Der Schmelzpunkt von Aluminium

Der Schmelzpunkt von reinem Aluminium

Aluminium schmilzt, wie auch andere Stoffe, Es findet mit Zufuhr von Wärmeenergie dazu, außerhalb oder direkt in seinem Volumen, Wie geschieht dies, zum Beispiel, in der Induktionsheizung.

Der Schmelzpunkt von Aluminium hängt von seiner Reinheit ab:

• Die Schmelztemperatur von hochreinem Aluminium 99,996 %: 660,37 ° C.
• Wenn der Gehalt an Aluminium 99,5 % Schmelzen beginnt bei 657 ° C.
• Wenn der Gehalt an Aluminium 99,0 % Schmelzen beginnt bei 643 ° C.

Schmelzpunkt von Metallen

Metalle und Nicht-Metalle

Jedes Stück Metall, zum Beispiel Aluminium, Millionen von einzelnen Kristallen, genannt Körner. Jedes Korn hat eine einzigartige Ausrichtung des Kristallgitters, aber zusammen sind die Körner in diesem Stück zufällig ausgerichtet. Eine solche Struktur wird als polykristallin bezeichnet.

amorphe Materialien, z.B. Glas, unterscheiden sich von kristallinen Materialien, z.B. Aluminium, durch zwei wichtige Unterschiede, die miteinander verwandt sind:

• Fehlen einer langreichweitigen Ordnung der Molekularstruktur
• Unterschiede in der Art des Schmelzens und der thermischen Ausdehnung.

Unterschiede in der Molekularstruktur können in Abbildung 1 gesehen werden. Auf der linken Seite ist eine dicht gepackte und geordnete kristalline Struktur dargestellt. Amorphes Material rechts: weniger dichte Struktur mit zufälliger Anordnung der Atome.

Abbildung 1 – Die Struktur von kristallinem (a) und amorphem (b) Material.
Kristalline Struktur: geordnet, sich wiederholend und dicht,
amorphe Struktur – lockerer gepackt
eine ungeordnete Anordnung der Atome.

Metallschmelzen

Dieser Unterschied in der Struktur zeigt sich beim Schmelzen von Metallen, einschließlich des Schmelzens von Aluminium verschiedener Reinheiten und seiner Legierungen. Weniger dicht gepackte Atome führen zu einer Zunahme des Volumens (Abnahme der Dichte) im Vergleich zu demselben Metall im festen kristallinen Zustand.

Metalle erfahren beim Schmelzen eine Volumenvergrößerung. Bei reinen Metallen erfolgt diese Volumenänderung sehr schnell und bei einer konstanten Temperatur – der Schmelztemperatur, wie in Abbildung 2 dargestellt. Diese Änderung ist die Lücke zwischen den schrägen Linien beiderseits des Schmelzpunktes. Diese beiden schrägen Linien charakterisieren die thermische Ausdehnung des Metalls, die in der Regel eine Vielzahl von flüssigen und festen Zustand ist.

Abbildung 2 – Die charakteristische Änderung des Volumens von reinem Metall
im Vergleich mit der Änderung des Volumens des amorphen Materials :
Tg – Glasübergangstemperatur (Übergang vom flüssigen in den festen Zustand);
Tm – die Schmelztemperatur

Die Schmelzwärme

Bei dieser dramatischen Zunahme des Volumens des Metalls beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand entsteht eine bestimmte Wärmemenge, die als latente Schmelzwärme bezeichnet wird. Diese Wärme bewirkt, dass die Atome eine geordnete und dichte Kristallstruktur verlieren. Dieser Prozess ist reversibel, er funktioniert in beide Richtungen – beim Erhitzen und beim Abkühlen.

Die Gleichgewichtsschmelztemperatur

Wie oben gezeigt, haben reine kristalline Stoffe, zum Beispiel reine Metalle, eine charakteristische Schmelztemperatur, die oft als „Schmelzpunkt“ bezeichnet wird. Bei dieser Temperatur ist ein reiner kristalliner Feststoff geschmolzen und wird zu einer Flüssigkeit. Der Übergang zwischen dem festen und dem flüssigen Zustand ist bei kleinen Proben von reinen Metallen so gering, dass er mit einer Genauigkeit von 0,1 oC gemessen werden kann.

