Schmelzpunkt von Aluminium

Schmelzpunkt von reinem Aluminium

Schmelzen von Aluminium, wie andere Stoffe, tritt auf, wenn ihm Wärmeenergie zugeführt wird, außen oder direkt in sein Volumen, Wie kommt es dazu, z.B, mit Induktionserwärmung.

Schmelzpunkt von Aluminium hängt von seiner Reinheit ab:

• Schmelzpunkt von Reinstaluminium 99,996 %: 660,37 ° C.
• Mit Aluminiumanteil 99,5 % Schmelzen beginnt um 657 ° C.
• Mit Aluminiumanteil 99,0 % Schmelzen beginnt um 643 ° C.

Schmelzpunkt von Metallen

Metalle und Nichtmetalle

Jedes Stück Metall, z.B, Aluminium, enthält Millionen einzelner Kristalle, die man Körner nennt. Jedes Korn hat seine eigene einzigartige Atomgitterorientierung, aber insgesamt sind die Körner in diesem Stück zufällig orientiert. Diese Struktur wird polykristallin genannt..

Amorphe Materialien, z.B, Glas, anders als kristalline Materialien, z.B, Aluminium, durch zwei wichtige Unterschiede, die miteinander verwandt sind:

• Fehlende Fernordnung der Molekülstruktur
• Unterschiede in der Art des Schmelzens und der Wärmeausdehnung.

Der Unterschied in der Molekülstruktur ist in der Abbildung zu sehen. 1. Die linke zeigt eine dicht gepackte und geordnete Kristallstruktur.. Rechts gezeigtes amorphes Material: eine weniger dichte Struktur mit zufälliger Anordnung der Atome.

Bild 1 - Die Struktur von kristallinen (a) und amorphen (b) Materialien.
Kristallstruktur: geordnet, sich wiederholend und dicht,
amorphe Struktur – lockerer verpackt
unregelmäßig angeordnet.

Schmelzen von Metallen

Dieser Strukturunterschied tritt auf, wenn Metalle schmelzen., einschließlich, Schmelzen von Aluminium verschiedener Reinheiten und seiner Legierungen. Weniger dicht gepackte Atome führen zu einer Volumenzunahme (Abnahme der Dichte) im Vergleich zum gleichen Metall im festen kristallinen Zustand.

Metalle erfahren beim Schmelzen eine Volumenzunahme. Bei reinen Metallen erfolgt diese Volumenänderung sehr stark und bei konstanter Temperatur - dem Schmelzpunkt, wie auf dem bild gezeigt 2. Diese Änderung stellt die Lücke zwischen den schrägen Linien auf beiden Seiten des Schmelzpunktes dar.. Diese beiden schrägen Linien charakterisieren die Wärmeausdehnung des Metalls., was normalerweise in flüssigem und festem Zustand unterschiedlich ist.

Bild 2 - Eine charakteristische Volumenänderung von reinem Metall
im Vergleich zur Volumenänderung des amorphen Materials [4]:
Tg – Glasübergangstemperatur (Übergang eines flüssigen Zustands in einen festen Zustand);
Tm – Schmelztemperatur

Schmelzwärme

Mit dieser starken Volumenzunahme beim Übergang eines Metalls vom festen in den flüssigen Zustand ist eine gewisse Wärmemenge verbunden., die als latente Schmelzwärme bezeichnet wird. Durch diese Wärme verlieren die Atome ihre dichte und geordnete Kristallstruktur.. Dieser Vorgang ist reversibel, es funktioniert in beide richtungen - und wenn erhitzt, und wenn abgekühlt.

Gleichgewichtsschmelzpunkt

Wie oben gezeigt, reine kristalline Substanzen, z.B, reine Metalle, einen charakteristischen Schmelzpunkt haben, oft als "Schmelzpunkt" bezeichnet. Bei dieser Temperatur schmilzt dieser reine kristalline Feststoff und wird flüssig.. Der Übergang zwischen festem und flüssigem Zustand bei kleinen Proben reiner Metalle ist so klein, was genau gemessen werden kann 0,1 ºS.

Flüssigkeiten haben eine charakteristische Temperatur, an denen sie fest werden. Diese Temperatur wird Erstarrungstemperatur oder Erstarrungspunkt genannt.. In der Theorie – unter Gleichgewichtsbedingungen – der Gleichgewichtsschmelzpunkt eines Feststoffs ist gleich, als Gleichgewichtstemperatur seiner Erstarrung. In der Praxis sind zwischen diesen Werten kleine Unterschiede zu beobachten (Abbildung 3).

