1. Wstęp
Nikiel (symbol chemiczny to, liczba atomowa 28) jest plastyczny, srebrzystobiały metal przejściowy należący do Grupy 10 układu okresowego.
Wiarygodne dane termodynamiczne z NIST i Królewskiego Towarzystwa Chemii potwierdzają, że czysty nikiel ma standardową temperaturę topnienia 1455 °C (2651 °F, 1728 K).
W praktyce metal pierwiastkowy ma jedną temperaturę topnienia, ale stopy na bazie niklu zwykle topią się w pewnym zakresie, ponieważ tworzenie stopów zmienia temperatury solidusu i likwidusu.
Topnienie niklu jest jednym z powodów, dla których jest on tak szeroko stosowany w produktach odpornych na korozję i ciepło.
Komercyjny nikiel i stopy na bazie niklu można znaleźć w sprzęcie do przetwarzania chemicznego, wymienniki ciepła, osprzęt pieca, Usługa morska, i wysokotemperaturowe części konstrukcyjne, gdzie stabilność termiczna i kontrolowane krzepnięcie są tak samo ważne jak wytrzymałość.
2. Temperatura topnienia czystego niklu
Dla pierwiastkowego metalu, nikiel jest ogólnie traktowany jako: materiał o pojedynczej temperaturze topnienia zamiast stopu o szerokim zakresie.
Opublikowane wartości z różnych źródeł technicznych są bardzo zbliżone, tego właśnie oczekują inżynierowie od metalu referencyjnego: stabilna liczba, którą można śmiało wykorzystać przy projektowaniu procesu.
Reprezentatywne wartości dla czystego niklu
| Tworzywo | Zachowanie podczas topnienia | Znaczenie inżynierii |
| Czysty nikiel | 1453–1455 ° C. / 2647–2651°F / 1726–1728 K | Nikiel elementarny jest zasadniczo metalem szybko topliwym w praktycznym zastosowaniu. |
Niewielka różnica między 1453°C a 1455°C jest normalna w przypadku opublikowanych danych dotyczących topnienia.
Odzwierciedla różnice w czystości, metoda pomiaru, i konwencje zaokrąglania, a nie jakiekolwiek znaczące zmiany w samym metalu.
Do celów inżynieryjnych, czysty nikiel należy traktować jak metal o temperaturze topnienia ok 1455°C.
3. Stopy niklu i zakresy topnienia
Stopy na bazie niklu nie zachowują się jak czysty nikiel.
Po dodaniu innych elementów, stop zwykle rozwija się a Solidus I płyn, tak więc metal zaczyna się topić w jednej temperaturze, a kończy w wyższej.
Dlatego arkusze danych stopów podają a Zakres topnienia zamiast jednego punktu.
| Stopień niklu / stop | zakres topnienia °C | zakres topnienia °F | zakres topnienia K |
| Nikiel 200 / Nikiel 201 | 1435–1445°C | 2610–2630°F | 1708.15–1718,15 K |
| Stop monelu 400 | 1300–1350 ° C. | 2370–2460°F | 1573.15–1623,15 K |
| Stop INCONEL 600 | 1354–1413°C | 2470–2580°F | 1627.15–1686,15 tys |
| Stop VDM 601 | 1330–1370°C | 2426–2498°F | 1603.15–1643,15 tys |
| HAYNES / INCONEL 617 | 1330–1375°C | 2430–2510°F | 1603.15–1648,15 tys |
| Stop INCONEL 625 | 1290–1350 ° C. | 2350–2460°F | 1563.15–1623,15 K |
| Stop INCONEL 718 | 1260–1336°C | 2300–2437°F | 1533.15–1609,15 tys |
| HASTELLOY C-276 | 1323–1371°C | 2415–2500°F | 1596.15–1644,15 tys |
| Stop VDM 690 | 1390–1410°C | 2534–2570°F | 1663.15–1683,15 tys |
4. Czynniki wpływające na zachowanie niklu przy topnieniu
Czystość
Czystość jest pierwszym i najważniejszym czynnikiem.
Czysty nikiel wykazuje pojedynczy, ostro określona temperatura topnienia, podczas gdy gatunki czyste komercyjnie, takie jak nikiel 200/201 wykazują wąski zakres topnienia, ponieważ nawet małe różnice w składzie mają znaczenie.
Im materiał jest bliższy elementarnemu niklowi, tym bliżej zachowuje się przejścia jednopunktowego.
Dodatki stopowe
Tworzenie stopów jest głównym powodem, dla którego materiały niklowe rozwijają zakresy topnienia.
Dodatki miedzi, chrom, żelazo, kobalt, molibden, i inne pierwiastki zmieniają stabilność fazową i przesuwają temperatury solidusu i likwidusu.
Dlatego Monel 400, Inconel 600, i ATi 617 każdy z nich ma inny przedział topnienia, mimo że wszystkie są materiałami na bazie niklu.
Forma i specyfikacja produktu
Komercyjne produkty niklowe mogą być dostarczane z nieco innymi opublikowanymi wartościami, w zależności od postaci produktu i karty danych dostawcy.
