Алюміній, як легкий, корозійний, і дуже пластичний кольоровий метал, відіграє незамінну роль в аерокосмічній галузі, автомобілебудування, електроніка, та будівельної промисловості.
Точка плавлення алюмінію, яка визначається як температура, при якій алюміній переходить із твердого стану в рідкий за стандартного атмосферного тиску, є фундаментальною теплофізичною властивістю, яка керує його обробкою., дизайн сплавів, і промислове застосування.
1. Фізичні властивості чистого алюмінію — основні дані про температуру плавлення
| Майно | Значення (І) | Значення (Імператорський) | Нотатки |
| Температура плавлення (рівновага, 1 атм) | 660.32 ° C (933.47 K) | 1220.58 ° F | Стандартна контрольна температура для чистого (99.999%) Al. |
| Термодинамічна температура | 933.47 K | - | Абсолютний температурний еквівалент. |
| Прихована теплота плавлення | 397 кДж·кг⁻¹ | ≈ 170.68 БТЕ·фунт⁻¹ | Енергія, необхідна для плавлення 1 кг (або 1 фунт) при температурі плавлення. |
Питома теплоємність (твердий, прибл., поблизу 25 ° C) |
897 Дж·кг⁻¹·K⁻¹ | ≈ 0.2143 BTU·lb⁻¹·°F⁻¹ | Використовуйте залежний від температури cp для точних розрахунків тепла. |
| Щільність (твердий, ~20 °C) | 2,700 кг·м⁻³ | ≈ 168.6 фунт·фут⁻³ | Щільність рідини трохи нижча і залежить від температури. |
| Температура кипіння (атмосферний) | ≈ 2,470 ° C | ≈ 4,478 ° F | Корисна верхня межа для високотемпературної обробки. |
2. Основні фактори, що впливають на температуру плавлення алюмінію
Хоча чистий алюміній плавиться при 660.32 ° C, багато практичних факторів змінюють ефективну поведінку плавлення/затвердіння:
Хімічний склад сплавів — солідус і ліквідус
Алюмінієві сплави ні мають одну температуру плавлення. Вони мають a рідина (температура, вище якої повністю рідина) і а солід (температура, нижче якої повністю тверда).
Наявність легуючих елементів (І, Мг, Куточок, Zn, Феод, тощо) зсуває ці межі і часто створює діапазон плавлення (кашоподібна зона) з важливими наслідками кастингу.
- Евтектика: деякі системи сплавів мають евтектичний склад, який плавиться при температурах нижче що чистого Al (приклад: Евтектика Al–Si при ≈ 577 ° C для ~12,6 мас.% Si).
- Практичний ефект: сплави з широким діапазоном замерзання більш схильні до гарячого розриву, усадочна пористість і сегрегація.
Домішки та бродячі елементи
Слідове забруднення (Напр., Pb, Бі, Cu із змішаного брухту) може створювати легкоплавкі фази або крихкі інтерметаліди, викликають локальні аномалії плавлення та змінюють шляхи твердіння; це критично важливо в операціях з переробки.
Тиск
Температура плавлення залежить від тиску (Співвідношення Клапейрона); промислово цей ефект незначний, оскільки плавлення відбувається при атмосферному тиску.
Рафінери та інокулянти зерна
Хімічні рафінери зерна не змінюють температуру плавлення як таку, але вони впливають на поведінку нуклеації під час затвердіння (переохолодження, кількість ядер), таким чином змінюючи практичний шлях затвердіння та мікроструктуру.
Поверхневі явища та оксидні плівки
Алюміній утворює стійку плівку оксиду алюмінію (Al₂O₃) на поверхні. При цьому оксид не змінює об'ємну температуру розплаву, це впливає на теплообмін на поверхні, поведінка окалини та поведінка термічної зупинки, виявлена контактними/пірометричними методами.
3. Інтервали плавлення поширених алюмінієвих сплавів
Нижче два лаконічні, професійні таблиці показ типове плавлення (твердий → рідкий) діапазони для заг ковані (кування) алюмінієві сплави і лиття алюмінієвих сплавів.
важливо: ці цифри є орієнтовними типовими діапазонами, які використовуються для планування процесу та вибору матеріалів.
