Hliník, ako ľahký, odolný voči korózii, a vysoko kujný neželezný kov, zohráva nezastupiteľnú úlohu v letectve, automobilovej výroby, elektronika, a stavebný priemysel.
Teplota topenia hliníka - definovaná ako teplota, pri ktorej hliník prechádza z pevného do kvapalného stavu pri štandardnom atmosférickom tlaku - je základná termofyzikálna vlastnosť, ktorá riadi jeho spracovanie., zliatinový dizajn, a priemyselná aplikácia.
1. Fyzikálne vlastnosti čistého hliníka – kľúčové údaje o teplote topenia
| Majetok | Hodnota (A) | Hodnota (cisársky) | Poznámky |
| Teplota topenia (rovnováha, 1 bankomat) | 660.32 ° C (933.47 K) | 1220.58 °F | Štandardná referenčná teplota pre čistú (99.999%) Al. |
| Termodynamická teplota | 933.47 K | — | Ekvivalent absolútnej teploty. |
| Latentné teplo fúzie | 397 kJ·kg⁻¹ | ≈ 170.68 BTU·lb⁻¹ | Energia potrebná na roztavenie 1 kg (alebo 1 lb) pri teplote topenia. |
Špecifické teplo (pevný, cca., blízko 25 ° C) |
897 J · kg⁻⁻ · k⁻⁻ | ≈ 0.2143 BTU·lb⁻1·°F⁻1 | Na presné výpočty tepla použite teplotne závislé cp. |
| Hustota (pevný, ~20 °C) | 2,700 kg·m⁻³ | ≈ 168.6 lb·ft⁻³ | Hustota kvapaliny je o niečo nižšia a závisí od teploty. |
| Bod varu (atmosférický) | ≈ 2,470 ° C | ≈ 4,478 °F | Užitočná horná hranica pre vysokoteplotné spracovanie. |
2. Kľúčové faktory ovplyvňujúce teplotu topenia hliníka
Hoci čistý hliník sa topí pri 660.32 ° C, mnoho praktických faktorov mení efektívne správanie pri tavení/tuhnutí:
Chémia zliatin — solidus a liquidus
Zliatiny hliníka áno nie majú jeden bod topenia. Majú a kvapalina (teplota, nad ktorou je plne tekutý) a a solidus (teplota, pod ktorou úplne stuhne).
Prítomnosť legujúcich prvkov (A, Mg, Cu, Zn, Fe, atď.) posúva tieto hranice a často vytvára rozsah topenia (kašovitá zóna) s dôležitými dôsledkami odlievania.
- Eutektika: niektoré zliatinové systémy majú eutektické zloženie, ktoré sa taví pri teplotách nižšie čistý Al (príklad: Al–Si eutektikum pri ≈ 577 ° C pre -12,6 % hmotn. Si).
- Praktický efekt: zliatiny so širokým rozsahom tuhnutia sú náchylnejšie na trhanie za tepla, zmrašťovacia pórovitosť a segregácia.
Nečistoty a trampské prvky
Stopová kontaminácia (Napr., Pb, Bi, Cu zo zmiešaného šrotu) môžu vytvárať fázy s nízkou teplotou topenia alebo krehké intermetalické látky, spôsobiť lokálne anomálie topenia a zmeniť dráhy tuhnutia; to je rozhodujúce pri recyklácii.
Tlak
Teplota topenia je závislá od tlaku (Clapeyronov vzťah); priemyselne je tento efekt zanedbateľný, pretože tavenie sa uskutočňuje pri atmosférickom tlaku.
Rafinéry obilia a očkovacie látky
Chemické rafinérie zŕn nemenia teplotu topenia ako také, ale ovplyvňujú nukleačné správanie počas tuhnutia (podchladenie, počet jadier), čím sa mení praktická dráha tuhnutia a mikroštruktúra.