Nie oznacza to jednak, że podstawowe zachowanie metalu uległo zmianie; oznacza to, że raportowany zakres odzwierciedla dokładną ocenę, drobne zanieczyszczenia, i stan produktu.
Dla inżynierów procesu, przypomina to o konieczności korzystania z arkusza danych dostawcy dla konkretnego ciepła lub partii, zamiast polegać na ogólnej wartości niklu.
Kontekst procesu termicznego
Zachowanie topiącego się niklu należy zawsze interpretować w kontekście. Piec odlewniczy, cykl lutowania, i proces spawania nie korzystają z tego samego celu termicznego.
Zakres topienia określa, jaką rezerwę cieplną ma operator, zanim metal zmięknie, zaczyna płynąć, lub traci kształt.
W stopach wysokotemperaturowych na bazie niklu, to okno jest podstawową częścią logiki projektu, nie refleksja.
5. Fizyczny & Zmiany chemiczne podczas topienia niklu
Zachowanie utleniania
Stopiony nikiel jest wysoce aktywny chemicznie. Powyżej 1000 °C, nikiel szybko reaguje z tlenem, tworząc tlenek niklu (NiO).
Bez ochrony przed gazem obojętnym, gęsta ciemna warstwa tlenku pokrywa powierzchnię cieczy, narastające defekty wtrąceń żużla hutniczego.
Przemysłowe topienie niklu musi obejmować osłonę argonu lub wytapianie próżniowe w celu odizolowania tlenu.
Rozpuszczalność pierwiastków gazowych
Stopiony nikiel ma silną rozpuszczalność wodoru i azotu. Rozpuszczalność gazu osiąga szczyt w pobliżu temperatury topnienia; Nadmiernie rozpuszczony gaz tworzy porowatość otworkową po zestaleniu.
Odgazowanie jest obowiązkowe w przypadku odlewów niklowych o wysokiej czystości.
Przejście magnetyczne
Nikiel posiada ferromagnetyzm w temperaturze pokojowej. Jego temperatura Curie wynosi 358 °C; powyżej tej krytycznej temperatury, nikiel trwale traci magnetyzm aż do ostygnięcia.
Zanikanie pola magnetycznego podczas topienia ułatwia mieszanie elektromagnetyczne w piecach do wytapiania.
6. Jak sprawdzić temperaturę topnienia niklu?
Różnicowa kalorymetria skaningowa i różnicowa analiza termiczna
Do oznaczania w skali laboratoryjnej, DSC I DTA to standardowe narzędzia do analizy termicznej służące do określania temperatur topnienia i krystalizacji czystych materiałów.
ASTM E794 stwierdza, że ta metoda badawcza opisuje oznaczanie temperatur topnienia i krystalizacji za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej i różnicowej analizy termicznej, oraz że metoda ta jest przydatna do kontroli jakości, akceptacja specyfikacji, i badania.
W rzeczywistości, kalibrację przeprowadza się przy użyciu znanych wzorców odniesienia, a czyste metale są powszechnie stosowane jako materiały kalibracyjne.
Temperaturę topnienia zwykle pobiera się z ekstrapolowany początek przejścia, podczas gdy próbka jest całkowicie stopiona w punkcie szczytowym.
To sprawia, że DSC jest szczególnie przydatne w przypadku niklu, gdy potrzebna jest dokładna wartość laboratoryjna.
Pirometria optyczna
Do bardzo gorących warunków przemysłowych, Pirometria optyczna to praktyczna metoda bezkontaktowa, ponieważ mierzy promieniowanie cieplne gorącego obiektu, a nie wymaga kontaktu fizycznego.
Dlatego jest cenny do obserwacji pieców, obsługa stopu, oraz inne kontrole procesów wysokotemperaturowych, w których czujniki kontaktowe mogą być niepraktyczne.
Praktyczne porównanie metod
| Metoda | Najlepsze zastosowanie | Wytrzymałość | Ograniczenie |
| DSC / DTA | Laboratoryjne oznaczanie temperatur topnienia i krystalizacji | Nadaje się do kontrolowanych pomiarów i analiz opartych na kalibracji | Wymaga małych próbek i kontrolowanych warunków testowych. |
| Pirometria optyczna | Pomiar temperatury pieca i procesu | Bezdotykowy i odpowiedni do bardzo gorących powierzchni | Mierzy temperaturę promieniowania w ścieżce widzenia, więc konfiguracja i emisyjność mają znaczenie. |
7. Przemysłowe zastosowania kontroli zakresu topnienia niklu
Precyzyjne odlewanie
W precyzyjne odlewanie, zakres topnienia określa, jaką wysokość cieplną musi zapewniać piec i jak ostrożnie należy zarządzać stopionym materiałem przed wylaniem.
W elementach pieców stosuje się czysty nikiel i stopy na bazie niklu, zbiorniki do obróbki chemicznej, wymienniki, wysokotemperaturowe części lotnicze, reaktory jądrowe, i turbiny, co oznacza, że trasa odlewania musi wytrzymać zarówno wysoką temperaturę, jak i agresywne wymagania eksploatacyjne.
