Температура плавления алюминия

 

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

Температура плавления чистого алюминия

Влияние чистоты алюминия 

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.

Table 1 –  Relationship between the Purity Aluminium and its Melting Point [2]

Влияние давления

Fig. 1-1 – Relationships between the melting point of aluminium and applied pressure [2]

Температура плавления металлов

Металлы и неметаллы

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

Аморфные материалы, например, стекло,  отличаются от кристаллических материалов, например, алюминия, по двум важным отличиям, которые связаны друг с другом:

• отсутствие дальнего порядка молекулярной структуры
• различия в характере плавления и термического расширения.

Различие молекулярной структуры можно видеть на рисунке 1. Слева показана плотно упакованная и упорядоченная кристаллическая структура. Аморфный материал показан справа: менее плотная структура со случайным расположением атомов.

Figure 1-2 – Illustration of difference in structure between:
(a) crystalline and (b) non-crystalline materials.
The crystal structure is regular, repeating, and denser,
whereas the non-crystalline structure is more loosely packed and random [3]

Плавление металлов

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

Металлы при плавлении испытывают увеличение объема. У чистых металлов это объемное изменение происходит весьма резко и при постоянной температуре – температуре плавления, как это показано на рисунке 2. Это изменение представляет собой разрыв между наклонными линиями по обе стороны от точки плавления. Обе эти наклонные линии характеризуют температурное расширение металла, которое обычно является различным в жидком и твердом состоянии.

Fig. 2 – Characteristic change in volume for a pure metal (a crystalline structure),
compared to same volumetric changes in glass (noncrystalline structure) [3]

Теплота плавления

С этим резким увеличением объема при переходе металла из твердого состояния в жидкое  связано определенное количество тепла, которое называется скрытой теплотой плавления. Это тепло заставляет атомы терять плотную и упорядоченное кристаллическую структуру. Этот процесс является обратимым, он работает в обоих направлениях – и при нагреве, и при охлаждении.

Равновесная температура плавления

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

Жидкости имеют характерную температуру, при которой они превращаются в твердое вещество. Эту температуру называют температурой затвердевания или точкой затвердевания. Теоретически – в равновесных условиях – равновесная температура плавления твердого вещества является той же самой, что и равновесная температура его затвердевания. На практике можно наблюдать небольшие различия между этими величинами (рисунок 3).

Figure 3 – (a) Ideal freezing curve of a pure metal;
(b) Natural freezing and heating curves of a pure metal [4]

Температуры ликвидус и солидус

• Температура начала плавления называется температурой солидус (или точкой солидус)
• Температура окончания плавления – температурой ликвидус (или точкой ликвидус).

«Солидус» означает, понятно, твердый, а «ликвидус» – жидкий: при температуре солидуса весь сплав еще твердый, а при температуре ликвидуса – весь уже жидкий.

При затвердевании этого сплава из жидкого состояния температура начала кристаллизации (затвердевания) будет та же температурой ликвидус, а окончания кристаллизации – та же температура солидус. При температуре сплава между его температурами солидуса и ликвидуса он находится в полужидком-полутвердом, кашеобразном состоянии.

Плавление алюминия

Влияние легирующих элементов и примесей

Добавление в алюминий других элементов, в том числе легирующих, снижает температуру его плавления, точнее – начала его плавления. Так, у некоторых литейных алюминиевых сплавов с большим содержанием кремния и магния температура начала плавления снижается почти до 500 °С. Вообще, понятие «температура плавления» распространяется только на чистые металлы и другие кристаллические вещества. У сплавов же нет определённой температуры плавления: процесс их плавления (и затвердевания) происходит в некотором интервале температур.

 

Figure  4 – Changes in volume per unit weight (1/density) as a function of temperature
for a hypothetical pure metal, alloy, and glass;
all exhibiting similar thermal expansions and melting characteristics [3]

Интервалы температуры плавления

В таблице ниже представлены температуры ликвидуса и солидуса некоторых промышленных деформируемых сплавов. Необходимо иметь в виду, что понятия температур солидус и ликвидус определены для равновесных превращений жидкой фазы в твердую и обратно, то есть при бесконечной длительности процессов. На практике надо делать поправки с учетом скорости нагрева или охлаждения.

