urenheter, og produktets tilstand.
For prosessingeniører, som er en påminnelse om å bruke leverandørdatabladet for den spesifikke varmen eller partiet i stedet for å stole på en generisk nikkelverdi.
Termisk prosess kontekst
Nikkels smelteatferd må alltid tolkes i sammenheng. En støpeovn, en loddesyklus, og en sveiseprosess bruker ikke det samme termiske målet.
Smelteområdet bestemmer hvor mye termisk takhøyde operatøren har før metallet mykner, begynner å flyte, eller mister formen.
I nikkelbaserte høytemperaturlegeringer, det vinduet er en kjernedel av designlogikken, ikke en ettertanke.
5. Fysisk & Kjemiske endringer under nikkelsmelting
Oksidasjonsatferd
Smeltet nikkel er svært kjemisk aktivt. Over 1000 ° C., nikkel reagerer raskt med oksygen for å generere nikkeloksid (NiO).
Uten inertgassbeskyttelse, en tett mørk oksidfilm dekker væskeoverflaten, økende inklusjonsdefekter i smelteslagg.
Industriell nikkelsmelting må ta i bruk argon-skjerming eller vakuumsmelting for å isolere oksygen.
Løselighet av gasselementer
Smeltet nikkel har sterk hydrogen- og nitrogenløselighet. Gassløseligheten topper seg nær smeltepunktet; for mye oppløst gass danner porøsitet for porer etter størkning.
Avgassbehandling er obligatorisk for nikkelstøpegods med høy renhet.
Magnetisk overgang
Nikkel har ferromagnetisme ved romtemperatur. Curie-temperaturen er 358 ° C.; over denne kritiske temperaturen, nikkel mister magnetisme permanent til det kjøles ned.
Magnetisk forsvinning under smelting letter elektromagnetisk omrøring i smelteovner.
6. Slik tester du smeltepunktet til nikkel?
Differensiell skanningkalorimetri og differensiell termisk analyse
For bestemmelse i laboratorieskala, DSC og DTA er standard termisk analyseverktøy for å bestemme smelte- og krystalliseringstemperaturer for rene materialer.
ASTM E794 sier at denne testmetoden beskriver bestemmelsen av smelte- og krystalliseringstemperaturer ved hjelp av differensiell skanningskalorimetri og differensiell termisk analyse, og at metoden er nyttig for kvalitetskontroll, aksept av spesifikasjoner, og forskning.
I praksis, kalibrering utføres ved bruk av kjente referansestandarder, og rene metaller brukes vanligvis som kalibreringsmaterialer.
Smeltetemperaturen tas vanligvis fra ekstrapolert begynnelse av overgangen, mens prøven er helt smeltet på toppen.
Det gjør DSC spesielt nyttig for nikkel når en nøyaktig laboratorieverdi er nødvendig.
Optisk pyrometri
For svært varme industrielle forhold, Optisk pyrometri er en praktisk ikke-kontakt metode fordi den måler termisk stråling fra den varme gjenstanden i stedet for å kreve fysisk kontakt.
Det gjør det verdifullt for ovnsobservasjoner, smeltehåndtering, og andre prosesskontroller ved høy temperatur der kontaktsensorer kan være upraktiske.
Praktisk sammenligning av metoder
| Metode | Beste bruk | Styrke | Begrensning |
| DSC / DTA | Labbestemmelse av smelte- og krystalliseringstemperaturer | Bra for kontrollert måling og kalibreringsbasert analyse | Krever små prøver og kontrollerte testforhold. |
| Optisk pyrometri | Ovns- og prosesstemperaturmåling | Berøringsfri og egnet for svært varme overflater | Måler strålingstemperatur i visningsbanen, så oppsett og emissivitet betyr noe. |
7. Industrielle anvendelser av nikkelsmelteområdekontroll
Presisjonsstøping
I Presisjonsstøping, smelteområdet bestemmer hvor mye termisk takhøyde ovnen må gi og hvor nøye smelten må håndteres før helling.
Rent nikkel og nikkelbaserte legeringer brukes i ovnskomponenter, kjemiske prosessfartøy, vekslere, høytemperatur romfartsdeler, atomreaktorer, og turbiner, som betyr at støperuten må håndtere både høye temperaturer og aggressive servicekrav.
