1. Вступ
Нікель (хімічний символ, атомний номер 28) є пластичним, сріблясто-білий перехідний метал, що належить групі 10 періодичної таблиці.
Авторитетні термодинамічні дані NIST і Королівського хімічного товариства підтверджують, що чистий нікель має стандартну температуру плавлення 1455 ° C (2651 ° F, 1728 K).
Практично елементарний метал має одну температуру плавлення, але сплави на основі нікелю зазвичай плавляться в певному діапазоні, оскільки легування змінює температури солідусу та ліквідусу..
Поведінка нікелю при плавленні є однією з причин, чому він так широко використовується в корозійностійких і жаростійких продуктах.
Промисловий нікель і сплави на основі нікелю використовуються в хімічному технологічному обладнанні, Теплообмінники, пічної фурнітури, морська служба, і високотемпературні конструктивні частини, де термічна стабільність і контрольоване затвердіння важливі так само, як міцність.
2. Температура плавлення чистого нікелю
Для елементарного металу, нікель зазвичай розглядається як a матеріал з однією температурою плавлення а не сплав широкого діапазону.
Опубліковані значення з різних технічних джерел надзвичайно близькі, що інженери хочуть від еталонного металу: стабільне число, яке можна впевнено використовувати при проектуванні процесу.
Типові значення для чистого нікелю
| Матеріал | Поведінка танення | Інженерне значення |
| Чистий нікель | 1453–1455°C / 2647–2651°F / 1726–1728 тис | Елементарний нікель є, по суті, швидкоплавким металом у практичному використанні. |
Невеликий розкид між 1453°C і 1455°C є нормальним для опублікованих даних про танення.
Це відображає відмінності в чистоті, метод вимірювання, і умови округлення, а не будь-які значущі зміни в самому металі.
Для інженерних цілей, чистий нікель слід розглядати як метал з температурою плавлення о 1455° C.
3. Нікелеві сплави та діапазони плавлення
Сплави на основі нікелю не поводяться як чистий нікель.
Після додавання інших елементів, сплав зазвичай розвиває a солід і рідина, тому метал починає плавитися при одній температурі і закінчує плавитися при вищій.
Ось чому таблиці даних сплавів повідомляють про a діапазон плавлення замість однієї точки.
| Марка нікелю / сплав | діапазон плавлення °C | діапазон плавлення °F | діапазон плавлення К |
| Нікель 200 / Нікель 201 | 1435–1445°C | 2610–2630°F | 1708.15–1718,15 тис |
| Монель сплав 400 | 1300–1350°C | 2370–2460°F | 1573.15–1623,15 тис |
| Сплав ІНКОНЕЛЬ 600 | 1354–1413°C | 2470–2580°F | 1627.15–1686,15 тис |
| Сплав ВДМ 601 | 1330–1370°C | 2426–2498°F | 1603.15–1643,15 тис |
| ХЕЙНС / ІНКОНЕЛЬ 617 | 1330–1375°C | 2430–2510°F | 1603.15–1648,15 тис |
| Сплав ІНКОНЕЛЬ 625 | 1290–1350°C | 2350–2460°F | 1563.15–1623,15 тис |
| Сплав ІНКОНЕЛЬ 718 | 1260–1336°C | 2300–2437°F | 1533.15–1609,15 тис |
| HASTELLOY C-276 | 1323–1371°C | 2415–2500°F | 1596.15–1644,15 тис |
| Сплав ВДМ 690 | 1390–1410°C | 2534–2570°F | 1663.15–1683,15 тис |
4. Фактори, що впливають на поведінку плавлення нікелю
Чистота
Чистота - це перший і найважливіший фактор.
Чистий нікель показує одну, різко визначена температура плавлення, тоді як комерційно чисті марки, такі як нікель 200/201 мають вузький діапазон плавлення, оскільки навіть невеликі відмінності в складі мають значення.
Чим ближче матеріал до елементарного нікелю, тим ближче він поводиться до одноточкового переходу.
Легуючі добавки
Легування є основною причиною того, що нікелеві матеріали розвивають діапазони плавлення.
Добавки міді, хром, прасувати, кобальт, молібден, та інші елементи змінюють фазову стабільність і зміщують температури солідусу та ліквідусу.