Flüssigkeiten haben eine charakteristische Temperatur, bei der sie in einen Feststoff umgewandelt werden. Diese Temperatur wird als Erstarrungstemperatur oder Erstarrungspunkt bezeichnet. Theoretisch – unter Gleichgewichtsbedingungen – ist die Gleichgewichtsschmelztemperatur des Feststoffs die gleiche wie die Gleichgewichtstemperatur der Erstarrung. In der Praxis können kleine Unterschiede zwischen diesen Werten beobachtet werden (Abbildung 3).

Abbildung 3 – Abkühlungs- und Erwärmungskurven von reinem Metall.
Sichtbare Phänomene der Unterkühlung beim Abkühlen und der Überhitzung beim Erwärmen.
Bei der frühen Erstarrung wird eine Depression in der Abkühlungskurve beobachtet,
die durch den verzögerten Beginn der Kristallisation erklärt wird

Temperatur Liquidus und Solidus

• Die Temperatur, bei der das Schmelzen beginnt, wird Solidus-Temperatur (oder Solidus-Punkt)
• Temperatur am Ende des Schmelzens – Liquidus-Temperatur (oder Liquidus-Punkt) genannt.

„Solidus“ bedeutet, verständlich, fest, und „Liquidus“ – Flüssigkeit: bei Solidus-Temperatur die gesamte Legierung mehr fest, und bei Liquidus-Temperatur – die ganze bereits flüssig.

Wenn diese Legierung erstarrt aus einem flüssigen Zustand, die Temperatur des Beginns der Kristallisation (Verfestigung) wird die gleiche Liquidus-Temperatur, eine Schließung Kristallisation – die gleiche Solidus-Temperatur sein. Wenn die Temperatur der Legierung zwischen ihrer Solidus- und Liquidustemperatur liegt, befindet sie sich in einem halbfesten, breiigen Zustand.

Aluminium schmelzen

Der Einfluss von Legierungselementen und Verunreinigungen

Das Hinzufügen anderer Elemente zu Aluminium, einschließlich Legierungen, senkt seine Schmelztemperatur, genauer gesagt – beginnt sein Schmelzen. So wird bei einigen Aluminiumgusslegierungen mit einem hohen Gehalt an Silizium und Magnesium die Schmelzbeginntemperatur auf fast 500 °C gesenkt. Überhaupt gilt der Begriff „Schmelztemperatur“ nur für reine Metalle und andere kristalline Stoffe. Legierungen hingegen haben keinen spezifischen Schmelzpunkt: der Prozess ihres Schmelzens (und Erstarrens) findet in einem bestimmten Temperaturbereich statt.

Abbildung 4: Veränderung des spezifischen Volumens von reinem Metall (Aluminium) und
Legierung dieses Metalls (Aluminiumlegierung)

Intervalle Schmelztemperatur

Die nachstehende Tabelle zeigt die Solidus- und Liquidustemperatur einiger handelsüblicher Knetlegierungen. Es ist zu beachten, dass die Begriffe Liquidus- und Solidustemperaturen für Gleichgewichtsreaktionen in der flüssigen Phase und einem festen Rückstand definiert sind, d.h. bei Prozessen von unendlicher Dauer. In der Praxis ist es notwendig, Anpassungen auf der Grundlage der Erwärmungs- oder Abkühlungsrate vorzunehmen.

Schmelzsilumin

Nicht alle Legierungen haben den Abstand zwischen Solidus- und Liquidustemperaturen. Solche Legierungen werden als eutektisch bezeichnet. Bei einer Aluminiumlegierung, die 12,5 % Silizium enthält, sind die Liquidus- und Soliduspunkte auf einen Punkt reduziert: Diese Legierung hat, wie reine Metalle, kein Intervall, einen Schmelzpunkt. Dieser Punkt wird als eutektische Temperatur bezeichnet. Diese Legierung gehört zu den bekannten Aluminium-Silizium-Gusslegierungen – Silumin schmalen Solidus-Liquidus-Intervall, das ihnen die besten Gusseigenschaften gibt.