Bild 3 – Abkühl- und Aufheizkurven von reinem Metall.
Die Phänomene der Unterkühlung beim Abkühlen und der Überhitzung beim Aufheizen sind sichtbar..
Zu Beginn der Erstarrung gibt es eine Vertiefung in der Abkühlkurve,
was durch den verzögerten Kristallisationsbeginn erklärt wird [4]

Liquidus- und Solidustemperaturen

• Temperatur Anfang Schmelzen wird Solidustemperatur (oder Soliduspunkt) genannt
• Temperatur Enden Schmelzen - Liquidustemperatur (oder Liquiduspunkt).

"Solidus" bedeutet, verständlicherweise, fest, und "Liquid" – flüssig: bei Solidustemperatur die gesamte Legierung immer noch fest, und bei Liquidustemperatur - alle schon flüssig.

Wenn diese Legierung aus einem flüssigen Zustand erstarrt, ist die Temperatur des Kristallisationsbeginns (Erstarrung) dieselbe Liquidustemperatur, und das Ende der Kristallisation ist die gleiche Solidustemperatur. Bei einer Legierungstemperatur zwischen seinen Solidus- und Liquidustemperaturen befindet es sich in einem halbflüssig-halbfesten, matschiger Zustand.

Schmelzen von Aluminium

Einfluss von Legierungselementen und Verunreinigungen

Hinzufügen anderer Elemente zu Aluminium, inklusive Legierung, senkt seinen Schmelzpunkt, etwas präziser – der Beginn seines Schmelzens. So, bei einigen Aluminiumgusslegierungen mit hohem Silizium- und Magnesiumgehalt sinkt die Temperatur des Schmelzbeginns fast auf 500 ° C. Allgemein, der Begriff "Schmelzpunkt" gilt nur für reine Metalle und andere kristalline Stoffe. Legierungen hingegen haben keinen bestimmten Schmelzpunkt: Der Prozess ihres Schmelzens (und Erstarrens) findet in einem bestimmten Temperaturbereich statt.

Bild 4- Änderung des spezifischen Volumens von reinem Metall (Aluminium) und
Legierung dieses Metalls (Aluminiumlegierung) [4]

Schmelzbereiche

Die folgende Tabelle zeigt die Liquidus- und Solidustemperaturen einiger industrieller Knetlegierungen.. Muss im Hinterkopf behalten, dass die Konzepte von Solidus- und Liquidustemperaturen für Gleichgewichtsumwandlungen einer flüssigen Phase in eine feste Phase und umgekehrt definiert sind, d.h. mit einer unendlichen Dauer von Prozessen. In der Praxis müssen Korrekturen für die Heiz- oder Kühlrate vorgenommen werden..

Schmelzsilumin

Nicht alle Legierungen haben einen Solidus- und Liquidus-Temperaturbereich. Solche Legierungen werden als Eutektikum bezeichnet.. beispielsweise, in einer Aluminiumlegierung mit 12,5 % Silizium, die Liquidus- und Soliduspunkte sind auf einen Punkt reduziert: diese Legierung hat wie reine Metalle keinen Abstand, aber Punkt schmelzen. Dieser Punkt und diese Temperatur werden als Eutektikum bezeichnet.. Diese Legierung gehört zu den bekannten Aluminium-Silizium-Gusslegierungen - Siluminen mit engem Solidus-Liquidus-Intervall, was ihnen die besten Gießeigenschaften verleiht.

In einer binären Al-Si-Legierung ist die Solidustemperatur konstant und beträgt 577 ° C. Mit steigendem Siliziumgehalt sinkt die Liquidustemperatur vom Maximalwert für reines Aluminium 660 ° С und bis zur Übereinstimmung mit der Temperatur des Solidus 577 ° С mit Siliziumanteil 12,6 %.

Unter anderen Legierungselementen von Aluminium senkt Magnesium den Schmelzpunkt am stärksten: eutektische Temperatur 450 °C wird mit Magnesiumgehalt erreicht 18,9 %. Kupfer gibt eutektische Temperatur 548 ° C, und Mangan ist nur 658 °C! Die meisten Legierungen sind nicht doppelt, aber dreifach und sogar vierfach. Daher kann durch die kombinierte Wirkung mehrerer Legierungselemente die Temperatur des Solidus - Beginn des Schmelzens oder Ende der Erstarrung noch niedriger sein.