Ось чому Монель 400, Юнель 600, і ATI 617 кожен має різний інтервал плавлення, хоча всі є матеріалами на основі нікелю.
Форма і специфікація виробу
Комерційна продукція з нікелю може постачатися з дещо іншими опублікованими значеннями залежно від форми продукту та аркуша даних постачальника.
Це не означає, що фундаментальна поведінка металу змінилася; це означає, що вказаний діапазон відображає точний клас, незначні домішки, і стан товару.
Для інженерів-технологів, це нагадування використовувати таблицю даних постачальника для питомої теплоти або партії, а не покладатися на загальне значення нікелю.
Теплопроцессний контекст
Поведінку нікелю при плавленні завжди слід інтерпретувати в контексті. Ливарна піч, цикл пайки, і процес зварювання не використовують ту саму термічну мішень.
Діапазон плавлення визначає, який термічний запас має оператор до розм’якшення металу, починає текти, або втрачає форму.
У жароміцних сплавах на основі нікелю, це вікно є основною частиною логіки дизайну, не запізніла думка.
5. Фізичний & Хімічні зміни під час плавлення нікелю
Поведінка окислення
Розплавлений нікель має високу хімічну активність. вище 1000 ° C, нікель швидко реагує з киснем, утворюючи оксид нікелю (NiO).
Без захисту від інертного газу, поверхню рідини покриває щільна темна оксидна плівка, збільшення дефектів включень плавильного шлаку.
Для промислового плавлення нікелю необхідно використовувати екранування аргоном або вакуумне плавлення для ізоляції кисню.
Розчинність газових елементів
Розплавлений нікель має сильну розчинність у водні та азоті. Пік розчинності газу досягається поблизу точки плавлення; надмірна кількість розчиненого газу утворює пористість після затвердіння.
Обробка дегазацією є обов'язковою для виливків з нікелю високої чистоти.
Магнітний перехід
Нікель має феромагнетизм при кімнатній температурі. Його температура Кюрі становить 358 ° C; вище цієї критичної температури, нікель остаточно втрачає магнетизм, поки не охолоне.
Магнітне зникнення під час плавлення полегшує електромагнітне перемішування в плавильних печах.
6. Як перевірити температуру плавлення нікелю?
Диференціальна скануюча калориметрія та диференційний термічний аналіз
Для лабораторного визначення, DSC і DTA є стандартними інструментами термічного аналізу для визначення температур плавлення та кристалізації чистих матеріалів.
ASTM E794 стверджує, що цей метод випробування описує визначення температур плавлення та кристалізації за допомогою диференціальної скануючої калориметрії та диференціального термічного аналізу, і що метод корисний для контролю якості, прийняття специфікації, та дослідження.
На практиці, калібрування виконується з використанням відомих еталонних стандартів, і чисті метали зазвичай використовуються як матеріали для калібрування.
Температура плавлення зазвичай береться з екстрапольований початок переходу, поки зразок повністю розплавився на піку.
Це робить DSC особливо корисним для нікелю, коли потрібне точне лабораторне значення.
Оптична пірометрія
Для дуже жарких промислових умов, оптична пірометрія є практичним безконтактним методом, оскільки він вимірює теплове випромінювання від гарячого об’єкта, а не потребує фізичного контакту.
Це робить його цінним для спостережень печі, поводження з розплавом, та інші високотемпературні перевірки процесу, де контактні датчики можуть бути недоцільними.
Практичне порівняння методів
| Метод | Найкраще використання | Міцність | Обмеження |
| DSC / DTA | Лабораторне визначення температур плавлення та кристалізації | Добре підходить для контрольованих вимірювань і аналізу на основі калібрування | Потрібні невеликі зразки та контрольовані умови тестування. |
| Оптична пірометрія | Вимірювання температури печі та процесу | Безконтактний і підходить для дуже гарячих поверхонь | Вимірює радіаційну температуру на шляху огляду, тому налаштування та коефіцієнт випромінювання мають значення. |
7. Промислове застосування контролю діапазону плавлення нікелю
PrecisionCasting
У точне кастинг, діапазон плавлення визначає, який термічний запас має забезпечувати піч і наскільки ретельно потрібно керувати розплавом перед заливкою.
Чистий нікель і сплави на основі нікелю використовуються в елементах печі, посудини для хімічної обробки, обмінники, високотемпературні аерокосмічні частини, ядерні реактори, і турбіни, це означає, що маршрут лиття повинен витримувати вимоги як до високих температур, так і до агресивних умов експлуатації.
