1. Giới thiệu
Đồng xếp hạng trong số các kim loại linh hoạt nhất của loài người, Nhờ tính dẫn điện đặc biệt của nó, chống ăn mòn, và khả năng định hình.
Hơn thế nữa, Các nhà khoa học và kỹ sư dựa vào hành vi nhiệt của đồng để thiết kế các thành phần từ dây điện đến trao đổi nhiệt.
Do đó, Hiểu được điểm nóng chảy đồng trở nên không thể thiếu trong cả ứng dụng luyện kim và công nghiệp.
2. Định nghĩa và tầm quan trọng của điểm nóng chảy
các điểm nóng chảy biểu thị nhiệt độ mà một chất rắn chuyển sang chất lỏng trong điều kiện cân bằng.
Trong thực tế, Nó đánh dấu sự cân bằng giữa các lực liên kết pha rắn và kích động nhiệt.
Vì thế, Các nhà luyện kim sử dụng điểm nóng chảy như một điểm chuẩn để chọn vật liệu, Thiết kế lò nung, và kiểm soát các quy trình đúc.
3. Điểm nóng chảy của đồng
Đồng nguyên chất tan chảy ở khoảng 1,085°C (1,984° F).
Ở nhiệt độ này, Đồng chuyển từ chất rắn sang chất lỏng, cho phép nó được đúc, Tham gia, hoặc hợp kim. Ở dạng rắn của nó, Đồng có a hình lập phương tâm mặt (FCC) kết cấu
4. Phối cảnh nhiệt động và nguyên tử
Ở quy mô nguyên tử, đồng điểm nóng chảy đáng kể bắt nguồn từ nó Liên kết kim loạiBiển của các electron được định vị lại dán các ion tích điện dương.
Cấu hình điện tử của nó, [Ar] 3D & ⁰4S, Cung cấp một điện tử dẫn điện trên mỗi nguyên tử, mà không chỉ làm nền tảng cho độ dẫn điện mà còn củng cố sự gắn kết giữa các nguyên tử.
- Enthalpy của Fusion: ~ 13 kJ/mol
- Nhiệt tiềm ẩn của sự tan chảy: ~ 205 kJ/kg
Các giá trị này định lượng năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết kim loại trong quá trình tan chảy.
Hơn nữa, Đồng khối lượng nguyên tử tương đối cao (63.55 Amu) và mạng FCC dày đặc (12 hàng xóm gần nhất) Nâng cao năng lượng liên kết và sự ổn định nhiệt của nó.
5. Các yếu tố ảnh hưởng đến điểm nóng chảy đồng
Một số thông số chính thay đổi hành vi nóng chảy đồng, Thông thường bằng cách thay đổi nhiệt độ chuyển tiếp - chất lỏng của nó bằng hàng chục độ C..
Hiểu các biến này cho phép quản lý nhiệt chính xác trong cả quá trình đồng nguyên chất và sản xuất hợp kim.
Các yếu tố hợp kim và tạp chất
- Kẽm và thiếc: Giới thiệu 10 trận40 wt % Zn làm giảm phạm vi nóng chảy xuống khoảng 900 nhiệt940 ° C trong đồng thau. Tương tự, 5Cấm15 WT % Sn mang lại đồng với khoảng thời gian nóng chảy 950 ° C.
- Bạc và phốt pho: Ngay cả dấu vết bạc (≤1 wt %) có thể nâng đồng chất lỏng bằng đồng bằng 5 nhiệt10 ° C, trong khi phốt pho tại 0.1 WT % giảm một chút điểm nóng chảy và cải thiện tính trôi chảy.
- Oxy và lưu huỳnh: Oxy hòa tan hình thành các vùi Cu₂o ở trên 1,000 °C, kích hoạt trầm cảm điểm nóng chảy cục bộ.
Trong khi đó, ô nhiễm lưu huỳnh thấp như 0.02 WT % dẫn đến việc ôm ấp và tạo ra các eutectics giảm thiểu thấp tại ranh giới hạt.
Kích thước hạt và cấu trúc vi mô
- Tốt so với. Hạt thô: Đồng hạt mịn thể hiện sự khởi đầu nóng chảy cao hơn một chút, theo cách thức 2, 2.
- Lượng mưa cứng lại: Trong các hợp kim như CU - be, kết tủa giới thiệu các trường căng thẳng cục bộ có thể nâng cao sự tan chảy lên đến 8 °C, Tùy thuộc vào phần khối lượng kết tủa.