Povrchové javy a oxidové filmy
Hliník tvorí stabilný hliníkový film (Al₂o₃) na povrchu. Zatiaľ čo oxid nemení objemovú teplotu taveniny, ovplyvňuje prenos tepla na povrchu, správanie trosiek a správanie pri tepelnej zádrži zistené kontaktnými/pyrometrickými metódami.
3. Rozsahy tavenia bežných hliníkových zliatin
Nižšie sú dve stručné, profesionálne tabuľky zobrazujúce typické topenie (pevná látka → kvapalina) rozsahy za spoločné tepaný (kovanie) hliníkových zliatin a odlievanie hliníkových zliatin.
Dôležité: tieto čísla sú orientačné typické rozsahy používané na plánovanie procesov a výber materiálu.
Bežné tepané / Kovanie hliníkových zliatin – typický rozsah tavenia
| Stupeň zliatiny | Roztavenie (° C) | Roztavenie (°F) | Roztavenie (K) | Technické poznámky |
| 1050 / 1100 (Komerčne čistý Al) | ~660,3 – 660.3 | ~1220,6 – 1220.6 | ~933,5 – 933.5 | Takmer jednobodové topenie vďaka veľmi vysokej čistote. |
| 2024 (Al-Cu) | ~500 – 638 | ~932 – 1180 | ~773 – 911 | Široký rozsah mrazenia; citlivé na začínajúce topenie. |
| 2014 (Al-Cu) | ~500 – 638 | ~932 – 1180 | ~773 – 911 | Podobne ako 2024; vyšší obsah Cu ovplyvňuje spracovateľnosť za tepla. |
| 5083 (Al-Mg) | ~570 – 640 | ~1058 – 1184 | ~843 – 913 | Zvýšený rozsah topenia v dôsledku Mg; vynikajúca odolnosť proti korózii. |
| 5454 (Al-Mg) | ~595 – 645 | ~1103 – 1193 | ~868 – 918 | Často sa používa v tlakových nádobách a nádržiach. |
6061 (Al–Mg–Si) |
~555 – 650 | ~1031 – 1202 | ~828 – 923 | Široko používaná konštrukčná zliatina; rozsah topenia kritický pre tepelné spracovanie. |
| 6082 (Al–Mg–Si) | ~555 – 650 | ~1031 – 1202 | ~828 – 923 | Vyššia verzia série 6xxx. |
| 7075 (Al–Zn–Mg–Cu) | ~477 – 635 | ~891 – 1175 | ~750 – 908 | Veľmi široký rozsah tavenia; náchylné k lokalizovanému topeniu. |
| 3003 (Al-Mn) | ~640 – 660 | ~1184 – 1220 | ~913 – 933 | Správanie sa pri tavení blízke čistému hliníku. |
Bežné odlievacie hliníkové zliatiny – typický rozsah tavenia
| Stupeň zliatiny | Roztavenie (° C) | Roztavenie (°F) | Roztavenie (K) | Technické poznámky |
| Al-Si eutektikum (~12,6% Áno) | ~577 – 577 | ~1070,6 – 1070.6 | ~850,1 – 850.1 | Eutektické zloženie s ostrým bodom topenia. |
| A356 / AlSi7Mg | ~558 – 613 | ~1036 – 1135 | ~831 – 886 | Vynikajúca zlievateľnosť a tepelná úprava. |
| A357 (upravený A356) | ~555 – 605 | ~1031 – 1121 | ~828 – 878 | Zlepšená pevnosť a odolnosť proti únave. |
| A380 (Al-Si-Cu) | ~515 – 585 | ~959 – 1085 | ~788 – 858 | Štandardná zliatina na tlakové liatie s nízkou teplotou likvidu. |
319 (Al-Si-Cu) |
~525 – 605 | ~977 – 1121 | ~798 – 878 | Dobrá rovnováha zlievateľnosti a mechanickej pevnosti. |
| ADC12 (Zliatina na tlakové liatie JIS) | ~500 – 580 | ~932 – 1076 | ~773 – 853 | Široko používaná zliatina na tlakové liatie; kontrola nečistôt je kritická. |
| AlSi9Cu3(Fe) | ~510 – 600 | ~950 – 1112 | ~783 – 873 | Všestranná odlievacia zliatina pre zložité geometrie. |
| A413 (zliatina s vysokým obsahom kremíka) | ~560 – 620 | ~1040 – 1148 | ~833 – 893 | Vhodné pre vysokoteplotné a tlakotesné odliatky. |
3. Presné metódy merania teploty topenia hliníka
Presné meranie teploty topenia hliníka je rozhodujúce pre charakterizáciu materiálu a optimalizáciu procesu.
