1. Zavedenie
Nikel (chemický symbol je, atómové číslo 28) je tvárna, strieborno-biely prechodný kov patriaci do skupiny 10 periodickej tabuľky.
Autoritatívne termodynamické údaje z NIST a Royal Society of Chemistry potvrdzujú, že čistý nikel má štandardnú teplotu topenia 1455 ° C (2651 °F, 1728 K).
Elementárny kov má z praktického hľadiska jeden bod topenia, ale zliatiny na báze niklu sa zvyčajne topia v určitom rozsahu, pretože legovanie mení teploty solidu a likvidu.
Chovanie niklu pri tavení je jedným z dôvodov, prečo sa tak široko používa v produktoch odolných voči korózii a teplu.
Komerčný nikel a zliatiny na báze niklu sa nachádzajú v zariadeniach na chemické spracovanie, výmenník tepla, hardvér pece, námorná služba, a vysokoteplotné konštrukčné diely, kde tepelná stabilita a kontrolované tuhnutie záleží rovnako ako pevnosť.
2. Teplota topenia čistého niklu
Pre elementárny kov, nikel sa vo všeobecnosti považuje za a materiál s jedným bodom topenia skôr ako širokospektrálna zliatina.
Publikované hodnoty z rôznych technických zdrojov sú si veľmi blízke, čo inžinieri chcú od referenčného kovu: stabilné číslo, ktoré možno s istotou použiť pri navrhovaní procesov.
Reprezentatívne hodnoty pre čistý nikel
| Materiál | Správanie pri topení | Inžiniersky význam |
| Čistý nikel | 1453–1455 °C / 2647–2651 °F / 1726-1728 tis | Elementárny nikel je v podstate ostro sa taviaci kov pri praktickom použití. |
Malý rozptyl medzi 1453 °C a 1455 °C je normálny pre publikované údaje o topení.
Odráža rozdiely v čistote, metóda merania, a zaokrúhľovacie konvencie skôr než akákoľvek zmysluplná zmena v samotnom kove.
Na inžinierske účely, čistý nikel by sa mal považovať za kov s teplotou topenia asi 1455° C.
3. Zliatiny niklu a rozsahy tavenia
Zliatiny na báze niklu sa nesprávajú ako čistý nikel.
Po pridaní ďalších prvkov, zliatina sa zvyčajne vyvíja a solidus a kvapalina, takže kov sa začína taviť pri jednej teplote a končí tavenie pri vyššej.
To je dôvod, prečo technické listy zliatin uvádzajú a rozsah topenia namiesto jediného bodu.
| Kvalita niklu / zliať | rozsah topenia °C | rozsah topenia °F | rozsah topenia K |
| Nikel 200 / Nikel 201 | 1435–1445 °C | 2610–2630 °F | 1708.15-1718,15 K |
| Zliatina Monel 400 | 1300–1350 °C | 2370–2460 °F | 1573.15–1623,15 K |
| Zliatina INCONEL 600 | 1354–1413 °C | 2470–2580 °F | 1627.15–1686,15 K |
| Zliatina VDM 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 |
| Zliatina INCONEL 625 | 1290–1350 °C | 2350–2460 °F | 1563.15–1623,15 K |
| Zliatina INCONEL 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 |
| Zliatina VDM 690 | 1390–1410 °C | 2534–2570 °F | 1663.15–1683,15 K |
4. Faktory, ktoré ovplyvňujú správanie sa niklu pri topení
Čistota
Čistota je prvým a najdôležitejším faktorom.
Čistý nikel ukazuje jediný, ostro definovaná teplota topenia, zatiaľ čo komerčne čisté druhy, ako je nikel 200/201 vykazujú úzky rozsah topenia, pretože dôležité sú aj malé rozdiely v zložení.
Čím je materiál bližšie k elementárnemu niklu, čím bližšie sa správa k jednobodovému prechodu.
Legujúce prísady
Legovanie je hlavným dôvodom, prečo niklové materiály dosahujú rozsahy tavenia.
Prídavky medi, chróm, žehlička, kobalt, molybdén, a ďalšie prvky menia fázovú stabilitu a posúvajú teploty solidu a likvidu.
Preto Monel 400, Odvoz 600, a ATI 617 každý má iný interval topenia, aj keď všetky sú materiály na báze niklu.
Forma a špecifikácia produktu
Komerčné niklové produkty sa môžu dodávať s mierne odlišnými publikovanými hodnotami v závislosti od formy produktu a údajového listu dodávateľa.
To neznamená, že sa základné správanie kovu zmenilo; to znamená, že uvedený rozsah odráža presný stupeň, drobné nečistoty, a stav produktu.