Khiếm khuyết tinh thể
- Vị trí tuyển dụng và trật khớp: Nồng độ trống cao (>10Phần nguyên tử) Giới thiệu biến dạng mạng lưới, hạ thấp điểm nóng chảy 3 trận7 ° C.
- Làm việc chăm chỉ: Đồng làm việc lạnh chứa các trật khớp rối làm giảm năng lượng gắn kết, do đó làm tan biến sự tan chảy 4 ° C so với đồng đã ủ.
Hiệu ứng áp lực
- Mối quan hệ clageyron: Tăng áp lực làm tăng nhiệt độ nóng chảy với tốc độ gần như +3 K mỗi 100 MPa.
Mặc dù công nghiệp tan chảy hiếm khi vượt quá áp lực xung quanh, Các thí nghiệm áp suất cao xác nhận độ dốc có thể dự đoán được.
Lịch sử nhiệt và điều kiện bề mặt
- Trước khi sinh: Làm chậm trước khi sinh đến 400 nhiệt600 ° C có thể vượt qua các oxit và độ ẩm bề mặt, Ngăn ngừa trầm cảm điểm nóng chảy sớm.
- Lớp phủ bề mặt: Thông lượng bảo vệ (ví dụ., Borax dựa trên) tạo thành một rào cản ổn định bề mặt và duy trì điểm nóng chảy thực sự trong quá trình xử lý không khí mở.
6. Điểm nóng chảy của hợp kim đồng
Dưới đây là danh sách toàn diện các điểm nóng chảy cho một loạt các hợp kim đồng phổ biến.
Các giá trị này đề cập đến nhiệt độ lỏng điển hình; Hợp kim thường củng cố trong một phạm vi (Rắn → chất lỏng) mà chúng tôi trích dẫn ở đây dưới dạng một khoảng thời gian tan chảy gần đúng.
| Tên hợp kim / CHÚNG TA | Thành phần (wt%) | Phạm vi nóng chảy (°C) |
|---|---|---|
| C10200 (ECD) | ≥99,90cu | 1 083 bóng1085 |
| C11000 (Đ cả với) | ≥99,90cu | 1 083 bóng1085 |
| C23000 (Đồng thau màu vàng) | ~ 67cu - 33Zn | 900 Mạnh920 |
| C26000 (Đồng thau hộp mực) | ~ 70cu - 30Zn | 920 Mạnh940 |
| C36000 (Miễn phí - vận hành đồng thau) | ~ 61cu -38Zn -1pb | 920 Mạnh940 |
| C46400 (Đồng thau hải quân) | ~ 60cu -39n -1sn | 910 Mạnh960 |
| C51000 (đồng phốt pho) | ~ 95cu -5Sn | 1 000 001050 |
| C52100 (Phos cơ thể cao. Đồng) | ~ 94CU -6Sn | 1 000 001050 |
| C61400 (Nhôm đồng) | ~ 82cu -10al -8fe | 1 015 bóng1035 |
| C95400 (Nhôm đồng) | ~ 79CU-10AL-6NI-3O | 1 020 bóng1045 |
| C83600 (Chì đồng thau màu đỏ) | ~ 84cu -6Sn -5pb -5nz | 890 Mạnh940 |
| C90500 (Súng kim loại) | ~ 88CU -10SN -2N | 900 Mạnh950 |
| C93200 (đồng silic) | ~ 95S. | 1 000 001050 |
| C70600 (90Tiết10 Cupronickel) | 90 Với -10ni | 1 050 trận1150 |
| C71500 (70Cup30 Cupronickel) | 70 Với -30ni | 1 200 trận1300 |
| C17200 (Đồng berili) | ~ 97cu -2be -11co | 865 Mạnh1000 |
7. Sự thay đổi điểm nóng chảy trong hợp kim đồng
Hành vi nóng chảy đồng thay đổi đáng kể khi các yếu tố hợp kim vào mạng.
Trong thực tế, Các nhà luyện kim khai thác các biến thể này để điều chỉnh nhiệt độ đúc, tính lưu loát, và hiệu suất cơ học.
Ảnh hưởng của các yếu tố hợp kim
- kẽm (Zn):
Thêm 10 trận40 wt % Zn để tạo thành đồng thau làm giảm phạm vi tan chảy xuống gần 900Mùi940 ° C., Cảm ơn Cu Cu Zn Eutectic ở mức ~ 39 wt % Zn (tan chảy ở ~ 900 ° C).
