Teplota tání hliníku

Teplota tání čistého hliníku

Tavení hliníku, stejně jako jiných látek, probíhá s dodávkou tepelné energie do něj, mimo nebo přímo v jeho objemu, Jak k tomu dochází, například při indukčním ohřevu.

Teplota tání hliníku závisí na jeho čistotě:

• Teplota tání ultračistého hliníku 99,996 %: 660,37 °C.
• Při obsahu hliníku 99,5 % začíná tání při teplotě 657 °C.
• Při obsahu hliníku 99,0 % začíná tání při 643 °C.

Teplota tání kovů

Kovy a nekovy

Každý kus kovu, například hliníku, miliony jednotlivých krystalů, tzv. zrn. Každé zrno má jedinečnou orientaci krystalové mřížky, ale dohromady se zrna orientují v rámci tohoto kusu náhodně. Taková struktura se nazývá polykrystalická.

amorfní materiály, například sklo, se od krystalických materiálů, například hliníku, liší dvěma důležitými rozdíly, které spolu souvisejí:

• absence dálkového uspořádání molekulární struktury
• rozdíl v povaze tání a tepelné roztažnosti.

rozdíl v molekulární struktuře je vidět na obrázku 1. Vlevo je znázorněna pevně zabalená a uspořádaná krystalická struktura. Vpravo je zobrazen amorfní materiál: méně hustá struktura s náhodným uspořádáním atomů.

Obrázek 1 – Struktura krystalických (a) a amorfních (b) materiálů.
Krystalická struktura: uspořádaná, opakující se a hustá,
amorfní struktura – volněji uspořádaná
neuspořádané uspořádání atomů.

tavení kovů

Tento rozdíl ve struktuře se projevuje při tavení kovů, včetně, tavení hliníku různé čistoty a jeho slitin. Méně hustě uspořádané atomy způsobují zvětšení objemu (snížení hustoty) ve srovnání se stejným kovem v pevném krystalickém stavu.

Kovy při tavení zaznamenávají zvětšení objemu. U čistých kovů dochází k této změně objemu velmi rychle a při konstantní teplotě – teplotě tání, jak ukazuje obrázek 2. Tato změna představuje mezeru mezi šikmými čarami na obou stranách bodu tání. Obě tyto šikmé čáry charakterizují tepelnou roztažnost kovu, který je obvykle v různém kapalném a pevném stavu.

Obrázek 2 – Charakteristická změna objemu čistého kovu
ve srovnání se změnou objemu amorfního materiálu :
Tg – teplota skelného přechodu (přechod kapalného skupenství do pevného);
Tm – teplota tání

Tavné teplo

S tímto dramatickým zvětšením objemu kovu při přechodu z pevného do kapalného skupenství souvisí určité množství tepla, které se nazývá latentní teplo tání. Toto teplo způsobuje, že atomy ztrácejí uspořádanou a hustou krystalovou strukturu. Tento proces je vratný, Působí oběma směry – jak při zahřívání, tak při ochlazování.

Rovnovážná teplota tání

Jak bylo uvedeno výše, čisté krystalické látky, například čisté kovy, mají charakteristickou teplotu tání, často označovanou jako „teplota tání“. Při této teplotě se jedná o čistou krystalickou pevnou látku, která se roztaví a stane se kapalinou. Přechod mezi pevným a kapalným stavem je u malých vzorků čistých kovů tak malý, že jej lze měřit s přesností 0,1 oC.

Kapaliny mají charakteristickou teplotu, při které se mění na pevnou látku. Tato teplota se nazývá teplota tuhnutí nebo bod tuhnutí. Teoreticky – za rovnovážných podmínek – je rovnovážná teplota tání pevné látky stejná, a to rovnovážná teplota tuhnutí. V praxi lze mezi těmito hodnotami pozorovat malé rozdíly (obrázek 3).

Obrázek 3 – Křivky ochlazování a zahřívání čistého kovu.
Při ochlazování jsou patrné jevy přechlazování a při zahřívání přehřívání.
Na počátku tuhnutí pozorována deprese v křivce ochlazování,
která se vysvětluje opožděným nástupem krystalizace

Teplota liquidus a solidus

• Teplota počátku tání se nazývá teplota solidus (nebo bod solidus)
• Teplota konce tání – teplota liquidus (nebo bod liquidus).

„Solidus“ znamená pochopitelně pevná látka a „liquidus“ – kapalina: při teplotě solidus je celá slitina spíše pevná a při teplotě liquidus – celá již kapalná.

Když tato slitina tuhne z kapalného stavu, bude teplota počátku krystalizace (tuhnutí) stejná teplota liquidus, závěr krystalizace – stejná teplota solidus. Při teplotě slitiny mezi jejími teplotami solidus a liquidus je v polotuhém, kašovitém stavu.

Tavení hliníku

Vliv legujících prvků a nečistot

Přidání dalších prvků k hliníku, včetně legujících, snižuje jeho teplotu tání, přesněji – zahajuje jeho tavení. Takže u některých slitin litého hliníku s vysokým obsahem křemíku a hořčíku se teplota počátku tání snižuje téměř na 500 °C. Vůbec pojem „teplota tání“ se vztahuje pouze na čisté kovy a jiné krystalické látky. Slitiny naproti tomu nemají specifickou teplotu tání: proces jejich tání (a tuhnutí) probíhá v určitém teplotním rozmezí.