Для лиття зі сплавів, Важливим моментом є не єдина точка плавлення, а твердо-рідке вікно.
Сплав на основі нікелю може почати замерзати, коли частина металу ще рідка, тому ливарна практика повинна враховувати годівлю, усадка, і контроль твердіння у всьому діапазоні.
Це інженерний висновок з опублікованих інтервалів плавлення сплавів на основі нікелю.
Зварювання
Матеріали на основі нікелю широко зварюються, оскільки їх можна з’єднувати за допомогою звичайних процесів зварювання та зберігають ефективні характеристики в складних умовах..
Сплав ІНКОНЕЛЬ 600 описується як легко з’єднуваний звичайними процесами зварювання, і виробник перераховує конкретні зварювальні матеріали для екранованої металевої дуги, газова вольфрамова дуга, і газове металодугове з'єднання.
Сплав МОНЕЛЬ 400 також описується як легко з'єднується звичайними процесами.
Для зварювання, Контроль діапазону плавлення має значення, оскільки основний метал не можна перегрівати за межі призначеної зони плавлення.
Нікелеві сплави часто вибирають саме через їх інтервали плавлення, міцність, і теплова реакція може підтримувати контрольоване з'єднання в критично важливих для обслуговування додатках.
Це особливо важливо, коли зварна деталь повинна залишатися стабільною за розмірами та стійкою до корозії після виготовлення.
Термічна обробка
Термічна обробка є ще однією сферою, де контроль діапазону плавлення має значення, тому що оператор повинен безпечно залишатися нижче будь-якого початкового стану плавлення, все ще досягаючи необхідного теплового циклу.
МИ МАЛИ 617, наприклад, зазвичай розчин відпалюється при 1175° C (2150° F), який знаходиться нижче опублікованого діапазону плавлення 1330–1380°C.
Цей проміжок є тепловим вікном, яке можна використовувати, яке робить можливим теплову обробку без руйнування мікроструктури.
Ця ж логіка застосовна і до сплавів на основі нікелю: термічну обробку слід вибирати з урахуванням солідусу та ліквідусу сплаву, щоб деталь набула бажаного металургійного стану без часткового плавлення.
У практичному виготовленні, ось чому нікелеві сплави зазвичай обробляються з більш суворою температурною дисципліною, ніж легкоплавкі метали.
8. Висновок
Температура плавлення чистого нікелю становить близько 1455° C (1728 K / 2651° F), з авторитетними посиланнями, кластеризованими дуже близько до цього значення.
Невеликий розкид опублікованих чисел є нормальним і відображає історію вимірювань і округлення, не значуща інженерна розбіжність.
Що важливіше, Справжня промислова цінність нікелю полягає в тому, як змінюється поведінка плавлення, коли нікель сплавляється.
Комерційно чистий нікель плавиться у вузькому діапазоні, тоді як сплави на основі нікелю, такі як монель 400, Юнель 600, і ATI 617 розроблені навколо власних інтервалів солідус-ліквідус.
Тому нікель - це не просто метал з високою температурою плавлення; це високотемпературна платформа для проектування корозійностійких і жаростійких матеріалів.
Поширені запитання
Яка температура плавлення нікелю в градусах Цельсія і Фаренгейта?
Чистий нікель плавиться при о 1455° C, про що йдеться 2651° F. ASM дає тісно пов'язане значення 1453° C.
Чому нікелеві сплави мають діапазони плавлення замість однієї точної точки?
Оскільки легування змінює фазову рівновагу, тому матеріал починає плавитися при a солід температури і закінчує плавлення при вищій рідина температура.
Чи чистий нікель легше обробляти, ніж нікелеві сплави?
Не обов'язково. Чистий нікель має різку температуру плавлення, але часто вибирають сплави на основі нікелю, оскільки вони мають кращу стійкість до корозії, збереження міцності, або термостійкість для передбаченої служби.
Чому нікель такий важливий у високотемпературній техніці?
Оскільки він поєднує в собі високу температуру плавлення з корисною пластичністю та здатністю утворювати сімейства жароміцних сплавів, які використовуються в печі., обмінники, Аерокосмічні частини, і системи, пов'язані з турбіною.
