1. 介绍
铜排名人类最通用的金属, 由于其出色的电导率, 耐腐蚀性, 和表现性.
而且, 科学家和工程师依靠铜的热行为来设计从电线到热交换器的组件.
最后, 在冶金和工业应用中，了解铜的熔点是必不可少的.
2. 熔点的定义和意义
这 熔点 表示在平衡条件下固体过渡到液体的温度.
实践, 它标志着固相键合力与热搅动之间的平衡.
所以, 冶金学家使用熔点作为选择材料的基准, 设计炉, 并控制铸造过程.
3. 铜的熔点
纯铜融化大约 1,085°C (1,984°f).
在此温度下, 从固体到液体的铜过渡, 允许它被铸造, 加入, 或合金. 以其固体形式, 铜有一个 以面部为中心的立方体 (FCC) 结构
4. 热力学和原子级别的视角
在原子量表, 铜的大量熔点源于其 金属粘结 - 一个粘合带正电离子的DELEACALIZERED电子.
其电子配置, [ar] 3D＆⁰4S, 每个原子提供一个传导电子, 这不仅是电导率的基础，而且还增强了原子间内聚.
- 融合的焓: 〜13 kJ/mol
- 熔化的潜热: 〜205 kJ/kg
这些值量化了在熔化过程中打破金属键所需的能量.
此外, 铜的原子质量相对较高 (63.55 amu) 和密集的FCC晶格 (12 最近的邻居) 提高其键能和热稳定性.
5. 影响铜熔点的因素
几个关键参数会改变铜的熔融行为, 通常，通过将其固体转变为液化温度将摄氏摄氏度转移.
了解这些变量可以在纯铜工艺和合金生产中精确的热管理.
合金元素和杂质
- 锌和锡: 介绍10–40 wt % Zn在黄铜中降低熔融范围至约900–940°C. 相似地, 5–15 wt % SN的融化间隔为950–1,000°C，产生青铜.
- 银和磷: 甚至追踪银 (≤1wt %) 可以将铜的Liquidus提高5–10°C, 而磷在 0.1 wt % 略微降低熔点并提高流动性.
- 氧气和硫: 溶解的氧气形成上面的含量 1,000 °C, 触发局部熔点抑郁症.
同时, 硫污染至 0.02 wt % 导致互惠，并在晶界创造低熔化的共光学.
晶粒尺寸和微观结构
- 优良VS. 粗粒: 细化的铜表现出较高的融化发作 - 五个材料以上是2-5°C，因为增加的谷物结合区域会增强晶格.
- 降水硬化: 在Cu – Be等合金中, 沉淀引入局部应变场，可以将熔化提升到 8 °C, 取决于沉淀的体积分数.
晶格缺陷
- 空缺和错位: 高空浓度 (>10⁻⁴原子分数) 引入晶格失真, 将熔点降低3–7°C.
- 工作硬化: 冷铜的铜中含有纠结的脱位，可减少凝聚力, 因此，大约令人沮丧的融化 4 °C与退火铜相比.
压力效应
- Clageyron关系: 升压的压力以大致的速度提高熔化温度 +3 k per 100 MPA.
尽管工业融化很少超过环境压力, 高压实验证实了这个可预测的斜率.
热历史和表面条件
- 预热: 慢速预热至400–600°C可以超过表面氧化物和水分, 防止早期熔点抑郁症.
- 表面涂料: 保护磁通 (例如。, 基于硼砂) 形成稳定表面并在露天处理过程中保持真实熔点的屏障.
6. 铜合金的熔点
以下是一系列常见铜合金的熔点综合列表.
这些值是指典型的液态温度; 合金经常在一个范围内固化 (固体→液体) 我们在这里引用的是近似熔化的间隔.