Obrázek 4- Změna měrného objemu čistého kovu (hliníku) a
slitiny tohoto kovu (slitiny hliníku)

Teplota tání

Následující tabulka ukazuje teplotu solidusu a liquidusu některých komerčních kovaných slitin. Je třeba mít na paměti, že pojmy teploty liquidus a solidus jsou definovány pro rovnovážné reakce v kapalné fázi a pevné zpět, tj. při nekonečně dlouhých procesech. V praxi je nutné provádět úpravy na základě rychlosti ohřevu nebo ochlazování.

tavení siluminu

Ne všechny slitiny mají rozestup mezi teplotami solidus a liquidus. Takové slitiny se nazývají eutektické. například u slitiny hliníku obsahující 12,5 % křemíku se body liquidus a solidus snižují do jednoho bodu: tato slitina, stejně jako čisté kovy, nemá žádný interval, bod tání. Tento bod se nazývá eutektická teplota. Tato slitina patří k dobře známým slitinám hliníku a křemíku pro odlévání – silumin úzký interval solidus-liquidus, který jim dává nejlepší odlévací vlastnosti.

Teplota solidusu binárních slitin Al-Si je konstantní 577 °C. Zvyšováním obsahu křemíku se snižuje teplota liquidu na maximální hodnotu pro čistý hliník 660 °C a na shodnou s teplotou solidusu 577 °C při obsahu křemíku 12,6 %.

Z dalších legujících prvků hliníku nejvíce snižuje teplotu tání hořčík: eutektické teploty 450 °C se dosahuje při obsahu hořčíku 18,9 %. Eutektická teplota mědi dává 548 °C a manganu jen 658 °C! Většina slitin je nedvojnásobná a trojnásobná, a dokonce i čtyřnásobná. Proto při společném působení několika legujících prvků může být teplota solidus – začátek nebo konec tuhnutí nižší.

tuhnutí hliníku

Čistý hliník

Čisté kovy, včetně, čistého hliníku, mají jasnou teplotu tání – bod tání. Tuhnutí neboli „mrznutí“ čistého hliníku probíhá rovněž při konstantní teplotě. Když se čistý roztavený hliník ochladí, jeho teplota klesne na bod tuhnutí a zůstane na této teplotě, dokud celý (tekutý hliník) neztuhne. Na obrázcích 5 a 6 jsou znázorněny typické křivky ochlazování čistého kovu s jeho přechodem z kapaliny do pevného stavu.

Obr. 5 – Křivka ochlazování holého kovu (např, hliníku)

Obrázek 6 – Tuhnutí čistého hliníku

Slitina hliníku

Při tuhnutí slitiny hliníku, která se skládá z hliníku v ní rozpuštěného a legujícího prvku, např. křemíku nebo mědi, ukazuje chladicí křivka slitiny, že počátek tuhnutí nastává při určité teplotě a konec je při jiné teplotě (obrázek 7).

Obrázek 7 – Křivka ochlazování slitiny (například slitiny hliníku)

Odlévání roztavené slitiny hliníku

Pro slitinu hliníku zahřátou na teplotu tekutého stavu, ve které lze provádět operace odlévání, se používají tavicí pece různých typů. Tepelná energie, která je potřebná k tomu, aby se kov ohřál na teplotu v kapalném stavu, při níž jej lze nalít do forem, se skládá ze součtu následujících složek:

• teplo, pro zvýšení teploty kovu na teplotu tání
• teplo tavení, pro převedení kovu z pevného do kapalného stavu
• teplo pro ohřev roztaveného kovu na předem stanovenou licí teplotu

licí teplota – teplota roztaveného kovu, při které se nalévá do formy. Důležitým faktorem je zde rozdíl teplot mezi teplotou lití a, při které začíná tuhnutí. Touto teplotou je teplota tání (bod) pro čistý hliník nebo teplota liquidu pro slitinu hliníku. Tento teplotní rozdíl se někdy nazývá přehřátí. Termín lze také použít pro množství tepla, které musí být odvedeno z tekutého kovu mezi odlitím a začátkem tuhnutí.

Teplota varu

• Teplota varu čistého hliníku je 2494 ºS

Další tepelné vlastnosti hliníku :

• latentní teplo tání: 397 kJ/g
• specifické teplo vypařování: 1,18 – 10-4 MJ / (g K)
• výhřevnost: 31,05 MJ / kg
• tepelná kapacita: 0,900 kJ / (g K) při 25 ºS;
  1,18 kJ / (g K) při 660,4 ºС (kapalina)

Teplota tání různých kovů

Teplota tání některých dalších čistých kovů je (stupně Celsia) :

• rtuť: minus 39
• lithium: 181
• olovo: 232
• olovo: 328
• zinek: 420
• hořčík: 650
• měď: 1085
• nikl: 1455
• železo: 1538
• titan: 1670

.