Загальні ковані / Кування алюмінієвих сплавів — типовий діапазон плавлення
| Клас сплаву | Діапазон плавлення (° C) | Діапазон плавлення (° F) | Діапазон плавлення (K) | Технічні примітки |
| 1050 / 1100 (Технічно чистий Al) | ~660,3 – 660.3 | ~1220,6 – 1220.6 | ~933,5 – 933.5 | Майже одноточкове плавлення завдяки дуже високій чистоті. |
| 2024 (Al-Cu) | ~500 – 638 | ~932 – 1180 | ~773 – 911 | Широкий діапазон заморожування; чутливий до початкового танення. |
| 2014 (Al-Cu) | ~500 – 638 | ~932 – 1180 | ~773 – 911 | Схожий на 2024; високий вміст міді впливає на здатність до гарячої обробки. |
| 5083 (Al–Mg) | ~570 – 640 | ~1058 – 1184 | ~843 – 913 | Підвищений діапазон плавлення завдяки Mg; Відмінна резистентність до корозії. |
| 5454 (Al–Mg) | ~595 – 645 | ~1103 – 1193 | ~868 – 918 | Часто використовується в резервуарах і резервуарах під тиском. |
6061 (Al–Mg–Si) |
~555 – 650 | ~1031 – 1202 | ~828 – 923 | Широко використовуваний конструкційний сплав; діапазон плавлення, критичний для термообробки. |
| 6082 (Al–Mg–Si) | ~555 – 650 | ~1031 – 1202 | ~828 – 923 | Більш міцна версія серії 6xxx. |
| 7075 (Al–Zn–Mg–Cu) | ~477 – 635 | ~891 – 1175 | ~750 – 908 | Дуже широкий діапазон плавлення; схильні до локального плавлення. |
| 3003 (Аль–Мн) | ~640 – 660 | ~1184 – 1220 | ~913 – 933 | Характеристика плавлення близька до чистого алюмінію. |
Звичайні ливарні алюмінієві сплави — типовий діапазон плавлення
| Клас сплаву | Діапазон плавлення (° C) | Діапазон плавлення (° F) | Діапазон плавлення (K) | Технічні примітки |
| Евтектика Al–Si (~12,6% Так) | ~577 – 577 | ~1070,6 – 1070.6 | ~850,1 – 850.1 | Евтектичний склад з різкою температурою плавлення. |
| A356 / AlSi7Mg | ~558 – 613 | ~1036 – 1135 | ~831 – 886 | Відмінна ливарність і термообробка. |
| A357 (модифікований A356) | ~555 – 605 | ~1031 – 1121 | ~828 – 878 | Покращена міцність і стійкість до втоми. |
| A380 (Al–Si–Cu) | ~515 – 585 | ~959 – 1085 | ~788 – 858 | Стандартний сплав для лиття під тиском з низькою температурою ліквідусу. |
319 (Al–Si–Cu) |
~525 – 605 | ~977 – 1121 | ~798 – 878 | Хороший баланс ливарності та механічної міцності. |
| ADC12 (Сплав для лиття під тиском JIS) | ~500 – 580 | ~932 – 1076 | ~773 – 853 | Широко використовуваний сплав для лиття під тиском; контроль домішок є критичним. |
| AlSi9Cu3(Феод) | ~510 – 600 | ~950 – 1112 | ~783 – 873 | Універсальний ливарний сплав для складних геометрій. |
| A413 (висококремнієвий сплав) | ~560 – 620 | ~1040 – 1148 | ~833 – 893 | Підходить для високотемпературних і герметичних лиття. |
3. Точні методи вимірювання температури плавлення алюмінію
Точне вимірювання температури плавлення алюмінію має вирішальне значення для характеристики матеріалу та оптимізації процесу.
Загальні методи включають:
Диференціальна сканування калориметрії (DSC)
ДСК є найпоширенішим методом вимірювання температур плавлення металів завдяки своїй високій точності та чутливості.
Принцип полягає в нагріванні невеликого зразка алюмінію (5–10 мг) і довідковий матеріал (інертний, Напр., глинозем) з постійною швидкістю (5–10 ℃/хв) спостерігаючи за різницею теплових потоків між ними.
Точку плавлення визначають як температуру початку ендотермічного піку (що відповідає процесу синтезу).
DSC може вимірювати точки плавлення з точністю ±0,1 ℃, що робить його придатним для аналізу високочистого алюмінію та сплавів.
Метод візуального спостереження (Метод капілярної трубки)
Цей традиційний метод передбачає запечатування невеликої кількості алюмінієвої пудри в капілярній трубці, який нагрівається поряд з термометром у нагрівальній бані (Напр., силіконове масло).