| 合金名称 / 我们 | 作品 (wt％) | 融化范围 (°C) |
|---|---|---|
| C10200 (ECD) | ≥99.90cu | 1 083–1085 |
| C11000 (选举) | ≥99.90cu | 1 083–1085 |
| C23000 (黄色黄铜) | 〜67cu -33zn | 900 –920 |
| C26000 (墨盒黄铜) | 〜70cu -30zn | 920 –940 |
| C36000 (自由安排的黄铜) | 〜61cu -38zn -1pb | 920 –940 |
| C46400 (海军黄铜) | 〜60CU -39N -1SN | 910 –960 |
| C51000 (磷青铜) | 〜95cu -5Sn | 1 000–1050 |
| C52100 (高强度的PHO. 青铜) | 〜94CU -6SN | 1 000–1050 |
| C61400 (铝青铜) | 〜82CU -10AL -8FE | 1 015–1035 |
| C95400 (铝青铜) | 〜79CU-10AL-6NI-3O | 1 020–1045 |
| C83600 (铅红色黄铜) | 〜84CU -6SN -5PB -5NZ | 890 –940 |
| C90500 (枪金属) | 〜88CU -10SN -2N | 900 –950 |
| C93200 (硅青铜) | 〜95s。 | 1 000–1050 |
| C70600 (90–10库里克尔) | 90 与-10ni | 1 050–1150 |
| C71500 (70–30库里克尔) | 70 与-30ni | 1 200–1300 |
| C17200 (铍铜) | 〜97CU -2BE -11CO | 865 –1000 |
7. 铜合金的熔点变化
一旦合金元素进入格子.
实践, 冶金家将这些变化剥削到裁缝铸造温度, 流动性, 和机械性能.
合金元素的影响
- 锌 (Zn):
增加10–40 wt % Zn形成黄铜会降低熔融范围至大致 900–940°C, 感谢Cu – Zn Eutectic，〜39 wt % Zn (熔化在〜900°C).
高锌黄铜 (多于 35 % Zn) 开始接近共晶的成分, 表现出较窄的熔化间隔和出色的流动性. - 锡 (sn):
介绍5–15 wt % SN以熔化间隔的铜产生 950–1,000°C.
这里, Cu – Sn相图在〜8 wt时显示了一个共晶 % sn (〜875°C), 但是实用的青铜构成在于, 将液体推向靠近 1,000 °C以确保足够的强度. - 镍 (在):
在杯子里 (10–30 wt % 在), 液相素从 1,050 °C (为了 10 % 在) 到 1,200 °C (为了 30 % 在).
镍对铜的强亲和力会提高粘结能量，并向向上移动固体和液体. - 铝 (al):
铝青铜器 (5–11 wt % al) 融化 1,020–1,050°C.
它们的相图揭示了复杂的金属间相; 周围的主要共产分子 10 % Al发生在〜1,010°C, 但是较高的合金需要高于 1,040 °C到完全液化. - 铍 (是):
甚至是少量添加 (〜2 wt %) 减少熔化间隔 865–1,000°C 通过在附近促进低温的共晶 2 % 是 (〜780°C).
这有助于精确工作，但在熔化过程中需要仔细的健康和安全控制.
共晶和固态效应
- 共晶系统: 共晶成分或附近的合金在一个单一的, 温度急剧 - 铸造或薄壁铸件的理想.
例如, Cu – Zn合金 39 % Zn固化 900 °C, 最大化流动性. - 实心解决方案: 亚链典型或低蛋白质合金表现出熔融范围 (固体到液体).
更宽的范围会在凝固过程中引起“糊状”区域, 冒险隔离和孔隙率. 相比之下, 冷静合金在冷却时可能形成脆性的金属间。.
8. 铜的熔点的工业相关性
铜的熔点 1 085 °C (1 984 °f) 在几乎每个将矿石转化为成品组件的大规模操作中扮演着关键的角色.
实践, 制造商利用该物业优化能源使用, 控制产品质量, 并最大程度地减少浪费.
冶炼和精炼
铸造厂和冶炼厂通常将铜浓缩到 1 200–1 300 °C, 超过金属的熔点以确保完全炉渣分离.
通过大致维持炉子 1 100 °C, 操作员减少氧化损失: 良好控制的过程可以从 4 % 向下 1 %.
此外, 通过将不纯阳极溶解在酸性溶液中，绕过植物绕过绕过重复, 然而，它们仍然取决于最初的融化来铸造高纯板.
铸造和合金生产
生产黄铜时, 青铜, 或铝制青铜, 技术人员在每种合金上方都设置了熔体温度 液体.
例如, 70/30 黄铜融化 920 °C, 尽管 6 % 铝青铜需要 1 040 °C.
通过在狭窄的 ±5°C 窗户, 他们达到完整的霉菌穿透, 降低孔隙率 30 %, 并确保合金化学一致.
气氛控制和氧化管理
因为熔融铜与氧气剧烈反应, 许多设施的改装感应或无炉 氩或氮裹尸布.
这些惰性环境降低了氧化的损失 2 % (露天) 到下面 0.5 %, 从而改善了关键组件（例如公交杆和连接器）的表面饰面和电导率.
回收和能源效率
回收废料铜消耗 到 85 % 减少能量 比初级生产.