Đồng thau cao (bên trên 35 % Zn) bắt đầu tiếp cận thành phần eutectic đó, trưng bày một khoảng thời gian tan chảy hẹp hơn và tính trôi chảy vượt trội. - Thiếc (Sn):
Giới thiệu 5 trận15 wt % SN mang lại đồng với một khoảng thời gian tan chảy 950Mạnh1.000 ° C..
Đây, Sơ đồ pha Cu Cu Sn cho thấy một eutectic ở mức ~ 8 wt % Sn (~ 875 ° C.), Nhưng các tác phẩm bằng đồng thực tế nằm trên đó, đẩy chất lỏng đến gần 1,000 ° C để đảm bảo sức mạnh đầy đủ. - Niken (TRONG):
Trong Cupronickels (10Cấm30 wt % TRONG), Liquidus leo lên từ 1,050 °C (vì 10 % TRONG) lên đến 1,200 °C (vì 30 % TRONG).
Niken sườn có ái lực mạnh mẽ với đồng làm tăng năng lượng liên kết và dịch chuyển cả solidus và chất lỏng lên trên. - Nhôm (Al):
Đồng nhôm (5Mạnh11 WT % Al) tan chảy giữa 1,020Mạnh1,050 ° C..
Biểu đồ pha của họ cho thấy các pha intermetallic phức tạp; một eutectic chính xung quanh 10 % Al xảy ra ở ~ 1.010 ° C, Nhưng các hợp kim cao hơn cũng đòi hỏi nhiệt độ ở trên 1,040 ° C để hóa lỏng hoàn toàn. - Beryllium (Là):
Ngay cả bổ sung nhỏ (~ 2 wt %) được giảm khoảng thời gian nóng chảy đến 865Mạnh1.000 ° C. bằng cách thúc đẩy một eutectic nhiệt độ thấp gần 2 % Là (~ 780 ° C.).
Điều này tạo điều kiện cho công việc chính xác nhưng yêu cầu kiểm soát sức khỏe cẩn thận và an toàn trong quá trình tan chảy.
Hiệu ứng phân giải eutectic và rắn
- Hệ thống eutectic: Hợp kim tại hoặc gần các chế phẩm eutectic hóa rắn tại một, Nhiệt độ sắc nét - lý tưởng cho việc đúc chết hoặc đúc wall mỏng.
Ví dụ, một hợp kim Cu - Zn tại 39 % Zn củng cố tại 900 °C, Tối đa hóa tính lưu động. - Giải pháp rắn: Hợp kim tiêu thụ hoặc hợp kim giảm tinh thể thể hiện phạm vi tan chảy (Chất rắn thành chất lỏng).
Phạm vi rộng hơn có thể gây ra các vùng của người sành ăn trong quá trình hóa rắn, sự phân biệt rủi ro và độ xốp. Ngược lại, Hợp kim siêu cấp có thể hình thành intermetallics giòn khi làm mát.
8. Sự liên quan đến công nghiệp của điểm nóng chảy của đồng
Điểm nóng chảy đồng của 1 085 °C (1 984 ° F) đóng vai trò then chốt trong hầu hết mọi hoạt động quy mô lớn chuyển đổi quặng thành các thành phần thành phẩm.
Trong thực tế, Các nhà sản xuất tận dụng tài sản này để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, Kiểm soát chất lượng sản phẩm, và giảm thiểu chất thải.
Nấu chảy và tinh chế
Xưởng đúc và lò luyện kim thường xuyên làm nóng đồng cô đặc 1 200–1 300 °C, vượt quá điểm nóng chảy kim loại để đảm bảo sự phân tách xỉ hoàn toàn.
Bằng cách duy trì lò 1 100 °C, Người vận hành giảm tổn thất oxy hóa: Các quy trình được kiểm soát tốt có thể cắt giảm sự hình thành của 4 % xuống dưới 1 %.
Hơn nữa, Các nhà máy điện từ bỏ qua việc làm lại bằng cách hòa tan các cực dương trong dung dịch axit, Tuy nhiên, họ vẫn phụ thuộc vào sự tan chảy ban đầu để đúc các tấm cao cấp.