Die binäre Legierungen Al-Si Solidus-Temperatur ist konstant bei 577 ° C. Durch die Erhöhung des Siliziumgehalts sinkt die Liquidustemperatur des Höchstwertes für reines Aluminium auf 660°C, und fällt mit der Solidustemperatur von 577°C bei einem Siliziumgehalt von 12,6 % zusammen.

Unter den anderen Legierungselementen von Aluminium senkt Magnesium den Schmelzpunkt am meisten: die eutektische Temperatur von 450°C wird erreicht, wenn der Magnesiumgehalt 18,9 % beträgt. Kupfer eutektische Temperatur gibt 548 ° C, und Mangan – nur 658 ° C! Die meisten Legierungen sind nicht-Doppel- und Dreifach- und sogar Vierfachlegierungen. Daher, wenn die gemeinsame Wirkung von mehreren Legierungselementen solidus Temperatur – Schmelzen Beginn oder Ende der Erstarrung kann niedriger sein.

Aluminium Erstarrung

Reines Aluminium

reine Metalle, einschließlich, reines Aluminium, haben eine klare Schmelzpunkt – Schmelzpunkt. Das Erstarren oder „Einfrieren“ von reinem Aluminium erfolgt ebenfalls bei einer konstanten Temperatur. Wenn reines geschmolzenes Aluminium abgekühlt wird, sinkt seine Temperatur auf den Gefrierpunkt und bleibt bei dieser Temperatur, bis das gesamte (flüssige) Aluminium erstarrt. In den Abbildungen 5 und 6 sind typische Abkühlkurven von reinem Metall mit seinem Übergang von flüssig zu fest dargestellt.

Abbildung 5 – Abkühlkurve von blankem Metall (z.B., Aluminium)

Abbildung 6 – Erstarrung von reinem Aluminium

Aluminiumlegierung

Bei der Erstarrung einer Aluminiumlegierung, die aus dem darin gelösten Aluminium und dem Legierungselement, z.B. Silizium oder Kupfer, besteht, zeigt die Abkühlungskurve der Legierung, dass der Beginn der Erstarrung bei einer Temperatur erfolgt, und das Ende bei einer anderen Temperatur liegt (Abbildung 7).

Abbildung 7 – Abkühlungskurve der Legierung (z.B. Aluminiumlegierung)

Gießen einer Aluminiumlegierung in flüssigem Zustand

Für eine Aluminiumlegierung, die auf eine Temperatur im flüssigen Zustand erhitzt wird, in der man die Gießvorgänge durchführen kann, werden Schmelzöfen verschiedener Typen verwendet. Die thermische Energie, die benötigt wird, um das Metall auf eine Temperatur im flüssigen Zustand zu erhitzen, bei der es in Formen gegossen werden kann, besteht aus der Summe der folgenden Komponenten:

• Wärme, um die Temperatur des Metalls auf den Schmelzpunkt zu erhöhen
• Schmelzwärme, um das Metall vom festen in den flüssigen Zustand umzuwandeln
• Wärme zum Erhitzen des geschmolzenen Metalls auf eine vorgegebene Gießtemperatur

Gießtemperatur – eine Temperatur des geschmolzenen Metalls, bei der es in eine Form gegossen wird. Wichtig ist dabei der Temperaturunterschied zwischen der Gießtemperatur und der Temperatur, bei der die Erstarrung einsetzt. Diese Temperatur ist der Schmelzpunkt (Punkt) für reines Aluminium oder die Liquidustemperatur für Aluminiumlegierungen. Dieser Temperaturunterschied wird manchmal als Überhitzung bezeichnet. Der Begriff kann auch auf die Wärmemenge angewandt werden, die dem flüssigen Metall zwischen dem Gießen und dem Beginn der Erstarrung entzogen werden muss.

Siedetemperatur

• Der Siedepunkt von reinem Aluminium beträgt 2494 ºS

Weitere thermische Eigenschaften von Aluminium:

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

Die Schmelztemperatur verschiedener Metalle

Der Schmelzpunkt einiger anderer Netto-Metalle ist (Grad Celsius) :

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