Pre procesných inžinierov, to je pripomienka, aby ste pre konkrétne teplo alebo šaržu použili technický list dodávateľa, a nie spoliehali sa na všeobecnú hodnotu niklu.
Tepelno-procesný kontext
Správanie sa pri tavení niklu sa musí vždy interpretovať v kontexte. Odlievacia pec, cyklus spájkovania, a zvárací proces nepoužívajú rovnaký tepelný cieľ.
Rozsah tavenia určuje, akú veľkú tepelnú výšku má operátor, kým kov zmäkne, začne prúdiť, alebo stratí tvar.
Vo vysokoteplotných zliatinách na báze niklu, toto okno je základnou súčasťou logiky návrhu, nie dodatočný nápad.
5. Fyzický & Chemické zmeny počas tavenia niklu
Oxidačné správanie
Roztavený nikel je vysoko chemicky aktívny. Vyššie 1000 ° C, nikel rýchlo reaguje s kyslíkom za vzniku oxidu niklu (NiO).
Bez ochrany inertným plynom, hustý tmavý oxidový film pokrýva povrch kvapaliny, zvýšenie defektov inklúzie taviacej trosky.
Priemyselné tavenie niklu musí mať argónové tienenie alebo vákuové tavenie, aby sa izoloval kyslík.
Rozpustnosť prvkov plynu
Roztavený nikel má silnú rozpustnosť vo vodíku a dusíku. Rozpustnosť plynu vrcholí blízko bodu topenia; nadmerný rozpustený plyn vytvára po stuhnutí dierkovú pórovitosť.
Odplynenie je povinné pre odliatky z niklu s vysokou čistotou.
Magnetický prechod
Nikel má pri izbovej teplote feromagnetizmus. Jeho Curieova teplota je 358 ° C; nad touto kritickou teplotou, nikel natrvalo stráca magnetizmus až do vychladnutia.
Magnetické zmiznutie počas tavenia uľahčuje elektromagnetické miešanie v taviacich peciach.
6. Ako otestovať bod topenia niklu?
Diferenciálna skenovacia kalorimetria a diferenciálna termická analýza
Na stanovenie v laboratórnom meradle, DSC a DTA sú štandardné nástroje tepelnej analýzy na stanovenie teploty topenia a kryštalizácie čistých materiálov.
ASTM E794 uvádza, že táto testovacia metóda opisuje stanovenie teploty topenia a kryštalizácie diferenciálnou skenovacou kalorimetriou a diferenciálnou termickou analýzou, a že metóda je užitočná na kontrolu kvality, prijatie špecifikácie, a výskum.
V praxi, kalibrácia sa vykonáva pomocou známych referenčných štandardov, a čisté kovy sa bežne používajú ako kalibračné materiály.
Teplota topenia sa zvyčajne odoberá z extrapolovaný začiatok prechodu, zatiaľ čo vzorka je na vrchole úplne roztavená.
Vďaka tomu je DSC obzvlášť užitočný pre nikel, keď je potrebná presná laboratórna hodnota.
Optická pyrometria
Pre veľmi horúce priemyselné podmienky, optická pyrometria je praktická bezkontaktná metóda, pretože meria tepelné žiarenie z horúceho objektu a nevyžaduje fyzický kontakt.
To ho robí cenným pre pozorovania pece, manipulácia s taveninou, a iné kontroly procesov pri vysokej teplote, kde môžu byť kontaktné snímače nepraktické.
Praktické porovnanie metód
| Metóda | Najlepšie využitie | Sila | Obmedzenie |
| DSC / DTA | Laboratórne stanovenie teplôt topenia a kryštalizácie | Dobré pre kontrolované meranie a analýzu založenú na kalibrácii | Vyžaduje malé vzorky a kontrolované skúšobné podmienky. |
| Optická pyrometria | Meranie teploty pece a procesu | Bezkontaktné a vhodné na veľmi horúce povrchy | Meria radiačnú teplotu v dráhe sledovania, takže na nastavení a emisivite záleží. |
7. Priemyselné aplikácie riadenia rozsahu tavenia niklu
PrecisionCasting
V presné liatie, rozsah tavenia určuje, akú tepelnú výšku musí pec poskytnúť a ako starostlivo sa musí s taveninou zaobchádzať pred nalievaním.
V komponentoch pecí sa používa čistý nikel a zliatiny na báze niklu, nádoby na chemické spracovanie, výmenníky, vysokoteplotné letecké diely, jadrové reaktory, a turbíny, čo znamená, že cesta odlievania musí zvládnuť vysoké teploty aj agresívne prevádzkové požiadavky.