Bežné metódy zahŕňajú:
Diferenciálna skenovacia kalorimetria (DSC)
DSC je najpoužívanejšia metóda na meranie bodov topenia kovov vďaka svojej vysokej presnosti a citlivosti.
Princíp spočíva v zahrievaní malej vzorky hliníka (5– 10 mg) a referenčný materiál (inertný, Napr., oxid hlinitý) konštantnou rýchlosťou (5-10 ℃/min) pri sledovaní rozdielu tepelného toku medzi nimi.
Teplota topenia sa určí ako teplota začiatku endotermického píku (zodpovedajúce procesu fúzie).
DSC dokáže merať body topenia s presnosťou ±0,1℃, vďaka čomu je vhodný na analýzu vysoko čistého hliníka a zliatin.
Metóda vizuálneho pozorovania (Metóda kapilárnej trubice)
Táto tradičná metóda zahŕňa uzavretie malého množstva hliníkového prášku v kapilárnej trubici, ktorý sa ohrieva spolu s teplomerom vo vyhrievacom kúpeli (Napr., silikónový olej).
Teplota topenia sa zaznamená, keď sa hliníkový prášok úplne roztopí na kvapalinu. Zatiaľ čo jednoduché a lacné, táto metóda má nižšiu presnosť (±1–2 °C) a používa sa predovšetkým na kvalitatívnu analýzu alebo aplikácie s nízkou presnosťou.
Metóda tavenia laserom
Pre vysokotlakové a vysokoteplotné merania bodu topenia, používa sa metóda laserového blesku.
Pulzný laser rýchlo ohrieva povrch vzorky hliníka, a proces tavenia je monitorovaný optickými senzormi (Napr., pyrometre, interferometre).
Táto metóda môže merať teploty topenia pri extrémnych tlakoch (až 10 GPA) s vysokým časovým rozlíšením, poskytovanie údajov pre letecké a jadrové aplikácie.
Metóda elektrického odporu
Elektrický odpor hliníka sa počas tavenia výrazne mení (tekutý hliník má vyšší odpor ako pevný hliník v dôsledku narušeného vedenia elektrónov).
Meraním odporu hliníkového drôtu pri jeho zahrievaní, teplota topenia je identifikovaná ako teplota, pri ktorej odpor vykazuje náhle zvýšenie.
Táto metóda je vhodná na monitorovanie in-situ počas priemyselných procesov (Napr., zváranie, odlievanie).
4. Priemyselné dôsledky teploty topenia hliníka
Stredný bod topenia hliníka je kľúčovým faktorom, ktorý riadi jeho široké priemyselné využitie, pretože vyvažuje spracovateľnosť a výkon:
Procesy odlievania
Teplota topenia hliníka (660℃) je výrazne nižšia ako u železných kovov, umožňujúce energeticky efektívne odlievanie:
- Odlievanie: Eutektické zliatiny Al-Si (rozsah topenia 577-600 ℃) sú široko používané pri tlakovom liatí, pretože ich nízka teplota tavenia znižuje opotrebovanie lisovnice a spotrebu energie, umožňujúci veľkoobjemovú výrobu zložitých komponentov (Napr., časti automobilových motorov, elektronické kryty).
- Odlievanie piesku: Čistý hliník a nízkolegovaný hliník sa odlievajú do pieskových foriem, s teplotami liatia zvyčajne 50–100 °C nad teplotou likvidu (700-750 ℃) aby sa zabezpečilo úplné vyplnenie dutiny formy.