For legeringsstøpegods, det viktige punktet er ikke det enkle smeltepunktet, men det fast-flytende vindu.
En nikkel-basert legering kan begynne å fryse mens en del av metallet fortsatt er flytende, så støperipraksis må ta hensyn til fôring, krymping, og størkningskontroll over hele spekteret.
Det er en teknisk slutning fra de publiserte smelteintervallene for nikkelbaserte legeringer.
Sveising
Nikkelbaserte materialer er mye sveiset fordi de kan sammenføyes av konvensjonelle sveiseprosesser og beholder nyttig ytelse i krevende miljøer.
INCONEL legering 600 beskrives som lett forbundet med konvensjonelle sveiseprosesser, og produsenten lister opp spesifikke sveisematerialer for skjermet metallbue, gass wolframbue, og gass metall-bue-skjøting.
MONEL Legering 400 beskrives også som lett forbundet med konvensjonelle prosesser.
For sveising, smelteområdekontroll er viktig fordi basismetallet ikke må overopphetes utover den tiltenkte smeltesonen.
Nikkellegeringer velges ofte nettopp på grunn av deres smelteintervaller, styrke, og termisk respons kan støtte kontrollert sammenføyning i tjenestekritiske applikasjoner.
Dette er spesielt viktig når den sveisede delen skal forbli dimensjonsstabil og korrosjonsbestandig etter fabrikasjon.
Varmebehandling
Varmebehandling er et annet område hvor smelteområdekontroll er viktig, fordi operatøren må holde seg trygt under enhver begynnende smeltetilstand mens den fortsatt oppnår den nødvendige termiske syklusen.
VI HADDE 617, for eksempel, er normalt løsning glødet ved 1175° C. (2150° F.), som ligger under sitt publiserte smelteområde på 1330–1380 ° C..
Det gapet er det brukbare termiske vinduet som gjør varmebehandling mulig uten å kollapse mikrostrukturen.
Den samme logikken gjelder bredere for nikkelbaserte legeringer: varmebehandling må velges med legeringens solidus og liquidus i tankene slik at delen oppnår den tiltenkte metallurgiske tilstanden uten delvis smelting.
I praktisk produksjon, dette er grunnen til at nikkellegeringer vanligvis behandles med mye strammere temperaturdisiplin enn metaller med lavt smeltepunkt.
8. Konklusjon
Smeltepunktet for rent nikkel er ca 1455° C. (1728 K / 2651° F.), med autoritative referanser som grupperer seg veldig nær denne verdien.
Den svake spredningen i publiserte tall er normal og gjenspeiler målehistorikk og avrunding, ikke en meningsfull teknisk uenighet.
Enda viktigere, Nikkels virkelige industrielle verdi ligger i måten smelteatferden endres når nikkel legeres.
Kommersielt rene nikkelkvaliteter smelter over et smalt område, mens nikkel-baserte legeringer som Monel 400, Inconel 600, og ATI 617 er konstruert rundt sine egne solidus-liquidus-intervaller.
Derfor er nikkel ikke bare et metall med høyt smeltepunkt; det er en høytemperaturplattform for utforming av korrosjonsbestandige og varmebestandige materialer.
Vanlige spørsmål
Hva er smeltepunktet for nikkel i Celsius og Fahrenheit?
Rent nikkel smelter ca 1455° C., som handler om 2651° F.. ASM gir en nært beslektet verdi av 1453° C..
Hvorfor har nikkellegeringer smelteområder i stedet for ett eksakt punkt?
Fordi legering endrer faselikevekt, så materialet begynner å smelte ved a Solidus temperatur og slutter å smelte ved en høyere flytende temperatur.
Er rent nikkel lettere å behandle enn nikkellegeringer?
Ikke nødvendigvis. Rent nikkel har et skarpt smeltepunkt, men nikkelbaserte legeringer velges ofte fordi de gir bedre korrosjonsbestandighet, styrke oppbevaring, eller varmebestandighet for den tiltenkte tjenesten.
Hvorfor er nikkel så viktig i høytemperaturteknikk?
Fordi den kombinerer et høyt smeltepunkt med nyttig duktilitet og evnen til å danne varmebestandige legeringsfamilier som brukes i ovnsutstyr, vekslere, Luftfartsdeler, og turbinrelaterte systemer.