Đúc và sản xuất hợp kim
Khi sản xuất đồng thau, đồng, hoặc bằng đồng bằng nhôm, Kỹ thuật viên đặt nhiệt độ tan chảy ngay trên mỗi hợp kim chất lỏng.
Ví dụ, 70/30 đồng thau tan chảy ở khoảng 920 °C, trong khi 6 % Đồng yêu cầu bằng đồng 1 040 °C.
Bằng cách giữ bồn tắm trong một thời gian hẹp ± 5 ° C. cửa sổ, Họ đạt được sự thâm nhập của khuôn đầy đủ, giảm độ xốp bằng cách lên đến 30 %, và đảm bảo hóa học hợp kim nhất quán.
Kiểm soát khí quyển và quản lý oxy hóa
Vì đồng nóng chảy phản ứng mạnh mẽ với oxy, Nhiều cơ sở trang bị thêm cảm ứng hoặc lò phản hồi với Tấm vải liệm argon hoặc nitơ.
Những môi trường trơ này làm giảm tổn thất oxy hóa từ 2 % (Mở không khí) để dưới đây 0.5 %, do đó cải thiện độ hoàn thiện bề mặt và độ dẫn điện cho các thành phần quan trọng như thanh xe buýt và đầu nối.
Tái chế và hiệu quả năng lượng
Tái chế phế liệu đồng tiêu thụ lên đến 85 % Ít năng lượng hơn hơn sản xuất chính.
Tuy nhiên, phế liệu hợp kim hỗn hợp thường chứa đồng thau và đồng với các điểm lỏng từ 900 ° C đến 1 050 °C.
Hệ thống tan chảy phế liệu hiện đại sử dụng đầu đốt tái tạo và chất thải phục hồi, Cắt tỉa sử dụng năng lượng tổng thể bằng cách 15–20 %.
Kết quả là, Đồng thứ cấp hiện đóng góp qua 30 % Cung cấp toàn cầu, được thúc đẩy bởi tiết kiệm chi phí và lợi thế môi trường.
9. Các ứng dụng yêu cầu kiểm soát nóng chảy chính xác
Một số quy trình sản xuất yêu cầu quy định nhiệt độ chặt chẽ đặc biệt xung quanh điểm nóng chảy đồng để đảm bảo chất lượng, hiệu suất, và độ lặp lại.
Dưới, Chúng tôi kiểm tra ba ứng dụng chính xoay quanh điều khiển nóng chảy chính xác.
Đúc đầu tư
TRONG đúc đầu tư, Các xưởng đúc duy trì nhiệt độ tan chảy trong ± 5 ° C. của hợp kim từ chất lỏng để đảm bảo làm đầy khuôn mịn và giảm thiểu độ xốp.
Ví dụ, Khi đúc một cánh quạt phốt pho (chất lỏng ~ 1.000 ° 100), Các nhà khai thác thường giữ bồn tắm tại 1,005 °C.
Bằng cách làm như vậy, Họ đạt được sự thâm nhập hoàn toàn của nấm mốc mà không quá nóng, nếu không thì làm suy giảm độ chính xác về chiều và tăng sự hình thành Dross.
Sản xuất đồng có độ bền cao để sử dụng điện
Các nhà sản xuất đồng cấp điện (≥ 99.99 % Củ) thực hiện tan chảy dưới chân không hoặc khí trơ, kiểm soát nhiệt độ vào bên trong ± 2 ° C. của 1,083 °C.
Kiểm soát nghiêm ngặt này ngăn chặn sự mắc kẹt và ô nhiễm khí, cả hai điều đó thỏa hiệp độ dẫn.
Hơn thế nữa, Quản lý nhiệt chặt chẽ trong các đường đúc liên tục mang lại các cấu trúc hạt mịn nhằm tăng cường hiệu suất điện và giảm điện trở suất bên dưới 1.67 µΩ·cm.
Sản xuất phụ gia và lắng đọng nước mỏng
Trong Laser Powder - Fusion Bed Fusion (LPBF) hợp kim đồng, Các kỹ sư điều chỉnh năng lượng laser và tốc độ quét để tạo ra các bể tan chảy cục bộ tại xung quanh 1,100 – 1,150 °C.
Cấu hình nhiệt chính xác, thường được theo dõi trong thời gian thực với pyrometer -prevents balling, độ xốp, và khuyết tật lỗ khóa.