Температуру плавлення реєструють, коли алюмінієва пудра повністю розплавиться в рідину. При цьому простий і недорогий, цей метод має меншу точність (±1–2 ℃) і в основному використовується для якісного аналізу або застосування з низькою точністю.
Метод лазерного спалаху
Для вимірювання температури плавлення при високому тиску та високій температурі, використовується метод лазерного спалаху.
Імпульсний лазер швидко нагріває поверхню алюмінієвого зразка, а процес плавлення контролюється оптичними датчиками (Напр., пірометри, інтерферометри).
Цей метод дозволяє вимірювати точки плавлення під екстремальним тиском (до 10 GPA) з високою тимчасовою роздільною здатністю, надання даних для аерокосмічного та ядерного застосування.
Метод електричного опору
Електричний опір алюмінію істотно змінюється під час плавлення (Рідкий алюміній має більший опір, ніж твердий алюміній через порушення електронної провідності).
Вимірюючи опір алюмінієвого дроту під час його нагрівання, точка плавлення визначається як температура, при якій опір різко зростає.
Цей метод підходить для моніторингу на місці під час промислових процесів (Напр., зварювання, кастинг).
4. Промислові наслідки температури плавлення алюмінію
Помірна температура плавлення алюмінію є ключовим фактором його широкого промислового застосування, оскільки він збалансовує технологічність і продуктивність:
Процеси лиття
Температура плавлення алюмінію (660℃) значно нижче, ніж у чорних металів, забезпечення енергоефективного лиття:
- Кастинг: Евтектичні сплави Al-Si (діапазон плавлення 577–600 ℃) широко використовуються при лиття під тиском, оскільки їх низька температура плавлення зменшує знос матриці та споживання енергії, дозволяючи виробляти великі обсяги складних компонентів (Напр., запчастини автомобільного двигуна, електронні корпуси).
- Пісочний кастинг: Чистий алюміній і низьколегований алюміній відливають у піщані форми, з температурами розливу, як правило, на 50–100 ℃ вище температури ліквідусу (700–750 ℃) забезпечити повне заповнення порожнини форми.
Термічна обробка та зварювання
- Термічна обробка: Температура плавлення алюмінію обмежує максимальну температуру процесів термообробки.
Наприклад, Термічна обробка розчином сплавів серії 6xxx проводиться при 530–570 ℃, що значно нижче температури солідусу (580℃)— щоб уникнути часткового розплавлення (горіння) сплаву. - Зварювання: Для зварювання алюмінію потрібні джерела тепла, які можуть швидко досягати точки плавлення при мінімізації теплових спотворень.
Загальні методи включають зварювання TIG (температура дуги ~6000 ℃) та MIG зварювання, з контрольованою температурою зварювання на рівні 660–700 ℃ для забезпечення плавлення основного металу без надмірного зростання зерен.
Застосування при високих температурах
Температура плавлення алюмінію накладає обмеження на його використання при високих температурах: зберігається лише чистий алюміній 50% його міцність при кімнатній температурі при 200 ℃ і значно розм'якшується вище 300 ℃.
Розширити його високотемпературну застосовність, легуючі елементи (Напр., нікель, кобальт) додаються з утворенням тугоплавких інтерметалічних сполук, підвищення робочої температури алюмінієвих сплавів до 300–400 ℃ (Напр., 2618 сплав для компонентів аерокосмічних двигунів).
Переробка алюмінію
Помірна температура плавлення алюмінію робить його придатним для вторинної переробки.
Потрібен лише перероблений алюміній 5% енергії, необхідної для виробництва первинного алюмінію, як плавлення алюмінієвого брухту (при 660–700 ℃) споживає набагато менше енергії, ніж видобуток алюмінію з бокситів.
Це енергоефективність, залежно від характеристик плавлення алюмінію, робить його одним із найбільш перероблених металів у світі.