Do odlewów stopowych, ważnym punktem nie jest pojedyncza temperatura topnienia, ale okno ciało stałe-ciecz.
Stop na bazie niklu może zacząć zamarzać, gdy część metalu jest jeszcze płynna, dlatego praktyka odlewnicza musi uwzględniać podawanie, skurcz, i kontrola krzepnięcia w pełnym zakresie.
Jest to wniosek inżynieryjny z opublikowanych temperatur topnienia stopów na bazie niklu.
Spawalniczy
Materiały na bazie niklu są powszechnie spawane, ponieważ można je łączyć konwencjonalnymi procesami spawania i zachować użyteczną wydajność w wymagających środowiskach.
Stop INCONEL 600 jest opisywany jako łatwo łączony za pomocą konwencjonalnych procesów spawania, a producent podaje szczegółowe materiały spawalnicze dla łuku metalowego w osłonie, łuk gazowo-wolframowy, i łączenie łukiem gazowo-metalowym.
Stop MONEL 400 jest również opisywany jako łatwo łączony za pomocą konwencjonalnych procesów.
Do spawania, kontrola zakresu topnienia ma znaczenie, ponieważ metal nieszlachetny nie może zostać przegrzany poza zamierzoną strefę stapiania.
Stopy niklu są często wybierane właśnie ze względu na przedziały topienia, wytrzymałość, a reakcja termiczna może wspierać kontrolowane łączenie w zastosowaniach o krytycznym znaczeniu dla usług.
Jest to szczególnie ważne, gdy spawana część musi pozostać stabilna wymiarowo i odporna na korozję po wytworzeniu.
Obróbka cieplna
Obróbka cieplna to kolejny obszar, w którym liczy się kontrola zakresu topnienia, ponieważ operator musi bezpiecznie pozostać poniżej jakichkolwiek warunków początkowego topnienia, jednocześnie osiągając wymagany cykl termiczny.
MIELIŚMY 617, Na przykład, jest zwykle wyżarzany w temp 1175°C (2150°F), który znajduje się poniżej opublikowanego zakresu topnienia 1330–1380 ° C..
Szczelina ta stanowi użyteczne okno termiczne, które umożliwia obróbkę cieplną bez zapadania się mikrostruktury.
Ta sama logika ma szersze zastosowanie do stopów na bazie niklu: obróbkę cieplną należy dobrać z uwzględnieniem solidusu i likwidusu stopu, aby część uzyskała zamierzony stan metalurgiczny bez częściowego stopienia.
W praktycznej produkcji, dlatego stopy niklu są zwykle przetwarzane w znacznie bardziej rygorystycznych warunkach temperaturowych niż metale o niższej temperaturze topnienia.
8. Wniosek
Temperatura topnienia czystego niklu wynosi ok 1455°C (1728 K / 2651°F), z wiarygodnymi odniesieniami skupiającymi się bardzo blisko tej wartości.
Nieznaczne rozbieżności w publikowanych liczbach są normalne i odzwierciedlają historię pomiarów oraz zaokrąglenia, nie jest to znaczący spór inżynieryjny.
Co ważniejsze, Prawdziwa wartość przemysłowa niklu polega na sposobie, w jaki zmienia się zachowanie podczas topienia, gdy nikiel jest stopowany.
Komercyjnie czyste gatunki niklu topią się w wąskim zakresie, podczas gdy stopy na bazie niklu, takie jak Monel 400, Inconel 600, i ATi 617 są zaprojektowane wokół własnych przedziałów solidus-liquidus.
Dlatego nikiel to nie tylko metal o wysokiej temperaturze topnienia; jest to platforma wysokotemperaturowa do projektowania materiałów odpornych na korozję i ciepło.
Często zadawane pytania
Jaka jest temperatura topnienia niklu w stopniach Celsjusza i Fahrenheita?
Czysty nikiel topi się w temperaturze ok 1455°C, o co chodzi 2651°F. ASM podaje ściśle powiązaną wartość 1453°C.
Dlaczego stopy niklu mają zakresy topnienia zamiast jednego dokładnego punktu??
Ponieważ tworzenie stopów zmienia równowagę fazową, więc materiał zaczyna się topić w temperaturze a Solidus temperaturze i kończy topienie w wyższej płyn temperatura.
Czy czysty nikiel jest łatwiejszy w obróbce niż stopy niklu??
Nie koniecznie. Czysty nikiel ma ostrą temperaturę topnienia, jednak często wybiera się stopy na bazie niklu, ponieważ zapewniają lepszą odporność na korozję, utrzymanie siły, lub odporność cieplna dla zamierzonej usługi.
Dlaczego nikiel jest tak ważny w inżynierii wysokotemperaturowej??
Ponieważ łączy w sobie wysoką temperaturę topnienia z użyteczną ciągliwością i możliwością tworzenia rodzin stopów żaroodpornych stosowanych w osprzęcie pieców, wymienniki, części lotnicze, oraz systemy związane z turbinami.
