Температура плавления алюминия

Главная Общие Температура плавления алюминия

Общие

Май 02, 2022

8 мин. на чтение

Содержание:

Температура плавления чистого алюминия

Плавление алюминия, как и других веществ, происходит при подводе к нему тепловой энергии извне или непосредственно в его объеме, как это происходит, например, при индукционном нагреве.

Алюминий Наиболее популярные свойства алюминия и его сплавов

Температура плавления алюминия зависит от его чистоты:

Температура плавления сверхчистого алюминия 99,996%: 660,37 °С.
При содержании алюминия 99,5 % плавление начинается при 657 °С.
При содержании алюминия 99,0 % плавление начинается при 643 °С.

Температура плавления металлов

Металлы и неметаллы

Любой кусок металла, например алюминий, содержит миллионы отдельных кристаллов, называемых зернами. Каждое зерно имеет свою уникальную ориентацию атомной решетки, но внутри этого куска все зерна вместе ориентированы случайным образом. Такая структура называется поликристаллической.

Аморфные материалы, такие как стекло, отличаются от кристаллических материалов, таких как алюминий, по двум важным и взаимосвязанным признакам:

отсутствие дальнего порядка в молекулярной структуре
различия в характере плавления и теплового расширения.

Разницу в молекулярной структуре можно увидеть на рисунке 1. Плотно упакованная и упорядоченная кристаллическая структура показана слева. Справа аморфный материал: менее плотная структура со случайным расположением атомов.

Отличие строения кристаллических и аморфных материалов

Рисунок 1 – Строение кристаллического (а) и аморфного (б) материалов.
Кристаллическая структура: упорядоченная, повторяющаяся и плотная,
аморфная структура - более рыхлая упаковка
со случайным расположением атомов.

Плавление металлов

Это различие в структуре проявляется при плавке металлов, в том числе при плавке алюминия различной чистоты и его сплавов. Менее плотно упакованные атомы дают увеличение объема (уменьшение плотности) по сравнению с тем же металлом в твердом кристаллическом состоянии.

Металлы испытывают увеличение объема при плавлении. Для чистых металлов это изменение объема происходит довольно резко и при постоянной температуре: температуре плавления, как показано на рисунке 2. Это изменение представляет собой разрыв между наклонными линиями по обе стороны от точки плавления. Обе наклонные линии характеризуют тепловое расширение металла, которое обычно различно в жидком и твердом состояниях.

Кривые нагревания чистого кристаллического материала (чистый алюминий) и аморфного материала

Рисунок 2 – Характерное изменение объема чистого металла
по сравнению с изменением объема аморфного материала [4]:
Tg – температура стеклования (переход из жидкого состояния в твердое);
Тпл - температура плавления

Теплота плавления

С этим сильным увеличением объема при переходе металла из твердого состояния в жидкое связано некоторое количество теплоты, которое называется скрытой теплотой плавления. Это тепло заставляет атомы терять свою плотную и упорядоченную кристаллическую структуру. Этот процесс обратим, он работает в обе стороны, как при нагреве, так и при охлаждении.

Равновесная температура плавления

Как показано выше, чистые кристаллические вещества, например чистые металлы, имеют характерную температуру плавления, которую часто называют «температурой плавления». При этой температуре это чистое кристаллическое твердое вещество плавится и становится жидкостью. Переход между твердым и жидким состоянием для небольших образцов чистых металлов настолько мал, что его можно измерить с точностью до 0,1 ºС.

Жидкости имеют характерную температуру, при которой они становятся твердыми. Эта температура называется температурой затвердевания или точкой затвердевания. Теоретически в равновесных условиях равновесная температура плавления твердого тела совпадает с равновесной температурой его затвердевания. На практике можно наблюдать небольшие различия между этими значениями (рис. 3).

Температура плавления/затвердевания на кривых нагрева и охлаждения чистого металла, например, чистого алюминия

Рисунок 3 – Кривые охлаждения и нагрева чистого металла.
Видны явления переохлаждения при охлаждении и перегрева при нагреве.
В начале затвердевания наблюдается депрессия на кривой охлаждения,
что объясняется медленным началом кристаллизации [4]

Температуры ликвидус и солидус

Температура плавления называется температурой солидуса (или точкой солидуса)
Конечная точка плавления – это температура ликвидуса (или точка ликвидуса).

«Солидус» означает, конечно, твердый, а «ликвидус» означает жидкий: при температуре солидуса весь сплав еще тверд, а при температуре ликвидуса он уже весь жидкий.