6. Порівняльний аналіз з іншими металами та сплавами
| Метал / Сплав | Точка плавлення (° C) | Точка плавлення (° F) | Точка плавлення (K) | Основні примітки |
| Алюміній (Al, чистий) | 660.3 | 1220.6 | 933.5 | Низька температура плавлення; ідеально підходить для легкого лиття та формування. |
| Мідь (Куточок, чистий) | 1085 | 1985 | 1358 | Висока теплопровідність; вимагає більш високих температур обробки, ніж Al. |
| Прасувати (Феод, чистий) | 1538 | 2800 | 1811 | Значно вища температура плавлення; широко використовується в сталеплавинні. |
| Сталь (Вуглецева сталь, ~0,2%C) | 1425–1540 | 2600–2800 | 1698–1813 рік | Діапазон плавлення залежить від складу; вище, ніж у алюмінієвих сплавів. |
| Титан (На, чистий) | 1668 | 3034 | 1941 | Високе співвідношення сили до ваги; рефрактерна поведінка. |
Магній (Мг, чистий) |
650 | 1202 | 923 | Трохи нижче Ал; високореактивний і легкий. |
| Цинк (Zn, чистий) | 419.5 | 787 | 692.7 | Низька температура плавлення; використовується для лиття під тиском і цинкування. |
| Нікель (У, чистий) | 1455 | 2651 | 1728 | Відмінна резистентність до корозії; сплави з високою температурою плавлення для аерокосмічної промисловості. |
| Латунь (Cu -zn, 60/40) | 900–940 | 1652–1724 | 1173–1213 | Інтервал плавлення сплавів нижчий, ніж чиста Cu; підходить для лиття. |
| Бронза (Cu-Sn, 88/12) | 950–1050 | 1742–1922 рік | 1223–1323 | Трохи нижче міді; покращена ливарність і стійкість до корозії. |
6. Омани та поширені підводні камені
Плутання температури плавлення з температурою розм’якшення
Температура розм'якшення алюмінію (≈300 ℃) часто помилково приймають за температуру плавлення.
Розм'якшення означає зниження межі текучості через ковзання меж зерна та рух дислокації, тоді як плавлення включає фазовий перехід.
Ця плутанина може призвести до неправильної термічної обробки, що призводить до зниження механічних властивостей.
Ігнорування діапазону плавлення в сплавах
Чистий алюміній має різку температуру плавлення, але алюмінієві сплави мають діапазон плавлення (рідкого до твердого).
Неврахування цього діапазону під час лиття може спричинити такі дефекти, як усадкова пористість (якщо наливати занадто близько до температури солідусу) або гарячий крекінг (при надто швидкому охолодженні в діапазоні плавлення).
Не помічаючи ефекту домішок
Навіть слідові домішки (Напр., 0.1% прасувати) може знизити температуру плавлення алюмінію та збільшити діапазон його плавлення.
У високоточних застосуваннях (Напр., аерокосмічні компоненти), строгий контроль вмісту домішок є важливим для забезпечення сталої поведінки плавлення та якості кінцевого продукту.
7. Висновок
Температура плавлення алюмінію (660.32℃ для чистого алюмінію) є фундаментальною властивістю, що корениться в його атомній структурі та металевих зв’язках, служить наріжним каменем для його обробки та застосування.
Багато факторів, у тому числі чистота, легуючі елементи, зовнішній тиск, і термічна історія — змінювати його поведінку при плавленні, дозволяючи розробляти алюмінієві сплави, адаптовані до різноманітних промислових потреб.
Від низькотемпературного лиття під тиском сплавів Al-Si до високоміцних сплавів серії 7xxx для аерокосмічної галузі, температура плавлення алюмінію визначає параметри процесу, межі продуктивності, та ефективність переробки.
Оскільки галузі прагнуть до зменшення ваги та енергоефективності, унікальний баланс алюмінію з помірною температурою плавлення, низька щільність, а можливість вторинної переробки й надалі зміцнюватиме свою позицію як ключового матеріалу на світовому виробничому ландшафті.
Поширені запитання
Чи однакова температура плавлення алюмінію для 6061 або 7075?
Ні. 6061 і 7075 це сплави з діапазонами солідусу/ліквідусу, які відрізняються від чистого Al. Їхню поведінку при плавленні необхідно порівнювати з даними щодо конкретного сплаву або вимірювати за допомогою термічного аналізу.
Скільки перегріву слід використовувати для лиття під тиском у порівнянні з. пісочний кастинг?
Процеси під високим тиском часто вимагають помірного перегріву (20–50 ° C) через швидке наповнення; пісок і виливки з більш товстим профілем можуть потребувати більш високого ефективного перегріву (40–100 ° C) щоб забезпечити повне заповнення. Оптимізація для сплаву та форми.
Чому воднева пористість гірша в алюмінію?
Розчинність водню в рідкому алюмінії значно вище, ніж у твердому. Під час затвердіння водень відкидається і утворює газові пори, якщо його попередньо не видалити шляхом дегазації.
Чи змінює тиск температуру плавлення алюмінію на практиці?
Температура плавлення змінюється з тиском, але для стандартної атмосферної ливарної практики ефект незначний.