Tepelné spracovanie a zváranie
- Tepelné spracovanie: Teplota topenia hliníka obmedzuje maximálnu teplotu procesov tepelného spracovania.
Napríklad, roztokové tepelné spracovanie zliatin série 6xxx sa vykonáva pri 530 – 570 °C – výrazne pod teplotou solidu (580℃)— aby sa zabránilo čiastočnému roztaveniu (pálenie) zliatiny. - Zváranie: Zváranie hliníka vyžaduje zdroje tepla, ktoré môžu rýchlo dosiahnuť bod topenia a zároveň minimalizovať tepelné skreslenie.
Medzi bežné metódy patrí zváranie TIG (teplota oblúka ~6000 ℃) a zváranie MIG, s teplotou zvárania kontrolovanou na 660–700 ℃, aby sa zabezpečilo roztavenie základného kovu bez nadmerného rastu zrna.
Vysokoteplotné aplikácie
Teplota topenia hliníka obmedzuje jeho použitie pri vysokých teplotách: zachová iba čistý hliník 50% svojej pevnosti pri izbovej teplote pri 200 ℃ a výrazne mäkne nad 300 ℃.
Aby sa rozšírila jeho použiteľnosť pri vysokých teplotách, zliatinové prvky (Napr., nikel, kobalt) sa pridávajú za vzniku vysokotaviteľných intermetalických zlúčenín, rozšírenie prevádzkovej teploty hliníkových zliatin na 300–400 ℃ (Napr., 2618 zliatina pre komponenty leteckých motorov).
Recyklácia hliníka
Vďaka miernemu bodu topenia je hliník vysoko recyklovateľný.
Vyžaduje sa iba recyklovaný hliník 5% energie potrebnej na výrobu primárneho hliníka, ako roztavený hliníkový šrot (pri 660-700 ℃) spotrebuje oveľa menej energie ako získavanie hliníka z bauxitu.
Táto energetická účinnosť, poháňané vlastnosťami tavenia hliníka, z neho robí jeden z najviac recyklovaných kovov na svete.
6. Porovnávacia analýza s inými kovmi a zliatinami
| Kov / Zliať | Miesto topenia (° C) | Miesto topenia (°F) | Miesto topenia (K) | Kľúčové poznámky |
| Hliník (Al, čistý) | 660.3 | 1220.6 | 933.5 | Nízka teplota topenia; vynikajúce na ľahké odlievanie a tvarovanie. |
| Meď (Cu, čistý) | 1085 | 1985 | 1358 | Vysoká tepelná vodivosť; vyžaduje vyššie teploty spracovania ako Al. |
| Žehlička (Fe, čistý) | 1538 | 2800 | 1811 | Výrazne vyššia teplota topenia; široko používaný pri výrobe ocele. |
| Oceľ (Uhlíková oceľ, ~0,2 % C) | 1425–1540 | 2600–2800 | 1698–1813 | Rozsah topenia závisí od zloženia; vyššie ako zliatiny hliníka. |
| Titán (Z, čistý) | 1668 | 3034 | 1941 | Vysoký pomer pevnosti k hmotnosti; žiaruvzdorné správanie. |
Horčík (Mg, čistý) |
650 | 1202 | 923 | O niečo nižšia ako Al; vysoko reaktívny a ľahký. |
| Zinok (Zn, čistý) | 419.5 | 787 | 692.7 | Nízka teplota topenia; používa sa na tlakové liatie a galvanizáciu. |
| Nikel (V, čistý) | 1455 | 2651 | 1728 | Vynikajúca odolnosť proti korózii; zliatiny s vysokou teplotou topenia pre letectvo a kozmonautiku. |
| Mosadz (Cu–Zn, 60/40) | 900–940 | 1652–1724 | 1173–1213 | Legovaný rozsah topenia nižší ako čistá Cu; vhodné na odlievanie. |
| Bronz (Cu-Sn, 88/12) | 950–1050 | 1742–1922 | 1223–1323 | O niečo nižšia ako meď; zlepšená zlievateľnosť a odolnosť proti korózii. |
6. Mylné predstavy a bežné úskalia
Zámena bodu topenia s teplotou mäknutia
Teplota mäknutia hliníka (≈300℃) sa často mýli s teplotou topenia.