Table 2 – The points of liquidus and solidus of some aluminium alloys [1]

Плавление силумина

Не все сплавы имеют интервал между температурами солидус и ликвидус. Такие сплавы называют эвтектическим. Например, у алюминиевого сплава с содержанием 12,5 % кремния точки ликвидуса и солидуса сводятся в точку: этот сплав как и чистые металлы имеет не интервал, а точку плавления. Эта точка и температура называются эвтектическими. Этот сплав относится к знаменитым литейным алюминиево-кремниевым сплавам – силуминам с узким интервалом солидус-ликвидус, что и дает их лучшие литейные свойства.

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

Среди других легирующих элементов алюминия сильнее всего понижает температуру плавления магний: эвтектическая температура 450 °С достигается при содержании магния 18,9 %. Медь дает эвтектическую температуру 548 °С, а марганец – всего лишь 658 °С! Большинство сплавов являются не двойными, а тройными и даже четверными. Поэтому при совместном влиянии нескольких легирующих элементов температура солидуса – начала плавления или конца затвердевания может быть еще ниже.

Затвердевание алюминия

Чистый алюминий

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

Figure 5 – Cooling curve for a pure metal during casting [3]

Figure 6 – Solidification of pure aluminium [5]

Алюминиевый сплав

При затвердевании алюминиевого сплава, который состоит из алюминия и растворенного в нем легирующего элемента, например, кремния или меди, то кривая охлаждение этого сплава показывает, что начало затвердевания происходит при одной температуре, а окончание – при другой температуре (рисунок 7).

Figure 7 – Cooling curve for an aluminium alloy casting (adapted from [3])

Расплавление алюминиевых сплавов для литья

Для нагрева алюминиевого сплава до температуры жидкого состояния, при которой  возможно выполнение операций литья, применяют плавильные печи различных видов. Тепловая энергия, которая требуется для того, чтобы нагреть металл до температуры жидкого состояния, при которой его можно разливать в литейные формы, состоит из суммы следующих компонентов:

• Теплота, чтобы поднять температуру металла до температуры плавления
• Теплота плавления, чтобы перевести металл из твердого состояния в жидкое состояние
• Теплота для нагрева расплавленного металла до заданной температуры разливки

Температура разливки – это температура расплавленного металла, при которой он заливается в литейную форму. Важным фактором здесь является разность между температурой разливки и температурой, при которой начинается затвердевание. Этой температурой является температура (точка) плавления для чистого  алюминия или температура ликвидус для алюминиевого сплава. Эту разность температур иногда называют перегревом. Этот термин также может применяться для количества теплоты, которое надо отобрать от жидкого металла между разливкой и моментом начала затвердевания.

Температура кипения

• Температура кипения чистого алюминия составляет 2494 ºС [1]

Другие термические свойства алюминия [1]:

• скрытая теплота плавления: 397 кДж/г
• удельная теплота испарения: 1,18 · 10^-4 MДж/(г·К)
• теплота сгорания: 31,05 МДж/кг
• теплоемкость: 0,900 кДж/(г·К) при 25 ºС;
  1,18 кДж/(г·К) при 660,4 ºС (жидкий)

Температура плавления различных металлов

Температура плавления некоторых других чистых металлов составляет (градусы Цельсия) [1]:

• ртуть: минус 39
• литий: 181
• олово: 232
• свинец: 328
• цинк: 420
• магний: 650
• медь: 1085
• никель: 1455
• железо: 1538
• титан: 1670

Источники:
1. Aluminum and Aluminum Alloys, ASM International, 1993
2. Handbook of Aluminum: Vol. 1, ed. G. E. Totten, D. S. MacKenzie, 2003
3. Groover, Mikell P. Fundamentals of modern manufacturing: materials, processes and systems, 4th ed. – JOHN WILEY & SONS, 2010
4.  Introduction to Alloy Phase Diagrams – ASM International, 1992
5. TALAT 1205