Pre zliatinové odliatky, dôležitým bodom nie je jediný bod topenia, ale okno tuhá látka-kvapalina.
Zliatina na báze niklu môže začať mrznúť, kým je časť kovu ešte tekutá, takže zlievarenská prax musí počítať s kŕmením, zhoršenie, a kontrola tuhnutia v celom rozsahu.
To je technický záver z publikovaných intervalov tavenia zliatin na báze niklu.
Zváranie
Materiály na báze niklu sú široko zvárané, pretože sa dajú spájať konvenčnými zváracími procesmi a zachovávajú si užitočný výkon v náročných prostrediach.
Zliatina INCONEL 600 je opísaný ako ľahko spájateľný konvenčnými zváracími procesmi, a výrobca uvádza špecifické zváracie materiály pre tienený kovový oblúk, plynový volfrámový oblúk, a plynové kov-oblúkové spájanie.
Zliatina MONEL 400 je tiež opísaný ako ľahko spojený konvenčnými procesmi.
Na zváranie, kontrola rozsahu tavenia je dôležitá, pretože základný kov sa nesmie prehriať nad zamýšľanú zónu tavenia.
Zliatiny niklu sa často vyberajú práve kvôli ich intervalom tavenia, sila, a tepelná odozva môže podporovať riadené spájanie v aplikáciách kritických pre služby.
To je dôležité najmä vtedy, keď zváraný diel musí po výrobe zostať rozmerovo stabilný a odolný voči korózii.
Tepelné spracovanie
Tepelné spracovanie je ďalšou oblasťou, kde je dôležitá kontrola rozsahu topenia, pretože operátor musí zostať bezpečne pod akýmkoľvek počiatočným stavom tavenia, pričom stále dosahuje požadovaný tepelný cyklus.
MALI SME 617, napríklad, je normálne rozpúšťacie žíhané pri 1175° C (2150°F), ktorý leží pod publikovaným rozsahom topenia 1330–1380 °C.
Táto medzera je použiteľné tepelné okno, ktoré umožňuje tepelné spracovanie bez zrútenia mikroštruktúry.
Rovnaká logika platí širšie pre zliatiny na báze niklu: tepelné spracovanie musí byť zvolené s ohľadom na solidus a liquidus zliatiny, aby dielec získal zamýšľaný metalurgický stav bez čiastočného roztavenia.
V praktickej výrobe, to je dôvod, prečo sa zliatiny niklu zvyčajne spracovávajú s oveľa prísnejšou teplotnou disciplínou ako kovy s nižšou teplotou topenia.
8. Záver
Teplota topenia čistého niklu je cca 1455° C (1728 K / 2651°F), s autoritatívnymi referenciami zoskupenými veľmi blízko tejto hodnote.
Mierny rozptyl v publikovaných číslach je normálny a odráža históriu meraní a zaokrúhľovanie, nie zmysluplný inžiniersky nesúhlas.
Ešte dôležitejšie, Skutočná priemyselná hodnota niklu spočíva v spôsobe, akým sa správanie pri tavení mení pri legovaní niklu.
Komerčne čisté druhy niklu sa tavia v úzkom rozsahu, zatiaľ čo zliatiny na báze niklu, ako je Monel 400, Odvoz 600, a ATI 617 sú konštruované okolo svojich vlastných intervalov solidus-liquidus.
To je dôvod, prečo nikel nie je len kov s vysokým bodom topenia; je to vysokoteplotná platforma na navrhovanie materiálov odolných voči korózii a teplu.
Časté otázky
Aká je teplota topenia niklu v stupňoch Celzia a Fahrenheita?
Čistý nikel sa topí pri cca 1455° C, o ktorej ide 2651°F. ASM dáva úzko súvisiacu hodnotu 1453° C.
Prečo majú zliatiny niklu rozsahy topenia namiesto jedného presného bodu?
Pretože legovanie mení fázovú rovnováhu, takže materiál sa začne topiť pri a solidus teplote a končí tavením pri vyššej kvapalina teplota.
Čistý nikel sa ľahšie spracováva ako zliatiny niklu?
Nie nevyhnutne. Čistý nikel má ostrý bod topenia, ale často sa vyberajú zliatiny na báze niklu, pretože ponúkajú lepšiu odolnosť proti korózii, udržanie pevnosti, alebo tepelnú odolnosť pre zamýšľanú službu.
Prečo je nikel taký dôležitý vo vysokoteplotnom strojárstve?
Pretože spája vysoký bod topenia s užitočnou ťažnosťou a schopnosťou vytvárať rodiny žiaruvzdorných zliatin používaných v peciach, výmenníky, letecké diely, a systémy súvisiace s turbínami.