При затвердевании этого сплава из жидкого состояния начальная температура кристаллизации (затвердевания) будет такой же, как температура ликвидуса, а конца кристаллизации будет такой же, как температура солидуса. При температуре сплава между его температурами солидуса и ликвидуса он находится в мягком полужидко-полутвердом состоянии.

Плавление алюминия

Влияние легирующих элементов и примесей

Добавление к алюминию других элементов, в том числе легирующих, снижает его температуру плавления, вернее, начало его плавления. Так, для некоторых алюминиевых литейных сплавов с высоким содержанием кремния и магния температура начала плавления снижается почти до 500 °С. Вообще понятие «температура плавления» применимо только к чистым металлам и другим кристаллическим веществам. Сплавы же не имеют определенной температуры плавления: процесс их плавления (и затвердевания) происходит в определенном интервале температур.

Плавление чистого алюминия и алюминиевого сплава - кривые нагрева

Рисунок 4 – Изменение удельного объема чистого металла (алюминия) и
сплав этого металла (алюминиевый сплав) [4]

Интервалы температуры плавления

В следующей таблице показаны температуры ликвидуса и солидуса некоторых промышленных деформируемых сплавов. Имейте в виду, что понятия температуры солидуса и ликвидуса определены для равновесных превращений жидкой фазы в твердую и наоборот, т е для бесконечной продолжительности процессов. На практике необходимо вносить поправки на скорость нагрева или охлаждения.

Плавление силумина

Не все сплавы имеют диапазон температур солидуса и ликвидуса. Такие сплавы называются эвтектическими. Например, в алюминиевом сплаве, содержащем 12,5 % кремния, точки ликвидуса и солидуса сходятся в одной точке: этот сплав, как и чистые металлы, имеет не интервал, а точку плавления. Эта точка и температура называются эвтектикой. Этот сплав относится к известным литейным алюминиево-кремниевым сплавам, силуминам с узким интервалом солидус-ликвидус, что придает им лучшие литейные свойства.

В бинарном сплаве Al-Si температура солидуса постоянна и составляет 577 °С. С увеличением содержания кремния температура ликвидуса снижается от максимального значения для чистого алюминия 660 °С до совпадения с температурой солидуса 577 °С при содержании кремния 12,6 %.

Среди других легирующих элементов магний больше всего снижает температуру плавления: температура эвтектики 450 °С достигается при содержании магния 18,9 %. Медь обеспечивает температуру эвтектики 548°С, а марганец только 658°С! Большинство сплавов не двойные, а тройные и даже четверные. Поэтому при совместном воздействии различных легирующих элементов температура солидуса, начала плавления или окончания затвердевания может быть еще ниже.

Затвердевание алюминия

Чистый алюминий

Чистые металлы, в том числе и чистый алюминий, имеют четкую температуру плавления – точку плавления. Затвердевание или «замораживание» чистого алюминия также происходит при постоянной температуре. Когда чистый жидкий алюминий охлаждается, его температура падает до температуры затвердевания, и он остается при этой температуре до тех пор, пока весь (жидкий алюминий) не затвердеет. На рис. 5 и 6 показаны типичные кривые охлаждения чистого металла из жидкого состояния в твердое.

Рисунок 5 – Кривая охлаждения чистого металла (например, алюминия) [3]

Рисунок 6 – Затвердевание чистого алюминия [5]

Алюминиевый сплав

При затвердевании алюминиевого сплава, состоящего из алюминия и растворенного в нем легирующего элемента, например, кремния или меди, кривая охлаждения этого сплава показывает, что начало затвердевания происходит при температуре, а окончание при другой температуры (рис. 7).

Кривая затвердевания алюминиевого сплава

Рисунок 7: Кривая охлаждения сплава (например, алюминиевого сплава) [3]

Расплавление алюминиевых сплавов для литья

Различные типы плавильных печей используются для нагрева алюминиевого сплава до температуры жидкого состояния, при которой возможны операции литья. Тепловая энергия, необходимая для нагревания металла до температуры жидкости, при которой его можно разливать в формы, состоит из суммы следующих составляющих:

Нагрев, чтобы поднять температуру металла до его точки плавления
Теплота плавления для перевода металла из твердого состояния в жидкое
Нагрев для нагрева расплавленного металла до заданной температуры литья

Температура заливки – это температура расплавленного металла, при которой его заливают в форму. Важным фактором здесь является разница между температурой плавления и температурой, при которой начинается затвердевание. Эта температура является температурой плавления (температурой) чистого алюминия или температурой ликвидуса алюминиевого сплава. Эту разницу температур иногда называют перегревом. Этот термин также может быть применен к количеству тепла, которое необходимо отвести от жидкого металла между заливкой и временем начала затвердевания.