然而, 混合合金废料通常包含液体点的黄铜和青铜 900 °C至 1 050 °C.
现代报废熔化系统采用再生燃烧器和废物加热恢复, 修剪整体能源使用 15–20 %.
因此, 次级铜现在贡献 30 % 全球供应, 由节省成本和环境优势驱动.
9. 需要精确熔化控制的应用
某些制造过程需要在铜的熔点周围特别严格的温度调节以确保质量, 表现, 和可重复性.
以下, 我们检查了三个关键应用程序，这些应用程序取决于精确的熔融控制.
投资铸造
在 投资铸造, 铸造厂在内部保持熔体温度 ±5°C 合金的液体以确保光滑的霉菌填充并最小化孔隙率.
例如, 施放磷杆叶轮时 (液体〜1,000°100), 操作员通常将浴室放在 1,005 °C.
这样做, 他们实现完整的霉菌穿透而不会过热, 否则它将降低尺寸的精度并增加滴滴的形成.
高纯铜生产用于电气使用
电级铜的制造商 (≥ 99.99 % 铜) 在真空或惰性气体下进行熔化, 控制温度到内 ±2°C 的 1,083 °C.
这种严格的控制可防止气体夹带和污染, 两者都妥协了电导率.
而且, 连续铸件中的紧密热管理产生细晶粒结构，从而进一步提高电性能并降低电阻率 1.67 µΩ·cm.
增材制造和薄膜沉积
在激光粉末融合中 (LPBF) 铜合金, 工程师调整激光功率和扫描速度，以在周围生产局部熔体池 1,100 - 1,150 °C.
精确的热谱分析 - 通常通过增光计进行实时监控 - 预防量, 孔隙率, 和钥匙孔缺陷.
相似地, 在物理蒸气沉积中 (PVD) 铜胶片, 坩埚温度必须留在 ±1°C 蒸发设定点 (通常 1,300 °C) 控制沉积速率和薄膜均匀性至纳米精度.
10. 与其他金属的比较
将铜的熔点与更广泛的金属进行比较，进一步阐明了原子结构和粘结能力如何决定热行为，并帮助工程师选择适当的材料.
熔点和键能
| 金属 | 熔点 (°C) | 键能 (KJ/mol) | 晶体结构 |
|---|---|---|---|
| 镁 | 650 | 75 | HCP |
| 锌 | 420 | 115 | HCP |
| 带领 | 327 | 94 | FCC |
| 铝 | 660 | 106 | FCC |
| 银 | 961 | 216 | FCC |
| 金子 | 1 064 | 226 | FCC |
| 铜 | 1 085 | 201 | FCC |
| 钴 | 1 495 | 243 | HCP (α-什么) |
| 镍 | 1 455 | 273 | FCC |
| 钛 | 1 668 | 243 | HCP (α -you) |
| 铁 | 1 538 | 272 | BCC (δ -fe), FCC (γ-fe) |
| 铂 | 1 768 | 315 | FCC |
| 钨 | 3 422 | 820 | BCC |
对合金设计的影响
- 能源和成本: 像铜这样的金属在合理的熔融温度之间取得平衡 (大约 1 085 °C) 和强大的机械性能.
相比之下, 加工钨或铂需要专业的高温设备和更大的能量输入. - 加入和铸造性: 当混合不同的金属时, 例如铜铜到钛,
工程师选择填充物，熔点低于下温度的金属，以避免基础金属损坏. - 性能调整: 合金设计师利用这些融化和粘结趋势来为在特定热条件下执行的工程师材料,
他们是否需要低温易熔合金还是高振动的超合金.
11. 结论
铜和铜合金的熔点体现了强金属粘结和可行的热需求之间的平衡.
工程师在冶炼中取得最佳性能, 铸件, 和通过控制杂质的高级制造, 合金元素, 和过程参数.
随着行业努力提高能源效率和材料的可持续性, 彻底掌握铜的熔化行为仍然是创新的关键基础.
常见问题解答
如何测量铜的熔点?
实验室使用差扫描量热法确定铜的熔点 (DSC) 或配有校准热电偶的高温炉.
这些方法以受控速率加热样品 (通常为5–10°C/min) 并记录固体到液过渡的发作.
哪些杂质最强烈影响铜的熔点?
锌和锡显着降低铜的液体 (在黄铜和青铜器中的900–940°C和950–1,000°C). 反过来, 痕量银可以将其提高5–10°C.
氧气和硫通常形成低熔化的氧化物或硫化物, 引起局部熔点凹陷.