Erstarrung von Aluminium

Reines Aluminium

Reine Metalle, einschließlich, reines Aluminium, einen klaren Schmelzpunkt haben - Schmelzpunkt. Das Erstarren oder "Einfrieren" von reinem Aluminium erfolgt auch bei konstanter Temperatur. Wenn reines flüssiges Aluminium abgekühlt wird, seine Temperatur sinkt auf die Erstarrungstemperatur und bleibt bei dieser Temperatur, bis alles (flüssiges Aluminium) ausgehärtet ist. In den Bildern 5 und 6 typische Abkühlungskurven von reinem Metall mit seinem Übergang vom flüssigen in den festen Zustand sind dargestellt.

Bild 5 – Kühlkurve aus reinem Metall (Beispielsweise, Aluminium) [3]

Bild 6 – Erstarrung von Reinaluminium [5]

Aluminiumlegierung

Beim Erstarren von Aluminiumlegierungen, die aus Aluminium und einem darin gelösten Legierungselement besteht, z.B, Silizium oder Kupfer, dann zeigt die Abkühlkurve dieser Legierung, dass der Erstarrungsbeginn bei einer Temperatur erfolgt, und das Ende hat eine andere Temperatur (Abbildung 7).

Bild 7 – Abkühlkurve der Legierung (Beispielsweise, Aluminiumlegierung) [3]

Schmelzende Aluminiumlegierung zum Gießen

Zum Erwärmen von Aluminiumlegierungen auf Flüssigkeitstemperatur, an denen Gießarbeiten durchgeführt werden können, Verwendung von Schmelzöfen verschiedener Typen. Wärmeenergie, was ist erforderlich für, Metall auf Flüssigkeitstemperatur erhitzen, in der es in Gießformen gegossen werden kann, besteht aus der Summe der folgenden Komponenten:

• Hitze, die Temperatur des Metalls auf seinen Schmelzpunkt zu erhöhen
• Schmelzwärme, ein Metall von einem festen in einen flüssigen Zustand überführen
• Erhitzen, um das geschmolzene Metall auf eine vorbestimmte Gießtemperatur zu erhitzen

Die Gießtemperatur ist die Temperatur des geschmolzenen Metalls, bei dem es in eine Gießform gegossen wird. Wichtig ist hier der Unterschied zwischen Gießtemperatur und Temperatur, bei dem die Erstarrung beginnt. Diese Temperatur ist der Schmelzpunkt (Punkt) für reines Aluminium oder die Liquidustemperatur für eine Aluminiumlegierung.. Dieser Temperaturunterschied wird manchmal als Überhitzung bezeichnet.. Dieser Begriff kann auch auf die Wärmemenge angewendet werden, die zwischen dem Gießen und dem Zeitpunkt des Erstarrungsbeginns aus dem flüssigen Metall entfernt werden müssen.

Siedetemperatur

• Der Siedepunkt von reinem Aluminium ist 2494 ºS [1]

Andere thermische Eigenschaften von Aluminium [1]:

• latente Schmelzwärme: 397 kJ / g
• spezifische Verdampfungswärme: 1,18 · 10^-4 MJ / (g·K)
• Heizwert: 31,05 MJ / kg
• Wärmekapazität: 0,900 kJ / (g·K) bei 25 ºS;
  1,18 kJ / (g·K) bei 660,4 ºС (flüssig)

Schmelzpunkt verschiedener Metalle

Schmelzpunkt von einigen anderen sauber Metalle ist (Grad Celsius) [1]:

• Quecksilber: minus 39
• Lithium: 181
• das Blei: 232
• das Blei: 328
• Zink: 420
• Magnesium: 650
• Kupfer: 1085
• Nickel: 1455
• Eisen: 1538
• Titan: 1670

Quellen:
1. Aluminium und Aluminiumlegierungen, ASM International, 1993
2. Handbuch für Aluminium: Vol. 1, ed. G. E. Totten, D. S. MacKenzie, 2003
3. Groover, Mikell P. Grundlagen der modernen Fertigung: Materialien, Prozesse und Systeme, 4Das D. – JOHN WILEY & SÖHNE, 2010
4. Einführung in Legierungsphasendiagramme – ASM International, 1992
5. TALAT 1205