Zmäkčenie sa týka zníženia medze klzu v dôsledku kĺzania a dislokačného pohybu hraníc zŕn, zatiaľ čo topenie zahŕňa fázový prechod.
Tento zmätok môže viesť k nesprávnemu tepelnému spracovaniu, čo má za následok znížené mechanické vlastnosti.
Ignorovanie rozsahu tavenia v zliatinách
Čistý hliník má ostrý bod topenia, ale hliníkové zliatiny vykazujú rozsah topenia (kvapalina až pevná látka).
Nezohľadnenie tohto rozsahu počas odlievania môže spôsobiť chyby, ako je pórovitosť zmršťovania (ak sa naleje príliš blízko teplote solidu) alebo horúce praskanie (pri príliš rýchlom ochladení v celom rozsahu topenia).
Prehliadajúce účinky nečistôt
Dokonca aj stopové nečistoty (Napr., 0.1% žehlička) môže znížiť bod topenia hliníka a zvýšiť jeho rozsah topenia.
Vo vysoko presných aplikáciách (Napr., letecké komponenty), prísna kontrola obsahu nečistôt je nevyhnutná na zabezpečenie konzistentného tavenia a kvality konečného produktu.
7. Záver
Teplota topenia hliníka (660.32℃ pre čistý hliník) je základná vlastnosť zakorenená v jeho atómovej štruktúre a kovovej väzbe, slúži ako základný kameň pre jeho spracovanie a aplikáciu.
Viaceré faktory – vrátane čistoty, zliatinové prvky, vonkajší tlak, a tepelnú históriu – upravte jej správanie pri tavení, umožňujúci navrhovanie hliníkových zliatin prispôsobených rôznym priemyselným potrebám.
Od nízkoteplotného tlakového liatia zliatin Al-Si až po vysokopevné zliatiny série 7xxx pre letectvo a kozmonautiku, teplota topenia hliníka určuje parametre procesu, výkonnostné limity, a účinnosť recyklácie.
Keďže priemyselné odvetvia sledujú odľahčenie a energetickú efektívnosť, jedinečná rovnováha mierneho bodu topenia hliníka, nízka hustota, a recyklovateľnosť bude naďalej upevňovať svoju pozíciu kľúčového materiálu v globálnom výrobnom prostredí.
Časté otázky
Je teplota topenia hliníka rovnaká pre? 6061 alebo 7075?
Nie. 6061 a 7075 sú zliatiny s rozsahmi solidus/liquidus, ktoré sa líšia od čistého Al. Ich správanie pri tavení sa musí vzťahovať na údaje špecifické pre zliatinu alebo sa musí merať tepelnou analýzou.
Koľko prehriatia by som mal použiť na tlakové liatie vs. odlievanie piesku?
Lisovacie a vysokotlakové procesy často vyžadujú mierne prehriatie (20–50 ° C) kvôli rýchlemu plneniu; pieskové a hrubšie odliatky môžu vyžadovať vyššie efektívne prehriatie (40–100 ° C) aby sa zabezpečilo úplné naplnenie. Optimalizujte pre zliatinu a formu.
Prečo je pórovitosť vodíka horšia v hliníku?
Rozpustnosť vodíka v tekutom hliníku je oveľa vyššia ako v pevnom. Počas tuhnutia sa vodík vylučuje a vytvára plynové póry, pokiaľ sa vopred neodstráni odplynením.
Mení tlak v praxi teplotu topenia hliníka?
Teplota topenia sa mení s tlakom, ale pre štandardnú atmosférickú zlievarenskú prax je efekt zanedbateľný.