Tương tự, trong lắng đọng hơi vật lý (PVD) của màng đồng, Nhiệt độ lò rèn phải ở trong ± 1 ° C. của điểm đặt bay hơi (tiêu biểu 1,300 °C) Để kiểm soát tỷ lệ lắng đọng và tính đồng nhất của màng xuống độ chính xác của nanomet.
10. So sánh với các kim loại khác
So sánh điểm nóng chảy đồng với một phổ kim loại rộng hơn làm rõ thêm cách cấu trúc nguyên tử và năng lượng liên kết chỉ ra hành vi nhiệt và giúp các kỹ sư chọn vật liệu thích hợp.
Điểm nóng chảy và năng lượng trái phiếu
| Kim loại | điểm nóng chảy (°C) | Năng lượng liên kết (KJ/mol) | Cấu trúc tinh thể |
|---|---|---|---|
| Magie | 650 | 75 | HCP |
| kẽm | 420 | 115 | HCP |
| Chỉ huy | 327 | 94 | FCC |
| Nhôm | 660 | 106 | FCC |
| Bạc | 961 | 216 | FCC |
| Vàng | 1 064 | 226 | FCC |
| đồng | 1 085 | 201 | FCC |
| coban | 1 495 | 243 | HCP (α -What) |
| Niken | 1 455 | 273 | FCC |
| Titan | 1 668 | 243 | HCP (α -you) |
| Sắt | 1 538 | 272 | BCC (Fe), FCC (Fe) |
| Bạch kim | 1 768 | 315 | FCC |
| vonfram | 3 422 | 820 | BCC |
Ý nghĩa đối với thiết kế hợp kim
- Năng lượng và chi phí: Kim loại như đồng tấn công cân bằng giữa nhiệt độ nóng chảy hợp lý (xung quanh 1 085 °C) và tính chất cơ học mạnh mẽ.
Ngược lại, Xử lý vonfram hoặc bạch kim đòi hỏi thiết bị nhiệt độ cao chuyên dụng và đầu vào năng lượng lớn hơn. - Tham gia và diễn viên: Khi kết hợp các kim loại không giống nhau, chẳng hạn như đồng tràng lên titan,
Các kỹ sư chọn chất độn có điểm nóng chảy dưới kim loại nhiệt độ thấp hơn để tránh thiệt hại cơ sở. - Điều chỉnh hiệu suất: Các nhà thiết kế hợp kim tận dụng các xu hướng nóng chảy và liên kết này để thiết kế các vật liệu thực hiện trong các điều kiện nhiệt cụ thể,
cho dù họ cần một hợp kim dễ cháy nhiệt độ thấp hay siêu hợp chất cao.
11. Phần kết luận
Điểm nóng chảy của hợp kim đồng và đồng là sự cân bằng giữa liên kết kim loại mạnh và các yêu cầu nhiệt khả thi.
Các kỹ sư đạt được hiệu suất tối ưu trong việc nấu chảy, vật đúc, và sản xuất tiên tiến bằng cách kiểm soát tạp chất, Các yếu tố hợp kim, và các tham số xử lý.
Khi các ngành công nghiệp phấn đấu cho hiệu quả năng lượng lớn hơn và tính bền vững vật chất, Một sự nắm bắt kỹ lưỡng về hành vi nóng chảy đồng vẫn là một nền tảng quan trọng cho sự đổi mới.
Câu hỏi thường gặp
Điểm nóng chảy của đồng được đo như thế nào?
Phòng thí nghiệm xác định điểm nóng chảy đồng bằng cách sử dụng nhiệt lượng quét vi sai (DSC) hoặc một lò nhiệt độ cao được trang bị cặp nhiệt điện hiệu chuẩn.
Các phương pháp này các mẫu nhiệt ở mức giá được kiểm soát (Thông thường 5 nhiệt10 ° C/phút) và ghi lại sự khởi đầu của quá trình chuyển đổi - chất lỏng.
Những tạp chất ảnh hưởng mạnh mẽ nhất đến điểm nóng chảy đồng?
Kẽm và thiếc thấp hơn đáng kể chất lỏng đồng (đến 900 Hàng940 ° C). Ngược lại, Dấu vết bạc có thể nâng nó lên 5 trận10 ° C.
Oxy và lưu huỳnh thường tạo thành các oxit hoặc sunfua cho thấy thấp, gây ra sự tan chảy cục bộ - điểm trầm cảm.
